ГРАВИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ С ДВИЖУЩИХСЯ НОСИТЕЛЕЙ Российский патент 1996 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится к гравиметрическому приборостроению и может быть использовано для измерения силы тяжести с движущихся носителей (судов, самолетов, вертолетов, вездеходов и др.).

Известны гравиметры для измерения силы тяжести с движущихся носителей [1] включающие в свой состав гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней одним или несколькими гироскопами и гравиметрическим чувствительным элементом (ГРЧЭ). Оси чувствительности гироскопов совпадают с осями ГСП, ось чувствительности ГРЧЭ перпендикулярна плоскости ГСП. Эти гравиметры содержат также усилители стабилизации, входы которых подключены к выходам датчиков углов гироскопов, а выходы к входу исполнительных элементов следящих систем стабилизации. В гравиметрах ГМН, Чета АГГ, KSS применена гиростабилизация с маятниковой коррекцией.

В целях увеличения точности стабилизации ГСП в известном гравиметре La Coste Romberg применена акселерометрическая коррекция [2] С этой целью на ГСП установлены акселерометры, оси чувствительности которых совпадают с осями ГСП, в состав гравиметра включено корректирующее устройство, входы которого соединены с выходами датчиков момента гироскопа.

В гравиметре La Coste Romberg для эпизодического определения масштабного коэффициента (цены деления) ГРЧЭ методом наклона требуется демонтаж его и установка на прецизионное наклономерное устройство наземной гравиметрической лаборатории (см. Гравиразведка. Справочник геофизика. М: Недра, 1981). Это усложняет процесс калибровки, приводит к увеличению периодов вынужденного простоя судов (движущихся носителей), снижает точность калибровки в связи с тем, что условия лаборатории не соответствуют штатным условиям использования ГРЧЭ и не позволяет определить неперпендикулярность оси чувствительности ГРЧЭ плоскости ГСП.

Изобретение направлено на повышение точности определения масштабного коэффициента ГРЧЭ благодаря обеспечению возможности калибровки ГРЧЭ без его демонтажа, что сокращает периоды вынужденного простоя судов в процессе калибровки ГРЧЭ и повышает точность гравиметрической съемки, обеспечение возможности определения неперпендикулярности оси чувствительности ГРЧЭ плоскости ГСП для ее дальнейшего учета в целях повышения точности гравиметрической съемки.

Указанные задачи решаются за счет того, что в гравиметр для измерения силы тяжести с движущихся носителей, содержащий ГСП с установленными на ней гироскопом, оси чувствительности которого совпадают с осями ГСП, акселерометрами, оси чувствительности которых совпадают с осями ГСП, ГРЧЭ, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости ГСП, содержащий также корректирующее устройство, входы которого подключены к выходам акселерометров, а выходы к входам датчиков момента гироскопа, гравиметрический фильтр, вход которого подключен к выходу ГРЧЭ, и усилители стабилизации, входы которых подключены к выходам датчиков угла гироскопа, а выходы к входам исполнительных элементов следящих систем стабилизации, введены индикаторы фиксированного наклона ГСП вокруг ее осей, установленные на ГСП, и блок калибровки, причем выходы индикаторов подключены к свободным входам корректирующего устройства, а вход блока калибровки подключен к выходу ГРЧЭ.

На фиг. 1 изображена схема предложенного гравиметра для измерения силы тяжести с движущихся носителей (показана лишь одна ось стабилизации); на фиг. 2 схематично изображена одна из возможных конструкций индикатора фиксированного наклона ГСП.

Гравиметр (фиг. 1) содержит ГСП 1 с установленными на ней гироскопом 2, акселерометрами 3, индикаторами 4 фиксированного наклона ГСП и ГРЧЭ 5. Выходы датчиков 6 угла гироскопа подключены к входам усилителей 7 следящих систем стабилизации, выходы которых подключены к входам исполнительных элементов 8 следящих систем стабилизации. Выходы акселерометров и индикаторов фиксированного наклона ГСП подключены к входам корректирующего устройства 9, представляющего собой вычислительное устройство с устройствами ввода-вывода, выходы которого подключены к датчикам 10 момента гироскопа. Выход ГРЧЭ подключен к входу блока 11 калибровки, представляющего собой вычислительное устройство с устройствами ввода и вывода, и к входу гравиметрического фильтра 12, представляющего собой вычислительное устройство с устройствами ввода и вывода.

Положение ротора гироскопа относительно Земли, обеспечивающее горизонтирование ГСП, управляется корректирующим устройством 9, формирующим управляющие сигналы как некоторые функции от показаний акселерометров, например
Ω_x=K₁W_y+K₂∫W_y
Ω_y= K₁W_x+K₂∫W_x (1) где Ω_x Ω_y управляющие сигналы, которые подаются на входы датчиков моментов гироскопа;
W_x, W_y показания акселерометров;
K₁, K₂ постоянные коэффициенты.

Сигналы с датчиков 6 угла гироскопа, пропорциональные динамическим ошибкам следящих систем стабилизации, подаются на входы усилителей 7 стабилизации, управляющих исполнительными элементами 8 следящих систем стабилизации, стабилизируя на движущемся носителе ГСП 1 в горизонтальном положении.

В режиме калибровки ГРЧЭ корректирующее устройство 9 формирует управляющие сигналы, являющиеся функцией (например (1)) показаний индикаторов 4 наклона ГСП, тем самым стабилизируя ГСП 1 в положении, характеризующемся фиксированным наклоном ее на известный угол относительно горизонта. На первом и втором этапах калибровки корректирующее устройство 9 использует показания первого и второго (соответственно) акселерометров индикатора 4 фиксированного наклона ГСП, что приводит к стабилизации ГСП 1 с наклоном относительно горизонта на углы δ и δ соответственно. При этом показания ГРЧЭ равны
W_z1=Kgcos(β-δ) Kgcosδ+Kgβsinδ
W_z2=Kgcos(β+δ) Kgcosδ-Kgβsinδ (2) где W_z показания ГРЧЭ;
1, 2 номера этапов калибровки;
K масштабный коэффициент ГРЧЭ;
g значение силы тяжести в месте калибровки;
β составляющая неперпендикулярности оси чувствительности ГРЧЭ;
δ известный угол.

В блоке калибровки осредняются значения W_z1, W_z2 и W_z0 показания ГРЧЭ в исходном (горизонтальном) положении ГСП. Фиксируются результаты осреднения , , и вычисляются значения K и β по формулам
β
K (3)
При выводе соотношений (3) учтено, что
=Kgcosβ
При проведении калибровки по перпендикулярной оси аналогично определяется вторая составляющая неперпендикулярности оси чувствительности ГРЧЭ плоскости ГСП γ
Определенные на этапе калибровки значения K, β, γ используются в гравиметрическом фильтре 12 для ввода соответствующих поправок к показаниям ГРЧЭ при выработке силы тяжести g.

Предложенный гравиметр позволяет проводить калибровку ГРЧЭ без демонтажа ГРЧЭ, а также без демонтажа гравиметра с носителя, например, при нахождении судна у пирса при малой качке.

Индикатор фиксированного наклона ГСП (фиг. 2) представляет собой два акселерометра 13 и 14, оси чувствительности которых наклонены относительно ГСП на известный угол δ. Индикатор устанавливается на ГСП с помощью посадочной плоскости 15 так, чтобы проекции осей чувствительности акселерометров на плоскость ГСП совпадали с осями ГСП. При наклоне ГСП вокруг ее оси на угол δ и δ акселерометры 13 и 14 соответственно выполняют функции нуль-индикаторов, что дает возможность стабилизировать ГСП в положении, характеризующемся наклоном относительно плоскости горизонта на известные углы ± δ.

При динамическом диапазоне акселерометров индикаторов фиксированного наклона 0,01g и их относительной погрешности 0,01% при δ 3^о в соответствии с соотношениями (3) погрешность определения K составляет 4 ·10^-5, β 5 угл.с, что удовлетворяет требованиям современных гравиметров для измерения силы тяжести с движущихся носителей.

Использование: при гравиметрических измерениях на подвижном основании. Сущность изобретения: гравиметр для измерения силы тяжести с движущихся носителей содержит гиростабилизированную платформу (ГСП) с установленными на ней гироскопом, оси чувствительности которого совпадают с осями ГСП, акселерометрами, оси чувствительности которых совпадают с осями ГСП, гравиметрическим чувствительным элементом (ГРЧЭ), ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости ГСП. Гравиметр содержит также корректирующее устройство, входы которого подключены к выходам акселерометров, а выходы - к входу датчиков момента, гравиметрический фильтр, вход которого подключен к выходу ГРЧЭ, и усилители стабилизации, входы которых подключены к выходам датчиков угла гироскопа, а выход - к исполнительным устройствам следящих систем стабилизации. 2 ил.

ГРАВИМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ С ДВИЖУЩИХСЯ НОСИТЕЛЕЙ, содержащий гиростабилизированную платформу с установленными на ней гироскопом и акселерометрами, при этом оси чувствительности гироскопа и акселерометров совпадают с осями платформы, гравиметрическим чувствительным элементом, ось чувствительности которого перпендикулярна плоскости платформы, гравиметр также содержит датчики угла и момента гироскопа, корректирующее устройство, усилитель стабилизации, исполнительные элементы следящих систем стабилизации и гравиметрический фильтр, при этом вход корректирующего устройства соединен с выходами акселерометров, а выход - с входами датчиков момента гироскопа, первый вход гравиметрического фильтра подключен к выходу гравиметрического чувствительного элемента, выходы датчиков угла гироскопа соединены с входами усилителей стабилизации, выходы которых подключены к входам исполнительных элементов следящих систем стабилизации, отличающийся тем, что он дополнительно содержит индикаторы фиксированного наклона гиростабилизированной платформы вокруг ее осей, установленные на гиростабилизированной платформе, и блок калибровки, при этом выходы индикаторов фиксированного наклона подключены к второму входу корректирующего устройства, а вход блока калибровки - к выходу гравиметрического чувствительного элемента.