Способ определения относительного значения ускорения силы тяжести Советский патент 1984 года по МПК G01V7/00 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике, в частности к области техники измерения относительного значения ускорения силы тяжести статическим методом.

Известны два основных способа измерения относительных значений ускорения силы тяжести статическим методом, отличакнциеся тем, что в них испольауются разные тела, создающие упругую эталонную силу,- которая уравновешивает силу тяжести.

В газовых гравиметрах сила тяжести уравновешивается упругостью газа, заключенного в ограниченном замкнутом объеме. В универсальном барометре Ломоносова, например, вес столбика ртути сравнивается с постоянной упругой силой. По такому же принципу построены газожидкостные гравиметры с температурной компенсацией 1 j .

Недостатком этого способа является то, что упругость газов очень сильно зависит от температуры.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является способ определения относительного значения ускорения силы тяжести, включающий уравновешивание силы тяжести, действующей на тело, силой, принятой за эталон С2 .

В механических гравиметрах сила тяжести уравновешивается упругой силой деформации специально построенных пружин. Эти приборы можно рассматривать как пружинные или крутильHbje весы, на которых взвешивается один и тот же груз постоянной массы. В качестве силы, уравновешивающей силу тяжести, используют упругие деформации разного рода: сжатия, растяжения, кручения, изгиба. Система уравновешивания гравиметра должна обладать стабильностью упругих свойств во времени, строго линейной зависимостью деформации от изменения нагрузки. В противном случае не соблюдается закон Гука, и следовательно , упругая сила уравновешивающей механической систе ш не может служить в качестве эталонной. Поэтому материал, из которого изготавливается упругая система, состоящая обычно из металлических или.кварцевых пружин, должен обладать очень высоким постоянством упругих свойств

Однако в cyniectByKMiiHX гравиметрах это основное требование нарушается

даже при неизменной величине ускорения силы тяжести и постоянных внешних условиях наблюдений (при постоянстве температуры, атмосферного давления и т.д.-/. Под воздействием внутренних напряжений и, особенно, возмущающих факторов деформация упругой системы гравиметра непрерывно и необратимо меняется, что приводит

к явлению, называемому смещением нуль-пункта.

Смещение нуль-пункта статических гра зиметров ограничивает область их применения. Несмотря на применение

защитных приспособлений типа карданова подвеса, вибрация и резкие наклоны гравиметров при транспортировке значительно увеличивают вероятность нелинейного смещения нульпункта.

Цель изобретения - исключение смещения нуль-пункта гравиметра после воздействия ударных нагрузок.

Поставленная цель достигается тем,

что согласно способу определения относительного значения ускорения силы тяжести, включающему уравновешивание силы тяжести, действующей на тело, силой, принятой за эталон, силу тяжести уравновешивают силой отталкивания , возникающей между обращенными друг к другу поверхностями тел, имеющих различные температуры и помещенных в среду разреженного газа, а

мерой относительного значения ускорения силы тяжести является измененение взаимного положения тел.

Согласно способу предлагается уравновешивать силу тяжести силой

отталкивания, возникакнцей между обращенными друг к другу поверхностями тел, имеющих различные температуры и помещенных в среду разреженного газа. При этом давление газа выбирается таким, что длина свободного пробега молекул сравнима с расстоянием между указанными поверхностями. Мерой относительного значения ускорения силы тяжести является изменение взаимного положения данных тел.

Предлагаемый способ, как и все способы измерения ускорения силы тяжести статическим методом, основан на сравнении силы тяжести с силой, принятой за эталон, В качестве эталонной силы используют силу отталкивания, возникающую между обращенными друг к другу поверхностями двух тел, обладающих paзличны и температурами и помещенных в разреженный газ. Пусть в сосуде, заполненном разреженным газом, находятся две пластинки. Первая пластинка имеет температуру Т, равную температуре стенок сосуда, а вторая пластинка более высокую температуре Т-, Первая пластинка бомбардируется с левой стороны молекулами газа, обладакнцими скоростью V, соответствующей температуре стенки сосуда Т , и сама отбрасывает с этой стороны молекулы газа со скоростями V-(. С правой же стороны эта пластинка бом бардируется молекулами со скоростями Vj , а сама отражает молекулы со скоростями V. Поэтому первая пластинка получает от каждой молекулы, обладающей массой т, определенный избыток количества движения ( - ). Соответствующая это му избытку количества движения сила которая действует на первую пластин ку со стороны второй пластинки, про порциональна концентрации молекул газа. Однако при повышении давления, когда длина свободного пробега молекул становится соизмеримой с расстоянием между пластинками, сила начинает уменьшаться, несмотря на увеличение концентрации молекул газ Зависимость силы отталкивания о давления описывается, согласно СЗ следующим соотношением где а и b две эмпирически определяемые постоянные; р - давление газа в сосуде. Кривая, описываемая соотношением 111, имеет максимум при давлении порядка 50 мТор. Расчеты по соотношению {1) показывают, что при поддержании давления вблизи точки, соответствующей максимуму силы, с точностью 10 , изменение величины силы отталкивани не превысит . При использовании материалов с малой величиной температурного коэффициента линейного расширения ста бильность силы определяется стабиль ностью разности температур пластин Для обеспечения точности гравиметра 10(в соответствии с ГОСТ 13017-73 97 тел 100°С разности температур при и Т должна точность поддержания Т. и 10-з°с-. Такая быть не хуже точность может быть получена, например, в уст ройствах, использующих точку фазового перехода (точку плавления вещества) . На чертеже показана конструкция гравиметра, реализующего предлагае- мый способ. Гравиметр содержит металличеекий стакан 1, пластину 2, прокладку 3, пластину 4, растяжку 5, упоры 6, первый термостат 7, второй термостат 8, измерительное устройство 9. Металлический стакан 1 помещен в первый термостат 7, поддерживающий 2 соединена температуру Т, пластина со вторым термостатом В, поддерживаю- щим температуру 2 прокладка 3 герметизирует внутренний объем устройства и обеспечивает теплоизоляцию между стаканом I - и пластиной 2. На боковых стенках стакана 1 параллельно пластине 2 укреплена пластина 4 на растяжках 5, обеспечивающий весьма малую жесткость в продольном направлении и достаточную для фиксации положения Пластины 4 жесткость в поперечном направлении (конструкция таких растяжек и методика их расчета для любых соотношений жесткости в поперечном С у; и продольном С направлениях Cjj/C дана в 4. В данном случае достаточно иметь Су/С,, 1000-2000 для того, чтобы жесткость подвеса не оказывала заметного влияния на работу прибора. Для ограничения перемещения пластины 4 при выключенных термостатах на боковых стенках стакана 1 установлены упоры 6. Пластина 2 совместно с пластиной 4 служит емкостным датчиком перемещений. Величина изменения емкости конденсатора, образованного пластинами 2 и 4, пропорциональная относительному значению ускорения силы тяжести, измеряется устройством 9. Устройство работает следующим образом. Объем, образованный стаканом 1 и пластиной 2, заполняется рабочим газом (например гелием ) таким образом, чтобы давление при расчетной температуре Т возможна более точно соответствовало оптимальной величине (порядка 50 мТор), обеспечивающей минимальную зависимость отталкивающей

силы от изменения давления. Далее проводят настройку, которая включае в себя две операции. Целью первой является точная подгонка давления газа для получения максимума оттапкиваюв(ей силы (выхода на рабочую точку ).

Целью второй операции является подбор величины отталкивающей силы, обеспечивающей нахождение пластины в положении, которое она занимала б в отсутствии силы тяжести (или при помещении гравиметра на бок ). Это необходимо для того, чт9бы нестабильность упругих свойств растяжек не вносила заметных погрешностей в дальнейшие измерения.

Подгонка давления производится путем изменения рабочей температурой термостата 7 Т.. Контроль силы проводится путем измерения емкости конденсатора, образованного пластинами 2 и 4, с помощью устройства 9 при поддержании постоянной разности температур Т и Т, Максимуму отталкивающей силы соответствует минимум емкости данного конденсатора.

Подбор величины отталкивающей силы производится следующим образом. Установив регулировкой термостата 8

т т помещают прибор горизонталь 2 -Н но

и измеряют величину .емкости устройством 9. Затем устанавливают гравиметр в рабочее положение и, регулируя термостат 8, изменяют Т-, добиваясь получения той же, как и в пред)1дущем измерении, величины емкости. Эти операции производятся на пункте с известным значением ускорения силы тяжести.

При измерениях с помощью устройства 9 определяется величина изменения емкости и ее знак, служащие мерой перемещения пластины 4, а следовательно, относительного значени ускорения силы тяжести.

Предлагаемый способ определения относительного значения ускорения силы тяжести позволяет конструироват гравиметры, обеспечивающие длительную работу без корректировки нульпункта, что, в свою очередь, позволяет значительно упростить методику гравиметрических измерений и обработку полученных результатов.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОГО ЗНАЧЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СИЛЫ ТЯЖЕСТИ, включающий уравновешивание силы тяжести, действующей на тело, силой, принятой за эталон, о т л и чающийся тем, что, с целью исключения смещения нуль-пункта гравиметра по-сле воздействия ударных нагрузок, силу тяжести уравновешивают силой отталкивания, возникающей между обращенными друг к другу поверхностями тел, имеющих различные температуры и помещенных в среду разреженного газа, а мерой относительного значения ускорения силы тяжести является изменение взаимного положения тел. 00 Од СО со VI