Гравиметр

 

ГРАВИМЕТР, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации , отличающийся тем, что, с целью пов лиения его точности, чувствительности и расширения динамического диапазона, у противоположных торцов резровуара установлены параллельно ему две пары прозрачных окон с возможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполнена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара по обе стороны его/ длина которых равна расстоянию между ооями пар прозрачных окон. / f2

(19) (И) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

РЕСПУВЛИН

ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВ ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Д

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3518967/18-25 (22) 07.12.82 (46) 07.03.84. Бюл. 9 9 (72) A.Ã. Сукиязов и В.A. Морковкин (53) 528.563(088 ° 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР, М 532069, кл. G 01 V 7/02, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР

: М 312229, кл. 0 01 7 7/02, 1970 (прототип). (54)(57) ГРАВИМЕТР, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения его точности, чувствительности и рас= ширения динамического диапазона, у противоположных торцов резервуара установлены параллельно ему две пары прозрачных окон с воэможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполнена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара по обе стороны его, длина которых равна расстоянию между осями пар прозранных окон.

1078389

Изобретение относится к гравиметрии и может найти применение в аппаратуреу измеряющей ускорение силы тяжести.

Известен Пьезоэлектрический гравиметр, содержащий вакуумированный стеклянный корпус, чувствительную систему, состоящую из груза и двух пластин, жестко соединенным с опорным кольцом, металлическим фланцем и грузом, цилиндрическую пружину, радиоэлектронную схему, состоящую из двух кварцевых генераторов, смесителя, детектора, генератора прямоугольных импульсов, блока электрон« но-счетного частотомера, где производится измерение периода следования фронтов генерируемых импульсов, термостат 1 3.

Недостатком данного гравиметра является низкая точность, .особенно, для малых вариаций силы тяжести, обусловленная неизбежными малыми качаниями груза, несмотря на цилиндрическую пружину. Кроме того, на точность измерения силы тяжести влияют различные вибрации груза, демпфирование которых в данной конг струкции будет не эффективным, Указанный пьезоэлектрический гравиметр чувствителен также к давлению и влажности окружающей среды, вследствие масс-чувствительности пьеэорезонансных датчиков. Это также снижает точность измерения силы тяжести.

Наиболее близким к изобретению является гравиметр, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполнен ный жидкостью, и схему регистрации.

Гравиметр содержит также заполненный ртутью и более легкой жидкостью жесткий. резервуар вытянутой формы и размещенные в нем на разных уровнях два сосуда со ртутью и сосуд с газом, связанный с нижним ртутным сосудом посредством горизонтального капилляра с каплейиндексом.

Нижние концы сосудов со ртутью открыты и помещены в часть резервуара, заполненную ртутью, причем под открытыми концами сосудов установлена гайка с винтом из ферромагнитного материала, на уровне ко торой и соосно с ней вне резервуара расположен кольцевой магнит.

При изменении силы тяжести устанавливают такое внешнее давление, .чтобы положение капли-индекса оставалось неизменным, т.е. мерой силы тяжести является внешнее давление f2 j.

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность и точность. Это обусловлено тем, что .горизонтальный капилляр с кan5

55 лей- индексом имеет предельную точность отсчета не более 0,5 мм. Кроме того, показания гравиметра зависят от внешнего давления, которое даже предлагается использовать как меру силы тяжести при компенсационных измерениях. Другим недостатком гравиметра является узкий динамический диапазон, определяемый длиной горизонтального капилляра.

Целью изобретения является ïîâûжение точности, чувствительности и расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в гравиметре, содержащем жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации, у противоположных торцов резервуара установлены параллельно ему две пары прозрачных окон с возможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполиена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара по обе стороны его, длина которых равна расстоянию между осями пар проэрачных окон.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Гравиметр содержит жесткий герметичный резервуар 1 удлиненной форьы, полностью заполненный оптически прозрачной жидкостью 2, являющейся чувствительным элементом. Резервуар 1 снабжен четырьмя прозрачными (например, стеклянныьы ) окнами З-б, которые имеют воэможность перемещаться строго параллельно, самим себе. Это может быть реализовано, например, с помощью сильфонов.

Окна параллельны между собой и расположены друг -напротив друга у противоположных торцов резервуара.

45-градусная параллелепипедная призма 7 и прямоугольная отражающая призма 8 склеены по косой грани, -c образованием в месте склейки полупрозрачного слоя 9 и образуют светорасщепляющий блок, который имеет длину, равную расстоянию между осями пар прозрачных окон и укреплен параллельно оси резррвуара так, чтобы полупрозрачный слой был напротив одного из окон.

Точно такой же светорасщепляющий блок образуют призмы 10 и 11, в месте склейки которых также сформирован полупрозрачный слой 12. Второй светорасщепляющий блок укреплен антипараллельно первому с другой стороны резервуара. Напротив прямоугольной отражающей призмы находится источник 13 монохроматического све1078389 та, а напротив призмы 11 - оптическая часть 14 регистрирующего устройства 15 ° В силу симметрии устройства источник монохроматического света может, быть размещен напротив призмы 11, а оптическая часть с ре- 5 гистрирующим устройством — напротив призмы 8. Оптическая часть и регистрирующее устройство выполнены, например, в виде системы линз, в фокальной плоскости которой находятся фотоэлементы, подключенные по е входу счетного устройства или же аналогового преобразователя.

Предлагаемый гравиметр работает следующим образом. !5

Монохроматический луч света от источника 13 попадает в первый светорасщепляющий блок, состоящий из . призм 7-8, где на полупрозрачном слое 9 разделяется на два луча. Один луч распространяется параллельно оси резервуара 1 и, отразившись оТ косой 45 градусной грани светорасщепляющего устройства, проходит через прозрачные окна 3 и 4 и слой оптически прозрачной жидкости 2 между ними, и, отразившись от полупрозрачного слоя 12 второго светорасщепляющего блока, состоящего из призм 10-11, попадает в оптическую часть 14 регистрирующего устройства 15.

Другой луч проходит через окна

5-6 и слой жидкости между ними, и, отразившись от 45-градусной грани параллелепипедной призмы 10, прохо- )35 дит через полупрозрачный слой 12 и также попадает в оптическую часть регистрирующего устройства. В результате наложения укаэанных двух лучей в оптической части формируется 4р интерференционная картина, представляющая собой систему чередующихся светлых и темных полос, положение которых относительно оптической части (например, фотоприемников), одэначно определяется разностью опти.ческого пути между описанными лучами °

При измерении силы тяжести пред- лагаемый гравиметр ориентируется так, чтобы ось резервуара была направлена.вдоль линии отвеса. При этом, под действием силы тяжести, . жидкость начнет перемещаться вниз.

Это приводит к тому, что расстояние между окнами 3 и 4 уменьшается, а между окнами 5 и 6 — увеличивается. Перемещение окон происходит

1 до тех пор, пока сила давления жидкости на них не уравновесится силой упругости в системах крепления 60 окон.

В итоге оптическая длина пути луча первых проходящих окон 3 и 4 уменьшается, так как слой жидкости между этими окнами стал меньше, а луча вторых проходящих окон 5 и 6 — увеличивается, по такой же причине. Это приводит к смещению полос интенференционной картины относительно фотоприемников.

Цело число периодов, на которые .сместилась интерференционная картина, может быть подсчитано реверсивным счетным устройством, а перемещения в пределах одного периода - аналоговым преобразователем.

Положение интерференционной картины при некотором известном значении ускорения свободного падения можно принять за нулевое. Тогда вариация g приводит к перемещению интерференционной картины, которое может измеряться с большой точностью. Таким образом, используя предварительную тарировку пред!лагаемого гравиметра, можно измерять ускорения свободного падения g и находить его в произвольной точке земной поверхности по формуле

ОП (1) где g - измеряемое значение ускорения свободного падения „- опорное значение, — отсчет по гравиметру.

Связь между величиной àg и перемещением интерференционной. картины определяется следующим образом.

Жесткость всех упругих креплений окон одинакова и равна К. Площадь всех окон также одинакова и равна

В. Линейный размер окна равен 3S, много меньше расстояния между осями пар прозрачных окон h.

Оптическая длина пути 4 луча, проходящего через верхние окна равна: д„= (L — %. ) + их1 = Ь-(и-1)х,(2) где L - расстояние между расщепляющими блокамиу х — расстояние между верхними окнамир и - коэффициент преломпения жидкости.

Аналогичным образом найдем длину оптического пути луча, проходящего через нижние окна й- = Ь вЂ” (n-1)x

В 2 i (3) где х - расстояние между нижними с

2 окнами.

Разность оптического пути между верхними и нижними лучами будет равна

4 = dg - Д = (и-1)(х2- х,).. (4)

Под действием перетекания жидкости (например, при изменении. силы тяжести), расстояния между окнами изменяются. При выполненйи оговоренных выше предположениях, исходя

1078389

IA*л;

30

Ь

Составитель В. Федоров

Редактор П. Коссей Техред О, Цеце Корректор И. Муска, F

Заказ 958/41 Тираж 711 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д..4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 иэ несжимаемости жидкости, можно считать, что каждое окно переместилось на одинаковое расстояние 4g.

Тогда

x; x - 2Фх f . . . 1

xg х + 2а "х), . (5)) где х и х1 - новые расстояния меж

1 ду окнами.

Подставляя (5) в (4), найдем возникающие изМеиения длины оптического пути Зд"

4, . (n- 1:) f(x2 - х.) + 4 Ф х1@ .6+, 4 -- а: (n-1.) 4 о х, (б) Используя условие равновесия для каждого окна (равенство силы давления силе упругости), найдем .$ghS kx, или у hSOg = 1соЪ (7), где у - плотность жидкости, h - высота столба жидкоСти,"

s - площадь окна, - жесткость упругого элемента окна, - изменение ускорения силы тяжести

dx - перемещение одного окна.

Откуда найдем уЬ9

Рх = — Ф . (8)

Подставляя (8) в (6), найдем у ь < 35 (,(ь-Ц %5 к

Для того, чтобы интерферейционная картина переместилась на период, оптически длина пути должна увеличиваться на Л 40

- (м} ы к кл () где М - pnaaa волны используемого света. сф определяет цену одного знака с счетчиком регистрирующего устройсзва, подсчитывакицего, на сколько периодов переместилась интерференционная мартина. Если счетчик показывает и периодов, то Ъ <е "е — -,—

L,(n-Я) рЪВ

Точность измерения определяется стабильностью параметров гравиметра. Гравиметр представляет собой жесткую конструкцию, практически не подверженную действию внешних факторов. Если cia выполнить из материалов с минимальным температурным коэффициентом (например, инвар) и гистерезисом, то влияние температуры будет незначительным, так как расширение жидкости вызывает синфазное изменение положения верхних и нижних окон, и не .сопровождается смещением интерференционной картины. Еще больше повысится точность, если предпринять элементарные меры термостабнлизации.

Кроме того, чувствительность и

: динамический диапазон намного выше, чем у известных гравиметров.

Другим важным преимуществом предлагаемого гравиМетра является очень малое время приведения в готовность, Что обеспечивает возможность непосредственного сопряжения с ЭВИ.