Маятниковый гравиметр

4. Гравиметр по любому из пп. 1-3, отличающийся тем, что элемент термокомпенсации выполнен из материала несущего элемента.Изобретение относится К области измерительной техники и может быть использовано для относительных измерений ускорения свободного падения.Известен маятниковый гравиметр с маятником 1, стр. 33, выполненным в виде груза простой формы, подвешенного на проволоке. Измерение ускорения свободного падения 5 с помощью этого гравиметра сводится к измерению периода Т свободных колебаний маятника и вычислению 5 на основании известной формулыЭтот гравиметр имеет большую погрешность вследствие деформаций длины и формы нити, возникающих в процессе колебаний, а также вследствие больших трудностей точного измерения приведенной длины. Поэтому в настоящее время этот гравиметр не используется.Наиболее близким к предлагаемому является относительный маятниковый гравиметр Агат 1, стр. 83. Он является и наиболее точным из существующих маятниковых приборов. Его погрешность оценивают значением 0,08 мГал (1 мГал 106 3) 1, стр. 88. При расчетах требований к параметрам гравиметра за погрешность гравиметра принимают значение 0,01 мГал.Основной частью этого гравиметра является твердотельный составной маятник, способный совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси. Маятник содержит несущий элемент - стержень, выполненный из кварцевого стекла, металлический груз,прикрепленный к нижней части несущего элемента, а также опору качения, прикрепленную к верхней части несущего элемента. Опора качения состоит из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть содержит призму, изготовленную из очень твердого минерала - агата, и элементы крепления ее к несущему элементу - стержню. Неподвижная часть опоры представляет собой плоскую полированную площадку. Призма опирается своим ребром (иногда ребро называют лезвием) на эту площадку. Контакт лезвия с площадкой формирует горизонтальную ось, вокруг которой маятник способен совершать колебания. Кроме того, маятниковый гравиметр содержит системы управления маятником,измерения времени и амплитуды его колебаний.Основные недостатки этого гравиметра состоятв сложности обеспечения условий измерений для достижения необходимой точностиВ этом гравиметре максимальная точность достигается при откачке воздуха до давления (0,54) тор 2, стр. 31 (1 тор 1 мм рт.ст. в 1 аналогичные значения ошибочно при ведены в единицах мбар 1 мбар 7,5-104 мм рт.ст. Это - уже глубокий вакуум).Кроме того, максимальная точность данного гравиметра может быть достигнута лищь при высокой стабильности температуры окружающей среды. Допустимая погрещность измерения температуры здесь составляет (О,О 4 О,О 9) С 1, стр. 66. Это приводит К необходимости проводить измерения в термостате при температуре 3545. Подобные условия требуется создавать при измерениях в полевых условиях.Необходимость проведения измерений в условиях низкого давления обусловлена двумя причинами. По закону Архимеда выталкивающая сила, действующая на маятник со стороны вытесняемого им воздуха, приложена к центру тяжести объема маятника. Поскольку форма маятника несимметрична относительно оси колебаний, здесь возникает дополнительный момент силы Архимеда, уменьшающий момент силы тяжести и заметно изменяющий период его свободных колебаний.Второй причиной, приводящей к влиянию воздуха на период свободных колебаний маятника, является так называемая присоединенная масса. При движении тела с ускорением под действием внещней силы часть окружающей среды также приводится в ускоренное движение и оказывает воздействие на тело. Гидродинамический расчет показывает, что этот эффект можно учесть как дополнительное увеличение массы тела. Например, для щара, совершающего поступательное движение, присоединенная масса равна половине массы среды в объеме щара, для цилиндра - массе среды в объеме цилиндра 3, стр. 410411. В случае вращательного движения щара, цилиндра и других тел вращения вокруг оси симметрии эффект присоединенной массы отсутствует.Оба описанных выще механизма влияния воздуха на гравиметр проявляют себя в зависимости периода колебаний маятника от плотности воздуха и его давления. Это влияние в известном гравиметре ослабляют путем откачки воздуха.Однако наличие даже остаточного давления оказывает заметное влияние на точность измерений. Его устраняют, вводя в измеренный период колебаний маятника так назь 1 ваемой поправки за плотность окружающей среды по формуле 1, стр. 68где А - барометрический коэффициент, который находят путем испытаний в барокамереВ гравиметрах Агат при давлении от 0,3 до 3 тор коэффициент А 1 О 7 с/тор 0,4 мГал/тор,а при увеличении давления он резко возрастает 2, стр. 31.Операцию откачки воздуха приходится неоднократно повторять 2, стр. 31 в процессе измерений ускорения 3, ввиду невозможности обеспечения полной герметичности и необходимости управления движением маятника в процессе измерений. Это существенно затрудняет и затягивает процедуру измерения.Влияние нестабильности температуры на погрещность маятника обусловлено обь 1 чной зависимостью плотности и размеров вещества от температуры. Здесь также имеются две причины, снижающих точность гравиметра, - статическая зависимость и динамическая. Статическая зависимость проявляется в зависимости периода колебаний маятника от текущего значения температуры. Эту зависимость уменьщают, помещая маятник в термостат(в сосуд Дьюара) и изготавливая маятники из кварца. Остаточное влияние температуры учитывают, вводя в период колебаний маятника поправки за температуру по формуле 1, стр. 65где у - температурный коэффициент, который также определяют путем испытаний в термокамере г - изменение температуры относительно принятого начального значения.В этом гравиметре коэффициент у 1 О 7 с/град 0,4 мГал/град 2, стр. 30.Однако использовать кварцевые стержни в качестве несущих элементов довольно сложно, так как эти стержни хрупкие. Кроме того, большое различие в значениях температурных коэффициентов линейного расширения металла и кварца создает технологические проблемы при механическом сочленении груза и подвижной части опоры со стержнем в процессе изготовления и большой процент брака при испытаниях 2, стр. 27-28.Динамическая температурная зависимость обусловлена температурной инерцией маятника, а также всегда присутствующими процессами переноса тепла внутри рабочего объема гравиметра, связанными с градиентами температуры вдоль стержня маятника и их изменением во времени. Эта зависимость проявляет себя в изменении периода колебаний во времени. В гравиметре Агат динамический температурный коэффициент определяется неуверенно 1, стр. 67 с погрешностью 0,4 мГал/ч.Удлиненная форма маятника приводит также к его высокой чувствительности к горизонтальнь 1 м вибрациям основания, которые всегда присутствуют. Вибрации основания приводят к изгибнь 1 м деформациям стержня маятника и дополнительной нестабильности его периода.Необходимость поддержания стабильного низкого давления воздуха и стабильной температуры в рабочем объеме, необходимость введения поправок за плотность воздуха и за температуру, а также необходимость управления движением маятника в условиях вакуума приводят к тому, что конструкция гравиметра и процедура измерений оказываются очень сложными, а погрешность гравиметра существенно выше расчетной. Все перечисленные недостатки известного маятникового гравиметра обусловлены, главным образом,конструкцией маятника.Задачей изобретения является увеличение точности маятникового гравиметра, упрощение его конструкции и облегчение условий проведения измерений.Решение этой задачи обеспечивается тем, что в маятниковом гравиметре, содержащем маятник, включающий несущий элемент, груз и опору качения, состоящую из подвижной и неподвижной частей, формирующих ось колебаний маятника, и элементы крепления подвижной части опоры к несущему элементу, дополнительномаятник содержит расположенный диаметрально противоположно грузу относительно оси колебаний элемент термокомпенсации, форма, удельная плотность и температурный коэффициент линейного расширения элемента термокомпенсации выбраны из условия отсутствия линейной зависимости периода колебаний от температуры и условия балансировки элементов маятника, несущий элемент вместе с грузом и элементом термокомпенсации выполнен в виде фигуры вращения, ось которой совпадает с осью колебаний.В частности, несущий элемент вместе с подвижной частью опоры и элементами ее крепления сбалансирован относительно оси колебаний маятника, положение элемента термокомпенсации маятника зеркально симметрично положению груза, при этом сечения груза и элемента термокомпенсации, перпендикулярные оси колебаний, имеют форму сегмента круга.В частности, элемент термокомпенсации содержит полость, сечение которой, перпендикулярное оси колебаний, имеет форму сегмента круга.В частности, элемент термокомпенсации выполнен из материала несущего элемента.Реализация отличительного признака, состоящего в том, что маятник содержит элемент термокомпенсации, расположенный диаметрально противоположно грузу относительно оси колебаний, позволяет осуществить с высокой точностью взаимную компенсацию влияния изменения параметров всех элементов на период колебаний маятника при изменении температуры окружающей среды. Условие, накладываемое на положение элемента термокомпенсации, позволяет использовать этот элемент с наибольшей эффективностью.Зависимость периода колебаний маятника от изменения температуры г в самом общем виде можно представить какгде ш 1, 11 - масса И Момент инерции несущего элементаш 7, 17 - масса и момент инерции элемента термокомпенсациион, осб, 0 с 7 - температурные Коэффициенты линейного расширения элементов маятникас 1, сб и с 7 - расстояния от оси вращения до центров тяжести соответствующих элементов. В этой формуле значения параметров берутся при некоторой условной начальной температуре, значения моментов инерции элементов берутся относительно оси вращения маятника, индексы соответствуют номерам элементов, показанных ниже на фиг. 1.Если разложить это выражение в ряд и ограничиться первыми тремя членами, получим, что изменение периода колебаний связано с изменением температуры по законуАТа 1 га 2 г 2, (5) где а 1 - линейный температурный коэффициент зависимости периода колебаний от температурыа 2 - квадратичный температурный коэффициент зависимости периода колебаний от температуры.Коэффициент а 1 пропорционален комбинации приведенных выще температурных коэффициентов линейного расщирения элементов маятника. Коэффициент а пропорционален комбинации квадратов температурных коэффициентов линейного расщирения элементов маятника, и он очень мал.Наличие элемента термокомпенсации в предлагаемом гравиметре позволяет осуществить условие, при котором коэффициент а 1 О. В этом случаеВследствие малости коэффициента а данная зависимость периода Т от температуры очень слабая. И ей можно пренебречь в достаточно щироком интервале изменения температуры г.Реализация отличительного признака, состоящего в том, что форма, удельная плотность и температурный коэффициент линейного расщирения элемента термокомпенсации выбраны из условия отсутствия линейной зависимости периода колебаний от температуры, конкретизирует условия, при которых коэффициент а 1 О. Это связано с тем, что эти условия существенно зависят от формы, взаимного расположения, плотности и температурных коэффициентов линейного расщирения всех элементов маятника.Условия, при которых а 1 О, существенно зависят от балансировки элементов маятника. Это видно непосредственно из формулы (4), поскольку балансировка определяет значения слагаемых, находящихся в знаменателе этой формулы, т.е. параметров ш 1 с 1, швед и ш 7 с 7. Пример наиболее предпочтительной балансировки будет рассмотрен ниже.Реализация отличительного признака, состоящего в том, что несущий элемент вместе с грузом и элементом термокомпенсации имеет вид фигуры вращения, ось которой совпадает с осью колебаний, позволяет устранить действие момента выталкивающей силы Архимеда на маятник, поскольку выталкивающая сила в этом случае приложена к оси вращения маятника.Кроме того, это же существенно уменьщает лобовое сопротивление движению маятника и практически устраняет присоединенную массу. Действительно, поступательное ускорение маятника, в данном случае тела вращения, связано только с конечностью радиуса кривизны Код опоры качения. Оценка показывает, что изменение периода колебаний, обусловленное присоединенной массой, здесь описывается формулой