ГРАВИТАЦИОННЫЙ ГРАДИЕНТОМЕТР
GRAVITY GRADIENT METER

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано на микроспутниках и космических станциях для измерений параметров гравитационного поля Земли.
Известен гравитационный градиентометр, содержащий квадруполь с изготовленными в виде стержня и пробных масс гантелиями, следящие системы с датчиками перемещений и привод вращения со шпинделем /RU: 2577550/.
Недостатком аналога является его сложность и дороговизна.
Известен гравитационный градиентометр, принятый за прототип, содержащий цилиндрический герметичный корпус, механоэлектрический преобразовательный элемент и инерционную массу, расположенную в корпусе, а также электронный блок, соединенный входами с выходами преобразовательных элементов /RU: 2.046380/.
В прототипе имеется два акселерометра, заключенные в корпус, при этом каждый акселерометр включает чувствительную массу с упруго закрепленной инертной массой, а ось чувствительности акселерометров направлены вдоль одной оси.
Недостатком прототипа является его сложность, связанная с наличием акселерометров и наличием множества механических связей в приборе и как следствие этого недостаточная его чувствительность.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является упрощение гравитационного градиентометра (ГГ) и повышение его чувствительности.
Данный технический результат достигают за счет того, что известный гравитационный градиентометр, содержащий цилиндрический герметичный корпус, механоэлектрический преобразовательный элемент и инерционную массу, расположенную в корпусе, а также электронный блок, соединенный входами и выходами преобразовательных элементов дополнительно содержит компенсатор давления, установленный в центральной части корпуса, при этом механоэлектрический преобразовательный элемент выполнен в виде двух гидрофонов, установленных на торцах цилиндрического корпуса, а в качестве инерционной массы используют жидкость, заполняющую герметичный корпус.
В качестве жидкой инерционной массы применяется дистиллированная вода или ртуть.
Электронный блок выполнен в виде двух усилителей, один из которых - с регулируемым усилением, и сумматора, при этом выходы механоэлектрического преобразователя соединены с входами усилителей, подключенных выходами к входам сумматора.
Изобретение поясняется чертежами: на фиг. 1 представлена конструктивная, а на фиг. 2 - электронная схема прибора.
ГГ в виде высокочувствительный дифференциальный акселерометр выполнен в виде жесткого цилиндрического герметичного корпуса 1, внутри которого на торцах 2, 3 прикреплены механоэлектричекие преобразовательные элементы в виде датчиков микродавлений (гидрофонов), при этом внутренняя полость корпуса заполнена жидкостью 4, выполняющей роль инерционной массы ГГ, причем в центральной части корпуса 1 размещен компенсатор 5, уравнивающий внешнее в внутреннее давление.
ГГ с жидкостной инерционной массой является аналогом дифференциального акселерометра с инерционной массой в виде груза. Отличие состоит лишь в виде физического воздействия на механоэлектрический предобразовательный элемент (давление и сила) и типе преобразовательного элемента (преобразователь микродавлений- гидрофон или биморфный преобразователь изгибных деформаций - преобразователь микроускорений).
Расчитаем возможные тактико-технические характеристики жидкостного ГГ:
1
При вертикальном расположении корпуса ГГ (фиг. 1) на верхний гидрофон 2 действует избыточное давление Р.
где р - удельная плотность жидкостной массы;
h - расстояние от компенсатора до гидрофона;
0
g - среднее значение ускорения свободного падения в центре инерционной массы ГГ;
z
0
gradg - вертикальная составляющая градиента ускорения свободного падения, а также в центре инерционной массы.
2
На нижний гидрофон 3 действует избыточное давление Р:
При параллельном включении гидрофонов 2 и 3 суммарный выходной сигнал с них будет равен:
г
где К - коэффициент преобразования гидрофонов 2 и 3.
г
Т.е. в общем случае выходной сигнал с ГГ пропорционален чувствительности гидрофонов (К), удельной плотности используемой жидкостной инерционной массы (р), величине градиента ускорения силы тяжести и квадрату расстояния от центра масс жидкостной и инерционной массы до преобразователей микродавлений гидрофонов.
с
10
0
с
2
3
3
Оценим среднее значения статических давлений, воздействующих на гидрофоны в покое Р и при вращении ГГ вокруг центра масс с частотой 10 Гц, Р, при условии h=0,1 м, g=10 м/с, Р=10 кг/м (вода).
10
10
10
10
2
4
где а - центробежное (ротационное) ускорение, воздействующее на жидкостную массу, причем следует отметить, что это завышенное значение. Учитывая линейный характер увеличения ускорения с расстоянием и неизменность р, в качестве оценки а целесообразно использовать выражение а=(2πf)×h/2 и тогда Р=2×10 Па.
с
10
Полученные значения Р и Р важны для оценки предельных статических воздействий на гидрофоны при их эксплуатации, конструировании и достижении идентичности их коэффициентов преобразования, поскольку именно они будут определять степень подавления больших, но не содержащих полезной информации синфазных сигналов.
ш
ш
-4
-4
Получив оценки неинформативных максимальных синфазных сигналов, оценим предельно достижимый на сегодня порог чувствительности ГГ по давлению при использовании в качестве МЭПЭ наиболее чувствительного из известных гидрофонов ГИ-50Э. Из его паспортных данных следует, что собственные шумы ГИ-50Э приведенные ко входу Р в 1/3 октавной полосе 20 Гц составляют величину порядка 15 дБ относительно 20 мкПа или Р=10 Па. Т.е. 10 Па это минимально различимая гидрофоном ГИ-50Э в полосе 5 Гц (ширина 1/3 октавной полосы 20 Гц) величина давления (порог чувствительности, при котором отношение сигнал/шум равно единице).
тр
Оценим для выше приведенных параметров ГГ величину давления Р, возникающего в его жидкостной инерционной массе при воздействии на акселерометр требуемого ускорения.
тр
ш
тр
Из сравнения требуемого для удовлетворения минимального измеряемого уровня давления Р, и эквивалентного шумового давления, которое можно измерить с использованием существующих готовых технических решений, что Р на два порядка превышает Р.
Работа электронного блока ясна из фиг. 2.
Таким образом ГГ является более простым по сравнению с прототипом прибором и как показано выше более чувствительным к измеряемому параметру.
Этим достигается поставленный технический результат.