ГАЗОЖИДКОСТНЫЙ ГРАВИМЕТР Российский патент 2006 года по МПК G01V7/00 

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для относительных измерений силы тяжести в геодезических и разведочных целях.

Наиболее распространены в практике статические гравиметры, в которых чувствительным элементом является пружина, нагруженная пробным телом. [Миронов B.C. Курс гравиметрии. Л.: Недра, 1980]. Основными их недостатками являются нестабильность во времени упругих характеристик чувствительного элемента (пружины), приводящая к дрейфу нуля прибора, нелинейность зависимости упругих характеристик материала пружины (металла или кварца) от температуры, которая затрудняет термокомпенсацию в достаточно широком интервале температур, и зависимость показаний от наклонов корпуса прибора, повышающая требования к его юстировке и понижающая тем самым производительность съемочных работ. Эти недостатки ограничивают точность относительных измерений силы тяжести на уровне ±0,01 мГал в полевых и ±0,001 мГал в стационарных условиях, а наличие дрейфа нуля гравиметров препятствует определению неприливных изменений силы тяжести (НИСТ) точнее нескольких десятых долей миллигала.

Наиболее близким к заявляемому является газожидкостный гравиметр [Авторское свидетельство СССР №1241885, кл. G 01 V 7/02, 1986], содержащий вакуумированный корпус, в котором установлены верхний и нижний замкнутые соосные цилиндрические резервуары, нижние части которых выполнены в форме концентрических сфер, частично заполненых ртутью. Они сообщаются между собой через заполненную ртутью соединительную трубку. Изменения силы тяжести определяются по вызванным ими изменениям уровней ртути в резервуарах, которые регистрируются емкостным преобразователем. Его статорные обкладки подвешены к корпусу на гибкой тяге в точке, совпадающей с центром концентрических сфер. Такая конфигурация обеспечивает независимость показаний гравиметра от наклонов его корпуса. При этом верхняя часть верхнего резервуара вакуумирована, а в верхней части нижнего резервуара, заполненной газом, жестко закреплен термокомпенсатор в виде термочувствительного элемента, связанного своим подвижным концом с большим сильфоном, образующим верхнее основание резервуара. Параметры термокомпенсатора подобраны так, чтобы изменение объема резервуара происходило по закону

ΔV=β·V·Δt,

где ΔV - приращение объема, соответствующее приращению температуры Δt, β - коэффициент объемного расширения газа, V - объем газа в резервуаре при температуре термостатирования, т.е. по закону изобарического расширения самого газа. Очевидно, что при этом давление газа в резервуаре 3 будет оставаться постоянным независимо от его начального значения.

К недостаткам этого гравиметра относятся малый диапазон измерений, обусловленный использованием для индикации уровней рабочей жидкости (ртути) емкостного преобразователя с изменяемым зазором между обкладками, влияние на измерения теплового расширения ртути и градиентов температуры в объеме прибора и сложность транспортировки прибора, связанная с отсутствием арретира.

В предлагаемом гравиметре статорные обкладки емкостного преобразователя выполнены в виде электрически соединенных между собой узких колец равной ширины, нанесенных с промежутками, равными ширине колец, на внешнюю боковую поверхность широкого внутреннего кольца из диэлектрика. Роторные обкладки нанесены в виде таких же колец на внутреннюю боковую поверхность цилиндрического диэлектрического поплавка большего диаметра, установленного соосно внутреннему кольцу с малым радиальным зазором к нему и с возможностью свободного вертикального перемещения. Такая конфигурация обкладок обеспечивает практически неограниченный диапазон измерений без ущерба для точности.

Гравиметр снабжен арретиром, выполненным в виде плотно надетого на нижнюю часть поплавка широкого ободка с уплотнителем по периметру и управляемых извне трех механических фиксаторов с возможностью плотного прижимания ободка поплавка к сферическому участку внутренней поверхности верхнего резервуара выше уровня ртути и одновременной фиксации жесткого металлического кольца, связанного с внутренним диэлектрическим кольцом через упругие элементы. Для ограничения движения ртути над свободной поверхностью ртути в нижнем резервуаре установлена полупроницаемая перегородка из пористого стекла.

Термочувствительный элемент выполнен в виде замкнутого сосуда, заполненного термокомпенсирующей жидкостью, верхнее основание которого снабжено малым сильфоном с подвижным основанием, жестко связанным с основанием большого сильфона. К сосуду подсоединены два дополнительных объема с термокомпенсирующей жидкостью, находящихся в тепловом контакте с объемами ртути соответственно в соединительной трубке и в нижнем резервуаре. Эти объемы подобраны так, чтобы осуществлялась полная компенсация влияния теплового расширения самой ртути даже при наличии градиентов температуры в объеме прибора. Кроме того, высота столба, объем и площадь свободной поверхности ртути в верхнем резервуаре, объем погруженной части поплавка и площадь сечения поплавка по урезу ртути подобраны так, чтобы действующая на поплавок архимедова сила и давление ртути на дно резервуара не зависели от температуры.

Концептуальная схема предлагаемого гравиметра показана на фиг.1. В нем ртутный столб 1 занимает нижние части верхнего вакуумированного резервуара 2 и нижнего резервуара с газом 3, а также соединяющую их трубку 4. Индикация перемещений верхнего уровня ртутного столба, обусловленных изменениями силы тяжести, осуществляется емкостным преобразователем с изменяемой площадью перекрытия обкладок, статорные обкладки которого нанесены в виде колец на внешнюю боковую поверхность непроводящего цилиндра 5, подвешенного к корпусу на гибкой тяге 6 и снабженного жидкостным демпфером, а роторные обкладки нанесены на коаксиальную ей внутреннюю боковую поверхность поплавка 7. Арретирование гравиметра осуществляется с помощью фиксаторов 8, прижимающих поплавок к стенкам резервуара 2 и одновременно фиксирующих цилиндр 5. Полупроницаемая перегородка 9 в резервуаре 3 препятствует попаданию ртути в его верхнюю часть. Система арретировки существенно смягчает требования к условиям транспортировки и хранения гравиметра. Питание емкостного преобразователя и вывод информации осуществляется через электровводы 10.

Термокомпенсация в гравиметре происходит следующим образом.

При увеличении, например, температуры жидкость в резервуаре 11 расширяется и растягивает сильфон 12 и связанный с ним сильфон 13, увеличивая тем самым объем резервуара 3. При уменьшении температуры - наоборот. Объемы резервуаров 3 и 11, диаметры сильфонов 12 и 13 и коэффициент объемного расширения жидкости подобраны так, чтобы изменение объема резервуара 3 при изменении температуры происходило по закону

где V - объем резервуара при температуре t, V₀ - объем резервуара при t=0°С, β - температурный коэффициент объемного расширения газа, т.е. по закону изобарического расширения самого газа. Очевидно, что при этом давление газа в резервуаре 3 будет оставаться постоянным независимо от его начального значения. Сильфон 13 накрыт предохранительным кожухом 14. Герметизированный зазор между сильфоном и кожухом заполнен тем же газом, что и резервуар 3, при том же давлении. Пространство между кожухом 14 и корпусом 15, как и весь остальной объем, вакуумировано.

Продифференцируем уравнение (1) по переменной t:

dV=β·V₀·dt.

С другой стороны, из требования термокомпенсации

где q - отношение площадей оснований сильфонов 13 и 12, V^T - объем толуола, β^T - его коэффициент объемного расширения, так что условие термокомпенсации имеет вид

При q, равном 5, и термических коэффициентах расширения жидкости и газа, равных соответственно ˜0,001 (толуол) и ˜0,0037, объем жидкости составляет примерно 40% объема резервуара.

Второй по значимости источник ошибок - зависимость плотности ртути ρ от температуры t, приводящий к зависимости от последней и давления ртутного столба Р=ρ·g·Н. Здесь Н - расстояние между поверхностями ртути в верхнем и нижнем резервуарах (высота столба ртути), g - ускорение силы тяжести. В первом приближении (без учета градиентов T) задача компенсации этой зависимости решается просто адекватным увеличением объема термокомпенсирующей жидкости (поскольку погрешности, вносимые температурным расширением газа и ртути, имеют одинаковый знак).

При наличии градиентов температуры задача компенсации заметно усложняется, но в рамках предлагаемого ниже подхода имеет решение, отвечающее заданным нами метрологическим требованиям. Оно заключается в разработке автономных систем термокомпенсации для каждого из трех фрагментов ртутного столба, находящихся соответственно в верхнем резервуаре 1, соединительной трубке 2 и нижнем резервуаре 3, схематически изображенных на фиг.2. Введение автономных систем термокомпенсации, реагирующих на интегральные температуры этих фрагментов, избавляя от необходимости учета градиентов температуры, существенно упрощает саму термокомпенсацию, сводя ее к согласованию теплофизических параметров отдельных элементов термодинамической системы с их геометрическими размерами. Единственное конструктивное нововведение - заполненная дополнительным объемом толуола герметизированная трубка 4, установленная коаксиально трубке 2 и сообщающаяся с сильфоном 12 фиг.1.

Для поиска соотношений между упомянутыми параметрами, отвечающих условию температурной стабильности измерительной системы, введем следующие обозначения: H₁, и t₁ - высота столба, объем и интегральная температура ртути в резервуаре 1, Н₂, и t₂ - высота столба, объем и интегральная температура ртути в соединительной трубке 2, и t₃ - объем и интегральная температура ртути в резервуаре 3, β^Hg и β^T - коэффициенты объемного расширения ртути и толуола, - объем толуола, заключенного между коаксиальными трубками 2 и 4, h - зазор между нижним основанием цилиндрического поплавка 5 и дном резервуара 1, - объем толуола в резервуаре 7.

Уравнение равновесия системы газ - ртутный столб имеет вид

где Р - давление газа в нижнем резервуаре. Условием температурной стабильности системы в отсутствии градиентов будет

Последнее слагаемое в средней части этого уравнения учитывает изменение давления газа за счет изменения его объема dV_t=S·dH₂.

С учетом градиентов t, т.е. при t₁≠t₂≠t₃,

Как теоретические расчеты, так и практическая реализация термокомпенсации в целом существенно упрощаются при введении автономной термокомпенсации для ртутного столба Н₁, которая сводится к требованию постоянства его вклада в давление ртутного столба Н, т.е.

Р₁=ρ₁·g·H₁=const,

где ρ₁ - плотность ртути при температуре t₁. Тогда

Подставляя в это уравнение значения

и

после несложных преобразований получим соотношение

которое легко удовлетворяется подбором параметров. При выполнении этого условия и g=const Р₁=const. Другими словами, P₁ зависит только от ускорения силы тяжести и изменения t₁ динамически не влияют на ртутный столб Н₂.

С другой стороны, для обеспечения независимости отсчета по преобразователю прибора от t₁ должно выполняться условие независимости от t₁ также архимедовой силы, действующей на поплавок. Это условие может быть выражено следующим очевидным соотношением:

F_Ar=V^fl·ρ₁=const

(при постоянном g). Здесь V^fl - объем погруженной части поплавка. Отсюда

Очевидно также, что

где Q - площадь сечения поплавка по урезу ртути. Подставляя это выражение и значения dρ₁ и dH₁ из (8) и (9) в (10), получим соотношение

при выполнении которого изменение архимедовой силы за счет изменения плотности ртути в точности компенсируется за счет изменения объема погруженной части поплавка.

Как нетрудно убедиться, для обеспечения равенства (13) в случае цилиндрической формы поплавка к его погруженной части следует добавить дополнительный объем ΔV^fl=Q·h, так что V^fl=Q·(H₁-h)+Q·h=Q·H₁, в полном соответствии с (13). На фиг.2 дополнительный объем показан в виде кольца 6.

Далее, из уравнений (6), (7) следует условие температурой стабильности равновесия системы газ - ртутный столб, вытекающее из требования отсутствия динамического воздействия ртутного столба Н₂ на ртутный столб H₁ при изменениях температур t₂ и t₃:

В дальнейших расчетах мы будем исходить из того очевидного факта, что хотя мы и компенсируем последствия изменений температуры, но сам акт компенсации - изменение объема газа в соответствии с изменившейся уже температурой - является процессом изотермическим и описывается уравнением

d(V·P)=P·dV+V·dP=0,

откуда

Если вместо dP поставить выражение (14), получим изменение объема V, обусловленное тепловым расширением ртути V₂ и V₃

По аналогии с (2) условием термокомпенсации является

откуда с учетом (14) и (15)

Здесь Р определяется соотношением (4).

Температурные изменения высоты ртутного столба Н₂ происходят вследствие изменений уровня ртути в нижнем резервуаре за счет температурных изменений объемов ртути V₂ и V₃, т.е.

Подставляя в (17) это выражение, а также dρ₂=-ρ₂·β^Hg·dt₂, Р=ρ·g·Н, и учитывая, что замена ρ₂ на ρ не вносит заметного вклада в точность термокомпенсации, получим после несложных преобразований

Очевидно, что устойчивое динамическое равновесие системы при наличии градиентов температуры возможно только при независимой компенсации влияния локальных изменений температуры dt₂ и dt₃. Это означает разбиение уравнения (19) на два независимых уравнения

которые после преобразований принимают окончательный вид

Эти соотношения вместе с (3), (10) и (13) составляют независимый набор легко выполнимых условий, необходимых и достаточных для обеспечения полной температурной стабильности предлагаемого газожидкостного гравиметра. Отсутствие перекрестного влияния и аддитивность этих условий обусловлена еще тем, что при наличии термостатирования на уровне ±0,001°С (что предусмотрено и легко осуществимо) максимальные температурные погрешности, подлежащие компенсации, не превышают 10^-6 от измеряемой величины - ускорения силы тяжести g.

Таким образом, в предлагаемом газожидкостном гравиметре, в отличие от пружинных, возможна прецизионная компенсация влияния наклонов оси чувствительности прибора, а также температуры и его градиентов в объеме прибора. Введение автономных систем термокомпенсации, реагирующих на интегральные температуры отдельных узлов, избавляя от необходимости учета градиентов температуры, существенно упрощает саму термокомпенсацию, сводя ее к согласованию теплофизических параметров отдельных элементов термодинамической системы с их геометрическими размерами. Использование предлагаемого емкостного преобразователя с изменяемой площадью перекрытия обкладок обеспечивает практически неограниченный диапазон измерений без ущерба для точности. Наличие арретира существенно смягчает требования к условиям транспортировки и хранения гравиметра.

Эти преимущества в сочетании с отсутствием дрейфа нуля открывают возможность использования предлагаемого гравиметра для регистрации неприливных изменений силы тяжести в стационарных условиях, в том числе и обусловленных вертикальными движениями земной коры, и тем самым отказаться от трудоемких и дорогих повторных геометрических нивелирований. Он может быть использован также в площадных гравиметрических наблюдениях как на суше, так и на море.

Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для относительных измерений силы тяжести в геодезических и разведочных целях. Заявлен газожидкостный гравиметр, в котором ртутный столб уравновешен давлением газа в замкнутом резервуаре и его перемещения по вертикали при изменении силы тяжести регистрируются емкостным преобразователем перемещений. Внутренние поверхности нижних частей резервуаров в диапазоне перемещений уровней ртути выполнены в виде концентрических сфер с центром в точке подвеса статорной обкладки емкостного индикатора уровня ртути в верхнем резервуаре. В нижнем резервуаре размещен термокомпенсатор, изменяющий его объем в соответствии с тепловым расширением газа так, чтобы давление газа оставалось неизменным. Его исполнительным механизмом является термочувствительный элемент в виде замкнутого сосуда, заполненного термокомпенсирующей жидкостью, верхнее основание которого снабжено сильфоном с подвижным основанием, жестко связанным с основанием большего сильфона, служащим верхним основанием резервуара. К сосуду также подсоединены два дополнительных объема с термокомпенсирующей жидкостью, находящихся в тепловом контакте с объемами ртути соответственно в соединительной трубке и в нижнем резервуаре. Технический результат: повышение функциональных возможностей устройства. 2 ил.

Газожидкостный гравиметр, содержащий вакуумированный корпус, в котором установлены верхний и нижний замкнутые соосные цилиндрические резервуары, нижние части которых выполнены в форме концентрических сфер, частично заполнены ртутью и сообщаются между собой через заполненную ртутью соединительную трубку, индикатор уровня ртути в верхнем резервуаре в виде емкостного преобразователя, статорные обкладки которого подвешены к корпусу на гибкой тяге в точке, совпадающей с центром концентрических сфер, при этом верхняя часть верхнего резервуара вакуумирована, в верхней части нижнего резервуара, заполненной газом, жестко закреплен термокомпенсатор в виде термочувствительного элемента, связанного своим подвижным концом с большим сильфоном, образующим верхнее основание резервуара, причем параметры термокомпенсатора подобраны так, чтобы изменение объема резервуара происходило по закону

ΔV=β·V·Δt,

где ΔV - приращение объема, соответствующее приращению температуры Δt;

β - коэффициент объемного расширения газа;

V - объем газа в резервуаре при температуре термостатирования,

отличающийся тем, что статорные обкладки емкостного преобразователя выполнены в виде электрически соединенных между собой узких колец равной ширины, нанесенных с промежутками, равными ширине колец, на внешнюю боковую поверхность широкого внутреннего кольца из диэлектрика, роторные обкладки нанесены в виде таких же колец на внутреннюю боковую поверхность цилиндрического диэлектрического поплавка большего диаметра, установленного соосно внутреннему кольцу с возможностью свободного вертикального перемещения с малым радиальным зазором к нему и снабженного арретиром, выполненным в виде плотно надетого на нижнюю часть поплавка широкого ободка с уплотнителем по периметру и управляемых извне трех механических фиксаторов с возможностью плотного прижимания ободка поплавка к сферическому участку внутренней поверхности верхнего резервуара выше уровня ртути и одновременной фиксации жесткого металлического кольца, связанного с внутренним диэлектрическим кольцом через упругие элементы, и полупроницаемой перегородки из пористого стекла, установленной над свободной поверхностью ртути в нижнем резервуаре, а термочувствительный элемент выполнен в виде замкнутого сосуда, заполненного термокомпенсирующей жидкостью, верхнее основание которого снабжено малым сильфоном с подвижным основанием, жестко связанным с основанием большого сильфона, при этом к сосуду подсоединены дополнительные объемы с термокомпенсирующей жидкостью находящиеся в тепловом контакте соответственно с объемами ртути - в соединительной трубке и - в нижнем резервуаре, причем параметры гравиметра удовлетворяют соотношениям

V^fl=H₁·Q,

где H₁, и S - высота столба, объем и площадь свободной поверхности ртути в верхнем резервуаре, V^fl - объем погруженной части поплавка, Q - площадь сечения поплавка по урезу ртути, β^Hg и β^T - коэффициенты объемного расширения ртути и термокомпенсирующей жидкости, q - отношение площадей оснований большого и малого сильфонов, Н - расстояние между поверхностями ртути в верхнем и нижнем резервуарах (высота столба ртути), Н₂ - высота столба ртути в соединительной трубке.