Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE ACCELERATION OF FREE FALL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/077771
Kind Code:
A1
Abstract:
The group of inventions relates to the field of physics, in particular gravimetry, and can be used in the performance of geophysical surveys, the results of which are of importance to such technical fields as astronomy, geodesy and geology. The problem addressed by the group of inventions is the development of a measurement method and device which increase the informativeness of gravimetric measurements. This problem is solved in that in the method for measuring the acceleration of free fall (gz) by measuring the deformation of a primary mechanical transducer in a gravimetric sensor, which is proportional to the gravitational force of a test mass (mgz), the value of acceleration (gz) is supplemented by a comparative measure, namely the known value of centripetal acceleration (ац), so that the two act on the test mass of the sensor jointly in the form of the resultant vector (gz+ац). The method can be implemented using a device for measuring the acceleration of free fall gz that is equipped with a gravimetric sensor containing a test mass m, a primary transducer, a device for recording the deformation thereof, an amplifier, a digital transducer, and an automatic computer, wherein the gravimetric sensor, which contains an electromechanical transducer, is disposed on a disc with an axle. Furthermore, the device can be equipped with a rotary actuator which enables the disc to rotate forwards and backwards at a set angular velocity, and the disc can be disposed in a coordinate device which makes it possible to carry out measurements in a chosen orientation of the plane of rotation.

Inventors:
PETRENKO GENNADY ALEXEEVICH (RU)
Application Number:
PCT/RU2012/000948
Publication Date:
May 30, 2013
Filing Date:
November 16, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
PETRENKO GENNADY ALEXEEVICH (RU)
International Classes:
G01V7/00
Foreign References:
RU89723U12009-12-10
US20060277993A12006-12-14
US4271702A1981-06-09
GB381141A1932-09-29
Attorney, Agent or Firm:
APARINA, Tatiana Viktorovna (RU)
АПАРИНА, Татьяна Викторовна (RU)
Download PDF:
Claims:
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ измерения ускорения свободного падения (gz) посредством измерения деформации первичного механического преобразователя гравиметрического датчика, пропорциональной силе тяжести пробной массы (mgz), отличающийся тем, что значение ускорения gz дополняют мерой сравнения - известным значением центростремительного ускорения (ац), с таким расчетом, чтобы они воздействовали на пробную массу датчика совместно в виде результирующего вектора (gz+ац).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что меру сравнения центростремительного ускорения ац воспроизводят в процессе проведения измерений.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение результирующего вектора определяют посредством измерения секундомером угловой скорости (со-рад/сек) равномерного вращения датчика по круговой траектории постоянного радиуса (R = const), где ац = ω R м/с .

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что угловую скорость измеряют в момент, когда модули вектора центростремительного ускорения и ускорения свободного падения равны, вектора разнонаправлены, и сумма их значений равна нулю.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что модуль результирующего вектора в нижней точке траектории, в которой векторы центростремительного и ускорения свободного падения равны между собой и однонаправлены, равен удвоенному значению определяемого ускорения,

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение модуля результирующего вектора ускорения по направлению (S9) выполняют посредством регистрации мгновенного значения гравиметрического датчика, преобразующего силу давления пробной массы m(g9+au) в электрический сигнал.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение модулей результирующих векторов ускорения по направлениям S<p выполняют посредством определения годографа (360°), представленного серией результирующих векторов (gip+ац) - результат векторного сложения годографа ускорения g<,, по направлениям и диаграммы центростремительного ускорения ац.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение модулей результирующих векторов ускорения по направлениям S<p проводят в прямом и обратном направлениях вращения, в режиме статистического накопления измеренных значений и вычисляют средние арифметические значения.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что годограф (360°) при gz<au тождественен «улитке Паскаля», а при равенстве значений gz и ац преобразуется в «кардиоиду», его внутренняя петля стягивается в полюс суммируемых диаграмм 0, при этом метод измерения дополнением совмещают с нулевым методом, что является признаком равенства ускорения gz и меры сравнения ац и определяет момент регистрации значения угловой скорости и значений сигнала первичного преобразователя по направлениям (S<p).

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что сумма модулей двух противоположно направленных результирующих векторов кардиоиды Sw и S9+180, лежащих на любой прямой с общим полюсом 0, равна удвоенному значению определяемого ускорения свободного падения - 2gz.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что гравиметрический датчик обладает диаграммой направленности, максимальная чувствительность которого совпадает с линией действия центростремительного ускорения ац, а минимальная лежит в перпендикулярной к ней плоскости. .

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что определяют пространственный 3D- кардиоид, охарактеризованный серией кардиоид (gp+ац), равномерно распределенных по его объему, с общим полюсом (0), вычисляют среднее значение модуля свободного падения gz и погрешности его определения.

13. Способ по п.1, отличающийся тем, что из пространственного ЗО-кардиоида вычитают среднее значение модуля ускорения свободного падения gz=au, получают наблюденный ЗБ-годограф g9 по направлениям, в который вводят поправки.

14. Способ по п.1, отличающийся тем, что рассчитывают (g<p=gzcos(p) «нормальный годограф», и, по его сравнению с наблюдённым ЗБ-годографом gp по направлениям, выявляют аномальные отклонения ЗБ-годографа (iDg^,), определяют параметры и классифицируют природу аномальных отклонений.

15. Способ по п.1, отличающийся тем, что определение и контроль метрологических параметров реализуют посредством регистрации показаний измерительного канала при вращении датчика в уровненной поверхности в диапазоне значений угловой скорости, обеспечивающей формирование центростремительного ускорения в интервале 0 - 2ац.

16. Устройство измерения ускорения свободного падения gz, оснащенное гравиметрическим датчиком, содержащим пробную массу ш, первичный преобразователь, регистратор его деформации, усилителем, цифровым преобразователем, компьютером и работающее в автоматическом режиме, отличающееся тем, что гравиметрический датчик, содержащий электромеханический преобразователь, расположен на диске с осью.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что устройство оснащено приводом принудительного вращения, который обеспечивает вращение диска в прямом и обратном направлениях с заданной угловой скоростью вращения.

18. Устройство по п.16, отличающееся тем, что диск размещен в координатном устройстве, обеспечивающем возможность выполнять измерения в выбранном пространственном положении плоскости вращения.

19. Устройство по п.16, отличающееся тем, что устройство оснащено регистратором угловой скорости вращения диска, например, секундомером.

Description:
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО

ПАДЕНИЯ

Область техники

Группа изобретений относится к области физики, в частности, к гравиметрии и может быть использовано при проведении геофизических исследований, результаты которых востребованы в таких областях техники как астрономия, геодезия и геология.

Предшествующий уровень техники

Для измерения абсолютного значения ускорения gz используются абсолютные гравиметры, принцип действия которых основан на баллистическом методе измерения абсолютного значения g z (м/с 2 ), посредством измерения пути и времени свободного падения. Реже используют маятниковые приборы. Единицей измерения ускорения gz в гравиметрии является Гал (Gal) - значение ускорения свободного падения, равное 0,01 м/с 2 (т/с 2 ).

Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявленному изобретению являются способ и реализующие его устройства, предназначенные для измерения ускорения g z , которые используются при проведении геологоразведочных работ, а именно гравиметр ГНУ-КВ в его компьютеризированной модификации (см. http://geo et.ru/content/view/l 41/384Л или из зарубежных аналогов - гравиметр модели CG- 5 AutoGrav фирмы «Scintrex» (см. http:// geocentr-msk.ru/content/view/441/137). В данных гравиметрах реализован способ измерения величины деформации первичного преобразователя под действием силы тяжести (mg z ), пропорциональной ускорению. Конструкция гравиметра содержит гравиметрический датчик (далее - датчик), состоящий из пробной массы m и первичного механического преобразователя, регистратор его деформации, усилитель, цифровой преобразователь и компьютер, которые составляют измерительный канал датчика. Гравиметры работают в автоматическом режиме.

Недостатком способа, реализуемого в данных гравиметрах, является то, что ускорение g z , объемная характеристика которого на поверхности полупространства представляет сферу 20 (далее - ЗО-годограф, фиг.5), производят в виде единичного вектора, совпадающего с линией отвеса. Это снижает информативность гравиметрических измерений.

Раскрытие изобретения

Задачей, на решение которой направлена группа изобретений, является разработка способа измерения и устройства, повышающих информативность гравиметрических измерений.

Поставленную задачу решают методом дополнения посредством измерения деформации гравиметрического преобразователя пропорциональное силе тяжести пробной массы (mg z ). Согласно изобретения, значение ускорения g z дополняют мерой сравнения - известным значением центростремительного ускорения (ац), с таким расчетом, чтобы они воздействовали на пробную массу датчика совместно в виде результирующего вектора (gz+ац). При этом меру сравнения а ц (центростремительное ускорение) воспроизводят в процессе проведения измерений. Модуль результирующего вектора определяют посредством измерения секундомером угловой скорости (со- рад/сек) равномерного вращения датчика по круговой траектории постоянного радиуса (R = const), где а ц = co 2 R м/с 2 - способ является прямым. Угловую скорость измеряют в момент, когда модули вектора центростремительного ускорения и ускорения свободного падения равны, вектора разнонаправлены, и сумма их значений равна нулю. При этих условиях модуль результирующего вектора в нижней точке траектории равен удвоенному значению определяемого ускорения - 2gz = 2ац, так как векторы центростремительного и ускорения свободного падения направлены в одну сторону. Определение модуля результирующего вектора ускорения по направлению (S 9 ) выполняют посредством регистрации мгновенного значения гравиметрического датчика, преобразующего силу давления пробной массы в электрический сигнал. Определение модулей результирующих векторов ускорения по направлениям S 9 выполняют посредством определения годографа (360°), представленного серией результирующих векторов (g 9 +a u ) - результат векторного сложения годографа ускорения g < p по направлениям и диаграммы центростремительного ускорения а ц . Определение модулей результирующих векторов ускорения по направлениям S 9 осуществляют в прямом и обратном направлениях вращения, в режиме статистического накопления измеренных значений и вычисляют средние арифметические значения. Годограф (360°) при gz<a u тождественен «улитке Паскаля», а при равенстве значений gz и а ц преобразуется в «кардиоиду». Внутренняя петля стягивается в полюс суммируемых диаграмм 0 (при этом метод измерения дополнением совмещают с нулевым методом), что является признаком равенства ускорения gz и меры сравнения ац, и определяет момент регистрации значения угловой скорости и значений сигнала первичного преобразователя по направлениям (S 9 ). Сумма модулей двух противоположно направленных результирующих векторов кардиоиды S 9 и S < p+i8o, лежащих на любой прямой с общим полюсом (0), равна удвоенному значению определяемого ускорения свободного падения - 2g z . Датчик обладает диаграммой направленности, максимальная чувствительность которого совпадает с линией действия центростремительного ускорения а а минимальная лежит в перпендикулярной к ней плоскости. Далее определяют пространственный ЗО-кардиоид, охарактеризованный серией кардиоид (&р+ац), равномерно распределенных по его объему, с общим полюсом (0), вычисляют среднее значение модуля свободного падения gz и погрешности его определения. Из пространственного ЗО-кардиоида вычитают среднее значение модуля ускорения свободного падения получают наблюденный ЗЭ-годограф gq> по направлениям, в который вводят поправки. По найденному значению ускорения g z рассчитывают (gq> = gzCos( ) «нормальный годограф». По его сравнению с наблюдённым ЗО-годографом g<p, выявляют аномальные отклонения ЗО-годографа (±Dg<p). Далее определяют параметры аномальных отклонений и классифицируют их природу. Определение и контроль метрологических параметров реализуют посредством регистрации показаний измерительного канала при вращении датчика в уровненной поверхности в диапазоне значений угловой скорости вращения, обеспечивающих формирование центростремительного ускорения в интервале 0 - 2а ц .

В основе решения поставленной задачи лежат известные из теории гравиразведки и метрологии данные:

1) Из источника ИВ и С ДВО РАН «Геофизические методы исследований», Гравиразведка, 2.1. Основы теории гравиразведки», известно, что «гравитационное поле Земли относится к классу потенциальных полей, т. е. таких, когда каждой точке пространства вокруг Земли (вне притягиваемых масс) можно поставить в соответствие некоторую непрерывную и имеющую непрерывные производные функцию. Производные этой функции по направлениям равняются проекциям силы тяжести на эти направления. Такую функцию называют гравитационным потенциалом W. Производная гравитационного потенциала по произвольному направлению: dW/dS = g z -cos9=(g 9 ), где φ-угол между вектором g z и направлением S<p. Откуда следует, что направление S<p может быть в частности таким, что cos(p = 0, а значит, S 9 и g z будут перпендикулярны. В этом случае dW/dS = 0 или W = const, и можно построить поверхность с постоянным значением гравитационного потенциала, которую называют уровенной поверхностью или эквипотенциальной (фиг.1-6). Сила тяжести на уровенной поверхности нормальна к ней». (Здесь и далее сохранена терминология и обозначения физических величин принятые в первоисточниках). В графическом виде зависимость g < p = g z coscp представляет годограф g f 15 по направлениям (фиг.3,4,6) в виде окружности с полюсом 0, принадлежащим уровенной поверхности, лежащим в произвольной плоскости с линией отвеса. Годограф является частным случаем объемного ЗО-годографа в виде сферы 20 (фиг.5).

2) Из источника: «Основы физики», Б.М. Яворский, А. А. Пинский, том 1, 1974, известно, что при равномерном движения массы m по окружности в вертикальной плоскости радиуса R с линейной скоростью v, на тело действуют две силы: реакция связи Q и притяжение земли Р. В нижней точке реакция направлена вертикально вверх, а верхней - вертикально вниз с центростремительным ускорением а ц = v /R по линии действия силы тяжести (ось Z направлена вниз). Уравнение движения в векторной форме имеет вид Р + Q = та ц . В нижней точке траектории Р - Q = - mv^/R, откуда Q = Р + nrv^/R = ( 2 /R+ g z ) (1). В верней точке Р + Q = rn^/R, откуда Q = rn^/R - Р = m^/ - &) (2). Из уравнения 2 следует, что условием нахождения тела на траектории является v^/R большее или равное g 2 . Минимальную линейную скорость (v) находят из условия ее равенства корню квадратному из произведения g z R. Или иначе— «невесомость пробной массы» наступает при ее движение с центростремительным ускорением равным ускорению свободного падения (а ц = g z ). В нижней точке траектории (уравнение 1) ускорение составит 2g (мгновенная линейная скорость v движения точки по окружности: V = wR, центростремительное ускорение через угловую скорость: а ц = v^R = ^/R);

3) Из источника «Мокров Ю. Метрология,...». Нулевой метод измерений - метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля (например, используют компаратор);

4) Из источника «Мокров Ю. Метрология, ...». Метод измерений дополнением - метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняют мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

Способ реализуют посредством устройства, оснащенного датчиком, содержащим пробную массу ш и первичный преобразователь, регистратор его деформации, усилителем, цифровым преобразователем, компьютером, которые работают в автоматическом режиме. Согласно изобретению устройство содержит первичный преобразователь, который преобразует силу давления массы m(g 9 +a u ) в электрический сигнал. Например, используют прямой пьезоэффект. Датчик установлен на диске с осью. Устройство оснащено приводом принудительного вращения, обеспечивающее вращение диска в прямом и обратном направлении. Диск помещен в координатное устройство, которое позволяет выполнять измерения в уровенной и перпендикулярных ей плоскостях. Устройство так же оснащено средством регистрации угловой скорости вращения датчика - секундомером. При изучении объемной характеристики поля на точке наблюдения в качестве электромеханического преобразователя, например, используют пьезорезонансный датчик, описанный в статье Хлыстова М.С. «Частотные пьезорезонансные датчики для геофизических работ». В статье дается рекомендация о целесообразности их использования в гравиметрических датчиках. Наряду с этим, в журнале Physical Review Letters сообщается о том, что «ученые из Seoul National University (Корея), разработали тонкие пленки из НоМпОз (Но - гольмий), с флексоэлектрическим эффектом, подобным пьезоэлектрическому, который на 6 -7 порядков выше, чем тот, который регистрируют при деформации оксидов». В качестве подложки использован сапфир. Датчик работает на скручивание и изгиб.

Полученный технический результат заключается в следующем: Способ прямой - результат измерения получают в единицах ускорения g z - м/с , в его основе лежит простая физико-математическая база. Применение метода дополнения совместно с нулевым методом и статистических методов позволяет выделять слабые сигналы, исключать промахи и систематические погрешности. Дает объемную характеристику гравитационного поля на точке наблюдения по направлениям. Позволяет проводить детализацию и уточнять местоположение элементов поля по отдельным сечениям и направлениям. Диапазон измерения ускорения g z не имеет ограничения. Способ позволяет контролировать поправки за влияние планет и рельеф, метрологические параметры устройства непосредственно при проведении измерений. Способ и устройство, в котором он реализован, существенно повышают точность и информативность гравиметрических измерений.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1- представлено схематическое изображение устройства измерения ускорения;

на фиг.2 - схематическое изображение первичного преобразователя датчика;

на фиг.З - годограф & по направлениям 0-180° - 15 и диаграммы (0-360°) центростремительного ускорения а ц - 13, 14, при а ц = 0,75 и 1,0 gz соответственно;

на фиг.4 - расчетный годограф 16 и 17- «улитка Паскаля» (при а ц = 0,75g z ) и кардиоида 18 при a u =g z ; на фиг.5 - объемный ЗЕ)-кардиоид;

на фиг.6 - пример определения ускорения g^, по направлению S v = 60°.

Устройство 1 (фиг.1) измерения ускорения g z содержит датчик (2 и 3) состоящий из пробной массы 4 (фиг.2), которая воздействует на электромеханический первичный преобразователь 5 по направлению радиуса R (фиг.2). Датчики 2 и 3 установлены на диске 6, который имеет ось 7. Устройство оснащено приводом принудительного вращения 8, которое обеспечивает вращение диска 6 с заданной угловой скоростью в прямом и обратном направлениях. Диск 6 помещен в координатное устройство 9 , и выполнен с возможностью поворота вокруг осей 10 и 11, что позволяет вьшолнять измерения в выбранном пространственном положении плоскости вращения диска 6.

Предпочтительный вариант осуществления изобретения Способ измерения ускорения g z и её составляющих g < p реализуют следующим образом.

Устройство 1 (фиг.1) устанавливают на точке наблюдения и ориентируют по странам света. Плоскость диска 6 размещают в уровенной плоскости хОу 12 (фиг.1 и 3). При этом преобразователи 5 (фиг.2) датчиков 2 и 3 не регистрируют значений ускорения g z и ее составляющих g,,. Проводят контроль градуировочных и других метрологических параметров измерительного устройства 1. Для этого диск 6 приводят во вращение и, ступенчато изменяя скорость вращения регистрируют посредством секундомера угловую скорость (co=const) и соответствующие ей показания измерительного канала в диапазоне 0 - 2а ц . Измерения проводят в прямом и обратном направлении вращения диска в режиме статистического накопления измеренных значений и вычисляют средние значения. Строят градировочный график в виде зависимости величины сигнала электрической составляющей от угловой скорости вращения (центростремительного ускорения). Все измерения угловой скорости выполняют при равномерном вращении датчика. Диск 6 разворачивают на 180° вокруг горизонтальной оси 10 координатного устройства 9 и повторяют цикл измерений. Все изменения плоскости вращения выполняют при остановленном диске. Для каждого значения скорости вращения вычисляют среднее значение, определяют погрешность измерений, выявляют систематические погрешности и их значения, и т.п. На фиг.4 приведены графически построенные диаграммы (360°) 13 и 14 центростремительного ускорения (а„) для условий измерения в уровенной плоскости 12 при скорости вращения диска 0,75 и 1,0 g z соответственно. Далее плоскость диска 6 устанавливают в перпендикулярное уровенной поверхности 12 положение и приводят во вращение. На фиг.4 приведен графически построенный годограф при ускорении а ц = 0,75g z , состоящий из двух петель - внешней 16 и внутренней 17, которые формируют улитку Паскаля. Изменяют (увеличивая-уменьшая) скорость вращения, и в момент, когда показания измерительного канала датчика 2, находящегося в верхней точке траектории, обращаются в ноль, регистрируют секундомером угловую скорость. Угловую скорость измеряют при установившемся равномерном вращении диска в режиме статистического накопления измерений и вычисляют средние арифметические значения (360°). При нахождении датчика в нижней точке траектории вращения, модуль результирующего вектора равен сумме модулей ускорения gq > и центростремительного ускорения (gz+a u = 2g z =2a 4 ). В результате получают круговую диаграмму в виде кардиоиды 18 (фиг.5), представленную серией результирующих векторов g <p +a u по направлениям. Кардиоида 18 является результатом векторного сложения годографа g <p по направлениям 15 и диаграммы центростремительного ускорения 14, имеет полюс 0, принадлежащий уровенной поверхности 12. Не изменяя плоскости вращения, проводят описанный цикл измерении при противоположном направлении вращения диска.

Далее определяют ЗЕ>-кардиоид (фиг.5), представленный кардиоидами 18 с общим полюсом 0, количество которых достаточно для объемной характеристики поля в точке наблюдения. Изменение плоскости вращения выполняют посредством поворота диска на угол а (фиг.1), который задают методикой проведения измерений. На фиг.5 приведен расчетный (нормальный) ЗО-кардиоид в виде изолиний 19 - геометрическим местом результирующих векторов с равными значениями g^+a^ по нескольким направлениям S<p. По значению средней угловой скорости вращения диска, вычисляют значение центростремительного ускорения: а ц =о> R м/с . Из кардиоид 18, составляющих ЗО- кардиоид, вычитают среднее значение центростремительного ускорения

направлению S v . В результате получают наблюденный ЗО-годограф g 9 по направлениям 20 (фиг.5), в который вводят поправки. На фиг.6 приведен пример вычисления модуля единичного вектора g v по направлению S 9 60°. Модуль вектора g f определен двумя векторами - результирующим вектором Ое (gi p +ац) и противоположно направленным результирующим вектором Ос (gp - ац), которые лежат на одной прямой и имеют общую точку 0 (полюс диаграмм). При вычитании из модулей результирующих векторов меры сравнения - а ц получают значение определяемого вектора (g q ^a^-a^g q ,. Вектор Ос, сформирован двумя противоположно направленными векторами (gep-au). Откуда &р=(&р" ац)+а ц . Из двух полученных модулей g<p находят среднее арифметическое. Измерения на точке наблюдения заканчивают проверкой метрологических параметров в уровенной плоскости 12. В результате сравнения наблюдённого ЗО-годографа с расчетным 3D- годографом g<p выявляют аномальные отклонения ±Ag<p. пространственные и количественные параметры аномалии, классифицируют ее природу. Определение границ выявленных аномальных зон осуществляют посредством анализа графика градиента g 9 , вычисленного из годографа по направлениям (0-180°). Вычисление градиента выполняют посредством сопоставления последовательно измеренными значениями (в режиме компаратора).

Способ и устройство позволяют существенно повысить точность и информативность гравиметрических измерений и могут найти применение в астрономии, геодезии, метрологи, в том числе, при изучении гравитационных полей планет и их спутников.




 
Previous Patent: ENERGY GENERATING COMPLEX

Next Patent: GASIFICATION REACTOR