Устройство для определения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка
Владельцы патента RU 2327193:
Камский научно-исследовательский институт комплексных исследований глубоких и сверхглубоких скважин Горный институт Уральского отделения АН СССР (RU)
Изобретение относится к геофизическому приборостроению, в частности к устройствам для измерения высших производных потенциала силы тяжести. Сущность изобретения состоит в том, что устройство содержит три части: верхнюю, среднюю, нижнюю, при этом средняя часть устройства выполнена в виде вращающегося диска, на краю которого размещено гнездо для удержания корпуса с одной крутильной системой, при этом диаметр диска больше диаметра корпуса. Благодаря применению вращающегося диска в процессе наблюдения на пункте участвуют три точки измерения - вершины равностороннего треугольника, находящиеся на одном горизонтальном уровне. Техническим результатом является упрощение конструкции устройства и повышение точности измерения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка. 2 ил.
Изобретение относится к геофизическому приборостроению, а именно к устройствам для измерения высших производных потенциала υ силы тяжести
и 
Эти производные также называют вторыми горизонтальными градиентами силы тяжести или третьими производными потенциала силы тяжести и обозначают соответственно в виде υzxx, υzyy, υzxy.
Приборы для измерения величин
и 
гравитационного поля: вариометры и градиентометры обычно состоят из трех соосных частей: верхняя - собственно прибор, включающий крутильную систему, средняя - вращающееся устройство для перевода прибора из азимута в азимут и нижняя - неподвижное основание (Миронов В.С. Курс гравиразведки. - Л.: Недра. - 1980. - С.274). Ввиду сложности конструирования устройств для измерения вторых горизонтальных градиентов силы тяжести в производственных условиях они не используются.
При обработке материалов геофизических наблюдений, например, полученных при помощи гравиметра, эти величины получают путем численного дифференцирования. Однако вычислительная процедура является неустойчивой операцией и может приводить к резкому накоплению ошибок, а результаты будут зависимыми. Кроме того, требуется достаточно плотная сеть и высокая точность измерений силы тяжести.
Наиболее близким к предлагаемому устройству является устройство, снабженное двумя крутильными системами для измерения горизонтального градиента силы тяжести, разнесенными по горизонтали на такое расстояние, которое позволяет исключить их взаимное гравитационное влияние (Балабушевич И.А. Высшие производные потенциала силы тяжести и возможности их использования в геологической гравиметрии. - Киев: Из-во АН УССР. - 1983. - С.259).
Производные
и 
получают путем деления величины приращения градиентов силы тяжести на расстояние - базу между точками подвеса двух крутильных систем.
Недостатком известного устройства является необходимость в использовании двух идентичных крутильных систем. Кроме того, нужно исключить их взаимное влияние, что требует увеличения размеров устройства.
Цель изобретения - упрощение конструкции устройства и повышение точности измерения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка.
Указанная цель достигается тем, что средняя часть устройства для определения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка выполнена в виде вращающегося диска, на краю которого размещено гнездо для удержания корпуса с одной крутильной системой, причем диаметр диска больше относительно диаметра корпуса. Съемный корпус кроме крутильной системы содержит оптическую, осветительную, измерительную и другие, а также иные системы, обеспечивающие выполнение наблюдений на пункте. Смену азимута крутильной системы осуществляют либо путем соответствующего поворота корпуса, либо его перестановки, для чего используют специальные штифты.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод о том, что заявляемое устройство для определения высших производных потенциала силы тяжести отличается тем, что средняя его часть выполнена в виде вращающегося диска, на краю которого размещено гнездо для удержания корпуса с одной крутильной системой, причем диаметр диска больше относительно диаметра корпуса. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".
В результате проведенных патентно-информационных исследований не обнаружены технические решения со сходными существенными отличительными признаками в заявляемом устройстве для определения высших производных потенциала силы тяжести. Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".
Предлагаемая конструкция устройства состоит из одной крутильной системы, кроме того, за счет осреднения значений повышается точность, т.к. определяемые высшие производные потенциала силы тяжести зависят от горизонтальных координат двух вершин. Именно конструкция устройства позволяет применяемую технологию измерений и граф обработки рассматривать как процедуру фильтрации типа сглаживания. Фильтрация является двумерным преобразованием. Она включает осреднение на треугольном полигоне (низкочастотная фильтрация) и вычисление конечных разностей (высокочастотная фильтрация).
Таким образом, достигается цель изобретения - упрощение конструкции и повышение точности измерения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка.
Следовательно, можно сделать вывод о соответствии предлагаемого изобретения критерию "положительный эффект".
На фиг.1 схематически изображена конструкция устройства. Устройство имеет неподвижное основание - подставку 1, вращающийся диск 2, причем диаметр диска в 2-3 раза превышает диаметр самого устройства, гнездо 3 для удержания корпуса 4 с крутильной системой, треногу 5. На верхней поверхности вращающегося диска 2 выполнены метки 6 через -120°, а также может быть нанесена градусная шкала. Вращающийся диск 2 при помощи стопорных приспособлений (на чертеже не показаны) фиксируют в одном из трех положений.
Основные параметры устройства, в первую очередь диска, рассчитывают следующим образом. Второй горизонтальный градиент силы тяжести и градиент силы тяжести, соответственно 
и 
связаны соотношением
где υzl(2) и υzl(1) - величины (модуль) горизонтального градиента силы тяжести; 
- расстояние (база) между точками 1 и 2.
Дифференцируя формулу (2) и заменяя дифференциалы абсолютными предельными ошибками, получим
где 
- ошибка определения второго горизонтального градиента силы тяжести; 
- ошибка измерения приращения горизонтального градиента силы тяжести; 
- ошибка измерения длины базы 
Чувствительность устройства для измерения 
теоретически можно обеспечить на уровне 1·10-12 ед. СГС (Маловичко А.К., Тарунина О.Л. Использование высших производных при обработке и интерпретации результатов геофизических наблюдений. - М.: Недра, 1981. - C.101-102). Практически достаточно иметь чувствительность на порядок ниже, т.е. 1·10-11 ед. СГС. При этом будут обнаруживаться плотностные неоднородности в виде массы 5÷10 кг вблизи устройства.
Полагая максимальную чувствительность градиентометра, равной 1·10-9 ед. СГС, на основании формулы (2) получим
Этой расчетной величиной обосновывается диаметр вращающегося диска. Исходя из размеров известных приборов: гравитационных вариометров Е-60, Z-40, S-20 и градиентометра ГРБМ-2, диаметр вращающегося диска будет в 2÷3 раза превышать диаметр этих приборов, что составляет один из отличительных признаков предлагаемого устройства.
Учитывая, что при геологоразведочных работах величина 
редко превышает значение 100·10-9 ед. СГС и принимая 
и 
по формуле (3) получим
Таким образом, диаметр вращающегося диска имеет размер порядка 1 м. В зависимости от содержания решаемой задачи и необходимой точности наблюдений целесообразно использовать сменные диски разного диаметра.
На основе измерений с предлагаемым устройством высшие производные потенциала силы тяжести в системе координат, начало которой совмещено с центром диска, изображенной на фиг.2, вычисляют по следующим формулам.
Имеем
где х1; у1; х2; y2; х3; у3 - координаты вершин треугольника на диске, причем ось y направлена на север, ось х - на восток; υzx, υzy - значения градиентов - модули, полученные при трех положениях диска.
Полный второй горизонтальный градиент силы тяжести вычисляют по формуле
Азимут υzss находят из соотношения:
При этом угол θ отсчитывается по направлениям от оси у: вправо - положительный, влево - отрицательный.
Возможность получения величины 
так называемого второго смешанного градиента силы тяжести, является новым свойством, реализуемым при помощи предлагаемого устройства. Эта величина, получаемая из двух серий наблюдений, во-первых, может служить для контроля и, во-вторых, расширяет возможности геологической гравиметрии.
Устройство работает следующим образом.
Устанавливают устройство на пункте наблюдения, например на земной поверхности, и при помощи уровней (на чертеже уровни не показаны) приводят вращающийся диск в горизонтальное положение. Затем закрепляют верхнюю часть устройства - корпус - в гнезде для его удержания и ориентируют вращающийся диск по одной из меток в направлении на север по астрономическому меридиану. При помощи стопорного приспособления фиксируют диск относительно основания и выполняют измерения с прибором в этом положении. Далее поворачивают диск на 120° и выполняют измерения: затем снова вращают диск на 120° и выполняют измерения υzx и υzy. Для контроля целесообразно произвести повторное измерение при первоначальном, ориентированном на север, положении диска.
Обработку измерений производят в соответствии с формулами (4)-(9). При этом приращения по горизонтальным осям координат для диска будут постоянными величинами.
Благодаря применению вращающегося диска в процессе наблюдения на пункте участвуют три точки измерения - вершины равностороннего треугольника, находящиеся на одном горизонтальном уровне. Это позволяет исключить проведение дополнительных топографогеодезических работ, как это требуют полевые дифференциальные системы наблюдений в геофизике (Кашик А.С. Информационная достаточность дифференциальных систем наблюдений в геофизике//Изв. вузов Геол. и разведка. - 1986. - 12. - С.152-153).
Предлагаемое устройство предназначено для изучения плотностных неоднородностей малых размеров и слабой интенсивности при относительно небольших глубинах от нескольких до десятков и сотен метров.
Устройство для определения горизонтального градиента силы тяжести второго порядка, содержащее три части: верхнюю - чувствительную систему для измерения горизонтального градиента первого порядка, нижнюю - треногу, и среднюю - подвижную относительно треноги, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции и повышения точности измерения, средняя подвижная часть выполнена в виде вращающегося диска, на краю которого размещено гнездо для удержания верхней части-корпуса с чувствительной системой, содержащей одну крутильную систему, при этом диаметр диска больше диаметра корпуса.
