Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 621.317+681.518

Формирование зондирующих импульсов
для полиметрических измерительных систем

Гордеев Б.Н., Зивенко А.В., Наконечный А.Г.

Постановка проблемы. Полиметрические измерения базируются на контактном зондировании контролируемых сред (объектов) короткими   электромагнитными импульсами и анализе отраженных сигналов во временной и частотной областях. Точность оценки количественных и качественных характеристик  этих сред в значительной степени зависит от длительности зондирующего импульса. Повышение точности полиметрических измерений может быть достигнуто укорочением длительности зондирующих импульсов и соответственно расширению их частотного спектра [1].

Анализ последних исследований и публикаций. Для получения коротких зондирующих импульсов применяют различные полупроводниковые приборы, работающие в режиме переключения с положительной обратной связью. Однако большинство переключателей с положительной обратной связью по току (лавинные транзисторы, тиристоры, динисторы и др.)  чувствительны к эффектам локализации тока [2]. Токовая неустойчивость отсутствует в переключателях, коммутационные процессы в которых происходят за одно пролетное время носителей через базовую область. Этому классу переключателей принадлежат диоды с накоплением заряда – ДНЗ (SRD) [3]. Существующие ДНЗ позволяют получать импульсы длительностью порядка 1 Нс (по основанию импульса). Однако получение более коротких импульсов затруднительно для работы в сложных условиях эксплуатации (температура, влажность, давление окружающей среды), что  ограничивает  их применение в полиметрических измерительных системах.

Выделение нерешенных ранее частей общей проблемы. Формирование электромагнитных импульсов малой длительности без увеличения потребления электроэнергии на основе схемных решений  и использовании отечественных ДНЗ, ориентированных на  работу в промышленных условиях представляет собой достаточно сложную и нерешенную до конца задачу.

Цель работы. Укорочение зондирующего импульса с минимальными затратами энергии и минимальными схемными решениями, на основе  доступной элементной базы, способной работать в сложных климатических условиях, для повышения точности полиметрических измерений.

Изложение основного материала.  Используемые  способы   формирования электромагнитных  импульсов обеспечивают получение зондирующего  импульса для полиметрических измерений   длительностью порядка 1 Нс.

Ширина спектра  импульса в простейшем приближении определяется его длительностью и  будет определяться выражением (1):

где:  – длительность импульса.

При , полоса частот его спектра составляет величину прядка 1 ГГц, а линейный  интервал, занимаемый импульсом – О.3 м. Уменьшение длительности зондирующего импульса до 0.5 Нс позволить расширить ширину спектра до 2 ГГц, и уменьшить линейный интервал занимаемый зондирующим импульсом до 0.15 м, что позволит повысить точность измерений количественных и качественных характеристик жидких сред [5].

Существующие схемы формирования коротких импульсов   двухступенчатые – вначале формируется предварительный запускающий импульс,  который далее поступает на конечную ступень, где окончательно формируется зондирующий импульс.

На рис. 1 представлена схема формирования предварительного импульса запуска, которая преобразует входной меандр в импульсы отрицательной полярности с фронтом порядка 3 нс и амплитудой  –7,8 В.

Рис. 1 Предварительный формирователь импульса запуска

На рис. 2 приведен сигнал на выходе схемы предварительного формирователя (на рис.2,4,6,7 приведены осциллограммы, полученные на реальных действующих объектах). 

Рис. 2 Осциллограмма импульса предварительного запуска

Далее запускающий импульс со схемы предварительного формирователя поступает на оконечную схему генератора зондирующих  импульсов (рис. 3).

Рис. 3 Схема генератора наносекундных импульсов

Работа схемы оконечного каскада заключается в следующем: диод VD1 обостряет передний фронт, а VD2 формирует задний фронт импульса. Эти диоды  работают в режиме накопления заряда [2,4]. В исходном состоянии от источника напряжения 12 В через диод VD1 проходит ток, величина которого устанавливается резистором R2. В базе диода накапливается заряд неосновных (неравновесных) носителей, величина которого тем больше, чем больше сила тока и эффективное время жизни носителей. В используемых диодах это время составляет примерно 60 нс. В момент, когда на диод поступает запирающий импульс, в цепи диода возникает обратный ток, продолжительностью зависящей от величины накопленного заряда и обратного тока, которым рассасывается заряд. Напряжение на диоде при этом меняется незначительно и практически близко к нулю. Этот этап переходного процесса при запирании диода называется фазой постоянного обратного тока. Во время этой фазы диод как бы шунтирует источник импульса, и напряжение на выходе схемы отсутствует. Затем за счет резкого уменьшения обратного тока напряжение на диоде быстро возрастает, диод запирается. Продолжительность этого этапа называется фазой спада тока. Из этого перепада напряжения формируется передний фронт импульса.

Обостренный импульс напряжения с фронтом около 700 пс и амплитудой   –8 В показан на рис. 4.

Рис. 4 Осциллограмма импульса напряжения с обостренным передним фронтом

Для укорочения длительности переднего фронта предлагается  способ, не повышающий потребление электроэнергии  по сравнению с существующими схемами и требующий  использование минимального количества дополнительных аппаратных средств. Такое решение может быть получено   благодаря внесению  дополнительного каскада, не потребляющего электроэнергии в статическом режиме, а непосредственно только при генерации импульса.

Схема генератора с дополнительным формирователем на диоде VD2 показана на рис. 5.

Рис. 5 Схема генератора наносекундных импульсов с дополнительным каскадом

Обостренный импульс напряжения с диода VD1 через конденсатор C1 поступает на второй обостряющий диод VD2. Прямой ток, устанавливаемый резистором R3, выбран несколько меньшим, чем через диод VD1, так как фронт импульса, поступающего на диод, достаточно короткий. Диод VD2 обостряет фронт до 400 пс (рис. 6).

Далее импульс через конденсатор C2 поступает на диод VD3, который включен последовательно и служит для формирования заднего фронта импульса. Постоянный прямой ток поступает на диод от внешнего источника через резистор R4.  Подбирается он таким образом, что бы добиться как можно меньшей длительности без уменьшения амплитуды. Осциллограмма импульса амплитудой –0,65 В и длительностью 1 нс показана на рис. 7.

Рис.6 Осциллограмма зондирующего  импульса напряжения после дополнительного каскада

Рис. 7 Осциллограмма зондирующего импульса

Выводы.  За счет схемного решения с использованием дополнительного каскада на базе ДНЗ удается  сократить длительность зондирующего импульса на 60%. Использование подобного способа обострения импульсов не приводит к увеличению потребления энергии генератором зондирующих импульсов. 3.Разработанные  схемные решения  обострения отличаются простотой и  обеспечивают  надежную эксплуатацию генераторов зондирующих импульсов в промышленных условиях, в температурном диапазоне  –30..+85 °С.

Литература

1.                  Глебович Г.В., Андриянов А.В., Введенский Ю.В. Исследование объектов с помощью пикосекундных импульсов // Под ред. Г.В. Глебовича. – М.: Радио и связь, 1984. – 256 с.

2.                  Еремин С.А., Мокеев О.К., Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда – М.: Сов. радио, 1966. – 142 с.

3.                  Pavel PROTIVA, Jan MRKVICA, Jan MACHÁČ   Universal Generator of Ultra-Wideband Pulses // Radioengineering, 2008, Vol. 17, №2, pp. 74-78.

4.                  Гордеев Б.Н. Оперативный контроль количественных и качественных характеристик углеводородных топлив // Наукові праці: Науково-методичний журнал. ­– Т. 77, вип. 64. – Миколаїв: Вид-во МДТУ iм. Петра Могили, 2008. – С. 32–37.