ГРАВИМЕТР Российский патент 2009 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для регистрации относительных изменений ускорения силы тяжести.

Известен гравиметр для изменения ускорения силы тяжести, включающий корпус, чувствительную кварцевую систему, состоящую из маятника с зеркалом, подвешенного на горизонтальных нитях в измерительной рамке с измерительной и диапазонной пружинами, главную пружину, фотоэлектрический преобразователь дополнительной упругой системы, состоящую из горизонтально расположенного маятника, подвешенного в монтажной рамке, и связанную с чувствительной кварцевой системой, термостат, отсчетное устройство и регистратор (см. а.с. СССР №775703, G01V 7/02, 1980).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния градиентов температуры в корпусе гравиметра и дрейфа нульпункта.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гравиметр, включающий корпус с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях подвешена измерительная рамка, маятник с зеркалом, главную, измерительную, диапазонную и дополнительную деформированную пружины и регистратор (а.с. СССР 1099302, кл. G01V 7/02, 1984).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния изменений температурных градиентов в корпусе гравиметра.

Техническим результатом является повышение точности измерений за счет исключения влияния температуры в корпусе гравиметра на его показания путем компенсации термоэластического коэффициента главной пружины гравиметра, меняющего упругую силу пружины в связи с изменением температуры.

Технический результат достигается в гравиметре, включающем монтажную рамку, подвешенную на нитях измерительную рамку, в которой на горизонтально расположенных упругих нитях подвешен маятник, вертикально расположенные главную, диапазонную и измерительную пружины, фотоэлектрический преобразователь, дополнительную главную пружину, расположенную параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, при этом верхние концы основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня закреплены на монтажной рамке, а нижний конец дополнительной главной пружины - с маятником, упругие моменты основной и дополнительной главных пружин равны, а нити подвеса маятника закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, при этом величина угла закручивания нитей зависит от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника.

Отличительными признаками предлагаемого гравиметра являются дополнительная главная пружина, расположенная параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, закрепление верхних концов основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня на монтажной рамке, а нижнего конца дополнительной главной пружины - с маятником, равенство упругих моментов основной и дополнительной главных пружин, закручивание нитей подвеса маятника в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, зависимость величины угла закручивания нитей от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника. Дополнительная главная пружина позволяет исключить влияние термоэластического коэффициента основной главной пружины за счет того, что она имеет такой же термоэластический коэффициент, но противоположного знака, и такой же упругий момент, происходит полная компенсация влияния температуры на показания гравиметра. Закрепление верхних концов основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня на монтажной рамке и нижнего конца дополнительной главной пружины с маятником позволяет закрепить пружины параллельно и в одной плоскости для исключения вариаций температурного градиента на основную и дополнительную главные пружины. Равенство упругих моментов основной и дополнительной главных пружин позволяет полностью исключить влияние термоэластического коэффициента и температурного градиента. При изменении температуры в корпусе гравиметра жесткость одной пружины увеличивается, а другой уменьшается на одну и ту же величину при равенстве упругих моментов пружин. Поэтому маятник не будет менять свое положение. Закручивание нитей подвеса маятника в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин позволяет полностью исключить дрейф нульпункта гравиметра, что увеличивает точность измерений. Зависимость величины угла закручивания нитей от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника. С увеличением длины нитей подвеса маятника и его собственного периода увеличивается угол закручивания. Это позволяет повысить точность измерений.

Гравиметр поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства.

Гравиметр включает корпус 1 с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой 2. В монтажной рамке 2 на упругих нитях 3 подвешена измерительная рамка 4, в которой на упругих нитях 5 подвешен маятник 6 с рычагами 7 и 8. Нижние концы основной 9 и дополнительной 10 главных пружин соединены с маятником 6 посредством рычагов соответственно 7 и 8, а их верхние концы закреплены на монтажной рамке 2 посредством технологического стержня 11. Основная 9 и дополнительная 10 главные пружины расположены параллельно в одной плоскости на небольшом расстоянии друг от друга. Их термоэластические коэффициенты равны и противоположны по знаку. Например, они могут быть выполнены соответственно из кварца и вольфрама. При повышении температуры упругий момент пружины, выполненной из кварца, увеличится, т.е. пружина сжимается, а упругий момент пружины, выполненной из вольфрама, уменьшается, т.е. пружина растягивается. Термоэластический коэффициент пружины, выполненной из кварца, имеет положительное значение (+110·10^-6/0с), а термоэластический коэффициент пружины, выполненной из вольфрама (-110·10^-6/0с), имеет отрицательное значение. Значения термоэластических коэффициентов пружин равны. Упругие моменты основной 9 и дополнительной 10 главных пружин до начала работы гравиметра равны. Фотоэлектрический преобразователь 12 состоит из экрана 13 с прямоугольным отверстием 14 в центре экрана 13, дифференциального фотоэлемента 15 и светодиода 16. Экран 13 закреплен в вертикальной плоскости на конце маятника 6. С одной стороны экрана симметрично отверстию 14 расположен светодиод 16, а с другой стороны симметрично отверстию 14 расположен дифференциальный фотоэлемент 15. Светодиод 16 и дифференциальный фотоэлемент 15 при помощи технологического стержня 17 жестко соединены с монтажной рамкой 2. Нижний конец диапазонной пружины 18 посредством рычага 19 и нижний конец измерительной пружины 20 посредством рычага 21 связаны с измерительной рамкой 4. Верхние концы диапазонной пружины 18 и измерительной пружины 20 связаны соответственно с сильфонными устройствами 22 и 23. Сильфонное устройство 22 соединено с диапазонным винтом 24, а сильфонное устройство 23 - с микрометрическим отсчетным устройством 25. Питание светодиода 16 осуществляется от стабилизированного источника питания постоянного тока 26. Сигнал с дифференциального фотоэлемента 15 подается на вход усилителя тока 27, выход которого подключен к регистратору 28. Нити 5 подвеса маятника 6 закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки 4 против часовой стрелки в сторону диапазонной 18 и измерительной 20 пружин. Это необходимо для того, чтобы упругий момент этих нитей действовал совместно с весовым моментом маятника 6. Величина угла закручивания нитей 5 зависит от длины нитей 5 подвеса маятника 6 и периода собственных колебаний маятника 6. Чем больше длина нитей 5 и период собственных колебаний маятника 6, тем больше должен быть угол закручивания нитей.

Гравиметр работает следующим образом.

Гравиметр выводится в положение минимума чувствительности к наклону, и его уровни выводятся в среднее положение. Затем производится эталонирование гравиметра - определяется цена деления микрометрического отсчетного устройства 25 в милигалах. Цена деления определяется при помощи наклономерной плиты или на гравиметрическом полигоне, на котором известны величины ускорения силы тяжести на каждом пункте. На пункте наблюдения гравиметр устанавливается на постаменте, выводится на минимум чувствительности к наклону. При помощи микрометрического отсчетного устройства 25 маятник 6 выводится в горизонтальное положение, при этом на индикаторной шкале гравиметра сигнал должен быть равен нулю. А отсчет M₁ - берется по микрометрическому отсчетному устройству 25. При переезде на следующий пункт все операции повторяются, берется отсчет М₂. Получаем разность отсчетов ΔМ. Зная цену деления силы тяжести микрометрического отсчетного устройства 25 С определяем разность между пунктами N из выражения: ΔM·С=N мГал.

При этом, если ΔМ отрицательное, то и разность силы тяжести будет отрицательной.

При стационарных наблюдениях приливных вариаций силы тяжести гравиметр устанавливается на постаменте, выводится на минимум чувствительности к наклону и определяется масштаб записи гравиметра, для чего берется отсчет по микрометрическому отсчетному устройству 25 M₁ и соответствующий ему отсчет по индикаторной шкале гравиметра S₁ в mv. Затем устройству 25 задается «сдвиг» на ΔM и берется отсчет S₂ в mv по индикаторной шкале. Определяется масштаб записи из выражения:

Производится повтор операций и выводится среднее масштабного коэффициента k. В зависимости от положения луны и солнца относительно пункта наблюдения ускорение силы тяжести будет изменяться. При уменьшении ускорения силы тяжести маятник 6 будет отклоняться вверх, на индикаторной шкале регистратора 28 изменится величина mv в сторону уменьшения. При увеличении ускорения силы тяжести маятник 6 будет отклоняться вниз и на индикаторной шкале регистратора 28 изменится величина mv в сторону увеличения. Регистратор 28 будет регистрировать кривую изменения силы тяжести.

Предлагаемый гравиметр повышает точность измерений за счет исключения влияния термоэластического коэффициента, дрейфа нульпункта и вариаций температурного градиента.

Использование: геофизическое приборостроение для регистрации относительных изменений ускорения силы тяжести. Сущность: гравиметр включает корпус 1 с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой 2. В монтажной рамке 2 на упругих нитях 3 подвешена измерительная рамка 4, в которой на упругих нитях 5 подвешен маятник 6 с рычагами 7 и 8. Нижние концы основной 9 и дополнительной 10 главных пружин соединены с маятником 6 посредством рычагов соответственно 7 и 8, а их верхние концы закреплены на монтажной рамке 2 посредством технологического стержня 11. Термоэластические коэффициенты основной 9 и дополнительной 10 главных пружин равны и противоположны по знаку. Упругие моменты основной 9 и дополнительной 10 главных пружин гравиметра равны. Фотоэлектрический преобразователь 12 состоит из экрана 13 с прямоугольным отверстием 14 в центре экрана 13, дифференциального фотоэлемента 15 и светодиода 16. Нижний конец диапазонной пружины 18 посредством рычага 19 и нижний конец измерительной пружины 20 посредством рычага 21 связаны с измерительной рамкой 4. Верхние концы диапазонной пружины 18 и измерительной пружины 20 связаны соответственно с сильфонными устройствами 22 и 23. Благодаря компенсации термоэластического коэффициента обеспечивается повышение точности измерений. 1 ил.

Гравиметр, включающий монтажную рамку, подвешенную на нитях измерительную рамку, в которой на горизонтально расположенных упругих нитях подвешен маятник, вертикально расположенные главную, диапазонную и измерительную пружины и фотоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной главной пружиной, расположенной параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, при этом верхние концы основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня закреплены на монтажной рамке, а нижний конец дополнительной главной пружины - с маятником, упругие моменты основной и дополнительной главных пружин равны, а нити подвеса маятника закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, при этом величина угла закручивания нитей зависит от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника.