ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ БЛОК ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННОГО ГРАДИЕНТОМЕТРА
MEASURING UNIT FOR GRAVITATIONAL GRADIOMETER

Изобретение относится к приборостроению, в частности к прецизионным измерительным устройствам, и предназначено для получения высокоточных трехкомпонентных значений ускорения силы тяжести по взаимно-ортогональным осям, характеризующим вектор силы тяжести в заданной точке пространства с целью формирования массива данных для комплексного изучения гравитационного поля.
Измерительный блок является автономным гравиметрическим устройством, предполагающим работу в системе аналогичных модулей многоцелевого гравитационного градиентометра посредством подключения через цифровой интерфейс. Гравитационный градиентометр следует понимать как прецизионный геофизический измерительный прибор, предназначенный для формирования пространственной характеристики гравитационного поля с помощью вычисления вторых производных потенциала силы тяжести (градиента силы тяжести), включающий систему измерительных блоков, оснащенных датчиками измерения ускорения силы тяжести.
ij
ij
ji
xx
yy
zz
-9
-2
Гравитационная градиентометрия представляет собой измерение градиента  ускорения свободного падения, который описывается тензором второго ранга T. Градиент ускорения свободного падения  обычно измеряется в этвешах (1 этвеш=1 Э=                                                                                                                                                                                                                                       10 с). Тензор состоит из девяти компонент, из которых только пять полностью независимы вследствие их геометрической симметрии (т.е. TравноT, где i не равно j) и вследствие справедливости уравнения Лапласа (т.е. сумма T, T и Tравна нулю) для полей гравитационного потенциала вне источников гравитационного поля (Matthias Roth Marine full tensor gravity gradiometry data analysis for euler deconvolution - https://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/3831. Stuttgart, 2009).
От реализации способов измерения компонент тензора гравитационного градиента зависит сложность конструкции измерительного блока, входящего в систему аналогичных блоков, образующих гравитационный градиентометр.
0
0
yy
xx
xy
Известен способ измерения компонент тензора гравитационного градиента, изобретенный Крассовским (Авторское свидетельство СССР №31025, 23.05.1964 г.), а затем усовершенствованный А.И.Сорокой (Авторское свидетельство СССР № 1108893,  02.09.1982 г.), а также Форвардом (Forward) в 1960-х годах (см. патенты US 3273397, 05.06.1964 г. и US 3564921, 02.02.1968 г.). Этот способ включает установку гантельного осциллятора и датчика смещения на платформе, которая находится в равномерном горизонтальном вращении с некоторой частотой Ω вокруг оси нити крутильного маятника. Далее генерируются вынужденные колебания гантели с двойной частотой вращения, в то время как многие источники ошибок и источники шумов модулируются частотой вращения или не модулируются (в частности, шум типа 1/f). Амплитуда вынужденных колебаний максимальна, когда частота вращения удовлетворяет условию резонанса 2Ω =ω , где ω  – это резонансная угловая частота, а добротность Q осциллятора стремится к бесконечности. В отличие от способа без вращения, этот способ позволяет быстро определять значения T-T и T посредством выделения квадратурных составляющих отклика, используя синхронное детектирование с опорным сигналом частоты 2Ω. Устройства, реализующие данный способ, нуждаются в поддержании строго равномерного вращения, а также системе измерения малых смещений во вращающейся системе координат.  Кроме того, они крайне чувствительны к вибрационным шумам окружающей среды вследствие их сравнительно низких резонансных частот. Максимальная рабочая точность подобных устройств составляет порядка нескольких десятков этвешей, однако преодолеть возникающие при этом технологические проблемы так трудно, что существующие усовершенствованные конструкции вращающихся гравитационных градиентометров дают точность измерения, которая много ниже предельных теоретических оценок (Альманах современной метрологии, 2015 г., №3, А.И.Сорока, В.Ф.Фатеев, В.В. Попадьев. Перспективы развития космической гравиградиентометрии на основе торсионных колебательных систем).
Известна конструкция измерительного блока GGI для гравитационного градиентометра FTG компании Bell GeoSpace (патент US744467, 04.11.2008 г.), который содержит  один или несколько вращающихся дисков с акселерометрами для определения ускорений в направлениях X, Y и Z, которые устанавливаются внутри измерительного блока. Например, GGI  может включать в себя три диска, каждый из которых установлен в соответствующей плоскости, которая совпадает или параллельна одной из трех плоскостей оси конструкции (называемой «монтажной плоскостью») GGI, так что ось вращения диска перпендикулярна плоскости монтажа.  Значения компонент тензора гравитационного градиента могут затем определяться разницей в показаниях между противоположными парами акселерометров на дисках.
Однако в данном случае необходима тонкая настройка всех измерительных блоков системы для достижения согласованности данных.
Кроме того, следует обратить внимание на следующее. Температура окружающей среды является наиболее распространённым источником погрешности. Сигналы, формируемые любыми датчиками, при изменении температуры изменяются. Еще одной причиной, которая способствует возникновению систематической погрешности, является изменение значения температуры в ходе измерения. Эти причины становятся существенными при измерениях косвенных (http://kilogramus.ru/vzveshivanie-v-specialnyx-usloviyax/primenenie-vesov-v-neblagopriyatnyx-usloviyax.html, просмотрено 25.10.2017 г.).
Указанный измерительный блок не предназначен для использования при низких температурах и районах с неблагоприятным температурным режимом, что свидетельствует также о его ограниченных функциональных возможностях.
Известна конструкция измерительного блока (CN201477216, 19.05.2010 г.), принятого за наиболее близкий аналог к заявляемому решению, содержащему корпус и контроллер, схему преобразования источника питания, двухпозиционный механизм вращения, металлический гибкий акселерометр, схему управления температурой, схему контроля и схема преобразования A/D сигнала, вращающийся механизм, установленный горизонтально в середине корпуса, двухпозиционный механизм вращения оснащен отверстием для установки акселерометра, при этом вал совпадает с осью вращения вращающегося механизма, двухосный уровень жестко установлен на двухпозиционном механизме вращения для измерения уровня механизма вращения, схема контроля температуры используется для управления температурой металлического гибкого маятникового акселерометра и непрерывной схемы преобразования A/D сигнала. Акселерометр и схема аналого-цифрового преобразователя работают  при постоянной температуре, что повышает точность измерения.
Указанная конструкция не обладает достаточной изоляцией корпуса измерительного блока от окружающего среды. При низких температурах, воздействующих извне на корпус, возможно возникновение градиента температур внутри корпуса, что приводит к снижению точности проводимых измерений.
Техническим результатом изобретения является повышение точности измерений  величины компонент тензора гравитационного градиента за счет создания корпуса из двух изолированных кожухов, отслеживания температуры внутреннего кожуха снаружи и внутри него.
Технический результат достигается при использовании измерительного блока для гравитационного градиентометра, содержащего корпус, имеющий внешний кожух и внутренний кожух, группу высокоточных акселерометров, расположенных внутри внутреннего кожуха, систему термостабилизации, состоящую из контроллера, температурных датчиков и нагревателей и расположенную внутри внутреннего кожуха, систему цифровой обработки данных и внешнего интерфейса, интерфейс системы питания, при этом температурные датчики размещаются как на внешней поверхности внутреннего кожуха, так  и внутри него.
Внешний кожух и внутренний кожух выполнены из металла и связаны между собой посредством опор из композитного материала.
Группа акселерометров внутри внутреннего кожуха располагается с заданным углом отклонения. В том числе, например, возможен вариант, когда акселерометры расположены по трем взаимно ортогональным осям.
В состав системы цифровой обработки данных  может входить встроенный интеллектуальный программируемый цифровой фильтр, обеспечивающий первичную обработку сигналов акселерометров.
В качестве нагревателей используются различные генераторы тепла, в том числе светодиодные и инфракрасные нагреватели.
Выполнение  корпуса из двух изолированных частей, расположение измерительной части  заявленного блока внутри внутреннего кожуха, контроль температуры снаружи и внутри внутреннего кожуха позволяют оптимизировать  распределение тепла и минимизировать температурный дрейф  во внутреннем кожухе, тем самым способствуя повышению точности проводимых измерений даже при эксплуатации в неблагоприятном климате.
На фиг. 1 показан корпус измерительного блока из двух частей, на фиг. 2 – внутренний кожух корпуса с расположенными на нем элементами, на фиг. 3 -  система из аналогичных измерительных блоков, образующих гравитационный градиентометр, на фиг. 4 – пример эксплуатации измерительных блоков, на фиг. 5 - лунно-солнечные приливы, зарегистрированные прототипом гравитационного сканнера.
Заявленный измерительный блок может быть реализован следующим образом  (фиг. 1). Он представляет собой гравиметрический прибор, имеющий металлические внешний 1 и внутренний 2 кожуха, соединенные посредством опор из композитного материала для жесткости формы прибора, а также изоляции кожухов друг от друга. Во внутреннем кожухе 2 расположена группа из трех акселерометров 3, ориентированных взаимно ортогонально, что позволяет получить компонент силы тяжести в трех измерениях, то есть в вертикальной и горизонтальных плоскостях. Система термостабилизации включает контроллер 4, расположенный внутри внутреннего кожуха 2, группу высокоточных температурных датчиков 5 и 6, расположенных на внешней поверхности внутреннего корпуса 2 и внутри него соответственно, а также нагреватели 7, состоящие из светодиодных и инфракрасных нагревателей и расположенную внутри внутреннего кожуха. Низкоуровневое программное обеспечение измерительного блока включает алгоритм управления нагревательной системой, математический алгоритм обработки данных с датчиков ускорения акселерометров, систему управления модулями автономной памяти, интерфейс для подключения к внешним устройствам в режиме накопителя, либо гравиметрического измерительного прибора (для подключения с помощью специализированного программного обеспечения). С помощью панели управления либо специализированного программного обеспечения устройство может быть запрограммировано для работы с различными параметрами измерительного процесса (частота съемки, продолжительность, параметры дискретизации, параметры системы термостабилизации, параметры работы алгоритма обработки данных).
Нагреватели 7 подключаются  к контроллеру 4 и управляются интеллектуальным алгоритмом термостабилизации согласно данным, получаемым от температурных датчиков 5  и 6 снаружи и внутри внутреннего кожуха. Группа акселерометров 3 жестко закреплена внутри внутреннего кожуха 2, с учетом взаимного расположения с заданным углом отклонения. Акселерометры  подключены к контроллеру 4, предназначенному для управления режимом работы датчиков ускорения акселерометров, математической коррекции результатов измерений, а также общему управлению системой термостабилизации. Контроллер 4 отвечает за организацию внешнего цифрового интерфейса для настройки режима работы  всего измерительного блока, выгрузку массива измеренных данных. Схема обработки сигнала с акселерометров может содержать встроенный интеллектуальный программируемый цифровой фильтр, обеспечивающий первичную обработку сигналов акселерометров.
Измерительные блоки устанавливаются на поверхность земли (фиг. 3). За подключение измерительных блоков к системе гравитационного градиентометра также отвечает контроллер (фиг. 2).
Технические и программные решения, примененные в устройстве, позволяют вести гравиметрическую съемку с минимальной амплитудой значений ускорения силы тяжести, достаточной для обнаружения таких природных явлений, как лунно-солнечные гравитационные приливы  (фиг. 4).
Таким образом, заявляемое устройство максимально возможным образом учитывает изменение температур окружающей среды и может быть использовано при любых погодных условиях.