5.7. В массометрии
Измерение массы материальных объектов, и в особенности объектов со значительными габаритно-весовыми характеристиками в динамике их поступательного движения, сопряжено с трудностями в силу ограниченности функциональных возможностей известной весоизмерительной техники, её значительной инерционности и вносимой погрешности в условиях сейсмической нестабильности.
Масса (вес) транспортных средств существенно влияет на их манёвренность и, как следствие, на безаварийность на транспорте, особенно в авиации. В последнее время участились случаи возникновения нештатных ситуаций на судах транспортной авиации, чему причин более чем достаточно.
Известны способы измерения веса (массы) объектов с применением рычажных, пружинных, тензометрических, пьезоэлектрических и магнитоанизотропных средств, предполагающие механическое воздействие на чувствительные элементы, на датчики, систем весоизмерения. Но эти способы и средства громоздки и не лишены существенных недостатков, в частности они не позволяют дистанционно и в движении оценить массу (вес) объектов.
Цель данной работы – разработка методов и средств контроля массы (веса) объектов в динамике их движения при исключении недостатков известных методов и средств контроля (измерения).
Известно, что между любыми двумя материальными точками действуют силы взаимного тяготения, прямо пропорциональные произведению масс этих точек и обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними:
F=f(m1m2/r2), |
(5.7.1) |
где F – сила взаимного тяготения, действующая на материальную точку с массой m1, r – расстояние между материальными точками с массой m1 и m2, а f – гравитационная постоянная (постоянная тяготения).
Силы тяготения материальной точки 2 со стороны материальных точек 1 F21 и 3 F23 с массами m1, m2 и m3 (рис. 5.7.1 и рис. 5.7.2), соответственно, выражаются как:
F21=fm2m1/r212, |
(5.7.2) |
F23=fm3m2/r232, |
(5.7.3) |
но, если значения m1, m2 и r21 постоянны, то и F21=const, а
F23=fm3m2/r232=varia, |
(5.7.4) |
здесь m2 – масса чувствительного элемента датчика значений F2 (допустимо, в практике контроля массы наземного транспорта, обеспечить m2=const и r23=const).
Значение суммарной силы тяготения точки 2 F2 по (5.7.4), при использовании в качестве m1 массы Земли, достигает экстремума F2экс при минимизации расстояния между точками 2 и 3 и размещении масс m1, m2 и m3 на одной прямой. Результирующая сила тяготения точки 2 (массы m2), определяется как
F2=F21F23=fm2m1/r212±fm3m2/r232, |
(5.7.5) |
где знак “+” берется при одностороннем расположении точек 1, 2 относительно точки 3, как показано на рис. 5.7.2, а знак “–“ – при расположении точки 2 между точками 1 и 3, как показано на рис. 5.7.1. Но fm3m2/r232=0 при m2=0, что соответствует отсутствию объекта контроля в пространстве контроля.
Рис. 5.7.1 Рис. 5.7.2
Тогда
dF2|=|F2max–F2min|=|(fm2m1/r212)–(fm2m1/r212±fm3m2/r232)|= =|fm3m2/r232|=qm3=const |
(5.7.6) |
где q=fm2/r232, а при r232=const и q=fm2/r232=const, и зависит только от m3.
Таким образом через |dF2| однозначно интерпретируется масса m3 (вес P3, так как P=mg, g≈9,81=const – ускорение свободного падения) точки (тела в точке) 3.
На рис. 5.7.3 и рис. 5.7.4 представлены значения F2 в функции от места пребывания объекта с массой m3, при перемещении по траекториям a и b, соответственно. При перемещении по траекториям c и d зависимости F2 претерпевают искажения.
Рис. 5.7.3 Рис. 5.7.4
Реализация алгоритма и средств контроля массы (веса) транспортных средств предполагает (допускает) использование в качестве m1 массу Земли, а в качестве m2 – массу чувствительного к силам взаимного тяготения элемента датчика значений F2, установку датчика значений F2 (гравиметра) как под (рис. 5.7.1), так и над (рис. 5.7.2) объектом контроля его массы (веса) m3.
Техническая реализация способа заключается в установке в заданном месте, например, под полотном предстартовой полосы аэропорта, гравиметра с достаточно высокой чувствительностью и в обеспечении связи гравиметр-диспетчер. Информация о фактической массе m (весе P) может визуализироваться и/ли фиксироваться, в том числе и на твердом носителе информации, для контроля и отчетности. В аэропортах, в качестве гравиметров приемлемы приборы с чувствительностью порядка 5÷10 мГал, например типа ГАЭ-3, СН-3, FG5, JILAg, IC5, FC5 и др., обеспечивающие погрешность измерения массы (веса) самолетов, с точностью не хуже ±5 %.
Предлагаемый способ приемлем для измерения массы (веса) произвольных объектов, в том числе наземных, морских и воздушных транспортных средств.
Недопущение перегрузок транспортных средств, в силу обеспечения гарантированной их маневренности, как ожидается, призвано к сокращению аварийности на транспорте, и в первую очередь – в авиации. В частности аэропорты допустимо оборудовать пунктами контроля массы (веса) выпускаемых в полет транспортных средств, при этом управляющий орган, санкционирующий вылет, имея информацию о фактической массе (весе) подготовленного к вылету объекта, может своевременно воспрепятствовать вылету перегруженного самолета (вертолета), что повышает безопасность пассажиров и экипажа, сохранность грузов и самого транспортного средства.