СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 1997 года по МПК G01V7/00 G01V7/02 

Изобретение относится к навигационному приборостроению и может быть использовано для разработки и создания гравиметров.

Известен способ измерения ускорения силы тяжести, реализованный гравиметре, содержащем пробное тело в виде одного ферромагнитного арика, катапульту, систему съема информации и электромагнит, размещенные в вакуумной камере, заключающийся в том, что с помощью катапульты создают движение пробного тела в направлении вектора гравитационного ускорения и измеряют с помощью лазерной системы интервал времени между стартом и финишем пробного тела при его движении в пределах мерного участка.

В данной технической реализации способа он характеризуется малым быстродействием, дискретностью работы и зависимостью временного интервала не только от силы гравитации, но и от поля остаточного магнетизма, что ограничивает точность результатов изменения данным способом /1/.

Более высокой точностью определения ускорения силы тяжести обеспечивает известный баллистический способ, принятый автором за прототип, заключающийся в том, что в вакуумной камере создают непрерывный заряженный поток пробных тел (электронов), движущихся в пределах мерного участка ортогонально вектору силы тяжести, при этом гравитационное ускорение определяют по величине сигнала в виде дебаланса тока (или напряжения), измеряемого в нагрузках системой съема информации (регистрации).

Конструктивная схема устройства, реализующего известный способ, содержит размещенные в вакуумной камере источник электронов, симметрично расположенные относительно их потока верхний астазирующий электрод на пружине и верхний неподвижный электрод для нейтрализации силы электростатического притяжения, два анода с антидинатронной сеткой между ними, при этом размещены в одной плоскости симметрично относительно пучка электронов, а в их цепи включены резисторы нагрузки и регистратор (вольтметр), проградуированный в единицах гравитационного ускорения, вектор которого ортогонален вектору скорости потока электронов /2/.

В условиях невесомости, а также при вертикальном расположении прибора поток электронов создает в анодных цепях одинаковые постоянные токи. При этом фиксируемая разность потенциалов равна нулю. Если прибор установлен горизонтально, то под действием гравитационной силы параметры траекторий потока электронов, усиленные астазирующим элементом, изменяются. Это ведет к дебалансу тока через резисторы нагрузки и появлению разности потенциалов, являющейся мерой гравитационного ускорения.

Недостатками известного способа в его технической реализации являются низкая помехоустойчивость, обусловленная амплитудной формой выходного напряжения (или тока) сигнала, а также неопределенность требуемой напряженности компенсирующего поля для нейтрализации силы электростатического притяжения астазирующего электрода, снижающих точность результатов измерения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности определения ускорения силы тяжести.

Технический результат достигается тем, что в известном баллистическом способе создают два непрерывных потока электронов от общего источника, модулируют их общим напряжением высокой частоты с выхода генератора и инжектируют через мерные участки вакуумной камеры, во взаимно противоположных направлениях колинеарно с вектором ускорения силы тяжести измеряют разность фаз между сигналами от этих потоков, величина которой является мерой гравитационного ускорения в направлении оси чувствительности устройства, совмещенной с вектором скорости инжектированных электронов.

При этом в конструктивную схему устройства, реализующую предлагаемый способ и содержащую источник электронов, мерный участок в вакуумной камере, два анода с резисторами нагрузки в их целях и регистратор, дополнительно введены два электрода модуляции потока электронов, соединенные с модулирующим генератором, при этом аноды соединены через резисторы нагрузки с входами регистратора и с дополнительной клеммой источника постоянного напряжения, регистратор выполнен в виде измерения разности фаз, проградуированного в единицах ускорения силы тяжести, а электроды модуляции и аноды, разнесенные на величину мерного участка, расположены последовательно и симметрично относительно источника электронов в направлении оси.

Техническая реализация способа возможна на основе устройства, структурный состав, функциональные связи и ось чувствительности OY которого приведены на чертеже, где: 1 вакуумная камера; 2,6 первый и второй анод соответственно; 3,5 первый и второй модулирующий электрод; 4 источник электронов; 7 модулирующий генератор с частотой модуляции w 2f; 8 измеритель разности фаз (регистратор); R_H1, R_H2 резисторы нагрузки; L мерное расстояние между модулирующим электродом и анодом; V скорость электронов в плоскости модулирующего электрода.

Элементы конструкции, находящейся в вакуумной камере, составляют электронно-лучевой преобразователь ускорения силы тяжести в электрический сигнал, объединяющий два канала. В согласованном канале векторы скорости потока электронов и определяемого ускорения совпадают. Во встречном канале эти векторы противоположны. Рабочее положение прибора соответствует ориентации его электронных потоков (и оси чувствительности OY) в направлении вектора
В статическом режиме источник электронов 4 связан их потоками в вакуумной камере 1 через модулирующие электроды 3,5 и мерные участки L и вторым анодом 2,6 соответственно, при этом модулирующие электроды 3,5 соединены с выходом модулирующего генератора 7, первый анод 2 через резистор нагрузки R_H1 подключен к первому входу регистратора 8 и положительной клемме источника постоянного напряжения U_A, с этой же клеммой и со вторым входом регистратора 8 соединен через резистор нагрузки R_H2 второй анод 6.

В динамическом режиме измерения гравитационного ускорения в вакуумной камере 1 технической реализации способа создают два потока электронов от одного источника 4, модулируют их общим напряжением круговой частоты ω_м с выхода генератора 7 и инжектируют через мерные участки L вакуумной камеры 1 во взаимно противоположных направлениях к первому и второму аноду 2,6 соответственно колинеарно с вектором ускорения силы тяжести. При этом с нагрузки R_H1 первого анода 2 сигнал U_A1 подается на первый вход измерителя разности фаз 8, а сигнал U с нагрузкой R_H2 второго анода 6 на второй вход этого же измерителя 8 со сдвигом по фазе относительно сигнала U_A1 на величину

где f_м частота модуляции потока электронов;
U_э скорость электронов в плоскости модулирующего электрода;
L мерное расстояние между модулирующим электродом и анодом;
g ускорение силы тяжести.

Следовательно, на выходе первого регистратора значений ΔΦ проградуированного в единицах ускорения, формируется определяемая величина "g".

Таким образом, предлагаемый способ и устройство для его реализации с учетом ранее не известных функциональных связей между элементами рассмотренной структуры характеризуется новизной схемно-конструктивного решения и обеспечивает достижение поставленной цели.

Относительная погрешность определения гравитационного ускорения не превышает 10^-5 при реально достижимых абсолютных значениях В

Использование: в навигационном приборостроении для оперативного измерения ускорения силы тяжести с высокой точностью. Сущность изобретения: создают два непрерывных потока электронов от общего источника 4, модулируют их общим направлением высокой частоты с выхода генератора, подключенного к модулирующим электродам, и инжектируют через мерные участки вакуумной камеры во взаимно противоположных направлениях к первому и второму аноду колинеарно с вектором ускорения силы тяжести. При этом с резистора нагрузки первого анода сигнал подается на первый вход измерителя разности фаз, а с резистора нагрузки второго анода 6 сигнал поступает на второй вход этого же измерителя со сдвигом по фазе относительно сигнала на его первом входе. На выходе регистратора значений разности фаз, проградуированного в единицах гравитационного ускорения, формируется его численная величина. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ измерения ускорения силы тяжести, основанный на создании непрерывного потока заряженных пробных тел, движущихся в пределах мерного участка вакуумной камеры, и измерении параметров выходного сигнала системой съема информации, отличающийся тем, что создают одновременно два непрерывных потока электронов от общего источника, модулируют их общим напряжением высокой частоты и инжектируют через мерные участки вакуумной камеры во взаимно противоположных направлениях колинеарно с вектором ускорения силы тяжести, измеряют разность фаз между сигналами от этих потоков, величина которой является мерой гравитационного ускорения в направлении оси чувствительности устройства, совмещенной с вектором скорости инжектированных электронов. 2. Устройство для измерения ускорения силы тяжести, содержащее источник непрерывного потока электронов, мерный участок в вакуумной камере, два анода с резисторами нагрузки в их цепях и регистратор с дополнительно введенными двумя электродами модуляции двух электронных потоков, соединенными с модулирующим генератором, при этом аноды соединены через резисторы нагрузки с входами регистратора и с положительной клеммой источника постоянного напряжения, регистратор выполнен в виде измерителя разности фаз, проградуированного в единицах ускорения силы тяжести, а электроды модуляции и аноды, разнесенные на величину мерного участка, расположены последовательно и симметрично относительно источника электронов в направлении оси чувствительности гравиметра и электронных потоков.