RU2037163C1 - Gravity vertical gradient and acceleration meter - Google Patents
Gravity vertical gradient and acceleration meter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2037163C1 RU2037163C1 SU4828799A RU2037163C1 RU 2037163 C1 RU2037163 C1 RU 2037163C1 SU 4828799 A SU4828799 A SU 4828799A RU 2037163 C1 RU2037163 C1 RU 2037163C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- load
- meter
- output
- displacement
- sensitive system
- Prior art date
Links
Landscapes
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для измерения вертикального градиента ускорения силы тяжести Wzz и ускорения силы тяжести g.The invention relates to measuring technique, designed to measure the vertical gradient of the acceleration of gravity W zz and acceleration of gravity g.
Известен вертикальный гравитационный градиентометр 1, содержащий вакуумированный корпус с размещенными в нем массами, усилитель, регистратор, подставку. Known vertical gravitational gradiometer 1, containing a vacuum housing with masses placed in it, an amplifier, a recorder, stand.
Недостатком этого градиентометра является то, что его чувствительность к измеряемому градиенту практически равна нулю, так как их перемещение практически будет происходить по одному и тому же известному закону. The disadvantage of this gradiometer is that its sensitivity to the measured gradient is practically zero, since their movement will practically occur according to the same known law.
Известен вертикальный градиентометр, содержащий чувствительную систему из коромысел, двух грузов, расположенных на разных высотах, и пружин, который принимаем за прототип. Known vertical gradiometer containing a sensitive system of rockers, two loads located at different heights, and springs, which is taken as a prototype.
Недостатком этого градиентометра является то, что этому градиентометру присущи значительные методические погрешности от ускорения силы тяжести g, так как компенсация влияния g на выходной сигнал градиентометра осуществляется за счет "жестких" допусков на конструктивные параметры измерителя и весьма точной его "настройкой" (юстировкой). The disadvantage of this gradiometer is that this gradiometer has significant methodological errors from the acceleration of gravity g, since the influence of g on the output signal of the gradiometer is compensated for due to “tight” tolerances on the design parameters of the meter and its very “fine tuning” (adjustment).
Например, для измерения Wzz с точностью до IЭ требуется Δm/m
Δ m разность масс грузов
Это в настоящее время нереализуемо.For example, to measure W zz accurate to IE, Δm / m is required
Δ m cargo mass difference
This is currently unrealizable.
Недостатком этого градиентометра является также наличие методической и инстpументальной погрешности из-за несбалансированности коромысла. Кроме того этот градиентометр не может выдавать сигнал ускорения силы тяжести. The disadvantage of this gradiometer is also the presence of methodological and instrumental errors due to the imbalance of the rocker arm. In addition, this gradiometer cannot provide a gravity acceleration signal.
Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения вертикального градиента и возможности измерения ускорения силы тяжести. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring the vertical gradient and the ability to measure the acceleration of gravity.
Для достижения указанной цели чувствительная система содержит только один груз, который помещен в блок, снабженный устройством перемены мест по высоте, груз снабжен указателем перемещения, датчиком силы и подвешен в блоке на направляющих пружинах и винтовой пружине, снабженной устройством перемещения по вертикали ее верхнего конца. To achieve this goal, the sensitive system contains only one load, which is placed in a unit equipped with a device for changing places in height, the load is equipped with a displacement indicator, a force sensor and is suspended in the unit on guide springs and a coil spring equipped with a device for moving vertically its upper end.
В результате в предлагаемом измерителе на разных высотах производится уравновешивание одного и того же груза с помощью указателя перемещения груза одними и теми же датчиком силы и механическими пружинами, чем исключается методическая погрешность от g. Наличие устройства перемещения по вертикали верхнего конца винтовой пружины повышает точность установки груза в нулевом (или другом исходном) положении, что также повышает точность измерения. As a result, in the proposed meter at different heights the balancing of the same load is carried out using the pointer moving the load with the same force sensor and mechanical springs, which eliminates the methodological error from g. The presence of a device for moving vertically the upper end of the coil spring increases the accuracy of the load in the zero (or other initial) position, which also increases the accuracy of the measurement.
Так как вместо коромысла груз снабжен датчиком силы и подвешен на механических пружинах, то "исчезает" методическая и инструментальная погрешность в сравнении с прототипом от несбалансированности коромысла. Since instead of the beam, the load is equipped with a force sensor and suspended on mechanical springs, the methodological and instrumental error "disappears" in comparison with the prototype from the unbalance of the beam.
Кроме того, так как груз уравновешивается датчиком силы и механическими пружинами, то измеритель может "работать" как гравиметр, т.е. получен "дополнительный" (попутный) положительный эффект возможность измерения g. In addition, since the load is balanced by a force sensor and mechanical springs, the meter can "work" like a gravimeter, i.e. "additional" (incidental) positive effect is obtained; the ability to measure g.
Таким образом, предлагаемый измеритель в сравнении с прототипом имеет более высокую точность измерения вертикального градиента и измеряет ускорение силы тяжести. Thus, the proposed meter in comparison with the prototype has a higher accuracy of measuring the vertical gradient and measures the acceleration of gravity.
Заявителю и автору не известны технические решения с отличительными признаками предлагаемого технического решения, поэтому оно соответствует критерию "новизны". The applicant and the author are not aware of technical solutions with the hallmarks of the proposed technical solution, therefore it meets the criterion of "novelty."
Указанные признаки в предложенном измерителе обеспечивают достижение нового свойства, а именно повышение точности измерения вертикального градиента и возможность измерения ускорения силы тяжести, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного решения критерию "существенные отличия". These features in the proposed meter ensure the achievement of a new property, namely increasing the accuracy of measuring the vertical gradient and the ability to measure the acceleration of gravity, which allows us to conclude that the proposed solution meets the criterion of "significant differences".
На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого измерителя вертикального градиента и ускорения силы тяжести. The drawing shows a schematic diagram of the proposed meter vertical gradient and acceleration of gravity.
Его чувствительная система содержит только один груз, например, в виде постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсного наконечника 3 и опор 4, 5 подвешенного в корпусе блока 6 с помощью направляющих пружин, например, в виде упругих пластин 7, 8 и винтовой пружины 9, снабженной устройством перемещения по вертикали ее верхнего конца, например, в виде микрометрического винта (не показано). Груз снабжен датчиком перемещения 10, например, индуктивным (или емкостным) или растровым фотоэлектрическим первичным преобразователем с разрешающей способностью, равной десятым долям микрона. Выход датчика перемещения 10 соединен с указателем перемещения 11, например, в виде вольтметра в случае индуктивного датчика перемещения. Груз снабжен датчиком силы в виде постоянного магнита 1, магнитопровода 2, полюсного наконечника 3 и обмотки 12. Обмотка 12 подключена к источнику постоянного тока 13 через устройство изменения величины питающего тока (или напряжения) например, в виде перемещенного сопротивления 14. Its sensitive system contains only one load, for example, in the form of a permanent magnet 1, magnetic core 2, pole piece 3 and supports 4, 5 suspended in the housing of the block 6 using guide springs, for example, in the form of elastic plates 7, 8 and a coil spring 9 equipped with a device for moving vertically its upper end, for example, in the form of a micrometer screw (not shown). The load is equipped with a displacement sensor 10, for example, an inductive (or capacitive) or raster photoelectric primary converter with a resolution equal to tenths of a micron. The output of the displacement sensor 10 is connected to the displacement indicator 11, for example, in the form of a voltmeter in the case of an inductive displacement sensor. The load is equipped with a force sensor in the form of a permanent magnet 1, magnetic circuit 2, pole piece 3 and winding 12. The winding 12 is connected to a constant current source 13 through a device for changing the magnitude of the supply current (or voltage), for example, in the form of a displaced resistance 14.
Корпус блока 6 цапфой 15 с помощью опоры 16 (опора может быть и скользящей) установлен в штангу 17 устройства перемены мест блока по высоте, штанга 17 которого с помощью цапфы 18 и опоры 19 установлена на подставке 20. На штанге 17 предусмотрен противовес 21 (для уравновешивания блока). The block housing 6 with a pin 15 using a support 16 (the support can be sliding) is installed in the rod 17 of the device for changing the position of the block in height, the rod 17 of which, with the help of the pin 18 and the support 19, is mounted on the stand 20. A counterweight 21 is provided on the rod 17 (for balancing block).
Поворотом штанги 17 корпус блока 6 может изменять свое положение по высоте. Предусмотрены арретиры (не показаны) для арретирования штанги 17 с корпусом блока в верхнем и нижнем положении. By turning the rod 17, the housing of the block 6 can change its position in height. Cages (not shown) are provided for arresting the rod 17 with the block body in the upper and lower position.
Датчик перемещения 10 при изготовлении (сборке) прибора устанавливается в нулевое положение (нулевое показание указателя перемещения 11) при горизонтальном (не деформированном) положении упругих пластин 7, 8. The displacement sensor 10 in the manufacture (assembly) of the device is set to the zero position (zero indication of the displacement indicator 11) with the horizontal (not deformed) position of the elastic plates 7, 8.
Для обеспечения малой (и даже отрицательной за счет наличия пружины) жесткости упругих пластин 7, 8 может устанавливаться пружина 22, прикладывающая через груз продольную силу к упругим пластинам 7, 8. Для приложения продольной силы может предусматриваться также магнитоэлектрический датчик силы и т.п. In order to ensure low (and even negative due to the presence of a spring) stiffness of the elastic plates 7, 8, a spring 22 can be installed, applying a longitudinal force through the load to the elastic plates 7, 8. A magnetoelectric force sensor, etc. can also be provided for applying a longitudinal force.
В рабочем положении измерителя ось чувствительности блока (ось симметрии груза) располагается по направлению силы тяжести. Предусмотрены арретиры (не показаны) для арретирования корпуса блока 6 на штанге 17 в рабочем положении. In the working position of the meter, the sensitivity axis of the block (the axis of symmetry of the load) is located in the direction of gravity. Cages (not shown) are provided for arresting the casing of the block 6 on the rod 17 in the working position.
Корпус блока 6 герметизируется и может вакуумироваться. Для затухания колебаний груза предусматривается демпфирование (например, за счет соответствующих зазоров между магнитопроводом 2, наконечником 3 и каркасом 23 обмотки 12 в случае невакуумированного корпуса 6. The block casing 6 is sealed and can be evacuated. To attenuate the oscillations of the load, damping is provided (for example, due to the corresponding gaps between the magnetic circuit 2, the tip 3 and the frame 23 of the winding 12 in the case of an non-vacuum case 6.
Вместо направляющих пружин 7, 8 может предусматриваться и другой способ центрирования (магнитоэлектрическое направление). Instead of guide springs 7, 8, another centering method (magnetoelectric direction) may be provided.
В рассматриваемом примере принципиальной схемы измерителя в качестве груза используется постоянный магнит с магнитопроводом, а можно наоборот магнитопровод с магнитом закрепить на корпусе неподвижно, а в качестве груза подвесить каркас 23 с обмоткой 12 датчика силы. In the considered example of the schematic diagram of the meter, a permanent magnet with a magnetic circuit is used as a load, but on the contrary, a magnetic circuit with a magnet can be fixed to the housing motionless, and the frame 23 with a winding 12 of the force sensor can be suspended as a load.
Предлагаемый измеритель работает следующим образом. The proposed meter works as follows.
Определение измеряемой величины производится известным алгоpитмическим методом в два такта измерения. The measurement is determined by the well-known algorithmic method in two measurement steps.
1-ый такт. Корпус блока 6 с чувствительной системой установлен в верхнее положение. 1st beat. The case of the block 6 with the sensitive system is installed in the upper position.
Изменением величины питающего напряжения обмотки 12 датчика силы сопротивления 14 устанавливается нулевое показание указателя перемещения 11. Окончательная установка нулевого показания может производиться перемещением верхнего конца пружины 9 микрометрическим винтом (не показан). By changing the magnitude of the supply voltage of the winding 12 of the resistance force sensor 14, the zero indication of the displacement indicator 11 is set. The final zero value can be set by moving the upper end of the spring 9 with a micrometer screw (not shown).
Можно устанавливать показания указателя 11 и не нуль, а какое-то определенное значение, соответствующее определенному значению Wzz, например 2000 9, а в дальнейшем это учитывать.You can set the readings of the pointer 11 and not zero, but some specific value corresponding to a certain value of W zz , for example 2000 9, and this should be taken into account in the future.
В результате сила тяжести груза уравновешивается силой датчика (обмотка 12) силы и силами механических пружин
mg Fдс + С1Z + C2S, (1) где m масса груза,
g ускорение силы тяжести на уровне центра тяжести груза в верхнем положении,
Fдс сила датчика силы
С1 суммарная жесткость упругих пластин 7, 8
С2 жесткость винтовой пружины 9,
Z отклонение груза от расчетного нулевого положения груза (т.е. отклонение от "идеального нуля" по указателю 11),
S величина растяжения пружины 9.As a result, the gravity of the load is balanced by the force of the sensor (winding 12) and the forces of mechanical springs
mg F ds + C 1 Z + C 2 S, (1) where m is the mass of the cargo,
g acceleration of gravity at the center of gravity of the load in the upper position,
F ds force sensor force
C 1 the total stiffness of the elastic plates 7, 8
With 2 stiffness of coil spring 9,
Z the deviation of the cargo from the calculated zero position of the cargo (ie the deviation from the "ideal zero" according to index 11),
S is the amount of tensile spring 9.
Fдс Bli, (2) где В магнитная индукция в зазоре между полюсным наконечником 5 и магнитопроводом 2,
l длина проводника обмотки 12,
i ток в обмотке 12.F ds Bli, (2) where B is the magnetic induction in the gap between the pole piece 5 and the magnetic circuit 2,
l the length of the conductor of the winding 12,
i winding current 12.
2-ой такт. Корпус блока 6 устанавливается в нижнее положение. В результате имеем
m(g + WzzH) Fдс+ С1(Z + ΔZ) + C2(S + Δ Z), (3) где Wzz вертикальный градиент,
Н расстояние между центрами масс груза в верхнем и нижнем положении,
Δ Z величина отклонения груза от "нулевого" положения 1-го такта и является выходным сигналом измерителя.2nd beat. Block housing 6 is installed in the lower position. As a result, we have
m (g + W zz H) F ds + C 1 (Z + ΔZ) + C 2 (S + Δ Z), (3) where W zz is the vertical gradient,
H the distance between the centers of mass of the load in the upper and lower position,
Δ Z is the value of the deviation of the cargo from the "zero" position of the 1st step and is the output signal of the meter.
Так как за время двух тактов измерения B, l, i не изменены, то из (1)-(3) имеем
mWzzH (C1 + C2) Δ Z (4)
и
ΔZ 
С С1 + С2 откуда погрешность входного сигнала, т.е. относительная погрешность измерения равна:
η 
Методическая погрешность от g и от неурановешенности коромысла отсутствует в сравнении с прототипом требования Δ m/m 10-11 и другие, т.е. точность измерения Wzz повысилась, и прибор в отличие от прототипа при точности не хуже IЭ, вполне возможно реализовать (т.е. создать) при современном уровне техники.Since the measurements of B, l, i have not been changed during two clock cycles, from (1) - (3) we have
mW zz H (C 1 + C 2 ) Δ Z (4)
and
ΔZ
C C 1 + C 2 from where the error of the input signal, i.e. relative measurement error is equal to:
η
The methodological error from g and from the unbalance of the rocker arm is absent in comparison with the prototype requirements Δ m / m 10 -11 and others, i.e. the measurement accuracy of W zz increased, and the device, unlike the prototype, with accuracy no worse than IE, it is quite possible to implement (i.e. create) with the current level of technology.
Из (6) видим, что относительная погрешность при современном уровне техники может быть порядка 10-5 10-6, что при диапазоне Wzz до 4000Э дает абсолютную погрешность порядка 0,04-0,004Э, т. е. получен прибор высокой точности (на 5-6 порядков выше точности прототипа).From (6) we see that the relative error at the current level of technology can be of the order of 10 -5 10 -6 , which gives an absolute error of the order of 0.04-0.004E with a range of W zz up to 4000 Oe, i.e., a device of high accuracy ( 5-6 orders of magnitude higher than the accuracy of the prototype).
Этот же измеритель позволяет измерять и ускорение силы тяжести. В частности для относительных измерений g достаточно в исходном пункте настроить измеритель по 1-му такту измерений (в верхнем или нижнем положении груза неважно) и при неизменном B, l, i измерять Δ g, перенося измеритель в определяемые пункты наблюдений. The same meter allows you to measure the acceleration of gravity. In particular, for relative measurements of g, it is enough to set the meter in the starting point according to the 1st measurement step (it does not matter in the upper or lower position of the load) and, with constant B, l, i, measure Δ g, transferring the meter to the determined observation points.
Зная статическую хаpактеристику датчика силы можно измерять и абсолютные значения g. Knowing the static characteristic of the force sensor, one can also measure the absolute values of g.
Для получения выходного сигнала (от Wzz или Δ g), вместо сигнала датчика перемещения (указателя 11), может быть предусмотрен дополнительный датчик силы, с помощью которого во 2-ом такте измерения "обнуляется сигнал указателя 11. Выходом в этом случае является сила датчика силы в функции от Wzz или от Δ g.To obtain an output signal (from W zz or Δ g), instead of the signal of the displacement sensor (pointer 11), an additional force sensor can be provided with which the signal of indicator 11 is reset to zero in the 2nd measurement step. The output in this case is the force force sensor as a function of W zz or Δ g.
Fдс mWzzH (7) или
Fдс2 m Δ g, где Fдс2 сила дополнительного датчика силы.F ds mW zz H (7) or
F ds2 m Δ g, where F ds2 is the strength of an additional force sensor.
Таким образом, в сравнении с прототипом достижимая точность измерения предлагаемым измерителем выше не менее, чем на 5-6 порядков. Thus, in comparison with the prototype, the achievable measurement accuracy of the proposed meter is not less than 5-6 orders of magnitude.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4828799 RU2037163C1 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Gravity vertical gradient and acceleration meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU4828799 RU2037163C1 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Gravity vertical gradient and acceleration meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2037163C1 true RU2037163C1 (en) | 1995-06-09 |
Family
ID=21516146
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU4828799 RU2037163C1 (en) | 1990-05-24 | 1990-05-24 | Gravity vertical gradient and acceleration meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2037163C1 (en) |
-
1990
- 1990-05-24 RU SU4828799 patent/RU2037163C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Юзефович А.П. Огородова Л.В. Гравиметрия, М.: Недра, 1980, с.257. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Genevès et al. | The BNM watt balance project | |
| Kibble | A measurement of the gyromagnetic ratio of the proton by the strong field method | |
| CN102721456B (en) | Method for directly calibrating micro thrust and micro impulse | |
| CN101319980A (en) | Micro/nano scale ultra-micro force measuring device and force value tracing method | |
| Zeng et al. | A capacitive sensor for the measurement of departure from the vertical movement | |
| CN104535625A (en) | Capacitance sensing probe and precise spring shift-measurement instrument | |
| Picard et al. | The BIPM watt balance: improvements and developments | |
| US2559919A (en) | Apparatus for measuring forces, especially the force of gravity | |
| RU2037163C1 (en) | Gravity vertical gradient and acceleration meter | |
| CN113899432B (en) | Magnetic suspension balance and mass measurement method | |
| CN204374135U (en) | A kind of capacitive sensing probe and precision spring driftmeter | |
| RU2033632C1 (en) | Gravity three-component gradiometer | |
| RU2002281C1 (en) | Vertical gradient meter | |
| Olsen et al. | The NBS absolute ampere experiment | |
| CN111879988A (en) | Device and method for detecting passive current in low-frequency mechanical vibration environment | |
| CN107144381B (en) | Method for measuring cogging torque of permanent magnet motor | |
| RU1827659C (en) | Meter of acceleration and vertical gradient of gravity force | |
| US3097714A (en) | Force measuring device | |
| RU2345387C1 (en) | Gravimeter | |
| SU665245A1 (en) | Microhardness meter | |
| CN215867156U (en) | Translational gravity measuring device | |
| CN113687435B (en) | Translational gravity/acceleration measurement sensitive structure | |
| CN103557915B (en) | Mass measurement equipment used for measuring tiny mass | |
| Yan | High resolution force measurement system for Lorentz force velocimetry | |
| RU108842U1 (en) | DEVICE FOR RESEARCH OF MICROMECHANICAL CHARACTERISTICS OF SOLID BODIES INdentation |