УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ (ВАРИАНТЫ)

Устройство для измерения гравитационного поля (варианты)
Группа полезных моделей относится к области геофизического приборостроения, а именно, к устройствам для измерения гравитационного поля и может быть использована для измерения параметров гравитационного поля Земли (например, силы тяжести, гравитационного потенциала, ускорения свободного падения) как в стационарных условиях, так и на движущихся объектах (самолет, вертолет, судно, автомобиль).
Известен гравиметр (патент РФ №2232410, G 01 V 7/00, 7/02), содержащий механический чувствительный элемент, экранированный от внешнего гравитационного поля двухоболочечной камерой, причем пространство между оболочками камеры заполнено газом, в котором при работе устройства образуется с помощью источника питания низкотемпературная плазма. Гравиметр содержит также блок измерения колебаний чувствительного элемента и параметров плазмы, блок управления (персональная электронная вычислительная машина) и регистратор результатов измерений.
Недостатками такого гравиметра является его сложность вследствие использования сочетания механического чувствительного элемента с газоплазменной камерой, необходимость учитывать отклонение механического чувствительного элемента от вертикали и пониженная точность измерений в условиях влияния на полезный сигнал, например, возможных индустриальных импульсных помех и помех, вызываемых вибрацией (тряской, ударами) при мобильном использовании гравиметра, а также влияния изменений температуры окружающей среды и нагревающихся элементов гравиметра.
Известно также устройство для измерения гравитационного поля (патент РФ №2221263, G 01 V 7/00, 7/02), включающее плазменный гравиметрический датчик, выполненный в виде камеры из диэлектрического материала, в частности, стекла, заполненной электропроводящим газом, например, неоном, или в виде твердотельного токопроводящего элемента, причем указанная камера (или упомянутый токопроводящий элемент) снабжена четырьмя электродами, попарно расположенными на концах воображаемых взаимно-перпендикулярных пересекающихся друг с другом отрезков
прямых линий, причем электроды первой пары электродов расположены на противоположных друг другу поверхностях камеры (элемента) и подключены к выходу импульсного генератора со стабильной амплитудой выходного напряжения, электроды второй пары электродов расположены на перпендикулярных вышеупомянутым поверхностях упомянутой камеры (элемента) и соединены со входом измерительного усилителя, причем камера (элемент) с электродами заключена в магнитоизолирующий экран, а устройство имеет термостабилизатор для поддержания в устройстве заданной температуры. Термостабилизатор (система термостатирования или термостабилизации) для осуществления своей функции содержит термостат (герметизированный теплоизолированный термостатируемый объем), включающий датчик температуры. Рассматриваемое устройство (гравиметр) имеет более простую конструкцию, освобожденную от механического чувствительного элемента и его недостатков. Используемый здесь плазменный гравиметрический датчик не требует обязательной ориентации его в пространстве, что повышает точность измерения в условиях, вызывающих изменение пространственного положения датчика, например, при транспортировке устройства.
Однако это устройство имеет пониженную точность измерений вследствие влияния на полезный сигнал возможных индустриальных помех и помех, вызываемых вибрацией (тряской, ударами) при мобильном использовании гравиметра и изменяющих параметры (в частности, амплитуда) полезного сигнала, а также вследствие ограниченной точности работы системы термостатирования в мобильных малогабаритных гравиметрах, что, в свою очередь, обусловлено ограниченной величиной мощности автономного источника питания.
Известна гравиметрическая измерительная система (патент РФ №2149429, G 01 V 7/16), предназначенная для использования на движущихся объектах, включающая пять измерительных блоков, каждый из которых содержит гравиметрический датчик, например, акселерометр, выход которого соединен со входом аналого-цифрового преобразователя. Измерительные блоки ориентированы по различным пространственным осям системы. Выход аналого-цифрового преобразователя каждого из двух измерительных блоков соединен непосредственно с соответствующим входом вычислителя, а выходы аналого-цифровых преобразователей других трех измерительных блоков соединены с соответствующим входом вычислителя через кворум-элемент. Выход вычислителя является выходом гравиметрической измерительной системы. В системе
определяются ускорения движущегося объекта по трем различным пространственным осям. Вычислитель реализует функцию расчета ошибки измерения, возникающей за счет отклонения измерительной оси гравиметрического датчика от местной вертикали, и ошибки, возникающей за счет ускорения движущегося объекта по пространственным осям, а также вносит соответствующую коррекцию в величину полезного выходного сигнала измерительной системы. Это повышает точность измерений в условиях использования гравиметрической измерительной системы на движущихся объектах.
Недостатком известной гравиметрической измерительной системы является ее сложность вследствие использования пяти аналогичных измерительных блоков, а также увеличенные размеры, масса и энергопотребление системы. Также недостатками являются низкое быстродействие и пониженная точность за счет влияния изменений температуры окружающей среды и нагревающихся элементов системы.
Известен малогабаритный гравиметр (заявка на изобретение РФ №95107794, G 01 V 7/14, оп. 27.10.1997 г.), включающий гравиметрический датчик в виде ампулы с вакуумированным гермообъемом, в которой размещено свободное сферическое инерционное тело, и блок регистрации перемещения сферического инерционного тела. Малогабаритный гравиметр содержит также эталонный кварцевый генератор, блок измерения временных интервалов, термодатчик (датчик температуры), аналого-цифровые преобразователи, соединенные со входами микроЭВМ, причем выходы микроЭВМ соединены со входами трех усилителей, и другие элементы. МикроЭВМ реализует функцию управления процессом измерения перемещений вышеуказанного инерционного тела внутри гравиметрического датчика.
Недостатком указанного малогабаритного гравиметра является, в частности, пониженная точность измерений вследствие влияния на полезный сигнал возможных индустриальных помех и помех, вызываемых вибрацией (тряской, ударами) при мобильном использовании гравиметра, а также вследствие влияния изменений температуры окружающей среды.
Наиболее близким к предложенному техническому решению (прототипом) является устройство для измерения гравитационного поля (гравиметр по авт. св. СССР №1431524, G 01 V 7/02), включающее гравиметрический датчик, выполненный в данном случае в виде механического чувствительного элемента с индикатором малых перемещений и соединенный с одним из входов аналогового регистрирующего устройства, выполняющего роль алгебраического сумматора поступающих на два его
входа сигналов, микропроцессорное устройство управления и обработки данных с устройством ввода информации и программируемым таймером (микропроцессорный блок), причем выход указанного микропроцессорного устройства соединен со входом цифроаналогового преобразователя, подключенного к другому входу аналогового регистрирующего устройства, и термостат для поддержания постоянного температурного режима в устройстве при проведении измерений (система термостатирования или термостабилизации с соответствующими датчиками температуры). Микропроцессорный блок в рассматриваемом устройстве реализует функцию вычисления величины притяжения Луны и Солнца на момент измерения силы тяжести. В соответствии с этими данными в аналоговом регистрирующем устройстве производится компенсация полученного с гравиметрического датчика значения силы тяжести и обеспечивается повышение точности измерений за счет исключения влияний лунно-солнечных вариаций гравитационного поля.
Недостатком устройства-прототипа является пониженная точность измерений вследствие отсутствия компенсации влияния на аналоговый полезный сигнал возможных индустриальных помех и помех, вызываемых вибрацией (тряской, ударами) при мобильном использовании гравиметра, а также вследствие ограниченной точности работы системы термостатирования, что обусловлено ограниченной величиной мощности автономного источника питания, особенно, в случае использования устройства в качестве мобильного малогабаритного гравиметра. Недостатком является также пониженная точность измерений вследствие отсутствия компенсации медленных изменений значения полезного сигнала, в частности, за счет изменения температуры и напряжения питания при работе системы термостабилизации.
Это ограничивает использование устройства в полевых условиях вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства, а также при медленных колебаниях температуры окружающей среды, например, при смене времени суток (день - ночь).
Задачей полезной модели является повышение точности измерений, расширение области использования устройства.
Указанная задача решена двенадцатью вариантами полезной модели - устройства для измерения гравитационного поля.
Первый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик и микропроцессорный блок, отличается тем, что в него введен
аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок, который выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Второй вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик и микропроцессорный блок, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифрового усреднения значений полезного сигнала, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Третий вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик и микропроцессорный блок, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех и последующего цифрового усреднения значений полезного сигнала, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Четвертый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Пятый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифрового усреднения значений полезного сигнала, вход аналого-цифрового преобразователя
соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Шестой вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех и последующего цифрового усреднения значений полезного сигнала, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен со входом микропроцессорного блока, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Седьмой вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования с датчиками температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатируемого объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, по крайней мере один из датчиков температуры размещен вне термостатируемого объема, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех с последующим цифровым усреднением значений полезного сигнала, реализации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема, а также реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема, осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов микропроцессорного блока, с другими входами которого соединены по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатируемого объема и по крайней мере один датчик температуры, размещенный вне термостатируемого объема, а чыход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Восьмой вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования с
датчиками температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатируемого объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, по крайней мере один из датчиков температуры размещен вне термостатируемого объема, микропроцессорный блок выполнен с возможностью релизации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема, а также реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема, осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из выходов микропроцессорного блока, с другими входами которого соединены по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатируемого объема и по крайней мере один датчик температуры, размещенный вне термостатируемого объема, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Девятый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования с датчиками температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатируемого объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, по крайней мере один из датчиков температуры размещен вне термостатируемого объема, микропроцессорный блок выполнен с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех, релизации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема, а также реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема, осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов микропроцессорного блока, с другими входами которого соединены по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатируемого объема и по
крайней мере один датчик температуры, размещенный вне термостатируемого объема, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Десятый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования с датчиками температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатируемого объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, по крайней мере один из датчиков температуры размещен вне термостатируемого объема, микропроцессорный блок выполнен с возможностью осуществления функции цифрового усреднения значений полезного сигнала, релизации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема, а также реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема, осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов микропроцессорного блока, с другими входами которого соединены по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатируемого объема и по крайней мере один датчик температуры, размещенный вне термостатируемого объема, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Одиннадцатый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок и систему термостатирования с датчиками температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатируемого объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, по крайней мере одш из датчиков температуры размещен вне термостатируемого объема, микропроцессорный блок выполнен с возможностью релизации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов микропроцессорного блока, с другими входами которого соединены по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатируемого объема и по крайней мере один датчик температуры,
размещенный вне термостатируемого объема, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Двенадцатый вариант устройства для измерения гравитационного поля, включающего гравиметрический датчик, микропроцессорный блок, термостатированный объем и датчики температуры, по крайней мере один из которых размещен внутри термостатированного объема, отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, микропроцессорный блок выполнен с возможностью релизации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатированного объема, осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуря внутри термостатированного объема, вход аналого-цифрового преобразователя соединен с выходом гравиметрического датчика, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с одним из входов микропроцессорного блока, с другим входом которого соединен по крайней мере один датчик температуры, размещенный внутри термостатированного объема, а выход микропроцессорного блока является выходом устройства.
Кроме того, устройство для измерения  гравитационного поля отличается тем, что по крайней мере один датчик температуры внутри термостатируемого объема, используемый при термокоррекции значений полезного сигнала, размещен в непосредственной близости или непосредственно на гравиметрическом датчике.
Каждый из предложенных двенадцати вариантов полезной модели обладает новизной в сравнении с прототипом по совокупности изложенных в формуле существенных признаков.
Единство предложенных двенадцати вариантов полезной модели обусловлено тем, что все указанные варианты относятся к устройствам одного вида, одинакового назначения, а именно, к устройствам для измерения гравитационного поля, обеспечивающим получение одного и того же технического результата, заключающегося в повышение точности измерений.
Промышленная применимость предложенной полезной модели показана в описании достижением каждым вариантом полезной модели заявленного технического результата.
Выполнение в первом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации им функции цифровой фильтрации импульсных помех в совокупности с другими признаками этой полезной модели обеспечивает получение
технического результата в виде повышения точности измерения в условиях, когда возникают импульсные помехи, изменяющие значения полезного сигнала. Это происходит при измерениях в процессе перемещения гравиметра (вибрация, тряска, удары), а также при наличии индустриальных импульсных помех.
При этом расширяется область использования предложенного первого варианта полезной модели за счет возможности использование устройства вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства.
Выполнение во втором варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции цифрового усреднения значений полезного сигнала в совокупности с другими признаками данной полезной модели обеспечивает получение технического результата в виде повышение точности измерения в условиях медленного изменения значений полезного сигнала, вызванных, например, изменением напряжения источника питания при работе системы термостабилизации, при одновременном отсутствии импульсных помех, накладывающихся на полезный сигнал. Этот вариант полезной модели предпочтительно использовать при измерениях в стационарных условиях и/или вдали от промышленных районов.
Выполнение в третьем варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью последовательной реализации функций цифровой фильтрации импульсных помех и функции цифрового усреднения значений полезного сигнала в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения в условиях, когда возникают импульсные помехи, изменяющие значения полезного сигнала. Это происходит при измерениях в процессе перемещения гравиметра (вибрация, тряска, удары), а также при наличии индустриальных импульсных помех, и при одновременном изменении напряжения питания.
Область использования третьего варианта полезной модели расширяется за счет возможности использование устройства вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства.
Четвертый, пятый и шестой варианты полезной модели обеспечивают получение технического результата в виде повышения точности измерений и расширения области использования, аналогичного вышеуказанному, соответственно, для первого, второго и третьего вариантов полезной модели. Но при этом, вследствие присутствия в составе признаков четвертого, пятого и шестого вариантов полезных моделей системы термостатирования, изменения значений полезного сигнала от импульсных помех и
медленных изменений напряжения источника питания и положения прибора не маскируются изменениями полезного сигнала за счет температурных влияний окружающей среды и нагревающихся элементов самого устройства. Получаемое повышение точности измерений для четвертого, пятого и шестого вариантов полезной модели выше, чем для первого, второго и третьего вариантов.
Выполнение в седьмом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью последовательной реализации функций цифровой фильтрации импульсных помех и функции цифрового усреднения значений полезного сигнала, а также реализации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения в условиях, когда имеют место как импульсные помехи, так и другие влияния, изменяющие значения полезного сигнала. Это происходит при измерениях в процессе перемещения гравиметра (вибрация, тряска, удары), а также при наличии индустриальных импульсных помех, при одновременном изменении напряжения питания, а также при изменениях температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства.
Размещение по крайней мере одного из датчиков температуры вне термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема при осуществлении функции термостатирования обеспечивает экономию электроэнергии от источника питания при изменениях температуры окружающей среды, а, следовательно, увеличение длительности работы прибора в полевых условиях (без подзарядки источника питания), особенно в весенний, осенний периоды с большими перепадами суточной температуры.
Введенная в полезную модель система цифровой температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата обладает меньшей инерционностью, чем система термостатирования и обеспечивает соответствующее дополнительное повышение точности измерений.
Область использования седьмого варианта предложенной полезной модели расширяется за счет возможности использование устройства вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства, а также в таких полевых условиях, когда происходят резкие колебания температуры окружающей
среды, на которые не может реагировать с соответствующей скоростью система термостатирования.
Седьмой вариант полезной модели обладает максимальным техническим результатом по повышению точности измерений и расширению области использования устройства среди всех предложенных вариантов полезной модели.
Выполнение в восьмом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения в условиях, когда имеют место изменения температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства. Меньшая инерционность системы цифровой температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата по сравнению с системой термостатирования обеспечивает соответствующее повышение точности измерений.
Область использования восьмого варианта полезной модели расширяется за счет возможности использование устройства в таких полевых условиях, когда происходят резкие колебания температуры, которые не компенсирует с соответствующей скоростью система термостатирования.
Выполнение в девятом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех и функции температурной коррекции значений полезного сигнала в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения в условиях, когда возникают импульсные помехи, изменяющие значения полезного сигнала, а также имеют место изменения температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства. Это происходит при измерениях в процессе перемещения гравиметра (вибрация, тряска, удары), при наличии индустриальных импульсных помех, а также при одновременных изменениях температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства.
Область использования девятого варианта полезной модели расширяется за счет возможности использование устройства вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства, а также за счет возможности использование устройства в полевых условиях при таких колебаниях температуры, которые не компенсирует с соответствующей скоростью система термостатирования.
Выполнение в десятом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции цифрового усреднения значений полезного сигнала и температурной коррекции значений полезного сигнала в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения в условиях, когда отсутствуют импульсные помехи, накладывающиеся на полезный сигнал, и происходят медленные изменения значений полезного сигнала, вызванные, например, медленным изменением ориентации гравиметрического датчика или напряжения питания при работе системы термостабилизации, а также имеют место изменения температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства. Этот вариант полезной модели предпочтительно использовать при измерениях в стационарных условиях и/или вдали от промышленных районов.
Область использования десятого варианта полезной модели расширяется за счет возможности использования устройства вблизи линий электропередач и промышленных предприятий, при транспортировке устройства, а также за счет возможности использования устройства при таких колебаниях температуры, которые не компенсирует с соответствующей скоростью система термостатирования.
Выполнение в одиннадцатом варианте полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции термостатирования с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема в совокупности с другими признаками полезной модели обеспечивает повышение точности измерения при изменениях температуры окружающей среды и температуры элементов самого устройства. Размещение по крайней мере одного из датчиков температуры вне термостатируемого объема и по крайней мере одного датчика температуры вне термостатируемого объема при осуществлении  функции термостатирования обеспечивает экономию электроэнергии от источника питания при изменениях температуры окружающей среды.
Область использования одиннадцатого варианта полезной модели расширяется за счет возможности увеличенного срока автономной работы устройства без подзаряда аккумуляторов питания.
Выполнение в двенадцатом вариант, полезной модели микропроцессорного блока с возможностью реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатированного объема,
осуществляемой с помощью по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатированного объема, обеспечивает повышение точности измерений за счет повышенного быстродействия (низкой инерционности) чисто цифрового способа уменьшения влияния изменений температур ы на величину полезного сигнала.
Область использования двенадцатого варианта предложенной полезной модели расширяется за счет возможности использование устройства в таких полевых условиях, когда происходят резкие колебания температуры окружающей среды, на которые не может реагировать с соответствующей скоростью система термостатирования.
Размещение в устройстве для измерения гравитационного поля по двенадцатому варианту по крайней мере одного датчика температуры внутри термостатируемого объема, используемого при термокоррекции значений полезного сигнала, в непосредственной близости или непосредственно на гравиметрическом датчике, повышает точность измерений за счет более точного учета изменений температуры гравиметрического датчика.
Полезная модель поясняется чертежами:
фиг.1 - блок-схема устройства для измерения гравитационного поля, выполненного по седьмому варианту предложенной полезной модели;
фиг.2 - блок-схема алгоритма работы микропроцессорного блока (микропроцессора) при реализации функции цифровой фильтрации импульсных помех;
фиг.3 - блок-схема алгоритма работы микропроцессора при реализации функции цифрового усреднения значений полезного сигнала;
фиг.4 - блок-схема алгоритма работы микропроцессора при реализации функции термостатирования - стабилизации температуры в термостатируемом объеме при изменении температуры окружающей среда ;
фиг.5 - блок-схема алгоритма работы микропроцессора при реализации функции температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема.
Устройство для измерения гравитационного поля по седьмому варианту выполнения (фиг.1) содержит гравиметрический датчик 1 гравитационного поля, выполненный, например, в виде плазменного гравиметрического датчика по патенту РФ №2221263 (описан выше). Датчик 1 размещен в термостатируемом объеме (термостате) 2. Обычно датчик 1 включает магнитный (электромагнитный) экран (на чертеже не показано), окружающий чувствительный элемент датчика, для исключения влияния
магнитных (электромагнитных) полей на результат измерения. Магнитный (электромагнитный) экран может быть выполнен не непосредственно вокруг гравиметрического датчика 1, а вокруг термостатируемого объема 2.
Выход 3 датчика 1 соединен со входом 4 измерительного усилителя 5, выход 6 которого соединен со входом 7 аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 8. Выход 9 АЦП 8 соединен со входом 10 микропроцессора 11. Выход 12 микропроцессора 11 является выходом устройства для измерения гравитационного поля. Выход 12 устройства может быть соединен или со входом 13 регистратора 14 (блок запоминания и показа измеренных значений гравитационного пеня), также размещенным в корпусе устройства, или, например, с телеметрическим блоком передачи измеренных значений на удаленный терминал (на чертеже не показано).
Измерительный усилитель 5 может отсутствовать в устройстве при достаточном уровне выходного сигнала гравиметрического датчика 1 или может входить в состав датчика 1 и находиться внутри термостатируемого объема 2.
Микропроцессор 11 выполняет функции электронного вычислительного устройства и, в зависимости от назначения устройства и области его использования, может быть выполнен в виде персональной ЭВМ или в виде микроконтроллера, например, типа PIC16F877. В состав микропроцессора 11 (микропроцессорного блока) может входить устройство 15 ввода данных, выход 16 которого соединен с соответствующим входом 17 микропроцессора 11. Устройство 15 ввода данных может быть выполнено, например, в виде интерфейса RS-232 и внешнего компьютера. Микропроцессорный блок, в частности, в портативном устройстве для измерения гравитационного поля может состоять только из микропроцессора 11с соответствующим объемом памяти.
В термостатируемом объеме 2, при необходимости - в непосредственной близости (вблизи) или непосредственно на гравиметрическом датчике 1, расположен по крайней мере один датчик температуры 18. Указанный датчик температуры 18 предназначен для температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2. В частности, при использовании в устройстве плазменного гравиметрического датчика 1 по патенту 2221263 (см. выше), датчик температуры 18 размещается вблизи или непосредственно на чувствительном элементе плазменного датчика 1, а именно, на заполненной электропроводящим газом камере из диэлектрического материала. При использовании в качестве гравиметрического датчика 1 акселерометра, датчик температуры 18 может быть размещен вблизи корпуса или на
корпусе акселерометра. Термины «в непосредственной близости, вблизи» в данном случае означают размещение датчика температуры 18 на расстоянии до 3-5 мм от гравиметрического датчика 1.
Внутри термостатированного объема 2 устройства размещен также по крайней мере один датчик температуры 19. Вне термостатируемого объема 2 расположен датчик температуры 20, измеряющий температуру окружающей среды. Температурные датчики 19 и 20 предназначены для стабилизации температуры в термостатируемом объеме 2 (термостатирование, термостабилизация).
Для стабилизации температуры внутри термостата 2 и для температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2 в частном случае может использоваться один и тот же датчик температуры (18 или 19). Датчик температуры 18 (19) размещается в непосредственной близости или непосредственно на гравиметрическом датчике 1 в случае достаточно большого объема термостата 2, при размещении в термостатируемом объеме 2, кроме гравиметрического датчика 1, других элементов устройства, например, источника опорного напряжения и АЦП. Такое размещение датчика температуры 18 (19), используемого для термостабилизации и/или для температурной коррекции значений полезного сигнала, может быть реализовано в любом из вариантов полезной модели, включающем термостабилизацию и/или термокоррекцию полезного сигнала.
Выходы датчиков 18, 19 и 20 системы термостатирования соединены с соответствующими входами 21, 22 и 23 микропроцессора 11. При необходимости может быть использовано по несколько датчиков 18, 19 и 20, соединенных с соответствующими входами микропроцессора 11 (на чертеже не показано).
В термостатируемом объеме 2 размещен регулирующий элемент 24, обеспечивающий поддержание в термостате 2 заданной температуры. Вход регулирующего элемента 24 соединен с соответствующим выходом 25 микропроцессора 11. В качестве регулирующего элемента 24 может быть использован, например, униполярный транзистор.
В устройстве измерения гравитационного поля по седьмому варианту полезной модели микропроцессор 11 реализует известную в прототипе функцию термостатирования и, кроме того, осуществляет приданные ему в данном варианте функции цифровой фильтрации импульсных помех и последующего цифрового усреднения значений полезного сигнала, а также функцию температурной коррекции
значений усредненного полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2.
Устройства измерения гравитационного поля по четвертому - шестому и по восьмому - двенадцатому вариантам полезной модели выполнены так же, как показано на фиг.1. Отличаются они составом функций, реализуемых микропроцессором 11. В четвертом - одиннадцатом вариантах реализации устройства микропроцессор 11 осуществляет известную в прототипе функцию термостабилизации в объеме 2, включающем гравиметрический датчик 1. Кроме того, в устройстве по четвертому варианту микропроцессор 11 реализует функцию цифровой фильтрации импульсных помех, в устройстве по пятому варианту - функцию цифрового усреднения значений полезного сигнала, а в устройстве по шестому варианту - функцию цифровой фильтрации импульсных помех и последующего цифрового усреднения значений полезного сигнала. В устройстве по восьмому варианту микропроцессор 11 реализует функцию температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2. В устройстве по девятому варианту микропроцессор 11 осуществляет функцию цифровой фильтрации импульсных помех и функцию температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2, а в устройстве по десятому варианту микропроцессор 11 реализует функции цифрового усреднения значений полезного сигнала и температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2.
В устройстве по одиннадцатому варианту микропроцессор 11 реализует функцию термостабилизации. В устройстве по двенадцатому варианту микропроцессор 11 реализует функцию температурной коррекции значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата 2.
Устройства измерения гравитационного поля по первому, второму и третьему вариантам полезной модели выполнены, как показано на фиг.1, за исключением того, что в этих устройствах отсутствует термостатируемый объем 2, нет датчиков температуры 18, 19, 20 и регулирующего элемента 24 и, соответственно, микропроцессор 11 не осуществляет функции термостабилизации и термокоррекции. При этом в первом варианте устройства микропроцессор 11 реализует только функцию цифровой фильтрации импульсных помех, во втором варианте - только функцию цифрового усреднения значений полезного сигнала, а в третьем варианте - функции цифровой фильтрации импульсных помех и последующего цифрового усреднения значений полезного сигнала.
Устройство для измерения гравитационного поля, выполненное по седьмому варианту, работает следующим образом.
После включения и выхода прибора на температурный режим, измеренное аналоговое значение полезного сигнала, характеризующее искомую величину силы тяжести в точке измерения, поступающее с выхода 3 гравитационного датчика 1, усиливается измерительным усилителем 5, преобразовывается в цифровую форму в АЦП 8 и поступает в микропроцессор 11, где производится его цифровая обработка. А именно, сначала обеспечивается цифровая фильтрация наложенных на полезный сигнал импульсных помех с использованием алгоритма, показанного на фиг.2, затем производится цифровое усреднение значений полезного сигнала алгоритмом, изображенным на фиг.3. После этого осуществляется температурная коррекция значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостата с помощью алгоритма по фиг.5. Следует отметить, что очередность выполнения функций цифрового усреднения и температурной коррекции может быть изменена на обратную.
Параллельно с исполнением указанных алгоритмов в седьмом варианте полезной модели производится стабилизация температуры в термостатируемом объеме 2. При этом микропроцессор 11 осуществляет реализацию алгоритма термостабилизации (фиг.4).
Далее описана реализация микропроцессором 11 каждой его функции с указанием особенностей работы предложенных вариантов полезной модели в соответствии с приведенньм выше для каждого варианта составом функций микропроцессора 11.
Цифровая фильтрация наложенных на полезный сигнал импульсных помех осуществляется в первом, третьем, четвертом, шестом, седьмом и девятом вариантах полезной модели микропроцессором 11 с использованием алгоритма, приведенного на фиг.2. При этом осуществляется исключение из полезного цифрового сигнала, поступающего из АЦП 8 на вход 26 блока 27 алгоритма (фиг.2), недопустимых импульсных помех на основе определения величины абсолютного отклонения текущего значения полезного сигнала от предыдущего значения этого сигнала. Указанное отклонение delta рассчитывается (блок 27 алгоритма) по формуле:
delta=abs|adc_vals[-2]-adc_vals[-1]|,
где abs |...| - операция взятия модуля от числа;
adc_vals[-1] - текущее значение полезного сигнала;
adc_vals[-2] - предыдущее значение полезного сигнала.
Если рассчитанная величина отклонения больше установленной допустимой величины отклонения (выход "да" блока 27 алгоритма), то текущее значение полезного сигнала adc_vals[-1] заменяется предыдущим значением adc_vals[-2] в блоке 29 рассматриваемого алгоритма, которое поступает на один из входов блока 31, осуществляющего функцию "или". В случае, когда рассчитанная величина отклонения меньше установленной допустимой величины отклонения (выход "нет" блока 27 алгоритма), текущее значение полезного сигнала не изменяется, то-есть, его значение adc_vals[-1] через блок 30 алгоритма передается на другой вход блока 31. Через блок 31 "или" значения полезного сигнала, обработанные с использованием рассматриваемого алгоритма исключения импульсных помех, подаются на выход 32 всего рассматриваемого алгоритма для дальнейшей цифровой обработки или для регистрации, например, в блоке 14 устройства (фиг.1).
Цифровое усреднение значений полезного сигнала осуществляется микропроцессором 11с использованием алгоритма по фиг.3. Данный алгоритм реализует арифметическое усреднение с плавающим средним. Список vals используется для хранения предыдущих неусредненных значений. Для того, чтобы каждый раз не вычислять сумму всего списка, используется аккумулятор sum. Результат работы функции хранится в переменной aver. Список vals и аккумулятор sum перед началом работы должны быть проинициализированы пустым списком и нулем соответственно. Также эти переменные должны сохраняться с предыдущего вызова функции.
В начале работы рассматриваемого алгоритма цифрового усреднения цифровое значение полезного сигнала, поступающее на вход 33 (фиг.3) алгоритма из АЦП 8 (во втором, пятом и десятом вариантах полезной модели) или с выхода 32 (фиг.2) алгоритма цифровой фильтрации импульсных помех (третий, шестой и седьмой варианты полезной модели), добавляется в конец списка vals (блок 34 алгоритма). Затем значение полезного сигнала добавляется к аккумулятору sum (блок 35 алгоритма). Далее, в блоке 36 алгоритма вычисляется плавающее среднее значение полезного сигнала aver по формуле:
aver=sum/len(vals),
где len(vals) - длина списка vals.
Затем в блоке 37 определяется, равна ли длина списка vals числу значений, по которым производится усреднение. В случае положительного ответа на указанных вопрос производится удаление последнего значения списка vals из аккумулятора sum (блок 38), а также удаление первого значения списка vals (блок 39). Усредненное значение полезного сигнала aver через блок 40 ("или") поступает на выход 41 рассматриваемого алгоритма.
В случае неравенства длины списка vals числу значений, по которым производится усреднение, операции удаления последнего значения списка vals из аккумулятора sum (блок 38) и удаления первого значения списка vals (блок 39) не осуществляются. При этом усредненное значение полезного сигнала также через блок 40 ("или") поступает на выход 41 рассматриваемого алгоритма. Значения полезного сигнала, обработанные с использованием рассматриваемого алгоритма усреднения, с выхода 41 алгоритма подаются в седьмом - десятом вариантах полезной модели на блок 58 алгоритма температурной коррекции полезного сигнала (фиг.5), а в других вариантах направляются для регистрации в блоке 14 устройства (фиг.1) или для передачи по каналу телеметрии (на чертежах не показано).
Повышение точности измерений при цифровом усреднении происходит вследствие того, что при цифровом усреднении по N значениям полезного сигнала величина помехи (случайный шум) уменьшается в корень квадратный из N, то-есть, отношение сигнала к шуму возрастает тоже в N раз. При использовании предложенного алгоритма число (N) значений полезного сигнала равно len(vals). В частности, при усреднении по 100 значениям полезного сигнала отношение сигнала к шуму возрастает в 10 раз. При этом точность измерения повышается примерно на 42%.
Стабилизация температуры в термостатируемом объеме 2 в четвертом -одиннадцатом вариантах полезной модели осуществляется с использованием микропроцессора 11, реализующего алгоритм термостабилизации (фиг.4).
Данный алгоритм реализует функцию ступенчатого термостатирования в четвертом - одиннадцатом вариантах полезной модели. Определенная с помощью датчика 20 текущая температура temp-ext окружающей среды записывается в переменную temp-ext (блок 43 рассматриваемого алгоритма). Шкала температур, в которой работает устройство, разбита на несколько диапазонов или зон температур bord, составляющих кортеж bords границ диапазонов стабилизации. В блоках 44-47 алгоритма определяется диапазон bord температур (границы зоны температур), в котором находится значение измеренной температуры окружающей среды. То-есть, определяется диапазон температурной
стабилизации. Если температура окружающей среды находится в пределах диапазона bord (ответ "да" в блоке 47 алгоритма), то верхняя граница выбранного диапазона температур принимается за стабилизационную температуру и загружается в переменную temp (блок 48 алгоритма). Если температура окружающей среды не находится в пределах диапазона bord (ответ "нет" блока 47 алгоритма), то 1 раз повторяются операции по подбору диапазона bord, соответствующего этой окружающей температуре (блоки 44, 45, 46 алгоритма) После считывания (блок 49 алгоритма) с помощью датчика 19 значения внутренней температуры temp_int в термостатируемом объеме 2, включающем гравитационный датчик 1 устройства, вычисляется (блок 50 алгоритма) значение температуры q по формуле:
q=k(temp-temp_int),
где q - значение температуры, выставляемое на регулирующем элементе 24;
temp - стабилизационная температура;
temp_int - температура в термостатируемом объеме 2 с гравитационным датчиком 1 устройства;
k - некоторый постоянный известный линейный коэффициент.
Далее полученное значение температуры q отправляется (блок 51 алгоритма) на регулирующий элемент 24 (?нагреватель-охладитель) и задает его работу по поддержанию указанного значения температуры в объеме 2 устройства.
Температурная коррекция значений полезного сигнала при изменении температуры внутри термостатируемого объема 2 осуществляется процессором 11 в седьмом - десятом и двенадцатом вариантах полезной модели с помощью алгоритма, приведенного на фиг.5.
Этот алгоритм реализует ступенчатую температурную корректировку значений полезного сигнала, поступающего с выхода 32 алгоритма исключения импульсных помех (фиг.2) или с выхода 41 алгоритма усреднения полезного сигнала (фиг.3), а также полезного сигнала, непосредственно поступающего из АЦП 8. Необходимые исходные данные: кортеж границ областей стабилизации bords′ (границы в свою очередь также являются кортежами) и кортеж коэффициентов корректировки coefs. Элементы кортежей coefs и bords′ находятся во взаимно-однозначном соответствии.
Определенная с помощью да- чика 18 температура temp-int внутри термостатируемого объема 2 записывается в переменную temp-int (блок 52
рассматриваемого алгоритма, фиг.5). Шкала температур в термостатируемом объеме (термостате) 2 разбита на несколько диапазонов или зон температур bord', составляющих кортеж bords' границ диапазонов. В блоках 53-56 алгоритма определяется диапазон bord′ температур (границы зоны температур), в котором находится значение измеренной температуры в термостатируемом объеме 2. Если температура окружающей среды не находится в пределах диапазона bord′ (ответ "нет" блока 56 алгоритма), тогда i раз повторяются операции по подбору диапазона bord′, соответствующего этой окружающей температуре (блоки 53, 54, 55 алгоритма), пока не будет найден искомый диапазон bord′. Если температура в термостате 2 находится в пределах диапазона bord′ (ответ "да" в блоке 56 алгоритма), то в блоке 57 алгоритма загружается соответствующий найденному диапазону bord′ корректировочный коэффициент coef из кортежа coefs. Затем текущее значение полезного сигнала adc_res(tek) с выхода 41 алгоритма усреднения полезного сигнала (фиг.3) или с выхода 32 алгоритма фильтрации импульсных помех (фиг.2) или с выхода 9 АЦП 8 (в зависимости от варианта полезной модели) умножается в блоке 58 алгоритма на значение coef. Осуществляет ;я корректировка значения полезного сигнала по формуле:
adc_res(korr) = adc_res(tek)•coef,
где adc_res(korr) - скорректированное значение полезного сигнала;
adc_res(tek) - текущее значение полезного сигнала:
coef - коэффициент коррекции, зависящий от температуры в термостате 2.
Откорректированное значение полезного сигнала adc_res(korr) с выхода 60 блока 59 алгоритма температурной коррекции направляется для регистрации в блок 14 устройства (фиг.1) или для передачи по каналу телеметрии (на чертежах не показано).
За счет предложенной коррекции температуры точность измерения возрастает (по экспериментальным данным) на 3-5%.