Гравиметр

 

Союз Советскик

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ÄÄ 748324 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (5!)М. Нл.

Я 01 Ч 7/L6 (22) Заявлено 070678 (2! ) 2625445/18-25 с присоединением заявки ¹â€” (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Олубликоваио 150780. Бюллетень № 26 (53) УДК 550.830 (088.83

Дата опубликования описания 15.0780 (72) Автор изобретения

В.Н.Стадниченко (71) Заявитель (54) ГРАВИМЕ1Р!

ИзобретЕние относится к геофизическому приборостроению, а именно к устройству гравиметров для измерений . с борта движущегося судна.

Иззастны морские набортные грави.мЕтры !1) и !2) . Эти гравиметры делятся а два типа: гравиметры прямого преобразования и гравиметры ком-пенсационного типа.

Гравиметры прямого преобразования . состоят из чувствительной систеьы (крутильных весов), демпферного устройстза, Параметрического ПрЕобразоваталя, фильтра низких частот и регистрирующего устройства.

В гравиметрах компенсационного типа имеется, кроме того, автоматйчес-" кая система силовой компенсации воз- 20 действия на чувствительную систему длиннопериодных ускорений. Эта система включает корректирующие и уси-" лительные звенья н обратный электромеханический преобразователь, обра-. 25 зующие цепь обратной связи .

Преимущества гравиметра компенса-: ционного типа перед гравиметрами прямого преобразования проявляются при измерениях на профилях большой,про- 30 тяженности с большим перепадом значений гравитационного ускорения.

И те И другие набортные гравиметры являются приборами с очень боль шой постоянной времени, т.е. с очень еалым быстродействием, что приводит к большим динамическим погрешностям измерений и препятствует их использованию для детальных гравиметриЧес= ких сьемок.

Пель изобретения — уменьшение динамических погрешностей и, следовательно, повышение деятельности измерений набортными гравиметрами.

Это достигается за счет того, что в устройство введены звено последовательной электрической коррекции, подключенное к выходу параметрического преобразователя, два элемента с двухсторонней характеристикой, вход первого из которых соединен с выходом звена последовательной электрической коррекции непосредственно, а вход второго - через сумматор, ко второму входу которого подключен источник постояннбго напряжения, два блока измерения разнрсти длительностей положителМвых и отрицательных участков биполярных импульсов телеграфного кода, входы которых подклю748324 к=N

hg„=K 5KAqn (2) к=-М,„ !

5 где (6 ) - ве«совйе« коэффициенты фильтра, 2й р- — ширина фильтра. Однако резкое уменьшение постоянной времени аппаратуры требует соответствующе го расширения диа паз она измерений при сохранении требуемой точности. Исключительно высокой точностью отличаются измерения интервалов, Поэтому Основой изобретения является переход от амплитудного анализа

5 сигнала к временному.

Помехи, обусловленные качкой судна, представляют собой узкополосный случайный процесс с симметричным относительно нуля распределением и регистрируется в виде непрерывной пог следовательности импульсов различной полярности, амплитуды и длительности. Из симметрии распределения следует, что средние значения длительности положительных и отрицательных импульсов Е+ и ч=, определенные на ийтервале достаточно большой продолжительности, равны друг другу т+- С- .

Если же на этот узкополосный процесс накладываются длиннопериодные гармоники (полезный сигнал), То симметрия распределения нарушается, при этом +/%- и величина д - - может служить характеристикой полезного сигнала.

Если сигнал х(1 ) представляет собой сумму постоянного полезного сигнала дQ и raрмонической помехи х(= ду Мп .t

l ft

20

Входным сигналом чувствительной системы гравиметра является сумма 25 гравит ационно го ускорен и я и превышающих его в тысячи и десятки тысяч раз инерционных ускорений, обуслов" ленных качкой судна. Для подавления короткопериодных инерционных ускоре- $Q ний используют низкочастотную фильтрацию, осуществляемую самой измерительной аппаратурой. Так, соотнбше- ние между помехой и полезным сигналом в выходном сигнале чувствитель- З5 ной системы с большой постоянной времени в сотни раэ меньше, чем на входе системы. Однако и полезный сиг - =йал прй" «прохождейии через" йэмерительную систему с большой постоянной вре- „ мени сильно искажается. С другой,стороны, известно, что подавлять кОрОткопериодные помехи можно ценой гораздо -меньшего искажения полезного сигнала, если низкочастотную фильтрацию осуществЛять на стадии обработки ре- 45 Зультатов измерений. Объясняется это тем, что при такой фильтрации учитываются показания аппаратуры и после того момента времени, для которого определяется значение полезного сиг- 50 нала, а при фильтрации в реальном::времени, когда анализ сигнала осуществляется одновременно с его измерением, такой возможности нет. — - --=-.1 эмерительной аппаратурой с малой 55. постоянной времени регистрируется последовательность амплитуд положительных (A+) и отрицательных (А;) выбросов (полуволн) суммарного сигнала," определяется последовательность величин

d0 то приlag- «А ться, как легко убеди ()=ч. Ж ч«ейы к выходам соответственно первого и второго элементов с релейной характеристикой, а выходы — к выходам вычислительного устройства.

Есл сли во всех известных гравимет рах низкочастотная фильтрация осуществляется в процессе измерений и то В п йредшествует регистрации реэульта атов, предлагаемом устройстве такая фильтрация (сглаживание) осуществляется на стадии обработки результатов измерений.

Иэ этого следует, что предметом изобретения является электрическое измерительное устройство, которое может использоваться в комПлекте с чувствительными системами известных гравйметров. Более того, предлагаемое устройство может подключаться параллельно с электрическими измерительными устройствами известных гравиметров, т.е. функционировать одновременно с ними. частотным фильтром в соответствии с алгоритмом ьч: т-.+- - . 9 ЗГА, T + . А 9 гт

Отсюда следует, что при A -" 2500 мгл и Т = б, 28 сек для определения. ь g с точностью 0,5 мгл временные интерВалы нужно измерять с точностью

0,8 мсек. Измерение интервалов времени порядка нескольких секунд с точностью до десятых долей миллисекунд можно выполнить с помсщью вы ускаемых.проьыаленностью электронно-счетных частотомеров.

Когда помеха Я () представляет случайный сигнал и

А., — Р ; кОТОрая сглаживается цифровым низко 65 разность между средними на интервале. Осреднения длительностями положительных и отрицательных импульсов можно определить через значение фун 48324 кции распределения сигнала; )- ly,( у ( прих=О: (,-;)=„— (- F.Ì)) з> где T — продолжительность интервала зсреднения.

Выразим функцию распределения суммарного сигнала Fz(х) через функцию распределения помехи F («) и величину Я9. Имеем очевидное равен"тно (4) „(О ) =),(- 4 q

Если наша величина мала по сравнению . со среднеквадратичным значением помехи, то

F,(-aq)=Fz(Q)(д ),ag-"— W (O) . (5 где чд («) — плотность распределения помехи .

Из формул (3), (4) и (5) следует

/ ч,(о) и "() 2.W (o) (б) где Й = N/т .— среднее число импульсов одного знака в единицу времени.

Отношение Й/W (О) является хара- ктеристикой помехи. Если при пронедении измерений состояние моря не изменяется М помеху можно рассматривать как" стационарный случайный процесс, то; йри этом указанное отношение также остается неизменным и, следовательно, изменение ае вдоль профиля измерений соответствует изменению 4 9 . Если же помеха не является стационарным случайным процессом и, кроме того, необходимо знать масштаб регистрируемой величины, то можно поступить следующим образом.

Параллельно с рассмотренными измерениями проводить определения временных характеристик случайного процесса, отличающегося от исходного наличием некоторой известной постоянной составляющей а Я).. Введение этой составляющей по существу является градуировкой аппаратуры. В соответствии с (б) при этом будем иметь

М

2@ (0) )) + 9г рр (О) а

Исключая из этих равенств неизвестную величину й/W (О), получаем

Ь .

ag=agp

1- Л

Более эффективной,чем определение средних значений, является низкочас-. тотная фильтрация результатов изме-. рений, которые и рассматриваемом сяучае должны быть представлены в виде последовательности величин

А 41

9 9" 4т- (7) где 4,C ; -t, — разность длительнос.Ф тей положительного и сменяющего его отрицательного импульса, образующих совместно биполярный импульс с определенным порядковым номером; индекс

5 1 соответствует исходному сигналу, индекс 2 — сигналу, в который введена градуирбвочная величина.

Представление результатов измере- ний н форме (7) теоретически равноценно представлению в форме (1). Преимущества предлагаемой формы представления результатов измерений обусловлены тем, что измерения длительностей импульсов выполняются с гораздо более высокой точностью, чем измерения их амплитуд.

На чертеже представлена функциональ ная схема устройства.

Устройство содержит сильнозатушенную чувствительную систему 1 типа крутильных весов, изображаемую, как известно, опериодическим звеном, параметрический преобразователь 2, звено последовательной электрической коррекции 3, источник 4 постоянного напряжения 6 0„, элементы 5 и б с двухсторонней релейной характеристикой, блоки 7 и 8 измерения интервалов времени, вычислительное (арифме-, тическое)устройство 9, регистратор 10.

З0 Корректирующие звенья с указанной на чертеже передаточной функцией при °

К < 1 используются для повышения быстродействия систем с инерционными элементами типа апериодического

35 звена, т.е. для расширения частотного диапазона системы в сторону высоких частот.

Передаточная функция цепи 1-2-3

40 () к к т р+ )

Т4Р+ (L к4Ч4р Ф4 к4Т4Р+ ) представляет собой апериодическое звено с постоянной времени во много раз меньшей постоянной времени чув45. ствительной системы (К т «Tz ) .

Сильное демпфирование чувствитель)ной системы типа крутильпых весон не только выполняет функцию линейного

5О низкочастотного фильтра, но и подавляет нелинейные эффекты (СС вЂ” эффект и другие). Электрическая коррекция сигнала система в значительной мере нейтрализует действие демпфирования как линейного низкочастотного фильтра; полезное же действие демпфиро.вания как способа подавления нелинейных эффектов при этом полностью сохраняется, В результате в выходном сигнале )ПЭК резко возрастает отно 0 шение случайной помехи к полезному сигналу,но зато соответственно уменьшаются искажения полезного сйгна"1 F ла. (по сравнению с выходным сигналом параметрического преобразовате65 ля) .

748324

Выходной сигнал звена последовательной электрической коррекции поступает на входы релейных элементов

5 и 6, причем на вход 6 поступает еще градуировочный сигнал а,0 > от источника постоянного напряжен я 5

Значение градуировочного сигнала, приведенное к входу системы, равно: д1) ЬО мккк к (8) 10

Р елейные элементы преобразуют поступающие на их вход сигналы в телеграфный код, т.е. в непрерывную последовательность биполярных импульсов стандартной амплитуды со случайно распределенными моментами изменения знака, совпадающими с моментами изменения знака сигнала на входе. Ины — ми словами входным сигналом релейного элемента является знаковая функция эщп(кср+ (ЪЦ,а релейного элемента 6

Мд ЕC),+Z(K "9 )

По определению

1 при х ) 0 25

0 при х = 0 — 1 при (0

Таким образом, при рассматриваемом подходе измеряется не сам сигнал, а только значение его знаковой функции, 30 что существенно облегчает задачу измерений.

Указанные выше биполярные прямоугольные импульсы поступают на блоки

ИИВ, которые определяют разность меж- у5 ду длительностями положительного и отрицательного участка каждого биполярного импульса. Известны различные схемы подобных блоков. В качестве примера сошлемся на схему, согласно которой прямоугольные импульсы заполняются высокочастотными импульсами соответствующей полярности с выходов генератора счетных импульсов, а разность между числом положительных и отрицательных счетных импульсов оп- 45 ределяется двусторонним реверсивным счетчиком, имеющим схему сброса показаний после йрохождения каждогб биполярного импульса. Опрвделенные блоками измерения интервалов времени в 50 цифроЬой форме величины ь t, и д.с-, поступают на вычислительное устройс- . тво, определяющее з-начения д 9 „" " по

Формулам (7 и 8), а затем на регистратор. Последовательность значений 55

АЯq4.сглаживается по формуле (2) .

Итак, мы рассмотрели работу устройства по методу прямого преобразова; ния. Однако такое устройство может работать и в комплексе с гравиметром компенсационного типа (его следует подключить к выходу параметрического преобразователя параллельно собственной электрической системе гравиметра) . В этом случае на чувствительную систему помимо полезного сигнала и помех воздействует еще и компенсирующее усилие дик, которое регистрируется стандартной аппаратурой . Очевидно, что при этом величины

Гс), полученные по формуле (2), будут определять не искомые значения

А, а разность дg - дик, т. е. д =дЯ-др„ОтСюда следует, что aq -.

=4 + д 9 ., т.е. предложенное устройство будет определять динамическую поправку к показаниям гравимезра компенсационного типа.

Формула йэобретения

Гравиметр, содержащий чувствительную систему, например, типа крутильных весов с параМетрическим преобразователем и регистрирующим устройством, отличающийся тем, что, с целью уменьшения динамических погрешностей, в устройство введены звено последовательной электри» ческой коррекции, подключенное к выходу параметрического преобразователя, два элемента сдвужсторонней характеристикой, вхо4 первбго мз котоpbIx соединен с выхОдбм эвюна последовательной электрпческой коррекции непосредственно, а вход второго — через-сумматор, ко второму входу которого подключен источник постоянного напряжения, два блока измерения разйости длительностей положительных и отрицательных участков биполярных импульсов телеграфйого кода, входы которых подключены к выходам соответственно пеРвого и второго элементов с релейной характеристикой, а выходы " к входам вычислительного устройства.

Источники инфюрмации, принятые во внимание при экспертизе

::..1. Справочник геофизика, т.5, И., "Недра",, 1968 135-137.

2. Морская геология и геофизика.

93, Мингео СССР, 1976 (прототип).

748324

Составитель A.×óïðóíîâà

Редактор Н.Горват Техред Ж. Кастелевиц Корректор С.Шекмар

Заказ 4353/ll Тираж 649 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

» Щ » «»« «»« М

Филиал ППП Патент, г. ужгород,ул. Проектная, 4