Вертикальный градиентометр

(5 ц 5 6 01 В 7/14 НОЕ ННОЕ ПА ССР ССР) ГОСУДАРСТВЕДОМСТВО(ГОСПАТЕНТ Е ИЗОБРЕТЕ ОПИСАНК ПАТЕНТУ 2сти. Сущность;,грузы чувствительной системы жестко связаны с поршнями, расположенными в вертикальных каналах с жидкостью, каждый из которых в нижнем основании содержит полости, расположенные друг напротив друга, разнесенные по высоте и разделенные поршнем. снабженным датчиком перемещений, усилителем, демодулятором, датчиком силы и дополнительным задатчиком силы, соединенным с выходом дважды дифференцирующего устройства, а датчик силы соединен с регистратором, Градиентометр также содержит пусковой и подъемный механизмы. 1 з.п, ф-лы, 1 ил. ндуктивного лятором 12 и ержит постовод 14 и обен со входом ствительной ющих штифвляющих 18 перем типа, б датчик янный мотку вычисл систем тов 17 наруж тЖ.д стема в отличие о еханизмом подъема 20, электромотора 21 м пуска, состоящего ерритового якоря 24 Чувствит прототипа с состоящим и и троса 22 и иэ электрома и опорных иг Корпус 1 же которого стоящий из иельная синабжена мз кареткимеханизмогнита 23, фл 25.снабжен нрасположоршня 27 чником 26, ниортизатор сожины 28.(71) Пермский политехнический институт(73) Пермский политехнический институт(57) Использование: область измерительной техники, в частности для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжеИзобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести.Целью изобретения является повышение точности йзмерения вертикального градиента за счет исключения методической погрешности от ускорения силы тяжести.На чертеже представлена принципиальная схема вертикального градиентометра,Его чувствительная система представляет собой корпус 1, в вертикальных каналах 2, 3 с жидкостью которого расположены на разных высотах поршни 4, 5, жестко свяэанныес грузами 6,7. Каналы 2,3 переходят в расположенные друг против друга полости 8, 9 между которыми установлен датчик давлений в виде поршня 10, снабженного электрической пружиной в виде датчика ещения 11, например и лока усилителя с демоду а силы, Датчик силы сод магнит 13, магнитопро 15, вход которой соедин ителя 16, Корпус 1 чув ы с помощью направля устанавливается в напра ного корпуса 19.Между блоком усилителя и демодулятором 12 и вычислителем 16 предусмотренаконтактная группа 29 с переключателем, состоящим из корпуса 30, переключателя 31 ипружины 32.Грузы 6, 7, через поршень 10, снабженызадатчиком силы, пропорциональной второй производной перемещения грузов,Этот задатчик силы содержит обмотку 33,вход которой соединенс выходом дополнительно введенного дважды дифференцирующего устройства, которое, например,состоит из операционных усилителей 34, 35,емкостей С, С и сопротивлений В 2, й 2вход которого через усилитель с демодуля, тором 12 соединен с выходом датчика йеремещения 11 груза 7.Поршень 10 снабжен дополнительнымзадатчиком силы с использованием обмотки15, вход которой соединен с источником переменного тока 36, магнита 13 и магнитопровода 14, а также снабженарретирующим устройством, которое накортеже не показано.Градиентометр снабжен акселерометром 37. установленным на корпус 1 чувствительной системы, ось чувствительностикоторого направлена по направлению силытяжести и датчиком атмосферного давления38, выходы с которых соединены со входомвычислителя 16,Вместо датчика давлений в виде поршня 10 с электрической пружиной могут использоваться сильфоны, мембраны и т,п. Вэтом случае к жесткости электрической пружины добавится жесткость сильфона, мембраны и т,п, Вместо индуктивного датчикаперемещений 11 может использоваться более чувствительный, например, растровыйфотоэлектрический первичный преобразователь перемещений с разрешающей способностью, равной десятым долям микрометра идр,В предлагаемом приборе для компенсации температурной погрешности можетбыть предусмотрена либо термостабилизация, либо датчики температуры, выходы которых соединены со входом вычислителя 16.В качестве чувствительной системыпредлагаемого градиентометра можно использовать любой вертикальный гравитационный градиентометр компенсационноготипа с введением в него задатчика силы кчувствительному элементу, пропорциональной второй производной перемещения этого чувствительного элемента.Это повысит точность измерения не менее чем на 4" 5 порядков в сравнении с точностью используемого градиентометра вчувствительной системе предлагаемого градиентометра.Предлагаемый вертикальный градиентометр работает следующим образом, 10 В стартовом положении чувствительная система удерживается электромагнитом 23 и опирается на иглы 25. В момент освобождения чувствительной системы размагничивается цепь питания катушки электромагнита 23,и разарретируется поршень 10, чувстви- тельная система начинает падать вниз, при атом влияние ускорения силы тяжести (в отличие от прототипа) на чувствительные элементы (поршни, грузы) чувствительной системы исключается,Под действием вертикального градиента 96 возникает разность сил, приложенных к грузам 4, 5 с поршнями 6, 7, Этаразность сил через жидкость в каналах 2, 3и полостях 8, 9 и рикладывается к поршню 10К поршню 10 прикладывается исила от задатчика силы, пропорциональной второйпроизводной перемещения грузов, а именно сигнал с датчика перемещения 11 поступает в блок усилителя и демодулятора 12,дважды дифференцируется дифференцирующим устройством, состоящим из операци. онных усилителей 34, 35, емкостей С и С" исопротивлений й, В 2" и поступает в обмот 25. ку 33, ток которой, взаимодействуя с полемпостоянного магнита 13 и магнитопровода14, прикладывает силу к поршню 10, По существу это положительная обратная связь,которая улучшает. динамику движения пор 30 шня 10, ускоряя его приход к установившемуся положению.В разность сил на поршень 10 будемвходить и разность сил от атмосферногодавления на грузы 6, 7 и инерционных сил35 от ускорения корпуса 1 с чувствительнойсистемой за счет сил сопротивления его движению.Разность сил, приложенная к поршню10, уравновешивается силой датчика силы40 электрической пружины поршня 10, и сигнал с катушки 15 датчика силы подается навход вычислителя 16 при падении корпуса 1 снажатием штифтом 17 переключателя 31 изамыкании контактов контактной группы 29,Акселерометр 37 измеряет ускорение отсил входного сопротивления движению корпуса 1 чувствительной системы (трениештифтов 17 о направляющие 18 и сопротивление воздуха внутри корпуса 19 если он невакуумирован, что при необходимости можно предусмотреть) и сигнал с акселерометраподается на вход вычислителя 16.На вход вычислителя 16 подается такжесигнал величины атмосферного давления сдатчика 38 и при необходимости сигнал с55 датчика температуры,Вычислитель 16 по сигналам, поданнымна его вход, вычисляет искомое значениевертикального градиента В/гПри дальнейшем падении корпуса 1 счувствительной системой поршень 10 арре 1836644тируется и внизу корпус 1 тормозится нажатием наконечника 26 на поршень 27 и пружину 28 амортизатора, после чего каретка 20 электромотором 21 и тросом 22 поднимает чувствительную систему в верхнее стартовое положение.Питание обмотки 15 от переменного источника питания 36 создает осевые колебательные движения поршню 10 для уменьшения его трения о стенки корпуса 1. Это питание может отсутствовать, т.к, трение поршня 10 о корпус применением специальных материалов, например, скользких резин, может быть снижено до невиданно низкого уровня.Таким образом наличие в предлагаемом градиентометре механизмов подъема и пуска чувствительной системы, а также задатчика силы к грузам, вход которого соединен с выходом дополнительно введенного дважды дифференцирующего устройства, вход которого соединен с выходом датчика перемещения одного из грузов, полностью устраняют методическую погрешность от ускорения силы тяжести, которая в прототипе может достигать сотен процентов.Для исследования воэможностей предлагаемого градиентометра можно использовать следующее дифференциальное уравнение движения чувствительного элемента чувствительной системы после пуска, в котором в качестве выходной координаты приняв линейное перемещение 2 поршня 10:= А 10 Р + А 11 а+ д гЧЧ, 0где гп - приведенная масса,К - коэффициент передачи задатчика силы, пропорциональной второй производной перемещения грузов, т.е. коэффициент передачи положительной обратной связи по второй производной перемещения,Ко - приведенный коэффициент демпфирования,С - жесткость электрической пружины поршня 10 (является и приведенной жесткостью, т,к, других упругих элементов в подвижной системе поршней нет),гА 10 = 32 1-(1-Т Н/То) , (2)Ро - атмосферное давление,А 11, А 12- коэффициенты, определяемые конструктивными параметрами прибора,а - ускорение чувствительной системы от сил вредного сопротивления (трение штифтов 17 и сопротивление воздуха, если прибор не вакуумирован), т 1 - 0;065 град/мТо = 288,15 оКй - 29,27 м/град,Н - расстояние между грузами 6, 7, 32 - 5 площадь поршня 10.Из (1) видим, что за счет К теоретическипостоянная времени измерителя может быть сделана сколь угодно малой и этим обеспечится измерение ЧЧ за время падения чувствительной системы после пуска. Р- Сг-А 10 Р, + д 11 а++ А 12 ЧЧи,(3) где Г - сила датчика силы электрической пружины поршня 10, поступает в виде сигнала на вход вычислителя 16 со входа обмотки 15;Откуда получим Р - А 10 Р - д 11 аЧЧы -А 12(4) т.е, по измеренным Р, Ро, а вычислительвычисляет ЧЧ.Значения величины А 1 оРо может бытьсделано близким к нулю вакуумированиемвнутренней полости чувствительной систе 40 мы (внутренняя полость корпуса 1), т.е. приРо -фОВ этом случае Р - А 11 а45 А 12 Покажем один из возможных способовградуировки градиентометра для общего случая, когда изменяется не только Е, но и 50 Рои а. 1 этап (выполняется в стартовом положении чувствительной системы). Подбороммасс грузов 6, 7 обеспечиваем по (3) Р -+ О, 55 При этом А 119 (вместо А 11 а) получаем значеНИЯ ПОРЯДКа (А 10 Ро + А 12 ЧЧ) И ПОСЛЕ ПУСКа в выражении (3) выполняется условие 1 А 1 а 1 А 1 оро+А 12 ЧЧ 27т.к, а 9. При увеличении значении Кц за счет естественного демпфирования движения поршней можно его уменьшить за счет эффекта "антидемпфера", предусмотрев положительную обратную связь по первой производной с; (сигнал с дифференцирующего устройства из операционного усилителя 34 с С и 82 подать, например, на обмотку 15 я 0 поршня 10).В установившемся режиме из (1) имеет1836644 2) Ро, 919/и,(10) Для еще более значительного снижения А 119, а следовательно и А 11 а можно на этом этапе предусмотреть вакуумирование внутренней полости корпуса 1, предусмотреть установку груза 6 на уровне груза 7 и урав новешиаание давления превышения столба жидкости под грузом 6 над столбом под грузом 7,3) Роэ,9, Я 2 этап (выполняется в рабочем режиме 10 чувствительной системы, т,в;в движение после старта), Произведя не менее, чем 3-х кратное измерение силы датчика силы,электрической пружины при различных,1 о 1, ц, Яи опРеделить коэффициенты А 01, Ао 2, А 1,1. 15т,е, отградуировать прибор. 20 откуда при Ро 1 91 Яи 11Р 02 Ф Юга,-О - . (7)30 Роз 9 з Юиз 91 = 92 = 9 э = 9,(8) Р 01 = Р 02= Р,йи 2 = ЧЧиз = В(и дает Ь = 9(РОЭ-Ро) (Ви - ууи 1) ф 0 (9)45 То есть возможна градуировка при 3-х следующих параметрах измерения 1) Ро, 91 Жи, ) При этом получим РО 1 А 02 + 91 А 11 + Юи 1 А 12Р 1, Р 02 А 01+ 92 А 11+ йи 2 А 12 = г 2(6) РозАо 1 + дзА 11+ М/ изА 12 - Рз,определяются А 1 о, А 11, А 12. Случай Параметр И/и возможно менять изменением масс грузов над- или под прибором.При необходимости может быть произведена "доработка" прибора и выполнена,новая градуировка прибора,Таким образом в сравнении с прототипом предлагаемый вертикальный градиентометр обеспечивает полное исключениеметодической погрешности от ускорениясиды тяжести, которое в прототипе можетдостигать сотни процентов, То есть предлагаемый градиентометр обеспечивает болеевысокую точность измерения,Формула изобретения1. Вертикальный градиентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему, включающую два груза,разнесенные по высоте, регистратор, преобразователь, содержащий датчик перемещения и усилитель, пусковой и подъемныймеханизм, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с5 целью повышения точности измерений, грузы чувствительной системы жестко связаныс поршнями, расположенными в вертикальных каналах с жидкостью, каждый канал внижнем основании содержит полости, расположенные одна напротив другой, разнесенные по .высоте и разделенныепреобразователем, выполненным в видепоршня, снабженного дополнительно датчиком силы, демодулятором и задатчиком5 силы, при этом датчик силы соединен с регистратором, выполненным в виде вычислителя, а вход задатчика силы соединен свыходом дважды дифференцирующего устройства, вход которого через усилитель с0 демодулятором соединен с выходом датчика перемещения, установленного на одномиз грузов.2, Градиентометр по и, 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, что он дополнительно содержит установленные на корпусе акселерометр, ось чувствительности которогосовпадает с направлением силы тяжести, идатчик атмосферноГо давления, выходы которых соединены с входом вычислителя.1836644 2 Составитель В.СубботинТехред М.Моргентал Корректор Н. Милюкова Реда Заказ 3019 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 роизводственно-издатель й комбинат "Патент город, ул. Гагарина,