Вертикальный градиентометр Советский патент 1993 года по МПК G01V7/14 

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести.

Целью изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента за счет исключения методической погрешности от ускорения силы тяжести.

На чертеже представлена принципиальная схема вертикального градиентометра.

Его чувствительная система представ- .ляет собой корпус 1, в вертикальных каналах 2, 3 с жидкостью которого расположены на разных высотах поршни 4, 5, жестко связанные с грузами 6, 7. Каналы 2,3 переходят в расположенные друг против друга полости 8, 9 между которыми установлен датчик давлений в виде поршня 10, снабженного электрической пружиной в виде датчика

перемещения 11, например индуктивного типа, блока усилителя с демодулятором 12 и датчика силы. Датчик силы содержит постоянный магнит 13, магнитопройод 14 и обмотку 15, вход которой соединен со входом вычислителя 16. Корпус 1 чувствительной системы с помощью направляющих штифтов 17 устанавливается в направляющих 18 наружного корпуса 19.

Чувствительная система в отличие от прототипа снабжена механизмом подъема, состоящим из каретки 20, электромотора 21 и троса 22 и механизмом пуска, состоящего из электромагнита 23, ферритового якоря 24 и опорных игл 25.

Корпус 1 снабжен наконечником 26, ниже которого расположен амортизатор, состоящий из поршня 27 и пружины 28.

IW

Между блоком усилителя и демодулятором 12 и вычислителем 16 предусмотрена контактная группа 29 с переключателем, состоящим из корпуса 30, переключателя 31 и пружины 32.

Грузы 6, 7 через поршень 10, снабжены задатчиком силы, пропорциональной .второй производной перемещения грузов. Этот за датчик силы содержит обмотку 33, вход которой соединён с выходом дополнительно введенного дважды дифференцирующего устройства, которое, например, состоит из операционных усилителей 34,35, емкостей С1, С и сопротивлений Ra , Ra вход которого через усилитель с демодуля- . тором 12 соединен с выходом датчика перемещения 11 груза 7.

Поршень 10 снабжен дополнительным задатчиком силы с использованием обмотки 15, вход которой соединен с источником переменного тока 36, магнита 13 и магнито- провода 14, а также снёбжен арретирующим устройством, которое на Чертеже не показано.

Градиентометр снабжен акселерометром 37. установленным на корпус 1 чувствительной системы, ось чувствительности которого направлена по направлению силы тяжести и датчиком атмосферного давления 38, выходы с которых соединены со входом вычислителя 16.

Вместо датчика давлений в виде поршня 10 с электрической пружиной могут использоваться сильфоны, мембраны и т.п. В этом случае к жесткости электрической пружины добавится жесткость сильфона, мембраны и т.п. Вместо индуктивного датчика перемещений 11 может использоваться более чувствительный, например, растровый фотоэлектрический первичный преобразователь перемещений с разрешающей способностью, равной десятым долям микрометра и др.

В предлагаемом приборе для компенсации температурной погрешности может быть предусмотрена либо термостабилизация, либо датчики температуры, выходы которых соединены со входом вычислителя 16,

В качестве чувствительной системы предлагаемого градиентометра можно использовать любой вертикальный гравитационный градиентометр компенсационного типа с введением в него задатчика силы к чувствительному элементу, пропорциональной второй производной перемещения этого чувствительного элемента.

Это повысит точность измерения не менее чем на порядков в сравнении с точностью Используемого градиентометра в чувствительной системе предлагаемого градиентометра.

Предлагаемый вертикальный градиентометр работает следующим образом,

В стартовом положении чувствительная система удерживается электромагнитом 23 и опирается на иглы 25. В момент освобождения чувствительной системы размагничи5 вается цепь питания катушки электромагнита 23 .и разарретируется поршень 10, чувствительная система начинает падать вниз, при этом влияние ускорения силы тяжести (в отличие от прототипа) на чувствительные элементы (поршни, грузы) чувствительной системы исключается.

Под действием вертикального градиента Wzz возникает разность сил, приложенных к грузам 4, 5 с поршнями 6, 7. Эта

jg разность сил через жидкость в каналах 2, 3 и полостях 8,9 прикладывается к поршню К) К поршню 10 прикладывается и сила от задатчика силы, пропорциональной второй производной перемещения грузов, а именп но сигнал с датчика перемещения 11 поступает в блок усилителя и демодулятора 12, дважды дифференцируется дифференцирующим устройством, состоящим из операционных усилителей 34, 35, емкостей С и С и сопротивлений R Кг и поступает в обмот. ку 33, ток которой, взаимодействуя с полем

постоянного магнита 13 и магнитопровода

14, прикладывает силу к поршню 10, По су ществу это положительная обратная связь,

которая улучшает, динамику движения пор0 шня 10, ускоряя его приход к установившемуся положению.Ј

В разность сил на поршень 10 будем входить и разность сил от атмосферного давления на грузы 6, 7 и инерционных сил

5 от ускорения корпуса 1 с чувствительной системой за счет сил сопротивления его движению.

Разность сил, приложенная к поршню 10, уравновешивается силой датчика силы

0 электрической пружины поршня 10, и сигнал с катушки 15 датчика силы подается на вход вычислителя 16 при падении корпуса 1 с нажатием штифтом 17 переключателя 31 и замыкании контактов контактной группы 29.

5 Акселерометр 37 измеряет ускорение от сил входного сопротивления движению корпуса 1 чувствительной системы (трение штифтов 17 о направляющие 18 и сопротивление воздуха внутри корпуса 19 если он не

п вакуумирован, что при необходимости можно предусмотреть) и сигнал с акселерометра подается на вход вычислителя 16.

На вход вычислителя 16 подается также сигнал величины атмосферного давления с датчика 38 и при необходимости сигнал с

5

датчика температуры.

Вычислитель 16 по сигналам, поданным на его вход, вычисляет искомое значение вертикального градиента WZz.

При дальнейшем падении корпуса 1 с чувствительной системой поршень 1Фарретируется и внизу корпус 1 тормозится нажатием наконечника 26 на поршень 27 и пружину 28 амортизатора, после чего каретка 20 электромотором 21 и тросом 22 поднимает чувствительную систему в верхнее стар- товое положение.

Питание обмотки 15 от переменного источника питания 36 создает осевые колеба- тельные движения поршню 10 для уменьшения его трения о стенки корпуса 1. Это питание может отсутствовать, т.к. трение поршня 10 о корпус применением специальных материалов, например, скользких резин, может быть снижено до невиданно низкого уровня.

Таким образом наличие в предлагаемом градиентометре механизмов подъема и пуска чувствительной системы, а также задат- чика силы к грузам, вход которого соединен с выходом дополнительно введенного дважды дифференцирующего устройства, вход которого соединен с выходом датчика перемещения одного из грузов, полностью уст- раняют методическую погрешность от ускорения силы тяжести, которая в прототи- пе может достигать сотен процентов.

Для исследования возможностей предлагаемого градиентометра можно использовать следующее дифференциальное уравнение движения чувствительного эле- мента чувствительной системы после пуска, в котором в качестве выходной координаты приняв линейное перемещение Z поршня 10:

(m-Kz)Z + KgZ + CZ

AioPo + Ana + Ai2W7Z, 0

(1)

где m - приведенная масса,АО

Kz - коэффициент передачи задатчикз силы, пропорциональной второй производной перемещения грузов, т.е. коэффициент передачи положительной обратной связи по второй производной перемещения,.с

Kg - приведенный коэффициент демпфирования,

С - жесткость электрической пружины поршня 10 (является и приведенной жесткостью, т.к. других упругих элементов в подвижной системе поршней нет),

Аю 521П-(1-Г| Hi/To)1/f, (2)

50

Ро - атмосферное давление,

An,Ai2 коэффициенты, определяемые 55 конструктивными параметрами прибора,

а - ускорение чувствительной системы от сил вредного сопротивления (трение штифтов 17 и сопротивление воздуха, если прибор не вакуумирован),

ц - 0,065 град/м

Т0 288,15°К,

R - 29,27 м/град,

HI - расстояние между грузами б, 7, S21 - площадь поршня 10.

Из (1) видим, что за счет Kz теоретически постоянная времени измерителя может быть сделана сколь угодно малой и этим обеспечится измерение Wzz за время падения чувствительной системы после пуска.

При увеличении значении Kg за счет естественного демпфирования движения поршней можно его уменьшить за счет эффекта антидемпфера, предусмотрев положительную обратную связь по первой производной Z (сигнал с дифференцирующего устройства из операционного усилителя 34 с С и R21 подать, например, на обмотку 15 поршня 10).. .

В установившемся режиме из (1) имеет

F CZ AioP0 + Аца + + Ai2Wzz.

(3)

где F - сила датчика силы электрической пружины поршня 10, поступает в виде сигнала на вход вычислителя 16 со входа обмотки 15.

Откуда получим

Wzz

F - АЮ PQ - An a Ai2

(4)

т.е. по измеренным F, Р0, а вычислитель вычисляет Wzz.

Значения величины АюРо может быть сделано близким к нулю вакуумированием внутренней полости чувствительной системы (внутренняя полость корпуса 1), т.е. при Ро - 0.

В этом случае

F -Ana

А12

(5)

Покажем один из возможных способов градуировки градиентометра для общего случая, когда изменяется не только F, но и Ро и а.

1 этап (выполняется в стартовом положении чувствительной системы). Подбором масс грузов б, 7 обеспечиваем по (3) F , При этом Аид (вместо Ana) получаем значения порядка (AioPo + Ai2WZz) и после пуска в выражении (3) выполняется условие

lAial SI Аюро + Ai2 . т.к. а « g.

Для еще более значительного снижения Аид, а следовательно и Ana можно на этом этапе предусмотреть вакуумирование-внут- ренней полости корпуса 1, предусмотреть установку груза 6 на уровне груза 7 и уравновешивание давления превышения столба жидкости под грузом 6 над столбом под грузом 7.

2 этап (выполняется в рабочем режиме чувствительной системы, т.е.-б движение после старта). Произведя не менее, чем 3-, кратное измерение силы датчика силы.электрической пружины при различных, Ppi, g. Wzz определить коэффициенты Aoi, Асе. Аи. т.е. отградуировать прибор.

При этом получим

PoiAo2 + giAn + W2Z1A12 Fi,

P02Aoi + Q2All + Wzz2Al2. F2,

РозАо1 + дзАп + W zz3Ai2 Рз,„

0

CO

определяются Аю, An, Ai2. Случай

gi д2 дэ д, Poi Po2 Po,

Wzz2 Wzz3 Wzz

дает

A - д(Роз-Ро) (Wzz-Wzzi) .

(9)

To есть возможна градуировка при 3-х следующих параметрах измерения

i)Pb,giWH.)

2)Ро, 91 Wzz,

3)Роз, g, Wzz

(10)

0

5

0

5

0

5

0

5

Параметр Wzz возможно менять изменением масс грузов над- или под прибором.

При необходимости может быть произведена доработка прибора и выполнена, новая градуировка прибора,

Таким образом в сравнении с прототипом предлагаемый вертикальный градиентометр обеспечивает полное исключение методической погрешности от ускорения силы тяжести, которое в прототипе может достигать сотни процентов. То есть предлагаемый градиентометр обеспечивает более высокую точность измерения.

Формула изобретения

1.Вертикальный градиентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему, включающую два груза, разнесенные по высоте,, регистратор, преобразователь, содержащий датчик перемещения и усилитель, пусковой и подъемный механизм, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, грузы чувствительной системы жестко связаны с поршнями, расположенными в вертикальных каналах с жидкостью, каждый канал в нижнем основании содержит полости, расположенные одна напротив другой, разнесенные по высоте и разделенные преобразователем, выполненным в виде поршня, снабженного дополнительно датчиком силы, демодулятором и эадатчиком силы, при этом датчик силы соединен с регистратором, выполненным в виде вычислителя, а вход задатчика силы соединен с выходом дважды дифференцирующего устройства, вход которого через усилитель с демодулятором соединен с выходом датчика перемещения, установленного на одном из грузов.

2.Градиентометр по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что он дополнительно содержит установленные на корпусе акселерометр, ось чувствительности которого совпадает с направлением силы тяжести, и датчик атмосферного давления, выходы которых соединены с входом вычислителя.

15

6

zz

Использование: область измерительной техники, в частности для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести. Сущность:,грузы чувствительной системы жестко связаны с поршнями, расположенными в вертикальных каналах с жидкостью, каждый из которых в нижнем основании содержит полости, расположенные друг напротив друга, разнесенные по высоте и разделенные поршнем, снабженным датчиком перемещений, усилителем, демодулятором, датчиком силы и дополнительным задатчиком силы, соединенным с выходом дважды дифференцирующего устройства, а датчик силы соединен с регистратором. Градиентометр также содержит пусковой и подъемный механизмы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.