КВАРЦЕВЫЙ КРУТИЛЬНЫЙ ГРАВИМЕТР МАЯТНИКОВОГО ТИПА Советский патент 1955 года по МПК G01V7/02 

Предлагаемый гравиметр принадлежит к известному типу кварцевых крутильных гравиметров маятникового типа, предназначенных для измерения разностей Δg ускорения силы тяжести на земной поверхности и снабженных термостатированной чувствительной системой.

Основной особенностью предлагаемого гравиметра является применение в качестве жидкости, осуществляющей температурную компенсацию, водного раствора этилового спирта, обеспечивающего также затухание чувствительной системы, близкое к апериодическому, и возможность изменения пределов измерения без регулировки чувствительной системы.

Для обеспечения максимальной стабильности показаний гравиметра для термостатирования кварцевой чувствительной системы применен двойной электрический термостат.

Обеспечение высокой точности наводки и возможность изменения пределов измерения достигается путем выполнения оптической системы гравиметра в виде автоколлимационного устройства, на посеребреной грани преломляющей призмы которого нанесены прозрачные двойная и одинарная риски.

Измерение угла наклона маятника чувствительной системы осуществляется посредством тангенциального микрометрического устройства с одним микрометром и диапазонным механизмом, что исключает лишние отсчеты и повышает точность измерения.

На фиг. 1 показан предлагаемый гравиметр в разрезе; на фиг. 2 - кварцевая чувствительная система; на фиг. 3 - оптическая схема гравиметра; на фиг. 4 - посеребреная грань преломляющей призмы оптической системы.

Чувствительная кварцевая система гравиметра заключена в корпус 1 (фиг. 1), установленный внутри термостата 2, который помещен в термостат 3. В термостаты 2 и 3 вставлены контактные термометры 4 и 5. Наружный термостат 3 установлен во внутреннем подвижном корпусе 6, который, в свою очередь, помещен внутрь наружного корпуса 7. С обеих сторон верхнего прилива корпуса 7 установлены микрометр 8 и диапазонный механизм, выполненный в виде втулки 9, в которой укреплены сменный вкладыш 10 и контргайка 11.

На фиг. 1 показаны также детали оптической системы: осветитель 12, оправа 13 с конденсором и призмой, промежуточное зеркало 14, объектив 15 и окуляр 16, вставленный в зрительную трубу 17.

В верхний прилив корпуса впрессованы стальные упоры: плоский упор 18 и упор 19 с острием. Упоры обеспечивают точное соприкосновение подвижного корпуса 6 с острием винта микрометра 8 и с плоскостью вкладыша 10.

На фиг. 1, кроме того, обозначено: 20 - теплоизоляция внутреннего корпуса, 21 - колпачок, 22 - крышка, 23 - шарнир, 24 - установочные гнезда, 25 - винты для регулировки зеркала 14.

Чувствительная система, заключенная в корпус 1, представляет собой тонкую кварцевую нить 26 (фиг. 2), расположенную в горизонтальной плоскости и снабженную прикрепленным к ней в середине кварцевым рычагом 27, несущим пластинчатый грузик 28 и зеркальце 29. Кварцевая нить 26 в закрученном состоянии своими концами прикреплена к кварцевой рамке 30, на которой установлено неподвижное зеркальце 31.

Своей пятой 32 чувствительный элемент жестко закреплен в корпусе 1. Этот последний выполнен из меди и имеет стеклянное окно для пропуска светового луча. Внутри корпуса 1 имеются два резервуара: в центре - основной (объемом около 35 см³), в котором помещается кварцевый элемент, и сверху - запасной (объемом около 3 см³). После установки кварцевого элемента резервуары заливаются компенсационной жидкостью. Оба резервуара сообщаются коротенькой трубочкой, которая проходит через отверстие в разделяющей их перегородке и своим верхним концом входит в запасной резервуар. Выступающая в резервуар часть трубочки всегда погружена в жидкость, что устраняет возможность проникновения в основной резервуар пузырька воздуха, остающегося в запасном резервуаре и необходимого для обеспечения возможности расширения жидкости.

В качестве компенсационной жидкости используется водный раствор этилового спирта.

Температурный коэффициент расширения этилового спирта имеет максимальное значение при 85%-ной концентрации. При увеличении и уменьшении концентрации температурный коэффициент расширения этилового спирта очень медленно уменьшается. В пределах концентрации 70-95% температурный коэффициент изменяется только на 4.10^-6 на 1°. В то же время плотность раствора этилового спирта при изменении концентрации от 75 до 95% изменяется на 0,0514, что и позволяет осуществить регулировку в пределах 600 мгл, не прибегая к регулировке самой чувствительной кварцевой системы.

Другой существенной особенностью водного раствора этилового спирта по сравнению с обычно применяемой термостатической жидкостью является его гомогенность, обеспечивающая однородную плотность его во всем объеме, и, следовательно, стабильность избыточной массы чувствительной системы.

Термостатирование кварцевой системы осуществляется, как указывалось выше, при помощи двух термостатов - внутреннего 2 и внешнего 3, обогреваемых наложенной на них электрической нагревательной проволокой.

Для обеспечения высокой точности наводки и возможности изменения пределов измерения оптическая система в предлагаемом гравиметре выполнена в виде автоколлимационного устройства. Конструктивное выполнение системы показано на фиг. 1, а на фиг. 3 представлена ее оптическая схема.

Свет от осветителя 12 проходит через конденсор 33, зеленый светофильтр 34 и призму 35. Преломляясь в призме 35, свет попадает на нижний ее катет, покрытый серебряным слоем и прорезанный прозрачными параллельными рисками - двойной, и одинарной, как это показано на фиг. 4.

Из призмы 35, проходя через прорезанные риски (двойную и одинарную), свет расходящимся пучком попадает на наклонное зеркало 14 и, отражаясь от него, попадает в объектив 15. Расходящийся пучок света после прохода через объектив 15 становится параллельным, проходит через плоское защитное стекло 36 корпуса 1 кварцевой системы и попадает на оба его зеркальца. Отражаясь от этих обоих зеркалец, луч света снова попадает в объектив 15. Из объектива идет сходящийся пучок света, который, отразившись от наклонного зеркала 14, фокусируется в фокальной плоскости объектива. Эта плоскость находится между двумя линзами окуляра 16. Фокус окуляра также находится между его двумя линзами. Поэтому, передвигая окуляр вверх и вниз по трубе 17, можно достичь такого положения, при котором фокальная плоскость объектива точно совпадает с фокальной плоскостью окуляра. При совпадении этих плоскостей в окуляре можно наблюдать резкое изображение или двойной, или одинарной риски, отраженных от обоих зеркалец 29 и 31 кварцевой системы.

В приборе предусмотрено перемещение наклонного зеркала 14 по направлению нормали к нему, перемещение всей трубы 17 вдоль оси и перемещение окуляра 16. Всех этих перемещений вполне достаточно для того, чтобы получить резкое изображение двойной или одинарной риски в центре поля зрения окуляра.

Диапазонный механизм (фиг. 1) состоит из втулки 9, в которой укреплен сменный вкладыш 10, контргайки 11 и комплекта сменных вкладышей (9 штук). Укрепление вкладыша 10 во втулке 9 обеспечивается фиксаторами. При повороте вкладыша во втулке фиксаторы, представляющие собой шарики, подпираемые пружинками, заскакивают в гнезда на заплечиках вкладыша. Характерное щелкание указывает этот момент. Втулка диапазонного механизма закрывается колпачком 21.

Вкладыши имеют маркировку от 0 до 40, самый длинный - маркировку 0, самый короткий 40. Каждый последующий вкладыш отличается по длине от предыдущего на 5 мм; наибольшая разница по длине между вкладышами равна 40 мм. Длина каждого вкладыша указана в паспорте прибора с точностью 0,001 мм. Установкой соответствующего вкладыша обеспечивается нужный поворот подвижного корпуса.

Прибор устанавливается на треногу, снабженную круглым уровнем. Для выверки уровня пользуются тремя регулировочными винтами, которыми пузырек выводится в серединное положение.

Нижние установочные винты с дисками служат для нивелировки прибора по продольному уровню. Нанесенные на диски деления используются для выверки продольного уровня.

С помощью верхнего винта треноги наклоняют прибор для совмещения зеркальца 29 маятника с неподвижным зеркальцем 31 при нижнем положении маятника.

Наблюдения с гравиметром проводятся в следующем порядке:

1. Производят установку прибора. Для этого треногу гравиметра ставят на грунт и ее верхнюю часть нивелируют по круглому уровню. Установочными винтами производят нивелировку прибора по продольному уровню; затем включают свет.

2. Совмещают штрихи при упоре подвижного корпуса во вкладыш. Для этого доводят подвижный корпус до соприкосновения со вкладышем и, наблюдая в зрительную трубу (окуляр устанавливается в фокусе), совмещают с помощью верхнего винта треноги штрихи, отраженные от зеркальца маятника, со штрихами, отраженными от неподвижного зеркальца. Если штрихи зеркальца маятника располагаются выше штрихов неподвижного зеркальца, то для их совмещения верхний винт треноги вращают по часовой стрелке, и наоборот. Совмещение считается законченным, когда верхний штрих зеркальца маятника будет находиться точно посредине штрихов неподвижного зеркальца, т.е. когда промежутки между штрихами будут равны. Если наблюдение ведется при совмещении одинарного штриха, то он должен точно находиться посредине двойного штриха.

3. Совмещают штрихи при упоре подвижного корпуса в винт микрометра. Для этого доводят подвижный корпус до соприкосновения с винтом микрометра и, наблюдая в зрительную трубу, совмещают при верхнем положении маятника штрихи, как указывалось в п. 2. Если штрихи зеркальца маятника находятся выше штрихов неподвижного зеркальца, то ручку микрометра вращают по часовой стрелке, и наоборот. При вращении винта микрометра против часовой стрелки штрихи зеркальца маятника перемещаются до положения несколько выше штрихов неподвижного зеркальца, а затем, вращением ручки микрометра по часовой стрелке, производят указанное выше совмещение штрихов, после чего берут отсчет по шкале и по барабану микрометра. Отсчеты записываются в полевой журнал.

4. Для более точного определения положения маятника выполняют пять независимых замеров. Перед повторением каждого цикла наблюдений необходимо несколько изменять положение верхнего винта треноги и винта микрометра, а затем вновь повторить операции, указанные в пп. 2 и 3.

5. По окончании замеров подвижный корпус арретируют. Рукоятку арретира поворачивают в горизонтальное положение, и упор освобождается от сцепления с буфером. Взявшись за трубу, доводят подвижный корпус до положения, при котором стержень арретира проскочит в отверстие прилива, затем выключают свет.

6. Дополнительные наблюдения: на каждом пункте берут отсчет по наружному термометру, и через 1-2 часа берут по секундомеру отсчеты τ_н (период нагрева) и τ_о (период охлаждения). Отсчеты записываются в полевой журнал.

1. Кварцевый крутильный гравиметр маятникового типа с термостатированным чувствительным элементом и с оптической отсчетной системой, отличающийся тем, что, с целью обеспечения возможности использования жидкости, осуществляющей температурную компенсацию, также и для обеспечения затухания чувствительного элемента, близкого к апериодическому, и возможности изменения пределов измерения без регулировки чувствительного элемента, в качестве указанной жидкости применен водный раствор этилового спирта.

2. Гравиметр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью обеспечения высокой точности наводки и возможности изменения пределов измерения, оптическая система гравиметра представляет собой автоколлимационное устройство, на посеребреной грани преломляющей призмы которого нанесены прозрачные двойная и одинарная риски.

3. Гравиметр по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что, с целью обеспечения максимальной стабильности показаний, металлический корпус, содержащий чувствительную систему, помещен в двойной электрический термостат.

4. Гравиметр по пп. 1-3, отличающийся тем, что для измерения угла наклона маятника чувствительного элемента применено тангенциальное микрометрическое устройство с одним микрометром и диапазонным механизмом.