Національний університет “Львівська політехніка”

ГАРАНЮК ІГОР ПАВЛОВИЧ

УДК 621. 398

КВАНТОВІ МАГНІТОМЕТРИЧНІ ВИМІРЮВАЛЬНІ

ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

05.11.05 - прилади та методи вимірювання електричних

і магнітних величин

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Львів – 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Національному університеті “Львівська політехніка”

Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, доцент

Самотий Володимир Васильович,

Національний університет “Львівська політехніка”,

професор кафедри “Автоматика та телемеханіка”

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Поджаренко Володимир Олександрович,

Вінницький державний технічний університет,

завідувач кафедри “Метрологія та промислова автоматика”

кандидат фізико-математичних наук, доцент Леновенко Анатолій Михайлович,

Львівський Національний університет ім. І. Франка,

завідувач лабораторії електронних вимірювальних приладів

Провідна установа:

Фізико - механічний інститут ім. Г.В. Карпенка НАН України,

відділ обчислювальних методів та систем перетворення інформації м. Львів

Захист відбудеться 27 квітня 2001 р. о 14 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 35.052.08 у Національному університеті “

Львівська політехніка” (79013, Львів-13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 226 головного корпусу).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного університету“

Львівська політехніка”, Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 23 березня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради д.т.н. Луцик Я. Т.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Ефективність наукових досліджень та освоєння сучасних технологій неможливі без застосування засобів вимірювальної техніки високої точності. Важливе місце в області електричних вимірювань займають вимірювання сили постійного струму в діапазоні середніх значень: десятки міліампер ё десятки ампер. Поряд з вдосконаленням класичних методів та засобів вимірювання струму останнім часом отримали розвиток роботи по створенню еталонів а також вимірювальних приладів високої точності в основу яких покладені квантові явища. Точність такого типу приладів забезпечується високою точністю визначення та стабільністю атомних констант. Перспективним, на наш погляд, є використання для високоточних вимірювань вимірювальних перетворювачів постійного струму з частотним виходом (ВППС), які побудовані на основі квантових магнітометричних перетворювачів індукції постійного магнітного поля в частоту (КМП). Вимірювання сили струму полягає у перетворенні струму в індукцію магнітного поля первинним перетворювачем (ПП), перетворенні індукції в частоту КМП та наступним вимірюванням частоти, значення якої буде пропорційним силі струму. Враховуючи те, що вимірювання частоти можна здійснити з мінімальною похибкою, точність вимірювання сили струму у цьому випадку буде визначатися в основному точністю визначення та стабільністю коефіцієнтів перетворення ПП та КМП. Перевагою окремих типів перетворювачів є гальванічне розділення входу, що дозволяє вимірювати силу струму в високовольтних колах. Вперше у світовій практиці електроприладобудування в Ленінградському політехнічному інституті були створені прилади для вимірювання постійного струму із застосуванням КМП на основі ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Відносна похибка вимірювання струму в діапазоні від десятків міліампер до десятків кілоампер не менша 0,05 %. Ця похибка є граничною при використанні КМП на основі ЯМР. Це пояснюється відносно малим значенням фізичної константи Kg та типами ПП, які використовувалися. Подальший розвиток роботи по дослідженню вимірювальних перетворювачів та стабілізаторів постійного струму на основі КМП з оптичною орієнтацією атомів He4 та Cs133 отримали на кафедрі автоматики та телемеханіки Національного університету “Львівська політехніка”, які проводилися з безпосередньою участю автора. Результати теоретичних та експериментальних досліджень ВППС такого типу дозволили зробити висновок про значну перспективу підвищення точності вимірювання сили постійного струму в діапазоні 10 мА ё 10 А. Проте покращання метрологічних характеристик ВППС на основі КМП потребує вирішення ряду задач: як показує аналіз, в одноканальних ВППС, гальванічне розділення вхідного кола можливе тільки для окремих структур та типів КМП, що впливає на їх метрологічні характеристики, зокрема, швидкодію та динамічний діапазон зміни вхідного струму. Застосування магнітних екранів (МЕ) для захисту ПП від впливу зовнішніх магнітних полів в одноканальних ВППС, приводить до похибки перетворення, яку, в основному, визначає їх залишкова намагніченість. Тому виникає необхідність дослідження впливу МЕ на магнітне поле ПП, стабілізації кривої намагнічування МЕ, розмагнічування багатошарових МЕ. Доцільним є дослідження впливу максимального та мінімального значення індукції магнітного поля ПП на похибку перетворення струму. ВППС на основі КМП можна будувати за диференційною схемою, яка дозволяє уникнути впливу зовнішнього магнітного поля на ПП, не застосовуючи МЕ. В цьому випадку похибку перетворення струму будуть визначати варіації складових повного вектора індукції поля Землі, їх градієнти та поля електротехнічних пристроїв. Зміна температури ПП визначає його температурну похибку, зменшити вплив якої можна шляхом стабілізації його температури. Швидкодію вимірювального перетворювача на основі КМП визначають: його структура, динамічні властивості окремих елементів та вимоги до статичної точності. Побудова математичної моделі КМП дозволяє проводити моделювання ВППС з метою одержання оптимальних динамічних та статичних характеристик. Вирішення приведених проблем визначає актуальність роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами. Основний зміст дисертаційної роботи складають результати досліджень, що виконувались на кафедрі автоматики та телемеханіки Національного університету “Львівська політехніка”. Дослідження виконувались відповідно до плану Міністерства освіти і науки України за держбюджетним замовленням. Тема: “Методи аналізу, синтезу, математичного та фізичного моделювання перетворювачів інформації для вимірювальних приладів і систем.“ (№ державної реєстрації 0100U000482).

Мета і завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка квантових магнітометричних вимірювальних перетворювачів постійного струму в частоту для діапазону струмів 10 мА ё 10 А, дослідження їх метрологічних характеристик, способів підвищення точності та вивчення можливості застосування для перетворення струму у високовольтних електричних колах.

У відповідності до поставленої мети завданнями досліджень були:

1) огляд та класифікація квантових магнітометричних перетворювачів, аналіз характеристик робочих речовин стосовно їх застосування у ВППС;

2) удосконалення, розробка та дослідження структурних схем вимірювальних перетворювачів на основі КМП з оптичною орієнтацією атомів робочої речовини;

3) дослідження впливу залишкової намагніченості магнітних екранів на похибку перетворення струму одноканальним ВППС;

4) дослідження способу компенсації впливу залишкової намагніченості МЕ шляхом стабілізації кривої їх намагнічування;

5) дослідження способів зменшення температурної похибки одноканального ВППС;

6) розробка математичної моделі КМП на основі оптичної орієнтації атомів Не4 з Sz-сигналом;

7) аналіз впливу магнітного поля Землі на метрологічні характеристики диференційного ВППС;

8) дослідження факторів впливу на динамічний діапазон зміни вхідного струму в одноканальному та диференційному ВППС;

9) розробка методики та проведення експериментальних досліджень ВППС та стабілізатора постійного струму на основі КМП.

Об'єкт дослідження - вимірювальне перетворення сили постійного струму в частоту.

Предмет дослідження - квантові магнітометричні вимірювальні перетворювачі постійного струму з частотним виходом підвищеної точності для діапазону струмів 10 мА ё 10 А .

Методи дослідження. Дослідження метрологічних характеристик КМП та ВППС, побудованих на їх основі, базуються на основних положеннях квантової фізики, загальній теорії інформаційно-вимірювальної техніки та теорії похибок. Побудова моделі ВППС та дослідження динамічних властивостей проводилася на основі теорії автоматичного управління та теоретичної електротехніки. Основні теоретичні результати роботи перевірено експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів полягає у наступному:

1.На основі аналізу метрологічних характеристик структур та робочих речовин квантових магнітометричних перетворювачів обґрунтовано доцільність застосування перетворювачів на основі оптичної орієнтації атомів He4 з Sz-сигналом при побудові вимірювальних перетворювачів постійного струму підвищеної точності для діапазону струмів10 мА ё10 А та визначено структури, які допускають гальванічне розділення вхідного кола.

2. Досліджено вплив магнітного поля соленоїда Ампера на магнітний стан внутрішнього шару екранів, що дозволило визначити максимальне значення індукції вказаного поля, оцінити вплив залишкової намагніченості внутрішнього шару магнітних екранів на похибку перетворення струму, та досліджено способи зменшення вказаного впливу.

4. Розроблено математичну модель квантового магнітометричного перетворювача з оптичною орієнтацією атомів He4 та Sz-сигналом, що дозволяє моделювати структури, оцінити статичну і динамічну точність вимірювальних перетворювачів та стабілізаторів постійного струму, побудованих з їх використанням.

5. Отримано аналітичні вирази, які дозволяють оцінити вплив складових магнітного поля Землі на похибку диференційного вимірювального перетворювача постійного струму на основі квантових магнітометричних перетворювачів, проведено моделювання цих впливів, на основі чого визначені можливі значення похибок в умовах нормального та аномального поля Землі.

6. Проведено аналіз розподілу неоднорідності індукції магнітного поля в окремих типах магнітних систем ПП, на основі чого визначений допустимий динамічний діапазон зміни вхідного струму в одноканальному та диференційному вимірювальних перетворювачах постійного струму на основі квантових магнітометричних перетворювачів з оптичною орієнтацією атомів He4 та Cs133.

Практичне значення одержаних результатів. Побудовано вимірювальний перетворювач та стабілізатор постійного струму на основі КМП з оптичною орієнтацією атомів Не4 з відносною похибкою Ј ± 0,005% в діапазоні струмів 10 мА ё 10 А. Експериментально досліджені АЧХ та ФЧХ КМП на основі оптичної орієнтації атомів Не4 з Sz-сигналом, що дозволило побудувати його математичну модель. Досліджені впливи магнітних екранів в одноканальному ВППС, та зовнішніх магнітних полів в диференційному ВППС на похибку перетворення струму.

За безпосередньої участі автора були розроблені і виготовлені експериментальні зразки вимірювального перетворювача та стабілізатора постійного струму, які знайшли впровадження при повірянні вимірювальних приладів, при розробці робочих мір струму, для вимірювання та стабілізації струму рентгенівських трубок дифрактометрів та електромагнітів мас-спектрометрів. Результати роботи впроваджені: в ДНДІ “Система” м. Львів, в інституті геології та геохімії горючих копалин НАН України м. Львів, в відкритому акціонерному товаристві “Електровимірювач”, м. Житомир.

Особистий внесок здобувача. Основна частина теоретичних та експериментальних досліджень виконані автором самостійно.

Автором проведено аналіз КМП стосовно їх застосування при побудові ВППС. На основі аналізу метрологічних характеристик робочих речовин зроблено висновок про можливість їх застосування в окремих типах КМП. Запропоновано структури ВППС на основі КМП які допускають гальванічне розділення вхідного кола. Розроблено та досліджено основні типи ПП. Проведено моделювання впливів значень індукцій магнітних полів ПП на похибку перетворення. Розроблено та досліджено математичні моделі КМП та ВППС. Розроблено методику та проведено експериментальні дослідження виготовлених макетів ВППС та стабілізатора струму. Аналіз результатів окремих досліджень проведено у співавторстві згідно наведеного списку літератури.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на 1 міжнародній, 6 всесоюзних та 4 науково – технічних конференціях.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 28 наукових робіт у тому числі: 14 статей у фахових виданнях (5 з них без співавторства), 2 авторські свідоцтва, 1 монографія в співавторстві.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, 50 ілюстрацій, 2 таблиць, списку використаних джерел із 91 найменування та 3 додатків. Основна частина роботи викладена на 125 сторінках друкованого тексту.

ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обгрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи. Наведено відомості про її зв'язок з науковою темою, яка виконувалась відповідно до плану Міністерства освіти і науки України за держбюджетним замовленням. Сформульовано мету роботи, визначено об'єкт, предмет і задачі досліджень, наукову новизну і практичну цінність одержаних результатів. Показано особистий внесок здобувача, відомості про публікації і апробацію роботи. Висвітлено питання реалізації і впровадження отриманих результатів.

У першому розділі проведено аналіз метрологічних характеристик засобів вимірювальної техніки постійного струму. Визначені основні фактори, які обмежують точність вимірювання сили постійного струму. Зроблено висновок, що з метою підвищення точності вимірювання сили постійного струму в діапазоні середніх значень (10мА ё 10А) доцільно застосовувати квантовий магнітометричний вимірювальний перетворювач постійного струму в частоту. Розглянуто загальні принципи побудови одноканального

( рис.1) та диференційного ВППС на основі КМП.

Рис. 1. Структурна схема одноканального ВППС.

Рівняння статичної характеристики перетворення одноканального ВППС має вигляд:

fвих.= Івх.Ч Kпп Ч Kg , (1)

де Kg фізична константа (2,80253·1010 Гц/Тл для Не4), KПП коефіцієнт перетворення ПП.

Похибка вимірювання струму таким ВППС визначається високою точністю і стабільністю коефіцієнтів Kg, KПП та похибкою вимірювання частоти. Гальванічне розділення вхідного кола окремих типів ВППС дозволяє здійснювати перетворення струму в високовольтних колах. Визначено необхідність застосування МЕ для захисту магнітного поля ПП від впливу зовнішніх магнітних полів в одноканальному ВППС та вимоги до характеристик цих полів при побудові ВППС за диференційною схемою, в якому вплив зовнішнього магнітного поля компенсується, а статична характеристика перетворення струму в частоту визначається рівністю:

fвих.= 2Ч Івх. Ч Кпп Ч Kg . (2)

Проведено класифікацію КМП за основними ознаками принципів побудови та застосуванням. На основі аналізу метрологічних характеристик КМП та робочих речовин, зроблено висновок про доцільність застосування КМП на основі оптичної орієнтації атомів Не4 в ВППС для діапазону середніх значень струму. Розглянуто структурні схеми КМП стосовно їх застосування при побудові ВППС та проведено аналіз їх основних метрологічних характеристик. Встановлено, що найбільш швидкодіючим є самогенеруючий КМП з Sx-сигналом, але йому властива похибка від нестабільності фазочастотної характеристики кола зворотного зв'язку . На основі моделювання впливу зміни фазового зсуву Dj в колі зворотного зв'язку самогенеруючого КМП на похибку перетворення зроблено висновок, що в полях із значенням індукції В ” 5Ч10-5 Тл зміна Dj на 1о приводить до відносної похибки перетворення df ” 2,4Ч10-6 для робочої речовини Cs133 і 1,1Ч10-5 для He4. При менших значеннях індукції, що особливо важливо для ВППС, похибка пропорційно зростає. Розглянуто удосконалену схему комбінованого КМП з автоматичним підстроюванням фази в колі зворотного зв'язку Sz-cигналом, що дозволяє поряд з високою швидкодією отримати поріг чутливості DВмін = 1·10-11 Тл для робочої речовини Не4 за рахунок створення циркулярно-поляризованого радіополя в об'ємі комірки поглинання (КП). Найвищої точності перетворення індукції постійного магнітного поля в частоту можна досягнути КМП на основі оптичної орієнтації атомів Не4 з Sz-cигналом, який дозволяє в діапазоні полів 2 Ч10-6 ё 2,5 Ч 10-4 Тл отримати відносну похибку перетворення dкмп Ј ± 0,0005%. Проте необхідність попереднього пошуку резонансної області робочої речовини на початку циклу перетворення, шляхом розгортки за частотою генератора резонансного радіополя обмежує швидкодію перетворення. ( tп і 13,7 с для Вмакс.= 1 Ч 10-4 Тл). Це викликано тим, що допустима швидкість частотної розгортки генератора резонансного радіополя визначається шириною резонансної характеристики робочої речовини КМП - Dfр.

У другому розділі роботи розглянуто принципи побудови та аналіз метрологічних характеристик одноканальних ВППС на основі КМП з Sz - сигналом. Для покращання швидкодії такого типу ВППС, яка в основному визначається часом пошуку резонансної області, запропоновано схему з попереднім “грубим” але більш швидкодіючим перетворювачем вхідного струму в частоту. Виходячи з умови отримання Sz – сигналу, абсолютна похибка попереднього перетворення повинна бути не більшою за ширину резонансної характеристики КМП, що само по собі є складним завданням. Зменшити на порядок вимоги до точності попереднього перетворювача дозволяє модуляційне розширення резонансної характеристики робочої речовини на час пошуку резонансної області. На основі проведених досліджень розроблено схеми двох типів ВППС - з використанням розгортки за частотою генератора резонансного радіополя та з попереднім перетворювачем вхідного струму в частоту. Для ВППС першого типу, перевагою якого є гальванічне розділення вхідного кола, розширення резонансної характеристики на час пошуку резонансної області дозволяє збільшити швидкість розгортки резонансного радіополя і, як наслідок, отримати в діапазоні полів ПП 1·10-5 ё 2,5·10-4 Тл час перетворення максимального значення струму tп Ј 3,5 с. Для ВППС другого типу за рахунок розширення резонансної характеристики відносна похибка попереднього каналу dПК ” ± 1%, а час перетворення tп при стрибкоподібній зміні вхідного струму, який визначається часом перехідних процесів в попередньому і точному каналах автопідстроювання резонансної частоти, може бути зведений до значення tп Ј 1,2 с.

Рис. 2. Функціональна схема ВППС з попереднім перетворювачем вхідного струму та автоматичним розширенням резонансної характеристики. 1-спектральна лампа; 2 -магнітний екран; 3-котушка резонансного радіополя; 4-комірка поглинання; 5-магнітна система ПП; 6-котушка модуляції; 7, 7'-фотоприймачі; 8-масштабуючий підсилювач; 9-керований напругою генератор резонансної частоти; 10-вибірний підсилювач на частоту fм; 10-вибірний підсилювач на частоту 2fм; 11-суматор напруг;

12 - фазовий детектор; 13 - генератор частоти модуляції; 14 - фільтр; 15 - оптоелектронний перетворювач; 16 - операційний підсилювач.

У схемі використано залежність амплітуди другої гармоніки Sz - сигналу від розладнання по частоті радіополя - Dfx відносно резонансного значення fр. Сигнал фотоприймача 7', підсилений вибірним підсилювачем 10', який настроєний на частоту 2fм, шляхом зміни значення резистора Rф міняє значення індукції Вм. У випадку попереднього встановлення значення частоти керованого генератора за межами резонансної області, сигнал на виході підсилювача 10' відсутній, при цьому коефіцієнт передачі операційного підсилювача 16 має максимальне значення, що приводить до зростання амплітуди модулюючого поля, і як наслідок, до розширення резонансної характеристики КМП. При достатній ширині резонансної характеристики, коли , сигналом фазового детектора 12 міняється частота генератора 9 в напрямку підстроювання до резонансного значення. Це приводить до зростання напруги підсилювача 10', відповідно, зменшенню індукції поля Вм і до зменшення ширини Dfр. При відповідності частоти керованого генератора резонансній частоті в КМП встановлюється оптимальна глибина модуляції, при якій забезпечується максимальна чутливість.

Основна увага в роботі приділяється питанням побудови ПП та їх захисту від зовнішніх впливів, сформульовані вимоги, які ставляться до ПП та МЕ. Аналіз магнітного поля соленоїда Ампера, захищеного циліндричними екранами, дозволяє зробити висновок про доцільність застосування такого ПП для перетворення струмів в межах 10 мА ё10 А. Необхідне значення коефіцієнта екранування Kе МЕ можна знайти з виразу:

, (3)

де Взовн. - індукція зовнішнього магнітного поля, dВзовн. - відносна похибка, викликана впливом Взовн. на індукцію поля ПП, Вппмін. = DВмін./ dDВмін., де dDВмін - відносна похибка викликана порогом чутливості КМП - DВмін.. Для КМП на основі Sz - сигналу з робочою речовиною He4 - DВмін = 1·10-11 Тл, при dDВмін = 1·10-6 , Вппмін = 1·10-5 Тл, а Ke в полі Землі має значення 5Ч106 при dВзовн. = 1·10-6. Результати експериментальних досліджень МЕ дозволяють зробити висновок, що 4-х шарові циліндричні МЕ, виготовлені з пермалою марки 79 НМ з початковою магнітною проникністю mпоч ” 2,5·104 і товщиною матеріалу 2 мм, можуть забезпечити значення коефіцієнта Kе ”1·107. Похибка ВППС в значній мірі визначається стабільністю коефіцієнта перетворення ПП. З метою зменшення впливу температури на ПП для його основи використано кварцове скло, температурний коефіцієнт лінійного розширення якого 0,6·10-6 · оС-1. При стабілізації температури з похибкою ±0,1 оС відносну похибку від впливу температури dt можна звести до рівня 0,6 · 10-7. Застосування електричних нагрівників для стабілізації температури, навіть при їх живленні змінним струмом, приводить до похибки перетворення струму викликаної впливом магнітного поля нагрівника на КМП та внутрішній шар МЕ. Необхідним вимогам відповідає розроблена система, де стабілізація температури ПП здійснюється нагрівом повітря, яке продувається через систему ПП та МЕ. Компенсувати вплив температури на коефіцієнт перетворення кілець Гельмгольца можна шляхом добору співвідношення радіуса кілець (R) і відстані між ними (а) та температурних коефіцієнтів лінійного розширення матеріалів елементів основи, які визначають цей радіус (a1) та відстань (a2). Результати проведеного моделювання в межах зміни температури ± 30 оС при відношенні а/R=1,56 та при використанні доступних матеріалів основи, для яких a2/a1=0,126, дозволяють зробити висновок про повну компенсацію температурного впливу на коефіцієнт перетворення такого типу ПП. Проте невідповідність геометричних розмірів основи ПП умові Гельмгольца (а/R=1) приводить до погіршення на порядок відносної однорідності індукції магнітного поля. В одноканальному ВППС магнітне поле ПП впливає на магнітний стан екранів та приводить до появи їх залишкової намагніченості а необхідність забезпечення стабільності Кпп вимагає оцінити ці впливи. Розглянемо ПП в МЕ, який використовувався при дослідженнях ВППС та стабілізатора струму, як базовий (рис.3). Максимальне значення індукції стінки МЕ в місці прилягання соленоїда ВЕ макс можна визначити з виразу:

Рис.3. Соленоїд в циліндричному МЕ.

де m0 – магнітна проникність вакууму; НПП – напруженість магнітного поля всередині соленоїда; SC = pRС2 – площа поперечного січення соленоїда; SЕ = 2pRС·DЕ – площа циліндричної поверхні в основі екрану при r = RС; DE – товщина стінки основи екрану;

Експериментально визначене максимальне значення індукції ВПП, при якому не спостерігається суттєве розширення резонансної характеристики КМП з робочою речовиною He4, рівне 2,5·10-4 Тл (fp ” 7·106 Гц). При такому значенні ВПП та RС = 30мм, ВЕ макс ” 3,75·10-3 Тл, що становить 0,5 % індукції насичення. Основним джерелом похибки перетворення струму є похибка, викликана впливом залишкової індукції в об'ємі комірки поглинання Взал на поле ПП внаслідок намагнічування внутрішнього шару МЕ. Залишкова намагніченість створюється в результаті неповного розмагнічування екранів після їх складання, впливу деформацій на МЕ а також, в основному, за рахунок впливу поля ПП на внутрішній МЕ. Запропоновано спосіб вимірювання залишкової індукції в об'ємі комірки поглинання КМП, значення якої можуть бути менші за ширину резонансної характеристики. Вимірювання проводяться після дії поля ВПП, яке пропорційне Івх. Замість Івх в коло ПП підключається джерело опорного струму Іоп , при зміні напрямку якого визначаються резонансні частоти fp1 та fp2, які пропорційні сумі та різниці значень індукції поля ПП з Взал.

fp1 = Kg (KПП · Іоп + Взал) ; fp2 = Kg (KПП · Іоп - Взал) .

Рис.4 . Залежність залишкової індукції магнітного поля в об'ємі комірки поглинання Взал від індукції поля ПП - ВПП. 1 - соленоїд, 2- кільця Гельмгольца.

На основі результатів експериментальних досліджень, наведених на рис.4, встановлено, що в одноканальному ВППС похибка від впливу залишкової намагніченості МЕ є визначальною і може привести до відносної похибки перетворення струму dВППС Ј 0,04 % в діапазоні полів ПП 2,51·10-5 ё 2,51·10-4 Тл. Досліджено режим роботи внутрішнього шару МЕ по початковій кривій намагнічування, який передбачає перемагнічування матеріалу екрану тільки згасаючим змінним магнітним полем, тобто коли ІВХ = 0. В цьому випадку має місце розмагнічування екрану, яке проводиться на початку кожного циклу перетворення, а наступний вплив напруженості поля ПП приводить до встановлення значення індукції в магнітному екрані згідно початкової кривої намагнічування. Це дає змогу складову похибки від впливу залишкової індукції dВ зал звести до рівня ±2·10-6. Для створення змінного магнітного поля на магнітний екран намотані обмотки, через які на початку циклу перетворення пропускається змінний струм, максимальне значення якого вводить екран в режим насичення (BS ” 0,79 Тл) і поступово зменшується до нуля. Експериментально встановлено, що розмагнічування матеріалу екрану здійснюється на протязі 50 періодів частоти мережі. Значення ВППмін=1·10-5 Тл, яке визначається порогом чутливості КМП та ВППмакс= 2,5·10-4 Тл дозволяє, для значення Кпп=2,51·10-3 Тл/А , проводити перетворення струму в діапазоні Івх.мін= 4мА, та Івх.макс =100мА. Для більших значень вхідних струмів необхідно використати ПП з пропорційно меншими значеннями Кпп, при використанні трьох магнітних системи типу “соленоїд в циліндричних магнітних екранах” з Кпп1=2,5·10-3, Кпп2= 1·10-4, Кпп3= 4·10-6 Тл/А, можливо перекрити діапазон вхідних струмів 4мА ё 62,5 А. З метою дослідження статичних та динамічних характеристик ВППС та стабілізаторів струму, розроблена математична модель КМП на основі оптичної орієнтації атомів Не4 з Sz – сигналом. Модель КМП побудована на підставі експериментального дослідження його АЧХ та ФЧХ. Оскільки КМП на основі Sz – сигналу є ланкою з модульованим сигналом, то завдання зводиться до знаходження передаточної функції по обвідній вихідного сигналу при зміні частоти поля модуляції. Частотні характеристики отримані вимірюванням амплітуди сигналу першої гармоніки USz1, та фази, по відношенню до опорного сигналу генератора модуляції при зміні його частоти. По частоті спряження wc асимптот ЛАЧХ, їх нахилу та частоті переходу ЛФЧХ через значення фази зроблено висновок про те, що диференціальне рівняння КМП еквівалентне інерційній 1-го порядку ланці і має вигляд:

, (6)

де ТKМП – стала часу, рівна . Для комірки поглинання діаметром 40 мм – ТKМП = 1· 10-3 с, KKМП –коефіцієнт перетворення KМП по напрузі Sz – сигналу, визначений як DUS1/ Dfx при вершині резонансної характеристики для оптимальних значеннях радіополя та поля модуляції. Моделі інших поширених елементів схеми відомі. Моделювання перехідних процесів, при одиничних стрибкоподібних управляючих впливах, яке здійснювалося за структурною схемою, зображеною на рис.5, та порівняння результатів з експериментальними даними, отриманими на макетах, підтвердили адекватність моделей ланок. Стійкість моделі ВППС забезпечується без додаткових коректувальних ланок при коефіцієнті підсилення, який в межах вхідних струмів зводить похибку, викликану статизмом системи до допустимого значення. Час встановлення вихідної частоти при подачі максимального значення вхідного струму tп Ј 1,2 с.

Рис. 5. Структурна схема ВППС на основі КМП з оптичною орієнтацією атомів Не4.

ПП – первинний перетворювач струму в індукцію магнітного поля, ВП – вибірний підсилювач, ФД – фазовий детектор, Ф – фільтр, КГ – керований генератор резонансної частоти, МП – масштабуючий перетворювач вхідного стуму в напругу, елемент з коефіцієнтом перетворення Kg., керований генератор радіочастоти.

У роботі проведено аналіз похибок одноканального ВППС на основі КМП. Похибка ВППС визначається складовими двох послідовних перетворень: “вхідний струм® індукція магнітного поля”, яке здійснюється ПП, та “індукція магнітного поля ® частота”, що реалізується КМП. Це дає змогу виразити відносну похибку перетворення, як суму складових:

dВППС = dПП + dКМП , (7)

де dПП – похибка перетворення І ® В;

dКМП – похибка перетворення В ® f..

Похибка перетворення І ® В визначається основними складовими:

dПП = dKпп + dt° + dВзовн. + dВзал. , (8)

де dKпп – похибка визначення коефіцієнта перетворення ПП – визначається похибками вимірювання геометричних розмірів ПП та магнітних екранів її граничне значення dKпп. гр. = ± 3·10-6 ;

dt° – похибка ПП, зумовлена зміною його температури. За умови побудови ПП на основі з кварцового скла, та стабілізації температури ПП з абсолютною похибкою, Дtгр = ±0,1 °C, граничне значення похибки dt гр. = ± 6·10-8 ;

dВ зовн. – похибка від впливу зовнішніх магнітних полів. При дії магнітного поля Землі Bзовн. Ј 5·10-5 Тл, мінімальному значенні індукції поля ПП – ВПП мін. = 1·10-5 Тл та при коефіцієнті екранування МЕ Ke = 5·106 – dВ зовн. гр. = ±1·10-6 ;

dВ зал. – похибка від впливу залишкової намагніченості магнітних екранів. В режимі роботи внутрішнього шару МЕ по початковій кривій намагнічування dВ зал. гр. = ±2·10-6 .

Для визначення довірчого значення відносної похибки dПП дов. зроблено припущення, що закони розподілу складових невідомі, і орієнтуючись на найгірший випадок, прийнято, що закон їх розподілу рівномірний. За відсутності домінуючих похибок можна вважати, що розподіл сумарної похибки приблизно нормальний і її довірче значення рівне:

. (9)

Для довірчої ймовірності 0,95, для n = 4, значення коефіцієнта K ” 1,96, а значення

dПП дов. = ±4,22·10-6.

Похибка перетворення В ® f визначається основними складовими:

dKМП = dg + df + dp. + dінтенс., (10)

де dg – похибка визначення атомної константи робочої речовини, dg гр. = ±1·10-6 ;

df – похибка від зсуву резонансної частоти fр. При ВПП мін. = 1·10-5 Тл, для КМП на основі Sz - сигналу з робочою речовиною He4 df гр. = ±5·10-7 ;

dp. – похибка відстеження частоти резонансних умов системою автоматичного підстроювання частоти генератора радіополя. При ВПП мін. = 1·10-5 Тл, абсолютна похибка відстеження для He4 може бути зведена до рівня Dfмін Ј DВмін · Kg , де DВмін – поріг чутливості КМП, fр =Впп мін· Kg , і граничне значення похибки відстеження

, (11)

dінтенс – похибка КМП від зміни інтенсивності світла оптичної орієнтації –

dінтенс. гр. = ±1·10-6 .

За аналогією визначення dПП дов, визначимо довірче значення відносної похибки dKМП дов .

. (12)

При значення Pдов. і K, наведених вище, dKМП дов. = ±1,7·10-6.

Довірча відносна похибка перетворення I ® f

. (13)

Проведений аналіз похибок одноканального ВППС з КМП на основі Sz - сигналу та робочою речовиною He4 вказує на можливість реалізації перетворення постійного струму в частоту з відносною похибкою dВПпс Ј ± 0.0005% .

Третій розділ роботи присвячено дослідженню ВППС побудованого за диференційною схемою. Зроблено висновок, що з метою зменшення похибки перетворення, диференційний перетворювач необхідно орієнтувати за напрямком повного вектора індукції зовнішнього магнітного поля. Варіації складових повного вектора індукції поля Землі вимагають створення тривимірної автоматичної системи орієнтації, що ускладнює структуру перетворювача. Виникає необхідність оцінки похибки перетворення струму, яка викликана варіаціями поперечної складової цього поля. В результаті досліджень отримано аналітичні вирази на основі яких зроблено висновок про значний вплив поперечної та аксіальної складової індукції магнітного поля Землі на коефіцієнт перетворення, а також нелінійний характер перетворення струму внаслідок цього впливу.

, (14)

де

,

.–

аксіальна складова магнітного поля Землі; - поперечна складова; KОП – коефіцієнт перетворення струму робочого режиму ІОП в індукцію магнітного поля; K - аналогічний коефіцієнт перетворення вхідного струму І; KK - коефіцієнт передачі (впливу) індукції, яка створена струмами, які протікають по обмотках, що охоплюють одну комірку поглинання на індукцію в об'ємі другої комірки.

Рис. 6. Структурна схема диференційного вимірювального перетворювача струму на основі КМП.

1, 1' - комірки поглинання КМП, в об'ємі яких створюється магнітне поле з індукцією та ; 2, 2' - обмотки перетворювача струму робочого режиму ІОП в індукцію магнітного поля; 3, 3' - обмотки перетворювача вхідного струму І в індукцію магнітного поля; 4 - джерело струму робочого режиму; 5, 5' - перетворювачі магнітної індукції поля ЅЅ, ЅЅ в частоту f1, f2 з коефіцієнтом перетворення Kg; 6 - пристрій виділення сигналу різницевої частоти f = f1 - f2.

Визначено, що тільки в умовах нормального поля Землі можна досягнути відносну похибку перетворення струму dВППС Ј ± 0.001%, а характеристики аномального магнітного поля Землі не дозволяють отримати відносну похибку перетворення струму dВППС меншу як ± 0.1% для робочої речовини He4 та ± 0.4% для Cs133. Отримано вирази та проведено моделювання, що дозволяє оцінити мінімальні значення індукції поля ПП Вппмін, при заданій похибці, яка викликана впливом зміщення вершини резонансної характеристики. Зроблено висновок про те, що мінімальне значення індукції поля ПП в основному визначає поріг чутливості КМП. Встановлено, що динамічний діапазон зміни вхідного струму в диференційному ВППС визначається, в основному, типом та розмірами магнітних систем ПП, комірок поглинання КМП та робочою речовиною.

У четвертому розділі роботи приведено результати експериментальних досліджень ВППС та стабілізатора струму.

Рис.7. Схема дослідження ВППС.

Для проведення досліджень використано наступні засоби вимірювальної техніки:

компенсатор постійного струму типу Р – 348, кл.т. 0,0005; нормальний елемент кл.т. 0,001 типу ХА482, Е = 1,018634 В при t =20 єC; гальванометр М135/2 Сі = 1,4·10-9 А/ поділку, r = 180 Ом; Зразкові однозначні міри опору Rн = 0,1; 1,0; 10,0 Ом кл.т. 0,0005, ТКО = 1*10-5 * °С-1; Контактний термометр типу ТПК, використаний в системі регулювання температури в термостаті з похибкою Dt = ±0,5 єC; термометр типу ТР-1 для вимірювання температури нормального елемента, з похибкою Dt = ±0,01 єC; цифровий частотомір типу Ч3- 32.

Дослідження проводилися з метою визначення максимальної відносної похибки ВППС в діапазоні вхідних струмів 0,01 ё 10,0 А. Похибка оцінювалася за відносною зміною коефіцієнта перетворення ВППС, який визначався відношенням вихідної частоти перетворювача до вхідного струму. Частоту вимірювали цифровим частотоміром, а вхідний струм визначали через значення спадку напруги на зразкових мірах опору. Зразкові прилади для дослідження метрологічних характеристик ВППС вибиралися, виходячи з очікуваної похибки, значення якої отримане на основі теоретичного аналізу та можливостей метрологічної лабораторії. Відтворення результатів дослідження в межах похибки спостерігалося на протязі місячного терміну. Отримані числові дані експериментальних досліджень статистично опрацьовано в середовищі програми Maple VR 3, що забезпечує достовірність результатів, на основі чого зроблено висновок, що відносна похибка перетворення струму не перевищує значення ±0,005% в діапазоні струмів 0.01 ё 10.0 А.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ РОБОТИ

У дисертаційній роботі на базі виконаних досліджень розроблено квантові магнітометричні вимірювальні перетворювачі постійного струму в частоту для діапазону струму 10 мА ё 10 А з відносною похибкою перетворення струму dВППС Ј ± 0,005%. В окремих типах перетворювачів можливе гальванічне розділення вхідних кіл, що дає змогу перетворювати струм у високовольтних колах. Результати теоретичних досліджень доведені до практичної реалізації і впроваджені в ряді установ з метою підвищення точності вимірювання та стабілізації анодного струму рентгенівських трубок дифрактометрів, струму магнітних систем мас-спектрометрів, що покращує точність кількісного та якісного аналізу складу речовин, а також підвищення точності вимірювання постійного струму в лабораторних умовах.

У дисертаційній роботі одержано такі основні результати:

1. На основі аналізу метрологічних та експлуатаційних характеристик існуючих засобів вимірювання постійного струму зроблено висновок, що з метою підвищення точності вимірювання сили постійного струму доцільною є побудова квантових магнітометричних вимірювальних перетворювачів. Проведено класифікацію квантових магнітометричних перетворювачів та аналіз характеристик робочих речовин, на основі чого встановлено, що при побудові вимірювальних перетворювачів постійного струму для діапазону 10 мА ё 10 А доцільно застосовувати магнітометричні перетворювачі з оптичною орієнтацією атомів Не4, яким властиві найвищі метрологічні характеристики.

2. Удосконалено схему самогенеруючого магнітометричного перетворювача на основі Sx-сигналу з підстроюванням фазового зсуву в колі зворотного зв'язку Sz-сигналом в якій внаслідок створення циркулярно-поляризованого радіополя в об'ємі комірки поглинання, зменшено на порядок поріг чутливості.

3. Запропоновано структуру одноканального вимірювального перетворювача струму на основі Sz -сигналу з автоматичним розширенням резонансної характеристики, що дозволило підвищити швидкодію перетворення струму за рахунок прискорення пошуку резонансної області магнітометричного перетворювача.

4. На основі аналізу похибок та експериментального дослідження одноканального квантового магнітометричного вимірювального перетворювача струму визначено, що основними факторами, які визначають точність перетворення є вплив залишкової індукції магнітних екранів та вплив температури на первинний перетворювач струму в індукцію магнітного поля. Встановлено кількісні значення цих впливів та запропоновано способи їх компенсації.

5. Експериментально досліджено магнітні екрани, кількісно визначено вплив геометричних розмірів багатошарових екранів на коефіцієнт екранування.

6. Досліджено режим роботи внутрішнього шару магнітних екранів по початковій кривій намагнічування і експериментально доведено, що цей режим роботи дозволяє мінімізувати вплив залишкової намагніченості на точність перетворення.

7. Досліджено статичні та частотні характеристики квантового магнітометричного перетворювача на основі Sz-сигналу з робочою речовиною Не4, що дозволило побудувати його математичну модель і, як наслідок, моделювати структури, оцінювати статичну та динамічну точність перетворювачів та стабілізаторів струму, реалізованих на їх основі.

8. Досліджено вплив магнітного поля Землі на диференційний квантовий вимірювальний перетворювач струму в частоту, отримано аналітичні вирази, які дозволяють оцінити вплив поперечної складової повного вектора цього поля на коефіцієнт перетворення, проведено кількісний аналіз впливу градієнту магнітного поля Землі на похибку такого типу перетворювача, на основі чого встановлено, що тільки в умовах нормального поля Землі можна досягнути відносну похибку перетворення струму dВППС Ј ±0.001%.

9. Визначено фактори впливу на динамічний діапазон зміни вхідного струму в одноканальному та диференційному вимірювальному перетворювачі струму.

10. На основі теоретичного аналізу похибок квантового вимірювального перетворювача постійного струму в частоту з оптичною орієнтацією атомів Не4 зроблено висновок про можливість отримання відносної похибки перетворення dВП Ј ±0.0005% в діапазоні струмів 10 мА ё 10 А. Виготовлено діючі макети вимірювального перетворювача та стабілізатора постійного струму на основі квантового магнітометричного перетворювача з оптичною орієнтацією атомів Не4 та експериментально визначено їх метрологічні характеристики на основі чого встановлено, що відносна похибка перетворення та стабілізації струму не перевищує значення d = ±0, 005% в діапазоні струмів 10мА