автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Разработка и исследование токонесущих систем для прецизионных магнитных измерений

^

¿'; а

и

7 '' Научно-производственное объединение

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ им.Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА'

ХОРЕВ Еячеслав Никодимович

удк 621.317.421

разработка и исследование токонесущих систем для прецизионных магнитных измерений

05.11.05 — Приборы я методы измерения электрических и магнитных величин

05.11.15 - Метрология и метрологическое обеспечение

На правах рукописи

Диссертация

на соисюшпв ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Санкт-Петербург 1994

Работ« заполнена в научяо-пвоизводствешюм объединен!« "Всероссийски! научно—исследовательский институт кетрологг* им. Л. И. Менделеева"

Научный руководит ель: доктор технических наук.старший научный

сотрудник В.Я.Шяфрин Офкгшаьтыше оппонент«: доктор технических наук.старший научный

сотрудник С.А.Скородумов хандвдат технических наук.доцент С.А.Спектор

Беяуиее тоештиятие: Государственное [гредприятие гес+ч^яческого

сгрийоро строения Теологосазведка"

Зажита диссертации состоится ^Шу^ ■ 1994 г. в /О час. на заседании специализированного совета К 041.03.01 при научно-производственном объединении "Всероссийский научно-исследовательский институт метрологаи ии.Д. И. Менделеева"

Адрес: 150005 г.Саяхт-Петербург.Ыосковсхкй проспект,19 тел. 259-10-57

Автореферат разослан 1994 года

У«сени£ секретарь едеанглизированного совета к.т.и.,ст.к.с.

, Г.П.Тёлитченко

- 3 -

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСГЛКА РАБОТЫ

Актуальность. ТЬконестяие системы /ТС/ а виде катуаек с витками провода широко распространена а практике магнитных измерений. Они является основой эталонов, мзр а индукционных измерительных преобразователей магнитной индукции /МИ/,магнитного потока /МП/.магнитного момента /ММ/.градиента кагнитной индукции /ГМИ/.напряженности магнитного поля.Прогресс измерительной техника ставит новые задачи по оптимальному синтезу обшток ТС для решения проблем точных измерений магнитных величин.помехозащищенности и электромагнитной совместимости аппаратуры.измерения компонент тензоров градиента поля и нультипольных моментов источника под.-: и т.д. л требует дальнейшей разработки методов синтеза.Особое значение имеет задача оптимального построения прецизионных кварцевых соленоидов, от которых зависит точность воспроизведения единиц МИ.Ш я ММ государственными первичными эталонами /ИЗ/.точность измерения фундаментальной физической константы - гиромагнитного отношения про— W

тона /,| / и решение других актуальных метрологических проблем.Ткк,

р

недостаточная однородность поля эталонной ТС обусловила отсутствие

запаса точности ГПЭ единица '¿И /ТЭТ 41-73/ по отношении к наиболее

точным рабочим тесламетрам; исходные средства измерений Ш /197о/

не обеспечивали необходише точность и диапазон воспроизведен: т

из—за отсутствия прецизионных соленоидов с дипэлъкым характером

поля: конфигурация ТС ГШ единицы МП /ТЭТ 12-бЭ/ препятствовала

осуществлен из в за и?.» связи иедд7 единицами МИ.МП и ММ. В связи с

этим в 70-00 гг стала актуальной проблема создания прецизионных

ТС нового типа для ГПЭ единиц МИ. МП и КМ. а также для уточнения

Т и резения новых метрологических задач,таких как воспроизведе-"Р

низ единицы ГМИ,разработка квантовой меры постоянного тока и воспроизведение ампера на основе кагниторезонансннх явлений.

Цель -работа.Согдание оптимизированных 1С для эталонов и мер дагнктынх велияин. оСеспечивашпх повышение их точности.

Нагшал штвна.,

1.Предложен метод расчета коэффициентов разложения магнитного потенциала аксиально-симметричной ТС,основанный на выведенных соотношениях связи между нами,позволявший разрабатывать новые

1С применительно к различным измерительным задачам.

2.На основе предложенное метода разработан ряд ТС нового типа. в том числе: четырехсекционный соленоид с однородным нолем для воспроизведения единица Ш и измерения'^ ; двухзонный солено ад для дифференциального преобразователя силы постоянного тока в частоту магнитного резонанса; четырехсекционный соленоид с линейным полем для воспроизведения единиш ГМЛ; безмоыентно-аста-Тй-шсхая 1С для рабочзго эталона единиш МП; однородно-безмомен-тные систеш контуров и соленоидов для экранированных мер МИ и поыехозалвшекннх измерительных преобразователей Ш; комплекс ТС Г12 едяниц ЫИ.ИП к их отношения ГЭТ 12-91.

3.Теоретически исследованы источники погрешностей эталонных ТС.предназначенных для воспроизведения единиц МИ.МД.Ш.определения я воспроизведения ампера на основе иагниторезокаясных

явлений, что позволило выявить ракэе не учитываемые э^екты и

7

обеспечить расчет с мгтодлческой погрешюстьв не более 1.10 . Драктяческяя пенность.На основании проведенных исследований:

- предложен катод расчета.позводягаий создавать новые ТС;

- создан ряж ТС нового типа.в том числе полокннные в основу

ч< Тфв1 ГОЭ /ГЭТ 104—76.ГЭТ 41-80,ГЭТ 104-84.ГЗТ 12-91/.Экономически* эФ5«кт от внедрения только эталона ГЭТ 12-81 составляет 2.3 кгпг. руб. в год /в ценах 1990г.:доля разработок автора 15?/;

- дан анализ источников погрев :остей ТС всех ГШ единил магнитных величин. 8 существенной части определивший метрологические

характеристики эталонов и тем самым уровень метрологического обеспечения средств измерений магнитных величав в стране;

- разрабо;аны и внедрены исходные средства измерений градиента магнитной индукции с ТС в качестве основы, положившие начато метрологическому обеспечении а этой области измерений;

- получены результаты а положения, воаедгие в государственные отандатзты и пормативно-технические документы МИ 191-79.ГОСТ 8.030 -85. РД 50-486-84. ГОСТ 8.030-91.

адей£5адш1».0сновнь!е результаты работы обсуждались на Всесоюзных научно-технических конференциях "Проблемы магнитных измерений я магнитноизиеритвльной аппаратуры"/1972,1983/,"Методы и средства измерений параметров магнитного поля"/1975,1980,1985/,"Геофизическое приборостроение и катролохяческое обеспечение геофизических работ"/1982/,Всесоюзных совевзниях "Квантовая метрология и •фундаментальные физические константы"/1982.1985.1988/ и международном Консультативном комитете по электричеству /1988/.

Вклад автора,Автоат принадлежат разработка метода расчета коэффициентов разложения магнитного потенциала и исследование погрешностей эталонных ТС. ТС нового типа разработаны частично в соавторстве. при это« теоретические исследования принадлежат автору, а экспериментальные исследован/л проведены совместно.

Птблотсаикк. Содержание работы отражено в 30 научных публикациях. в числе которых 1 книга, 20 научных статей и докладов, 5 авторских свидетельств на изобретения и 4 государственных нормативно-технических документа.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

1.Новый метод расчета коэЗфипиентов разложения магнитного потенциала аксиально—симметричных токонесущих систем.

2.Разработанные токонсущяе системы нового типа ддя магнитных гзмереннй.

3.Результаты теоретических исследования погрешностей прецизионных токонесущих систем.использованные при создании государственных первичных аталснов единиц «егнитных величин,а также в экспериментах по измерению гиромагнитного отношения протона и по вос-^фоизведенив ампера на основе магниторезонансных авленяй.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.Расчет систем кртгоинх>пкпа. Дри создании прецизионных ТС необходимо аспсльзсвание минимального количества простых.допускавших васокув точность изготовления элементов, дискретность ступеней токи и свободный доступ в рабочую область.Практически исходными элементами синтеза могут быть только круговые контуры.однослойные соленоиды я обмотки с прямоугольным сечением, причем для эталонных 1С - только соленоиды с принудительным шагом намотки. Исследование методов синтеза ТС показало /1.1/.что для разработки прецизионных ТС единственно подходящим является метод,основанный ка разложении магнитного потенциала 1С в ряд по сферическим (функциям и таком выборе геометрии и числа витков элементов, при котором определенные коэффициента разложения обращаются в нуль.Впервые Гаусс /1850/ получил раа'оаекие потенциала круговых токов и выразил коэффициенты разложения через полиномы Лежандра от геометра .эских параметров для контура.Первые системы из двух и трех контуров для создания однородного и линейного поля построили Максвелл /1£ '3/ а Гельмгольп. обратив в нуль один или два коэгТ^ицие-нта. Далее многие исследователи /йак-Кихан.Браукбек.1анзелау.Бар-кер.Гаррет/построкли ряж контурных систем на сфере и цилиндре,Использовав пол лномм Лежанлра и их ггзоизводнне, Гаррет /1951/ полу-

чил формулы для расчета коэффициентов круговых соленоидов я обмз— ток с прямоугольным сечением, образующие, однако, излишне громозд-кув я задутаяну» систему, что затрудняет их применение при разработке 1С. В данной работе показано, что для всех грех случаев /контур, соленоид, обмотка с прямоугольным сечением/ каждый коэффициент ряда можно аналитически выразить через предыдущее коэффициента 'Этого хь ряда /Л.1.2/.Предлагаемый метод расчета существенно упрощает математический аппарат, не требует применения спецгэльных Функций, позволяет обнаружить новые связи /например. между коэффициентами внутреннего и внешнего рядов/ и осуществить синтез 1С для многих новых приложений.

Скалярный магнитный потенциал аксиально-симметричной системы токов с осью .1 в точке с шип.лдрическики координатами /1 ,г записывается в виде внутреннего /сходящегося при /2% гг < / и вневнего рядов /2.1/:

где IV*/ - ампер-в:;ткя. ^ - произвольный радиус приведения, к и К — радиусы сфер, внутри г вне которой токи отсутствует.Координатные функции Оп{ 2,г) является однородными многочленами,которые мозно вычислять последовательно:

= и,-г-, ып-(2-Ц- ^){2гггг)ип_1\ /гг

Коэффициенты разложения [Зл а определяется только относительными геометрическими размерами и токами элементов обмотки. Обозначим коэффициенты для элементарных случаев кругового контура, однослойного соленоида шириной 2с .плоской обмотки в виде шайбы с радиальной шириной 2сЛ и обмотки с сечением 2с'2<£ соответственно через г" , • 2) „ и Сп «а коэффициенты для этих же случаев -соответственно чеоез £ , . и Сп \ пусть О. и О. -

ч

средний радиус в расстояние от плоскости 2. =0 до средней олосхостя элемента, оС»а/р .I? и <Г»¿/й .Тогда /Д. 1.2/:

/5/

0 26 1/С< + 5) + сС"-0"«-&Г '

д.-«- £и&у<У"- ийс-А"

Соотношения /3-7/ позволят- элементарно выразить любой коэффициент внутреннего ряда /1а/ через предыдущие.Иодобные соотношения солученм я ххя внешнего ряда /16/:

' ' 3

- ('-5.М]. /12/

Ори этом коэЗФвдивнтн внутреннего и внешнего рядов взаимосвязаны:

с^ок («}н+*У2=('>*2)1(О(). /13/

Л -ч 1 п

Лдя сложной ТС. состоящей из кои^инаяик элем^лтов. сЗп являются ' комбинациями /Г а - комбинациями . и сл .

1 Г„ / \ . / 0< \ .

в зависимости от выбранных исходных элементов. Метод синтеза ТС заключается в той. что приравниваются нулю определенные коэффициенты рядов /1а.б/ с целью построить 1С с однородным, линейным.диполь ным. квадрутюлышм и т.д. полем /Л.1/.Получаемая нелинейная относительно геометрических параметров и токов исходных элементов система уравнений легко линеаризуется благодаря соотношениям:

и реаается методом итераций Ньютона, причем коэффициенты линеаризованной системы уравнений для каждой итерации выражаются через величины, вычисляемые по формулам /3-7/ и /3—12/. Разработанный метод позволяет создавать 1С и индукционные измерительные преобразователи ЫИ.Ш. компонент тензоров ГИИ. квадрупольного и окту-польного Ш /1.1/. а также 1С МП. в основе синтеза которых лежит соотнопение для взаимной индуктивности сооснах контуров с радиусами и разнесенных на расстояние £ /Л.1.3/:

где 4-П.10 Бб.к ы - магнитная постоянная.

2.Токонестаия систежм для различных из?леттт«чп.ннт ч.чляч.йппгтл-изведение единиц магнитных величин /индукшш 3, потока ^ . мо-мев;а т . градиента индукции С*/ основано на соотношениях:

8-'КаТ; Ф=Кф-Т; т*Кт-1\ /15/

где Кд. К-р. Кт и геометрические постоянные прецизионных кварцевых ТС. рассчитываемые по измеренным размерам обмотки. Созданные на основе предложенной? метода ТС нового тииа положены в основу ГЕВ единиц магнитная величин /Л.4,5.6,7/ и исходных средств измерений /Ъ.А/, а также позволили решить ряд других задач в области магнитных измерений /Л.9-15/.

. - 10 -

2.1.Чептоехсекпионные ТС магнитной тадтегаи.Условий синтеза ТС в этом случае - достижение высокой степени однородности создаваемого /иагнитного поля.Ори создании прецизионной ТС для воспроизведения единили НИ /тесды/ в результате решения система уравнений С!^ * О» 0 * 0, 0 подучено семейство солено ядов. состоящих из четырех секций одинакового ДЕаметра/Л.1б/.Целочислениость решения. необходимая для обеспечения принудительного шага намотки.получена путем дальнейшего поиска при незначительном нарушении условия = О.ТС содержит 91«-37+37+91 витков калиброванного медного провода, уложенного в единую винтовую канавку с шагом 1 мм на каркасе из кварца диаметром ЗСО мм; расстояния между точками токоцрдвояв 49. 36 и 49 м.л.0<5ъем однородного поля более чем в 50 раз превышает рабочий объем прежней ТС для воспроизведения теслн /Л.17/.что позволило снизить в насколько раз погрешность воспроизведения и передачи размера теслн.Созданная ТС положена в основу ГШ единицы Ш ГЗТ 41-80 /Л.4/ и была дважды использована в экспериментах по измерен™ "¡¡^/Л.9,18/.

Опубликована /Л.1/ рассчитанные на ЭЁЫ таблицы параметров однослойных и многослойных /с большой толщиной обмотки/ четнрехсекци-онных цилиндрических 1С.применяемых для построения образцовых мер МИ с погрешностью порядка 0.01Т при повышенных значениях МИ до ЬО мТл и позволявших осуществить согласование государственных поверочных схем для средств измерений МИ слабых и средних постоянных магнитных поле! /ГОСТ 8.095-81 и ГОСТ 8.144-75/.

2.2.Однородно—безиоыентные ТС.Б задачах электромагнитной совместимости, создания экранированных мер ЫИ и помехозащитценных измерительных преобразователей Ш требуются ТС.создающие магнитное поле.однородное внутри и резко затухающее снаружи ТС.Рассмотрение выражения /13/ позволило получить следующие соотношения для любой-коаксиальной системы контуров на сфере и любой коаксиальной сас-

- 11 -

тема вписанных в сферу соленоидов соответственно /1.1/:

Тп г.2 » Чп - ~

Эти соотноаенил позволили построить два ряда оинородно-безмэмент-ных ТС /1.10/. Из /17а/ следует.что объединение двух подобных сферических систем контуров с однородным полем и различными Радиусами при выполнения условия О » 0 /встречное включение и равенство площадей витков састек/ дает ряд однородно-безмоментквх ТС.Второй ряд ТС возникает из /176/;-это система из двух,трех и т.д. соленоидов., вписанннх в сферу. Соленоида включены поочередно-встречно и равны нузг алгебраические суммы первой.второй я т.д. степеней их плояиней витков /Л.21/. Суммарный порядок однородности и безмомен-тности разработанных рядов ТС при заданном числе элементов максимален, поэтому они показывает предельные характеристики,которые могут быть получены при построении олнородно-безмоментных ТС.Например, на уровне погреиности 0.С1? у тройного сферически-связанного соленоида радиус зоны однородного поля в 2,4 раза больше,а радиус действия поля рассеяния в 5,6 раз меньше.чем у катушки Гельмголь-па с тем ае сферическим радиусом; при этом у сдвоенной четырехко-нтурной систека зона однородного поля такая же,как у тройного соленоида.а радиус зоны поля рассеяния еке в 2 раза ыеньае /Л.10/.

2.3.Двттзонная ТС МИ.Новая конфигурация ТС разработана при создании прецизионного преобразователя силы тока в частоту я на его основе устройства для получения заданных значений постоянного тока /Л.19/.В настоящее вреия.при ясгхйъзовании высокостабильных кварцевых соленоидов и цезий-гелиевых преобразователей МИ в частоту магнитного резонанса,основным препятствием для реализации такого устройства /меры/ является кагнитксе поле Земли и других источников помех.Для репения задачи построена 1С с двумя зонами одинакового и противоположно направленного однородного магнитного

поля а использовано суммирование сигналов от двух датчиков,которые оказываются щелоченными встречно по отношен™ к помехам.При этом впервые применен синтез несимметричной ТС на основе систеш уравнений ж 0.&2 я 0. £?£- - О.ТС представляет собой кварцевый соленоид диаметром IX мм и длзшой ¿>00 мм с обмоткой.уложеьной в сопряженные винтовые канавки с вагом 1 мм и 1.25 мм /Л.20/.Еыполне-ние условия * 0 обеспечено при помощи дополнительной двухзоа-иой восьмиконтурной састе»® третьего порядка / Qi * 0. 0.

0 * О/. 1С снабжена также систешми контуров для коррекции ошибок изготовления нулевого.первого и второго порядков.Суммарная^неоднородность магнитного поля после вотировки не превыиает 1.10~°в двух

а

зонах диаметров 40 им.расположенных на рсстоянии 463 км /Е.11/.

Разработанная явухзонная ТС в качестве составной частя квантовой меры постоянного тока введена в состав ГШ единиц iW.HH и их отношения ГЭТ 12-91 /Л.5/ и использовалась в аппаратуре для измерения ^'/2.12.18/.Применение квантовой меры тока позволило впервые осуществить эксперимент но воспроизведение ампера на основе гиромагнитного отношения протона и квантовых магниторезонансных

п

явлений /Л. 13/ в диапазоне 0,1-1 А с погрешностью 4,4.10"* /Л. 14/.

2.4.ТС магнитного поток^.Услзвием синтеза в атом случае является разменение витков вторичной обмэтки в зоне нулевого поля первичной обмотки /1.1/.Дри создании расчетной ТС для воспроизведения единица Ш1 /вебера/ в качестве первичной обмотки успешно приманена кварцевая ТС ИИ,разработанная для воспроизведения теслы /п.2.1 /.Обмотка Ш.ра21гещенная снарушт первичной обмотки в промежутках между ее секциями.разработана и исследована при аомояи формулы /15/ и формулы .Джонса для взаимной индуктивности.Полученная обгедкненн-ж ТС положена в основу ГДЭ единиц НИ.МП и их отношения . ГЭТ 12-81 Д.5.22/,ареимзгаество по сравнению с прежней эталонной ТС МП /1.1.3/ состоит, помимо снижения погрешности.в том.что нал и-

чие области с высокооднородным полем открывает возможность осуществить с необходимой точность!) метрологический эксперимент по проверке соотношения связи между постоянными расчетных ТС:

/18/

Для рабочего эталона единицы МП в нелинейно-гистерезисных средах /Л.15/ разработана новая 1С МП, в которой первичная цилиндрическая обмотка снабжена дополнительными витками, расположенными поверх нее и рассчитанными из условия получения расширенной зоны нулевого поля для размещения многослойной вторичной обмотки /Л.23/. Благодаря атому достигается высокая стабильность и независимость коэффициента связи от числа вяткоз вторичной обмотки,что позволяет с повышенной точность!) масштабировать созяаваеагтй МП. Расположение частей обмоток по контуру квадрата обеспечило высокую степень безиоментности и астатичности. Погрешность масштабирования -5

2.10 , стабильность и подавление помех на порядок выше, чем у наиболее точных образцовых мер /Л.15,24,25/.

2-5. ТС магнитного момента. Условием синтеза является дипольно-сть источника магнитного поля /Д1/. Полученная в результате решения уравнения = 0 конфигурация обмотки ТС упоминалась в литературе /Трэ8,1926/,но для воспроизведения единицы ММ не применялась. Разработанный комплект из трех кварцевых ТС положен в основу двух поколений ГПЭ единица ММ /ТЭТ 104-76.ГЭТ 104-84/. точность которых на порядок и более выше точности применявшихся ранее исходных средств измерений ММ э виде постоянных магнитов /Л.6.7/.

Для ГПЭ единицы Ш ГЭТ 104-84 /Л.7/разработан также тройной сферически-связанный соленоид /п.2.2/ с диаметром сферы 1 м, являющийся астатическим измерительным преобразователем-компаратором ША. обеспечивавшим необходимую точность сличений эталона я.обраэ-повых мер ММ /1.26/.

2.6. ТС градиента магнитной индукции. Условие синтеза в этом

случае - линейное распределение создаваемого магнитного поля /Л.Т/. Кварцевый соленоид диаметром 160 мм с четырьмя секциями однослойной намотки /ваг 1 мм / и встречным включением симметричных половин получен в результате решения системы уравнений С}^ - 0, .» О. 0$ » 0. Число витков 70+7+7+70. расстояния между точками токоподвода 34.75 и о-* мм. Неоднородность осевой и смешанной компонент тензора ГИЛ не превышает 0,05 % в сг}ере диаметром 50 мм. На основе разработанной 1С созданы исходные средства измерений ГЫЛ /1.8/, доложившие начало метрологическому обеспечению в этой области измерений /1.27,6/.

ГС с изменяющийся по лянейному закону числом витков на единиЛ »

цу длины и с корректирующими витками на кочцах/28/разработан для мер ГМЛ с удлиненной рабочей зоной. В пределах двух третей длина обмотки отклонение градиента не превышает 1% /1.1/. Эта же ТС ■{•гктйвно используется в качестве приемного измерительного преобразователя вибрационного магнитометра, при этом ограничения на объем к правильность зормы испытуемого образца ИМ значительно ослабляются.

2.7. Комплекс 1С государственного первичного эталона единиц магнитной индукции, магнитного потока и их отношения ГЭГ 12-91. Разработанный для ГШ комплекс взаимосвязанных 1С включает в себя ориентированные по вектору магнитного поля Земли объединенную ТС МИ и МП /п.2.1 и 2.4/и двухзонную ТС /п.2.3/, разнесенные на 4 м и охваченные порознь специальными системами контуров компенсации внесшего ыагыитного поля. Этот комплекс позволил реализовать в эталоне повое устройство для воспроизведения заданных значений МИ /Л.29/, в котором суммарная частота сигналов двух расположенных в двухзонноВ ТС датчиков служит для задания силы тока я, следовательно , Ш в »талонной 1С ИЛ а МЛ, а разнос! нал частота - для управления током в цепи компенсации магнитного поля Згмли и его вари-

аций. Этот комплекс 1С дает также возможность воспроизводить взаимосвязанную систему единиц основных магнитных величин на основе соотношения /;8/ и, кроме того, единицу силы тока /Л. 14.13/ при значениях тока до 1 i.

3.Анализ погрешностей эталонных токонесущих систем. При воспроизведен;;« единиц магнитных величин определяющее значение, в соответствии с /16/. имеет теоретический анализ погрешностей постоянных /коэ+Фицкенюв преобразования/ эталонных ТС. от результатов которого зависят точность ГПЭ. Методический подход к расчету погрешностей является традиционным, однако, повышение точности измерений требует непрерывного углубления анализа, причем изучений каждого из множества источников погрешностей, зачастую оказывавц-тсся мало значимым;:, сопряжено со сложными и громоздкими исследованиями. Возможно поэтому, несмотря на важность детального анализа, публикации о подобных работах за рубежом ограничиваются цитрами окончательных результатов и не содержат яесбжодигаис подробностей -:х получения. Разработанная методик позволяет рассчитать постоянные прецизионных ТС с погрешностью метода не более 1.10" /Л.2С/.

Наиболее высокая точность требуется при всспроаяведенич единицы МИ. Постоянная эталонной ТС МИ рассчитывается по .фраула /1.30/:

Кв= /^(К^П^П^П^П^П^ГО, /,9/

где Кс - постоянная по напряженности поля для идеализированной ТС. а остальные слагаемые— поправки, приведенные в табл.1. Здесь ¡~\j поправка на распределение тока по сечению ;гпозода диаметром ci0. которая вычисляется интегрированием плотност* тока. Кеисклвченная погрешность . остающаяся после учета этой поправки, обусловлена неточностью экспериментальной проверки распределения плотности тока. принимаемого обратно пропорциональным квадрату расстояния до оси ТС. Появляется поправкой на магнитную воспрлимч/.вость кварца 02 , вычисляемая итерированием плотности д/польных источников по

ТЬблида 1

Методика анализа погрешностей зталонкнх 1С МИ

Поправки

Относит, погрешности /СКО/

Г1 _3 дК» <¿0 ' '1 = ~ 8" ЭВ 25

П - ~

1 и:

, «р; /ал лЭ/ ! = 1

С -X

/з к« ж

\~Гь Ко Ъд Я

£ 21 2

V

1Р

2 А/,

■С

V

Г| - " ^ ^^

V" А

а 2

с; = г1 2

Ь„ = ЭР г

'а

" Ко

Р2>4 1'а

1

"а. ■

2 К

объему каркаса с внешним диглетром ^е и внутренним и длиной

к. • ,Г^аГ поправки, учитывашие для камот из ^участков обмптки отклонения Л диаметров от среднего С» и отклонения позкциии участка от идеальной, соответствующей вагу намотки

р . Неисключенная погрешность обусловлена, во-первнх. систематиче-

■ й ' .

схой погрешностью измерений диаметров витков по намотке и диаметра провода и мультипликативной составлявшей относительной

погрешности измерений иежзитковых расстояний |2>/ С^ и соответственно/.а во-вторых - неопределенностью формы обмотки по диаметру я кату / 2а я расчета 'введено понятие

среднего квадратического отклонения диаыетра необследованного участка обмотки длиной Мр/Мд,где Ыа - общее число результатов измерений дааметроз зиткоз; аналогично С*^- среднее квадратичес-кое отклонение позиции необследованного участка длиной IV р/Ма. где Мо. - число изиерений исззатковых расстояний.Величины С^ ид^ характеризуют качество изготовления и участвуют в формулах для расчета погрешностей от неопределенности форьы обкоткя и оцененных впервые.Поправка учитывает неточность положения подводящих проводов и рассчитывается по закону Био-Савара.Величина П учитывает более слабые ь.£фектн /в сумме менее 1.10"^/: эллиптичность и песоосность витков.деформация провода.неоднородность каркаса.неравномерность температура.Разработанная методика позволяет рассчитывать постоянные прецизионных ТС ИИ с относительной

7

погрегностьэ цетода не более 1,10 Д.30/,что на порядок точнее расчетов,применяваихся ранее. Благодаря этому было обеспечено необходимое условие повшеяая точности воспроизведения единиш ИИ в несколько раз/3.17.4.5/.

Аналогичные иетодиха были развиты для расчета погрешностей эталонных ТС ВД/Я.З/ а ТС Щ/Л.йЛНА основе разработанных методик выполнен анализ погрепностей эталонных ТС всех ГПЗ единиц магнитных величин в стране /2.3-7,17/.Ддя трех яз них /1.4,7,5/ результаты приведены в табл.2.Нижняя строка табл.2 содержит значения суммарных погрешностей Ь г воспроизведения единицы соответствующим эталоном.учитывашие зее систематические и случайные составляйте и выраженные в форма среднего квадратического отклонения. Из нее видно.что погрешности ТС вносят значнтнльный вклад в суммарные погреаности ГШ единиц иагаитных величин.

Таблица £

Результате анализа погрешностей расчетных ТС государственных пержлных эталонов

СКО, Источ^4^ х Ю-6 ГШ ед-оы магнитной ГШ ед-пы шгньтного ГШ ед-ц магн. индукции,потока я их стношекля ТЭТ 12-91

ник norpeo-^v. ности индукции ГЭТ 41-80 момента ГЗТ 104-84 магн. поток магн. индукция

Распределение тока 0.06 17 0.4 0.06

Магн.восорииыквость 0.06 6 0.1 0.08 !

Диаметры витков 0.35 12 0.7 0,09

Диаметр провода 0.06 13 0,4 0,08

Позиции витков 0,22 0 0.1 0.09

Подводящие проводники 0,11 6 0.1 0,06

Неопределен. Форш 0,27 5 0,3 0,11

Диаметр втор.обмотки . - 0,4 -

Сечение втор.обмотки — — 3.5 -

ГС . 0,52 26 3.7 0.22

(•гп* X, 1.28 31 6,3 0.49

Результаты,подученные для эталонных ТС ИИ /гра1и вторая и пятая табл.2/ вовли в результаты измерений Тр в 1981 г. /СКО О.б.Ю."6,!.«/ и в 1987 г. /СКО 0.35.10-6X12.18/. а также в результаты воспроизведения ампера ва основе магниторезокансннх явлен-f /1988 г.,СКО 0.44. Ю-6.1.14/.в значительной мере определив ях точность, что иожно видеть из сравнения приведенных значений

СКО со э^чениями S_ из табл.2. Наиболее точные результате,

-6

достигнутые а мире, относятся к иьлерени» др /СКО 0.11.10 , США. .1988'т./ к содержат погрешность прецизионной ТС величиной 0.07.10""®.

- 19 -

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Предложен метод расчета коэф?ипиентов разложения магнитного потенциала аксиально-с'/мметрачной ТС. основанный на выведенных соотношениях связи вежду ними, для разработки новых ТС.

2.Разработаны прецизионные 1С для Г© единиц МИ.Ж! и ЙУ. позволимте повысить точность ид воспроизведения.

3.Проведены исследования источников гтоггешостеН эталонные 1С всех ГСЭ единиц шгаитних величин, а существенной части определившие ях точность, а также точность экспериментов по измеоенав Т и .

* л

по первому воспроизведена» ампера на основе иагниюрезонансных явлений.

4.Разработана прецизионная и ГШ. ставшая основой первых исходных средств измерений градиента магнитной индукции.

5.Разработана двухзонная 1С МЛ. иозволивтя создать квантовуг керу тока с предельно высокой воспроизводимости» значений.

6. Разработана безаокентно-астатическая 1С НЛ для рабочего эталона единица МП з пелииейно-гистерезисннх средах.

7.Разработаны однородно-безиоиентные ТС МИ, используема для построения помехозааиленннх вер МЛ и преобразователей ММ.

00ДЕР2АК.Е РАБОТЫ ¿ШОЗЕНО В СШУЩ/Д 0УБ1ЯКАЦ»Ш:

1. Средства измерений параметров магнитного поля //Ь.В.Афанасьев. Н.В.Студенвдв.В.Н.1орев.Е.Н.Чечурина.А.11.Шелкии.-Л. .Энергия. 1979.-320 с./автор - 61 е./

2. Хорев В.Н. К расчету магнитного поля круглых катувек с током, -з сб.: Исследования в области магнитных измерений. Тр.метрологических институтов СССР.1973.внп.1 53/212.с.9-1 6.

3. Создание эталона едгаицн магнитного потока //В.А.Караваева,

Е.А.Соколова.В.Н.Хорев.Е.Г.Шрамков.-в сб.: Исследования в области магнхтннх измерений. Тр.метрологических ян-гов СССР.1971. вып.113/173.с.7-22.

4.Государственны! первичный эталон единицы магнитной индукции // К.К.Барахнвн.С.В.Еаунин.В.Л.Руаиова.Н. В. Студентов. В.Н..Кс?»в, В.Я.ШнйЕрин.- Изм.техника,1981.* 7.с.6-8.

5.Госудасственный первичный »талон единиц магнитных величин - магнитной индукгот. магнитно го чотока я гх отноиения//В.Н.КахЕ.'5ин. В.Е.Чешыючв.В.Н.Хооев,А.Е.Шилов.В.Л.Шитсик.-Ид*.техника.1991.

* 10.с.3-5.

*

6.Государственный пепвичный »талон единицы магнитного ко мечта// Т.Г.Родичева.С.Й.Соловьева.В.Н.Хпояв.Е.Н.Чечуртаа.А.П.Щ^лкта.-Изм.техника. 1977.» 10,с.5-7.

7.Государственный первичный эталон единицы магнитного момента// Л.В.Лебедева.Т.Г.Родичева.В.Н.Хорев.А.П.Щелкин.Е.К.Грьева.- Изм. техника.1985,* 11,с.5-6.

8.Система метрологического обеспечения измерений параметров магнитного поля Зе1т//Н.В.Студендав.В.Н.Хот)ев.В.Е.Черныаев,2.Я.Шиф-рин,- Изм.техника.1984,8 2.с.55.

9.Студентов Н.В. .lopes В.Н. ,Etefp;:h В.Л. Определение гиромагнитнс-го отношения птютона в слабом чагнгтном гтоле.- Изм.техника.1981,

* б.с.55-57.

10.Студента Н.В..Хорев В.Н.. Построение Оеэмоментчых vep магнитной индукции с однородным магнгткнм полем.-в сб.: Проблемы повышения точности средств измерений магнитной индукции. Сборник научн.тр. ILJ "Ш11ИМ им.Д. И. Кекделеева". 1983, с. 7-13.

11.1орев В.К..Шилов А.Е. Система катутек магнитной индукции для поепизиэнного пвеобтзователя ток-частота,- в ctf.: Создание средств измерений для метрологического обеспечения прецизионных нанотесламетоо». Сборник научн. тр. НГСРВНИИМ /.Менделеева",

1588.0.16-22.

12. а/ ¿/те ргсЬ* ^-ьд/ча^г^'с za.iioinla.-t еЬ'с > |/ ¡У: ¿^У.

Кйот?-/, МХ. -$срог1 о/ УА/1Г Л^ Ь Чйг СС£, Эоссс*«^!' 6р.

13.Воспроизведение ампера на основе гиромагнитного отношнния пистона я етантовых ыагниторезонансных явлени2//Н.В.Студентов.В.Н. 1орев.А.Е.Шилов.В.Я.Шяфрин.- йзм.техника.1986.» 3.с.20-21.

14. ъгаЛ и<ун ¡/Г'А, риг'Ь*** с^-уин*4«. ^ л' {>с

1а ъю // ¿у Ь1*, вб'^сгу, Р. Р \T.fJ. 7 £

5 А,.'¿ей', "и'^а -Игры! о/ 1/УЛЛГ ССс,

/£■<?(?,£>ас«и.сс£/з?-Ю, 2Р 15.Эталонная измерительная установка для воспроизведения и передачи размера единищ шгнитного потока в нелинейно-гистерезисных средах///В.Г.Антонов.Н.З.Гре<Зенск.В.И.Яороленко,Я.И.Окон.В.Н.Хо-рев,- Изм.техника.1987,5 4.с.49-50.

16.Студендав Н.З. ,1орев В.Н. Четырехсекционная катушка с однородным магнитным полем.- в сб.: Исследования а области магнитных измерений. Тр.метрологических ян-то*! СССР.1972,вып.140/200 ,с.34-36.

17.Государственный первичный эталон единица магнитной индукции// К. К. Барахннн, В .Л. Русанова ,Н. В. Студентов, В. Н. Хорез, В. Л. Ии.^рин. -йзи.техника,1974,& 8,с.4-6.

18.Измерение гиромагнитного отношения протона э слабом магнитном поле //Ю.В.Тарбеев.В.Я.Шифрян.З.НЛорез.Н.В.Студенгов.- /зм.те-хкика.1989.с.З-4.

19.А.с.Л 752276/СССР/. 7стройство для получения заданных значений постоянного тока//В.М.М1фошникоз.Н.З.Студенцов.р.Н.Хорев,А.Е. Шилов.В.Я.Шифив.- Опубл.а Ей 1980.» 28.

20.Хорез В.Н. Расчет катуакя магнитной индукции для прецизионного

преобразователя ток-частота.- в кн.: йетодн я средства измерений параметров магнитного поля. Тезисы докл. 11 Всесоюзной н.-техн.кояф.Л..1980.с.11.

21.А.е.* 767675/СССР/. Пера магнитной индукцин//Н.В.Студениов, В.Н.Хэрьъ.~ Опубл.в £И 1980.» 36.

22.ГОСТ 8.030-91. Государственный первичный эталон и государственная п^веоочная схема для средств измерений магнлтной мндукщи

—12 - —Р

постоянного поля в диапазоне 1.10 -о.Ю Тл. постоянного магнитного потока, магнитной индукции и ка^ятного момента в инте-г.-вале частот 0-5ССС0 Гц.- У.: Изд-во стандартов. 1992.- 5 с. /"Разработчик»!: 3. Л. Иафрин. В .Л .Русанова. В. II. 2орев. В. Е. Че [.шипев/.

23.Л.е.* 1201881/СССР/. Катушка взаимной индуктивности //В.Н.1о-реа.- Опубл.в БИ 1985.* 48.

24.ГОСТ 8.С30-83. Государственный первичный эталон и государственная поверочная схема для средств измерений магнитного потока.-Ы.: Изд-во стандартов.1983,- 5 с./Разработчики: В.Н.1орев.В.Г. Антонов.В.А.Караваева/.

?Д о)-48б-84. Методические указания.Катушки магнитного потока я измерительные катушки.Методы и средства поверки.- М.:Изд-во стандаотов.198Ь,- 14 с./Разработчики.: В.Н.-¡Сорев,Т.П.Докучаева/.

26.М.: 191-79. Методика поверки образцовых и рабочих средств измерений магнитного момента.- и.: Изд-во стандартов.1930.- 7 с. /Разработчики: А.П.Щелкин,Т.Г.Родичева,В.Н.1орев/.

27.Хэрев В.Н..Шифрин В.Я. О постановке метрологического обеспечения средств измерений градиента магнитной индукции.- в кн.:

I зтодк и средства измерений параметров магнитного поля. Тезисы докл. П Всесоюзной н.-техн.конф..Д..1980.С.7-8. сВ.А.с.* 4¿4877/СССР/. Устройство для создания магнитного поля с заданным градиентом наггряженнос,1-и//В.Г.Антонов.В.Н.Хорев.-ОпуОл.в Бй 1975.» 11.

29.А.с.$ 811167/СССР/. Устройство для воспроизведения заданных значений магнитной индукшш //Б.М.Ыирошников.Н.В.Студенцов.В.Н. 1орев.А.Е.Еклов.З.Я.Шифрив.- Опуйл.в БИ 19819.

30.Хорев В.Н. Анализ погрешностей прецизионных катушек для воспроизведения единили магнитной индукции.- в сб.: Методы и средства точных кагкгттшх измерений. Тр.НЛГГШИКЫ им.Д.И.Менделеева? 1980,с.24-31.

' • У?

\ /

полп-к п|_ч. 9.02.г-4

объем 1,0 п.л. заказ 2 3

рстаг.ишт ании.ч

■гогмлт бс^.'О I /

ТИРАЖ *<>