Микробарограф

 

Изобретение относится к области геофизического приборостроения и может быть использовано для регистрации вариаций атмосферного давления, а также для исследования высоковакуумных установок, искусственных возмущений атмосферы, поиска и разведки газонефтяных месторождений. Устройство содержит барометрический датчик, состоящий из рамки с растяжкой и установленного на ней с возможностью поворота коромысла, на котором закреплены полый шар, измерительная пружина и противовес. Кроме того, в устройстве присутствует температурный компенсатор, состоящий из двух пар магнитов, компенсационная пружина и две дополнительные пружины, блок управления и эталонирования. Технический результат заключается повышении точности измерения, угловой чувствительности барометрического датчика и повышении точности эталонирования микробарографа. 1 ил.

Изобретение относится к области геофизического приборостроения и может быть использовано для регистрации вариаций атмосферного давления с целью изучения динамики барического поля и его воздействия на динамику земной поверхности, показания геофизических приборов, поиска предвестников землетрясений, а также может использоваться для исследований высоковакуумных установок, искусственных возмущений атмосферы, поиска и разведки газонефтяных месторождений, определения модуля упругости горных пород (в комплексе с другой геофизической аппаратурой) и высот пунктов наблюдений.

Известен микробарограф, содержащий корпус, барометрический датчик, фотоэлектрический преобразователь, отсчетное устройство и регистратор. Причем в барометрический датчик, состоящий из рамки, нитей подвеса, зеркала датчика, коромысла и пустотелого герметичного шара, жестко закрепленного на одном из концов коромысла, введена пружина, упругий момент которой скомпенсирован упругим моментом закрученных нитей подвеса датчика, связанная одним концом через рычаг с зеркалом датчика, а другим концом жестко скреплена с корпусом, и противовес, расположенный на втором конце коромысла датчика и состоящий из резьбовой втулки со смещающимися по ней тремя гайками (см. а.с. СССР №569885, кл. G 01 L 7/12, опубл. 1977. Б.И. №31).

Недостатком данного микробарографа является сложность исключения дрейфа нульпункта чувствительной системы прибора. Упругий момент введенной в чувствительную систему пружины, увеличивающей угловую чувствительность системы, компенсируется упругим моментом закрученных нитей подвеса системы. Однако старение закрученных нитей и пружины происходит с различной скоростью и требуется многократная юстировка чувствительной системы для достижения полного исключения дрейфа нульпункта системы.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является микробарограф, включающий барометрический датчик, состоящий из рамки с растяжкой и установленного на ней с возможностью поворота коромысла, на котором закреплены полый шар, измерительная пружина и противовес, выполненный в виде шторки фотоэлектрического преобразователя, и температурный компенсатор, состоящий из двух пар магнитов, каждая из которых выполнена в виде установленных параллельно и ориентированных одноименными полюсами в противоположные стороны идентичных магнитов, разнополярные концы которых равноудалены от оси растяжки, первая пара магнитов установлена вдоль коромысла и закреплена на нем симметрично относительно плоскости поворота коромысла, а вторая пара закреплена на кварцевой стойке, установленной на рамке датчика, и размещена в плоскости поворота коромысла (см. а.с. СССР №847090, кл. G 01 L 7/12, опубл. 1981. Б.И. №26).

Недостатком микробарографа является низкая точность измерения из-за дрейфа нульпункта измерительной пружины, малая угловая чувствительность барометрического датчика.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности измерения. Техническим результатом является повышение точности измерения за счет исключения дрейфа нульпункта измерительной пружины, увеличение угловой чувствительности барометрического датчика и повышение точности эталонирования микробарографа.

Технический результат достигается в микробарографе, включающем барометрический датчик, состоящий из рамки с растяжкой и установленного на ней с возможностью поворота коромысла, на котором закреплены полый шар, измерительная пружина и противовес, выполненный в виде шторки фотоэлектрического преобразователя, и температурный компенсатор, состоящий из двух пар магнитов, каждая из которых выполнена в виде установленных параллельно и ориентированных одноименными полюсами в противоположные стороны идентичных магнитов, разнополярные концы которых равноудалены от оси растяжки, первая пара магнитов установлена вдоль коромысла и закреплена на нем симметрично относительно плоскости поворота коромысла, а вторая - закреплена на кварцевой стойке, установленной на рамке датчика и размещена в плоскости поворота коромысла, компенсационную пружину, установленную соосно измерительной пружине, один конец которой закреплен на коромысле в месте крепления нижнего конца измерительной пружины, а другой при помощи технологического стержня связан с рамкой, две дополнительные, расположенные симметрично относительно оси растяжки вертикальные пружины, нижние концы которых посредством технологических стержней связаны с коромыслом, а верхние - при помощи технологического стержня связаны с рамкой, и блок управления и эталонирования, состоящий из двух расположенных вертикально и симметрично разнополярным концам первой пары магнитов и последовательно соединенных соленоидов, закрепленных при помощи технологического стержня на рамке, источника питания, цифрового вольтметра и магазина сопротивлений, при этом упругие моменты измерительной и компенсационной пружин равны и упругие моменты дополнительных пружин равны.

Отличительными признаками предлагаемого микробарографа от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, являются наличие компенсационной пружины, двух дополнительных пружин, блока управления и эталонирования.

Компенсационная пружина обладает одинаковыми характеристиками с измерительной пружиной, упругие моменты пружин и дрейфы их нульпунктов равны, поэтому суммарный дрейф нульпунктов пружин равен нулю. Отсутствие дрейфа нульпункта барометрического датчика способствует повышению точности измерения.

Ввод двух дополнительных пружин в барометрический датчик с одинаковыми характеристиками и расположенными симметрично относительно оси растяжки способствует значительному повышению угловой чувствительности датчика - чем больше угол между точками крепления пружин и осью вращения датчика, тем больше угловая чувствительность, разрешающая способность датчика, что способствует повышению точности измерения.

Введенный блок управления и эталонирования позволяет повысить точность эталонирования, а следовательно и точность измерения.

Эталонирование микробарографа производится в барокамере - изменяется давление в барокамере на ΔР и при этом отсчет на выходе фотоэлектрического преобразователя изменится на ΔV₁. Отсюда определяется . Затем задается "сдвиг" микрометру отсчетного устройства микробарографа на ΔS делений таким образом, чтобы изменение отсчета на выходе фотоэлектрического преобразователя ΔV₂ был близок ΔV₁ и определяется . Цена деления микрометра отсчетного устройства С определится из выражения . Но если нет блока управления и эталонирования, то для определения К₂ необходимо барокамеру открывать, что приводит к потере точности эталонирования, а следовательно, и к потере точности измерения. Блок управления и эталонирования не требует открытия барокамеры, что способствует повышению точности эталонирования и точности измерения. В данном случае в барокамере определяется электродинамическая постоянная D микробарографа. Для этого также изменяется давление в барокамере на ΔР, отсчет на выходе фотоэлектрического преобразователя при этом изменяется на ΔV₁. Затем изменяется сопротивление на магазине сопротивлений на такую величину ΔR, чтобы отсчет на выходе фотоэлектрического преобразователя изменился на величину ΔV₂, близкую ΔV₁. Рассчитывается величина изменения тока ΔI₁ в цепи соленоидов вследствие изменения сопротивления в цепи соленоидов на ΔR. Электродинамическая постоянная определится из выражения . Зная D, можно определить масштаб записи микробарографа, задавая некоторое изменение тока в цепи соленоидов ΔI₂. Величина "сдвига" записи в миллибарах будет равна ΔI₂D.

Для определения цены деления микрометра отсчетного устройства не требуется микробарограф размещать в барокамере. Используется известная величина электродинамической постоянной . В цепи соленоидов задается изменение тока ΔI₃, при этом отсчет на выходе фотоэлектрического преобразователя изменится на ΔV₃. Определяется величина . Затем задается "сдвиг" микрометру отсчетного устройства на такую величину ΔS, чтобы отсчет на выходе фотоэлектрического преобразователя изменился на величину ΔV₄, близкую ΔV₃. Определяется величина . Цена деления микрометра отсчетного устройства в миллибарах определится из выражения .

Операции по определению D и С повторяются многократно (8-10 раз) и выводятся средние значения величин D и С при изготовлении микробарографа.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого микробарографа.

Микробарограф включает барометрический датчик, состоящий из рамки 1 с растяжкой 2 и 3 (в виде двух упругих нитей) и установленного на ней с возможностью поворота коромысла 4, на котором закреплен полый шар 5, измерительная пружина 6, второй конец которой связан с отсчетным устройством 7, и противовес 8, выполненный в виде шторки с прямоугольным отверстием по центру фотоэлектрического преобразователя, с одной стороны которой расположен светодиод 9, а с другой - дифференциальный фотоэлемент 10 симметрично отверстию. В цепь фотоэлемента подключен регистратор 11, температурный компенсатор, состоящий из двух пар магнитов, каждая из которых выполнена в виде установленных параллельно и ориентированных одноименными полюсами в противоположные стороны идентичных магнитов, разнополярные концы которых равноудалены от оси растяжки, первая пара магнитов 12 и 13 установлена вдоль коромысла 4 и закреплена на нем симметрично относительно плоскости поворота коромысла 4, а вторая пара магнитов 14 и 15 закреплена на кварцевой стойке 16, установленной на рамке датчика и размещена в плоскости поворота коромысла 4, компенсационная пружина 17, установленная соосно измерительной пружине 6, один конец которой закреплен на коромысле 4 в месте крепления измерительной пружины 6, а другой при помощи технологического стержня 18 связан с рамкой 1, две дополнительные, расположенные симметрично относительно оси растяжки 2 и 3 вертикальные пружины 19 и 20, нижние концы которых посредством технологических стержней 21 и 22 связаны с коромыслом 4, а верхние концы при помощи технологического стержня 23 - с рамкой 1, блок управления и эталонирования, состоящий из двух вертикально и симметрично разнополярным концам первой пары магнитов 12 и 13, расположенных и последовательно соединенных соленоидов 24 и 25, закрепленных на рамке 1 при помощи технологического стержня 26, источника питания 27, цифрового вольтметра 28 и магазина сопротивлений 29, при этом упругие моменты измерительной и компенсационной пружин равны и упругие моменты дополнительных пружин равны. Равенство упругих моментов пружин полностью исключает дрейф нульпункта микробарографа.

Магниты 12 и 13 имеют нулевые температурные коэффициенты, магнит 14 изготовлен, например, из викаллоя с температурным коэффициентом μ=0, магнит 15 изготовлен из сплава с большим температурным коэффициентом, например из феррит-бария с μ≈2×10^-3. Магнитные моменты и температурные коэффициенты магнитов 14 и 15, а также их расстояние от магнитов 12 и 13 подбираются таким образом, чтобы создаваемые при изменении температуры дополнительные магнитные поля при взаимодействии с магнитами 12 и 13 обеспечивали необходимую температурную компенсацию.

Микробарограф работает следующим образом.

На пункте наблюдений микробарограф устанавливается на бетонном постаменте и установочными винтами (на чертеже не показано) нивелируется. На магазине сопротивлений 29 задается сопротивление 90000 Ом. В цепь фотоэлемента 10 подключается регистратор 11. Подключается источник питания 27 к сети переменного тока 220 В или к сети постоянного тока на 6 В. С выхода источника питания 27 подключается питание светодиода 9 (2 В постоянного тока). При этом индикатор регистратора 11 отклонится от нулевого положения. Микрометром отсчетного устройства 7 индикатор приводится в нулевое положение. От источника питания 27 подается питание соленоидов 24 и 25 (2 В постоянного тока), при этом магнитное поле соленоидов, взаимодействуя с магнитами 12 и 13, отклонит индикатор регистратора от нулевого положения. Микрометром отсчетного устройства 7 индикатор снова приводится в нулевое положение. Определяется масштаб записи микробарографа. Для этого микрометру отсчетного устройства 7 задается "сдвиг" на ΔS делений, индикатор регистратора сместится на ΔY мм. С учетом цены деления микрометра, С, рассчитывается масштаб записи микробарографа из выражения . Производится несколько "сдвигов" микрометра и выводится среднее значение М. Затем определяется масштаб записи микробарографа при помощи соленоидов 24 и 25. Для этого изменяется сопротивление на магазине сопротивлений 29, при этом изменится ток в цепи соленоидов на ΔI и индикатор регистратора отклонится на ΔY₁ мм. С учетом электродинамической постоянной, D, рассчитывается масштаб записи микробарографа из выражения . Производится несколько таких операций и выводится среднее значение M₁. В пределах точности определения цены деления микрометра отсчетного устройства, С, и электродинамической постоянной, D, должны совпадать значения масштабов записи М и М₁.

На этом заканчивается подготовка микробарографа к работе. При изменении атмосферного давления будет изменяться разность объемных моментов полого шара 5 и противовеса 8, что приводит к отклонению противовеса 8 относительно фотоэлемента 10. Световой поток светодиода 9 сместится относительно фотоэлемента 10 и в цепи фотоэлемента появится разностный электрический ток, величина и знак которого будет зависеть от величины и знака изменения атмосферного давления.

Управление микробарографом можно осуществлять как при помощи "сдвига" микрометра отсчетного устройства 7, так и при помощи блока управления и эталонирования, изменяя электрический ток в цепи соленоидов 24 и 25 изменением сопротивления на магазине сопротивлений 29.

Формула изобретения

Микробарограф, включающий барометрический датчик, состоящий из рамки с растяжкой и установленного на ней с возможностью поворота коромысла, на котором закреплены полый шар, измерительная пружина и противовес, выполненный в виде шторки фотоэлектрического преобразователя, и температурный компенсатор, состоящий из двух пар магнитов, каждая из которых выполнена в виде установленных параллельно и ориентированных одноименными полюсами в противоположные стороны идентичных магнитов, разнополярные концы которых равноудалены от оси растяжки, первая пара магнитов установлена вдоль коромысла и закреплена на нем симметрично относительно плоскости поворота коромысла, а вторая закреплена на кварцевой стойке, установленной на рамке датчика и размещена в плоскости поворота коромысла, отличающийся тем, что он снабжен компенсационной пружиной, установленной соосно измерительной пружине, один конец которой закреплен на коромысле в месте крепления измерительной пружины, а другой - при помощи технологического стержня связан с рамкой, двумя дополнительными, расположенными симметрично относительно оси растяжки, вертикальными пружинами, нижние концы которых посредством технологических стержней связаны с коромыслом, а верхние - при помощи технологического стержня с рамкой, и блоком управления и эталонирования, состоящим из двух расположенных вертикально и симметрично разнополярным концам первой пары магнитов и последовательно соединенных соленоидов, закрепленных при помощи технологического стержня на рамке, источника питания, цифрового вольтметра и магазина сопротивлений, при этом упругие моменты измерительной и компенсационной пружин равны и упругие моменты дополнительных пружин равны.

РИСУНКИ

Рисунок 1