<<
>>

Астазированные гравиметры

  В.А. Тулин

Наряду с гравиметрами с горизонтальной крутильной нитью и практически одновременно с ними стал разрабатываться другой класс гравиметров — астазированных. Их сравнительно небольшой диапазон с лихвой компенсирован повышенной чувствительностью.

В 1935 г. была предложена идея применения астазированного сейсмометра Голицына в качестве гравиметра [Нумерова 1935]. Тремя годами позже была опубликована теория маятника Голицына [Шнирман 1938]. Практическое применение этого принципа было осуществлено во Всесоюзном НИИ геофизики министерства геологии СССР (далее — ВНИИГеофизики) группой сотрудников под руководством К.Е. Веселова и П.И. Лукавченко. Начиная с 1953 г. [Лукавченко, Веселов 1953] в институте создан длинный ряд приборов с последовательно улучшаемыми характеристиками. Там же разработаны и основы теории работы астазированных гравиметров [Веселов 1955]. Первым из гравиметров, послужившим прототипом последующих приборов, был ГАК-ЗМ [Веселов, Лукавченко, Петров 1954; Абельскиий 1958] (рис. 5.4.13). Кварцевые астазированные гравиметры, построенные по принципу вертикального сейсмографа Голицына, имеют примерно одинаковые функциональные узлы и различаются между собой конструкцией этих узлов. Главными частями каждого гравиметра являются: датчик (синонимы: упругая система, кварцевая система), отсчетное и диапазонное устройства, приспособление для температурной компенсации.

Устройство упругой системы типового гравиметра схематически показано на рис. 5.4.14.

Чувствительный элемент системы, диапазонное и измерительное устройства, а также приспособление для температурной компенсации смонтированы на основной монтажной рамке 7, крепящейся к корпусу гравиметра через держатель 8. Чувствительный элемент системы — астазированный вертикальный сейсмограф Голицына состоит из маятника 1, удерживаемого в равновесии упругой силой главной пружины 3 и силой закручивания нитей подвеса 4.

Движение конца маятника ограничено в пределах нескольких десятых миллиметра вилкой 22. На маятник надета платиновая цилиндрическая навеска 2, служащая для увеличения момента масс, а также для уменьшения действия электрических зарядов и защиты от прилипания маятника к ограничителям. Главная пружина верхним концом прикрепляется неподвижно к основному каркасу системы, нижним концом — к отростку маятника. Она навита из нити диаметром в 80-100 мкм, имеет отрицательную начальную длину порядка 15 мм и изготавливается из обыкновенной пружины выворачиванием ее. Измерительное устройство системы состоит из рамки 5, .которая вращается на нитях 6. К этой рамке прикреплены нити подвеса маятника 4. Рамка 5 имеет два стержня, к которым прикреплены диапазонная 10 и измерительная 9 пружины. Верхние концы пружин 10 и 9 прикрепляются к подвижным штокам измерительного и диапазонного устройств. Натяжение пружины 9 контролируется микрометрическим винтом, приводимым во вращение редуктором (счетчиком) 17. Положение маятника 1 контролируется при помощи оптической системы, состоящей из осветителя с конденсором 21, двух призм 18, объектива 19 и окуляра 20. Утонченный конец маятника пересекает световой луч и образует в поле зрения окуляра тонкую тень на фоне рисок шкалы.

Вращением редуктора 17 добиваются, чтобы тень совместилась с выбранным местом шкалы. Приспособление для температурной компенсации состоит из металлической нити 11, прикрепленной верхним концом к основному каркасу системы, а нижним концом — к рычагу 12, который может вращаться на нитях 15. Второй конец рычага 12 соединяется тонкой кварцевой нитью 16 с подвижной рамкой температурного компенсатора 13, вращающегося на нитях 14. Нити подвеса, закрепленные на рамках 13 и 5, и маятника 4 должны располагаться на одной прямой.

Принцип действия чувствительного элемента системы заключается в следующем. При изменении силы тяжести (например при ее увеличении) маятник 1 будет отклоняться от первоначального положения равновесия до тех пор, пока силы, вызванные деформацией главной пружины 3 и нитей подвеса маятника 4, не уравновесят изменение силы тяжести.

Главная пружина 3 соединена с маятником таким образом, что при изменении силы тяжести возникает дополнительный упругий момент сил главной пружины, знак которого совпадает со знаком изменения силы тяжести. Этот дополнительный момент возникает вследствие того, что при увеличении силы тяжести плечо упругой силы‘уменьшается, и наоборот, при уменьшении силы тяжести плечо упругой силы возрастает.

Основы теории астазированных гравиметров изложены по книге К.Е. Веселова [1961).

На рис. 5.4.15 показана каноническая схема астазированного гравиметра. Принятые обозначения: I — расстояние от оси вращения до центра тяжести маятника; тп — масса маятника, сосредоточенная в центре тяжести; т\ — расстояние от точки прикрепления нижнего конца главной пружины до оси вращения; /х — линейная жесткость главной пружины; г2 — расстояние от точки прикрепления нижнего конца измерительной пружины до оси вращения; /2 — линейная жесткость измерительной пружины; гз — расстояние от точки прикрепления нижнего конца диапазонной пружины до оси вращения; /з — линейная жесткость диапазонной пружины; Тх — крутильная жесткость нитей подвеса маятника; т2 —


крутильная жесткость нитей подвеса компенсационной рамки; осо— начальный угол закручивания нитей подвесамаятника;— приращение начального угла закручивания нитей подвеса маятника при изменении; (3 — угол отклонения маятника в исходном положении от горизонтального положения (наклон всего прибора);— первоначальный угол закручивания нитей подвеса компенсационной рамки; (р 1 — приращение угла сро при изменении силы тяжести;— угол поворота компенсационной рамки; фо — первоначальный угол поворота компенсационной рамки;— расстояние от центра тяжести компенсационной рамки до оси вращения; т4 — масса компенсационной рамки.

Рассмотрим работу датчика. Предполагается, что пружины работают в режиме закона Гука, точки прикрепления пружин являются идеальными шарнирами, пружины невесомы. Углы отсчитываются против часовой стрелки.

В соответствии с принятыми обозначениями можно написать:              _— момент силы

тяжести маятника упругой системы (под действием силы тяжести нити подвеса маятника закручиваются на угол ос и нити подвеса компенсационной рамки — на угол

момент силы тяжести компенсационной рамки упругой системы;— крутильный момент

нитей подвеса маятника;— крутильный момент нитей подвеса компенсационной рамки;

— упругий момент главной пружины;— упругий момент компенсационной

пружины;alt="" />I — упругий момент диапазонной пружины.

В последних трех строках буквами А с индексами обозначается плечо упругой силы соответствующей пружины, буквами В — деформации этих пружин при изменении силы тяжести, буквамии

— первоначальные деформации пружин.

Если маятник упругой системы находится в состоянии покоя, то момент силы тяжести должен равняться сумме крутильного момента нитей подвеса маятника и момента главной пружины, т.е. должно выполняться условие:

(5.4.7)

В это же время момент силы тяжести компенсационной рамки будет уравновешиваться упругими моментами диапазонной и измерительной пружин, упругим крутильным моментом нитей подвеса компенсационной рамки, а также моментами силы тяжести маятника и упругим моментом главной пружины.

Последние два момента действуют на компенсационную рамку через нити подвеса маятника. Запишем это условие:

(5.4.8)

Сделав несколько упрощающих допущений, получим

В прямоугольной системе координат уравнение (5.4.9) запишется

(5.4.10)

где

Дифференцируя уравнение (5.4.10), получим выражение для угловой чувствительности системы:

(5.4.11)

Знак «-* означает, что наклон создает кажущееся уменьшение силы тяжести. Кривая зависимости кажущегося изменения силы тяжести от изменения наклона имеет вид параболы, симметричной относительно горизонтальной плоскости и обращенной выпуклостью вверх.


где с — угловая чувствительность гравиметра; со — угловая чувствительность при а = 0 и Р = 0.


В том случае, когда прибор наклоняется так, что центр тяжести маятника поднимается, чувствительность увеличивается. Если центр тяжести при наклоне понижается, то чувствительность уменьшается.

Это иллюстрирует рис. 5.4.16, на котором приведен график зависимости чувствительности гравиметра от угла наклона в плоскости маятника.

На рис. 5.4.17 приведен экспериментальный график зависимости изменения чувствительности от величины наклона маятника. Отрицательные отсчеты на шкале соответствуют положительным значениям угла ос, т. е. наклону маятника вниз. Сплошная линия (1) соответствует положительной начальной длине главной пружины, штрих-пунктирная (2) — нулевой длине и штриховая (3) — отрицательной. Отчетливо видно, что наклон маятника, вызванный изменением силы тяжести или компенсирующей силы, у системы с главной пружиной, имеющей нулевую начальную длину, практически не влияет на чувствительность. Системы же, имеющие главные пружины с положительной и отрицательной начальной длиной, изменяют чувствительность при изменении наклона маятника. Если упругая система имеет пружину положительной длины, то чувствительность ее возрастает при увеличении силы тяжести и понижается при ее убывании.

Компенсация изменений силы тяжести. В упругих системах отечественных кварцевых аста- зированных гравиметров изменение силы тяжести компенсируется путем изменения величины первоначального угла закручивания нитей подвеса маятника, которое осуществляется поворотом компенсационной рамки с помощью изменения натяжения пружин. Последние растягиваются с помощью специальных механизмов, установленных в корпусе системы. Для компенсации изменения момента силы тяжести маятника при изменении Ад нужно изменить длину диапазонной или измерительной пружин путем их растяжения микрометрическими устройствами. При этом компенсационная рамка повернется на угол ф' и момент ее силы тяжести изменяется за счет изменения величины gt а также угла поворота. Момент упругих сил главной пружины при этом не изменится.

Из уравнения (5.4.8), опуская промежуточные преобразования, получим:

Калибровка шкалы:              [Баранова и др. 1988, 1991а, б, 1992, 1993; Буданов и др. 1966, 1967а, б;

Неверов 1970; Рукавишников 1972а, б, в, г, 1981а, б, в, 1994].

Влияние внешних факторов:              [Рукавишников 1981а, б, в, г; Немцов 1959; Абашидзе, Балавадзе

1966; Абашидзе, Капанидзе, Ниаури, Цагурия 1983; Абашидзе, Капанидзе, Ниаури 1986; Веселов, Геренблат 1965].

Методические приемы:              [Веселов, Горин 1989], а также работах Поддуб

ного (1970 г.), Тыртинского (1970 г.), Горина (1981 г.), Тимофеева (1961 г.). Уменьшение влияния температуры:              [Веселов 1961]

Заметим, что упругая система не является измерительным звеном. Она лишь определяет границы, в которых нужно производить измерения. Точно так же в астазированных гравиметрах упругая система является некоторым нуль- индикатором положения, при котором нужно брать отсчет. Сравнительно небольшие напряжения в нитях датчика позволяли надеяться на его более устойчивую работу. Поэтому опыт работы с гравиметром ГАЭ был перенесен на астазиро- ванную систему.

В ИФЗ АН СССР В.А. Романюк предложил построить астазированный гравиметр с угломерным измерительным устройством [Романюк 1970]. Эта идея позволила создать широкодиапазонный астазированный гравиметр, не требующий эталонирования. Прибор выпускался серийно под именами ГАГ-2 (рис. 5.4.18) и ГАГ-3 [Поддубный 1974]. Гравиметр нашел широкое применение при создании опорных гравиметрических сетей.

В дальнейшем под руководством В.Б. Дубовского был разработан гравиметр с цифровым отсчетом ГАГ-ЗМ, вобравший в себя последние достижения в области современной физики и техники.

Экспериментально показано, что ГАГ-ЗМ в статических условиях обнаруживает отсчетную точность 0,1 мкГал при времени накопления сигнала 3 мин, т. е., как показывают расчеты, реализует чувствительность упругой системы на уровне броуновских шумов. Заметим, кстати, что ГАГ-ЗМ отлично пишет приливные изменения силы тяжести. ГАГ-ЗМ по основным параметрам превосходит отечественные аналоги.

На базе гравиметра ГАГ-ЗМ был сконструирован вертикальный градиентометр с базой 1,5 м. При полевых экспериментах в условиях многочисленных строительных помех градиентометр обнаруживает погрешность ±6 Э.

Столь существенное продвижение в качестве измерений позволяет ставить ряд новых фундаментальных и прикладных задач. Фактически открывается новое направление некриогенной микрогравиметрии, позволяющее выявлять аномалии УСТ во времени и пространстве порядка Ю-10# и проводить измерения вертикального градиента порядка 1 Э.

Из зарубежных приборов наиболее известны следующие гравиметры: «Уорден» (рис. 5.4.19) и LaCoste-Romberg (США), «Шарп», «Содин», «Синтрекс» CG-5 (Канада), Аскания GS-11 и GS-15 (Германия). 

<< | >>
Источник: Бровар B.В.. ГРАВИМЕТРИЯ И ГЕОДЕЗИЯ. 2010

Еще по теме Астазированные гравиметры:

  1. Кольцевой гравиметр
  2. 5.4.3 Неастазированные гравиметры
  3. Астазированные гравиметры
  4. 5.4.5 Криогенные гравиметры
  5. Морские неастазированные гравиметры
  6. Морские астазированные гравиметры
  7. Работы Аэрогравиметрической экспедиции по созданию сети опорных гравиметрических пунктов и эталонных гравиметрических полигонов