УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Полезная модель относится к области гравиметрии и может быть использована для измерения потенциала гравитационного поля Земли, а также разности потенциалов гравитационного поля между разными точками Земли и между значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени.
Известны устройства для гравитационных измерений, решающие задачу регистрации относительных изменений напряженности гравитационного поля по изменению ускорения силы тяжести, так называемые пружинные гравиметры, см., например, гравиметры, представленные в патентах: [1] - RU 2345387 (C1), G01V 7/02, 27.01.2009; [2] - RU 2427008 (С2), G01V 7/00, 20.08.2011. В этих устройствах сила тяжести сравнивается с эталонной силой, в качестве которой выступает сила деформации твердого тела (пружины). В качестве измеряемой величины, характеризующей изменение напряженности гравитационного поля, в этих устройствах может выступать, например, длина растянутой грузом пружины, поскольку относительное изменение гравитации коррелируется с относительным изменением длины растянутой грузом пружины.
Известны также струнные гравиметры, в которых о напряженности гравитационного поля судят по частоте поперечных колебаний струны, один конец которой закреплен, а на другом подвешен груз, см., например, патент [3] - RU 2342683 (С2), G01V 7/02, 27.12.2008.
Известны устройства для гравитационных измерений, в которых в качестве чувствительного элемента используется кварцевая упругая нить, см., например, патенты: [4] - RU 2171481 (C1), G01V 7/02, 27.01.2001; [5] - RU 2619132 (C1), G01V 7/02, 12.05.2017. Кварцевая нить входит в состав упругой системы крутильного типа с горизонтальным маятником. Поскольку характеристики упругости кварцевой нити зависят от напряженности гравитационного поля (силы тяжести), то при изменении силы тяжести угол закручивания кварцевой упругой нити изменяется, изменяя положение горизонтального маятника. Изменение положения маятника индицируется оптическими средствами с использованием в качестве источника излучения, например, лазера, также в состав средств индикации входит система отражателей и фоторегистратор.
Все рассмотренные устройства конструктивно сложны, что ограничивает область их возможного применения и побуждает к разработке новых устройств, основанных на использовании новых, более простых по конструктивной реализации технических решений.
Одним из вариантов технического решения, в котором минимизировано количество механических узлов и элементов, является устройство для гравитационных измерений, представленное в патенте [6] - RU 2136022 (C1), G01V 7/04, G01V 7/02, 27.08.1999, выбранное в качестве прототипа.
Устройство-прототип обеспечивает решение гравиметрической задачи, заключающейся в обеспечении возможности измерений потенциалов гравитационного поля, конечной разности потенциалов гравитационного поля между различными точками Земли, а также разности между значениями потенциала гравитационного поля в одной точке, но в разные моменты времени.
Устройство для гравитационных измерений, выбранное в качестве прототипа, содержит первый и второй формирователи сигналов, выходы которых связаны (оптически) с соответствующими входами измерительного блока, выход которого является выходом устройства.
Формирователи сигналов представляют собой формирователи оптического излучения, выполненные, например, на основе гелий-неоновых лазеров. Один из этих формирователей имеет дополнительную поглощающую ячейку. За счет данного конструктивного различия формирователи обладают разной чувствительностью своих выходных сигналов к изменению гравитационного поля Земли, т.е. по-разному реагируют на гравитационный потенциал, в результате чего разность частот генерации формирователей непосредственно зависит от величины потенциала гравитационного поля, что позволяет осуществлять гравитационные измерения.
Гравитационные измерения осуществляются по интерференционной картине, создаваемой сигналами формирователей, поступающих на измерительный блок через систему полупрозрачных зеркал, образующих оптические входы измерительного блока.
В измерительном блоке, используя стандартную методику измерения скорости движения интерференционных полос, определяют разность генерируемых частот и по этой разности судят о величине гравитационного потенциала в точке нахождения устройства. Сравнивая полученную величину со значением гравитационного потенциала, измеренного в другой точке Земли или же в той же самой точке, но в другой момент времени, получают разность потенциалов гравитационного поля.
Недостатком прототипа является его сложность, связанная с необходимостью осуществления интерференционных измерений.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является создание устройства для гравитационных измерений, в котором гравитационные измерения осуществляются более простыми, по сравнению с прототипом, радиотехническими методами.
Сущность полезной модели заключается в следующем. Устройство для гравитационных измерений содержит первый и второй формирователи сигналов, выходы которых связаны с соответствующими входами измерительного блока, выход которого является выходом устройства, причем указанные формирователи сигналов обладают разной чувствительностью своих выходных сигналов к изменению гравитационного поля Земли. В отличие от прототипа, один из формирователей сигналов выполнен в виде генератора импульсов, а другой, обладающий большей чувствительностью своего выходного сигнала к изменению гравитационного поля Земли, выполнен в виде кварцевого генератора, выход которого связан с соответствующим входом измерительного блока через преобразователь гармонического сигнала в импульсный сигнал, при этом измерительный блок выполнен в виде измерителя временных интервалов.
Частота кварцевого генератора зависит от частоты собственных колебаний кварца. Нестабильность частоты генерируемых колебаний зависит от ряда факторов, результатом воздействия которых является возникновение частотных сдвигов.
2
-10
-6
Изменения сил гравитационного взаимодействия приводят к смещению частоты. Величина этих частотных сдвигов определяется, так называемой, g-чувствительностью и зависит от направления и значения приложенной силы, например, при воздействии ускорения на кварцевый генератор, его частота меняется пропорционально этому ускорению. Указанная g-чувствительность показывает степень подверженности генератора воздействию вибрации, ускорения и определяется как относительное изменение выходной частоты генератора при воздействии ускорения lg (g - ускорение силы тяжести вблизи поверхности Земли, приближенно равное 9,8 м/с). Как правило, частотные сдвиги в генераторах возникают, в первую очередь из-за физических внутренних деформаций, и могут принимать значения от 10 до 10 и более на g [7] - Uwe Schweickert, Phasenrauschen, Phasenjitter und G-Sensitivity von Quarzoszillatoren, EEFC 2015 -  2/3, November 2015, p. 24,43.
Сущность полезной модели и ее осуществимость поясняются структурной схемой устройства для гравитационных измерений.
Устройство для гравитационных измерений в рассматриваемом примере реализации содержит первый и второй формирователи сигналов, где первый формирователь сигналов выполнен в виде генератора 1 импульсов, а второй формирователь сигналов выполнен в виде кварцевого генератора 2.
Выход кварцевого генератора 2 через преобразователь 3 гармонического сигнала в импульсный сигнал соединен с первым входом измерительного блока 4, второй вход которого соединен с выходом генератора 1 импульсов.
Выход измерительного блока 4 образует выход устройства.
В качестве генератора 1 импульсов может быть применен генератор импульсов, выполненный на основе кольцевого оптоволоконного формирователя импульсов, способ функционирования и пример реализации которого представлен в патенте [8] - RU 2618788 (C1), Н03К 3/42, 11.05.2017 и для которого характерна практическая независимость частоты выходного сигнала от изменения гравитационного поля Земли.
Кварцевый генератор 2 в самом общем виде представляет собой усилитель, охваченный цепью положительной обратной связи, содержащей в качестве частотно-задающего элемента кварцевый резонатор, обладающий большой чувствительностью к изменению гравитационного поля Земли.
Преобразователь 3 гармонического сигнала в импульсный сигнал реализует функцию формирователя видеоимпульсов, частота следования которых совпадает с частотой входного гармонического сигнала. В простейшем случае он может быть выполнен в виде последовательно соединенных усилителя-ограничителя и дифференциатора.
Измерительный блок 4 выполнен в виде измерителя временных интервалов, например, на основе счетчика, осуществляющего подсчет количества опорных импульсов, создаваемых генератором 1 импульсов, приходящихся на один период следования измеряемых импульсов, поступающих с выхода преобразователя 3.
Все блоки заявляемого устройства стационарно размещены на общей платформе, снабженной средствами, обеспечивающими возможность ее пространственной ориентации в определенном положении. Блоки образуют единую конструкцию, функциональные связи блоков осуществлены с помощью электрических жгутов и кабелей, оснащенных соответствующими соединителями.
Передача выходных сигналов потребителю может осуществляться с помощью проводной линии или по каналу беспроводной связи.
На стороне потребителя выходные сигналы устройства поступают на блок индикации, функции которого может выполнять, например, персональная вычислительная машина (на структурной схеме не показана).
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Кварцевый генератор 2 формирует на своем выходе гармонический (синусоидальный) сигнал. Девиация частоты этого сигнала зависит от изменения гравитационного поля Земли в точке, где в момент измерения располагается устройство.
Выходной сигнал кварцевого генератора 2 поступает на вход преобразователя 3 гармонического сигнала в импульсный сигнал, который формирует видеимпульсы, частота следования которых соответствует частоте выходного сигнала кварцевого генератора 1. Эти видеоимпульсы поступают на соответствующий вход измерительного блока 4.
На другой вход измерительного блока 4 поступает последовательность опорных импульсов с выхода генератора 1 импульсов. Частота следования опорных импульсов существенно выше номинальной частоты сигнала, формируемого кварцевым генератором 2, и, следовательно, частоты следования видеоимпульсов, формируемых преобразователем 3. Это позволяет в измерительном блоке 4 определять девиацию частоты кварцевого генератора 2 путем подсчета количества опорных импульсов, приходящихся на один период следования импульсов, поступающих с выхода преобразователя 3.
Сравнивая измеренное значение девиации частоты кварцевого генератора 2 с тарировочной характеристикой зависимости частоты от силы тяжести, можно судить о величине гравитационного потенциала (потенциала гравитационного поля Земли) в точке нахождения устройства, а также, при необходимости, решать задачи по определению разности потенциалов гравитационного поля Земли между разными точками Земли или между значениями потенциала в одной точке, но в разные моменты времени.
При этом, в отличие от прототипа, не требуется применения сложного оборудования для формирования и дешифровки интерференционных картин и поставленные задачи гравитационных измерений решаются достаточно простыми радиотехническими средствами.
Рассмотренное показывает, что заявляемая полезная модель осуществима и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в создании более простого по реализации устройства для гравитационных измерений, в котором, в отличие от прототипа, используются более простые радиотехнические методы измерений.
Источники информации
1. RU 2345387 (C1), G01V 7/02, 27.01.2009.
2. RU 2427008 (С2), G01V 7/00, 20.08.2011.
3. RU 2342683 (С2), G01V 7/02, 27.12.2008.
4. RU 2171481 (C1), G01V 7/02, 27.01.2001.
5. RU 2619132 (C1), G01V 7/02, 12.05.2017.
6. RU 2136022 (C1), G01V 7/04, G01V 7/02, 27.08.1999.
7. Uwe Schweickert, Phasenrauschen, Phasenjitter und G-Sensitivity von Quarzoszillatoren, EEFC 2015 -  2/3, November 2015, p. 24, 43.
8. RU 2618788 (C1), H03K 3/42, 11.05.2017.