авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 14 |

«Вольфганг Торге rравиметрия Перевод с английского канд. техн. наук Г. А. Шанурова под редакцией канд. техн. наук А. П. Юзефовича Москва «Мир» ...»

-- [ Страница 7 ] --

Абсолютный калибровочный 10• -1,7 ±0, базис Хаммерфест-Мюнхен х х 1, Базис Куксхафен-Ганновер 103 х -0,1 ±0, Гарц х 3, Вертикальный калибровочный базис в Ганновере 2 ±0, 0, вочнШf система помимо десяти упомянутых пунктов абсолютных определений содержит калибровочный базис Куксхафен Ганнавер - Гарц (рис. 6.24) и вертикальный базис в 76 м) [353]. Выбранный шаг этих базисов nоз­ Ганновере (в многоэтажном здании высотой воляет находить периодические шкалавые ошибки гравиметров Ла Коста - Ромберга (разд. 6.5.4), а также нелинейности шкал гравиметров модели D. Значения g на пунктах базиса были определены в 1977-1986 гг. с 35 гравиметрамиЛа Коста- Ромберга моде­ лей G и D ( -12 тыс. измерений ~). Базис Куксхафен - Гарц в 1987 г. был усилен 9 пунк­ тами абсолютных определений. В табл. 6.2 приведсны диапазоны базисов, шаг и точность калибровочной системы.

6. На рис. представлен график кубической калибровочной функции гравиметра Ла Коста Ромберга модели определенной на этой калибровочной системе в разное вре­ - D, мя. Как видно, пренебрежение нелинейными членами может вызвать ошибки до ±0,3 мкм·с- 2 • Таблица 6.3 содержит параметры периодических членов калибровочной функции, полученные из наблюдений на пунктах этой системы. В 1986 г. в Kurrшe создана калибровочная система такой же точности. Она содержит базисы в горах Лушань (2000 мкм ·с- 2, 24 пункта), связанные с пунктами абсолютных определений [501], и базисы в Ухане (высотном здании, 19 пунктов при tlg = 200 мкм·с -- z. 11 пунктов при tlg = 20мкм·с-z [786]).

6.3.

Таблица Уравненные значения периодических параметров калибровочной функции гравиметров Л а Коста-Ромберга, 1 дел. шкалы "' 10 мкм · с- [353] Прибор Пер.,од, Начальная Лмптпуда.

' ( фаза,.( пел. шкалы ll~f ) Ла Коста-Ромберг G79 1,00 44 ±5 185 ± 7,88 357 ±' 81 ± 35,47 75 ± 11 358 ± 70,94 111 ± 14 119 ± Ла Коста-Ромберг G298 1,00 8 ±4 93 ± 7,88 43 ±5 180 ± 35,47 38 ±8 180 ± 70,94 66 ±8 244 ± Ла Коста-Ромберr Gl4 1,625 14 ±3 243 ± Относительные измерения силы тяжести --1978 ----- 1983/ --~-1979 ·············1983/ 6.25.

Рис.

5О 100 Калибровочная функция (различие с резуль­ татами изготовителя) гравиметра Ла Коста - 023, Ромберга полученная на калибровоч­ ном базисе Ганновер Гарц в разные эпохи --400 и при различных положениях диапазонного [354].

винта 6.5. Статические пружинные гравиметры История развития до г.

6.5.1. С по 1950 г. было создано большое число разных пружинных гравиметров.

Некоторые из них (около изготавливались серийно и впоследствии широко 20) использовались в прикладной геофизике и при национальных гравиметрических съемках. Ниже рассматриваются принцип и основные особенности типичных при­ боров. Подробное описание дается, например, в работах Примерно [235, 505].

в 1960 г. разработчики сконцентрировались лишь на нескольких типах гравимет­ ров (разд. Некоторые из них после необходимых переделок можно 6.5.2-6.5.4).

использовать для измерений на подвижном основании (разд. 7.3.2) и наблюдений припивных изменений силы тяжести (разд. 10.1.4).

По принципу измерений и в зависимости от материала пружины гравиметры разделяют на неастазированные и астазированные;

астазированные приборы бы­ вают металлические и кварцевые.

Некоторые неастазированные металлические гравиметры основаны на прин­ 6.2.1).

ципе вертикальных пружинных весов (разд. Системы с поступательным перемещением груза были разработаны Хартлеем и Графом С по­ [275] [231].

мошью оптической или фотоэлектрический системы регистрации, нулевого мето­ да измерений, термостатирования и герметизации прибора удавалось достичь ТОЧНОСТИ ±10МКМ·С- 2.

0,3 1, В ранней конструкции Хортлея (диаметр м, высота м) удлинение пружины пре­ образовывалось с помощью горизонтального рычага в изменение угла поворота. Послед­ нее компенсировалось измерительной пружиной с помощью микрометреиного винта (рис. Конструкция графа была реализована в первых приборах компании «Аскаиия»

6.26).

в Берлине (например, гравиметр диаметр 0,5 м, высота 1 м, вес 57 кг).

Gs 3:

Хойт в качестве меры изменения силы тяжести использует закручивание вер­ тикальной спиральной ленточной пру:Жины (рис. 6.27).

Поворот пружины (длина 0,3 м, сечение 0,5 х 0,5 мм 2 ) отслеживается оптической сис­ темой с многократным отражением от зеркала на пробной массе (чувствительность 1 мкм·с~ 2 /1 "). Гравиметр (диапазон измерений без перестройки 300мкм·с~ 2, вес 40кг, более поздних моделей- 12 кг) имел малое смещение нуль-пункта (несколько мкм·с ~ 2/ сут) и более высокую точность измерений ( ± 2-3 мкм·с ~ 2 ). С 1935 по 1960 г. его щироко применяли в изысканиях компании Gulf Research апd Development Со. [784].

210 Глава Микрометренный Ленточная винт nру ж мне Рис. (левый). Принцип гравиметра Хартлея (система с вертикальным перемешением).

6. Рис. (правый). Принцип гравиметра Хойта (вертикальная крутильная система).

6. И наконец, начиная с 1940 г. нашли широкое применение гравиметры фирмы «Аскания», использующие принцип крутильных пружинных весов Графа 6.5.2).

(разд.

Вскоре высокая точность была получена с пружинными рычажными весами, содержащими горизонтальный рычаг и металлические пружины. Для этих кон­ струкций характерно использование пружины, длина которой близка к нулю, и высокая степень астазирования (пружина установлена почти вертикально) (разд. Система отсчета оптическая, по нулевому методу;

обычно применя­ 6.2.3).

ли термостатпрованне и барометрическую компенсацию. Разные модификации различаются в основном расположением удерживающей пружины и типом ком­ пенсационного устройства.

В приборе, созданном в 1930 г. Труманом, вертикальная удерживающая пружина при­ креплена к нижнему концу рычага, что повышает чувствительность в 200 раз (рис. 6.28).

Начиная с 1932 г. этот гравиметр (диаметр 0,6 м, высота 1 м, вес 60 кг) применялея нефтя­ ной компанией Н umЬle Oil Со., точность измерений составляла ± 2-3 мкм ·с- 2 • С 1939 г.

выпускаются и успешно применяются астазированные рычажные пружинные весы с на­ клонной металлической пружиной нулевой длины, идея которых и первая реализация при­ Kocmy ( надлежат Люсьену Ла г.) (разд. 6.5.4).

На иных принцилах конструировались гравиметры Тиссена и Шлёзенера, а также М.С. Молоденского, в которых применялась металлическая пружина.

В пружинных весах с опорным ребром конструкции Тиссена и Шлёзенера г.) име­ ( ется кварцевый рычаг с :-.1ассой г, который может наклоняться. Равновесие достигается 0,5 6.29).

с помошью вертикальной металлической пружины длиной м (рис. Центр масс всей системы расположен выше плоскости rычага. Это достигается с· помошью дополни­ тельной массы, которую можно смещать по вертикали;

в результате система становится слабоастазированной (в раз). В помощью оптического устройства фиксируют точ­ 30- ки реверсии колебательной системы (Т= с). В приборе предусмотрена теплоизоляция 6- (материалом корпуса и водной оболочкой), а также барометрическая компенсация;

в кор­ 180°.

пус помещены две чувствительные системы, повернутые относительно друг друга на Seismos GmbH Фирма (Ганновер) выпустила более ста гравиметров этого типа (0,3 0,3 0,8 20 кг), х х м, которые применялись во всей Центральной Европе. При надеж Относительные измерения силы тяжести Рис. 6.28.

Принцип гравиметра Трумана (астазированные рычажные пружинные весы).

ном контроле смещения нуль-пункта (10-20 мкм·с- 2 /сут) достигали точности ±2-3 МКМ·С- 2.

В соответствии с идеей, высказанной в г. М.С. Молоденским, и с усовершенство­ ваниями А.М. Лозинекой в СССР вьшускались гравиметры с металлической плоской коль­ [634]. 6.30) rr.

цевой пружиной Гра$иметр ГКА (рис. широко применялея в 1950-х Горизон­ 6 мм, тальный кварцевый рычаг (диаметр длина мм) с грузом может поворачиваться вокруг вольфрамовой нити, которая проходит через центр плоской кольцевой пружины (радиус мм) из эли!fвара. Чувствительность прибора повышена астазирующей пружи­ ной. Нулевой метод измерений осуществляется с помощью компенсирующей пружины.

0,3 0,4 м, Термостатированный прибор (диаметр м, высота вес кг) позволял получать точность ±2-5 мкм·с- 2.

Для чувствительных систем из плавленого кварца характерны сравнительно стабильные упругие свойства и малые размеры. При герметизации системы и хорошей теплоизоляции можно отказаться от термостатирования. Нет необходи­ мости арретировать такую систему при транспортировке. Кварцевые гравиметры стали изготовлять как в виде пружинных систем, так и маятников на торсионном подвесе.

Первый полевой кварцевый гравиметр был разработан Мотт-Смитом г.) (1937 [492].

Горизонтальное коромысло гравиметра с отсчетным индексом (оптическая регистрация) было подвешено на крутильных нитях (диаметр мм, длина 4 см) (рис. Для аста­ 0,05 6.31).

зирования применена слабая плоская пружина, которая связана с рычагом, несущим проб­ ную массу, через натянутую кварцевую нить. При отклонении рычага от горизонтального положения упругая сила пружины порождает момент, который увеличивает отклонение.

дстазмрующее устройство Груз Компенсац.

пружмна дстазмрующее устройство Рис. 6.29 (левый). Принцип гравиметра Тиссена - Шлёзенера (астазированные пружинные весы с но­ жевой опорой).

Рис. (правый). Принuип гравиметра ГКА (астазированная рычажная система с кольцевой пружll­ 6. ной) [634].

Глава К81рц888А нить Рамка КрутмnlоН811 нить рамка Рис. (левый). Принцип гравиметра Мотт Смита (астазированная кварцевая крутильная 6.31 система).

Рис. 6.32 (правый). Принцип гравиметра Изиига (астазированный кварцевый крутильный обратный маятник).

Пр~ установке в тройном жидкостном термостате была достигнута точность ± 1 мкм ·с- 2 • Кварцевые пружинные системы, изготовленные целиком из единой отливки (система Уор­ 40 6.5.3).

дена), применяли в гравиметрах почти лет;

производятся они и поныне (разд.

При использовании мШiтника с крутильной нитью, когда в отличие от динамическо­ го упругого маятника (разд. 6.1.3),измеряют величину его отклонения, нет необходимости в применении пружин. В этой конструкции компенсирующий момент создается самой кру­ тильной нитью. В г. Изинг предложил использовать упругий (обратный) маятник как астазированный гравиметр. В 1930-х гг. такие приборы выпускались, однако они нашли [324] (рис. 6.32).

лишь ограниченное применение (1945 [512] имеется горизонтальный В приборе Норгарда г.) кварцевый маятник (дли­ 15 0,5 г), на мм, вес удерживаемый в положении равновесия кварцевой нитью (диаметр 0,2 мм, 12 см) 6.33).

длина (рис. Эта неастазированная чувствительная система помещена в вязкую жидкость для демпфирования и температурной комnенсации. Отклонение маят­ ника наблюдают оnтическим методом с nомощью неnодвижного и nодвижного зеркал;

nоследнее укреnлено на маятнике. Наклоном прибора добиваются совмещения двух отра­ i женных оnтических лучей. Для двух nунктов и}, где углы наклона равны соответственно 11;

и соблюдается условие llj, (6.62) g;

g;

COS llj = COS Vj.

Приращение силы тяжести находят по формуле (6.63) где - = :2 (v;

+ 1 ) = llj llj, D.v;

,j v;

.

С изменением угла наклона 11 меняется чувствительность nрибора;

для v = 20' nолу­ чим, что dgldv = О,Змкм·с- 2 /1". Для калибровки можно исnользовать метод наклона 6.4.2). (разд. В 1940-х и 1950-х гг. изготовлено более гравиметров Норгарда (0,2 м х 0,3 м 0,4 м, 13 х кг без термостата, а nозже с термостатом), которые применя Рис. 6.33.

Кварцеваfi Принцип гравиметра Норгарда (горизонтальный кварце­ рамке вый маятник).

Относительные измерения силы тяжести ли в Северной и Восточной Европе. Большой диапазон измерений (до 2 х 104 мкм·с- 2 ) позволял выполнять обширные съемки. Смещение нуль-пункта составляло 5 10 мкм·с ·· 2 /сут, достигалась точность ±2-4 мкм·с- 2 [308]. Одновременно подобные раз­ работки осуществлялись в СССР (Институт физики Земли, Москва);

в гравиметрах ГАЭ и ГАГ для измерения угла наклона использован лимб оптического теодолита. Астазиро­ (0,25 0,25 0,45 ванным гравиметром ГАГ-2 мх мх м, кг), широко применявщимся в Восточной Европе с 1960-х г., даже при больших приращениях силы тяжести достигали точность ±1-1,5мкм·с- 2 [206] 1.

Рычажные крутильные пружинные весы (система Асканин) 6.5.2.

В 1940-1970 гг. берлинская фирма выпустила серийно большое Askania-Werke число гравиметров различных типов с неастазированными крутильными пружин­ ными весами (разд. 6.2.2). Эти приборы основывались на конструкции Графа (1942 г.) [232]. Конструкции более поздних приборов (Gs 9, Gs 11, Gs 12, Gs 15, Gs 16) в значительной степени идентичны [235].

Рисунок 6.34 иллюстрирует конструкцию современных гравиметров Аскания.

Пара горизонтальных спиральных пружин (изоэластик), предварительно закру Зеркальный гальванометр Щель Уровни Дифференциальный Микрометр фотоэлемент nружина,_._ Арретир Груз Рис. Конструкция гравиметра Аскания (фирма Асканню, данные г.).

6.34. • С 1986 г. серийно выпускается геодезический гравиметр ГАГ-3 конструкции ИФЗ РАН;

вес nри­ бора (с двумя встроенными аккумуляторами- основным и резервным) 12 кг. При наблюдениях с угломером (лимб диаметром 14,8 см) и Ag = 5 · 103 мкм ·с- 2 в рейсах длительностью 6- 10 ч точ­ ность одной приборо-связи ± 0,4 мкм · с- 2 ;

nри наблюдениях с измерительным винтом ±О, 15 - 0, мкм · с- 2 (рейсы по 4 - 6 ч, Ag = 200 - 300 мкм · с- 2 ), а nри микрогравиметрической съемке (nолу­ часовые рейсы) 0,06 - 0,08 мкм · с- 2 • Создана модификация nрибора с электрооптической системой регистрации, акустической и сейсмозащитой;

ошибка nриборо-связи (в лабораторных условиях) 6 им· с- 2.- Прим. ред.

214 Глава t k(~~ m 6m ь • 41 ~ ~ 6m·g Рис. 6.35.

Принциn гравиметра Аскания (неастазированные рычаж­ mg ные весы с торсионной nружиной).

z ченных на удерживает рычаг длиной 15 см с грузом 200 г, центр масс и ось 360°, вращения рычага лежат в одной горизонтальной плоскости. Две слабые компен­ сирующие пружины прикреплены вблизи центра масс рычага. Для возвращения рычага в горизонтальное положение служит тонкая измерительная пружина, скрепленная с микрометреиным винтом (1 оборот = 100-200 мкм·с- Более 2 ).

жесткая пружина служит для перестройки диапазона измерений (диапазон без пе­ рестройки в Gs 11 - 8000 мкм ·с- 2, в Gs 12 - 13 000 мкм ·с- 2, полный диапазон измерений - 0,05 м ·с- 2 ).

Первоначально применяли фотоэлектрическую регистрацию. Зеркало, укреп­ ленное на рычаге, направляло световой блик на дифференциальный фотоприем­ ник;

при нулевом положении рычага фототок отсутствовал. При отклонении ры­ чага фототок поступал на зеркальный гальванометр, величину тока определяли по положению светового блика на шкале гальванометра. В приборах и Gs (с 1970 г.) (разд. применяли емкостные устройства. Изменение дли­ Gs 16 6.3.3) ны измерительной пружины при нулевом положении рычага отсчитывалось по прецизионной шкале (цена деления мм, точность отсчета ±0,5 мкм) у верхне­ 0, го конца пружины. При этом погрешности измерительного винта не влияют на отсчет (разд. 6.4.1).

С учетом упругих моментов крутильных пружин и измерительных пру­ (6.22) жни при уравнение равновесия имеет вид d= (6.25) + - k(l- lo)b sin тgа о: т(о:о о:) о: = О, sin (6.64) см. рис. Дифференцирование этого уравнения по g, о: и 1 с учетом 6.35.

dl bdo:

= дает выражения для чувствительности в момент измерений (о:

(6.31) = 90°):

· (~;

)а= =-т :~ьi (6.65) 90° Система не астазирована, поскольку знаменатель содержит лишь положительные иенулевые члены.

При ~т, ао +а= 27Г, а= м имеем 0, k ('!_а) ?1Г рад/м ·с- 2 = О",01310,1 мкм ·с- 2, = 0, = dg g cr = 90° Относительные из1о1ерения силы тяжести (6.33), а период колебаний, согласно То = 27rv'(),\5-0,64 = 2 с.

Для компенсации влияния внешних возмущений и для защиты от их воздействий исполь­ зуют различные методы. Влияние температуры уменьшают компенсирующими пружина­ ми, расположенными по осям крутильных пружин, а также двойным термостатированием ±0,01 °).

(переключение на разную температуру, Влияние изменений атмосферного давле­ ния исключается герметизацией чувствительной системы, а также благодаря полым ци­ линдрам на плече рычага для аэростатической компенсации. Для экранирования магнит­ ных влияний применяют покрытие из пермаллоя. Демпферны.й колокол, имеющийся на рычаге, уменьшает влияние сотрясений. При транспортировке чувствительная система ар­ ретируется. Для термостатирования и освещения шкалы служат два 6-волътовых аккуму­ лятора.

Наклонив прибор на можно поместить на рычаг (или снять) дополнитель­ 90°, 2 мм 20 мг).

ную массу (стальной шарик диаметром и весом Кажущееся измене­ ние силы тяжести составит при этом около 900 мкм ·с - 2 • Тем самым пользова­ тель может выполнить калибровку измерительной пружины методом дополни­ 6.4.3).

тельной массы (разд.

В соответствии с предложением Рамзайера [548].в сочетании с измерительной пружиной при измерении силы тяжести можно использовать набор дополнитель­ ных масс при условии, что их вес известен с высокой точностью. Этот принцип был реализован в гравиметрах Аскания и В них шарики (из специаль­ Gs 12 Gs 15.

ного магазина) можно размещать в маленьких канавках симметрично относи­ тельно рычага. Различными комбинациями шариков можно компенсировать из­ менения силы тяжести с шагом около 900 мкм·с- 2 (рис. 6.36). Таким образом, 19 шариках, пользуясь измерительной пружиной в интервале менее при 500 мкм ·с - 2, можно выполнять измерения в общем диапазоне 17 000 мкм ·с - 2 • Поскольку используется менее 101Jo диапазона пружины (13 000 мкм·с- 2 ), умень­ шается влияние упругого гистерезиса и долгопериодических членов калибровоч­ ной функции;

по зтой причине такие приборы особенно эффективны при измере­ нии больших приращений силы тяжести. Методом дополнительной массы можно выполнить калибровку пружины в б6льшем ее диапазоне (рис. 6.20).

измерений силы тяжести с дополнительными массами и изменением длины TeopWI [607]. Для = 90°) пружины была разработана Шульце рабочего положения (а справедливо (6.64) 6.35):

выражение, вытекающее из (рис.

+ + &1) = (6.66) - - k(l тgа т(ао а) /о)Ь отg(а О, + гдет-масса системы, расположенная на расстоянии а от оси вращения, от- дополни­ тельная масса (на расстоянии а Для упруГих моментов пружин и калибровочной + &1).

функции зависящей только от отсчета по шкале, имеем соотношение f(z), z + + + &1)/(z) = (ат (а &I)oт)g - (а О;

(6.67а) перепишем это выражение с учетом а+ &1 • т=---т, а 216 Глава получим (т• = О.

+ &n)g - f(z) (6.67б) Если выражение для ускорения силы тяжести f(z) (6.68) g= • · + т Нfl разложить в ряд Тейлора, то после некоторых преобразований можно получить следую­ i щую формулу для приращения силы тяжести между пунктами и j:

~т·) (f' (Zт).:1z = т· ( т: - g;

~т), =& - g;

(6.69) 1 /lg;

.i где d~~z) f' (z) =l + Zj),, = Zm (Z;

~т = &ni - ~т;

.

.:1z = Zj - Z;

, f' (z) Масштабный коэффициент находят при калибровке с дополнительными массами 6.4.3), (разд. массы дополнительных грузиков ~т получают прецизионным взвешиванием.

Величину т·, как калибровочный коэффициент, необходимо определять на гравиметриче­ 6.4.5).

ских базисах (разд. Если для интерполяции результатов по разным дополнитель­ ным массам использовать лишь измерительную пружину, то точность величины будет llg.:1z почти полностью определяться точностью приращения (с учетом дрейфа), не считая ошибки линейного калибровочного коэффициента.

На рис. 6.37 показав гравиметр Gs 11 (диаметр 0,35 м, высота 0,5 м, вес 22 кг).

1950-1970 гг. гравиметры Аскания исполъзовались во всем мире (кроме Север­ В ной Америки) для построения гравиметрических сетей и при геофизических иссле­ Gs дованиях. Впоследствии гравиметры внесли существенный вклад в создание [688] 9.1.1).

гравиметрической сети МГСС71 в Европе и Африке (разд. Смещение нуль-пункта у современных приборов при стационарных наблюдениях не превы­ 1 мкм·с- 2 /сут, при работе в поле на него накладывается дрейф от О до шает Маrаэмн Отверстие t AIIA / wармка Рис. (левый). Калибровочное устройство гравиметра Аскання с дополнительными массами 6.36 Gs 1957 г.).

(фирма «Аскания», данные Рис. (правый). Гравиметр Аскания Gs15 (фирма «Аскания», данные г.).

6.37 Относительные измерения силы тяжести ± 1 мкм ·с- 2/ч (линейный в те~ение нескольких часов), связанный с транспорти­ ровкой. Если смещение учитывается надежно, то малые приращения силы тяже­ сти можно измерить с ошибкой ±0,1-0,3 мкм·с- 2. При больших ilg (1000 10000мкм·с-2) и/или длительный транспортировке (более 5-lОч) ошибка (без учета ошибки масштабного коэффициента) увеличивается до ±0,5-1 мкм·с- 2.

Примерно с 1970 г. гравиметры Аскания стали заменять более удобными при­ 6.5.3 и 6.5.4). Модифицированные гравиметры Аскания длительное борами (разд.

время применяют для наблюдений приливных изменений силы тяжести (разд.10.1.4).

Кварцевь1е nружинные гравиметры 6.5.3.

(система Уордена) 1947 г. [777] После разработки в Уорденом процесса изготовления астазирован­ ных чувствительных систем из одной плавки кварца эти приборы нашли широ­ кое применение. Сейчас они чаще всего используются при разведке место­ рождений.

6.38, Принцип конструкции чувствительной системы иллюстрирует рис. а.

4 см), Изогнутый рычаг (длиной примерно укрепленный на горизонтальной рам­ (5 мг). Рамка удерживается ке, несет пробную массу двумя короткими кварцевы­ ми нитями (диаметр 3 мкм), образующими малый торсионный шарнир. Ниже центра масс системы к рычагу прикреплена вертикальная удерживающая пружи­ на (для астазирования). При некотором предварительном напряжении она эквива­ 6.2.2).

л~нтна пружине нулевой длины (разд. Измерительная система располага­ ется на кварцевой раме, прикрепленной к металлическому цилиндру. Верхний ко­ нец удерживающей пружины через температурный компенсатор (см. ниже) связан с противоположной стороны с рамой через шарнир. Компенсационные пружины также прикреплены к плечам рычага;

эти пружины из-за уменьшения рычагами рычага Термакомпенсатор а) б} 6.38. а Рис. Конструхщц гравиметра У ордена (фирма Хьюстон, Техас);

б Thxas Instruments Inc., nрннциn гравиметра Уордена (астазированные оарцевые рычажные пружиiDfые весы).

218 Глава их силового воздействия могут иметь большие размеры, чем главная: пружина.

При наблюдениях на пункте нулевое положение рычага (горизонтальное положе­ ние плоскости, содержашей центр масс и ось врашения) устанавливается микро­ метреиным винтом (малая: шкала) через слабую измерительную пружину;

второй винт (большая: шкала) связан с диапазонной пружиной и позволяет настраивать диапазон прибора. Торсионный шарнир несет отсчетный индекс, который оканчи­ вается горизонтальным стержнем. Этот индекс освещен и виден в микроскоп (оптический метод). Отсчет по микрометрениому винту в более современных мо­ делях заменен на цифровой.

Все необходимые соотношения для такой системы вытекают из уравнений ры­ 6.2.2 [343].

чажных весов с пружиной нулевой длины, полученных в разд. По 6.38, рис. б при /о = О можно получить выражения для моментов силы тяжести и упругой силы пружины:

(а + о - 90°) = тgа siп + cos м, = тgа (а о), = kh/ = kbd siп (а + /3).

MF (6.27) Аналогично условие равновесия имеет вид + + /3) = о.

= м тgа siп (а о) siп (а - kbd (6.70а) (6.31), Согласно выражение для чувствительности та siп (а + о) ( da) - (6.71а) dg - - тgа cos (а + о) - kbd cos (а + {3).

= 90° + При горизонтальном рабочем положении имеем а о и, таким образом, + {3) kbd sin тgа- (а = О. (6.706) Поскольку (дМ\ = - kЬd cos (а + {3) О при (а + {3) 90°, да}а+о=90" имеем положение устойчивого равновесия (разд. Для чувствительности 6.2.3).

получим = tg (а + {3) ( da) • (6.71б) dg а+ о= 90" g Система астазируется подбором величины (а+ При {3).

{3 = 90° а+ получается безразличное равновесие (6.70в) kbd тgа- =О, (-дю а+ (6.71в) = да = 90" ' ( 6.2.3).

(разд. При + {3 90° а ~ е О, = Относительные измерения силы тяжести выражение принимает вид (6. 706) (6.70г) О, mga - kbd cos t = а выражение (6.71б) становится (da) _g ctg t (6.71г) · аН=90° dg Следовательно, высокая чувствительность достигается при малых углах t.

= 35рад/м·с- 2 = 0",7/ При е= 10' и а= 0,04м чувствительность составит (da.ldg) 0,1 мкм ·с- 2, и в соответствии с (6.33) период колебаний рычага То = 21r.,;

o.-04 · 35 = 7,4 с.

Внешние возмущающие воздействия хорошо устраняются устройствами компенсации и защиты. Особенно важно уменьшение температурных влияний. В чувствительной систе­ ме имеется устройство для температурной компенсации. Оно состоит из двух рычагов с разными коэффициентами температурного расширения, которые сходятся у верхнего 6.38, конца главной пружины (рис. а). Рычаги прикреплены к рамке в разных точках таким образом, что изменения температуры вызывают поворот, компенсирующий изменение длины пружины. Компенсация осуществляется в ограниченном диапазоне силы тяжести (16 000 мкм·с- 2 ), а расширение этого диапазона (до 66 000 мкм·с- 2 ) возможно с помощью нелинейного элемента (полная компенсация). Чувствительная система герметизирована (частичный вакуум =- 10 3 Па) и помещена в сосуд Дьюара из нержавеющей стали. Из-за особых тепловых свойств кварца (разд. отпадают необходимость в термостатирова­ '6.3.2) нии и связанные с ним большие затраты на источник питания. Даже при значительных изменениях температуры дрейф обычно остается в пределах 1 мкм·с- 2 /ч. Термостатирова­ ( ± 0, ние °С) целесообразно при более высоких точностных требованиях и при больших вариациях внешней температуры. Из-за малой массы измерительной системы нет необхо­ димости в устройствах демпфирования и арретирования;

при транспортировке достаточно ограничить колебания рычага.

Измерительный винт калибруется методом наклона (разд. шкала при­ 6.4.2);

бора линейная с точностью до 1·10 3 в интервале силы тяжести 1000 3000 мкм ·с- 2 (в зависимости от типа прибора), измеряемом без перестройки диа­ пазона. В моделях, предназначенных для работ на больших территориях (геоде­ зические модели), диапазонный винт также калибруют и получают функцию масштабного коэффициента нелинейнога вида с точностью ± 1 х 10- 3 • В прибо­ ре с калиброванными измерительным и диапазонным винтами пользователь мо­ жет выполнить сравнительную калибровку этих винтов.

Нелинейности калибровочной функции могут внести ошибки до 0,5 мкм·с- 2 в преде­ [209].

лах диапазона измерений Обнаружено, что калибровочная функция диапазонного винта содержит периодические члены (период 1000-IООООмкм·с- 2 ) с амплитудами 2 30 МКМ·С- 2 (780].

На рис. 6.39 по казан очень компактный (диаметр О, 18 м, высота 0,36 м) и лег­ кий (3,4 кг, ас термостатом и аккумулятором 4,4 кг, с упаковочным ящиком "Texas lnstruments, Inc", 7,1-8,3 кг) гравиметр Уордена фирмы Хьюстон, Техас (ранее выпускавшийся Хьюстонскими техническими лабораториями).

Модели «Проспектор» и «Мастер» (с термостатом) выпускаются с разными дополни­ тельными устройствами. Их малая шкала имеет цену деления 0,8-1,1 мкм·с- 2 /дел. шка­ лы, диапазон измерений в 2100дел. шкалы и отсчетную точность 0,1 мкм·с- 2 • С по Глава Рис. (левый). Гравиметр Уордена, модель Мастер (фирма Хьюстон, 6.39 Texas lnstruments Inc., Техас).

Рис. (nравый). Гравиметр Сиитреке Автограв. (Фирма 6.40 CG-3 Scintrex Geophysical and Geochemical Конкорд, Онтарио, Канада).

lnstrumentation and Services, мощью перестройки полный диапазон можно увеличить до 52 000-66 000 мкм ·с- 2 • В гра­ виметре геодезического типа можно использовать для измерений диапазонный винт (цена деления 65-120мкм·с- 2 /дел. шкалы) в интервале 800дел. шкалы. С 1947 г. выпущено бо­ лее гравиметров Уордена.

Другие изготовители также выпускают кварцевые пружинные гравиметры, основан­ (World Wide lnstr. Inc., ные на тех же принцилах и имеющие лишь небольшие отличия Sharpe Instr. of Canada, Уиллоудейл, Онта­ Хьюстон, Техас;

Sciпtrex, Конкорд, Онтарио;

рио). Приборы фирмы Уиллоудейл, Онтарио,имеют примерно такое Sodin (Gravity) Ltd., же дополнительное оборудование и такие же возможности, что и гравиметры Уордена (термостат, геодезическая модель). В СССР изготовление и непрерывное совершенствова­ ние кварцевых пружинных гравиметров началось в г. с приборов типа ГАК. Такие приборы эффективны при измерении небольших прирашений.:илы тяжести (800-1300 мкм·с- 2 ) 1.

Scintrex CG-3 Autograv, 1987 г. Scintrex Гравиметр реализуемый с фирмой Со., представляет собой автоматизированный гравиметр на микропроцессорах 6.40).

(рис. Для него характерно сочетание чувствительной системы из плавленого кварца с элементами, созданными по новейшим технологиям. В его компактном корпусе размещены гравиметрический датчик, система управления, сбора и обра­ [312].

ботки данных, а также источник питания Пробная масса уравновешивается пружиной и компенсируюшей электростатической силой. Смещения груза отслеживаются емкостным nреобразователем, а цепь обратной 6.3.3).

связи осуществляет непрерывное приведение в нулевое положение· (разд. С nо­ мощью встроенного аналого-цифрового преобразователя напряжение обратной связи пре­ образуется в цифровой сигнал и подается в блок управления, сбора и обработки данных.

• Завод Нефтекиn (Москва) выпускает кварцевые астазированные узкодиапазонные гравимет­ ры ГНУ-КВ и ГНУ-КС. Приборы не термостатированы. Ошибка одной приборо-связи в 4-час рейсах не более 0,3 и 0,6 мкм · с- 2 соответственно. - Прим. ред.

Относительные измерения силы тяжести Результат обработки выдается на дисплее (32-символьный, на жидких кристаллах) и зано­ 16 Кбайт, сится в оперативную память (объем для записи на гравиметрических пунк­ тах). Нивелирование прибора выполняется по двум электронным уровням, измеряется также внутренняя температура. Выходные данные о наклоне и температуре позволяют автоматически компенсировать изменения наклона (в интервале ± 200 "), а также опреде­ лить температурную поправку (менее 0,01 мкм·с- 2 / 0 С). Вакуумираванная чувствительная система, аналого-цифровой преобразователь, электронные схемы и наклономеры помеше­ ны внутри двойного термостата. Калибровка прибора выполняется на ваклономерной плите ( ± 1 х 10- 4 ) (разд. 6.4.2), контроль линейности калибровочной функции - на бази­ се с диапазоном 1200мкм·с- 2 • Предусмотрена внутренняя автокалибровка аналого-цифро­ вого преобразователя. Отсчеты (с точностью 0,1 мкм·с- 2 ) берут нажатием клавиши;

они получаются как средние из показаний по секундным интервалам;

время усреднения выби­ 20 с).

рается в зависимости от местных микросейсмических условий (обычно Для исключе­ ния грубых ошибок предусмотрена статистическая обработка в реальном масштабе време­ ни. Возможны также наблюдения с непрерывной автоматической записью без нарушения цикла. Поскольку напряжение обратной связи перекрывает интервал силы тяжести более 70000мкм·с- 2, перестройка диапазона не требуется. Выводимая на дисплей и записывае­ мая информация содержит калиброванные показания гравиметра в миллигалах, исправ­ ленные за влияние приливов·, среднеквадратические ошибки измерений, величины наклона, внутреннюю температуру прибора, дату, время, длительность измерений (по встроенным часам), а также данные о пункте. Возможен вывод на принтер, на кассетный накопитель или на дисплей. Корпус nрибора (0,24 м х мх 0,32 м, вес 12 кг со встроенным акку­ 0, мулятором) служит также и уnаковочным ящиком, nри трансnортировке нет необходи­ мости в арретировании.

При работе в поле смещение нуль-пункта кварцевых пружинных систем не превышает 0,5-1 мкм·с- 2 /ч за короткое время, нелинейвые отклонения могут достигать 1-1 О мкм ·с - 21су т. При расстояниях между пунктами 1О к м и более приращение силы тяжести можно определить с точностью ::1::: О, 1-0,3 мкм ·с- Такую же точность можно получить с термостатираванными при­ [209, 537, 782].

борами при расстояниях 100-200 км на малой шкале и при надежном контроле [370].

нуль-пункта Для удаленных пунктов (транспортировка на самолете) при измерениях по большой шкале получена точность ±1-2мкм·с- 2 [210, 780].

Астазированные гравиметры с метаnлической пружиной 6.5.4.

(система Ла Коста Ромберга) Астазированные пружинные весы с горизонтальным коромыслом и наклонной 45°) (примерно на удерживающей пружиной нулевой длины применяются в на­ иболее точных относительных гравиметрах, которые широко используются в геодезии и геофизике.

В 1939 г. идея длинноnериодного вертикального сейсмометра с nружиной нулевой дли­ [391]) привела к созданию первого гравиметраЛа Kocma- Ромберга (грави­ ны (Ла Кост метр LCR). Начиная с 1945 г. после его описания в патентах США (1942, 1945 гг.) фирма La Coste and RomЬerg Gravity Meters, Inc. (Остин, Техас) выпустила большое число (около 1000) наземных гравиметров. В дальнейшем совершенствовались конструкция, отсчетвое устройство и передаточный механизм. С выпуском донных, аэроморских, скважинных и приnивных гравиметров фирма RomЬerg стала изготовителем нанболее раз­ La Coste and нообразных приборов.

222 Глава 6.41 [272].

Конструкция гравиметра Ла Коста- Ромберга показава на рис.

Горизонтальное коромысло с пробной массой (около 10 г) удерживается наклон­ ной пружиной, которая прикреплена к центру тяжести коромысла. Пружина из­ 3,5 см.

готовлена из металлического сплава, ее длина Эту пружину навивают так, что создается предварительное напряжение, при котором сочетание этой пружи­ вы с короткой нитью позволяет получить пружину нулевой начальной длины 0). 6.2.2).

(/о Сила натяжения пружины пропорциональна ее длине (разд. Коро­ = мысло связано с корпусом прибора двумя симметрично расположенными гори­ зонтальными пружинами. Линия, соединяющая точки подвеса этих пружин, об­ разует горизонтальную ось вращения коромысла. Такая конструкция «плавающей опоры» без трения поглощает напряжения, вызванные сотрясениями,и не переда­ ет их на чувствительную систему. Верхняя точка подвеса удерживающей пружи­ вы лежит примерно над осью вращения.

Положение коромысла фиксируется оптическим или электронным устрой­ ством. При оптической регистрации используют сетку горизонтальных нитей, укрепленную на коромысле вблизи груза. Оптическая система проектирует тень одной из нитей на шкалу (перекрестье нитей), ее наблюдают в окуляр атсчетного 10 мВ/ микроскопа. При электроемкоетвой регистрации (чувствительность /0,01 мкм ·с- 2 ) используют встроенный гальванометр, можно так~ е подключить к прибору дополнительный цифровой вольтметр (разд. 6.3.3). Измерения выпол­ няют нулевым методом, за нулевое принимается горизонтальное положение ры­ чага. При /0 = О условие равновесия следует из выражения (6.27), в котором а = Ь + 6.9). о = 90°) это условие (рис. При горизонтальном рабочем положении (а имеет вид (6.72) - kd sin тg а = О.

(6.28) На основе получим по аналогии с (6.71г) выражения для чувстви тельности i.:ii~1 = ~gа = ~t;

(~;

)а + Б 0· (6. 73) = = 90° (6.29), Использовав определим расстояние между верхней точкой пружины и осью вращения d = _f!!g (6.74а) k sin а· Между изменениями этого расстояния и силы тяжести будет существовать линей ная зависимость:

d (6. 74б) t:.d =- t:.g.

g Коромысло устанавливают в нулевое положение, смещая по вертикали точку подвеса удерживающей пружины. Так компенсируется приращение силы тяжести t:.g.

При d = 0,025 м компенсация в пределах всего измерительного диапазона гравиметра Ла Коста- Ромберга модели G (70 ОЮ мкм·с- 2 ) достигается изменением длины всего на 0,175мм. Чтобы выполнять измерения с ошибкой 0,1 мкм·с- 2, необходима точность при­ 0, ведения в нулевое положение нм.

Относительные измерения силы тяжести винт Опора из Ар8ГОЦ8ННОГО К8МНА Дпинн~1й ~1чаr пружина Рис. (левый). Принцип гравиметра Ла Коста - Ромберга (LCR) (астазированные рычажные пру­ 6. La Coste and Romberg Gravity Meters, Остин, Техас).

жинные весы) (фирма Рис. (правый). Зубчатая передача и измерительный винт гравиметров ЛаКоста- Ромберга моде­ 6. G 457) [382).

ли (до прибора с серийным номером Из (6.73) следует, что чувствительность системы определяется величиной угла нахло­ на 6. При а= 0,025 м, 6 = 60" (или 100") чувствительность составит daldg = 7,2" (или 4,3 ") на 0,1 мкм·с- 2, а период собственных колебаний в соответствии с (6.36) То = 19 с (или 14 с.) Изменяя угол 6, пользователь может подобрать чувствительность, приемлемую для местных условий, определяемых в основном микросейсмами. Обычно выбирают То= 1S-20c.

Перемещение верхней точки пруживы осуществляется передаточным механиз­ мом, состоящим из лимба, шестерней, микрометрениого винта и двойного рыча­ 6.42).

га (рис.

G В гравиметре модели одному обороту лимба соответствует изменение силы тяже­ сти примерно на 1О мкм ·с - 2, а в модели D - примерно на 1 мкм ·с - 2 ;

лимб разделен на частей. Условимся считать делением шкалы один оборот лимба модели соответ­ 100 G, = 1О мкм ·с - 2 • ствующий 1О оборотам лимба модели D и приращению L!.g У основания лимба имеется счетчик, показывающий числu оборотов лимба. Через систему шестерен вращение лимба передается на микрометренный винт, соотношение числа оборотов лимба и винта зависит от передаточного числа (рис. 6.42). Передаточные числа имеют следую­ шве значения: у гравиметров модели G до серийного номера G457-70,94:1, а начиная с номера у модели D-32,5:1. Микрометренный винт вращается внутри G458-73,33:1;

стержня с резьбой, вращательное движение преобразуется в вертикальное перемещение.

Рычажная система приводится в движение шариком из закаленного металла, расположен­ ным у нижнего конца винта, что позволяет уменьшить смещение верхней точки пружины.

Система рычагов состоит из нижнего рычага и верхнего, скрепленного с пружиной, и из двух соединительных элементов (плоские пружины).

Несовершенства передающей системы вызывают отклонения от линейного соотношения (6. 746).

Периодические члены появляются вследствие погрешностей микрометреиного винта, соединительного элемента винт рычаг и из-за эксцентриситета шестерен зубчатой пере­ дачи. Периоды этих членов можно вычислить, зная соотношения числа зубьев шестерен.

Установлены следующие периоды: для модели до серийного номера G G457-1,00, 7,88, Глава дел. шкалы, а начиная с номера G458-1,00, 7,33, 36,67, 73,33 дел. шкалы;

35,47, 70, D-0,100, 0,722, 1,625, 3,250 дел. шкалы. В первых приборах модели G возмож­ для модели ны амплитуды до 0,35 мкм·с- 2 (для периодов в 35,5 и 70,9 дел. шкалы [272]). Обычно амплитуды не превышают О, 1 мкм·с- 2 [501]. В модели D передаточное число другое и периодические члены меньше в 17 раз (см. табл. 6.3). Из-за конструктивных недостатков рычажной системы могут появиться нелинейные члены порядка 1О- 3-1 О- 4 • Эти нелиней­ ности с достаточной точностью определяются фирмой-изготовителем путем калибровки с дополнительными массами (разд. и приводятся в таблице масштабных коэффици­ 6.4.3) ентов;

абсолютная величина масштабного коэффициента определяется из измерений на гравиметрическом базисе с диапазоном 11g = 2 419 мкм ·с - 2 • У гравиметров модели D масштабный коэффициент всегда постоянен с точностью до ± 1 х 10- 3 • Конструкция чувствительной системы и защитные устройства корпуса прибо­ ра уменьшают влияние внешних возмущающих факторов. Коромысло с воздуш­ ным демпфером снабжено барометрическим компенсатором, пружина размагни­ чена. Измерительная система герметизирована, защищена от магнитных воз­ действий и Термостатиравана °С). Кроме того, алюминиевый контей­ (50 ± 0, нер покрыт изнутри термаизолирующим мягким материалом, предохраняющим 6.43) от сотрясений. На съемной верхней панели (рис. имеются лимб и счетчик, окуляр отсчетнога микроскопа, шкала гальванометра, окна, через которые видны 50", уровни с ценой деления связанные с чувствительной системой, подъемные винты для нивелирования, закрепительный винт и табло для регистрации темпе­ ратуры внутри прибора.

6.44 На рис. представлен гравиметр Ла Каста Ромберга, выпускаемый с 1956 г. (размеры х х 0,2 м, вес 3,2 кг, 12-вольтовые сухие батареи весом 0,2 0, 2,3 кг, вес с упаковочным ящиком 10,0 кг). Модель имеет измерительный диа­ G пазон около 70000мкм·с- 2 (9,77-9,84м·с- 2 ), ошибка измерений менее ± 0,4 мкм ·с - 2 • Диапазон модели D без перестройки составляет 2000 мкм ·с - 2, а ошибка измерений не превышает О, 1 мкм ·с- 2 ;

диапазонный винт позволяет охва­ тить весь интервал изменения силы тяжести на земной поверхности. В настоящее Рис. (левый). Верхняя паиель гравиметра Ла Коста Ромберга модели (Институт геодезии, 6.43 - G Ганновер).

Рис. (правый). Гравиметр Ла Коста - Ромберга с батареей аккумуляторов и упаковочным ящи· 6. ком (фирма Остин, Техас).

La Coste and Romberg Gravity Meters, lnc., Относительные измерения сиnы тяжести время (1987 г.) исследуется, как лучше использовать данные калибровки диапазон­ ного винта.

Имеется обширный материал, позволяющий исследовать точность полевых · [690, 695].

измерений с гравиметром С достаточно хорошим приближением мож­ но считать, что за короткое время смещение нуль-пункта остается линейным и оценивается величиной 0-0,05 мкм·с- 2 /ч, а после эксплуатации прибора в тече­ ние 2-3 лет долгопериодическое смещение нуль-пункта- в пределах мкм·с- ~/сут. При качественной калибровке прибора и надежном учете смеще­ 0, ±0,1 мкм·с- 2 при дg IООмкм·с- 2, ния нуль-пункта можно получить точность ±0,1-0,3мкм·с- 2 при 100 дg 5000мкм·с- 2 и ±0,3-1 мкм·с- 2 при 5000 дg 20 000 мкм ·с- 2 • Величины ошибок зависят от конкретного прибора и внешних условий. Точность можно повысить специальными мерами (разд. Таблица содержит фрагмент журнала измерений с гравиметром.

6.6.4). 6. Таблица Фрагмент из журнала гравиметрической съемки;

гравиметр Ла Коста Ромберга с внеш­ 6.4. ним цифровым вольтметром (Институт геодезии, Ганновер) Объект: ЗападныА Гарu Прибор: Ла Ромберг Дата: июля Kocra - G298 18 1985 г.

переводноА коэффиuиент Наблюдатель: Рёдер = 1, дел. вольтм./дел. шк.

Пункт Время, Отсчет по гравиметру Лимб, Лимб шк.

+ Счетчи~, Шкала вольтм.• Давление, Высота nрибора, ч:мин мВ Г Па дел. шкалы аел. шкалы вольтм., дел. мм шкалы -14,676 11 06:52 4779,690 4607,950 -8,942 563 08:58 551 4617,322 931 09:18,320 + 4779,589 11 14:43,580 +9 С гравиметрами Ла Коста Ромберга схожи по конструкции и принципу измерений приборы Фрост, Северная Америка и Уэстери (11римерно с 1940 по 1960 г.);

имеются разли­ чия в конструкции оси вращения и передаточной системы. В гравиметрах Северная Амери­ ка [235) нулевое положение устанавливают, смещая ось вращения рычага по вертикали (1 им~ 0,1 мкм·с- 2 ). При этом вращают микрометренный винт, связанный с осью враще­ ния (проволочным шарниром) через компенсационную пружину, горизонтальный рычаг, а также плоские пружииы. Такие приборы имели малое смещение нуль-пункта и даже при больших приращениях силы тяжести обеспечивали точность ± 1 мкм ·с - 2 н выше [161].

Источники ошибок и точность измерений 6.6.

Инструментальные источники оwи6ок 6.6.1.

На измерительную систему пружинного гравиметра (систему пружина- масса, систему регистрации и компенсационную систему) влияю:r многие возмущающие факторы. Воздействие их на результаты измерений в значительной степени 226 Глава 6.3).

уменьшают мерами, заложенными в конструкцию прибора (разд. Однако су­ ществуют остаточные эффекты как случайного, так и систематического характе­ ра. Будем различать инструментальные источники ошибок и влияния внешней среды.

Исследования ошибок вьшолнялись для всех современных гравиметров. Особенно тщательно исследованы источники ошибок гравиметров Аскания [40], Уордена [211, 780] и Ла Коста Ромберга. Целью исследований гравиметров Ла Коста - Ромберга было повышение точности благодаря совершенствованию конструкции и мерам методического характера до нескольких единиц 0,01 мкм·с- 2 [33, 247, 271, 351], в дальнейшем основное внимание будем уделять именно этой системе [695]. · Влияние инструментальных ошибок определяется конструкцией гравиметра, к ним относятся: ошибки отсчета, ошибки нивелирования, упругий гистерезис, нестабильность питания, ошибки калибровочной функции.

Ошибка отсчета складывается из ошибки приведения в нулевое положение и ошибки отсчитывания по шкале.

Для гравиметров Аскания и Уордена она составляет ±О, 1-0,2 мкм ·с - 2, а у гравимет­ раЛа Коста- Ромберга ±0,03-0,05 мкм·с- 2 (оптическая система отсчета) или ±0,02 0,03 мкм·с- 2 (емкостная система индикации и отсчет по гальванометру). При использова­ нии цифрового вольтметра и приближенного (симметричного) приведения в нулевое поло­ жение она уменьшается до ± 0,005 мкм ·с - 2 • Точность гравиметрической связи на коротких расстояниях (10 мин ручной переноски) можно существенно повысить благодаря отсчетам по вольтметру (от ±0,01 до ±0,005 мкм·с ·· 2 );

при большом времени транспортировки (0,5-1 ч на автомашине) точность возрастет с ±0,015 до 0,01 мкм·с - 2 [761]. При сильных микросейсмах отсчет может быть взят осреднением по времени (оптическим методом, аналоговой или цифровой регистрацией). При использовании цифрового регистрирующего.с устройства калькулятором достигнута точность по внутренней сходимости ± 0,1 мкм ·с- 2 (частота отсчитывания 2 Гц, время осреднения 5 мин) при работах на шель­ фоном льду (вариации отсчета ±6 мкм·с- 2 ) [417].

Отметим, что микрометренный винт может иметь мертвый ход, достигаю­ щий 0,5 мкм·с- 2 • Поэтому приведение в нулевое положение должно выполняться вращением винта всегда в одну и ту же сторону.

Точность нивелирования зависит от тщательности юстировки уровней и точ­ ности приведения пузырька уровня в нуль-пункт. Если уровни хорошо отъюсти­ 10", рованы (с точностью ± 10") и нивелирование выполняется с ошибкой то влияние наклона будет менее 0,02 мкм·с- 2 (разд. 6.3.4).

Влияние упругого гистерезиса проявляется после перестройки измерительного диапазона и после дезарретирования чувствительной системы;

оно. имеет харак­ тер короткопериодического дрейфа нуль-пункта. Ошибка будет мала, если перед дезарретированием устанавливать ожидаемый приближенный отсчет и если от­ считывать прибор через одно и то же время после дезарретирования. В грави­ - 5 мин метрах Ла Коста Ромберга этот эффект через уменьшается примерно до 0,03-0,01 мкм·с- 2 и через 10-15 мин исчезает совсем (рис. 6.45). Если первый 5 мин отсчет брать всегда через пос:Ле дезарретирования, то остаточная ошибка будет меньше 0,01 мкм·с- 2 • Напряжение аккумулятора, предназначенного для термостатирования систе­ мы, со временем падает (нелинейно после отключения от внешнего источника Относительные измерения силы тяжести 0, мкм·с- ~ О.ЭL 0, 0, 0,,~ о~~----~----~----­ 8 10 12 Минуты 5 о 6. Рис. (левый). Становление отсчета после дезарретирования, прибс.р 5ыл арретирован в течение 20 - G мин;

гравиметр Ла Коста Ромберга (Институт геодезии, Ганновер).

Рис. (правый). Изменение отсчета по гравиметру из-за нестабильности напряжения питания;

гра­ 6. - G 298 [349].

виметр Ла Коста Ромберга питания и при сильном разрядном токе, в остальных случаях по линейному закону). Во время полевых работ и при смене батарей нестабильность напряже­ ния вызывает изменения отсчета. Ошибку можно существенно уменьшить, если выполнять измерения при линейном падении напряжения. При длительной транс­ портировке рекомендуется пользоваться стабилизатором напряжения.

У гравиметров Ла Коста-- Ромберга в диапазоне изменения напряжения с до 10 В были отмечены изменения отсчетов на - 0,05-- 0,25 мкм ·с- 2 /В (термостат с ртутным контактным термометром) и -0,01--0,1 мкм·с- 2 /В (термостат с термистором) [61, 499] (рис. Если начинать работу спустя полчаса и более после подключения свежего акку­ 6.46).

мулятора или если использовать стабилизатор напряжения, то остаточная ошибка будет менее 0,005-0,01 мкм ·с- 2 • Ошибки калибровочной функции систематическим образом влияют на изме­ ренные приращения силы тяжести. Это влияние различно в зависимости от их характера и величины t.g. При больших приращениях силы тяжести преобладает влияние долгопериодических ошибок (линейные и нелинейные), малые t.g больше всего искажаются nериодическими ошнбками (разд. 6.4.1 ).

В гравиметрах Ла Коста Ромберга обычно используют калибровочную функцию, определенную изготовителем (масштабный коэффициент для модели а линейный ко­ D), эффициент функции уточняют измерениями на эталонном базисе. Неучтенные нелинейные калибровочные члены могут привести к ошибкам до 0,5 мкм·с- 2 при измерении прираще­ ний силы тяжести в несколько тысяч мкм·с- 2 • Если не учитывать периодические члены, то могут возникнуть ошибки в несколько десятых мкм·с- 2 (несколько сотых долей мкм·с- 2 ) для модели G (модели D). Если же определить эти нелинейные и периодические члены на калибровочных базисах (разд. или с помощью системы обратной связи 6.4.5) (разд. 6.4.4), то ошибки можно уменьшить до 0,01-0,1 мкм ·с- 2 при измерении прираще­ ний в 10--2000 мкм·с- 2 • На рис. 6.47 приведен график, который иллюстрирует уменьше­ ние ошибки при учете периодических членов до 0,01 мкм·с 2.

При измерении малых t.g с nрименением электронной системы обратной свя­ зи периодические калибровочные ошибки, упругий гистерезис и влияние наклона на чувствительность nрибора исчезают.


6. Таблица содержит результаты определения разными методами вертикальной со­ ставляющей градиента силы тяжести, показыnающие, что среднее из n измерений = 228 Глава Оwибка (мкм·с-2),,~ '.0: • 1 Сиnа тяжести -0, М·С- 9,8124 9, 9, Рис. 6.47. Остаточные ошибu до (незатемненные кружu) и после учета периодических калибровочных поправок (гравиметр Ла Коста - Ромберга 08S) по 320 измеренним приращений силы тиже­ сти на вертикальном базисе в Гаиновере [3SO).

Таблица Определение вертикальной составляющей градиента силы тяжести (пункт 6.5.

Ганновер) гравиметрами Ла Коста Ромберга - [603] Обычные измерения Измерения с системой обратной связи - G Ла Коста Ромберг n n Прибор Год Градиент, Дата Градиент, мкм·с- 2 /м мкм с- 2 /м · 50 16.6.84 2,654 1984 2, 2,663 16.6.84 2,682 014 2,692 17.6.84 2,681 023 2,743 17.6. 079 1983 52 2,686 2, 2,688 18.6.84 079 2,723 2,674 2,695 Среднее:

±0, ±0, в серИи имеет ошибку ±0,01-0,02мкм·с- 2 • При обычном методе наблюдений, когда се­ рия содержит 50 измерений, ошибка равна ± 0,03-0,04 мкм ·с- 2 • Оwибки, вызванные влиянием внеwней среды 6.6.2.

К внешним возмущающим факторам относят изменения температуры и атмос­ ферного давления, а также влияние магнитного поля и сотрясений (разд. 6.3.5).

Изменения температуры окружающей среды вызывают изменения отсчета разного характера и величины в зависимости от температурного режима и вариа­ ций температуры, от абсолютной температуры, а также от теплоизоляции и тер­ макомпенсации прибора. Особенно сильно сказывается быстрое изменение темпе­ ратуры (различие температуры при транспортировке и измерениях на пункте) и одностороннее влияние (ветер, солнечное излучение). Исследования в лаборато­ рии с искусственно создаваемыми условиями позволяют определить свойствен­ ную данному прибору реакцию на изменения температуры. Изменения отсчета, имеющие задержку относительно хода температуры, а также последующие про­ цессы компенсации могут составить 1 мкм ·с- 2;

ос и более. У термостатираван­ ных приборов эти эффекты уменьшаются до нескольких сотых мкм·с- 2 / 0 С.

Относительные измерения силы тяжести 1 'ТСЧ8Т (мкм·с- 2 ) о ос -2 -4 ч BpeMII, 10+-~~~~~~~~~~L- 6 12 18 12 3 4 5 6 7 8 9 10 Сутки Рис. (левый). Измене101е отсчета нз-за резкого измененИJI температуры (гравиметр Уордена 6. Ni! 227), средний суточный дрейф исключен [308).

Рис. (правый). Измене101е отсчета при периодических изменениях температуры (гравиметр У орде· 6. на N2 53) [473].

На рис. и nоказано, как резкие и сильные nериодические изменения темnера· 6.48 6. 6. туры влияют на nоказания нетермостатированного гравиметра Уордена. Рисунок ил· люстрирует сложную связь между изменениями наружной и внутренней темnературы гра· виметра Ла Коста Ромберга (малый чехол с более слабой теnлоизоляцией).

В полевых условиях температура внешней среды меняется по-разному в зави­ симости от места и времени наблюдений и влечет коротко- и долгопериодические [61, 216].

изменения отсчета, знак которых также меняется У гравиметраЛа Ко­ ста- Ромберга были обнаружены изменения 0-0,03 мкм·с- 2 / 0 С (рис. 6.51). До настоящего времени не удалось получить приемлемых результатов при модели­ ровании связующей функции и выводе формул для вычисления поправок. Су­ щественно уменьшить температурное влияние можно дополнительным термоста­ тированием.

Способы нахождения связующей функции основаны на реологичесхой модели измери­ тельной системы и на модели системы хонтроля либо на выводе связ)'19щей функ­ [217], [33].

ции по реахции на изменения температуры Эхеперименты по определению поправок по внутренней температуре прибора с примекснием урав~ений регрессии не дали хороших результатов. Для гравиметров Северная Америка и Уэстери в 1954 г. Мартин получил коэффициент регрессии в 0,3--0,8 мкм·с - 1/0,01 ос [437]. Кангессер [349] исправляет отсче­ ты по гравиметру Ла Коста- Ромберга (с малым чехлом) с коэффициентом -0,013мхм·с- 2 /0,01 ос (рис.6.52), в результате чего при хоротхих связих (время транспортировхи 5 мин) и больших измененних наружной температуры точность повыша­ ется примерно на 25 OJo. При измеренних на больших расстоянних такое повышение точнос­ ти возможно, если применять алюминиевый термостатираванный хонтейнер.

Изменения атмосферного давления влияют на отсчет по гравиметру, если из­ мерительная система герметизирована недостаточно. Кроме того, они могут де­ формировать корпус гравиметра и тоже привести к изменениям отсчета. Подоб­ ные влияния становятся заметными при сильных изменениях давления, когда ра­ бота ведется в горах или на больших расстояниях. Атмосферные влияния можно исследовать в лаборатории (барокамера) и в общем случае аппроксимировать ли­ нейным уравнением регрессии;

тогда при необходимости можно вводить поправ­ ки за давление. Прямые и косвенные гравитационные эффекты изменений давле­ 10.2.1.

ния рассмотрены в разд.

230 Глава Внешняя темnература мкм·с- 0. -о, о -о. 18,00 24,00 6,00 12,00 • 15 Рис. (левый). Связь межпу изменениями внешней температуры и внутренней (температуры чув­ 6. - G298 [350).

ствительной системы), гравиметр Ла Коста Ромберга Рис. (правый). Изменение отсчета при переменной внешней температуре, гравиметр Ла Коста­ 6. Ромберга G258 [216).

В гравиметрах Уордена отмечены барометрические влияния величиной 0,003 0,03 мкм ·с - 21100 Па, проявляющиеся вместе с гистерезисом [97, 208], гравиметры А скан и я обнаруживают зависимость 0,001-0,01 мкм·с- 2/100 Па. Влияние атмосферного давления на гравиметры ЛаКоста- Ромберга всегда меньше 7,5 нм·с- 2 /100 Па [272]. При лабора­ торных исследованиях получен коэффициент регрессии 0,1-2 нм·с- 21100 Па [61, 349] (рис. 6.53). Изменения давления между соседними пунктами наблюдений обычно не превы­ шают 1000 Па, и, следовательно, их влияние на показания гравиметров Ла Коста- Ром­ берга столь мало, что им можно пренебречь. При высокоточных работах на больших рас­ стояниях или в горах при необходимости можно вводить поправки.

Влияние магнитного поля проявляется в гравиметрах с металлическими пру­ жинами, если компенсация или экранирование в них недостаточны. Часто такая защита теряет эффективность после сотрясений, и поэтому рекомендуются перио­ дические проверки. При этом полезны исследования с катушкой Гельмгольца, со­ здающей искусственное магнитное поле. Они позволяют найти зависимость изме­ нен~:~й отсчета от изменений горизонтальной и вертикальной составляющих маг­ нитного поля. По измерениям в разных азимутах легко определить зависимость отсчета от ориентировки прибора в магнитном поле Земли. Зависимость отсчета ос МКМ·с- 2 Г Па _о~....

о с.-:=:•-• 0. о.э 0, 0. 300 НМ·с- Время, • 10,30 11.00 о 100 6. Рис. (левый). Корреляция между отсчетом по гравиметру и изменением внутренней температуры, G298 [350).

гравиметр Ла Коста-Ромберга 6. Рис. (правый). Регрессионная зависимость между отсчетом по гравиметру и изменением атмос­ G432 [61).

ферного давления, гравиметр Ла Коста-Ромберга Относительные измерения силы тяжести l......

НМ·с- ~..-'1.1-""" +,~--с.~ ~ ~'~ +..... ••• ! 1 1.... 1 1 ! О.:;

;

40 +60 +80 +100 Микротеслы -.....~1ool v Рис. (левый). Регрессионная зависимость между отсчетом по гравиметру и вертикальной состав­ 6. G298 [350].

ляющей напряженности магнитного поля, гравиметр Ла Коста-Ромберга Рис. (правый). Влияние магнитного поля на отсчет по гравиметру в зависимости от азимута, гра­ 6. G298 [567].

виметр Ла Коста-Ромберга от наnряженности магнитного поля можно представить линейным уравнением регрессии, а зависимость от азимута синусоидальной фунiЩИей. Если побли­ зости отсутствуют магнитные аномалии (залежи руды, стальные сооружения), то остаточная ошибка всегда будет меньше 0,1 мкм·с- 2 • Для этого необходимо также, чтобы измерительная система была ориентирована в магнитном поле всегда одинаково или же нужно вводить поправки (для этого измеряют наnря­ женность магнитного поля).

У гравиметров Аскания установлена зависимость 0,001-0,004 мкм ·с- 2 /м кТ для гори­ зонтальной составляющей наnряженности магнитного nоля и 0,004-0,03 мкм ·с- 2 /м кТ для вертикальной У гравиметров ЛаКоста- Ромберга этот эффект всегда меньше [688].

О, 1 мкм ·с - 2 для горизонтальной составляющей и nренебрежимо мал для вертикальной [272]. При лабораторных исследованиях для обеих составляющих была найдена регресси­ онная зависимость О, 1-2 н м· с- 2 /мкТ [349] (рис. 6.54);

азимутальные вариации могут иметь амnлитуду до 0,04мкм·с- 2 [247, 567] (рис. 6.55). Поскольку вариации наnряженнос­ ти магнитного nоля Земли лежат в nределах мкТ для горизонтальной и 70 мкТ для вертикальной составляющей, их влияние на измеренные величины между соседними.tlg nунктами обычно остается менее 0,01 мкм·с- 2 даже nри больших расстояниях между ними. При сильной азимутальной зависимости nоказаннй или nри наблюдениях в зданиях, могут nотребоваться специальные меры nредосторожности.

Сотрясения, действующие при транспортировке и во время наблюдений, вы­ зывают изменения отсчета, зависящие от характера и силы сотрясений, а также конструкции гравиметра. При транспортировке (арретированная система или система с механическими ограничителями) их воздействие определяется способом транспортировки и видом дополнительной защиты гравиметра. Различные усло­ вия транспортировки (ручная переноска, на автомашине по дороге или по бездо­ рожью, на вертолете, на самолете) вызываk)т различные возмущающие ускоре­ ния и реакции измерительной системы;


на показаниях гравиметра совместно ска­ зываются прямые эффекты и компенсационные процессы. Особенно большие из­ менения происходят при совпадении частоты возмущений с резонансной частотой арретираванной измерительной системы.

Резонансные частоты арретированных гравиметров Ла Коста Ромберга лежат в 30-70 Гц. 0,5-1 g, интервале При этом возмущающие ускорения действующие в течение Глава 1 мин и дольше, могут изменить отсчет более чем на 1 мкм·с- 2 • В диапазонах 47-50 Гц и 60-65 Гц могут возникать скачки [260]. Лабораторные эксперименты (вибрационный стол) показали, что в частотном диапазоне 50-52,5 Гц (вибрация в самолете) ускорения, превышающие 0,2 g,в течение 5 мин приводят к изменениям отсчета на 1-2 мкм·с- 2 • При транспортировке на автомашине характерны ускорения, не превышающие О, 1 g с частотой примерно 5 Гц;

влияние их на отсчет не обнаружено [349, 350].

Моделировать изменения отсчета, вызванные сотрясениями, пока не удалось.

Для уменьшения влияния сотрясений при транспортировке применяют ряд мер:

- для логлощения энергии толчков и фильтрации вибраций транспортного средства испо­ льзуют массивные транспортировочные контейнеры в пружниной подвеске [33, 349];

- для уменьшения остаточных напряжений в чувствительной системе длительность транс­ [371];

портировки перед началом измерений увеличивают (примерно до получаса) - аккуратное обращение с гравиметром при перевозке и во время работы на пункте (избе­ гать сотрясений и больших ускорений).

Сильные возмущающие ускорения и сотрясения влекут скачки в отсчетах порядка 1 мкм·с- 2 • Остаточные эффекты порядка 0,01-0,1 мкм·с- 2 интерпретируют как смещение нуль-пункта гравиметра (разд. 6.6.3).

При измерениях на пункте (дезарретированный гравиметр) проявляется воз­ 5.1.5), действие естественных и искусственных микросейсм (разд. а также прямое и косвенное (сотрясения почвы) воздействие ветра. Их влияние на отсчет имеет порядок 0,01-0, 1 мкм ·с - и зависит от периода собственных колебаний измери­ тельной системы и ее демпфирования. Эти возмущающие влияния можно умень­ шить соответствующим выбором пунктов (в стороне от больших дорог, на ста­ бильном скальном основании и т. п.), применяя ветровой экран, осредняя резуль­ таты. Причиной возмущений в 1О мкм ·с- 2 и более могут быть сейсмические яв­ ления на большом удалении от пункта.

6.6.3. Смещение нуль-пункта гравиметра При стационарных наблюдениях и работе в поле с течением времени изменяется отсчет пружинных гравиметров;

этот эффект называют смещением нуль-пункта (дрейфом) гравиметра. Дрейф вызван ослаблением упругих свойств пружины и внешними воздействиями, которые не удалось компенсировать или от которых 6.3.5, 6.6.2).

прибор не защищен полностью (разд.

Харахтер и величина дрейфа гравиметра зависят от:

типа и карахтернетик данного прибора. Из-за своих термаэластических свойств кварцевые пружинные системы имеют больший дрейф, чем гравимет­ ры с металлическими пружинами;

-возраста прибора и интенсивности его использования. У гравиметра Ла Ко­ ста Ромберга средний суточный дрейф, определенный за большой период времени, уменьшился за несколько лет с 0,5 мкм·с- 2 /сут до нуля (рис. 6.56);

у кварцевых пружинных гравиметров он остается большим ( 1-1 О мкм ·с - сут);

- флуктуаций окружающей температуры при транспортировке и измерениях, а также вибраций и сотрясений чувствительной системы;

Относительные измерения силы тяжести 6.56.

Рис.

Уменьшение среднесуточного дрейфа гравиметра, G298 [706].

гравиметр Ла Коста-Ромберга Время, годы - нескомпенсированных изменений атмосферного давления и напряжения источ­ ника питания.

Реакцией пружины на эти возмущения являются ее упругие и пластические деформации, а также резкие изменения длины, сопровождающиеся разного рода компенсационными процессами переменнаго характера. В гравиметрах с метал­ лическими пружинами могут также произойти резкие изменения из-за небольших смещений в соединительных элементах измерительной системы.

На дрейф нуль-пункта гравиметра, вызванный внешними условиями и особенностями прибора, накладываются временные изменения силы тяжести. В короткопериодической области наиболее заметное влияние оказывают приливы, кратковременные изменения ат­ мосферн'го давления, уровня грунтовых вод, а также влажности почвы. Если точностные требования невысоки (порядка О, 1 мкм ·с- а смешение нуль-пункта надежно контролиру­ 2 ), ется, эти эффекты могут быть включены в модель дрейфа и влияние их, таким образом, будет уменьшено (см. ниже). При высокой точности измерений (порядка 0,01 мкм·с- 2) припивные изменения силы тяжести, а также изменения атмосферного давления необходи­ мо учитывать с помощью моделей. Попытки моделирования влияния грунтовых вод и влажности почвы не удались. Влияния более длительного характера сказываются на всех результатах, а также при сравнении измерений, выполненных в течение длительного вре­ 9.2, мени (создание обширных гравиметрических сетей, геодинамических сетей) (разд.

10.1.1).

Если смещение нуль-пункта контролируется надежно, то обы.чно можно вы­ явить большие скачки (1 мкм ·с- 2 и более) и исключить из дальнейшей обработки ненадежные измерения. Смещение нуль-пункта между моментами нарушения не­ прерывности представляет собой наложение непрерывных процессов и малых «элементарных» скачков. Дрейф можно разложить на две составляющие:

стационарный дрейф (старение пружины, долгопериодические вариации темпера­ туры и давления), который можно выявить длительными наблюдениями на пункте, и дрейф при транспортировке (сотрясения, короткопериодические флук­ туации температуры и др.), проявляющийся при полевых измерениях. Последний почти линеен на коротких интервалах времени (несколько часов), однако в тече­ ние дня часто появляются нелинейности. Дрейф, который часто можно наблю­ дать, когда прибор долго находится в состоянии покоя (длительные перерывы в работе, ночью), отчасти компенсирует влИJiние транспортировки.

Глава Моделирование смещения нуль-пункта гравиметра основано на разложении в z t [153]:

ряд Тейлора функции отсчета по времени (-- о (t дz) + ·· (д z) (t - to) 2 + 1 - + z(t) = z(to) to) дt дt 2 о + б (д z) 0 (!

- !о) з 1 ij(З (6. 75а) +..., где начальный момент измерений. Введя коэффициенты дрейфа dз, t0 d1, d2, напишем (6.75а) как полином - !о) + dз(t + d1 (t + + cl2(t - to) 2 - to) z(t) = z(to) s L:

+ = = + (6.75б) dp(t - to)P z(to) z(to) D(t), = р где z(t0 ) представляет собой отсчет в момент, начиная с которого задается мо­ дель дрейфа. Из-за различий дрейфа при транспортировке и стационарного дрей­ (6. 75) фа выражения используют обычно для наблюдений в течение одного рабо­ чего дня. Для небольшого и примерно линейного дрейфа возможно моделирова­ ние и на больших интервалах времени (в течение всей съемки). В более сложных моделях дрейф подразделяют на стационарный и полевой, а также вводят пара­ [371], или метры, учитывающие нарушения непрерывности используют сплайны [757]. После определения дрейфа (при уравнивании сети) для оценки выбранных 9.2.5).

моделей можно сделать статистическую проверку (разд.

Коэффициенты дрейфа находят из повторных измерений, которые следует по возможности равномерно распределять во времени в зависимости от типа (ли­ нейный, нелинейный, скачкообразный) и величины дрейфа, а также от требуемой точности и применяемой модели. Разработаны различные схемы полевых изме­ [752].

рений, изучена их эффективность, в частности и при определении дрейфа 6.57):

Пригодными оказались следующие схемы (рис.

-разностный метод с оперативным контролем дрейфа в каждой связи;

последо­ 1-2-1, 1-2-1-2, 1-2-1-2-1- вательность пунктов: и т. п.;

. А. б) ·-. ----·...

s ~ 1 2..

.....~/ г) Рис. Методы оnределения дрейфа гравиметров: а ра]ностttый мстоа нля кажлой 6.57. (3 nepexona связи);

б метод звезды;

в стуnенчатый метол (лвойной петли);

? - метол профttля (L· nовторением) [751].

Относительные измерения силы тяжести мкм-с- ~--~--!.._-.....

о -о ~- 4"0 "· t. •-• \7--\ -----~о=~~------------ о...-0 -~...... Скачок 0/ \ / IP-•-v.

0+----~--~--~----~--·~'-----~---·--~\7.---·~В~~МА,Ч 11 12 13 14 15 6.58. [751].

Рис. Графическое определение дрейфа из измерений по методу двойной петли - метод звезды с привязкой к центральному пункту и оперативным контролем дрейфа;

последовательность наблюдений 1-2-1-3-1-4-1 или подобная;

ступенчатый метод (метод двойной петли), в котором при быстром продвиrе работ на каждом пункте наблюдают по крайней мере три раза;

последователь­ 1-2-1-2-3-2-3-4- ность или подобная;

профильный метод, в котором наблюдения на пунктах выполняют в порядке их расположения на· профиле один, два или несколько раз;

последовательность 1-2-3-4-... -1 1-2-3-4-... -4-3-2- или или подобная.

Частые повторные наблюдения (разностный метод, метод звезды, ступенча­ тый метод) позволяют оценить короткопериодический дрейф, а частые повторе­ ния на опорном пункте- длиннопериодический.

Необходимо отметить, что время, потраченное на уточнение дрейфа, будет потерян­ ным для определения новых пунктов. С другой стороны, повторные наблюдения повыша­ ют надежность и точность определений силы тяжести. Поэтому при планировании работ необходимо оптимально учитывать точностные и экономические показатели.

Для получения первичных оценок величины дрейфа, для выявления нарушений непрерывности и при невысоких точностных требованиях можно определить дрейф графически.

При этом отсчеты на пунктах, по которым определяют дрейф, наносят на график 6.58).

как функцию времени, затем точки графика соединяют кривыми (рис. Параллель­ ным переносом объединяют фрагменты кривой таким образом, чтобы порядок кривой был как можно меньшим, при этом допускаются остаточные расхождения (из-за ошибок измерений). Хотя такая процелура дает, как правило, удовлетворительные результаты, они не свободны от субъективных влияний;

графический метод не позволяет получить статистические характеристики (степень полинома, точность, корреляцию между от­ счетами).

После того как дрейф из отсчетов исключен., в них все-таки можно обнару­ жить корреляцию. Ее можно оценить, используя поправки, полученные из урав­ [153] 9.2.4).

нивания, и с их помощью уточнить дрейф (разд.

Гравиметры Аскания имеют линейный или квадратичный дневной дрейф до 1 мкм·с- 2 /ч при транспортировке на автомашине;

примерно такие же характеристики дрейфа у кварцевых пружинных гравиметров [535] (рис. 6.59). В гравиметрах Уордена уда­ лось обнаружить [349] существенную корреляцию (время корреляции 2,6 ч) остаточных по­ правок после исключения из измерений дрейфа, описанного полиномом второй степени.

236 Глава о 16.00 ВремА, ч 10.00 12.00 14. Рис. 6.59. Дневной дрейф, гравиметр Уорлдвайд [SЗS].

N2 Gs Измерения с гравиметрами Аскания на больших расстояниях (транспортировка на самолете) выявили на интервалах в несколько суток линейный или квадратический дрейф до 0,5 мкм ·с- 2 /ч;

обнаружены также компенсационные процессы при длительt~ых оста­ [688].

новках В большинстве случаев дневной дрейф гравиметров Ла Коста Ромберга порядка 0-0,1 мкм·с- 2 /ч имеет линейный характер, однако были обнаружены дрейфы, описывае­ мые квадратичными и кубичными полиномами, особенно в приборах модели D [33] (рис. 6.60). Ламберт и др. [400] показали, что дрейф зависит от условий транспортировки.

По их данным, точность измерений наибольшая при ручной переноске (ошибка менее ± 0,03 мкм ·с - 2, время переноски 6 мин), ниже при транспортировке на автомашине (хоро­ шие дороги ±0,05 мкм·с- 2, плохие дороги ±0,09 мкм·с- 2, время транспортировки 30 мин) и еще ниже при транспортировке на вертолете (до ±О, 12 мкм ·с- 2, время транспортировки мин). Существенно уменьшить дрейф можно дополнительным термо­ статированием и защитой от сотрясений. При транспортировке на автомашине с пружин­ ным подвесом гравиметра дрейф уменьшается с 0,1 до 0,01 мкм·с- 2 /ч [247]. Таким спосо­ бом Кангизер повысил точность на при неблагоприятных условиях (транспорти­ [349] 300Jo 1 ч).

ровка на «лендровере» в течение После исключения дневного дрейфа отсчеты по гра­ виметрам при транспортировке за 45-60 мин обнаруживают лишь слабую корреляцию 20 [153, 757].

(время корреляции примерно мин) При измерениях на очень больших рассто яниях, длящихся несколько дней (на автомашине или на самолете), смещение нуль-пункта можно представить как линейное со скоростью 0,1-0,2 мкм·с- 2 /сут или более, на которое во время перерывов в работе накладывается короткопериодический дрейф [3 71, 689] 6.61).

(рис.

Таким образом, наиболее эффективны следующие методы уменьшения влия­ ния дрейфа [151, 371]:

..

- ~Л~е~й~rа~с~к~оn~и~~--~+0~·~4-------• мкм·с •r Аэр. Акюреири i!i +0, ~ Аэр. РейкьАвик +{), •-.• Научныf. ин-т РейкьRвик 1 - :

., 0. ~ ·~.. дэр. Кефnавик +{),6 • Средний дреj;

jф ~ •-• Аэр. Лондон +0,4 • + 0,07 мкм·с-2/сут.

~ • дэр. hариж • +0,3 +О 4 '----.---------'--' 0,2 о~»

• • Аэр. Ганновер ~ ~~ _ 2 Ганновер ~.._,_..... +о.;

,...} i! ~ () I 1 мкм·с г. РеикьАВИК н--· х о+-------~----~- 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.13. 14. 15.9. BpeMR, ч 10.00 14.00 20. Рис. (левый). Дневной дрейф, гравиметр Ла Ко~•а-Ромберга 6.60 Dl6 [33].

Рис. (nравый). Дрейф nри связях на большие расстояния (на самолете), грав11метр Ла Кtкт~­ 6. Ромберга GBS [689).

Относительные измерения силы тяжести - периодическая проверка юстировки измерительной системы (уровни), а также защиты и экранирования (от давления, температуры, магнитного поля);

- предельно осторожное обращение с гравиметром при транспортировке и изме­ рениях (избегать сотрясений и резкого одностороннего нагрева или охлажде­ ния прибора);

-по возможности выбирать пункты с учетом их стабильности (сотрясения, воз действия температуры, гидрологический режим);

- исключение аномального дрейфа, приуроченного к началу измерений;

единообразная последовательность измерений на каждом пункте;

измерения при стабильных внешних условиях (изменения температуры менее 5°-10 °С/сут);

- защита гравиметра от возмущающих воздействий (ветер, солнечное из­ лучение);

(2- -достаточно частое определение дрейфа ч);

- применение дополнительного транспортировочного контейнера с термо статом.

Точность измерений 6.6.4.

Точность относительных измерений силы тяжести можно оценить априори, зная бюджет ошибок, а после измерений по их результатам. Для гравиметров Аскания и Уордена, как и для более ранних приборов, точностные характеристи­ ки даются в их описаниях (разд. или известны из анализа источников· ошибок 6.5) (разд. Ограничимся рассмотрением ошибок гравиметров Ла Ко­ 6.6.1-6.6.3).

ста Ромберга (разд. 6.5.4).

В табл. приведен бюджет ошибок гравиметров Ла Коста- Ромберга мо­ 6. делей и составленный по различным источникам D G, [349, 695].

Таблица 6.6.Бюджет ошибок гравиметров Ла Коста Ромберга (единичное измерение средине - t.g, условИII измерений, t.g мхм · с - 2 ) по данным В. Торге [69S) 1 Ошибка, мкм ·с- Ошибка при обычной Высокоточные иэмереии• Источник ошибок методиJtс, мкы · с-2 Дополиител~оиыс меры Прибор Дополнительный ±0,03 ±0, отсчет вольтметр Улучшенные уровни, ±O,OS ±0, нивелирование задаиное вреМJI ста новлеНИII отсчета ±0, После дезарретированИII ±O,OS неупруrое последействие нестабильность напр•жени11 Стабилизатор напр11жени• ±O,OS ±0, ПИТ8НИ Кали6роека ±0,1S/HXXJ мхм·с- 2 Калибровочнu система с ±O,OS/HXXJ мхм·с- длинноволновые компоненты абсолютными определе НИIIМИ и промежуточ ными пуиктами Глава Пpoдoi/Jitf!ниe табл. 6.6.

Ошибка, мкм ·с- Источник ошибок Ошнбu nри обычной Высокоточные нэмереина методике, мкм · с - 2 Доnолнительные меры Периодические компоненты:

-Модель Специальный калибровоч G :t::0,1S ±0, ный базис и/или кали -Модель D ±0,02 ±0, бровка с использованием обраТНОЙ CBIIЗH ВлURHUR внешней среды:

Малые измененИJI темп.

±0,1 ±0, температура или дополнительное термостатироваиие ±0, Контроль, возможно вве ±0, давление воздуха дение поправок Контроль, возможно вве ±0,03 ±0, магнитное поле дение поправок ± O,OS Осторожность при пере ±0, COТPIICeHИJI возке или дополни тельный контейнер ВременнЫе измененШI силы 17l1fJa!CmU Использование моделей ±0,1 ±0, гравитационные приливы приливов дл11 упругой Земли и океанов или измеренных приnивных параметров флуктуации атмосферного Введение поправок за при- O,OOS ±O,OS ± давлени11 ведение к стандартным метеоуСЛОВИIIМ ±O,OS флуктуации уровн11 грунтовых (Приведение к стандартно ±O,OS вод н влажности почвы му уровню грунтовых вод пока невозможно) Среднеквадратическая ошибка 4g2) случайиu ошибка ±0,17 ±0, + случайнu систематическu ±0, COCТUЛIIIOWИe ±0,27 ±0, -Модель G ±0, D ±0, -Модель Общая ошибка, включающая временнЫе измененШI силы f1111Жl!cmи:

±0, G ±0, -Модель ±0, D ±0,2S -Модель 11 Обычна• программа: калибровочные таблицы изготовители + линеАнь1А калибровочны А коэффициент, полученный на базисе;

Сумма квадратов ошибок.

Таблица содержит средние значения отдельных ошибок (среднеквадратическиt: ошиб­ ки) и однократного измерения дg;

по разным литературным источникам их величины могут различаться в зависимости от конкретных условий. Данные таблицы основаны на результатах, nолученных в региональных и локальных гравиметрических сетях (дg ~ 1000 мкм·с- nри тиnичных условиях (трансnортировке на автомашине, без резких 2) 1-2 ч).

сотрясений и изменений темnературы, оnределение дрейфа через Помимо измере Относительные измерения силы тяжести ний по обычной программе рассмотрены высокоточные измереННJI, при которых прннима­ лись дополнительные предосrорожносrи (разд. В бюджет входит также не 6.6.1-6.6.3).

оцененное отдельно влиmие изменений силы ТJ(Жестн во времени.

Полная ошибка nри стандартных методиках измерений с учетом ошибки кали­ бровки равна ± 0,2-0,3 мкм ·с- 2, при высокоточных измерениях она уменьшает­ ся до ±О, 1 мкм ·с- 2 • Главными источниками ошибок остаются погрешности ка­ флуктуации температуры и сотрясения. При дg = 50 либровочной функции, 100 мкм·с- 2 эти влияния, как и изменения силы тяжести во времени, существенно уменьшаются и можно ожидать ошибки ± 0,05 мкм ·с - 2 и менее.

Случайные ошибки можно уменьшить повторными измерениями при различных усло­ виях («рандомизация»);

если использовать разные гравиметры, то будет отчасти ослабле­ [249] 9.2.2).

но влияние нелинейных и периодических ошибок калибровки (разд.

Среднеквадратические ошибки, полученные из уравниванШI локальных и реги­ ональных измерений, подтверждают справедливость этих точностных оценок.

Таблица содержит данные различных измерительных про грамм. Как видно, 6. однократное измерение по высокоточным методикам позволяет определить ма­ лые приращении силы т.11жести с ошибкой ± 0,05-0,1 S мкм ·с - 2 • При б6льших приращенИ.IIХ (до 1000-2000 мкм·с- 2 ) и б6льшем времени транспортировки ошибка увеличиваетс.11 до ±0,1-0,2мкм·с- 2 • И лишь при больших l1g и больших рассто.IIНИИХ между станЦИ.IIМи (транспортировка на самолете) из-за сильных из­ менений внешних условий, недостаточно надежного определени.11 дрейфа и долrо­ периодичесiСИХ погрешностей калибровочной фунiЩИи ошибка измерений увеличи­ ваетс.ll до ±0,5-1 мкм·с- 2 • Таблица 6. 7. Среднеквадратические ошибки елшшчного юмерения t:..g с гравн'метрами Л а К оста G D) Ромберга (модели и Ошltбка.



Pages:     | 1 |   ...   | 5 | 6 || 8 | 9 |   ...   | 14 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.