Измеритель вертикального градиента и ускорения силы тяжести

 

Использование: гравиметрическое приборостроение. Сущность изобретения: измеритель содержит размещенную в корпусе чувствительную систему, включающую груз, который выполнен в виде постоянного магнита, магнитопровода и полюсного наконечника и подвешен в корпусе посредством направляющих пружин и винтовой пружины, верхний конец которой установлен с возможностью перемещения по вертикали, при этом груз снабжен датчиком силы, обмотка которого подключена к источнику постоянного тока, и датчиком перемещения, выход которого соединен с указателем перемещения, выход которого является выходом измерителя, а корпус чувствительной системы установлен с возможностью перемещения по вертикали. 1 ил.

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

Известен вертикальный гравитационный градиентометр 1, содержащий вакуумированный корпус с размещенными в нем массами, усилитель, регистратор, подставку.

Недостатком этого градиентометра является то, что его чувствительность к измеряемому градиенту практически равна нулю, так как их перемещение практически будет происходить по одному и тому же известному закону.

Известен вертикальный градиентометр, содержащий чувствительную систему из коромысел, двух грузов, расположенных на разных высотах, и пружин, который принимаем за прототип.

Недостатком этого градиентометра является то, что этому градиентометру присущи значительные методические погрешности от ускорения силы тяжести g, так как компенсация влияния g на выходной сигнал градиентометра осуществляется за счет "жестких" допусков на конструктивные параметры измерителя и весьма точной его "настройкой" (юстировкой).

Например, для измерения W_zz с точностью до IЭ требуется Δm/m10^-11, где m массы грузов, Δ m разность масс грузов Это в настоящее время нереализуемо.

Недостатком этого градиентометра является также наличие методической и инстpументальной погрешности из-за несбалансированности коромысла. Кроме того этот градиентометр не может выдавать сигнал ускорения силы тяжести.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента и возможности измерения ускорения силы тяжести.

Для достижения указанной цели чувствительная система содержит только один груз, который помещен в блок, снабженный устройством перемены мест по высоте, груз снабжен указателем перемещения, датчиком силы и подвешен в блоке на направляющих пружинах и винтовой пружине, снабженной устройством перемещения по вертикали ее верхнего конца.

В результате в предлагаемом измерителе на разных высотах производится уравновешивание одного и того же груза с помощью указателя перемещения груза одними и теми же датчиком силы и механическими пружинами, чем исключается методическая погрешность от g. Наличие устройства перемещения по вертикали верхнего конца винтовой пружины повышает точность установки груза в нулевом (или другом исходном) положении, что также повышает точность измерения.

Так как вместо коромысла груз снабжен датчиком силы и подвешен на механических пружинах, то "исчезает" методическая и инструментальная погрешность в сравнении с прототипом от несбалансированности коромысла.

Кроме того, так как груз уравновешивается датчиком силы и механическими пружинами, то измеритель может "работать" как гравиметр, т.е. получен "дополнительный" (попутный) положительный эффект возможность измерения g.

Таким образом, предлагаемый измеритель в сравнении с прототипом имеет более высокую точность измерения вертикального градиента и измеряет ускорение силы тяжести.

Заявителю и автору не известны технические решения с отличительными признаками предлагаемого технического решения, поэтому оно соответствует критерию "новизны".

Указанные признаки в предложенном измерителе обеспечивают достижение нового свойства, а именно повышение точности измерения вертикального градиента и возможность измерения ускорения силы тяжести, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию "существенные отличия".

На чертеже 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 и опор 4, 5 подвешенного в корпусе блока 6 с помощью направляющих пружин, например, в виде упругих пластин 7, 8 и винтовой пружины 9, снабженной устройством перемещения по вертикали ее верхнего конца, например, в виде микрометрического винта (не показано). Груз снабжен датчиком перемещения 10, например, индуктивным (или емкостным) или растровым фотоэлектрическим первичным преобразователем с разрешающей способностью, равной десятым долям микрона. Выход датчика перемещения 10 соединен с указателем перемещения 11, например, в виде вольтметра в случае индуктивного датчика перемещения. Груз снабжен датчиком силы в виде постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсного наконечника 3 и обмотки 12. Обмотка 12 подключена к источнику постоянного тока 13 через устройство изменения величины питающего тока (или напряжения) например, в виде перемещенного сопротивления 14.

Корпус блока 6 цапфой 15 с помощью опоры 16 (опора может быть и скользящей) установлен в штангу 17 устройства перемены мест блока по высоте, штанга 17 которого с помощью цапфы 18 и опоры 19 установлена на подставке 20. На штанге 17 предусмотрен противовес 21 (для уравновешивания блока).

Поворотом штанги 17 корпус блока 6 может изменять свое положение по высоте. Предусмотрены арретиры (не показаны) для арретирования штанги 17 с корпусом блока в верхнем и нижнем положении.

Датчик перемещения 10 при изготовлении (сборке) прибора устанавливается в нулевое положение (нулевое показание указателя перемещения 11) при горизонтальном (не деформированном) положении упругих пластин 7, 8.

Для обеспечения малой (и даже отрицательной за счет наличия пружины) жесткости упругих пластин 7, 8 может устанавливаться пружина 22, прикладывающая через груз продольную силу к упругим пластинам 7, 8. Для приложения продольной силы может предусматриваться также магнитоэлектрический датчик силы и т.п.

В рабочем положении измерителя ось чувствительности блока (ось симметрии груза) располагается по направлению силы тяжести. Предусмотрены арретиры (не показаны) для арретирования корпуса блока 6 на штанге 17 в рабочем положении.

Корпус блока 6 герметизируется и может вакуумироваться. Для затухания колебаний груза предусматривается демпфирование (например, за счет соответствующих зазоров между магнитопроводом 2, наконечником 3 и каркасом 23 обмотки 12 в случае невакуумированного корпуса 6.

Вместо направляющих пружин 7, 8 может предусматриваться и другой способ центрирования (магнитоэлектрическое направление).

В 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 23 с обмоткой 12 датчика силы.

Предлагаемый измеритель работает следующим образом.

Определение измеряемой величины производится известным алгоpитмическим методом в два такта измерения.

1-ый такт. Корпус блока 6 с чувствительной системой установлен в верхнее положение.

Изменением величины питающего напряжения обмотки 12 датчика силы сопротивления 14 устанавливается нулевое показание указателя перемещения 11. Окончательная установка нулевого показания может производиться перемещением верхнего конца пружины 9 микрометрическим винтом (не показан).

Можно устанавливать показания указателя 11 и не нуль, а какое-то определенное значение, соответствующее определенному значению W_zz, например 2000 9, а в дальнейшем это учитывать.

В результате сила тяжести груза уравновешивается силой датчика (обмотка 12) силы и силами механических пружин mg F_дс + С₁Z + C₂S, (1) где m масса груза, g ускорение силы тяжести на уровне центра тяжести груза в верхнем положении, F_дс сила датчика силы С₁ суммарная жесткость упругих пластин 7, 8 С₂ жесткость винтовой пружины 9, Z отклонение груза от расчетного нулевого положения груза (т.е. отклонение от "идеального нуля" по указателю 11), S величина растяжения пружины 9.

F_дс Bli, (2) где В магнитная индукция в зазоре между полюсным наконечником 5 и магнитопроводом 2,
l длина проводника обмотки 12,
i ток в обмотке 12.

2-ой такт. Корпус блока 6 устанавливается в нижнее положение. В результате имеем
m(g + W_zzH) F_дс+ С₁(Z + ΔZ) + C₂(S + Δ Z), (3) где W_zz вертикальный градиент,
Н расстояние между центрами масс груза в верхнем и нижнем положении,
Δ Z величина отклонения груза от "нулевого" положения 1-го такта и является выходным сигналом измерителя.

Так как за время двух тактов измерения B, l, i не изменены, то из (1)-(3) имеем
mW_zzH (C₁ + C₂) Δ Z (4)
и
ΔZ W_zz (5) где
С С₁ + С₂ откуда погрешность входного сигнала, т.е. относительная погрешность измерения равна:
η + (6)
Методическая погрешность от g и от неурановешенности коромысла отсутствует в сравнении с прототипом требования Δ m/m 10^-11 и другие, т.е. точность измерения W_zz повысилась, и прибор в отличие от прототипа при точности не хуже IЭ, вполне возможно реализовать (т.е. создать) при современном уровне техники.

Из (6) видим, что относительная погрешность при современном уровне техники может быть порядка 10^-5 10^-6, что при диапазоне W_zz до 4000Э дает абсолютную погрешность порядка 0,04-0,004Э, т. е. получен прибор высокой точности (на 5-6 порядков выше точности прототипа).

Этот же измеритель позволяет измерять и ускорение силы тяжести. В частности для относительных измерений g достаточно в исходном пункте настроить измеритель по 1-му такту измерений (в верхнем или нижнем положении груза неважно) и при неизменном B, l, i измерять Δ g, перенося измеритель в определяемые пункты наблюдений.

Зная статическую хаpактеристику датчика силы можно измерять и абсолютные значения g.

Для получения выходного сигнала (от W_zz или Δ g), вместо сигнала датчика перемещения (указателя 11), может быть предусмотрен дополнительный датчик силы, с помощью которого во 2-ом такте измерения "обнуляется сигнал указателя 11. Выходом в этом случае является сила датчика силы в функции от W_zz или от Δ g.

F_дс mW_zzH (7) или
F_дс2 m Δ g, где F_дс2 сила дополнительного датчика силы.

Таким образом, в сравнении с прототипом достижимая точность измерения предлагаемым измерителем выше не менее, чем на 5-6 порядков.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА И УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему, включающую груз, отличающийся тем, что груз чувствительной системы подвешен в корпусе посредством направляющих, например, пружин и винтовой пружины, верхний конец которой установлен с возможностью перемещения по вертикали, при этом груз снабжен датчиком силы, обмотка которого подключена к источнику постоянного тока, и датчиком перемещения, выход которого соединен с указателем перемещения, выход которого является выходом измерителя, а корпус чувствительной системы установлен с возможностью перемещения по вертикали.