Крутильные весы Советский патент 1979 года по МПК G01V7/02 

(54) КРУТИЛЬНЫЕ ВЕСЫ

1

Изобретение относится к метрологии и может быть использовано при определениИгравитационной постоянной, разработке гравитационных вариаметров, исследовании взаимодействия света с веществом.

Известны крутильные весы в форме рычага с грузами на концах, подвешенкого с помощью крутильной нити 1, 2. .Им свойственен высокий уровень погрэдшостей при измерении, вызываемых в частности, конвективными движениями воздуха, возникающими при изменении температруы.

Известны также крутильные весы, содержащие коромысло с грузами и зеркалом, подвешенное с помощью крутильной нити в вакуумированн м корпусе f3i

Целью изобретения является уменьшение темп.чратурной по грешностипри измерениях.

Для достижения зтого в крутильных весах установлено термокомпенсирующее устройство, выполненное в форме .массивнозго тела, укрепленного на кон.це стержня, который расположен вдоль линии равновесия коромысла и соединен с корпусом посредством регулято,ра положения и длины стержня; кроме того последний выполнен в форме

штатива, снабженного стоиорными и ходовыми вйнтами и кареткой.

На чертеже изображена схема крутильных весов.

Предлагаемые крутильные весы содержат коромысло 1 с грузами 2 и 3, подвешенное в вакуумированном корпусе 4 на крутильной нити 5, и термокомпенсирующее устройство, со0держащее массивное тело 6, укрепленное на конце температурочувствительного стержня 7. Последний выполнен, например, из оргстекла, фторопласта или эбонита, и установленного вдоль

5 линии равновесия коромысла 1. Другой конец стержня 7 фиксируется во втулке 8 стопорящим винтом 9. Стойка 10 соединяет втулку 8, зафиксированную винтом 11 с кареткой 12, насаженной

0 на ходовой винт 13 и расположенной внутри направлякяцего цилиндра 14. Стойка 10 проходит через сквозной направляющий паз цилиндра 14 и вместе с кареткой 12 может перемещаться

5 без вращения в пределах этого паза только в осевом направлении цилиндра 14, Ходовой винт 13 закреплен во внутреннем кольце подшипника 15. Фланец 16 прижимает наружное кольцд

0 подшипника 15 к цилиндру 14, стопорная гайка 17 фиксирует внутреннее кольцо подшипника 15, На ходовом вин те 13 укреплен маховик 18 тонкой настройки температурной компенсации. Штатив 19, соединенный с направляющи цилиндром 14, укреплен на корпусе 4. Штатив 19, цилиндр 14 с кареткой 12 и втулка 8 с винтом 9 служат в ка честве механического регулятора поло жения и длины стержня 7, При излюрениях с помсадью данных крутильных весов изучаемой величины, например постоянной тяготения/, в к честве меры могут быть использованы либо период Т колебаний коромысла (динамический режим), либо отклонени коромысла 1 от исходного положен11я равновесия (статический режим). t) б а эти параметра ощ еделяются размерами крутильных весов и крутильной жесткостью X нити 5. Однако известно, что и размеры, и жесткость изменяютс вмегте с изменением TeMnejpaTyjMii. для компёйсации этого В;редног6 температурного влийния служит массив кое тело б, которое Добавляет к кру типьной ясесткости нити 5 1С1Двеса йрйвитацибннуюжёсткбсть, равную (пр малых амплитудньцс крутильных колебаний) ..; Уп1 мее, /1 () : : где Х -гравитационная йсесткость; т,М - масса ГРУ§oj3 2 или 3 и масс тела б соответственно t, Bj - расстояние от оси вращения коромысла 1 до центров масс грузов 2,3 и тела б соответственно. Стержень 7, коэффициент линейного расширения которого значительно превосходит коэффициент линейного расши рения . материала коромысла 1, при колебаниях температуры перемещает те б вдоль линий равновесия корогФлсла При этом изменяется расстояние ,что обурлавливает (при 3L а) согла но формуле (1) температурный коэффи TTMotTt W.. ттаимт яттмгчии «f ar Tv/M-tif тл циент (i гравитационной жесткости равный где оС- длина участка стержня 7 от стопорящего винта, 9 до конца, несущего тело б. При температурная погрешность крутильных весов в динамическом режиме работы при изменении тем ратуры на составит величину AT о(., X Аг rf.3: . . Т - ТГ--2. где лт - изменение периода колебани коромысла 1 при изменении температуры на 1C; температурный коэффициент модуля упругости материала нити 5 подвеса; o(.j - коэффициент линейного расш рения материала нити 5. Из формулы (3) видно, что для до- тижения температурной компенсации есов необходимо, чтобы первый член равой части был равен сумме трех стальных членов. У вольфрамовой ити подвеса изготовить оромысло из легких немагнитных материалов (кварц стекло, ситал) с маым коэффициентом линейного расширеия то из выражений (2) и (3) получаем уравнение температурной компенсации в виде., . A .() 3di.x При условии () справедливо и для статического режима работы весов. Из уравнения (4) следует, что температурная по грваность весов может быть сведена к минимуму выбором длины L стержня 7 (грубая компенсация) с последую14ей настройкой расстояния, . а между взаимодействующими массами 3 и б с помощью маховика 18. ПустьY 0rlf что легко обеспечить для весов с. 10 С, а -2 см, d. -1 .-lOT Тогда для обеспечения температурной компенсации потребуется стержень длиной ,4 см. Если Х-5., .В-10 см, in-1 г, то для получения X,-5 ..10-CGS тело б должно иметь массу M-5d г (радиус тела б при плотности 8,5 гсм составит 1,1 см). Такую массу можно разместить так, чтобы а«2 см. После отжига нити 5 подвеса током высокой частоты, когда в ней .снимаютя внутренние напряжения, устраняется Лрейф нуль-пункта и устанавливается окончательное положение равновесия коромысла 1, тело б вМесте со стержнем 7 устанавливается на линии равновесия коромысла 1, Критерием правильности такой установки является равенство между интервалами времэни, в течение которых движущееся коромлсло находится по разные стороны от начального положения равновесия. Предложенные крутильные весы обеспечивают уменьшение температурной погрешности, обусловленной в основном термоэластическим коэффициентом вольфрамовой нити подвеса ( ,б . 10 ) , примэрно, на два порядка. Следовательно, погроиность на составит величину 4. При наличии оптимальной геометрии и магнитного демпфирования качаний такие весы обеспечат проведение метрологических измерений в обычных лабораторных условиях. Точность определения гравитационной постоянной на длиннопериодных вакуутрованных весах может составить 10 . Погрешность измерений у полевых гравитационных вариометров, изготовленных на базе предлагаемых крутильных весов. ПОНИЗИТСЯ До сотых долей ответа.

Формула изобретения

посредством регулятора положений

и длины стержня.

регулятор псшожения и длины стержня выполнен в форме штатива, снабженно.го стопорйшжтГ-Ш-дЬ-йНШ-в-йнтамии кареткой.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

3. Карагиоз О.в..и др. Об определений гравйтац ион ной постоянной вакуумированными футильными весами. Известия АН СССР Физика Земли, № 5, 1976, с.108.