Прецизионный вертикальный градиентометр Советский патент 1993 года по МПК G01V7/14 

сл

с

Использование: измерительная техника, в частности для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести. Сущность: грузы чувствительной системы размещены в вертикальных направляющих, датчик перемещения первого груза через усилитель соединен с датчиком силы второго груза. Грузы снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние по высоте между грузами. Чувствительная система снабжена акселерометром, Первый груз чувствительной системы снабжен до- пол н ительно двумя задатчиками сил ы, а второй груз-одним задатчиком силы. 1 ил.

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

Целью изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента.

На чертеже представлена принципиальная схема прецизионного вертикального градиентометра.

В его чувствительной системе предусмотрены два груза 1 и 2, установленные в направляющих 3, 4 корпусов 5 и 6, жестко .связанных штангой 7. Внутренние полости 8 и 9 корпусов 5 и 6 могут заполняться грузом (воздухом) или вакуумироваться. Груз 1 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 10. усилителя 11с регулируемым сопротивлением 12 и датчика силы, состоящего из постоянного магнита 13, магнитопровода 14 и обмотки 15. Датчик

перемещения 10 через усилитель 11 и сопротивление 12 соединен с обмоткой 16 дополнительного датчика силы груза 2, состоящего из постоянного магнита 17, маг- нитопровод 18 и обмотки 16. Грузы 1 и 2 снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние между ними состоящим из датчиков перемещений 19, 20, например, емкостного типа емкостью Cig, Сао, установленных на грузах 1,2, сопротивлений 21, 22 (Rai.. R22J образующих мост, питаемый от источника переменного тока. В измерительной диагонали моста установлен усилитель 23,-соединенный с двигателем 24, который через редуктор (на чертеже не показан) связан со стрелкой 25 указателя 26. Груз 2 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 27, усилителя 28 и датчика силы, состоящего из постоянного магнита 17, магнитопровода 18 и обмотки 29, вход которой соединен со

со ы о о

4 СЛ

ы

входом вычислителя 30, Вход вычислителя 30 соединен с выходом акселерометра 31, установленном на уровне центра масс груза 2 и с осью чувствительности, направленной по направлению силы тяжести. Груз 2 снаб- жен дополнительно задатчиком силы в виде обмотки 32, постоянного магнита 17 и маг- нитопровода 18. Груз 1, снабжен дополнительно двумя задатчиками си.лы в виде обмоток 33...34, посхрянного магнита 13 и магнитопровода 14. Обмотки 32,33 подключены к источнику постоянного тока через контакт 35, обмотка 34 подключена к источнику постоянного тока через контакт 36.

В нерабочем состоянии градиентомет- ра грузы 1,2 арретмруются в предложенном положении арретирами, не показанными на чертеже.

Ось чувствительности градиентометра в рабочем положении направлена по направ- лениго силы тяжести, Грузы 1, 2 могут быть установлены не в направляющие, а на упру- |ие чувствительные элементы в виде силь- фонов, мембран, пружин и т, п. В этом случае к силам, действующим на грузы 1, 2, добавятся силы упругости этих упругих элементов- , .-. -..-. ,-... .v

Вместо усилители 11 с регулируемым сопротивлением 12 может использоваться усилитель с переменным коэффициентом усиления, управляемым от усилителя 23 (до получения нулевого сигнала с усилителя 23).

Для уменьшения трения при перемеще нии грузов 1, 2 э направляющих 3, 4, хотя оно может быть снижено до невиданно низкого уровня {€), грузы 1, 2 могут быть снаб- жены задатчиками переменной силы, обеспечивающих оживление грузов

Для демпфирования колебаний грузов 1, 2 могут быть предусмотрены демпфирующие звенья, например, а виде воздушного (газового) демпфера, где поршнями могут являться грузы 1, 2, либо в виде магнитоин- дукционного демпфера и др;

Для уменьшения погрешностей могут быть предусмотрены измерители темпера- туры, позволяющие учесть влияние температуры на выходной сигнал, либо может быть предусмотрена термостабилизация.

,-

Для повышения точности измерения предлагаемым прецизионным градиентометром еще на несколько порядков могут быть созданы условия работы при низких температурах (криогенные системы), где будет использован эффект сверхпроводимо сти проводников,

Прецизионный вертикальный градиентометр работает следующим образом.

На верхний груз 1 действует ускорение силы тяжести д, на нижний груз 2 действует ускорение силы тяжести:

д0 д + WzzHi,

(1)

5 ю 15

„л -.-

. 30.

35

40

25

где g - ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 1,

до - ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 2,

Wzz - вертикальный градиент ускорения силы тяжести

Hi - расстояние между центрами масс грузов 1,2.

Силы веса грузов 1, 2 равны произведению, их масс на g и д0 соответственно.

Сила веса груза 1 уравновешивается силой датчика силы его электрической пружины, т.е. при отклонении груза 1 от его силы веса сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает на вход обмотки 15 датчика силы, сила которого и уравновешивает силу веса груза 1. Сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает и на обмотку 16 датчика силы груза 2. Эта последняя сила пропорциональна (или равна) силе веса груза 1 и направлена на уравновешивание силы веса груза 2.

Таким образом к грузу 2 приложена сила веса груза 2, зависящая от д0 и та (массы груза 2), сила датчика силы груза 2 (обмотка 16, постоянный магнит 17 и магнитопровод 18), зависящая от g go-WzZHt и rrtf (массы груза 1) и сила датчика силй электрической пружины груза 2 (обмотка 29, постоянный магнит 17, магнитопровод 18, датчик перемещения 27, усилитель 28). Сумма этих 3-х сил в положении равновесия равна нулю, откуда определяется аналитическая зависимость силы электрической пружины груза 2 от g0, Wzz, HI, mi и гтта:

F2 Ацд0 + AiaWzz, ..

(2).

где F2 - сила электрической пружины груза 2, :. - . . - . .

An, Ai2 - коэффициенты, зависящие от конструктивных параметров градиентометра.

Сигнал, характеризующий величину силы Fa электрической пружины груза 2 со входа обмотки 29 поступает на вход вычислителя 30, где по известной аналитической зависимости (алгоритму) и сигналу д0 поступающему в вычислитель 30 с акселерометра 3t, вычисляется искомое значение вертикальногоградиента WZz.

В процессе измерения поддерживается определенное значение Hi с помощью устройства, поддерживающего определенное расстояние между грузами 1 и 2, т.е. сигнал величины перемещения груза 2 с датчика перемещения 20 поступает на одно ив плеч

моста Gig, C20, R21. R22, сравниваться с величиной сигнала (емкость) датчика перемещения 19 в измерительной диагонали моста усилителем 23, сигнал с которого поступает на двигатель 24, который через редуктор (на чертеже не показан) отрабатывает стрелку 25 по указателю 26. Оператор (или следящая система, не показанная на чертеже) регулируемым сопротивлением 12 приводит стрелку 25 в нулевое, т.е. согласованное по- ложение, когда перемещение груза 1 и 2 от исходного положения равны.

Конструктивные параметры градиентометра подбираются так, чтобы в (2) слагаемое от д0, было минимально возможным, а слагаемое от Wzz - максимально возможным. Поскольку в предлагаемом градиентометре д0 измеряется акселерометром 31 и в вычислителе 30, используя (2), определяется WZz, то исчезает методическая погрешность от д0, которая присуща прототипу.

Так как груз 1 снабжен дополнительно двумя задатчиками силы (обмотки 33, 34), и груз 2 снабжен дополнительно задзтчиком силы (обмотка 32), то, используя метод эталонных сигналов, можно исключить мульти- пликативные погрешности от изменения Аи и Ач2 (формула 2) при эксплуатации прибора.

А именно: перед началом измерения грузы 1,2 разарретируются, по показаниям стрелки 25 указателя 26 регулируемым со противлением 12 оператор (или следящая система) устанавливает груз 1 так, чтобы показание указателя 26, .т.е. изменение расстояния между грузами 1, 2 было равно нулю

Далее измерение производится в 3 такта (поддерживая в каждом такте показание указателя 26 равным нулю).

1 такт. Контакты 35 и 36 разомкнуты. В вычислитель 30 поступает сигнал, характе- ризующий значение силы F2i:

Ј21 Anao + Ai2Wzz.

(3)

где F21 - значение силы электрической пружины груза 2 при 1-м такте измерения.

2 такт. Контакт 35 разомкнут, контакт 36 замкнут.

В обмотку 34 подается ток, обеспечива- , ющий силу, эквивалентную изменению силы тяжести верхнего груза 1 от эталонного сигнала вертикального градиента W. Ниже будет показано аналитическое значение прикладываемой .силы от задатчика силы (обмотка 34). В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы F22 во втором такте.

Ј22 - А11Др + A12(WZZ + Wzza).

(4)

3 такт. Контакт 35 замкнут, контакт 36 разомкнут. А обмотки 32,33 подаются токи, обеспечивающие силы, эквивалентные изменению силы тяжести верхнего и нижнего груза от эквивалентного ускорения силы тяжести дэ.

В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы F23 при третьем такте измерения:

Ј23 АЦ(ЛО-ДЭ) + Ai2Wzz.

(5)

Вычислитель (30) по алгоритму из (3)-{5) вычисляет Wzz. При этом мультипликативная погрешность от изменения Аи и Ai2 исключается, т.е. точность измерения в сравнении с прототипом повышается.

Покажем это аналитически.

Для прототипа момент, приложенный к коромыслу, имеет вид:

М Аид + Ai2Wzz,(6)

где Ац I2m2-limi.

А12 12ГП2Н,

М - момент, приложенный к коромыслу от веса грузов (т.е. от g т Wzz),

It,l2 - плечи коромысла, на которых прикладываются силы веса верхнего и нижнего грузов соответственно,

ггм, гп2 - массы верхнего и нижнего грузов,

g - ускорение силы тяжести, действующее на уровне верхнего груза.

Н - расстояние по высоте между грузами,

Wzz - фактическое абсолютное значение вертикального градиента.

Из (6) имеем

M-(hm2

limi )g

12ГП2Н

(7)

При полевых измерениях относительных значений Wzz прибором-прототипом (2, стр. 257, 2-й абзац снизу) вдоль двух профилей длиной 65 метров средняя квадратиче- ская погрешность измерения разности

вертикального градиента для двух испытываемых приборов составила 8-9 Э. Относительные значения Wzz вдоль профилей 65 м едва ли составляли десятки Этвеш и, таким образом, относительная погрешность измерения прототипа составляла сотни процентов.

Для исследования возможностей предлагаемого прецизионного градиентометра представим аналитические соотношения, характеризующие его работу.

Имеем

F2 AnQo + Ai2Wzz, где An rri2-nmi, A2 nmi Hi, n kC2/kc1,

kC2, kci - коэффициенты крутизны датчиков силы грузов 2 и 1 соответственно (обмотки 16 и 15 со своими магнитными системами соответственно).

Коэффициент n говорит о возможности увеличения Ai2 только за счет увеличения массы одного из грузов (в данном случае груза 2). .

Из (2) имеет

F2 -Aig0

А12

(9)

Как сказано выше мультипликативные погрешности от изменения Аи и А12 исключаются применением метода эталонных сигналов.

Эталонное значение Wzza 2-го такта измерения (формула 4), обеспечивается заданием силы РЭ1 равной:

РЭ1 - miHiWZz9,

(Ю)

где РЭ1 - сила, приложенная к грузу 1 через обмотку 34. Знак (-) соответствует приложению силы по направлению вверх, если за положительное направление принято направление силы тяжести.

Эталонное значение дэ 3-го такта измерения (формула 5) обеспечивается заданием сил Рэ2 и РэЗ равными:

Рэ2 -пщдэ,

}

(11)

РЭЗ - гп2дэ где Рэ2 сила, приложенная к грузу 1 через обмотку 33,

РэЗ - сила, приложенная к грузу 2 через обмотку 32.

Знак (-) соответствует приложению этих сил в направлении вверх, если за положительное направление принято направление Силы тяжести.

Из (10) и (11) имеем

WZZ3 Fsi

miHi

дэ -- или дэ - z3

0

mi Из (3) и (4) имеем

ГП2

А12

Ац

Р22 р21

VW

F21 F23

дэ

(12) 03)

(14) (15)

И под (9) с использованием (14), (15)опреде- ляется Wzz (при этом F2 F2i).

Формула из обретения Прецизионный вертикальный градиентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему из двух грузов, расположенных на разных высотах, преобразователь и регистрирующую систему, о т- л и ч а ю щи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый груз чувствительной системы размещен в отдельном корпусе в вертикальных направляющих, при этом оба груза жестко связаны штангой, снабженной устройством для поддержания заданного расстояния между грузами, преобразователь выполнен в виде двух систем, каждой из которых снабжен груз, при этом каждая система исключает датчик перемещений, усилитель с регулируемым сопротивлением и датчик силы, преобразователь содержит три дополнительных задатчика силы, двумя из которых снабжен первый груз, а одной - второй груз, при этом датчик перемещений первого груза через усилитель и регулируемое сопротивление соединен с датчиком силы второго груза, выход которого соединен с регистрирующей системой, выполненной в виде вычислителя, второй вход которого соединен с выходом акселерометра, установленного на уровне центра масс второго груза, причем ось чувствительности акселерометра совпадает с направлением силы тяжести.