страница - 23
свойственной только молекулам и атомам данного вещества, в 1967 г. на Международной конференции по мерам и весам была принята новая единица - атомная секунда - интервал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 колебаний атома цезия - 133, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями. За секунду также принимается интервал времени, в течение которого совершается 1 420 405 751,8 колебаний атома водорода.
Таким образом, параллельно существуют астрономическая система измерения времени и атомная система, дополняющие друг друга.
По стандарту час (ч, Л) и минута (мин, min) относятся к внесистемным единицам. Стандартные интервалы времени: 1 год, 6 мес, 3 мес, 1 мес, 1 сут., 1 ч, 100 с, 1 с и любой
интервал, равный 10"Л , где п - целое положительное число.
С понятием "время" связано понятие "интервал времени" и "момент времени". Интервал времени можно измерить, а для момента времени можно ввести понятие нуля или начального момента событий. Непрерывная последовательность интервалов времени определенной длительности, отсчитываемая от начального момента, составляет шкалу времени. Шкалу времени можно воспроизвести, наблюдая за периодически (хронометрическим) процессом, протекающим непрерывно. Установление числовых значений моментов времени называют определением или исчислением времени.
В соответствии с тремя известными единицами измерения времени (секундой всемирного времени, эфемеридной секундой и секундой атомного времени) различают три независимые шкалы времени - всемирную (ИТ), эфемеридную (ЕТ) и атомную (AT).
Для удобства потребителей введена шкала координированного всемирного времени (ИТС), в которой в настоящее время ведется большинство практических измерений. Она сохраняет преимущества атомной шкалы, так как в основе ее лежит атомная секунда. Один раз в год производят коррекцию так, чтобы разность значений времени в шкалах ИТС и ИТ не превышала 1 с. Для потребителей, которым необходимо знать более точное значение разности ИТС и ИТ радиостанции службы времени передают регулярные сигналы, уточняющие :ту разность до 0,02 с.
1.8.2. СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ЕДИНИЦЫ ВРЕМЕНИ
Государственный первичный эталон времени предназначен для воспроизведения и хранения размеров единиц времени и частоты
и шкал атомного времени с помощью вторичных эталонов и образцовых мер измерений времени и частоты.
В состав Государственного эталона входят квантовые меры, которые делятся на реперы и хранители. Реперы (опорные) генерируют базовую частоту, создавая эталонный размер единицы измерения - секунды. Хранители (часы), установив размер секунды с репером, ведут непрерывный счет времени.
Функциональная схема Государственного эталона времени и частоты (ГЭВЧ) показана на рис. 1.8.1. Его основу составляют подсистемы воспроизведения и хранения размеров единиц и шкал времени AT и ИТС. С помощью цезиевых реперов частоты 1 периодически определяются и контролируются действительные значения частот водородных реперов частоты 2. Цезиевый репер воспроизводит размер секунды, водородный - хранит воспроизведенную цезиевым репером единицу времени и частоты. По сравнению с цезиевым репером водородный репер имеет более высокую стабильность, в связи с чем погрешность хранения и размера секунды снизилась на порядок. Шкала времени воспроизводится с высокой точностью и в соответствии с определением секунды в системе СИ.
Вторичными эталонами являются водородные хранители времени 3.
Рис. 1.8.1. Функциональная схема ГЭВЧ
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ
79
Погрешность воспроизведения частоты цезиевых реперов составляет 0,8 • Ю-13. Погрешность в воспроизведении частоты одним водородным репером за год составляет (4 - 8) 1014, а всей группы реперов - менее 5 • Ю-14. Использование водородных реперов позволяет проводить длительные экспериментальные исследования цезиевых реперов частоты без ухудшения метрологических характеристик эталона в целом.
В систему хранения шкалы времени входят четыре водородных 3 и два цезиевых 4 хранителя времени. Водородные хранители, не отличаясь конструктивно от водородных реперов, используются в режиме непрерывного хранения шкалы времени. Нестабильность частоты водородных хранителей составляет величину 2 • 10"14 за месяц. Цезиевые хранители используются только для повышения надежности хранения шкалы времени.
Система формирования рабочей шкалы времени 5 обеспечивает автоматический выбор лучшего из трех водородных хранителей и переключение на резервный в случае пропадания сигнала частоты ведущего хранителя или ухудшения его метрологических характеристик. Рабочая шкала времени ИТСр, формируемая таким образом, является приближенной, ее отклонение не превышает ± 20 • Ю-9 с. Это позволяет использовать шкалу ИТСр в оперативной работе ГЭВЧ без введения дополнительных поправок. По шкале ИТС ведутся все передачи сигналов точного времени и образцовых частот через специальные радиостанции, центральное телевидение и другие каналы связи.
Система внутренних сличений состоит из аппаратуры управления и предварительного анализа результатов измерений, аппаратуры измерения интервалов времени 8 и аппаратуры измерения разности частот 9. Разрешающая способность измерения интервалов времени Ю-9 и разности частот 1 • Ю-14 за 1 ООО с и 2 • Ю-15 за сутки. Измерительный комплекс 6 позволяет проводить абсолютные измерения частот до 1013 Гц с погрешностью, меньшей 1 • 10"12, и до 0,8 • 1014 Гц с погрешностью меньше 1,5 • 10"11.
Система внешних сличений обеспечивает передачу размеров единиц и шкалы времени ТЭВЧ вторичным и рабочим эталонами внутри страны и позволяет сравнивать шкалу времени ИТС со шкалами времени национальных эталонов других стран. В состав этой подсистемы входят: приемно-регистрирующий комплекс 9 для сличения частот, передаваемых по наземным каналам телевидения с погрешностью (0,2 + 1) 10"* с на 1 000 км длины линии передачи, комплекс аппаратуры 10 для сличения шкал времени через метеорные следы. Погрешность сличения составляет 50 • Ю-9 с. Комплекс аппаратуры 11 предназначен для
сличения шкал времени через фазовые сличения радионавигационных станций РНС-Е. В зоне до 1 500 км он обеспечивает сличение эталонов с погрешностью (0,2 + 0,5) 10"* с. Комплекс 12 включает два комплекта цезиевых часов, перевозимых на самолетах, автомашинах или в составе измерительной время-частотной лаборатории на базе автобуса. Погрешность сличений (0,003 + 0,1) 10"* с при времени транспортирования до пяти суток. Погрешность передачи шкалы ИТС вторичным эталонам в Европейской части страны (0,1 + 0,5) Ю-6 с, в Сибири и на Дальнем Востоке (0,3 + 1,0) 10"6 с.
По результатам исследований эталона, а также сличения с национальными эталонами Германии, США, Международного бюро времен можно заключить, что Государственный первичный эталон времени и частоты имеет неисключенную систематическую погрешность 2 • 10"13, среднеквадратическое отклонение результатов измерений 5 • Ю-14, нестабильность частоты за время до месяца 2 • Ю-14.
Размер единицы и шкала времени передаются потребителям через радиометеорные каналы связи, по ТВ и оптическим каналам в зоне прямой видимости. Используют также метод сличения эталонов при помощи перевозимых квантовых (водородных) часов.
1.8.3. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ
Типичные временные величины - период вращения или продолжительность оборота, длительность периода или длительность колебания, период полураспада (радиоактивного вещества), длительность импульса, постоянная времени, время успокоения, время нарастания (фронт импульса), время включения, время накопления, время выключения. В импульсной технике используют понятие - длительность переднего фронта импульса, время спада импульса, время разрешения, собственное (мертвое) время счетчика.
Методы измерения времени - совокупность приемов использования принципов хронометрии, мер времени и других хронометрических средств.
Мера времени - это средство измерения времени, предназначенное для воспроизведения интервалов времени заданной длительности или заданных моментов времени. Длительность интервала или дата момента, воспроизводимого мерой времени, называется значением меры времени. Меры времени могут быть однозначными и многозначными, то-есть воспроизводящими ряд интервалов времени различной длительности или моментов времени различных дат.
При контроле или диагностике используются однократные или многократные моменты времени. Первые соответствуют неповторяющимся событиям, вторые - потоку событий. Соответственно первые характеризуются одной датой этого момента на принятой шкале времени, вторые - набором дат моментов или датой одного из моментов и набором длительностей интервалов между ними. Многократные моменты могут быть периодическими, то-есть следовать через равные интервалы времени, или апериодическими. В последнем случае описание набора моментов должно быть статистическим.
При использовании измерения интервалов времени последние также могут быть однократными и многократными. В первом случае для описания используются длительность интервала и дата некоторого его характерного момента. При измерениях многократных интервалов времени они могут быть перекрывающимися или неперекрывающимися. Во втором случае должны определяться статистические характеристики потока неперекры-
вающихся интервалов, а в первом требуются, кроме этого, многоканальные средства измерения их продсшжительности.
Приборы и устройства времени по функциональным свойствам разделяются на следующие группы:
1)измерители текущего времени, показывающие текущее время в часах, минутах и секундах;
2)измерители интервалов времени - секундомеры, реле времени и т.д.;
3)измерители физических характеристик (временных величин) - тахометры, счетчики оборотов и др.;
4)программно-временные задатчики интервалов времени (таймеры);
5)датчики равномерной скорости (стабилизаторы частоты вращения двигателей, часовые механизмы самопишущих приборов и
др.).
Классификация приборов для измерения времени по принципу действия показана на рис. 1.8.2.
Приборы
Механические
С собственной мерой времени
I . 1
Маятни- | Часы с | |
ковые | подводом | |
часы |
Электрические 1 —
С собственной мерой времени | |||||
1 | 1 | ||||
С механической мерой | С электрической мерой | С атомной мерой | |||
1 | 1 | 1 | |||
Электрические часы | Кварцевые часы | Атомные часы | |||
С автономной мерой времени
С электрической мерой
1
Часы с синхронным двигателем
Рис 1.8.2. Классификация приборов для измерения
Меры времени
X
С колебательной системой
Механические
т-
"ХТаятнгосовая колебательная система
Вращающаяся колебательная
Камертонная колебательная
Электрические I
Колебательный, контур
X
Генератор релаксационных колебаний I
Кварцевый осциллятор
Без колебательной системы
Атомные
Г
Механические
Молекулярная [колебательная система
»
Преобразователи массы
Атомная колебательная
Рис. 1.8.3. Классификация мер времени
X
Электрические Преобр]
Атомные
>азова-тели заряда
Рреобразова-тели излучения
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3] [стр.4] [стр.5] [стр.6] [стр.7] [стр.8] [стр.9] [стр.10] [стр.11] [стр.12] [стр.13] [стр.14] [стр.15] [стр.16] [стр.17] [стр.18] [стр.19] [стр.20] [стр.21] [стр.22] [стр.23] [стр.24] [стр.25] [стр.26] [стр.27] [стр.28] [стр.29] [стр.30] [стр.31] [стр.32] [стр.33] [стр.34] [стр.35] [стр.36] [стр.37] [стр.38] [стр.39] [стр.40] [стр.41] [стр.42] [стр.43] [стр.44] [стр.45] [стр.46] [стр.47] [стр.48] [стр.49] [стр.50] [стр.51] [стр.52] [стр.53] [стр.54] [стр.55] [стр.56] [стр.57] [стр.58] [стр.59] [стр.60] [стр.61] [стр.62] [стр.63] [стр.64] [стр.65] [стр.66] [стр.67] [стр.68] [стр.69] [стр.70] [стр.71] [стр.72] [стр.73] [стр.74] [стр.75] [стр.76] [стр.77] [стр.78] [стр.79] [стр.80] [стр.81] [стр.82] [стр.83] [стр.84] [стр.85] [стр.86] [стр.87] [стр.88] [стр.89] [стр.90] [стр.91] [стр.92] [стр.93] [стр.94] [стр.95] [стр.96] [стр.97] [стр.98] [стр.99] [стр.100] [стр.101] [стр.102] [стр.103] [стр.104] [стр.105] [стр.106] [стр.107] [стр.108] [стр.109] [стр.110] [стр.111] [стр.112] [стр.113] [стр.114] [стр.115] [стр.116] [стр.117] [стр.118] [стр.119] [стр.120] [стр.121] [стр.122] [стр.123] [стр.124] [стр.125] [стр.126] [стр.127] [стр.128] [стр.129] [стр.130] [стр.131] [стр.132] [стр.133] [стр.134] [стр.135] [стр.136] [стр.137] [стр.138] [стр.139] [стр.140] [стр.141] [стр.142] [стр.143] [стр.144] [стр.145] [стр.146] [стр.147] [стр.148] [стр.149] [стр.150] [стр.151]