Измерительное, диапазонное и отсчетное устройства

В связи с большой и нелинейно изменяющейся чувствительностью упругих систем астазированных гравиметров силу тяжести неудобно определять по величине перемещения индекса маятника на шкале окуляра. Наиболее эффективным способом регистрации изменений силы тяжести является компенсация силы тяжести и измерение этой компенсирующей силы.

В большинстве современных приборов измерительное (компенсационное) устройство имеет винтовую пружину с очень малой жесткостью. Натяжение этой пружины и создает момент, являющийся мерой приращения силы тяжести. Деформация пружины определяется по делениям микрометрического винта. С помощью измерительного устройства можно компенсировать изменение силы тяжести в интервале 80 - 100 мгл.

Диапазонное устройство позволяет компенсировать изменение силы тяжести, равное сотням и тысячам мгл, правда, не измеряя его. Оно служит для перестройки диапазона измерений приращения силы тяжести. С этой целью применяются пружины с жесткостью в 50 - 80 раз большей, чем у измерительной пружины. Перестройка диапазона осуществляется с помощью специального ключа.

Отсчетное устройство гравиметров представляет собой, как правило, лимб с нониусом. Лимб разделен на 100 частей, поэтому на нем можно взять отсчет с точностью до сотой доли оборота; тысячные доли оборота отсчитываются по нониусу.

Для отсчета целых оборотов микрометрического винта на лимбе имеется горизонтальная черта, а на обеих сторонах выреза во втулке нанесена миллиметровая шкала так, как это делается на микрометрах, т.е. правая шкала смещена на половину миллиметра вверх по отношению к левой. Правая и левая шкалы в совокупности образуют полумиллиметровую шкалу, на которой отсчитывается целое число оборотов микровинта. На шкалах дана оцифровка каждого четвертого штриха: на левой шкале – 0, 4, 8 и т. д.; на правой – 1, 5, 9 и т. д. В отсчетном устройстве имеется поворотная призма, благодаря которой отсчет можно снимать сверху. Отсчет берется с точностью до тысячной доли оборота микровинта, т. е. он может быть, например, таким 4,145 или 12,378. Целые обороты нужно отсчитывать по горизонтальной черте, внимательно посмотрев на левую и правую шкалы. Десятые и сотые доли снимаются по подвижному барабану до нуля на нониусе, тысячные доли – по нониусу. Общий вид отсчетного устройства (сверху) показан на рис. 5.

Рис.5. Общий вид отсчетного устройства.

Температурная компенсация

При изменении температуры изменяются упругие свойства, длина плеч и рычагов системы. Все это приводит к нарушению положения равновесия системы и, следовательно, к

изменению показаний гравиметра. Изменение показаний гравиметра при изменении температуры на 1°С называется его температурным коэффициентом.

Для уменьшения температурного влияния конструируют специальные термокомпенсационные устройства. При изменении температуры, нарушающем положение равновесия, эти устройства регулируют отдельные параметры системы таким образом, что она возвращается в начальное положение равновесия.

Конструкции термокомпенсационных устройств весьма разнообразны. Теоретически с помощью термокомпенсационных устройств температурный коэффициент гравиметра можно сделать равным нулю. Однако на практике добиться этого весьма затруднительно из-за ряда обстоятельств. Прежде всего, уравнять полностью противодействующие влияния при изменении температуры удается только для ее некоторых определенных значений, поскольку термомеханические коэффициенты материалов в свою очередь зависят от температуры. Поэтому температурная компенсация осуществляется только в пределах некоторого интервала, внутри которого находится температура полной компенсации.

Рис.6. Зависимость показаний гравиметра от температуры.

Зависимость показаний гравиметра от температуры имеет параболическую форму (рис.6). Температура Т₀ на рис.6 – точка полной температурной компенсации. Такая зависимость приводится в паспорте каждого прибора, она изображается в определенном масштабе, и чем положе парабола, тем лучше осуществляется температурная компенсация в гравиметре.

Для работ в определенных районах гравиметры нужно подбирать таким образом, чтобы Т_о была близка к температуре воздуха во время измерений.

Кроме того, при изменении температуры разные части упругой системы в одно и то же время имеют не совсем одинаковую температуру. Эта разница зависит от многих причин: скорости изменения температуры, направления тепловых потоков внутри системы, соотношения коэффициентов теплоемкости и теплопередачи в отдельных элементах и т.д. Для уменьшения влияния перечисленных факторов большое значение имеет теплозащитная система гравиметра (сосуд Дьюара, теплоизолирующий материал и т.д.).

Поскольку изменение упругих свойств кварцевой системы нелинейно связано с изменением температуры, то предусмотрены специальные устройства для компенсации линейной и нелинейной частей влияния температуры.

В качестве примера рассмотрим температурный компенсатор гравиметра ГАК-7Т (рис.7), в котором используется принцип нелинейной связи между подвижной рамкой и рычагом

линейного температурного компенсатора. Металлическая нить 1 в зависимости от температуры изменяет свою длину, что приводит к повороту рычага 2, который через прогнутую с помощью пружины 3 нить 4 поворачивает подвижную рамку 5 температурного компенсатора.

Рис.7. Температурный компенсатор гравиметра

Кроме того, с поворотом рычага 2 распрямляется нить 4, поэтому угол поворота рамки меньше, чем при прямой нити. Чем больше прогнутость нити, тем, очевидно, больше ее распрямление при повороте рычага и тем больше отношение угла поворота рычага к углу поворота подвижной рамки. При изменении температуры меняется прогиб нити, а следовательно, и отношение углов, т.е. связь между углами поворота рычага и подвижной рамки нелинейная. Дальше компенсирующий момент передается обычным путем: подвижная рамка компенсатора поворачивает измерительную рамку, которая и закручивает

оси подвеса маятника.

Для результативной работы термокомпенсатора необходимо, чтобы все части гравиметра воспринимали изменение температуры одновременно, что может быть только при хорошей теплоизоляции упругой системы.

Несмотря на все принимаемые меры, полностью избавиться от влияния температуры на показания гравиметра не удается. Остаточное влияние температуры учитывается, как правило, при введении поправки на сползание нуль-пункта прибора. При длительных рейсах (более 8 часов) иногда вводится поправка на температуру отдельно от учета сползания нуль-пункта. Для этого в отверстие, имеющееся в каждом гравиметре, вставляется специальный термометр, показывающий температуру внутри прибора.