Устройство для контроля стабильности постоянного тока

 

Использование: при проверке стабильности тока опорных устройств навигационных приборов и для измерительных целей. Сущность изобретения: предлагается заменить эталонный источник тока сверхпроводящим короткозамкнутым контуром. Контур снабжен тепловым выключателем сверхпроводимости; который позволяет ввести в контур ток на 1 10% выше измеряемого, и устройством регулировки магнитного потока в контуре. Устройство представляет собой тепловой выключатель сверхпроводимости с участком нагреваемого сверхпроводящего провода и сверхнизким сопротивлением, подключенным параллельно этому участку. 1 ил.

Изобретение относится к прецизионному приборостроению и может быть использовано при проверке стабильности тока опорных устройств навигационных приборов и для измерительных целей.

Известен способ сравнения измеряемого тока с эталонным током, который позволяет определить относительную стабильность измеряемого тока. Приборы для измерения тока методом сравнения называются компараторами тока.

Известен компаратор тока, который представляет собой две цепочки очень точно подобранных, одинаковых сопротивлений, через одну цепочку пропускается эталонный ток, через другую измеряемый. Сравнение падения напряжения на сопротивлениях позволяет оценить нестабильность измеряемого тока (Кампер Р.А. Сверхпроводящие приборы для метрологии. Слабая сверхпроводимость. Под ред. Б.Б.Шварца и С.Ф.Фонера, с.142-145).

Недостатком такого метода является низкая точность сравнения, не выше 10^-6; при наличии разницы в падении напряжений погрешность измерения увеличивается за счет подводящих проводов (при измерении нестабильности тока такая разница будет всегда); влияние нестабильности источника эталонного тока, которая является прямой погрешностью.

Известен сверхпроводящий компаратор тока. Степень сравнения этим компаратором достигает 10^-9 и выше. Подводящие провода не влияют на точность сравнения [1] Сверхпроводящий компаратор работает cледующим образом.

Через сверхпроводящую трубу по проводу (или обмотке) пропускают ток от эталонного источника, а по другому проводу (или обмотке с тем же числом витков) в противоположную сторону пропускают измеряемый ток. Каждый ток создает внутри трубы свое магнитное поле. Для компенсации разности магнитных полей по внутренней поверхности сверхпроводящей трубы течет сверхпроводящий ток такой величины, чтобы разность ампер-витков измеряемого и эталонного токов была равна ампер-виткам тока сверхпроводящей трубы. Замыкается сверхпроводящий ток через внешнюю поверхность трубы. Вокруг внешней поверхности трубы намотан сверхпроводящий контур, соединенный с входной катушкой сквид-магнитометра. Когда токи, эталонный и измеряемый, равны, сверхпроводящего тока по внешней стороне трубы нет. Сигнал со сквид-магнитометра равен нулю. Таким образом получаем способ измерения стабильности постоянного тока с помощью сверхпроводящего компаратора тока, включающий охлаждение до температуры сверхпроводимости, включение измеряемого и эталонного токов, сравнение токов, и устройство для измерения стабильности постоянного тока, содержащее сверхпроводящий компаратор тока и внешний источник эталонного тока.

Эти способ и устройство приняты за прототип. Недостатком прототипа является наличие в комплекте аппаратуры эталонного источника тока. Это усложняет аппаратуру; эталонный источник сам имеет некоторую нестабильность, тем более при долговременной работе, что вносит прямую погрешность в измерение. Источник эталонного тока должен быть регулируемым, так как для более точного определения нестабильности измеряемого тока целесообразно эталонный ток по величине выбирать равным (в какой то момент) измеряемому току.

В настоящее время точность сравнения компараторов тока составляет 10^-11 (Хамильтон К. Э. и др.) Стандарты и быстродействующая техника. ТИИЭР, 1989, т.77, N 8, с.137-147).

Целью изобретения является упрощение схемы и уменьшение погрешности измерения нестабильности.

Цель достигается тем, что в способе измерения стабильности постоянного тока с помощью сверхпроводящего компаратора, включающем охлаждение компаратора, включение измеряемого и эталонного токов, сравнение токов, после охлаждения компаратора вводят ток в разомкнутый сверхпроводящий контур величиной на 1-10% выше измеряемого тока, затем замыкают сверхпроводящий контур, включают измеряемый ток, регулируют ток в сверхпроводящем контуре путем его снижения до совпадения с измеряемым током.

В устройство для измерения стабильности постоянного тока, содержащее сверхпроводящий компаратор тока, внешний источник тока, дополнительно вводят сверхпроводящий короткозамкнутый контур, проходящий через компаратор, выключатель сверхпроводимости и устройство регулировки магнитного потока в сверхпроводящем короткозамкнутом контуре, при этом выключатель сверхпроводимости и устройство для регулировки потока включены в сверхпроводящий контур последовательно.

Сущность изобретения заключается в том, что эталонный источник тока предлагается заменить незатухающим сверхпроводящим током, циркулирующим в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре, долговременная стабильность которого значительно выше, чем стабильность известных эталонных источников тока, а регулировка тока производится специальным устройством со сверхнизким сопротивлением.

На чертеже показана упрощенная схема измерения стабильности тока.

Способ включает в себя следующие операции.

Охлаждение до температуры сверхпроводимости.

Для охлаждения корпус компаратора 1 опускают в ванну с жидким гелием (не показано) и охлаждают до температуры сверхпроводимости все сверхпроводящие узлы и приборы, в том числе трубу 2 компаратора, провод 3 измеряемого тока (провод измеряемого тока взят сверхпроводящим, чтобы не выделялось Джоулево тепло (i²R) на сопротивлении провода, что ведет к лишнему выкипанию гелия), короткозамкнутый сверхпроводящий контур 4, контур 5 сквида, сквид-магнитометр 6.

Включение измеряемого тока.

Подключают измеряемый ток. Он течет через сверхпроводящий провод 3.

Введение тока в разомкнутый сверхпроводящий контур.

Для ввода тока в сверхпроводящий контур 4 подают ток от внешнего источника (не показан) на нагреватель 7 теплового выключателя сверхпроводимости, при этом разрушается сверхпроводимость участка сверхпроводящей цепи под выключателем сверхпроводимости. Этот участок переходит в нормальное (несверхпроводящее) состояние. Подключают провода, закрепленные около разрушенного участка, к источнику 8 тока. Ток течет от источника тока через сверхпроводящую часть контура 4 (так как она имеет R 0, а "разрушенная" часть контура R>0). Устанавливают ток величиной на 1-10% больше измеряемого тока.

Замыкание сверхпроводящего контура.

Отключают нагреватель 7 выключателя сверхпроводимости от источника тока. Нагретый участок контура 4 охлаждается и переходит в сверхпроводящее состояние. В сверхпроводящем контуре 4 продолжает циркулировать незатухающий ток. Отключают источник 8 тока.

Регулировка тока в сверхпроводящем контуре.

Для регулировки тока используют устройство для регулировки магнитного потока в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре. Устройство представляет собой тепловой выключатель 9 сверхпроводимости, в котором параллельно нагретому участку контура 4 подключено сверхнизкое сопротивление 10 (порядка 10^-8-10^-9 Ом). Такое сопротивление можно создать, если на сверхпроводящий провод нанести тонкий (1-2 мкм) слой меди и петлю из провода скрутить в месте нанесения меди. При нагреве такой скрутки сверхпроводимость провода разрушается и образуется сопротивление между медными слоями на проводе. Это сопротивление включается последовательно в контур. При температуре ниже переходной ток течет по сверхпроводящему проводу. При нагреве сверхпроводимость провода разрушается, появляется сопротивление и ток течет через медный слой. При этом часть тока из-за джоулевых потерь на сверхнизком сопротивлении теряется. Поток в контуре и, следовательно, ток медленно затухает (период затухания может быть в несколько часов). Нагрев удерживают до тех пор, пока незатухающий ток не станет примерно равным измеряемому. После этого отключают нагреватель 9 выключателя сверхпроводимости. Сверхпроводимость короткозамкнутого контура 4 восстановлена, в нем циркулирует незатухающий ток, примерно равный измеряемому.

Сравнение токов.

При отклонении измеряемого тока от незатухающего тока в контуре 4 по внешней стороне трубы 2 потечет ток, компенсирующий разницу магнитных полей измеряемого и незатухающего токов. Этот ток создает магнитный поток, который через контур 5 измеряется сквид-магнитометром. Сигнал со сквид-магнитометра, пропорциональный мгновенной нестабильности измеряемого тока, может быть записан на самописец.

Корпус 1 устройства помещен в ванну с жидким гелием (не показана). К корпусу 1 крепится труба 2, через которую проходят сверхпроводящие провода 3 и 4. Труба 2 охватывается контуром 5 сквида. Контур сквида связан с входной катушкой сквида 6 и образует вместе с ней сверхпроводящий короткозамкнутый контур-трансформатор потока. Сквид 6 установлен внутри корпуса 3 и индуктивно связан через входную катушку с контуром 5. Электронные блоки сквид-магнитометра вынесены в теплую зону.

Провод 4 выполнен в виде короткозамкнутого сверхпроводящего контура, проходящего через сверхпроводящую трубу 2. Часть провода 4 находится в зоне нагревателя 7 выключателя сверхпроводимости. Обычно петля провода 4 наматывается на нагреватель, а в качестве нагревателя используют стандартное угольное сопротивление. Другая часть провода 4 находится в зоне нагревателя 9 выключателя сверхпроводимости. На эту часть провода нанесен тонкий слой меди. Провод сложен петлей и свернут, так что медные слои соприкасаются между собой. Эта петля намотана на нагреватель 9 выключателя сверхпрово- димости. Провод 4, образующий короткозамкнутый контур, не имеет разрывов, а его концы соединены сверхпроводящим соединением (сварены). Провод 4 может быть весь покрыт слоем меди. Такие провода с медной изоляцией выпускаются промышленностью.

Сущность изобретения заключается в замене сложного, нестабильного источника эталонного тока сверхпроводящим короткозамкнутым контуром. Точность сравнения сверхпроводящим компаратором тока составляет 10^-11. Создание такого эталонного источника тока со стабильностью 10^-10 задача сложная, и устройство получается громоздким и дорогостоящим, значительно сложнее простого короткозамкнутого контура. Особенно усложняются требования к эталонному источнику при необходимости проведения долговременных испытаний, что требуется, например, при испытании морских навигационных систем и их элементов (120-240 ч).

Известно, что в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре магнитный поток не изменяется. Следовательно, при неизменной индуктивности не изменяется ток. Широко известен эксперимент с измерением стабильности тока в свинцовом кольце, находящемся в жидком гелии. За 2 года испытаний не было обнаружено изменения магнитного потока в кольце. Действительно, если взять короткозамкнутый контур из ниобия (из ниобиевого провода), то его сопротивление в условиях жидкого гелия равно менее 10^-24 Ом.

Известно, что сопротивление ниобием менее 10^-26 Ом. Предположим, что индуктивность сверхпроводящего контура составляет 10^-9 Гн (индуктивность можно увеличить, сделав контур из нескольких витков). Тогда, полагая, что в контуре затухает по экспоненте, будем иметь I=I_oe =I_oe где τ 10^-17 c Следова- тельно, примерно за 10⁹ лет ток снизится всего в 3 раза. Пpиближенный расчет показывает, что даже в первый момент, начиная от t 0, стабильность тока в короткозамкнутом контуре превысит 10^-11 только примерно через 300 ч, что вполне достаточно для проведения долговременных испытаний. Как показывает практика, сопротивление сверхпроводника значительно меньше, чем в настоящем изобретении. Для повышения стабильности тока в короткозамкнутом контуре остаются две возможности: увеличение индуктивности L за счет увеличения числа витков W(L W²); смещение начала долговременных испытаний на несколько часов после установления тока в короткозамкнутом сверхпроводящем контуре.

Таким образом применение короткозамкнутого сверхпроводящего контура вместо эталонного стабилизированного источника тока позволяет упростить комплектовку схемы измерения стабильности тока и снизить погрешность измерения нестабильности.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ СТАБИЛЬНОСТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащее сверхпроводящий компаратор тока с контурами контролируемого и эталонного тока, размешенными в трубе, индуктивно связанной со СКВИД магнитометром, а также источник тока, подключенный к контуру эталонного тока, отличающееся тем, что оно снабжено двумя выключателями сверхпроводимости и сверхнизкоомным резистором, при этом первый выключатель сверхпроводимости включен в контур эталонного тока между выходными зажимами источника тока, а второй выключатель сверхпроводимости и сверхнизкоомной резистор соединены параллельно и также включены в контур эталонного тока, выполненный сверхпроводящим короткозамкнутым.

РИСУНКИ

Рисунок 1