Способ гравиметрических измерений и струнный гравиметр
Изобретения относятся к приборостроению и могут быть использованы при создании гравиметров. Сущность способа гравиметрических измерений заключается в измерении ускорения силы тяжести по изменению частоты колебаний подвеса инерционного тела в поле гравитации. Особенность способа - при возникновении вибровозмущений, превышающих микровибрации, сопровождающие процесс измерения ускорения силы тяжести, массу инерционного тела уменьшают на величину, удовлетворяющую приведенному в описании математическому выражению, а при исчезновении вибровозмущений увеличивают массу инерционного тела на указанную в описании величину. Способ реализуется струнным гравиметром, содержащим струну, связанную верхним концом с корпусом, а нижним - с грузом, плоские пружины, электронную схему для возбуждения и съема колебаний струны. Груз выполнен в виде стержня и охватывающего его поршня. В корпусе выполнен упор, установленный с зазором относительно поршня. Упор может быть выполнен в виде консоли на нижней стороне дна поршня с пластиной на свободном торце и прикрепленной к корпусу кюветы с жидкостью, а пластина параллельна плоскости пружин и размещена в жидкости с зазорами относительно стенок кюветы и корпуса. Благодаря этому может быть повышена точность гравиметрических измерений и надежность струнного гравиметра при его эксплуатации в условиях вибровозмущений. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Предлагаемые изобретения относятся к области точного приборостроения и могут быть использованы при измерениях ускорения силы тяжести и при создании гравиметров.
Известен струнный гравиметр, содержащий струну, связанную своим верхним концом жестко с корпусом, а нижним - с грузом, который соединен при помощи плоских пружин с корпусом. Струна связана с корпусом через изоляционную прокладку (см. патент Франции №1536427, G01V, 1968 г.).
В качестве выходной информации гравиметра используется собственная частота колебаний струны, которая является функцией ускорения силы тяжести Земли. Обычно для поддержания незатухающих колебаний струна (частотно-зависимый элемент) включается в цепь автогенератора. Практически это реализуется следующим образом.
Для съема сигнала, пропорционального скорости струны, и возбуждения ее механических колебаний струна в гравиметре размещается в поле постоянных магнитов. Струна включается в сбалансированный резистивный мост в качестве одного из элементов. С одной диагонали моста сигнал подается на вход усилителя-ограничителя, а на другую диагональ моста поступает выходной сигнал усилителя. При выборе необходимого коэффициента усиления усилителя и соблюдении правильной фазировки включения в схеме возникают автоколебания, частота которых практически совпадает с собственной частотой колебаний струны.
Известен струнный гравиметр (авторское свидетельство СССР 661479, G01U 7/02, 1979), который содержит корпус и подвешенный к нему на струне груз цилиндрической формы, снабженный кольцевыми поперечными ребрами и связанный с корпусом посредством двух плоских пружин. Для возбуждения колебаний струны используется электронная схема. В указанном струнном гравиметре реализован способ гравиметрических измерений, заключающийся в измерении ускорения силы тяжести по изменению частоты колебаний подвеса (в данном случае - струны) инерционного тела (груза цилиндрической формы) в поле гравитации Земли.
Для увеличения чувствительности и точности измерения массу груза струнного гравиметра стремятся сделать максимально большой.
Однако в процессе эксплуатации на подвижных объектах гравиметр подвергается воздействию вибровозмущений, при этом к струне со стороны груза помимо его веса дополнительно прикладывается сила
где mг - масса груза гравиметра;
w - величина ускорения вибрации.
Воздействие этой силы вызывает необратимые деформации струны, что приводит к изменению собственной частоты колебаний струны. Это, в свою очередь, приводит к смещению нуль-пункта гравиметра и соответственно к погрешности его измерения. При больших уровнях вибровозмущений гравиметра струна испытывает значительные перегрузки и возникает опасность ее обрыва.
Техническим результатом предлагаемых изобретений является повышение точности гравиметрических измерений и надежности струнного гравиметра при его эксплуатации в условиях вибровозмущений.
Указанный технический результат для способа достигается тем, что в известном способе гравиметрических измерений, заключающемся в измерении ускорения силы тяжести по изменению частоты колебаний подвеса инерционного тела в поле гравитации Земли, при возникновении вибровозмущений, превышающих микровибрации, сопровождающие процесс измерения ускорения силы тяжести, массу инерционного тела уменьшают на величину, не меньшую разности Δm, равной
Δm=mизм-mупр,
где mизм - минимальная величина массы инерционного тела, обеспечивающая заданную чувствительность измерения величины ускорения силы тяжести,
mупр - максимально допустимая величина массы инерционного тела в пределах диапазона упругих деформаций подвеса инерционного тела под действием суммы максимально допустимых ускорения силы тяжести и ускорения вибровозмущений, а при исчезновении вибровозмущений массу инерционного тела увеличивают на указанную величину Δm.
Для струнного гравиметра, содержащего струну, связанную верхним концом с корпусом, а нижним - с грузом, плоские пружины, электронную схему для возбуждения колебаний струны, указанный технический результат достигается тем, что груз выполнен в виде стержня и охватывающего его поршня, геометрические оси которых параллельны струне, связанной с верхним концом стержня, оба конца которого соответственно одной парой плоских пружин связаны с корпусом, а другой парой - с поршнем, причем плоскости пружин перпендикулярны стержню, а в корпусе выполнен, по меньшей мере, один упор, установленный с заданным зазором относительно поршня для ограничения его перемещения вдоль оси струны.
Кроме того, в струнном гравиметре упор может быть выполнен в виде консоли на нижней стороне дна поршня с пластиной на свободном торце и прикрепленной к корпусу кюветы с жидкостью, а пластина параллельна плоскости пружин и размещена в жидкости с зазорами относительно стенок кюветы и корпуса.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 показан струнный гравиметр (не показана электронная схема), на фиг.2 - струнный гравиметр с жидкостным демпфером.
Гравиметр содержит струну 1, верхний конец которой жестко через изоляционную прокладку 2 связан с корпусом 3, а нижний - со стержнем 4. Концы стержня 4 с помощью плоских пружин 5, 6 соединены с кронштейном 7, являющимся элементом корпуса 3. Посредством плоских пружин 8, 9 к концам стержня 4 подвешен поршень 10. Крепление пружин 8, 9 к поршню 10 осуществляется через стойку 11, жестко связанную с поршнем.
Оси стержня 4, поршня 10 параллельны струне 1, плоскости пружин 5, 6, 8, 9 перпендикулярны стержню 4. Для обеспечения перпендикулярности плоскости пружин 8, 9 стержню 4 они предварительно деформируются так, чтобы под действием веса поршня 10 занять требуемое положение.
Для ограничения движения поршня 10 вдоль его оси на корпусе 3 закреплены упоры 12, 13, 14. Величины зазоров между поршнем и упорами выбраны такими, что они на порядок меньше статической осадки поршня 10 на пружинах 8, 9. Кроме того, между корпусом 3 и поршнем 10 имеется зазор (например, цилиндрический), величина которого выбирается такой, чтобы обеспечить критическое демпфирование колебаний поршня 10 на пружинах 8, 9.
Благодаря выбранной величине зазоров между поршнем 10 и упорами 12, 13, 14 при вибрации гравиметра при эксплуатации (транспортировании) поршень уже при малых уровнях вибровозмущений касается упоров и практически не оказывает дополнительного воздействия на струну. Это тем более верно, чем меньше выбранная величина зазоров между поршнем и упорами. Однако уменьшение зазоров ограничено технологическими возможностями, диапазоном измерения гравиметра, вариациями статической осадки поршня, обусловленными изменениями температуры, уровнем микровозмущений, имеющих место при измерении ускорения силы тяжести Земли (при этом, естественно, касание поршня упоров должно быть исключено). Все это приводит к тому, что зазоры не могут быть выбраны меньше чем на порядок статической осадки поршня.
В связи с вышесказанным, дополнительная сила, действующая на струну при вибрации во время транспортирования, определяется, в основном, массой стержня 4 и равна
где mСТ - масса стержня 4 (в способе соответствует mупр.).
Для обеспечения одинаковой чувствительности известного и предлагаемого струнного гравиметров масса груза mГ (в способе соответствует mизм) в (1) должна быть равна
где mП - масса поршня 10 (в способе соответствует Δm).
Из сравнения (1) и (2) видно, что дополнительная сила, приложенная к струне, в предлагаемом гравиметре в 
раз меньше по сравнению с известным.
За счет соответствующего выбора соотношения масс поршня 10 и стержня 4 дополнительная сила, приложенная к струне при действии вибровозмущений во время транспортирования, в предлагаемом устройстве по сравнению с известным может быть существенно снижена, что обеспечивает повышение его надежности. В свою очередь, это приводит к снижению погрешности измерения струнного гравиметра и повышению его точности.
Демпфирование колебаний поршня 10 на пружинах 8, 9 обеспечивается за счет выбора величины кольцевого зазора между поршнем 10 и корпусом 3. Оптимальное демпфирование достигается при зазорах на уровне 0,1 мм, что бывает достаточно сложно реализовать при сборке гравиметра. Для целого ряда применений гравиметра требование по величине газового зазора может быть снято при применении в приборе жидкостного демпфера. Для этого на дне поршня 10 может быть закреплен стержень-консоль с пластиной на торце 15, а на корпусе 3 - кювета 16 с жидкостью 17, имеющей высокую вязкость. Пластина параллельна плоскости пружин 8, 9 и погружена в жидкость 17 без касания стенок кюветы 16 и корпуса 3. При этом между корпусом 3 и пластиной образуется плоский жидкостный зазор. За счет этого зазора обеспечиваются нужное демпфирование и ограничение хода поршня 10 вниз.
Для съема информации об измеряемой величине ускорения силы тяжести струна в качестве частотно-зависимого элемента включается в цепь автогенератора электронной схемы.
Предложенные технические решения обеспечивают достижение технического результата, заключающегося в повышении точности гравиметрических измерений и надежности струнного гравиметра при его эксплуатации в условиях вибровозмущений.
1. Способ гравиметрических измерений, заключающийся в измерении ускорения силы тяжести по изменению частоты колебаний подвеса инерционного тела в поле гравитации Земли, отличающийся тем, что при возникновении вибровозмущений, превышающих микровибрации, сопровождающие процесс измерения ускорения силы тяжести, массу инерционного тела уменьшают на величину разности Δm, равную
Δm=mизм-mупр,
где mизм - минимальная величина массы инерционного тела, обеспечивающая заданную чувствительность измерения величины ускорения силы тяжести,
mупр - максимально допустимая величина массы инерционного тела в пределах диапазона упругих деформаций подвеса инерционного тела под действием суммы максимально допустимых ускорения силы тяжести и ускорения вибровозмущений,
а при исчезновении вибровозмущений массу инерционного тела увеличивают на указанную величину Δm.
2. Струнный гравиметр, содержащий струну, связанную верхним концом с корпусом, а нижним - с грузом, плоские пружины, электронную схему для возбуждения колебаний струны и съема информации об измеряемой величине ускорения силы тяжести, отличающийся тем, что груз выполнен в виде стержня и охватывающего его поршня, геометрические оси которых параллельны струне, связанной с верхним концом стержня, оба конца которого соответственно одной парой плоских пружин связаны с корпусом, а другой парой - с поршнем, причем плоскости пружин перпендикулярны стержню, а в корпусе выполнен, по меньшей мере, один упор, установленный с заданным зазором относительно поршня для ограничения его перемещения вдоль оси струны.
3. Струнный гравиметр по п.2, отличающийся тем, что упор выполнен в виде консоли на нижней стороне дна поршня с пластиной на свободном торце и прикрепленной к корпусу кюветы с жидкостью, а пластина параллельна плоскости пружин и размещена в жидкости с зазорами относительно стенок кюветы и корпуса.
