Призначення та влаштування гравіметра
Основною частиною гравіметра є пружна система, що базується на принципі горизонтального маятника Голіцина. Вибір як матеріал виготовлення пружної системи плавленого кварцу обумовлений його сприятливими параметрами. Міцність кварцового скла така, що пружні системи малих розмірів, виготовлені з нього, можуть не арретуватись при транспортуванні гравіметрів. Зазвичай кварцові системи роблять без термостата і забезпечують тільки потужним термозахистом (як ГАК-ПТМ).
Щоб зробити показання гравіметра незалежними від змін тиску повітря, пружна система ДАК поміщена в латунну закриту посудину, з якої викачано повітря, через кришку латунної судини проходять усередину труби мікроскопа та освітлювача, а назовні виходять мікрометричні гвинти. Важель гравіметра не арретують; для запобігання його від надмірно великих коливань зверху і знизу кінця важеля як обмежувачі поставлені упори.
Пружна система поміщена в посудину Дьюара і оточена теплоізолюючим шаром.
Така ретельна теплоізоляція виявилася необхідною для того, щоб зовнішні температурні зміни доходили всередину, можливо, повільніше, тому що для дії температурноїкомпенсації потрібно, щоб усі частини приладу прогрівалися одночасно. Зверху до латунної посудини прикріплена текстолітова панель, на якій розміщені лічильник обертів мікрометричного гвинта вимірювального пристрою, лампочка освітлювача, окуляр мікроскопа, рівні шкали термометра. Термометр у цьому приладі необхідний тому, що температурна компенсація цілком дієва лише в невеликих межах змін температури, і вплив великих змін температури має враховуватися запровадженням температурної поправки усунення нуль-пункту приладу.
Що стосується мікрометричного гвинта пружини, за допомогою якої гравіметр налаштовується для спостережень в різних районах з значеннями сили тяжіння, що сильно різняться, то він не виведений на текстолітову панель, і його обертання може здійснюватися за допомогою особливого ключа, що вставляється, коли це потрібно, в особливий отвір у панелі.
Зовнішній корпус гравіметра зроблений з легкого сплаву та забезпечений трьома гвинтами.
Принцип дії
Оскільки система спостерігається нульовим методом, тобто. приведенням важеля ОС у те саме положення, то при зміні сили тяжіння плечіd1іd2можна вважати незмінними. Тоді збільшення моментів пропорційне збільшенню сил:
звідки
тобто. приріст пружної силиQу стільки разів має бути більшим за приріст сили тяжкостіg, у скільки разів плече d1 більше плеча d2. Тому в цій системі при невеликій зміні сили тяжіння для врівноваження потрібна велика зміна силиQ. Отже, невеликі зміни сили тяжкості викличуть великі деформації пружини і, відповідно, великі кути повороту маятника.
У цьому полягаєастазування системи. Для гравіметра ДАК астазування обрано таким, щоб зміни сили тяжіння в мГал (1Гал=0,01 м/сек 2 ; 1мГал=10 -5 м/сек 2 відповідав поворот маятника на 30-100".
Схема пружної системи гравіметра наведено на рис. 2. Основні елементи гравіметра зібрані на рамці 1.Чутливий елементприладу - горизонтальний маятник Голіцина - складається з маятника 19, що утримується в рівновазі головної гвинтовою пружиною 8 і крутильною ниткою підвісу 7. Руху маятника обмежені в межах , встановленим над грузиком 18. Головна пружина 8 скріплена верхнім кінцем з нерухомим каркасом системи, нижнім - з припливом до маятника. Ця пружина навита з кварцової нитки діаметром 80-100 мкм.
Вимірювальний пристрійскладається з рамки 3,повертається на нитках 10. До цієї рамки приварені нитки підвісу 7 маятника. Рамка 2має два стрижні, до яких прикріплені діапазонна 9вимірювальна 5 пружини. Верхні кінці цих пружин пов'язані з рухомими штоками вимірювального тадіапазонні пристрої.
Пристосування длятемпературної компенсаціїскладається з металевої нитки 14, скріпленої верхнім кінцем з основним каркасом системи, а нижнім- з важелем 21, який може обертатися на нитках 20.Другий кінець важеля 21 з'єднаний тонкою кварцовою ниткою 3 з рухомою рамкою температурного 4 компенсатора. Нитки підвісу 2 і 4 обох рамок і маятника7розташовані на одній прямій.
При зміні сили тяжкості (наприклад, при її збільшенні) маятник 19 відхилятиметься від початкового положення рівноваги до тих пір, поки сили, викликані деформацією головної пружини 8, і нитки підвісу7маятника, не врівноважують зміну сили тяжіння. Головна пружина 8 з'єднана з маятником таким чином, що при зміні сили тяжіння виникає додатковий пружний момент сил головної пружини знак якого збігається зі знаком зміни сили тяжіння.
Мірою подовження пружини 5 є кут повороту мікрометричного гвинта, який вимірюється спеціальним лічильником редуктором, що дозволяє відраховувати кут повороту з точністю до 0.001 частки обороту. Діапазонна пружина 9 має лінійну жорсткість 50-100 разів більшу, ніж вимірювальна пружина 5, і служить тільки для перебудови діапазону вимірювань. В силу нульового способу відліку залежність між показаннями мікрометра гравіметра і змінами сили тяжіння лінійна: дез- ціна поділу звітного пристрою;ΔS-змінавідліку в оборотах.
У гравіметрі використовується оптична реєстрація, що працює за наступним принципом: при відхиленні маятника повертається його витончений вільний кінець, що освітлюється променем світла, що йде від лампочки через призму мікроскопа 17 з об'єктивом і окуляром. Переміщення цієї частини важеля у фокальній площині спостерігається як зміщення індексу, що світиться. За допомогою компенсаційної пружини 5 маятник повертають до вихідного нульового положення - це фіксується поверненням рухомого індексу, що світиться, в мікроскопі до нульового нерухомого штриха відлікової шкали.
Дія температурної компенсації.Кварц має аномальний температурний коефіцієнт (при нагріванні пружність кварцу зростає). При зміні температури змінюється пружність кварцу, внаслідок чого змінюється в свою чергу момент пружних сил головної пружини 8 і ниток підвісу маятника, і маятник переміщається. Компенсація цього переміщення здійснюється шляхом додаткового закручування ниток підвісу 7 маятника в залежності від температури, яка викликає зміну довжини металевої нитки 14. Металева нитка 14 при зміні температури подовжується або скорочується і повертається, повертаючи важіль 21. її вигин і повертає рухому рамку температурного компенсатора 4. Разом з рамкою 4 повертається і вимірювальна рамка 2. Таким чином, на нитках підвісу створюється додатковий момент, що закручує, протилежний зміні моменту нетей підвісу і головної пружини і викликаний температурним впливом. Оскільки пружність плавленого кварцу залежить від температури нелінійно, а термокомпенсуючий момент компенсатора має практично лінійну залежність, то повна компенсація можлива лише длядеякої конкретної температури.
Нитка 3 температурного компенсатора має відтяжку, прогин якої забезпечує нелінійну залежність натягувань при лінійних змінах довжини металевої нитки 14. Цим досягаєтьсякомпенсація нелінійних змінупругості кварцових ниток і пружин.