RU2242032C1 - Gravity meter - Google Patents

Abstract

FIELD: measuring equipment engineering.

SUBSTANCE: device has sensitive element, position converter, force converter with compensation coil, first resistor, measuring circuit, current source, amplifier as well as second resistor with capacitor, four electronic keys, microprocessor, control device. Current source is connected in parallel to compensation coil, measuring circuit has first and second channels, each of which has analog-digital converter, reverse counter, register.

EFFECT: simplified construction, higher durability, higher precision.

5 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области измерительной техники, а именно к прецизионным измерительным преобразователям для измерения ускорения свободного падения.The present invention relates to the field of measurement technology, and in particular to precision measuring transducers for measuring gravitational acceleration.

Известен гравиметр, содержащий корпус, маятниковый чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, датчик положения, магнитоэлектрический силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель и устройство частичной компенсации силы тяжести [1].A known gravimeter comprising a housing, a pendulum sensing element with the direction of its measuring axis along the free fall acceleration vector, a position sensor, a magnetoelectric power transducer with a permanent magnet on the housing and a compensation coil on the sensing element, an amplifier and a device for partial compensation of gravity [1].

Наиболее близким по технической сущности является гравиметр [2], содержащий корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь магнитоэлектрического типа с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка.The closest in technical essence is a gravimeter [2], containing a housing, a sensing element with the direction of its measuring axis along the free fall acceleration vector, a position transducer, a magnetoelectric type power transducer with a permanent magnet on the housing and a compensation coil on the sensing element, an amplifier, a load with the first resistor, a measuring circuit, a device for partial compensation of gravity with a current source, and to the output of the amplifier are connected in series first resistor and compensation coil.

Недостатками такового гравиметра является несовместимость с устройствами с дискретным преобразованием, усложнение конструкции чувствительного элемента, ограничение вибрационных воздействий.The disadvantages of such a gravimeter are incompatibility with devices with discrete conversion, the complexity of the design of the sensitive element, the limitation of vibration effects.

Техническими результатами изобретения являются обеспечение цифрового выхода сигнала гравиметра, упрощение конструкции чувствительного элемента, повышение устойчивости к вибрационным воздействиям, повышение точности измерения ускорения свободного падения.The technical results of the invention are providing a digital output of the gravimeter signal, simplifying the design of the sensing element, increasing resistance to vibration, improving the accuracy of measuring the acceleration of gravity.

Данные технические результаты достигаются в гравиметре, содержащем корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка, тем, что в нагрузку введены соединенный последовательно с первым резистором второй резистор и подключенный параллельно ему конденсатор, в гравиметр введены первый, второй, третий и четвертый электронные ключи, микропроцессор, устройство управления, источник тока подключен параллельно к компенсационной катушке, измерительная схема имеет первый и второй каналы, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, в каждом канале к выходам аналого-цифрового преобразователя подключены входы реверсивного счетчика, к выходу которого подключен вход данных регистра, выходы регистров обоих каналов соединены шиной с входом микропроцессора, выход нагрузки подключен к входам первого и второго электронных ключей, выход первого электронного ключа подключен к входу третьего электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя первого канала, выход второго электронного ключа подсоединен к входу четвертого электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя второго канала, выходы третьего и четвертого электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра, устройство управления содержит первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое логические устройства И, генератор тактовых импульсов с выходом частотой f₀, делитель частоты с первым выходом частотой f₀/2, с вторым выходом частотой f₀/2², с третьим выходом с частотой f₀/2³, с четвертым выходом с частотой f₀/2^(3+k), с пятым выходом с частотой f₀/2^(4+k), с шестым выходом с частотой f₀/2^(4+k+n), первый, второй, третий и четвертый инверторы, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора, первый выход делителя частоты соединен с входом первого и второго инверторов, с вторыми входами третьего и четвертого логических устройств И, второй выход делителя частоты соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей обоих каналов и с первыми входами пятого и шестого логических устройств И, третий выход делителя частоты подключен к второму входу пятого логического устройства И и к входу третьего инвертора, четвертый выход делителя частоты соединен с третьим входом пятого логического устройства И и с вторым входом шестого логического устройства И, пятый выход делителя частоты подключен к четвертому входу пятого логического устройства И и к третьему входу шестого логического устройства И, шестой выход делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора и к входам управления второго и третьего электронных ключей, выход первого инвертора соединен с вторым входом второго логического устройства И, к четвертому входу пятого логического устройства И подключен выход третьего инвертора, выход шестого логического устройства И соединен с третьими входами второго и четвертого логических устройств И, выход пятого логического устройства И подключен к третьему входу третьего логического устройства И и к второму входу первого логического устройства И, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора, выход четвертого инвертора соединен с управляющим входом первого и четвертого электронных ключей, к четвертым входам второго и четвертого логических устройств И подключен выход считывания из микропроцессора, выход третьего логического устройства И соединен с входами разрешения записи в регистрах первого и второго каналов, выход первого логического устройства И подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков первого и второго каналов, выход шестого логического устройства И подключен к входу запроса прерываний микропроцессора, выход четвертого логического устройства И соединен со входом счета регистра первого канала, выход второго логического устройства И подключен к входу счета регистра второго канала.These technical results are achieved in a gravimeter containing a housing, a sensing element with the direction of its measuring axis along the free fall acceleration vector, a position transducer, a power transducer with a permanent magnet on the housing and a compensation coil on the sensing element, an amplifier, a load with a first resistor, a measuring circuit, a partial gravity compensation device with a current source, and the first resistor and compensation are connected in series to the amplifier output a coil, in that a second resistor connected in series with the first resistor and a capacitor connected in parallel to it are introduced into the load, the first, second, third and fourth electronic keys are introduced into the gravimeter, a microprocessor, a control device, a current source are connected in parallel to the compensation coil, a measuring circuit has the first and second channels, each of which contains an analog-to-digital converter, a reversible counter, a register, in each channel connected to the outputs of the analog-to-digital converter the inputs of the reversible counter, to the output of which the input of the register data is connected, the outputs of the registers of both channels are connected by a bus to the input of the microprocessor, the load output is connected to the inputs of the first and second electronic keys, the output of the first electronic key is connected to the input of the third electronic key and to the input of the analog-to-digital converter the first channel, the output of the second electronic key is connected to the input of the fourth electronic key and to the input of the analog-to-digital converter of the second channel, the outputs of the third and fourth electronic electronic keys are connected to the common bus of the gravimeter, the control device contains the first, second, third, fourth, fifth and sixth logical devices And, a clock pulse generator with an output frequency f ₀ , a frequency divider with a first output frequency f _0/2 , with a second output frequency f _0/2 ² , with a third output with a frequency f _0/2 ³ , with a fourth output with a frequency f _0/2 ^{(3 + k)} , with a fifth output with a frequency f _0/2 ^{(4 + k)} , with a sixth output with a frequency f _0/2 ^{(4 + k + n),} first, second, third and fourth inverters, a clock pulse generator output is connected to the input of divide I frequency, with the first inputs of the first, second, third and fourth logical devices And, with the clock input of the microprocessor, the first output of the frequency divider is connected to the input of the first and second inverters, with the second inputs of the third and fourth logical devices And, the second output of the frequency divider is connected to the clock input of analog-to-digital converters of both channels and with the first inputs of the fifth and sixth logical devices And, the third output of the frequency divider is connected to the second input of the fifth logical device And and to the input of the third about the inverter, the fourth output of the frequency divider is connected to the third input of the fifth logical device And, and the second input of the sixth logical device And, the fifth output of the frequency divider is connected to the fourth input of the fifth logical device And, and to the third input of the sixth logical device And, the sixth output of the frequency divider is connected to the input of the fourth inverter and to the control inputs of the second and third electronic keys, the output of the first inverter is connected to the second input of the second logical device AND, to the fourth input of the fifth of the logical device And the output of the third inverter is connected, the output of the sixth logical device And is connected to the third inputs of the second and fourth logical devices And, the output of the fifth logical device And is connected to the third input of the third logical device And and to the second input of the first logical device And, to the third input of which the output of the second inverter is connected, the output of the fourth inverter is connected to the control input of the first and fourth electronic keys, to the fourth inputs of the second and fourth logical devices And the read output from the microprocessor is connected, the output of the third logical device And is connected to the recording permission inputs in the registers of the first and second channels, the output of the first logical device And is connected to the zeroing inputs of the reverse counters of the first and second channels, the output of the sixth logical device And is connected to the request input interruptions of the microprocessor, the output of the fourth logical device AND is connected to the input of the account register of the first channel, the output of the second logical device And is connected to the input of the account reg Istra of the second channel.

Подключением источника тока к компенсационной катушке, к которой подсоединен первый резистор, обеспечивается упрощение конструкции чувствительного элемента, так как преобразование сигналов гравиметра достигается с помощью одной компенсационной катушки, упрощается схема передачи сигналов на чувствительный элемент.By connecting a current source to the compensation coil, to which the first resistor is connected, the design of the sensitive element is simplified, since the conversion of the gravimeter signals is achieved using one compensation coil, and the signal transmission to the sensor element is simplified.

При включении в нагрузку второго резистора с подключенным параллельно ему конденсатором повышается точность измерения ускорения свободного падения вследствие повышения разрешающей способности гравиметра, обеспечиваемой увеличением падения напряжения на нагрузке. Одновременно с этим повышается устойчивость к вибрационным воздействиям, так как при повышенной амплитуде ускорения вибрации выходной сигнал усилителя остается в линейной зоне вследствие шунтирования конденсатором переменного сигнала, возникающего в нагрузке при вибрационных воздействиях.When a second resistor is included in the load with a capacitor connected in parallel, the accuracy of measuring the acceleration of gravity increases due to an increase in the resolution of the gravimeter, provided by an increase in the voltage drop across the load. At the same time, the resistance to vibration influences, since with an increased amplitude of vibration acceleration, the output signal of the amplifier remains in the linear zone due to shunting of a variable signal by the capacitor arising in the load during vibration influences.

Посредством выполнения измерительной схемы в составе первого и второго каналов, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, введения в гравиметр первого, второго, третьего и четвертого электронных ключей, микропроцессора, устройства управления обеспечивается адаптация гравиметра к устройствам с дискретным преобразованием, так как выходным сигналом гравиметра является код. Одновременно при выполнении измерительной схемы в составе двух каналов повышается точность измерения ускорения свободного падения, так как устраняется погрешность преобразования аналогового сигнала в код.By performing a measuring circuit as part of the first and second channels, each of which contains an analog-to-digital converter, a reversible counter, a register, introducing the first, second, third and fourth electronic keys, a microprocessor, control device into the gravimeter, the gravimeter is adapted to discrete conversion devices , since the output signal of the gravimeter is a code. At the same time, when performing a measuring circuit with two channels, the accuracy of measuring gravitational acceleration increases, since the error in converting the analog signal to code is eliminated.

На фиг.1 представлен общий вид гравиметра, на фиг.2 - чувствительный элемент, на фиг.3 - принципиальная электрическая схема гравиметра с измерительной схемой, на фиг.4 - принципиальная электрическая схема устройства управления, на фиг.5 - циклограммы сигналов гравиметра.In Fig.1 shows a General view of the gravimeter, Fig.2 is a sensitive element, Fig.3 is a circuit diagram of a gravimeter with a measuring circuit, Fig.4 is a circuit diagram of a control device, Fig.5 is a cyclogram of gravimeter signals.

В гравиметре (фиг.1) в корпусе 1 со стойкой 2 установлены чувствительный элемент 3 в виде пластины с параллельными друг другу основными поверхностями 4, 5 и постоянный магнит 6 магнитоэлектрического силового преобразователя. На чувствительном элементе 3 на его основной поверхности 5 в рабочем зазоре магнитоэлектрического силового преобразователя установлена кольцевая компенсационная катушка 7, а на основной поверхности 4 - груз 8.In the gravimeter (figure 1) in the housing 1 with the rack 2 there is a sensing element 3 in the form of a plate with the main surfaces 4, 5 parallel to each other and a permanent magnet 6 of the magnetoelectric power transducer. An annular compensation coil 7 is installed on the sensitive element 3 on its main surface 5 in the working gap of the magnetoelectric power converter, and on the main surface 4 there is a load 8.

Магнитный поток постоянного магнита 6 замыкается через рабочий зазор с компенсационной катушкой 7 и корпус 1.The magnetic flux of a permanent magnet 6 is closed through a working gap with a compensation coil 7 and the housing 1.

На стойке 2 также закреплена плата 9 с неподвижными электродами 10, 11 преобразователя положения емкостного типа. Гравиметр закрыт крышкой 12.On the rack 2, a board 9 with fixed electrodes 10, 11 of the capacitive type position transducer is also fixed. The gravimeter is closed by a cover 12.

Ось 13-13 является измерительной осью гравиметра, и она перпендикулярна основным поверхностям 4, 5 чувствительного элемента 3.Axis 13-13 is the measuring axis of the gravimeter, and it is perpendicular to the main surfaces 4, 5 of the sensing element 3.

В чувствительном элементе 3 (фиг.2) выполнены подвижная рамка 14 и неподвижная рамка 15 с окном 16. Подвижная рамка 14 и неподвижная рамка 15 соединены между собой посредством упругих перемычек 17’, 17’’. Ось изгиба 18-18 упругой перемычки 17’ и ось изгиба 19-19 упругой перемычки 17’’ образуют ось подвеса 20-20 подвижной рамки 14.In the sensing element 3 (FIG. 2), a movable frame 14 and a fixed frame 15 with a window 16 are made. The movable frame 14 and the fixed frame 15 are interconnected by means of elastic jumpers 17 ’, 17’ ’. The axis of bend 18-18 of the elastic bridge 17 ’and the axis of bend 19-19 of the elastic bridge 17’ ’form the axis of the suspension 20-20 of the movable frame 14.

В гравиметре преобразователь положения (фиг.3) по мостовой схеме образован конденсаторами C1, C2 и элементами моста Z1, Z2 и запитывается напряжением U_n переменного тока. Конденсатор C1 образован неподвижным электродом 10 на плате 9 и электропроводной основной поверхностью 4 на чувствительном элементе 3. Конденсатор C2 образован неподвижным электродом 11 и электропроводной основной поверхностью 4. Электропроводная основная поверхность 4 получается при изготовлении чувствительного элемента 3 из электропроводного материала. При изготовлении чувствительного элемента 3 из монокристаллического кремния электропроводность основной поверхности 4 достигается путем легирования кремния бором.In the gravimeter, the position transducer (Fig. 3) is formed by capacitors C1, C2 and bridge elements Z1, Z2 in a bridge circuit and is powered by an alternating current voltage U _n . The capacitor C1 is formed by the fixed electrode 10 on the circuit board 9 and the conductive main surface 4 on the sensing element 3. The capacitor C2 is formed by the fixed electrode 11 and the conductive main surface 4. The conductive main surface 4 is obtained in the manufacture of the sensitive element 3 from an electrically conductive material. In the manufacture of the sensitive element 3 of single-crystal silicon, the electrical conductivity of the main surface 4 is achieved by doping silicon with boron.

Выход преобразователя положения подключен к входу усилителя 21, к выходу которого последовательно подключены компенсационная катушка 7 и нагрузка, содержащая первый резистор R1, второй резистор R2, параллельно которому подключен конденсатор С. Параллельно к компенсационной катушке 7 подключен источник тока 22.The output of the position converter is connected to the input of the amplifier 21, to the output of which a compensation coil 7 and a load containing a first resistor R1, a second resistor R2 are connected in series, a capacitor C is connected in parallel to it. A current source 22 is connected to the compensation coil 7 in parallel.

Выход нагрузки от точки соединения компенсационной катушки 7 с первым резистором R1 подключен к входам первого 23’ и второго 23’’ электронных ключей.The load output from the connection point of the compensation coil 7 with the first resistor R1 is connected to the inputs of the first 23 ’and second 23’ ’electronic keys.

Первый канал измерительной схемы содержит аналого-цифровой преобразователь 24’, реверсивный счетчик 25’, регистр 26’. К выходу первого электронного ключа 23’ подключены вход третьего электронного ключа 23’’’ и вход аналого-цифрового преобразователя 24’, к выходам которого подсоединены входы реверсивного счетчика 25’. Выход реверсивного счетчика 25’ соединен с входом регистра 26’ шиной.The first channel of the measuring circuit contains an analog-to-digital converter 24 ’, a counter 25’, a register 26 ’. The output of the first electronic key 23 ’is connected to the input of the third electronic key 23’ ’’ ’and the input of the analog-to-digital converter 24’, the outputs of which are connected to the inputs of the reverse counter 25 ’. The output of the reverse counter 25 ’is connected to the input of the register 26’ bus.

Второй канал измерительной схемы содержит аналого-цифровой преобразователь 24’’, реверсивный счетчик 25’’, регистр 26’’. Выход второго электронного ключа 23’’ соединен с входом четвертого электронного ключа 28^IV и с входом аналого-цифрового преобразователя 24’’. Выходы аналого-цифрового преобразователя 24’’ соединены с входами реверсивного счетчика 25’’, выход которого соединен шиной с входом регистра 26’’. Выходы третьего 23’’’ и четвертого 23^IV электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра.The second channel of the measuring circuit contains an analog-to-digital converter 24 ", a reverse counter 25", a register 26 ". The output of the second electronic key 23 ″ is connected to the input of the fourth electronic key 28 ^IV and to the input of the analog-to-digital converter 24 ″. The outputs of the 24-inch analog-to-digital converter are connected to the inputs of a 25 ”reverse counter, the output of which is connected by a bus to the input of the 26” register. The outputs of the third 23 '' and fourth 23 ^IV electronic keys are connected to a common bus of the gravimeter.

Выходы регистров 26’, 26’’ соединены шиной с входом микропроцессора 27.The outputs of the registers 26 ’, 26’ ’are connected by a bus to the input of the microprocessor 27.

Устройство управления (фиг.4) содержит генератор 28 тактовых импульсов с выходом F₀ частотой f_o, первое 29’, второе 29’’, третье 29’’’, четвертое 29^IV, пятое 29^V и шестое 29^VI логические устройства И, делитель частоты 30 с первым выходом F₁ частотой f₀/2, с вторым выходом F₂ частотой f₀/2², с третьим выходом F₃ с частотой f₀/2³, с четвертым выходом F₄ с частотой f₀/2^(3+k), с пятым выходом F₅ с частотой f₀/2^(4+k), с шестым выходом F₆ с частотой f₀/2^(4+k+n), первый 31’, второй 31’’, третий 31’’’ и четвертый 31^IV инверторы. Выход F₀ генератора 28 тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты 30, с первыми входами первого 29’, второго 29’’, третьего 29’’’ и четвертого 29^IV логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора 27. Первый выход F₁ делителя частоты 30 соединен с входом первого 31’ и второго 31’’ инверторов, с вторыми входами третьего 29’’’ и четвертого 29^IV логических устройств И, второй выход F₂ делителя частоты 30 соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей 24’, 24" и с первыми входами пятого 29^V и шестого 29^VI логических устройств И. Третий выход F₃ делителя частоты 30 подключен к второму входу пятого логического устройства И 29^V и к входу третьего инвертора 31’’’, четвертый выход F₄ делителя частоты 30 соединен с третьим входом пятого логического устройства И 29^V и с вторым входом шестого логического устройства И 29^VI. Пятый выход F₅ делителя частоты 30 подключен к четвертому входу пятого логического устройства И 29^V и к третьему входу шестого логического устройства И 29^VI, шестой выход F₆ делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора 31^IV и к входам управления второго 23’’ и третьего 23^IV электронных ключей. Выход первого инвертора 31’ соединен с вторым входом второго логического устройства И 29’’. К четвертому входу пятого логического устройства И 29^V подключен выход третьего инвертора 31’’’, выход шестого логического устройства И 29^VI соединен с третьими входами второго 29’’ и четвертого 29^VI логических устройств И. Выход пятого логического устройства И 29^V подключен к третьему входу третьего логического устройства И 29’’’ и к второму входу первого логического устройства И 29’, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора 31’’. Выход F₇ четвертого инвертора 31^IV соединен с управляющим входом первого 23’ и четвертого 23^IV электронных ключей. К четвертым входам второго 29’’ и четвертого 29^IV логических устройств И подключен выход F₁₄ считывания из микропроцессора 27. Выход F₉ третьего логического устройства И 29’’’ соединен с входами разрешения записи в регистрах 26’, 26’’. Выход F₁₀ первого логического устройства И 29’ подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков 25’, 25’’. Выход F₁₁ шестого логического устройства И 29^VI подключен к входу запроса прерывания микропроцессора 27. Выход F₁₂ четвертого логического устройства И 29^IV соединен с входом счета регистра 26’ первого канала, выход F₁₃ второго логического устройства И 29’’ подключен к входу счета регистра 26’’ второго канала.The control device (figure 4) contains a clock generator 28 with an output F _{0 of} frequency f _o , the first 29 ', the second 29'', the third 29''', the fourth 29 ^IV , fifth 29 ^V and sixth 29 ^VI logic devices AND frequency divider 30 with a first output F _{1 with a} frequency f _0/2 , with a second output F _{2 with a} frequency f _0/2 ² , with a third output F ₃ with a frequency f _0/2 ³ , with a fourth output F ₄ with a frequency f _0/2 ^{(3 + k)} , with the fifth output F ₅ with a frequency f _0/2 ^{(4 + k)} , with the sixth output F ₆ with a frequency f _0/2 ^{(4 + k + n)} , the first 31 ', the second 31'' , third 31 '''and fourth 31 ^IV inverters. The output F _{0 of} the clock generator 28 is connected to the input of the frequency divider 30, with the first inputs of the first 29 ', second 29'', third 29''' and fourth 29 ^IV logic devices AND, with the clock input of microprocessor 27. First output F _{1 of the} divider frequency 30 is connected to the input of the first 31 'and second 31''inverters, with the second inputs of the third 29''and fourth 29 ^IV logic devices AND, the second output F _{2 of} the frequency divider 30 is connected to the clock input of the analog-to-digital converters 24', 24 "and to the first inputs of the fifth 29, sixth 29 ^V and ^VI I. The third logical device you od F ₃ frequency divider 30 is connected to the second input of the fifth logic device and 29 ^V and to the input of the third inverter 31 ''', F ₄ fourth output of the frequency divider 30 is connected to the third input of the fifth logic device and 29 ^V and with a second input of the sixth logic device And 29 ^VI . The fifth output F _{5 of} the frequency divider 30 is connected to the fourth input of the fifth logical device And 29 ^V and to the third input of the sixth logical device And 29 ^VI , the sixth output F _{6 of} the frequency divider is connected to the input of the fourth inverter 31 ^IV and to the control inputs of the second 23 '' and third th 23 ^IV electronic keys. The output of the first inverter 31 'is connected to the second input of the second logical device AND 29 ". The output of the third inverter 31 ″ is connected to the fourth input of the fifth logical device And 29 ^V , the output of the sixth logical device And 29 ^{VI is} connected to the third inputs of the second 29 ″ and fourth 29 ^VI logic devices I. The output of the fifth logical device And 29 ^{V is} connected to the third input of the third logical device And 29 '''and to the second input of the first logical device And 29', to the third input of which the output of the second inverter 31 '' is connected. The output F _{7 of the} fourth inverter 31 ^{IV is} connected to the control input of the first 23 'and fourth 23 ^IV electronic keys. To the fourth inputs of the second 29 ″ and fourth 29 ^IV logical devices AND is connected the readout output F ₁₄ from the microprocessor 27. The output F _{9 of the} third logical device AND 29 ″ is connected to the write enable inputs in the registers 26 ′, 26 ″. The output F _{10 of the} first logical device AND 29 'is connected to the zeroing inputs of the reverse counters 25', 25 ''. The output F _{11 of the} sixth logical device AND 29 ^{VI is} connected to the input of the interrupt request of the microprocessor 27. The output F _{12 of the} fourth logical device AND 29 ^{IV is} connected to the input of the account register 26 'of the first channel, the output F _{13 of the} second logical device AND 29''is connected to the input of the account 26 '' register of the second channel.

Делитель частоты 30 может быть выполнен в виде нескольких последовательно соединенных делителей частоты на 2.The frequency divider 30 can be made in the form of several series-connected frequency dividers by 2.

Гравиметр работает следующим образом. Его устанавливают так, чтобы измерительная ось 13-13 гравиметра была направлена по вектору ускорения свободного падения. Сила тока источника тока 22 выбрана такой, чтобы создаваемая этим током в силовом преобразователе сила полностью или частично компенсировала силу тяжести. Изменение ускорения свободного падения приводит к изменению силы тяжести и появлению сигнала на выходе преобразователя положения. После усиления сигнала преобразователя положения в усилителе 21 проходящим с выхода усилителя 21 через компенсационную катушку 7 током на первом резисторе R1 и втором резисторе R2 создается напряжение U_a, являющееся мерой изменения ускорения свободного падения.The gravimeter works as follows. It is set so that the measuring axis 13-13 of the gravimeter is directed along the acceleration vector of gravity. The current strength of the current source 22 is selected such that the force created by this current in the power converter completely or partially compensates for the force of gravity. The change in gravitational acceleration leads to a change in gravity and the appearance of a signal at the output of the position transducer. After amplifying the signal of the position transducer in the amplifier 21, the voltage U _a , which is a measure of the change in the acceleration of gravity, is generated by the current passing from the output of the amplifier 21 through the compensation coil 7 by the current on the first resistor R1 and the second resistor R2.

Так как посредством подключенного к компенсационной катушке 7 источника тока 22 компенсируется часть силы тяжести, то изменение ускорения свободного падения вызывает изменение напряжения U_a, максимальное значение которого близко к максимальному выходному напряжению усилителя 21. Поэтому повышается точность измерения ускорения свободного падения вследствие повышения разрешающей способности гравиметра. При вибрационных воздействиях часть переменной составляющей напряжения U_a шунтируется посредством конденсатора С. Поэтому на долю постоянной составляющей напряжения U_a остается большая часть выходного напряжения усилителя 21.Since a part of gravity is compensated by means of a current source 22 connected to the compensation coil 7, a change in the gravitational acceleration causes a change in the voltage U _a , the maximum value of which is close to the maximum output voltage of the amplifier 21. Therefore, the accuracy of measuring the gravitational acceleration is increased due to an increase in the resolution of the gravimeter . During vibrational influences, a part of the alternating voltage component U _{a is} shunted by the capacitor C. Therefore, _a large part of the output voltage of the amplifier 21 remains on the DC component of the voltage U _a .

Сигнал частотой f_o на выходе F₀ (фиг.5, б) генератора тактовых импульсов 28 в делителе частоты 30 преобразуется так, что на его выходе F₆ (фиг.5, д) и на выходе F₇ (фиг.5, ж) четвертого инвертора 31^IV получаются импульсы частотой f_o/2^(4+k+n). В результате первый 23’ и четвертый 23^IV электронные ключи замыкаются, а второй 23’’ и третий 23’’’ электронные ключи размыкаются.A signal of frequency f _o at the output F ₀ (FIG. 5, b) of the clock generator 28 in the frequency divider 30 is converted so that at its output F ₆ (FIG. 5, e) and at the output F ₇ (FIG. 5, g ) of the fourth inverter 31 ^IV , pulses of frequency f _o / 2 ^{(4 + k + n)} are obtained. As a result, the first 23 'and fourth 23 ^IV electronic keys are closed, and the second 23''and third 23''' electronic keys are opened.

Напряжение U_a (фиг.5, а) нагрузки усилителя 21 через замкнутый первый электронный ключ 23’ подается на вход аналого-цифрового преобразователя 24’, где преобразуется в частотно-импульсный сигнал с частотой f_ацп1:The voltage U _a (Fig. 5 a) of the load of the amplifier 21 is supplied through the closed first electronic switch 23 'to the input of the analog-to-digital converter 24', where it is converted into a pulse-frequency signal with a frequency f _ADC1 :

где К - коэффициент преобразования аналого-цифрового преобразователя 24’;where K is the conversion coefficient of the analog-to-digital Converter 24 ’;

U₀₁ - приведенный к входу собственный сигнал аналого-цифрового преобразователя 24’.U ₀₁ - reduced to the input own signal of the analog-to-digital Converter 24 '.

Реверсивный счетчик 25’ преобразует сигнал, поступающий с выхода аналого-цифрового преобразователя 24’, в количество импульсовReversible counter 25 ’converts the signal from the output of the analog-to-digital converter 24’ into the number of pulses

где t₁ - интервал времени счета, определяемый частотой F₈ (фиг.5, г) на выходе пятого логического устройства И 29^V:where t ₁ is the counting time interval determined by the frequency F ₈ (Fig. 5, g) at the output of the fifth logical device AND 29 ^V :

где W_a, W₀₁ - количество импульсов, определяемое сигналами U_a и U₀₁ соответственно.where W _a , W ₀₁ is the number of pulses determined by the signals U _a and U _01, respectively.

По сигналу с выхода F₉ (фиг.5, и) третьего логического устройства И 29’’’ содержимое реверсивного счетчика 25’ переписывается в регистр 26’, преобразуясь в код:According to the signal from the output F ₉ (Fig. 5, and) of the third logical device AND 29 ″ ″, the contents of the reverse counter 25 ′ are copied to the register 26 ′, being converted into the code:

где N_a, N₀₁ - код, определяемый количеством импульсов W_a и W₀₁ соответственно.where N _a , N ₀₁ is the code determined by the number of pulses W _a and W _01, respectively.

По сигналу с выхода F₁₀ (фиг.5, к) первого логического устройства И 29’ производится обнуление реверсивного счетчика 25’.According to the signal from the output F ₁₀ (Fig. 5, k) of the first logical device AND 29 ', the reverse counter 25' is zeroed.

По получении сигнала запроса прерывания с выхода F₁₁ (фиг.5, л) шестого логического устройства И 29^VI микропроцессор 27 с выхода f₁₄ (фиг.5, м) подает сигнал на считывание на входы четвертого логического устройства И 29^IV и второго логического устройства И 29’’. По сигналу с выхода F₁₂ (фиг.5, н) четвертого логического устройства И 29^IV производится считывание кода N₁ из регистра 26’ в микропроцессор 27. В микропроцессоре 27 суммируются коды N₁ в интервале времени от 0 до t₂ Upon receipt of the interrupt request signal from the output F ₁₁ (Fig. 5, l) of the sixth logical device AND 29 ^{VI, the} microprocessor 27 from the output f ₁₄ (Fig. 5, m) supplies a read signal to the inputs of the fourth logical device And 29 ^IV and the second logical And 29 '' devices. The signal from the output F ₁₂ (Fig. 5, n) of the fourth logical device AND 29 ^IV reads code N ₁ from register 26 'into microprocessor 27. In microprocessor 27, codes N ₁ are summed in the time interval from 0 to t ₂

При этом в микропроцессоре 27 производится накопление кода N $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{’}}{\text{с1}}$ первого каналаThus in the microprocessor 27 is the accumulation of code N $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{''}}{\text{s1}}$ first channel

В момент времени t₂ первый электронный ключ 23’ и четвертый электронный ключ 23^IV становятся разомкнутыми, а второй 23 и третий 23’’’ электронные ключи становятся замкнутыми. Поэтому за интервал времени счета t₁ реверсивный счетчик 25’ и подсчитывает W₀₁ количество импульсов, определяемое сигналом U₀₁, а в регистре 26’ формируется код N₀₁. В интервале времени от t₂ до t₃, равном интервалу времени от 0 до t₂, в микропроцессоре 27 производится накопление кода

первого каналаAt time t _{2, the} first electronic key 23 'and the fourth electronic key 23 ^IV become open, and the second 23 and third 23 "" electronic keys become closed. Therefore, for the counting time interval t _{1, the} reverse counter 25 'and counts W _{01 the} number of pulses determined by the signal U ₀₁ , and the code N ₀₁ is generated in the register 26'. In the time interval from t ₂ to t ₃ equal to the time interval from 0 to t ₂ in the microprocessor 27 is the accumulation of code

first channel

В интервале времени от t₂ до t₃ подаваемый на вход аналого-цифрового преобразователя 24’’ сигнал преобразуется в частотно-импульсный с частотой f_ацп2:In the time interval from t ₂ to t _{3 the} signal supplied to the input of the analog-to-digital converter 24 '' is converted into a pulse-frequency signal with a frequency f _ADC2 :

где U₀₂ - приведенный к входу собственный сигнал аналого-цифрового преобразователя 24’’.where U ₀₂ is the eigen signal of the 24-inch analog-to-digital converter brought to the input.

Количество импульсов W₂ за интервал времени счета t₁ на выходе реверсивного счетчика 25’’:The number of pulses W ₂ for the counting time interval t ₁ at the output of a 25 '' counter:

где W₀₂ - количество импульсов, определяемых сигналом U_02. Содержимое реверсивного счетчика 25’’ преобразуется в регистре 26’’ в код:where W ₀₂ - the number of pulses determined by the signal U _{02. The} contents of the reverse counter 25 "is converted in the register 26" into the code:

где N₀₂ - код, определяемый количеством импульсов W₀₂.where N ₀₂ is the code determined by the number of pulses W ₀₂ .

Операции обнуления реверсивного счетчика 25’’, записи в регистр 26’’ второго канала производятся аналогично операциям в первом канале.The operations of resetting the reverse counter 25 ’’, writing to the register 26 ’’ of the second channel are performed similarly to operations in the first channel.

Считывание кода N₂ регистра 26’’ в микропроцессор 27 производится по сигналу выхода F₁₃ (фиг.5, п) второго логического устройства И 29’’.Reading the code N _{2 of the} register 26 "into the microprocessor 27 is made according to the output signal F ₁₃ (Fig.5, p) of the second logical device And 29".

В микропроцессоре 27 производится накопление кода

второго канала:The microprocessor 27 is the accumulation of code

second channel:

В интервале времени от 0 до t₂ в микропроцессоре 27 производится накопление кода

второго канала:In the time interval from 0 to t ₂ in the microprocessor 27 is the accumulation of code

second channel:

В микропроцессоре 27 вычисляется код N_g изменения ускорения свободного падения.In the microprocessor 27, the code N _{g of the} change in the acceleration of gravity is calculated.

Посредством произведенного процесса обработки информации в гравиметре устраняется погрешность определения изменения ускорения свободного падения при преобразовании аналогового сигнала в код.By means of the information processing process in the gravimeter, the error in determining the change in the acceleration of gravity when converting an analog signal to a code is eliminated.

При калибровке гравиметра производится точное измерение части ускорения свободного падения, компенсируемого сигналом от источника тока 22. Код скомпенсированной части ускорения свободного падения может быть записан в микропроцессоре 27. Этот код вместе с кодом N_g измерения ускорения свободного падения позволяет определить полную величину ускорения свободного падения.When calibrating the gravimeter, an exact part of the gravitational acceleration is compensated, which is compensated by the signal from the current source 22. The code of the compensated part of the gravitational acceleration can be recorded in the microprocessor 27. This code, together with the code N _{g for} measuring the gravitational acceleration, allows you to determine the full value of the gravitational acceleration.

Источники информацииSources of information

1. Патент РФ №2096813, кл. G 01 V 7/02, 7/04, 7/12, Гравиметр, 1996 г.1. RF patent No. 2096813, cl. G 01 V 7/02, 7/04, 7/12, Gravimeter, 1996

2. Авторское свидетельство СССР №575596, кл. G 01 V 7/04. Устройство для измерения силы тяжести, 1977 г.2. Copyright certificate of the USSR No. 575596, cl. G 01 V 7/04. Gravity device, 1977

Claims (1)

Гравиметр, содержащий корпус, чувствительный элемент с направлением его измерительной оси по вектору ускорения свободного падения, преобразователь положения, силовой преобразователь с постоянным магнитом на корпусе и компенсационной катушкой на чувствительном элементе, усилитель, нагрузку с первым резистором, измерительную схему, устройство частичной компенсации силы тяжести с источником тока, причем к выходу усилителя подключены последовательно соединенные первый резистор и компенсационная катушка, отличающийся тем, что в нагрузку введены соединенный последовательно с первым резистором второй резистор и подключенный параллельно ему конденсатор, в гравиметр введены первый, второй, третий и четвертый электронные ключи, микропроцессор, устройство управления, источник тока подключен параллельно к компенсационной катушке, измерительная схема имеет первый и второй каналы, каждый из которых содержит аналого-цифровой преобразователь, реверсивный счетчик, регистр, в каждом канале к выходам аналого-цифрового преобразователя подключены входы реверсивного счетчика, к выходу которого подключен вход данных регистра, выходы регистров обоих каналов соединены шиной с входом микропроцессора, выход нагрузки подключен к входам первого и второго электронных ключей, выход первого электронного ключа подключен к входу третьего электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя первого канала, выход второго электронного ключа подсоединен к входу четвертого электронного ключа и к входу аналого-цифрового преобразователя второго канала, выходы третьего и четвертого электронных ключей соединены с общей шиной гравиметра, устройство управления содержит первое, второе, третье, четвертое, пятое и шестое логические устройства И, генератор тактовых импульсов с выходом частотой f_о, делитель частоты с первым выходом частотой f_о/2, с вторым выходом частотой f_о/2², с третьим выходом с частотой f_о/2³, с четвертым выходом с частотой f_о /2^(з+k), с пятым выходом с частотой f_о/2^(4+k), с шестым выходом с частотой f_о/2^(4+k+n), первый, второй, третий и четвертый инверторы, выход генератора тактовых импульсов соединен с входом делителя частоты, с первыми входами первого, второго, третьего и четвертого логических устройств И, с тактовым входом микропроцессора, первый выход делителя частоты соединен с входом первого и второго инверторов, с вторыми входами третьего и четвертого логических устройств И, второй выход делителя частоты соединен с тактовым входом аналого-цифровых преобразователей обоих каналов и с первыми входами пятого и шестого логических устройств И, третий выход делителя частоты подключен к второму входу пятого логического устройства И и к входу третьего инвертора, четвертый выход делителя частоты соединен с третьим входом пятого логического устройства И и с вторым входом шестого логического устройства И, пятый выход делителя частоты подключен к четвертому входу пятого логического устройства И и к третьему входу шестого логического устройства И, шестой выход делителя частоты подключен к входу четвертого инвертора и к входам управления второго и третьего электронных ключей, выход первого инвертора соединен с вторым входом второго логического устройства И, к четвертому входу пятого логического устройства И подключен выход третьего инвертора, выход шестого логического устройства И соединен с третьими входами второго и четвертого логических устройств И, выход пятого логического устройства И подключен к третьему входу третьего логического устройства И и к второму входу первого логического устройства И, к третьему входу которого подключен выход второго инвертора, выход четвертого инвертора соединен с управляющим входом первого и четвертого электронных ключей, к четвертым входам второго и четвертого логических устройств И подключен выход считывания из микропроцессора, выход третьего логического устройства И соединен с входами разрешения записи в регистрах первого и второго каналов, выход первого логического устройства И подключен к входам обнуления реверсивных счетчиков первого и второго каналов, выход шестого логического устройства И подключен к входу запроса прерываний микропроцессора, выход четвертого логического устройства И соединен со входом счета регистра первого канала, выход второго логического устройства И подключен к входу счета регистра второго канала.A gravimeter comprising a housing, a sensing element with a direction of its measuring axis along the gravity acceleration vector, a position transducer, a permanent magnet power transducer on the housing and a compensation coil on the sensing element, an amplifier, a load with a first resistor, a measuring circuit, a partial gravity compensation device with a current source, and the first resistor and a compensation coil connected in series to the output of the amplifier, characterized in that in the load the second resistor connected in series with the first resistor and the capacitor connected in parallel to it are introduced, the first, second, third and fourth electronic keys, the microprocessor, the control device, the current source are connected in parallel to the compensation coil, the measuring circuit has the first and second channels, each of which contains an analog-to-digital converter, a reversible counter, a register, in each channel the inputs of a reversible counter are connected to the outputs of an analog-to-digital converter, to the output of which the input of the register data is connected, the outputs of the registers of both channels are connected by a bus to the microprocessor input, the load output is connected to the inputs of the first and second electronic keys, the output of the first electronic key is connected to the input of the third electronic key and to the input of the analog-to-digital converter of the first channel, the output of the second the electronic key is connected to the input of the fourth electronic key and to the input of the analog-to-digital converter of the second channel, the outputs of the third and fourth electronic keys are connected to the common her gravimeter bus, the control device contains the first, second, third, fourth, fifth and sixth logical devices And, a clock pulse generator with an output frequency f _o , a frequency divider with a first output frequency f _o / 2, with a second output frequency f _o / 2 ^2, a third output with a frequency f _o / 2 ³ with the fourth output at a frequency f _o / 2 ^{(h + k),} a fifth output with a frequency f _o / 2 ^{(4 + k),} with a sixth output at a frequency f _of / 2 ^{(4 + k + n)} , the first, second, third and fourth inverters, the output of the clock generator is connected to the input of the frequency divider, with the first inputs the first, second, third and fourth logical devices AND, with a clock input of the microprocessor, the first output of the frequency divider is connected to the input of the first and second inverters, with the second inputs of the third and fourth logical devices And, the second output of the frequency divider is connected to the clock input of analog-to-digital converters both channels and with the first inputs of the fifth and sixth logical devices And, the third output of the frequency divider is connected to the second input of the fifth logical device And and to the input of the third inverter, fourth output the frequency divider is connected to the third input of the fifth logical device And, and the second input of the sixth logical device And, the fifth output of the frequency divider is connected to the fourth input of the fifth logical device And, the sixth output of the frequency divider And, the sixth output of the frequency divider is connected to the input of the fourth inverter and to the control inputs of the second and third electronic keys, the output of the first inverter is connected to the second input of the second logical device AND, to the fourth input of the fifth logical device And sub The output of the third inverter is output, the output of the sixth logical device AND is connected to the third inputs of the second and fourth logical devices AND, the output of the fifth logical device AND is connected to the third input of the third logical device AND and to the second input of the first logical device AND, to the third input of which the output of the second inverter, the output of the fourth inverter is connected to the control input of the first and fourth electronic keys, to the fourth inputs of the second and fourth logical devices And the output of the counts is connected from the microprocessor, the output of the third logical device And is connected to the recording permission inputs in the registers of the first and second channels, the output of the first logical device And is connected to the zeroing inputs of the reversing counters of the first and second channels, the output of the sixth logical device And is connected to the input of the microprocessor interrupt request, output the fourth logical device AND is connected to the input of the register account of the first channel, the output of the second logical device And is connected to the input of the register account of the second channel.

Images