Измерения времени и частоты
В рассматриваемом случае ^ =12 Гц и определяется временем пролета атомов через основной резонатор, Q =2800 и в соответствии с частотными измерениями температура атомного облака составляет около 1 мкК. Полученное значение температуры согласуется с температурой атомного облака, определяемой по времени пролета атомов и равной в описанном фонтане около 0,5 мкК. Если определить спектральную плотность сигнала, обусловленную дробовыми шумами фонтана, то по результатам частотных измерений можно оценить число атомов в рассматриваемом фонтане: N = 500 000.
Заключение. Применение формулы фонтана позволяет повысить точность и достоверность измерений вследствие исключения из НСП спин-обменного сдвига. Погрешность, сопоставимая со спин-обменной, существует при определении СВЧ-сдвига. Согласно формуле фонтана СВЧ-сдвиг (также как и другие сдвиги) исключается из НСП, в результате НСП может быть снижена до 2-10-16.
Для более точного определения НСП необходимо учитывать эффекты, влияющие на точность фонтана на уровне менее 1-10-16. По мнению автора, потенциальная точность фонтана может достигать 5-10-17, так как на этом уровне флуктуации гравитационного потенциала могут иметь сопоставимое влияние на частоту атомного резонанса, что приведет к ограничению точности дистанционных сличений кван-
товых стандартов частоты независимо от их физической природы.
Приведенная зависимость различных шумов от числа рабочих атомов может быть справедлива не только для атомных фонтанов, но и для других квантовых стандартов частоты. Для обоснования этого утверждения следует принять во внимание, что в приведенной статье не рассматривается структура квантового стандарта на основе атомного фонтана холодных атомов.
Л и т е р а т у р а
1. Clairon, Ghezali S., Santarelli G., Laurent Ph., Lea S. N., Bahoura M., Simon E., Weyers S., Szymaniec K. Preliminary Accuracy Evaluation of a Cesium Fountain Frequency Standard // Proc. 5th Symp. Frequency Standards and Metrology. World Scientific (Singapore). 1996. P. 45—59.
2. Домнин Ю. С., Барышев В. Н., Бойко А. И., Елкин Г. А., Новоселов А. В., Копылов Л. Н., Купалов Д. С. Цезиевый репер частоты фонтанного типа МЦР-Ф2 // Измерительная техника. 2012. № 10. С. 26—30.
3. Одуан К., Гино Б. Измерения времени. Основы GPS. М.: Техносфера, 2002. С. 94, 96.
Дата принятия 28.04.2015 г.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
539.3:624.04
Неопределенность в измерениях и проблемы достоверности мониторинга векторных параметров динамических процессов
М. С. ХЛЫСТУНОВ1, В. В. ПОДУВАЛЬЦЕВ2, ж. г. могилюк1
1 Московский государственный строительный университет, Москва, Россия, e-mail: mcxmgsu@mail.ru 2Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана,
Москва, Россия, e-mail: vvpoduval@mail.ru
Рассмотрены метрологические проблемы измерений параметров векторных динамических нагрузок при использовании систем с тремя однокомпонентными датчиками вибраций. Проанализированы источники динамической погрешности и ложной прецессии полученного вектора при применении аналоговых и цифровых измерительных систем. Сформулирован комплекс задач по устранению амплитудных и фазовых искажений при измерениях векторных параметров нестационарных динамических нагрузок.
Ключевые слова: динамические нагрузки, векторные параметры, аналоговые системы, цифровые системы, динамическая погрешность.
The metrological problems of measurement of vector dynamic loads parameters during use of a system with three unicomponent vibration sensors are considered. The sources of dynamic errors and false precession of the received vector at use of the analog and digital measuring systems have been analyzed. The complex of problems of the elimination of the amplitude and phase distortions removal during measurement of the vector parameters of non-stationary dynamic loads has been for mulated.
Key words: dynamic loads, vector parameters, analog systems, digital systems, dynamic error.
Настоящая статья входит в серию публикаций авторов по метрологическим проблемам применения цифровых технологий измерения векторных параметров динамических на-
грузок в различных сферах машиностроения и строительства. Актуальность темы обусловлена метрологическим вакуумом при внедрении цифровых технологий и систем
мониторинга, когда широким кругом пользователей, а также производителей и поставщиков по умолчанию принимается несомненное превосходство таких технологий над аналоговыми. При этом термин «тонкие или высокие технологии» по отношению к ним не всегда корректен с метрологической точки зрения.
С одной стороны, применение цифровых измерительных систем существенно упрощает формирование и передачу на большие расстояния помехоустойчивых потоков информации, например, при многоканальном мониторинге параметров безопасности сложных пространственных объектов. Из-за высокой помехоустойчивости цифровых сигналов устраняется погрешность измерений, вносимая в канал регистрации всеми видами внутренних и внешних помех. Преимущества применения цифровых технологий в системах мониторинга обнаруживаются при измерениях параметров квазистатических или гармонических процессов. В этих случаях с увеличением длины массива каждой выборки или продолжительности снятия сигналов с датчиков технологические погрешности можно свести к минимуму, но с потерей быстродействия системы.
С другой стороны, метрологическое обеспечение цифровых измерительных систем усложняется по сравнению с аналоговыми, что особенно проявляется при измерении широкополосных динамических векторных параметров, когда продолжительность выборки должна быть существенно ниже периода дискретизации сигнала датчика, а увеличение длины массива выборок не позволяет повысить точность предыдущего измерения. Динамические погрешности цифровых измерений векторных параметров нестационарных процессов вносят дополнительную неопределенность в результаты вычислений параметров вектора и, тем самым, снижают достоверность мониторинга.
Вместе с тем мониторинг и аттестация динамических нагрузок на объекты техносферы, включая машины, оборудование, средства транспорта, здания и сооружения, является одной из важнейших задач обеспечения безопасности в современном машиностроении и строительстве. Успешность реализации этой задачи непосредственно связана с разработкой и внедрением соответствующей нормативно-технической документации. К числу таких документов следует отнести стандарт [1], в котором предписано обязательное измерение интенсивности вибраций машин и оборудования, поступающей на опорные конструкции зданий и сооружений. В дополнение к требованиям, регламентирующим порядок уровня вибраций в помещениях с установленным оборудованием [2], и непосредственно к аппаратуре и технологиям измерения ударов и вибраций [3, 4], в последние годы были выпущены нормативные документы, предписывающие обязательную аттестацию динамических характеристик зданий и сооружений, которая непосредственно связана с измерением векторных механических динамических воздействий на эти объекты [5—7]. Причем эти измерения прямо или косвенно предусматривают измерения как спектров этих нагрузок, так и амплитудно-частотных характеристик зданий, сооружений и датчиков. Во всех перечисленных документах подразумевается или указывается применение однокомпонентных систем датчиков измерения вибраций, скоростей и ускорений.
Однако результаты исследований метрологических возможностей по определению истинного вектора действия
динамических нагрузок с применением многокомпонентных систем измерений имеют ряд недостатков, включая внесение существенной неопределенности и потерю достоверности мониторинга динамических процессов.
Несмотря на тривиальный характер операций моделирования и алгоритмов оценки динамической погрешности при цифровом измерении динамических векторов, специалисты в этой области не уделяют данной проблеме должного внимания. Задача до настоящего времени четко не сформулирована, отсутствует ее корректная математическая и метрологическая постановка при мониторинге векторных параметров нестационарных и широкополосных динамических процессов.
В течение последних пятидесяти лет в России и за рубежом было опубликовано значительное количество результатов исследований по метрологическим проблемам применения цифровых технологий. Несмотря на предлагаемые многочисленные методы, способы и технологии повышения достоверности и точности цифровых измерительных систем и алгоритмов обработки информации, в целом ряде работ указывается на некорректные задачи цифровой обработки информации и сигналов [8], а также на необходимость специальной цифровой обработки не только самих сигналов, но и их динамических спектрограмм [9]. Наиболее близкой к теме настоящей статьи является работа [10], посвященная фазовым искажениям волнового фронта при измерениях пространственных характеристик лазерного излучения. Удачная попытка практически зафиксировать реальные параметры механических колебаний зданий и сооружений представлена в [11, 12].
Рассмотрим идеальный процесс аналогового измерения динамического вектора, амплитуда которого изменяется по гармоническому закону с частотой ю и начальной фазой у. Направление вектора будем считать неизменным, кроме периодического изменения его знака. Тогда процесс измерений системой из трех однокомпонентных датчиков можно описать матричным уравнением
к11 е]ф11 0 0
0
0
к22 е]ф22 0
х1 е х2 е хз е
К<Ю + Т) К<Ю + Т) К<ю+у)
0 к33 е]ф33
ц е ^+Т+Ф11) V еКю?+У+Ф22) у3 е Кю?+у + Ф33)
где кц, фп, х, V/ — соответственно коэффициент преобразования, сдвиг фазы датчика, неизвестная амплитуда /-й компоненты вектора, амплитуда выходного сигнала датчика, t — время.
В идеальной системе измерений Лкй = 0, Лф(? = 0, т. е. погрешности датчиков по коэффициенту преобразования и сдвигу фазы равны нулю. В этом случае процесс вычисления амплитуды и направления гармонических колебаний вектора можно выполнить в два этапа: сначала измерить компоненты вектора, а затем — его амплитуду и направление ко-
лебаний по отношению к осям чувствительности датчиков, расположенных вдол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.