RU2491581C2 - Ballistic gravimeter with induction-dynamic drive for symmetrical method of measuring gravitational acceleration - Google Patents
Ballistic gravimeter with induction-dynamic drive for symmetrical method of measuring gravitational acceleration Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491581C2 RU2491581C2 RU2011128560/28A RU2011128560A RU2491581C2 RU 2491581 C2 RU2491581 C2 RU 2491581C2 RU 2011128560/28 A RU2011128560/28 A RU 2011128560/28A RU 2011128560 A RU2011128560 A RU 2011128560A RU 2491581 C2 RU2491581 C2 RU 2491581C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- armature
- test body
- coil
- disk
- winding
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Vibration Prevention Devices (AREA)
- Micromachines (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области гравиметрии и может быть использовано в баллистических гравиметрах для симметричного способа измерений абсолютных значений ускорения свободного падения g.The invention relates to the field of gravimetry and can be used in ballistic gravimeters for a symmetric method of measuring the absolute values of the acceleration of gravity g.
Существуют гравиметры для определения абсолютного значения ускорения свободного падения g путем измерения параметров свободного полета вертикально подброшенной вверх пробной массы (пробного тела) [1].There are gravimeters for determining the absolute value of the acceleration of gravity g by measuring the parameters of free flight vertically thrown up test mass (test body) [1].
Основными элементами такого гравиметра являются: вакуумная камера с размещенной в ней катапультой для подбрасывания пробного тела в виде уголкового оптического отражателя, лазерный интерферометр перемещений, электронно-счетная система для обработки интерференционного сигнала с выхода интерферометра с целью вычисления g и управления работой катапульты.The main elements of such a gravimeter are: a vacuum chamber with a catapult placed in it for tossing a test body in the form of an angular optical reflector, a laser displacement interferometer, an electron-counting system for processing the interference signal from the interferometer output in order to calculate g and control the operation of the catapult.
Известен баллистический гравиметр, в котором катапульта для подбрасывания пробного тела выполнена в виде якоря соленоида и направляющих элементов для вертикального движения якоря [2].A known ballistic gravimeter in which the catapult for the tossing of the test body is made in the form of a solenoid armature and guide elements for the vertical movement of the armature [2].
Недостатком известной катапульты с соленоидным электромагнитным приводом является то, что при броске пробного тела присутствует отдача, которая через механическую связь воздействует на отсчетную систему - лазерный интерферометр, возбуждая в нем вертикальные колебания и внося погрешность в результат измерения g.A disadvantage of the known catapult with a solenoidal electromagnetic drive is that when the test body is thrown, there is recoil which, through a mechanical connection, acts on the reading system — the laser interferometer, exciting vertical oscillations in it and introducing an error in the measurement result g.
Наиболее близким по своей технической сущности к предлагаемому изобретению является баллистический гравиметр для симметричного способа измерений ускорения свободного падения g, содержащий пробное тело с оптическим отражателем, вакуумную камеру, каретку толкателя с направляющими элементами, соленоидный электромагнитный привод, состоящий из якоря и катушки (обмотки), причем каретка толкателя связана с якорем соленоида равноплечим пантографом, обеспечивая при этом уменьшение отдачи катапульты при подбрасывании пробного тела [3].The closest in technical essence to the present invention is a ballistic gravimeter for a symmetric method of measuring gravity acceleration g, containing a test body with an optical reflector, a vacuum chamber, a pusher carriage with guiding elements, a solenoid electromagnetic drive consisting of an armature and a coil (winding), moreover, the pusher carriage is connected to the armature of the solenoid with an equal arm pantograph, while ensuring a decrease in the recoil of the catapult when tossing a test body [3].
В данном гравиметре за счет уменьшения отдачи катапульты при подбрасывании пробного тела обеспечивается повышение точности измерения ускорения свободного падения g.In this gravimeter, by reducing the recoil of the catapult during the tossing of the test body, the accuracy of measuring the acceleration of gravity g is improved.
Недостатком известного технического решения является многоступенчатая передача энергии от электрического источника, питаемого обмотку катушки, на вертикальное перемещение каретки с пробным телом. Обеспечение указанного преобразования энергии осуществляется через перемещение якоря вниз, осевое расжимание и радиальное сжимание пантографа относительно неподвижной оси, механическое взаимодействие подшипников каретки и якоря с направляющими элементами. При осевом расжимании пантографа происходит механическое взаимодействие значительного числа шарнирных элементов как между собой, так и с неподвижной осью, которая соединена с вакуумной камерой.A disadvantage of the known technical solution is the multistage transfer of energy from an electric source fed to the coil of the coil to the vertical movement of the carriage with a test body. The specified energy conversion is ensured by moving the armature down, axial expansion and radial compression of the pantograph relative to the fixed axis, mechanical interaction of the carriage bearings and the armature with the guiding elements. During axial expansion of the pantograph, a significant number of articulated elements are mechanically interacted with each other, as well as with a fixed axis, which is connected to a vacuum chamber.
За счет значительной осевой высоты пантографа в баллистическом гравиметре возрастают габариты нерабочей зоны вакуумной камеры. Создание указанного толкателя обуславливает высокие требования к размерам, массе и контактным поверхностям его механических элементов для недопущения радиальных сил, вызывающих отклонение пробного тела от вертикальной оси.Due to the significant axial height of the pantograph in the ballistic gravimeter, the dimensions of the inoperative zone of the vacuum chamber increase. The creation of this pusher determines high demands on the size, mass and contact surfaces of its mechanical elements to prevent radial forces causing the test body to deviate from the vertical axis.
Поскольку указанный электро-, магнитно-, механический толкатель механически связан с другими неподвижными элементами, например со стенками вакуумной камеры, то при работе баллистический гравиметр подвергается воздействию различных механических колебаний, вызванных ударно-вибрационными процессами. Эти вибрации представляют собой нестационарный случайный процесс и вызывают появление детерминированной основы в погрешности измерений, которая может изменяться.Since the indicated electro-, magnetic, mechanical pusher is mechanically connected with other stationary elements, for example, with the walls of the vacuum chamber, during operation the ballistic gravimeter is exposed to various mechanical vibrations caused by shock-vibration processes. These vibrations are a non-stationary random process and cause the appearance of a deterministic basis in the measurement error, which can vary.
Такие систематические составляющие погрешности не могут быть уменьшены проведением повторных измерений, и дальнейшее повышение динамической точности может быть достигнуто за счет уменьшения (в идеале до нуля) количества механических взаимодействий подвижных с неподвижными элементами.Such systematic error components cannot be reduced by repeated measurements, and a further increase in dynamic accuracy can be achieved by reducing (ideally to zero) the number of mechanical interactions of moving with fixed elements.
В известном баллистическом гравиметре из-за механического взаимодействия подвижных с неподвижными элементами при работе в вакууме необратимо изменяются контактные поверхности: возникают микроскопические трещины, разрушаются поверхностные, например окисные, пленки, повышается коэффициент трения, а износ элементов может достичь недопустимых величин, исключающих нормальное функционирование гравиметра [4].In a known ballistic gravimeter, contact surfaces irreversibly change due to the mechanical interaction of moving with fixed elements when working in a vacuum: microscopic cracks occur, surface films, such as oxide, break, the friction coefficient increases, and wear of elements can reach unacceptable values that exclude the normal functioning of the gravimeter [four].
Взаимодействие ферромагнитного якоря с обмоткой катушки электромагнитного привода не позволяет из-за нелинейной кривой намагничивания и насыщения ферромагнитного материала регулировать скорость каретки толкателя в необходимых пределах с обеспечением заданной величины.The interaction of the ferromagnetic armature with the coil of the coil of the electromagnetic drive does not allow, due to the non-linear curve of magnetization and saturation of the ferromagnetic material, to regulate the speed of the pusher carriage within the required limits with a given value.
Задачей изобретения является повышение точности баллистического гравиметра за счет прямого преобразования электрической энергии в кинетическую, уменьшение габаритов и повышение регулировочных характеристик привода.The objective of the invention is to improve the accuracy of the ballistic gravimeter due to the direct conversion of electrical energy into kinetic, reducing the size and improving the control characteristics of the drive.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном баллистическом гравиметре для симметричного способа измерений ускорения свободного падения, содержащем пробное тело с оптическим уголковым отражателем, вакуумную камеру, толкатель пробного тела, направляющие элементы, электромеханический привод, состоящий из коаксиально расположенных якоря и катушки с обмоткой, в соответствии с предлагаемым изобретением электромеханический привод индукционно-динамического типа выполнен в виде обмотки дисковой формы, подключаемой к емкостному накопителю энергии и расположенной в катушке из изоляционного материала, якорь выполнен в виде диска из электропроводящего материала, нижняя сторона которого обращена к верхней стороне обмотки катушки, а верхняя сторона соединена с силовым толкающим диском так, что упорядочено расположенные в тангенциальном направлении на одном радиусе силового диска, по крайней мере, три отверстия с подшипниками охватывают направляющие элементы, выполненные в виде вертикальных стоек круглого сечения, при этом обмотка соединена с емкостным накопителем энергии посредством двух встречно-параллельно соединенных управляемых тиристоров, один из которых обеспечивает начальное отталкивание, а другой - последующее торможение якоря относительно обмотки катушки.The problem is solved due to the fact that in the well-known ballistic gravimeter for a symmetric method of measuring gravitational acceleration containing a test body with an optical angular reflector, a vacuum chamber, a test body pusher, guiding elements, an electromechanical drive consisting of coaxially located armature and a coil with a winding , in accordance with the invention, the electromechanical induction-dynamic type drive is made in the form of a disk-shaped winding connected to a capacitive to the energy storage device and located in the coil of insulating material, the anchor is made in the form of a disk of electrically conductive material, the lower side of which is facing the upper side of the coil winding, and the upper side is connected to the power pushing disk so that they are arranged in a tangential direction on the same radius of the power of the disk, at least three holes with bearings cover guide elements made in the form of vertical uprights of circular cross section, while the winding is connected to a capacitive storage energy body through two counter-parallel connected controlled thyristors, one of which provides the initial repulsion, and the other - the subsequent braking of the armature relative to the coil winding.
Кроме того, массивная силовая плита, на которой зафиксированы катушка и радиально охватывающие ее вертикальные стойки, установлена на демпферах на днище вакуумной камеры.In addition, a massive power plate, on which the coil is fixed and the vertical posts radially enveloping it, is mounted on dampers on the bottom of the vacuum chamber.
Кроме того, к днищу пробного тела аксиально присоединен направляющий конус, форма боковых стенок которого совпадает с формой направляющей конусообразной аксиальной выемки катушки, а в якоре и силовом диске выполнены центральные отверстия для направляющего конуса.In addition, a guide cone is axially attached to the bottom of the test body, the shape of the side walls of which coincides with the shape of the guide cone-shaped axial recess of the coil, and central holes for the guide cone are made in the armature and power disk.
Кроме того, вертикальные стойки, обеспечивающие свободное вертикальное перемещение якоря с силовым диском, в нижней части выполнены с увеличенным диаметром для подшипников силового диска, в верхней части выполнены с уменьшенным диаметром, причем указанные части вертикальных стоек плавно соединены конусообразными участками.In addition, the vertical racks, providing free vertical movement of the armature with the power disk, in the lower part are made with an increased diameter for the bearings of the power disk, in the upper part are made with a reduced diameter, and these parts of the vertical racks are smoothly connected by conical sections.
Кроме того, катушка расположена снаружи вакуумной камеры, на концах вертикальных стоек установлены упругие демпферы и силовой диск соединен с пробным телом.In addition, the coil is located outside the vacuum chamber, elastic dampers are installed at the ends of the uprights and the power disk is connected to the test body.
Кроме того, вертикальные стойки, обеспечивающие фиксированное вертикальное перемещение якоря с силовым диском и свободное вертикальное перемещение пробного тела, в верхней части соединены с установленными на массивной силовой плите горизонтальными упорами, к которым присоединены упругие демпферы, так что установленные на вертикальных участках горизонтальных упоров упругие элементы обеспечивают удержание якоря с силовым диском при отсутствии взаимодействия пробного тела с силовым диском.In addition, the vertical posts, providing a fixed vertical movement of the armature with the power disk and free vertical movement of the test body, are connected in the upper part to the horizontal stops mounted on the massive power plate, to which elastic dampers are attached, so that the elastic elements mounted on the vertical sections of the horizontal stops provide anchor retention with the power disk in the absence of interaction of the test body with the power disk.
Кроме того, при обеспечении фиксированного вертикального перемещения якоря с силовым диском и свободного вертикального перемещения пробного тела на охватывающих вертикальные стойки подшипниках установлены коаксиальные зацепы, верхняя расширенная часть которых взаимодействует с упругими элементами захватов, соединенных с горизонтальными упорами, обеспечивая удержание якоря с силовым диском при отсутствии взаимодействия пробного тела с силовым диском.In addition, while providing a fixed vertical movement of the armature with the power disk and free vertical movement of the test body, coaxial hooks are installed on the bearings covering the vertical struts, the upper expanded part of which interacts with the elastic elements of the grips connected to the horizontal stops, ensuring that the armature is held with the power disk in the absence of the interaction of the test body with the power disk.
Кроме того, наружный и внутренний диаметры якоря и обмотки катушки выполнены одинаковыми.In addition, the outer and inner diameters of the armature and coil winding are made the same.
Кроме того, якорь выполнен из меди.In addition, the anchor is made of copper.
Кроме того, обмотка катушки замоноличена эпоксидным компаундом.In addition, the coil winding is monolithic with an epoxy compound.
В предлагаемом баллистическом гравиметре осуществляется непосредственная передача энергии от электрического источника, питаемого обмотку катушки, на вертикальное перемещение пробного тела. При таком электромеханическом преобразовании энергии посредством магнитного поля не происходит механического взаимодействия различных механических элементов между собой и с вакуумной камерой.In the proposed ballistic gravimeter, direct transfer of energy from an electric source fed to the coil of the coil to the vertical movement of the test body is carried out. With this electromechanical energy conversion by means of a magnetic field, there is no mechanical interaction of various mechanical elements with each other and with the vacuum chamber.
Поскольку толщина (высота) и якоря и силового диска мала, то существенно уменьшается высота гравиметра за счет устранения нерабочей зоны вакуумной камеры. Изготовление круглого якоря и силового диска может быть выполнено легко на токарном станке, не требуя сложных технологических операций.Since the thickness (height) of both the armature and the power disk is small, the height of the gravimeter is significantly reduced by eliminating the non-working zone of the vacuum chamber. The manufacture of a round anchor and a power disk can be performed easily on a lathe, without requiring complex technological operations.
Обмотка катушки и якорь работают в линейной среде в магнитном отношении, что позволяет легко регулировать импульс возбуждения тока в обмотке для изменения высоты подбрасывания пробного тела. Обмотка дисковой формы, магнитно взаимодействующая с электропроводящим дисковым якорем, образует индукционно-динамический привод, обеспечивающий бесконтактное преобразование электрической энергии емкостного накопителя в кинетическую энергию вертикального перемещения пробного тела. Одинаковый наружный и внутренний диаметры якоря и обмотки катушки способствуют повышенной эффективности указанного привода. Этой же цели служит и выполнение якоря из меди - относительно дешевого и высоко электропроводящего материала.The coil winding and the armature operate in a linear environment in a magnetic ratio, which makes it easy to adjust the current excitation pulse in the winding to change the height of the tossing of the test body. A disk-shaped winding magnetically interacting with an electrically conductive disk armature forms an induction-dynamic drive that provides contactless conversion of the electrical energy of a capacitive storage into the kinetic energy of the vertical movement of the test body. The same outer and inner diameters of the armature and coil winding contribute to the increased efficiency of the specified drive. The execution of the copper anchor, a relatively cheap and highly electrically conductive material, serves the same purpose.
Емкостный накопитель может продолжительное время заряжаться от внешнего источника малым током, например от автономного аккумулятора, и разряжаться на обмотку катушки за короткое время большим током, что важно для создания механического импульса отталкивания якоря.A capacitive storage device can be charged for a long time from an external source with a small current, for example, from an autonomous battery, and discharged to the coil winding in a short time with a large current, which is important for creating a mechanical pulse of repulsion of the armature.
Поскольку обмотка соединена с емкостным накопителем энергии посредством двух встречно-параллельно соединенных тиристоров, то при подаче напряжения на управляющий электрод первого тиристора обеспечивается начальное отталкивание якоря от обмотки катушки, а при подаче через определенное время напряжения на управляющий электрод второго тиристора обеспечивается электродинамическое торможение якоря, что исключает его резкий удар об обмотку катушки.Since the winding is connected to a capacitive energy storage device through two counter-parallel connected thyristors, when the voltage is applied to the control electrode of the first thyristor, the armature is repelled from the coil winding, and after a certain voltage is applied to the control electrode of the second thyristor, the armature is electrodynamically braked, which eliminates its sharp blow on the coil of the coil.
Замоноличивание обмотки катушки (заливка с последующим затвердением) эпоксидным компаундом делает такую конструкцию прочной, цельной и надежной.The monolithization of the coil winding (casting followed by hardening) with an epoxy compound makes this design strong, solid and reliable.
Близкое расположение якоря с верхней стороной обмотки обеспечивает максимальную магнитную связь между ними. Силовой толкающий диск служит для передачи кинетической энергии пробному телу и препятствует деформации (изгибанию) медного якоря.The close location of the armature with the upper side of the winding provides maximum magnetic coupling between them. The power pushing disk serves to transfer kinetic energy to the test body and prevents the deformation (bending) of the copper armature.
Выполнение направляющих элементов в виде вертикальных стоек круглого сечения позволяет обеспечивать строго горизонтальное положение при перемещении силового диска с якорем в вертикальном направлении. Это достигается за счет наличия упорядочено расположенных в тангенциальном направлении на одном радиусе, по крайней мере, трех отверстий с подшипниками, охватывающих указанные вертикальные стойки.The implementation of the guide elements in the form of vertical uprights of circular cross section allows you to provide a strictly horizontal position when moving the power disk with the anchor in the vertical direction. This is achieved due to the presence of orderly located in the tangential direction on the same radius, at least three holes with bearings covering these vertical racks.
Установка массивной силовой плиты, на которой зафиксированы катушка и радиально охватывающие ее вертикальные стойки, на демпферах на днище вакуумной камеры, позволяет существенно уменьшить передачу силового импульса вакуумной камере и ее вибрационные процессы, что важно для измерительной системы гравиметра.The installation of a massive power plate, on which the coil and vertical struts radially enveloping it, are fixed on dampers on the bottom of the vacuum chamber, can significantly reduce the transmission of the power pulse to the vacuum chamber and its vibration processes, which is important for the measuring system of the gravimeter.
Присоединение к днищу пробного тела вдоль его оси направляющего конуса и выполнение направляющей конусообразной осевой выемки в катушке с совпадающими формами боковых стенок позволяют легко центрировать пробное тело в исходном и конечном (после подбрасывания) состоянии относительно обмотки катушки, обеспечивая строго вертикальное перемещение пробного тела.Attaching a guide cone to the bottom of the test body along its axis and making a guide cone-shaped axial recess in the coil with matching shapes of the side walls makes it easy to center the test body in the initial and final (after tossing) state relative to the coil winding, ensuring strictly vertical movement of the test body.
При обеспечении свободного вертикального перемещения якоря с силовым диском и пробным телом вертикальные стойки в нижней части выполнены с увеличенным диаметром для подшипников силового диска, в верхней части выполнены с уменьшенным диаметром, причем указанные части вертикальных стоек плавно соединены конусообразными участками. В нижней части строго горизонтальное положение перемещаемого силового диска задается взаимодействием подшипников с расширенной частью стоек, а на большей высоте полета указанные подшипники не соприкасаются со стойками, что исключает их влияние на величину ускорения свободного падения, обеспечивая лишь страховку от аварийного бокового смещения силовой пластины с прикрепленным к ней пробным телом. Конусообразные участки вертикальных стоек позволяют плавно «ловить» падающие вниз элементы, обеспечивая центрирование их относительно обмотки катушки.While ensuring free vertical movement of the armature with the power disk and the test body, the vertical racks in the lower part are made with an increased diameter for the bearings of the power disk, in the upper part they are made with a reduced diameter, and these parts of the vertical racks are smoothly connected by conical sections. In the lower part, the strictly horizontal position of the movable power disk is determined by the interaction of the bearings with the extended part of the struts, and at a higher flight altitude these bearings do not touch the struts, which excludes their influence on the value of the acceleration of gravity, providing only insurance against emergency lateral displacement of the power plate with the attached to her with a test body. The cone-shaped sections of the uprights allow you to smoothly "catch" the elements falling down, ensuring their centering relative to the coil winding.
При обеспечении фиксированного вертикального перемещения якоря с силовым диском и свободного вертикального перемещения пробного тела в верхней части вертикальные стойки соединены с горизонтальными упорами. Размещение их на массивной силовой плите исключает передачу силовых импульсов вакуумной камере. Упругие демпферы устраняют резкий удар силового диска о горизонтальные упоры, что также способствует уменьшению вибрационных процессов. Наличие упругих элементов на вертикальных участках горизонтальных упоров обеспечивает фиксирование якоря с силовым диском от падения и сжимание (уменьшение внутреннего диаметра) при взаимодействии пробного тела с силовым диском.Providing a fixed vertical movement of the armature with the power disk and free vertical movement of the test body in the upper part, the vertical racks are connected with horizontal stops. Placing them on a massive power plate eliminates the transmission of power pulses to the vacuum chamber. Elastic dampers eliminate the sharp impact of the power disk on the horizontal stops, which also helps to reduce vibration processes. The presence of elastic elements in the vertical sections of the horizontal stops provides for fixing the armature with the power disk from falling and compression (reduction of the inner diameter) during the interaction of the test body with the power disk.
На фиг.1 схематично показан баллистический гравиметр с индукционно-динамическим приводом, обеспечивающий свободное вертикальное перемещение якоря с силовым диском и пробным телом, у которого катушка расположена внутри вакуумной камеры, в исходном состоянии;Figure 1 schematically shows a ballistic gravimeter with an induction-dynamic drive, providing free vertical movement of the armature with a power disk and a test body, in which the coil is located inside the vacuum chamber, in the initial state;
на фиг.2 - баллистический гравиметр на фиг.1 в момент свободного полета якоря с силовым диском и пробным телом;figure 2 - ballistic gravimeter in figure 1 at the time of free flight of the anchor with a power disk and a test body;
на фиг.3 - баллистический гравиметр, обеспечивающий свободное вертикальное перемещение якоря с силовым диском и пробным телом, у которого катушка расположена снаружи вакуумной камеры, в исходном состоянии;figure 3 - ballistic gravimeter, providing free vertical movement of the armature with a power disk and a test body, in which the coil is located outside the vacuum chamber, in the initial state;
на фиг.4 - баллистический гравиметр на фиг.3 в момент свободного полета якоря с силовым диском и пробным телом;figure 4 - ballistic gravimeter in figure 3 at the time of free flight of the anchor with a power disk and a test body;
на фиг.5 - баллистический гравиметр, обеспечивающий фиксирование якоря с силовым диском упругими элементами, установленными на вертикальных участках горизонтальных упоров, и свободное вертикальное перемещение пробного тела, в исходном состоянии;figure 5 is a ballistic gravimeter that provides for fixing the armature with a power disk by elastic elements mounted on the vertical sections of the horizontal stops, and free vertical movement of the test body, in the initial state;
на фиг.6 - баллистический гравиметр на фиг.5 в момент фиксирования якоря с силовым диском упругими элементами;in Fig.6 - ballistic gravimeter in Fig.5 at the time of fixing the anchor with the power disk by elastic elements;
на фиг.7 - баллистический гравиметр на фиг.5 в момент свободного вертикального перемещения пробного тела;in Fig.7 - ballistic gravimeter in Fig.5 at the moment of free vertical movement of the test body;
на фиг.8 - вид А на фиг.7;in Fig.8 is a view A in Fig.7;
на фиг.9 - баллистический гравиметр, обеспечивающий фиксирование якоря с силовым диском захватами, и свободное вертикальное перемещение пробного тела, в исходном состоянии;figure 9 is a ballistic gravimeter that provides fixation of the armature with the power disk grippers, and free vertical movement of the test body, in the initial state;
на фиг.10 - баллистический гравиметр на фиг.9 в момент фиксирования якоря с силовым диском.figure 10 - ballistic gravimeter in figure 9 at the time of fixing the anchor with the power disk.
на фиг.11 - баллистический гравиметр на фиг.9 в момент свободного вертикального перемещения пробного тела;figure 11 - ballistic gravimeter in figure 9 at the time of free vertical movement of the test body;
на фиг.12 - электрическая схема индукционно-динамического привода баллистического гравиметра, где L1, R1 - индуктивность и сопротивление обмотки; L2, R2 - индуктивность и сопротивление якоря; M12 - взаимная индуктивность между обмоткой и якорем; V - скорость перемещения якоря вдоль вертикальной оси z; t - время; С - емкость емкостного накопителя энергии; VS0, VS1, VS2 - тиристоры соответственно, на зарядку емкостного накопителя, на отталкивание и торможение якоря относительно обмотки катушки;in Fig.12 is an electrical diagram of an induction-dynamic drive of a ballistic gravimeter, where L 1 , R 1 - inductance and resistance of the winding; L 2 , R 2 - inductance and resistance of the armature; M 12 - mutual inductance between the winding and the armature; V is the speed of movement of the anchor along the vertical axis z; t is the time; C is the capacity of a capacitive energy storage device; VS 0 , VS 1 , VS 2 - thyristors, respectively, for charging a capacitive storage, for repelling and braking the armature relative to the coil winding;
фиг.13 - напряжение емкостного накопителя uC, плотности тока в обмотке катушки j1 и якоре j2;Fig - voltage capacitive storage u C , current density in the winding of the coil j 1 and the armature j 2 ;
на фиг.14 - импульс электродинамической силы fz, действующей на якорь;on Fig - pulse electrodynamic force f z acting on the anchor;
на фиг.15 - свободное вертикальное перемещение ΔZ якоря с силовым диском и пробным телом на двух часовых интервалах.on Fig - free vertical movement ΔZ of the armature with a power disk and a test body at two hour intervals.
Баллистический гравиметр с индукционно-динамическим приводом для симметричного способа измерений ускорения свободного падения содержит пробное тело 1 с оптическим уголковым отражателем 2, вакуумную камеру 3, на верхней стенки которой через оптическое стекло (на фиг. не показано) установлен оптический излучатель 4. На днище 5 вакуумной камеры 3 на демпферах 6 установлена массивная силовая плита 7 (фиг.1, 2, 5-7, 9-11). На плите 7 зафиксированы катушка 8 с обмоткой 9, направляющие элементы в виде вертикальных стоек 10 круглого сечения и горизонтальные упоры 11 с вертикальными участками 12.A ballistic gravimeter with an induction-dynamic drive for a symmetric method of measuring gravitational acceleration contains a
Катушка 8 выполнена из изоляционного материала, например стеклотекстолита. Обмотка 9 имеет форму диска, замоноличена эпоксидным компаундом и расположена внутри катушки 8.The
В вакуумной камере 3 расположен якорь 13, который соединен с силовым толкающим диском 14. Якорь выполнен в виде диска из электропроводящего материала, например меди. Силовой диск выполнен из прочного материала, например нержавеющей стали.An
Наружный и внутренний диаметры якоря 13 и обмотки 9 катушки выполнены одинаковыми. В исходном состоянии нижняя сторона якоря 13 соприкасается с верхней стороной обмотки 9 катушки 8 (фиг.1, 2, 5-7, 9-11).The outer and inner diameters of the
Пробное тело 1 либо соединено с силовым толкающим диском 14 (фиг.1-4), либо свободно установлено без механического соединения (фиг.5-7, 9-11).The
В силовом толкающем диске 14 расположены упорядочено в тангенциальном направлении (например, под углом 120°) на одном радиусе r три отверстия 15 с подшипниками 16, которые охватывают вертикальные стойки 10 (фиг.8).In the
К днищу пробного тела 1 аксиально присоединен направляющий конус 17, форма боковых стенок которого совпадает с формой направляющей конусообразной аксиальной выемки 18 катушки 8. В якоре 13 и силовом диске 14 выполнены центральные отверстия 19 для направляющего конуса.A
Вертикальные стойки 10, обеспечивающие свободное вертикальное перемещение якоря 13 с силовым диском 14, в нижней части 10а выполнены с увеличенным диаметром для подшипников 16 силового диска, в верхней части 10б выполнены с уменьшенным диаметром, причем указанные части вертикальных стоек плавно соединены конусообразными участками 10в (фиг.1-4).
Вертикальные стойки 10, обеспечивающие фиксированное вертикальное перемещение якоря 13 с силовым диском 14 и свободное вертикальное перемещения пробного тела 1, в верхней части соединены с горизонтальными упорами 11, к которым присоединены упругие демпферы 20.
Установленные на вертикальных участках 12 горизонтальных упоров 11 упругие элементы 21 обеспечивают удержание якоря 13 с силовым диском при отсутствии взаимодействия (контакта) пробного тела 1 с диском 14 (фиг.5-7).The
В баллистическом гравиметре на фиг.3, 4 катушка 8 расположена снаружи вакуумной камеры 3, а в днище 5 камеры 3 имеется выемка для катушки, что упрощает их установку, на концах вертикальных стоек 10 установлены упругие демпферы 20 и силовой диск 14 соединен с пробным телом 1.In the ballistic gravimeter in figures 3, 4, the
На подшипниках 16, охватывающих вертикальные стойки 11, установлены коаксиальные зацепы 22, верхняя расширенная часть которых взаимодействует с упругими элементами 21 захватов 23. Захваты 23 соединены с горизонтальными упорами 11 и обеспечивают удержание якоря 13 с силовым диском 14 при отсутствии взаимодействия (контакта) пробного тела 1 с силовым диском (фиг.9-11).On the
Электромеханический привод индукционно-динамического типа выполнен в виде подвижного якоря 13, который магнитно взаимодействует с неподвижной обмоткой 9, подключаемой к емкостному накопителю энергии С посредством двух тиристоров VS1 и VS2 (фиг.12). Указанные тиристоры соединены встречно-параллельно между собой и предназначены для обеспечения начального отталкивания (VS2) и последующего торможения (VS2) якоря относительно обмотки катушки.The electromechanical drive of the induction-dynamic type is made in the form of a
Тиристор VS0 предназначен для обеспечения зарядки емкостного накопителя С от источника питания 24. Управляющие электроды тиристоров VS0, VS1 и VS2 подсоединены к блоку управления 25.The thyristor VS 0 is designed to ensure charging of the capacitive storage device C from the
Баллистический гравиметр, обеспечивающий свободное вертикальное перемещение якоря с силовым диском, работает следующим образом (фиг.1-4).A ballistic gravimeter that provides free vertical movement of the armature with a power disk, works as follows (Fig.1-4).
В исходном состоянии (фиг.1 и фиг.3) пробное тело 1 с оптическим уголковым отражателем 2 находятся в нижнем положении, при котором обеспечивается максимальная магнитная связь между обмоткой 9 и якорем 13 индукционно-динамического привода.In the initial state (Fig. 1 and Fig. 3), the
При подаче сигнала с блока управления 25 на тиристор VS0 осуществляется зарядка емкостного накопителя С от источника питания 24. После зарядки тиристор VS0 закрывается.When a signal is supplied from the
При подаче сигнала с блока управления 25 тиристор VS1 открывается и начинается разряд емкостного накопителя С на обмотку 9 катушки 8. При этом в обмотке возникает однополярный импульс тока плотностью j1 (фиг.13) из-за того, что тиристор обладает односторонней проводимостью. Под действием тока обмотки возникает магнитное поле, наводящее в якоре 13 ток плотностью j2. Емкостной накопитель при этом изменяет полярность напряжения uC на противоположную с пониженной величиной по отношению к исходной. Тиристор VS1 закрывается.When a signal is supplied from the
Поскольку токи обмотки 9 и якоря 13 имеют противоположную полярность, между ними возникает импульс аксиальной электродинамической силы fz (фиг.13) отталкивания, под действием которого якорь 13 вместе с силовым диском 14 и пробным телом 1 совершают свободное вертикальное перемещение ΔZ (фиг.15). При этом включается оптический излучатель 4, воздействующий на оптический уголковый отражатель 2, и осуществляется симметричный способ измерения ускорения свободного падения.Since the currents of the winding 9 and the
При падении якоря 13 вниз в момент приближения его к обмотке 9 с блока управления 25 на тиристор VS2 поступает сигнал на его открывание и начинается разряд емкостного накопителя С на обмотку 9 катушки 8. Поскольку напряжение емкостного накопителя uC при этом меньше исходного, то возникающая электродинамическая сила fz отталкивания от обмотки 9 достаточна лишь для плавного торможения падающего вниз якоря 13.When the
На начальном и конечном участках движения пробного тела 1 по нижним частям 10а вертикальных стоек движутся подшипники 16, обеспечивающие строго горизонтальное положение силового диска 14. На среднем участке движения пробного тела 1 верхние части 106 стоек не соприкасаются с подшипниками 16, что обеспечивает полностью бесконтактное перемещение пробного тела 1, а значит и максимальную точность измерения ускорения свободного падения g.In the initial and final sections of the movement of the
За счет взаимодействия подшипников 16 с нижними частями 10а вертикальных стоек и аксиального направляющего конуса 17 с аксиальной выемкой 18 катушки 8 обеспечивается расположение якоря 13 относительно обмотки 9 строго аксиальное как при начале, так и при окончании работы баллистического гравиметра.Due to the interaction of the
Баллистический гравиметр, обеспечивающий фиксированное вертикальное перемещение якоря с силовым диском и свободное вертикальное перемещение пробного тела, работает следующим образом (фиг.5-7, 9-11).A ballistic gravimeter that provides a fixed vertical movement of the armature with a power disk and free vertical movement of the test body, works as follows (Figs. 5-7, 9-11).
В исходном состоянии (фиг.5 и фиг.9) пробное тело 1 с оптическим уголковым отражателем 2 находятся в нижнем положении. При подаче сигнала с блока управления 25 на тиристор VS0 осуществляется зарядка емкостного накопителя С от источника питания 24. После подачи сигнала с блока управления 25 на тиристор VS1 начинается разряд емкостного накопителя С на обмотку 9, и якорь 13 вместе силовым диском 14 и пробным телом 1 совершают вертикальное перемещение.In the initial state (FIG. 5 and FIG. 9), the
Подлетая к горизонтальным упорам 11, силовой диск 14 сжимает упругие демпферы 20 и упругие элементы 21 (фиг.6). При этом диск 14 плавно тормозится, приближаясь к горизонтальным упорам 11, упругие элементы 21 разжимаются, а пробное тело 1 покидает силовой диск 14, продолжая свободное вертикальное движение.Flying up to the horizontal stops 11, the
В процессе свободного полета пробного тела 1 осуществляется измерение ускорения свободного падения. Фиксированный относительно горизонтальных упоров 11 силовой диск 14 с якорем 13 удерживается разжатыми упругими элементами 21 (фиг.7).In the process of free flight of the
В момент падения пробного тела 1 происходит его контакт с силовым диском (фиг.6), упругие элементы 21 разжимаются и осуществляется совместное падение силового диска 14, якоря 13 и пробного тела 1. В момент приближения якоря к обмотке 9 с блока управления 25 на тиристор VS2 поступает сигнал на его открывание и начинается разряд емкостного накопителя С на обмотку 9, приводящий к плавному торможению падающего вниз якоря 13.At the moment of the fall of the
За счет взаимодействия подшипников 16 с вертикальными стойками 10 и аксиального направляющего конуса 17 с аксиальной выемкой 18 катушки 8 обеспечивается расположение якоря 13 относительно обмотки 9 строго аксиальное как в начале, так и по окончании работы баллистического гравиметра. Высота стоек 10 может быть небольшой, что обусловливает небольшую высоту баллистического гравиметра.Due to the interaction of the
Массивная силовая плита 7 совместно с демпферами 6 позволяет практически полностью гасить возникающие вибрационные процессы, не пропуская их к вакуумной камере 3.
Аналогично рассмотренному варианту (фиг.5-7) работает и вариант баллистического гравиметра, представленный на фиг.9-11. В этом устройстве на подшипниках 16 установлены коаксиальные зацепы 22, верхняя расширенная часть которых взаимодействует с упругими элементами 21 захватов 23, которые обеспечивают удержание якоря 13 с силовым диском 14 при отсутствии контакта пробного тела 1 с силовым диском (фиг.11).Similarly to the considered variant (Figs. 5-7), the variant of the ballistic gravimeter shown in Figs. 9-11 also works. In this device,
Предлагаемый индукционно-динамический привод позволяет легко регулировать силу и длительность импульса тока в обмотке 9, что позволяет изменять высоту подбрасывания пробного тела в заданном диапазоне без изменения остальных параметров и положения в пространстве баллистического гравиметра.The proposed induction-dynamic drive allows you to easily adjust the strength and duration of the current pulse in the winding 9, which allows you to change the height of the tossing of the test body in a given range without changing the other parameters and the position in the space of the ballistic gravimeter.
Источники информацииInformation sources
1. А.П. Юзефович, Л.В. Огородова. "Гравиметрия". - М.: Недра, 1980.1. A.P. Yuzefovich, L.V. Ogorodova. Gravimetry. - M .: Nedra, 1980.
2. Агрегат 15В 166. Техническое описание ПБ 1.530.001 ТО, МО СССР, 1987.2. Unit 15B 166. Technical description PB 1.530.001 TO, USSR Ministry of Defense, 1987.
3. Патент ФР №2192024, МПК G01V 7/14. Баллистический гравиметр для симметричного способа измерений. - Заявка №2001120196/28, 18.07.2001. - Опубликовано 27.10.2002 (прототип).3. Patent FR No. 2192024,
4. Крагельский И.В. и др. Трение и износ в вакууме. - М.: Машиностроение, 1973. - 216 с.4. Kragelsky I.V. and others. Friction and wear in a vacuum. - M.: Mechanical Engineering, 1973. - 216 p.
Claims (10)
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201103304 | 2011-03-21 | ||
| UAA201103304A UA96904C2 (en) | 2011-03-21 | 2011-03-21 | Ballistic gravimeter with inductive-dynamical drive for symmetric method of measurement of acceleration of free fall |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011128560A RU2011128560A (en) | 2013-01-20 |
| RU2491581C2 true RU2491581C2 (en) | 2013-08-27 |
Family
ID=48805037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011128560/28A RU2491581C2 (en) | 2011-03-21 | 2011-07-08 | Ballistic gravimeter with induction-dynamic drive for symmetrical method of measuring gravitational acceleration |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2491581C2 (en) |
| UA (1) | UA96904C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554596C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Ballistic gravity meter |
| CN109343137A (en) * | 2018-11-08 | 2019-02-15 | 江苏师范大学 | A kind of Free Falling Object And Acceleration of Gravity measuring device based on capacitance sensor |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3688584A (en) * | 1971-02-09 | 1972-09-05 | Little Inc A | Interferometric gravity gradiometer incorporating retroreflectors and means to correct for their relative shifting |
| SU628451A1 (en) * | 1976-10-28 | 1978-10-15 | Центральный Научно-Исследовательский Институт Геодезии Картографии И Аэросъемки | Gravimeter for measuring g-absolute value |
| SU1508788A1 (en) * | 1987-09-09 | 1990-12-07 | Б.Н,Федоровский | Ballistic gravimeter |
| RU2192024C1 (en) * | 2001-07-18 | 2002-10-27 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" | Ballistic gravimeter for symmetric way of measurement |
-
2011
- 2011-03-21 UA UAA201103304A patent/UA96904C2/en unknown
- 2011-07-08 RU RU2011128560/28A patent/RU2491581C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3688584A (en) * | 1971-02-09 | 1972-09-05 | Little Inc A | Interferometric gravity gradiometer incorporating retroreflectors and means to correct for their relative shifting |
| SU628451A1 (en) * | 1976-10-28 | 1978-10-15 | Центральный Научно-Исследовательский Институт Геодезии Картографии И Аэросъемки | Gravimeter for measuring g-absolute value |
| SU1508788A1 (en) * | 1987-09-09 | 1990-12-07 | Б.Н,Федоровский | Ballistic gravimeter |
| RU2192024C1 (en) * | 2001-07-18 | 2002-10-27 | Государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт "Сигнал" | Ballistic gravimeter for symmetric way of measurement |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2554596C1 (en) * | 2013-12-16 | 2015-06-27 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики" | Ballistic gravity meter |
| CN109343137A (en) * | 2018-11-08 | 2019-02-15 | 江苏师范大学 | A kind of Free Falling Object And Acceleration of Gravity measuring device based on capacitance sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| UA96904C2 (en) | 2011-12-12 |
| RU2011128560A (en) | 2013-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102853954B (en) | Measuring device of high-temperature superconductive suspension tiny force | |
| US8228762B2 (en) | Magnetic mass-lift impulsive seismic energy source including attracting and repulsing electromagnets | |
| Bolyukh et al. | Concept of an induction-dynamic catapult for a ballistic laser gravimeter | |
| JP2011501636A5 (en) | ||
| RU2491581C2 (en) | Ballistic gravimeter with induction-dynamic drive for symmetrical method of measuring gravitational acceleration | |
| CN108396681A (en) | A kind of gate inhibition's road brake system and its control method quickly through automobile | |
| CN104501654B (en) | A kind of vicarious solenoid decelerator and retarding method | |
| CN111564233A (en) | Particle repeated supporting experimental device and method for vacuum optical tweezers system | |
| Seo et al. | Optimization and performance improvement of an electromagnetic-type energy harvester with consideration of human walking vibration | |
| CN103065761A (en) | Generation device for uniform radial magnetic fields continuously adjustable in magnetic flux density | |
| CN104502207B (en) | Energy storage and resetting device of drop hammer testing machine | |
| CN109667777B (en) | Control part for adjusting and rebalancing rotating speed of magnetic suspension ventilation fan | |
| CN113189452B (en) | GIS latent metal particle detection device based on external vibration excitation | |
| CN110905491B (en) | Automatic braking accurate control type mud pulser for petroleum drilling | |
| RU2498352C1 (en) | Pulsed non-explosive seismic vibrator for water environment | |
| CN106508086B (en) | A kind of distributed electromagnetic mix suspending method floating with liquid | |
| RU2381528C2 (en) | Method of generating seismic waves and device to this end | |
| RU2712839C1 (en) | Device for braking of ballistic pendulum (versions) | |
| CN103901495A (en) | Prestress type falling body prism release apparatus for absolute gravity meter | |
| Bolyukh et al. | Influence of limiting the duration of the armature winding current on the operating indicators of a linear pulse electromechanical induction type converter | |
| Bolyukh et al. | A ballistic laser gravimeter for a symmetrical measurement method with the inductive-dynamic catapult and auto-seismic vibration preventing | |
| CN207573213U (en) | Electromagnetic path device | |
| RU2522143C2 (en) | Non-explosive pulsed surface seismic vibrator with inductive-dynamic drive | |
| RU2192024C1 (en) | Ballistic gravimeter for symmetric way of measurement | |
| RU2785094C1 (en) | Device for high-speed collision of bodies |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20130709 |