Гравитационный 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.

На чертеже представлена принципиальная схема гравитационного вертикального градиентометра.

Его чувствительная система содержит два блока с грузами, корпусы 1, 2 которых имеют устройство перемены мест блоков по высоте, в котором корпусы 1, 2 первого и второго блока цапфами 3,4с опорами в виде подшил никое 5, 6 (опоры могут быть и скользящими) установлены в вертикальной штанге 7, связанной с помощью цапфы 8 и опоры 9 с подставкой 10. Блоки и штанга 7 аррети- руются в вертикальном положении с помощью арретиров, не показанных на чертеже. Поворотом штанги 7 на 180° осуществляется перемена мест блоков по высоте.

В корпусах 1. 2 первого и второго блока размещены грузы в виде постоянных магнитов 11, 12 и 13, 14, магнитопроводов 15, 16 и 17, 18 и полюсных наконечников 19, 20 и 21, 22. Груз первого блока (в корпусе) снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 23, усилителя 24 и датчика силы в виде магнитоэлектрического преобразователя, состоящего из постоянных магнитов 11, 12, магнитопроводов 15, 16, полюсных наконечников 19, 20 и катушки 25 в каркасе 26, закрепленном в корпусе 1 на стойках 27, 28.

Датчик перемещения 23 через усилитель 24 соединен с катушкой 29 дополнительного датчика силы груза второго блока, состоящего из постоянных магнитов 13, 14, магнитопроводов 17,18, полюсных наконечников 21, 22 и катушки 29 в каркасе 30, закрепленном в корпусе 2 на стойках 31, 32. Катушки 25 и 29 подключены в данном слуел

С

00

со со

00

2

со

чае параллельно, а именно и последовательно.

Груз второго блока (в корпусе 2) снабжен дополнительной электрической пружиной в виде датчика перемещения 33, усилителя 34 и датчика силы в виде катушки 35 в каркасе 30, постоянных магнитов 13.14, магнитолроводов 17, 18 и полюсных наконечников 21, 22. Выход с усилителя 34, т.е. вход катушки 35 соединен со счетно-решающим (блоком 36, выходом с которого является WM.

Грузы обоих блоков снабжены горизонтальными консолями 37, 38 свободные концы которых подвешены на упругих элементах в виде упругих пластин 39, 40.

Электрические пружины (т.е. компенсационные обратные связи) могут содержать интегрирующие звенья.

Устройство перемены мест блоков по высоте может иметь и другое конструктивное оформление, например, перенос блоков в ручную с одной площадки одной высоты на другую площадку и т.п.

В рабочем положении ось чувствительности градиентометра расположена по направлению силы тяжести.

Предлагаемый градиентометр определяет измеряемую величину в два такта измерения и работает следующим образом.

Первый такт.

Блок в корпусе 1 расположен вверху, блок в корпусе 2 расположен внизу.

Сила тяжести верхнего груза уравновешивается датчиком силы электрической пружины и силой упругого элемента 39:

mig Fgcn + C1X11

(1)

Сила тяжести нижнего груза уравновешивается дополнительным датчиком силы (катушка 29 с магнитной системой), датчиком силы дополнительной электрической пружины (катушка 35 с магнитной системой) и упругим элементов 40:

m2(g + WzzH) Fgc21 + Fgc21 + C2X21, (3)

где ma - масса нижнего груза,

Wzz - вертикальный градиент,

Н - расстояние между центрами масс

грузов,

Fgc2i - сила дополнительного датчика силы (катушка 29 с магнитной системой) при

первом такте измерения,

Fgc21 KgnlKglKgc2Xl1 nFgc11, (4) n Kgc2/Kgc1. (5) .

FgcSi - сила датчика силы дополнительной электрической пружины (катушка 35 с магнитной системой) при первом такте из- мерения,

С2 - жесткость упругого элемента 40, приведенная к оси чувствительности градиентометра,

Х21 - перемещение массы rri2 при пер- вом такте измерения.

Из (1), (3) с учетом (2), (4), (5) имеем:

.Fgc3i (т.2 - nrm)g + maWzzH - ncixn - С2Х21

(б)

Значение Рдсз поступает в виде входного тока катушки 35 в счетно-решающий блок 36, т.к. величина Fgc3 равна

Использование: измерительная техника, в частности, для измерения вертикального градиента ускорения тяжести. Сущность: грузы размещены в отдельных блоках корпусов, предусмотрено устройство перемены мест блоков по высоте в виде штанги, установленной цапфой и опорой в подставке, датчик перемещения одного из грузов через усилитель соединен с предусмотренным дополнительным датчиком силы другого груза, снабженного датчиком перемещения, усилителем и датчиком силы. Оба груза снабжены консолями, свободный конец которых подвешен на упругом элементе. 1 ил.

где mi - масса верхнего груза,

g - ускорение силы тяжести на уровне центра тяжести верхнего груза,

РдсП- сила датчика силы электрической пружины при первом такте измерения,

Fgc11 Kgm Kg|Kgc1X11

(2)

Kgnt - коэффициент крутизны статической характеристики датчика перемещения 23,

Kgi - коэффициент передачи блока усилителя 24.

Kgd - коэффициент крутизны статической характеристики датчика силы (катушка 25 с магнитной системой).

С1 - жесткость упругого элемента 39, приведенная к оси чувствительности градиентометра,

xii - перемещение массы пц при первом такте измерения.

40

Fgc3 Вз1з,

(10)

где Вз - магнитная индукция в зазоре между полюсным наконечником 21, 22 и магнито- проводом 17, 18,

з - длина провода катушки 35, i - ток, протекающий в катушке 35. Второй такт.

Блоки по высоте меняются местами; Имеем:

mi(g + WZ2H) Fgcn + cixi2,(7)

ГП29 n(Fgc12 + Fgc32 + C2X22),(8)

Fgc32 (m2- nmi)g - nmiWzzH + ncixi2-C2X22,

(9)

где Fgci2 - сила датчика силы электрической пружины при втором такте измерения,

Х12-перемещение массы mi при втором такте измерения,

Fgc32 - сила датчика силы дополнитель- нбй электрической пружины (катушка 35 с магнитной системой) при втором такте измерения,

Х22 - перемещение массы rri2 при втором такте измерения.

Значение FgC32 поступает в виде входного тока катушки 35 в счетно-решающий бло 36.

Из (6) и (9) имеем:

Fgc31 - FgC32 (ПГ12 + nrTt2)WzzH - ПС1(хц + + X12)-C2(X21-X22)(11)

Видим, что методическая погрешность от g в отличие от прототипа отсутствует.

При наличии интегрирующих звеньев в цепи электрических пружин хц, xi2, X2i, Х22 стремятся к нулю и второе и третье слагаемые справа в (11) будут отсутствовать и из (11} определится WZz.

Wz

Fgc31 Fgc32

( rri2 + nmi ) H

ИЗ (6), (9) ВИДИМ, ЧТО Fgc31, Fgc32 И Fgc31

- Fgc32 соизмеримы и по (5) относительная погрешность измерения определится по формуле

П - т+Ъ+чз, 03)

W;

гг

A(FgC31 Fgc32 ) | Fgc31 Fgc32

А(ПГ12 + ПГП2 ) ,

---- -----.J

-I - V V 111 tЈ.

ma + nmi )

. ДН , -rlzipj-1 (14)

(15)

(16)

где т - относительная погрешность измерения Wzz,

- с

ь

1

10

15

20

25

30

35

40

45

rj i -относительная погрешность измерения Fgc2,

Ц 2. 7 з относительная погрешность выдерживания ma + nmi и Н,

(Три диапазоне измерения W« - 4000 Э и т} 1 J/2, з порядка имеем rj того же порядка и, следовательно,

.43.

Для прототипа при точности измерения в 5 Э необходимо Дт/m, Д1/1 и др. параметры выдерживать с относительной по- грешмностью , т.е. .требования к конструктивным параметрам предлагаемого прибора, определяющих точность его измерения на много порядков меньше, чем к конструктивным параметрам прототипа.

Таким образом, в сравнении с прототипом достижимая точность измерения предлагаемого гравитационного вертикального градиентометра на несколько порядков выше.

Формула изобретения

Гравитационный вертикальный гради- ентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему из двух грузов, расположенных на разных высотах, преобразователь и регистрирующую систему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый груз снабжен горизонтальными консолями, свободный конец каждого из которых под- вешен на упругом элементе, при этом каждый груз размещен в отдельном корпусе, которые посредством цапф с опорами установлены на вертикальной штанге, преобразователь выполнен в виде двух систем, каждой из которых снабжен груз, при этом каждая система включает датчик перемещения, усилитель и дзтчик.силы, причем датчик перемещения первого груза через усилитель первого груза соединен с датчиком силы второго груза, выход усилителя второго груза соединен с регистрирующей системой, выполненной в виде счетно-решающего блока.

Я

.