RO115672B1 - Gradiometru gravitaţional, static şi dinamic - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un senzor pentru măsurarea gradientului câmpului gravitaţional static şi de joasă frecvenţă. Gradiometrul gravitaţional, static şi dinamic, conform invenţiei, este constituit dintr-o carcasă cilindrică (1) în care sunt dispuse două mase sesizoare (2), de formă cilindrică, din care s-au decupat în mod simetric faţă de axă câte două sectoare cu baza sfert de disc, carcasa cilindrică (1) fiind umplută cu un lichid magnetic (3), masele fiind levitate în acesta, static, prin intermediul unor magneţi permanenţi (4 şi 5) pe modurile axial şi radial, pe modul tangenţial, levitaţia fiind asigurată de un sistem de bobine (7) depuse pe armăturile (6) fixate pe carcasă, aflate longitudinal între cele două mase, bobine (7) comandate de semnalul electric de dezechilibru, produs de mişcarea relativă unghiulară a maselor, obţinut prin traducerea diferenţială a distanţei dintre cele două mase mobile prin intermediul armăturilor (6).

Description

RO 115672 B

Invenția se referă la un senzor pentru măsurarea gradientului câmpului gravitațional static și de joasă frecvență.

Măsurarea gradientului câmpului gravitațional prezintă importanță în mai multe domenii tehnologice și științifice. în prospecțiunile geologice, măsurarea gradientului gravitațional poate da indicații asupra prezenței unor zone cu densitatea de masă diferită ce dea medie a scoarței, cum este cazul concentrațiilor de minereu sau zăcămintelor de petrol. Determinarea gradientului gravitațional permite evidențierea apropierii de observator și a mișcării corpurilor masive, fără ca efectul să poată fi mascat [ecranat). în domeniul cercetării și tehnologiilor spațiale, măsurarea gradientului gravitațional permite determinarea de pe orbita terestră a variațiilor locale de densitate a scoarței terestre; prin utilizarea unui gradiometru gravitațional pe un obiect spațial interplanetar, se poate pune în evidență distribuția de densitate a unei planete sau a altui corp ceresc. în domeniul fizicii fundamentale, măsurarea gradientului gravitațional static permite determinarea abaterilor de la legea de variație cu inversul pătratului distanței a intensității câmpului gravitațional.

Un gradiometru gravitațional este principal un sensor de tip diferențial, care măsoară variațiile spațiale ale câmpului gravitațional și nu valorile absolute. Deoarece efecetele câmpului gravitațional se manifestă la scara uzuală numai asupra maselor, principiu! diferențial al măsurării gradientului trebuie să excludă măsurarea accelerațiilor lineare și unghiulare, care acționează, conform principiului echivalenței, de asemenea asupra maselor.

Problema pe care o rezolvă invenția este realizarea unui gradiometru gravitațional static și dinamic cu funcționare în condiții terestre și de microgravitație.

în scopul măsurării gradientului gravitațional sunt cunoscute mai multe metode și principii. Astfel, se pot face determinări de gradient prin măsurători ale intensității câmpului gravitațional, efectuate cu gravimetre, la diferite distanțe. De asemenea, există metode care utilizează oscilațiile de torsiune ale unei balanțe speciale. Aceste metode conduc la precizii de măsură scăzute, timp de măsură ridicat. Aparatele utilizate sunt caracterizate prin fragilitate și necesită intervenția unui operator calificat, fiind dificilă utilizarea lor cu asistare automată și la bordul unui vehicul. Se cunosc din literatură și aparate cu destinație mobilă, care utilizează amplificarea la rezonanță a oscilațiilor mecanice ale unui rotor, induse de acțiunea gradientului gravitațional asupra unui sistem de mase cu moment cuadrupolar nenul; realizarea acestora prezintă dificultăți tehnice mari, datorită necesităților de rotire fără zgomot de lagăre și extragerii semnalului electric util, foarte coborât ca nivel, de pe sistemul în rotație. Se cunosc gradiometre ce utilizează levitația supraconductoare a sistemului de mase de măsură, acestea având dezavantajele complicației constructive, dimensiunilor de gabarit și masei ridicate, fragilității. Pentru măsurarea gradienților câmpului magnetic, sunt cunoscute și senzori tensionali ce sunt alcătuiți dintr-o bucșă elastică pe care sunt amplasați dipoli rigizi prevăzuți la capete cu mase seismice, astfel construiți încât vibrațiile dipolilor sunt transmise traductoarelor piezoelectrice sau tensorezistive, prin intermediul unor lamele elastice pe ale căror fețe sunt amplasate traductoarele, dezavantajul acestora constă în aceea că semnalele rezultate, ca urmare a vibrării dipolilor, sunt curenți foarte slabi, greu de amplificat și recepționat.

Gradiometrul gravitațional static și dinamic, conform invenției, înlătură dezavantajele de mai sus, prin aceea că este constituit dintr-o carcasă în care sunt dispuse două mase sesizoare de formă cilindrică, din care s-au decupat în mod simetric față de axă câte două sectoare cu bază sfert de disc, carcasa fiind umplută cu un lichid magnetic, ^masele fiind levitate în acesta static prin intermediul unor magneți permanenți pe

RO 115672 B modurile axial și radial, pe modul tangențial levitația fiind asigurată de un sistem de 50 bobine depuse pe armături fixate pe carcasă, aflate longitudinal între cele două mase, bobine comandate de semnalul electric de dezechilibru produs de mișcarea relativă unghiulară a maselor, obținut prin traducerea diferențială a distanței dintre cele două mase mobile prin intermediul armăturilor fixe.

Gradiometrul gravitațional static și dinamic, conform invenției, prezintă urmă- 55 toarele avantaje:

- suspensia și centrarea maselor sesizoare se efectuează prin intermediul levitației magnetofluidice, ceea ce conduce la dispariția frecărilor de lagăr și la introducerea în sistemul de măsură a unei forțe vâscoase fluidice, apropiată de cazul ideal;

- traducerea semnalului util de deplasare în semnal electric se efectuează integral 60 prin metode parametrice, ceea ce permite mărirea în modul a factorului de transfer gradient gravitațional - curent al sensorului;

- traducerea gradientului gravitațional în semnal electric se face prin metode inductive, de impedanță joasă, ceea ce conduce la un raport semnal/zgomot ridicat și simplifică tehnica de măsură; 65

- dispozitivul nu conține părți mecanice în mișcare (deplasările fiind de ordinul micronilor și efectuându-se în fluid], de asemenea nu conține sisteme de antrenare și acționare;

- consumul electric este foarte redus, forța de levitație realizându-se prin magneți permanenți; 70

- parametrii funcționali ai gradiometrului se pot regla în limite largi prin alegerea corespunzătoare a parametrilor electrici și ai fluidului magnetic;

- în cazul funcționării în condiții de microgravitație, se reduce masa magneților permanenți 4 și 5, ceea ce permite realizarea, prin reducerea implicită a câmpurilor reziduale, de sensibilități mai ridicate decât în condiții terestre; se poate, de asemenea, 75 utiliza în locul lichidul magnetic un mediu magnetofluidic cu incluziuni composit, omogen în condiții de microgravitație, ceea ce mărește performanțele electrice ale sistemului;

- dimensiuni de gabarit și masă reduse, care pot fi reglate prin construcție într-o gamă largă, simplitate constructivă și robustețe;

- funcționează în regimuri statice și dinamice, ceea ce permite efectuarea de 80 măsurători de pe orbite circumterestre circulare unde, datorită deplasării cu viteză relativă constantă, perioadele caracteristice ale gradienților gravitaționali au o dispersie mare.

Se dă în continuare un exemplu de realizare a invenției, în legătură și cu fig. 1 ...6, care reprezintă: 85

- fig. 1, o schemă de principiu a unui gradiometru static;

- fig.2, o secțiune axială prin gradiometrul gravitațional static și dinamic;

- fig.3, o secțiune transversală prin gradiometrul gravitațional static și dinamic;

- fig.4, descompunere axială a gradiometrului;

- fig.5, schema electrică de funcționare cu condensatoare; 90

- fig.6, schema electrică de funcționare cu bobine.

Conform invenției, gradiometrul gravitațional static și dinamic este constituit dintro carcasă cilindrică 1 în care sunt dispuse două mase sesizoare 2 de formă cilindrică, din care s-au decupat în mod simetric față de axă câte două sectoare cu baza sfert de disc. Carcasa 1 este umplută în interior cu un lichid magnetic 3. Masele 2 sunt levitate 95 în lichidul magnetic 3 în mod static axial prin intermediul a doi magneți permanenți 4 în formă de coroană,magnetizați axial, dispuși la capetele carcasei, și a unui magnet permanent 5, de asemenea în formă de coroană și magnetizat axial, amplasat între cele

RO 115672 B două mase 2, pe modurile axial și radial. în spațiile axiale dintre cele două mase 2 și 100 fixate de carcasa 1 sunt dipuse armăturile 6, conform fig.3, constituite din câte două elemente conductoare electric izolate între ele în mod rigid în partea mediană, conform fig.2. Pe armăturile 6 sunt dispuse, de exemplu prin metalizarea conform fig.2, a unei folii subțiri izolatoare, pe ambele fețe, bobinele 7. întreg ansamblul este închis ermetic în carcasa 1.

105 Gradiometrul gravitațional static și dinamic, conform invenției, funcționează astfel:

Asupra celor două mase sesizoare 2 acționează, în prezența sau absența vectorului câmp gravitațional, forțe de levitație magnetofluidică produse de cei doi magneți 4 și magnetul 5, în mod cunoscut:

q -p = const · [M V)H unde F/V este forța voîumică, const este o constantă de proporționalitate dată de proprietățile magnetice ale mediului, M este vectorul magnetizație, Peste operatorul nabla, iar H este intensitatea câmpului magnetic. Aceste forțe au rolul de a levita cele 115 două mase 2 în mod axial și radial, ceea ce face ca masele 2 să fie menținute în interiorul carcasei scufundate în lichidul magnetic 3 cu singurul grad de libertate liber, cel de rotație. Prin introducerea în bobinele 7 a unui curent continuu ales în mod adecvat, se creează câmpuri magnetice care vor face ca masele 2 să fie respinse în mod tangențial, în sensuri opuse și două câte două prin intermediul forței magnetofluidice des120 crise prin ecuația de mai sus, de exemplu cu forțe proporționale cu pătratul curentului introdus în bobinele 7. Aceste forțe permit modelarea din punctul de vedere al mecanicii a maselor 2 prin două pendule de torsiune, conform și cu fig.1. Constanta elastică a acestui sistem poate fi reglată prin intermediul curenților introduși în bobinele 7.

Cele patru armături 6 alcătuiesc, conform fig.5, fiecare câte un capacitor electric, 125 a cărui capacitate se măsoară între cele două jumătăți ale fiecărei armături 6, respectiv suprafețele corespondente ale celor două mase sesizoare 2, având ca dielectric fluidul magnetic 3. Capacitatea electrică respectivă poate fi mărită în valoare absolută prin micșorarea distanței dintre armăturile 6 și masele 2, de asemenea prin alegerea unui lichid magnetic cu constantă dielectrică ridicată, în mod cunoscut. Variația relativă a 130 capacității poate fi mărită prin micșorarea distanței dintre armăturile 6 și masele 2, distanța mică fiind avantajoasă și pentru mărirea efectului forței magnetofluidice descrise mai sus.

în cazul în care gradiometrul, conform invenției este introdus într-un câmp gravitațional cu gradient, conform schiței din fig.1, datorită forțelor de atracție diferite 135 care acționează asupra fiecărui lob al maselor sesizoare 2, masele 2 vor efectua mișcări de torsiune, două câte două, în sensuri opuse, unghiurile dintre ele fiind conform fig.1. Aceste mișcări fac ca mărimile capacităților electrice de pe fiecare braț să varieze în mod diferențial, mărimea rezultată 6C fiind proporțională, pentru deplasări mici, cu unghiul ce de torsiune. Semnalul electric obținut prin traducerea parametrică, în mod 140 cunoscut, a mărimii 3C, se introduce după prelucrare și amplificare corespunzătoare, în cele patru bobine 7. Se generează astfel forțe magnetofluidice care, prin mărirea relativă a constantei elastice a sistemului de mase 2, tind să readucă cele două mase 2 în poziția de echilibru inițială. Curentul de readucere a maselor în această poziție este măsură a gradientului gravitațional (diferența âg raportată la distanța dintre centrele de 145 imasă a doi lobi apropiați ai maselor 2],

Claims (4)

1. RO 115672 B

   Prin alegerea corespunzătoare a viscozității fluidului magnetic și a parametrilor pasivi și activi ai circuitului de servoasistare descris, se poate regla în limite largi funcționarea gradiometrului, conform invenției, pentru funcționare fiind date practic doar de disipația termică a bobinelor 7.

   150

   Revendicări

   1. Gradiometru gravitațional static și dinamic, caracterizat prin aceea că este alcătuit dintr-o carcasă cilindrică [1], umplută cu un lichid magnetic [3], în care sunt dispuse două mase sesizoare [2] ce se află în suspensie datorită câmpului magnetic 155 produs de doi magneți [4] în formă de coroană, magnetizați axial, dispuși la capetele carcasei cilindrice [1], și un alt magnet permanent [5] amplasat între cele două mase sesizoare [2).
2. 2. Gradiometru gravitațional, conform revendicării 1, caracterizat prin aceea că masele sesizoare (2) au formă cilindrică și s-au decupat, în mod simetric față de axă, 160 în câte două sectoare cu baza sfert de disc, acestea fiind dispuse astfel încât să reconstituie un cilindru.
3. 3. Gradiometru gravitațional, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizat prin aceea că traducerea deplasării unghiulare relative între cele două mase sesizoare [2] se efectuează prin intermediul armăturilor [6] constituite din câte două elemente conduc- 165 toare electric izolate între ele în mod rigid în partea mediană.
4. 4. Gradiometru gravitațional, conform revendicărilor 1, 2 și 3, caracterizat prin aceea că menținerea prin servoasistare a maselor sesizoare [2) în poziția de zero se efectuează prin intermediul bobinelor [7] realizate solidar cu armăturile (B).

   Președintele comisiei de examinare: ing. Cojocaru Lavinia

   Examinator: fiz. Radu Robert