RU2370794C1 - Gravity metre - Google Patents

Abstract

FIELD: instrument making.

SUBSTANCE: gravimetre comprises body 1 with mount frame 2 rigidly fixed on it 2. In mount frame 2 on elastic threads 3, metering frame 4 is suspended, in which on elastic threads 5 pendulum 6 is suspended with levers 7 and 8. Lower ends of the main 9 and additional 10 main springs are connected to pendulum 6 by means of levers, accordingly, 7 and 8, and their upper ends are fixed on mount frame 2 by means of technological rod 11. Thermoelastic coefficients of the main 9 and additional 10 main springs are equal and opposite in sign. Elastic moments of main 9 and additional 10 main springs of gravimetre are equal. Photoelectric transducer 12 consists of screen 13 with rectangular opening 14 in centre of screen 13, differential photocell 15 and light diode 16. Lower end of range spring 18 by means of lever 19 and lower end of measurement spring 20 by means of lever 21 are connected to measurement frame 4. Upper ends of range spring 18 and measurement spring 20 are connected, accordingly, to bellows devices 22 and 23.

EFFECT: improved accuracy of measurements.

1 dwg

Description

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для регистрации относительных изменений ускорения силы тяжести.The invention relates to geophysical instrumentation and can be used to register relative changes in the acceleration of gravity.

Известен гравиметр для изменения ускорения силы тяжести, включающий корпус, чувствительную кварцевую систему, состоящую из маятника с зеркалом, подвешенного на горизонтальных нитях в измерительной рамке с измерительной и диапазонной пружинами, главную пружину, фотоэлектрический преобразователь дополнительной упругой системы, состоящую из горизонтально расположенного маятника, подвешенного в монтажной рамке, и связанную с чувствительной кварцевой системой, термостат, отсчетное устройство и регистратор (см. а.с. СССР №775703, G01V 7/02, 1980).A known gravimeter for changing the acceleration of gravity, including a housing, a sensitive quartz system, consisting of a pendulum with a mirror suspended on horizontal threads in a measuring frame with measuring and range springs, a main spring, a photoelectric transducer of an additional elastic system, consisting of a horizontally located pendulum suspended in the mounting frame, and connected with a sensitive quartz system, thermostat, reading device and recorder (see AS USSR No. 775703, G01V 7/02, 1980).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния градиентов температуры в корпусе гравиметра и дрейфа нульпункта.The disadvantage of this gravimeter is the low accuracy of the measurements due to the influence of temperature gradients in the body of the gravimeter and the drift of the null point.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является гравиметр, включающий корпус с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях подвешена измерительная рамка, маятник с зеркалом, главную, измерительную, диапазонную и дополнительную деформированную пружины и регистратор (а.с. СССР 1099302, кл. G01V 7/02, 1984).The closest in technical essence to the present invention is a gravimeter comprising a housing with a mounting frame rigidly fixed on it, in which a measuring frame, a pendulum with a mirror, a main, measuring, range and additional deformed springs and a recorder are suspended on horizontally elastic threads. S. USSR 1099302, class G01V 7/02, 1984).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния изменений температурных градиентов в корпусе гравиметра.The disadvantage of this gravimeter is the low accuracy of the measurements due to the influence of changes in temperature gradients in the body of the gravimeter.

Техническим результатом является повышение точности измерений за счет исключения влияния температуры в корпусе гравиметра на его показания путем компенсации термоэластического коэффициента главной пружины гравиметра, меняющего упругую силу пружины в связи с изменением температуры.The technical result is to increase the accuracy of measurements by eliminating the influence of temperature in the body of the gravimeter on its readings by compensating for the thermoelastic coefficient of the main spring of the gravimeter, which changes the elastic force of the spring due to temperature changes.

Технический результат достигается в гравиметре, включающем монтажную рамку, подвешенную на нитях измерительную рамку, в которой на горизонтально расположенных упругих нитях подвешен маятник, вертикально расположенные главную, диапазонную и измерительную пружины, фотоэлектрический преобразователь, дополнительную главную пружину, расположенную параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, при этом верхние концы основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня закреплены на монтажной рамке, а нижний конец дополнительной главной пружины - с маятником, упругие моменты основной и дополнительной главных пружин равны, а нити подвеса маятника закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, при этом величина угла закручивания нитей зависит от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника.The technical result is achieved in a gravimeter including a mounting frame, a measuring frame suspended on threads, in which a pendulum is suspended on horizontally located elastic threads, a main, range and measuring springs, a photoelectric transducer, an additional main spring parallel to the main one, with thermoelastic coefficient, are suspended equal and opposite in sign to the thermoelastic coefficient of the main main spring, while the upper ends of the main and additional of the main springs by means of a technological rod are fixed on the mounting frame, and the lower end of the additional main spring with the pendulum, the elastic moments of the main and additional main springs are equal, and the threads of the pendulum suspension are twisted counterclockwise in the vertical plane relative to the measuring frame towards the range and measuring springs while the value of the angle of twisting of the threads depends on the length of the threads of the suspension of the pendulum and the period of natural oscillations of the pendulum.

Отличительными признаками предлагаемого гравиметра являются дополнительная главная пружина, расположенная параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, закрепление верхних концов основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня на монтажной рамке, а нижнего конца дополнительной главной пружины - с маятником, равенство упругих моментов основной и дополнительной главных пружин, закручивание нитей подвеса маятника в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, зависимость величины угла закручивания нитей от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника. Дополнительная главная пружина позволяет исключить влияние термоэластического коэффициента основной главной пружины за счет того, что она имеет такой же термоэластический коэффициент, но противоположного знака, и такой же упругий момент, происходит полная компенсация влияния температуры на показания гравиметра. Закрепление верхних концов основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня на монтажной рамке и нижнего конца дополнительной главной пружины с маятником позволяет закрепить пружины параллельно и в одной плоскости для исключения вариаций температурного градиента на основную и дополнительную главные пружины. Равенство упругих моментов основной и дополнительной главных пружин позволяет полностью исключить влияние термоэластического коэффициента и температурного градиента. При изменении температуры в корпусе гравиметра жесткость одной пружины увеличивается, а другой уменьшается на одну и ту же величину при равенстве упругих моментов пружин. Поэтому маятник не будет менять свое положение. Закручивание нитей подвеса маятника в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин позволяет полностью исключить дрейф нульпункта гравиметра, что увеличивает точность измерений. Зависимость величины угла закручивания нитей от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника. С увеличением длины нитей подвеса маятника и его собственного периода увеличивается угол закручивания. Это позволяет повысить точность измерений.Distinctive features of the proposed gravimeter are an additional main spring located parallel to the main one, with a thermoelastic coefficient equal to and opposite in sign to the thermoelastic coefficient of the main main spring, fixing the upper ends of the main and additional main springs by means of a technological rod on the mounting frame, and the lower end of the additional main spring with a pendulum, equality of elastic moments of the main and additional main springs, twisting of threads along weight pendulum in a vertical plane relative to the measuring frame in a counterclockwise direction and range-measuring springs, the dependence of the angle of twist of the yarn length pendulum suspension filaments and natural period of oscillation of the pendulum. An additional main spring makes it possible to exclude the influence of the thermoelastic coefficient of the main main spring due to the fact that it has the same thermoelastic coefficient, but of opposite sign, and the same elastic moment, the temperature effect on the gravimeter readings is completely compensated. Fixing the upper ends of the main and additional main springs by means of a technological rod on the mounting frame and the lower end of the additional main spring with a pendulum allows you to fix the springs in parallel and in the same plane to exclude temperature gradient variations on the main and additional main springs. The equality of the elastic moments of the main and additional main springs allows you to completely eliminate the influence of thermoelastic coefficient and temperature gradient. When the temperature in the gravimeter case changes, the stiffness of one spring increases, and the other decreases by the same amount when the elastic moments of the springs are equal. Therefore, the pendulum will not change its position. Twisting the pendulum suspension threads in a vertical plane relative to the measuring frame counterclockwise towards the range and measuring springs allows to completely eliminate the drift of the gravimeter's nullus point, which increases the measurement accuracy. Dependence of the value of the angle of twisting of the threads on the length of the threads of the pendulum suspension and the period of natural oscillations of the pendulum. With an increase in the length of the threads of the pendulum suspension and its own period, the twist angle increases. This improves the accuracy of measurements.

Гравиметр поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства.The gravimeter is illustrated in the drawing, which shows a general view of the device.

Гравиметр включает корпус 1 с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой 2. В монтажной рамке 2 на упругих нитях 3 подвешена измерительная рамка 4, в которой на упругих нитях 5 подвешен маятник 6 с рычагами 7 и 8. Нижние концы основной 9 и дополнительной 10 главных пружин соединены с маятником 6 посредством рычагов соответственно 7 и 8, а их верхние концы закреплены на монтажной рамке 2 посредством технологического стержня 11. Основная 9 и дополнительная 10 главные пружины расположены параллельно в одной плоскости на небольшом расстоянии друг от друга. Их термоэластические коэффициенты равны и противоположны по знаку. Например, они могут быть выполнены соответственно из кварца и вольфрама. При повышении температуры упругий момент пружины, выполненной из кварца, увеличится, т.е. пружина сжимается, а упругий момент пружины, выполненной из вольфрама, уменьшается, т.е. пружина растягивается. Термоэластический коэффициент пружины, выполненной из кварца, имеет положительное значение (+110·10^-6/0с), а термоэластический коэффициент пружины, выполненной из вольфрама (-110·10^-6/0с), имеет отрицательное значение. Значения термоэластических коэффициентов пружин равны. Упругие моменты основной 9 и дополнительной 10 главных пружин до начала работы гравиметра равны. Фотоэлектрический преобразователь 12 состоит из экрана 13 с прямоугольным отверстием 14 в центре экрана 13, дифференциального фотоэлемента 15 и светодиода 16. Экран 13 закреплен в вертикальной плоскости на конце маятника 6. С одной стороны экрана симметрично отверстию 14 расположен светодиод 16, а с другой стороны симметрично отверстию 14 расположен дифференциальный фотоэлемент 15. Светодиод 16 и дифференциальный фотоэлемент 15 при помощи технологического стержня 17 жестко соединены с монтажной рамкой 2. Нижний конец диапазонной пружины 18 посредством рычага 19 и нижний конец измерительной пружины 20 посредством рычага 21 связаны с измерительной рамкой 4. Верхние концы диапазонной пружины 18 и измерительной пружины 20 связаны соответственно с сильфонными устройствами 22 и 23. Сильфонное устройство 22 соединено с диапазонным винтом 24, а сильфонное устройство 23 - с микрометрическим отсчетным устройством 25. Питание светодиода 16 осуществляется от стабилизированного источника питания постоянного тока 26. Сигнал с дифференциального фотоэлемента 15 подается на вход усилителя тока 27, выход которого подключен к регистратору 28. Нити 5 подвеса маятника 6 закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки 4 против часовой стрелки в сторону диапазонной 18 и измерительной 20 пружин. Это необходимо для того, чтобы упругий момент этих нитей действовал совместно с весовым моментом маятника 6. Величина угла закручивания нитей 5 зависит от длины нитей 5 подвеса маятника 6 и периода собственных колебаний маятника 6. Чем больше длина нитей 5 и период собственных колебаний маятника 6, тем больше должен быть угол закручивания нитей.The gravimeter includes a housing 1 with a mounting frame 2 rigidly fixed on it. In the mounting frame 2, a measuring frame 4 is suspended on elastic threads 3, in which a pendulum 6 with levers 7 and 8 is suspended on elastic threads 5. The lower ends of the main 9 and additional 10 main springs connected to the pendulum 6 by means of levers 7 and 8, respectively, and their upper ends are fixed to the mounting frame 2 by means of the technological rod 11. The main 9 and additional 10 main springs are parallel in the same plane at a small distance from each other a. Their thermoelastic coefficients are equal and opposite in sign. For example, they can be made of quartz and tungsten, respectively. With increasing temperature, the elastic moment of a spring made of quartz will increase, i.e. the spring is compressed, and the elastic moment of the spring made of tungsten decreases, i.e. the spring is stretched. The thermoelastic coefficient of a spring made of quartz has a positive value (+ 110 · 10 ^-6/0 s), and the thermoelastic coefficient of a spring made of tungsten (-110 · 10 ^-6/0 s) has a negative value. Values of thermoelastic coefficients of springs are equal. The elastic moments of the main 9 and additional 10 main springs before the start of the gravimeter are equal. The photoelectric converter 12 consists of a screen 13 with a rectangular hole 14 in the center of the screen 13, a differential photocell 15 and an LED 16. The screen 13 is mounted in a vertical plane at the end of the pendulum 6. The LED 16 is symmetrical to the hole 14 on the one side of the screen, and symmetrically on the other side the differential photocell 15 is located in the hole 14. The LED 16 and the differential photocell 15 are rigidly connected to the mounting frame 2 by means of the process rod 17. The lower end of the range spring 18 is m of the lever 19 and the lower end of the measuring spring 20 by means of the lever 21 are connected to the measuring frame 4. The upper ends of the range spring 18 and the measuring spring 20 are connected respectively to the bellows devices 22 and 23. The bellows device 22 is connected to the range screw 24, and the bellows device 23 with a micrometer reading device 25. The LED 16 is powered from a stabilized DC power source 26. The signal from the differential photocell 15 is fed to the input of a current amplifier 27, the output of which connected to the recorder 28. The threads 5 of the suspension of the pendulum 6 are twisted in a vertical plane relative to the measuring frame 4 counterclockwise in the direction of the range 18 and measuring 20 springs. This is necessary so that the elastic moment of these threads acts together with the weight moment of the pendulum 6. The value of the twist angle of the threads 5 depends on the length of the threads 5 of the suspension of the pendulum 6 and the period of natural vibrations of the pendulum 6. The longer the length of threads 5 and the period of natural vibrations of the pendulum 6, the greater should be the angle of twisting of the threads.

Гравиметр работает следующим образом.The gravimeter works as follows.

Гравиметр выводится в положение минимума чувствительности к наклону, и его уровни выводятся в среднее положение. Затем производится эталонирование гравиметра - определяется цена деления микрометрического отсчетного устройства 25 в милигалах. Цена деления определяется при помощи наклономерной плиты или на гравиметрическом полигоне, на котором известны величины ускорения силы тяжести на каждом пункте. На пункте наблюдения гравиметр устанавливается на постаменте, выводится на минимум чувствительности к наклону. При помощи микрометрического отсчетного устройства 25 маятник 6 выводится в горизонтальное положение, при этом на индикаторной шкале гравиметра сигнал должен быть равен нулю. А отсчет M₁ - берется по микрометрическому отсчетному устройству 25. При переезде на следующий пункт все операции повторяются, берется отсчет М₂. Получаем разность отсчетов ΔМ. Зная цену деления силы тяжести микрометрического отсчетного устройства 25 С

определяем разность между пунктами N из выражения: ΔM·С=N мГал.The gravimeter is displayed in the position of minimum sensitivity to tilt, and its levels are displayed in the middle position. Then the gravimeter is standardized - the division price of the micrometer reading device 25 in milligals is determined. The division price is determined using an inclined plate or at a gravimetric range, on which the values of the acceleration of gravity at each point are known. At the observation point, the gravimeter is mounted on a pedestal, displayed to a minimum of sensitivity to tilt. Using a micrometer reading device, the pendulum 6 is brought out to a horizontal position, while on the indicator scale of the gravimeter the signal should be equal to zero. And the reference M ₁ - is taken by the micrometer reading device 25. When moving to the next point, all operations are repeated, the reference is taken M ₂ . We get the difference of readings ΔM. Knowing the price of dividing the gravity of a micrometer reading device 25 C

determine the difference between points N from the expression: ΔM · C = N mGal.

При этом, если ΔМ отрицательное, то и разность силы тяжести будет отрицательной.Moreover, if ΔM is negative, then the difference in gravity will be negative.

При стационарных наблюдениях приливных вариаций силы тяжести гравиметр устанавливается на постаменте, выводится на минимум чувствительности к наклону и определяется масштаб записи гравиметра, для чего берется отсчет по микрометрическому отсчетному устройству 25 M₁ и соответствующий ему отсчет по индикаторной шкале гравиметра S₁ в mv. Затем устройству 25 задается «сдвиг» на ΔM и берется отсчет S₂ в mv по индикаторной шкале. Определяется масштаб записи из выражения:During stationary observations of tidal variations of gravity, the gravimeter is mounted on a pedestal, the sensitivity to tilt is minimized, and the recording scale of the gravimeter is determined, for which a reference is taken from the micrometer reading device 25 M ₁ and its corresponding reference to the indicator scale of the gravimeter S ₁ in mv. Then, the device “25” is set to “shift” by ΔM and the sample S ₂ in mv is taken on the indicator scale. The record scale from the expression is determined:

Производится повтор операций и выводится среднее масштабного коэффициента k. В зависимости от положения луны и солнца относительно пункта наблюдения ускорение силы тяжести будет изменяться. При уменьшении ускорения силы тяжести маятник 6 будет отклоняться вверх, на индикаторной шкале регистратора 28 изменится величина mv в сторону уменьшения. При увеличении ускорения силы тяжести маятник 6 будет отклоняться вниз и на индикаторной шкале регистратора 28 изменится величина mv в сторону увеличения. Регистратор 28 будет регистрировать кривую изменения силы тяжести.The operations are repeated and the average of the scale factor k is displayed. Depending on the position of the moon and the sun relative to the observation point, the acceleration of gravity will vary. With a decrease in the acceleration of gravity, the pendulum 6 will deviate upward, on the indicator scale of the recorder 28, the value of mv will decrease. With increasing acceleration of gravity, the pendulum 6 will deviate downward and on the indicator scale of the recorder 28 the value of mv will increase. Registrar 28 will record the curve of the change in gravity.

Предлагаемый гравиметр повышает точность измерений за счет исключения влияния термоэластического коэффициента, дрейфа нульпункта и вариаций температурного градиента.The proposed gravimeter improves the accuracy of measurements by eliminating the influence of the thermoelastic coefficient, drift of the nullipoint, and variations in the temperature gradient.

Claims (1)

Гравиметр, включающий монтажную рамку, подвешенную на нитях измерительную рамку, в которой на горизонтально расположенных упругих нитях подвешен маятник, вертикально расположенные главную, диапазонную и измерительную пружины и фотоэлектрический преобразователь, отличающийся тем, что он снабжен дополнительной главной пружиной, расположенной параллельно основной, с термоэластическим коэффициентом, равным и противоположным по знаку термоэластическому коэффициенту основной главной пружины, при этом верхние концы основной и дополнительной главных пружин посредством технологического стержня закреплены на монтажной рамке, а нижний конец дополнительной главной пружины - с маятником, упругие моменты основной и дополнительной главных пружин равны, а нити подвеса маятника закручены в вертикальной плоскости относительно измерительной рамки против часовой стрелки в сторону диапазонной и измерительной пружин, при этом величина угла закручивания нитей зависит от длины нитей подвеса маятника и периода собственных колебаний маятника. A gravimeter including a mounting frame, a measuring frame suspended on threads, in which a pendulum is suspended on horizontally located elastic threads, a vertical main, range and measuring springs and a photoelectric transducer, characterized in that it is equipped with an additional main spring parallel to the main one, with thermoelastic coefficient equal to and opposite in sign to the thermoelastic coefficient of the main main spring, while the upper ends of the main and supplement main springs by means of a technological rod are fixed on the mounting frame, and the lower end of the additional main spring with the pendulum, the elastic moments of the main and additional main springs are equal, and the threads of the pendulum suspension are twisted counterclockwise in the vertical plane relative to the measuring frame towards the range and measuring springs while the value of the angle of twisting of the threads depends on the length of the threads of the suspension of the pendulum and the period of natural oscillations of the pendulum.