Лабораторная работа №2 тема: Изучение устройства и принципа действия гравиметров типа гнук и гншк

Цель работы: Ознакомление с устройством и принципом действия современных гравиметров.

Гравиметры- приборы, предназначенные для относительных измерений силы тяжести. Способ взятия отсчета - компенсационный.

Основным принципом относительных измерений силы тяжести с помощью гравиметров является уравновешивание силы тяжести некоторой другой внешней силой. Этими силами могут быть: сила пружины, упругие силы газа, мембраны, электромагнитные силы и т.д.

Конструкции гравиметров разнообразны и различаются по виду уравновешивающей силы, способу перемещения массы (вращательное, поступательное), применяемым для изготовления упругой системы материала (металлические, кварцевые и т.д.), способу измерения перемещения массы (визуальный, электрический, фотоэлектрический и т.д.), способу астазирования (астазированные, неастазированные) и уменьшения температурных влияний (термостатированные, термокомпенсированные и т.д.).

В практике гравиметрических работ в настоящее время основное распространение получили кварцевые бестермостатные гравиметры (ГАК) с упругими системами вращательного типа, построенными по принципу вертикального сейсмографа Голицына. К ним относятся, например, ГАК-3М, ГАК-4М, ГАК-4В, ГАК-ПТ, КВГ-1М, ГАК-7Н, ГАК-7Т, ГР-К-1, ГР-К-2, ГНУК, ГНШК.

Все эти гравиметры имеют одинаковую принципиальную основу и различаются лишь в конструкции, технологии изготовления и компоновке отдельных узлов. Современные гравиметры имеют название ГНУК и ГНШК.

Поэтому изучение принципиального устройства и техники наблюдений можно проводить на любом из этих гравиметров.

Все гравиметры этого типа состоят из внешнего кожуха и средней части - собственно гравиметра.

Внешний кожух- это пустотелый металлический цилиндр. Ко дну этого цилиндра прикреплены три установочных (подъемных) винта, верх цилиндра закрывается крышкой. Внутри цилиндра вставлен сосуд Дьюара, в который, в свою очередь, помещается средняя часть гравиметра.

Средняя часть состоит из трех отделяемых при разборке частей: корпуса кварцевой системы, теплозащитного столба и верхней панели.

Кварцевая система и связанные с ней системы управления и регистрации выполняют две основные функции: обнаружение изменений силы тяжести и измерение перемещений массы, связанные с изменением силы тяжести. Так как в рассматриваемых системах применяется компенсационный способ измерений, измерительное устройство выполняет две функции: управление движением рычага чувствительного элемента и фиксация его положения.

Чувствительный элемент системы (рисунок 2.1) построен, как указывалось выше, по принципу вертикального сейсмографа Голицына.

Горизонтально расположенный маятник 13 с платиновым грузиком на конце удерживается в равновесии силой упругости главной пружины 18 отрицательной длины, диапазонной пружины 2 и силой закручивания нити подвеса 21 маятника. Главная пружина верхним концом прикреплена неподвижно к основной раме 3 системы, нижним – к островку 19 маятника. Нижний конец диапазонной пружины 2 также прикреплен к островку 20 маятника, а верхний - к диапазонному микровинту 1.

Рисунок 2.1 - Чувствительный элемент гравиметров типа ГНУК и ГНШК.

Измерительная система гравиметра имеет рамку 17, вращающуюся на нитях. К этой рамке прикреплены оси подвеса маятника. Измерительная рамка имеет стержень 16, к которому приварен нижний конец измерительной пружины 4, верхний ее конец соединен с измерительным микровинтом 5. Силу тяжести измеряют компенсационным способом, дополнительно закручивая оси подвеса маятника. При изменении силы тяжести маятник отклоняется от горизонтального положения на некоторый угол. Вращением микрометрического винта 5 изменяют натяжение измерительной пружины 4 и тем самым поворачивают измерительную рамку 17, которая в свою очередь измеряет угол закручивания нитей подвеса 21 маятника, приводя его в исходное положение. Мерой приращения силы тяжести являются обороты счетчика микрометрического устройства. Диапазон измерительного устройства 60-150 мГал. Перестраивают диапазон измерений, изменяя натяжение диапазонной пружины 2. Регистрация положения маятника оптическая. На конце маятника установлен тонкий кварцевый стерженек (индекс) 11, расположенный между призмами 10 и 12. Изображение индекса рассматривают в микроскоп 9. В фокальной плоскости окуляра 8 микроскопа имеется шкала 7, позволяющая качественно судить о характере изменения силы тяжести.

Кроме этих основных двух элементов – чувствительного и измерительного, в корпус кварцевой системы помещено устройство для компенсации температурных влияний.

В общем случае зависимость отсчетов гравиметра от температуры весьма сложная, но с достаточной для практики точностью может быть представлена полиномом второй степени:

g_t= K₁ (T₂-T₁)+K₂(T₂²-T₁²),

где K₁ и K₂- температурные коэффициенты, T₁ и T₂- температуры.

Основная часть влияния температуры на показания прибора может быть представлена еще более просто:

так как K₁=-120мГал/градус, а K₂=+0,15мГал/градус. Поэтому в первых моделях гравиметров (ГАК-3М, ГАК-4М) были установлены устройства, компенсирующие лишь линейную часть температурной характеристики. Схема действия этого устройства следующая. При повышении температуры упругость нитей подвеса и главной пружины возрастает, в результате чего рычаг поднимается вверх. В то же время металлическая нить удлиняется, что вызывает ослабление натяжение нити вместе с поворотом рычага и поворот компенсационной рамки. С поворотом этой рамки изменяется угол закручивания нитей подвеса, и рычаг идет вниз. При повышении температуры все явления происходят в обратном порядке.

Для компенсации нелинейной части температурного влияния в описанное выше устройство должен быть внесен нелинейный элемент, который при изменении температуры менял бы свои параметры нелинейно.

Одно из возможных решений этого вопроса – создание прогиба нити.

В результате применения такой системы компенсации и хорошей теплоизоляции температурный коэффициент в современных безтермостатных гравиметрах не превышает 0,3-0,4 мГал/градус. При этом изменение отсчетов под влиянием температуры в диапазоне 10⁰С носит почти линейный характер.

Основными функциями теплозащитного столба являются: защита кварцевой системы от температурных влияний сверху, соединение корпуса кварцевой системы с верхней панелью, размещение отдельных элементов измерительной системы и оптики. В боковой части теплозащитного столба имеется окошко, открывающее доступ к вакуумному крану.

На верхней панели укреплены: счетчик оборотов отсчетного устройства (микрометра), продольный и поперечный уровни, тубус микроскопа с окуляром, патрон осветительной лампочки, шкала термометра и осветительная лампочка панели.

Продольный уровень обычно (за исключением гравиметра КВГ-1М) расположен параллельно рычагу чувствительной системы, поперечный – параллельно оси вращения.

Измерения с прибором должны производиться такой последовательности:

1. Для установки гравиметра выбирается устойчивая горизонтальная площадка, в окружности которой, по возможности, не должно быть резких изменений формы рельефа.

2. Включается освещение, и гравиметр с помощью трех установочных винтов нивелируется по уровням.

3. Вращая головку микрометрического винта и наблюдая при этом в окуляр микроскопа, совмещают светящийся подвижный индекс рычага с выбранным (обычно центральным делением шкалы микроскопа).

4. Записывая время начала наблюдений, температуру и отсчет, видимый в окошко отсчетного устройства, с точностью до тысячных.

5. Поворачивают головку микрометра на пол-оборота (оборот) и снова берут отсчет по счетчику. На всех пунктах следует подводить светящийся индекс к выбранному делению шкалы одинаковым образом (например, вращением головки микрометра по часовой стрелке).

6. В случае удовлетворительной сходимости двух последовательных отсчетов (порядка 0,001-0,002 деления) наблюдения заканчиваются, и прибор перемещается для наблюдений на следующий пункт. При расхождениях, больше допустимых, измерения на том же пункте повторяется до получения удовлетворительной сходимости.