Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление

Величина, характеризующая количество энергетических потерь, возникающих при протекании тока через его источник, определяется как внутреннее сопротивление источника тока. Как и обычное сопротивление, имеет единицу измерения, равную 1 Ом. Ток, двигаясь через источник, теряет часть своей энергии, которая переходит в тепло, точно так же, как на любом нагрузочном сопротивлении. Это значит, что величина напряжения на выводах источника зависит от величины тока, а не от ЭДС.

Зависимость напряжения между его выводами от тока источника

Если рассмотреть замкнутую электрическую цепь, в которую включён источник тока (батарейка, аккумулятор или генератор), и нагрузку R, то ток течёт и внутри источника. Внутреннее сопротивление источника, обозначаемое буквой r, ему препятствует.

У генератора r – это внутреннее сопротивление обмоток статора, у аккумулятора – сопротивление электролита.

Измерение сопротивления петли фаза-нуль

Петля «фаза – нуль» – это электрическая цепь переменного тока, которая может возникнуть в результате короткого замыкания между проводами: «фаза» и «ноль» или «фаза» и «фаза». Разрушение изоляции, механические повреждения или случайное соединение оголённых участков кабеля между собой могут стать этому причиной. В установках с глухо заземлённой нейтралью нулевой проводник физически связан с нейтралью трансформатора, она подключена к контуру заземления. При замыкании на корпус или соединении фаз между собой образуется цепь (петля).

Главная задача проводимых измерений – узнавать, каким будет величина тока через петлю при КЗ. Это обязательно для расчёта и подбора защитного оборудования. Хорошим результатом будет маленькое сопротивление петли, тогда ток Iк.з. будет наибольшим. От его величины зависит, как быстро сработает защитный автоматический выключатель.

Чем меньше времени будет затрачено на отключение повреждённой или закороченной цепи, тем больше шансов предотвратить пожар от возгорания кабельной сети. При попадании человека под удар электрического тока в результате прикосновения или короткого замыкания автоматическое снятие напряжения спасёт ему жизнь.

На предприятиях ежегодно проводится комплекс измерений защитного заземления и сопротивления петли фаза – ноль. При неудовлетворительных результатах проводится ряд мероприятий:

  • заменяются участки провода, не отвечающие требованиям по диаметру сечения;
  • перекручиваются болтовые соединения с обязательной установкой врезных шайб;
  • вскрываются контуры защитных заземлений и осматриваются на предмет целостности сварных соединений и состояния элементов заземления;
  • при необходимости в контур защитного заземления добавляются дополнительные элементы;
  • исключается последовательное подключение корпусов устройств к общей шине заземления.

После выполнения комплекса мероприятий измерения проводятся повторно.

Проверка сопротивления петли «фаза – ноль»

Нахождение внутреннего сопротивления

Его можно находить двумя путями: рассчитать или измерить. Первым путём идут при работе с электрическими схемами, второй – выбирают, занимаясь с реальными устройствами.

Простой расчёт производится с использованием формулы Закона Ома для участка полной цепи:

I = ε / (r + R).

Чтобы узнать силу тока, нужно напряжение ЭДС делить на сумму сопротивлений.

Выразив отсюда r, получают формулу для его вычисления:

r = (ε / I) – R,

где:

  • r – внутреннее сопротивление источника;
  • ε – ЭДС источника;
  • I – сила тока в полной цепи;
  • R – сопротивление в полной цепи.

Комплекс измерений этого параметра у настоящего устройства не подразумевает непосредственных замеров. Тестируются напряжения на нагрузочном сопротивлении в двух режимах тока: холостом и КЗ.

Так как не любой источник может выдержать даже кратковременный режим замыкания, берётся метод измерения без вычислений.

В схему включается внешнее сопротивление нагрузки в виде подстроечного резистора Rн. Выставляется такое значение, при котором падение напряжения на резисторе равнялось бы 1/2 U холостого хода. Тогда измеренное омметром Rн будет соответствовать внутреннему сопротивлению источника.

Внутреннее сопротивление источника тока

Малое внутреннее сопротивление

Малой величины внутреннего сопротивления добиваются применением обратной связи в схемах, куда включён двухполюсник. В стабилизаторах напряжения r достигает значений менее 9*10-4 Ом. Автомобильная АКБ 6СТ-60 обладает сопротивлением около 0,01 Ом. Если произвести измерения петли фаза-ноль бытовой сети, то норма значения лежит в пределах 0,05-1 Ом.

Реактивное внутреннее сопротивление

Кроме гальванических и электролитических двухполюсников, существуют источники питания, схемы которых включают в себя реактивные элементы. При определении их внутреннего сопротивления используют метод комплексных амплитуд. Он подразумевает использовать при расчётах комплексные сопротивления элементов, включённых в схему. Величины токов и напряжений заменяются значениями их комплексных амплитуд. Сам алгоритм вычисления такой же, как при расчёте активного сопротивления.

Процесс измерений r-реактивного немного отличается от измерения активной составляющей сопротивления. Методы зависят от того, какие параметры этой комплексной функции нужно узнать: отдельные составляющие или комплексное число.

На эти параметры влияет частота, поэтому, чтобы при тестировании добиться информации о внутреннем реактивном значении r, нужно убрать частотную зависимость. Это достигается комплексом замеров на всём диапазоне частот, генерируемых таким двухполюсником.

Большое внутреннее сопротивление

Пьезоэлектрические датчики, конденсаторные микрофоны и другие источники импульсов обладают повышенным внутренним импедансом. Чтобы эффективно использовать такие устройства, нужно правильно согласовать схему считывания сигнала. При неудачном согласовании неизбежны потери.

Важно! Удачное согласование по напряжению получается при использовании для снятия сигнала устройства, с большим входным сопротивлением, чем у источника сигнала. В случае высокоомного источника для считывания сигнала применяется буферный усилитель.

Внутреннее сопротивление и импеданс

Импеданс – полное (комплексное) внутреннее сопротивление эквивалентного двухполюсника переменному току. Обозначается буквой Z и так же измеряется в Омах.

Слагаемые полного сопротивления – импеданса

Двухполюсник и его эквивалентная схема

Двухполюсник представляет собой электрическую цепь, содержащую две точки присоединения к другим цепям. Бывает два вида электрических цепей:

  • цепи, содержащие источник тока или напряжения;
  • двухполюсники, не являющиеся источниками.

Первые характеризуются электрическими параметрами: силой тока, напряжением и импедансом. Для расчёта параметров таких двухполюсников предварительно производят замену реальных элементов цепи на идеальные элементы. Комбинация, которая получается в результате подобной замены, называется эквивалентной схемой.

Внимание! При работе со сложными электрическими схемами с учётом того, что устройство работает на одной частоте, допустимо преобразовывать последовательные и параллельные ветви до получения простой схемы, доступной для расчёта параметров.

Второй вид двухполюсников можно охарактеризовать только величиной внутреннего сопротивления.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Чем оно выше, тем меньшую мощность выдаёт источник при подключении нагрузки. Определить мощность в нагрузке можно по формуле:

PR = E2/(r+R)2*R,

где:

  • E – напряжение ЭДС;
  • R – сопротивление нагрузки;
  • r – активное внутреннее сопротивление двухполюсника.

Формула применима к двухполюсникам, не отдающим энергию.

К сведению. Когда величина внутреннего сопротивления двухполюсника приближается по своему значению к сопротивлению нагрузки, передача мощности достигает максимума.

Разрядная емкость источника

Величина, зависящая от силы тока разряда, называется разрядной ёмкостью источника. Это электрический заряд, который отдаёт источник в процессе эксплуатации в зависимости от тока нагрузки. Эту величину можно считать постоянной условно. Так, стартерный аккумулятор, имеющий разрядную ёмкость С = 55 А*ч, при токе разряда 5,5 А проработает 10 часов. При запусках холодного или имеющего неисправность автомобиля аккумулятор можно разрядить за несколько минут.

Для того чтобы найти остаточную разрядную ёмкость, производят циклы «заряд – разряд». Они выполняются при помощи нагрузочных сопротивлений. Разряд на нагрузочное сопротивление производят до минимально допустимых значений плотности электролита. При этом замеряется время работы под нагрузкой. Это актуально при сезонном обслуживании аккумуляторов для выявления процессов саморазряда.

Разрядная ёмкость автомобильного аккумулятора

Внутреннее сопротивление источников тока – важная величина. Методы, применяемые для её снижения, являются прямыми путями увеличения отдаваемой мощности источника, значит, повышения производительности двухполюсников. Правильное измерение и вычисление импеданса эквивалентных схем позволяют приблизить двухполюсник к идеальному источнику.

Внутреннее сопротивление химических источников тока (ХИТ) — параметр, на который
многие пользователи не обращают внимания. Однако его величина существенно влияет
на работоспособность устройств с автономным питанием.

Многие радиостанции получали питание
от батарей, состоящих из никель-кадмиевых аккумуляторов емкостью 700 мА.ч (ти-
поразмер АА).

При замене деградировавшей батареи пользователь часто выбирает современные никель-металлгидридные аккумуляторы того же типоразмера, емкость которых достигает 2000–2200 мА·ч. Однако может оказаться, что продолжительность работы новых
батарей (особенно при низкой температуре) значительно меньше ожидаемой. И объясняется это более
высоким внутренним сопротивлением новых аккумуляторов, из-за чего при большом энергопотреблении в режиме передачи радиостанция отключается, хотя ее емкость еще не исчерпана.

Напряжение химического источника тока при разряде может быть записано в виде уравнения

U = НРЦ – IR = НРЦ – I (RΩ + Rпол),

где I — разрядный ток, R — полное сопротивление
ХИТ, RΩ — чисто омическое сопротивление, определяемое сопротивлением токоподводящих деталей
электродов, их активных масс и сопротивлением электролита, Rпол — поляризационное сопротивление,
отражающее скорость электрохимических реакций.
Сопротивление Rпол представляется сложной эквивалентной схемой, содержащей емкость двойного
электрического тока, активное сопротивление переноса заряда и RС-цепочки, отражающие диффузионное сопротивление, адсорбционные процессы
и другие особенности электрохимического процесса. Оно зависит от тока разряда.

Для оценки сопротивления ХИТ может использоваться регистрация его отклика на подачу импульса
постоянного тока и на воздействие переменного тока в некотором диапазоне частот.

В первом случае при анализе отклика ХИТ на импульс постоянного тока можно оценить составляющие его полного сопротивления: на RΩ происходит
мгновенное изменение напряжение, Rпол обеспечивает экспоненциальное изменение напряжения ХИТ
до его нового стационарного состояния. Аппаратура для таких измерений достаточно проста, проблема состоит только в способе и скорости регистрации
отклика, а также в задании продолжительности периода регистрации.

Регистрация отклика на переменный синусоидальный сигнал дает более детальное представление о поляризационном сопротивлении и позволяет оценить
все его составляющие. Отклик обычно представляется в виде годографа импеданса (на плоскости в координатах действительной и реактивной составляющих полного комплексного сопротивления).

Измерения производятся при последовательном
тестировании на разных частотах из диапазона от десятков килогерц до сотых долей герца. Тестовый сигнал должен быть очень малым, что приводит к очень
сложной аппаратурной реализации метода и делает
его исключительно лабораторным.

Оценка внутреннего сопротивления ХИТ как одной из его электрических характеристик

В настоящее время характеристика внутреннего
сопротивления (импеданса) ХИТ должна обязательно включаться в список его технических характеристик. Стандарт МЭК и отечественный ГОСТ разрешают использовать оба описанных ранее метода измерения. Но они приводят к разным величинам
параметра и необходимо понять, можно ли сравнивать характеристики сопротивления аналогичной
продукции отечественных и зарубежных производителей.

Величина импеданса ХИТ, которая дается в каталогах зарубежных производителей, оценивается при измерениях на переменном токе частотой 1000 ±100 Гц
(в течение 1–5 с). Сопротивление вычисляется по формуле

R1000 Гц = U—/I—;,

где I~и U~ — переменный ток и напряжение с откли-
ком на него источника тока. Переменный ток выбирается так, чтобы пиковое значение напряжения
не превышало 20 мВ. Для широкого спектра
источников тока величина R1000 Гц соответствует их омическому сопротивлению RΩ.

В России характеристика внутреннего сопротивления ХИТ обычно измеряется при подаче импульса постоянного тока. Оценивается величина сопротивления

R= (U1–U2)/(I2–I1) (1)

где U1 и U2 — напряжение, которое регистрируется после пропускания тока I1 и I2 соответственно в течение регламентированных интервалов времени τ 1 и Τ 2. В таблице указаны эти параметры для источников тока разных электрохимических систем.

Таблица

При такой методике измеренная величина
включает кроме RΩ еще и поляризационное
сопротивление. Она заметно больше величины R1000 Гц. А так как стационарное состояние
источника тока к моменту Τ
2 может и не до-
стигаться, эта величина не всегда характеризует и полное сопротивление источника тока.

Использование параметра внутреннего сопротивления при отработке технологии изготовления источников тока и диагностике их состояния

Измерения внутреннего сопротивления ХИТ
могут быть использованы разработчиками при
отработке технологии их изготовления. В этом
случае наиболее полезной является информация о сопротивлении RΩ, так как она дает возможность лучше выявить все зависимости
между конструктивными и технологическими
параметрами и конечными характеристиками
изделия. Такая информация помогает быстрее
выбрать лучший сепарационный материал, определить допуски при дозировке электролита,
оценить плотность сборки.

Для диагностики технического состояния
ХИТ (степени разряженности, степени деградации, состояния после длительного хранения) в зависимости от природы источников
тока разных электрохимических систем полезной может быть информация и об омическом сопротивлении, и о поляризационном.

У герметичных источников тока с водным
электролитом (щелочных и свинцово-кислотных) осушение сепаратора в результате разбухания электродов и некоторых потерь воды,
изменение плотности сборки электродов и деформация аккумуляторов в результате повышенного давления приводят к увеличению
омического сопротивления. У литиевых источников тока этот эффект выражен меньше, а изменение поверхностной анодной пленки сказывается на поляризационном сопротивлении.

К сожалению, изменения параметров внутреннего сопротивления ХИТ в литературе обычно описывают только качественно.
Из-за большого спектра используемых в разных приложениях источников тока, разнообразия их конструкций и технологий изготовления диагностика состояния ХИТ по величине их внутреннего сопротивления может стать
возможной лишь при накоплении данных относительно конкретных источников тока ,
так как:

  • разброс RΩ свежеизготовленных ХИТ конкретного типа может быть соизмерим с изменением RΩ этого источника тока в процессе разряда; это в наибольшей степени касается отечественных аккумуляторов;
  • разброс внутреннего сопротивления аккумуляторов ведущих зарубежных компаний, таких как SAFT, SANYO, PANASONIC, обычно не превышает 20%;
  • изменения RΩ при изменении степени разряженности зависят от типа источника тока и его емкости;
  • изменения RΩ при изменении степени разряженности и степени деградации различны у разных производителей;
  • диагностика литиевых источников тока по их внутреннему сопротивлению затруднена из-за быстрой пассивации анода, а разброс сопротивления пассивной пленки значительно увеличивается со временем хранения.

Возможности диагностирования состояния
литий-ионных аккумуляторов изучены плохо, но известно, что их омическое сопротивление в процессе разряда увеличивается мало,
а пассивация их анодов разного состава соизмерима с пассивацией металлического литиевого анода в литиевых элементах.

Из сказанного следует, что определение состояния источника тока с неизвестной предысторией эксплуатации весьма проблематично.
Однако при периодическом измерении RΩ
ХИТ в процессе эксплуатации (при одинаковой высокой степени заряженности и температуре) можно прогнозировать его работоспособность. Обычно источники тока считаются работоспособными до тех пор, пока их
фактическая разрядная емкость Сраз не станет
менее 60–50% от номинальной емкости (Сн).
Зависимость Сраз и омического сопротивления в пределах этого периода эксплуатации
достаточно точно описывается эмпирическим
уравнением

Сраз RΩ = const

Поэтому, измерив омическое сопротивление
RΩ используемого источника тока в начале эксплуатации, при периодических последующих
его измерениях можно с достаточной точностью предсказывать реальную емкость ХИТ.
И эта процедура занимает всего несколько секунд. Измерения сопротивления возможны
и на работающих в буферном режиме батареях.

Выявление момента ускорения деградации
источников тока позволяет своевременно принять меры по восстановлению их работоспособности или замене.

По скорости изменения сопротивления в течение срока службы можно судить и о правильности условий эксплуатации.

Сравнение величин RΩ аккумуляторов в составе батареи можно использовать для быстрого выявления «слабых». Деформация аккумуляторов или высыхание сепаратора приводит
к значительному увеличению сопротивления
относительно среднего его значения для всех
аккумуляторов батареи.

Аппаратура для измерений внутреннего сопротивления источников тока

В России до настоящего времени стандартизованной аппаратуры для измерений внутреннего сопротивления ХИТ на постоянном
токе нет. А аппаратура для импедансных исследований очень дорога и используется только в исследовательских центрах.

Измерения сопротивления источников тока, которые реализованы в зарубежной диагностической аппаратуре для ХИТ небольшой
емкости, привязаны к методике измерений
на постоянном токе, но обычно не к стандарту, и потому разрешают вопрос только сравнительных испытаний однотипных источников тока.

В настоящее время, когда стала обязательной оценка характеристики внутреннего сопротивления выпускаемых источников тока,
и вопросы диагностирования технического состояния массовой продукции требуют решения, необходима аппаратура, достаточно простая и универсальная, доступная как компаниям, производящим источники тока, так
и сервисным службам.

В ООО «Мегарон» разработан тестер-анализатор внутреннего сопротивления химических источников тока, который осуществляет измерения сопротивления как постоянному току, так и переменному частотой 1 кГц.

Технические характеристики:

Внешний вид тестера показан на рисунке.

Рисунок. Тестер для измерения внутреннего сопротивления источников тока

Временная диаграмма соответствует ГОСТу
на щелочные аккумуляторы.

Омическое сопротивление, а также импеданс на частоте 1000 Гц измеряются в гальваностатическом режиме при токе разряда I1 в течение первых десяти секунд. За это время производится несколько измерений с усреднением результатов. Полное сопротивление вычисля-
ется в соответствии с формулой (1). Поляризационное сопротивление вычисляется как
разница полного и омического сопротивлений.

Тестер обеспечивает точные измерения омического сопротивления и сопротивления на частоте 1000Гц, а полное и поляризационное сопротивления вычисляются при токах меньше
регламентированных, однако и эти параметры
могут использоваться для сравнительных оценок однотипных источников тока.

Результаты измерений (НРЦ, величины
омического сопротивления, поляризационного и полного, импеданса при 1000 Гц) считываются поочередно с 4-разрядного дисплея.

Разработан измеритель позволяющий работать автономно и совместно с компьютером.

При подключении к компьютеру имеются
дополнительные возможности:

  • Автоматическая регистрация и сохранение параметров ХИТ.
  • Ведение базы обслуживавшихся ХИТ
  • Отбраковка ХИТ. Параметры по которым ведется отбраковка и их величины могут задаваться во всем рабочем диапазоне.
  • При подключении внешнего зарядно-разрядного устройства снятие зависимостей измеряемых параметров от степени заряженности ХИТ.

Разрабатывается модификация тестера для
измерения сопротивления герметизированных свинцово-кислотных батарей, которая дает возможность также и измерения тока короткого замыкания.

Разрабатываются модификации тестера:

  • с подключением к компьютеру через СОМ- порт для мониторинга всех параметров сопротивления в процессе заряда-разряда;
  • Пригодные для измерения сопротивления герметизированных свинцово-кислотных батарей, которые дают возможность также и измерения тока короткого замыкания.

Расширение диапазона обследуемых в соответствии со стандартом МЭК источников
тока возможно при создании универсального
стационарного прибора, где тестовый ток для
измерений внутреннего сопротивления на постоянном токе будет задаваться вшироком диапазоне, а временная его диаграмма будет соответствовать стандарту на любые источники
тока. Изготовление такого прибора планируется в самое ближайшее время.

Авторы выражают благодарность А. А. Тагановой за помощь в подготовке материала.

Литература

  1. Таганова А. А., Бубнов Ю. И., Орлов
    Б. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, оборудование для испытаний и эксплуатации. СПб:Химиздат. 2005.
  2. Таганова А. А., Пак И. А. Герметичные химические источники тока для портативной аппаратуры: Справочник. СПб: Химиздат. 2003.
  3. Таганова А. А., Бубнов Ю. И. Герметичные химические источники тока: элементы и аккумуляторы, способы и устройства заряда. СПб: Химиздат. 2002.

Lapshin Vladimir Borisovich — e-mail: director@ipg.geospace.ru; phone: +74991878186; director; dr. of phis.-math. sc.; professor.

Panshin Evgeny Alexandrovich — e-mail: pansevgenij@yandex.ru; phone: +74991813622; senior assistant.

Dorenskiy Sergey Vladimirovich — e-mail: Libertango@inbox.ru; phone: +79266134074; postgraduate student.

УДК 550.837.6

АЖ. Волковицкий, E.B. Каршаков, Б.В. Павлов

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

ПОРОД КАК НАВИГАЦИОННОЕ ПОЛЕ ДЛЯ КОРРЕЛЯЦИОННОЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СИСТЕМ

Рассматриваются средства дистанционного измерения эффективного удельного сопротивления с борта летательного аппарата. Дается классификация бортовых электро-, .

,

. ,

а также результаты сравнения полученных оценок эффективного удельного сопротивления с материалами наземных средств измерения. Исследуются возможности применения параметров распределения удельного сопротивления в качестве навигационного поля для корреляционно-экстремальных навигационных систем.

Электромагнитные измерения; эффективное удельное сопротивление; корреляционно-экстремальные навигационные системы.

A.K. Volkovitsky, E.V. Karshakov, B.V. Pavlov

THE DISTRIBUTION OF SOIL EFFECTIVE RESISTIVITY AS A

NAVIGATION FIELD FOR CORRELATION-EXTREMAL SYSTEMS

Electromagnetic measurements; effective resistivity; correlation-extremal navigation systems.

Введение. Навигация по геофизическим полям — полю рельефа, оптическому полю, аномальному магнитному и гравитационному полям Земли и т.д., — широко применяется при построении бортовых информационно-управляющих систем . При этом ведутся широкомасштабные работы по исследованию навигационных свойств того или иного поля с оценкой их применимости в задачах корреляционно-экстремальной навигации.

В данной работе также исследуется одно из полей — поле удельных сопро-. ,

, , -, , по измерениям электромагнитной системы того или иного типа. В случае дистан-

ционных измерений с борта летательного аппарата современными электромагнитными системами измеряются компоненты переменного магнитного поля индукционным приемником. В системах наземного базирования появляется возможность измерять не только магнитную, но и электрическую составляющую электромагнитного поля .

Существуют хорошо развитые методики интерпретации измерений электромагнитных систем, предполагающие решение обратной задачи — поиска распределения удельного сопротивления внутри Земли, — в одно-, двух- и трехмерном варианте . Однако, в силу известной некорректности обратной задачи, результат интерпретации может зависеть как от выбранной методики решения, так и от типа применяемой электромагнитной системы. В частности, результат двумерной инверсии для какой-то линии измерений в общем случае не будет являться сечением для трехмерного решения, полученного с использованием того же профиля, так как в первом случае предполагается однородность распределения сопротивления в , , -ность во всех направлениях.

В данной работе предлагается использование традиционного для всех электромагнитных систем параметра — эффективного, или кажущегося удельного сопротивления . Под этим понятием подразумевается удельное сопротивление эквивалентного полупространства, т.е. однородного проводящего полупространст-,

измерений электромагнитной системы.

Бортовые электромагнитные системы. За более чем 60-летнюю историю разработан целый ряд модификаций аэроэлектромагнитных систем . Их можно классифицировать следующим образом.

. ,

магнитного поля являются естественные или глобальные искусственные процессы, протекающие на Земле — возмущения ионосферы, грозы, приливные вариации магнитного поля, работа мощных низкочастотных передатчиков и т.п. Поскольку источник поля не контролируем, результатом измерений является тот или иной импеданс, например отношение вертикальной и горизонтальной компонент переменного поля на заданной частоте. Такие системы хорошо зарекомендовали себя в наземных вариантах — это магнито-теллурическое зондирование (МТЗ) и АМТЗ (аудио — в звуковом диапазоне частот) . Существуют реализации аэровариантов АМТЗ: 7-ТЕМ, МгМТ .

Главное преимущество таких электромагнитных систем — отсутствие пере.

Основная проблема, связанная с использованием таких систем, — очень низкие амплитуды гармоник естественных электромагнитных полей по сравнению с постоянным магнитным полем Земли и с полем летательного аппарата-носителя. , -венных полей для частоты 100 Гц — порядка 8 мкА/м, тогда как постоянное магнитное поле составляет около 40 А/м. Очевидно, что даже при незначительных (~ 3°) низкочастотных (~ 0,3 Гц) угловых колебаниях приемника переменная составляющая поля в проекции на ось чувствительности датчика будет превышать амплитуду естественных полей на пять порядков. Заметим также, что и аномальное магнитное поле Земли, влияющее на изменение потока магнитного поля за счет движения летательного аппарата, и переменная составляющая магнитного поля летательного аппарата приводят к появлению паразитного сигнала, значительно превышающего полезный сигнал. Следствием этого являются повышенные требования к обеспечению динамического диапазона датчика переменного магнитного поля — 24 разряда или более.

Все перечисленные выше системы, применяемые для геофизических исследований, выполнены в буксируемом варианте. При этом приемник удален от летательного аппарата на расстояние около 100 метров. Кроме того, накладываются существенные ограничения на режимы пилотирования. В частности, скорость буксировки Л1гМТ составляет 90 км/ч. Также при работе данных систем приходится выбирать интервал времени, в котором естественные поля наиболее интенсивны.

Системы с контролируемым источником. Существуют различные модификации электромагнитных систем, включающие в свой состав источник поля. Такая конфигурация системы позволяет снизить требования к динамическому диапазону приемника за счет повышения амплитуды возбуждаемого поля.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Данные системы условно можно разделить на две группы. К первой группе , . , где и передатчик, и приемник переменного магнитного поля устанавливается на борту летательного аппарата, такие как 1ЛС . Другой вариант — установка и передатчика, и приемника на одной буксируемой конструкции: НатттдЫгё, Леггет .

Среди преимуществ первой группы следует выделить небольшие физические , . можно отнести необходимость компенсации первичного поля в точке расположения приемника, поскольку его величина на 5-7 порядков больше поля отклика, несущего информацию о распределении проводимости в слагающих землю породах.

Ко второй группе относятся системы с изменяемой базой. В системах этой , , . недостаток систем с переменной базой — изменяющееся поле при изменении взаимного расположения передатчика и приемника. Как следствие, требуется информация о взаимном расположении передатчика и приемника .

Известны варианты электромагнитных систем, в которых передатчик устанавливается неподвижно на земле . Однако зона работоспособности такой системы ограничивается радиусом распространения поля передатчика — до 1-2 км. Для задач корреляционно-экстремальной навигации больший интерес представля-, , . системам относятся электромагнитные комплексы ЕМ-4Н, Экватор и многие другие .

Вычисление эффективного удельного сопротивления. Наиболее общая геометрическая схема аэроэлектромагнитной системы с контролируемым источником показана на рис. 1.

,

выражается следующим образом :

НГ (Г- z ) = — I и (п0 — z) Л К г КХ-

п 0 (1) К (г,г) = — — Iи К^) •/0 Кг)п02^0.

2п 0

Здесь Н’г, Н’я — амплитуды горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности переменного магнитного поля отклика для соответствующей гармоники возбуждения, г, г — координаты приемника (рис. 1), и’ — двумерный пространственный спектр поля отклика, п0 =^1 + к^ , кх, ку — пространственные частоты

возбуждающий

Аг і І

Рис. 1. Схема аэроэлектромагнитной системы

Спектр поля отклика над однородным полупространством выражается так :

«с ( — *1 )

и

і( т)_ ме ^ ^ «1 -«с

(пс )_

. (2) 2 и1 + п0

5 С

§ 2

¥ 7

х 5; і £

^—7 — — ^

/ / / /

/ / /

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

г !

/, » / / V’ А X

/ / ‘ ‘V Ж»/ / /

4 у,

—— КсН/8370

——№№2090

——№№520

….. КпІНЗО

—— 1тИг8320

► — ітнззоао

——ІтНйЗО

…. ІтН/130

См /м

Рис. 2. Амплитуды синфазной (ЯвИг) и квадратурной (ТшШ) компонент отклика как функции удельной проводимости для частот 130, 520, 2080 и 8320 Гц

, (1), (2) .

действительная часть соответствует синфазной возбуждению части отклика, а мнимая — квадратурной, т.е. сдвинутой относительно фазы возбуждения на я/2. Данные соотношения позволяют получить функцию зависимости отклика от удельного сопротивления полупространства. Характер зависимости отклика от частоты и удельной проводимости однородного полупространства можно видеть на рис. 2 (высота передатчика 100 метров, расстояние до приемника 70 метров, эти ).

Оценка применимости в задачах навигации. Для возможного применения поля свойств проводимости при решении задач навигации следует отметить следующие важные свойства.

1. (2) —

ние с частотой, зависимость отклика от а для одной частоты может быть пересчитана в зависимость для любой другой частоты умножением удельной проводимости на соответствующий коэффициент.

2. -пространства схож с логнормальным распределением. Как следствие, одна и та же ошибка измерения компонент отклика приводит к различным погрешностям вычисления удельной проводимости в зависимости от того, в каком диапазоне проводимости работает система. Чувствительность современных аэроэлектромагнит-ных систем — 10″4-10″5 от величины первичного поля. Это означает, что аномальный отклик может быть измерен с точностью 10″2-10″3. Очевидно, что аномалия удельного сопротивления 1 Ом-м на фоне 2-3 Ом-м будет надежно измерена, а на фоне 1000 Ом-м не будет выделена.

3. , —

клика быстро убывает с ростом высоты над рельефом. Так, для абсолютно проводящего полупространства справедлив следующий предельный переход:

н(0′-‘2 ^+27 <3)

Здесь Н1 — высота передатчика, Н2 — высота приемника над землей. То есть отклик убывает пропорционально кубу высоты. Максимальная заявленная и экспериментально подтвержденная высота, на которой современная электромагнитная система УТБМ способна измерить отклик от земли, составляет около 700 метров .

существенно зависит от высоты полета. Дело в том, при изменении высоты меняется размер зоны возбуждения на поверхности земли, как показано на рис. 3. При высоте передатчика 50 метров около 80 % энергии поля сосредоточено в круге 70 . —

чены карты эффективных удельных сопротивлений масштаба 1:5000, т.е. 50 метров между точками измерений. Детальность подтверждена сравнением полученной карты с картой масштаба 1:10000 . Высота полета передатчика при этом в

50 .

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Также опубликованы результаты сравнения материалов съемки системы Экватор с данными об эффективных удельных сопротивлениях, полученных наземными методами . Съемка Экватором масштаба 1:25000 выполнялась с высоты 70-100 метров (от передатчика). Наземная съемка выполнена масштабом 1:10000.

1 %.

границы аномальных зон, полученные при аэросъемке, размыты за счет большой зоны возбуждения по сравнению с границами на карте, полученной по результатам .

5. .

подтверждается работами, выполненными ЗАО «ГНПП «Аэрогеофизика”» на полярном Урале . Работы выполнялись участками несколькими комплексами БМ-4Н, часть которых была установлена на самолетах Ан-2, а часть — на вертолетах Ми-8. Работы проводились в течение нескольких лет. В результате была получена единая карта распределения эффективных сопротивлений для большого региона.

6. Результаты измерений аэроэлектромагнитных систем применяются для уточнения геологических границ, разломов и т.п. Как следствие, зона изменения или аномалии удельного сопротивления может быть предсказана при наличии достаточно точной геологической карты.

амплитуда сигнала возбуждения

Рис. 3. Общая схема геометрии вертолетной электроразведочной системы на внешней подвеске с разнесенными передатчиком и приемником и график зависимости амплитуды сигнала возбуждения в процентах от значения на оси вертикального магнитного диполя (ВМД), пунктиром указаны расстояния от оси ВМД при значении сигнала возбуждения 50 % от значения на оси

Заключение. В статье были исследованы вопросы применимости электромагнитных систем в задачах навигации. Показано, что для корреляционноэкстремальных навигационных систем более перспективны электромагнитные системы с контролируемым источником. Несмотря на ограничения, связанные существенной зависимостью результатов от высоты полета над рельефом, само значение эффективного удельного сопротивления является достаточно устойчи-, .

БИБЛИОГРЛФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Белоглазое Н.Н, Джанджгава Г.И., Чигин Н.Н. Основы навигации по физическим полям. — М.: Наука, 1985. — 328 с.

2. Жданов М.С. Электроразведка: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1986. — 316 с.

3. Тригубович ГМ., Персова М.Г., Соловейчик ЮТ. 3Б-электроразведка становлением поля. — Новосибирск.: Наука, 2007. — 218 с.

7. .. .. ..

относительной навигации и ориентации // Гироскопия и навигация. — 2010. — № 1 (68).

— С.3-15.

9. . ., . ., . . —

троразведочная система EM-4H // Записки Горного института. — 2009. — Т. 183. — С. 224-227.

10. Волковицкий АТ., Каршаков Е.В., Мойланен ЕВ. Новая вертолетная электроразведочная система «Экватор» для метода АМПП // Приборы и системы разведочной геофизики.

— 2010. — № 02 (32). — С. 27-29.

11. ., . . — .: Наука,1978. — 831 с.

14. . ., . ., . . —

15. . . // .

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

-2011. — № 7. — С. 31-36.

Статью рекомендовал к опубликованию д.т.н. М.Ю. Медведев.

Волковицкий Андрей Кириллович — Учреждение Российской Академии наук Институт проблем управления им. В А. Трапезникова РАН; e-mail: avolkovitsky@yandex.ru; 117997, г. Москва, ул. Профсоюзная, 65; тел.: 84953349080; лаборатория динамических информаци-онно-управляющих систем; ведущий инженер.

УДК 004.94, 519.8, 537.86

Д.Д. Ступин

ВОЗМОЖНОСТИ РАСПОЗНАВАНИЯ СИТУАЦИИ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ РЛС НАБЛЮДЕНИЯ КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КОГЕРЕНТНЫХ СИГНАЛОВ БОЛЬШОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТИ

Рассмотрены возможные направления повышения информационно-энергетических параметров РЛС наблюдения баллистических и космических объектов (КО). Сформулированы задачи для РЛС этого класса с точки зрения распознавания нештатных ситуаций в .

РЛС и возможные количественные оценки их достоверности, необходимые для надежного


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *