<<
>>

Относительные измерения маятниковым методом на неподвижном основании

Общие вопросы конструкции маятниковых приборов. К маятниковому прибору относятся: маятники, механизм управления маятниками, опорные площадки, регистратор периодов колебаний маятников и их амплитуд, датчик времени и различные вспомогательные устройства (уровни, термометры, барометры и т.

д.). Если указанные блоки соединены воедино, то применяется название маятниковый прибор. Если же это отдельные блоки, то тогда это комплекты или комплексы маятникового прибора. Блок, в котором размещены маятники и устройства управления ими называется собственно маятниковым прибором. Когда такие приборы были просты по устройству (маятники, опорные площадки, ручки управления), то в литературе их часто называли просто штативом. Полевые условия работы накладывают на маятниковые приборы жесткие требования: они должны быть компактны и надежны в работе. В нижеприведенных описаниях маятниковых приборов применены 2, 3 или 4 маятника. Призмы (ножи) маятников опираются на площадки, отполированные в одной плоскости. Плата, в которую впрессовываются опорные площадки, должна быть прочной, чтобы противостоять температурным и механическим деформациям. Призмы и площадки, называемые опорными устройствами, обычно изготавливались из агата, стали, стеллита и других материалов. Маятники являются датчиками УСТ и от их качества, в основном, зависит точность измерений.

Основные требования к маятникам заключаются в постоянстве их приведенной длины (изменение приведенной длины на 0,01 микрона соответствует 10~8 с в периоде полусекундного маятника) и неизменности формы лезвия призмы, радиус кривизны которых равен 2-30 микрон. Оптимальный угол заточки лезвия призмы лежит в пределах 120-140°. Маятник должен быть мало чувствительным к внешним влияниям. Опорные устройства должны быть твердые, но не хрупкие, должны иметь хорошее сопротивление истиранию и обеспечивать минимальное трение.

Оси качания маятников должны быть параллельны и точно выведены в горизонт (отнивелированы).

В некоторых приборах применены минимальные маятники мало чувствительные к небольшим изменениям приведенной длины.

Были попытки применить четвертьсекундные маятники. Габариты прибора при этом уменьшаются, но они сильнее зависят от срабатывания лезвия ножа, имеют большее затухание и на них сильнее сказывается изменение приведенной длины. Поэтому четвертьсекундные маятники почти не применялись в маятниковых приборах. Стержни маятников изготавливались из латуни, инвара, кварца, вольфрама, молибдена. Поверхность маятников от коррозии покрывается защитным слоем металла (хром, золото и др.). При парных качаниях периоды маятников уравниваются. Арретирный механизм обеспечивает одновременность посадки краев лезвия призмы на площадки. Имеется механизм задания маятникам соответствующих амплитуд и одновременности пуска в противофазе.

Наиболее значительное влияние на результаты маятниковых измерений оказывает температура. Ее измеряли с помощью ртутных термометров. По предложению А.И. Фролова температуру внутри прибора стали измерять с помощью интегрального термометра сопротивлений (ИТС) [Фролов 1948]. Применяли различные способы термокомпенсации маятников, создавали соответствующие конструкции маятников с использованием материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения, применяли термостатирование маятниковых приборов. Следует заметить, что термокомпенсация маятников нарушается с появлением температурных градиентов внутри прибора. При полевых измерениях использовали пассивные методы борьбы с температурными влияниями: на пункте наблюдений различными способами поддерживали постоянную температуру, закрывали приборы теплоизолирующими чехлами и т. д. С целью ослабления влияния внешней температуры на результаты измерений маятниковые приборы помещают в термостаты.

Корпус прибора изготавливался жестким для уменьшения сокачания и предусматривалась изоляция маятников от внешних влияний; во многих приборах предусмотрена откачка воздуха и имеется устройство для отсчета давления внутри прибора.

Опорные площадки приводятся в горизонтальное положение с помощью подвесных уровней. Датчиками времени являются хронометры, кварцевые часы, частота генераторов.

Приборы с физическими маятниками применялись только как относительные т.е. с их помощью измеряли только разности силы тяжести от известного значения на исходном пункте (р). В этом случае измерялись периоды колебаний маятников на исходном (з0) и определяемом (s) пунктах и вычислялось

ж              so

приращение силы тяжести или значение д по формуле: д = дисх-^.

ij

Относительный метод измерений стал широко применяться после появления приборов Штернека. При этом методе основным требованием является сохранение постоянной приведенной длины маятников. После приборов Штернека и Штюкрата был создан ряд новых приборов (около 30), конструкция которых мало отличается от конструкции указанных типов [Геодезия 1949]. Некоторые из этих приборов не имели широкого распространения, поэтому здесь приводится краткое описание только двух типов: Штернека и Штюкрата, послуживших прототипами последующих разработок.

С развитием науки и техники маятниковая аппаратура подвергалась различным усовершенствованиям и модификациям. Были разработаны более совершенные маятниковые приборы, новые способы регистрации периодов колебаний маятников, а также улучшена методика измерений. Все это приводило к повышению точности определений, или давало возможность сократить время наблюдений на пункте. Развивалась как теория маятникового метода, так и способы наблюдений, учитывалось влияние окружающей среды (температура, давление, влажность и т. д.). Был создан ряд приборов за рубежом и в нашей стране. В тридцатых годах XX столетия за рубежом (фирма Галф) были созданы приборы, позволяющие перевозить маятники в самом штативе (приборе) и, таким образом, исключалась погрешность, вносимая каждой новой повеской маятников.

Большое значение, давшее возможность вести наблюдения с маятниками на подвижном основании, имело предложение Венинг-Мейнеса (1923 г.).

Он предложил метод наблюдений, при котором почти полностью исключается влияние горизонтальных ускорений.

Первое время периоды колебаний маятников определяли визуально с помощью счетчика (электромеханического или оптического) и хронометра. В тридцатых годах XX столетия для измерения периода колебаний маятников и их амплитуд была применена фотографическая регистрация. Она повысила точность измерений, исключила так называемую личную ошибку наблюдателя и уменьшила трудоемкость визуальных наблюдений. Однако и этот метод тоже оставался трудоемким: обработка пленки (бумаги), измерения записи колебаний маятников на оптическом приборе и т. д. Кроме того, этот метод не позволял оперативно контролировать процесс наблюдений.

Качественный скачок в развитии маятниковой аппаратуры произошел от внедрения фотоэлектронной регистрации периодов колебаний маятников и их амплитуд. Этот метод значительно уменьшил трудоемкость измерений, облегчил камеральную обработку полевых материалов и дал возможность создать аппаратуру для автоматической регистрации периода и амплитуды колебаний маятника с применением ЭВМ. Стало возможным с точностью 10“7 с получать единичные периоды колебаний маятника и оперативно следить за работой маятниковой аппаратуры.

Наряду с маятниками и приборами создавались вспомогательные приборы: механические и оптические счетчики, хроноскоп-счетчики, синхронные счетчики, полевые кварцевые хронометры, механические и электрические акселерометры, гироплатформы, фоторегистраторы горизонта, наклономеры, радиоприемники и устройства для приема ритмических сигналов времени и др. Они способствовали как повышению точности измерений, так и улучшению эксплуатационных характеристик приборов.

В тридцатых годах XX столетия появился новый класс гравиметрических приборов — статические гравиметры. Их мобильность, малые габариты, высокая отсчетная точность измерений, высокая производительность при выполнении детальных съемок сразу завоевали признание гравиметристов. Казалось бы, в тот момент более громоздкий маятниковый метод не будет больше применяться для измерения УСТ.

Однако гравиметры, наряду с лучшими эксплуатационными качествами, имеют два существенных недостатка: непостоянство нуль-пункта и необходимость определения цены деления шкалы.

Маятники же перед гравиметрами имеют ряд преимуществ. Они отличаются высокой стабильностью, практически не имеют смещения нуль-пункта, не требуют эталонирования, позволяют получать их периоды из большого числа колебаний и позволяют использовать при этом цифровую фильтрацию, обеспечивают независимость результатов от измеряемого интервала УСТ и от продолжительности рейса. Благодаря этим качествам маятниковая аппаратура стала применяться для создания высокоточных опорных сетей и базисов для эталонирования гравиметров.

Получил развитие также метод совместного определения УСТ статическими гравиметрами и маятниковыми приборами как наиболее прогрессивный и рационально использующий лучшие качества вышеуказанных приборов. Методика работ по съемке морей и океанов с использованием надводных кораблей также предусматривает совместную работу маятниковых приборов и гравиметров. Этот же метод рационален при гравиметрических определениях на дрейфующих льдах и авиадесантных работах.

Погрешность измерений с маятниковыми приборами уменьшалась с 15 мГал в тридцатых годах XIX столетия до 0,04 мГал в девяностых годах прошлого столетия («Агат»).

Точность маятниковых измерений зависит, главным образом, от стабильности маятников и их изоляции от влияния внешней среды. Поэтому при описании аппаратуры маятникам уделено больше внимания, чем другим узлам прибора. Маятниковый прибор «Агат» описан более подробно, чем остальные приборы, так как на данный момент он наиболее точный и совершенный прибор и широко используется при создании высокоточных сетей, базисов для эталонирования гравиметров и т. д. 

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

Еще по теме Относительные измерения маятниковым методом на неподвижном основании:

  1. Относительные измерения маятниковым методом на неподвижном и подвижном основании
  2. Относительные измерения маятниковым методом на неподвижном основании
  3. Морские неастазированные гравиметры
  4. ИСТОРИЯ ОТКРЫТИЯ ЗАКОНА ТЯГОТЕНИЯ