Астазированные кварцевые гравиметры

Наиболее широко применяются астазированные кварцевые гравиметры (серия ГАК). Основной частью гравиметра является упругая система, основан­ная на принципе горизонтального маятника Голицына. В качестве материала упругой системы выбран плавленый кварц (кварцевое стекло). Кварцевое стекло легко поддается обработке: из него можно сделать стержни и нити любой толщины, вплоть до нескольких ми­крон, навить пружины. Стержни и нити легко свариваются между собой и с некоторыми металлами. Прочность кварцевого стекла та­кова, что упругие системы малых размеров, изготовленные из него, могут не арретироваться (закрепляться) при транспортировке гравиметров. Это очень упрощает конструкцию системы.

Относительная величина удлинения кварцевой нити составляет при температурах +(15 - 20)° С 10^-6 в сутки, соответственно изменение смещения нуль-пункта будет 1- 2 мГл/сут. Однако при повышении температуры эта величина резко возрастает. Обычно кварцевые гравиметры делаются без термостата и снабжаются только мощной теплозащитой. Кварцевая упругая система гравиметра монтируется в гермети­чески закрытом корпусе, помещенном в сосуд Дьюара, что обеспечи­вает постоянство давления и хорошую теплозащиту. Компенсирующее устройство обеспечивает рабочий интервал температуры в интервале от -5° до +30° С. Большая точность отсчета достигается примене­нием 600-кратного оптического увеличения. На кварце могут возни­кать электростатические заряды. Для их нейтрализации на внутрен­ней стенке защитного стакана нанесен тонкий слой радиоактивного плутония-239. От проникновения вредной радиации наружу он за­щищен стенками нескольких корпусов и сосудом Дьюара.

1 - монтировочная рамка; 2 - измерительная рамка; 3 - кварцевая нить; 4 - подвижная рамка температурного компенсатора; 5 - измерительная пружина; 6 - микрометр; 7 - нить подвеса маятника; 8 - главная пружина; 9 - диапазонная пружина; 10 - нити под­веса измерительной рамки; 11- кварцевая нить подвеса рамки температурного компенсатора; 12 - осветитель; 13 - линза; 14 - металлическая нить температурного компенсатора; 15 - прилив для крепления системы; 16 и 17 - линза и призма оптической системы; 18 - грузик; 19 - маятник; 20 - нить; 21 - рычаг.

Основные элементы гравиметра собраны на монтировочной рамке 1. Чувстви­тельный элемент прибора - горизонтальный маятник Голицына. При изменении силы тяжести (например, при ее увеличении) маятник 19 будет отклоняться от первоначального положения равно­весия до тех пор, пока силы, вызванные деформацией главной пру­жины 8 и нитей подвеса 7 маятника, не уравновесят изменение силы тяжести. Главная пружина 8 соединена с маятником таким образом, что при изменении силы тяжести возникает дополнительный упругий момент сил главной пружины, знак которого совпадает со знаком изменения силы тяжести.

Этот дополнительный момент возникает вследствие того, что при увеличении силы тяжести плечо упругой силы уменьшается и, нао­борот, при уменьшении силы тяжести плечо упругой силы возрастает.

При наклоне всей системы в плоскости движения маятника так, чтобы маятник относительно горизонта поднимался, чувстви­тельность системы возрастает и наоборот. Нормальным рабочим поло­жением системы является такое, при котором ось вращения системы и центр тяжести маятника лежат в одной горизонтальной плоскости. Это положение соответствует минимальной чувствительности системы к наклонам.

Компенсация приращения силы тяжести осуществляется путем изменения крутильного момента нитей подвеса 7 маятника, угол закручивания которых зависит от поворота рамки 2. Последняя поворачивается вследствие изменения натяжения пружин 5 я 9 посредством микрометрических устройств, при помощи которых можно менять длину пружин.

Мерой удлинения пружины 5 является угол поворота микромет­рического винта, который измеряется специальным счетчиком-редуктором, позволяющим отсчитывать угол поворота с точностью до 0,001 доли оборота. Диапазонная пружина 9 имеет линейную жесткость в 50—100 раз большую, чем измерительная пружина 5, и служит только для перестройки диапазона измерений.

При изменении температуры изменяется упругость кварца, вслед­ствие чего в свою очередь изменяется момент упругих сил главной пружины и нитей подвеса маятника, и маятник перемещается. Ком­пенсация этого перемещения осуществляется путем дополнительного закручивания нитей подвеса 7 маятника в зависимости от темпера­туры, которая вызывает изменение длины металлической нити 14. Вследствие этого рычаг 21, уравновешенный действием силы закру­ченных нитей подвеса 20, поворачивается в ту или другую сторону. Движение рычага 21 передается рамке 4 посредством тонкой кварце­вой нити 3 и вызывает поворот рамки 4.

Однако гравиметры имеют один недостаток, не присущий маят­никам, — сползание нуль-пункта (drift). Сползание нуль-пункта проявляется в том, что на одном и том же месте, т. е. когда сила тяжести не меняется, при неизменных условиях (температуре и да­влении) индекс гравиметра все время медленно смещается и отсчет, взятый сегодня, не совпадает с тем, который был взят вчера. Такое смещение нуль-пункта зависит от ряда обстоятельств: от температуры в момент отсчета и в предшествующее отсчету время, от режима, в котором находился прибор (покой,тряска), и ряда других факто­ров. Природа этого смещения заключается в том, что упругий эле­мент гравиметра (пружина, закрученная нить), находящийся в на­пряженном состоянии, не точно следует закону пропорциональных деформаций. Происходит как бы уставание упругого элемента вслед­ствие напряженности, и он постепенно изменяет деформацию при неизменной нагрузке. Это изменение зависит от режима, в котором находится в данный момент и находился ранее упругий элемент. Для кварцевых систем при низких температурах смещение нуль-пункта мало и даже может равняться нулю.

Это смещение нуль-пункта колеблется в различных системах и для различных материалов от десятых долей миллигала до несколь­ких миллигалов в сутки. Это явление определило методику работы с гравиметрами. Она состоит в том, что исходное и заключительное наблюдения каждого рейса должны производиться или на одном и том же пункте, или на пунктах со строго известными значениями силы тяжести. Выявившееся при этом изменение отсчета гравиметра относится за счет смещения нуль-пункта, которое считается линей­ным. Тогда его разбрасывают пропорционально времени по всем пунктам. Длительность рейса определяется тем временем, в продол­жение которого можно считать смещение нуль-пункта линейным. Обычно допускаются рейсы длительностью не более нескольких ча­сов (4—8 ч), впрочем это зависит от требуемой точности результата. Во всяком случае гравиметр — прибор, позволяющий выполнять гравиметрические связи только за короткое время. Отсюда ограни­ченность его применений. Если гравиметром надо определять пункты, далеко расположенные друг от друга, то необходимо пользоваться такими транспортными средствами, которые позволяют быстро по­крыть эти расстояния. Так возникла необходимость использования в качестве транспортных средств самолетов и вертолетов. Сейчас значительная часть гравиметровых съемок выполняется с примене­нием воздушного транспорта.

Для исключения сползания нуль-пункта иногда используют струнный гравиметр, являющийся не статическим гравиметром, а динамическим. В этом приборе мерой изменения силы тяжести является изменение частоты колебаний на­груженной струны. Приборы такого типа имеют широкую перспек­тиву. Они применимы для работы на кораблях и по идее не должны иметь смещения нуль-пункта.

В настоящее время, в связи с широким применением микроэлектроники, появились гравиметры, измеряющие абсолютные значения g. Принцип этих гравиметров прост – измеряется время падения шарика внутри гравиметра. Абсолютные гравиметры имеют ряд неоспоримых преимуществ: отсутствие сползания нуль-пункта и, как следствие, пропадает необходимость разбивки опорной сети.

12