Патент на изобретение №2253138

(54) ГРАВИМЕТР

(57) Реферат:

Использование: при проведении высокоточных измерений силы тяжести или ее приращений. Сущность: гравиметр содержит корпус с размещенными в нем упругим элементом, пробной массой, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов. Упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины и выполнен с заданным соотношением размеров. Технический результат: увеличение точности и стабильности измерений гравиметра. 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области гравитационных измерений, в частности к конструкциям гравиметрических устройств, и может быть использовано при проведении высокоточных измерений силы тяжести или ее приращений.

Известен гравиметр, содержащий упругую систему, основу которой составляет главная спиральная пружина, пробную массу и отсчетное устройство (К.Е.Веселов “Гравитационная съемка”, Москва, “Недра” 1986 г., стр.25-26) – аналог.

Однако данный гравиметр имеет недостаточную стабильность и точность из-за большого временного дрейфа показаний, что характерно для спиральных пружин, в которых материал испытывает деформацию сдвига.

Известен гравиметр, содержащий упругий элемент в виде двух ленточных закрученных горизонтальных торсионных пружин, пробную массу и устройство для регистрации и обработки результатов измерений (К.Е.Веселов “Гравитационная съемка”, Москва, “Недра” 1986 г., стр.51-52) – прототип.

Данный гравиметр также имеет недостаточную стабильность и точность из-за низкой жесткости ленточных пружин в горизонтальной плоскости, что приводит к неконтролируемым горизонтальным смещениям пробной массы в условиях неустранимой микросейсмики.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение точности и стабильности измерений гравиметра.

Для достижения указанного технического результата в гравиметре, содержащем корпус с размещенными в нем упругим элементом, пробной массой, устройством регистрации смещения пробной массы и системой обработки результатов, один конец упругого элемента установлен неподвижно относительно корпуса гравиметра, а другой закреплен с возможностью перемещения относительно него и соединен с пробной массой, при этом упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины и выполнен со следующим соотношением размеров L/H10, L/hmin100, L/bmin30, где

L – длина плоской пружины,

Н – расстояние между плоскими пружинами по высоте упругого элемента,

hmin – минимальная толщина плоской пружины,

bmin – минимальная высота плоской пружины.

В гравиметре по упругий элемент может быть выполнен из кварца.

В гравиметре упругий элемент может быть выполнен из металла, например из элинварового сплава.

Гравиметр, в котором упругий элемент может быть выполнен в виде призмы.

Гравиметр, в котором упругий элемент может быть выполнен из нескольких элементов, соединенных между собой при помощи сварки.

Гравиметр, в котором ширина упругого элемента может быть выполнена переменной по его длине.

Гравиметр, в котором высота упругого элемента может быть выполнена переменной по его длине.

В гравиметре пробная масса может состоять из двух частей, расположенных по разные стороны от упругого элемента.

В гравиметре упругий элемент и пробная масса могут быть расположены в термостатированном корпусе.

В гравиметре термостат может быть выполнен, по меньшей мере, двухступенчатым.

В гравиметре устройство регистрации смещения пробной массы может быть выполнено в виде гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.

В гравиметре по упругий элемент может быть расположен в корпусе из материала с теплопроводностью не меньше 100 Дж/с×м.

В гравиметре система обработки результатов может быть выполнена в виде вычислительного устройства.

Устройство иллюстрируется чертежами на фиг.1-6.

На фиг.1 показана общая схема гравиметра, пробная масса которого выполнена в виде одного элемента.

На фиг.2 – общая схема гравиметра с пробной массой, размещенной по обе стороны упругого элемента.

На фиг.3 – упругий элемент гравиметра, толщина и высота упругих пружин которого постоянна по длине.

На фиг.4 – вид А на фиг.3.

На фиг.5 – упругий элемент гравиметра, толщина и высота упругих пружин которого переменна по его длине.

На фиг.6 – вид Б на фиг.3.

Гравиметр содержит корпус 1 с размещенными в нем упругим элементом 2, имеющим заявляемые размеры, и пробной массой 3, устройство регистрации смещения пробной массы и систему обработки результатов 4. В гравиметре один конец упругого элемента 2 может быть установлен неподвижно относительно корпуса 1 гравиметра, а другой закреплен с возможностью перемещения относительно него и соединен с пробной массой 3. В гравиметре пробная масса 3 может быть как выполнена в виде одного элемента, так и состоять из двух частей, расположенных по разные стороны от упругого элемента 2.

В случае, если устройство для регистрации смещения пробной массы 3 выполнено в виде лазерного гетеродинного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, оно может быть расположено как внутри корпуса 1, так и за его пределами, и выполнено состоящим, например, из трех частей. Первая из которых расположена вне корпуса 1 (I), вторая – расположена в корпусе 1 и установлена неподвижно относительно него (II), а третья – расположена в корпусе 1 и выполнена с возможностью перемещения относительно части гетеродинного лазерного измерителя перемещений, неподвижно установленного в корпусе 1 (III).

Часть (I) состоит из лазера 5, оптического частотного модулятора 6, установленного вдоль оси лазера 5 и подключенного к задающему генератору 7, фотоприемника 8, установленного на выходе сигнала со светоделителя 9, поляризатора 10 и фазометра 11, на опорный вход которого подается сигнал с задающего генератора 7, а на измерительный вход – сигнал с фотоприемника 8, причем выход фазометра подключен к вычислительному устройству 4.

Часть (II) состоит из зеркальной призмы 12, установленной между уголковыми отражателями 13 и 14, и двулучепреломляющей призмы 15.

Часть (III) состоит из уголковых отражателей 13 и 14, причем для достижения оптимального результата вершины уголковых отражателей могут располагаться, по меньшей мере, в одной из вертикальных плоскостей симметрии упругого элемента 2.

В корпусе 1 выполнено окно для прохождения сигнала гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, а сам корпус 1 размещен в термостате 16.

Заявляемая форма упругого элемента и соотношения его размеров обусловлены следующим.

В заявляемом гравиметре упругая система является неастазированной, а как известно, неастазированные гравиметры имеют механическую чувствительность на несколько порядков ниже, чем астазированные гравиметры.

Для достижения необходимой чувствительности и точности неастазированных гравиметров упругая система должна иметь достаточно высокую жесткость в направлении неизмеряемых смещений, то есть представлять собой, по возможности, одностепенную колебательную систему. Так как материал упругого элемента в гравиметрах имеет высокие упругие свойства, такая колебательная система имеет малое собственное демпфирование. При воздействии микросейсмики возбуждаются сильные колебания не только в вертикальном направлении, но и других. Это приводит к случайному перераспеределению энергии колебаний между степенями свободы упругой колебательной системы, к расширению спектра частот выходного сигнала регистратора смещения пробной массы, что затрудняет обработку этого сигнала, а значит и к снижению точности измерений.

Этот принципиальный недостаток неастазированных гравиметров можно устранить выбором конфигурации упругого элемента и соотношения его размеров. Заявляемые конфигурации, в частности то, что упругий элемент выполнен плоским, и размеры упругого элемента позволяют устранить данный недостаток и улучшить точность и стабильность результатов измерений гравиметра.

Если ввести правую прямоугольную систему координат: начало “О” в центре жесткости упругого элемента, совпадающем с его центром симметрии, ось O-Z направлена вниз вдоль вектора силы тяжести, O-X перпендикулярна вертикальной плоскости упругого элемента, O-Y направлена по продольной оси упругого элемента.

Полное смещение z пробной массы в поле тяжести напряженностью гравитационного поля g или полный прогиб упругого элемента дается формулой

где М – значение пробной массы, включая массу части упругого элемента, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса,

L – длина плоской пружины,

g – напряженность гравитационного поля (ускорение свободного падения),

Е – модуль Юнга материала упругого элемента,

b – ширина плоской пружины,

h – высота плоской пружины,

J – момент инерции сечения плоской пружины. Следовательно, жесткость К_z упругого элемента в направлении оси O-Z равна

Жесткость К_х упругого элемента в направлении оси O-X равна

для случая боковой силы, приложенной примерно в центре жесткости (что имеет место для предлагаемого изобретения), и

для случая боковой силы, приложенной к подвижной части упругого элемента.

Жесткость G_oy упругого элемента на кручение вокруг оси O-Y для предлагаемого изобретения дается формулой

где M_y – момент силы вокруг оси O-Y,

у – угол закручивания подвижной части упругого элемента вокруг оси O-Y.

где М – значение пробной массы, включая массу части упругого элемента, выполненную с возможностью перемещения относительно корпуса,

L – длина плоской пружины,

Е – модуль Юнга материала упругого элемента,

b – ширина плоской пружины,

h – высота плоской пружины.

Для достижения оптимального результата упругий элемент может быть выполнен из материала, обладающего малым несовершенством упругости, высокой стабильностью упругих характеристик и высокими упругими и термомеханическими характеристиками, такими как, например, механическая и усталостная прочность. К таким материалам относятся, например, кварц или металл, например элинваровый сплав.

Например, кварц имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения, а элинваровый сплав еще и низкий коэффициент термоэластичности, т.е. его модуль упругости не зависит от температуры.

Высота и толщина упругого элемента могут быть выполнены как постоянной по его длине, так и переменной. В случае если эти величины постоянны по длине пружины, h min и bmin будут равняться b и h, т.е. высоте и толщине пружины.

Пробная масса может быть выполнена в виде одного или нескольких, например двух, элементов. Заявляемый технический результат будет достигнут и в том и в другом случае. Однако оптимальный технический результат будет достигаться в следующих случаях:

– если пробная масса выполнена в виде одного элемента и ее центр масс совпадает с центром жесткости упругого элемента,

– если пробная масса выполнена из двух одинаковых частей, расположенных симметрично относительно центра жесткости упругого элемента, так как в этом случае уменьшается чувствительность устройства регистрации пробной массы к крутильным смещениям упругого элемента относительно оси O-Y.

Пробная масса и упругий элемент могут быть выполнены в виде отдельных деталей, причем упругий элемент может быть механически соединен с пробной массой и выполнен с возможностью перемещения относительно последней. Однако не исключена возможность того, что в гравиметре упругий элемент может быть жестко соединен с пробной массой, или упругий элемент и пробная масса могут быть выполнены в виде одной детали, причем варианты реализации различных конструкций соединения пробной массы и упругого элемента определяются только технологичностью гравиметра и его конструкцией.

В гравиметре упругий элемент и пробная масса расположены в термостатированном корпусе, причем для достижения оптимальных результатов измерений его выполняют из материала с теплопроводностью не меньше 100 Дж/с×м.

Гравиметр работает следующим образом.

Приращение силы тяжести g вызывает изменение веса пробной массы 3, что приводит к деформации упругого элемента 2 по оси O-Z, и, как следствие, к появлению оптической разности хода лазерного гетеродинного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос, что вызывает разность фаз между опорным и измеряемым сигналом, который измеряется фазометром 11. По измеренной разности фаз и известной цене деления гравиметра, определяемой предварительной градиуровкой, в вычислительном устройстве 4 определяют g.

Пример:

Испытывали гравиметры

1. С кварцевым упругим элементом со следующими размерами: L=120 мм, Н=50 мм, b=12 мм, h=1 мм.

2. С упругим элементом из элинварового сплава со следующими размерами: L=120 мм, Н=45 мм, b=10 мм, h=0,7 мм,

в результате в обоих случаях было установлено, что минимальное приращение силы тяжести, которое можно зарегистрировать, т.е. отношение g/g5×10^-9, подтверждает высокие характеристики гравиметра с заявленным упругим элементом.

Формула изобретения

1. Гравиметр, содержащий корпус, с размещенными в нем упругим элементом, пробной массой, устройством регистрации смещения пробной массы и системой обработки результатов, при этом один конец упругого элемента установлен неподвижно относительно корпуса гравиметра, а другой закреплен с возможностью перемещения относительно него и соединен с пробной массой, отличающийся тем, что упругий элемент содержит, по меньшей мере, две плоские пружины и выполнен со следующим соотношением размеров L/H10, L/hmin100, L/bmin30,

где L – длина плоской пружины;

Н – расстояние между плоскими пружинами по высоте упругого элемента;

hmin – минимальная толщина плоской пружины;

bmin – минимальная высота плоской пружины.

2. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из кварца.

3. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из металла.

4. Гравиметр по п.3, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из элинварового сплава.

5. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен в виде призмы.

6. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент выполнен из нескольких элементов, соединенных между собой при помощи сварки.

7. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что ширина упругого элемента выполнена переменной по его длине.

8. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что высота упругого элемента выполнена переменной по его длине.

9. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что пробная масса состоит из двух частей, расположенных по разные стороны от упругого элемента.

10. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент и пробная масса расположены в термостатированном корпусе.

11. Гравиметр по п.10, отличающийся тем, что термостат выполнен, по меньшей мере, двухступенчатым.

12. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что устройство регистрации смещения пробной массы выполнено в виде гетеродинного лазерного измерителя перемещений с реверсивным счетом интерференционных полос.

13. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что упругий элемент расположен в корпусе из материала с теплопроводностью не меньше 100 Дж/с·м.

14. Гравиметр по п.1, отличающийся тем, что система обработки результатов выполнена в виде вычислительного устройства.

РИСУНКИ

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 29.11.2005

Извещение опубликовано: 27.01.2007 БИ: 03/2007