В связи с развитием цифровых систем автоматического контроля и постоянным повышением требований к качеству их работы возник­ла задача, связанная с созданием новых, более надежных и точных аналого-цифровых измерительных преобразователей, а также пре­образователей типа угол — код и устройств, позволяющих осуще­ствлять обратные операции. В последующем их часто будем имено­вать измерительными преобразователями.

Аналого-цифровые преобразователи предназначены для получе­ния сигналов в виде кодов, характеризующих ход технологических процессов в контролируемых объектах, для последующей обработ­ки информации с помощью цифровых вычислительных машин (ЦВМ). Для управления конкретными устройствами по сигналам вычислительной машины обычно необходимо осуществление обрат­ной операции—результат вычислений на ЦВМ представить в віиде электрического тока или напряжения. Частный случай реализации такого класса устройств используется в частотных системах кон­троля, в которых параметры объекта преобразуются в частоту гармо­нических колебаний или в частоту следования импульсов, а затем в шд, например, путем счета этих импульсов в течение определен­ного отрезка времени.

Преобразование контролируемых параметров в частоту обеспе­чивает высокую помехоустойчивость систем контроля {Л. 18, 34, 45], простоту получения кода по сигналам объекта, возможность коммутации сигналов простыми средствами без существенного иска­жения информации, максимальную унификацию и ряд других положительных особенностей. Это открывает широкие возможности для использования частотных изм ери тельных преобразователей в си­стемах автоматического контроля.

Технические характеристики аналого-цифровых преобразовате­лей и преобразователей угловых перемещений в код во многом определяют достоинства систем контроля и управления в целом.

В отличие от остальных блоков системы контроля измерительный преобразователь непосредственно согласуется с объектом и состав­ляет наиболее важную часть устройств, входящих по принятой терминологии [Л. 5, 9, 58] в контур первичной обработки информа­ции ЦВМ.

Устройства для получения цифрового кода, определяемого входным аналоговым сигналом, и устройства для осуществления обратных операций, как правило, представляют основу контура тіер- вичной обработки информации в системах автоматики с использо­ванием цифровых управляющих машин. Для ряда технических при­менений эти устройства содержат до 60—70% от общего количест­ва элементов в системе, включая вычислительную машину, а также почти полностью определяют точность контроля или стабилизации параметров объекта.

Использование в системах контроля и управления рассматри­ваемых в книге измерительных преобразователей частотного типа позволяет решить следующие задачи:

1) устранить из систем весьма нестабильные сравнивающие устройства сравнительно низкой чувствительности на постоянном токе, снижающие по ряду причин технологического характера стабильность параметров системы контроля и управления и ее ре­зультирующую точность, например из-за старения элементов и эталонов (в частотных системах используются частотные сравни­вающие устройства цифрового типа с практически неограниченной разрешающей способностью);

2) повысить надежность системы контроля и управления за счет применения бесконтактных коммутаторов, не оказывающих влияния на понижение точности систем при передаче по линии связи дискретных или частотных сигналов;

3) существенно увеличить точность, поскольку стабильность эталонов частотных систем — эталонов частоты — на несколько по­рядков превосходит стабильность эталонов э. д. с., обычно исполь­зуемых в наиболее распространенных системах контроля и управ­ления;

4) упростить сопряжение объекта с управляющей машиной, так как информация в форме частотного кода удобна для ввода в ЦВМ.

Широко применяемые в настоящее время аналого-цифровые преобразователи используют потенциометрические, электромеханиче­ские или электронные схемы сравнения контролируемого и опорного напряжения. При низких уровнях входных напряжений в устройст­вах этого класса возникают существенные трудности в повышении точности измерений, так как нуль-органы для сравнения напряжений (сравнивающие устройства), использующие полупроводниковые при­боры или электронные лампы, эффективно работают при уровнях сигналов порядка единиц, десятых долей милливольта. Это требует применения в автоматических устройствах специальных измеритель­ных высокостабильных и высоколинейных усилителей, сильно услож­няющих эти системы, понижающих их надежность и точность. В последнее время были разработаны более совершенные аналого - цифровые преобразователи коммутаторного типа с использованием магнитных элементов [Л. 69, 70], которые могут работать при более низких уровнях сравниваемых сигналов, порядка единиц микро­вольт, отличаются сравнительной простотой, высокой стабиль­ностью и надежностью. Но так же как и у схем с электронными нуль-органами в распространенных на практике устройствах, точ­ность их работы определяется точностью задания эталонного тока или напряжения.

Построение потенциометрических схем сравнения для кодиро­вания электрических сигналов с ошибкой, меньшей 0,01%, встречает большие трудности, связанные с необходимостью поддержания с до­статочной точностью величины эталонного напряжения или тока, используемого в схемах для сравнения с измеряемым сигналом.

В настоящее время в магнитометрической технике, объектом исследования которой является в основном магнитное поле Земли, используются весьма стабильные квантовые магнитные измерители, основанные на использовании избирательного поглощения энергии переменного электромагнитного поля в веществе, находящемся в постоянном поле, т. е. парамагнитного резонанса.

С момента открытия парамагнитного резонанса неоднократно подчеркивалась возможность использования этого явления для точ­ных измерений напряженности магнитного ноля, а вместе с ней и таких электрических величин, как ток или напряжение. Однако первоначально развитые стационарные методы позволяли наблюдать резонаноные процессы только, в относительно сильных магнитных полях, когда характерные резонансные частоты лежат в области СВЧ диапазона. Это явление уже давно используется в технике экспериментальных исследований [Л. 43, 52, 66], например для анализа состава веществ, их влажности, контроля наличия приме­сей и т. д. При контроле сильных токов в электротехнических устройствах подобная методика реализуется следующим образом. Эталонное вещество помещается в сильное постоянное магнитное поле, создаваемое током. Это поле ориентирует в одном направлении элементарные магнитные моменты частиц вещества. Одновременно образцовое вещество облучается генератором высокочастотных электромагнитных колебаний, а величина поглощения энергии в об­разце регистрируется. Наблюдаемые частоты резонансного поглоще­ния энергии для данного вещества определяются величиной напря­женности магнитного поля, а следовательно, и током. Для надеж­ной регистрации резонансного поглощения при ядерном магнитном резонансе применяют медленное изменение частоты генератора, облучающего образец, так как форма линии поглощения, характе­ризующая изменение интенсивности поглощения энергии при сдвиге частоты, может изменяться в зависимости от скорости прохождения резонанса.

Поскольку время, в течение которого изменяют частоту высоко­частотного генератора в таких установках, существенно больше периода резонансных колебаний, характерных для спектра поглоще­ния вещества, эти методы и получили название методов стационар­ного магнитного резонанса. Стационарный магнитный резонанс ши­роко используется в измерительной технике [Л. 7, 16, 65], несмотря на специфичность необходимой аппаратуры.

В слабых магнитных полях резонансное поглощение из-за низкой разрешающей способности наблюдать затруднительно и поэтому стационарный ядерный магнитный резонанс не нашел применения для измерения небольших напряженностей магнитного поля порядка напряженности поля Земли, создаваемых, например, весьма слабым током на входе измерительного преобразователя.

Для этих целей более удобно использование методов неста­ционарного ядерного магнитного резонанса [Л. 49]. Особенностью этих методов является то, что напряженность внешнего магнитного поля, ориентирующего магнитные моменты ядер атомов специаль­ным образом (поляризующее магнитное поле), изменяется за время, соизмеримое с долей периода резонансных колебаний, характери­зующих ядерный магнитный резонанс, а генерируемые в переход­ном режиме 'Сигналы обладают достаточно высокой интенсивностью. Полезной для техники преобразования сигналов оказалась также новая разновидность нестационарной методики с использованием оптической ориентации атомов или ядер вещества — двойной опти­ческий резонанс [Л. 47], особенности которого анализируются в § 1-4. Преобразователи последнего типа, в которых особенно наглядно проявляются квантовые особенности ансамблей атомов или ядер, будем называть квантовыми; преобразователи первого тина— ядер - но-прецесоионными, так как в них используется явление, связанное с парамагнетизмом ядер рабочего вещества, проявляющееся при его взаимодействии с полем поляризации и контролируемые полеім. В целом различные разновидности подобных устройств, образован­ных на принципах квантовой маїгнитометри-и, называют магнито­метрическими преобразователями.

Методы измерения частоты прецессии ядер после выключения поляризующего поля и оптические методы возбуждения прецессии частиц в магнитном поле — методы нестационарного ядерного ре­зонанса — позволили расширить 'практическую значимость методов квантовой магнитометрии. В дальнейшем в книге рассматриваются именно устройства на нестационарных принципах. Они состоят в том, что элементарные магнитные моменты парамагнитного ве­щества, будучи' предварительно ориентированы вспомогательным магнитным полем или фотонами поляризованного светового излу­чения, после выключения ориентирующих средств должны изме­нить свою ориентацию и оказаться направленными вдоль слабого измеряемого магнитного поля, создаваемого контролируемым сиг­налом. Переход к новой ориентации носит характер прецессионных колебаний вокруг направления магнитного поля и может вызвать переменную э. д. с., например в специальных обмотках, окружающих рассматриваемый объем и воспринимающих изменение индукции магнитного поля в веществе. Угловая частота этой э. д. с. опреде­ляется напряженностью магнитного поля Н и специфической ядерной постоянной — гиромагнитным отношением у - Так, частота прецессии ядер определяется форімулой

со =уН. (1-1)

Аналогичные соотношения характеризуют и прецессионное движение магнитных моментов атомов, возбуждаемых, например, оптическим путем.

При построении измерительных преобразователей на основе использования принципов квантовой магнитометрии возникает ряд преимуществ и ограничений, связанных с принципом их работы. Дело в том, что непосредственно измеряемой величиной является напряженность магнитного поля, а возможность измерения электри­ческих сигналов, например, тока возникает в силу однозначного соответствия между величиной тока в контуре неизменной геомет­рии и напряженностью магнитного поля, созданного этим током.

Величина напряжения, приложенного к входу магнитной си­стемы, возбуждающей измеряемое магнитное поле, определяется конструктивными и технологическими особенностями выполнения ее обмоток — диаметром и удельным сопротивлением проводов, а так­же величиной добавочных прецизионных сопротивлений с достигну­той стабильностью на уровне 0,002—0,005%. Эти факторы опреде­ляют основные особенности, связанные с применением квантовых измерительных преобразователей, описанных в настоящей брошюре.

Входное сопротивление обычных, некомпенсированных измери­тельных преобразователей типа напряжение — код, учитывая допол­нительные погрешности из-за непостоянства внутреннего сопротив­ления источников контролируемых сигналов и сопротивления изоля­ции в разветвленных электрических цепях должно быть не менее нескольких мегом. Это требование к входному сопротивлению пре­образователей формулируется, исходя из того, что преобразователь в процессе работы должен подключаться к различным контролируе­мым блокам объекта, отличающимся выходным сопротивлением. Заданному выходному сопротивлению источника электрического сигнала и заданной дополнительной погрешности преобразования соответствуют величины входных сопротивлений измерительных преобразователей, приведенные в табл. 1-1.

Таблица 1-І

Погрешность преобразования из-за непостоянства выходного сопротивления источников контролируемого напряжения [%]

Для квантовых измерительных преобразователей, как и для любых измерительно-преобразующих устройств, характерна опреде­ленная минимальная абсолютная величина напряженности магнит­ного поля, определяющая их разрешающую способность. Эта вели­чина в распространенных сейчас приборах близка к 5 • 10—5 а/м [Л. 67]. Поэтому увеличение абсолютной точности преобразователя до 0,01%, получаемое за счет увеличения его входного сопротивления, например до 1 Мом, также связано с повышением абсолютной ве­личины максимума измеряемых напряжений до нескольких единиц вольт. Соответственно при входном сопротивлении на уровне не­скольких тысяч ом максимальные входные напряжения при указан­ной точности лежат на уровне 3—5 мв. Эти характеристики обес­печиваются применением стабильных магнитных систем, не имеющих ферромагнитных элементов, термостатированием отдельных узлов квантовых преобразователей с точностью 1—2° С, а также компенса­цией помех. В отдельных случаях для повышения помехоустойчи­вости оказывается полезным применение дифференциальных кон­струкций в магнитном экране. Последний имеет малую связь с ос­новной магнитной системой и, как правило, характеризуется невы­соким коэффициентом экранирования и сравнительно небольшим весом, так как он используется в основном для демпфирования влияния изменений не абсолютной величины поля помехи, а его градиента.

Вторая особенность квантовых измерительных преобразователей связана с тем, что абсолютная погрешность преобразования вели­чины напряженности магнитного поля в частоту электрических сиг­налов определяется практически только погрешностью, с которой определена величина гиромагнитного отношения ядра для данного вещества шги аналог этой величины для атома. Величина гиро­магнитного отношения для ядер многих веществ известна с ошиб­кой, не превосходящей 0,001%. Эта постоянная не зависит от изме­нений температуры, внешних давлений и механических напряжений, возникающих в рабочем объеме вещества, например при вибрациях. Это и есть то основное положительное качество квантовых измери­тельных преобразователей, которое определяет возможность их использования для измерений высокой точности в производственных условиях. Но при этом нельзя забывать, что погрешность, связан­ная с созданием магнитного поля, строго соответствующего измеряе­мому току, напряжению или угловому ^перемещению, входит в сум­марную погрешность измерительного преобразователя рассматривае­мого типа й существенно зависит от конструктивных особенностей выполнения магнитных систем.

^Наконец, третья принципиальная особенность квантовых измери­тельных преобразователей связана с тем, что для обеспечения точ­ного измерения частоты или формирования кода необходим доста­точный промежуток времени. Например, измерение отклонения от частоты порядка 100 кгц на 0,01% можно осуществить за 0,01 сек [Л. 30]. При условии работы квантовых измерительных преобразо­вателей в устройствах автоматического контроля и управления производственными процессами подобное ограничение быстродейст­вия может не быть существенным, так как обычно производствен­ные процессы достаточно инерционны во времени.