Устройство для воспроизведения за-данных значений магнитной индукции

 

О П И С А Н И Е „,)вюву

ИЗОБРЕТЕНИЯ

СОюз Соеетскик

Социалистическик

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 29.08.78 (21) 2664710/18-25 с присоединением заявки № (23) Приоритет (43) Опубликовано 07.03.81. Бюллетень № 9 (45) Дата опубликования описания 07.03.81 (51) М. Кл, G 01V 3/40

Государстеенный комитет (53) УДК 621.317.421 (088.8) по делам изобретений и открытий (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ЗАДАННЫХ

ЗНАЧЕНИЙ МАГНИТКОЙ ИНДУКЦИИ

Изобретение относится к области метрологии и может быть использовано для получения эталонных значений магнитной индукции слабых магнитных полей.

Известно устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, основанное на стабилизации задаваемых значений поля на частотах ядерного (атомного) магнитного резонанса (1).

Указанное устройство, хотя и обеспечивает высокую степень стабилизации и широкий диапазон стабилизируемых значений магнитной индукции, не может быть использовано для воспроизведения на уровне метрологической точности (первичное воспроизведение), так как в этом случае необходимо знать точное значение гиромагнитного отношения протонов, которое в настоящее время определяется на основе измерения частоты прецессии резонирующих частиц в известном магнитном поле, т. е. требует независимого воспроизведения единицы магнитной индукции.

Известно также устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, которое содержит последовательно соединенные эталонную катушку магнитной индукции и первый регулируемый источник постоянного тока, две разнесенные в пространстве эквивалентные катушки компенсации магнитого поля Земли (МПЗ), ориентированные по направлению этого поля, причем первая из этих катушек концентрична и соосна с эталонной катушкой, и второй регулируемый источник постоянного тока.

Вторая катушка компенсации магнитного поля Земли удалена от первой на расстояние, обеспечивающее исключение ее влияния на поле эталонной катушки. Внутрь

10 этой катушки помещен квантовый преобразователь магнитной индукции в частоту, выходной сигнал которого сравнивается в фазовом детекторе с некоторым сигналом частоты fo, поступающим с выхода опорно15 го генератора. На выходе фазового детектора образуется управляющий сигнал, автоматическн регулирующий ток второго регулируемого источника постоянного тока таким образом, что в рабочих объемах кату20 шек компенсации создаются одинаковые изменяющиеся поля, компенсирующие изменения МПЗ.

Устройство содержит также цепь компенсации постоянной составляющей МПЗ, со25 стоящую из последовательно включенных третьей катушки компенсации, концентричной с эталонной катушкой, и стабилизированного источника постоянного тока (2).

В этом устройстве реализован способ, по з0 которому воспроизводимое значение маг811187 нитной индукции создается в рабочем объеме эталонной катушки с током в условиях компенсации МПЗ, причем постоянная эталонной катушки рассчитывается на основе точных измерений геометрических размеров ее обмотки, а сила тока воспроизводится при помощи эталонных мер напряжения (нормального элемента) и сопротивления, получающих значение от соответствующих первичных эталонов.

Недостатком данного устройства является недостаточно высокая точность воспроизведения заданных значений магнитной индукции, обусловленная ограниченной стабильностью и воспроизводимостью силы тока, определяемой нормальным элементом и эталонным резистором. Точность воспроизведения ограничивается также тем, что остаются неисключенными магнитные помехи, обусловленные нестабильностью элементов цепи компенсации постоянной составляющей МПЗ. Другим недостатком его является возможность воспроизведения лишь крайне ограниченного числа значений магнитной индукции, определяемого числом эталонных резисторов разного номинала.

Целью изобретения является повышение точности воспроизведения и расширение диапазона задаваемых значений магнитной индукции.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее эталонную катушку магнитной индукции и первый регулируемый источник постоянного тока, соединенные последовательно, две разнесенные в пространстве эквивалентные катушки компенсации МПЗ, ориентированные по его направлению, первая из которых концентрична с эталонной катушкой, и второй регулируемый источник постоянного тока, соединенные последовательно, фазовый детектор, выход которого подключен к управляемому входу второго источника тока, и квантовый преобразователь магнитной индукции в частоту, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, дополнительно введены помещенные внутрь второй катушки компенсации две соосные с ней идентичные токозадающие катушки магнитной индукции, второй преобразователь магнитной индукции в частоту, идентичный первому, сумматор частот, второй фазовый детектор и синтезатор частот, при этом токозадающие катушки включены встречно-последовательно в цепь первого источника тока, преобразователи размещены внутри них, причем выход первого преобразователя подключен также к первому входу сумматора, выход второго преобразователя подключен к второму входу первого фазового детектора и второму входу сумматора, а выходы сумматора и синтезатора частот подключены к входам второго фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока.

На чертеже представлена структурная схема устройства.

Устройство содержит эталонную катушку

1 магнитной индукции, намотанную на кварцевом каркасе и помещенную внутрь первой катушки 2 компенсации магнитного поля Земли (МПЗ). Две дополнительные идентичные встречно-последовательно включенные токозадающие катушки 3 и 4 магнитной индукции намотаны на общем каркасе из кварца, ориентированы по направлению эталонной катушки и размещены внутри второй катушки 5 компенсации

МПЗ, эквивалентной катушке 2 и удаленной от нее на расстояние, обеспечивающее исключение влияния системы катушек 3, 4 и 5 на поле, создаваемое эталонной катушкой 1. Система последовательно соединенных эталонной и токозадающих катушек магнитной индукции подключена к первому регулируемому источнику постоянного тока 6, а система последовательно соединенных катушек компенсации — к второму регулируемому источнику постоянного тока

7. Внутрь рабочих объемов катушек 3 и 4 помещены соответственно два идентичных квантовых преобразователя 8 и 9 магнит30 ной индукции в частоту, например преобразователи на оптической накачке S,-типа. В электронную часть устройства входят также сумматор 10 выходных частот преобразователей, первый и второй фазовые детек05 торы 11 и 12 и синтезатор 13 частот промышленного типа, например Ч6-31.

Устройство работает следующим образом.

В основу воспроизведения магнитной ин40 дукции положено соотношение

В= К,l+ ЬВ, 50 где К, — постоянная эталонной катушки, в рабочем объеме которой соз45 дается заданное значение магнитной индукции, определяемая посредством прецизионных измерений геометрических размеров ее обмотки;

1 — сила постоянного тока, поддерживаемая с высокой точностью на заданном определенном уровне;

Л — нескомпенсированный остаток

55 МПЗ в рабочем объеме эталонной катушки.

Значение тока I стабилизируется первым кольцом автоматического регулирования, состоящим из регулируемого источника то00 ка 6, катушек 1, 3 и 4, а также преобразователей 8 и 9, сумматора частот 10, фазового детектора 12 и синтезатора частот 13.

Требуемое значение тока устанавливается грубо на источнике тока 6, а точно — на

65 синтезаторе 13. Благодаря идентичности и

8111

Преобразователи 8 и 9, помещенные внутрь катушек 3, 4, вырабатывают сигналы с частотами

5 встречному включению катушек 3 и 4 в рабочих объемах последних создается магнитное поле с индукциями

В, = К,I+ ЬВ и В,К,l — ЬВ, где К, — постоянная токозадающих катушек3и4.

87

6 ва частот f< = f> с выходов преобразователей 8 и 9, что равносильно ЛВ = О. Благодаря исключению независимой цепи компенсации постоянной составляющей МПЗ и создаваемых ею магнитных помех, предлагаемое устройство обеспечивает более высокую степень компенсации МПЗ по сравнению с прототипом, что является необходимым условием повышения точности воспроизведения магнитной индукции.

f ГВ,и f II3

f= (,+f,=2ГК,l, 20

25 где à — фундаментальная константа атомов (ядер) рабочего вещества преобразователей.

На выходе сумматора частот 10 выделяется сигнал с частотой которая в фазовом детекторе 12 сравнивается с опорной частотой fo, поступающей с синтезатором частот 13. Значение частоты

fo определяет значение тока I: сигнал с выхода фазового детектора 12 управляет током источника 6, поддерживая его равным

I=

fo

2ГК

Значение коэффициента пропорционально1 сти определяется при аттестации

2Г/ т устройства по первичным эталонам единиц силы тока и времени (частоты). Стабильность и воспроизводимость значений тока в предлагаемом устройстве выше, чем в известном, так как эти характеристики определяются только свойствами таких высокостабильных элементов, как кварцевые катушки, квантовые преобразователи и синтезатор частот.

Долговременная нестабильность указанных элементов не превышает (1...2)10 —, что на порядок меньше, чем для нормальных элементов и эталонных резисторов.

Кроме того, в устройстве диапазон задаваемых значений магнитной индукции шире, чем в прототипе, так как он определяется практически непрерывным рядом частот, задаваемых синтезатором. Следовательно, количество задаваемых значений практически неограниченно, тогда как в известном оно равно трем.

Магнитное поле Земли компенсируется вторым кольцом автоматического регулирования, состоящим из катушек компенсации

2 и 5, регулируемого источника тока 7, катушек 3 и 4, преобразователей 8, 9 и фазового детектора 11. Благодаря ориентации всех катушек по МПЗ и эквивалентности катушек 2 и 5 обмотками последних создаются одинаковые поля, равные и противоположно направленные МПЗ. Сигнал с выхода детектора 11 следит за изменениями

МПЗ, управляя током источника 7 таким образом, что выполняется условие равенст30

G0

Формула изобретения

Устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукции, содержащее эталонную катушку магнитной индукции и первый регулируемый источник постоянного тока, соединенные последовательно, две разнесенные в пространстве эквивалентные катушки компенсации магнитного поля Земли, ориентированные по его направлению, первая из которых соосна с эталонной катушкой, и второй регулируемый источник постоянного тока, соединенные последовательно, фазовый детектор, выход которого подключен к управляемому входу второго источника тока, и квантовый преобразователь магнитной индукции в частоту, выход которого подключен к первому входу фазового детектора, о т л и ч а ющ е е с я тем, что, с целью повышения точности воспроизведения и расширения диапазона задаваемых значений магнитной индукции, оно снабжено помещенными внутрь второй катушки компенсации двумя соосными с ней идентичными токозадающимп катушками магнитной индукции, вторым квантовым преобразователем магнитной индукции в частоту, идентичным первому, сумматором частот, вторым фазовым детектором и синтезатором частот, при этом токозадающие катушки включены встречнопоследовательно в цепь первого источника тока, преобразователи размещены внутри них, причем выход первого преобразователя подключен также к первому входу сумматора, выход второго преобразователя подключен к второму входу первого фазового детектора и второму входу сумматора частот, а выходы сумматора и синтезатора частот подключены к входам второго фазового детектора, выход которого подключен к управляющему входу первого источника тока.

Источники информации, принятые во внимание прп экспертизе

1. Владимиров В. М. и др. Протонный стабилизатор заданных значений постоянного магнитного поля. Приборы и техника эксперимента, 1974, X 5, с. 242.

2. Барахнин К. К. и др. Результаты исследований первичного эталона единицы магнитной индукции. Сб. Исследования в области магнитных нзмерений. Вып. 180, Л., Знергия, 1975, с. 3 — 9 (прототип).

811187

Составитель В. Майоршин

Редактор О. Филиппова Техред А. Камышникова Корректор Н. Федорова

Заказ 352/13 Изд. № 171 Тираж 749 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская иаб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2