автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование квантовых цезиевых преобразователей постоянного тока в частоту

Державний ун1верситет "Лыйвська гнттвк1ика"

ШКРЕНКО Петро Володкмирштч

РГб ол

- 3 [! г ;; Г" 7 УДК. 521.317: 681.326

РОЗРОБЛЕННЯ ТА Д0СЛ1ДЖЕННЯ КВАНТОВИХ ЦЕ31СЕЙХ ПЕРЕТВОРЮВАЧ1В ПОСТ1ЙНОГО СТРУМУ В ЧАСТОТУ

Сп&ц1альн1сть 05.11.05 - Прилади та методи витрювання електричних та маиитних величин

АВТОРЕФЕРАТ

дисэртацП на здобуття наукового ступени кандидата техн!чних наук

Лыпв - 1997

Дисертац1ею е рукопис.

Робота виконана у Державному ун1верситет1 "Льв1вська полЬ техн!ка" М1н1стерства осв1ти Укра'1ни

Науковий кер1вник - кандидат техьичних наук, доцент

Павлик Едуард 1лл1ч,

ДУ "Льв1всыса жттехшка", кафедра "Електронн! обчислювальн! машини"

0ф1щйн1 опоненти:

1. Доктор техтчних наук, професор Столярчук Петро Гаврилович, ДУ "Льв1вська пол1техн1ка", зав. каф. "Метролог1я, стандартизация та сэртифхкацгя".

2. Доктор техн1чних наук, професор Синицький Лев Аронович, Льв1вський державний ун1верситет 1м. I.Франка, кафедра "Тео-ретичн1 основи електрорад1отехн1ки".

Пров1дна органгзащя - ЦКВ " Арсенал м. КиТв.

Захист в1дбудеться " 24 " жовтня 1997 р. о 14 годит в ауд. 226 головного корпусу на зас1данн1 спеталХзоважл вчено! ради Д 04.06.11 у Державному утверситег1 " Львхвська пол1техн1ка " (290646, Льв1в-13, вул. С. Бандери, 12).

3 дисертац1ею можна ознакомимся в б1бл1отец1 Державного утверситету "Льв1вська пол!техн1ка" (вул. Професорська, 1).

Автореферат роз!слано " 1997 р.

Вчений секретар спещал1зоваво'1 вченох рад, д.т.н.

Луцик ЯЛ.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуалыйсть робота. В багатьох галузях народного господарс-тва спостер1гаеться широке розповсюдження iнформащ йно- вим iрю-вальних систем (IBC) та систем автоматичного управлхння (САУ), ефективн1сть застосування яких дуже часто регламентуеться або яилстю первиннох 1нформацП, яка надходить в1д р!зноман1тних дат-UHKiB (первшших вим!рювач1в - ПВ), або як!стю i нформащ ï, яку отримують з виходу вторинних вим1рювальних перетворювач1в (ВВП), що в багатьох випадках не в1дпов1дае вимогам i можливостям IBC 1 САУ. Все це висувае широкi вимоги до пристрсЯв отримання i пере-робки первинно'1 вишрювально! Нформащ. ï. Щ вимоги наст1льки poBMaiт i, що для ïx вир1ивння постае необх1дн1сть у використанн! велико"! кд.лькост1 швидкодшчих високочутливих i точних вим1рю-вальних перетворювач1в (ВП) та прилад1в. А якщо врахувати, що су-часна тенденц1я техтки вим!рювань орхентуеться на те., щоби вех види вимхрюванъ, по можливост!, звести до електричних, то стае реальною необх1дн!сть розробки нових i удосконалення вздомих ме-тод1в i saco6iB отримання вим1рювально'1 хнформацп, яка б во-лод1ла бшш високими як!сними показниками. Р1шення цих задач в значнхй Mipi пов'язане з розвитком вюарювальних перетворювачхв з частотним виходом (ВПЧВ), оскхльки частота, як ун!ф1кований вюйдний параметр ВП, володхе рядом переваг у пор1внянн! з сигналами струму та напруги. Проте, з.снукт ВПЧВ мають ряд недолШв (недостатня точн1сть, велика нелшхйнхсть вих1дних характеристик, значка температурна залелсн1сть i т.п.), що е одю.ею з причин, яка викликае необх!дн1сть подальшого дослдаення як в!домих шлях1в побудови ВП з частотним виходом, так i розробку нових з високими метролог1чними характеристиками.

Великий внесок у розробку питань теорП, практики i дос-л1дження ВП для IBC внесли науков1 колективи, очолюван1 в!домими вченими 0.0. Харкевичем, B.C. Сотсковим, К.Б. Карандвевим, Б.М. Петровим, Ф.е. ТемнЗковим, Д.I. Агежйним, ГЛ. Кавалеровим,,P.P. Харченком, П.П. Орнатским, Л.Ф. Кулшовським, П.В. Новицьким, В.М. ШлящЦним, В.О. Арутюновим, Б.Й. Швецгам, 1.П. Клх.стор1ним, АЛ. Кондалевим, М.П. Цапенком, В.Б. Смоловим, E.I. TiTicoM, Е.Г. Шрамковим, Г.М. Петровим, Л.I. ВолПним, В.В. Кудрявцевим, C.B. Кулшовим, В.Г. Кнорр1нгом, B.C. Гутн1ковим, Е.К. Шаховим, Ю.В. бвлановим та 1ншими.

Така велика увага науковщв до питань розробки Teopiï i про-

- г -

ектування перетворювачхв форми представления хнформацхх говорить про актуальн1сть цхвЗ проблеми. Саме в1д 51 як1сного р1шення без-посередньо залежать експлуатацхйно-техйчнх показники прилад1в 1 систем обробки цифровох а^формацп, ефектившсть практичного ви-кориетання потужних сучасних зас.об1в обчислювально! технхки у р!зних сферах д1яльбост1 людини.

Зв'язок робота з наукоемки програмамм, планами, темами. Задача високоточного перетворення пост!йного струму в частоту вир1шувалась в межах науково-дослхдних роб!т Державного ун!верси-тету "Льв1вська полх.технхка" (НДЛ-15, НДЛ-47) по темах 2714, 3034, 3306, 3716, 3764 виконаних у в1дповхдност1 з Рхшенням ком1с11 Президх! РМ СРСР за N 344 вхд 26 лютого 1980 року. Бо вице названих темах автор був спочатку вхдповхдальним виконавцем, а згодом - кер!вником.

Метою дисертад1йно1 робота е розробка принцшпв побудови та створення нових високоточних квантових цезхевих перетворювачхв пост1йного струму в частоту (КПСЧ), в основу яких покладено електронний парамагнхтний резонанс-(ЕПР) в атомних газах лужних метал!в 'у сукупност1 з методом оптичного накачування 1 оптичнох реестрацН магнхтного резонансу атомхв.

Вимоги:

1. Вххдний сигнал-постшний струм.

2. Динам1чний д1апазон вх!дних сигнал!в - 40 дБ (2-5-200)мА.

3. Основна похибка перетворення <0.001 %.

4. Вюпдний сигнал - частота.

Метода досл1дкень. Поставлен! аадачх ровробки 1 досл!дкенкя КПСЧ вир1шен1 в дисертацх! на основ1 теоретичних метод1в в облает!: оптичного накачування атомхв; магн1тного екранування сфе-ричними пермалоевими оболонками; утворення однор1дних мапитних полей в обмеженому об'емх - 10см3-, метод1в цифрово! реестрацП частотного сигналу КПСЧ з використанням пор1вняння з вразковими м1рами пост З.йн ого струму. Математична модель квантового датчика з 1мпульсним збудженням базуеться на законах теоретично! ф1зики з використанням методхв матрично! та лШйно! алгебри.

Наукова новизна одержаних результат^ дисертацхйно! робота полягае в наступному:

- визначена доц1льн1сть використання квантових цезхевих перетворювачхв для перетворення пост!йного струму в частоту 1 побудови на баз! КПСЧ цифрових прециз1йних вим!рювачхв струму;

- розроблена математична модель квантового датчика з 1мпульсним

збудженням;

- розв'язана задача чисельного досл1дження квантового датчика з !мпульсним збудженням, яка дозволяв досл1джувати квантов! датчики з р1зними за розьарами ком!рками поглинання;

- складено програму синтезу квантового датчика з !мпульсним збудженням, яка дозволяе отримати вс1 параметри квантового датчика, як1 щкавлять розробника при дП на атомну систему збуд-жуючими !мпульсами по в1с! ОХ айо по в1с1 ОУ;

- запропоновано аналптичний вираз, який пов'язуе вши дну частоту КПСЧ з перетворюваним струмом;

-автором вперше практично визначено коефз.щБНт, який характери-зуе зб1льшення магн1тного поля по вхс! солено'1да 1 який визна-чае його зв'язок з екраном;

- розроблен! вдфров1 реестратори струму 1 напруженост! магн1тного поля для КПСЧ, як1 дозволяють ревструвати результат вимгрювання безпосередньо в одиницях витрявано! ф1зично1 вели-чини;

-техн1чна новизна роботи тдтверджувться авторськими св1доцтва-ми за NN 1328939, 379967, 405098, 432440, 438344, 786564, 105566, 1226620, 1243113, 1661001.

Особистий внесок автора. Основна частина досл!джень дисер-тац1йно1 роботи виконана автором самостгйно, а саме: розробка та побудова квантового перетвортаача з !мпульсним збудженням; розробка модел1 КПСЧ з !мпульсним збудженням; розробка нових структур квантових датчшив; розробка методик досл1джень КПСЧ та його складових; визначення перспективних напрямк1в розвитку КПСЧ 1 по-будови на 1х основ1 цифрових вим1рювач1в струму; розробка частот-но-цифрових пристро!в для квантових датчиков з р!зними робочими речовинами.

У досл!дженнях, виконаних у сгпвавторстЫ, вклад автора був визначальним. Пр1звща сп1вавтор1в, як1 приймаяи участь по окре-мих питаниях, приведен! у списку л1тератури.

Практичне значения результат!в роботи полягае в тому, що:

- розроблена принципова електрична схема КПСЧ 1 на П баз1 виго-товлено 1 дослдаено декхлька макетних зразкхв квантових перетво-рювач!в пост!йного струму в частоту;

- розроблена математична модель КПСЧ з !мпульсним збудженням, яка дала можливЮть при розробщ КПСЧ прогнозувати ¡{ого техн!чн! характеристики 1 до м!н1муму звести роботи при макетуваню;

- отримат розрахунков! сшвв!дно®ення для КПСЧ та його окремих

вузл!в 1 приведен! практичн! рекомендацП по вибору квантових датчшив, виходячи з щлевого призначення КПСЧ;

- одержано та систематизовано у вигляд! таблиць 1 граф1к!в характеристики макетних зразк1В КПСЧ;

- показана момив1сть застосування КПСЧ для вишрювання струму зворотного зв'язку датчигав кутових швидкостей та прискорень з метою покрадення !х метролог!чних характеристик;

- запропоновано, розроблено 1 практично реал1зовано цифровий витровач напруженност1 геомагн!тного поля, основним вузлом якого в квантовий датчик КПСЧ.

Реал1зац1я результат1в робота. Одержан! в дисертащйнхй робот! результата використанг в розроблених при безпосередн1й участ1 автора макетних зразках КПСЧ, як! пройшли лабораторн1 вип-робування 1 впроваджен! на чотирьох пхдприемствах: Феодос1йському приладобуд!вному завод!; ЦКБ "Арсенал"; Кшвсъкому ф1л!ал1 науко-во-досл1дного технолог!чного !нституту оптичного приладобудування та науково-дослхдному 5.нститут1 автоматики ! приладобудування (м. Москва). Економ1чний ефект вхд впровадження розробок автора склав 246 тис.■.крб. • в ц!нах 1981 року, що п1дтверджуеться актами та розрахунками впровадження.

Д!ючий експерименталъний зразок частотно-цифрового приладу виготовлено безпосередньо автором, демонструвався на ВДНГ СРСР (1972 р.), де автор був нагороджений значком ! дипломом Лауреата науково-техн1чно1 творчост! молодь На закист киноситься:

- математична модель квантового датчика з хмпульсним збудженням;

- методика чисельного досл!дження квантового датчика з 1мпульсним збудженням;

- алгоритм ! програма анал!зу на ЕОМ квантового перетворювача з !мпульсним збудженням;

- структура квантових перетворювач!в пост1йного струму в частоту;

- обгрунтування перспективност! розробки 1 застосування квантових перетворювач1в пост!йного струму в частоту на основ! оптичного накачування атом1в !зотопу цез!ю-133;

- рекомендац!! по вибору квантового датчика для КПСЧ, виходячи з щльового призначення останнього;

- методики визначення констант перетворення КПСЧ та ощнки стаб!льност1 КПСЧ ! анал1зу його похибок;

- методика лшеаризацП характеристики перетворення квантових вим1рювач!в напруженост! магн!тного поля;

- рекомендацН до побудови цифрових вим1ргавач1в струму на базi КПСЧ;

- розроблен1 прилади цифрово'1 реестрацП для КПСЧ i вим1рювач1в напруженост1 геомагнитного поля та рекомендашл по ïx застосуван-ню.

Апробшия робота. OcHOBHi результата дисертац1йно1 роботи до-пов1дались i обговорювались на наукових ceMiHapax, конгресах i конференциях,- зокрема: 2-iü Республ1канськ1й конференцП "Электронные измерительные приборы и системы с коммутационно-модуляционными преобразователями" (Льв1в, 1971); Республикански науко-во-техн1чн1й конференцп "Структурные методы повышения точности измерительных устройств и систем" (Ки"1в, 1972); Всесоюзна конференцП по вим1рювальним 1нформац1йним системам "ЖС-73" (1ва-но-Фраятавськ, 1973); IX ceciï сем1нару по проблемам побудови i. використання магн1тометрично! апаратури (Саранськ, 1973); Всесоюзны науково-технгчному ceMiHapi "Вопросы теории и применения АИП параметров электрических сигналов и цепей" (Ульян1вськ, 1978); IV Всесоюзна науково-техн1чн1й конференцп "Вопросы улучшения технических параметров универсальных электроизмерительных приборов" (Житомир, 1979) ; ceMiHapi науково'1 Ради АН УРСР по проблем! "Електронна вим1рювальна i обчислювана TexHiKa" (Львхв, 1980); Друг1й науково-техн1чн1й конференцп "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей" (Пенза, 1981); Всесоюзной науково-техн1чн1й конференцП по вим!рювальним шформащйнкм системам "ИИС-81" (Льв1в, 1981); Все-coK>3HiM ceMiHapi по оптичн1й opieHTani'i aroMiB i молекул (BCOOAM) (Лен1нград, 1986); AM'SE "Applied Modelling & Simulation" (Lviv, 1993); XIII IMEKO WORD CONGRESS (Torino, Italia, 1994); Seininarium naukowe "Metody i technika przetwarsania sygnalow w pomiarach fi-sycznych" (Lwow-Rzeszow MSM'94); International Conference on Industrial Metrology (CIMI"95) (Zaragoza, Spain, 1995); IMECO TC-4. Workshop on ADC MODELLING (Smolenice Castle, Slovak Republic, 1996), а також на щор1чних науково-техн1чних конференц1ях профе-сорсько-викладацького складу Державного ун!верситету "Льв1вська noniTexHiKa" (Льв1в, 1970-1996) i наукових сем1нарах 301 кафедри Московського ав!ац1йного 1нституту (Москва, 1976, 1979).

ПубЛ1кацП. За результатами виконаних досл1джень i розробок опублжовано 54 друкован1 роботи, в тому числ1 отримано 10 ав-торських св1доцтв на винаходн.

Структура 1 обсяг роботи. Дисертагця викладена на 245 стор1нках друкованого тексту, м!стить 77 рисунки на 75 стор!нках 1 10 таблиць на 8 стор1нках, складаеться з вступу, п'яти роздШв, висновкгв, списку використаних джерел з 214 найменувань на 24 стор!нках та додатку на 22 стор1нках, який м1ститъ текст программ модел1 квантового перетворювача з !мпульсним збудженням, акти впровадження, розрахунки економ!чних ефект1в в!д впровадження вап-ропонованих перетворювач!в 1 розрахунки абсолютно! частотно! по-хибки КПСЧ.

ОСКОВНИЙ ЗИ1СТ РОБОТИ

У встут аргументована актуаяьн!сть дисертащйно! роботи, приведена !! структура. Визначено метод 1 задач! доапджень, сформульовано наукову новизну та положения, як! виносяться на за-хист.

В першому розд1л! зроблено огляд л!тературних 1 патентник джерел, присвячених сучасному стану 1 принципам побудови перетво-рювач1в "струм.(напруга) - частота". Основна увага звертавться на проблема по 1идвижению метролог!чних характеристик перетворю-вач1в. В св!тл! цього показано, що використовуючи "класичн1" ме-тоди побудови перетворювач1в "струм-частота" не можна досягти точносй перетворення струму (напруги) в частоту краще н1ж 0.01%. [1]. Звертаеться увага на пошук таких ф1зичних явшц, використання яких при побудов1 перетворювач!в "!->£" можна було би отримати кращ! метролог1чн1 характеристики. Автором доведено, що таким яввдем можна вважзти електронний парамагн1тний резонанс в атомних газах лужних метагпв у сукупност! з методом оптичного накачуван-ня. Показано, ¡до використовуючи це явище, яке характеризуемся квантовими сталями, визначеними на сьогодення з високою точнхсгю, перетворення пост1йного струму в частоту практично вводиться до вим1рювання вих1дно'1 частота КПСЧ з необх1дною на практик похиб-кою [2-73.

Приведена класиф1кац1я прилад1в, як1 використовують квантов! явища, 1 вказано в н1й м1сце, яке займають розроблен! квантов! пе-ретворювач!, а також в!дм!чено, що техн!чн! характеристики ос-танн!х залежать в1д ф1зичного явища, яке покладено в основу !х побудови, та в!д його техтчно! реал!защ!.

В другому роздШ розглянут! ф!зичн! основи роботи квантових датчик!в з оптичним накачуванням. Проаназйвовано механ!зм роботи

квантових перетворювач1в постойного струму в частоту 1 приведена наближена ощнка метролог1чних характеристик КД з оптичним накачу-ванням для р1зних робочих речовин - як основи для побудови КПСЧ. В1дм1чен1 переваги квантових датчик1в з дез1евою робочою речовиною в пор!вняши а гел!евими КПР, в залежност! в1д умов експлуатацп КПСЧ, його габарит1в 1 необх1дно! похибки перетворення струму в частоту С8]. Показано, що в эксперимент! спостер!гаються три компоненти сигналив тх, ту та т2, як! зумовлен1 тим, що при проход-жеши пучка св1тла накачування через сфазований колектив атом1в кошрки, !нтенсивн!сть св1тла на виход1 ксМрки стае промодульова-ною прецес1ею перпендикулярно! компоненти момента Мл. С91. Причому, для однопроменево! схеми КД амплитуда сигналу прецесП пропорц!йна синусу подв1йного кута м1ж оптичною в1ссю КД ! налрямком вектора магн!тного поля Н. В!дм1чено, що побудова КПСЧ з використанням методу ударного збудження фазово! когерентности колективу атсшв, який реал!зуе режим в1льних коливань, дозволяе зб1льшити тривалу стаб!льн1сть характеристик перетворювача, отримати високу розд!ль~ чу здатн1сть по струму (1*1СГ9 А 1 б1льшу) .при перетворенн! (витрюванн!) надмалих струм1в [10-133. Найвищ метролог!чн!' характеристики забезпечуе запропонований автором [10] диференвдйний КПСЧ з ударним збудженням (рис.1), осгальки в кьому значно зменше-но вплив дестабШзуючих фактор1в зокрема, зовн!шн!х магн1тних пол1в.

В третьому роздШ проведено моделювання квантового перетворювача посййного струму в частоту з ударним збудженням [9,14]. При ударному (дмпульсному) збудженн1 магн!тних момент!в атом1в разом з пост1йним зовншн!м магн!тним полем НПост.> вектор якого розмщено у плошин! ХО1 гпд кутом «=45° ортогонально! системи координат, д!е також тпульсне поле збудження На СЬ), яке можна спря-муватм як по ос1 X так ! по ос! У. Компоненти зовн!шнъого маг-н1тного поля з урахуванням поля збудження р!вн1 в!дпов1дно -

Нх - Нох+^а) = Н0+Н1(Ь) Ну - 0; Н2 = Ног " Но Нпост." /Т* Н0

(1)

а р!вняння, що описують динашку магн1тних момент!в атом!в, у ви-падку ор1бнтац1'1 поля збудження по ос! х, мають виг ляд

t

oo t

Рис 1. Функцюнальна схема диференщшшго квантового перетворювача.

Мх Мхо

+ ГНоМу +

М2

Му

32 М2 31

тНоМх + г сн0+н1а)] мг

Мго

- у [Но+На^)] Му +

Ягацо ж поле збудзкення направлене по ос1 у, то Ну-Н*^); НХ=Н2=Н0, 1 система р1внянь приймае вигляд

Му

М, =

52 Му

Зе М2

т

+ уНоМу - тМг{Шг +

Му

- уНоМх + уНоМ2 +

Муо

УНоМу + та)мх +

31

(3)

Вводячи безрозм!рн! параметри

«0=-уН0; ег=1/«031; £,2-4/и032; 5-Н1(1)/Н0; (4)

де у - квантова пост!йна; 51, Зг - постШ-п часу повздовжно! 1 поперечно! релаксацП для конкретно! ком!рки поглинання при задан1й !нтенсивност! накачування, р!вняння (2) ! (3) приведемо до вигляду С9]:

<±П

(Зх

А(Г)т + а(г) ,

(5)

де т - вектор в1дносних магштннх момент1в, що м!стить три компо-ненти (тх,шу,шг); х - в1дносний час; А(-г)«А - матрица порядку 3x3; а Ос)«а - вектор-стовпець.

Так як Но^сопэЬ, параметри 1 6,2, як! характеризуют ком1рки поглинання, посуши, а параметр 5 зм!нюеться з1 зм!ною поля Н1(Ь), то при !мпульсному характер! змани цього поля, Н1а)-Н1. 5=Н1/Но (ОСГСТГ!), Н1-0; 5=0

матриц! А("С) ! а(г) при прямокутн!й форм! збуджуючих 1мпульс1в в р1внянн! (5) кусково-шхтшп, а т^ - в1дносна тривал1сть !мпуль-

су. Позначивпш Ао-[А35=о, ао-Га]5=о, отримавмо р1вияння, як1 оли-сують динам!ку магнхтних момент1в атомхв в залежностх вхд часу

т=Аш+а

ш=Аош+ао

((ХТ«^), (Т>?>Х1 ),

(6)

де Т - в1дносний перюд повторения збуджуючих импульсхв.

Матридя А 1 вектор а можуть бути представлен! у вигляд!

А =

1 -д5

_ 1 -42 1+(1-ц)5 М.5 -И+(1-ц)5>

). а- (

Ы 1

(7)

де (1=0, якщо поле збудження направлено по осх х, (1=1, якщо поле збудження направлено по ос1 у.

Система р1внянь (6) е математичною моделлю [9,14,15] основного елементу перетворювача "струм-частота" - квантового парамагнитного резонатора.

Модедовання перетворювача "струм-частота" проводилоси зг1дно функцхонально! схеми рис.2.

х *-

1/Н н КПР

шх

(Шу)

НхСг)

т/и

н\и

и

их

ДЧ

Рис.2. Функщональна схема перетворювача "струм - частота".

Порхвнявши результата моделювання з експериментом, можна стверджувати, що найб1льш сприятливими умовами збудження магттних момент1в речовини в ком1рц1 поглинання в ор1ентацхя поля збудження по осх У 1 подача 1мпульс1в збудження в момент додатнього переходу компоненти ту через нуль, а системи з розглянутими типорозм1рами ком1рок датчикхв практично стгйга. у всьому дхапазонх змх.ни величин 5, XI, якщо хмпульси збудження формуються через 1нтервал часу Т.

При проектуванн! квантових перетворювачхв "струм-частота" не-обх1дно стежити за виконанням умови ОСпип> Де С - коефхщент пе-ретворення перетворювача "струм-напруженн1сть магнхтного поля", а Ст1п ~ (Нпост.)лип ? 1пип-

В четвертому роздШ розглянут! розроблен1 автором апара-

гурн! засоби квантових перетворювач1в "струм-частота" [16,19,22, 23]. Вказано на деяк1 особливосП '¡х виготовлення та вимоги, яким повинн1 в1дпов!дати ц1 засоби [17,183. Особливу увагу прид1лено розробц1 частотно-цифрових прилагав для реестрацП сигнал1в в1д КД 1 КПСЧ [20-21]. Вказано на можлив!сть покращення точност! вим1рю-вання напруженост! геомагн1тного поля в 10 разхв за допомогою цезхевого КД шляхом кусково-л1н!йно1 апроксимацП р1вняння Врей-та-Раб1 з застосуванням частотно-цифрового пристрою реестрацИ [24].

Розгляиут1 шляхи побудови цифрових вимхрювачхв пост!иного струму та кута обертання за допомогою КПСЧ [4,25,27], наголошено, що подальше зменшення 1х габаритхв, ресурсозбереження 1 тдвищення точност! може 1ти по шляху замши 1х електронних вузлгв одн1ею спещалгзованою штегральною схемою 1 переходу до програмних ме-тод!в вим1рювання вих1дно"1 частоти КПСЧ [28,29].

В п'яхому роздШ приведен! результата експериментальних досл1джень квантового цез1евого перетворювача постшного струму в частоту [2-5,13,23,26], давться оцГнка його стаб1льност1 та ана-л1зуються похибки.

Показано, що вих1дна частота квантового перетворювача опи-суеться виразом СЗ]:

Г=А*С0(1+К)1±М1(Л,±Шг,6,НьТ)+й£д(а,Т,исм) (8)

Анал1з формули (8) показуе, що нестаб1льн!сть вих1дно"1 частоти £ КПСЧ задежить В1Д нестаб1льност! кожного доданку,як1 входять до р1вняння (8).

Нестаб1льн1сть ! нелгшйшсть перетворення магштно! системи 1-^Н, визначаються першим членом АС0(1+КН формули (8), а нес-таб1льн1сть перетворення Н^ СКГ залежить в!д того, насюльки стабхльними йдтримуються зсуви частоти ДГ= ± ± Мв. Перш1 (±ДГх) можна умовно назвати внутренними, як1 утворюються ф1зичним процесом оптично! ор1ентацп атом!в, а друг! (± А£е) - зовншими, як! обумовлен1 ланкою эворотного зв'зку 1 як1 носять апаратурний характер.

Визначен1 допустим! змхни лараметр1в J, 0, Нх, Т для забезпе-чення потр1бно1 стаб1льност! зсуву часоти ±МЧ в СКГ. Найб1льше величина зсуву залежить вз.д хнтенсивност! свхтла накачування Л, тому вимога до стаб!льност1 св1тла заввди вида, н1ж до 1нших пара-метр1в. Наприклад, в умовах нашо! роботи, коли ор1ентуюче св1тло мало пост1йний знак поляризацп, в1дп0в!днш накачуванню на +тр п1др1вн1, кут 8 фасований 1 досягнення стаШльност! перетворення

H-»f виконувалось при стабШзацП р1вня длтенсивностх св1тла J на-качування з точн1стю 0,5 Iнш! параыетри могли зм1нюватися в таких межах: величина радЮчастотного поля Hi- 5 %, температура нав-колишнього середовица Т-2°С.

Зсуви частоти Ме мало вивчень Вони виникають: в наслХдок змхни напруги змщення U3M на рееструючому фэтод1од! ФД-7к; iHTeH-сивностх J св!тла (засв1тка фотод1ода), в залежност! в!д температуря Т елемент1в п1дсилювача, а також внаслхдок !х стар1ння. Нами була проведена оц1нка даного типу зсувхв на досл1д1. Вони досягали величини, piBHOi 10~4% при зм!н1 температури на ±3°С, UCM - в межах 3% i гитенсивност! сва.тла - на 2% в!д нормальних умов роботи. Б1льше того, задовз-льнивши вимогу по стаМльност1 Ме в1д Т, UCM i J, чисельне значения зсуву Ме було приведено до 10~4Z на частот!

•120 кГц шляхом настроювання фази в к1льц! зворотного зв'язку СКГ по сигналу nepmo'i noxiflHoi в1д компоненти намагн1чування Мх(х,у).

Експериментально знята характеристика перетворення КПСЧ приведена на рис.3.

Рис.3. Характеристика перетворення КПСЧ.

ОСНОВШ РЕЗУЛЬТАТЫ I ВЙСНОВКИ

1. Показано, що для забезпечення високого класу точностх втирювальних перетворювач1в з частотним виходом перспективним е використання квантових ефект1в, оск!льки перетворювач1, побудован! на традищйних методах перетворення не дозволяють забезпечити клас T04H0CTi 0.01 без використання зразкових м1р напруги i часу.

2. На п1дстав1 проведеного анал1зу доведено, що перетворювач! на основ1 ЕПР в атомних газах у сукупност1 з методом оптичного на-качування е найперспективнхшими ВПЧВ п!дввдено1 точност! (0.001 1 краще) для промислового 1 польового використання.

3. Модиф1 кована система р1внянь Блоха, на основ! чого одержан! формули для визначення характеристик 1 параметр!в КПСЧ з ударним збудженням:

- максимум амшйтуди сигналу прецесП спостер1гавться при кут! шж оптичною в1ссю КД 1 напрямком вектора магн1тного поля Но р1вним 45°;

- одночасне застосування Д-лШй СД± 1 Дг) Шдвищуе на тре-тину 1 б1льше значения параметру ор!ентацп 1 сп!вв1дношення сигнал/шум.

4. Запропонована структура КД, в як1й шляхом використання прямого 1 взбитого св!тлових поток1в в канал! накачки зб1льшено

сп1вв!дношення сигнал/шум в ]/~2 раз 1 зб1льшено терм1н служби СЛ за рахунок зниження на 20% 1нтенсивност1 'Г! газового розряду.

5. Запропонований термостаб1л1зований КД, в якому п1д1гр1в елемент!в схеми зд1йснювться за рахунок тепла СЛ, дозволив в два рази зменшити споживану потужн!стъ ! п1двищити метролог1чн1 характеристики КД в широкому дгалазип зм1ни температур довк1лля.

6. Запропонований диференцхйний КД, в якому за рахунок ударного збудження в колах зворотного зв'язку реал1зуеться режим в!ль-них коливань, що дозволяв зб1льшити довготривалу стаб1льн!сть характеристик 1 отримати високу роздьтьчу здатнхсть до 1нА 1 краще, при вим1рюванн1 струм!в порядку одиниць мА.

7. Встановлен1 основн1 метролог!чн1 властивост1 1 умови ст!йкост1 КПСЧ з ударним збудженням в залежност! в!д параметр1в 1мпульс1в збудження, значень величин зовн!шнього мапйтного поля 1 параметр1в камери поглинання на основ! запропоновано! математично"! модел1:

- незалежно в1д типорозм!ру ком!рок поглинання даваШв, ' КПСЧ практично ст1йк! у всьому д1апазон1 зм1ни б 1 [5-Н1(Ь)/Н0, Hl(t) - напружен1сть 1мнульсного поля збудження, Н0- пост1йне зовн1шне магн1тне поле, - тривал1сть !мпульс1в збудження], якщо !мпульси збудження формуються через интервал часу, кратний щлому числу пер1од1в сигналу прецесзл;

- для забезпечення похибки перетворення КПСЧ в межах ±0.001% необх1дно виконувати умову С^Ощп> де С - коефЩ1ент перетворення перетворювача "струм-напружешйсть магн!тного поля", а С^п -

(HnocT.)min / imin!

- найсприятлив!шими умовами збудження магнгтних момент!в ре-човини в KOMipui поглинання е ор1ентац1я поля збудження по oci Y i подача 1мпулъс1в збудження в момент додатнього переходу компоненти шу через нуль.

8. Залропонована методика визначення констант КПСЧ, що дозволяе провести Хнженерний розрахунок hoctihhoi перетворення С з по-хибшо порядку десятитисячних высотка.

9. Розроблена методика експериыентально! перев1рки стаб1ль-ност! квантових перетворювач1в порядку десятитисячних в1дсотка при нестаб1льност! магн1тно! системи не б1лыне ±з*10~5 мкТ/год.

10. Практично .реализован! нами макетн1 зразки цез1евих КПСЧ з основною похибкою перетворення <0.0011 при похибщ нел1н1йност1 <0.01% на сьогодення мають найкравд метролог1чн1 характеристики, що дозволяе використати ix як зразков1 засоби витрювання при проведен^ метролоПчних досл1джень вш1ркшальних засоб1в i як авто-HOMHi прециз!йн1 перетворювач! систем 1нформащйно-вим1рювалыго1 техн1ки та автоматики.

OcHOBiii результата робота вэдображен! в наступних лубл1кащях

- 1. А. . с. 1328939 (СССР), МКИ НОЗ М 1/50. Измерительный преобразователь с частотным выходом. /Мычуда З.Р., Бучма И.М., Мокренко П.В. -Опубл. в Б.И., 1987, N29.

2. Пестов E.H., Мокренко П.В. Высокоточный квантовый преобразователь "ток-частота".- В сб.: Контрольно-измерительная техника.-Львов, Издательское объединение "Выща школа", 1974, выпуск 16.-С.128-130.

3. Пестов E.H., Мокренко П.В. Исследование стабильности квантового преобразователя для прецизионного измерения постоянного тока,- Квантовая электроника,- М.: Сов. радио, 1975, т.2, N10. -С.2183-2188.

4. Мокренко П.В., Пестов E.H. О применении квантового преобразователя постоянного тока в частоту при построении цифровых измерителей тока.- Тезисы докладов Всесоюзного научно-технического семинара "Вопросы теории и проектирования аналоговых измерительных преобразователей параметров электрических сигналов и цепей",- Ульяновск, 1978.- С.47-48.

5. Пестов E.H., Мокренко П.В. Прецизионный квантовый преобра-

зователь тока в частоту, использующий оптическую ориентацию атомов. - Приборы и системы управления, 1978, N9.- С.26-28.

6. Мокренко П.В..Пестов E.H. Квантовые преобразователи "ток-частота" и перспективы их использования при построении ЦИП.-В сб.: Тезисы докладов второй Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства аналого-цифрового преобразования параметров электрических сигналов и цепей".- Пенза, 1981.- С.21-22.

7. A.c. 105566 (СССР), МКИ G01 V 3/14. Квантовый датчик с оптической накачкой /Ванюрихин А.И., Мокренко П.В., Пестов Е.Н.-1977.

8. Мокренко П.В. 0 выборе квантового датчика к преобразователю постоянного тока в частоту //Контрольно-измерительная техника. Респ. межвед. науч.-техн. сб.- Львов: Выща школа, 1986. Вып. 39.-С.35-38.

9. Mokrenko P.V., Pavlyuk E.I., Yurish S.Y. Model of quantum converter of current/frequency with shock excitation / Proceedings of IMECO TC - 4 Workshop on ADC MODELLING, May 7-9, 1996, House of Scientists, Smolenice Castle, Slovak Republic.- 1996.- pp.18-22.

10. A.c.405098 (СССР), МКИ GOl V 3/14. Квантовое магнитометрическое измерительное устройство / Пестов E.H., Мокренко П.В., Новиков И.В. и др.- 1973.

11. A.c.438344 (СССР), МКИ GOl V 3/14. Квантовый датчик с оптической накачкой /Пестов E.H., Мокренко П.В., Бобков Ю.Н.- 1974.

12. Мокренко П.В. Построение квантовых магнитометров с ударным возбуждением.- Вестник Львовского политехнического института N86 "Автоматические и информационно-вычислительные устройства".- Львов, Издательское объединение "Выща школа", 1974, с. 112-116.

13. Мокренко П.В. О стабильности спинового генератора, используемого в квантовом преобразователе "ток-частота".- Сборник Львовского политехнического института "Доклады и научные сообщения",- Львов, Издательское объединение "Выща школа", 1975, вып.4. - С.78-82.

14. Мокренко П.В., Павлюк З.И. О выводе уравнения Т-преобразо-вания для квантового датчика с импульсным возбуждением магнитных моментов атомов.- Вестник Львов, политехи, ин-та. N248. Технические средства автоматизации измерений и управления научными исследованиями,- Львов: изд-во "Свит", 1990,- С. 94-97.

15. Мокренко П.В., Павлюк Э.И. Алгоритм численного исследования квантового датчика с ударным возбуждением,- Вестник Львов, политехи. ин-та. N178. Технические средства автоматизации измерений

и управления научными исследованиями.- "Львов: Вьаца школа, изд-во при Львов, ун-те, 1983.- С. 73-76.

16. A.c. 1243113 (СССР), МНИ МОЗ К 5/135. Устройство для синхронизации импульсов /Мокренко П.В., Швец М.С., Партыка Р.Г.-Опубл. в Б.И., 1986, N25.

17. Мокренко П.В. Магнитное экранирование квантовых датчиков. - Вестник Львов, политехи, ин-та. N219. Технические средства автоматизации измерений и управления научными исследованиями.- Львов: Выща школа, изд-во при Львов, ун-те, 1987.- С.81-85.

18. Мокренко П.В. Некоторые особенности выполнения источников магнитного поля.- Вестник Львов, политехи, ин-та. N219. Технические средства автоматизации измерений и управления научными исследованиями.- Львов: Выща школа, изд-во при Львов, ун-те, 1987,- С. 78-81.

19. Мокренко П.В. Шдсилювач зворотного зв'язку спхнового квантового генератора.- В1сник Львав. пол!техн. iH-ту, N257. Техн1чн1 засоби автоматизаци BHMipiB та керування науковими досл1дженнями.- Льв1в: вид-во "Cbit", 1991,- С.78-81.

20. Мокренко П.В. Ун1версальний вдфровий пристрп! реестрацз.1 частота прецесП квантових магиiтометричних перетворювач1в // BicHHK Державного ун-ту "Льв1вська пол1техн1ка", 1994, N283.- С. 51-54.

- 21. Гайдучок P.M., Кирианаки Н.В., Мокренко П-В. Комплект цифровых частотометров с единой базой времени для частотно-временных параметров. Веб.: Радиотехника, Вица школа, 1977, вып.40. -С.14-22.

22. Мокренко П.В., Швец М.С. 0 построении комбинированного цифрового прибора с цезиевым и рубидиевым магнитометрическими датчиками.- В сб.: Тезисы докладов lV-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Вопросы улучшения технических параметров универсальных электроизмерительных приборов".- Житомир, 1979.- С.204 -206.

23. Мокренко П.В..Пестов E.H.,Швец М.С. Комбинированный цифровой прибор с квантовым цезиевым преобразователем.-Там же.-С.206-207.

24. Мокренко П.В., Швец М.С., Пестов E.H. О построении цифрового измерителя напряженности магнитного поля.- Контрольно-измерительная техника, вып.30. Издательское объединение "Выща школа", изд-во при Львовском ун-те, 1981,- С.23-31.

25. Мокренко П.В. Цифровой измеритель тока.- Вестник Львовско-

го политехнического ин-та N154 "Расчет и проектирование автомати-зованных информационных управляющих систем".- Издательское объединение "Выща школа", изд-во при Львовском ун-те, Львов, 1981,-С.71-78.

26. Павлюк Э.И., Мокренко П.В., Гаранюк И.П. Разработка и исследования точности измерительных преобразователей постоянного тока с гелиевыми и цезиевыми квантовыми парамагнитными резонаторами для измерения параметров оптических изделий.- Отчет о НИР, N Госрегистрации 79069668 . - Львов, Львовский политехнический институт, 1981, м.п.л. 71.

27. Mokrenko P.V., Yurish S.Y. Digital measuring instruments of direct current with quantum caesium converter / Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Metrology, (CIMI "95), Oct.25-27, 1995.-University of Zaragoza, Spain.-pp.158-166.

28. Yurish S.Y., Dudykevych V.B., Mokrenko P.V. Program - simulated methods of frequency-time measurements for virtual measuring systems /Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Metrology, (CIMI"95), Oct. 25-27, 1995.- University of Zaragoza, Spain.- 1995.- pp.249-256.

29. Yurish S.Y., Mokrenko P.V. Program-simulated methods for frequency/code converters / Proceedings of IMECO TC - 4 Workshop on ADC MODELLING, May 7-9, 1996, House of Scientists, Smolenice Castle, Slovak Republic.- 1996,- pp.23-27.

АН0ТАЦШ

Иокренко П.В. Розроблення та досупдження квантових цезХевих перехв0рювач1в послойного струму в частоту.

ДисертаЩя у виглядi рукопису на здобуття наукового ступеня кандидата техичних наук по спещальност1 05. .11.05 - прилади та методи вим1рювання електричних та магнгтних величин. Державний утверситет "Льв1вська пол1техн1ка'\ Льв1в, 1997.

Захшцаеться 54 роботи, в тому чжш 10 авторських св1доцтв, HKi м1стять результата теоретичних та експериментальних доовджень по створенню високоточних квантових цез1евих перетворювач1в постшного струму в частоту з похибкою <0.001%, в основу яких пок-ладено ЕПР в атомних газах лужних метал1в у сукупност1 з методом оптичного накачування i оптичног реестрацп магн1тного резонансу атом1в. Запропонована математична модель квантового перетворювача.

Ключов1 слова: квантовий перетворювач, cпiнoвий, частота,

викирювання, реестрапдн, цез1й, моделювання, перетворення.

Иокренко П.В. Разработка н исследование квантовых цезиевш преобразователей постоянного тока в частоту.

Диссертация в виде рукописи на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.05 - приборы и методы измерения электрических и магнитных величин, Государственный университет "Львовская политехника", Львов, 1997.

Защищается 54 работы, в том числе 10 авторских свидетельств, которые содержат результаты теоретических и экспериментальных исследований по созданию высокоточных квантовых цезиевых преобразователей постоянного тока в частоту с погрешностью <0.001%, на основе ЭПР в атомных газах щелочных металлов в совокупности с методом оптической накачки и оптической регистрации магнитного резонанса атомов. Предложена математическая модель квантового преобразователя . •

Ключевые слова: квантовый преобразователь, спиновый, цезиевш! "частота, измерения, регистрация, преобразование, моделирование.

Mokrenko P.V. Research and development of quantum cesium direct currentto-frequency converters.- Manuscript.

Thesis for a. Candidate of Science degree in speciality 05.11.05 - electrical and magnetic quantities measurement devices ana methods.- State University "Lvivska Polytechnica", Lviv, 1997.

There have been defended 54 scientific publications, including 10 author's certificates, which contain theoretical and experimental results of high accuracy quantum cesium direct current-to-frequency converters (total error not more than 0.0011) creation with the electronic paramagnetic resonance in alcaline metals atom gases together with optical pumping method and atoms magnetic resonance optical registration in basis. The mathematical model of quantum converter has been suggested.

Keywords: quantum convereter, spin, cesium, frequency, measurement, registration, conversion, modelling.