RU109572U1

RU109572U1 - DEVICE FOR MEASURING A GRAVITATIONAL CONSTANT

Info

Publication number: RU109572U1
Application number: RU2011112435/28U
Authority: RU
Inventors: Олег Всеволодович Карагиоз; Валерий Петрович Измайлов; Владимир Михайлович Шахпаронов
Original assignee: Олег Всеволодович Карагиоз
Priority date: 2011-04-01
Filing date: 2011-04-01
Publication date: 2011-10-20

Abstract

Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержащее установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периодов и амплитуд колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух шаровых грузов на его концах, укрепленного к нижнему концу металлической упругой нити, притягивающие массы, размещенные на линии равновесия рабочего тела на одном из установочных отверстий неподвижных линеек на различных расстояниях от грузов коромысла, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, проведения длительных непрерывных измерений с цилиндрическими притягивающими массами, уменьшения их погрешности, устранения дестабилизирующих факторов, связанных с присутствием оператора, цилиндрические массы имеют дополнительные центрирующие цилиндры, обеспечивающие их точную посадку на фиксирующие отверстия неподвижных линеек. A device for measuring the gravitational constant, containing torsion scales mounted on a common base in a vacuum chamber, a system for measuring periods and amplitudes of oscillations, optically coupled to a mirror mounted on the working body of the balance, consisting of a beam and two ball weights at its ends, mounted to the lower end elastic metal yarns, attracting masses placed on the balance line of the working fluid at one of the mounting holes of the fixed rulers at different distances from the rocker arms, In order to expand the functionality of the device, to take continuous continuous measurements with cylindrical attracting masses, to reduce their error, to eliminate the destabilizing factors associated with the presence of the operator, the cylindrical masses have additional centering cylinders ensuring their exact fit on the fixing holes of the fixed rulers .

Description

Техническое решение относится к области метрологии, а именно, к измерению гравитационной постоянной размещенными в вакуумной камере крутильными весами.The technical solution relates to the field of metrology, namely, to the measurement of the gravitational constant by torsion scales placed in a vacuum chamber.

Известна установка для измерения гравитационной постоянной [1] (а.с. СССР №492837, G01V 7/00, 1974 г.), содержащая установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух сосредоточенных шаровых масс на его концах и подвешенном на металлической упругой нити, шаровую притягивающую массу, размещенную в узле фиксации на линии равновесия рабочего тела на различных расстояниях от грузов коромысла.A known installation for measuring the gravitational constant [1] (USSR AS No. 492837, G01V 7/00, 1974), containing torsion scales mounted on a common base in a vacuum chamber, a system for measuring the period and amplitude of oscillations, optically coupled to a mirror mounted on the working body of the balance, consisting of a rocker arm and two concentrated ball masses at its ends and suspended on a metal elastic thread, a ball attracting mass placed in the fixation unit on the balance line of the working fluid at different distances from the rocker loads.

Недостаток такой установки заключается в том, что периоды колебаний весов, соответствующие различным позициям притягивающей массы, отклоняются от нормального значения из-за низкочастотного дрейфа положения равновесия и периода колебаний весов. Он обусловлен, прежде всего, влиянием микросейсм, амплитудные и частотные характеристики которых изменяются во времени. Дрейф вызывают и температурные флуктуации, однако влияние последних ослабляют термостатированием весов. Практически невозможно полностью избавиться от дестабилизирующего влияния микросейсм. Выбор оптимального соотношения геометрических параметров весов, гашение качаний магнитным демпфером, проведение измерений в ночное время и прочие меры лишь частично устраняют их влияние. Искажение периодов колебаний весов микросейсмами приводит к смещению значения гравитационной постоянной.The disadvantage of this setup is that the periods of oscillation of the scales corresponding to different positions of the attracting mass deviate from the normal value due to the low-frequency drift of the equilibrium position and the period of oscillation of the balance. It is caused, first of all, by the influence of microseisms, the amplitude and frequency characteristics of which vary with time. Temperature fluctuations also cause a drift, but the influence of the latter is weakened by thermostating of the balance. It is almost impossible to completely get rid of the destabilizing effect of microseisms. Choosing the optimal ratio of the geometric parameters of the balance, damping the swings with a magnetic damper, taking measurements at night and other measures only partially eliminate their influence. Distortion of periods of oscillation of weights by microseisms leads to a shift in the value of the gravitational constant.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому объекту является устройство для измерения гравитационной постоянной [2] (Патент №79342. Устройство для измерения гравитационной постоянной. / Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Шахпаронов В.М., Ионова Л.П., Ковалев Е.И. - Приоритет полезной модели 31.07.08.). Оно содержит установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух сосредоточенных масс на его концах и подвешенном на металлической упругой нити, шаровую притягивающую массу, размещенную на линии равновесия рабочего тела на одном из установочных отверстий неподвижной линейки узла фиксации на различных расстояниях от грузов коромысла.The closest in its technical essence to the claimed object is a device for measuring the gravitational constant [2] (Patent No. 79342. Device for measuring the gravitational constant. / Karagosiya OV, Izmailov VP, Shakhparonov VM, Ionova L. .P., Kovalev EI - Priority of utility model 07/31/08.). It contains a torsion balance mounted on a common base in a vacuum chamber, a system for measuring the period and amplitude of oscillations, optically coupled to a mirror mounted on the working body of the balance, consisting of a rocker arm and two concentrated masses at its ends and suspended on a metal elastic thread, a ball attracting mass placed on the equilibrium line of the working fluid at one of the mounting holes of the fixed ruler of the fixation unit at various distances from the rocker arms.

Недостаток такого устройства заключается в том, что оно не предусматривает замену шаровой притягивающей массы на цилиндрическую, что ограничивает его возможности.The disadvantage of this device is that it does not provide for the replacement of the ball attracting mass by a cylindrical one, which limits its capabilities.

Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для перемещения и фиксации притягивающей массы. Рассматривается вариант с цилиндрической массой с вертикальной осью. Несущественное усложнение конструкции устройства обеспечивает перемещение и четкую фиксацию цилиндрической массы.The aim of this invention is to expand the functionality of the device for moving and fixing the attracting mass. A variant with a cylindrical mass with a vertical axis is considered. A slight complication of the design of the device provides movement and a clear fixation of the cylindrical mass.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено дополнительным центрирующим цилиндром, укрепленным по центру к нижней плоскости цилиндрической притягивающей массы. Он обеспечивает точную посадку на круглые отверстия неподвижной линейки. Перемещение такой массы с одного отверстия на другое осуществляется по-прежнему с помощью дополнительной линейки и электропривода. Устройство обеспечивают фиксацию масс на заданных позициях и изменение направления перемещения после измерений в крайних позициях. Время, затрачиваемое на перемещение на новую позицию и измерения на ней, составляет два полных периода колебаний весов. Первая половина периода искажена процессом перемещения притягивающих масс, оставшиеся полтора периода позволяют рассчитать периоды, амплитуды колебаний и гравитационную постоянную. При трехпозиционной схеме притягивающие массы фиксируются в одной промежуточной позиции, при четырехпозиционной - в двух. Наличие двух идентичных узлов, расположенных с разных сторон от крутильных весов, обеспечивает измерения с двумя равными по величине притягивающими массами.This goal is achieved by the fact that the proposed device is equipped with an additional centering cylinder, mounted centrally to the lower plane of the cylindrical attractive mass. It provides an exact fit on the round holes of a fixed ruler. Moving such a mass from one hole to another is still carried out using an additional ruler and electric drive. The device provides a fixation of masses at predetermined positions and a change in the direction of movement after measurements in extreme positions. The time spent moving to a new position and measuring it is two full periods of oscillation of the balance. The first half of the period is distorted by the process of moving attracting masses, the remaining one and a half periods allow us to calculate periods, vibration amplitudes, and the gravitational constant. In the three-position scheme, the attracting masses are fixed in one intermediate position, in the four-position scheme - in two. The presence of two identical nodes located on opposite sides of the torsion balance provides measurements with two equally attractive masses.

Отличительные признаки заявляемого устройства не имеют сходных признаков в известных решениях и являются полностью новыми, существенными для реализации данного устройства и достижения поставленной цели.Distinctive features of the claimed device do not have similar features in known solutions and are completely new, essential for the implementation of this device and achieve this goal.

Циклическое перемещение притягивающих масс в обоих направлениях способствует уменьшению погрешностей измерений, обусловленных воздействием микросейсм на точку подвеса крутильных весов. Возможность достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения ясна из вышесказанного и подтверждается результатами проведенных измерений гравитационной постоянной.The cyclic movement of attracting masses in both directions reduces the measurement errors due to the effect of microseisms on the suspension point of the torsion balance. The possibility of achieving a positive effect during the implementation of the invention is clear from the foregoing and is confirmed by the results of measurements of the gravitational constant.

Устройство поясняется чертежом (фиг.), где 1 - корпус вакуумной камеры, 2 - вспомогательная нить, 3 - бесконтактный магнитный подшипник, 4 - магнитный демпфер, 5 - крутильная нить весов, 6 - коромысло весов, 7 - шаровые грузы коромысла, 8 - отражающее зеркало весов, 9 - антенна для термомеханической обработки нити подвеса, 10 - магнитный экран, 11 - цилиндрические притягивающие массы, 12 - центрирующие цилиндры, 13 - узлы для перемещения и фиксации притягивающих масс, 14 - платформа для крепления установки, 15 - источник света, 16 - фотоприемники, 17 - компаратор, 18 - компьютер.The device is illustrated in the drawing (Fig.), Where 1 is the housing of the vacuum chamber, 2 is the auxiliary thread, 3 is the contactless magnetic bearing, 4 is the magnetic damper, 5 is the torsion thread of the balance, 6 is the balance beam, 7 is the ball load of the beam, 8 - reflecting mirror of the balance, 9 - antenna for thermomechanical processing of the suspension thread, 10 - magnetic screen, 11 - cylindrical attracting masses, 12 - centering cylinders, 13 - nodes for moving and fixing the attracting masses, 14 - platform for mounting the unit, 15 - light source , 16 - photodetectors, 17 - comparator, 18 - to computer.

Устройство работает следующим образом. Внутри вакуумной камеры 1 размещают крутильные весы, в которых на вспомогательной нити 2 крепится бесконтактный магнитный подшипник 3, обеспечивающий поворот системы по азимуту, а также магнитный демпфер 4. В нем между полюсами магнитов расположен круглый диск, изготовленный из немагнитного материала с высокой проводимостью. Верхний конец крутильной нити весов 5 соединен с телом демпфера, а к ее нижнему концу крепится рабочее тело весов, включающее коромысло 6 с шаровыми грузами 7 на концах и отражающее зеркало 8. При термомеханической обработке нити подвеса протекание тока высокой частоты величиной порядка 5 МГц обеспечивает антенна 9 через емкость между ее поверхностью и подвешенным к нити 5 телом весов. Магнитный экран 10, изготовленный из высококачественных марок пермаллоя, в значительной мере защищают весы от воздействия магнитных полей, устраняет возможное магнитное взаимодействие притягивающих масс с телом весов. Цилиндрические притягивающие массы 11 фиксируются на круглых отверстиях узлов 12 с помощью дополнительных цилиндрических наконечников 13. Узлы 12, устанавливаемые на жесткой платформе 14, содержит дополнительную линейку для подхвата и перемещения притягивающей массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее с помощью электропривода. Источник света 15 направляет на зеркало весов 8 через стеклянное окно камеры 1 луч света, который после отражения от зеркала выходит обратно и проходит мимо двух фотоприемников 16. Колоколообразные импульсы с фотодиодов 16 подаются на компаратор 17. При определенной амплитуде компаратор опрокидывается. Его сигналы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 18, который завершает при этом измерение интервала времени, фиксирует его и начинает измерение нового. Последний восьмой интервал компьютер привязывает к реальному времени. После окончания измерений на данной позиции компьютер формирует сигнал на включение электропривода и задает время, в течение которого он не может быть выключен. Выключение двигателей осуществляется кнопочными выключателями после окончания заданного в программе времени и возвращения узлов перемещения в первоначальное положение. Для предотвращения аварийной ситуации в случае сбоя в системе управления предусмотрены кнопочные выключатели, обесточивающие привод до сброса притягивающих масс с узлов фиксации.The device operates as follows. Inside the vacuum chamber 1, a torsion balance is placed in which a non-contact magnetic bearing 3 is mounted on the auxiliary thread 2, which ensures the rotation of the system in azimuth, as well as a magnetic damper 4. A circular disk made of non-magnetic material with high conductivity is located between the poles of the magnets. The upper end of the torsion thread of the balance 5 is connected to the damper body, and the working body of the balance is attached to its lower end, including the beam 6 with ball weights 7 at the ends and a reflecting mirror 8. During thermomechanical processing of the suspension thread, a high-frequency current of about 5 MHz flows through the antenna 9 through a container between its surface and a weighing body suspended from a thread 5. The magnetic screen 10, made of high-quality permalloy grades, significantly protects the balance from exposure to magnetic fields, eliminates the possible magnetic interaction of attracting masses with the body of the balance. The cylindrical attracting masses 11 are fixed on the round holes of the nodes 12 with the help of additional cylindrical tips 13. The nodes 12 mounted on a rigid platform 14 contain an additional ruler for picking up and moving the attracting mass from one hole of the fixed ruler to the neighboring one using an electric drive. The light source 15 directs a beam of light to the balance of the scales 8 through the glass window of the camera 1, which, after reflection from the mirror, goes back and passes by two photodetectors 16. The bell-shaped pulses from the photodiodes 16 are fed to the comparator 17. At a certain amplitude, the comparator capsizes. Its signals with steep fronts arrive at the input port of the computer 18, which completes the measurement of the time interval, fixes it and starts measuring a new one. The computer binds the last eighth interval to real time. After completing measurements at this position, the computer generates a signal to turn on the electric drive and sets the time during which it cannot be turned off. The engines are switched off by push-button switches after the end of the time specified in the program and the return of the displacement units to their original position. To prevent an emergency in the event of a malfunction, push-button switches are provided in the control system to de-energize the drive until the attracting masses are reset from the fixing units.

Предлагаемое устройство было проверено на размещенных в вакуумной камере крутильных весах. Использовались латунные притягивающие массы диаметром 100 мм и высотой 100 мм. Фиксирующие узлы имели 10 круглых отверстий диаметром 13 мм. При размещении притягивающих масс на первой ближней к весам позиции проводилась юстировка по азимуту, при которой весы сохраняли положение равновесия. Затем массы перемещались на другую позицию, где вновь проверялось сохранение положения равновесия. При расчетах реальная система заменялась на модельную, которая обеспечена математическим и программным обеспечением. В ней цилиндрические притягивающие массы заменялись на шаровые. Проводились расчеты моментов притяжения в реальной и модельной системах. Моменты притяжения в модельной системе уравнивались с реальными за счет изменения расстояния от оси вращения. При этом шаровые массы на любой позиции располагались на более далеких расстояниях. Затем расчеты проводились как по аналитическим формулам с учетом членов при пятой степени амплитуды колебаний, так и непосредственно по системе двух дифференциальных уравнений. Во всех вариантах обеспечивалось устойчивое измерение гравитационной постоянной.The proposed device was tested on a torsion balance placed in a vacuum chamber. Brass attracting masses with a diameter of 100 mm and a height of 100 mm were used. The locking units had 10 round holes with a diameter of 13 mm. When placing the attracting masses at the first position closest to the balance, an azimuth adjustment was carried out at which the balance maintained its equilibrium position. Then the masses moved to another position, where the preservation of the equilibrium position was again checked. In the calculations, the real system was replaced by a model system, which is provided with mathematical and software. In it, cylindrical attractive masses were replaced by spherical ones. The moments of attraction were calculated in real and model systems. The moments of attraction in the model system were equalized with real ones due to changes in the distance from the axis of rotation. Moreover, the ball masses at any position were located at more distant distances. Then the calculations were carried out both according to analytical formulas taking into account the terms at the fifth degree of the oscillation amplitude, and directly according to the system of two differential equations. In all cases, a stable measurement of the gravitational constant was provided.

Claims

A device for measuring the gravitational constant, containing torsion scales mounted on a common base in a vacuum chamber, a system for measuring periods and amplitudes of oscillations, optically coupled to a mirror mounted on the working body of the balance, consisting of a beam and two ball weights at its ends, mounted to the lower end elastic metal yarns, attracting masses placed on the balance line of the working fluid at one of the mounting holes of the fixed rulers at different distances from the rocker arms, In order to expand the functionality of the device, to take continuous continuous measurements with cylindrical attracting masses, to reduce their error, to eliminate the destabilizing factors associated with the presence of the operator, the cylindrical masses have additional centering cylinders ensuring their exact fit on the fixing holes of the fixed rulers .