Гравиметр Советский патент 1984 года по МПК G01V7/02 

00

со 00 X)

ГРАВИМЕТР, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации, отличающийся тем, что, с целью пов лиения его точности, чувствительности и расширения динамического диапазона, у противоположных торцов резровуара установлены параллельно ему две пары прозрачных окон с возможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполнена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара по обе стороны его/ длина которых равна расстоянию между ооями пар прозрачных окон. / f2

Изобретение относится к гравиметрии и мэжет найти применение в ап паратуреу измеряющей ускорение силы тяжести.

Известен Пьезоэлектрический гравиметр/ содержаишй вакуумированный стеклянный корпус, чувствительную систему, состоящую из груза и двух пластин, жестко соединенным с опорным кольцом, металлическим фланцем и грузом, цилиндрическую пружину, радиоэлектронную схему,; состоящую из двух кварцевых генераторов, смесителя, детектора, генератора прямоугольных импульсов, блока электронно-счетного частотомера, где производится измерение периода следования фронтов генерируемых импульсов, термостат Cl3

Недостатком данногхэ гравиметра является низкая точность, .особенно. для малых вариаций силы тяжести, обусловленная неизбежными малыми качаниями груза, несмотря на цилиндрическую пружину. Кроме тогоу на точность измерения силы тяжести влияют различные вибрации груза, демпфирование которых в данной KOHW струкции будет не эффективным. Указанный пьезоэлектрический гравиметр чувствителен также к давлению и влажности окружающей среды, вследствие масс-чувствительности пьезорезонансных датчиков. Это также снижает точность измерения силы тяжести.

Наиболее близким к изобретению является гравиметр, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации.

Гравиметр содержит также заполненный ртутью и более легкой жидкостью жесткий резервуар вытянутой формы и размещенные в нем на разных уровнях два сосуда со ртутью и Сосуд с газом, связанный с ниж- . ним ртутным сосудом посредством горизонтального капилляра с каплейиндексом.

Нижние концы сосудов со ртутью открыты и помещены в часть резервуара, заполненную ртутью, причем под открытыми концами сосудов установлена гайка с винтом из ферромагнитного материала, на уровне которой и соосно с ней вне резервуара расположен кольцевой магнит.

При изменении силы тяжести устанавливают такое внешнее давление, . чтобы положение капли-индекса оставалось неизменным, т.е. мерой силы тяжести является внешнее давление 2 .

Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность и точность. Это обусловлено тем, что .горизонтальный капилляр с каплей- индексом имеет предельную точность оЧ-счета не более 0,5 мм. Кроме того, показания гравиметра зависят от внешнего давления, которое даже предлагается использовать как меру силы тяжести при компенсационных измерениях. Другим недостатком гравиметра является узкий динамический диапазон, определяемый длиной горизонтального капилляра.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в гравиметре, содержащем жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации, у противоположных ТОРЦОВ резервуара установлены параллельно ему две пары прозрачных окон с возможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполнена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположен-, ными параллельно оси резервуара по обе стороны его, дли.на которых равна расстоянию между осями пар прозрных окон.

На чертеже изображено предлагаемое устройство.

Гравиметр содержит жесткий герметичный резервуар 1 удлиненной формл полностью заполненный оптически прозрачной жидкостьи) 2, являющейся чувствительным элементом. Резервуар 1 снабжен четырьмя прозрачными (например, стеклянныкм) окнами 3-6, которые имеют возможность перемещаться строго параллельно, самим себе. Это может быть реализовано, например, с помощью сильфонов.

Окна параллельны между собой и расположены друг напротив друга у противоположных торцов резервуара.

45-градусная параллелепипеднаяг призма 7 и прямоугольная отражающая призма 8 склеены по косой грани, -с образованием в месте склейки полупрозрачного слоя 9 и образуют светорасщеплякнций блок, который имеет длину, равную расстоянию между осями пар прозрачных окон и укреплен параллельно оси резервуара так, чтобы полупрозрачный слой был напротив одного из окон.

Точно такой же светорасщепляющий блок образуют призмы 10 и 11, в месте склейки которых также сформирован полупрозрачный слой 12. Второй светорасщепляющий блок укреплен антипараллельно первому с другой сторны резервуара. Напротив прямоугольной отражс1ющей призмы находится источник 13 монохроматического света, а напротив призмы 11 - оптическая часть 14 регистрирующего устройства 15. В силу симметрии устройст а источник монохроматического света может быть размерен напротив призмы 11, а оптическая часть с регистрирующим устройством - напротив призмы 8. Оптическая часть и регистрирующее устройство выполнены, например, в виде системы линз, в фокальной плоскости которой находятся фотоэлементы, подключенные по f входу счетного устройства или же аналогового преобразователя.

Предлагаемый гравиметр работает следующим образом. . ,

Монохроматический луч света от источника 13 попадает в первый све-ч торасщепляющий блок, состоящий из призм 7-8, где на полупрозрачном слое 9 разделяется на два луча. Оди луч распространяется параллельно оси резервуара 1 и, отразившись от косой 45-градусной грани светорасщепляющего устройства, проходит через прозрачные окна 3 и 4 и слой оптически прозрачной жидкости 2 между ними, и, отразившись от полупрозрачного слоя 12 второго светорасщепляющего блока, состоящего из призм 10-11, попадает в оптическую часть 14 регистрирующего устройства 15.

Другой луч проходит через окна 5-6 и слой жидкости между ними, и, отразившись от 45-градусной грани параллелепипедной призмы 10, проходит через полупрозрачный слой 12 и также попадает в оптическую часть регистрирующего устройства. В резул тате наложения указанных двух лучей в оптической части формируется интерференционная картина, представляющая собой систему чередующихся светлых и темных полос, положение KOTOptJX относительно оптической части (например, фотоприемников), одзначно определяется разностью опти.ческого пути между описанными лучами.

При измерении силы тяжести предлагаемый гравиметр ориентируешься так, чтобы ось резервуара была направлена вдоль линии отвеса. При этом, под действием силы тяжести, Ькидкость начнет перемещаться вниз. Это приводит к тому, что расстояние между окнами 3 и 4 уменьшается, а между окнами 5 и 6 - увеличивается. Перемещение окон происходит до тех пор, пока сила давления жидкости на них не уравновесится силой упругости в системах крепления окон.

В итоге оптическая длина пути луча первых проходящих окон 3 и 4 уменьшается, так как слой жидкости

между этими окнами стал меньше, а луча вторых проходящих окон 5 и б - увеличивается, по такой же причине. Это приводит к смещению полос интенференционной картины относительно фотоприемников.

Цело число периодов, на которые сместилась интерференционная картина, можетбыть подсчитано раверсивньлл счетным устройством, а перемещения в пределах одного периода - аналоговым преобразователем.

Положение интерференционной картины при некотором известном значении ускорения свободного падения g можно принять за нулевое. Тогда вариация g приводит к перемещению интерфер(енционной картины, которое может измеряться с большой точностью. Таким образом, используя предварительную тарировку предлагаемого гравиметра, можно измерять ускорения свободного падения g и находить его в произвольной точке земной поверхности по формуле

(1)

«ОП бу

g

где g - измеряемое значение уско/ Ьения свободного паденияj KQ. опорное значение,

us - отсчет по гравиметру.

Связь между величиной ag и перемещением интерференционной картины определяется следующим образом. Жесткость всех упругих креплений окон одинакова и равна К. Площадь всех окон также одинакова и равна S. Линейный размер окна равен Ув, много меньше расстояния между осями пар прозрачных окон h.

Оптическая длина пути & луча, . проходящего через верхние окна рав на:

Л (L - 5с) + пх L-(n-l)x,(2)

где L - расстояние между расщепляющими блоками; Xi, - расстояние между, верхними

окнами/ п - коэффициент преломления

жидкости.

Аналогичным образом найдем длину оптического пути луча, проходящего через нижние окна

, Ag L - (n-Dx ,(3)

где Х- - расстояние между нижними t

окнами.

Разность оптического пути между верхними и нижними лучами будет равна

и 4jj - Л (п-1)(х2 - ). (4) Под действием перетекания жидкости (например, при изменении силы тяжести), расстояния между окнами изменяются. При выполнении оговоренных выше предположениях, исходя

из несжимаемости жидкости, можио считать, что каждое окно переместилось на одинаковое расстояние Тогда

,/

X ., - 2 УХ ; 1

(51) х н- ,,

где х и х1 - новые расстояния мёжду окнами.

Подставляя (5) в (4), найдем возникающие И31мейеиия длины оптического пути

(пП:) 1(2 -.ч + 4 (ЛсJ;

, 4 - л (п-1) 4 о«-х , (6jl

Используя условие равновесия для {с лшого окна (равенство силы давлёниягсиле упругости), найдем

5ghS « kx, или ftiStfe, КоЛс(7)

л

где р h S k

-ПЛОТНОСТЬ жидкости;

-высота столба жидкости; площадь окна;

-жесткость упругого элемента окна

с/%

-изменение ускорения силы тяжести/

«fx

-перемещение одного окна.

Откуда найдем

(8)

Подставляя (8) в (6), найдем f . l( or;

Для того, чтобы интерференционная картина переместилась на период, оптически длина пути должна увеличиваться на Л

,

-и « А ;

(Ч0|

КЛ Ag.

Uh--«jpttS где Д - длийа волны используемого

света.

определяет цену одного знака с с етчиком регистрирукицего устройсфва, подсчитывающего, на сколько периодов переместилась интерференцио1{ная . Если счетчик показывает М периодов, то

uj;jis «.

Точность измерения определяетс стабильностью параметров гравиметра. Гравиметр представляет .собой жесткую конструкцию, практически не подверженную действию внешних факторов. Если его выполнить из материалов с минимальным температурным коэффициентом (например, ивар) и гистерезисом, то влияние температуры будет незначительным, так как расширение жидкости вызывает синфазное изменение положения верхних и нижних окон, и не сопровождается смещением интерференционной картины. Еще больше повысится точИость, если Предпринять элементарные меры термостабилизации.

Кроме того, чувствительность и динамический диапазон намного выше чем у известных гравиметров.

Другим важным преимуществом предлагаемого грайиМетра является очень малое время приведения в готовность, что обеспечивает возможность непосредственного сопряжения с ЭВМ.