Способ воспроизведения магнитной индукции в гипогеомагнитном диапазоне
Владельцы патента RU 2650769:
Российская Федерация от имени которой выступает Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) (RU)
Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для получения эталонных значений магнитной индукции постоянного поля в диапазоне ±1000 нТл. Сущность изобретения заключается в том, что способ воспроизведения магнитной индукции в гипогеомагнитном диапазоне, включающий компенсацию продольной и поперечных компонент магнитной индукции локального поля Земли, содержит этапы, на которых осуществляют изменение опорной частоты фазового компаратора частот (ФКЧ) в соответствии с величиной воспроизводимой магнитной индукции и измерение воспроизводимой магнитной индукции гипогеомагнитного диапазона на уровне удвоенного значения магнитной индукции локального поля Земли (МИЛПЗ) с последующей полной компенсацией МИЛПЗ при условии стабилизации тока в вертикальной обмотке эталонной трехкомпонентной меры-компаратора (ЭТМК) с относительной нестабильностью 3⋅10-7. Технический результат – расширение нижнего предела диапазона воспроизведения единицы магнитной индукции от 1000 нТл до 10 нТл с неопределенностью ±0,2 нТл. 1 ил.
Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для получения эталонных значений магнитной индукции постоянного поля в диапазоне ±1000 нТл.
Известен способ воспроизведения магнитной индукции в диапазоне геомагнитных полей (Государственный первичный эталон единиц магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и градиента магнитной индукции. В.Я. Шифрин и др. Измерительная техника, 2012, №7 с. 3-7).
Эталонная измерительная система воспроизведения магнитной индукции постоянного поля основана на применении эталонного He-Cs магнитометра, кварцевого соленоида постоянного поля, питаемого мерой постоянного тока, трехкомпонентной меры-компаратора МИ постоянного поля (ЭТМК), автоматической системы компенсации вариаций всех трех компонент магнитной индукции локального поля Земли (МИЛПЗ).
Известный способ заключается в автоматической компенсации вариации компонент локального магнитного поля Земли с последующей установкой в ЭТМК двойного поля Земли. Компенсация вертикальной составляющей локального магнитной поля Земли достигается сменой полярности стабилизированного тока, подаваемого в вертикальную обмотку ЭТМК. Воспроизведение и стабилизация значения магнитной индукции достигается подачей соответствующего тока на вертикальную обмотку при одновременной установке на фазовом компараторе частоты, соответствующей текущему воспроизводимому значению магнитной индукции.
Данный способ обеспечивает воспроизведение и передачу единицы МИ в диапазоне от 1 мкТл - 1 мТл.
При этом, в ряде применений, связанных с навигацией, космическими и военными исследованиями, необходима возможность воспроизводить магнитную индукцию в гипогеомагнитном диапазоне, начиная с 10 нТл, при неопределенности измерений менее 0,1-0,2 нТл.
Добиться подобных характеристик данным способом на имеющейся технике нельзя, так как диапазон измерений эталонного магнитометра начинается с 500 нТл. Кроме того, в области гипогеомагнитных полей возникают повышенные требования к стабилизации подаваемого на кварцевый соленоид тока.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение нижнего предела диапазона воспроизведения единицы магнитной индукции от 1000 нТл до 10 нТл.
Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ воспроизведения магнитной индукции в гипогеомагнитном диапазоне включает компенсацию продольной и поперечных компонент магнитной индукции локального поля Земли, измерение начального стабилизируемого значения вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли, фиксацию значений опорной частоты фазового компаратора частот, подбор и установку значения тока, пропускаемого по обмотке компенсации вертикальной компоненты эталонной трехкомпонентной меры-компаратора, обеспечивающего удвоение начального стабилизированного значения вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли при фиксированном значении опорной частоты фазового компаратора частот, изменение опорной частоты фазового компаратора частот на величину, соответствующую величине воспроизводимой магнитной индукции, измерение полученного значения магнитной индукции эталонным магнитометром и воспроизведение заданного значения магнитной индукции путем изменения направления тока, подаваемого на обмотку вертикальной компоненты ЭТМК, при этом в течение всего процесса воспроизведения поддерживают стабилизированное значение установленного тока обмотки вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли.
Заявляемый способ может быть реализован эталонной измерительной системой из состава ГЭТ 12-2011 для воспроизведения и передачи размера Тл и Тл/А в область гипогеомагнитного диапазона (фиг.), которая основана на применении следующих эталонных средств измерений: эталонного гелий-цезиевого магнитометра (ЭГЦМ) 1, ЭТМК 2, эталонного соленоида 3, системы автоматической компенсации вариаций МПЗ в виде однообъемного однокомпонентного 4 и двухобъемного трехкомпонентного 5 атомных магниторезонансных (AMP) контроллеров магнитной индукции (МИ), фазовый компаратор частот (ФКЧ) 6, источник стабилизированного тока 7, синтезатор частот 8, блок стабилизации тока 9.
Эталон ГЭТ 12-2011 воспроизводит единицу магнитной индукции B=Тл посредством эталонного гелий-цезиевого магнитометра ЭГЦМ 1, опираясь на гиромагнитное отношение протона - γ'P, гиромагнитное отношение атомов гелия-4 - γHe4 и метод двойного радиооптического магнитного резонанса атомов гелия-4.
Способ реализуется следующим образом.
На первом этапе производится компенсация продольной и поперечных компонент магнитной индукции локального поля Земли путем подачи тока на соответствующие обмотки ЭТМК 2.
Затем с использованием ЭГЦМ 2 производится измерение начального стабилизируемого значения вертикальной компоненты МИЛПЗ и соответствующей опорной частоты fo. После этого, подавая fo на вход фазового компаратора частот (ФКЧ) 6, производится стабилизация значения МИЛПЗ.
Далее производится подбор и установка тока, пропускаемого по вертикальной обмотке ЭТМК 2, обеспечивающего удвоение начального стабилизированного значения вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли при фиксированном значении опорной частоты ФКЧ 6. При этом контроль получаемого в ЭТМК 2 значения МИ производится с помощью ЭГЦМ 1.
Поскольку воспроизводимые значения МИ зависят от величины подаваемого на вертикальную обмотку ЭТМК тока, то требования к его стабильности чрезвычайно высокие. Поэтому в течение всего процесса воспроизведения поддерживают его стабилизированное значение.
Для поддержания установленного значения тока введена дополнительная обратная связь по току, обеспечиваемая блоком 6 стабилизации тока, состоящим из эталонной меры сопротивления 1 Ом, высокоточного вольтметра Agilent 3458А, управляемого ЦАП типа LCard LTR34 и персонального компьютера (ПК). При этом вольтметром производится измерение тока по падению напряжения на эталонной мере сопротивления. Показания вольтметра поступают в ПК, где усредняются и сравниваются с заданным значением напряжения. При отклонении напряжения от заданного значения с управляющего ПК подается команда на ЦАП, который выдает компенсирующее напряжение на вход внешнего управления стабилизатора тока. Таким способом, удается поддерживать ток с относительной нестабильностью 3⋅10-7, что соответствует неопределенности МИ ± 0,015 нТл.
Полученное в рабочем объеме ЭТМК 2 значение МИ является суммой значения стабилизированной вертикальной компоненты локального поля Земли и значения МИ, создаваемого вертикальной обмоткой при пропускании по ней подобранного значения тока, что соответствует удвоенному значению вертикальной компоненты МИЛПЗ.
Получаемое в ЭТМК 2 значение вертикальной компоненты МИ изменяется путем изменения значения опорной частоты fo ФКЧ 6 на величину Δfo, соответствующую значению величины, воспроизводимой МИ.
Далее производится измерение воспроизводимой магнитной индукции на уровне удвоенного значения вертикальной компоненты МИЛПЗ.
При изменении направления тока в вертикальной обмотке ЭТМК 2, становится возможным полностью компенсировать вертикальную компоненту МИЛПЗ и получить в ЭТМК 2 воспроизводимую МИ.
Такая сложная процедура воспроизведения объясняется тем, что в отличие от воспроизведения МИ в диапазоне от 1 мкТл до 1 мТл, генерируемое системой поле не может напрямую быть измерено ЭГЦМ 1, так как нижний диапазон измерений ЭГЦМ 1 ограничивается 1 мкТл. Поэтому измерение полученной в ЭТМК 2 МИ производится на уровне двойной вертикальной компоненты МИЛПЗ.
Таким образом, изменение опорной частоты ФКЧ 6 в соответствии с величиной воспроизводимой магнитной индукции и измерение воспроизводимой магнитной индукции гипогеомагнитного диапазона на уровне удвоенного значения МИЛПЗ с последующей полной компенсацией МИЛПЗ, при условии стабилизации тока в вертикальной обмотке ЭТМК 2 с относительной нестабильностью 3⋅10-7, обеспечивают достижение заявленного технического результата - расширение нижнего предела диапазона воспроизведения единицы магнитной индукции от 1000 нТл до 10 нТл с неопределенностью ±0,2 нТл.
Способ воспроизведения магнитной индукции в гипогеомагнитном диапазоне, включающий компенсацию продольной и поперечных компонент магнитной индукции локального поля Земли, измерение начального стабилизируемого значения вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли, фиксацию значений опорной частоты фазового компаратора частот, подбор и установку значения тока, пропускаемого по обмотке компенсации вертикальной компоненты эталонной трехкомпонентной меры-компаратора, обеспечивающего удвоение начального стабилизированного значения вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли при фиксированном значении опорной частоты фазового компаратора частот, изменение опорной частоты фазового компаратора частот на величину, соответствующую величине воспроизводимой магнитной индукции, измерение полученного значения магнитной индукции эталонным магнитометром и воспроизведение заданного значения магнитной индукции путем изменения направления тока, подаваемого на обмотку вертикальной компоненты ЭТМК, при этом в течение всего процесса воспроизведения поддерживают стабилизированное значение установленного тока обмотки вертикальной компоненты магнитной индукции локального поля Земли.
