Гравиметр

Гравиметр

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к геофизическому приборостроению и может быть использовано для регистрации относительных изменений ускорения силы тяжести при поиске полезных ископаемых, исследовании лунно-солнечных приливных явлений и регистрации предвестников землетрясений.

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 и юстировочного винта с упругой пружиной, главную пружину, фотоэлектрический преобразователь, дополнительную упругую систему, 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).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния градиентов температуры в корпусе гравиметра и дрейфа нульпункта дополнительной упругой системы.

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).

Недостатком данного гравиметра является низкая точность измерений из-за влияния изменений температурных градиентов в корпусе гравиметра.

Техническим результатом является повышение точности измерений за счет выведения гравиметра на минимум чувствительности к наклону, исключения влияния вариаций температурных градиентов на показания гравиметра и обеспечения высокоточной температурной компенсации чувствительной системы гравиметра.

Технический результат достигается в гравиметре, включающем корпус с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях подвешена измерительная рамка, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях перпендикулярно им закреплен горизонтально расположенный стержень с пластиной на одном его конце, металлический маятник, один конец которого жестко соединен со свободным концом стержня, а другой - с металлическим экраном фотоэлектрического преобразователя, кольцо, надетое на металлический маятник и жестко соединенное с диаметрально расположенными нитями измерительной рамки, диапазонную и измерительную пружины, соединенные с сильфонными устройствами и посредством рычагов с измерительной рамкой, основную и дополнительную астазирущие пружины с равными упругими моментами, расположенные, соответственно, над и под маятником горизонтально ему, блок питания, подключенный к светодиоду фотоэлектрического преобразователя, регистратор, соединенный с усилителем тока, подключенного к дифференциальному фотоэлементу фотоэлектрического преобразователя, при этом кольцо установлено на металлическом маятнике на расстоянии l от центра силы тяжести металлического маятника, определяемом из соотношения

где α - коэффициент температурного расширения металлического маятника,

γ - термоэластический коэффициент материала, из которого выполнены астазирующие пружины,

L - расстояние между центром силы тяжести металлического маятника и его концом, соединенным со стержнем.

Отличительными признаками предлагаемого гравиметра являются закрепленный в измерительной рамке на упругих горизонтально расположенных нитях перпендикулярно им горизонтально расположенный стержень с пластиной на одном его конце и соединенный свободным концом с металлическим маятником, кольцо, надетое на металлический маятник и жестко соединенное с диаметрально расположенными нитями измерительной рамки, дополнительная астазирующая пружина с упругим моментом, равным основной астазирующей пружине, расположение основной и дополнительной астазирующих пружин, соответственно, над и под металлическим маятником параллельно диапазонной и измерительной пружинам, и установка кольца на расстоянии l от центра силы тяжести металлического маятника, определяемом из вышеуказанного соотношения. Стержень с пластиной выполняет роль демпфера. Кольцо позволяет установить маятник на минимум чувствительности гравиметра к наклону, т.е. центр тяжести должен находиться в горизонтальной плоскости, проходящей на уровне оси вращения нитей измерительной рамки. Основная и дополнительная астазирующие пружины полностью исключают влияние вариаций температурных градиентов на показания гравиметра. Средняя температура этих пружин будет равна температуре маятника, находящегося между ними. Сильфонные устройства обеспечивают герметизацию гравиметра. Установка кольца на расстоянии l от центра силы тяжести металлического маятника, определяемом из вышеуказанного соотношения, позволяет осуществлять полную температурную компенсацию гравиметра. Это позволяет повысить точность измерений.

Гравиметр поясняется чертежом, где представлен общий вид устройства.

Гравиметр включает корпус 1 с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой 2, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях 3 подвешена измерительная рамка 4. В измерительной рамке 4 на упругих горизонтально расположенных нитях 5 перпендикулярно им закреплен горизонтально расположенный стержень 6 с горизонтальной пластиной 7 на одном его конце. Центр тяжести стержня 6 с пластиной 7 расположен на оси вращения нитей 5. Фотоэлектрический преобразователь 8 состоит из металлического экрана 9 с прямоугольным отверстием 10 по центру, светодиода 11 и дифференциального фотоэлемента 12, расположенных с разных сторон относительно экрана 9 симметрично отверстию 10. Светодиод 11 и дифференциальный фотоэлемент 12 жестко связаны с монтажной рамкой 2. Один конец металлического маятника 13 жестко соединен со свободным концом стержня 6, а другой - с металлическим экраном 9 фотоэлектрического преобразователя 8. Вертикально расположенное кольцо 14 надето на маятник 13 и жестко соединено с нитями 3 измерительной рамки 4. Нити 3 расположены относительно кольца 14 диаметрально противоположно. Диапазонная 15 и измерительная 16 пружины соединены, соответственно, с сильфонными устройствами 17 и 18 и посредством рычагов 19 и 20 с измерительной рамкой 4. Основная 21 и дополнительная 22 астазирующие пружины расположены параллельно маятнику 13 над и под ним. Весовой момент маятника 13 уравновешивается упругими моментами астазирующими пружинами 21 и 22. Один конец пружины 21, расположенной над маятником 13, соединен со стержнем 6, а другой при помощи технологического стержня 23 - с монтажной рамкой 2. Один конец пружины 22, расположенной под маятником 13, соединен со стержнем 6, а другой при помощи технологического стержня 24 - с монтажной рамкой 2. Упругие моменты астазирующих пружин 21 и 22 равны. Сильфонное устройство 17 соединено с винтом 25 перестройки диапазона измерения, а сильфонное устройство 18 - с отсчетным микрометрическим устройством 26. Блок питания 27 подключен к светодиоду 11 фотоэлектрического преобразователя. Регистратор 28 соединен с усилителем тока 29, который подключен к дифференциальному фотоэлементу 12 фотоэлектрического преобразователя. Пластина 7 расположена в демпфирующих пластинах 30, которые при помощи технологического стержня 31 связаны с монтажной рамкой 2. Кольцо 14 установлено на металлическом маятнике 13 на расстоянии l от центра силы тяжести металлического маятника, определяемом из соотношения

где α - коэффициент температурного расширения металлического маятника,

γ - термоэластический коэффициент материала, из которого выполнены астазирующие пружины,

L - расстояние между центром силы тяжести металлического маятника и его концом, соединенным со стержнем.

Гравиметр работает следующим образом.

При измерениях изменений приливных ускорений силы тяжести на пункте наблюдений с целью изучения внутреннего строения Земли, регистрации предвестников землетрясений и оконтуривания газонефтяных месторождений гравиметр устанавливается на постаменте в помещении, в котором суточные вариации не превосходят 2-3°С.

Гравиметр по уровням выставляется на минимум чувствительности к наклонам. Отсчетное устройство 26 выводится в среднее положение. Включаются блок питания 27 светодиода 11, усилитель тока 29 и регистратор 28. При этом на регистраторе 28 отсчет сместится вверх или вниз от нуля шкалы регистратора. При положительном отсчете маятник 13, стержень 6 и кольцо 14 сместятся на некоторый угол вверх от нулевого отсчета. При помощи винта (на чертеже не показан) диапазонной пружины 15 маятник 13 необходимо сместить в нулевое положение шкалы, для чего винт вращают против часовой стрелки. Если же отсчет будет отрицательным, винт необходимо вращать по часовой стрелке, что отклонит маятник 13, стержень 6 и кольцо 14 на некоторый угол вверх до горизонтального положения маятника 13 со стержнем 6 и вертикального положения кольца 14. Это будет соответствовать минимуму чувствительности гравиметра к наклону. После приведения отсчета на регистраторе 28 в нулевое положение начинается регистрация лунно-солнечных приливных вариаций ускорения силы тяжести. При увеличении приливных вариаций маятник 13, стержень 6 и кольцо 14 будут отклоняться вверх, в цепи дифференциального фотоэлемента 12 появляется ток, т.к. составляющие дифференциального фотоэлемента 12 из-за смещения экрана 9 будут освещаться светодиодом 11 на разных площадях. При уменьшении приливных вариаций маятник 13, стержень 6 и кольцо 14 будут смещаться вниз, что приведет к уменьшению тока в цепи фотоэлемента 12, а следовательно, и на регистраторе 28. При отклонении маятника 13, стержня 6 и кольца 14 вверх основная 21 и дополнительная 22 астазирующие пружины уменьшают свое натяжение (сжимаются), а при отклонении вниз увеличивают натяжение (растягиваются) в зависимости от величины и знака приливных вариаций. Регистрация ведется постоянно с опросом каждую секунду времени. Гармонический анализ результатов наблюдений производится каждый месяц, что позволяет определить величину гравитационного приливного фактора δ, по которой судят о внутреннем строении Земли, о наличии неоднородностей земной коры в пункте наблюдений. Определяется масштаб записи гравиметра. Для чего показания регистратора 28 при помощи смещения отсчетного устройства 26 приводятся в нулевое положение и берутся отсчеты по отсчетному устройству 26 S₁ и на регистраторе 28 V₁. Ток в цепи регистратора 28 равен нулю, когда составляющие дифференциального фотоэлемента 12 освещаются светодиодом 11 одинаково. Задается смещение отсчетному устройству 26, при этом на регистраторе 28 показания изменяются. Берутся отсчеты S₂ и V₂. Определяется масштаб записи, для чего разность отсчетов S₂-S₁=ΔS переводится в миллигалы, используя цену деления отсчетного устройства Масштаб записи будет равен

Для повышения точности определения масштаба записи таких операций производится несколько и выводится среднее значение масштаба записи.

При изменении ускорения силы тяжести маятник 13 будет отклоняться от нулевого положения и в цепи регистратора 28 будет изменяться ток в зависимости от знака изменения ускорения силы тяжести. Приливная кривая изменения тока подвергается гармоническому анализу, в результате которого получается отношение

Предлагаемый гравиметр повышает точность измерений за счет выведения гравиметра на минимум чувствительности к наклону, исключения влияния вариаций температурных градиентов на показания гравиметра и обеспечения высокоточной температурной компенсации чувствительной системы гравиметра.

Гравиметр, включающий корпус с жестко закрепленной на нем монтажной рамкой, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях подвешена измерительная рамка, в которой на упругих горизонтально расположенных нитях перпендикулярно им закреплен горизонтально расположенный стержень с пластиной на одном его конце, металлический маятник, один конец которого жестко соединен со свободным концом стержня, а другой - с металлическим экраном фотоэлектрического преобразователя, кольцо, надетое на металлический маятник и жестко соединенное с диаметрально расположенными нитями измерительной рамки, диапазонную и измерительную пружины, соединенные с сильфонными устройствами и посредством рычагов с измерительной рамкой, основную и дополнительную астазирующие пружины с равными упругими моментами, расположенные соответственно над и под маятником параллельно ему и соединенные одним концом со стержнем, а другим - с монтажной рамкой, блок питания, подключенный к светодиоду фотоэлектрического преобразователя, регистратор, соединенный с усилителем тока, подключенным к дифференциальному фотоэлементу фотоэлектрического преобразователя, при этом кольцо установлено на металлическом маятнике на расстоянии l от центра силы тяжести металлического маятника, определяемом из соотношения:

,

где α - коэффициент температурного расширения металлического маятника,

γ - термоэластический коэффициент материала, из которого выполнены астазирующие пружины,

L - расстояние между центром силы тяжести металлического маятника и его концом, соединенным со стержнем.