Измеритель вертикального градиента силы тяжести

 

Использование: измерительная техника, в частности для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести. Сущность изобретения: устройство содержит два груза, каждый из которых размещен в отдельном корпусе и снабжен двумя датчиками сил, усилителем и датчиком перемещения. Дополнительно измеритель вертикального градиента содержит контактное устройство, включающее три контактные группы по два контактных переключателя, с двумя контактами в каждом переключателе. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести W_ZZ.

Известен вертикальный гравитационный градиентометр [1] содержащий вакуумированный корпус с размещенными в нем массами, усилитель, регистратор и 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 закону.

Наиболее близким к изобретению является вертикальный градиентометр [2] содержащий чувствительную систему из коромысла, двух грузов, расположенных на разных высотах, и измерительного устройства.

Однако этому градиентометру присущи значительные методические погрешности от ускорения силы тяжести g, так как разделить влияние на выходной сигнал вертикального градиента W_ZZ и g в этой схеме невозможно и компенсации 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 1 Э требуется Δm/m 10^-11 где m массы грузов; Δm разность масс грузов.

Это в настоящее время не реализуемо.

Недостатком этого градиентометра является также наличие методической и инструментальной погрешности из-за несбалансированности коромысла.

Целью изобретения является повышение точности измерения W_ZZ.

Для этого в чувствительной системе предлагаемого измерителя датчики перемещения основных электрических пружин первого и второго груза через блок усилителя соединены с дополнительно предусмотренными датчиками силы второго и первого груза соответственно, предусмотрено измерительное устройство в виде дополнительных электрических пружин для каждого груза и контактные переключатели с основной пружины одного груза на основную пружину другого груза и с дополнительной электрической пружины измерительного устройства одного груза на дополнительную электрическую пружину другого груза.

В результате в предлагаемом измерителе за счет дополнительных датчиков силы первого и второго грузов, измерительного устройства в виде дополнительных электрических пружин грузов и контактных переключателей с основной пружины одного груза на основную пружину другого груза и с одной дополнительной электрической пружины на другую получаем два соотношения (вместо одного у прототипа), связывающих g и W_ZZ, происходит разделение g и W_ZZ, исчезает методическая погрешность от g и не требуется для компенсации влияния g "жестких" допусков на конструктивные параметры измерителя.

Поскольку вместо коромысла грузы снабжены основными электрическими пружинами с дополнительными датчиками силы, то исчезает методическая и инструментальная погрешность в сравнении с прототипом от несбалансированности коромысла.

Таким образом, предлагаемый измеритель в сравнении с прототипом имеет более высокую точность измерения вертикального градиента.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого измерителя вертикального градиента.

В корпусе 1 размещен первый груз чувствительной системы в виде постоянного магнита 2, магнитопровода 3 и полюсного наконечника 4. На другой высоте в корпусе 5 размещен второй груз в виде магнита 6, магнитопровода 7 и полюсного наконечника 8. Грузы снабжены основными электрическими пружинами в виде датчиков 9, 10 перемещения, блока усилителя 11, обмоток 12, 13, магнитов 2, 6, магнитопроводов 3, 7 и полюсных наконечников 4, 8.

Датчик 9 перемещения основной электрической пружины первого груза через блок усилителя 11 соединен с дополнительно предусмотренным датчиком силы второго груза в виде обмотки 13, которая в зависимости от положения контактных переключателей играет роль либо датчика силы основной электрической пружины, либо роль дополнительного датчика силы. Датчик 10 перемещения основной электрической пружины второго груза через блок того же усилителя 11 соединен с дополнительно предусмотренным датчиком силы в виде обмотки 12 (тоже выполняет двоякую роль в зависимости от положения контактных переключателей).

Установлено измерительное устройство в виде дополнительных электрических пружин (первого и второго грузов из датчиков 9, 10 перемещений (используются одни и те же датчики перемещения в основных и дополнительных электрических пружинах соответствующим переключением контактных переключателей, как показано ниже), усилителя 14, обмоток 15, 16, постоянных магнитов 2, 6, магнитопроводов 3, 7, полюсных наконечников 4, 8. В зависимости от положения контактных переключателей включается одна из двух дополнительных электрических пружин). Установлены контактные переключатели 17, 18, 19 и 20, 21, 22. При замкнутых 17, 18, 19 и разомкнутых 20, 21, 22 контактах включены основная электрическая пружина первого груза, дополнительный датчик силы и дополнительная электрическая пружина второго груза. При разомкнутых 17, 18, 19 и замкнутых 20, 21, 22 контактах включены основная электрическая пружина второго груза, дополнительный датчик силы и дополнительная электрическая пружина первого груза.

Обмотки 12, 13, 15, 16 установлены в каркасах 23, 24, закрепленных в корпусах 1, 5 в магнитном зазоре между полюсными наконечниками 4, 8 и магнитопроводами 3, 7.

Выход с блока усилителя 14 (т.е. входы обмоток 15, 16) соединен со счетно-решающим блоком 25.

Предусмотрены устройства для центрирования грузов, например, в виде электромагнитного центрирования. Для каждого из двух грузов оно состоит из статоров 26, установленных в корпусах 1, 5 и имеющих четыре полюса 27, между которыми находятся центрируемые алюминиевые трубки 28, 29, закрепленные на первом и втором грузе. Обмотки полюсов 27 питаются током повышенной частоты 1000-2000 Гц и включены последовательно друг с другом так, что полюса статора чередуются.

Центрирование грузов может осуществляться и по-иному: механическими направляющими (или направляющей) с "оживлением" грузов подачей переменного напряжения в обмотки электрических пружин или направляющей в виде упругих элементов малой жесткости.

В блоках усилителей 11, 14 могут быть предусмотрены интегрирующие звенья.

Корпуса 1, 5 закреплены на основании 30.

В нерабочем положении градиентометра предусматривается арретирование грузов с помощью арретиров, не показанных на чертеже.

В рабочем положении ось чувствительности градиентометра расположена по направлению силы тяжести.

В качестве грузов могут использоваться и каркасы обмоток, когда магнитная система закрепляется в корпусе неподвижно, а каркасы подвешиваются.

Измеритель работает следующим образом.

Измерение производится в два такта.

Первый такт. Контакты 17, 18, 19 замкнуты, контакты 20, 21, 22 разомкнуты. Работают основная электрическая пружина первого груза, дополнительный датчик силы и дополнительная электрическая пружина второго груза.

Имеем F₁₁ m₁g_o; (1) F₂₁ m₂(g_o + W_ZZH) n₁F₁₁, (2) где F₁₁ сила датчика силы основной электрической пружины первого груза; m₁ масса первого груза; g_о ускорение силы тяжести в центре масс первого груза; F₂₁ сила датчика силы дополнительной электрической пружины второго груза; m₂ масса второго груза; W_ZZ вертикальный градиент;
Н расстояние между центрами масс первого и второго груза;
n₁ коэффициент пропорциональности между силой датчика силы основной электрической пружины первого груза и силой дополнительного датчика силы второго груза;
n₁F₁₁ сила дополнительного датчика силы второго груза.

Из (1) и (2) получим
F₂₁ m₂(g_o + W_ZZH) n₁m₁g_o. (3)
Значение силы F₂₁ (по току, протекающему в обмотке 16) поступает в запоминающее устройство счетно-решающего блока 25.

Второй такт. Контакты 17, 18, 19 разомкнуты, контакты 20, 21, 22 замкнуты. Работают основная электрическая пружина второго груза, дополнительный датчик силы и дополнительная электрическая пружина первого груза.

Имеем
F₂₂ m₂(g_o + W_ZZH); (4)
F₁₂ m₁g_o n₂F₂₂, (5) где F₂₂ сила датчика силы основной электрической пружины второго груза;
F₁₂ сила дополнительной электрической пружины первого груза;
n₂ коэффициент пропорциональности между силой датчика силы основной электрической пружины второго груза и силой дополнительного датчика силы первого груза;
n₂F₂₂ сила дополнительного датчика силы первого груза.

Из (4) и (5) получим
F₁₂ (m₁ n₂m₂)g_o n₂m₂W_ZZH. (6)
Значение силы F₁₂ (по току, протекающему в обмотке 15) поступает в запоминающее устройство счетно-решающего блока 25.

Приведем (3) и (6) к виду:
, (7) где A₁₁ m₂ n₁m₁; (8)
A₁₂ m₂H; (9)
A₂₁ m₁ n₂m₂; (10)
A₂₂ n₂m₂H. (11) Если (случайно, но мало вероятно)
A₁₁ 0; (12)
A₂₁ 0; (13)
A₁₁ A₂₁ 0, (14) то W_zz= (15) или
W_zz= . (16)
Если (12), (13) и (14) не выполняется (реальный случай), то W_ZZвычисляется счетно-решающим блоком по (7). При этом видим, что в отличие от прототипа W_ZZ и g_o разделяются, поэтому выполнение условия, как в прототипе, A₁₁g_o << A_nW_ZZ не требуется, A₁₁g_o и A₁₂W_ZZ могут иметь один и тот же порядок, откуда нетрудно усмотреть, что требования к допустимой относительной погрешности конструктивных параметров измерителя будет иметь порядок требуемой относительной погрешности измерения W_ZZ.

Например, при
η 10^-5 относительная погрешность 10^-5, а не 10^-11, как в прототипе.

Таким образом, в сравнении с прототипом исключается методическая погрешность и инструментальная погрешность от g (инструментальная от наличия коромысла в прототипе), т. е. повышается точность измерения W_ZZ и появляется реальная возможность создать вертикальный градиентометр, который можно использовать в эксплуатационных условиях гравиметрических измерителей.

Формула изобретения

ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЕРТИКАЛЬНОГО ГРАДИЕНТА СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, содержащий чувствительную систему, включающую две пружины и расположенные на разных высотах два груза, и регистрирующую систему, отличающийся тем, что каждый груз расположен в отдельном корпусе и снабжен первым и вторым датчиками сил, усилителем и датчиком перемещений, а измеритель вертикального градиента силы тяжести дополнительно содержит контактное устройство, включающее три контактные группы по два контактных переключателя с двумя контактами в каждом переключателе, контактные переключатели в контактной группе соединены между собой с образованием общей точки и имеют свободными первый контакт, являющийся нормально замкнутым с общей точкой, и второй контакт, являющийся нормально разомкнутым с общей точкой, при этом общая точка первой контактной группы соединена с датчиком перемещения первого груза, первый контакт первой контактной группы соединен с вторым контактом третьей контактной группы и через соответствующий усилитель с первым датчиком силы первого груза, второй контакт первой контактной группы соединен с первым контактом третьей контактной группы и входом усилителя второго груза, выход которого соединен с входом регистрирующего устройства и с общей точкой второй контактной группы, первый контакт которой соединен с первым датчиком силы второго груза, а второй с вторым датчиком силы первого груза, а общая точка третьей контактной группы соединена с датчиком перемещения второго груза.

РИСУНКИ

Рисунок 1