Гравиметр

(19 РЕСПУБЛИ ОЛИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВ ГОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ рковкинтво СССР974.о, СССР970 ащий запо гист ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) ГРАВИМЕТР, содержжесткий удлиненный резервуаненный жидкостью, и схему ррации, о т л и ч а ю щ и йтем, что, с целью повышения точности, чувствительности и расширения динамического диапазона,у противоположных торцов резервуара установлены параллельно ему двепары прозрачных окон с воэможностьюперемещения перпендикулярно осирезервуара, жидкость, эаполнякщаярезервуар, оптически прозрачна, асхема регистрации выполнена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара по обе стороны его, длина которых равна расстоянию между осями пар прозранныхокон,Изобретение относится к гравиметрии и может найти применение в аппаратуре измеряющей ускорение силытяжести.Известен Пьезоэлектрический гра"виметр, содержащий вакуумированныйстеклянный корпус, чувствительнуюсистему, состоящую из груза и двухпластин, жестко соединенным с опорным кольцом, металлическим фланцеми грузом, цилиндрическую пружину,радиоэлектронную схему, состоящуюиз двух кварцевых генераторов, смесителя, детектора, генератора прямоугольных импульсов, блока электронно-счетного частотомера, где производится измерение периода следования фронтов генерируемых импульсов,термостат 1 3,Недостатком данного гравиметраявляется низкая точность, .особенно,для малых вариаций силы тяжести,обусловленная неизбежными малымикачаниями груза, несмотря на цилиндрическую пружину, Кроме того, наточность измерения силы тяжестивлияют различные вибрации груза,демпфирование которых в данной конструкции будет не эффективным, Указанный пьезоэлектрический гравиметрчувствителен также к давлению ивлажности окружающей среды, вследствие масс-чувствительности пьеэорезонансных датчиков. Это такжеснижает точность измерения силы тяжести.Наиболее близким к изобретениюявляется гравиметр, содержащий жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации.Гравиметр содержит также заполненный ртутью и более легкой жидкостью жесткий. резервуар вытянутой формы и размещенные в нем на разных уровнях два сосуда со ртутью и сосуд с газом, связанный с нижним ртутным сосудом посредством горизонтального капилляра с каплей- индексом.Нижние концы сосудов со ртутью открыты и помещены в часть резервуара, заполненную ртутью, причем под открытыми концами сосудов установлена гайка с винтом из ферромагнитного материала, на уровне которой и соосно с ней вне резервуара расположен кольцевой магнит.При изменении силы тяжести устанавливают такое внешнее давление, .чтобы положение капли-индекса оставалось неизменным, т.е. мерой силы тяжести является внешнее давление 21.Недостатками известного устройства являются низкая чувствительность и точность, Это обусловлено тем, что .горизонтальный капилляр с кап лей- индексом имеет предельную точность отсчета не более 0,5 мм. Кроме того, показания гравиметра зависят от внешнего давления, котороедаже предлагается использовать какмеру силы тяжести при компенсационных измерениях. Другим недостатком 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 гравиметра является узкий динамический диапазон, определяемый длиной горизонтального капилляра.Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение динамического диапазона.Поставленная цель достигается тем, что в гравиметре, содержащем жесткий удлиненный резервуар, заполненный жидкостью, и схему регистрации, у противоположных торцоврезервуара установлены параллельноему две пары прозрачных окон с возможностью перемещения перпендикулярно оси резервуара, жидкость, заполняющая резервуар, оптически прозрачна, а схема регистрации выполиена в виде интерферометра со светорасщепляющими блоками, расположенными параллельно оси резервуара пообе стороны его, длина которых равных оков.На чертеже изображено предлагаемое устройство.Гравиметр содержит жесткий герметичныйрезервуар 1 удлиненной форьы,полностью заполненный оптически прозрачной жидкостью 2, являющейся чувствительным элементом. Резервуар 1 снабжен четырьмя прозрачными (например, стеклянныыа) окнами З-б, которые имеют воэможность перемещаться строго параллельно самим себе. Это может быть реализовано, например, с помощью сильфонов.Окна параллельны между собой и расположены друг напротив друга у противоположных торцов резервуара.45-градусная параллелепипедная призма 7 и прямоугольнаяотражающая призма 8 склеены по косой грани, -с образованием в месте склейки полупрозрачного слоя 9 и образуют светорасщепляющий блок, который имеет длину, равную расстоянию между осями пар прозрачных окон и укреплен параллельно оси резррвуара так, чтобы полупрозрачный слой был напротив одного из окон,Точно такой же светорасщепляющийблок образуют .призмы 10 и 11, в мес 60 65 те склейки которых также сформирован полупрозрачный слой 12. Второй светорасщепляющий блок укреплен антипараллельно первому с другой стороны резервуара. Напротив прямоугольной отражающей призмы находится источник 13 монохроматического свена расстоянию между осями пар проэрачта, а напротив призмы 11 - оптическая часть 14 регистрирующего устройства 15В силу симметрии устройства источник монохроматическогосвета может, быть размещен напротивпризмы 11, а оптическая часть с регистрирующим устройством - напротивпризмы 8. Оптическая часть и регистрирующее устройство выполнены, например, в виде системы линз, в фокальной плоскости которой находятся фотоэлементы, подключенные по евходу счетного устройства или жеаналогового преобразователя.Предлагаемый гравиметр работаетследующим образом. 5Ионохроматический луч света отисточника 13 попадает в первый све-торасщепляющий блок, состоящий изпризм 7-8, где на полупрозрачномслое 9 разделяется на два луча. Одинлуч распространяется параллельнооси резервуара 1 и, отразившись откосой 45 градусной грани светорасщепляющего устройства, проходит через прозрачные окна 3 и 4 и слойоптически прозрачной жидкости 2между ними, и, отразившись от полупрозрачного слоя 12 второго светорасщепляющего блока, состоящегоиз призм 10-11, попадает в оптическую часть 14 регистрирующего устрой- ЗОства 15.Другой луч проходит через окна5-6 и слой жидкости между ними, и,отразившись от 45-градусной гранипараллелепипедной призмы 10, проходит через полупрозрачный слой 12и также попадает в оптическую частьрегистрирующего устройства. В результате наложения укаэанных двух лучей в оптической части формируется 4 Оинтерференционная картина, представляющая собой систему чередующихсясветлых и темных полос, положениекоторых относительно оптической части (например, Фотоприемников), одэначно определяется разностью опти.ческого пути между описанными лучамиПри измерении силы тяжести пред-лагаемый гравиметр ориентируетсятак, чтобы ось резервуара была направлена вдоль линии отвеса. Приэтом, под действием силы тяжести,.жидкость начнет перемещаться вниз,Это приводит к тому, что расстояние между окнамс 3 и 4 уменьшается,а между окнами 5 и 6 - увеличивается. Перемещение окон происходитдо тех пор, пока сила давления жидкости на них не уравновесится силойупругости всистемах крепления 60окон,В итоге оптическая длина путилуча первых проходящих окон 3 и 4уменьшается, так как слой жидкости 65 между этими окнами стал меньше, а луча вторых проходящих окон 5 и 6 - увеличивается, по такой же причине. Это приводит к смещению полос интенференционной картины относительно Фотоприемников.Цело число периодов, на которые .сместилась интерференционная картина, может быть подсчитано реверсивным счетным устройством, а перемещения в пределах одного периода - аналоговым преобразователем.Положение интерференционной картины при некотором известном значении ускорения свободного падения в можно принять за нулевое. Тогда вариация я приводит к перемещению интерференционной картины, которое может измеряться с большой точностью. Таким образом, используя предварительную тарировку прецлагаемого гравиметра, можно измерять ускорения свободного падения сс и находить его в произвольной точке земной поверхности по формуле8 оП+ Дг (1) где к - измеряемое значение ускорения свободного паденияк - опорное значение,а 8 - отсчет по гравиметру.Связь между величиной а и перемещением интерференционной. картины определяется следующим образом. Жесткость всех упругих креплений окон одинакова и равна К. Площадь всех окон также одинакова и равна В. Линейный размер окна равен 38; много меньше расстояния между осями пар прозрачных окон ь.Оптическая длина пути Д луча, проходящего через верхние окна рав. на:д = (Ь - %. ) + их. = Ь-(и)х,(2) где Ь - расстояние между расщепляющими блокамихс, - расстояние междуверхнимиокнамиси - коэфФициент преломпенияжидкости,Аналогичным образом найдем длину оптического пути луча, проходящего через нижние окнаЬ- = Ь- (и)хв г(3) где х - расстояние между нижними сгокнами.Разность оптического пути между верхними и нижними лучами будет равнаД = д 1 - Д = (и) (х - х.)., (4) Под действием перетекания жидкости (например, при изменении. силы тяжести), расстояния между окнами изменяются. При выполненйи оговоренных выше предположениях, исходя1078389 20 25 30 ЬСоставитель В. федоровРедактор П. Коссей Техред О.Веце; КорректорИ. Муска ,Г Заказ 958/41 Тираж 711 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д 4/5филиал ППП "Патентф, г. ужгород, ул, Проектная, 4 иэ несжимаемости жидкости, можно считать, что каждое окно переместилось на одинаковое расстояние 4 ТогдаРх,щ х - 2 дфх1х щ х + 2 а"х), . (5) где х и х - новые расстояния между окнами.Подставляя (5) в (4), найдем возникающие изМейения длины оптического пути ЗФ3,Ф, (и) (х 2 - х, ) + 4 Ффх 1 4 фф, а 4".- д: (а.) 4 офх, (б)Используя условие равновесия для дрдого окна (равенство силы давления силе упругости), найдем- жесткость упругого элемента окна,д - изменение ускорения силытяжестидх - перемещение одного окна.Откуда найдемуЬ 9Рх ф - Ф . (8):КПодставляя (8) в (6), найдем уд,ь35Ць-Ц Ь 5Для того, чтобы интерферейционная картина переместилась на период, оптически длина пути должна увеличиваться на Л 40 Цв ЧЬ 5Кл Из) где В - длйна волны используемогосвета.ф определяет цену одного знака с счетчиком регистрирующего устройсвва, подсчитыващего, на сколько периодов переместилась интерференционная мартина. Если счетчик показывает й периодов, то,Ч фф - Д" -ЦпрЪВТочность измерения определяется стабильностью параметров гравиметра. Гравиметр представляет .собой жесткую конструкцию, практически не подверженную действию внешних факторов. Если его выполнить из материалов с минимальным температурным коэффициентом (например, инвар) и гистерезисом, то влияние температуры будет незначительным, так как расширение жидкости вызывает синфазное изменение положения верхних и нижних окон, и не .сопровождается смещением интерференционной картины. Еще больше повысится точность, если предпринять элементарные меры термостабнлизации.Кроме того, чувствительность и : динамический диапазон намного выше, чем у известных гравиметров.Другим важным преимуществом предлагаемого гравиМетра является очень малое время приведения в готовность, Что обеспечивает возможность непосредственного сопряжения с ЭВИ.