Способ хранения частоты электрических колебаний

 

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано при эксплуатации мер частоты. Способ основан на периодическом измерении отклонения частоты меры от частоты эталона и коррекции частоты меры на величину измеренного отклонения. Отличительной особенностью способа является дополнительная периодическая коррекция частоты меры на протяжении интервалов времени между двумя моментами измерения отклонения частоты меры от частоты эталона. Величину дополнительной коррекции определяют по прогнозируемой скорости дрейфа частоты меры. Способ позволяет уменьшить погрешность по частоте мер, периодически сравниваемых с эталоном. 2 ил.

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано при эксплуатации мер частоты (иногда будем называть их просто мерами).

Известен способ хранения частоты колебаний мерой частоты [1] , содержащий повторяемые через интервалы времени Т_i (где i номер интервала времени) операции измерения отклонения частоты меры от частоты эталона Δf_i и коррекции частоты меры на величину Δf_i. Измерение отклонения частоты меры от частоты пространственно удаленного эталона может проводиться по радио, телевизионным или спутниковым сигналам или методом транспортируемых часов, а от частоты эталона, расположенного в непосредственной близости к мере, с помощью частотных или фазовых компараторов и электронно-счетных частотомеров.

Интервал Т_i, через который измеряют отклонение частоты меры, зависит от погрешности меры по частоте, которую надо получить, погрешности измерений, от доступности эталона во времени (он может работать не непрерывно, а включаться время от времени, например, 1 раз в 3 месяца) и других факторов.

Так, например, погрешность измерений частоты по радиосигналам составляет ~ 1•10^-12 при измерениях в течение 1 суток, и для получения погрешности меры по частоте ~ 1•10^-14 необходимо измерения проводить непрерывно в течение 100 суток, при этом коррекцию частоты меры можно проводить лишь 1 раз в 100 суток.

Если измерения проводятся с помощью транспортируемых часов, то при больших расстояниях между мерой и эталоном (сотни и тысячи км) проводить такие измерения затруднительно, поэтому они проводятся не чаще 1 раза в месяц или даже в квартал.

Данный способ хранения частоты колебаний по совокупности существенных признаков взят за прототип.

Недостатком прототипа является большая погрешность меры по частоте, получаемая данным способом, из-за наличия систематического дрейфа частоты, который имеется даже у таких высокостабильных мер, какими являются квантовые водородные стандарты частоты.

Так, например, сравнительно небольшой дрейф частоты водородного стандарта ~ 1•10^-15 в сутки приводит к отклонению частоты меры (погрешности по частоте) ~ 10^-13 за 3 месяца, а современные требования к высокоточным мерам частоты значительно выше.

Предлагаемое изобретение решает проблему уменьшения погрешности по частоте мер, периодически сравниваемых с эталоном.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе хранения частоты электрических колебаний, содержащем повторяемые через интервалы времени Т_i (где i= 1, 2, 3, . . . номер интервала времени), начиная с начального момента времени, операции измерения отклонения частоты меры от частоты эталона и коррекции частоты меры на величину измеренного отклонения, дополнительно на протяжении каждого интервала времени Т_i, начиная с интервала Т₂, в моменты времени кΔt (к= 1,2, . . . , , Δt много меньше Т_i) корректируют частоту меры на величину где β_i-1 - величина дополнительной коррекции частоты меры в моменты времени kΔt на интервале времени Т_i-1, при этом β₁= 0; Т_i-1 величина (i-1)-гo интервала времени, через который осуществляют измерение отклонения частоты меры от частоты эталона и коррекцию частоты меры на величину измеренного отклонения; Δt интервал времени, через который дополнительно корректируют частоту меры; Δf_i-1 отклонение частоты меры от частоты эталона, измеренное в конце интервала времени T_i-1.

На фиг. 1 штрих-пунктирными линиями изображено изменение во времени отклонения частоты меры от частоты эталона по способу, принятому за прототип, а сплошными линиями по предлагаемому способу.

На фиг. 2 приведена структурная схема одного из возможных вариантов устройства, реализующего предлагаемый способ, в котором измерение отклонения частоты меры от частоты эталона осуществляется с помощью частотного компаратора и электронно-счетного частотомера, где обозначено: 1 мера частоты; 2 эталон (частоты); 3 частотный компаратор; 4 электронно-счетный частотомер.

Реализация предлагаемого способа хранения частоты электрических колебаний включает проведение следующих операций:
- измерение отклонения частоты меры 1 от частоты эталона 2 Δf_i с помощью частотного компаратора 3 и электронно-счетного частотомера 4, повторяемое через интервалы времени Т_i (где i= 1, 2, . . . номер интервала), начиная с начального момента времени;
- коррекция частоты меры 1 на величину Δf_i повторяемая через интервалы времени Т_i, начиная с начального момента времени;
- коррекция частоты меры 1 в течение интервала Т_i (начиная с T₂) в моменты времени kΔt (k= 1, 2, . . . , , Δt<) на величину β, определяемую согласно выражению (1).

Процесс хранения частоты и проводимые вычисления осуществляют в следующем порядке.

В начальный момент времени с помощью частотного компаратора 3 и электронно-счетного частотомера 4 измеряют отклонение частоты меры 1 от частоты эталона 2 Δf₀ и частоту меры 1 корректируют на величину Δf₀ до совпадения с частотой эталона 2.

Операцию измерения отклонения частоты меры 1 повторяют в момент времени T₁ и частоту меры корректируют на величину Δf₁, полученную в результате измерения.

Величина есть фактическая скорость систематического дрейфа частоты меры 1 на интервале времени T₁. Такую же величину скорости прогнозируют на интервал Т₂.

На интервале времени Т₂ в моменты времени kΔt (k= 1, 2 . . . , , Δt<, ) проводят коррекцию частоты меры 1 на величину β₂, где .

Из-за погрешности измерений и несоответствия фактического изменения частоты прогнозируемому в конце интервала Т₂ частота меры 1 будет иметь отклонение от частоты эталона 2, равное Δf₂, которое измеряют с помощью частотного компаратора 3 и электронно-счетного частотомера 4 и частоту меры 1 корректируют на величину Δf₂.

Таким образом, фактическая скорость систематического дрейфа частоты меры 1 на интервале Т₂ равна .

Такую же величину скорости дрейфа прогнозируют на интервал ₃, на котором в моменты времени kΔt проводят коррекцию частоты меры 1 на величину β₃, где .

Далее процесс повторяется.

На i-ом интервале времени Т_i коррекцию частоты меры 1 в моменты времени kΔt проводят на величину β_i,, где β_i определяется согласно выражению (1).

Аналогичные операции проводят, когда измерения отклонения частоты меры 1 от частоты эталона 2 осуществляют не с помощью частотного компаратора и электронно-счетного частотомера, а с помощью радио или телевизионных приемников. В этом случае измерения проводят не в момент Т_i, а непрерывно в течение всего интервала Т_i, а вычисление и коррекцию частоты меры на величину Δf_i проводят в конце интервала Т_i.

Как правило, скорость систематического дрейфа частоты мер уменьшается со временем, поэтому коррекция частоты в моменты времени kΔt может производиться также на величину меньшую, чем β_i/ . Конкретную величину коррекции определяют, исходя из данных о скорости такого уменьшения, так, чтобы величина Δf_i отклонения частоты меры от частоты эталона была минимальной.

Из приведенного описания и фиг. 1 видно, что при предлагаемом способе хранения частоты погрешность по частоте меры уменьшается по сравнению с прототипом. При этом возможно уменьшение погрешности в (5-10) раз.

ЛИТЕРАТУРА
1. А. И. Пихтелев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. М. , Сов. Радио, 1978, стр. 252-262.

Формула изобретения

Способ хранения частоты электрических колебаний мерой частоты, содержащий повторяемые через интервалы времени T_i (i= 1, 2, . . . номер интервала времени), начиная с начального момента времени, операции измерения отклонения частоты меры от частоты эталона и коррекции частоты на величину измеренного отклонения, отличающийся тем, что дополнительно на протяжении каждого интервала времени Т_i, начиная с Т₂ в моменты времени kΔt (k= l, 2, . . . , - , Δt много меньше T_i) корректируют частоту меры на величину

где β_i-1 - величина дополнительной коррекции частоты меры в моменты времени kΔt на интервале времени T_i-1, при этом β₁ = 0;
T_i-1 - величина (i-1)-го интервала времени, через который осуществляют измерение отклонения частоты меры от частоты эталона и коррекцию частоты меры на величину измеренного отклонения;
Δt - интервал времени, через который дополнительно корректируют частоту меры;
Δf_i-1 - отклонение частоты меры от частоты эталона, измеренное в конце (или на протяжении) интервала Т_i-1.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2