RU1836645C - Прецизионный вертикальный градиентометр - Google Patents

Abstract

Использование: измерительна  техника , в частности дл  измерени  вертикального градиента ускорени  силы т жести. Сущность: грузы чувствительной системы размещены в вертикальных направл ющих, датчик перемещени  первого груза через усилитель соединен с датчиком силы второго груза. Грузы снабжены устройством, поддерживающим определенное рассто ние по высоте между грузами. Чувствительна  система снабжена акселерометром, Первый груз чувствительной системы снабжен до- пол н ительно двум  задатчиками сил ы, а второй груз-одним задатчиком силы. 1 ил.

Description

сл

с

Изобретение относитс  к измерительной технике, предназначено дл  измерени  вертикального градиента ускорени  силы т жести.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности измерени  вертикального градиента .

На чертеже представлена принципиальна  схема прецизионного вертикального градиентометра.

В его чувствительной системе предусмотрены два груза 1 и 2, установленные в направл ющих 3, 4 корпусов 5 и 6, жестко .св занных штангой 7. Внутренние полости 8 и 9 корпусов 5 и 6 могут заполн тьс  грузом (воздухом) или вакуумироватьс . Груз 1 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещени  10. усилител  11с регулируемым сопротивлением 12 и датчика силы, состо щего из посто нного магнита 13, магнитопровода 14 и обмотки 15. Датчик

перемещени  10 через усилитель 11 и сопротивление 12 соединен с обмоткой 16 дополнительного датчика силы груза 2, состо щего из посто нного магнита 17, маг- нитопровод 18 и обмотки 16. Грузы 1 и 2 снабжены устройством, поддерживающим определенное рассто ние между ними состо щим из датчиков перемещений 19, 20, например, емкостного типа емкостью Cig, Сао, установленных на грузах 1,2, сопротивлений 21, 22 (Rai.. R22J образующих мост, питаемый от источника переменного тока. В измерительной диагонали моста установлен усилитель 23,-соединенный с двигателем 24, который через редуктор (на чертеже не показан ) св зан со стрелкой 25 указател  26. Груз 2 снабжен электрической пружиной в виде датчика перемещени  27, усилител  28 и датчика силы, состо щего из посто нного магнита 17, магнитопровода 18 и обмотки 29, вход которой соединен со

со ы о о

4 СЛ

ы

входом вычислител  30, Вход вычислител  30 соединен с выходом акселерометра 31, установленном на уровне центра масс груза 2 и с осью чувствительности, направленной по направлению силы т жести. Груз 2 снаб- жен дополнительно задатчиком силы в виде обмотки 32, посто нного магнита 17 и маг- нитопровода 18. Груз 1, снабжен дополнительно двум  задатчиками си.лы в виде обмоток 33...34, посхр нного магнита 13 и магнитопровода 14. Обмотки 32,33 подключены к источнику посто нного тока через контакт 35, обмотка 34 подключена к источнику посто нного тока через контакт 36.

В нерабочем состо нии градиентомет- ра грузы 1,2 арретмруютс  в предложенном положении арретирами, не показанными на чертеже.

Ось чувствительности градиентометра в рабочем положении направлена по направ- лениго силы т жести, Грузы 1, 2 могут быть установлены не в направл ющие, а на упру- |ие чувствительные элементы в виде силь- фонов, мембран, пружин и т, п. В этом случае к силам, действующим на грузы 1, 2, добав тс  силы упругости этих упругих элементов- , .-. -..-. ,-... .v

Вместо усилители 11 с регулируемым сопротивлением 12 может использоватьс  усилитель с переменным коэффициентом усилени , управл емым от усилител  23 (до получени  нулевого сигнала с усилител  23).

Дл  уменьшени  трени  при перемеще нии грузов 1, 2 э направл ющих 3, 4, хот  оно может быть снижено до невиданно низкого уровн  {€), грузы 1, 2 могут быть снаб- жены задатчиками переменной силы, обеспечивающих оживление грузов

Дл  демпфировани  колебаний грузов 1, 2 могут быть предусмотрены демпфирующие звень , например, а виде воздушного (газового) демпфера, где поршн ми могут  вл тьс  грузы 1, 2, либо в виде магнитоин- дукционного демпфера и др;

Дл  уменьшени  погрешностей могут быть предусмотрены измерители темпера- туры, позвол ющие учесть вли ние температуры на выходной сигнал, либо может быть предусмотрена термостабилизаци .

,-

Дл  повышени  точности измерени  предлагаемым прецизионным градиентометром еще на несколько пор дков могут быть созданы услови  работы при низких температурах (криогенные системы), где будет использован эффект сверхпроводимо сти проводников,

Прецизионный вертикальный градиентометр работает следующим образом.

На верхний груз 1 действует ускорение силы т жести д, на нижний груз 2 действует ускорение силы т жести:

д0 д + WzzHi,

(1)

5 ю 15

„л - .-

. 30.

35

40

25

где g - ускорение силы т жести на уровне центра масс груза 1,

до - ускорение силы т жести на уровне центра масс груза 2,

Wzz - вертикальный градиент ускорени  силы т жести

Hi - рассто ние между центрами масс грузов 1,2.

Силы веса грузов 1, 2 равны произведению , их масс на g и д0 соответственно.

Сила веса груза 1 уравновешиваетс  силой датчика силы его электрической пружины , т.е. при отклонении груза 1 от его силы веса сигнал с датчика перемещени  10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает на вход обмотки 15 датчика силы, сила которого и уравновешивает силу веса груза 1. Сигнал с датчика перемещени  10 через усилитель 11 и регулируемое сопротивление 12 поступает и на обмотку 16 датчика силы груза 2. Эта последн   сила пропорциональна (или равна) силе веса груза 1 и направлена на уравновешивание силы веса груза 2.

Таким образом к грузу 2 приложена сила веса груза 2, завис ща  от д0 и та (массы груза 2), сила датчика силы груза 2 (обмотка 16, посто нный магнит 17 и магнитопровод 18), завис ща  от g go-WzZHt и rrtf (массы груза 1) и сила датчика силй электрической пружины груза 2 (обмотка 29, посто нный магнит 17, магнитопровод 18, датчик перемещени  27, усилитель 28). Сумма этих 3-х сил в положении равновеси  равна нулю, откуда определ етс  аналитическа  зависимость силы электрической пружины груза 2 от g0, Wzz, HI, mi и гтта:

F2 Ацд0 + AiaWzz, ..

(2).

где F2 - сила электрической пружины груза 2, :. - . . - . .

An, Ai2 - коэффициенты, завис щие от конструктивных параметров градиентометра .

Сигнал, характеризующий величину силы Fa электрической пружины груза 2 со входа обмотки 29 поступает на вход вычислител  30, где по известной аналитической зависимости (алгоритму) и сигналу д0 поступающему в вычислитель 30 с акселерометра 3t, вычисл етс  искомое значение вертикальногоградиента WZz.

В процессе измерени  поддерживаетс  определенное значение Hi с помощью устройства , поддерживающего определенное рассто ние между грузами 1 и 2, т.е. сигнал величины перемещени  груза 2 с датчика перемещени  20 поступает на одно ив плеч

моста Gig, C20, R21. R22, сравниватьс  с величиной сигнала (емкость) датчика перемещени  19 в измерительной диагонали моста усилителем 23, сигнал с которого поступает на двигатель 24, который через редуктор (на чертеже не показан) отрабатывает стрелку 25 по указателю 26. Оператор (или след ща  система, не показанна  на чертеже) регулируемым сопротивлением 12 приводит стрелку 25 в нулевое, т.е. согласованное по- ложение, когда перемещение груза 1 и 2 от исходного положени  равны.

Конструктивные параметры градиентометра подбираютс  так, чтобы в (2) слагаемое от д0, было минимально возможным, а слагаемое от Wzz - максимально возможным . Поскольку в предлагаемом градиентометре д0 измер етс  акселерометром 31 и в вычислителе 30, использу  (2), определ етс  WZz, то исчезает методическа  погрешность от д0, котора  присуща прототипу.

Так как груз 1 снабжен дополнительно двум  задатчиками силы (обмотки 33, 34), и груз 2 снабжен дополнительно задзтчиком силы (обмотка 32), то, использу  метод эталонных сигналов, можно исключить мульти- пликативные погрешности от изменени  Аи и Ач2 (формула 2) при эксплуатации прибора .

А именно: перед началом измерени  грузы 1,2 разарретируютс , по показани м стрелки 25 указател  26 регулируемым со противлением 12 оператор (или след ща  система) устанавливает груз 1 так, чтобы показание указател  26, .т.е. изменение рассто ни  между грузами 1, 2 было равно нулю

Далее измерение производитс  в 3 такта (поддержива  в каждом такте показание указател  26 равным нулю).

1 такт. Контакты 35 и 36 разомкнуты. В вычислитель 30 поступает сигнал, характе- ризующий значение силы F2i:

Ј21 Anao + Ai2Wzz.

(3)

где F21 - значение силы электрической пружины груза 2 при 1-м такте измерени .

2 такт. Контакт 35 разомкнут, контакт 36 замкнут.

В обмотку 34 подаетс  ток, обеспечива- , ющий силу, эквивалентную изменению силы т жести верхнего груза 1 от эталонного сигнала вертикального градиента W. Ниже будет показано аналитическое значение прикладываемой .силы от задатчика силы (обмотка 34). В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы F22 во втором такте.

Ј22 - А11Др + A12(WZZ + Wzza).

(4)

3 такт. Контакт 35 замкнут, контакт 36 разомкнут. А обмотки 32,33 подаютс  токи, обеспечивающие силы, эквивалентные изменению силы т жести верхнего и нижнего груза от эквивалентного ускорени  силы т жести дэ.

В вычислитель 30 поступает сигнал, характеризующий значение силы F23 при третьем такте измерени :

Ј23 АЦ(ЛО-ДЭ) + Ai2Wzz.

(5)

Вычислитель (30) по алгоритму из (3)-{5) вычисл ет Wzz. При этом мультипликативна  погрешность от изменени  Аи и Ai2 исключаетс , т.е. точность измерени  в сравнении с прототипом повышаетс .

Покажем это аналитически.

Дл  прототипа момент, приложенный к коромыслу, имеет вид:

М Аид + Ai2Wzz,(6)

где Ац I2m2-limi.

А12 12ГП2Н,

М - момент, приложенный к коромыслу от веса грузов (т.е. от g т Wzz),

It,l2 - плечи коромысла, на которых прикладываютс  силы веса верхнего и нижнего грузов соответственно,

ггм, гп2 - массы верхнего и нижнего грузов ,

g - ускорение силы т жести, действующее на уровне верхнего груза.

Н - рассто ние по высоте между грузами ,

Wzz - фактическое абсолютное значение вертикального градиента.

Из (6) имеем

M-(hm2

limi )g

12ГП2Н

(7)

При полевых измерени х относительных значений Wzz прибором-прототипом (2, стр. 257, 2-й абзац снизу) вдоль двух профилей длиной 65 метров средн   квадратиче- ска  погрешность измерени  разности

вертикального градиента дл  двух испытываемых приборов составила 8-9 Э. Относительные значени  Wzz вдоль профилей 65 м едва ли составл ли дес тки Этвеш и, таким образом, относительна  погрешность измерени  прототипа составл ла сотни процентов .

Дл  исследовани  возможностей предлагаемого прецизионного градиентометра представим аналитические соотношени , характеризующие его работу.

Имеем

F2 AnQo + Ai2Wzz, где An rri2-nmi, A2 nmi Hi, n kC2/kc1,

kC2, kci - коэффициенты крутизны датчиков силы грузов 2 и 1 соответственно (обмотки 16 и 15 со своими магнитными системами соответственно).

Коэффициент n говорит о возможности увеличени  Ai2 только за счет увеличени  массы одного из грузов (в данном случае груза 2). .

Из (2) имеет

F2 -Aig0

А12

(9)

Как сказано выше мультипликативные погрешности от изменени  Аи и А12 исключаютс  применением метода эталонных сигналов .

Эталонное значение Wzza 2-го такта измерени  (формула 4), обеспечиваетс  заданием силы РЭ1 равной:

РЭ1 - miHiWZz9,

(Ю)

где РЭ1 - сила, приложенна  к грузу 1 через обмотку 34. Знак (-) соответствует приложению силы по направлению вверх, если за положительное направление прин то направление силы т жести.

Эталонное значение дэ 3-го такта измерени  (формула 5) обеспечиваетс  заданием сил Рэ2 и РэЗ равными:

Рэ2 -пщдэ,

}

(11)

РЭЗ - гп2дэ где Рэ2 сила, приложенна  к грузу 1 через обмотку 33,

РэЗ - сила, приложенна  к грузу 2 через обмотку 32.

Знак (-) соответствует приложению этих сил в направлении вверх, если за положительное направление прин то направление Силы т жести.

Из (10) и (11) имеем

WZZ3 Fsi

miHi

дэ -- или дэ - z3

0

5.

mi Из (3) и (4) имеем

ГП2

А12

Ац

Р22 р21

VW

F21 F23

дэ

(12) 03)

(14) (15)

И под (9) с использованием (14), (15)опреде- л етс  Wzz (при этом F2 F2i).

Claims (1)

1. Формула из обретени  Прецизионный вертикальный градиентометр , содержащий размещенную в корпусе чувствительную систему из двух грузов, расположенных на разных высотах, преобразователь и регистрирующую систему, о т- л и ч а ю щи и с   тем, что, с целью повышени  точности измерений, каждый груз чувствительной системы размещен в отдельном корпусе в вертикальных направл ющих, при этом оба груза жестко св заны штангой, снабженной устройством дл  поддержани  заданного рассто ни  между грузами, преобразователь выполнен в виде двух систем, каждой из которых снабжен груз, при этом кажда  система исключает датчик перемещений , усилитель с регулируемым сопротивлением и датчик силы, преобразователь содержит три дополнительных задатчика силы, двум  из которых снабжен первый груз, а одной - второй груз, при этом датчик перемещений первого груза через усилитель и регулируемое сопротивление соединен с датчиком силы второго груза, выход которого соединен с регистрирующей системой , выполненной в виде вычислител , второй вход которого соединен с выходом акселерометра, установленного на уровне центра масс второго груза, причем ось чувствительности акселерометра совпадает с направлением силы т жести.