Стационарный гравиметр

 

@оюз cole

Соврталмстнчесюа

Респубики

<»6614?8

1Е р

Гг

ФИй !ф;! @ I г (5l) М. Кл, Я 01У 7/02 (61) дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено11.10.76 (21) 2410232/18-25 с присоединением заявки ¹ГесударствсинМ внятст ссср пс дииам язабретвей я сткрнтий (23) ПриоритетОпубликовано 05.05.79.Бюллетень № 17

Дата опубликования описания 30.05.79 (53) УДК 550.830 (088. e) (72) Автор изобретения

Л. И. Князев (71) Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институт геофизических методов разведки. (54) СТАЦИОНАРНЫЙ ГРАВИМЕТР

Изобретение относится к приборам для измерения вариаций сипы тяжести Земли.

Известный гравиметр Аскания

$6 — 11 (1 J, предназначенный для этой п епи, содержит пружинные весы, представляющие собой рычаг с грузом, удерживаемый в горизонтальном положении двумя главными горизонтальными пружинами. Изменения силы тяжести компенсируются и измеряются с помощью измерительного блока, вкпючающего в себя измерительную пружину, жестко связанную с рычагом весов, управляющий элемент и микрометрическое устройство.

Диапазонный блок прибора содержит диапазонную пружину, жестко связанную с рычагом весов, и управляющий элемент.

Индикатор малых перемещений рычага выполнен фотоэлектрическим. Гравиметр герметизирован, имеет двухступенчатый электрический термостат. Минимальная фиксируемая величина приращения силы тяжести — отсчетная единица — составляет

10 гл.

Весы гравиметра Норгарда f2) представпяют собой кварцевую систему, состоящую из рычага с грузом, подвешенного на горизонтальных крутильных нитях.

Процесс измерения заключается в идентификации определенного угла закручивания нитей подвеса рычага методом наклона прибора. Углы наклона являются мерой изменения сипы тяжести. Пиапазонный блок прибора содержит управляющий элемент, изменяющий угол эакручиванич нитей подвеса. Индикатор малых перемещений рычага выполнен на базе автоколпимационной системы. Отсчетная единица

10 4 гл.

Известен стационарный гравиметр, содержащий крутильные весы с рычагом и грузом, измерительный блок с управляющим элементом и мнкрометрическим устройством, диапазонный блок с диапазон ной пружиной, жестко связанной с рыча«

6614 78

4 подвеса и рычаг 5 с грузом 6, а также главная астатическая магнитная си стема с магнитами 7, магнитом чувствительности 8 и диапаэонная пружина 9.

3 Преобразователь гравиметра выполнен в виде крутильной системы с кварцевой рамой 10, нитями 11 подвеса, астатической магнитной системой с магнитами 12, магнитом чувствительности 13. Измери © тельный блок содержит управляющий элемент 14, микрометрическое устройство

15 и измерительные магниты. 16.

Диапазонный блок, помимо пружины 9, включает в себя капсулы 17, покрытые о теплоизоляционными рубашками 18, с диапаэонными магнитами 19. С астатической магнитной системой 12 преобразователи оптически связан индикатор 20 Малых перемещений.

2а

Бентры всех используемых в приборе магнитов расположены на одной линии, совпадающей с нитями подвеса обеих астатических систем, а все узлы прибора, содержащие магниты, жестко укреплены на одной кварцевой платформе 21.

Условие равновесия для крутильных ве- сов и преобразователя для малых углов

C и, беэ учета размеров магнитов, следующее:

ЛЯГ-Ч„,М А Ь М42М А2с МiМ2А g(++/)-Р-МgAA144 И 1Asд +с й,-О (1)

М4,,А,P+Nl„,y Д,, гом весов, индикатор малых перемеще ний (Э) .

Общйм недостатком описанййх приборов является значительная зависимость показаний от температуры окружающей среды, что снижает точность измерени Бель изобретения - увеличение точ ности измерений.

Укаэанная цель достигается тем, что в стационарном гравиметре весы выполнены в виде крутильной кварцевой системы с . горизонтальными нитями подвеса, на которых, помимо рычага с грузом, подвешена также главная астатическая магнитная система, жестко связанная с рычагом. Магниты астатической системы перпендикуляр- . ны нитям подвеса.

Помимо этого, в приборе дополнительно установлен преобразователь, представляаший собой крутильную кварцевую систему с горизонтальными нитями подвеса, на которых подвешена астатическая магнитная система преобразователи с магнитами, жестко связанными между собой и перпендикулярными нитям подвеса, причем нити подвеса обеих астатических систем расположены на одной прямой линии, а ближайшие магниты двух астатических систем имеют одинаковую полярность.

В поле действия астатических магнитных систем установлены горизонтальные мат ниты чувствительности, укрепленные неподвижно и перпендикулярно нитям подвеса таким образом, что ближайшие к магнитам чувствительности магниты астатических систем имеют одинаковую с ними полярность. Измерительный блок, кроме управляющего элемента и микрометрического ус гройства, содержит два идентичйых колкннеарных измерительных магнита одина«овой полярности, размещенных симмет-, рично отйосительно астатической магййтной системы преобразователя и механически связанных с управляющим элемен 70M, Диапаэонный блок, помимо диarrазонной пружины, жестко связанной с рычагом, содержит два идентичных вертикальных

@иапазонных магнита одинаковой полярности, размещенных симметрично относитель- ! но астатической магнитной системы преобразователя.

На чертеже показан предложенный грав «метр.

Гравиметр содержит главную капсулу

1, окруженнук теплоизоляционной рубашхой 2, в которой размещены крутильные сы, имеющие кварцевую раму 3, нити

@Р2"Ь(P)- 29 0.

А (42-41) (4 -4 )

661478 (Ч,i Ч6)э (Ч ° Ч )Э

1 1

Ч 1З (Ц Ч Э

1 1

5 з

Ч2 (Ч2 Ч ) 4 (Чэ Чд) - ускорение си ы тяжести; 1П вЂ” масса

6 рычага 5 с грузом 6; 8 — расстояние по перпендикуляру от крутипьной нити 4 до центра тяжести рычага с грузом; М1

М2 М4 МЧ, Мр, Ми — магнитные моменты соответственно подвесных магнитов 7 и 12, магнитоР чувствительности

8 и 13, диапазонных магнитов 19, измерительных магнитов 16; ® — угол поворота рь1чага с грузом и подвесных магнитов

7 от Ч"оризонтапьной плоскости ХОУ вокруг оси X против часовой стрелки; Р угол поворота подвесных магнитов 12 от горизонтальной ппоскости ХОУ вокруг оси

Х по часовой стрелке; — угол поворота измерительных магнитов 16 от горизон- тальной плоскости ХОУ вокруг оси У; Pмомент вращения, создаваемый диапазон» ной пружиной 9; С 1 С вЂ” коэффициенты кручения нитей 4, 11.

Совместное решение уравнений (1) и (2) при условии, еспи С1 численно равно

МЧ pal.R. +МЧ М1А ™ М А, привоi дит к соотношениям:

Чувствительность по углу поворота измерительных магнитов

39

3f ю1 gр с М„МА Д где д (Ь вЂ” минимальный фиксируемый угол

З% поворота преобразователя; — предельно допустимое значение

0 пр угпа g;

ag A — диапазон измеряемых значений сипы тяжести;

d b — отсчетная единица.

Диапазонная пружина 9 служит для фиксированной компенсации большей части силы тяжести g 978 гл, диапазонао ные магниты 19 - дпя грубой, так назы ваемой широтной,компенсации в предепах

bg - 5 гл причем магниты 19 переме&о щают вместе с капсулами вдоль оси Х симметрично относительно астатической магнитной системы и реобразоватепя или вращают в вертикальной- плоскости Х О2.

Величины магнитных моментов М, и Мд опредепяются выраж ниями:.с1-Мц1М141- Мц2М,A2 е р и Мц- Ь|д1МA= — hd 0

"б7пр МА4

1 1

Д

1 с ™ч,М Аь МЧ М 4 z --М М А

Об—

Ibp 1 - -M М 44- и М14

, М„,М,А„-М„,М,А, откуда можно сделать следующие выводьц

1. Углы ф, и /б находятся в линейной зависимости от g, спедоватепьно, выходной величиной может.служить любой из этих углов. Однако более ценесообразно взять угол Р, который в отличие от с6 ие зависит от параметра С1 . Кроме тото, при наблюдении способом нулевого о счета, когда fb О, угол о6 также равен нулю. Реализация подобной зависимости возможна только при отсутствии влияния измеритепьнйх и диапазонных магнитов на преобразователь, о достигается их

/ симметричным расположениеМ относитещно подвесных магнитов преобразователя.

2, !1одбором постоянных параметров обеих крутипьных систем можно регупировать коэффициент преобразования М=Ф,/P .

3. Углы a",, ф и g необходимо удерживать в определенных границах, так как уравнения (1) и (2) справедливы пишь для малых угпов. гарантирующих тре10 буемую линейную зависимость входных и выходных величин.

В частном случае, когда М1=М =М;

МЧ =МЧ2™ ц, А1 А 7 и А =А g

15 С2 С1 с1 М2М(4 Az) фМ44 М44 A&1

20 с1-МЧ + (41 42) Чувствительность по углу поворота астатической магнитной системы преобразовагепя

dP mf rnE d> С МЧМ А А,1 М Д

Наблюдения сипы тяжести производят на стационарной точке способом нулевого

7 отсчета по углу jh с помощью микрометрического устройства 15 путем вращения измерительных магHHToB 16 до совмещеI ния проекции лодвижнвго индекса, yfcpelIленного на Одном из магнитов 12, с ну- 3 левым делением шкалы индикатора 20 малых перемещений.

6614

Возможна автоматическая регистрация данных в режиме компенсации с помощью щ цепи обратной связи; нуль=-индикатор-управляющий элемент измерительных магнитов.

Пример конкретного выполнения:

Ч =Ч = 3 см; Ч2 Ц 4 см Ц Ч = 5смр. у

"4 "8 = 9 смрЧЗ= 18 сме А 1 А

= 875.10 см ; А2 А 0,9,10 см

А 0.2.10 см ; А4 7,6.10 см" ;

А 7,7.10 см; М М М» = МЧ =, -Э -Э .

1 сгсм; Ми 0,026 сгсм; М = щ

1,32 сгсм, масса каждого из подвесных магнигов rn mhl 14.10 r, масМ 2 са рычага с грузом п 2.10 г, длина рычага 1 1 см, диаметр крутильных нитей d 28 мкм, С1 0,88 гсм сек, 25 минимальный фиксируемый угол поворота преобразователяд fh 2 угл. сек -10 рад, Ьg> 0510 rn, Ьф 5 гл g>>=

5.10 рад,б р 5g = 10 рад/гл, отсчетная единицас1А ев 10 гл. 30

Таким образом, по сравнению с прототипом (3) точность измерений повышается на один порядок.

Зависимость показаний от температурных .изменений характеризуется температурным коэффициентом прибора Ng d(5/df.

Так как параметры С1, М1, р, М в условиях изолированной капсулы можно считать постоянными для поставленной задачи, то, полагаясь = О, P О, находим М =бр(Зсл о+(За+y) ьф Д, где а - коэффициент линейного расширения плавленого кварца, из которого йз. готовлена несущая платформа; ц - температурный коэффициент магнита, одинако вый для всех магнитов прибора. Для рассмотренного примера a = 0,4.10 град, Ph 10 град " (после. специальной тер « мической обработки магнитов),Мд =

6.10 + 1,1.10 э рм/град, т.е. Нестабильность геометрического параметра

4g оказывает значительно большее влияние, нежели нестабильность параметоов

А и Ми . Отсюда можно оценить про дельно. допустимое изменение температуо ры ht zp 0,17 С. Следовательно, существует необходим Ость термостатированиа прибо ра.

Для уменьшения влияния .переменных и постоянных магнитных полей точку наб ° людеиия выбирают вдали от источников промышленных помех в однородном геомагнитном поле. Ось Х прибора ориентируют горизонтально в плоскости магнитного меридиана.

Рассмотрим влияние компонент магнитного поля Земли, 1. Компонента Н Ое

2. Компонента Н» оказывает практически заметное индукционное влияние только на измерительные магниты Ми . Предельно допустимая величина вариаций

dÀ н Хлр=- — =+04 3 нд

+ 0,4 э, если индукционный коэффициент

10Э -L

3. Компонента Е оказывает практиче- ски заметное индукционное влияние только на вертикальные диапазонные магниты

Mg . По аналогии с компонентой НХ, есЛИ ЬДО., ии 5 ГЛ, 6 ики Пр + 4 в

Следовательно, в этом случае необходимо учитывать вариации а Ж с помощью магнитного у - вариометра. Величина bg пр может быть увеличена за счет уменьшения

ЬДО „„,к, если предусмотреть изготовлени@ типовых взаимозаменяемых главных капсул с чувствительной системой, настроенной на различный уровень компенсации О ьо с помощью диапазонной пружины.

В случае нестатичности М, главной магнитной системы на нее воздействует момент вращения Ь |И| Z . Согласно соотmfa ношению ЦИ = — 1, компоненту Z

ЬМ1 необходимо учитывать с точностью + +2 g, если относительная погрешность изготовления подвесного магнита Ми составляет

10 . Что касается подвесных магнитов преобразователя, то при их неидентичности Ь М 2 угОл 06 отличается От нуля llpH, Ля .

P = 0 и ревен OG = — Это приво1 2 б дит к линейной зависимости температурного коэффициента прибора от параметра 3

fUCg

1 4 (ЦА (y щ In 2 2 4 р Д+ Д

1 2 31

Если компонента Е скомпенсирована в обьеме преобразователя с точностью

+ 100 Х, что не представляет техыиче9 66 14

=кой проблемы, а относитепьная погрешность изготовления магнитов М равна

10», тод/цд + 2,2.10 о град

r.е. температурный коэффициент прибора изменяется всего лишь на 3,7%. 3

Все детали прибора, за исключением магнитов, изготавливают из немагнитных чатер иа пов.

Повышение точности наблюдений лунноголнечных вариаций силы тяжести, обеспе-. lo чиваемое данным гравиметром, даст су - щественный экономический эффект при l1pD изводстве высокоточных гравиметрических, оьемок с целью поисков нефти, газа и руд- ных месторождений. Значительный практический интерес представпяет также изучение вековых изменений силы тяжести и. прогнозирование сейсмоактивной деятещ ности, 78

Стационарный гравиметр, содержащий крутильные весы с рычагом и грузом, измерительный блок с управпяющим элементом и . микрометрическим. устройством, диапазонный блок с диапазонной пружиной, жестко связанной с рычагом весов, индиЗО катор мапых перемещений о т и и ч а юшийся тем, что, с целью увеличения точности измерений, в нем дополнительно установлен преобразователь, выполненный в форме крутипьной кварцевой системы с

35 горизонтальными нитями подвеса, на которых подвешена астатическая магнитная система с магнитами, жестко связанными между собой и перпендикулярными нитями подвеса, а в крутипьные весы дополнитепьф

3. Весепов К. Е. Кварцевые астазированные гравиметры. М., Гостоптехиздат, 1961, с. 123-126.

Формула изобретения но введена жестко связанная. с рычагом главная астатическая магнитная система, магниты которой перпендикулярйы нитям подвеса, нити подвеса обеих астатических систем расположены на одной прямой пинии, бпижайщие магниты двух астатических систем имеют "одинаковую полярность, в поле действия астатических магнитных систем установпены горизонтальные магниты чувствительности, укрепленные неподвижно и перпендикулярно нитям подвеса таким образом, что ближайшие к магнитам чувствительности магии ж астати« ческих систем имеют одинаковую с ними полярность; измеритепьный блок дополйитепьно содержит два идентичных коппинеарных измеритепьных магнита одинаковой полярности, размещенных симметрично от- носительно астатической магнитной системы преобразователя и механически связанных с управляющим элементом измеритель-. ного магнита; в диапазонный бпок допопнитепьно введены два идентичных вертикальных диапазонных магнита одинаковой полярности, размещенных симметрично относительно астатической магнитной системы преобразователя.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Весепов К. Е., Сагитов М. У. Гравиметрическая разведка, N., "Недра", 1968, с. 150-153.

2. Веселов К. E., Сагитов М. У. Гравиметрическая разведка. М., "Недра", 1968, с. 144-149.

661478

Составитель А. Чупрунова

Редактор Т. Орловская Техред 3. Фанта Корректср Г. Назарова

° ь оч» юг l l

Заказ 2460/47 Тираж 696 Подписное

Ц11ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

) РЭ I»» МФМ М

Филиал 11Г1П "Г!атент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4