RU79343U1 - Универсальное устройство для измерения гравитационной постоянной - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области метрологии и может быть использована при уточнении значения фундаментальной физической константы - гравитационной постоянной. Техническая задача заключается в уменьшении погрешности измерений гравитационной постоянной за счет ослабления дестабилизирующих факторов, связанных с микросейсмами, неравновесными потоками разреженного газа и присутствием оператора при выборе следующей позиции с использованием двух вариантов измерений. Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержит помещенные в термостат и установленные на общем основании вакуумированные 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 шаровой массы на различных расстояниях от грузов коромысла. При этом узлы перемещения и фиксации имеют дополнительную линейку, подхватывающую шаровую массу секторами круглых отверстий, и электропривод, перемещающий притягивающие массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее циклически в обоих направлениях либо вдоль линии равновесия коромысла крутильных весов, либо в перпендикулярном к ней направлении, во втором случае первая позиция размещается на линии равновесия весов в непосредственной близости от груза коромысла, а вторая обеспечивает получение максимума периода крутильных колебаний.

Description

Полезная модель относится к области метрологии, а именно, к измерению гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами.

Известна установка для измерения гравитационной постоянной [1] (а.с. №492837, G01V 7/00, 1974 г.), содержащая установленные на общем основании вакуумированные 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.

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, обусловленного, прежде всего, влиянием микросейсм, амплитудные и частотные характеристики которых изменяются во времени. Дрейф вызывают и температурные флуктуации, 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.

Наиболее близкой по своей технической сущности к заявляемому объекту является установка для измерения гравитационной постоянной [2] (Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Агафонов Н.И., Кочерян Э.Г. Тараканов Ю.А. Об определении гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Изв. АН СССР, Физика Земли, №5, 1976, с.106-111), содержащая установленные на общем основании вакуумированные 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.

Недостаток такой установки заключается в том, что перемещение шаровой массы из одного установочного отверстия на другое осуществляется оператором вручную, что приводит к ухудшению стабильности работы весов вследствие нарушения установившегося теплового режима и затрудняет проведение длительных непрерывных измерений. Установка не позволяет автоматизировать процесс перемещения шаровой притягивающей массы, что уменьшает производительность и увеличивает погрешность измерений.

Технической задачей заявленного решения является уменьшение погрешности измерений гравитационной постоянной за счет ослабления дестабилизирующих факторов, связанных с микросейсмами, неравновесными потоками разреженного газа и присутствием оператора при выборе следующей позиции с использованием двух вариантов измерений путем поворота на 90 градусов узлов фиксации и перемещения притягивающих масс вокруг вертикальных осей, проходящих через центры отверстий, на которых массы фиксируются в ближнем к весам положении.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве притягивающие массы сначала юстируют на двух позициях, расположенных на линии равновесия коромысла. При этом коромысло должно сохранять положение равновесия. Затем узлы перемещения и фиксации поворачивают на 90 градусов вокруг вертикальных осей, проходящих через центры первых отверстий. Первая позиция сохраняет свое положение. Вторая позиция выбирается по максимуму периода колебаний, при этом также должно сохраняться положение равновесия весов. Притягивающие массы перемещаются циклически в обоих направлениях. В первом варианте целесообразно использовать одну промежуточную позицию. Во втором лучше этого не делать, т.к. время измерения увеличивается, а производная периода по смещению позиции вдоль фиксирующего узла достигает в ней максимального значения. Устройство предусматривает измерения с равными по величине шаровыми притягивающими массами, что позволяет сохранить положение равновесия весов.

Отличительные признаки заявляемого устройства не имеют сходных признаков в известных решениях и являются полностью новыми.

Циклическое перемещение притягивающих шаровых масс в обоих направлениях способствует уменьшению погрешностей измерений, обусловленных воздействием микросейсм на точку подвеса крутильных весов. Разность периодов колебаний при измерениях на выбранных позициях во втором варианте превосходит аналогичную разность при измерениях в первом. При этом шаровые массы переносятся на более короткие расстояния, что упрощает работу систем перемещения и фиксации. Наличие двух вариантов способствует устранению систематических погрешностей, связанных с определением взаимного положения взаимодействующих тел.

Возможность достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения ясна из вышесказанного и подтверждается результатами проведенных измерений гравитационной постоянной.

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 - шаровые притягивающие массы, 12 - узлы для перемещения и фиксации шаровых притягивающих масс, 13 - платформа для крепления установки, 14 - источник света, 15 - фотоприемники, 16 - компаратор, 17 - компьютер, θ - угол между направлением притягивающей массы на ось вращения весов и линией равновесия коромысла.

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 котором 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. Антенна 9, расположенная под коромыслом с грузами, обеспечивает протекание тока высокой частоты величиной порядка 5 МГц 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. Шаровые притягивающие массы 11 фиксируются на круглых отверстиях узлов 12. Вся установка устанавливается на жесткой платформе 13. Источник света 14 направляет на зеркало весов 8 через стеклянное окно камеры 1 луч света, который после отражения от зеркала выходит обратно и проходит мимо двух фотоприемников 15. Колоколообразные импульсы с фотодиодов 15 подаются на компаратор 16. При определенной амплитуде компаратор опрокидывается. Его сигналы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 17, 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 заданных позициях компьютер формирует сигнал на включение электропривода и задает время, в течение которого он не может быть выключен. Если позиция не была промежуточной, подается также сигнал на включение реверса. Выключение двигателей осуществляется кнопочным выключателем 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. Переход с одного варианта измерений на другой осуществляется поворотом на 90 градусов узлов 12.

Пример. Предлагаемое устройство было реализовано в вакуумированных крутильных весах с периодом колебаний 1676, 5 с. Использовались стальные шаровые притягивающие массы диаметром 101,6 мм и латунные массы диаметром 122 мм. Фиксирующие узлы, имеющие 10 круглых отверстий диаметром 13 мм, разворачивались на 90 градусов по отношению к линии равновесия коромысла в противоположные стороны. При размещении притягивающих масс на первой ближней к весам позиции проводилась юстировка по азимуту, при которой весы сохраняли положение равновесия. Затем шаровые массы перемещались на вторую дальнюю позицию, где вновь проверялось сохранение положения равновесия. Вторая позиция во втором варианте измерений, на которой достигался максимум периода колебаний весов, оказалась на четвертом установочном отверстии. В этом случае расположение притягивающих шаров на дальней позиции приводит к образованию угла θ между направлением на ось вращения весов и линией равновесия коромысла, на ближней позиции данный угол равен нулю. Наличие угла θ приводит к усложнению аналитических формул. На стальных массах величиной 4282,544 г при фиксации их на ближней к весам позиции период составлял 1619,1 во втором варианте в дальней позиции период возрастал до 1683,2 с. На латунных массах величиной 7981,292 г периоды составляли соответственно 1587,3 и 1682,7 с. 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.

Claims (1)

1. Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержащее помещенные в термостат и установленные на общем основании вакуумированные крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленном 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 шаровой массы на различных расстояниях от грузов коромысла, отличающееся тем, что узлы перемещения и фиксации имеют дополнительную линейку, подхватывающую шаровую массу секторами круглых отверстий, и электропривод, перемещающий притягивающие массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее, циклически в обоих направлениях, либо вдоль линии равновесия коромысла крутильных весов, либо в перпендикулярном к ней направлении, во втором случае первая позиция размещается на линии равновесия весов в непосредственной близости от груза коромысла, а вторая обеспечивает получение максимума периода крутильных колебаний.