Гравиметр Д.Г.Таймазова Советский патент 1982 года по МПК G01V7/02 

Изобретение относится к гравиметрии и может быть использовано для относительных измерений ускорения силы тяжести в геодезических и разведочных целях, а также для исследования регулярных и вековых вариаций силы тяжести.

Известны барометрические гравиметры, чувствительным элементом которых является столбик ртути, а ynpyjHM элементом - газ. Мерой приращения ускорения силы тяжести Д§ в этих гравиметрах является изменение разности уровней ртути в двух сообщающихся сосудах. Изменение давления столбика ртути при изменении g компенсируется главным образом иэменениец разности уровней ДН , которое после предварительного усиления регистрируется визуально 1.

Недостатком барометрических гравиметров является сильная температурная зависимость показаний (1000 мгал на 1°С).

.Наиболее близким к предлагаемому является струнный гравиметр, в вакуумированном корпусе которого жестко закреплен чувствительный элемент которым является струна с прикрепленным к ней грузгм, проходятцая

вертикально между полюсами постоянного магнита. Мерой измерения ускорения силы тяжести g в этих гравиметрах является изменение частоты собственных колебаний струны вследствие, натяжения струны за счет изменения Д§ . Колебания струны преобразуются в электрические колебания и регистрируются измерителем частот1л

10 собственных колебаний струны .

Недостатком известного гравиметра является то, что их точность ограничивается точностью измерения частоты, которая составляет в относительных единицах/vl- , что соответствует ошибке определения AgB ,2 мгал.

Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности измерений.

20

Поставленная цель достигается тем, что- в известном гравиметре, содержащем вакуумированный корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде струны с прикрепленным к ней

25 грузом, j ecTKO укрепленной в корпусе, измеритель частоты собственных колебаний струны, в нижней части корпуса установлены с боковым зазором к нему два наложенных друг на

30 друга перевернутых стакана, каждый

Из которых через свою нижнюю кромку сообщается с боковым зазором, причем нижний стакан и часть бокового зазора ниже кромки верхнего стакана заполнены грзом, остальная часть зазора,.пространство над днищем верхнего стакана до уровня выше никней кромки груза, и нижняя часть полости верхнего стакана заполнены ртутью, а остальная часть полости верхнего стакана заполнена нитробензолом.

На чертеже изображен гравиметр,, Груз выполнен в виде цилиндрической чашки 1, загруженной ртутью, соединен со струной 2, натянутой вертикально между полюсами постоянного магнита 3, с усеченным конусом из электропроводящего материала 4, Последний при помощи предохранительной пружины 5 жестко фиксируется в гнезде, выполненном в колпаке 6 из электроизоляционного материала. Цилиндрическая чашка 1 частично погружена в вертикальный столб ртути 7, поддерживаемый снизу давлением газа в полости, ограниченной сверху емкостью в виле перевернутого стакана 8. Ко дну груза снизу прикреплен вольфрамовый диск 9, обеспечивающий устойчивость груза к наклонам. Второй цилиндрический стакан 10 заполнен жидкостью, с коэффициентом теплового расширения, например нитробензолом.

Зазор между стенками стаканов 8 И 10 частично занят ртутью и сообвдг,ется со столбом ртути, заполняющей боковые зазоры между стаканами к корпусом через отверстие 11, В рту. / находящуюся в чашке, полностью лог- ужена катушка 12 с приводом эле :тромотора, расположенного вне корпуса прибора (не показан}, в котором расположена вторая катуигка 14 ВЬпщение на эту катушку подается валиком 15 от электромотора, расположе;-ного эне корпуса (не показан) Кз обе катушки ггамотана одна цельная проволока 15, проходяша : чзреэ шкив 17, связанный через залик 18 с отчетным устройство)-- вне прибора (не Показан). Вращение через гepмeтпч; v;кожух 19 передается при помощ.к сгг/ьфонных механизмов 20, Арретириое j-c ройство 21 фиксирует чаыку ари тргигспортировке и хранении. Ьесь объем над ртутью откачивается через правый патрубок 22. Откачка и запольение газом резервуара 8 осущестЕЛлоГ ся через второй патрубок 23. После выполнения этих операций патрубки запаивпвтся. Корпус 24 и внешний кожух 19 образуют сосуд Дьюара, Корпус опирается на сольца 26 из теплоизоляционного материала. Все ьлектровводы выведены через стэклякную вставку 27 в кожухе.

Г1 авиметр работает следуюпщм обЧастотный режим,3 частотном режиме работы валики, пере;аающие вра1де;1ие катушк;1м на отсчетное устройство компенсационнсй cиcтe ъj, жестко застопорены. Язменеиие ускорения силы тяя;ести д g приводит к изменени ; веса рогутного столба 7, благодаря че№у последВИЙ перемещается по вертикали до

тех пор, пока вызванное этим переме щением изменение давления газа в по-лости 8 не, скомленсируется изменение давления ртутнс;го столба. При ЗТСМ 5 измемяется выталь-:иваюш.ая сила, цекствуюгдая со стороны ртутного стол-ба н а чашку 1.

В этой же мезре изменяется и натяжеьше струны (влияние изменения; весс: самой чашки с ртутью срав:-:ительно мало), Измеиениа натяжения: струны вызывает измемчение iacTOTt: собствен -аых колебаний струны,- ксто-рое измеряется измерителем частоты собственнЕох колеба п-тй (:-;е показан),

Ввиду наличия вертикального градиепта силы тяжести, в получен; ое значение Д следует внести поправку ь:а поло;кеп -:е иекгпа тя;к2сти ртутного столог ( - О , О 3 Mraji/CFj . Положение центра тяжести ртутнс;го стол-ба находится в с;д:;ойначиой :)а- исиМОСТИ от ПОКаЗйНИЙ ОТСЧеТЬГ;::: ус- ройства комггсП саиу5с; Ной . -f-:, сами :;змеряс ие Bt.iv-nfHrj - -fit.;Tv-F-M р(|;лме MriJio E/uiync ЬС с.;;п;:; гг-.-iP

. : ..,-:йо::;я11;кь-,и ,:: HpaiiieMii-- ...;/ IKi M. :Р; i;er;ri HJ; CT) ОСТл - ;: PC Ch Зо.В / ;и:Р . ОЯНС :. Ч ri С С.V .. чйЛ

СЯ гочнарт ксмпенса г.г- и г/чер JHHK зыталк Р13р;щр сипк, д-:кствук111ей О сторон .: ртутного столба 7 на гру : н-ГЛ я.-л;--ый 3 виде чаыК/р наменени& cUiJ iiK на нее j Е; счет иг1:анения ypoJ H;- ртути в кольцевых г-ачорах 1лежду ча1;;КОй 1 и noJDJM KC)j;cUOi-- Ij,

который ЗаВИСП Г от ЯЛУИЦг: ::рОВОЛОКМ ;

погруженной в ртуть, Перр) -ргывае.-шя проволока прохсли. через уср-;.ойс Во o4 5T;:i3aiOiL:ee Улс. PIMP ;,Р 1л-ipOMOTa- ной npG;::v.Po;:v: р

...аредалк; а д р ,, ,vp: vvKf.;;- : фс, .-аравкметра л.;; лр- Р,ое,г:сргкрр--р; . л: ОНКрСВаНИвг /i румкЛР - 1 v - p:- П:PP

прийоло-ри , ; t : -рлыиз -(yjjpi . -tpp

hOCrb С:-;РТ та К ДО , чРМ ,ПРг. ; - ,;

ислока. тем икр- р,- апа:оа -р .ег pi; ,р ХОМТ; ЧРг. .IHOlPi:,;- .

Компенсация влияния температуры в предлагаемом гравимете осуществляется следующим образом.

При повышении температузы за сче расширения жидкости часть ртути из резервуара вытесняется в кольцевой ртутный столб, увеличивая его высоты (при понижении температуры наоборот). Объем жидкости в резервуаре и сечение кольцевого зазора с ртутным столбом подбирается так, чтобы изменение высоты столба ртуTif в точности скомпенсировало температурное изменение давления газа притом таким образом, чтобы верхний мениск ртутного столба оставался неподвижным. Несложные выкладки показывают, что для этого должно соблюдаться условие

УМ f . . .p(),

где 0 - коэффициент объемного расширения жидкости; объем жидкости; д5 - площадь сечения столба ртути ; ,

р - плотность ртути;, g - ускорение силы тяжести; р. - давление в резервуаре cL - температурный коэффициент

давления газа; V объем газа.

При . точных расчетах должно быть учтено и температурное расширение самой ртути. Таким образом, положение верхнего мениска столба ртути, а, следовательно, и выталкивгцощая сила, действующая на груз, меняются только при изменении ускорения силы тяжести дп.

Для обеспечения измерений в широком диапазоне проводят перематывание проволоки между катушками 12 и 14, что приводит к изменению объема погруженной в рабочую жидкость части проволоки и, следовательно, к изменению высоты столба рабочей жидкости в чгипке, в результате чего меняется гидростатическое давление на дно чашки и, как следствие, нагрузка на струну.

Для оценки основных характеристик предлагаемого гравиметра даны его примерные параметЕ)Ы.

Высота трутного столба 400 мм

Площадь дна чашки с

Ртутью100 см

Толщина кольцевого

ртутного столба 1,5 мм

Объем полости с газом 3 л

Объем термокомпенсирующей жидкости0,7 л

Натяжение струны 10 г

Площадь поверхности

ртути в чашке9 см

Толщина проволоки компенсационной системы 0,1 мм Термостатирование при 40 С При этих параметрах пороговая чувствительность гравиметра в частотном

режиме составляет Z-IO мгал. В компенсационном режиме диапазон измерений составляет 6000 мгал. Зависимость показаний отсчетного устройства от д строго линейная при масштаОном факторе 300 мм/мгал во всем диапазоне. Стабильность нуль-пункта при выбранных параметрах в предлагаемом гравиметре выше, чем в, сутцествукяцих струнных гравиметрах.

Почти полная идентичность зависимостей давления газа и объема жидкости от температуры позволяет осуществить компенсацию тe IIepaтypы в широком диапазоне до± ,

а затем, уменьшая при помощи термостата интервал колебаний температуры до практически достижиких пределов ( С}, фактически устранить влияние температуры ни измерения.

Формула изобретения

Гравиметр, содержащий вакуумированный корпус, чувствительный элемент, выполненный в виде струны с прикрепленным к ней грузом, жестко укрепленной в корпусе, измеритель частоты собственных колебаний струны, отличающийся тем, что, с целью повышения его чувствительности и точности измерения в нижней части корпуса установлены с боковым зазором относительно него два наложенных друг на друга перевернутых стакана, каждый из KOTOptix через свою нижнюю кромку сообщается с боковым зазором, причем нижний стакан и часть бокового зазора ниже кромки верхнего стакана заполнены газом, остальная часть зазора, пространство над днищем верхнего стакана до уровня, выше нижней кромки груза и нижняя часть полости верхнего стакана заполнены ртутью, а остальная часть полости верхнего стакана заполнена нитробензолом.

Источники ийформации, принятые во .внимание при экспертизе

55

1. Мельхиор П., Физика и динамика планет, ч.1. М., Мир, 1975, с.383-385.

60 2. Огородова Л.В. и др. Гравиметрия, М. , Недра, 1978, с.173175 (прототип).