Кварцевый гравиметр

Дата опубликования описания 23.08.82 В. В. Аксенов, А.Д. Береза, И. Г. Броншт ей н, Л, К Г.И. Жу кова, Э, И. Ли вши ц, Я. Г. Ост рому хо в, Е,В,Д,Приходько, Д.И.Румянцев и П.СаЭлинсон(51 т КВАРЦЕВЫЙ ГРАВИИЕ 5 1Изобретение относится к геофизике, в частности к устройствам для определения ускорения силы тяжести на подвижном основании.Известен гравиметр, содержащий горизонтальную крутильную нить с зеркалом, установленную в корпусе с защитным стеклом, неподвижное (раперное) зеркало, сканирующее устройство, включающее электродвигатель, , на оси которого размещен полый цилиндрический барабан с винтообразной формой торца, Фотоэлектрический преобразователь, состоящий из осветительной лампы, вспомогательного зеркала и фотоэлектронного умножителя, сигналы от которого управляЮт электронным ключом, коммутирующим генератор стабильной частоты с пере- счетной схемой. Электродвигатель 2 через делитель частоты связан с генератором, который используют дЛя измерения отрезка времени между импульсами, поступающими от фотоэлек" тронного умножителя. В соответствии с изменением ускорения силы тяжести изменяется угол закручивания кварцевой нити упругой системы и разворот закрепленного на ней зеркала относительно неподвижного, что влечет за собой изменение расстояния между световыми бликами, построенными объективом в его фокальной плоскости, совпадающей с винтообразным обрезом барабана. При вращении вала электродвигателя обрез барабана поочередно пересекает световые блики от подвижного и неподвижного зеркал и на выходе фотоэлектронного умножителя появляются последовательно два электрических импульса за каждый оборот барабана. Время, прошедщее е момента пересечения барабаном первого блика до момента пересечения второго, при постоянной скорости электродвигателя, является мерой расстояния между бликами для соответствующег ускорения силы тяжести 1.1 1953609 3Однако этот кварцевый гравиметримеет недостаточную точность измерения.Наиболее близким к изобретению потехнической сущности и достигаемомурезультату является кварцевый гравиметр, содержащий корпус, заполненныйдемпфирующей жидкостью, в верхнемосновании которого установлено защитное стекло, двойную упругую систе- ому крутильного типа, помещенную вдемпфирующую жидкость и включающуюдва маятника с укрепленными на нихразвернутыми зеркалами, Фотоэлектрический преобразователь с устройствомсканирования, выполненным в виде вращающегося полого цилиндрического барабана с щелью 1 2 1.Недостатками известного устройства являются достижение заданнойточности в ограниченном измерительном диапазоне и наличие ошибки, свя"занной с изменением масштаба преобразования угла поворота зеркала маятника во временной интервал.25Цель изобретения - повышение точности в широком диапазоне измерений,Поставленная цель достигается тем,что в кварцевом гравиметре, содержащем корпуч, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основаниикоторого установлено защитное стекло,двойную упругую систему крутильноготипа помещенную в демпфирующую жидУЛкость и включающем два маятника сукрепленными на них развернутыми зеркалами, Фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирования,выполненным в виде вращающегося полого цилиндрического барабана, введена бипризма с. отражающим покрытиемна верхних гранях, при этом грани бипризмы повернуты в противоположныестороны относительно осей симметриимаятников на угол, равныи предельномуч 45углу отклонению маятника от горизонтального положения при максимальномизменении измеряемой величины и од"новременно относительно осей поворо-та маятников а на боковой поверхности барабана выполнена дополнительная щель, разнесенная по высоте ине лежащая на одной образующей с первой щелью, а зеркала развернуты впротивоположные стороны вокруг осей лсимметрии маятников и их оси симметрии параллельны осям симметрии маятников. 4На чертеже представлена схема гравиметра,Гравиметр содержит двойную упругую систему 1, к маятникам 2 кото"рой приварены плоские зеркала 3. Ониориентированы параллельно осям маятников и повернуты в противоположных направлениях вокруг этих осей.Упругая система помещена в корпус 4,заполненный демпфирующей жидкостью5. В верхней части корпуса расположено защитное стекло 6, нижняя поверхность .которого соприкасается с жидкостью. На нем укреплена биприэма7 с отражающим покрытием на верхнихгранях, образующих совместно с нижней поверхностью защитного стекладва жидкостных клина. Верхние гранибипризмы повернуты в противоположные стороны относительно осей симметрии маятников, так же как и зеркала, и одновременно относительноосей поворота маятников на величину, соответствующую диапазону измерения.Над корпусом упругой системы расположены Фотоэлектрический преобразователь, включающий источник 8 излучения, щелевую диафрагму 9, установленную в фокальной плоскости объектива 10, светоделительную призму11, линзу-коллектив 12 и фотоэлектрический приемник 13, сканирующееустройство, которое состоит из синхронного двигателя (не показан) сукрепленным на его оси полым цилиндрическим барабаном 14. На боковойповерхности барабана имеются двеанализирующие щели 15 и 16, расположенные параллельно оси вращенияи смещенные друг относительно друга в направлении образующей сканирующего барабана и перпендикулярномей одновременно. На поверхности сканирующего барабана, совпадающей сфокальной поверхностью объектива,Формируется четыре автоколлимационных иэображения светящейся щели 9два 17 и 18 - от биприэмы и два 19и 20 - от зеркал маятников упругойсистемы. Действие устройства заключается в следующем.Свет от источника 8 излучения, освещающего щель 9, проходит через светоделительную призму 11 и объектив 10, отражается от граней призмы 7 и зеркал маятников 3, делящих егона четыре части, снова попадает в объектив, направляется светоделительной призмой на барабан 14 и далее через щели 15 и 16 и линзу-коллектив 12 на чувствительную площадку Фото приемника 13.Благодаря повороту зеркал вокруг осей симметрии маятников, изображения 19 и 20 смещены друг относительно друга вдоль образующей сканирующего барабана и перпендикулярной ей одновременно. Аналогичным путем сме" щены и изображения 17 и 18 от бипризмы. В соответствии с изменением ускорения силы тяжести изменяется угол закручивания кварцевых нитей упругой системы и угол ЬФ между маятниками. Расстояние 1 между изображениями 19 и 20 пропорционально углу д% и является мерой ускорения силы тяжести 20 Е=,дЧ,где- коэффициент преломления жидкости,- Фокусное расстояние объек" 25тива.Расстояние Ь между изображениями17 и 18 пропорционально постоянномууглу между гранями бипризмы и служитдля определения, коэффициента пере- зодачи преобразователя. контроля егостабильности в процессе эксплуатации . Расстояние 14 и 1 между изображениями 17 и 19, 18 и 20 являются мерой ускорения силы тяжести,измеряемого каждой кварцевой системой, а расстояние 1 - мера ускорения силы тяжести, измеряемого двойной упругой кварцевой системой. Сканирующее устройство и фотоприемник 4 Опреобразуют расстояния 14, 1 ; 1и 1. во временные интервалы междуэлектрическими импульсами. Благодаря смещению анализирующих щелейбарабана в направлении образующейсканирующего барабана и перпендикулярно ей, обеспечивается последовательное сканирование всех светящихся изображений, разнесенных попарно по двум дорожкам. 50 45 Таким образом, предлагаемый гра"виметр обладает следующими преимуществамии:При изменении ускорения силы тяжести перемещение изображений от зер кал маятников упругой системы происходит по двум траекториям, благодаря чему информационная емкость аналиэируемого поля зрения увеличивается в два раза без снижения точности измерений.Благодаря наличию двух щелей, разнесенных по разным дорожкам, имеется возможность определения величины ускорения силы тяжести как двойной упругой системой,так и каждой упругой системой в отдельности, в то время как в известном гравиметре измеряется лишь одна из этих вели" чинПрименение сканирующего барабана с анализирующими щелями на цилин-. дрической поверхности вместо барабана с винтообразной Формой торца . уменьшает погрешность измерения, связанную с отклонением формы торца от .расчетной зависимости из-за неточности изготовления. Наличие бипризмы, грани которой образуют жидкостные клины с постоянными преломляющими углами, обеспечивает определение масштаба преобразования угла поворота зеркал маятников во временной интервал и его контроль непосредственно в процессе . эксплуатациИ и тем самым позволяет вводить коррекцию в показания гравиметра в случае возникновения изменений показателя преломления демпФирующей жидкости, фокусного расстоя ния объектива, диаметра барабана и др.Испытаниям подвергался образец гравиметра, имеющий следующие параметры: изменение угла между маятниками упругой системы д = 1,5 О ( это изменение угла соответствует изменению д 0=2 Г ал); поворот зеркал вокруг осей маятников 25 угл.мин угол между зеркалами 50 угл. мин) расстояние между подвижными изображениями 1=+11 мм, угол между гранями бипризмы 2 30 (в плоскости качания маятников) и 50 (в перпендикулярном направлении), при этом расстояние 1. между бликами от граней бипризм составляет 18 мм, а смещение бликов в направлении образующей сканирующего барабана 6 мм, расстояние между щелями на боковой поверхности сканирующего барабана 20,9 мм в направлении сканирования и 6 мм в направлении образующей (расстояние между дорожками), фокусное расстояние объектива 1=150 мм, коэфФициент преломления жидкости Ч,к=1,41, скорость вращения7 9536 сканирующего барабана 375 об/мин, источник получения " светодиод ЭЛ 107 Б, приемник - ФЭУ,.Средняя квадратическая погрешность испытанного образца гравиметра составила 0,5 мгл, что соответствует относительной точности измерений силы тяжести 510При использовании предлагаемого кварцевого гравиметра отпадает необ ходимость в перестройке измерительного диапазона, исключаются связанные с этим простои судна и экономится время при определении масштаба преобразования угла поворота зеркал ма ятников во временной интервал. Формула изобретения 20Кварцевый гравиметр, содержащий корпус, заполненный демпфирующей жидкостью, в верхнем основании которого установлено защитное стекло, двойную упругую систему крутильного ти па, помещенную в демпФирующую жидкость и включаоцую два маятника с укрепленными на них развернутыми зеркалами, Фотоэлектрический преобразователь с устройством сканирова- З 0 09 8ния, выполненным в виде вращающегосяполого цилиндрического барабана сщелью, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения точности измерений в широком диапазоне, в не"го введена бипризма с отражаоцимпокрытием на верхних гранях, при этомграни бипризмы повернуты в противо,положные стороны относительно осейсимметрии маятников на угол, равныйпредельному углу отклонения маятников от горизонтального положенияи одновременно относительно осей поворота маятников, при этом зеркаларазвернуты в противоположные стороны вокруг осей симметрии маятникови их оси симметрии параллельны осямсимметрии маятников, а на боковойповерхности барабана выполнена допол 1 нительная щель, разнесенная по высоте и не лежащая на одной образующейс первой щелью.Источни ки инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЮ 168901, кл. С 01 Ч 7/02, 1962.2. Морской торстабилизированныйгравиметр, Сборник статей под. ред.Попова Е.Л, М., "Наука", 1972,с. 43 (прототип).953609 оставит ехред Т Редактор Г.Кацал каз 272 75 7 7 Подписнрственного комитета СССРзобретений и от.крытийа, Ж, Раушская .наб. д. илиал ППП ф Патент ф, г, Ужгород, ул, Проектная,Тираж ИИПИ Госуд по делам 3035, Моск