ГРАВИМЕТР Российский патент 1999 года по МПК G01V7/16 

Изобретение относится к приборам точного приборостроения в частности, к измерителям гравитационного поля подвижных объектов, чувствительных к изменению температуры окружающей среды.

Известна конструкция принудительно-вентилируемой гиростабилизированной платформы, содержащая пустотелую платформу, во входное отверстие которой установлен вентилятор и нагреватель воздуха, а в выходных отверстиях размещены поплавковые гироскопические чувствительные элементы.

Гироскопические чувствительные элементы снабжены термостатами, состоящими из внутренней оболочки, выполненной из теплопроводного материала, с размещенными на внешней поверхности нагревателем и датчиком температуры, теплоизоляционной клиновой оболочки и наружной, снабженной оребрением, оболочки [1].

Применение принудительной вентиляции с постоянным расходом воздуха в широком диапазоне температур окружающей среды увеличивает энергоемкость платформы, изменение же расхода воздуха изменяет градиент температур на внутренней оболочке, что приводит к уменьшению точности поплавковых гироскопических чувствительных элементов и платформы.

Известна конструкция гравиметрического чувствительного элемента, в термостате которого для защиты чувствительного элемента от колебания температуры окружающей среды внутренняя оболочка, выполненная из теплопроводного материала, заключена в наружные теплоизоляционные оболочки: сосуд Дьюара и оболочку из теплоизолятора [2].

Ввиду того, что в этой конструкции не решена проблема теплоотвода от чувствительного элемента, применение ее ограничено, и она используется только для гравиметрических чувствительных элементов без внутренних источников тепла (двигателей, датчиков моментов и т.д.).

В морском статическом гравиметре, принятом прототипом и содержащем корпус, платформу в кардановом подвесе с ориентированными по одной оси гироскопическим чувствительным элементом, гравиметрический чувствительный элемент заключен в два коаксиальных термостата, каждый из которых состоит из внутренней оболочки, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем и датчиком температуры, и наружной теплоизоляционной оболочки, например, сосуда Дьюара [3].

Недостатком прототипа является то, что гравиметр имеет высокую точность при работе в очень узком диапазоне температур окружающей среды, так как чувствительные элементы перегреваются при высокой температуре окружающей среды из-за наличия вокруг гравиметрического чувствительного элемента двух термостатов, а, с другой стороны, из-за ограничений в толщинах наружных теплоизоляционных кожухов, при низких температурах необходима большая мощность тепловыделения нагревателей термостатов.

Гравиметр содержит корпус, платформу в кардановом подвесе с ориентированными по одной оси гироскопическим чувствительным элементом и гравиметрическим чувствительным элементом, заключенным в два коаксимальных термостата, каждый из которых состоит из внутренней оболочки, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем и датчиком температуры, и наружной теплоизоляционной оболочки - сосуда Дьюара.

Для увеличения точности гравиметра в широком диапазоне изменения температур окружающей среды, кроме того, для снижения мощности энергопотребления системы обогрева гравиметра, платформа выполнена в виде кольца, к которому жестко крепятся два теплообменника с оребрением, обращенным во внутреннюю полость кольца, сообщающуюся через отверстия в кольце, и установленные в них вентиляторы с внутренней полостью корпуса, причем внутренняя оболочка первого термостата, охватывающего гравиметрический чувствительный элемент, через отверстия в крышке сосуда Дьюара первого термостата соединена стержнями-теплостоками с внутренней оболочкой второго термостата, которая, в свою очередь, с противоположной стороны стержнями-теплостоками через отверстия в крышке сосуда Дьюара второго термостата соединена со свободной от оребрения поверхностью теплообменника, на которой рядом со стержнями-теплостоками размещены дополнительные нагреватель и датчик температуры.

Предложенное изобретение обеспечивает точности гравиметра в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды при одновременном снижении мощности электропотребления системы обогрева гравиметра.

На фиг. 1 и 2 схематически представлен предложенный гравиметр: на фиг. 1 - поперечное сечение прибора А-А, на фиг. 2 - сечение Б-Б по кольцу платформы и стержням-теплостокам второго термостата гравиметрического чувствительного элемента.

Гравиметр содержит корпус 1, платформу 2 в кардановом подвесе 3 с ориентированными по одной оси гироскопическим чувствительным элементом 4 и гравиметрическим чувствительным элементом 5. Платформа 2 выполнена в виде кольца 6, к которому жестко крепятся два теплообменника 7 и 8 с оребрением, обращенным во внутреннюю полость кольца 6, сообщающуюся через отверстия в кольце 9, и установленные в них вентиляторы 10 с внутренней полостью корпуса 1. Гироскопический чувствительный элемент 4 установлен на основание 11, которое крепится к свободной от оребрения поверхности теплообменника 7. В местах крепления основания 11 к теплообменнику 7 размещены нагреватель 12 и датчик температуры 13. Гироскопический чувствительный элемент 4 и электронные блоки 14 накрыты теплоизолированным кожухом 15.

Гравиметрический чувствительный элемент 5 заключен в два коаксиальных термостата 26 и 17, т.е. первый (термостат 16) охватывает гравиметрический чувствительный элемент 5, а второй (термостат 17) - термостат 16. Термостат 16 состоит из внутренней оболочки 18, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем 19 и датчиком температуры 20, и наружной теплоизоляционной оболочки - сосуда Дьюара 21 с крышкой 22. В свою очередь, термостат 17 состоит из внутренней оболочки 23, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем 24 и датчиком температуры 25, и наружной теплоизоляционной оболочки - сосуда Дьюара 26 с крышкой 27. Внутренняя оболочка 18 первого термостата 16 через отверстия в крышке 22 сосуда Дьюара 21 соединена металлическими стержнями-теплостоками 28 с внутренней оболочкой 23 второго термостата 17, которая, в свою очередь, с противоположной стороны металлическими стержнями-теплостоками 29 через отверстия в крышке 27 сосуда Дьюара 26 второго термостата соединена со свободной от оребрения поверхностью теплообменника 8. Рядом со стержнями-теплостоками 29 размещены дополнительные нагреватель 30 и датчик температуры 31.

В полости корпуса 1 прибора перед вентилятором 10 установлен датчик температуры 32.

В полости теплообменника 8 между стержнями-теплостоками 29 размещен электронный блок 33, электрически связанный с нагревателем 30 и датчиками температуры 31,32 и вентиляторами 10.

В полости сосуда Дьюара 21 размещен электронный блок 34, электрически связанный с нагревателями 19, 24 и датчиками температур 20, 25.

Устройство работает следующим образом.

Гравиметр обеспечивает высокую точность при стабилизированной температуре гироскопических чувствительных элементов 4 и гравиметрического чувствительного элемента 5 во всем диапазоне изменения температур окружающей среды.

Тепло от гироскопических чувствительных элементов 4 и электронных блоков 14, с одной стороны, рассеивается в воздушную полость корпуса прибора 1 через теплоизолированный кожух 15, с другой стороны, через основание 11 поступает на теплообменник 7.

Тепло от гравиметрического чувствительного элемента 5 поступает на внутреннюю оболочку 18 термостата 16, а затем вместе с теплом от электронных блоков 34 по металлическим стержням-теплостокам 28 на внутреннюю оболочку 23 термостата 17. Тепло, пройдя по толстостенной внутренней оболочке 23 и по металлическим стрежням-теплостокам 29, передается на свободную от оребрения поверхность теплообменника 8, на которую попадает тепло и от электронного блока 33.

Через оребрение теплообменников 7 и 8 тепло отдается воздуху внутренней полости кольца 6 и рассеивается во внутреннюю полость корпуса 1 наружней поверхности кольца 6 и через отверстия в кольце 9 и вентиляторы 10.

Все выделяемое в гравиметре тепло рассеивается в окружающую среду корпусом 1.

При максимальной температуре окружающей среды по сигналу датчика температуры 32 электронным блоком 33 включаются вентиляторы 10. Изменения температуры теплообменника, возникающие за счет турбулезации потоков воздуха, воспринимаются датчиками температуры 13 и 31. По сигналам от этих датчиков электронными блоками 14, 33 и нагревателями 12 и 30 соответственно поддерживается температура основания 11 и поверхности теплообменника 8 в местах крепления стержней-теплостоков 29. Колебания температуры поверхности теплообменника 8 и тепловой поток, проникающий через стенки сосуда Дьюара 26 от наружных источников тепла (датчиков углов и моментов, двигателей системы стабилизации платформы - на чертежах не показаны), уменьшаются системой термостатирования внутренней оболочки 23, состоящей из датчика температуры 25, термостатированного электронного блока 34 и нагревателя 24. Колебания температуры в термостате 17, проникающие по стержням-теплостокам 28 на внутреннюю оболочку 18, компенсируется ее системой термостатирования, состоящей из датчика температуры 20, термостатированного электронного блока 34 и нагревателя 19.

При уменьшении температуры окружающей среды по сигналу с датчика температуры 32 электронным блоком 33 уменьшается производительность вентиляторов 10. При температуре воздуха близкой к нулевой вентиляторы выключены и системы термостатирования гироскопического чувствительного элемента 4 и часть системы термостатирования гравиметрического чувствительного элемента 5, состоящая из датчика температуры 31, электронного блока 33 и нагревателя 30, работают в режиме обогрева. Остальные ступени регулирования гравиметрического чувствительного элемента 4 работают в прежнем режиме.

Расчетами и экспериментально установлено, что при использовании указанного технического решения, с одной стороны, увеличивается жесткость конструкции гравиметра, а с другой стороны, снижается температура термостатирования чувствительных элементов и энергопотребление прибора в режиме обогрева почти в два раза, увеличивается по сравнению с прототипом точность регулирования температуры до 0,001^oC при расширении диапазона изменения температуры окружающей среды от -50^oC до +50^oC. За счет этого при соответствующей конструкции гравиметрического чувствительного элемента 5 точность наблюдений гравиметром составляет до 0,1 мГал.

Таким образом, предлагаемое устройство гравиметра обеспечивает точность гравиметра в широком диапазоне изменения температуры окружающей среды при одновременном снижении энергопотребления по сравнению с прототипом в 1,5 раза.

Источники информации
1. Katz L. Tempereturs control sistem. USPO, N 3132523, 1964, p. 74-5.

2. Юзефович А. П. и Огородова Л.В. Гравиметрия. - М.: Недра, 1980, с. 127.

3. Юзефович А. П. и Огородова Л.В. Гравиметрия. - М.: Недра, 1980, с. 197-234, 131.

Изобретение предназначено для измерения гравитационного поля подвижных объектов, чувствительных к изменению температуры окружающей среды. Гравиметр содержит корпус, платформу в кардановом подвесе с ориентированными по одной оси гироскопическим чувствительным элементом и гравиметрическим чувствительным элементом. Последний заключен в два коаксиальных термостата. Каждый термостат состоит из внутренней оболочки, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем и датчиком температуры, и наружной теплоизоляционной оболочки - сосуда Дьюара. Платформа выполнена в виде кольца, а которому жестко крепятся два теплообменника с оребрением, обращенным во внутреннюю полость кольца. Эта полость через отверстия в кольце сообщается с внутренней полостью корпуса. Внутренняя оболочка первого термостата через отверстия в крышке сосуда Дьюара первого термостата соединена стержнями-теплостоками с внутренней оболочкой второго термостата, которая, в свою очередь, с противоположной стороны стержнями-теплостоками через отверстия в крышке сосуда Дьюара второго термостата соединена со свободной от оребрения поверхностью теплообменника. Изобретение позволяет увеличить точность гравиметра в широком диапазоне изменения температур окружающей среды, снижает энергоемкость гравиметра ввиду снижения мощности энергопотреб -ления системы обогрева гравиметра. 2 ил.

Гравиметр, содержащий корпус, платформу в карданном подвесе с ориентированными по одной оси гироскопическим чувствительным элементом и гравиметрическим чувствительным элементом, заключенным в два коаксиальных термостата, каждый из которых состоит из внутренней оболочки, выполненной из теплопроводного металла, с размещенными на внешней поверхности нагревателем и датчиком температуры, и наружной теплоизоляционной оболочки - сосуда Дьюара, отличающийся тем, что платформа выполнена в виде кольца, к которому жестко крепятся два теплообменника с оребрением, обращенным во внутреннюю полость кольца, сообщающуюся через отверстия в кольце, и установленные в них вентиляторы с внутренней полостью корпуса, причем внутренняя оболочка первого термостата, охватывающего гравитаметрический чувствительный элемент, через отверстия в крышке сосуда Дьюара первого термостата соединена стержнями-теплостоками с внутренней оболочкой второго термостата, которая, в свою очередь, с противоположной стороны стержнями-теплостоками через отверстия в крышке сосуда Дьюара второго термостата соединена со свободной от оребрения поверхностью теплообменника, на которой рядом со стержнями-теплостоками размещены дополнительные нагреватель и датчик температуры.