Грушинский Н.П. Основы гравиметрии
Подождите немного. Документ загружается.
Главная пружина крепится своим верхним концом к ры
чагу 6, а нижним — к отростку маятника.
Измерительное устройство включает рамку 13, которая
вращается на нитях 3. На концах рамки имеются два
стержня, к которым прикреплены диапазонная 11 и изме
рительная 12 пружины. Верхние концы этих пружин
прикреплены к подвижным штокам измерительного и
диапазонного устройств.
Приспособление для температурной компенсации со
стоит из металлической нити 4, прикрепленной верхним
концом к монтажной кварцевой рамке, а нижним — к
рычагу 5, могущему поворачиваться на нитях 7. Второй
конец рычага 5 соединяется тонкой кварцевой нитью 9
с рычагом 6, поворачивающимся на нитях 8, и с пружиной 10.
Принцип действия системы следующий: при изменении
силы тяжести, например при увеличении ее, маятник 1
будет отклоняться от первоначального положения равно
весия до тех пер, пока мементы сил, вызванные дефор
мацией пружины 2 и нитей 3 подвеса рычага, не уравно
весят изменение силы тяжести.
Главная пружина 2 соединена с маятником так, что
при изменении силы тяжести возникает дополнительный
упругий момент сил главной пружины, знак которого
совпадает со знаком изменения силы тяжести. Поэтому
очень небольшие изменения силы тяжести вызывают отно
сительно большие деформации пружины 2 и, следова
тельно, большие углы поворота маятника.
Ввиду того, что момент упругих сил пружины не про
порционален углу поворота маятника 1, изменение угла
поворота маятника не будет пропорционально изменениям
силы тяжести. Таким образом, шкала, на которой мы
регистрируем изменения силы тяжести, будет нелинейной.
Этот недостаток устраняется тем, что на каждой точке
измерения маятник приводится в одно и то же исходное
положение путем компенсации изменений силы тяжести
упругой силой пружины 12, величину которой можно
отсчитывать по равномерной шкале.
Компенсация изменений силы тяжести осуществляется
путем изменения крутильного момента нитей подвеса ма
ятника 3, угол закручивания которых изменяется при
повороте измерительной рамки 13 натяжением измеритель
ной пружины 12. Рамка 13 поворачивается благодаря из
менению растяжения пружин 11 и 12 с помощью соответ
ствующих микрометрических винтов, которыми можно
измерять удлинение пружин.
Мерой удлинения пружины 12 является число оборотов
и делений микрометрического винта, которые фиксируются
специальным отсчетным устройством. Измерительным уст
ройством угла поворота снабжен только микрометр, с ко
торым соединена измерительная пружина 12. Пружина 11
имеет жесткость в 50—100 раз больше, чем пружина 12,
и служит не для точной компенсации приращений силы
тяжести, а только для изменений диапазона. Связь между
показаниями отсчетного устройства и изменением силы
тяжести линейная:
Ag = cAn,
где с — цена деления счетчика измерительного устройства,
Ли — изменение отсчета в делениях микрометренного
винта.
При изменении наклона всей системы изменяется ее
чувствительность. Если гравиметр наклоняется так, что
маятник поднимается относительно горизонта, то чувст
вительность системы возрастает. При опускании маятника
чувствительность системы уменьшается. Нормальное ра
бочее положение системы соответствует такому наклону
всего прибора, при котором ось вращения системы и центр
тяжести груза лежат в одной горизонтальной плоскости.
В этом положении прибор обладает минимальной чув
ствительностью к наклону.
Упругость кварца зависит от температуры. При ее
изменении будет изменяться момент сил главной пружины
2 и нитей подвеса маятника. Вследствие этого будет из
меняться положение равновесия маятника при постоянной
силе тяжести. Влияние температуры компенсируется до
полнительной деформацией главной пружины. Изменение
температуры вызывает изменение длины металлической
нити 4, вследствие чего рычаг 5, находящийся все время
под действием сил закручивания нитей подвеса 7, повора
чивается в ту или другую сторону в зависимости от изме
нения температуры. Движение рычага 5 с помощью квар
цевой нити 9 передается рычагу 6 и вызывает такую де
формацию главной пружины, которая компенсирует из
менение ее жесткости, вызванное температурным эффектом.
Упругая система гравиметра монтируется на корпусе.
Корпус упругой системы представляет собой массивную
цилиндрическую плиту, на боковую поверхность которой
снизу навинчивается зажимное кольцо, поджимающее ци
линдрический защитный стакан. В паз цилиндрической
плиты заложено резиновое кольцо, обеспечивающее гер
метизацию корпуса упругой системы. На нижнем осно
вании плиты имеется кронштейн, несущий на конце ко
нусообразный стержень. На этот стержень насаживается
и закрепляется с помощью специального клея кварцевая
Рис. 80. ОЗщий вид упругой системы гравиметра ГНУ-К-1-
втулка, к которой приваривается кварцевая рамка; на
рамке монтируются все элементы кварцевой упругой си
стемы.
В цилиндрической плите имеется пять отверстий: два —
для осветителя и микроскопа, два — для стержней микро
метрических винтов диапазонного и измерительного уст
ройств и одно — для вакуумного крана. В нижней части
цилиндрической плиты крепятся три тонкие стойки, пре
дохраняющие упругую систему от повреждений при снятии
.защитного стакана. На рис. 80 показана упругая система
ГНУ-К-1, смонтированная на цилиндре.
Механизм управления состоит из диапазонного и изме
рительного устройств. Чтобы обеспечить герметизацию
корпуса упругой системы, подвижные штоки измеритель
ного и диапазонного винтов помещаются в сильфоны.
А^икрометрический винт измерительного устройства сое
диняется с помощью стержня со счетчиком оборотов,
установленным на верхней панели средней части гра
виметра.
Угол поворота винта измерительного устройства служит
мерой изменения силы тяжести и определяется специаль
ным счетчиком. Жесткость измерительной пружины под
бирается таким образом, чтобы один оборот винта, вызы
вающий деформацию этой пружины на 0,5 мм, соответст
вовал изменению силы тяжести на 6—8 мГал. Полный ход
винта измерительного устройства составляет 7,5 мм, что
соответствует диапазону изменения силы тяжести без пере
стройки 90— 120 мГал.
Диапазон изменения силы тяжести регулируется спе
циальным диапазонным ключом, вставляемым через от
верстие в крышку внешнего кожуха. При повороте микро
метрического винта на один оборот растяжение диапазонной
пружины изменяется на 0,5 мм и соответствует изменению
силы тяжести на 300—400 мГал. Полный ход гайки микро
метра равен 9 мм, и, следовательно, полный диапазон
изменения силы тяжести гравиметра будет составлять
6000 мГал.
Оптическая система состоит из двух основных частей:
осветителя и микроскопа. Луч света от электрической
лампочки собирается конденсором и направляется в призму,
поворачивающую луч на 180°. По выходе из призмы луч
встречает тонкий (10— 15 мкм) отросток маятника и про
ектирует его на шкалу окуляра. Поэтому в поле зрения
микроскопа видна полоса, представляющая собой тень
конца маятника. Эта тень имеет довольно резкие очертания.
В середине тени наблюдается светлая полоса. Микроскоп
имеет примерно 600-кратное увеличение. В фокальной
плоскости окуляра помещена шкала с делениями через
0,1 мм. Деления увеличиваются окуляром примерно в
10—12 раз. Отсчет берется при совмещении тени конца
маятника со средней световой полосой индекса.
Внешний кожух гравиметра состоит из нержавеющего
цилиндра, имеющего три подъемных винта. Сверху при
крепляется корпус прибора с верхней панелью.
На верхней стороне панели размещаются счетчик из
мерительного устройства, окуляр микроскопа, лампочка
осветителя, шкала термометра и уровни. Панель тремя
Рис. 81. Общий вид гравиметра ГНУ-К-1.
винтами крепится к кронштейнам или к фигурному кольцу,
расположенным на внутренних стенках внешнего кожуха
гравиметра.
Теплоизоляция представлена сосудом Дьюара и пено
пластовым стаканом, заполняющим пространство между
сосудом Дьюара и стенками внешнего кожуха. Общий вид
гравиметра ГНУ-К-1 дан на рис. 81.
Гравиметр ГНУ-К-1 предназначен для детальных гра
виметрических съемок при поисках и разведке нефтяных
и газовых месторождений, а также при рудной и других
видах разведки. Его точность характеризуется средней
квадратической ошибкой + 0,03—0,05 мГал. Гравиметры
второго класса обеспечивают среднюю квадратическую
погрешность ±0,06—0,15 мГал.
Гравиметр Уордена, выпускаемый Хьюстонской тех
нической лабораторией (Техас, США), является в настоя
щее время одним из наиболее употребляемых. Это кварцевый
астазированный гравиметр, работающий по принципу го
ризонтального маятника Голицына (рис. 82).
Основным чувствительным элементом гравиметра яв
ляется кварцевая система, состоящая из маятника 2, под
вешенного на упругих кварцевых нитях 1 к кварцевой
рамке и поддерживаемого в равновесии упругой силой
главной пружины нулевой длины *) 9. Главная пружина
скреплена верхним концом с кронштейном 7, через который
на нее передается натяжение пружин 3, 8 и нелиней
ного температурного компенсатора 6. Момент веса маят
ника 2 (масса маятника 5 мг) уравновешивается упругим
моментом главной пружины 9 и крутильным моментом
*) Пружина нулевой длины образуется навивкой в двух противо
положных направлениях. При отсутствии нагрузки ее длина равна
нулю.
нитей подвеса 1. При изменении силы тяжести маятник
поворачивается. Также поворачивается жестко скреплен
ный вместе с ним Г-образный стержень 10, являющийся
индексом прибора, который при отсчетах совмещается со
шкалой.
Микроскоп имеет окулярную шкалу, по одному из
штрихов которой устанавливается индекс. Наблюдения с
гравиметром осуществляют нулевым методом. Для этого
при изменении натяжения компенсационной (или диапазон
ной) пружины поворачивают рамку 4, которая в свою
очередь поворачивает кронштейн и изменяет натяжение
главной пружины 9.
При изменении температуры маятник 2 также повора
чивается. Например, при повышении температуры маятник
несколько поднимается вверх, одновременно с этим тем
пературный компенсатор 6, 7 удлиняется и поворачивает
его вокруг нитей 5 (против часовой стрелки), уменьшая
тем самым натяжение главной пружины 9. Таким образом,
перемещение маятника под действием температуры в одну
сторону компенсируется поворотом его с помощью темпе
ратурного компенсатора в другую сторону.
Металлическая нить компенсатора имеет дугообразную
форму. Это позволяет скомпенсировать нелинейную часть
температурных изменений гравиметра. Температурная ком
пенсация гравиметра Уордена такова, что в двадцатигра
дусном рабочем диапазоне температурный коэффициент
системы не превышает 0,3 мГал на 1 °С. Погрешность из
мерения гравиметром колеблется от +0,02 до ±0,08 мГал
в зависимости от качества экземпляра и применяемой ме
тодики. Диапазон измерения силы тяжести с помощью
компенсационной пружины составляет около 100 мГал.
Диапазонное устройство позволяет производить измерения
в пределах 3000—5000 мГал. Упругая система гравиметра
Уордена приведена на рис. 83.
В последнее время фирма модернизировала гравиметр
и в настоящее время выпускает четыре модели: «Мастер»,
«Проспектор» (рис. 84), «Эдьюкейтор» и «Геодезист». «Ма
стер» и «Геодезист» имеют электрические термостаты. «Эдью
кейтор» является облегченной моделью. Его масса всего
2,3 кг, диапазон измерения 1600 мГал, цена деления шкалы
0,3— 1 мГал (погрешность отсчета 0,1 деления). Он удобен
для съемок, не требующих высокой точности и особенно
для тренировочных работ, например студенческой прак
тики. «Проспектор» предназначен для массовых разведоч
ных съемок, он достаточно точный и легкий. «Геодезист»
Общий вид двух моделей гравиметра Уордена. Слева — «Прос-
пектор». Справа — «Мастер».
имеет наиболее широкую (до 6000 мГал) и специально ка
либрованную шкалу отсчетов. В гравиметре этого типа
диапазонное устройство сделано особенно тщательно и
снабжено микрометром, позволяющим точно установить
его в определенном положении. Это диапазонное устройство
является также отсчетным, и измерения ведутся с помощью
обеих компенсационных пружин 3 и 8 (см. рис. 82) по двум
микрометрам И и 12. По одному из них (12) отсчитываются
большие изменения силы тяжести, по другому (И) ■— их
доли.
Упругая система гравиметра установлена в гермети
ческом корпусе, из которого откачан воздух до определен
ного давления. Этот корпус помещен в сосуд Дьюара, в
свою очередь защищенный теплозащитным внешним кожу
хом. Модели «Проспектор» и «Эдьюкейтор» не снабжены
термостатом, но их тепловая изоляция такова, что темпе
ратура внутри прибора изменяется всегда очень медленно
и плавно, даже при довольно резких внешних температур
ных скачках. Все ручки управления и микроскоп грави
метра вынесены на верхнюю панель. Прибор имеет три
установочных винта, освещается от батарейки карманного
фонаря. При изготовлении размеры элементов кварцевой
системы измеряются с погрешностью 0,0003 см. Системы
в процессе изготовления подвергаются испытаниям на
тряску на вибростенде с интенсивностью, во много раз
превосходящей возможные вибрации при переездах. С 1955
по 1977 г. выпущено 800 гравиметров Уордена. С их по
мощью определено большое количество мировых опорных
гравиметрических связей, созданы в ряде государств на
циональные опорные сети, проведено множество регио
нальных и детальных гравиметрических съемок.
§ 8. Гравиметр Лакоста и Ромберга
Этот гравиметр в настоящее время широко применя
ется за рубежом. Принципиальная схема его представ
лена на рис. 85. Пружина нулевой длины 1 поддерживает
горизонтальное коромысло 2 с тяжелой массой на
конце 3. Другой конец коромысла поддерживается
двумя горизонтально расположенными пружинами 4,
прикрепленными к раме в точках 5 опорного стержня. При
изменении силы тяжести коромысло 2 поворачивается.
Осью поворотов служит линия, соединяющая точки креп
ления пружин 4 с опорным стержнем 5. Пружины 4 одно
временно служат амортизационными пружинами, предо
храняющими систему от ударов. Передний конец коромысла
имеет воздушный демпфер, состоящий из двух близко
расположенных плоскопараллельных пластин. Гравиметр
имеет нулевую систему отсчетов.
При изменении силы тяжести коромысло поворачи
вается около горизонтальной оси 5—5. Тогда вращением
микрометренного винта 6 изменяется натяжение главной
иружины и коромысло снова
приводится в горизонтальное
положение. Расстояние I ме
жду точкой верхнего подве
са главной пружины и коро
мыслом при его горизонталь
ном положении пропорцио
нально силе тяжести. Соот
ветственно изменение этого
расстояния пропорционально
изменению силы тяжести Дg,
так что
A l_ A g
1~ В'
Приведение коромысла в
горизонтальное положение
и отсчеты гравиметра производятся с помощью винта 6
и системы рычагов 7—10. Так, при увеличении силы тя
жести груз 3 опустится. Чтобы коромысло вновь привести
в горизонтальное положение, микрометренным винтом
поднимается рычаг 7, который, в свою очередь поворачи
ваясь на шарнире рычагов 7—8, поднимает вверх рычаг 9,
а этот последний с помощью рычага 10 подтягивает рабочую
пружину. Это движение осуществляется до достижения
коромыслом 2 горизонтального положения. Горизонталь
ное положение коромысла фиксируется наведением ин
декса микроскопа и отсчитывается по счетчику микромет
ренного винта и по шкале микроскопа. Нить индекса,
являющаяся изображением тонкой проволоки, прикреп
ленной к концу коромысла, перемещается при вращении
винта. При вращении по часовой стрелке индекс переме
щается вверх по шкале. Система отрегулирована так, что
при горизонтальном положении рычага последнее число
счетчика и число делений шкалы должны совпадать с
точностью до десятых долей деления. Отсчеты по шкале
являются сотыми долями отсчета по счетчику. Например,
отсчет по счетчику 26543 и по шкале — 36, следует читать
Рис. 85. Схема упругой систе
мы гравиметра Ла Коста — Ром
берга.