BRPI0609473A2 - gradiÈmetro de gravidade - Google Patents

Abstract

GRADIÈMETRO DE GRAVIDADE. Expõe-se um gradiâmetro de gravidade que é dotado de um sensor na forma de barras (41 e 42) que são suportadas em um acessório (5) o qual é dotado de uma primeira seção de suporte (10) e uma segunda seção de suporte (20). Uma primeira nervura de flexão (33) acopla de forma articulada a primeira e segunda seção de suporte em torno de um primeiro eixo. O segundo suporte tem primeira parte (25), uma segunda parte (26) e uma terceira parte (27) . As partes (25 e 26) são conectadas por segunda nervura de flexão (37) e as partes (26 e 27) são conectadas por terceira nervura de flexão (35) . As barras (41 e 42) ficam localizadas em alojamentos (45 e 47) e formam uma estrutura monolítica com os alojamentos (45 e 47) respectivamente. Os alojamentos (45 e 47) são conectados aos lados opostos da segunda seção de suporte (20) . As barras (41 e 42) são conectadas aos seus alojamentos respectivos por nervuras de flexão (59).

Description

GRADIÔMETRO DE GRAVIDADE

Campo da Invenção

Refere-se a presente invenção a um gradiô-metro de gravidade e, em particular, porém não exclusi-vãmente, a um gradiômetro de gravidade para uso aéreo.

A invenção tem aplicação particular para medição decomponentes diagonais e não-diagonais do tensor de gra-diente gravitacional.

Antecedentes da Invenção

Os gravimetros são amplamente usados emexploração geológica para medirem as primeiras deriva-das do campo gravitacional da terra. Embora alguns a-vanços fossem realizados no desenvolvimento de gravime-tros que podem medir as primeiras derivadas do campogravitacional da terra por causa da dificuldade em di-ferençar variações espaciais do campo em relação a flu-tuações temporais de acelerações de um veiculo em movi-mento, estas medições podem ser feitas usualmente comprecisão suficiente para exploração apenas com instru-mentos estacionários de base terrestre.

Os gradiômetros de gravidade (diferentesdos gravimetros) são usados para medir a segunda deri-vada do campo gravitacional e utilizam um sensor que énecessário para medir as diferenças entre forças gravi- tacionais até uma parte de IO12 da gravidade normal.

Tipicamente, tais dispositivos têm sidousados para procurar localizar depósitos tais como de-pósitos de minério, incluindo minério de ferro e estru-turas geológicas carreadoras de hidrocarbonetos.

A publicação internacional WO 90/07131 obtida parcialmente pela presente companhia associada aosrequerentes, expõe um gradiômetro de gravidade. O gradiômetro inclui uma disposição de suporte por cardancompreendida de três anéis concêntricos em que é montado um equipamento sensor de precisão. O equipamentosensor de precisão geralmente compreende duas barrasespaçadas, respectivamente, localizadas em alojamentosblindados e cada uma montada em um mancai de nervura.O instrumento exposto nesse pedido é relativamente complicado pelo fato de que o mesmo inclui um grande número de partes e é relativamente pesado, o que constituiuma desvantagem particularmente em aplicações aéreas.Sumário da Invenção

A invenção proporciona um gradiômetro degravidade para medir componentes do tensor de gradientede gravidade, que compreende:

um sensor de gradiente de gravidade quecompreende um par de massas que ficam dispostas transversalmente;

um sensor de calibragem para sentir se asmassas estão equilibradas sob temperatura ambiente antes da operação criogênica do gradiômetro de gravidade;

um mecanismo de ajustagem para ajustar oequilíbrio das massas antes da operação criogênica dogradiômetro de gravidade; e

em que o sensor de calibragem compreende:um circuito ressonante dotado de um indu-tor e um capacitor que tem uma primeira placa formadapor uma superfície de uma das massas e uma segunda pla-ca espaçada em relação a essa superfície de uma dasmassas; e

um oscilador para receber um sinal prove-niente do circuito ressonante e para produzir um sinalde saida indicador do equilíbrio da massa.

Preferentemente cada massa é dotada de umcircuito ressonante associado com cada extremidade decada massa de maneira que quando a massa gira, a massaarticula-se e o intervalo entre a primeira placa e asegunda placa de um circuito ressonante aumenta e o in-tervalo entre a primeira placa e a segunda placa do ou- tro circuito ressonante diminui.

Preferentemente o oscilador é um amplifi-cado r .

0 amplif icador pode ser formado por umtransistor de efeito de campo único.

Preferentemente a saida do amplificador édigitalizada por um contador de freqüência.

Preferentemente o circuito ressonante éacoplado ao oscilador por meio de uma pluralidade decapacitores.

Preferentemente o mecanismo de ajustagemcompreende uma pluralidade de elementos de parafuso ca-pazes de serem movidos nas massas para equilibrarem asmassas.Preferentemente as massas são proporciona-das em um alojamento e são conectadas ao alojamento pormeio de uma nervura de flexão, sendo o alojamento dota-do de uma parede periférica, estando os elementos deparafuso localizados em furos nas massas e sendo a pa-rede periférica dotada de furos para registro com osorifícios de forma que pode-se fazer passar uma ferra-menta através dos furos dentro dos orifícios para ajus-tar a posição dos elementos de parafuso nas massas paraequilibrar as massas.

Descrição Breve dos Desenhos

Serão descritas em seguida concretizaçõespreferidas da invenção, a titulo de exemplo, com refe-rência aos desenhos anexos, nos quais:

A Figura 1 representa uma vista esquemática de um gradiômetro de uma concretização da invenção.

A Figura 2 é uma vista em perspectiva deum primeiro suporte que forma parte de um acessório dogradiômetro da concretização preferida.

A Figura 3 é uma vista de um segundo suporte do acessório.

A Figura 4 é uma vista olhada por baixo dosuporte da Figura 3.

A Figura 5 é uma vista seccional ao longoda linha IV-IV da Figura 3.

A Figura 6 é uma vista seccional ao longoda linha V-V da Figura 3.

A Figura 7 representa uma vista da estru-tura montada.

A Figura 8 é uma vista que mostra o sensormontado na estrutura de cardan.

A Figura 9 é uma vista plana de uma barrada concretização preferida.

A Figura 10 é um diagrama que mostra ocontrole de acionador.

A Figura 11 é um diagrama de blocos quemostra a operação do sistema de suporte rotativo.

A Figura 12 é uma vista de um gradiômetroda concretização preferida.

A Figura 13 é uma vista de um primeiro su-porte de uma segunda concretização.

A Figura 14 é uma vista de parte da monta-gem da Figura 13 para ilustrar a localização e extensãoda nervura de flexão do primeiro suporte.

A Figura 15 é uma vista da montagem da Fi-gura 13 olhada por baixo.

A Figura 16 é uma vista da montagem da Fi-gura 13 incluindo um segundo suporte da segunda concre-tização .

A Figura 17 é uma vista seccional atravésdo conjunto ilustrado na Figura 16.

A Figura 18 é uma vista olhada por baixoda secção ilustrada na Figura 17.

A Figura 19 é uma vista olhada por baixodo segundo suporte da segunda concretização.

A Figura 20 é uma vista do segundo suporteda Figura 19 visto por cima.

A Figura 21 é uma vista explodida do segundo suporte da segunda concretização.

A Figura 22 é uma vista do acessório e dossensores montados de acordo com a segunda concretização .

A Figura 23 é uma vista em perspectiva dogradiômetro com parte do recipiente de vácuo externoremovido.

A Figura 24 é uma vista plana de um aloja-mento para suportar uma barra de acordo com uma outraconcretização da invenção.

A Figura 25 representa uma vista mais de-talhada de parte do alojamento da Figura 24.

A Figura 26 representa uma vista de umtransdutor usado na concretização preferida.

A Figura 27 representa uma vista semelhan-te à Figura 25, mas mostrando o transdutor da Figura 26na posição.

A Figura 28 é um diagrama usado para aju-dar na explanação dos circuitos das Figuras 29 e 30.

A Figura 29 é um diagrama de circuito re-ferente à concretização preferida da invenção, mostran-do com particularidade o uso de um dos sensores como umacelerômetro angular.

A Figura 30 mostra um circuito de sintonização de freqüência.

A Figura 31 representa uma vista seccionalatravés de um acionador de acordo com uma concretizaçãoda invenção.

A Figura 32 é uma vista de parte do acio-nador da Figura 31.

A Figura 33 é um diagrama que ilustra obalanceamento dos sensores do gradiômetro da concreti-zação preferida; e

A Figura 34 é um diagrama de circuito deum sensor de calibragem usado quando do balanceamento do gradiômetro.

Descrição Detalhada das Concretizações Preferidas

A Figura 1 representa uma vista esquemáti-ca de um gradiômetro de gravidade de acordo com a con-cretização preferida da invenção.

O gradiômetro ilustrado na Figura 1 com-preende um Dewar de parede dupla 1 que é suportado emuma plataforma externa 2. A plataforma externa 2 per-mite a ajustagem do Dewar e portanto do conteúdo do De-war em torno de três eixos ortogonais. A plataformaexterna 2 é geralmente conhecida e sua ajustagem pormeio de motores adequados ou semelhantes também é co-nhecida. Desta forma, não será necessária uma descri-ção detalhada.

Um recipiente de vácuo 3 é previsto no De-war e o Dewar é suprido com gás liquido, tal como hélioliquido He, de forma que o gradiômetro pode operar sobtemperatura criogênica. 0 Dewar 1 é fechado por umaplaca extrema 4 que inclui conectores 5a para conecta-rem condutores elétricos (não ilustrados) a componentesexternos (não representados).

0 recipiente 3 é fechado por uma placa extrema 9 que inclui conectores 5b para conectar conduto-res elétricos (não ilustrados) aos conectores 5a. 0gradiômetro é dotado de um invólucro principal 61 formado a partir de um anel de doze lados 62 e domos he-misféricos 63 (vide Figura 12) . Um suporte interno 5está conectado ao anel 62. 0 anel 62 carrega um supor-te 65 ao qual está acoplada uma alimentação através doflange 9. Um batoque de gargalo 11 formado de defleto-res 11a intercalados com espuma 11b está previsto acimado recipiente 3. Os defletores 11a são suportados emuma haste oca 93 que se estende até ao recipiente 3 eque também é usada para evacuar o recipiente 3.

Com referência à Figura 2, ilustra-se namesma um primeiro suporte 10 de um acessório rotativo 5(Figura 7) do gradiômetro, o qual compreende uma base12 e uma parede periférica aprumada 14. A parede peri-férica 14 é dotada de uma pluralidade de recortes 16.A base 12 suporta um meão 18.

As Figuras 3 e 4 mostram um segundo supor-te 20 que compreende uma parede periférica 22 e uma pa-rede de topo 24. A parede periférica 22 é dotada dequatro orelhas 13 para conectarem o suporte ao invólu-cro 61. A parede de topo 24 e a parede periférica 22definem uma abertura 28. A parede periférica 22 é do-tada de uma primeira parte 25, uma segunda parte 26 euma terceira parte 27. O segundo suporte 20 é uma es-trutura integral monolítica e a primeira parte 25 éformada pela realização de um recorte circunferencial19 através da parede periférica, exceto para a formaçãode nervuras de flexão, tais como serão descritas maisadiante. A terceira parte 27 é formada pela preparaçãode um segundo recorte circunferencial 29 através da pa-rede periférica 22, exceto para as nervuras de flexãoque também serão descritas mais adiante. O segundo su-porte 20 é montado no primeiro suporte 10 pela locali-zação do meão 18 dentro da abertura 28 e das orelhas 13através dos respectivos recortes 16, conforme ilustra-dos na Figura 7.

O primeiro suporte 10 'w unido ao segundosuporte 20. A primeira nervura de flexão 31 é formadano primeiro suporte 10 de maneira que uma parte de su-porte principal do suporte 10 pode articular-se em tor-no de uma nervura 31 em relação a uma parte de suportesecundária do suporte 10. Isto será descrito de formamais detalhada com referência à segunda concretizaçãoilustrada nas Figuras 13 a 21.

As orelhas 13 conectam-se ao acessório 5no invólucro 3 que, por sua vez, localiza-se no Dewar 1para operação criogênica do gradiômetro.

O Dewar é, por sua vez, montado em umaprimeira plataforma externa para controle de rotação decurso do gradiômetro em torno de três eixos x, y, z or-togonais. O acessório 5 suporta o sensor 40 (o qualserá descrito adiante com maiores detalhes e que estápreferentemente na forma de um quadrupolo de massa) pa-ra ajustagem de rotação muito mais precisa em torno doseixos x, y e z para estabilizar o gradiômetro durante atomada das medições particularmente quando o gradiômetro é aerotransportado.

A primeira nervura de flexão 31 permiteque o primeiro suporte 10 se movimente em relação aosegundo suporte 20 em torno de um eixo x que está ilustrado na Figura 7.

As Figuras 5 e 6 são vistas ao longo daslinhas IV e V, respectivamente, que por sua vez são aolongo dos cortes 19 e 29 ilustrados na Figura 3. A pa-rede periférica 22 pode ser cortada por meio de qual-quer instrumento adequado tal como um alicate de corteou assemelhado. A Figura 5 mostra a superfície a su-perfície de fundo 19a formada pelo corte 27. Como éevidente a partir das Figuras 3 e 5, o corte 27 temdois picos 34 em forma de "v" invertido. 0 ápice dospicos 34 não é cortado e portando forma uma segundanervura de flexão 33 que une a primeira parte 25 à se-gunda parte 26. Desta forma, a segunda parte 26 é ca-paz de girar articuladamente em relação à primeira par-te 25 em torno do eixo x na Figura 7. O segundo corte29 está ilustrado na Figura 6 e novamente é visivel asuperfície de fundo 2 9a formada pelo corte 29. Nova-mente o segundo corte 29 forma dois picos 35 em formade "v" e os ápices dos picos 35 não são cortados e por-tanto formam uma terceira nervura flexivel 37 que co-necta a segunda parte 2 6 à terceira parte 27. Destaforma, a terceira parte 27 é capaz de girar articuladaem torno do eixo y ilustrado na Figura 7.

A Figura 8 mostra o sensor 40 montado noacessório. O sensor 40 é um sensor Orthogonal Quadru-pole Responder - OQR, formado de uma primeira massa ede uma segunda massa, na forma de uma primeira barra 41e de uma segunda barra 42 (não ilustrada na Figura 8)ortogonal à barra 41 e que tem a mesma forma que a bar-ra 41.

A barra 41 é formada em um primeiro aloja-mento 45 e a barra 42 é formada em um segundo alojamen-to 47. A barra 41 e o alojamento 45 é o mesmo que abarra 42 e o alojamento 47 com a exceção de que um gira90° em relação ao outro de forma que as barras são or-togonais. Neste caso, somente será descrito o aloja-mento 45.

O alojamento 45 é dotado de uma parede ex-trema 51 e uma parede lateral periférica 52a. A paredeextrema 51 é conectada ao aro 7 5 (Figuras 2 e 7) da pa-rede 14 do primeiro suporte 10 por parafusos ou asseme-lhados (não ilustrados) . A barra 41 é formada por umrecorte 57 na parede 51 exceto para uma quarta nervurade flexão 59 que une a barra 41 à parede 51. A nervurade flexão está ilustrada ampliada na vista de topo dabarra 41 na Figura 9. Desta forma, a barra 41 é capazde articular em relação ao alojamento 45 em resposta amudanças no campo gravitacional. A barra 42 é montadada mesma maneira que mencionada anteriormente e tambémpode articular-se em relação ao seu alojamento 47 emresposta a mudanças no campo gravitacional em torno deuma quinta nervura de flexão 59. 0 alojamento 47 é co-nectado à base 12 (Figura 2) do primeiro suporte 10.

A barra 41 e o alojamento 45 em conjuntocom a nervura de flexão 59 constituem uma estrutura mo-nolítica integral.

Transdutores 71 (não ilustrados nas Figu-ras 2 a 6) são proporcionados para medirem o movimentodas barras e para produzirem sinais de saida indicado-res da quantidade de movimento e, portanto, da mediçãodas diferenças no campo gravitacional detectado pelasbarras.

A Figura 10 é um diagrama de blocos esque-ma tico que mostra o controle de acionador para estabi-lizar o gradiômetro pela rotação do acessório 5 em tor-no de três eixos ortogonais (x, y, z). Um controlador50, que pode ser um computador, microprocessador ou as-semelhado emite sinais para acionadores 52, 53, 54 e55. O acionador 52 poderá fazer girar o acessório emtorno do eixo x, o acionador 54 poderá fazer girar oacessório 5 em torno do eixo y e o acionador 54 poderáfazer girar o acessório 5 em torno do eixo z. Entre-tanto, na concretização preferida, dois dos quatro a-cionadores 52, 53, 54 e 55 são usados para fazer giraro acessório em torno de cada eixo de maneira que a ro-tação em torno de cada eixo é causada por uma combina-ção de dois movimentos lineares proporcionados a partirde dois acionadores. 0 movimento linear proporcionadopor cada acionador será descrito com referência às Fi-guras 31 e 32, A posição do acessório 5 é monitoradade maneira que realimentação apropriada pode ser pro-porcionada para o controlador 50 e os sinais de contro-le apropriados proporcionados para os acionadores parafazer girar o suporte 10 como é requerido para estabi-lizar o suporte durante movimento através do ar sejadentro ou rebocado por um avião.

A concretização preferida também incluiacelerômetros angulares os quais são semelhantes naforma às barras 41 e 42, mas a forma é ajustada paramovimento quadrupolo zero. Os acelerômetros linearessão dispositivos de pêndulo simples com um único micropivô que funciona como uma articulação flexionai.

A Figura 11 é uma vista de um controle dealimentação usado na concretização preferida.

A Figura 12 representa uma vista em cortedo gradiômetro pronto para montagem no Dewar 1 para o-peração criogênica e que, por sua vez, destina-se a sermontado na plataforma externa. Muito embora as Figuras2 a 8 mostrem o gradiômetro com as barras 41 e 42 dis- postas no topo e no fundo, o instrumento é efetivamenteligado no seu lado (90°) de forma que as barras 41 e 42estão nas extremidades tal como se encontram ilustradasna Figura 12.A Figura 12 mostra o acessório 5 dispostodentro do invólucro 61 e formado pelo anel 62 e as ex-tremidades hemisféricas transparentes 63. 0 anel 62 édotado de conectores 69 para conectar a fiação internaproveniente dos transdutores 71 (vide Figura 8) e com-ponentes eletrônicos SQuID (Dispositivo de Interferên-cia Quantum Supercondutor) localizados no invólucro 61aos conectores 5b (Figura 1) .

Os transdutores 71 medem o ângulo de deslocamento das barras 41 e 42 e o circuito de controle(não representado) é configurado para medir a diferençaentre eles.

A correção de erro pode ser realizada numericamente com base em sinais digitalizados provenien-tes dos acelerômetros e um sensor de temperatura.

Os transdutores 71 são transdutores baseados em SQuID e a correção de erro é possibilitada pelagrande faixa dinâmica e linearidade dos transdutoresbaseados em SQuID.

As Figuras 13 a 21 mostram uma segundaconcretização em que partes semelhantes indicam componentes semelhantes àqueles descritos anteriormente.

Nesta concretização o primeiro suporte 10é dotado de recortes 80 que efetivamente formam fendaspara receberem orelhas (não representadas) que são co-nectadas ao suporte 10 nos recortes 80 e também ao se-gundo suporte 20 ilustrado nas Figuras 19 a 21. Nestaconcretização as orelhas são componentes separados demaneira que eles podem ser proporcionados menores, emais facilmente do que sendo cortados com a segunda se-ção de suporte 20 que forma a segunda nervura de flexão33 d a terceira nervura de flexão 37.

Na Figura 13 um recorte 87 é praticado para definir a parte 18a do meão 18. O recorte 87 entãoestende-se radialmente para dentro em 88 e, então, emtorno da seção central 18c como ilustrado pelo recorte101. O recorte 101 então entra na seção central 18c aolongo de linhas de corte 18d e 18e para definir um nú-cleo 18f. O núcleo 18f é conectado à seção central 18cpela nervura de flexão 31 que é uma parte recortada en-tre as linhas de corte 18e e 18d. A parte 10a, portan-to, forma uma parte de suporte principal do suporte 10que é separada de uma parte de suporte secundária 10ado suporte 10, exceto onde a parte 18a se une com aparte 10a pela nervura de flexão 31. A parte 18a efe-tivamente forma um eixo para permitir a rotação da par-te 18a em relação à parte 10a na direção z em torno danervura de flexão 31.

Tal como se encontra ilustrado na Figura14, a linha de recorte 88 afila-se para fora a partirda extremidade superior ilustrada na Figura 14 para aextremidade inferior e o núcleo 18c afila-se para foraem forma correspondente, tal como melhor ilustrado naFigura 17.

Como é evidente a partir das Figuras 13 a18, o primeiro suporte 10 é de forma octogonal em vezde redonda, como na concretização anterior.

As Figuras 19 a 21 mostram o segundo su-porte 20. A Figura 16 mostra o segundo suporte 20 mon-tado no primeiro suporte 10. Tal como melhor ilustradonas Figuras 19 e 20, o segundo suporte 20 é dotado derecortes 120 que registram com os recortes 80 para re-ceberem orelhas (não representadas). As orelhas podemser aparafusadas ao segundo suporte 20 por meios depernos que passam através das orelhas e em furos parapernos 121. As orelhas (não ilustradas) são montadasao suporte 20 antes que o suporte 20 seja fixado aoprimeiro suporte 10.

Na concretização das Figuras 19 e 20, ospicos 34 e picos invertidos 35 são achatados em vez deterem a forma em "V" como na concretização anterior.

Nesta concretização, a parede de topo 24 éprovida de um furo central 137 e dois furos de fixação138a. Três furos menores 139a são proporcionados parafacilitar empurrar o alojamento 45 para fora da parte18a se for necessária a desmontagem. Quando o segundosuporte 20 é localizado dentro do primeiro suporte 10,a parte superior da seção central 18c projeta-se atra-vés do furo 137, tal como melhor ilustrado na Figura16. O suporte 20 poderá ser então conectado ao suporte10 por meio de prendedores os quais passam através dosfuros 138 e encaixam nos furos 139b (vide Figura 13) naparte 18a.

Desta maneira, quando o primeiro alojamen-to 45 e sua barra associada 41 é conectado ao aro 75 doalojamento 10 e o segundo alojamento 47 é conectado àbase 12, os alojamentos 45 e 47 e as suas barras asso-ciadas 41 e 42 são, portanto, capazes de se moverem emtorno de três eixos ortogonais definidos pela nervurade flexão 31, pela nervura de flexão 33 e pela nervurade flexão 37.

Tal como melhor ilustrado na Figura 21 queé uma vista explodida das três partes 25, 26 e 27 queconstituem o segundo suporte 20, uma abertura estende-se através do suporte 20 que é formada pelo furo 137,furo 138 e furo 139. Deverá ser compreendido que o su-porte 20 ilustrado na Figura 21 é uma estrutura monolí-tica e está meramente ilustrado em vista explodida parailustrar claramente a localização das nervuras de fle-xão 33 e 35. Obviamente, a nervura de flexão 33 ilus-trada na Figura 21 une-se com a parte 26 e a nervura deflexão 35 ilustrada na Figura 21 une-se com a parte 27.Os furos 137, 138 e 139 definem uma passagem através daqual o eixo ou primeira parte 18a do primeiro suporte10 pode estender-se quando o segundo suporte 20 estálocalizado no primeiro suporte 10.

Desta forma, quando o segundo suporte 20 éfixado à parte 18a, o segundo suporte 20 pode ser arti-cular-se com a primeira parte 10a do primeiro suporte10 em torno de um eixo x definido pela nervura de fle-xão 31 enquanto a segunda parte formada pela parte 18apermanece estacionaria. O movimento em torno dos eixosx e y é conseguido pelo movimento de articulação do se-gundo suporte 20 em torno das nervuras de flexão 33 e35 como descrito anteriormente.

A Figura 22 mostra os acelerômetros linea-res e anulares 90 fixados aos alojamentos 45 e 47.

O gradiente de gravidade exerce um torqueem um corpo rigido com qualquer distribuição de massadesde que ela tenha um momento quadrupolo não-zero.Para um corpo plano, no plano x-y e articulado em tornodo eixo z, o quadrupolo é a diferença entre momentos deinércia nas direções x e y. Desta forma, um quadradoou circulo tem momento de quadrupolo zero, enquanto umretângulo tem um valor não-zero.

O torque produzido é que constitui o sinalmedido pelo gradiômetro.

Existem duas perturbações dinâmicas quetambém podem produzir torques e, conseqüentemente,constituem-se em fontes de erro.

A primeira é a aceleração linear.

Esta produz um torque se o centro da massanão estiver exatamente no centro de rotação - isto é, abarra está "desequilibrada". As barras 41 e 42 são e-quilibradas tanto quanto possível (utilizando-se para-fusos sem cabeça para ajustar a posição do centro damassa) , mas isto não é totalmente bom, de forma que e-xiste um erro residual. Este erro pode ser corrigidopela medição da aceleração linear e utilizando-se estapara subtrair numericamente a parte errônea do sinal.A segunda é o movimento angular.

Existem dois aspectos para o movimento an-gular, cada um dos quais produz um erro diferente.

O primeiro é o aspecto da aceleração angular.

A aceleração angular produz um torque nadistribuição de massa através do seu momento de inércia(mesmo que o momento quadrupolo seja zero) . Este é umerro enorme e são utilizadas duas técnicas preferidaspara neutralizá-lo.

A primeira consiste em utilizar estabili-zação de rotação interna. Esta está ilustrada no dia-grama de blocos da Figura 10. Aqui, Ho(s) representa oconjunto sensor articulado em torno do suporte 5 (talcomo pela Figura 9). O bloco a(s) representa o aciona-dor, que proporciona o torque de realimentação para e-fetuar esta estabilização mediante cancelamento dasperturbações aplicadas. T(s) representa o sensor (outransdutor) que mede o efeito da perturbação aplicada.Este é o acelerômetro angular. Não é usual utilizarem-se acelerômetros angulares no controle de rotação - u-sualmente utilizam-se giroscópios e/ou medidores de in-clinação altamente amortecidos, mas para o propósito dapresente invenção são melhores os acelerômetros angula-res , uma vez que o erro é proporcional à perturbação deaceleração angular.

A segunda consiste em usar rejeição de mo-dalidade comum CMRR - que é a razão pela qual são ne-cessárias 2 barras ortogonais. Para as duas barras, otorque de erro produzido pela aceleração angular é namesma direção, mas o torque de sinal produzido pelogradiente de gravidade é na direção oposta.

Conseqüentemente, pela medição das dife-renças na deflexão entre as duas barras, o gradiente édetectado, mas não a aceleração angular.

Conseqüentemente, são proporcionados doisacelerômetros angulares separados 90 (rotulados como90' na Figura 22 para facilidade de identificação) .Temos dois sinais de saida independentes provenientesdo par de barras OQR 41 e 42. O primeiro é proporcio-nal à diferença na deflexão, que dá o sinal de gradien-te e o segundo é proporcional à soma de suas deflexões,que é proporcional à aceleração angular e proporciona osensor para o controle de rotação de eixo x.

Os eixos x e y requerem acelerômetros an-gulares separados. A estabilização de rotação em tornodestes eixos é requerida porque os eixos de articulaçãodas duas barras não são exatamente paralelos e, também,neutralizam a segunda forma de erro produzida por per-turbação angular, tal como discutida adiante.

O segundo aspecto é a velocidade angular.

A velocidade angular produz forças centri- fugas, as quais são também uma fonte de erro. A esta-bilização de rotação interna proporcionada pelos acio-nadores reduz o movimento angular de forma que o erroestá abaixo de 1 Eotvos.A Figura 23 mostra o corpo principal 61 eo conector 69 com as extremidades hemisféricas removidas .

A Figura 24 é uma vista plana do alojamen-to 45 de acordo com uma outra concretização mais da in-venção. Como é evidente a partir da Figura 24, o alo-jamento 4 5 é circular em vez de octogonal, como é o ca-so com a concretização da Figura 8.

0 alojamento 45 suporta a barra 41 da mes-ma maneira que se descreveu por meio da nervura de fle-xão 59 que fica localizada no centro da massa da barra41. A barra 41 é em forma de divisa, muito embora aforma de divisa seja ligeiramente diferente daquela u-sada nas concretizações anteriores e tem uma borda 4lemais arredondada oposta à nervura de flexão 59 e umaseção de parede em forma de calha 41f, 41g e 41h adja-cente à nervura de flexão 59. As extremidades da barra41 têm furos rosqueados 300 que recebem elementos ros-queados 301 que podem estar na forma de conectores taiscomo parafusos sem cabeça ou assemelhados. Os furos300 registram com furos 302 na parede periférica 52a doalojamento 45. Os furos 302 permitem o acesso aos co-nectores 301 por uma chave de parafusos ou outra ferra-menta, de forma que os conectores 301 possam ser apara-fusados e desparafusados em relação ao furo 300 paraajustar a sua posição no furo para equilibrar a massa41 de forma que o centro de gravidade fique situado nanervura de flexão 59.Da forma ilustrada na Figura 24, os furos300 estão a um ângulo de 45° em relação à horizontal eà vertical na Figura 24. Assim, os dois furos 302 i-lustrados na Figura 24 estão em ângulos retos com relação um ao outro.

A Figura 24 também mostra aberturas 305para receberem o transdutor 71 para monitorar o movi-mento da barra 41 e produzir sinais que são transporta-dos para o dispositivo SQUID. Tipicamente, o transdu-tor encontra-se na forma de uma bobina e quando a barra41 se movimenta levemente devido à diferença de gravi-dade nas extremidades da barra, ocorre uma mudança nacapacitância que altera a corrente na bobina para pro-porcionar desse modo um sinal indicador de movimento dabarra 41.

A Figura 25 é uma vista mais detalhada departe do alojamento da Figura 24 que mostra as abertu-ras 305. Como pode ser observado a partir da Figura25, as aberturas 305 são dotadas de ressaltos 401 queformam ranhuras 402. Uma mola 403fica disposta adja-cente à superfície 406.

A Figura 26 mostra o transdutor 71. 0transdutor 71 é formado por uma placa macor geralmentequadrada 410 que tem uma protuberância circular 407.Uma bobina 408 é enrolada em torno da protuberância 407e pode ser mantida na posição por meio de resina ou as-semelhada . A bobina 4 08 pode ser uma bobina de váriascamadas ou de uma única camada.A Figura 27 mostra a localização da placa410 na abertura 305 em que a placa se localiza nas ra-nhuras 402 e é impelida pela mola 403 contra os ressal-tos 401 para manter a placa 410 na posição com as bobi-nas 408 dispostas adjacentes à face de borda 41a dabarra 41.

Desta forma, a bobina 408 e a barra 41formam um circuito lc de modo que quando a barra 41 semovimenta, a corrente que passa através da bobina 4 08 éalterada.

Como será evidente a partir da Figura 24,quatro transdutores 71 ficam dispostos adjacentes àsextremidades da barra 41. O outro alojamento 47 tambémé dotado de quatro transdutores dispostos adjacentes àbarra 42. Desta forma, são proporcionados oito trans-dutores 71 no gradiômetro.

A Figura 28 é um diagrama das barras 41 e42 mostrando as mesmas na sua configuração "em uso".Os transdutores que ficam localizados nas aberturas 305estão ilustrados pelos números de referência 71a até71e para equiparação com os diagramas de circuito dasFiguras 29 e 30.

Com referência às Figuras 29 e 30, ostransdutores 71a e 71b associados com a barra 41, e ostransdutores 71g e 71e associados com a barra 42 sãousados para proporcionarem as medições de gradiente degravidade.

Os terminais de entrada 361 proporcionamcorrente de entrada para os circuitos supercondutoresilustrados na Figura 29. São proporcionados interrup-tores de calor que podem estar na forma de resistores362, os quais são usados para ajustar inicialmente acorrente supercondutora dentro do circuito. Os inter-ruptores de calor 362 são inicialmente ligados duranteum periodo de tempo muito curto para aquecer as partesdo circuito nas quais os resistores 362 estão localiza-dos para sustar a supercondução dessas partes do cir-cuito. Correntes podem ser então impostas no circuitode supercondução e quando os interruptores de calorformados pelos resistores 362 são desligados, as partesrelevantes do circuito tornam-se novamente supercondu-toras de forma que a corrente pode circular através doscircuitos submetidos a qualquer mudança causada pelomovimento das barras 41 e 42 sob a influência do gradi-ente de gravidade e aceleração angular, tal como serádescrito mais adiante.

Os transdutores 71a, 71b, 71g e 7 le sãoconectados em paralelo à linha de circuito 365 e à li-nha de circuito 366 que conecta a um SQUID 367.

Desta maneira, quando as barras 41 e 42giram em torno de sua respectiva nervura de flexão, asbarras 41 e 42, por exemplo, ficam mais próximas dotransdutor 71a e conseqüentemente, mais afastadas dotransdutor 71b, e mais próximas do transdutor 71h e a-inda mais afastadas do transdutor 71g, respectivamente.Isto, portanto, muda a corrente que flui através dostransdutores e aquelas correntes são efetivamente sub-traídas para proporcionarem sinais usados para propor-cionar uma medida do gradiente de gravidade.

Tal como se encontra ilustrado na Figura31, os transdutores 71c e 7ld formam um circuito sepa-rado e são usados para sintonização de freqüência dabarra 41 e transdutores 71a e 71b. De forma assemelha-da, os transdutores 71e e 7lf são utilizados para sin-tonização de freqüência da barra 42 e dos transdutores71g e 71h. A sintonização de freqüência das barras éimportante porque as barras deverão ser idênticas a fimde rejeitar acelerações angulares. Conseqüentemente,os circuitos de sintonização de freqüência possibilitamque a sintonização eletrônica das barras case as fre-qüências ressonantes e consiga rejeição de modalidadede forma que cada uma das barras funcione de uma manei-ra idêntica.

Os transdutores 71a, 71b, 71g e 71h tambémsão usados para formarem acelerômetros angulares paramedirem o movimento angular do acessório 5, de formaque sinais de realimentação possam ser proporcionadospara compensarem esse movimento angular.

Para fazer isto, a linha 366 é conectada aum transformador 370. A polaridade dos sinais proveni-entes dos transdutores 71a e 71b e 71g e 71h é inverti-da, de maneira que a saida do transdutor 370 nas linhas371 e 372 é uma adição dos sinais em vez de uma subtra-ção, como é o caso quando o gradiente é medido de formaque a adição dos sinais dá uma medida do movimento an-gular das barras. As saidas 371 e 372 são conectadasao dispositivo SQUID 375 para proporcionarem uma medidada aceleração angular que pode ser usada no circuito daFigura 10 para proporcionar sinais de compensação paraestabilizarem o acessório 5.

Assim, de acordo com a concretização pre-ferida da invenção, os acelerômetros angulares 90' pro-porcionam uma medição da aceleração angular; por exem- pio, em torno dos eixos x e y, e o acelerômetro angularformado pelas barras 41 e 42 e os transdutores 71a,71b, 71g e 71h proporcionam uma medida do acelerômetroangular em torno, por exemplo, do eixo z.

As Figuras 31 e 32 mostram um acionadorutilizado para receber os sinais de controle para ajus-tarem o acessório em resposta ao movimento angular doacessório 5.

Os acionadores ilustrados nas Figuras 31 e32 estão ilustrados esquematicamente na Figura 10 pelosnúmeros de referência 52, 53, 54 e 55. Todos os acio-nador es são os mesmos e as Figuras 31 e 32 serão des-critas com referência ao acionador 52 que realiza ajus-tagem em torno do eixo x ilustrado na Figura 10.

O acionador 52 ilustrado na Figura 31 temum alojamento de disco oco 310 que é dotado de um es-quadro de montagem 311 para conexão do alojamento dedisco 310 ao acessório 5. O alojamento de disco oco310 portanto define uma câmara interna 312 em que estálocalizada a placa de suporte de bobina na forma de umdisco 313. O disco 313 é dotado de uma seção de meãolargo 314 e duas superfícies anulares 315 e 316 nasquais os enrolamentos Wl e W2 das bobinas são enroladosem torno do meão 314.

0 disco 313 também é provido de um furoradial 319 e um furo 320 na periferia do disco 313 quese comunica com o furo 319. Um furo 321 está previstono meão 314 e comunica-se com o furo 319 e estende-seaté uma haste oca 329 que se localiza em um tubo 330.A haste 330 é fixada ao disco 313 e também à armação desuporte 340 que é fixada ao dito corpo principal 61(não ilustrado na Figura 31). O tubo 330 está conecta-do ao alojamento de disco 310 para movimento com o alo-jamento de disco 310 em relação ao disco 313, haste 329e armação 340.

O enrolamento Wl proporcionado na face 315tem um condutor 331 que passa através do furo 320 e,então, através do furo 319para o furo 321 e então atra-vés do tubo 328 para a direita, conforme ilustrado naFigura 31. Um condutor 332 proveniente da outra extre-midade do enrolamento Wl passa através do furo 321 eatravés da haste oca 328 também para a direita de formaque corrente pode ser fornecida ao enrolamento Wl através dos condutores 331 e 332.

O segundo enrolamento W2 proporcionando naface 316 tem um condutor 333 que passa através de umfuro radial 334 e furo 345 no disco 313 e então atravésdo furo 337 para o tubo 328 e para a esquerda na Figura31. A outra extremidade do enrolamento W2 tem um condutor 338 que passa através do furo 337 para dentro dotubo 328 e para a esquerda na Figura 31. Desta manei-ra, corrente pode circular através do enrolamento W2por meio dos condutores 333 e 338.

Quando os enrolamentos Wl e W2 são excita-dos ou a corrente que passa através dos enrolamentosmuda, o alojamento de disco 310 é movido em relação aodisco 313 e armação 340 e por causa do alojamento dedisco 310 estar conectado ao acessório 5 pelo esquadro311, o acessório 45, no caso do acionador 52, é ajusta-do . O movimento do alojamento de disco 310 é geralmen-te um movimento longitudinal (isto é, movimento linear)na direção do eixo do tubo 330 e haste 329. Para faci-litar esse movimento, proporciona-se uma folga entre asextremidades da haste 330 e da armação 340, bem como emtorno do disco 313. O esquadro 311 é deslocado em re-lação à nervura de flexão (tal como a nervura de flexão37) de maneira tal que o movimento do alo j amento 310aplica um torque à primeira parte 25 do acessório 5 pa-ra ocasionar a rotação da parte 25 em torno da nervurade flexão 37.

Na concretização preferida da invenção,proporcionam-se quatro acionadores para proporcionaremajustagem efetiva em torno dos vários eixos e nervurasde flexão e os acionadores operam em combinação em res-posta aos sinais recebidos a partir dos acelerômetrosangulares para manterem estabilidade do acessório 5quando o gradiômetro está em uso.

Para operação criogênica do gradiômetro, oacessório 5, alojamentos 45 e 47, barras 41 e 42, o a-lojamento de disco oco 310, bobinas, e condutores elé-tricos referidos anteriormente, são todos eles feitos apartir de material supercondutor, tal como nióbio.

Nas concretizações da invenção onde o gra-diômetro não é operado de forma criogênica, os compo-nentes podem ser formados a partir de outros materiais,tais como alumínio.

Os acelerômetros angulares 90' têm momentoquadrupolo zero, o que significa que o centro da massacoincide com a nervura de flexão e que conseqüentemen-te, eles são insensíveis ao gradiente de gravidade eforça centrifuga. Acelerômetros lineares 90'' (Figura22) poderiam ser igualmente proporcionados. Os acele-rômetros lineares 90'' não aplicam compensação ativa,mas podem aplicar correções aos dados de gradiente me-dido final. Desta maneira, os dados relativos a acele-ração linear podem ser registrados e possivelmente uti-lizados em processamento posterior.

Uma ou as duas barras 41 e 42 também podemser usadas como um acelerometro angular para proporcio-nar uma medida do movimento angular do acessório 5 demodo que sinais de realimentação apropriados podem sergerados para compensação para esse movimento pelo con-trole dos acionadores anteriormente descritos.Na concretização preferida, são proporcio-nados quatro acelerômetros angulares com dois dos ace-lerômetros sendo formados pelas barras 41 e 42. O usode quatro acelerômetros dispostos segundos ângulos de45o em relação uns aos outros possibilita ajustagem emtorno do eixo x, y e z pelo torque fornecido a partirde dois ou mais dos acionadores em qualquer tempo.

0 disco 310 impede que fluxo provenientedos enrolamentos Wl e W2 escape do acionador e uma vezque os condutores 331 e 332 e 333 e 334 deixam o acio-nador através do tubo alongado 330, a capacidade dofluxo passar para fora do acionador é substancialmenteimpedida.

Desta maneira, campos magnéticos espúrios que possam vir a afetar prejudicialmente a operação doinstrumento não são gerados pelo acionador e, conse-qüentemente, não influenciam a sensibilidade ou opera-ção do instrumento.

O tubo 330 preferentemente tem uma relaçãode comprimento para diâmetro de 10:1 pelo menos.

A placa de disco 316 é formada preferente-mente a partir de macor e o alojamento de disco oco 310é formado em duas partes 310a e 310b. A parte 310b queforma um painel de fechamento capaz de permitir que odisco 3134 seja localizado na câmara 312 e então o alo-jamento de disco 310 fechado pela localização da placa310b na posição.

Com referência às Figuras 33 e 34, serádescrita a maneira pela qual é conseguido o equilíbriodas barras 41 e 42. um par de sensores de deslocamentoformados pelos capacitores 4 00 e 401 são proporcionadospara dois propósitos principais:

1. Medir a sensibilidade de aceleração linearresidual de cada barra 41 (e 42) para per-mitir que as barras sejam equilibradas me-canicamente utilizando-se os parafusos semcabeça 301 descritos com referência à Fi-gura 24, antes da operação sob baixas tem-peraturas; e

2. Medir a sensibilidade de aceleração linearinduzida de cada barra 41 e 42.

As barras 41 e 42, nos seus respectivosalojamentos, são levadas a girar em um gabarito (nãoilustrado) através de 360°. Isto proporciona uma faixade aceleração de 2 gE, que é tipicamente 100 vezes mai-or do que as acelerações que podem ser convenientementeaplicadas sob baixas temperaturas. Um requisito típicoé para os capacitores 400 e 401 serem capazes de detec-tar 0,1 nm durante um período de 1 a 20 minutos. É re-querido um par de capacitores 400 e 401 para cada barrapara proporcionar alguma discriminação contra desloca-mento de sensor, uma vez que a rotação da barra 41 farácom que um capacitor 4 00 aumente e o outro capacitor401 diminua pela mesma quantidade, como está ilustradona Figura 33, enquanto que a expansão térmica fará comque as duas saídas dos capacitores 400 e 401 aumentem.Os capacitores 400 e 401 permanece na posição, mesmoque eles sejam não-utilizáveis sob baixas temperaturas,e portanto os seus componentes precisam ser não-magnéticos de maneira a não interferirem com a operaçãodo gradiômetro e, em particular, e seu circuito muitoperto da supercondutividade.

A Figura 33 mostra que quando a barra 41 éarticulada, o afastamento aplicável ao capacitor 4 00diminui e o afastamento do capacitor 401 aumenta.

Os capacitores 400 e 401 são formados pelaface 41a da barra 41 (e a face correspondente na outrabarra 42) e segundas placas 405 que ficam espaçadas emrelação à face 41a, O intervalo entre as placas dosrespectivos capacitores 400 e 401 devem ser tipicamentedecompostas para cerca de 1 ppm.

A Figura 34 mostra um circuito de calibra-gem aplicável ao capacitor 400. Um circuito para o ou-tro capacitor 4 01 é idêntico.

O capacitor 400 forma um circuito resso-nante de alto fator Q com indutor 410. O indutor 410 eo capacitor 4 00 são proporcionados paralelos aos capa-citores 411 e 412 e conectados por meio do capacitor413 a um amplificador 414. A saida do amplificador 414é proporcionada para um contador de freqüência 415 etambém realimentado entre os capacitores 412 e 411 pelalinha 416. Portanto, o capacitor 4 00 determina a fre-qüência de operação do amplificador 414 que pode sercom uma alta precisão.Se a barra 41 estiver fora de equilíbrio,o contador de freqüência 415 tenderá a derivar por cau-sa do desequilíbrio da barra. Este pode ser ajustadopelo movimento dos parafusos sem cabeço 301 para dentro e para fora das massas como descrito anteriormente atéocorrer o equilíbrio. O amplificador 414 pode ser en-tão desconectado do contador de freqüência 415 de umaforma tal que o gradiômetro pode ser disposto dentro doDewar 1 com as outras partes dos circuitos ilustrados na Figura 34 no lugar.

Uma vez que modificações dentro do espiri-to e escopo da invenção podem ser facilmente realizadaspor pessoas versadas na técnica, deverá ser compreendi-do que a presente invenção não fica limitada à concre-tização particular descrita anteriormente somente a ti-tulo de exemplo.

Nas reivindicações em anexo e na descriçãoprecedente da invenção, exceto onde o contexto requerde outro modo devido a linguagem expressa ou implicação necessária, a palavra "compreende" ou variações taiscomo "que compreende" ou "compreendendo" são usadas emum sentido inclusivo, isto é, para especificar a pre-sença dos aspectos expostos, mas não impedir a presençaou adição de outros aspectos em várias concretizações da invenção.

Claims (9)

1 . - Gradiômetro de gravidade para medircomponentes do tensor de gradiente de gravidade, carac-terizado pelo fato de compreender:um sensor de gradiente de gravidade quecompreende um par de massas que ficam dispostas trans-versalmente;um sensor de calibragem para sentir se asmassas estão equilibradas sob temperatura ambiente antes da operação criogênica do gradiômetro de gravidade;eum mecanismo de ajustagem para ajustar oequilíbrio das massas antes da operação criogênica dogradiômetro de gravidade.

2. - Gradiômetro de gravidade de acordo coma reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que osensor de calibragem compreende:um circuito ressonante dotado de um indu-tor e um capacitor que tem uma primeira placa formadapor uma superfície de uma das massas e uma segunda pla-ca espaçada em relação a essa superfície de uma dasmassas; eum oscilador para receber um sinal prove-niente do circuito ressonante e para produzir um sinal de saida indicador do equilíbrio da massa.

3. - Gradiômetro de gravidade de acordocom a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de quecada massa é dotada de um circuito ressonante associadocom cada extremidade de cada massa de maneira que quan-do a massa gira, a massa articula-se e o intervalo en-tre a primeira placa e a segunda placa de um circuitoressonante aumenta e o intervalo entre a primeira placa e a segunda placa do outro circuito ressonante diminui.

4. - Gradiômetro de gravidade de acordo coma reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o os-cilador é um amplificador.

5. - Gradiômetro de gravidade de acordo coma reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que o am-plificador é um transistor de efeito de campo único.

6. - Gradiômetro de gravidade 4, caracteri-zado pelo fato de que a saida do amplificador é digita-lizada por um contador de freqüência.

7. - Gradiômetro de gravidade de acordo coma reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que ocircuito ressonante é acoplado ao oscilador por meio deuma pluralidade de capacitores.

8. - Gradiômetro de gravidade de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o me-canismo de ajustagem compreende uma pluralidade de ele-mentos de parafuso capazes de serem movidos nas massaspara equilibrarem as massas.

9. - Gradiômetro de gravidade de acordo coma reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que asmassas são proporcionadas em um alojamento e são conec-tadas ao alojamento por meio de uma nervura de flexão,sendo o alojamento dotado de uma parede periférica, es-tando os elementos de parafuso localizados em furos nasmassas e sendo a parede periférica dotada de furos pararegistro com os orifícios de forma que pode-se fazerpassar uma ferramenta através dos furos dentro dos ori- ficios para ajustar a posição dos elementos de parafusonas massas para equilibrar as massas.