RU2175773C1 - Gravity variometer - Google Patents

Abstract

FIELD: development of means measuring gradients of gravitational field. SUBSTANCE: structure of gravity variometer includes rocker with weights and ferromagnetic spherical armature located in tight case, stator of contactless suspension of rocker in the form of controlled electromagnet with coil, core and cylindrical magnetic circuit, electrostatic torque generators, optical angle-data transmitter and rocker position pickup with reference to case. In this case ferromagnetic armature is located inside electromagnet in zone embraced by magnetic circuit of contactless suspension over value of its diameter as minimum. Such design excludes scattering of magnetic field across armature and uncertainty of interaction of magnetic fields formed by weighting of rocker with parameters of suspension and magnetic system as whole is approximated to ideal circuit of " point " suspension. EFFECT: increased precision and reliability of gravitational variometer. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области точного приборостроения и может быть использовано при разработке и создании средств измерения градиентов гравитационного поля. The invention relates to the field of precision instrumentation and can be used in the development and creation of means for measuring the gradients of the gravitational field.

Известна конструкция гравитационного вариометра [1], чувствительный элемент которого содержит коромысло, выполненное в виде стержня с закрепленными на концах грузами. В центре коромысло подвешено на тонкой крутильной нити (торсионе). Недостатком всех модификаций (более 20) гравитационных вариометров с торсионным подвесом является невысокая точность, сложность изготовления, низкая надежность, неудовлетворительные массогабаритные характеристики. A known design of the gravitational variometer [1], the sensitive element of which contains a beam made in the form of a rod with loads fixed at the ends. In the center, the beam is suspended on a thin torsional thread (torsion). The disadvantage of all modifications (more than 20) of gravity variometers with torsion suspension is low accuracy, manufacturing complexity, low reliability, and unsatisfactory weight and size characteristics.

Известна более современная конструкция гравитационного вариометра [2], в котором коромысло с грузами на концах и сферическим ферромагнитным якорем, зафиксированным на коромысле так, что геометрический центр якоря лежит на вертикальной оси симметрии коромысла, вывешено в электромагнитном подвесе. В конструкции предусмотрены оптические датчики угла, датчики положения и система автоматического регулирования тока в электромагните. Статор бесконтактного подвеса коромысла представляет собой соосный коромыслу осесимметричный управляемый электромагнит с катушкой и сердечником, заключенными в цилиндрический магнитопровод. В составе прибора статор размещен непосредственно над сферическим якорем. A more modern design of the gravitational variometer is known [2], in which the beam with loads at the ends and a spherical ferromagnetic armature, fixed on the beam so that the geometric center of the armature lies on the vertical axis of symmetry of the beam, is hung in an electromagnetic suspension. The design includes optical angle sensors, position sensors and an automatic current control system in an electromagnet. The stator of the non-contact suspension of the rocker arm is an axisymmetric controlled electromagnet coaxial to the rocker arm with a coil and core enclosed in a cylindrical magnetic circuit. As part of the device, the stator is placed directly above the spherical anchor.

Недостатками данной конструкции являются:
1) невысокая надежность вариометра, связанная с низкими вакуумными характеристиками, поскольку в герметизируемом корпусе размещены практически все основные элементы - коромысло, статор подвеса, датчики и т.д. Наличие в составе статора подвеса различного рода компаундов, клеевых и электроизолирующих элементов с органическими составляющими очевидным образом не позволяет обеспечить стабильный уровень разрежения внутри корпуса в процессе эксплуатации прибора;
2) сравнительно низкая точность гравитационного вариометра, обусловленная характером формирования магнитного поля в подвесе с открытым магнитопроводом. В этой конструкции магнитное поле взаимодействует достаточно эффективно только с верхней, обращенной в сторону электромагнита, частью сферического якоря. В остальной части якоря имеет место рассеивание магнитного поля, неопределенность в его распределении и характере влияния на параметры подвеса, что приводит к взаимодействию с якорем внешних магнитных полей, а также полей создаваемых элементами конструкции прибора, материалы которых содержат ферромагнитные примеси.The disadvantages of this design are:
1) the low reliability of the variometer associated with low vacuum characteristics, since almost all the main elements - the beam, the suspension stator, sensors, etc. are placed in the sealed housing. The presence in the stator of the suspension of various kinds of compounds, adhesive and electrical insulating elements with organic components in the obvious way does not allow to ensure a stable level of rarefaction inside the housing during operation of the device;
2) the relatively low accuracy of the gravitational variometer due to the nature of the formation of the magnetic field in a suspension with an open magnetic circuit. In this design, the magnetic field interacts quite efficiently only with the upper, facing the electromagnet, part of the spherical armature. In the rest of the armature, there is a dispersion of the magnetic field, uncertainty in its distribution and the nature of the effect on the suspension parameters, which leads to the interaction with the armature of external magnetic fields, as well as fields created by the structural elements of the device, the materials of which contain ferromagnetic impurities.

В качестве прототипа по наибольшему числу общих существенных признаков принят гравитационный вариометр [3], содержащий установленное в герметичном корпусе коромысло с грузами, жестко зафиксированный на коромысле ферромагнитный сферический якорь, центр которого лежит на вертикальной оси симметрии коромысла, расположенный снаружи корпуса статор бесконтактного подвеса коромысла в виде соосного ему осесимметричного управляемого электромагнита с катушкой, сердечником и цилиндрическим магнитопроводом, электростатические датчики угла, оптические датчики момента и датчик положения коромысла относительно корпуса. Рабочая поверхность сердечника выполнена в виде сферы с центром, расположенным на оси электромагнита и смещенным в сторону, противоположную якорю. В данном случае устраняется указанный для предыдущего аналога недостаток, связанный с низкими вакуумными характеристиками, однако имеет место невысокая точность и малая надежность гравитационного вариометра, что обусловлено;
- неопределенностью взаимосвязи магнитных полей, формируемых в процессе взвешивания коромысла, с параметрами подвеса, поскольку не весь объем якоря находится в зоне электромагнита;
- рассеиванием магнитного поля со стороны якоря, противоположной электромагниту.As a prototype, according to the largest number of common essential features, a gravity variometer [3] was adopted, containing a rocker arm with loads placed in the sealed housing, a ferromagnetic spherical armature rigidly fixed on the rocker arm, the center of which lies on the vertical axis of symmetry of the rocker arm, and the stator of the rocker arm in the form of an axisymmetric controlled electromagnet coaxial with a coil, core and cylindrical magnetic core, electrostatic angle sensors, pticheskie sensors torque and position sensor of the rocker relative to the body. The working surface of the core is made in the form of a sphere with a center located on the axis of the electromagnet and offset to the side opposite to the anchor. In this case, the drawback indicated for the previous analogue is eliminated, which is associated with low vacuum characteristics, however, there is low accuracy and low reliability of the gravitational variometer, which is due to;
- the uncertainty of the relationship of the magnetic fields generated during the weighing of the rocker arm with the suspension parameters, since not the entire volume of the armature is in the area of the electromagnet;
- dispersion of the magnetic field from the side of the armature opposite the electromagnet.

Целью изобретения является повышение точности и надежности гравитационного вариометра. The aim of the invention is to improve the accuracy and reliability of the gravitational variometer.

Согласно изобретению, указанная цель достигается тем, что на корпусе выполнен цилиндрический карман, а на коромысле предусмотрена гнездовая выемка, расположенная внутри указанного кармана, снаружи которого установлен цилиндрический магнитопровод статора бесконтактного подвеса, ферромагнитный якорь зафиксирован в упомянутой выемке и размещен в зоне, охватываемой магнитопроводом, по меньшей мере на величину своего диаметра. According to the invention, this goal is achieved by the fact that a cylindrical pocket is made on the housing, and a nesting recess is provided on the beam, located inside the specified pocket, on the outside of which there is a cylindrical magnetic circuit of the stator of the non-contact suspension, the ferromagnetic armature is fixed in the said recess and placed in the area covered by the magnetic circuit, at least the size of its diameter.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором обозначены:
1 - коромысло, включающее гнездовую выемку с базовой посадочной поверхностью и жестко связанные, или выполненные заодно целое с гнездовой выемкой консольные элементы;
2 - ферромагнитный сферический якорь из сплава 81 НМА, жестко зафиксированный на базовой посадочной поверхности в гнездовой выемке коромысла 1 с размещением геометрического центра якоря на вертикальной оси симметрии коромысла 1;
3 - грузы, укрепленные на концах консольных элементов коромысла 1 посредством сварки или пайки;
4 - корпус из тонкостенного немагнитного материала, в котором размещается коромысло 1 с грузами 3 и якорем 2 и конфигурация которого соответствует конфигурации коромысла 1, в частности, корпус 4 содержит центральный цилиндрический карман, в котором полностью устанавливается гнездовая выемка коромысла 1 со сферическим якорем 2;
5 - крышка корпуса 4, привариваемая к нему на стадии сборки и герметизации вариометра;
6 - сердечник осесимметричного управляемого электромагнита бесконтактного подвеса коромысла 1 с якорем 2 и грузами 3, размещенный снаружи корпуса 4 с совпадением оси сердечника 6 и оси вертикальной симметрии коромысла 1;
7 - катушка электромагнита;
8 - цилиндрический магнитопровод электромагнита;
9 - датчик положения для управления вывешиванием коромысла 1 в подвесе;
10 - оптические датчики угла для измерения колебания коромысла 1 вокруг трех ортогональных осей;
11 - электростатические датчики момента для управления движением коромысла 1 в азимуте.The invention is illustrated in the drawing, on which are indicated:
1 - a rocker arm including a nesting recess with a basic seating surface and rigidly connected, or cantilevered elements integral with the nesting recess;
2 - ferromagnetic spherical anchor from an alloy of 81 NMA, rigidly fixed on the base landing surface in the nesting recess of the rocker arm 1 with the geometric center of the armature on the vertical axis of symmetry of the rocker arm 1;
3 - loads, fixed at the ends of the cantilever elements of the rocker arm 1 by welding or soldering;
4 - a housing made of thin-walled non-magnetic material in which the beam 1 with loads 3 and the anchor 2 is placed and the configuration of which corresponds to the configuration of the beam 1, in particular, case 4 contains a central cylindrical pocket in which the recess of the beam 1 with the spherical anchor 2 is fully installed;
5 - the cover of the housing 4, welded to it at the stage of assembly and sealing of the variometer;
6 - the core of the axisymmetric controlled electromagnet of the non-contact suspension of the rocker arm 1 with the armature 2 and weights 3, placed outside the housing 4 with the coincidence of the axis of the core 6 and the axis of vertical symmetry of the rocker 1;
7 - coil of an electromagnet;
8 - a cylindrical magnetic circuit of an electromagnet;
9 - position sensor for controlling the hanging of the rocker 1 in the suspension;
10 - optical angle sensors for measuring the vibration of the beam 1 around three orthogonal axes;
11 - electrostatic torque sensors for controlling the movement of rocker 1 in azimuth.

Функционирует гравитационный вариометр представленной конструкции следующим образом. The gravitational variometer of the presented design functions as follows.

На катушку 7 электромагнита посредством соответствующей системы коммутации (не показана) подается электрическое напряжение постоянного тока, что обеспечивает реализацию бесконтактного подвеса коромысла 1 с якорем 2 и грузами 3 за счет формирования магнитного поля, создающего тяговую силу для уравновешивания коромысла 1. An electric voltage of direct current is supplied to the coil 7 of the electromagnet through an appropriate switching system (not shown), which ensures the implementation of the non-contact suspension of the beam 1 with armature 2 and loads 3 due to the formation of a magnetic field that creates traction force to balance the beam 1.

Представленная конструкция вариометра предусматривает размещение якоря 2 в зоне, охватываемой цилиндрическим магнитопроводом 8 по меньшей мере на величину своего диаметра. Это достигается выполнением длины магнитопровода 8 большей, чем длина сердечника 6 и катушки 7, с образованием со стороны магнитопровода 8, обращенной к коромыслу 1, цилиндрической полости в составе электромагнита, в которой размещается карман корпуса 4 с находящимся в нем якорем 2. При этом конфигурация коромысла 1 должна предусматривать смещение консольных элементов коромысла 1 относительно базовой посадочной поверхности гнездовой выемки на требуемую величину, заведомо большую чем диаметр якоря 2, вдоль вертикальной оси симметрии коромысла 1, чтобы обеспечить условие расположения якоря 2 в зоне, охватываемой цилиндрическим магнитопроводом 8 статора подвеса, как это показано на чертеже. The presented design of the variometer provides for the placement of the armature 2 in the area covered by the cylindrical magnetic circuit 8 by at least the size of its diameter. This is achieved by making the length of the magnetic circuit 8 longer than the length of the core 6 and the coil 7, with the formation on the side of the magnetic circuit 8 facing the beam 1 of a cylindrical cavity in the composition of the electromagnet, which houses the pocket of the housing 4 with the anchor 2 in it. the rocker arm 1 should provide for the offset of the cantilever elements of the rocker arm 1 relative to the base landing surface of the nesting recess by the required value, obviously larger than the diameter of the armature 2, along the vertical axis of symmetry of the rocker arm la 1, to ensure the condition of the location of the armature 2 in the area covered by the cylindrical magnetic circuit 8 of the suspension stator, as shown in the drawing.

Очевидной является необходимость согласования геометрических параметров коромысла 1, корпуса 4 и магнитопровода 8 исходя из реального значения диаметра сферического якоря 2, а именно:
1) превышение внутренним диаметром цилиндрической гнездовой выемки коромысла 1 и глубиной (высотой) этой выемки величины диаметра ферромагнитного сферического якоря 2;
2) превышение внутренним диаметром центрального цилиндрического кармана корпуса 4 величины наружного диаметра гнездовой выемки коромысла 1; а также большее значение глубины этого кармана по сравнению с высотой (наружной части) указанной выемки;
3) превышение внутренним диаметром цилиндрического магнитопровода 8 наружного диаметра центрального цилиндрического кармана корпуса 4, а также выполнение высоты магнитопровода заведомо большей суммы величин длины сердечника 7 с катушкой 6 и высоты указанного выше цилиндрического кармана корпуса 4.The obvious is the need to coordinate the geometric parameters of the rocker arm 1, housing 4 and the magnetic circuit 8 based on the real value of the diameter of the spherical armature 2, namely:
1) the inner diameter of the cylindrical recess of the rocker arm exceeds 1 and the depth (height) of this recess exceeds the diameter of the ferromagnetic spherical armature 2;
2) excess of the inner diameter of the Central cylindrical pocket of the housing 4, the value of the outer diameter of the nesting recess rocker 1; as well as a greater depth value of this pocket compared to the height (outer part) of the indicated recess;
3) excess of the inner diameter of the cylindrical magnetic circuit 8 of the outer diameter of the central cylindrical pocket of the housing 4, as well as the height of the magnetic circuit of a larger sum of the lengths of the core 7 with the coil 6 and the height of the above cylindrical pocket of the housing 4.

Очевидно, что перечисленные конструктивные факторы в совокупности однозначно позволяют обеспечить условие размещения якоря 2 в зоне, охватываемой магнитопроводом 8, по меньшей мере на величину своего диаметра. It is obvious that the above structural factors together unambiguously make it possible to ensure the condition for placing the armature 2 in the area covered by the magnetic circuit 8, at least by the size of its diameter.

Однако возможен вариант конструкции прибора, когда в поперечной плоскости (перпендикулярной указанной оси симметрии) диаметр зоны охвата, т.е. диаметр внутреннего цилиндра магнитопровода 8 превышает наружный диаметр цилиндрического кармана корпуса 4 и перечисленные выше факторы в целом выполняются, но якорь 2 при этом может находиться в зоне, охватываемой магнитопроводом 8, например, только на 2/3 своего диаметра (в направлении, совпадающем с вертикальной осью симметрии коромысла 1). Отсюда следует, что помимо существенных признаков, характеризующих взаиморасположение конструктивных элементов гравитационного вариометра, основным является отличительный признак, определяющий ориентацию якоря относительно магнитопровода. However, a design variant of the device is possible when in the transverse plane (perpendicular to the indicated axis of symmetry) the diameter of the coverage zone, i.e. the diameter of the inner cylinder of the magnetic circuit 8 exceeds the outer diameter of the cylindrical pocket of the housing 4 and the above factors are generally satisfied, but the anchor 2 can be in the area covered by the magnetic circuit 8, for example, only 2/3 of its diameter (in the direction coinciding with the vertical the axis of symmetry of the beam 1). It follows that in addition to the essential features characterizing the relative position of the structural elements of the gravitational variometer, the main feature is the distinguishing feature that determines the orientation of the armature relative to the magnetic circuit.

Таким образом, совокупность отличительных признаков с учетом взаиморасположения основных элементов вариометра обеспечивает как необходимые, так и достаточные условия для достижения поставленной цели изобретения - повышения точности и надежности гравитационного вариометра. Thus, the set of distinctive features, taking into account the relative positions of the main elements of the variometer, provides both necessary and sufficient conditions to achieve the set goal of the invention - to improve the accuracy and reliability of the gravitational variometer.

Предлагаемая конструкция магнитной системы в максимально возможной степени приближена к идеальной схеме "точечного" подвеса, где якорь располагается внутри электромагнита и его взаимодействие с другими источниками магнитного поля полностью отсутствуют. The proposed design of the magnetic system as close as possible to the ideal scheme of "point" suspension, where the armature is located inside the electromagnet and its interaction with other sources of the magnetic field are completely absent.

Функционирование прибора осуществляется в автоматическом режиме, что обеспечивается использованием электростатических датчиков момента 11, являющихся основными элементами в автокомпенсационной схеме измерений гравитационного момента, и автоколлимационных датчиков 10 углов колебаний вывешенного коромысла 1, включенных в систему управления его движением (не показана) как элементы обратной связи. The device operates in automatic mode, which is ensured by the use of electrostatic moment sensors 11, which are the main elements in the self-compensation scheme for measuring the gravitational moment, and auto-collimation sensors 10 of the angles of oscillation of the suspended rocker 1, included in its motion control system (not shown) as feedback elements.

При этом исключается рассеивание магнитного поля на якоре и неопределенность взаимосвязи магнитных полей, формируемых в процессе взвешивания коромысла, с параметрами подвеса, поскольку весь объем якоря находится в зоне электромагнита. This eliminates the dispersion of the magnetic field at the anchor and the uncertainty of the relationship of the magnetic fields generated during the weighing of the rocker arm with the suspension parameters, since the entire volume of the armature is in the area of the electromagnet.

Технико-экономические преимущества заявляемого устройства по сравнению с базовым объектом, характеризующим существующий уровень техники и совпадающим в данном случае с прототипом, заключается в повышении точности и надежности гравитационного вариометра. Technical appraisal and economic advantages of the claimed device in comparison with the base object, characterizing the current level of technology and coinciding in this case with the prototype, is to improve the accuracy and reliability of the gravitational variometer.

Экспериментальная проверка подтвердила эффективность предложенного технического решения, и в настоящее время разрабатывается техническая документация для серийного производства гравитационных вариометров данной конструкции. An experimental verification confirmed the effectiveness of the proposed technical solution, and technical documentation is being developed for the mass production of gravitational variometers of this design.

Литература
1. Юзефович А.П., Огородов Л.В. Гравиметрия. М.: Наука, 1980 г.Literature
1. Yuzefovich A.P., Ogorodov L.V. Gravimetry M.: Science, 1980.

2 Вольфсон Г.Б., Скалон А.И. О классе точности элементной базы в автокомпенсационных схемах вариационных вариометров. - Судостроительная промышленность, сер. Навигация и гироскопия. - 1991. - Вып. 1, с. 38-51. 2 Wolfson G.B., Skalon A.I. On the accuracy class of the element base in self-compensation schemes of variational variometers. - Shipbuilding industry, ser. Navigation and gyroscopy. - 1991. - Vol. 1, p. 38-51.

3. Вольфсон Г.Б., Воробьев А.И., Денисов Г.Г. Экспериментальная оценка пороговой чувствительности гравитационного вариометра с электромагнитным подвесом - Гироскопия и навигация, 1995, N 2, с. 30 - 39. 3. Wolfson G. B., Vorobev A. I., Denisov G. G. An experimental assessment of the threshold sensitivity of a gravitational variometer with an electromagnetic suspension - Gyroscopy and navigation, 1995, N 2, p. 30 - 39.

Claims (1)

Гравитационный вариометр, содержащий установленное в герметичном корпусе коромысло с грузами, жестко зафиксированный на коромысле ферромагнитный сферический якорь, центр которого расположен на вертикальной оси симметрии коромысла, статор бесконтактного подвеса коромысла в виде соосного ему осесимметричного управляемого электромагнита с катушкой, сердечником и цилиндрическим магнитопроводом, электростатические датчики момента, оптические датчики угла и датчик положения коромысла относительно корпуса, при этом электромагнит размещен вне герметичного корпуса, а рабочая поверхность сердечника выполнена в виде сферы с центром, расположенным на оси электромагнита и смещенным в сторону, противоположную якорю, отличающийся тем, что на корпусе выполнен цилиндрический карман, а на коромысле предусмотрена гнездовая выемка, расположенная внутри указанного кармана, снаружи которого установлен цилиндрический магнитопровод статора бесконтактного подвеса, ферромагнитный якорь зафиксирован в упомянутой выемке и размещен в зоне, охватываемой магнитопроводом, по меньшей мере на величину своего диаметра. Gravity variometer, containing a rocker arm with loads, a ferromagnetic spherical armature rigidly fixed on the rocker arm, the center of which is located on the vertical axis of symmetry of the rocker arm, a stator of non-contact suspension of the rocker arm in the form of an axisymmetric controlled electromagnet coaxial with the coil, core, and cylindrical magnetic circuit torque, optical angle sensors and a beam position sensor relative to the housing, while the electromagnet puppy outside the sealed housing, and the working surface of the core is made in the form of a sphere with a center located on the axis of the electromagnet and shifted to the side opposite to the anchor, characterized in that a cylindrical pocket is made on the housing, and on the beam there is a socket recess located inside the specified pocket, outside of which a cylindrical magnetic circuit of the stator of the non-contact suspension is installed, the ferromagnetic anchor is fixed in the aforementioned recess and placed in the area covered by the magnetic circuit, at least re by the size of its diameter.