Прецизионный вертикальный градиентометр

(19) О 1)ю)5 601 Ч 7 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР ОбрЕТЕНИ ОПИСАН ЕНТУ(73) Пермский пол итехниче(57) Использование: измерка, в частности для измерен кий институт ский институтова Л,В., Грави37,ТИКАЛЪНЫЙ ительная техни ия вертикально брет нике, льно ение относитспредназначенго градиента я к иэмерительо для измерения ускорения силы зобретения является повыше- измерения вертикального грана принципиа о вертикальн о нои тех верти к тяжестЦе ние точ диентаН лью нос ль ог а чертеже представлехема прецизионногентометра. его чувствительнойны два груза 1 и 2,вляющих 3, 4 корпус ных штангой 7. Вну орпусов 5 и 6 могутоздухом) или вакуум ен электрической и а перемещения 10 руемым сопротивле состоящего из пост гнитопровода 14 и об системе предусустановленные в ов 5 и 6, жестко тренние полости заполняться груроваться. Груз 1 ружиной в виде усилителя 11 с ием 12 и датчика оянного магнита мотки 15. Датчик Вмотре напра ,связан 8 и 9 к зом (в снабж датчик регул исилы, 13, ма го градиента ускорения силы тяжести. Сущность, грузы чувствительной системы размещены в вертикальных направляющих, датчик перемещения первого груза через усйлитель соединен с датчиком силы второго груза, Грузы снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние по высоте между грузами. Чувствительная система снабжена акселерометром, Первый груз чувствительной системы снабжен дополнительно двумя задатчиками силы, а второй груз - одним задатчиком силы. 1 ил. перемещения 10. через усилитель 11 и сопротивление.12 соединен с обмоткой 16 дополнительного датчика силы груза 2 состоящего из постоянного магнита 17, маг нитопровод 18 и обмотки 16, Грузы 1 и 2 снабжены устройством, поддерживающим определенное расстояние между ними состоящим из датчиков перемещений 19, 20, например, емкостного типа емкостью С 19, С 2 о, установленных на грузах 1, 2, сопротивлений 21, 22 (В 21 - Й 22) образующих мост, питаемый от источника переменного тока. В измерительной диагонали моста установлен усилитель 23,.соединенный с двигателем 24, который через редуктор (на чертеже не показан) связан со стрелкой 25 указателя 26.Груз 2 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещения 27, усилителя 28 и датчика силы, состоящего из постоянного магнита 17, магнитопровода 18 и обмотки 29, вход которой соединен совходом вычислителя 30, Вход вычислителя30 соединен с выходом акселерометра 31,установленном на уровне центра масс груза2 и с осью чувствительности, направленнойпо направлению силы тяжести, Груз 2 снабжен дополнительно задатчиком силы в видеобмотки 32, постоянного магнита 17 и магнитопровода 18. Груз 1 снабжен дополнительно двумя задатчиками силы в видеобмоток 33, 34, постоянного магнита 13 имагнитопровода 14. Обмотки 32,33 подключены к источнику постоянного тока черезконтакт 35, обмотка 34,подключена к источнику постоянного тока через контакт 36.В нерабочем состоянии градиентомет ра грузы 1, 2 арретируются в предложенномположении арретирами, не пожазанными начертеже,Ось чувствительности градиентометра врабочем положении направлена по направлению силы тяжести. Грузы 1, 2 могут бытьустановлены не в направляющие, а на упруие чувствительные элементы в виде сильфонов, мембран, пружин и т,п. В этом случаек силам, действующим на грузы 1, 2, добавятся силы упругости этих упругих элементов,Вместо усилители 11 с регулируемым.сопротивлением 12 может использоватьсяусилитель с переменным коэффициентом.усиления, управляемым от усилителя 23 (дополучения нулевого сигнала с усилителя 23),Для уменьшения трения при перемеще.нии грузов 1, 2 в направляющих 3, 4, хотяоно,может быть снижено до невиданно низкого уровня (5); рузы 1, 2 могут быть снабжены задатчиками переменной силы,обеспечивающих "оживление" грузов.Для демпфирования колебаний грузов1, 2 могут быть предусмотрены демпфирующие звенья, например, в виде воздушного(газового) демпфера, где поршнями могутявляться грузы 1, 2; либо в виде магнитоиндукционного демпфера и др;Для уменьшения погрешностей могутбыть предусмотрены измерители температуры, позволяющие учесть влияние температуры на выходной сигнал, либо может бытьпредусмотрена термоста бил изация,Для повышения точности измерения предлагаемым прецизионным градиентометром еще на несколько порядков могут быть созданы условия работы при низких температурах(криогенные системы), где будет использован эффект сверхпроводимости проводников,Прецизионный вертикальный градиентометр работает следующим образом.На верхний груз 1 действует ускорение силы тяжести д, на нижний груз 2 действует ускорение силы тяжести;9 о = д+ О/ггНь где д - ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 1,до - ускорение силы тяжести на уровне центра масс груза 2,Ю - вертикальный градиент ускорения силы тяжестиН 1 - расстояние между центрами масс грузов 1; 2,Силы веса грузов 1, 2 равны произведению их масс на д и до соответственно.Сила веса груза 1 уравновешивается силой датчика силы его электрической пружи 5 10 ны, т,е. при отклонении груза 1 от его силы веса сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает на вход обмотки 15 датчика силы, сила которого и уравновеши 15 вает силу веса груза 1. Сигнал с датчика перемещения 10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает и на обмотку 16 датчика силы груза 2. Эта последняя сила пропорциональна (или равна) силе. веса груза 1 и направлена на уравновешивание силы веса груза 2.Таким образом к грузу 2 приложена сила веса груза 2, зависящая от до и п 12 (массы 25 груза 2), сила датчикасилы груза 2 (обмотка 16, постоянный магнит 17 и магнитопровод 18), зависящая от д " до - М/Н 1 и п 1 (массы груза 1) и сила датчика силй электрической 30 пружины груза 2 (обмотка 29, постоянный магнит 17, магнитопровод 18, датчик перемещения 27, усилитель 28). Сумма этих 3-х сил в положении равновесия равна нулю. откуда определяется аналитическая зависимость силы электрической пружины груза 2 отдо, В/и, Нь в 1 и пег:(2) 40Е 2 = А 119 о + А 12 ИЬь где Р 2 - сила электрической пружины груза2,А 11, А 12 - коэффициенты, зависящие от 45 конструктивных параметров градиентометра.Сигнал, характеризующий величину силы Г 2 электрической пружины груза 2 со, входа обмотки 29 поступает на вход вычис .иителя 30, где по известной аналитической, зависимости(алгоритму) и сигналу д посту: пающему в вычислитель 30 с акселерометра31, .вычисляется искомое значение вертикального. градиента Иг.В процессе измерения поддерживаетсяопределенное значение Н 1 с помощью устройства, поддерживающего определенное расстояние между грузами 1 и 2, т,е. сигнал величины перемещения груза 2 с датчика перемещения 20 поступает на одно ие плеч(6) М = А 11 д + А 12 ЧЬ.ь где А 11 = 12 п 12-11 п 11. А 12 = 12 п 2 Н,12 п 1 45 5 разомкнут, контак 2 такт. Контакнут. ток, обеспечию изменению1 от эталонндиента ЧЧ,ческое значезадатчика сль 30 поступзначение с ого Ниние илы ает илы гт + ЧЧггз) (4);22 = А 11 моста С 1 в, С 20, 821, 822, сравниваться с величиной сигнала (емкость) датчика перемещения 19 в измерительной диагонали моста усилителем 23, сигнал с которого поступает на двигатель 24, который через редуктор(на 5 чертеже не показан) отрабатывает стрелку 25 по указателю 26. Оператор(или следящая система, не показанная на чертеже) регулируемым сопротивлением 12 приводит стрелку 25 в нулевое, т,е, согласованное положение, когда перемещение груза 1 и 2 от исходного положения равны,Конструктивные параметры градиентометра поДбираются так, чтобы в (2) слагаемое от до, было минимально возможным, а слагаемое от ЧЧ - максимально возможным. Поскольку в предлагаемом градиентометре до измеряется акселерометром 31 и в вычислителе 30, используя (2); определяется ЧЧ, то исчезает методическая погрешность ( от до, которая присуща прототипу.Так как груз 1 снабжен дополнительно двумя задатчиками силы (обмотки 33, 34), и груз 2 снабжен дополнительно эадатчиком силы (обмотка 32), то, используя метод эталонных сигналов, можно исключить мульти пликативные погрешности от изменения А 11 и А 12 (формула 2) при эксплуатации прибора.А именно: перед началом измерения грузы 1, 2 разарретируются, по показаниям 30 стрелки 25 указателя 26 регулируемым сопротивлением 12 оператор (или следящая система) устанавливает груз 1 так, чтобы показание указателя 2 б,.т,е, изменение расстояния между грузами 1, 2 было равно нулю, 35Далее измерение производится в 3 такта (поддерживая в каждом такте показание указателя 26 равным нулю).1 такт. Контакты 35 и 36 разомкнуты. В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы Р 21;= А 119,о + А 12 ЧЧы, (3) где Е 21 - значение силы электрическои жины груза 2 при 1-м такте измерения В обмотку 34 подается ющий силу, эквивэлентну лы тяжести верхнего груза сигнала вертикального гра же будет показано аналити прикладываемой .силы от (обмотка 34), В вычислите сигнал, характеризующий Е 22 во втором такте,3 такт, Контакт 35 замкнут, контакт 36 разомкнут. А обмотки 32.33 подаются токи, обеспечивающие силы, эквивалентные изменению силы тяжести верхнего и нижнего груза от эквивалентного ускорения силы тяжести д,В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы Г 2 з при третьем такте измерения: РЗ = А 11(о - з) + А 12 ЧЧп (5) Вычислитель (30) по алгоритму из,(3)-(5) вычисляет ЧЧ. При этом мультипликативная погрешность от изменения А 11 и А 12 исключается, т,е, точность измерения в сравнении с прототипом повышается.Покажем это аналитически.Для прототипа момент, приложенный к коромыслу, имеет вид: М - момент, приложенный к коромыслу от веса грузов (т.е, от д т ЩД,11,12 - плечи коромысла, на которых прикладываются силы веса верхнего и нижнего грузов соответственно,гп 1, л 12 - массы верхнего и нижнего грузов,д - ускорение силы тяжести, действующее на уровне верхнего груза,Н - расстояние по высоте между грузами,ЧЧ - фактическое абсолютное значение вертикального градиента.Из (б) имеем При полевых измерениях относительных значений ЧЧг прибором-прототипом (2, стр. 257, 2-й абзац снизу) вдоль двух профилей длиной 65 метров средняя квадратическая погрешность измерения разности вертикального градиента для двух испытываемых приборов составила 8 - 9 Э. Относительные значения ЧЧгг вдоль профилей 65 м едва ли составляли десятки Этвеш и, таким образом, относительная погрешность измерения прототипа составляла сотни процентов,Для исследования возможностей предлагаемого прецизионного градиентометра представим аналитические соотношения, характеризующие его работу,(10) Ез 1 = в 1 Н 1 ЧЧггз Ез 2 = - в 19 з, Езз - - в 29 з 1 а, 1 в - коэФфиЧиенты крутизны датчиков силы грузов 2 и 1 соответственно(обмотки 16 и 15 со своими магнитными системами соответственно).Коэффициент и говорит о возможности увеличения А 12 только за счет увеличения массы одного из грузов (в данном случае груза 2).Из (2) имеет Как сказано выше мультипликативные погрешности от изменения А 11 и А 12 исключаются применением метода эталонных сигналов,Эталонное значение ЧЧггз 2-го такта измерения (формула 4), обеспечивается заданием Силы Ез 1 Равной: где Ез 1 - сила, приложенная к грузу 1 через обмотку 34, Знак (-) соответствует приложению силы по направлению вверх, если эа . положительное направление принято направление силы тяжести.Эталонное значение 9 з 3-го такта измерения (формула 5) обеспечивается заданием сил Ез 2 и Езз равными: ГдЕ Ез 2 - СИЛа, ПрИЛОжЕННая К Груэу 1 ЧЕРЕЗобмотку 33,Езз - сила, приложенная к грузу 2 черезобмотку 32,Знак (-) соответствует приложению этихсил в направлении вверх, если за положительное направление принято направлениесилы тяжести,Из (10) и (11) имеем Е 72 ЕгЗ9 з = - или 9 э = - - Е 1 Е 2 10 Из (3) и (4) имеем И под(9) с использованием (14), (15) опреде 20 ляется ЧЧгг (при этом Е 2 = Е 21).Формула изобретенияПрецизионный вертикальный градиентометр, содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему иэ двух грузов,25 расположенных на разных высотах, преобразователь и регистрирующую систему, о т. л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерений, каждый груз чувствительной системы размещен в отдельном30 корпусе в вертикальных направляющих, приэтом оба груза жестко связаны штангой,снабженной устройством для поддержаниязаданного расстояния между грузами, преобразователь выполнен в виде двух систем,35 каждой из которых снабжен груз, при этомкаждая система исключает датчик перемещений, усилитель с регулируемым сопротивлением и датчик силы, преобразовательсодержит три дополнительных задатчикасилы, двумя иэ которых снабжен первыйгруз, а одной - второй груз, при этом датчикперемещений первого груза через усилитель и регулируемое сопротивление соединен .с датчиком силы второго груза, выходкоторого соединен с регистрирующей сис 45 темой, выполненной в виде вычислителя,второй вход которого соединен с выходомакселерометра, установленного на уровнецентра масс второго груза, причем ось чувствительности акселерометра совпадает с50 направлением силы тяжести,1836645 Корректор Н, Милюкова кто Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 10 оставитель В.Суббехред М,Моргентал каз 3019 ТиражВ НИИПИ Государственного комитета по изобретен113035, Москва, Ж, Раушская одписноем и открытиям при ГКНТ ССб 4/5