Изобретение относится к области гравитационных измерений, в частности к конструкциям гравиметрических устройств, и может быть использовано при проведении высокоточных измерений силы тяжести или ее приращений.
Известен гравиметр, содержащий упругую систему, основу которой составляет главная спиральная пружина, пробную массу и отсчетное устройство (К.Е.Веселов “Гравитационная съемка”, Москва, “Недра” 1986 г., стр.25-26) - аналог.
Однако данный гравиметр имеет недостаточную стабильность и точность из-за большого временного дрейфа показаний, что характерно для спиральных пружин, в которых материал испытывает деформацию сдвига.
Известен гравиметр, содержащий упругий элемент в виде двух ленточных закрученных горизонтальных торсионных пружин, пробную массу и устройство для регистрации и обработки результатов измерений (К.Е.Веселов “Гравитационная съемка”, Москва, “Недра” 1986 г., стр.51-52) - прототип.
Данный гравиметр также имеет недостаточную стабильность и точность из-за низкой жесткости ленточных пружин в горизонтальной плоскости, что приводит к неконтролируемым горизонтальным смещениям пробной массы в условиях неустранимой микросейсмики.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности и стабильности измерений гравиметра.
Для достижения указанного технического результата в гравиметре, содержащем корпус с размещенными в нем упругим элементом, пробной массой, устройством регистрации смещения пробной массы и системой обработки результатов, один конец упругого элемента установлен неподвижно относительно корпуса гравиметра, а другой закреплен с возможностью перемещения относительно него и соединен с пробной массой, при этом упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины и выполнен со следующим соотношением размеров L/H≤10, L/hmin≤100, L/bmin≤30, где
L - длина плоской пружины,
Н - расстояние между плоскими пружинами по высоте упругого элемента,
hmin - минимальная толщина плоской пружины,
bmin - минимальная высота плоской пружины.
В гравиметре по упругий элемент может быть выполнен из кварца.
В гравиметре упругий элемент может быть выполнен из металла, например из элинварового сплава.
Гравиметр, в котором упругий элемент может быть выполнен в виде призмы.
Гравиметр, в котором упругий элемент может быть выполнен из нескольких элементов, соединенных между собой при помощи сварки.
Гравиметр, в котором ширина упругого элемента может быть выполнена переменной по его длине.
Гравиметр, в котором высота упругого элемента может быть выполнена переменной по его длине.
В гравиметре пробная масса может состоять из двух частей, расположенных по разные стороны от упругого элемента.
В гравиметре упругий элемент и пробная масса могут быть расположены в термостатированном корпусе.
В гравиметре термостат может быть выполнен, по меньшей мере, двухступенчатым.
В гравиметре устройство регистрации смещения пробной массы может быть выполнено в виде гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.
В гравиметре по упругий элемент может быть расположен в корпусе из материала с теплопроводностью не меньше 100 Дж/с×м.
В гравиметре система обработки результатов может быть выполнена в виде вычислительного устройства.
Устройство иллюстрируется чертежами на фиг.1-6.
На фиг.1 показана общая схема гравиметра, пробная масса которого выполнена в виде одного элемента.
На фиг.2 - общая схема гравиметра с пробной массой, размещенной по обе стороны упругого элемента.
На фиг.3 - упругий элемент гравиметра, толщина и высота упругих пружин которого постоянна по длине.
На фиг.4 - вид А на фиг.3.
На фиг.5 - упругий элемент гравиметра, толщина и высота упругих пружин которого переменна по его длине.
На фиг.6 - вид Б на фиг.3.
Гравиметр содержит корпус 1 с размещенными в нем упругим элементом 2, имеющим заявляемые размеры, и пробной массой 3, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов 4. В гравиметре один конец упругого элемента 2 может быть установлен неподвижно относительно корпуса 1 гравиметра, а другой закреплен с возможностью перемещения относительно него и соединен с пробной массой 3. В гравиметре пробная масса 3 может быть как выполнена в виде одного элемента, так и состоять из двух частей, расположенных по разные стороны от упругого элемента 2.
В случае, если устройство для регистрации смещения пробной массы 3 выполнено в виде лазерного гетеродинного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, оно может быть расположено как внутри корпуса 1, так и за его пределами, и выполнено состоящим, например, из трех частей. Первая из которых расположена вне корпуса 1 (I), вторая - расположена в корпусе 1 и установлена неподвижно относительно него (II), а третья - расположена в корпусе 1 и выполнена с возможностью перемещения относительно части гетеродинного лазерного измерителя перемещений, неподвижно установленного в корпусе 1 (III).
Часть (I) состоит из лазера 5, оптического частотного модулятора 6, установленного вдоль оси лазера 5 и подключенного к задающему генератору 7, фотоприемника 8, установленного на выходе сигнала со светоделителя 9, поляризатора 10 и фазометра 11, на опорный вход которого подается сигнал с задающего генератора 7, а на измерительный вход - сигнал с фотоприемника 8, причем выход фазометра подключен к вычислительному устройству 4.
Часть (II) состоит из зеркальной призмы 12, установленной между уголковыми отражателями 13 и 14, и двулучепреломляющей призмы 15.
Часть (III) состоит из уголковых отражателей 13 и 14, причем для достижения оптимального результата вершины уголковых отражателей могут располагаться, по меньшей мере, в одной из вертикальных плоскостей симметрии упругого элемента 2.
В корпусе 1 выполнено окно для прохождения сигнала гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, а сам корпус 1 размещен в термостате 16.
Заявляемая форма упругого элемента и соотношения его размеров обусловлены следующим.
В заявляемом гравиметре упругая система является неастазированной, а как известно, неастазированные гравиметры имеют механическую чувствительность на несколько порядков ниже, чем астазированные гравиметры.
Для достижения необходимой чувствительности и точности неастазированных гравиметров упругая система должна иметь достаточно высокую жесткость в направлении неизмеряемых смещений, то есть представлять собой, по возможности, одностепенную колебательную систему. Так как материал упругого элемента в гравиметрах имеет высокие упругие свойства, такая колебательная система имеет малое собственное демпфирование. При воздействии микросейсмики возбуждаются сильные колебания не только в вертикальном направлении, но и других. Это приводит к случайному перераспеределению энергии колебаний между степенями свободы упругой колебательной системы, к расширению спектра частот выходного сигнала регистратора смещения пробной массы, что затрудняет обработку этого сигнала, а значит и к снижению точности измерений.
Этот принципиальный недостаток неастазированных гравиметров можно устранить выбором конфигурации упругого элемента и соотношения его размеров. Заявляемые конфигурации, в частности то, что упругий элемент выполнен плоским, и размеры упругого элемента позволяют устранить данный недостаток и улучшить точность и стабильность результатов измерений гравиметра.
Если ввести правую прямоугольную систему координат: начало “О” в центре жесткости упругого элемента, совпадающем с его центром симметрии, ось O-Z направлена вниз вдоль вектора силы тяжести, O-X перпендикулярна вертикальной плоскости упругого элемента, O-Y направлена по продольной оси упругого элемента.
Полное смещение Δz пробной массы в поле тяжести напряженностью гравитационного поля g или полный прогиб упругого элемента дается формулой
где М - значение пробной массы, включая массу части упругого элемента, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса,
L - длина плоской пружины,
g - напряженность гравитационного поля (ускорение свободного падения),
Е - модуль Юнга материала упругого элемента,
b - ширина плоской пружины,
h - высота плоской пружины,
J - момент инерции сечения плоской пружины. Следовательно, жесткость Кz упругого элемента в направлении оси O-Z равна
Жесткость Кх упругого элемента в направлении оси O-X равна
для случая боковой силы, приложенной примерно в центре жесткости (что имеет место для предлагаемого изобретения), и
для случая боковой силы, приложенной к подвижной части упругого элемента.
Жесткость Goy упругого элемента на кручение вокруг оси O-Y для предлагаемого изобретения дается формулой
где My - момент силы вокруг оси O-Y,
ϕу - угол закручивания подвижной части упругого элемента вокруг оси O-Y.
где М - значение пробной массы, включая массу части упругого элемента, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса,
L - длина плоской пружины,
Е - модуль Юнга материала упругого элемента,
b - ширина плоской пружины,
h - высота плоской пружины.
Для достижения оптимального результата упругий элемент может быть выполнен из материала, обладающего малым несовершенством упругости, высокой стабильностью упругих характеристик и высокими упругими и термомеханическими характеристиками, такими как, например, механическая и усталостная прочность. К таким материалам относятся, например, кварц или металл, например элинваровый сплав.
Например, кварц имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения, а элинваровый сплав еще и низкий коэффициент термоэластичности, т.е. его модуль упругости не зависит от температуры.
Высота и толщина упругого элемента могут быть выполнены как постоянной по его длине, так и переменной. В случае если эти величины постоянны по длине пружины, h min и bmin будут равняться b и h, т.е. высоте и толщине пружины.
Пробная масса может быть выполнена в виде одного или нескольких, например двух, элементов. Заявляемый технический результат будет достигнут и в том и в другом случае. Однако оптимальный технический результат будет достигаться в следующих случаях:
- если пробная масса выполнена в виде одного элемента и ее центр масс совпадает с центром жесткости упругого элемента,
- если пробная масса выполнена из двух одинаковых частей, расположенных симметрично относительно центра жесткости упругого элемента, так как в этом случае уменьшается чувствительность устройства регистрации пробной массы к крутильным смещениям упругого элемента относительно оси O-Y.
Пробная масса и упругий элемент могут быть выполнены в виде отдельных деталей, причем упругий элемент может быть механически соединен с пробной массой и выполнен с возможностью перемещения относительно последней. Однако не исключена возможность того, что в гравиметре упругий элемент может быть жестко соединен с пробной массой, или упругий элемент и пробная масса могут быть выполнены в виде одной детали, причем варианты реализации различных конструкций соединения пробной массы и упругого элемента определяются только технологичностью гравиметра и его конструкцией.
В гравиметре упругий элемент и пробная масса расположены в термостатированном корпусе, причем для достижения оптимальных результатов измерений его выполняют из материала с теплопроводностью не меньше 100 Дж/с×м.
Гравиметр работает следующим образом.
Приращение силы тяжести Δg вызывает изменение веса пробной массы 3, что приводит к деформации упругого элемента 2 по оси O-Z, и, как следствие, к появлению оптической разности хода лазерного гетеродинного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, что вызывает разность фаз между опорным и измеряемым сигналом, который измеряется фазометром 11. По измеренной разности фаз и известной цене деления гравиметра, определяемой предварительной градиуровкой, в вычислительном устройстве 4 определяют Δg.
Пример:
Испытывали гравиметры
1. С кварцевым упругим элементом со следующими размерами: L=120 мм, Н=50 мм, b=12 мм, h=1 мм.
2. С упругим элементом из элинварового сплава со следующими размерами: L=120 мм, Н=45 мм, b=10 мм, h=0,7 мм,
в результате в обоих случаях было установлено, что минимальное приращение силы тяжести, которое можно зарегистрировать, т.е. отношение Δg/g≈5×10-9, подтверждает высокие характеристики гравиметра с заявленным упругим элементом.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ГРАВИМЕТР | 2003 |
|
RU2253882C1 |
| Гравиметр | 2023 |
|
RU2797144C1 |
| АБСОЛЮТНЫЙ БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ГРАВИМЕТР | 2011 |
|
RU2475786C2 |
| Лазерный космический гравитационный градиентометр | 2021 |
|
RU2754098C1 |
| ГРАВИТАЦИОННЫЙ ГРАДИЕНТОМЕТР С ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТОЙ СОБСТВЕННЫХ КОЛЕБАНИЙ | 2015 |
|
RU2577550C1 |
| Гравиметр | 1982 |
|
SU1078389A1 |
| БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГРАВИМЕТР | 2001 |
|
RU2193786C1 |
| Способ измерения на движущемся объекте абсолютного значения силы тяжести и гравиметры для его осуществления | 2018 |
|
RU2683117C1 |
| Интерферометр абсолютного гравиметра | 2017 |
|
RU2663542C1 |
| СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НА ПОДВИЖНОМ ОСНОВАНИИ АБСОЛЮТНОГО ЗНАЧЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ И ГРАВИМЕТРЫ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ | 2013 |
|
RU2523108C1 |
Использование: при проведении высокоточных измерений силы тяжести или ее приращений. Сущность: гравиметр содержит корпус с размещенными в нем упругим элементом, пробной массой, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов. Упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины и выполнен с заданным соотношением размеров. Технический результат: увеличение точности и стабильности измерений гравиметра. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.
где L - длина плоской пружины;
Н - расстояние между плоскими пружинами по высоте упругого элемента;
hmin - минимальная толщина плоской пружины;
bmin - минимальная высота плоской пружины.
| ВЕСЕЛОВ К.Е | |||
| Гравиметрическая съемка | |||
| М.: Недра, 1986, с,51-52 | |||
| КВАРЦЕВЫЙ ГРАВИМЕТР | 2000 |
|
RU2171481C1 |
| Гравиметр | 1974 |
|
SU548820A1 |
| JP 60050476 А, 20.03.1985 | |||
| МНОГОКОВШОВЫЙ ЭКСКАВАТОР | 0 |
|
SU170399A1 |
