Измеритель ускорения и вертикального градиента силы тяжести

 

Использование: измерительная техника , для измерения вертикального градиента и ускорения силы тяжести. Сущность изобретения: чувствительная система содержит только один груз, который (груз) снабжен траверсой , один конец которой жестко скреплен с грузом через опору, а другой конец подвешен на упругом элементе в виде нитей или торсионов, груз снабжен указателем перемещения , основным датчиком силы и дополнительным датчиком силы, чувствительная система снабжена устройством перемены мест по высоте. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 V 7/14

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4906231/25 (22) 31.01.91 (46) 15.07.93. Бюл. hL 26 (71) Пермский политехнический институт (72) В.М.Субботин (56) Юзефович А.П., Огородова Л.В, "Гравиметрия", М,: Недра, 1980, с. 37.

Там же, с, 257-258. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ УСКОРЕНИЯ И ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести Wzz и ускорения силы тяжести g.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента и получение возможности измерения ускорения силы тяжести, т,е. расширение функциональных возможностей измерителя.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого измерителя вертикального градиента и ускорения силы тяжести, Его чувствительная система содержит только один груз, например, в виде постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсного наконечника 3, который снабжен траверсой 4. Один конец траверсы 4 через опору 5 жестко связан с грузом, а другой конец подвешен на упругом элементе, например, в виде горизонтально расположенных нитей или торсионов 6, 7, закрепленных в корпусе 8. Груз снабжен датчиком переме.. Ж 1827659 А1 (57) Использование: измерительная техника, для измерения вертикального градиента и ускорения силы тяжести. Сущность изобретения: чувствительная система содержит только один груз, который (груз) снабжен тра-, версой, один конец которой жестко скреплен с грузом через опору, а другой конец подвешен на упругом элементе в виде нитей или торсионов, груз снабжен указателем перемещения, основным датчиком силы и дополнительным датчиком силы, чувствительная система снабжена устройством перемены мест по высоте. 2 ил. щения 9, например, индуктивным (или емкостным или растровым фотоэлектрическим первичным преобразователем с разрешающей способностью, равной десятым долям микрона. Выход датчика перемещения 9 соединен с указателем перемещения 10, например, в виде амперметра в случае индуктивного датчика перемещения. Груз снабжен основным датчиком силы в виде постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсного наконечника 3 и обмотки 11 и дополнительным датчиком силы в виде постоянного магнита 1, мэгнитоп ровода 2, полюсного наконечника 3 и обмотки 12.

Обмотки 11. 12 подключены к источнику постоянного тока 13 через устройства изменения величины питающего тока (или напряжения), например, в виде переменных сопротивлений 14, 15 и контактным переключателем 16, 17, В цепи обмотки 12 установлен указатель тока 18, по значениям которого определяется В/ (указатель может быть отградуирован сразу в размерности Wzz). Груз подвешен также на пружине

1827659

Тг,0

mg=F+с + + cs, I

z р= arctg —,! (2) p =z/! (3) и из (1) и (3) имеем

rz

ITlg=Fpc1+ — +сз, !

Fgc1=B L1i1 (4) (5) 19, снабженной устройством перемещения по вертикали ее верхнего конца (на чертеже устройство не показано).

Корпус 8 цапфой 20 с помощью опоры

21 установлен в штангу 22 устройства перемены мест корпуса 8 с чувствительной системой по высоте, Штанга 22 с помощью цапфы 23 и опоры 24 установлена на подставке 25. На штанге 22 предусмотрен противовес 26 (для уравновешивания корпуса 8 с чувствительной системой), Поворотом штанги 22 корпус 8 с чувствительной системой может изменять свое положение по высоте. Предусмотрены арретиры (не показанные на чертеже) для арретирования штанги 22 с корпусом 8 в верхнем и нижнем положениях, Датчик перемещения 9 при изготовления (сборке) измерителя устанавливается в нулевое положение (нулевое показание указателя перемещения 10) при горизонтальном положении траверсы 4.

В рабочем положении измерительная ось чувствительной системы (ось симметрии груза) располагается по направлению силы тяжести.

Корпус 8 герметизируется и может вакуумироваться, Для затухания колебаний груза предусматривается демпфирование (например, за счет соответствующих зазоров между магнитопроводом 2, наконечником 3 и каркасом 27 обмоток 11, 12 в случае невакуумированного корпуса 8).

Устройство перемены мест по высоте чувствительной системы может иметь и другое конструктивное оформление, например, перенос корпуса 8 вручную с площадки на одной высоте на площадку другой высоты и др.

B рассматриваемом примере принципиальной схемы измерителя в качестве груза используется постоянный магнит с магнитопроводом, а можно наоборот, магнитопровод с магнитом закрепить на корпусе неподвижно, а в качестве груза подвесить каркас 26 с катушками 11, 12.

Вместо пружины 19 может использоваться и др. упругий элемент, например, в виде поплавка, выступающего над поверхностью жидкости, когда в качестве упругой силы используется Архимедова сила и др, Упругий элемент подвеса траверсы 4 может быть выполнен и в виде плоской пружины 28 (см. фиг.2), один конец которой скреплен с траверсой 4, и другой конец — с корпусом 8.

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

Определение измеряемой величины производится алгоритмическим методом в два такта измерения.

Первый такт. Контактный переключатель 16 замкнут, контактный переключатель

17 разомкнут, корпус 8 с чувствительной системой установлен в верхнее положение.

Изменением величины питающего напряжения обмотки 11 основного датчика силы сопротивлением 14 устанавливается нулевое показание указателя перемещения 10.

Окончательная установка нулевого показания может производиться перемещением верхнего конца пружины 19 микрометрическим винтом (на чертеже не показан).

В результате сила тяжести груза уравновешивается силой основного датчика силы и силами механических пружин где m — масса груза;

g — ускорение силы тяжести на уровне центра тяжести груза в верхнем положении;

F c> — сила основного датчика силы; т — суммарная угловая жесткость нитей

6, 7, у — угол поворота траверсы 4 от нейтрального положения; ! — расстояние от оси симметрии груза до нитей 6, 7 (см. чертеж); с — линейная жесткость пружины 19;

s — величина растяжения пружины 19. где z — отклонение груза от расчетного нулевого положения груза (т.е, отклонение от

"идеального" нуля по указателю 10).

Так как z«l, то с достаточной точностью можем положить где  — магнитная индукция в зазоре между полюсным наконечником 3 и магнитопроводом 2;

L> — длина проводника обмотки 11;

i> — ток в обмотке 11.

Второй такт. Корпус 8 с чувствительной системой устанавливаем в нижнее положение, В центре масс груза действует ускорение

1827659

g+WzzH, (6) Измеряя ток в обмотке 12 дополнительного датчика силы измерителем 18, отградуированным в соответствии с формулой (11) и формулой (8), получаем значения Wzz.

5 Относительная погрешность измерения по (11) равна (5) r A/1 +372+ l3

Л74, 10 (12) где

Fgc

ЛH

Н

Лгп (13) 15 Р =

Т

m(g+Wzz H)= Рдс1+ Рдсг+ — (Z+ Л Z)+

iг

+ c(s+Az), (7) 20 (8) Fpc2= B L2 i 2, 35 (9) Второе слагаемое за счет неопределенности Лг дает инструментальную погреш- 40 ность ЬЛИ от Az т Лz

Л Wzz1= + С р г m (10) 45

Задаваясь реальными значениями

m=0,3 кГ, Н=2,5 м, т=10 нм=1 гсм /сек /2, с. 256, строка 22 снизу/, с=0-0,5.10 н/м (с=О, т.е. пружина 19 может отсутствовать), I 0 1 м, Az 1 0-0,1 мк=10 -10 м получим 50

Л Wzz=(1,33 10 -0,67)Э откуда видим, что Л Wzz можно обеспечить достаточно малым и из (9) определять \9 по 55 формул . где Н вЂ” расстояние по высоте между верхним и нижним положениями груза, Под действием силы

m(g+Wzz H) происходит перемещение груза, величина z изменяется, Контактный переключатель 17 замыкаем и изменением величины питающего напряжения обмотки 12 дополнительного датчика силы сопротивлением 15 устанавливаем нулевое показание указателя перемещения 10 и к грузу прикладывается сила

Едсг дополнительного датчика силы, В результате имеем где Рдсг — сила дополнительного датчика силы;

Л г — величина погрешности установки

"нулевого" положения груза во втором такте относительно положения первого такта, где L2 — длина проводника обмотки 12;

i2 — ток в обмотке 12.

По двум тактам измерения из (4) и (7) имеем

F 2

Wzz + + с яг

Hm 2 m где Л Рдсг — абсолютная погрешность измерения Рдсг;

Л Н вЂ” абсолютная погрешность "выдерживания" Н.

Л гп — изменение массы груза (равно О, т.к. груз один и его масса неизменна).

Из (11), (12) видим, что методическая погрешность измерения от g в отличие от прототипа отсутствует. Так как по (8) дсг= В 1-212 то pi= — Я вЂ” = — + — +, (14)

h F с2 ЛВ Л22 Л(2

Fgc2 В z2 i2 и р определяется только точностью измереНИЯ 12. при 71, Q, z/3 порядка 10 получаем по (12) значение того же порядка, т.е. при

Wzz=4000 Э

Л В/ту= Р/ Wzz=0,04 Э

Для прототипа, как указано выше в данном описании и в известном значения р (и др. параметров) для обеспечения точности в

5 Э необходимо выдерживать в пределах

-10

10, т.е, жестче на 5 порядков и, т.о. точность предлагаемого градиентометра будет выше на 5-6 порядков в сравнении с прототипом.

Этот же измеритель позволяет измерять и g.

В частности для относительных измерений g достаточно в исходном пункте настроить измеритель по первому такту измерения (в верхнем или нижнем положении чувствительной системы) и при неизменном B1L1, i1 определять Лц, перенося измеритель в определяемые пункты наблюдения и выполНЯЯ ВтОРОй таКт ПО Едсг, т.Е. ПО i2.

Совершенно очевидно, что, применяя компенсационные обратные связи с интегрирующими звеньями отдатчика перемеще1Ы /659 ния к датчикам силы, процесс измерения предлагаемым измерителем можно автоматизировать, Таким образом, в сравнении с прототипом достижимая точность измерения W предлагаемым измерителем не менее, чем на 5-6 порядков, выше и измеритель может измерять g.. Формула изобретения

Измеритель ускорения и вертикального градиента силы тяжести, содержащий чувствительную систему, включающую грузы, заключенную в корпус, и систему регистрации, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных воэможностей, чувствительная система содержит одМн груз, прикрепленный к корпусу с помощью пружи5 ны, при этом груз жестко скреплен с одним концом траверсы, второй конец которой подвешен на упругом элементе, груз снабжен датчиком перемещения, основным и дополнительным датчиками силы, обмотки

10 которых подключены к источнику постоянного тока, система регистрации выполнена в виде измерителя тока, включенного в цепь обмотки дополнительного датчика силы, а корпус чувствительной системы снабжен ус15 тройством перемены мест по высоте, 1827659

25

35

45

Составитель В, Субботин

Техред М,Моргентал Корректор М, Андрушенко

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2358 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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