Устройство для измерения ускорения свободного падения Советский патент 1975 года по МПК G01P15/93 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАДЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ;

I

f Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено при точных измерениях ускорения силы тяжести, например в метрологии.

Известные устройства для измерения

ускорения свободного падения, содержащие оптический отражатель, интерферометр, генератор эталонного времени, счетчик интер(валов пути и времени и цифровую вычислительную машину (ЦВМ), обладают недостаточно высокой точностью, так как в них не учитывается сопротивление воздуха свободному падению.

Предлагаемое устройство снабжено дополнительными параллельными счетчиками интервалов пути и времени и программным устройством ввода, включенным между счетчиками интервалов и перфоратором ЦВМ Указанные отличия увеличивают точность измерения ускорения, так как позволяют учесть сопротивление воздуха.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит: вакуумную трубу свободно падающий отражатель (тетраэд|ралЬную призму) 2 с зеркальным покрытием на передней грани; лазер 3; систему полупрозрачных зеркал 4; блок 5 формирова НИН электрических импульсов пути; генератор 6 эталонной частоты; блок 7 формирования электрических импульсов времени; блок 8 счета интервалов пути и времени; релейное программное времязадаюшее устройство 9 ЦВМ; перфоратор Ю, источник 11 света; зеркальное покрытие 12 на передней грани отражателя 2; полупрозрачное зеркало 13; маску 14 в виде диска с изменяющейся по радиусу оптической плотностью; фокусирующий объектив 15; фотопрремник 16; аналого-цифровой преобразователь 17; сейсмограф 18; аналог-о-цифровой преобразователь (АШО 19.

Устройство работает следующим образом.

С помощью подъемного и удерживающего устройств (на чертеже не показаны) отражатель поднимается и удерживается в верх нем конце трубы 1, По сигналу блока управления (на чертеже не показан) отражатель j2 отпускается и начинается его свободное падение. Сколлимирсеанный луч лазера 3 делится зеркалом 4 на опорный и измерительный, который после отражения прн:эмой 2 интерферирует с опорным аа лучеделительной поверхности второго зеркала 4. Другой измерительный луч от источника 1 свет поворачивается полупрозрачным зер калом 13 на зеркальное п крытие 2 и после отражения от зеркала 12 проходит через маску 14 и фокусируется линзой 15 на фотоприемник 16, Сигнал интерфероме1 ра преобразуется блоком 5 в электрически импульсы, которые считаются блоком 8 за временные интервалы, сформированные в блоке 7 из сигнала генератора 6, После окончания счета очередного интервала пути счетный блок вырабатывает импульс запуска считывания кодов со счетных декад, который совместно с релейным программным времязадающим устройством 9 запускает перфорацию ленты перфоратором 10 и последовательное считывание кодов с декад счетчика. Второйизмерительный луч, отраженный от зеркала 12, попадает на маску 14, пропускание которого обратно пропорционально расстоянию от центра. До отпускания отражателя отраженный зеркалом 12 луч проходит через центр маски 14, и сигнал на фотоприемнике максимален. Если во время падения отражатель вращается относительно горизонтальной оси, то отраженньШ от зеркала 12 луч смещается от центра маски 14 и его яркость на фотоприемннке 16 изменяется про юрционально углу поворота. Изменение тока фотоприемника 16, за заданное время преобразуется аналогоцифровым преобразователем 17 в цифровую форму и регистрируется на перфоленте перфоратором 10. Изменение выходного сигнала сейсмографа 18 за задаваемые промежутки времени выраженное с помощью АЦП 19 в цифровой форме, также регистрируется на перфоленте и выражается в ЭЦВМ в единицах длины. После улавливания отражателя 2 в нижней части трубы 1 цикл измерений повторяется. Ускорение силы тяжести вычисляется на ЭЦВМ следующим образом. j Сначала решается система уравнений, : сБЯЗьтающих пройденный путь Si за время Ti с ускорением силы тяжести Q с учетом влияния силы сопротивления оста точного воздуха: --di (H-nirN K - )т ( t 1, 2, 3, 4)(1| Здесь VQ - начальная скорость в момент начала счета интервалов пути и времени; С и В коэффициенты силы трения при первой и втqpoй степени скорости. Неизвестных в записанной системе уравнений четыре .{ и Р), однако входят они в уравнение нелинейным образом. Линеаризуем данные уравнения, определив величины VQ и Jg двух последних слагаемых приближенно из любых двух укороченных уравнений системы (1), не учитывающих влияние силы сопротивления, т. а. при Cf р О. Такое приближенное выражение; величин Vg и Я Q в двух последних слагаемых уравнения (1) через значения Vg и QQ , определяемые иа укороченной системы (l) допустимо для уточнения Q , так как ввиду малости сйль сопротивления величины двух |Слагаемых малы и при их определении требуе х-ся точность вычисления меньщая, чем для остальных двух слагаемых. Таким образом, алгоритм вычисления силы тяжести можно расписать следующим образом. Сначала производится измерение четырех интервале пути S, пройденных па дающим отражателем за время Т . Отрезки пути Si находятся как сумма результата счета числа интерференционных полос NJ и показания сейсмографа д8 : S. - NL / 4. л о t (Я- длина лазерного излучения), i Затем из укороченной системы, уравне1ний (1) определяются значения VQ и о Найденные значения / и подставляются в два последних слагаемых системы уравнений (1), и данная система уравнений решается для определения величины .

Окшчательное значение ускорения силы тажести получаете после внесения поправ-, |си на влияние центробежного ускорения Г

„ J

где расстояние по вертикали между оптическим пентром и дентром масс отражатела, определяемое экспериментально; «р - угловая скорость вращения отра- ателя, которая находится в процессе измерения угла псжорота Рц за задайное время

t..: .(4)

U

U

При прсжедешш измерений в трубе, имеюЦ щей остаточное давление не более 2-10 тор, , необходимо учитьшать квадратичный член за- j висимости силысопропивления от скорости,Цля этого счетный блок должен содержать четыре канала счета интервалов пути и времени, а

при вычислении ускорения силы тяжести ввх обходимо решать систему, четырех алгебраи ческих уравнений с двумя дополнительными, полученными из первых двух при пренебре5жении влиянием силы сопротивления.

Предмет изобретения

Устройство для измерения ускорения 10 свободного падения, содержащее оптический отражатель, интерферометр, генератор эталонного времени, счетчик интервалов пуги и времени и цифровую вычислительную машину, отличающееся тем, что, с 15Целью увеличения точности измерения, оно снабжено дополнительными параллельными счётчиками интервалов пути и времени и программным устройством ввода, включенным между счетчиками интервалов и пер20 форатором вычислительной машины.

W