Гравіметр

Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний для проведення гравіметричних вимірів на рухомій основі в геодезії, геології, ініціальних системах навігації. Відомий гравіметр [1] на основі двостепеневого гіроскопа, який використовується в якості чутливого елементу (ЧЕ) гравіметра. Спільними суттєвими ознаками відомого гравіметра і гравіметра-винаходу є те, що вони містять двостепеневий гіроскоп і датчик моменту. Проте, на відміну від гравіметра-винаходу, у відомому гравіметрі центр мас ротора двостепеневого гіроскопа розташований на осі його обертання. До складу відомого гравіметра входить датчик кутової швидкості повороту ротора двостепеневого гіроскопа відносно основи. У відомому гравіметрі відсутні фільтр нижніх частот і пристрій обчислення вихідного сигналу гравіметра. Результат вимірювань, отриманий за допомогою відомого гравіметра, містить великі похибки вимірювань. Ці похибки викликані тим, що цей гравіметр вимірює сукупність прискорення сили тяжіння (корисної складової результатів вимірювань) та інерціального абсолютного прискорення (завада, що приводить до похибок результатів вимірювань). Інерціальне абсолютне прискорення зумовлене, в основному, вертикальним прискоренням літака, на якому встановлено гравіметр. Причому величина завади може бути значно більшою, ніж величина корисної складової результатів вимірювань. Поступальні і кутові вібрації літака також можуть привести до істотних випадкових похибок результатів вимірювань. Таким чином, суттєвим недоліком відомого гравіметра є низька точність вимірювань. Найбільш близьким за сукупністю суттєвих ознак до гравіметра-винаходу є гравіметр, побудований на основі двостепеневого динамічно-настроюваного гіроскопа (ДНГ), який використовується в якості ЧЕ гравіметру [2, стор.6]. Цей гравіметр обрано за прототип. Спільними суттєвими ознаками гравіметра-прототипу і гравіметра-винаходу є те, що вони містять двостепеневий ДНГ, до якого підключений датчик моменту. Проте, на відміну від гравіметра-винаходу, у гравіметрі-прототипі центр мас ротора двостепеневого ДНГ розташований на осі його обертання. До складу гравіметра-прототипу входить датчик кутової швидкості повороту ротора двостепеневого ДНГ відносно основи. У відомому гравіметрі відсутні фільтр нижніх частот і пристрій обчислення вихідного сигналу гравіметра. Результат вимірювань, отриманий за допомогою відомого гравіметра, містить великі похибки вимірювань. Ці похибки викликані тим, що цей гравіметр вимірює сукупність прискорення сили тяжіння (корисної складової результатів вимірювань) і інерціального абсолютного прискорення (завада, що призводить до похибок результатів вимірювань). Інерціальне абсолютне прискорення зумовлене, в основному, вертикальним прискоренням літака, на якому встановлено гравіметр. Причому величина завади може бути значно більшою, ніж величина корисної складової результатів вимірювань. Поступальні і кутові вібрації літака також можуть привести до істотних похибок результатів вимірювань. Таким чином, суттєвим недоліком гравіметра-прототипу є низька точність вимірювань. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення гравіметра, щоб забезпечити підвищення точності вимірювань прискорення сили тяжіння. Поставлена задача вирішується шляхом того, що центр мас ротора двостепеневого динамічнонастроюваного гіроскопа зміщений відносно осі його обертання, додатково введені датчик кута повороту, фільтр нижніх частот і пристрій обчислення вихідного сигналу гравіметра, причому вхід датчика кута повороту підключено до виходу двостепеневого динамічно-настроюваного гіроскопа, а вихід датчика кута повороту підключено до входу фільтра нижніх частот, вихід якого підключено до входу пристрою обчислення вихідного сигналу гравіметра. Підвищення точності вимірювань в гравіметрі-винаході забезпечується за рахунок того, що центр мас ротора двостепеневого ДНГ зміщений відносно осі його обертання і тому цей гравіметр виконує безпосереднє вимірювання прискорення сили тяжіння. Ці вимірювання виконуються за допомогою датчика кута повороту, який додатково введено до складу гравіметра-винаходу. Оскільки в гравіметрі-винаході виконується безпосереднє вимірювання прискорення сили тяжіння, то з'являється можливість виконати фільтрацію вимірювального сигналу. Основна частина потужності корисної складової вимірювального сигналу зосереджена на частотах, менших за 0,1рад/с (крива 2, Фіг.1). Основна частина потужності похибок вимірювального сигналу зосереджена на частотах, більших за 0,1рад/с (крива 1, Фіг.1). Тому до складу гравіметра введено фільтр нижніх частот. Цей фільтр виконує фільтрацію вимірювального сигналу з метою вилучення похибок, викликаних вертикальними прискореннями, поступальними і кутовими вібраціями літака, на якому встановлено гравіметр. Пристрій обчислення вихідного сигналу гравіметра перетворює результат фільтрації вимірювального сигналу у вихідний сигнал гравіметра. Таким чином, з вихідного сигналу гравіметра-винаходу вилучається ряд суттєвих похибок вимірювань. Якщо ці похибки не вилучити запропонованим способом, то вони по величині можуть дорівнювати значенню корисного сигналу, тобто бути неприпустимо великими. Вилучення похибок дозволяє суттєво підвищити точність вимірювань прискорення сили тяжіння. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Фіг.1 - графік спектральної щільності корисної складової та похибок результатів вимірювань. Фіг.2 - структурна схема гравіметра; Гравіметр (Фіг.2) містить двостепеневий ДНГ (1) з ротором (2), до якого підключено датчик (4) моменту, датчик (3) кута повороту, фільтр (5) нижніх частот і пристрій (6) обчислення вихідного сигналу гравіметра. Вхід датчика (3) кута повороту підключено до виходу двостепеневого динамічно-настроюваного гіроскопу (1), вихід датчика (3) кута повороту підключено до входу фільтра (5) нижніх частот. Вихід фільтра (5) нижніх частот підключено до входу пристрою (6) обчислення вихідного сигналу гравіметра. Центр мас С ротора (2) зміщений відносно осі його обертання на величину l. Гравіметр працює таким чином. За допомогою приводного двигуна (на кресленні не показаний) ротор (2) обертається з постійною кутовою швидкістю γ. При відсутності зовнішніх впливів ротор (2) обертається в горизонтальній площині. При наявності прискорення сили тяжіння уздовж його осі обертання ротор (2) почне відхилятись. При описі роботи гравіметра основні початкові співвідношення запозичені з [3, 4]. Якщо вісь 0z спрямована вертикально і, крім прискорення сили тяжіння g, інші прискорення відсутні, то виникає момент сили тяжіння Mg, який змусить ротор (2) відхилятися відносно осі 0х. Момент сили тяжіння Mg визначиться виразом: Μg=mgl×cosa, де m - маса ротора (2), l - зміщення центру мас ротора (2) відносно осі його обертання, a - кут відхилення ротора (2). Mh h Момент && від вертикального прискорення && по осі чутливості приладу (Фіг.2) дорівнює: && Mh = mhl × cosa && Момент МТ сил пружності пружних елементів підвіски ротора (2) (на кресленні не показані) дорівнює: МT=Схa, де Сх - жорсткість пружних елементів підвіски ротора (2) на кручення. Відцентровий момент Мu дорівнює: &2 М =I g sin a , u де l - момент інерції ротора (2), g - кутова швидкість обертання ротора (2). Якщо прийняти, що a