ЦИФРОВОЙ ГРАВИМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01V7/02 G01V7/04 

Изобретение относится к области физики и может быть использовано для создания малогабаритных прецезионных гравиметров.

Известен гравиметр, содержащий пробное тело, вакуумированную камеру, систему съема показаний на основе лазерных измерителей временных интервалов (1). Данный гравиметр для измерения абсолютного ускорения свободного падения баллистическим методом имеет достаточно сложные схемную реализацию и комплектацию оборудования, низкую помехоустойчивость от механических колебаний, что затрудняет создание малогабаритных прецезионных устройств для измерения ускорения силы тяжести.

Наиболее близким техническим решением, является гравиметр с электростатическим астазированием, выполненный на основе электронно-лучевой лампы, содержащий в вакуумированном баллоне источник непрерывного потока электронов, один подвижный электрод, закрепленный на пружине, и один неподвижный, между которыми установлен дополнительный электрод для нейтрализации силы электростатического притяжения, два анода с расположенной между ними антидинатронной сеткой. В цепях анодов включены нагрузочные резисторы и регистрирующий вольтметр, проградуированный в единицах измерения ускорения действием силы тяжести (2). Недостатками указанного гравиметра является низкая помехоустойчивость при амплитудной форме выходного сигнала, зависимость его показаний от динатронного эффекта с одного из анодов и неопределенность требуемой напряженности электрического поля для нейтрализации силы электростатического притяжения подвижного электрода в условиях отсутствия априорной информации о величине ускорения силы тяжести. Наличие подвижного электрода усложняет конструкцию гравиметра, процесс его изготовления и эксплуатации.

Целью предлагаемого изобретения является повышение быстродействия определения ускорения силы тяжести при одновременном упрощении конструкции.

Поставленная цель достигается тем, что цифровой гравиметр, включающий в себя вакуумную экранированную камеру дрейфа, в которой последовательно размещены в направлении оси чувствительности источник электронов, модулирующий электрод и анод, дополнительно содержит управляемый генератор модулирующих импульсов, счетчик импульсов и цифровую вычислительную машину, шина "подтверждение передачи" которой подключена к объединенным общей связью управляющему входу генератора модулирующих импульсов и входу сброса R счетчика импульсов, счетный вход C которого соединен с модулирующим электродом и подключен к выходу управляемого генератора модулирующих импульсов, а вход разрешения счета CE подключен к аноду, при этом выход счетчика импульсов подключен к шине данных цифровой вычислительной машины, на выходе которой формируется численное значение ускорения силы тяжести, определяемое из выражения

где
g значение ускорения силы тяжести;
L₀ расстояние между модулирующим электродом и анодом;
f_м частота модуляций;
N₀ число импульсов за интервал времени калибровки;
N₁ число импульсов за интервал времени измерения ускорения силы тяжести.

Анализ существующих гравиметров свидетельствует об отсутствии в них признаков, сходных с отличительными признаками в заявляемом изобретении, что позволяет сделать вывод о существенном отличии данного цифрового гравиметра от известных. Его новизна заключается в наличии новых элементов и связей.

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого цифрового гравиметра.

В состав цифрового гравиметра входят вакуумная экранированная камера дрейфа 1, в которой последовательно размещены в направлении оси чувствительности источник электронов 2, модулирующий электрод 3 и анод 4, управляемый генератор модулирующих импульсов 5, счетчик импульсов 6 и цифровая вычислительная машина 7, шина "подтверждение передачи" которой подключена к объединенным общей связью управляющему входу генератора модулирующих импульсов 5 и входу сброса R счетчика импульсов 6, счетный вход C которого соединен с моделирующим электродом 3 и подключен к выходу управляемого генератора модулирующих импульсов 5, а вход разрешения счета CE подключен к аноду 4, при этом выход счетчика импульсов 6 подключен к шине данных цифровой вычислительной машины (ЦВМ)7.

Цифровой гравиметр работает в режиме калибровки статический режим и в режиме определения ускорения силы тяжести динамический режим. В режиме калибровки статическом режиме определяют число импульсов N₀, соответствующее ортогональному расположению вектора ускорения силы тяжести относительно вектора начальной скорости пакета электронов совмещенного с осью чувствительности цифрового гравиметра (фиг.1). Цикл измерения начинается с установки на шине "подтверждение передачи" ЦВМ 7 напряжения высокого уровня, эта установка может осуществляться как программно, так и по команде оператора ЦВМ 7. При подаче напряжения высокого уровня на управляющий вход генератора модулирующих импульсов 5, он формирует на своем выходе и соответственно на моделирующем электроде 3 постоянный потенциал запирания и электроны от источника 2 прекращают свой дрейф, и электрический ток в цепи анода 4 отсутствует. Одновременно при подаче напряжения высокого уровня на управляющий вход сброса R на выходе счетчика импульсов 6 устанавливается нулевая информация и запрещается счет импульсов по счетному входу C. После приведения счетчика импульсов 6 в исходное состояние, ЦВМ 7 устанавливает на шине "подтверждение передачи" напряжение низкого уровня. При подаче напряжения низкого уровня на вход сброса R счетчик импульсов 6 переводится в состояние счета импульсов по счетному входу C, соединенному с модулирующим электродом 3 и выходом генератора 5. В результате воздействия на управляющем входе напряжения низкого уровня генератор 5 формирует на моделирующем электроде 3 и счетном входе C счетчика импульсов 6 импульсы с частотой модуляции f_м, которые заполняют счетчик импульсов 6. Поток электронов, созданный источником 2, с помощью модулирующего электрода 3 преобразуется в последовательно следующие друг за другом с частотой f_м пакеты инерционно заряженных электронов 8, которые свободно дрейфуют с постоянной скоростью V₀ через вакуумную экранированную камеру дрейфа 1. Через некоторый интервал времени t₀ первый пакет электронов, сформированный источником 2 и моделирующим электродом 3, достигнет анода 4 и создаст в цепи входа разрешения счета CE счетчика 6 импульс тока, который переведет счетчик импульсов 6 в состояние хранения информации и запретит счет по счетному входу C, ограничивая число импульсов заполнения счетчика импульсов 6. Таким образом на выходе счетчика 6 будет сформировано значение числа импульсов за интервал времени калибровки N₀. Значение N₀ заносится в память ЦВМ 7. Количество импульсов N₀ зависит от интервала времени t₀, за который первый сформированный пакет электронов, подчиняющийся закону прямолинейного равномерного движения, достигает анода 4, в свою очередь интервал времени t₀ определяется из соотношения L₀ расстояния между модулирующим электродом 3 и анодом 4, и величиной вектора начальной скорости пакета электронов (фиг.1).

В динамическом режиме на этапе определения ускорения силы тяжести измеряют число импульсов N₁, соответствующее взаимопротивоположному направлению векторов (фиг.2). В отличии от статического режима калибровки пакеты электронов, сформированные источником 2 и моделирующим электродом 3, будут перемещаться по закону прямолинейного равнозамедленного движения, так как векторы направлены в противоположные стороны, и промежуток времени, за который первый пакет электронов достигнет анода 4, будет отличаться от t₀ на величину, зависящую от действующего ускорения силы тяжести При этом в счетчик импульсов 6 будет записано значение числа импульсов N₁. На основе закономерностей равнозамедленного движения пакета электронов 8 с учетом ускорения силы тяжести g для данной технической реализации справедливо следующее соотношение

где
g значение ускорения силы тяжести;
L₀ расстояние между модулирующим электродом 3 и анодом 4;
f_м частота модуляции;
N₀ число импульсов за интервал времени калибровки;
N₁ число импульсов за интервал времени измерения ускорения силы тяжести.

Следовательно, после реализации алгоритма вычислений на основе приведенного соотношения на выходе ЦВМ 7 будет сформирована информация о значении ускорения силы тяжести.

В условиях практической реализации при L 0,2 м, при частоте модуляции f 40 мГц точность измерений составит 1,25•10^-5 м/с², а один цикл измерения ускорения силы тяжести составит не более 0,04 с, что свидетельствует о повышении быстродействия. Предлагаемый гравиметр выдает информацию о абсолютном значении ускорения силы тяжести и не требует априорной информации о значении g в отличии от прототипа. Отсутствие подвижного электрода значительно упрощает конструкцию вакуумированной камеры и значительно повышает помехоустойчивость гравиметра от механических колебаний. Наличие ЦВМ позволяет полностью автоматизировать процесс измерений и вычислений ускорения силы тяжести.

Использование: для создания быстродействующих малогабаритных прецезионных гравиметров. Сущность изобретения: устройство содержит вакуумную зкранированную камеру дрейфа, в которой последовательно размещены в направлении оси чувствительности источник электронов, моделирующий электрод и анод, управляемый генератор модулирующих импульсов, счетчик импульсов и цифровая вычислительная машина, шина "подтверждение передачи" которой подключена к объединенным общей связью управляющему входу генератора модулирующих импульсов, входу сброса R счетчика импульсов, счетный вход C которого соединен с модулирующим электродом и подключен к выходу управляемого генератора модулирующих импульсов, а вход разрешения счета CE подключен к аноду, при этом выход счетчика импульсов подключен к шине данных цифровой вычислительной машины, на выходе которой формируется численное значение ускорения силы тяжести 2 ил.

Цифровой гравиметр, содержащий вакуумную экранированную камеру дрейфа, в которой последовательно размещены в направлении оси чувствительности источник электронов, модулирующий электрод и анод, отличающийся тем, что он дополнительно содержит управляемый генератор модулирующих импульсов, счетчик импульсов и цифровую вычислительную машину, шина "подтверждение передачи" которой подключена к объединенным общей связью управляющему входу генератора модулирующих импульсов и входу сброса R счетчика импульсов, счетный вход С которого соединен с модулирующим электродом и подключен к выходу управляемого генератора модулирующих импульсов, а вход разрешения счета СЕ подключен к аноду, при этом выход счетчика импульсов подключен к шине данных цифровой вычислительной машины, на выходе которой формируется численное значение ускорения силы тяжести, определяемое из выражения

где g значение ускорения силы тяжести;
L₀ расстояние между модулирующим электродом и анодом;
f_м частота модуляции;
N₀ число импульсов за интервал времени калибровки;
N₁ число импульсов за интервал времени измерения ускорения силы тяжести.