Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки і може бути використаний для проведення гравіметричних вимірів на літальних апаратах у геодезії, геології та інерціальних системах навігації. Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння містить гравіметр, систему визначення поточних навігаційних параметрів і вимірювач поточної висоти, виходи яких підключені до входів бортової цифрової обчислювальної машини (БЦОМ). Гравіметр виконано із двома каналами, у кожному із яких встановлено по одному ємнісному елементу ЄГ1 та ЄГ2, які є ідентичними і виконані у вигляді двох металевих рухомої і нерухомої пластин, розділених діелектриками, та двох однакових інерційних мас m1 та m2, прикріплених до двох рухомих пластин ЄГ1 та ЄГ2. Виходи ємнісних елементів ЄГ1 та ЄГ2 обох каналів з'єднані із входом суматора, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача із додатково введеним захисним кільцем. Вихід підсилювача з'єднаний через цифровий модуль із входом БЦОМ, де відбувається обчислення вихідного сигналу гравітаційної аномалії g. З'єднання суматора, підсилювача, цифрового модуля та БЦОМ послідовно відбувається за допомогою екранованих коаксіальних кабелів. Технічний результат полягає у підвищенні точності вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння. UA 113038 C2 (12) UA 113038 C2 UA 113038 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі вимірювальної техніки і може бути використаний для проведення гравіметричних вимірів на літальних апаратах у геодезії, геології, інерціальних системах навігації. Найбільш близькою за сукупністю суттєвих ознак до винаходу є авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння, що вибрана як прототип [1]. Спільними суттєвими ознаками прототипу та винаходу є те, що вони містять гравіметр, систему визначення поточних навігаційних параметрів і вимірювач поточної висоти, виходи яких підключені до входів бортової цифрової обчислювальної машини (БЦОМ). Параметри чутливого елемента гравіметра підібрані таким чином, що його частота власних коливань дорівнює найбільшій частоті гравітаційних прискорень, що може бути виміряна на фоні завад. Тобто, чутливий елемент гравіметра виконує також функції фільтра низьких частот. Це ліквідує вплив на вихідні показання гравіметра похибок, частота яких більша за частоту власних коливань гравіметра, та підвищує точність вимірювання прискорення сили тяжіння. Проте, на відміну від винаходу, у прототипі як чутливий елемент використано гравіметр, чутливий елемент якого виконано з одним каналом. Така конструкція гравіметра-прототипу не передбачає компенсацію інструментальних похибок від впливу зміни температури, вологості та тиску зовнішнього середовища, які є значними в екстремальних умовах, якими характеризуються вимірювання за допомогою гравіметра-прототипу [2]. Таким чином, суттєвим недоліком авіаційної гравіметричної системи-прототипу є низька точність вимірювання аномалій прискорення сили тяжіння. В основу винаходу поставлено задачу вдосконалення авіаційної гравіметричної системи для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння, що містить гравіметр, систему визначення поточних навігаційних параметрів і вимірювач поточної висоти, виходи яких підключені до входів бортової цифрової обчислювальної машини (БЦОМ), шляхом того, що гравіметр виконано із двома каналами, у кожному із яких встановлено по одному ємнісному елементу ЄГ1 та ЄГ2, які є ідентичними і виконані у вигляді двох металевих рухомої і нерухомої пластин, розділених діелектриком, та двох однакових інерційних мас m1 та m2, прикріплених до двох рухомих пластин ЄГ1 та ЄГ2, причому виходи ємнісних елементів ЄГ1 та ЄГ2 обох каналів з'єднані із входом суматора, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача із додатково введеним захисним кільцем, вихід якого з'єднаний через цифровий модуль із входом БЦОМ, де відбувається обчислення вихідного сигналу гравітаційної аномалії Δg, причому з'єднання суматора, підсилювача, цифрового модуля та БЦОМ послідовно відбувається за допомогою екранованих коаксіальних кабелів, щоб забезпечити підвищення точності вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння. Підвищення точності вимірювання у гравіметрі-винаході забезпечується за рахунок того, що його створено двоканальним. Тобто, у кожному із каналів встановлено по одному ємнісному елементу, які є ідентичними і виконані у вигляді двох металевих рухомої і нерухомої пластин, розділених діелектриком, та двох однакових інерційних мас, прикріплених до двох рухомих пластин ємнісних елементів. Вихідні електричні сигнали ємнісних елементів обох каналів надходять на вхід суматора. Результуючий корисний аналоговий сигнал буде пропорційним подвоєному сигналу прискорення сили тяжіння та надходитиме на вхід підсилювача із додатково введеним захисним кільцем. Далі підсилений сигнал надходитиме на вхід цифрового модуля, де буде перетворюватись у цифровий код та подаватись на вхід БЦОМ для подальшого обчислення гравітаційної аномалії Δg. Отже, завдяки використанню додатково введеного другого каналу вимірювання, забезпечується відсутність у вихідному сигналі гравіметра системи-винаходу сигналів похибок від залишкової неідентичності конструкцій однакових ємнісних елементів, від впливу змін температури, вологості та тиску зовнішнього середовища (тобто інструментальних похибок), які можуть бути значними. Також відбувається усунення впливу вертикального прискорення літака на показання гравіметра одразу двома способами: 1 - за рахунок встановлення частоти власних коливань ємнісних елементів гравіметра рівними частоті перетину спектральних щільностей корисного сигналу прискорення сили тяжіння та сигналу основної завади вертикального прискорення літака (як у прототипі); 2 завдяки використанню додатково введеного другого каналу вимірювання. Використання підсилювача та цифрового модуля дозволяє підсилювати вихідний аналоговий сигнал гравіметра та перетворювати його у цифровий код. З'єднання суматора з підсилювачем, підсилювача з цифровим модулем та цифрового модуля з БЦОМ відбувається за допомогою використання екранованих коаксіальних кабелів. 1 UA 113038 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Заземлене екрануюче обплетення кабелю відіграє роль екрана між джерелом шумів і гравіметром. Коаксіальний кабель складається із центрального провідника, оточеного шаром діелектрика, зовнішня поверхня якого покрита обплетенням або фольгою і захисною зовнішньою оболонкою з пластику, що захищає кабель від дії навколишнього середовища. Також необхідно врахувати і те, що деформації ізоляції чи її здвиг відносно провідників породжують рух зарядів, головним чином, через зміну просторового розподілу ємностей, що також породжує шуми. Такі шуми можна зменшити, якщо кабель на ділянці збурення жорстко закріпити із вібруючою конструкцією гравіметра. У конструкції гравіметра також використано захисне кільце [3]. Захисне кільце з'єднане напрямом з виходом підсилювача, утворює низькоомний вхід сигналам від будь-яких паразитних зв'язків, які можуть бути значними та скасовує вплив крайових ефектів Отже, використання жорстко закріпленого екранованого коаксіального кабелю та захисного кільця дозволяє повністю ліквідувати вплив на вихідний сигнал похибок, викликаних шумами різного походження (від ємнісного зв'язку, акустичних шумів тощо). Таким чином, запропонована авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння забезпечує суттєве підвищення точності вимірювання аномалій прискорення сили тяжіння. Суть винаходу пояснюється кресленням, де зображено структурну схему авіаційної гравіметричної системи для вимірювання аномалій прискорення сили тяжіння. Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння містить гравіметр 1, систему 2 визначення поточних навігаційних параметрів і вимірювач 3 поточної висоти, виходи яких підключені до входів БЦОМ 4. Гравіметр 1 виконано із двома каналами, у кожному із яких встановлено по одному ємнісному елементу ЄГ1 5 та ЄГ2 6, які є ідентичними і виконані у вигляді двох металевих рухомої 7 і нерухомої 8 пластин, розділених діелектриками 14, та двох однакових інерційних мас ті та т2, прикріплених до двох рухомих пластин 7 ЄГ1 5 та ЄГ2 6. Виходи ємнісних елементів ЄГ1 5 та ЄГ2 6 обох каналів з'єднані із входом суматора 9, вихід якого з'єднаний з входом підсилювача 10 із додатково введеним захисним кільцем 13, вихід якого з'єднаний через цифровий модуль 11 із входом БЦОМ 4, де відбувається обчислення вихідного сигналу гравітаційної аномалії Δg. З'єднання суматора 9, підсилювача 10, цифрового модуля 11 та БЦОМ 4 послідовно відбувається за допомогою екранованих коаксіальних кабелів 12. Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння працює наступним чином. На ємнісні елементи обох каналів діє прискорення сили тяжіння gZ, вертикальне  прискорення h літака та інструментальні похибки Δi від впливу залишкової неідентичності конструкцій однакових пластин та мас, від впливу змін температури, вологості та тиску зовнішнього середовища, крайових ефектів. Якщо спроектувати всі ці впливи на вимірювальну вісь Oz (фіг. 1) гравіметра 1 та врахувати те, що ємність ЄГ1 одного каналу збільшується у той час, коли ємність ЄГ2 на таку ж величину зменшується, то отримаємо:  u  k mg  m h  i ;  z i   u2  k mg z  mi h  i, 1 45 50 55 де u1 - вихідний електричний сигнал ємнісного елемента ЄГ1 одного каналу; u2 - вихідний електричний сигнал ємнісного елемента ЄГ2 другого каналу; mі - інерційна маса у кожному каналі; k - електрична стала. Вихідні електричні сигнали и} та и2 ємнісних елементів обох каналів підсумовуються у суматорі 9: u  u1  u2  2kmg z , (1) де uΣ - вихідний сигнал підсилювача 10. Вихідний аналоговий сигнал підсилювача 10 подається на цифровий модуль 11, де перетворюється у цифровий сигнал та надходить до БЦОМ 4. З'єднання суматора 9 із підсилювачем 10, підсилювача 10 із цифровим модулем 11 та цифрового модуля 11 із БЦОМ 4 відбувається за допомогою екранованих коаксіальних кабелів, що ліквідує вплив зовнішніх шумів на систему. Додатково введене захисне кільце 13, яке скасовує вплив перешкод різного походження: від впливу будь-яких зовнішніх паразитних зв'язків, крайових ефектів ємнісних сигналів та інших. 2 UA 113038 C2 5 10 15 20 На вхід БЦОМ 4, куди подається вихідний сигнал гравіметра 1, також подаються вихідні сигнали від системи 1 визначення поточних навігаційних параметрів та вимірювача 2 поточної висоти. БЦОМ 4 на основі отриманих даних обчислює аномалії Ag прискорення сили тяжіння за формулою [2]: g  fz      0 , (2) де fz - вихідний сигнал гравіметра 1; Е - поправка Етвеша; А - поправка за висоту; γ0 - довідкове значення прискорення сили тяжіння. Таким чином, авіаційна гравіметрична система-винахід забезпечує суттєве підвищення точності вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння. Джерела інформації: 1. Патент України на винахід 105122, МПК G 01 V 7/00. Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння / О.М.Безвесільна, А.Г.Ткачук., К.С.Козько № а2013 04061; Заявл. 01.04.2013; опубл. 10.04.2014, Бюл. № 7. 2. Безвесільна О.М. Авіаційні гравіметричні системи та гравіметри: монографія / О.М. Безвесільна. - Житомир: ЖДТУ, 2007. - 604 с. 3. Безвесільна О.М. Технологічні вимірювання та прилади. Перетворюючі пристрої приладів та комп'ютеризованих систем: підручник для студентів приладобудівних спец. ВНЗ / О.М.Безвесільна, Г.С.Тимчик. - Житомир: ЖДТУ, 2013.-902 с. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Авіаційна гравіметрична система для вимірювань аномалій прискорення сили тяжіння, що містить гравіметр (1), систему (2) визначення поточних навігаційних параметрів і вимірювач (3) поточної висоти, виходи яких підключені до входів бортової цифрової обчислювальної машини (БЦОМ) (4), яка відрізняється тим, що гравіметр (1) виконано із двома каналами, у кожному із яких встановлено по одному ємнісному елементу ЄГ1 (5) та ЄГ2 (6), які є ідентичними і виконані у вигляді двох металевих рухомої (7) і нерухомої (8) пластин, розділених діелектриками (14), та двох однакових інерційних мас m1 та m2 , прикріплених до двох рухомих пластин (7) ЄП (5) та ЄГ2 (6), а виходи ємнісних елементів ЄГ1 (5) та ЄГ2 (6) обох каналів з'єднані із входом суматора (9), вихід якого з'єднаний з входом підсилювача (10) із додатково введеним захисним кільцем (13), вихід якого з'єднаний через цифровий модуль (11) із входом БЦОМ (4), де відбувається обчислення вихідного сигналу гравітаційної аномалії g, причому суматор (9), підсилювач (10), цифровий модуль (11) та БЦОМ (4) послідовно з′єднані за допомогою екранованих коаксіальних кабелів (12). 3 UA 113038 C2 Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4