Измерения силы тяжести с борта самолета

Измерения силы тяжести с борта самолета

Измерения силы тяжести с борта самолета в настоящее время не являются удовлетворительными вследствие чрезмерно больших ошибок в применяемых поправках. Поправки могут достигать 1б000ге при скорости порядка 400 км/ч, а ошибка на 1 % в определении скорости или курса вызывает максимальные ошибки соответственно в 180 и 250 ге.

Вертикальные ускорения, связанные с движением самолета, периоды которых превышают время усреднения измерений, исправить нелегко. Подобные погрешности в определенной степени можно исправить использованием автопилотов и автоматических стабилизаторов высоты, но в настоящее время точность при использовании таких систем достигает только 100 ге.

Цена деления гравиметров может со временем изменяться и должна периодически проверяться. Наиболее распространенной процедурой поверки является снятие показаний на двух или более опорных точках, где абсолютные или относительные значения силы тяжести известны.
Гравиметры эффективно реагируют только на вертикальную составляющую гравитационного притяжения аномальной массы.

Современная технология позволяет производить гравиметры, способные измерять изменения силы тяжести вплоть до 10 мкГал = 10-8 м/с2. Метод микрогравиметрии — основной метод гравитационной разведки. Именно этот метод применяется для поиска подземных пустот, для обнаружения искусственных подземных сооружений. Другим важным достижением последнего времени в гравиметрической разведке является создание портативного прибора, способного измерять абсолютные значения силы тяжести с высокой точностью.

Эффект кросс-каплинга

Эффект кросс-каплинга

В бортовых гравиметрах с чувствительным элементом на рычаге дополнительная сложность возникает из-за горизонтальных ускорений. Рычаг измерительного устройства осциллирует под действием различных вертикальных ускорений, вызванных движениями судна. Когда рычаг отклоняется от горизонтали, его начинают дальше смещать силы вращения, вызываемые любым горизонтальным ускорением. При определенных фазовых соотношениях между горизонтальными и вертикальными компонентами движения судна горизонтальные ускорения могут вызывать такие смещения рычага, которые уже не усредняются во времени.

Примером более сложного возмущающего движения гравиметра является вращение, когда измерительная система под влиянием морских волн описывает в пространстве окружность.

В момент времени t судно отклоняется вниз, смещая рычаг вверх и вправо и создавая поворот его против часовой стрелки, уменьшающий вертикальное перемещение рычага. Чуть позже, в момент времени t3, судно отклоняется вверх, смещая рычаг вниз и влево, вызывая поворот его вновь против часовой стрелки, который увеличивает смещение рычага вниз. В таком случае суммарный эффект горизонтальных ускорений должен вызывать систематическую ошибку в положении рычага.

Этот эффект известен как эффект кросс-каплинга. Его амплитуда зависит от характеристик демпфирования измерительной системы и амплитудно-фазовых соотношений между горизонтальными и вертикальными движениями. Они приводят к ошибкам в измеряемых значениях силы тяжести, называемым ошибками кросс-каплинга. Эта ошибка мала или незначительна при хороших погодных условиях, но может стать очень большой при сильном волнении. Ошибки кросс-каплинга исправляются с помощью сигналов от двух горизонтальных акселерометров, устанавливаемых на стабилизированной платформе.

Невозможность полностью скомпенсировать посторонние ускорения уменьшает точность набортных измерений в лучшем случае до 10 ге, а действительная величина точности зависит от преобладающего состояния моря.

Дистанционно управляемый наземный гравиметр

Дистанционно управляемый наземный гравиметр

На море силу тяжести можно измерять в отдельных точках с использованием дистанционно управляемого наземного гравиметра, который помещают в водонепроницаемый контейнер и опускают с борта судна на дно.

Таким образом могут быть получены результаты, сравнимые по качеству с наземными. Этот метод с успехом используется при относительно небольшой глубине моря. Недостаток его заключается в том, что при каждом измерении прибор необходимо опускать на морское дно, поэтому скорость съемки оказывается очень низкой. Кроме того, при сильных приливных течениях судно, ведущее съемку, нужно ставить на якорь для удержания его над точкой измерения, пока гравиметр находится на дне.

Гравитационные измерения на море могут выполняться непрерывно, если использовать гравиметр, модифицированный для бортового применения. Точность измерений бортовым гравиметром меньше, чем при измерениях на суше вследствие действия значительных горизонтальных и вертикальных ускорений негравитационной природы, действующих на прибор под влиянием морских волн и движения судна. Эти не гравитационные ускорения могут вызывать вариации в измеряемом значении силы тяжести.

Воздействия горизонтальных ускорений, вызываемых волнами, смещающими судно из стороны в сторону и изменяющими его скорость и курс, можно в значительной степени исключить, если поместить прибор на гиростабилизированную горизонтальную платформу. Стабилизированное измерительное устройство будет реагировать только на вертикальные ускорения. Отклонения платформы от горизонтального положения создают ошибки наклона, которые обычно меньше 10 ге. Внешние вертикальные ускорения, вызываемые движениями волн, не отличимы от силы тяжести, но их влияние можно уменьшить за счет сильного демпфирования подвесной системы и усреднения отсчетов за интервал времени, значительно больший, чем максимальный период волнового движения (около 8 с). При качке судна в вертикальной плоскости, когда оно занимает положение выше и ниже среднего уровня моря, волновые ускорения имеют равные положительные и отрицательные значения и с успехом исключаются осреднением за несколько минут (за несколько периодов качки).

Астазированный гравиметр

Астазированный гравиметр

Астазированный гравиметр состоит из укрепленного на опоре рычага, несущего грузик и поддерживаемого пружиной, прикрепленной как раз над его точкой опоры. Величина момента силы, действующей со стороны пружины на рычаг, зависит от растяжения пружины и синуса угла.

При увеличении силы тяжести рычаг опускается и пружина растягивается сильнее. Хотя возвращающая сила пружины возрастает, величина угла уменьшается. Выбирая соответствующим образом взаимное расположение пружины и рычага, можно достичь такого положения, при котором увеличение возвращающего момента с увеличением силы тяжести будет сколь угодно малым.

С обычными пружинами рабочий диапазон такого прибора был бы очень мал. Однако применяя пружину нулевой начальной длины (такая пружина предварительно растягивается в процессе ее изготовления так, чтобы возвращающая сила была пропорциональна физической длине пружины, а не ее удлинению), создают приборы с очень высокой чувствительностью в широком диапазоне измеряемых значений силы тяжести. Показания прибора снимают, возвращая рычаг в горизонтальное положение, для чего с помощью микрометрического винта смещают по вертикали точку прикрепления пружины.

Температурные эффекты исключаются за счет термостатирования системы. Диапазон величин, измеряемых прибором, составляет 50000 ге.

Недостатком гравиметров является дрейф — смещение нуля гравиметра, при котором показания прибора постепенно изменяются со временем при измерениях в одной и той же точке. Причиной дрейфа является неидеальная упругость пружин, которые с течением времени испытывают пластические деформации (ползучесть). Дрейф также может являться результатом температурных вариаций, которые, если их не скомпенсировать тем или иным образом, вызывают растяжение или сжатие измерительной системы и в результате порождают вариации измеряемых значений, не связанные с изменениями силы тяжести. Для исключения влияния дрейфа проводятся повторные измерения в одной и той же точке.

Первое поколение приборов гравитационной разведки

Первое поколение приборов гравитационной разведки

В первом поколении приборов гравитационной разведки для относительных измерений значения ускорения силы тяжести использовались небольшие маятники или наблюдались колебания крутильных весов, и хотя эти приборы были портативными, они требовали значительного времени для измерений.

Современные приборы, способные измерять силу тяжести значительно быстрее, носят название гравиметров.

Гравиметры в своей основе являются пружинными весами, несущими грузик постоянной массы. Изменения веса этого грузика, вызванные вариациями силы тяжести, приводят к изменению длины пружины и являются мерой изменения силы тяжести.

В приборах, пригодных для гравитационных измерений на суше, должно быть измерено с точностью 10 -8. Хотя большая масса и слабая пружина увеличили бы отношение m/k и, следовательно, чувствительность прибора, на практике это сделало бы систему неустойчивой. Следовательно, в реальных приборах требуется усилить удлинение пружины каким-либо оптическим, механическим или электронным способом.

Пружина в гравиметре должна выполнять двойную функцию, а именно: поддерживать грузик и служить измерительным устройством. Эту техническую проблему удалось решить в современных астазированных приборах, в которых используется дополнительная сила, действующая в том же направлении, что и растяжение (или сжатие) пружины, и, следовательно, усиливающая смещение грузика.

Гравиметрическая разведка

Гравиметрическая разведка

Гравиметрическая разведка исследует вариации гравитационного поля Земли, вызванные различиями в плотности поверхностных и подповерхностных слоев.

Основой является понятие аномального тела, которое представляет собой объект, отличающийся по плотности от окружающих его земных пород. Эта область обладает аномальной массой и вызывает локальное искажение гравитационного поля.

Очень многие ситуации приводят к возникновению гравитационных аномалий заметной величины. Интерпретация гравитационных аномалий позволяет получать оценки глубины и формы аномального тела.

Возможность выполнять гравитационные съемки в морских условиях расширяет сферу применения этого метода, так что его можно использовать практически в любых районах мира.

Основой гравиметрической разведки является закон тяготения Ньютона, согласно которому сила притяжения F между двумя массами m1 и, и m2 размеры которых малы по сравнению с расстоянием r между ними, определяется соотношением:

Гравитационные поля

Гравитационное поле наиболее удобно определять через гравитационный потенциал.

В то время как гравитационное ускорение является векторной величиной, имеющей как амплитуду, так и направление (вертикально вниз), гравитационный потенциал U является скаляром и имеет только амплитуду. Первая производная от U по некоторому направлению дает компоненту силы тяжести по этому направлению.

Страница 1 из 712345...Последняя »
Яндекс.Метрика