СТАТИЧЕСКИЙ ГРАВИМЕТР
STATIC GRAVITY METRE

Изобретение относится к области геофизических технических средств, а именно к статическим гравиметрам, и может быть использовано для производства морской гравиметрической съемки, с повышенной точностью на отдаленных акваториях Мирового океана.
Известны статические гравиметры, содержащие функционально соединенные чувствительную систему, включающую упругий элемент и соединенную с ним массу, датчик малых перемещений массы от исходного (нулевого) положения, вычислительное устройство и регистратор (см. Огородова Л.В., Шимбиров Б.П., Юзефович А.Л. Гравиметрия. М.: Недра, 1978, стр.135-150).
Известен статический гравиметр, наиболее близкий по технической сущности с предлагаемым, содержащий функционально соединенные чувствительную систему, включающую упругий элемент и соединенную с ним массу, датчик малых перемещений массы от исходного (нулевого) положения, устройство для приведения массы в исходное (нулевое) положение, вычислительное устройство и регистратор (см. Труды Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии, выпуск 208. Исследования по гравиметрии. М., 1975, стр.37-38).
Однако известные статические гравиметры характеризуются недостаточно высокой точностью, так как при их использовании имеет место погрешность определения ускорения силы тяжести, обусловленная непостоянством скорости смещения нуль-пункта даже в статистических условиях (см. там же, стр.44).
Так, для статических гравиметров "Ла Коста-Ромберга" за период 1963-1970 гг. уход нуля в 32 мГал может быть аппроксимирован экспонентой, в то время как смещение зимой происходило со скоростью +0.015 мГал/сутки, а летом -0.015 мГал/сутки.
При работе в море скорость смещения нуля гравиметров резко возрастает, например у статических гравиметров "Ла Коста-Ромберга" она составляет в среднем +0.1 мГал/сутки.
У отечественных статических гравиметров ГМПК и ГМН-22 средний уход нуля их чувствительных систем, прошедших естественное старение в течение 4-5 лет, составляет +0.25 мГал/сутки, а в статических гравиметрах трехлетнего изготовления - +0.6 мГал/сутки.
При работе в морских условиях уход нуля за 8 часов в среднем достигает 1.5 мГал/сутки, а вариации относительно этого уровня - ±2.0 мГал.
Целью настоящего изобретения является повышение точности определения ускорения силы тяжести.
Указанная цель достигается тем, что известный статический гравиметр, содержащий функционально соединенные чувствительную систему, включающую упругий элемент и соединенную с ним массу, датчик малых перемещений массы от исходного (нулевого) положения, устройство для приведения массы в исходное (нулевое) положение, вычислительное устройство и регистратор, снабжен датчиком длины упругого элемента или ее изменения, соединенный с вычислительным устройством.
Изобретение поясняется чертежом.
На чертеже изображена принципиальная схема статического гравиметра.
Статический гравиметр, изображенный на чертеже, содержит функционально соединенные, например, астазированную кварцевую чувствительную систему с жидкостным демпфированием и с точкой подвеса - 0, включающую упругий элемент - 1, выполненный в виде натянутой и закрученной кварцевой нити - 1, к которой приварен рычаг - 2 с массой - 3 (кварцевая нить - 1 закручена на такой угол, чтобы рычаг - 2 был в горизонтальной плоскости); датчик малых перемещений массы - 3 от исходного (нулевого) положения, состоящий из зеркала - 4, расположенного на рычаге - 2, источника света - 5, последовательно соединенных дифференциального фоторезистора - 6, мостовой схемы - 7, фильтра - 8 и усилителя - 9; устройство для приведения массы - 3 в исходное (нулевое) положение, выполненное, например, в виде следящей системы, включающей функционально соединенные реле - 10, двигатель - 11, редуктор - 12, микрометренный винт - 13, пружину - 14, потенциометр - 15, форсирующее устройство, состоящее из пластины - 16, укрепленной на рычаге - 2, и параллельных ей пластин - 17, связанных с микрометренным винтом - 13; датчик длины упругого элемента или ее изменения, выполненный, например, в виде лазерного интерферометра типа Майкельсона, состоящий из функционально соединенных источника излучения лазера - 18, электронной системы стабилизации частоты излучения - 19, полупрозрачных зеркал - 20 и 21, установленных под углом 45° к направлению луча, отражательного зеркала - 22, усилителя - 25, счетчика - 26 и генератора эталонной частоты - 27; вычислительное устройство - 28 и регистратор - 29.
Выполнение датчика длины кварцевого упругого элемента или ее изменения, погруженного в демпфирующую жидкость - 30, в виде лазерного интерферометра типа Майкельсона представляется возможным благодаря тому, что через кварц, как известно, проходит свет, и его прозрачность значительно больше прозрачности демпфирующей жидкости - 30, то есть кварцевый упругий элемент, помещенный в демпфирующую жидкость - 30 с меньшей, чем кварц, прозрачностью, будет являться световодом.
Статический гравиметр, изображенный на чертеже, работает следующим образом.
При изменении измеряемого и возмущаемого ускорения изменится длина кварцевой нити - 1. В результате произойдет перемещение рычага - 2 с массой - 3 и с зеркалом - 4 от исходного (нулевого) положения. При перемещении рычага - 2 световой блик источника света - 5 (узкая полоска, отраженная от зеркала - 4) перемещается по поверхности дифференциального фоторезистора - 6 и в диагонали мостовой схемы - 7 возникает напряжение. Электрический сигнал проходит фильтр - 8, усилитель - 9 и поступает на реле - 10. Реле - 10 управляет двигателем - 11. Последний через редуктор - 12, микрометренный винт - 13 и пружину - 14 приводит массу - 3 в исходное (нулевое) положение.
Линейное перемещение микрометренного винта - 13 в потенциометре - 15 преобразуется в напряжение постоянного тока, которое поступает в вычислительное устройство - 28.
Чтобы уменьшить искажение полезного сигнала, в следящей системе имеется форсирующее устройство, гидродинамическое сцепление пластин - 16 и 17 которого ускоряет приведение массы - 3 в исходное (нулевое) положение.
При нахождении массы - 3 в исходном (нулевом) положении напряжение в потенциометре - 15 станет равным исходному (нулевому) значению.
В это время запоминается в памяти вычислительного устройства - 28 по заданному алгоритму значение электрического сигнала от счетчика - 26 лазерного интерферометра, который работает следующим образом.
Световой луч от источника излучения лазера - 18 с электронной системой стабилизации частоты излучения - 19 падает на жестко закрепленное полупрозрачное зеркало - 20. Зеркало - 20 разделяет падающий луч на два луча, один из которых оно отражает, а второй пропускает.
Отраженный луч проходит через кварцевую нить - 1 (на чертеже толщина кварцевой нити - 1 изображена в крупном масштабе с тем, чтобы показать проход через нее светового луча) и, отразившись от зеркала - 22, обратно проходит через кварцевую нить - 1, а затем поступает на зеркало - 21 и на его поверхности складывается со вторым опорным лучом, прошедшим сквозь зеркало - 20 и зеркало-21.
В результате образуется интерференционная картина в виде темных и светлых полос, перемещающихся вследствие изменения длины кварцевой нити - 1.
Через диафрагму - 23 небольшой участок поля интерференции регистрирует фотоумножитель - 24. Электрический сигнал на выходе фотоумножителя - 24 после усилителя - 25 поступает в счетчик - 26, где суммируется число колебаний генератора эталонной частоты - 27.
Частота f прохождения интерференционных полос, как известно, зависит от скорости v и изменения длины кварцевой нити - 1 и связана с v соотношением:
где λ - длина волны излучения лазерного луча.
Электрический сигнал от счетчика - 26 поступает в вычислительное устройство - 28, где запоминается его значение в момент, когда масса - 3 находится в исходном (нулевом) положении.
Предлагаемый статический гравиметр является новым, поскольку из общедоступных сведений не известен статический гравиметр, содержащий вышеизложенные отличительные признаки, а также имеет изобретательский уровень, так как из опубликованных научных данных и известных технических решений явным образом не следует, что заявленная совокупность признаков предлагаемого статического гравиметра повышает его точность определения силы тяжести в море.
Предлагаемый статический гравиметр промышленно выполним, так как для его создания могут быть использованы стандартное оборудование и приспособления, используемые в морских приборах и технических средствах.
i
По полученным данным в вычислительном устройстве - 28 определяют искомое значение ускорения силы тяжести g на i определяемом пункте по формуле:
0
где g - значение силы тяжести на гравиметрическом опорном пункте;
i
0
Δg - величина приращения силы тяжести относительно g, измеренная гравиметром на i определяемом пункте.
i
Значение Δg исходя из сущности заявленного способа и принципа работы вышеизложенного гравиметра можно вычислить по формуле:
0
i
где n, n - параметр, характеризующий перемещение подвижного элемента упругой системы гравиметра, измеренный датчиком малых перемещений на гравиметрическом опорном и i определяемом пунктах соответственно;
0
i
L, L - длина чувствительного элемента упругой системы гравиметра, измеренная датчиком длины на гравиметрическом опорном и на i определяемом пунктах при нахождении подвижного элемента упругой системы гравиметра в исходном (нулевом) положении соответственно;
M
Mi
L, L - длина чувствительного элемента упругой системы гравиметра, измеренная датчиком длины на гравиметрическом опорном и i определяемом пунктах при нахождении подвижного элемента упругой системы гравиметра на максимально отклоненном от исходного (нулевого) положении соответственно;
N - число измерений датчиками гравиметра на гравиметрическом опорном и i определяемом пунктах за период осреднения соответственно.
Формулу (3) можно вывести следующим образом.
Так как гравиметр, реализующий заявленный способ, имеет два независимых друг отдруга датчика, которые измеряют отличающиеся друг от друга параметры, характеризующие перемещение подвижного элемента упругой системы гравиметра относительно исходного (нулевого) положения, то по каждому из них можно вычислить приращение ускорения силы тяжести в i определяемом пункте относительно известного ускорения силы тяжести на гравиметрическом пункте.
0
i
Так, из гравиметрии известно, что по значениям n и n можно вычислить приращение  ускорения силы тяжести на i определяемом пункте по формуле:
ci
где Δg - поправка за смещение нуль-пункта гравиметра на i определяемом пункте.
ci
Значение Δg, как обосновано выше, можно вычислить по формуле:
0
M
i
Mi
С учетом формулы (4) приращение  ускорения силы тяжести на i определяемом пункте по значениям L, L, L, L можно вычислить по формуле
0
M
i
Mi
0
M
i
Mi
0
M
i
Mi
Следует отметить, что в значении  отсутствует поправка за смещение нуль-пункта гравиметра, так как промежуток времени между измерениями L и L и между измерениями L и L мал (составляет доли секунды), то в моменты измерений L, L остаточную деформацию чувствительного элемента можно считать равной, и в моменты измерения L, L также ее можно считать равной, а следовательно, в разностях L-L и L-L она отсутствует.
i
С учетом формул (4) и (6) значение Δg можно вычислить по формуле:
Подставляя в формулу (7) правые части формул (4), (5) и (6), получим формулу (3).
gn
Погрешность m определения ускорения силы тяжести заявленным способом можно вычислить по формуле:
0
где m - погрешность определения ускорения силы тяжести на гравиметрическом опорном пункте;
Δg
i
m - погрешность определения Δg;
Δgc
c
m - погрешность определения Δg.
Значение представляется возможным вычислить по известной формуле погрешности определения параметра поля по разности двойных измерений:
i
i
i+1
где Δ - разности сличаемых значений Δg и Δg;
i=1, 2,…,n - порядковый номер разности значений Δg;
n - количество пар сличаемых значений  и .
i
Из формулы (9) видно, что даже при n, равном 1, погрешность определения Δg, примерно в 1.5 раза меньше в заявленном способе по сравнению с известными способами, в которых Δg вычисляется только лишь по отсчетам датчика малых перемещений гравиметра.
Δgc
Значение m можно вычислить по формуле:
k
где m - погрешность определения эталонированием;
ΔLc
0
i
m - погрешность определения ΔLc=L-L.
k
Например, когда m=0.018 мГал (точность эталонирования современных гравиметров (см. Огородова Л.В. и др. Гравиметрия, М.: Недра, 1978, стр.135),
-9
Δgc
см (погрешность определения длины с помощью интерферометра Майкельсона составляет 5·10 см) (см. Труды Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии, выпуск 208. Исследования по гравиметрии. М., 1975, с.24), то m составит 0.02 мГал.
Δgc
Если учесть, что допустимая погрешность определения ускорения силы тяжести в море составляет 1 мГал, то согласно закону наименьшего влияния погрешностью m, равной 0.02 мГал, можно пренебречь.
Технико-экономическая эффективность заявленного статического гравиметра заключается в значительном повышении точности определения ускорения силы тяжести по сравнению с известными статистическими гравиметрами, так как он позволяет по результатам измерений в процессе измерений определять поправку за смещение нуль-пункта и практически исключить погрешность определения ускорения силы тяжести, обусловленную непостоянством скорости смещения нуль-пункта, которая достигает у современных статических гравиметров, как известно, 2 мГал.
Источники информации
1. Огородова Л.В., Шимбиров Б.П., Юзефович А.Л. Гравиметрия, М.: Недра, 1978.
2. Труды Центрального НИИ геодезии, аэросъемки и картографии, выпуск 208. Исследования по гравиметрии. М., 1975.