SU881643A1 - Gravimeter - Google Patents

Description

(54) ГРАВИМЕТР(54) GRAVIMETER

- I - . Изобретение относитс  к гравиметрии, а именно к статическим гравиметрам дл  долговременных измерений вариаций силы т жести. Известны гравиметры, в которых в качестве чувствительного элемента испопь- зуетс  сверхпровод ща  сфера, а вместо обычной механической используетс  магнитное поле двух, или более короткозамкнутых сверхщзовод щих соленоидов . Сверхпровод ща  сфера находитс  во взвешенном состо нии, когда выталкивающа  сила, действующа  на нее со стороны магнитного пол , компенсирует силу т жести так, что мерой изменени  последней служит отклонение сферы от положени  равновеси  Tl. Недостатком известных устройств  вл етс  необходимость тщательного изготовлени  чувствительного элемента сверхпровод щей сферы, так как малые отклонени  от сферической формы привод  к действию дополнительных моментов сил что ведет к повышению уровн  собственНЬ1Х щумов прибора. Известен также гравиметр, содержащий чувствительный элемент, выпол 1енный из сверхпровод щего материала, электрокшгнитную систему подвеса, арретирующий механизм и отсчетное устроПстпо, в котором установлен изготовлен1а.гй нз сверхпровод щего материала стакан с продольными вьфезами, в гттором размещен чувствительный элемент, выполненный в форме кольца и снабженный электропровод щим вкладышем. Кольцевой чувствительный элемент .;подвещиваетс  в магнитном поле короткозамкнутого сверхпровод щего соленоида, ось которого совпадает с осью симметрии чувствительного элемента, причем силой, компенсирующей действие силы т жести,  вл етс  сила прит жени  между сверхпровод щим соленоидом и кольцевым чувствительным элементом. Однако Б услови х долговременных измерений которые необходимы при исспеаоваыин вековых .вариациА силы т жести, uohocTiiMo усгр()Пстпа облпдиют ноаостаТОЧ11ОЙ стабшшностью магнитного подвеса , что пршюднт к заметному дрейфу нуль-пункта гравиметра. Например, в услови х работы гравиметра, наблюдаемый дрейф положени  чувствительного элемента 13 поддержигшюшем магнитном .поле соответствует ш-носительному изменению ускорени  силы т жести лcj/cf ; 5х10 1/ч. Основным источником наблюпаемой нестабильности NtariraTHoro подпеса чувствительного элемента  вл етс  уменьшение со временем вел1гшны тока, циркулирующего в короткозамк гутых поддерживающих катушках. Возможным ме анизмом, привод шим к спаду тока,  1У1 етс  частичное npoHiLKHOBOinto магнитного ПОЛЯ в материал сверх1ф014он щей 1ФОВОЛОКИ, образующей катушку, которое происходит при вели чине напр женности магнитного пол  превышающей нижнее критическое значение Hj;., определ ющее границу эффекта Мейоснора дл  сверхпроводников второго рода. Дл  реально используемого материал, мотки поддерживающих катушек величина;. HC  вл етс  относительно малой, так что эффективный режим работы магнитного по веса у известных устройств обеспечиваетс  D магнитных пол х с напр женностью Н 7 HCT« Режим работы с Н Н может существенно повысить стабильность магнитного подвеса чувствительного элемента , однако при этом повыситс  эффективна  жесткость магнитной .пружины, что приведет к снижению достигнутой чувстви тельности известных устройств. Целью изобретени   вл етс  повышение стабильности магнитного подвеса чувствительного элемента. Цель достигаетс  тем, что в гравимет ре, содержащем чувствительный элемент, выполненный в виде сверхпровод щего кольца с циркушфующим по нему током, систему магнитного подвеса, систему регис рации смещени  чувствительного элемента из положени  равновеси , магнитньш экра ны, система магнитного подвеса выполне . на в виде сверхпровод щего пьедестала в форме цилиндров различных радиусов, при чем цилиндр меньшего радиуса находитс  внутри кольца. На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства. Гравиметр содержит сверхпровод щий чувствительный элемент - цилиндрическое кольцо 1, сверхпровод щий пьедестал 2, задающий соленона 3, выполненньй из сгюрхфоооц щий трансформатор потока 4, магнитометр 5, сверхпровод щие магнит1пые экраны 6 и 7 и магнитный -экран 8, выполненный из материала с высокой магнитной проницаемостью. Гравиметр работает следующим образом. Чувствительный элемент - сверхпровод щее цилиндрическое кольцо 1 - помещаетс  над сверхпровод щим пьедесталом 2 таким образом, чтобы ось кольца совпа- дала с осью симметрии пьедестала, причем цилиндр меньшего радиуса находитс  внутри кольца 1. Затем по обмотке задающего соленоида 3, расположенного симметрично относительного положени  чувствительного элемента 1, пропускаетс  посто нный ток, величина которого выбираетс  такой, чтобы напр женность магнитного пол  внутри соленоида 3 была меньще , чем Hg,. дл  материала чувствительного элемента 1 и пьедестала 2, дл  рабочего интервала температур. Затем все устройство охлаждаетс  до рабочей температуры . Так как критическа  температура материала кольца 1 выще, чем критическа  температура материала пьедестала 2, последний, в момент перехода кольца 1 в сверхпровод щее состо ние, остаетс  в нормальном состо нии. При этом магнитный поток, созданный в отверстии кольца задающим соленоидом 3, захвачен в том смысле, что его величина равна Ф п Ф где Фо 2 X 10 Гс квант магни-гного потока; п- целое фиксированное число (vi 1). Затем, при достижении температуры, меньшей критической температуры пьедестала 2, последний также переходит в сверхпровод щее состо ние. При этом, в силу эффекта Мейсснера, магнитное поле выталкиваетс  из объема пьедестала 2. Однако, так как магнитный поток в отверстии сверхпровод щего кольца 1 изменитьс  не может, он должен полностью пройти через кольцевое отверстие между нижним торцом кольца 1 и поверхкостью пьедестала 2. При этом на сверхпровод щее кольцо 1 действует выталкивающа  сила, направленна  вертикально вверх, что приводит к подъему кол1зца 1 над поверхностью сверхпровод щего пгедестала 2, осуществл   тем самым магнитный подвес чувствительного элемента 1. После этого питание обмотки задающего соленоида 3 выключаетс  и внешнее магнитное поле вблизи кольца 1 исчезает. При этом в кольце 1 будет наведен сверхпровод щий незатухающий ток, который будет поддерживать заданное значение маКИМ образом обеспечиваетс  автономный, независ щий от внешнего источника, режим магюггного поавеса сверхпровод щего чувствительного элемента 1, в отличие от известных гравиметров, стабильность которого будет определ тьс  посто нством магнитного потока в отверстии кольца 1, при достаточно хорошем экранировании от внешних магнитных полей. Это осушест вл етс  с помощью сверхпровод щих магнитных экранов 6 и 7 и экрана 8, выпоп немного из материала с высокой магнитной проницаемостью. При этом оказываегс  возможным осуществить режим абсолютной устойчивости состо ни  сверхпровод щего кольца 1 с захваченным магнитным потоком, в том смысле, что значение магнитного потока в отверстии кольца 1 будет строго фиксированным числом, не завис щим от времени.  - I -. This invention relates to gravimetry, namely static gravimeters for long-term measurements of variations in gravity. Gravimeters are known in which a superconducting sphere is used as a sensitive element, and instead of the usual mechanical one, the magnetic field of two or more short-circuited super-conducting solenoids is used. The superconducting sphere is in a suspended state, when the buoyant force acting on it from the magnetic field compensates the force of gravity so that the measure of the change in the latter is the deviation of the sphere from the equilibrium position Tl. A disadvantage of the known devices is the need to carefully manufacture the sensitive element of the superconducting sphere, since small deviations from a spherical shape lead to the action of additional torques, which leads to an increase in the level of self-sensing device. Also known is a gravimeter containing a sensing element made of superconducting material, an electro-magnetic suspension system, an arresting mechanism and a readout device, in which a superconducting glass, a longitudinal blues glass, is installed in the form of a ring and provided with an electrically conductive liner. An annular sensing element. Is illuminated in the magnetic field of a short-circuited superconducting solenoid, whose axis coincides with the axis of symmetry of the sensitive element, and the force that compensates for the effect of gravity is the attractive force between the superconducting solenoid and the annular sensitive element. However, the B conditions of long-term measurements that are necessary for seismic secular varia- tions of force of gravity, uohocTiiMo usgr () Pstap have a new static stability of the magnetic suspension, which leads to a noticeable drift of the zero-point gravimeter. For example, under the conditions of operation of a gravimeter, the observed drift in the position of the sensitive element 13 supported by a magnetic field corresponds to a significant change in the acceleration force of gravity lcj / cf; 5x10 1 / h. The main source of the observed instability of the NtariraTHoro sensor sub-element is the decrease with time of the current flow circulating in short-circuit supportive coils. A possible mea- sism that leads to a current decay is 1U1 partial npoHiLKHOBOinto of a magnetic FIELD into the material of an extra 1F of 1FERWELD forming the coil, which occurs at a magnitude of the magnetic field strength exceeding the lower critical value Hj; that defines the boundary of the Meosor pattern kind of. For the material actually used, the coils of the supporting coils are the magnitude ;. HC is relatively small, so that the effective operation of the magnetic by weight of known devices provides D magnetic fields with a voltage of H 7 HCT. The operating mode with N H can significantly increase the stability of the magnetic suspension of the sensing element, but this will increase the effective rigidity of the magnetic springs, which will lead to a decrease in the achieved sensitivity of the known devices. The aim of the invention is to increase the stability of the magnetic suspension of the sensitive element. The goal is achieved by the fact that in a gravimeter containing a sensitive element made in the form of a superconducting ring with current circulating through it, a magnetic suspension system, a system for recording the displacement of a sensitive element from an equilibrium position, a magnetic screen, a magnetic suspension system are performed. In the form of a superconducting pedestal in the form of cylinders of various radii, with a cylinder of a smaller radius inside the ring. The drawing shows a block diagram of the proposed device. The gravimeter contains a superconducting sensing element - a cylindrical ring 1, a superconducting pedestal 2, a driver for a solenon 3, made from a swirlfree flow transformer 4, a magnetometer 5, superconducting magnet screens 6 and 7 and a magnetic screen 8 made of high magnetic material permeability. The gravimeter works as follows. The sensing element — the superconducting cylindrical ring 1 — is placed above the superconducting pedestal 2 in such a way that the axis of the ring coincides with the axis of symmetry of the pedestal, and the cylinder of a smaller radius is inside the ring 1. Then, winding the master solenoid 3 located symmetrically relative to the sensitive position element 1, a constant current is passed, the value of which is chosen such that the magnetic field inside the solenoid 3 is less than Hg ,. for the material of the sensing element 1 and pedestal 2, for the working temperature range. The whole device is then cooled to operating temperature. Since the critical temperature of the material of the ring 1 is higher than the critical temperature of the material of the pedestal 2, the latter, at the time of the transition of the ring 1 to the superconducting state, remains in the normal state. In this case, the magnetic flux created in the hole of the ring by the master solenoid 3 is captured in the sense that its value is equal to Φ п Φ where Fo is 2 X 10 G quantum of the magnet flux; n is an integer fixed number (vi 1). Then, when the temperature reaches less than the critical temperature of pedestal 2, the latter also goes into the superconducting state. In this case, due to the Meissner effect, the magnetic field is pushed out of the volume of pedestal 2. However, since the magnetic flux in the opening of the superconducting ring 1 cannot change, it must pass completely through the annular opening between the lower end of the ring 1 and the surface of the pedestal 2. When In this case, an ejection force directed vertically upward acts on the superconducting ring 1, which leads to the rise of the ring 1 above the surface of the superconducting pedestal 2, thereby carrying out the magnetic suspension of the sensitive element 1. After This master power solenoid coil 3 is turned off and the external magnetic field near the ring 1 disappears. In this case, a superconducting undamped current will be induced in ring 1, which will maintain the specified value in an IMC way, an autonomous, independent of an external source, mode of the magnetic curtain of the superconducting sensing element 1 is provided, unlike known gravimeters, whose stability will be determined by the constant magnetic flux in the hole of the ring 1, with sufficiently good shielding from external magnetic fields. This is dried by means of superconducting magnetic screens 6 and 7 and screen 8, a little bit of a material from a material with high magnetic permeability. At the same time, it is possible to realize the mode of absolute stability of the state of superconducting ring 1 with trapped magnetic flux, in the sense that the value of the magnetic flux in the hole of ring 1 will be a strictly fixed number that does not depend on time.

Радиальна  жесткость чувствительного элемента 1 обеспечиваетс  наличием сип отталкивани  между :цилиндром меньшего радиуса сверхпровод щего пъедестала 2. наход щегос  внутри кольца 1, и внутренней поверхностью последнего, за счет выталкивани  магнитного пол , силовые линии которого изображены на чертеже.The radial rigidity of the sensing element 1 is provided by the presence of a repulsive sip between: a cylinder of a smaller radius of the superconducting pedestal 2. located inside ring 1, and the inner surface of the latter, by pushing the magnetic field, whose lines of force are shown in the drawing.

Таким образом, изменение ускорени  сипы т жести в месте расположени  чувствительного элемента 1 приведет к смещению его центра масс вдоль оси симметрии устройства.Thus, a change in the acceleration of the gravity plate at the location of the sensitive element 1 will lead to a shift of its center of mass along the axis of symmetry of the device.

Регистраци  с ещени  чувствительного элемента 1 под вли нием переменной силы т жести осуществл етс  непосредственным измерением градиента магнитного потока вблизи оси сммметрии устройства, созданного циркулирующим по сверхпровод щему кольцу 1 незатухающим током. Измерение осуществл етс  с сверхпровод щего трансформаторного потока 4, св занного с магнитометром 5 типаЗОПХ Registration with the sensitive element 1 under the influence of variable gravity is carried out by direct measurement of the magnetic flux gradient near the cm-metering axis of the device created by a continuous current circulating on the superconducting ring 1. The measurement is carried out from a superconducting transformer flux 4 connected to a magnetometer type RSPT.

Рассчитанна  чувствительность прибора при оптимальном режнме работы составл етThe calculated sensitivity of the instrument at the optimum operating mode is

) (1 / 4 Р ) - 2 X 10-( 1 /Гц/).) (1/4 Р) - 2 X 10- (1 / Hz /).

Таким образом, предлагаемый грави- . метр при той же чувствительности ,что и у известных устройств, может обладать практически абсолютной стабильностью маг Inrreoro подвеса чувствительного элемента, что делает возможным наблюдение вековых вариаций силы т жести в режиме долговременных измерений.Thus, the proposed gravi-. The meter with the same sensitivity as in the known devices may have almost absolute stability of the Inrreoro magician of the sensitive element suspension, which makes it possible to observe secular variations in gravity in the long-term measurement mode.

Фдрмула изобретени Formula of Invention

Гравиметр, содержащий чувствительньтй элемент, выполненный в виде сверхпровод щего кольца с циркулирующим по нему током, систему магнитного подвеса, систему регистрации смещени  чувствител гного элемента из положени  равновеси , магнитные экраны, отличающийс   тем, что, с целью повышени  стабильности магнит}1ого подвеса чувствительного элемента, система магтштного подвеса выполнена в виде сверхпровод щего пьедестала в форме цилиндров различных радиусов, причем цилиндр меныиего радиуса находитс  внутри кольца. .A gravimeter containing a sensitive element, made in the form of a superconducting ring with circulating current, a magnetic suspension system, a system for detecting the displacement of a sensitive element from an equilibrium position, magnetic screens, characterized in that, in order to increase the stability, the first suspension magnet of the sensitive element The magnetic suspension system is made in the form of a superconducting pedestal in the form of cylinders of different radii, with the cylinder of its radius located inside the ring. .

.Источники информации, .Information sources,

прин тые во внимание при экспертизеtaken into account in the examination

1.Патент США № 73-382, № 3449956, 1979.1. US patent No. 73-382, No. 3449956, 1979.

2.Авторское свидетельство СССР №642664, Kft. q OlV 7/О2, 1979 (прототип).2. USSR Author's Certificate No. 642664, Kft. q OlV 7 / O2, 1979 (prototype).

Claims (1)

Формула изобретенияClaim Гравиметр, содержащий чувствительный элемент, выполненный в виде сверхпроводящего кольца с циркулирующим по нему током, систему магнитного подвеса, систему регистрации смещения чувствительного элемента из положения равновесия, магнитные экраны, отличающий- i с я тем, что, с целью повышения стабильности магнитного' подвеса чувствительного элемента, система магнитного подвеса выполнена в виде сверхпроводящего пьедестала в форме цилиндров различных I радиусов, причем цилиндр меньшего радиуса находится внутри кольца.A gravimeter containing a sensing element made in the form of a superconducting ring with a current circulating through it, a magnetic suspension system, a registration system for the displacement of the sensitive element from the equilibrium position, magnetic screens, distinguishing me in order to increase the stability of the magnetic element, the magnetic suspension system is made in the form of a superconducting pedestal in the form of cylinders of various I radii, and a cylinder of a smaller radius is inside the ring. ••