Вимоги до методики й обладнання для вимірювання каналів витоку з акустоелектричними перетвореннями

Йдеться про вимірювання сигналів у лініях, що відходять від технічних засобів, у мовному діапазоні частот. Ці сигнали виникають під дією на технічні засоби звуку, тобто під впливом падаючої на технічний засіб звукової хвилі. Вимоги до методики й обладнання вимірювання залежать:

– від того, що потрібно вимірювати;

– від діючої методики;

– від умов вимірювання (на стенді та на об’єкті);

– від схеми вимірювання.

За акустоелектричних перетворень вимірюванню підлягають значення напруги змінного струму, рідко – сила змінного струму. Величини вимірюваних значень займають діапазон від перших десятків нВ (тобто порядку хх ∙ 10^-8 В) до перших одиниць В. Це відповідає діапазону вимірювання у 169 дБ, чого досягти майже неможливо.

Мінімальні значення визначаються вимогами чинних нормативних документів – це «найперші десятки нВ». За правилами метрології, коректною може вважатися виміряна величина, якщо вона перевищує рівень завад у тракті вимірювання, хоча б на 3 … 6 дБ, на практиці – не менше, ніж на 10 дБ. Отже, потрібно мати можливість вимірювати сигнали, які нижчі найменшої норми на 15 дБ.

Знайдемо верхню межу. Сигнали акустоелектричних перетворень рідко перевищують значення перших десятків мВ, тобто мають порядок хх ∙ 10^-3 В). Але всі вимірювання виконуються в умовах величезного числа наведень на вимірювану лінію (порт). Зокрема, у робочий діапазон безпосередньо потрапляють наведення від промислової електромережі 220 В, 50 Гц з усіма її гармоніками. Величини цих наведень складають від сотень мВ до одиниць В.

Інформативний сигнал і завада діють на вході засобу вимірювання одночасно. Для роботи у лінійному режимі вхідні ланцюги зобов’язані пропускати цей динамічний діапазон без спотворень (без обмеження, без компресії).

Сучасні засоби вимірювання побудовані як цифрові. Тобто після первинної обробки (посилення, придушення завад) сигнал надходить до АЦП. Типовий АЦП здатний оцифрувати сигнал із динамікою не більше 80 дБ. Тому потрібно так будувати схему експерименту, щоб максимально знизити рівень завад (в першу чергу – «мережевих»). Відразу після вхідних ланцюгів потрібно вжити заходи по придушенню наведених сигналів із великими амплітудами. Придушення повинно бути ефективним, вузькосмуговим й адаптивним, бо частота електромережі нестабільна.

Вимірювання проводять як на відключених знеструмлених лініях чи пристроях, так і на працюючих лініях і пристроях в їхніх звичайних умовах експлуатації. При вимірюванні напруги обов’язковою метрологічною умовою чи правилом є вимога, щоб вхідний опір засобу вимірювання не менше, ніж у 10 разів перевищував вихідний опір джерела сигналу.

У випадку підключеної лінії вихідний опір має достатньо низькі значення (50, 100, 150, 600, 1500 Ом). Тут труднощів не виникає. Але у режимі «холостого ходу» на знеструмленій лінії вихідний опір «джерела сигналів» складає сотні, тисячі кОм і навіть МОм. Вимірювач Unipan має у своєму складі передпідсилювач із вхідним опором 10 МОм.

Таким чином, вимірювач напруги повинен мати великий вхідний опір (не менше 10 МОм) і вхідну ємність не більше 10 … 15 пФ, з кабелем не більше 100 пФ.

4.4.1 Вимоги до антен і до вимірювання електромагнітного поля на низьких частотах

При дослідженні акустоелектричних перетворень у низькочастотному (НЧ) діапазоні (звукових частот) існує електромагнітне поле та вимірюють напруженості полів. У НЧ діапазоні, у «ближній зоні», тобто на відстанях порядку (0,1 … 0,2) λ електричний і магнітний компоненти поля існують, практично, незалежно одна від одної. Для частоти, наприклад, 10 кГц довжина хвилі складає 30 км. Частіше доводиться мати справу саме з магнітною компонентою поля.

Вимірювання магнітної компоненти поля проводяться, майже без виключень, різними моделями рамкових антен. Усі вони являють собою один або декілька витків провідника, круглих або квадратних, надійно екранованих металевим трубчастим екраном з одним діелектричним зазором. Діаметр рамки у різних моделей буває від декількох десятків мм до декількох м.

Загальне правило, що випливає із закону електромагнітної індукції Майкла Фарадея, полягає у тому, що за інших рівних умов ЕРС на виводах витка, за постійної величини напруженості магнітного поля, прямопропорційна площі витка, яка, у свою чергу, зростає пропорційно квадрату його радіуса.

У диференціальній формі закон Фарадея можна записати у наступному вигляді:

. (4.24)

В еквівалентній інтегральній формі:

, (4.25)

де – напруженість електричного поля;

– магнітна індукція;

S – довільна поверхня;

∂S – її границя. Контур інтегрування ∂S є фіксованим.

Антена характеризується:

– «діючою висотою» антени. Це умовний коефіцієнт, що для електричної антени має розмірність «м» і зв’язує ЕРС на виході антени з напруженістю поля в А/м;

– «антенним коефіцієнтом К _а з розмірністю К _а= В /(А/м) = м*Ом.

Обидва параметри будуть тим кращими, чим більше площа антени (площа витка).

Будь-яка «котушка», навіть одновиткова має індуктивність. Реальна котушка має і паразитну ємність. Ця ємність складається із «міжвиткової» ємності, паразитної ємності екрана, рознімів, кабелю та вхідної ємності засобу вимірювання, до якого підключена антена. Причому ці ємності включені паралельно індуктивності й утворюють паралельний коливальний контур. На резонансній частоті різко збільшується чутливість антени. Робочою ділянкою вважають область частот багато нижче за перший резонанс, де можна забезпечити стабільність характеристик антени. Амплітудно-частотна характеристика, тобто антенний коефіцієнт К _а умовної рамкової антени наведена на рис. 4.13.

 

Рисунок 4.13 – Типова амплітудно-частотна характеристика рамкової антени

 

На практиці застосовуються рамкові антени з діаметром витка (витків) від приблизно 0,15 до 0,8 м. Рамкові антени можуть бути як «пасивними» (тобто просто виток, котушка), так і активними (із вбудованим у конструктив попереднім широкосмуговим підсилювачем).

Пасивні антени мають надто низькі рівні власних шумів, практично нічим не обмежений динамічний діапазон, але їхня чутливість обмежена вищенаведеним виразом для електромагнітної індукції та шумами засобу вимірювання. Їх можна застосувати як випромінюючі антени.

Активні антени мають динамічний діапазон не більше 120 … 140 дБ, дещо значні шуми, але велику чутливість по полю. Вони не можуть бути застосовані як випромінюючі.

Важливою особливістю класичної рамкової антени є її діаграма направленості. Графічно вона у площині, що проходить перпендикулярно площині витка, являє собою два кола, дотичні у точці розміщення антени. У просторі це дві сфери, так само дотичні у точці розміщення самої антени (рис. 4.14).

 

Рисунок 4.14 – Діаграма направленості рамкової антени або диполя

 

Магнітний потік через виток рамки може змінюватись як внаслідок зміни напряму (або величини) вектора поля, так і за рахунок руху витка щодо цього вектора.

Будь-які коливання рамки позначатимуться на результатах вимірювань, зокрема й коливання рамки (або провідників у ній) за рахунок дії акустичної (вібраційної) дії на рамку. Тобто, сама рамка може служити класичним електродинамічним мікрофоном (виток у магнітному полі землі). Сигнали, що «генеруються» за рахунок такого ефекту неможливо відрізнити від сигналу, що викликається аналогічною зміною самого вимірюваного вектора поля. Тому рамкові антени для вимірювання надто малих сигналів саме в області НЧ акустоелектричних перетворень непридатні.

Для вимірювання електричної «Е» компоненти поля, практично без виключень, застосовуються укорочені активні диполі. За такої малої довжини пасивних диполів їхня чутливість виявляється надто низькою. Направленість диполя у площині, така сама як у рамки (рис. 4.14), але у тривимірному уявленні це не дві сфери, а «бублик», тороїд. Просторово тороїд розміщений у площині, перпендикулярній лінії осей диполів.

4.4.2 Вимоги до вимірювача низькочастотних полів

Найчастіше вимірювання полів в області НЧ доводиться виконувати від технічних засобів, у ланцюгах яких «небезпечні сигнали» мають помітну величину. Тобто, перш за все, від основних технічних засобів передачі інформації: системи звукопідсилення, конференц- і гучномовного зв’язку, системи «озвучування» залів, засобів мультимедіа, які обробляють закриту інформацію. Джерелами помітних полів є вузли та блоки з сильним сигналом – вихідні каскади підсилювачів НЧ, гучномовці (колонки), їхні з’єднувальні лінії. Все це відноситься як до магнітного, так і до електричного поля.

Є важливою симетричність ліній. Чим вища симетрія, тим менше поля розсіяння, тобто менше ПЕМВН. Часто і джерела вторинних технічних засобів можуть створювати небезпечні поля. Наприклад, звичайний гучномовець (колонка) при замкненому на коротко вході за рахунок акустичної дії здатний розвинути у звуковій котушці струм, помітної величини, що породжує магнітне поле розсіяння.

Вектор електричного поля, як правило, направлений від провідника, що його породжує (блока, вузла) по радіусу, назовні. Максимальні рівні диполь приймає тоді (особливо у ближній зоні), коли вісь диполів колінеарна напряму вектора поля, «уздовж» нього.

В будь-якій точці простору поблизу технічного засобу реєструється поле не від одного якогось «джерела», а від декількох «випадкових випромінювачів», тобто якась суперпозиція полів. Вимірювання повинні проводиться у декількох точках, щоб виявити точку, де суперпозиція полів дасть найбільший результат. Вимірюється завжди «максимум максиморум» із усіх результатів для оцінки захищеності саме за максимумом «небезпечного сигналу».

Подібні вимірювання (дослідження) відповідно до діючих нормативних документів проводять на тональному сигналі. Точніше, на якійсь «сітці частот» у межах встановленого діапазону. Вибір цієї сітки частот обумовлений, перш за все, результатами попередніх вимірювань. Рекомендується «прогулятися» вручну по діапазону джерелом (генератором) тест-сигналу та подивитися на якісний вигляд АЧХ ПЕМВ, так би мовити на його «спектр». Це особливо зручно виконувати, коли засіб вимірювання, підключений до антени, має панорамний індикатор і на екрані відразу видно весь робочий.

Величина тонального тест-сигналу у ланцюгах повинна бути максимальною з передбачених встановленим режимом експлуатації.

«Картинка» на екрані показує весь спектр або його частину, яка цікавить оператора, з усіма завадами. Шуканий сигнал, у вигляді «палички» або «дзвоника» (якщо дивитися вузький діапазон) звичайно добре видно та пересувається відповідно до перебудови генератора.

Таким чином, методом «плавного тону» легко визначаються частоти в яких потрібно виконати саме вимірювання, з точним розміщенням антени, її орієнтуванням, контролем відстані до випромінювача тощо.

Є одна особливість вимірювань у НЧ діапазоні частот. Де б ми не вимірювали скрізь простір буквально насичений полями з частотою промислової електромережі та її гармонік. Причому рівні цих полів, часто на порядок перевершують те, що потрібно відшукати та виміряти. Звична «картинка» на екрані аналізатора спектра виглядає так, як це ілюстровано рис. 4.15.

З цього рисунку можна зробити такі висновки:

– реальні вимірювання можна зробити лише у проміжках між гармоніками електромережі;

– щоб мати мінімальну похибку від наведень електромережі потрібно вимірювати якомога більш вузькою смугою;

– без спеціальних заходів придушення хоча б перших п’яти гармонік електромережі вимірювання майже неможливі.

Вимірювати на частотах електромережі не можна, бо там сигнал «придушується».

Сітка частот, на яких потрібно проводити вимірювання виглядає так: 275; 327; 425; 475; …, 875 і т. д. (порівняйте ці частоти з середньооктавними). Тобто оптимально вимірювати строго «між» гармоніками мережі. Вище 1000 Гц вони спадають настільки, що вже, практично, не заважають.

 

 

Рисунок 4.15 – Реальні спектри ПЕМВН за вузької смуги (зверху) та за широкої (внизу) смуги аналізатора (запозичено з [25]).

 

По електричному полю завад у тому числі і «від мережі» багато більше. Для вимірювань «по «Е» особливо важливий вузькосмуговий прилад. Корисно застосувати накопичування, щоб усереднювати результат за багатьма реалізаціями, з «вейвлет» або іншими антизавадовими фільтрами.

Таким чином, задачею вимірювача є виявити всі максимуми ПЕМВН у робочому діапазоні частот по обох компонентах поля та виміряти їхні значення на нормованій відстані за орієнтації антени «по максимуму». Таких максимумів буває 3 … 15 шт.

Коли окремі, суттєві максимуми полів виміряні, їх нескладно «зібрати», обчислити еквівалентне значення сигналу та для нього, відповідно до встановленого експериментально або прийнятого законом загасання, розрахувати відстань, на якій еквівалентний сигнал послабиться нижче за норму. Тим самим знаходиться радіус зони R2.

Такі ж правила діють і при дослідженнях низькочастотних акустоелектричних перетворень у лініях. Засіб вимірювання повинен бути селективним. Смуга пропускання засобу вимірювання повинна мати можливість регулювання, принаймні, від 1 до 15 … 20 Гц.

Не завадить, якщо будуть можливості «підрізати» за допомогою вбудованого ФВЧ робочий діапазон «знизу», почати його герц із 300 (а не з 80 … 100) і за допомогою ФНЧ - «зверху», кілогерц до 3 … 5 (а не 10 … 12 як без нього).

Все це, вкрай бажано, зробити до АЦП. Тоді вдається різко знизити динамічний діапазон сигналів до розміру «вхідних воріт» типового АЦП. Проілюструвати викладене зручно графічно. На рис. 4.16 наведено умовний спектр завад, включаючи «мережеві».

 

 

Рисунок 4.16 – Панорама загального спектра завад за типових вимірювань

 

Таку «картину» ми бачимо на екрані аналізатора спектра зі смугою пропускання не більше 3 … 10 Гц. Чим ширше буде смуга пропускання, тим більше «замазуватимуться», згладжуватимуться піки і підтягатимуться вище провали.

Щоб вимірювати сигнали між гармоніками мережевої частоти, загальна АЧХ тракту вимірювання повинна мати вигляд, що наближається до наведеного на рис. 4.17.

 

 

Рисунок 4.17 – АЧХ тракту вимірювача

 

Сірим кольором виділені зони, які коригуються до «плоскої» АЧХ програмними методами.

Смуги придушення повинні бути якомога вужчими. Це можливо лише за автопідстроювання частоти фільтрів, їхніх високих порядків і програмного урахування спотворень К_у у зонах, помічених сірою заливкою.

 

4.4.3 Вимоги до рівня власних шумів тракту вимірювання

Рівень власних шумів тракту вимірювання повинен бути нижчим найслабкішого з вимірюваних сигналів. Оперують двома об’єктивними фізичними величинами:

– спектральна густина шумів, приведена «до входу», у значеннях ;

– величина середньоквадратичного значення шумів, приведена «до входу» в якійсь установленій смузі пропускання, нВ.

Причому прийматимемо як аксіому, що одна із цих величин легко перераховується в іншу через «корінь із ширини смуги пропускання».

Можна вважати, що значення сигналу від смуги пропускання не залежить. Але рівень завад залежить і він є пропорційним кореню квадратному зі смуги пропускання. Чим вужча смуга, ти менше завад. Але за вузької смуги пропускання стає складніше знайти сигнал. Оптимальна смуга пропускання для пошуку складає 10 … 12 Гц, а для вимірювання 1 … 3 Гц.

Ідентифікація інформативного сигналу оператором проводиться шляхом включення/вмикання акустичної дії. Щоб побачити сигнал за рівнем у 50 нВ, необхідно, щоб рівень шуму не перевищував 35 нВ. Це, з урахуванням смуги, наприклад, у 10 Гц, відповідатиме спектральній густині шумів не вище .

Такий рівень приведених «до входу» власних шумів засіб вимірювання повинен мати при навантаженні на «нешумлячий» резистор з опором, що дорівнює вхідному опору приладу не менше 10 МОм.

Вимоги до методики вимірювання. Вимірювальний прилад має бути здатним виконувати вимірювання у лініях промислової електромережі під напругою. Мережева завада становить 210 … 230 В. Чутливість тракту вимірювача повинна бути не гірше сотень мкВ. Але придушення частоти електромережі та її гармонік потрібне не менше, ніж на 120 дБ. Лінії електроживлення з погляду мовного діапазону частот лінії є низькоомні. Для запобігання зайвому струму витоку промислової частоти вхідний опір мережевого пробника повинен бути не менше 500 кОм.

Надто важливо забезпечувати електробезпеку, здоров’я та життя оператора.

Що стосується потужності каналу формування акустичного тест-сигналу, рівень озвучування має забезпечувати звуковий тиск 105 … 110 дБ. До колонки потрібно підводити не менше 150 Вт.

Будь-яка колонка має поля розсіяння. Крім звукового тиску вона, на жаль, ще й випромінює той самий сигнал, але у вигляді електричної і магнітної компонент поля. Велика частина обладнання вимірювальної системи знаходиться в акустичному полі джерела тест-сигналу, причому під значним звуковим тиском приблизно 90 … 100 дБ.

Усі блоки та кабелі вимірювального комплексу (системи) знаходяться у тому ж акустичному полі (здебільшого). Жоден блок, жоден кабель не повинен мати мікрофонного ефекту вище, ніж на рівні власних шумів тракту вимірювання. Звід вимог до обладнання вимірювання для дослідження акустоелектичних перетворень наведено у табл. 4.2.

Таблиця 4.2 – Вимоги до обладнання вимірювання для дослідження акустоелектичних перетворень

Параметри та характеристики	Одиниця вимірю-вання	Значення, не гірше
	Вимірювання акустоелектричних перетворень (АЕП) у слабкострумових лініях і лініях електроживлення 220 В, 50 Гц
	Мінімальний рівень вимірюваного сигналу АЕП у слабкострумових лініях за відношення «сигнал/шум» не гірше 3 дБ (не більше)	нВ	30 … 50
	Мінімальний рівень вимірюваного сигналу АЕП у лініях електроживлення за відношення сигнал/шум не гірше 3 дБ (не більше)	мВ	30 … 50
	Максимальний рівень вимірюваного сигналу АЕП у слабкострумових лініях (не менше)	В	0,3 … 0,5
	Максимальний рівень вимірюваного сигналу АЕП у лініях електроживлення (не менше)	В	1.0
	Похибка вимірювання рівня сигналу АЕП у лінії за відношення «сигнал/шум» не гірше 6 дБ (не більше)	дБ	± 2,0
	Вхідний опір у робочому діапазоні частот для симетричного та несиметричного входів (не менше)	МОм
	Вхідний опір у робочому діапазоні частот для вимірювання у лініях електроживлення («сильнострумовий» вхід) (не менше)	кОм
	Симетрія симетричного входу (не гірше)	дБ
	Спектральна густина власних шумів (СКЗ) за навантаженні на вході не менше 2 МОм (не більше)
	Максимальна величина паразитних сигналів у тракті вимірювання за дії акустичного сигналу зі звуковим тиском не менше 100 дБ (не більше)	В	(3-5)*10^-8
	Формування та вимірювання тестового акустичного сигналу
	Нижня частота акустичного тестового сигналу (не вище)	Гц	80 … 100
	Верхня частота акустичного тестового сигналу (не нижче)	Гц	10000…12500
	Необхідний рівень звукового тиску тестового акустичного сигналу на відстані 1,0 м від колонки (в заглушеній акустичній камері) (не менше)	дБ
	Нерівномірність амплітудно-частотної характеристики (АЧХ) тестового акустичного сигналу (виміряна в третинооктавних смугах) (не гірше)	дБ	± 6
	Величини полів розсіяння у робочому діапазоні частот за максимальної потужності, що підводиться, на відстані 1 м від фронту акустичного випромінювача (не більше)	мкА/м, мкВ/м	0,01 1 … 3
	Похибка вимірювання рівня звукового тиску тестового акустичного сигналу (не більше)	дБ	± 2

 

Питання для самоконтролю

 

1. У чому полягає ефект акустоелектричних перетворень?

2. Які фізичні ефекти лежать в основі акустоелектричного перетворення запропонованого Вам у лабораторній роботі технічного засобу?

3. Які пристрої з акустоелектричним ефектом можуть входити до складу деяких допоміжних технічних засобів зв’язку?

4. У чому полягає ефект модуляційного акустоелектричного перетворення?

5. В якому випадку дротову лінію слід розглядати як несиметричну?

6. Назвати найпростіший спосіб виявлення факту модуляції сигналу модуляційного акустоелектричного перетворювача.

7. За якою ознакою робиться висновок щодо наявності акустоелектричних перетворень допоміжних технічних засобів зв’язку?

8. Якщо акустоелектричні перетворення знайдені, тоді яким чином можна оцінити їхню небезпеку?

9. Причини та наслідки модуляції інформаційним мовним сигналом високочастотних коливань у генераторів технічних засобів.

10. Яким чином здійснюється перехоплення мовного сигналу в акустоелектричному каналі?

Розділ 5

ЛАБОРАТОРННЙ ПРАКТИКУМ
З АТЕСТАЦІЇ КОМПЛЕКСІВ ТЕХНІЧНОГО ЗАХИСУ ІНФОРМАЦІЇ