способ хранения частоты электрических колебаний

Формула изобретения

Способ хранения частоты электрических колебаний мерой частоты, содержащий операции сличения частоты меры с частотой эталона на протяжении начального интервала времени Т₀ , определения по результатам этих сличений начального отклонения частоты меры от частоты эталона f₀ и начальной скорости систематического дрейфа частоты меры относительно частоты эталона ₀, коррекции частоты меры на величину измеренного начального отклонения f₀ в конце интервала времени Т ₀ и последующей дополнительной периодической коррекции частоты меры на протяжении интервала времени Т в моменты времени отличающийся тем, что дополнительную периодическую коррекцию частоты меры выполняют на величину , которую на протяжении интервала времени Т уменьшают со временем в соответствии с прогнозируемым уменьшением скорости систематического дрейфа частоты меры, причем начальную величину дополнительной периодической коррекции частоты _нач устанавливают в соответствии с неравенством 0<| _нач|<2| ₀| t, а ее знак - противоположным знаку ₀.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ хранения частоты электрических колебаний мерой частоты [1], содержащий периодически повторяемые операции сличения частот меры и эталона (т.е. измерения отклонения частоты меры от частоты эталона) и коррекции частоты меры на величину измеренного отклонения.

Измерение отклонения частоты меры от частоты пространственно удаленного эталона проводится по радио, телевизионным или спутниковым сигналам или методом транспортируемых часов, а от частоты эталона, расположенного в непосредственной близости к мере, - с помощью частотных или фазовых компараторов и электронно-счетных частотомеров.

Данный способ хранения частоты колебаний имеет большую погрешность, которая определяется систематическим дрейфом частоты меры.

Уменьшить эту погрешность позволяет способ [2], содержащий операции периодического (через интервалы времени T _i) измерения отклонения частоты меры от частоты эталона, коррекции частоты меры на величину измеренного отклонения и дополнительной периодической коррекции частоты меры на протяжении каждого интервала времени Т_i, начиная с T ₂, в моменты времени на величину

(при этом ₁=0);

где f_i-1 - отклонение частоты меры от частоты эталона, измеренное в конце (или на протяжении) интервала T_i-1.

Величину дополнительной периодической коррекции определяют исходя из прогнозируемой скорости систематического дрейфа частоты меры, причем прогнозируемая скорость систематического дрейфа частоты на интервале времени Т_i предполагается равной (или меньше) измеренной скорости систематического дрейфа частоты на предыдущем интервале времени T _i-1, которая равна , при этом прогнозируемое изменение частоты предполагается линейным.

Способ, описанный в [2], взят за прототип.

Недостатком прототипа является также большая погрешность по частоте и скорость систематического дрейфа частоты меры, т.к. линейный прогноз изменения частоты меры и соответственно дополнительная периодическая коррекция частоты меры, соответствующая этому линейному прогнозу, позволяют уменьшить величину скорости систематического дрейфа частоты и погрешность меры по частоте практически не более чем в (2÷3) раза. Это происходит потому, что скорость систематического дрейфа частоты мер частоты в действительности не является постоянной, а уменьшается со временем.

Предлагаемое изобретение направлено на уменьшение погрешности по частоте и скорости систематического дрейфа частоты мер частоты.

Хранение частоты электрических колебаний рассматривается на некотором интервале времени длительностью Т. При необходимости хранения частоты на интервале времени большем, чем Т, все операции способа хранения частоты повторяют.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что в способе хранения частоты электрических колебаний мерой частоты, содержащем операции сличения частоты меры с частотой эталона на протяжении начального интервала времени Т₀, определения по результатам этих сличений начального отклонения частоты меры от частоты эталона f₀ и начальной скорости систематического дрейфа частоты меры относительно частоты эталона ₀, коррекции частоты меры на величину измеренного начального отклонения f₀ в конце интервала времени Т ₀ и последующей на протяжении интервала времени Т дополнительной периодической коррекции частоты меры в моменты времени дополнительную периодическую коррекцию частоты меры выполняют на величину , которую уменьшают со временем на протяжении интервала времени Т в соответствии с прогнозируемым уменьшением скорости систематического дрейфа частоты меры, причем начальную величину дополнительной периодической коррекции устанавливают в соответствии с неравенством 0<| _нач|<2| ₀| t, а ее с знак - противоположным знаку ₀. Максимальный положительный эффект достигается при _нач=- ₀ t.

Уменьшение погрешности меры по частоте в предлагаемом способе достигается за счет более точного прогнозирования поведения частоты меры на интервале времени между сличениями ее с эталоном. Если в прототипе прогнозируется линейное изменение частоты, то в данном способе оно предполагается нелинейным, уменьшающимся со временем, что отражает реальное поведение частоты меры.

Прогноз поведения частоты меры основывается на измерениях ее отклонения от частоты эталона на начальном интервале времени Т₀, а также на исследованиях поведения частоты мер данного типа на длительных интервалах времени, много больших Т₀, которые были проведены ранее. Например, длительное (на протяжении нескольких лет) наблюдение за поведением частоты квантовых водородных мер показало, что скорость систематического дрейфа частоты у них уменьшается со временем с постоянной времени ˜1 год. Поэтому, если на этом интервале времени изменение частоты меры прогнозировать не линейной функцией, а, например, функцией вида e^-t/ , где =1 год, и величину дополнительной периодической коррекции в зависимости от времени на протяжении интервала времени Т уменьшать в соответствии с этой функцией, то можно получить более точную компенсацию систематического дрейфа частоты меры со временем и соответственно меньшую погрешность по частоте и меньшую остаточную скорость систематического дрейфа частоты меры. При этом максимальный положительный эффект достигается при условии _нач=- ₀ t. При _нач< ₀ t (по абсолютной величине) величина положительного эффекта уменьшается, а при ₀ t< _нач<2 ₀ t скорость систематического дрейфа частоты меры меняет знак, но уменьшается по абсолютной величине.

При этом так же, как в прототипе, ₀ можно определить как

где f - изменение частоты меры на интервале времени Т ₀, равное разности отклонений частоты меры в конце и начале интервала Т₀. Однако возможно определение ₀ другими методами, например методом наименьших квадратов, который является более точным. Для этого сличения частот меры и эталона на интервале Т ₀ проводят не только в начале и конце этого интервала, но и через определенные интервалы времени t, много меньшие Т₀. После этого скорость систематического дрейфа частоты вычисляют по формуле [3]

где f_k - измеренное в k-е сутки отклонение частоты меры от частоты эталона,

n - число суток, на протяжении которых проводились измерения.

Т.к. уменьшение скорости систематического дрейфа частоты меры происходит очень медленно, то величину дополнительной периодической коррекции можно изменять не через каждый интервал времени t (обычно t=1 сутки), а через интервалы времени T _j, много большие t (например, T_j равно 3 месяцам).

Описание предлагаемого способа поясняется фигурами 1 и 2.

На фиг.1 сплошными линиями изображены: 1 - график зависимости частоты меры от времени без коррекции; 2 - зависимость величины дополнительной периодической коррекции от времени по предлагаемому способу; 3 - одна из реализаций зависимости от времени по предлагаемому способу; 4 - график зависимости частоты меры с коррекцией по предлагаемому способу, начиная с момента времени Т₀. Пунктирными линиями изображены: 5 - величина коррекции частоты согласно прототипу и 6 - график изменения частоты меры при хранении частоты согласно прототипу.

При этом на кривых 4 и 6 не показаны изменения частоты из-за дополнительных периодических коррекций, которые осуществляют в моменты времени k t (k=1, 2, ...), из-за малости этих изменений.

На фиг.2 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг.2 обозначено:

7 - мера частоты;

8 - эталон (частоты);

9 - частотный компаратор;

10 - электронно-счетный частотомер.

Из фиг.1 видно, что погрешность по частоте меры, которая получается при использовании предлагаемого способа, ₀f₂, меньше, чем погрешность по частоте ₀f₁, получаемая при использовании способа, принятого за прототип. Уменьшается также и скорость систематического дрейфа частоты меры.

Одна из реализаций предлагаемого способа хранения частоты электрических колебаний включает проведение следующих операций:

- измерение отклонения частоты меры 7 от частоты эталона 8 каждые сутки на начальном интервале времени Т₀ (10-30 суток) с помощью частотного компаратора 9 и электронно-счетного частотомера 10 и определение скорости систематического дрейфа частоты меры ₀ по формуле (3);

- коррекция частоты меры в момент времени Т₀ на величину измеренного отклонения частоты в этот момент;

- дополнительная периодическая коррекция частоты меры 7 каждые сутки в течение 3 месяцев на величину ₁=- ₀ t ( t=1 сутки) ( ₁ в данном случае является начальной величиной дополнительной периодической коррекции _нач);

- коррекция частоты меры 7 каждые сутки на величину

в течение последующих 3 месяцев;

- коррекция частоты меры 7 каждые сутки на величину

в течение следующих 3 месяцев;

и т.д., коррекция частоты меры 7 каждые сутки на величину

в течение 3 месяцев, следующих за (n-1)-м трехмесячным интервалом.

Первые две операции проводят на заводе-изготовителе или в поверочной лаборатории; дальнейшие операции проводятся у потребителя автоматически без наличия приборов 8-10 с помощью микропроцессора или микроЭВМ, включенных в состав меры частоты, или вручную оператором.

По истечении межповерочного интервала, т.е. интервала времени, через который проводят поверку меры метрологической службой (обычно это 1 год, но возможно 2, 3, 5 лет) производят повторное определение величины скорости систематического дрейфа частоты меры и погрешности по частоте путем сравнений ее частоты с частотой эталона и новый цикл коррекций по данному способу с уточненными величинами ₀ и .

Новую величину ₀ определяют на основе сличений меры с эталоном на новом начальном интервале времени Т ₀, а новую величину определяют из предыдущих измерений как интервал времени, на протяжении которого скорость систематического дрейфа частоты меры ₀ снизилась в e раз.

Если же скорость систематического дрейфа частоты меры за интервал времени Т снизится до приемлемой, достаточно малой величины, то дальнейшую дополнительную периодическую коррекцию частоты можно не выполнять.

Использование данного способа хранения частоты электрических колебаний позволяет уменьшить погрешность по частоте и скорость систематического дрейфа частоты мер частоты в (2÷3) раза по сравнению с известными способами.

Литература

1. А.И.Пихтелев и др. Стандарты частоты и времени на основе квантовых генераторов и дискриминаторов. - М.: Сов. радио, 1978, с.252-262.

2. В.А.Логачев, А.В.Пастухов. Способ хранения частоты электрических колебаний. Патент РФ № 2178196 с приоритетом от 20.11.2000 г. Опубл. 10.01.2002, Бюл. № 1.

3. ГОСТ 23512-98. Стандарты частоты и времени. Общие технические требования и методы испытаний.