Изучение зависимости показаний прибора от наклона.

Лабораторные инструментальные исследования.

Цель лабораторных исследований.

а. Подготовить гравиметр к полевым измерениям, познакомится с устройством гравиметров, изучить их основные характеристики.

б. Получить общие сведения о методике выполнения и проведения гравиметрических наблюдений в лабораторных условиях.

в. Обработка полученных материалов.

Общие сведения о типах и устройстве статических гравиметров для измерения силы тяжести.

По характеру действия упругих сил статические гравиметры разделяются на системы с поступательным движением пробной массы грузика, подвешенного на упругой пружине (так называемые гравиметры 1-го рода), и на системы с вращательным движением массы грузика, прикрепленного к рычагу маятника и совершающего вращательное движение вокруг оси, совпадающей с крутильной нитью или осью спиральной пружины (так называемые гравиметры 2-го рода).

Рис.4. Пружинная (А) и крутильная (Б) системы гравиметров.

В гравиметрах 1-го рода равновесие грузика определяется условием равенства нулю всех действующих сил, и мерой изменения ускорения силы тяжести служит изменение длины пружины, один конец которой закреплен, а к другому подвешен груз массой m(рис. 4, А). Равновесие в этом случае достигается при условии, что сила тяжести груза mg уравновешивается силой натяжения пружины kl: mg = kl, где l – длина пружины, k – коэффициент упругости пружины, g – значение силы тяжести. Проведя измерения на точке со значение силы тяжести g0, получим mg0 = kl0. На другом пункте измерений, где значение силы тяжести равно gi, будем иметь mgi = kli. Тогда приращение силы тяжести между этими точками можно рассчитать по формуле: Δg = gi – g0 = k(li-l0)/m = CΔl, где С– коэффициент пропорциональности, переводящий значения удлинения пружины в значения силы тяжести.

В гравиметрах 2-го рода, при вращательном движении системы вокруг горизонтальной оси, равновесие определяется равенством нулю суммы всех моментов сил, действующих на измерительную систему. Для случая, представленного на рис. 4, Б, уравнение равновесия будет иметь вид: τφ = mgl, где τ – крутильная жесткость нити, к которой прикреплен маятник с грузом массой m, τφ - угол закручивания нити, l- длина маятника. Предположим, что в точке наблюдения со значением силы тяжести равным g0, маятник находится в горизонтальном положении. В этом случае уравнение равновесия будет иметь вид: τφ0 = mg0l . В пункте, где значение силы тяжести равно gi = g0 + Δg, уравнение равновесия приобретет вид: τ(φ0 + Δφ) = m(g0 + Δg)lcos(Δφ). Поскольку угол Δφ очень мал, то cos(Δφ) ≈ 1, и для уравнения равновесия можно записать τ(φ0 + Δφ) ≈ m(g0 + Δg)l. Отсюда значение приращения силы тяжести между пунктами наблюдений Δg = τ Δφ/ml = C Δφ, то есть прямо пропорционально углу наклона маятника системы.

В отличие от гравиметров 1-го рода, гравиметры 2-го рода обладают большей чувствительностью. В гравиметрах 2-го рода можно еще больше повысить чувствительность, используя принцип астазирования (астазирование – искусственное повышение чувствительности), который был предложен Б.Б. Голициным для повышения чувствительности вертикального сейсмографа. В астазированных гравиметрах чувствительная система находится в положении, близком к положению неустойчивого равновесия, и небольшие изменения силы тяжести создают непропорционально большие углы поворота системы. Это приводит к тому, что между значениями Δg и Δφ не будет прямой пропорциональной зависимости. И для определения значения приращения силы тяжести необходимо использовать другой принцип измерения, в частности компенсационный, когда маятник с помощью специальной измерительной пружины приводится в точках наблюдения в горизонтальное положение, а величину Δg определяют по изменению натяжения этой пружины. (более подробно об астазированных и неастазированнных гравиметрах можно прочитать в дополнительной литературе, которая указана в конце описания).

Изучение зависимости показаний прибора от наклона.

Для обычных астазированных гравиметров эта процедура является стандартной и необходимой. Установка уровней заключается в совмещении горизонтальной плоскости, в которой лежат ось вращения и центр тяжести рычага (это соответствует максимальному моменту силы тяжести), с плоскостью задаваемой нулевым положением уровней. Между изменением момента силы тяжести и наклоном прибора существует косинусоидальная, а для малых углов приближенно-параболическая зависимость. Этим свойством пользуются при проверке и регулировке уровней на минимум чувствительности к наклону. Наблюдают зависимость кажущегося изменения приращения силы тяжести от наклона в плоскостях продольного или поперечного уровней. Угол наклона задается с помощью установочных винтов, вершина параболы должна соответствовать горизонтальному положению рычага.

Так как гравиметры Scintrex относятся к гравиметрам 1-го рода, эта процедура не является для них столь необходимой. Так же у приборов Scintrex CG-5 существует встроенная система введения поправки за наклон. И как утверждает фирма – производитель, автоматическая коррекция угла наклона должна осуществляться в пределах от -200 до 200 arsec. Опыт работы с этими приборами показал, что она работает недостаточно надежно, поэтому все измерения необходимо проводить только после тщательного выставления по уровням с точностью  5-7 arcsec. (Пр. см. на рис.5-6)

Рис.5. Зависимость показаний прибора от наклона (по оси Х). CG-5 430, 27.04.10 (по оси У – изменение приращения силы тяжести, мкГал, по оси Х – наклон в сек.)

Рис.6. Зависимость показаний прибора от наклона (по оси У). CG-5 430, 27.04.10 (по оси У – изменение приращения силы тяжести, мкГал, по оси Х – наклон в сек.)

Задание 1. Провести штатную проверку методики измерений с шагом в 20 arcsec по каждой оси и проверить корректность встроенной процедуры введения поправки за наклон. Результаты занести в таблицу (см. Табл.1), по полученным результатам, учесть дрейф прибора (подробнее как учитывать дрейфа прибора, см. главу 2.1.2.) и построить графики для каждой оси.

Табл. 1. Зависимость показаний прибора от наклона.