ГРАВИМЕТР С ЖИДКИМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ Российский патент 1996 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится в гравиметрии и может быть использовано для измерения ускорения силы тяжести.

Известен гравиметр (1), содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации. Гравиметр содержит также заполненный ртутью и более легкой жидкостью жесткий резервуар вытянутой формы и размещенные в нем на разных уровнях два сосуда с ртутью и сосуд с газом, связанный с нижним ртутным сосудом посредством горизонтального капилляра с каплей индексом. Нижние концы сосудов с ртутью открыты и помещены в часть резервуара, заполненную ртутью, причем над открытыми концами сосудов установлена гайка с винтом из ферромагнитного материала, на уровне которой, и соосно с ней, вне резервуара, расположен кольцевой магнит.

Недостатками данного гравиметра является низкая чувствительность и точность, невозможность замера абсолютного значения ускорения.

Известен гравиметр, содержащий вертикальную трубу, закрепленную в подвесе, заполненную газом, с размещенными в ней датчиками давления, соединенными с входами измерительной электронной схемы, выход которой соединен с регистратором.

Недостатками данного гравиметра являются низкая производительность и точность.

Известны гравиметры, содержащие вакуумированную камеру, движущийся (падающий) уголковый отражатель и измерительную схему в виде неравноплечего интерферометра Майкельсона, в котором переменное плечо определяется положением падающего отражателя. По данным замеренного расстояния, определяемого разностью хода двух интерферирующих лучей и времени, судят о величине измеряемого ускорения.

Недостатком данного гравиметра является низкая точность (0,5 мГал), конструктивная сложность, необходимость иметь большой вакуумированный объем, большие массогабаритные характеристики.

Наиболее близким к изобретению является гравиметр, содержащий вакуумированную камеру, уголковый отражатель с устройствами удержания его в исходном положении, устройством торможения после замера и устройством подъема отражателя в исходное положение, устройство измерения и регистрации. Устройство измерения и регистрации выполнено на гелий-неоновом лазере по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона с регистрацией интерференционной картины фотоэлектронным умножителем и счетом импульсов в счетчике (2).

К недостаткам устройства, выбранного за прототип, следует отнести низкую точность, составляющую в единичном замере 0,5 мГал; значительные массогабаритные характеристики, обусловленные величиной камеры (1 м); необходимость поддержания в камере вакуума в процессе измерений (5•10^-6 мбар); необходимость иметь генератор эталонной частоты 1 ГГц, для регистраторов времени и расстояния.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения ускорения, сокращение времени измерений, а также компенсация влияния изменения температуры на показания гравиметра.

Указанная задача достигается тем, что в гравиметре, содержащем корпус, жесткий удлиненный резервуар, выполненный в виде идентичных отсеков, рабочего и резервного, отсеки соединены каналами для прохождения жидкости и газа, каналы снабжены дистанционно управляемыми затворами, в канал протекания жидкости введены термокомпенсирующие шайбы, рабочий отсек частично заполнен жидкостью, в каждом отсеке размещены оптические отражатели поплавки, обработанные гидрофобным составом, торцевые стенки жесткого резервуара выполнены оптически прозрачными, причем на внешних сторонах оптически прозрачных торцевых стенок размещены голограммы, на верхней торцевой стенке корпуса прибора имеется отверстие, обеспечивающее прохождение через световых потоков, после перетекания всей жидкости из рабочего отсека в резервный для проведения очередного замера жесткий резервуар с помощью привода поворачивается на 180^o и фиксируется в этом положении до следующего поворота, вокруг рабочего и резервного отсеков размещены обмотки электромагнитов, обеспечивающие успокоение колебаний жидкости перед измерением ускорения вокруг силы тяжести, жесткий резервуар поворачивается на опорах вокруг оси на 180^o, с помощью электропривода, опоры имеют устройства фиксации, предотвращающие колебания жесткого резервуара после его поворота на 180^o и в ходе измерения, для измерения высоты поплавка в рабочем отсеке жесткого резервуара используется оптическая система, содержащая последовательно установленные лазер, коллиматор, фокусирующую линзу, поворотное зеркало, установленном под углом около 46^o к оптической оси коллиматора и линзы и направляющие излучаемый лазером и прошедший через коллиматор и фокусирующую линзу световой поток через голограмму на оптический отражатель поплавок, поворотное зеркало, направляющие дифрагированный от голограммы и отраженный оптическим отражателем поплавком недифрагированный световые потоки на фотоприемное устройство, выход которого электрически связан с первым входом решающего логического устройства, решающее логическое устройство (РЛУ), первый выход которого связан с входом запоминающего устройства, второй выход РЛУ связан с входом индикатора ускорения силы тяжести, третий выход РЛУ связан с входом устройства управления, запоминающее устройство, выход которого электрически связан с вторым входом РЛУ, устройство управления (УУ), выход которого связан с третьим входом РЛУ, индикатор ускорения силы тяжести.

На фиг.1 представлена схема устройства. На фиг.1 использованы следующие обозначения: 1 лазер, 2 и 4 линзы коллиматора; 3 проходящий через коллиматор световой поток; 5 фокусирующая линза; 6 поворотное зеркало; 7 - отверстие в корпусе прибора; 8 и 9 голограммы; 10 и 11 закрепленные на поплавках отражатели, покрытые гидрофобным составом; 12 и 13 корпуса поплавков; 14 корпус прибора; 15 корпус жесткого резервуара; 16 и 17 - каналы для прохождения газа; 18 и 19, 20 и 21 обмотки электромагнитов, обеспечивающие успокоение колебаний жесткости перед измерением; 22 рабочая жидкость; 23 рабочий отсек; 24 резервный отсек; 25 термокомпенсирующие шайбы; 26 и 28 управляемые затворы каналов прохождения газов; 27 - управляемый затвор канала протекания жидкости; 29 канал протекания жидкости; 30 и 31 приводы управляемых затворов 26, 27 и 28; 32 электропривод поворота жесткого резервуара на 180^o, 33 и 34 опоры с устройствами фиксации жесткого резервуара; 35 суммарный информационный световой поток, состоящий из суммы дифрагированного от голограммы светового потока и недифрагированного отраженного отражателем 10 и прошедшего повторно через голограмму 8 светового потока; 36 поворотное зеркало; 37 фотоприемное устройство; 38 решающее логическое устройство; 39 индикатор ускорения силы тяжести; 40 запоминающее устройство; 41 устройство управления.

В качестве лазера может быть использован гелий-неоновый лазер с системой стабилизации питания лазера. Голограмма 8 (фиг.1) записана во встречных пучках и на ней заэкспонирована интерференционная картина, образуемая падающим на голограмму и отраженным отражателем 10 световыми потоками при условии нахождения заполненного рабочей жидкостью отсека 23 в верхнем положении и при условии полной готовности прибора к проведению измерения ускорения силы тяжести. Голограмма 9 (фиг.1) записана во встречных пучках и на ней заэкспонирована интерференционная картина, образуемая подающим на голограмму и отраженным отражателем (П) световыми потоками при условии нахождения заполненного рабочей жидкостью отсека 24 в верхнем положении и при условии полной готовности прибора к проведению измерения силы тяжести.

На фиг. 2 показан процесс прохождения световых потоков через голограмму. На фиг. 2 использованы следующие обозначения: 1 фокусирующая линза; 2 - поворотное зеркало; 3 голограмма; 4 закрепленный на поплавке оптический отражатель, покрытый гидрофобным составом; 5 поплавок; 6 область голограммы, на которой заэкспонирована интерференционная картина при исходном состоянии поплавка при полной готовности прибора к проведению измерения ускорения силы тяжести; 7 отраженный оптическим отражателем недифрагированный световой поток; 8 падающий на оптический отражатель недифрагированный световой поток; 9 оптическая ось фокусирующей линзы; α - угол между оптической осью линз и поворотным зеркалом; g угол фокусировки падающего на оптический отражатель светового потока; b угол, равный углу между оптической осью падающего на оптический отражатель и оптической осью отраженного оптическим отражателем светового потока; b диаметр луча, падающего на фокусирующую линзу; Н расстояние между голограммой и оптическим отражателем.

Для разделения падающего и отраженного лучей угол наклона поворотного зеркала 2 (фиг.2) должен отличаться от 45^o. Для получения наибольшей разрешающей способности площадь пересечения падающего и отраженного лучей должна быть максимальной, т. е. угол a (фиг.2) должен быть равен 45^o. Экспериментально установлено, что оптимальный угол α≈ 46^°.

Для получения максимальной разрешающей способности и четкости интерференционной картины в момент записи голограммы 3 (фиг.2) необходимо обеспечить, чтобы в исходном состоянии поплавка 5 соответствующем его положению перед началом измерения ускорения (было такое взаимное расположение линзы 1, поворотного зеркала 2 и поплавка 5, при котором фокус линзы 1 находился бы на поверхности оптического отражателя 4 поплавка 5.

В качестве рабочей жидкости 22 (фиг.1) может быть использована ртуть, либо кремний-органические жидкости со стабильной вязкостью, мало зависящей от температуры.

В качестве привода 32 (фиг.1) для поворота корпуса жесткого резервуара на 180^o может быть использован шаговый двигатель.

Устранение влияния температуры на показания гравиметра осуществляется за счет использования термокомпенсирующих шайб 25 (фиг.1). Термокомпенсирующая шайба состоит из биметаллического разрезанного кольца, состоящего из материала с различными коэффициентами теплового расширения, коэффициент теплового расширения наружного кольца больше, чем коэффициент теплового расширения внутреннего. Кольцо крепится к корпусу в паз в одном месте и, в зависимости от температуры, деформируясь, меняет проходное сечение канала протекания жидкости.

На фиг.3 показан внешний вид такой шайбы, разрез. На фиг.3 использованы следующие обозначения: 1 корпус шайбы; 2 внутреннее кольцо шайбы; 3 - наружное кольцо шайбы.

Изменение температуры меняет коэффициент динамической вязкости жидкости и в результате меняется расход жидкости через канал и поэтому возникает ошибка. Простой расчет показывает, что при нестабильности температуры порядка 10^o средняя квадратичная ошибка измерений может достигнуть нескольких тысяч миллигал. Термокомпенсирующая шайба устраняет эту ошибку. При изменении температуры, например, повышении, вязкость жидкости уменьшается, а секундный расход увеличивается, время опорожнения рабочего отсека уменьшается, что эквивалентно ошибке измерения ускорения. При наличии в качестве протекания жидкости 29 (фиг.1) термокомпенсирующей шайбы 25 повышение температуры приводит к большему расширению наружного кольца 3 (фиг.3), по сравнению с внутренним кольцом 2 (фиг. 3), что в конечном итоге приведет к уменьшению величины проходного сечения канала 29 (фиг.1) и уменьшению секундного расхода. Таким образом, увеличение секундного расхода рабочей жидкости из-за уменьшения ее вязкости компенсируется уменьшением проходного сечения термокомпенсирующей шайбы 25 (фиг.1), что приводит к уменьшению секундного расхода рабочей жидкости.

Преимущество в использовании подобной термокомпенсирующей шайбы заключается в стабилизации секундного расхода рабочей жидкости при изменении температуры.

На фиг. 4 представлен внешний вид корпуса прибора 14 (фиг.1) вместе с жестким резервуаром 15 и приводом 32 без разреза. На фиг.4 использованы следующие обозначения: 1 корпус прибора; 2 корпус жесткого резервуара; 3 - электропривод поворота жесткого резервуара на 180^o; 4 и 5 оси, на которых жесткий резервуар поворачивается в корпусе прибора.

На фиг. 5 представлен корпус прибора 14 (фиг.1), вид сверху. На фиг.5 использованы следующие обозначения: 1 корпус прибора (вид сверху); 2 - отверстие в верхней торцевой части корпуса прибора; 3 голограмма, размещенная на верхней торцевой части жесткого резервуара и просматриваемая сквозь отверстие в верхней торцевой части корпуса прибора; 4 видимая сверху часть оси, на который жесткий резервуар поворачивается в корпусе прибора; 5 - электропривод поворота жесткого резервуара на 180^o.

Прибор, представленный на фиг.1, работает следующим образом.

Перед измерением ускорения силы тяжести прибор устанавливают на массивном основании, горизонтируют и осуществляют демпфирование колебаний электропроводной жидкости 22 в рабочем отсеке 23 путем подачи переменного электрического тока в обмотки 18 и 19. При этом управляемые затворы 26, 27 и 28 перекрыты, перетекания жидкости из отсека 23 в отсек 24 нет. По сигналу от устройства управления 41 включается лазер 1. Излучаемый лазером 1 световой поток 3 проходит через коллиматор (линзы 2 и 4) и, фокусирующий линзой 5, направляется на поворотное зеркало 6. Поворотное зеркало 6 направляет этот световой поток через отверстие в корпусе прибора 7, через голограмму 8 и оптически прозрачную торцевую стенку жесткого резервуара на оптический отражатель 10, закрепленный на поплавке 12. Часть светового потока, направляемого поворотным зеркалом 6 через голограмму 8 на оптический держатель 10 дифрагирует от голограммы 8, а другая часть светового потока проходит через голограмму 8, не дифрагируя на ней, отражается оптическим отражателем 10, повторно проходит через голограмму 8 и образует с дифрагированным от голограммы световым потоком в плоскости за голограммой интерференционную картину. Дифрагированный от голограммы 8 световой поток играет при этом роль опорного пучка. Суммарный световой поток 35 (фиг.1) направляется поворотным зеркалом 6 через линзы 5 и 4 на поворотное зеркало 36. Поворотное зеркало 36 направляет этот световой поток 35 на фотоприемное устройство 37. Фотоприемное устройство 37 представляет собой матрицу фотоприемников. Суммарный световой поток 35 образует в плоскости матрицы фотоприемников интерференционную картину, внешний вид которой представлен на фиг.6. Кроме того, на фиг. 6 проиллюстрирован процесс преобразования интерференционной картины в двоичный код для решающего логического устройства. На фиг.6 использованы следующие обозначения: 1 матрица фотоприемных устройств (ФПУ); 2 ячейки матрицы ФПУ; 3 ячейки матрицы ФПУ, преобразующие падающий на них световой поток в "единицы" информации; 4 ячейка матрицы ФПУ, преобразующая падающий на нее световой поток в "ноль" информации; 5 верхняя и нижняя строки матрицы ФПУ с указанием значения двоичного кода для каждой из ячеек матрицы в соответствии с ее освещенностью. Светлые кольца на матрице ФПУ (фиг.6) соответствуют максимумам освещенности, а темные кольца минимумам освещенности. В качестве пороговых устройств для преобразования аналогового сигнала в каждой ячейке матрицы ФПУ в двоичный код могут быть использованы триггеры Шмитта в интегральном исполнении.

Двоичный код, соответствующий интерференционную квартиру, поступает с ФПУ 37 (фиг.1) на решающее логическое устройство (РЛУ) 38 (фиг.1), которое направляет эту информацию в запоминающее устройство (ЗУ) 40 (фиг.1) для запоминания.

На фиг. 7 представлены интерференционные картины для различной разности фаз ΔΦ между дифрагированным от голограммы 8 (фиг.1) и отраженным оптическим отражателем 10 световыми потоками. На фиг.7а разность фаз Dv=π, на фиг.7б , на фиг.7в ΔΦ=0.

При смещении поплавка 12 (фиг.1) с оптическим отражателем 10 на величину (1) (фиг.2) интерференционная картина повторится.

После включения и перехода лазера 1 (фиг.1) в устойчивый режим работы по сигналу от устройства управление 41 (фиг.1) привод 31 открывает управляемый затвор 28 канала прохождения наджидкостного газа и затвор 27 канала перетекания жидкости. Управляемый затвор 26 остается в закрытом состоянии. После открытия затвора 28 рабочая жидкость 22 начинает перетекать из рабочего отсека 23 в резервный отсек 24 через канал 29. Наджидкостный газ при этом переходит из резервного отсека 24) в рабочий отсек 23 через канал 16. По мере перетекания рабочей жидкости 22 из рабочего отсека 23 в резервный 24 вследствие опускания поплавка 12 изменяется расстояния между оптическим отражателем 10 и голограммой 8, в результате чего изменяется разность фаз между дифрагированным от голограммы и отраженным оптическим отражателем 10 световыми потоками. По мере измерения расстояния Н (фиг.2) изменяется цифровой код, поступающий в решающее логическое устройство 38 (фиг.1) с фотоприемного устройства 37. На основе анализа поступающего двоичного кода РЛУ 38 (фиг.1) вычисляется расстояние Н (фиг.2) с привязкой по времени, и на основе этой информации, вычисляет g ускорение силы тяжести. При этом временной интервал, в течение которого измеряется расстояние Н и вычисляется величина g задается в устройстве управление заранее, до начала процесса измерения.

Для повышения точности измерения расстояния Н, а значит, и величины g, процесс измерения может начинаться через 0,5 1 с после открытия управляемого затвора 27 (фиг.1).

Это время дается для стабилизации режима перетекания рабочей жидкости 22 (фиг.1) после открытия управляемого затвора 27.

После окончания процесса измерения РЛУ 38 выдает величину измеренного ускорения силы тяжести в индикатор ускорения 39 для визуальной индикации.

Возможен другой алгоритм работы РЛУ 38 (фиг.1) по измерению ускорения силы тяжести. Известно, что скорость перемещения вниз поплавка 12 при открытом канале 29 пропорционально величине ускорения в соответствии с законом Торичелли. Частота пульсаций центрального максимума интерференционной картины (изменение от максимума освещенности до минимума и наоборот) пропорциональна скорости перемещения 12 поплавка 12 в ходе измерения ускорения, а значит она пропорциональна ускорению силы тяжести. В лабораторных условиях для различных значений ускорения измеряется частота пульсаций центрального максимума интерференционной картины в плоскости матрицы ФПУ 37 (фиг.1) при перемещении поплавка 12 в ходе измерения ускорения для различных значений расстояния (фиг.12) и различных внешних условий. Эта информация в двоичном коде записывается в запоминающее устройство 40 (фиг.1). В процессе измерения ускорения эта информация постоянно сравнивается решающим логическим устройством 38 (фиг.1) с реальной частотой пульсаций центрального максимума интерференционной картины. В ходе этого сравнения РЛУ 38 принимает решение о величине измеряемого ускорения и выдает значение измеренного ускорения на индикатор ускорений 39 (фиг.1) для визуального отображения.

Независимо от используемого алгоритма измерения ускорения силы тяжести после перетекания всей рабочей жидкости из рабочего отсека 23 (фиг.1) в резервный 24 устройство управления 41 выдает команду на приводы на закрытие открытых в ходе измерения управляемых затворов. После закрытия затворов устройство управления 41 выдает команду на опоры на снятие фиксаторов жесткого резервуара 15 и на электропривод 32 на разворот жесткого резервуара 15 на 180^o, он фиксируется в этом положении устройствами фиксации, размещенными на опорах.

После этого прибор готов к проведению нового процесса измерений. При этом работа прибора будет аналогична ранее описанной, за исключением того, что рабочий отсек 23 (фиг.1) жесткого резервуара 125 начинает работать в качестве резервного, а резервный отсек 24 в качестве рабочего, вместо обмоток электромагнитов 18 и 19 начинают работать обмотки 20 и 21, вместо привода 31 и управляемого затвора 28 будут работать привод 30 и управляемый затвор 26.

Технический результат состоит в том, что предлагаемое устройство позволяет повысить точность измерения ускорения, сократить время измерений, а также позволяет компенсировать влияние изменения температуры на показания гравиметра.

Использование: для измерения ускорения силы тяжести. Сущность изобретения: в гравиметре с жидким чувствительным элементом, содержащим жесткий удлиненный термостатированный резервуар, частично заполненный жидкостью, выполненный в виде двух идентичных отсеков, соединенных каналами для прохождения жидкости и газа, в канал перетекания жидкости дополнительно введены термокомпенсирующие шайбы, для измерения уровня жидкости в рабочем отсеке используется интерференционно-голографическая оптическая система, содержащая последовательно установленные и оптически связанные лазер, коллиматор, фокусирующую линзу, поворотное зеркало, расположенное под углом 46^o к оптической оси фокусирующей линзы, голограмму, оптический отражатель-поплавок, поворотное зеркало, фотоприемное устройство. Осуществляется преобразование дифрагированного от голограммы и отраженного оптическим отражателем-поплавком световых потоков, образующих интерференционную картину, в двоичный код. По характеру изменения двоичного кода при перемещении поплавка, с привязкой ко времени, вычисляется ускорение силы тяжести. 7 ил.

Гравиметр с жидким чувствительным элементом, содержащий оптический отражатель, размещенный внутри жесткого термостатированного резервуара с возможностью перемещения, и измерительное устройство, выполненное в виде оптической системы, включающий лазер, коллиматор, фокусирующую линзу, два поворотных зеркала, оптический отражатель и фотоприемное устройство, установленные последовательно и оптически связанные, отличающийся тем, что торцевые стенки жесткого резервуара выполнены прозрачными, а сам резервуар выполнен в виде двух соединенных каналами идентичных отсеков, частично заполненного жидкостью рабочего и резервного, при этом вокруг каждого отсека размещены обмотки электромагнитов, а каналы снабжены дистанционно управляемыми затворами и термокомпенсирующими шайбами, оптический отражатель выполнен в виде расположенных в каждом резервуаре поплавков, оптическая система измерительного устройства дополнительно содержит голограммы, оптически связанные с первым и вторым поворотными зеркалами и расположенные на внешних сторонах оптически прозрачных торцевых стенок резервуара, при этом выход фотоприемного устройства электрически связан с первым входом решающего логического устройства, второй вход которого связан с выходом устройства управления, а третий с выходом запоминающего устройства, первый выход решающего логического устройства связан с входом запоминающего устройства, а второй выход с входом устройства управления, а третий с входом индикатора ускорения силы тяжести.