Устройство для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести

 

GalÈÑÀÍÈÅ

ЙЗОЬРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

<»>750414

Союз Советских

Социалистическик

Реслубпик (6l ) Донолнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 07.09.77 (21) 2523 168/ 18-25 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет

Опубликовано23.07.80. Бюллетень ¹ 27

Дата опубликования описания 25.07.80 (51)М. К.я, 5 01 9 7/14

Государственный комитет

СССР по делам изобретеууй и открытий (53) УДК 550. .83 1. 2(088. 8) Г. П. Арнаутов, Е. Н. Калиш и Ю. Ф. Стусь (72) Авторы изобретения

Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения

АН СССР (7I) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АБСОЛЮТНОГО

УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ

Изобретение относится к области гравиметрии и может быть применено при высокоточных измерениях абсолютного значения силы тяжести в геофизике, . геодезии и метрологии.

Известны устройства для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести, основанные на измерении пути и времени свободного, падения массивного тела (1),(2).

Недостатком известных устройств является низкая точность, связанная с высоким уровнем систематических погрешностей при измерении отрезков ny I5 ти и времени.

Известно также устройство для измерения абсолютного значения ускорения силы тяжести„содержащее уголковый отражатель оптически связанный интер» ее ферометром, электронно-счетную схему, к которой подключены фотоэлектронный .преобразователь сигналов интерферометра, схема управления, электронный генератор с формирователем импульсов времени и вычислительное устройство(3).

Недостатком этого устройства также является высокий уровень систематических погрешностей, связанных с ограниченным быстродействием счета импульсов пути и меток времени, а также с несовершенством их формы.

11елью . изобретения является повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве установлен дополнительный электронный генератор с формирователем импульсов, подключенный к электронно-счетной схеме.

На чертеже изображена схема устройства .

В вакуумировенной трубе 1 свободно падает опти еский уголковый отражатель 2, составляюший измерительное плечо интерферометра. Интерферометр состоит из лазара 3, поворотного зеркала 4, полупрозрачной пластины 5, зер.

750414 кала 6 и опорного уголкового отражате ля 7. На выходе инторферометра уста— новлен фотоэлектронный преобразователь

8 оптического интерференционного сиг— нала в последовательность электрических импульсов.

Пучок света от лазера 3 падает на разделительную пластинку 5 и делится на два. Один из пучков (опорный) после отражения от углового отражателя

7 попадает на фотоприемник фотоэлектронного преобразователя 8, где образует интерференционное поле с измерительным пучком, отраженным от уголкового отражателя 2. Изменение интерференционного поля при движении тела 2 преобразуется .фотоэлектронными преобразователем 8 в последовательность электрических импульсов, поступающих на электронносчетную схему 9. Одновременно на схему 9 поступают метки времени, сформированные формирователем 10 из сигнала опорного электронного генератора 1 1.

Кроме того, к схеме 9 через формирователь импульсов 12 подключен электроннЬ|й генератор 13. Резельтаты измерений со схемы 9 поступают на вычислительное устройство 14. Общее управление работой устройства осуществляется схемой управления 15.

Измерение ускорения силы тяжести с помощью предложенного устройства производят следующим образом.

Рассмотрим для примера схему последовательного измерения, по которой измеряются времена прохождения двух заданных, следующих один за другим, интервалов пути свободного падения тела 2. В этом случае ускорение силы тяжести определяется по следующей формуле

2(ь т-s л(Ч -М„ ) где с; и — последовательные отрезки пути, проходимые падающим телом за соответствующее время Т и Ч

Л вЂ” длина волны лазерного излучения;

Ь и N - число полуволн h/2, Л уложившихся соответственно в отрезках пути

ЬЛ иВ1 °

Процесс измерения заключается в следующем. В некоторый момент времени о после отпускания оптического отра жателя (эт время точно не фикс,,руется, его неопределенность исключается по результатам измерения на двух последующих интервалах) со схемы управления 1 4

5 поступает импульс управления, подготавливаюший схему к измерениям. Первый импульс, пришедший после импульса управления с преобразователя 8, запускает делитель схемы 9, формируюшии интер— вал измерения, и одновременно откры— вает первый канал счета. Первый канал счета регис трирует число меток времени, поступающих с генератора 11 через формирователь 10 до тех пор, пока де15 литель частоты насчитает заданное число N èìïóëüñîâ с преобразователя 8.

И -й импульс является импульсом конца счета в первом канале и запускающи— щим для второго канала счета. Во

20 втором канале метки времени со стандарта частоты 10 считаются до тех пор, пока делитель частоты наберет заданное число N> импульсов с фотоприемника 8.

Ng -й импульс закрывает счет во втором канале.

Таким образом, по заданному числу импульсов N и N формируются интерва— лы пути 9 и 6<, а по числу меток времени, поступивших с опорного генератора частоты 11 за время прохождения заданных отрезков пути Б„и S, опре— деляются интервалы времени Т„и Т, Далее по формуле (1) определяется значение гравитационного ускорения g

При необходимости в найденное значение вносятся поправки, учитывающие приливные изменения g влияние градиента силы тяжести, конечность скорости света и т.п. j2$.

40 Из-за погрешности электронно-счетной схемы истинные значения интервалов времени Т и Т отличаются от измеренных Т и Т1 . Пусть 41 и 61 погрешности электронно-счетной схемы соответственно для первого и второго каналов счета. Тогда, подставив в (1) значения Т„= Т„, + л1 к T = Т +М, 4 2и 2 получим

Ы 2 где "" " " — измеренное зна—

Г=

0 т оТ (т н 2о) чение ускорения силы тяжести, 55 а д — его истинное значение.

Погрешности „и h < содержат случайную и систематическую составляющие

Для,"?.1е ." ьшения случайной погреыноcти набирают массив повторных измерений ускорения сипы тя>хести и вычисляют его среднее значение. Для определения систематической погрешности электронносчетной схемы 9 из частоты дополнительного генератора 13 формируют преобразователем 12 псследовательность импульсов и подают на вход электронно-счетной схемы 9 вместо сигнала, поступаю10 шегз с фотоэлектронного преобразователя 8. Пусть f — частота меток времени, сформированных преобразователем

1О, à t — частота импульсов, следуюс

35 ших после пря>бразователя 12. Иэ сигнала с частотой 4 электронно-счетная схема формирует интервал измерения Т числом 14 периодов следования этого сигнала: T=N„/1 .ÏóñTü в интервале Т уложилось Й > меток времени, следую2( ших с частотой Ro, т.е. измеренный ин-тервал будет равен Та - Ив /<0 . Вследствие погрешности электронно-счетной схемы, равной Ь -, будем иметь:

"изм о о= "к ч К

Величины „,, и N — известны с вы— сокой точностью, значение Pq — результат измерения, поэтомт о к к о о к

Для определения систематической погрешности электронно.л=четной схемы набирают массив из г повторных измерений, накапливают их и усредняют устройством 15. Определенные гаким образом систематические погрешности электронно- :четной схемы для первого и второго канала счета будут равны

Р

ГЪ

-8 $ 3.с . и -йk = 4 О к o ь | =4 02

1 1 fora

Ь = где ч„„, и йо2, — результаты единичных измерений интервала Т соответственно по первому и второму интервалам.

Подставив найденные значения а и ht 2 в формулу (2), можно уточнить измеренное значение ускорения силы тяжести.

5д

Для того, чтобы результат измерений не содержал просчетов, частоты о и f < не должны превосходить частоту, ограничиваюшую быстродействие электронносче -.ой схемы. Кроме того, частоты Ъ и не должны быть кратными, 55 чтобы можно было уточнить погрешность измерения до величин, меньших дискретности счета. При этом условии в задаваемом,интервале измерения не будет укладываться пелое число периодов опорной частоты ф, и погреншость из-за дискретности будет случайной величиной, равномерно распределенкой в пределах интервала квантования. След..;ательно, накоплением и усреднением некоторого заданного числа повторных измерен и за время в и раз превосходящее время счета, мсжно выявигь и определить схематическую погрешность, меньшую в 4г раз погрешности дискретности счета.

Таким образом, достоинством предлагаемого устройства для измерений абср— лютного значения ускор= íèÿ силы тяжести является повышение точности измерений до уровня, превосходяшего технические ограничения, вноскмые электронно-счетной схемой устройства.

Формула изобретения

Устройство для измерения абсслютно— го значения ускорения си-::ь; т..-жести,, содержашее уголковый отражать -, опти— чески связанный с интерферометром,. электронно-счетную схему, к которой подключены фотоэлектронный преобразователь сигналов интерферометра, схема управления, электронный генератор с формирователем импульсов времени вычислительное устройство, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с пеаью повышения, точности, в нем установлен дополнительный электронный генератор с формирователем импульсов, подк поченный к электронно четной схеме, Источники ормапи ; принятые во внимание по зкс; ги

1. Романюк B. А. Измерение абсоакиного значения ускорешй силы тяжестн.—

Qcooloitiache unc1 еорЫвКси ische Ver а,"Ыг tichung&n,ßåhi ЯеИ 30, 197Й

2. Патент США ¹ 3429184 кл. 73-382, опублик. 1969.

3. Измерение абсолютного значения гравитапионного ускорения. Ротапринт института автоматики и электрометрии

СО АН СССР, 1972, с. 23 (прототипу.

750414

Составитель Ю. Евдокимов

Редактор Т. Зубкова Техред М. Келемеш Корректор В. Бутяга

Заказ 4645/36 Тщзаж 649 Подписное

ЦНИИПИ государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул. Проектная, 4