Отечественные маятниковые приборы

Первые измерения УСТ в нашей стране выполнили адмирал Ф.П. Литке и гидрограф М.Ф. Рейнеке в 1827-1830 гг. с оборотными маятниками Кэтера, позднее такие измерения выполняли Паррот и др.

20.09.1932 г. вышло Постановление Совета Труда и Обороны СССР о производстве общей гравиметрической (маятниковой) съемки в СССР. Большой вклад в обоснование и организацию этого Постановления внесли А.Д. Архангельский, И.М. Губкин, И.А. Казанский, Ф.Н. Красовский, А.А. Михайлов, Б.В. Нумеров. При реализации этого постановления кроме упомянутых внесли большой вклад М.С. Молоденский, М.С. Зверев, Л.С. Казаков, Ю.Д. Буланже и др.

Постановление положило начало комплексу исследований в области гравиметрии, начались широкомасштабные измерения УСТ, что стимулировало разработку отечественной маятниковой аппаратуры. После 1932 г.

В 1939 г. в ЦНИИГАиК [Раздымаха 1941] проводились работы по созданию удобного экспедиционного маятникового прибора. Был изготовлен опытный образец, вакуумированный, с минимальными полусекундными кварцевыми маятниками стержневого типа со стальными призмами. Их перевозка предполагалась в самом приборе. Для управления маятниками использовалась нейзильберовая мембрана с рабочим ходом около 7 мм. Изготовленный опытный образец практически не применялся.

В течение 1949-52 гг. в ЦНИИГАиК проводились исследования по повышению точности измерений с применением кварцево-металлических маятников, предложенных М.Е. Хейфецем. Период колебаний этих маятников мало зависит от температуры и магнитных полей. Кварцево-металлические маятники и новая методика измерений позволили повысить точность до 0,5 мГал, сравнимую с точностью измерений с гравиметрами. Различные модификации этих маятников позднее были внедрены в разные маятниковые приборы, широко применяемые на производстве. В середине 50-х гг., в связи с возросшими требованиями к точности гравиметрических определений и знанию параметров гравитационного поля Земли, в ЦНИИГАиК начался новый этап активизации гравиметрического приборостроения и научных исследований в области изучения фигуры и гравитационного поля Земли.

Приборы Астрономического института. Начиная с 1927 г. в Ленинградском Астрономическом институте (ЛАИ) под руководством С.Е. Александрова выполнен ряд разработок маятниковых приборов [Александров 1935]. Были разработаны: один прибор с латунными полусекундными маятниками типа Штернека, второй — с минимальными маятниками стержневой формы. Был также изготовлен облегченный прибор для наблюдений на северном полюсе (Е. Федоров) [Александров 1935). Построено несколько счетчиков.

Аэрогеоприбор. На заводе «Аэрогеоприбор» (Лизунов) под руководством ЦНИИГАиК (И.А. Казанский, С.Г. Маковер, Л.С. Казаков) в 1933-35 гг. освоен выпуск отечественных маятниковых приборов, аналогичных приборам типа Бамберг и Фехнер, получивший название «Аэрогеоприбор». Прибор 4-маятниковый, с латунными маятниками типа Штюкрата. Верхняя часть маятника имеет форму стремени, в которую на температурной посадке впрессована агатовая призма. Основная часть прибора представляет собой металлическую отливку круглого основания и центральной колонны, к которой наглухо привинчена крестообразная плита с запрессованными агатовыми площадками. Маятники арретируются с помощью лагер, управляемых лекалом с червячной передачей и арретирной ручкой. Для задания маятникам пусковых амплитуд и их пуска служат пусковые рычажки, на осях которых насажены диски с накаткой. Прибор не термостатирован. Температура отсчитывается по ртутному термометру. Прибор закрывается тяжелым металлическим колпаком. Наблюдения выполняются визуально с помощью электромагнитного или оптического счетчика и хронометра, ход которого определяется по ритмическим сигналам времени, передаваемым по радио.

Период колебаний маятника определяется по формуле: S = С(2С ± I)”1, где С — промежуток времени между двумя последующими прохождениями блика через нить счетчика, знак сложения берется при S lt; 0,5 с , а знак вычитания — при 5 gt; 0,5 с.

В наблюденные периоды вводятся следующие поправки: за амплитуду, температуру, плотность воздуха, сокачание и ход хронометра. Прибор, упакованный в ящик, весит около 90 кг. Погрешность измерений в нормальных условиях с возвратом на исходный пункт, после определения одного полевого пункта, ориентировочно 2-3 мГал. Основные недостатки прибора: большой температурный коэффициент и температурный гистерезис маятников, перевозка маятников отдельно от прибора. Прибор широко применялся при выполнении общей гравиметрической съемки СССР при наземных измерениях 1, 2 и 3 классов, а также при соответствующей доработке при морских измерениях силы тяжести. В 1935 г. заводом «Аэрогеоприбор» было выпущено 12 таких приборов. В 1946-1947 гг. Ю.Д. Буланже с приборами подобного типа определил пункт Оби-Гарм с погрешностью 0,45 мГал.

Маятниковый прибор ГАИШ. В 1935 г. в ГАИШ Л.В. Сорокин создал облегченный вариант маятникового прибора. Вес прибора в упаковочном ящике чуть больше 30 кг. Это в ~3 раза меньше прибора «Аэрогеоприбор», что важно при выполнении полевых работ.

Прибор 4-маятниковый, не вакуумирован и не термостатирован, конструктивно отличается от Аэрогеоприбора. Подъемные винты расположены вверху в основной плите, а штатив-футляр служит подставкой. Плита имеет квадратную форму с вырезом в средине, через который подвешиваются маятники. В эту плиту впрессованы опорные площадки маятников из агата. Изменен арретирный и пусковой механизмы. Применены латунные маятники типа Штюкрата. Оптический мостик аналогичен мостику прибора Штюкрат. Определение периодов колебаний маятников визуальное с оптическим счетчиком, как и на приборе Аэрогеоприбор. Оптический счетчик отличается от электромагнитного в следующем. Часть балансира хронометра посеребрена и является зеркалом. На это зеркало падает луч света от лампочки. Далее свет в виде блика идет на зеркала маятников и возвращается в трубу, а далее все как у электромагнитного счетчика. Оптический счетчик исключает ошибку работы контактного реле электромеханического счетчика.

Прибор ГАИШ, как и Аэрогеоприбор, широко применялся при выполнении общей гравиметрической съемки СССР, особенно в труднодоступных районах на пунктах 3 класса. При редких, не более 2-4 раз за сезон, наблюдениях на исходном пункте и при плохих климатических условиях наблюдений погрешность определений была 3-5 мГал.

Методика наблюдений с приборами типа ГАИШ и Аэрогеоприбор. Визуально с помощью оптического счетчика определяются моменты времени прохождения бликами нити визирной трубы, счет секунд и минут берется с хронометра. Амплитуда отсчитывается по шкале счетчика в начале и в конце серии наблюдений. Одна серия длится около двух часов, затем маятники перепускаются. В 1950-х годах прошлого столетия использовались также хроноскоп-счетчик и синхронный счетчик. Интервал составляет 4-6 серий. В начале и в конце интервала определяется сокачание прибора и принимаются ритмические сигналы времени для определения хода хронометра. В зависимости от сходимости результатов измерений на пункте наблюдаются 2-3 интервала. По измеренным периодам колебаний маятников определяется приращение УСТ.

Упругие маятники. В 1939-1947 гг. в ЦНИИГАиК (Г.И. Рудаковский) были разработаны упругие маятники. Основная цель разработки — определение УСТ в труднодоступных районах. Маятник прибора представляет собой кварцевый конический стержень длиной 110 мм. Нижний утолщенный конец имеет диаметр 4 мм, верхний — 3,5 мм. Стержень более толстой частью скреплен с тонкой (0,1 мм) эльинварной пружиной (ножкой), на которой он совершает периодические колебания. Пружина, изготовленная из цельного куска эльинвара, скрепляется нижним цилиндрическим концом с основанием, а верхним концом — с кварцевым стержнем цанговым зажимом. Для регулировки периода колебаний на стержень насажена втулка с наружной резьбой, на которую навинчивается гайка и контргайка служащие грузиками, подбирая которые получают необходимый период колебаний маятника. Имеется арретирное устройство.

Приборы применялись на полевых работах в сороковых годах. Погрешность измерений составила 4-5 мГал. Широкого развития прибор не получил. Повторить эту разработку на новом уровне точности не удалось.

Малтниковый прибор ВМП. Высокоточный маятниковый прибор ВМП был создан в 1958-60 гг. в гравиметрической лаборатории ЦНИИГАиК (М.Е. Хейфец, Ю.А. Сливин) [Хейфец 1962]. Прибор двухмаятниковый, имеет форму прямоугольного параллелепипеда, в шести стенках которого вмонтированы обмотки (нагреватели) печи термостата.

В приборе применены полусекундные кварцево-металлические маятники (рис. 5.3.1). Агатовая призма своим основанием, имеющим углы, равные 70°, запрессована в теле инварной головки. Угол лезвия призмы равен 120°.

Стержень из плавленого кварца, имеющий на концах конические утолщения, скрепляется с головкой и чечевицей с помощью накидных инварных гаек, которые прижимают полукольца к конической поверхности стержня.

Чечевица, изготовленная из латуни, имеет углубление, в которое запрессована переходная инварная втулка. В последнюю опирается стержень своей торцевой частью. Вес маятника 1,5 кг, длина рабочей части лезвия = 20 мм. Маятники постоянно находятся в приборе, а на время перевозки блокируются специальным устройством. Температурное последействие маятников не превышает 10-7 с, температурный коэффициент о = —3*10“7 с/°С, который изменяется в зависимости от положения торцовой части стержня в чечевице. В приборе имеется центрирующее устройство, обеспечивающее однообразие посадки маятников на опорные площадки.

Температура в приборе определяется с помощью интегрального термометра сопротивлений (ИТС), а влажность — по пленочному гигрометру. Регистрация периодов колебаний маятников осуществляется записью на фотопленку фиктивного и двух действительных маятников. На эту же пленку записывается показание гигрометра. Затем была разработана и применена фотоэлектронная приставка (рис. 5.3.2) с целью измерения периодов и амплитуд колебаний маятников электронным способом с помощью пересчетных устройств взамен фотографической регистрации [Гусев 1973а, б]. Приставка также использовалась при лабораторных исследованиях маятников.

В комплект входит два прибора. Погрешность измерений с комплектом составляет 0,20-0,25 мГал. В то время это была высокая точность. Основные недостатки прибора: негерметичность, трудоемкость фотографической регистрации периодов колебаний маятников и их амплитуд, недостаточно надежное крепление кварцевого стержня к головке и чечевице. Этим прибором определен ряд пунктов, в том числе полигон Мурманск-Тбилиси. Общий вид аппаратуры приведен на рис. 5.3.3.

Маятниковый прибор ОВМ. Опытный вакуумный маятниковый прибор ОВМ разработан в 1965 г. в ЦНИИГАиК [Сливин 1973а, б]. Двухмаятниковый термостатированный и вакуумированный прибор имеет цилиндрическую форму. Общий вид комплекта аппаратуры приведен на рис. 5.3.4. Опорные агатовые площадки маятников, вакуумный кран, оптические элементы, датчик импульсов укреплены на массивной основной плите, которая опирается на подставку тремя подъемными винтами. Электродвигатель и устройства арретирования и блокирования маятников крепятся на нижней плате.

В приборе применены различные типы кварцево-металлических маятников.

В маятнике с вольфрамовой чечевицей типа Штюкрата головка изготовлена из инвара, а чечевица из сплава ВНМ (вольфрам — 94%, никель — 2,8%, медь — 3,2%). Форма чечевицы аналогична форме маятника ВМП, но значительно уменьшена в размере. Кварцевый стержень маятника крепится к головке и чечевице, как и у маятника ВМП, но без переходной инварной втулки.

Рис. 5.3.2. Фотоэлектронная

приставка

Агатовая призма запрессована в пазу головки. Угол заточки лезвия призмы равен 120°. Период колебаний маятников равен 0,49 с, вес 1,2 кг. Маятник менее чувствителен к влиянию магнитных полей, почти в два раза уменьшен барометрический коэффициент, который стал равен 9х10-8 с на мм рт. ст. Этот тип маятников был усовершенствован: запрессовка призмы заменена креплением ее в пазу головки с помощью двух самозаклинивающих клиньев, имеющих угол 30 минут с усилием ~200 кг, а для некоторых маятников стремя изготовлено из титана (Прибор 6102)

Кварцево-бронзовые маятники типа Штернека по форме близки к минимальным. Стремя, чечевица, полукольца и гайки маятников выполнены из бронзы, стержень — из плавленого кварца, призма — из агата. Соединение головки и чечевицы со стержнем такое же, как и у вышеописанных маятников ОВМ. Форма чечевицы изменена в соответствии с блокировочным устройством прибора. Закрепление призмы в теле головки выполнено с помощью температурной посадки. Вес маятника 740 г, температурный коэффициент равен 4 • 10“7 с/°С, барометрический коэффициент равен 15 • 10“8 с/мм рт. ст. Общая длина маятника равна 297 мм, период колебаний ~0,49 с. В данном типе маятников нет магнитных деталей. Модификацией такого типа были маятники с периодом колебаний 0,75 с, чечевица которого сделана из сплава ВНМ, а стержень — кварцевая трубка, к двум концам которой приварены конусные фланцы для соединения с головкой и чечевицей с помощью полуколец и гаек. Чувствительность к силе тяжести такого маятника в 1,5 раза выше по сравнению с полусекундным маятником, а влияние изменения радиуса кривизны лезвия призмы в два раза меньше.

Маятники с пружинящим элементом позволяют производить обработку лезвия призмы после запрессовки его в тело головки, которая выполняется с помощью температурной посадки. Крепление кварцевого стержня с головкой и чечевицей, изготовленных из латуни, осуществляется поджимом фланцев стержня с помощью гайки, пружинящего элемента и конической шайбы к латунным полукольцам, которые в свою очередь опираются в бортики соответственно головки и чечевицы.

Пружинящий элемент введен для предотвращения пластической деформации соприкасающихся деталей, а также от действия температурного гистерезиса. Были изготовлены также маятники такого типа с периодом колебаний 0,75 с.

Общим недостатком вышеописанных маятников является микродеформация призмы из-за различия температурных коэффициентов призмы и головки.

Были изготовлены и исследованы маятники с опорой из твердого сплава и из рубина. Эти опоры уступали агатовым. Маятники постоянно находятся в приборе. На время перевозки они блокируются специальным устройством.

Прибор автоматизирован и управляется с пульта. Арретирование, центрирование, блокирование маятников на время транспортировки, а также задание маятникам амплитуд с последующим пуском осуществляется реверсивным электродвигателем. Посадка маятников на опорные площадки и подъем с них выполняются при наклонном положении.

Периоды колебаний маятников регистрируются по методу Венинг- Мейнеса. Применено оптическое умножение угла отклонения фиктивного маятника. Оптическая схема прибора приведена на рис. 5.3.5.

Фотоэлектронная регистрация периодов колебаний маятников и их амплитуд, примененная в этом приборе, повысила точность измерений и значительно уменьшила трудоемкость процессов обработки материалов наблюдений.

Периоды колебаний маятников определяются с точностью ~10"8 с из 10-15 серий по 4096 колебаний маятника в каждой серии. Начальная амплитуда колебаний маятников 20-40 минут. Давление внутри приборов во время наблюдений поддерживается равным 0,5-1,0 мм рт. ст.

Нивелируют прибор по автоколлимационному уровню, устанавливаемому над специальной агатовой площадкой (рис. 5.3.6), которая выведена в одну плоскость с опорными площадками. Вес одного прибора без упаковки 32 кг. В комплект в разное время входило 3-5 маятниковых приборов, пульты управления, фотоэлектронные регистраторы, автоколлимационный уровень, вакуумный насос. Погрешность измерений комплектом, состоящим из четырех приборов, составляет 0,06-0,08 мГал. Прибор находился в эксплуатации в 1965-76 гг.

Основные недостатки прибора: большое потребление электроэнергии, что создает значительные трудности во время транспортировки; невозможность работы в полевых условиях от аккумуляторов; относительно большая громоздкость комплекта.

Маятниковый прибор Института физики Земли АН СССР. Прибор разработан В.А. Романюком в Институте Физики Земли РАН. В нем применено электромагнитное подталкивание маятников (рис. 5.3.7) для поддержания постоянной амплитуды их колебаний, которое производится в момент нахождения маятников в положении равновесия.

Для уменьшения сокачания штатива опорные площадки, на которые опи- раются маятники, укреплены на массивной плите, соединенной с бетонными ¦lt; столбами. Стержень маятников этого прибора, выполненный из ситалла или ЧИрИРИк плавленого кварца, полированными торцевыми плоскостями соединен с агато- УЧ ?              вой призмой и латунной чечевицей с помощью цилиндрических пружин. Каждая

пружина имеет силу 10 кг, так что общая сила сжатии равна 40 кг. Сверху к чечевице привернут винтами латунный стакан для температурной компенсации маятников. Пластина в нижней части чечевицы служит для электромагнитного подталкивания маятников. Были также исследованы маятники на упругом подвесе.

Период колебаний маятников определяют фотоэлектронным способом. Основные недостатки прибора: отсутствие термостата, перевозка маятников отдельно от прибора, громоздкость. В настоящее время прибор не применяется.

Маятниковый комплекс Агат. В 1976 г. в ЦНИИГАиК (Н.А. Гусев, Ю.А. Сливин) создан новый комплекс маятниковой аппаратуры, получивший шифр «Агат», в котором учтены недостатки комплекта ОВМ [Гусев 1977]. Он имеет лучшие эксплуатационные качества и дает возможность расширить сферу применения маятниковой аппаратуры.

По сравнению с маятниковым прибором ОВМ комплекс Агат в два раза точнее, значительно компактнее, чем ОВМ (высота прибора 50 см, диаметр 22 см), в четыре раза легче его (вес прибора 8 кг); потребляет в десять раз меньше электроэнергии и позволяет выполнять высокоточные измерения в полевых условиях от аккумуляторов. Для ослабления влияния температуры маятниковый прибор помещен в сосуд Дьюара. Кроме того, в Агате упрощен механизм центрирования маятников применением специальных пальцев со сферической поверхностью; по-

Рис. 5.3.10. Маятники прибо-

ра Агат

вышена разрешающая способность полупроводникового регистратора применением генератора 1 МГц вместо 100 кГц. Агат не имеет аналогов ни в нашей стране, ни за рубежом.

Техническая характеристика комплекса «Агат»: Ср. кв. погрешность измерений независимо от

Комплекс (рис. 5.3.8) состоит из следующих блоков: маятниковый прибор, пульт управления и регистрации, блок питания, стандарт частоты. В состав комплекса входит также вспомогательное оборудование: вакуумный насос, автоколлимационный уровень, осциллограф и др. С целью исключения возможных систематических ошибок, присущих одному прибору, а также для повышения точности измерений в комплекс включается три маятниковых прибора.

Агат представляет собой двухмаятниковый термостатированный и вакуумированный прибор, в котором колебания маятников регистрируются по методу Венинг-Мейнеса с использованием электронных пересчетных устройств.

В маятниковом приборе Агат (рис. 5.3.9) применен тип кварцево-металлических маятников (рис. 5.3.10), в которых опорная призма и головка маятников являются единой деталью. Такая конструкция позволяет исключить запрессовку опорной призмы в тело головки, что вызывало появление значительных напряжений лезвия призмы маятника и как следствие — дестабилизацию приведенной длины маятника. Опорная призма, имеющая в середине сквозное отверстие, выполнена из агата. В верхней части этой призмы проточен бортик, используемый для крепления ее с кварцевым стержнем при помощи двух полуколец, накидной гайки и гофрированной калиброванной пружины.

Две плоскости опорной призмы, расположенные под углом 140°, образуют лезвие, две другие плоскости, параллельные друг другу, являются зеркалами маятника.

Нижний груз (чечевица) выполнен из тяжелого сплава ВНМ и имеет цилиндрическую форму. Кварцевый стержень поджимается к чечевице гайкой через пружину с силой около 25 кг. Пружина служит для исключения необратимых деформаций, возникающих вследствие изменения температуры. После сборки верхняя и нижняя части маятника соединяются кварцевой трубкой и свариваются. Изменяя глубину крепления кварцевого стержня в теле чечевицы, можно компенсировать температурный ко-

эффициент маятника. Для уравнивания периодов колебаний маятников имеется специальный винт из сплава ВНМ, укрепленный на гайке.

Для ослабления влияния электростатических полей поверхность маятника покрыта тонким слоем алюминия.

Вес маятника 690 г, период колебаний ~0,5 с. Маятники колеблются в одной плоскости в противоположных фазах. Были изготовлены и исследованы маятники с опорой из алмаза и цельнокварцевые, но они по точности уступали вышеописанным маятникам прибора Агат. Для обеспечения сохранности лезвий маятниковых призм маятники опускаются и поднимаются с опорных площадок в отклоненном положении на угол, в два раза больший начального угла качания. Перед арретированием маятники автоматически останавливаются специальным устройством. Маятниковый прибор конструктивно можно разделить на два основных блока: верхний и нижний, соединенных между собой тонкостенной дюралюминиевой трубой.

Вакуумплотное соединение нижней платы с колпаком обеспечивается резиновой прокладкой, при этом колпак удерживается только силой атмосферного давления. Опорная плита (верхний блок), а которой запрессованы опорные площадки для маятников, изготовлена из титанового сплава и имеет форму большой жесткости (в виде стакана). На основной плите укреплено блокирующее устройство, оптические детали и арретирные вилки. К основанию прибора (нижний блок) жестко крепится изготовленная из стеклопластика латунная плата. На ней установлены манометрический датчик давления, вакуумный вентиль, электродвигатель, вакуумный ввод. В эту же плату впаяны два бронзовых сильфона, служащие для передачи внутрь вакуумированного прибора вертикального поступательного перемещения для управления маятниками. Снизу этой платы укреплен блок ФЭУ. Арретирование, центрирование, блокирование маятников на время транспортировки, задание амплитуд маятникам и их пуск в противоположных фазах осуществляется в заданной последовательности при помощи одного малогабаритного электродвигателя ДИД-01-ТА, расположенного вне вакуумированной камеры. При этом поступательное перемещение на 5 мм рамки, укрепленной на сильфоне, с помощью кулачкового механизма преобразуется во вращательное движение на полный оборот храповика, соединенного с шестерней. Это позволяет выполнять указанные выше действия не нарушая вакуума.

Для измерения остаточного давления внутри прибора применена электронная схема с теплоэлектрическим датчиком МТ-15. Для откачки воздуха служит форвакуумный насос ВН-0,1. На вакуумном колпаке прибора установлены три контактных термометра: один является датчиком температуры, два других служат датчиками звуковой сигнализации, которая срабатывает в случае отклонения температуры от нормы. Температура внутри прибора измеряется двумя термометрами сопротивлений с точностью 0,02° С. Влияние температуры в приборе учитывается раздельно для головки, стержня и чечевицы маятников, для которых получают соответствующие температурные коэффициенты. Арретирные вилки выполняют одновременно функции арретирования и центрирования маятников, обеспечивая точную посадку их на опорные площадки. Для повышения точности регистрации периода и амплитуд колебаний маятников используется объектив с большим фокусным расстоянием (309 мм), применено четырехкратное оптическое умножение угла отклонения маятника, что позволило получить более короткий импульс с выхода фотоумножителя (ФЭУ-60).

В качестве стандарта частоты использованы термостатированные генераторы (4 шт.), частота 1024 кГц которых стабилизирована вибростойкими кварцевыми линзовыми резонаторами. Частота рабочего кварцевого генератора, устанавливаемого в регистратор, регулярно сравнивается с частотой генераторов стандарта частоты. На время транспортировки маятниковый прибор помещается в транспортировочный футляр с терморегулятором.

Полупроводниковый фотоэлектронный регистратор периодов колебаний маятников и их амплитуд конструктивно объединен с пультом управления маятниками. При каждом прохождении маятниками через положение равновесия на ФЭУ выделяются импульсы колоколообразной формы длительностью мс. Эти импульсы подаются на формирующие каскады регистратора, где преобразуются в остроконечные импульсы, которые запускают два пересчетных устройства: одно считает количество колебаний кварцевого генератора, другое — маятника. Счет прекращается через наперед заданное число коле

баний маятника. Период колебаний получим, поделив соответствующие показатели этих пересчетных устройств.

Для определения амплитуды колебаний маятника одно из указанных пересчетных устройств измеряет промежуток времени между двумя последовательными импульсами, возникающими при пересечении лучом света крайних щелей на ФЭУ. По измеренным периодам колебаний фиктивного маятника на двух пунктах получают приращение УСТ. На пульте управления размещены приборы, с помощью которых поддерживается постоянная температура маятников, регулируется накал осветительной лампочки, измеряются остаточное давление воздуха и температура. Нивелируют прибор по цилиндрическим уровням, контролируемым автоколлимационным уровнем, который устанавливается над специальной агатовой площадкой, выведенной параллельно плоскости опорных площадок маятников. Отклонение плоскости нивелировочных площадок от плоскости опорных площадок учитывается по координатной сетке автоколлимационного уровня.

Программа измерений включает в себя 5-6 серий наблюдений, состоящих из 2048 колебаний маятника. В измеренные периоды колебаний маятников вводятся поправки: за амплитуду, температуру, плотность воздуха, ход частоты генератора, лунно-солнечные приливы.

На примере Агата видно как с развитием науки и техники простейший маятник превратился в сложный и совершенный прибор способный выполнять точные измерения УСТ. Практика показала, что неизменность периодов колебаний маятников в пределах ~10“8 с в течение ряда лет (более пяти) при интенсивной эксплуатации в тяжелых полевых условиях говорит о том, что основной узел маятников — лезвие призмы если и срабатывается, то незначительно, а не так, как это предполагалось ранее.

В 1978-1990 гг. на всей территории СССР подразделениями Федеральной службы геодезии и картографии (бывшего ГУГК) создана высокоточная государственная гравиметрическая сеть (более тысячи пунктов), являющаяся основой для всех гравиметрических определений в стране и служащая для определения фигуры и гравитационного поля Земли и решения других народнохозяйственных задач. Основным прибором при создании этой сети был маятниковый комплекс Агат. На заводе ЭОМЗ было выпущено 23 комплекса Агат (69 маятниковых приборов). Использование Агата позволило реализовать прогрессивную технологию создания сети и избежать импорта зарубежной аппаратуры.

Стационарный маятниковый комплекс СМК. Для выполнения непрерывных высокоточных наблюдений в 1994 г. в ЦНИИГАиК разработан стационарный маятниковый комплекс СМК (Н.А. Гусев, П. Киселев). В приборах комплекса применены кварцево-металлические маятники, аналогичные маятникам Агата с периодом колебаний ~0,75 с (длина около 70 см). Конструкция прибора с учетом длины маятников аналогична конструкции Агата (рис. 5.3.11). Период колебаний маятников и их амплитуд определяются с помощью ЭВМ. Использованы более совершенные электронные схемы.

Кварцевый генератор заменен на рубидиевый стандарт частоты. В комплекс включено три маятниковых прибора. С учетом этих изменений, а также применения удлиненных маятников и лучшей их изоляции от внешних влияний погрешность измерений комплексом составляет 0,01 мГал за 4 часа наблюдений. Комплекс не предполагается использовать на полевых работах. С его помощью в течение нескольких лет вели наблюдения на фундаментальном пункте «Москва».

В разработке и исследовании новой аппаратуры, технологии гравиметрических определений и выполнении измерений УСТ, кроме названных в тексте руководителей разработки, принимал участие большой коллектив гравиметристов: В.Я. Барздел, Э.М. Березин, Л.А. Геренбург, А.Г. Гойдышева, Н.Н. Желудова (конструктор), Л.И. Климов, Н.Н. Королев, А.А. Ларина (конструктор), В.В. Лохов, М. Лукашук, Б.М. Малахов, Т.С. Московская, П.А. Неберов, В.Н. Орехов, З.П. Таранова, В.П. Терехов и др.

Все разработанные в ЦНИИГАиК приборы выпускались сначала в мастерских института (НИЭМ), затем на ЭОМЗ.

Морские маятниковые приборы. В 1923 г. голландский инженер Венинг-Мейнес разработал метод одновременного качания двух маятников в противофазе с образованием фиктивного маятника, что позволило в основном исключить влияние горизонтальных ускорений первого порядка и проводить работы на подвижном основании. Первые наблюдения Венинг-Мейнесом были проведены на подводной лодке с использованием четырехмаятникового прибора Штюкрата в 1923 г. Первые морские измерения УСТ в нашей стране на подводной лодке были выполнены в 1930 г. Л.В. Сорокиным. Он также применил прибор типа Штюкрата, приспособленный для определений на море, установленный в карданов подвес. Затем такие же работы были выполнены в ЦНИИГАиК в 1947 г. Более интенсивные работы были выполнены в ЦНИИГАиК в 1955-1967 гг, при участии сотрудников других ведомств. В первые годы выполнения морских гравиметрических работ подводные маятниковые измерения являлись единственным источником надежной гравиметрической информации в мировом океане.

В 1954-55 гг. в ЦНИИГАиК на базе прибора типа Штюкрата (Аэрогеоприбор) были разработаны морские маятниковые приборы с фотографической регистрацией периодов колебаний маятников.

В 1959 г. в ИФЗ АН СССР был разработан морской шестимаятниковый прибор (МШП) с кварцевометаллическими маятниками ЦНИИГАиК. Запись периодов колебаний маятников велась на фотопленку. В дальнейшем в ЦНИИГАиК аппаратуру для измерений на море стали создавать на основе наземных приборов, помещая их в карданов подвес и добавляя узлы и блоки для регистрации наклонов и

ускорений. Так, в 1961 г. на основе ВМП был создан морской трехмаятниковый прибор ММП-П с фотографической регистрацией периодов колебаний маятников (рис. 5.3.12). Погрешность измерений с ним была 2 мГал при возмущающих ускорениях до 4 Гал.

В 1967-1968 гг. на базе прибора ОВМ был создан автоматизированный морской двухмаятниковый прибор АМП-1 с фотоэлектронной регистрацией периодов и амплитуд колебаний маятников (рис. 5.3.13). В приборе отсутствуют датчики ускорения и наклонов. Точность измерений при этом не снизилась, а надежность работы повысилась. Инструментальная погрешность измерений с АМП-1 около 1,5-10~5 м/с2 (мГал) при возмущающих ускорениях (3-5)-10“2 м/с2 (Гал). Прибор выпускался серийно, выпущено около 100 приборов.

Дальнейшим развитием прибора АМП-1 в 1987 г. для работ с дрейфующих льдов, на дне водоемов в скафандре и в толще воды в демпферно-поплавковом устройстве явился прибор ПДМ (рис. 5.3.14). Погрешность измерений с ним составила 1 мГал при возмущающих ускорениях до 3 Гал.

В 1972 г. в ЦНИИГАиК под руководством Б.М. Малахова разработан надводный морской автоматизированный маятниковый прибор (рис. 5.3.15). Прибор установлен на гиростабилизированной платформе. Он характерен тем, что лезвиям ножей его маятников придана такая форма, которая позволяла компенсировать влияние горизонтальных возмущающих ускорений второго порядка (так называемую поправку Броуна). Погрешность измерений с этим прибором составила 3-7 мГал при возмущающих ускорениях до 80 Гал. Прибор широкого распространения не получил. Морская маятниковая аппаратура применяется в основном для контроля смещения нуль-пункта и определения масштабных коэффициентов морских гравиметров (как плавучий опорный пункт).

С этой же целью они применяются для работ с дрейфующих льдов, для проведения ледовой съемки. В этих видах работ маятниковому методу пока еще нет равноценной замены.

Четыре типа маятниковых приборов: ММП-П, ОВМ, АМП-1, Агат удостоены золотой медали ВДНХ. Исследования, выполненные в ЦНИИГАиК, свидетельствуют об имеющихся еще резервах точности маятникового метода измерений силы тяжести, а также расширения сферы их применения.

Важную роль в развитии маятникового метода в нашей стране сыграли: А.А. Михайлов, И.А. Казанский, Л.В. Сорокин, М.С. Зверев, Н.Н. Парийский, Ю.Д. Буланже, М.Е. Хейфец, Ю.А. Сливин,

С.Е. Александров, Н.А. Гусев, Б.М. Малахов, Э.Н. Березин, В.П. Терехов, В.В. Лохов, Н.Н. Королев, А.А. Ларина, В.П. Киселев и др.

В табл. 5.1 приведены основные характеристики наиболее применяемых маятниковых приборов.