Прецизионный вертикальный градиентометр

 

Использование: измерительная техника , в частности для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести. Сущность: грузы чувствительной системы размещены в вертикальных направляющих, датчик перемещения первого груза через усилитель соединен с датчиком силы второго груза. Грузы снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние по высоте между грузами. Чувствительная система снабжена акселерометром, Первый груз чувствительной системы снабжен допол н ительно двумя задатчиками сил ы, а второй груз-одним задатчиком силы. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГоспАтент сссР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4670799/25 . (22) 30.03.89 (46) 23.08.93,.Бюл. М 31 . (71) Пермский политехнический институт (72) В.М.Субботин (73) Пермский политехнический институт (56) Юзефович А.П., Огородова Л.В., Гравиметрия. М.: Недра, 1980, с. 37.

Там же, с, 257. (54) ПРЕЦИЗИОННЫЙ ВЕРТИКАЛЪНЫЙ

ГРАДИ Е HT0METP (57) Использование: измерительная техника, в частности для измерения вертикальноИзобретение относится к измеритель- ной технике, предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести.

Целью изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента.

На чертеже представлена принципиальная схема прецизионного вертикального градиентометра.

В его чувствительной системе предусмотрены два груза 1 и 2, установленные в направляющих 3, 4 корпусов 5 и 6, жестко .связанных штангой 7. Внутренние полости

8 и 9 корпусов 5 и 6 могут заполняться грузом (воздухом) или вакуумироваться. Груз 1 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 10, усилителя 11 с регулируемым сопротивлением 12 и датчика силы, состоящего из постоянного магнита

13, магнитопровода 14 и обмотки 15. Датчик.„.. Ж,„, 1836645 АЗ .(sl)s (; 01 Ч 7/14 го градиента ускорения силы тяжести. Сущность, грузы чувствительной системы размещены в вертикальных направляющих, датчик перемещения первого груза через усйлитель соединен с датчиком силы второго груза, Грузы снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние по высоте между грузами. Чувствительная система снабжена акселерометром, Первый груз чувствительной системы снабжен дополнительно двумя задатчиками силы, а второй груз — одним задатчиком силы. 1 ил. перемещения 10. через усилитель 11 и сопротивление.12 соединен с обмоткой 16 дополнительного датчика силы груза 2, состоящего из постоянного магнита 17, магнитопровод 18 и обмотки 16. Грузы 1 и 2 снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние между ними состоящим из датчиков перемещений 19, 20, например, емкостного типа емкостью Сщ, Сщ, установленных на грузах 1, 2, сопротивлений 21, 22 (Rz> - Rzz) образующих мост, питаемый от источника переменного тока. В измерительной диагонали моста установлен усилитель 23,.соединенный с двигателем 24, который через редуктор (на чертеже не показан) связан со стрелкой 25 указателя 26.

Груз 2 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 27, усилителя 28 и датчика силы, состоящего из постоянного магнита 17, магнитопровода 18 и обмотки 29, вход которой соединен со

1836645 входом вычислителя 30, Вход вычислителя

30 соединен с выходом акселерометра 31, установленном на уровне центра масс груза

2 и с осью чувствительности, направленной по направлению силы тяжести. Груз 2 снабжен дополнительно задатчиком силы в виде обмотки 32, постоянного магнита 17 и магнитопровода 18. Груз 1 снабжен дополнительно двумя задатчиками силы в виде обмоток 33, 34, постоянного магнита.13 и магнитоп 1овода 14. Обмотки 32,33 подключены к источнику постоянного тока через контакт 35, обмотка 34 подключена к источнику постоянного тока через контакт 36.

В нерабочем состоянии градиентомет ра грузы 1, 2 арретируются в предложенном положении арретирами, не пожазанными на чертеже.

Ось чувствительности градиентометра в рабочем положении направлена по направлению силы тяжести. Грузы 1, 2 могут быть установлены не в направляющие, а на упругие чувствительные элементы в виде сильфонов, мембран, пружин и т, и. В этом случае к силам, действующим на грузы 1, 2, добавятся силы упругости этих упругих элемен тов.

Вместо усилители 11 с регулируемым . сопротивлением 12 может использоваться усилитель с переменным коэффициентом усиления, управляемым от усилителя 23 (до получения нулевого сигнала с усилителя 23)»

Для уменьшения трения при перемеще.нии грузов .1, 2 в направляющих 3, 4, хотя оно.может быть снижено до невиданно низкого уровня (5); грузы 1, 2 могут быть снабжены задатчиками переменной силы, обеспечивающих "оживление" грузов.

Для демпфирования колебаний грузов

1, 2 могут быть предусмотрены демпфирующие звенья, например, в виде воздушного (газового) демпфера, где поршнями могут являться грузы 1, 2; либо в виде магнитоиндукционного демпфера и др;

Для уменьшения погрешностей могут быть предусмотрены измерители температуры, позволяющие учесть влияние темпера туры на выходной сигнал, либо может быть и редусмотре на термоста бил изация, Для повышения точности измерения предлагаемым прецизионным градиентометром еще на несколько порядков могут быть созданы условия работы при низких температурах (криогенные системы), где будет использован эффект сверхпроводимости проводников, Прецизионный вертикальный градиентометр работает следующим образом.

На верхний груз 1 действует ускорение силы тяжести g, на нижний груз 2 действует ускорение силы тяжести:

9о = g + WzzHI. где g — ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 1, go — ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 2, Wzz — вертикальный градиент ускорения силы тяжести

H1 — расстояние между центрами масс грузов 1; 2..

Силы веса грузов 1, 2 равны произведению их масс на 9 и go соответственно.

Сила веса груза 1 уравновешивается силой датчика силы его электрической пружи5

10 ны, т,е. при отклонении груза 1 от его силы веса сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает на вход обмотки 15 датчика силы, сила которого и уравновеши15 вает силу веса груза 1.. Сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает и на обмотку 16 датчика силы груза 2. Эта последняя сила пропорциональна (или равна) силе. веса груза 1 и направлена на уравновешивание силы веса груза 2.

Таким образом к грузу 2 приложена сила веса груза 2, зависящая от go и п12 (массы

25 груза 2), сила датчика силы груза 2 (обмотка

16, постоянный магнит 17 и магнитопровод

18), зависящая от 9 - go — WgzH1 и п1 (массы груза 1) и сила датчика силй электрической

30 пружины груза 2 (обмотка 29, постоянный магнит 17, магнитопровод 18, датчик перемещения 27, усилитель 28). Сумма этих 3-х сил в положении равновесия равна нулю. откуда определяется аналитическая зависимость силы электрической пружины груза 2 о1 go» Wzz» Hi» m1 и п12

40 F2 = A11go+ A12Wzz, (2) где F2 — сила электрической пружины груза

2, А11, А12 — коэффициенты, зависящие от

45 конструктивных параметров градиентометра.

Сигнал, характеризующий величину силы F2 электрической пружины груза 2 со . входа обмотки 29 поступает на вход вычис50 .иителя 30, где по известной аналитической . зависимости(алгоритму) и сигналу g посту.: пающему в вычислитель 30 с акселерометра

3t, вычисляется искомое значение вертикального. градиента Wi .

В процессе измерения поддерживается определенное значение Н1 с помощью устройства, поддерживающего определенное расстояние между грузами 1 и 2, т,е. сигнал величины перемещения груза 2 с датчика перемещения 20 поступает на одно ие плеч

1836645 (6) М = A11g + A12Wzz.

rae А11 = IZmz-!1ò1, А12 = 12п12Н, Wzz

l2mzH моста С1в, С2о, R21, 822, сравниваться с величиной сигнала (емкость) датчика перемещения 19 в измерительной диагонали моста усилителем 23, сигнал с которого поступает на двигатель 24, который через редуктор (на чертеже не показан) отрабатывает стрелку

25 по указателю 26. Оператор(или следящая система, не показанная на чертеже) регулируемым сопротивлением 12 приводит стрелку 25 в нулевое, т.е. согласованное положение, когда перемещение груза 1 и 2 от исходного положения равны, Конструктивные параметры градиентометра поДбираются так, чтобы в (2) слагаемое от go, было минимально возможным, а слагаемое от W« — максимально возможным. Поскольку в предлагаемом градиентометре gp измеряется акселерометром 31 и в вычислителе 30, используя (2); определяется

W«, то исчезает методическая погрешность g от g>, которая присуща прототипу.

Так как груз 1 снабжен дополнительно двумя задатчиками силы (обмотки 33, 34), и груз 2 снабжен дополнительно эадатчиком силы (обмотка 32), то, используя метод эталонных сигналов, можно исключить мульти- 25 пликативные погрешности от изменения

А11 и А12 (формула 2) при эксплуатации прибора.

А именно: перед началом измерения грузы 1, 2 разарретируются, по показаниям 30 стрелки 25 указателя 26 регулируемым сопротивлением 12 оператор (или следящая система) устанавливает груз 1 так, чтобы показание указателя 26,.т.е, изменение расстояния между грузами 1, 2 было равно нулю, 35

Далее измерение производится в 3 такта (поддерживая в каждом такте показание указателя 26 равным нулю).

1 такт. Контакты 35 и 36 разомкнуты. В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы F21: F1 = А119,о + A12Wzz (3) где Fz1 — значение силы электрической пру- 45 жины груза 2 при 1-м такте измерения.

2 такт. Контакт 35 разомкнут, контакт 36 замкнут.

В обмотку 34 подается ток, обеспечива. ющий силу, эквивалентную изменению силы тяжести верхнего груза 1 от эталонного сигнала вертикального градиента W«. Ниже будет показано аналитическое значение прикладываемой .силы от задатчика силы (обмотка 34). В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы

F2z во втором такте. .22 = А1Що + A)2(Wzz + Wzzs). (4) 3 такт, Контакт 35 замкнут, контакт 36 разомкнут. А обмотки 32.33 подаются токи, обеспечивающие силы, эквивалентные изменению силы тяжести верхнего и нижнего груза от эквивалентного ускорения силы тяжести g .

В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы Г2э при третьем такте измерения: 2э = A11(g,о — Яз) + A12Wzz. (5) Вычислитель (30) по алгоритму из,(3)-(5) вычисляет W«При этом мультипликативная погрешность от изменения А11 и А12 исключается, т,е. точность измерения в сравнении с прототипом повышается.

Покажем это аналитически.

Для прототипа момент, приложенный к коромыслу, имеет вид:

М вЂ” момент, приложенный к коромыслу от веса грузов (т.е. от g т Wzz), l1,l2 — плечи коромысла, на которых прикладываются силы веса верхнего и нижнего грузов соответственно, m1, л12 — массы верхнего и нижнего грузов, g — ускорение силы тяжести, действующее на уровне верхнего груза, Н вЂ” расстояние по высоте между грузами, W« — фактическое абсолютное значение вертикального градиента.

Из (6) имеем

При полевых измерениях относительных значений W«прибором-прототипом (2, стр. 257, 2-й абзац снизу) вдоль двух профилей длиной 65 метров средняя квадратическая погрешность измерения разности вертикального градиента для двух испытываемых приборов составила 8 — 9 Э. Относительные значения W«вдоль профилей 65 м едва ли составляли десятки Этвеш и, таким образом, относительная погрешность измерения прототипа составляла сотни процентов.

Для исследования возможностей предлагаемого прецизионного градиентометра представим аналитические соотношения, характеризующие его работу.

1836645

Имеем

F2 = А11Яо + A12Wzz. (2) 5 гэ1

Wzzs =m1H1 гДЕ А11= m2 — nm1 (12) (8) A2 = пт1 Н1, n = kñ2/kñ1, Е22 — Р21

А12

Wzze

F21 23

A11 =—

Яэ (14) (15) (9) (10) Рэ1 = m1H1Wzzs, э2 = - m1gs, Еэз - - В29э

kà, kc1 — коэффициенты крутизны датчиков силы грузов 2 и 1 соответственно (обмотки 16 и 15 со своими магнитными системами соответственно).

Коэффициент и говорит о возможности увеличения А12 только за счет увеличения массы одного из грузов (в данном случае груза 2).

Из (2) имеет

Как сказано выше мультипликативные погрешности от изменения А11 и А12 исключаются применением метода эталонных сигналов.

Эталонное значение W 2-ro такта измерения (формула 4), обеспечивается заданием Силы Рэ1 Равной: где Еэ1 — сила, приложенная к грузу 1 через обмотку 34. Знак (-) соответствует приложению силы по направлению вверх, если эа . положительное направление принято направление силы тяжести.

Эталонное значение g> 3-ro такта измерения (формула 5) обеспечивается заданием

СИЛ Рэ2 И Рэз РаВНЫМИ:

ГдЕ г э2 — СИЛа, ПрИЛОжЕННая К Груэу 1 ЧЕРЕЗ обмотку 33, Рэз — сила, пРиложеннаЯ к гРУзУ 2 чеРеэ обмотку 32, Знак (-) соответствует приложению этих сил в направлении вверх, если за положительное направление принято направление силы тяжести, Из (10) и (11) имеем

Fz2 23

9э = - — или g> = -m1 ГП2

Из (3) и (4) имеем

И под (9) с использованием (14), (15) опреде20 ляется Wzz (при этом F2 = F21).

Формула изобретения

Прецизионный вертикальный градиентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему иэ двух грузов, 25 расположенных на разных высотах, преобразователь и регистрирующую систему, о т. л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый груз чувствительной системы размещен в отдельном

30 корпусе в вертикальных направляющих, при этом оба груза жестко связаны штангой, снабженной устройством для поддержания заданного расстояния между грузами, преобразователь выполнен в виде двух систем, 35 каждой из которых снабжен груз, при этом каждая система исключает датчик перемещений, усилитель с регулируемым сопротивлением и датчик силы, преобразователь содержит три дополнительных задатчика силы, двумя иэ которых снабжен первый груз, а одной — второй груз, при этом датчик перемещений первого груза через усилитель и регулируемое сопротивление соединен .с датчиком силы второго груза, выход которого соединен с регистрирующей сис45 темой, выполненной в виде вычислителя, второй вход которого соединен с выходом акселерометра, установленного на уровне центра масс второго груза, причем ось чувствительности акселерометра совпадает с

50 направлением силы тяжести, 1836645

Составитель B.Ñóááîòèí

Техред М,Моргентал Корректор Н, Милюкова

Редактор

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

Заказ 3019 Тираж Подписное

8НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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