ГРАВИМЕТР
GRAVIMETRE

Изобретение относится к гравиметрии и авиационно-космической промышленности и может быть использовано для измерения ускорения силы тяжести, в том числе, в ходе экспериментов в параболических полетах, в системах, где есть доминирующее направление ускорения, например в центрифугах, в башнях сбрасывания, лифтах и других объектах, движущихся в направлении, перпендикулярном поверхности Земли.
Известный гравиметр М.В.Ломоносова состоял из двух стеклянных резервуаров, помещенных в таящий снег, один из которых, имевший больший диаметр и заполненный ртутью, соединялся с заполненным воздухом малым резервуаром капиллярной трубкой, в которой при изменении силы гравитации изменялся уровень ртути. Чем длиннее капиллярная трубка, тем выше чувствительность гравиметра.
Известен гравиметр с жидким чувствительным элементом [патент РФ №2069880 от 16.09.1992, G01V 7/02], содержащий жесткий удлиненный термостатированный резервуар, частично заполненный жидкостью, выполненный в виде двух идентичных отсеков, соединенных каналами для прохождения жидкости и газа, в канал перетекания жидкости дополнительно введены термокомпенсирующие шайбы, для измерения уровня жидкости в рабочем отсеке используется интерференционно-голографическая оптическая система, содержащая последовательно установленные и оптически связанные лазер, коллиматор, фокусирующую линзу, поворотное зеркало, расположенное под углом 46° к оптической оси фокусирующей линзы, голограмму, оптический отражатель-поплавок, поворотное зеркало, фотоприемное устройство. Осуществляется преобразование дифрагированного от голограммы и отраженного оптическим отражателем-поплавком световых потоков, образующих интерференционную картину, в двоичный код. По характеру изменения двоичного кода при перемещении поплавка, с привязкой ко времени, вычисляется ускорение силы тяжести.
Недостатки данного гравиметра: сложность конструкции, значительное время измерения. Временной интервал, в течение которого жидкость устанавливается и проводятся измерения, задается заранее, до начала измерений. Чем больше временной интервал, тем точнее измерение (порядка 1 с).
Наиболее близким техническим решением является статический гравиметр [патент РФ №2045085 от 08.06.1993, G01V 7/02], содержащий термостатичный корпус, закрытый герметичной крышкой, в которой помещен имеющий внешние зеркальные поверхности стакан с основанием, обеспечивающим общий газовый объем стакана с корпусом, к основанию подвешен упругий заполненный электропроводной рабочей жидкостью сильфон, содержащий в верхней части наполнительную трубку с вентилем и капиллярную трубку с капилляром, в котором находится уровень рабочей жидкости, а в нижней части термокомпенсирующую этот уровень биметаллическую пластину, примыкающую к донышку сильфона, при этом капилляр капиллярной трубки выполнен из высокоомного материала и соединен своими концами электрической цепью с регистратором таким образом, что уровень рабочей жидкости служит в качестве ползуна реостата, представленного капилляром.
-8
2
Хотя данный гравиметр не имеет длинных капиллярных трубок, он обладает высокой чувствительностью (при изменении силы гравитации на 30·10 м/с изменение уровня жидкости в капилляре составляет регистрируемую без необходимости электронного усилителя сигнала величину 0,5 мм), виброустойчивостью.
В качестве существенных недостатков гравиметра следует указать значительные массогабаритные характеристики, сложности с термозащитой и необходимость вводить температурную компенсацию показаний прибора.
Недостатками известных гравиметров являются сложность конструкции, необходимость вводить термокомпенсирующие детали, что приводит к удорожанию изделия, значительные массогабаритные характеристики, сложность эксплуатации.
В основу предлагаемого изобретения положена задача создания портативного гравиметра с чувствительным жидким элементом, имеющего малые вес и размеры, малое энергопотребление, при этом обладающего высокой точностью измерений, малой чувствительность к изменениям температуры, возможностью использовать в качестве чувствительного элемента любые жидкости вне зависимости от изменения их свойств с изменением температуры, простотой анализа данных, при этом не требующего термокомпенсации в умеренном диапазоне температур и позволяющего использовать для его изготовления недефицитные материалы.
Предлагаемый гравиметр обладает малым энергопотреблением, необходимым только для работы измерительной и расчетной аппаратуры.
Поставленную задачу решают тем, что в термостатированном жестком корпусе, закрытом герметичной прозрачной крышкой, размещают жидкий чувствительный элемент - каплю. Центр капли фиксируют на плоском дне при помощи металлического стержня. Измерительной оптической системой снимают значение радиуса смоченного пятна, которое подается на вход расчетного устройства, вычисляющего по значению радиуса величину ускорения свободного падения.
На чертеже представлена схема предлагаемого гравиметра.
Гравиметр состоит из малогабаритного термостатированного жесткого корпуса с прозрачной крышкой 1, массивного плоского днища-блока 2, обеспечивающего постоянную температуру, боковых стенок 3, имеющих хороший тепловой контакт с днищем, но теплоизолированных от существенных внешних источников тепла, жидкого элемента - капли жидкости 4, частично смачивающей поверхность днища, термопар 5 и фиксирующего центр капли жесткого металлического стержня 6, слабо влияющего на динамику капли, но не дающего ей выйти за его пределы и пределы видения оптической системы 7, расположенной над крышкой 1 и соединенной с расчетным устройством 8, вычисляющим по значению радиуса смоченного пятна с помощью таблицы соответствия, составленной по математической формуле или математической модели, величину ускорения свободного падения.
Гравиметр работает следующим образом.
При изменении силы гравитации происходит изменение радиуса смоченного каплей пятна. Радиус измеряется линейной камерой измерительной оптической системы.
Расчетное устройство, используя математическую формулу, определяет значение ускорения свободного падения.
Минимальный радиус смоченного пятна равен:
где θ - краевой угол смачивания, V - объем капли.
Таблица соответствия радиуса смоченного пятна и значений ускорения свободного падения g строится при помощи следующих формул:
или, при ненулевом g при помощи формулы:
2
3
3
где R - радиус капли, м; g - ускорение свободного падения, м/с; θ - краевой угол смачивания, °; V - объем капли, м; ρ - плотность жидкости, кг/м; σ - коэффициент поверхностного натяжения, Н/м.
Пример таблицы соответствия для случая жидкого чувствительного элемента капли воды, дно корпуса из меди, краевой угол смачивания θ=23°, объем капли 0,1 мл, температура 20°С
R, см
g, м/с<sup>2</sup>
0.6765
0.098156
0.6887
2.0
0.7012
4.0
0.7133
6.0
0.7249
8.0
0.7352
9.8156
0.7472
12.0
0.7577
14.0
0.7680
16.0
-4
2
-3
2
Чувствительность гравиметра зависит от свойств используемых материалов, объема капли и точности оптической системы. В зависимости от конкретного применения чувствительность может составлять до 0,01% от верхнего предела измерений. Например, при изменении силы гравитации на 1,535·10 м/с, при объеме капли жидкости FC-72 (краевой угол смачивания 20 градусов) 1 мл изменение радиуса составляет 1 мк, что совпадает с точностью оптической системы, а при объеме капли той же жидкости 2 мл радиус изменяется на 2 мк. Для капли воды (краевой угол смачивания 40 градусов) чувствительность значительно меньше. Так, при объеме 1 мл изменение радиуса капли на 1 мк вызывается изменением гравитации на 3,465·10 м/с.
2
-2
-6
4
4
-3
2
Если предположить, что при максимальном изменении гравитации на 10 м/с радиус капли изменяется на 10 м, то при точности оптической системы 10 м количество точек измерения составит 10 и точность измерения гравитации составит 10/10=10 м/с.
К достоинствам предлагаемого гравиметра следует отнести относительно высокую точность измерений, малую чувствительность к изменениям температуры окружающей среды, малое время измерений, которое составляет от 0,5 секунд до нескольких секунд в зависимости от скорости камеры, свойств и объема жидкого элемента, возможность использовать жидкости, вне зависимости от изменения их свойств с изменением температуры, что позволяет использовать для его изготовления недефицитные материалы. Простота анализа данных достигается за счет использования простой математической формулы, таблицы или математической модели для определения величины ускорения свободного падения. При этом гравиметр имеет малое энергопотребление, малые вес и размеры, портативен. Вместе с тем предлагаемый гравиметр чувствителен к сильным импульсным воздействиям. Гравиметр рассчитан на ситуации, когда есть доминирующее направление гравитации.