ГРАВИТАЦИОННЫЙ ВАРИОМЕТР Российский патент 2001 года по МПК G01V7/10 

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при создании таких средств измерения градиентов гравитационного поля, как гравитационные вариометры и градиентометры. Эти приборы применяются в геологоразведке и геодезии для выработки информации о гравитационных аномалиях путем измерения составляющих градиента ускорения силы тяжести (вторые производные гравитационного потенциала).

Принцип действия гравитационного вариометра основан на взаимодействии пары пробных масс (грузов), разнесенных симметрично относительно измерительной оси с помощью связывающей их конструкции (коромысла), с гравитационным полем Земли.

Известен гравитационный вариометр [1], чувствительный элемент которого содержит коромысло, выполненное в виде стержня, с закрепленными на концах грузами. В центре коромысло подвешено на тонкой нити (торсионе), обладающей крутильной жесткостью. Измерение составляющих гравитационного градиента в этих приборах производится по углу закрутки торсиона, когда благодаря крутильной жесткости торсиона создается крутящий момент, компенсирующий момент, закручивающий коромысло вследствие неравномерности гравитационного поля.

Недостатками данной конструкции являются низкая точность и невысокие эксплуатационные характеристики, обусловленные тем, что в ней не предусмотрено никаких средств измерения гравитационного момента, кроме индикаторов угла поворота коромысла (чаще всего визуальных).

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принята конструкция гравитационного вариометра [2], содержащего коромысло с грузами на концах, вывешенное в герметичном корпусе с помощью торсиона, и систему управления движением коромысла, включающую емкостной датчик перемещений, электростатический датчик момента и электронные блоки управления. В этой конструкции на боковых поверхностях грузов размещены плоские роторные электроды; напротив них на корпусе установлены плоские электроды статора так, что каждой паре электродов на роторе соответствует пара электродов на статоре. Идентичные пары электродов ротора и статора образуют емкостной датчик перемещения, а другие идентичные пары образуют датчик момента. Электроды датчиков перемещения подключены к мостовой схеме; в одну диагональ моста включен генератор переменного тока, в другую - усилитель выходного сигнала. Выходной сигнал выпрямляется фазовым детектором, усиливается и подается на вход электростатического датчика момента.

Поворот коромысла под действием гравитационного момента приводит к изменению зазора между роторными и статорными электродами датчика угла и появлению сигнала рассогласования в диагонали моста. Сигнал выпрямляется, усиливается и поступает в качестве управляющего потенциала на соответствующие статорные пластины датчика момента.

Создаваемые таким образом электростатические силы возвращают коромысло в начальное положение. Сигнал датчика положения, пропорциональный изменению зазора между электродами при повороте коромысла на некоторый угол, используется в качестве полезного информационного сигнала для измерения величины гравитационного момента.

Недостатками конструкции-прототипа являются невысокая точность измерения и ограниченная область использования, обусловленные следующими обстоятельствами.

1) Зависимость электростатического взаимодействия от зазора между электродами, так как датчик момента развивает момент, пропорциональный квадрату напряжения и обратно пропорциональный квадрату величины зазора. Такая сложная зависимость момента от зазора затрудняет как процесс управления коромыслом гравитационного вариометра, так и, что особенно важно, измерение гравитационного градиента по величине управляющих моментов в большом диапазоне его изменения.

2) Малые пределы угла поворота коромысла вследствие того, что встречно обращенные рабочие поверхности роторных и статорных электродов датчика момента выполнены в виде параллельных плоскостей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение измерительного диапазона гравитационного вариометра.

Поставленная задача достигается тем, что электроды на коромысле и корпусе выполнены в виде сегментов цилиндров, причем каждый роторный электрод содержит пару одинаковых сегментов цилиндров, расположенных на коромысле так, что центральный угол между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров, отличается от центрального угла между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров статора, связанного с корпусом, цилиндрические поверхности соответствующих сегментов ротора и статора ориентированы встречно, линия пересечения указанных полуплоскостей совпадает с вертикальной осью симметрии коромысла, а выход электронного блока имеет два канала, каждый из которых подключен к соответствующим сегментам цилиндров статоров, оси которых лежат в одной плоскости с осью симметрии коромысла, при этом гравитационный вариометр содержит две пары датчиков момента с взаимно перпендикулярным расположением плоскостей симметрии и параллельным подключением к выходу электронного блока, и в каждой паре разность указанных выше центральных углов равна удвоенному значению угла α , при котором функция

достигает максимума,
где

α - центральный угол между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров на роторе и статоре;
L - расстояние между осью подвеса коромысла и осью цилиндра статора;
R - радиус цилиндров ротора и статора;
d - зазор между встречно ориентированными цилиндрическими поверхностями сегментов ротора и статора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлена функциональная схема гравитационного вариометра, а на фиг. 2 приведен график расчетной зависимости функции K(α), пропорциональной f(α), при различных величинах радиуса R цилиндров.

На фиг. 1 обозначены:
1 - вывешенное в герметичном корпусе (на фиг. 1 не показан) коромысло;
2 - грузы, жестко закрепленные на концах коромысла 1;
3 - роторные электроды электростатического датчика момента, установленные на коромысле 1;
4 - статорные электроды электростатического датчика момента, зафиксированные на корпусе гравитационного вариометра;
5 - электронный блок, к каждому из двух каналов выхода которого подключены сегменты цилиндров, расположенные с одной стороны электродов статора 4;
6 - фотоэлектрический датчик угловых перемещений коромысла 1 относительно корпуса, подключенный ко входу электронного блока 5;
U₁ и U₂ - управляющие электрические потенциалы, поступающие с каждого канала выхода электронного блока на сегменты цилиндров электродов статора 4;
M₁ и M₂ - моменты сил, создаваемые в каждой паре противолежащих электродов 3 и 4 датчиков момента;
R - радиус цилиндров ротора 3 и 4 датчиков момента;
O - вертикальная ось симметрии коромысла 1 в виде проекции на плоскость чертежа;
- оси цилиндров ротора 3 в виде проекции на плоскость чертежа;
- оси цилиндров статора 4 в виде проекции на плоскость чертежа;
- полуплоскости, проходящие через оси цилиндров ротора 3 в виде проекции на плоскость чертежа;
- полуплоскости, проходящие через оси цилиндров статора 4 в виде проекции на плоскость чертежа;
α - центральный угол между полуплоскостями O₄O'₃ и O₂O'₁ (или O'₄O₃ и O₁O'₂).

Функционирует гравитационный вариометр представленной конструкции следующим образом.

При отсутствии гравитационного момента коромысло 1 находится в равновесном положении и сигнал с фотоэлектрического датчика угла 6 равен нулю. Управляющие потенциалы U₁ и U₂, поступающие на статорные электроды 4 от электронного блока 5, равны между собой. Пары электродов датчика момента создают моменты 2M₁ и 2M₂, равные по величине и противоположные по направлению. В этом случае суммарный момент M_Σ, действующий на коромысло 1, равен нулю.

При действии гравитационного момента коромысло 1 отклоняется от равновесного положения. Фотоэлектрический датчик угла 6 вырабатывает сигнал, пропорциональный углу отклонения коромысла 1. Этот сигнал преобразуется электронным блоком 5 в управляющие потенциалы U₁ и U₂, которые подаются на статор 4 датчика момента. Поскольку в каждом датчике момента одна пара сегментов статора подключена к одному каналу выхода электронного блока 5 (потенциал U₁), а другая пара сегментов - к другому каналу (потенциал U₂) с обеспечением симметричной структуры подключения, то разность потенциалов (U₁ - U₂) обуславливает выработку датчиками момента суммарного момента M_Σ= (2M₁-2M₂), который компенсирует гравитационный момент и возвращает коромысло 1 в равновесное положение. Таким образом, разность потенциалов U₁ - U₂ является мерой гравитационного момента.

Управление коромыслом 1 гравитационного вариометра основано на кулоновском притяжении параллельных электростатически заряженных цилиндров. Тангенциальная составляющая силы притяжения F_t, двух заряженных цилиндров, один из которых размещен на коромысле 1, а другой - на корпусе прибора, в функции угла α поворота коромысла 1 определяется расчетной формулой
F_t = K ( α ) U²
где
ε₀ - диэлектрическая проницаемость сферы (ε₀ = 8,85 • 10^-12 Ф/м);
l - длина цилиндров ротора 3 и статора 4.

На фиг. 2 приведен график расчетной зависимости К(α) при различных радиусах R цилиндров для реального варианта градиентометра с d = 1 мм, l = 30 мм и L = 200 мм. Как видно из фиг. 2 тангенциальная составляющая силы притяжения F_t двух цилиндров радиуса R, центры которых сдвинуты на угол α₀, соответствующий максимуму характеристики K(α), в некоторой области углов, мало зависит от угла α - плоский участок зависимости. В этой области углов α силы электростатического взаимодействия определяются только квадратами разности потенциалов между цилиндрами. Выделив в функции К(α) коэффициент, не зависящий от угла α, можно записать:

где
Экспериментальная проверка показала, что силы притяжения двух сегментов цилиндров высотой ~ 2 мм отличаются от сил притяжения двух цилиндров того же радиуса не более чем в 1,5 раза. Это позволило спроектировать и испытать макет малогабаритного датчика момента с сегментами цилиндров в качестве электродов.

Момент, действующий на коромысло гравитационного вариометра, определяется выражением:
M = 2M₁-2M₂= 2R′K(U21

Обеспечив постоянство U₁ + U₂, например, включением электродов статора по схеме сдвоенного линейного потенциометра, запитываемого от 2-х источников постоянного тока, получаем момент с линейной зависимостью от разности управляющих потенциалов.

В результате экспериментальной проверки было установлено, что максимальный момент, развиваемый датчиком момента, составляет величину ± 10^-8 H • м с погрешностью измерения момента 10^-11 H • м. Диапазон рабочих углов составил ±30 угловых минут при R = 30 мм и d = 1 мм. Такие характеристики датчика момента обеспечивают компенсацию гравитационного момента, воздействующего на коромысло с моментом инерции около 10^-1 кг • м² при гравитационном градиенте 1 Этв.

Расположение роторных электродов на торцевых элементах коромысла позволило расширить рабочий диапазон управления движением коромысла гравитационного вариометра, а использование в качестве электродов сегментов цилиндров, расположенных на роторах и статорах указанным образом, обеспечило возможность выработки управляющего момента, величина которого в рабочем диапазоне не зависит от угла поворота коромысла.

Подключение электродов статора по схеме, определяющей постоянство суммы управляющих потенциалов, позволило получить линейную зависимость величины крутящего момента от разности управляющих потенциалов и, как следствие, обеспечило линейную зависимость измеряемого гравитационного момента от управляющего потенциала.

Выполнение в составе гравитационного вариометра двух пар датчиков момента с взаимно перпендикулярным расположением осей симметрии и параллельным подключением к выходу электронного блока позволило реализовать условие независимости управляющего момента от неравномерности зазоров между роторными и статорными электродами датчиков момента, вызванных технологическими погрешностями изготовления прибора, за счет того, что дифференциальные свойства системы управления обеспечиваются как увеличением количества взаимодействующих электродов, так и распределением их в пространстве.

В целом предлагаемая конструкция гравитационного вариометра позволила повысить точность измерений в широком диапазоне изменения гравитационного градиента.

На предприятии изготовлен опытный образец гравитационного вариометра, испытания которого показали положительные результаты. В настоящее время производится отработка технической документации для серийного производства гравитационных вариометров.

Технико-экономическая эффективность изобретения связана с возможностью получения более полной и достоверной информации о гравитационных аномалиях и качественно новым уровнем решения задач геодезии и геологоразведки.

Литература
1. Миронов B.C. "Курс гравиметрии", Л., Наука, 1980 г., с. 265-312.

2. Артамонов В.Е., Пчелинцев В.А. "Об одной схеме высокочувствительных крутильных весов" в сб. "Долговременная стабильность гравиинерциальных приборов", М., Наука, 1979 г., с.47-52.

Использование: при создании таких средств измерения градиентов гравитационного поля, как гравитационные вариометры и градиентометры. Сущность: конструкция включает вывешенное в герметичном корпусе коромысло с грузами, датчик угловых перемещений коромысла относительно корпуса, подключенный ко входу электронного блока следящей системы, электростатические датчики момента, роторные электроды которых симметрично размещены на коромысле. Взаимодействующая с каждым из них пара одинаковых статорных электродов, подключенных к выходу электронного блока, закреплена на корпусе. Электроды на коромысле и корпусе выполнены в виде сегментов цилиндров. Каждый роторный электрод содержит пару одинаковых сегментов цилиндров, размещенных на коромысле так, что центральный угол между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров, отличается от центрального угла между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров статора, на расчетную величину, определяемую расстоянием между осью подвеса коромысла и осью статора, радиусом цилиндров ротора и статора и зазором между встречно ориентированными цилиндрическими поверхностями сегментов ротора и статора. При этом выход электронного блока имеет два канала, каждый из которых подключен к сегментам цилиндров статора, оси которых лежат в одной плоскости с осью симметрии коромысла. Гравитационный вариометр содержит две пары датчиков момента с взаимно перпендикулярным расположением плоскостей симметрии и параллельным подключением к выходу электронного блока. Технический результат: повышение точности и расширение измерительного диапазона. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гравитационный вариометр, содержащий вывешенное в герметичном корпусе коромысло с грузами, электростатические датчики момента, роторные электроды которых симметрично установлены на коромысле, а взаимодействующая с каждым из роторных электродов пара одинаковых статорных электродов, подключенных к выходу электронного блока следящей системы, закреплена на корпусе, датчик угловых перемещений коромысла относительно корпуса, подключенный ко входу электронного блока, отличающийся тем, что электроды на коромысле и корпусе выполнены в виде сегментов цилиндров, причем каждый роторный электрод содержит пару одинаковых сегментов цилиндров, расположенных на коромысле так, что центральный угол между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров, отличается от центрального угла между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров статора, связанного с корпусом, при этом цилиндрические поверхности соответствующих сегментов ротора и статора ориентированы встречно, линия пересечения указанных полуплоскостей совпадает с вертикальной осью симметрии коромысла, а выход электронного блока имеет два канала, каждый из которых подключен к сегментам цилиндров статоров, оси которых лежат в одной плоскости с осью симметрии коромысла. 2. Гравитационный вариометр по п.1, отличающийся тем, что содержит две пары датчиков момента с взаимно перпендикулярным расположением плоскостей симметрии и параллельным подключением к выходу электронного блока. 3. Гравитационный вариометр по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в каждой паре ортогональных датчиков момента разность центральных углов равна удвоенному значению угла α, при котором функция

достигает максимум,
где

α - центральный угол между полуплоскостями, проходящими через оси цилиндров на роторе и статоре;
L - расстояние между осью подвеса коромысла и осью цилиндра статора;
R - радиус цилиндров ротора и статора;
d - зазор между встречно ориентированными цилиндрическими поверхностями сегментов ротора и статора.