Gravimeter

Gravimeter (från latin gravis "tung" + grekiska μετρεω "jag mäter") - en anordning för högprecisionsmätning av gravitation ; används oftast i sökandet efter mineraler .

Det bör noteras att i slutet av 1800-talet - början av 1900-talet betydde denna term en annan mätanordning . I synnerhet, på sidorna av Encyclopedic Dictionary of Brockhaus och Efron , gavs följande definition av en gravimeter: " en anordning för att bestämma den gravimetriska densiteten av krut " [1] .

Dessutom, i vissa [2] källor, kallades gravimetern Gravity Variometer .

Syftet med enheten och applikationen

Gravimetern är i sin essens ett multidisciplinärt instrument, vars tillämpning är möjlig inom många områden. Men i praktiken används nästan 100 % av gravimetrarna i gravitationsutforskning, nämligen i sökandet efter mineralfyndigheter. På grund av detta har gravimetrar själva blivit starkt förknippade med dem. Tack vare gravitationsutforskning är det möjligt att bestämma närvaron av ett visst mineral i jordens tarmar direkt från jordens yta. Detta gör att du avsevärt kan minska mängden kostsam borrning av brunnar eller konstruktion av gruvor.

En typisk illustration är till exempel karstsänkor , över vilka tyngdkraften är mindre, så gravimeteravläsningarna blir lägre; över tät malm är gravimeteravläsningarna högre, eftersom gravitationen ökar över tunga föremål.

Det bör noteras att ibland gravimetrar fortfarande används av arkeologer , paleontologer , och det är också möjligt att använda dem inom hydrologi , markvetenskap , jordbruk , kartläggning och många andra områden. Gravimetrar installeras på bilar, fartyg, flygplan, rymdsatelliter , etc., men handburna konstruktioner är vanligare.

Ett intressant faktum är att det var gravimetrar som hittade sin tillämpning i ett av de icke-standardiserade områdena - i navigering av ballistiska (inklusive kärnvapen) missiler . Raketorienteringssystemet är baserat på gravimetri , eftersom det är jordens gravitationsfält som är en stark och stabil referenspunkt: till skillnad från orientering av ett magnetfält, eller styrning av en radiosignal, kan gravitationsfältet inte förvrängas eller fångas upp. Av uppenbara skäl är det också omöjligt att "dölja" det attackerade målet med en artificiell gravitationsanomali, eftersom dess skapelse kommer att kräva en snabb och hemlig förflyttning av miljarder ton sten från en punkt på planeten till en annan.

Allmän information

Inledningsvis användes olika gradiometrar och variometrar vid gravitationsutforskning och gravimetri för noggranna mätningar av gravitationsfältet. Dessa enheter låter dig mäta de fullständiga värdena för andra derivator av potentialen, vilket är ganska informativt, men de har extremt låg produktivitet - en mätning av gravitationen kan ta upp till 40 minuter eller mer. På grund av detta har enklare, men samtidigt mer produktiva gravimetrar av olika konstruktioner, som endast mäter den vertikala derivatan av potentialen, blivit utbredda . I Sovjetunionen, 1953, lanserades produktionen av sina egna gravimetrar och produktionen av variometrisk utrustning sjönk kraftigt, och 1968 upphörde den. För närvarande används gradiometrar och variometrar endast för högprecisionsmätningar av gravitationsfältet (med deras hjälp, arkeologiska undersökningar, sökandet efter stora underjordiska utrymmen - gallerier och bunkrar) är möjliga, när noggrannheten hos gravimetrar inte är tillräcklig. $\Delta g$

En gravimeter är en ganska tunn mätanordning, vars funktion beror på ett antal störande faktorer: temperatur, tryck, vibrationer (alla typer av mikroseismer eller skakning). Därför utförs mätningar uteslutande i vila, och en gravimeter installeras i sin tur vid varje strejk i ett förberedd nätverk. Den känsliga delen av gravimetern är placerad i ett skyddande hölje där konstant temperatur och tryck hålls. Moderna gravimetrar har redan uppnått en bestämningsnoggrannhet på nivån ~10 −7 -10 −9 i relativa mätningar, och noggrannheten i absoluta mätningar kan vara 0,03–0,07 mGal . $g$

Det finns många olika utformningar av ett känsligt system, vars funktion beror på gravitationens inverkan på ett visst fenomen: kropparnas fria fall , svängningen av en pendel (strängar, membran), precessionen av ett tungt gyroskop, krökningen av ytan på en roterande vätska (eller uppgången av vätska i en kapillär ), levitation av en ledare med ström eller en laddad partikel i ett magnetfält, såväl som jämvikten i alla balanssystem (från spakar eller fjädrar) ).

De uppmätta indikationerna kan vara både absoluta (värdet av gravitationen i sig mäts, till exempel 981,2573 mGal), och relativa (i detta fall mäts skillnaden i gravitation vid två angränsande punkter). Mätningar kan också utföras på resande fot (på vattnet, och nyligen har flyggravitationsspaning blivit "modernt"), men oftare är gravimetrar fast installerade vid mätpunkten, och först efter att mätningarna är klara överförs de till en ny punkt.

Absolut mätning av gravitationen

Absoluta mätningar dök historiskt upp tidigare på grund av det faktum att deras grova uppförande är möjligt utan specialutrustning. Till exempel kan en stor pendel användas som en mätanordning. Dessutom bedömdes gravitationen genom att kasta tunga bollar från höga torn (i detta fall mättes tiden då bollen föll till marken). Det är dock först med utvecklingen av modern teknik som absoluta mätningar har blivit riktigt exakta.

Pendelgravimetrar för absoluta mätningar

Mätningen av tyngdkraftens absoluta värde baseras på det faktum att pendelns svängningsperiod T beror på storleken på det fält i vilket dessa svängningar uppträder. Den matematiska apparaten som beskriver detta beroende är formeln:

T=2\pi {\sqrt {\frac {l}{g}}}.

För en mer exakt beräkning kan du använda en mer komplex modell:

T=T_{0}\left\{1+\left({\frac {1}{2}}\right)^{2}\sin ^{2}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\left({\frac {1\cdot 3}{2\cdot 4}}\right)^{2}\sin ^{4}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\dots +\left[{\frac {\left(2n-1\right)!!}{\left(2n\right)!!}}\right]^{2} \sin ^{2n}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\dots \right\},

var är perioden för små svängningar,

{\displaystyle T_{0}=2\pi {\sqrt {\frac {l}{g))))

\alfa

- Pendelns maximala avvikelsevinkel från vertikalen.

Däremot kommer noggrannheten i gravitationsberäkningar att påverkas av noggrannheten i att mäta pendelns längd, såväl som lastens massa. För att lösa detta problem föreslog F.V. Bessel att man skulle mäta svängningsperioderna för samma pendel med olika längder på gängan och . För beräkningar måste du använda formeln: $T_{1}$ $T_{2}$ $l_{1}$ $l_{2}$

g=4\pi ^{2}{\frac {l_{1}-l_{2}}{T_{1}^{2}-T_{2}^{2}}}.

Fördelen med detta tillvägagångssätt är att det är möjligt att mäta skillnaden i längderna på pendlarna mycket mer exakt och enklare än längden på själva pendlarna. Mätnoggrannheten kan vara 0,3 mGal .

Ballistiska gravimetrar

Mätningen av tyngdkraftens absoluta värde baseras på registreringen av tidpunkten för fritt fall för någon testkropp med känd massa. Den matematiska apparaten som beskriver detta beroende är formeln:

z=z_{0}+v_{0}t+{\frac {gt^{2}}{2}}.

Värdena - initial höjd, - initial hastighet är kända i förväg, respektive, genom att mäta positionen för kroppen z och tiden t i flera positioner, kan vi komponera ett ekvationssystem: $z_{0}$ $v_{0}$

\left\{{\begin{matrix}z_{1}=z_{0}+v_{0}t_{1}+{\frac {gt_{1}^{2}}{2}}\ \z_{2}=z_{0}+v_{0}t_{2}+{\frac {gt_{2}^{2}}{2}}\\z_{3}=z_{0}+v_ {0}t_{3}+{\frac {gt_{3}^{2}}{2}}\end{matrix}}\right.

Mätningar av kroppskoordinater utförs med hjälp av en laseravståndsmätare och för att öka noggrannheten införs en korrigering för tidsfördröjningen vid bestämning av koordinaterna på grund av fysiska processer i enheten.

För att öka noggrannheten ännu mer kan de komplicera den matematiska apparaten, med hänsyn till gravitationsfältets inhomogenitet (en fritt fallande last ändrar dess absoluta höjd, och på olika höjder finns det olika normala gravitationsvärden). Därför är följande formel i praktiken vanlig:

z_{i}=z_{0}+v_{0}t_{i}+{\frac {gt_{i}^{2}}{2}}+\gamma {\frac {v_{0} t_{i}^{3}}{6}}+\gamma {\frac {gt_{i}^{4}}{24}},

var är den vertikala gravitationsgradienten vid den aktuella strejken.

\gamma

Faktum är att i gravimetrar av typen GABL-E, under ett fritt fall, görs mätningar inte tre gånger, utan flera hundra gånger. Detta tillåter statistiska metoder för att bestämma det mest sannolika värdet av gravitationen. För detta används följande formel:

g={\frac {2}{\Delta }}{\begin{vmatrix}N&\sum t_{i}&\summa S_{i}-{\frac {1}{6}}\gamma ( v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_{i}^{4})\\\summa t_{i}&\summa t_{i}^{2 }&\summa \left[{S_{i}-{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_ {i}^{4})}\right]t_{i}\\\summa t_{i}^{2}&\summa t_{i}^{3}&\summa \left[{S_{i} -{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_{i}^{4})}\right] t_{i}^{2}\end{vmatrix}},

där N är antalet mätningar och värdet bestäms av uttrycket:

\Delta

\Delta ={\begin{vmatrix}N&\summa t_{i}&\summa t_{i}^{2}\\\summa t_{i}&\summa t_{i}^{2}& \summa t_{i}^{3}\\\summa t_{i}^{2}&\summa t_{i}^{3}&\summa t_{i}^{4}\end{vmatrix}} .

Visuellt är huvuddelen av gravimetern ett kort rör från vilket luft pumpas ut. En speciell mekanism från topp till botten kastar en boll med känd massa ner i röret, och den nedre mekanismen (den så kallade "kjolen") fångar bollen under när den flyger ut ur röret. Mekanismen för sedan tillbaka bollen till toppen av röret och kastar den igen. Under fallet mäter laserstrålen upprepade gånger koordinaterna för bollen i röret.

Kvantgravimeter

En kvantgravimeter med en volym på 1 cm 3 och baserad på användningen av en Mach-Zehnder interferometer [3] har skapats .

Relativ gravitationsmätning

Till skillnad från absoluta mätningar kännetecknas relativa mätningar av högre prestanda. En och samma anordning överförs mellan platser som är förvalda utifrån antaganden av mer generell karaktär, och genom att jämföra mätresultaten bestäms konfigurationen av gravitationsfältet i detta område.

Pendelgravimetrar för relativa mätningar

Exempel på denna design är Stuckart gravimetrar och Agat-komplexet (TsNIIGAiK). Instrumenten består av en eller flera uppsättningar pendlar, i vilka två pendlar svänger i motfas. Pendlarna placeras i ett Dewar-kärl , som hålls vid en konstant temperatur.

Förhållandet mäts:

{\frac {g_{a}}{g_{b}}}={\frac {T_{b}^{2}}{T_{a}^{2}}}.

Mätnoggrannheten kan nå 0,1mGal .

Gravimetrar baserade på Golitsyn-seismografen

Instrumentets design är baserad på en seismograf .

Denna typ av gravimeter är kanske den vanligaste. Trots designens uppenbara grovhet är det kvartsgravimetrar (det huvudsakliga känsliga elementet i systemet, Golitsyn-seismografen, är gjord av kvarts) som har det optimala förhållandet mellan tillgänglighet och funktionalitet. Oftast är det relativt billiga apparater med liten vikt och dimensioner med god mätnoggrannhet. Sådana är till exempel de populära kanadensiska gravimetrarna CG-5 och inhemska GNU-K (GNU-KS, GNU-KV).

Designprototypen utvecklades av den store ryske geofysikern B. B. Golitsyn .

Den är baserad på det känsliga elementets ram i form av en inverterad U-formad ram av kvarts. En kvartstråd tvinnad till en dubbelspiral sträcks mellan de övre ändarna av ramen. I mitten av spiralen sätts en tunn kvartsvippa med platinavikt i änden in mellan varven. Belastningen på vippan balanserar kraften för att linda upp kvartsfilamentet.

Tyngdkraftsmåttet i en sådan gravimeter är vinkeln för vippans avvikelse från positionen under kalibreringen av enheten. Vinkeln mäts av det optiska systemet (visuellt), men det finns andra scheman. Hela kvartsstrukturen med en platinavikt placeras i en termostat.

En separat gren av utvecklingen av kvartsgravimetrar är La Coste & Romberg gravimetrar av en liknande anordning, men den känsliga delen av dessa gravimetrar är inte gjord av kvarts, utan av metall. Systemets stabilitet säkerställs också genom temperaturkontroll av sensorn.

Tröghetsgravimetrar

Bestämningen av vektorn för gravitationsacceleration med hjälp av en tröghetsgravimeter baseras på resultaten av mätningar av tröghetssystemets parametrar på en rörlig bärare (oftast i flottan). Själva tröghetssystemet består av accelerometrar, gyroskop och andra enheter.

Teorin om tröghetsgravimetri sammanfaller helt med teorin om tröghetsnavigering , och huvudekvationen är:

m{\frac {d^{2}{\vec {r}}}{dt^{2}}}=m{\vec {g}}+{\vec {F}},

var är radievektorn för punkttestmassan

{\vec {r))

m,

m{\vec {g}}

är gravitationsvektorn,

\vec{F}

- kraften av stödets inverkan på provmassan.

Tröghetsnavigering är en ganska avancerad vetenskap som utvecklades redan på 1930-talet och som har funnit tillämpning inom många områden. Till exempel utvecklade A. V. Til en höghastighetsmarin gravimeter "Sten" med en magnetisk upphängning av en tröghetskropp. Med dess hjälp insåg han möjligheten att bestämma koordinaterna för ubåtar endast genom jordens gravitationsfält. Enheten testades 1982 och inkluderades i Typhoons ubåtsnavigeringssystem . Under dessa tester genomförde Til också en gravitationsundersökning av Vita havet, där anomalier identifierades som är lovande för ytterligare utforskning av mineraler.

En sådan gravimeter består av tre ortogonala accelerometrar, vars position kontinuerligt övervakas av gyroskop. Med hjälp av nämnda accelerometrar erhålls tre komponenter av kraftvektorn som verkar på testmassan.

Kryogena gravimetrar

En supraledande sfär placeras över en ring genom vilken en elektrisk ström cirkulerar, vilket skapar ett externt magnetfält som inducerar på sfärens yta, vars magnetfält är motsatt det som appliceras från utsidan och trycker ut sfären ur den yttre fältet, så sfären svävar (svävar) ovanför ringen på en höjd som bestäms av gravitationen. Genom att mäta denna höjd kan du beräkna tyngdkraften.

Bristen på betydande fördelar, i kombination med höga kostnader, begränsar förekomsten av sådana anordningar till enstaka prover.

Stränggravimetrar

Gravimetrar av strängtyp är baserade på beroendet av en strängs resonansfrekvens på dess spänning av en belastning som är upphängd på strängen. De är praktiskt taget tröghetslösa, har liten vikt och dimensioner, därför är de lämpliga för gravitationsmätningar från ett flygplan. De kännetecknas också av en mycket liten nollförskjutning, hög brusimmunitet och en skarp riktning av känslighetsaxeln. Idén med gravimetrar föreslogs av fysikerna Mandelstam och Papaleksi , men implementerades och testades först i England på en ubåt 1949. I Sovjetunionen utvecklades och testades den första stränggravimetern 1956 på ett ytfartyg av A. M. Lozinskaya vid VNIIGeophysics. Noggrannheten var 1,2 mGal.

Tekniskt sett är en gravimeter en kopparvikt upphängd i ett fält av permanentmagneter på en sträng gjord av en legering med en låg temperaturkoefficient. Dessa magneter dämpar vibrationer i tvärplanet. Strängen placeras mellan polerna på en annan permanentmagnet och är en del av generatorns positiva återkopplingskrets. När generatorn exciterar strängen uppstår odämpade mekaniska vibrationer med strängens egenfrekvens, vilket beror på spänningen av belastningens gravitation, därför reduceras problemet till att mäta avvikelsen för denna frekvens från referensfrekvensen. En strängs rörelseekvation har formen:

Mgd\alpha -S\sigma dz{\frac {\partial ^{2}x}{\partial t^{2))}=0,

där M är lastens vikt,

\sigma

- täthet,

\alfa

- en extremt liten vinkel mellan vektorerna för spänningskraften och gravitationen.

Nackdelen med stränggravimetrar är deras känslighet för vibrationer.

Anteckningar

↑ Gravimeter // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : i 86 volymer (82 volymer och ytterligare 4). - St Petersburg. 1890-1907.
↑ Fedynsky V.V. sovjetisk gravimeter // Nyheter om oljeteknologi. 1947. Nr 85. S. 3-5.
↑ Abend S., Gebbe M., Gersemann M., Ahlers H., Müntinga H., Giese E., Gaaloul N., Schubert C., Lämmerzahl C., Ertmer W., Schleich W. P. och Rasel E. M. Phys. Varv. Lett. 117, 203003 — Publicerad 11 november 2016 Atom-Chip Fountain Gravimeter Arkiverad 31 maj 2019 på Wayback Machine

Länkar

Gravimeter // Stora sovjetiska encyklopedin : [i 30 volymer] / kap. ed. A. M. Prokhorov . - 3:e uppl. - M . : Soviet Encyclopedia, 1969-1978.
Katalog Gravimetrisk utrustning

Se även

Gravitationsutforskning
Geofysik
GRACE är ett internationellt projekt för att studera jordens gravitationsfält, som representerar två identiska satelliter som flyger efter varandra i samma bana på avstånd från varandra.

Litteratur

Lozinskaya A. M., Fedynsky V. V. Gravimeter-höjdmätare // Tillämpad geofysik. 1953. Nummer. 10. S. 3-28.
Fedynsky VV Om utvecklingen av utrustning för gravimetriska mätningar i rörelse // Izvestiya AN SSSR. Ser. geofys. 1959. Nr 1. S. 146-152.
Fedynsky VV Till frågan om klassificering av gravimetriska verk och ny teknisk instruktion för gravimetrisk utforskning // Geofysisk utforskning. 1962. Nummer. 8. S. 51-56.
Gainanov A. G., Krasny L. I. Stroev P. A., Fedynsky V. V. et al. Förklarande anteckning till den gravimetriska kartan över Stilla havet och Stillahavsbältet. - L . : VSEGEI, 1979. - 60 sid.
Vinogradov V. B. , Bolotnova L. A. Gravimetrar. - Jekaterinburg: USGUs förlag , 2010. - 67 sid. - 200 exemplar.
Mironov V.S. Gravity prospekteringskurs. - L . : Nedra, 1972. - 512 sid.