Gravimetr

Gravimetr (z latinského gravis "těžký" + řecké μετρεω "Měřím") - zařízení pro vysoce přesné měření gravitace ; nejčastěji se používá při hledání minerálů .

Je třeba poznamenat, že na konci 19. - začátku 20. století se pod tímto pojmem rozumělo jiné měřící zařízení . Konkrétně na stránkách Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron , byla uvedena následující definice gravimetru: „ zařízení pro stanovení gravimetrické hustoty střelného prachu “ [1] .

V některých [2] zdrojích byl navíc gravimetr nazýván gravimetrem Gravity Variometer .

Účel zařízení a aplikace

Gravimetr je ve své podstatě multidisciplinární přístroj, jehož aplikace je možná v mnoha oblastech. V praxi se však téměř 100 % gravimetrů používá při gravitačním průzkumu, konkrétně při vyhledávání ložisek nerostných surovin. Z tohoto důvodu se s nimi silně spojily samotné gravimetry. Díky gravitačnímu průzkumu je možné přímo ze zemského povrchu určit přítomnost konkrétního minerálu v útrobách země. To umožňuje výrazně snížit množství nákladného vrtání studní nebo výstavby dolů.

Typickou ilustrací jsou například krasové propady, nad nimiž je gravitační síla menší, takže údaje gravimetru jsou nižší; nad hustou rudou jsou hodnoty gravimetru vyšší, protože gravitace se zvyšuje nad těžkými předměty.

Je třeba poznamenat, že někdy gravimetry stále používají archeologové , paleontologové a je také možné je použít v hydrologii , půdě , zemědělství , mapování a mnoha dalších oblastech. Gravimetry jsou instalovány na autech, lodích, letadlech, vesmírných satelitech atd., ale běžnější jsou ručně přenášené konstrukce.

Zajímavostí je, že právě gravimetry našly uplatnění v jedné z nestandardních oblastí – v navigaci balistických (včetně jaderných) raket . Systém orientace rakety je založen na gravimetrii , protože je to gravitační pole Země, které je silným a stabilním referenčním bodem: na rozdíl od orientace magnetickým polem nebo navádění rádiovým signálem nemůže být gravitační pole zkresleno nebo zachyceno. Ze zřejmých důvodů je také nemožné „zamaskovat“ napadený cíl umělou gravitační anomálií, protože jeho vytvoření bude vyžadovat rychlý a skrytý přesun miliard tun horniny z jednoho bodu planety na druhý.

Obecné informace

Zpočátku se v gravitačním průzkumu a gravimetrii pro přesná měření gravitačního pole používaly různé gradiometry a variometry. Tato zařízení umožňují měřit plné hodnoty druhých derivací potenciálu, což je poměrně informativní, ale mají extrémně nízkou produktivitu - jedno měření gravitace může trvat až 40 minut nebo více. Díky tomu se rozšířily jednodušší, ale zároveň produktivnější gravimetry různých konstrukcí, které měří pouze vertikální derivaci potenciálu . V SSSR byla do roku 1953 zahájena výroba vlastních gravimetrů a výroba variometrických zařízení prudce poklesla a do roku 1968 zanikla. V současné době se gradiometry a variometry používají pouze pro velmi přesná měření gravitačního pole (s jejich pomocí jsou možné archeologické průzkumy, vyhledávání velkých podzemních prostor - štol a bunkrů), kdy přesnost gravimetrů nestačí. $\Delta g$

Gravimetr je dosti tenké měřící zařízení, jehož činnost závisí na řadě rušivých faktorů: teplotě, tlaku, vibracích (všechny druhy mikroseismů nebo otřesů). Proto se měření provádějí výhradně v klidu, přičemž gravimetr se instaluje postupně na každý piket předem připravené sítě. Citlivá část gravimetru je umístěna v ochranném pouzdře, ve kterém je udržována konstantní teplota a tlak. Moderní gravimetry již dosáhly přesnosti stanovení na úrovni ~10 −7 -10 −9 v relativních měřeních a přesnost v absolutních měřeních může být 0,03–0,07 mGal . $G$

Existuje mnoho různých provedení citlivého systému, jehož činnost je dána vlivem gravitace na určitý jev: volný pád těles, kmitání kyvadla (struny, membrány), precese těžkého gyroskopu, pohyb kyvadla, pohyb kyvadla, pohyb kyvadla, precese těžkého gyroskopu. zakřivení povrchu rotující kapaliny (nebo vzestup kapaliny v kapiláře ), levitace vodiče s proudem nebo nabité částice v magnetickém poli, stejně jako rovnováha libovolného systému vah (z pák nebo pružin ).

Naměřené indikace mohou být jak absolutní (měřena je samotná hodnota gravitace, např. 981,2573 mGal), tak relativní (v tomto případě je měřen rozdíl gravitace ve dvou sousedních bodech). Měření lze provádět i za pohybu (na vodě a v poslední době se stal „módním“ letecký gravitační průzkum), ale častěji jsou gravimetry pevně instalovány v místě měření a teprve po dokončení měření jsou přeneseny do nový bod.

Absolutní měření gravitace

Absolutní měření se historicky objevila dříve, protože jejich hrubé chování je možné bez speciálního vybavení. Jako měřící přístroj lze použít například velké kyvadlo. Gravitace se navíc posuzovala házením těžkých koulí z vysokých věží (v tomto případě se měřila doba pádu koule na zem). Skutečně přesná se však absolutní měření stala teprve s rozvojem moderních technologií.

Kyvadlové gravimetry pro absolutní měření

Měření absolutní hodnoty gravitace je založeno na skutečnosti, že doba kmitu T kyvadla závisí na velikosti pole, ve kterém k těmto kmitům dochází. Matematickým aparátem popisujícím tuto závislost je vzorec:

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

Pro přesnější výpočet můžete použít složitější model:

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)+\tečky +\left[{\frac {\left(2n-1\right)!!}{\left(2n\right)!!}}\right]^{2} \sin ^{2n}\left({\frac {\alpha }{2}}\right)+\tečky \right\},

kde je období malých oscilací,

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

\alpha

- maximální úhel odklonu kyvadla od svislice.

Přesnost výpočtů gravitace však bude ve svém důsledku ovlivněna přesností měření délky kyvadla a také hmotnosti břemene. K vyřešení tohoto problému navrhl F.V.Bessel měřit periody kmitů téhož kyvadla s různými délkami závitu a . Pro výpočty musíte použít vzorec: $T_{1}$ $T_{2}$ $l_{1}$ $l_{2}$

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

Výhodou tohoto přístupu je, že je možné změřit rozdíl délek kyvadel mnohem přesněji a jednodušeji než délky samotných kyvadel. Přesnost měření může být 0,3 mGal .

Balistické gravimetry

Měření absolutní hodnoty gravitace je založeno na registraci doby volného pádu některého zkušebního tělesa o známé hmotnosti. Matematickým aparátem popisujícím tuto závislost je vzorec:

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

Hodnoty - počáteční výška, - počáteční rychlost jsou známy předem, změřením polohy tělesa z a času t v několika polohách můžeme sestavit systém rovnic: $z_{0}$ $v_{0}$

\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.

Měření tělesných souřadnic se provádí pomocí laserového dálkoměru a pro zvýšení přesnosti je zavedena korekce na časové zpoždění určování souřadnic vlivem fyzikálních procesů v zařízení.

Pro ještě větší zvýšení přesnosti mohou zkomplikovat matematický aparát s přihlédnutím k nehomogenitě samotného gravitačního pole (volně padající zátěž mění svou absolutní výšku a v různých výškách jsou různé normální hodnoty gravitace). Proto je v praxi běžný následující vzorec:

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}},

kde je vertikální gravitační gradient na aktuálním piketu.

\gamma

Ve skutečnosti se u gravimetrů typu GABL-E během jednoho volného pádu neprovádějí měření třikrát, ale několik setkrát. To umožňuje statistickým metodám určit nejpravděpodobnější hodnotu gravitace. K tomu se použije následující vzorec:

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

kde N je počet měření a hodnota je určena výrazem:

\Delta

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

Vizuálně je hlavní částí gravimetru krátká trubice, ze které je odčerpáván vzduch. Speciální mechanismus odshora dolů hází po trubici kouli o známé hmotnosti a spodní mechanismus (tzv. "sukně") zachytí kouli dole, když vyletí z tuby. Mechanismus poté vrátí míč zpět na horní část trubky a znovu ji vrhne. Během pádu laserový paprsek opakovaně měří souřadnice koule v potrubí.

Kvantový gravimetr

Byl vytvořen kvantový gravimetr o objemu 1 cm 3 založený na použití Mach-Zehnderova interferometru [3] .

Měření relativní gravitace

Na rozdíl od absolutních měření se relativní měření vyznačují vyšším výkonem. Jedno a totéž zařízení se přenáší mezi stanovišti předem vybranými z předpokladů obecnějšího charakteru a porovnáním výsledků měření se zjistí konfigurace gravitačního pole v této oblasti.

Kyvadlové gravimetry pro relativní měření

Příklady tohoto návrhu jsou Stuckartovy gravimetry a komplex Agat (TsNIIGAiK). Nástroje se skládají z jedné nebo více sad kyvadel, ve kterých se dvě kyvadla kývají v protifázi. Kyvadla jsou umístěna v Dewarově nádobě , která je udržována na konstantní teplotě.

Poměr se měří:

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

Přesnost měření může dosáhnout 0,1 mGal .

Gravimetry založené na Golitsynově seismografu

Konstrukce přístroje je založena na seismografu .

Tento typ gravimetru je možná nejběžnější. Přes zdánlivou drsnost provedení mají právě quartzové gravimetry (hlavní citlivý prvek systému, seismograf Golitsyn, vyroben z křemene) optimální poměr dostupnosti a funkčnosti. Nejčastěji se jedná o relativně levná zařízení malé hmotnosti a rozměrů s dobrou přesností měření. Takovými jsou například oblíbené kanadské gravimetry CG-5 a domácí GNU-K (GNU-KS, GNU-KV).

Konstrukční prototyp vyvinul velký ruský geofyzik B. B. Golitsyn .

Jeho základem je rám citlivého prvku v podobě rámu ve tvaru obráceného U z křemene. Mezi horními konci rámu je natažena křemenná nit stočená do dvojité šroubovice. Uprostřed spirálky je mezi závity vsazen tenký quartzový vahadlo s platinovým závažím na konci. Zatížení vahadla vyrovnává sílu odvíjení křemenného vlákna.

Mírou gravitace v takovém gravimetru je úhel odchylky vahadla od polohy při kalibraci zařízení. Úhel se měří optickým systémem (vizuálně), existují však i jiná schémata. Celá quartzová struktura s platinovým závažím je umístěna v termostatu.

Samostatnou větví evoluce křemenných gravimetrů jsou gravimetry La Coste & Romberg podobného zařízení, avšak citlivá část těchto gravimetrů není vyrobena z křemene, ale z kovu. Stabilita systému je také zajištěna teplotní regulací čidla.

Inerciální gravimetry

Určení vektoru tíhového zrychlení pomocí inerciálního gravimetru je založeno na výsledcích měření parametrů inerciální soustavy na pohybujícím se nosiči (nejčastěji ve flotile). Samotný inerciální systém se skládá z akcelerometrů, gyroskopů a dalších zařízení.

Teorie inerciální gravimetrie se zcela shoduje s teorií inerciální navigace a hlavní rovnice je:

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

kde je poloměrový vektor hmotnosti bodového testu

{\vec {r))

m,

m{\vec {g}}

je gravitační vektor,

\vec{F}

- síla nárazu podpěry na zkušební závaží.

Inerciální navigace je poměrně pokročilá věda, která se rozvinula již ve 30. letech 20. století a našla uplatnění v mnoha oblastech. Například A. V. Til vyvinul vysokorychlostní mořský gravimetr „Sten“ s magnetickým zavěšením inerciálního tělesa. S její pomocí si uvědomil možnost určování souřadnic ponorek pouze gravitačním polem Země. Zařízení bylo testováno v roce 1982 a zahrnuto do podmořského navigačního systému Typhoon . V průběhu těchto testů Til také provedl gravitační průzkum Bílého moře, kde byly identifikovány anomálie slibné pro další průzkum nerostů.

Takový gravimetr se skládá ze tří ortogonálních akcelerometrů, jejichž polohu nepřetržitě sledují gyroskopy. Pomocí zmíněných akcelerometrů se získají tři složky vektoru síly působící na zkušební hmotu.

Kryogenní gravimetry

Supravodivá koule je umístěna nad prstencem, kterým cirkuluje elektrický proud a vytváří vnější magnetické pole, které se indukuje na povrchu koule, jehož magnetické pole je opačné než magnetické pole aplikované z vnějšku a vytlačuje kouli z vnějšího prostoru. pole, takže se koule vznáší (levituje) nad prstencem ve výšce určené gravitací. Měření této výšky umožňuje vypočítat gravitační sílu.

Nedostatek významných výhod v kombinaci s vysokou cenou omezuje rozšíření takových zařízení na jednotlivé vzorky.

Strunové gravimetry

Gravimetry strunového typu jsou založeny na závislosti rezonanční frekvence struny na jejím napnutí břemenem zavěšeným na struně. Jsou prakticky bez setrvačnosti, mají malou hmotnost a rozměry, proto jsou vhodné pro gravitační měření z letadla. Vyznačují se také velmi malým nulovým offsetem, vysokou odolností proti šumu a ostrou směrovostí osy citlivosti. Myšlenku gravimetrů navrhli fyzici Mandelstam a Papaleksi , ale poprvé byla implementována a testována v Anglii na ponorce v roce 1949. V SSSR byl první strunový gravimetr vyvinut a testován v roce 1956 na povrchové nádobě A. M. Lozinskaya na VNIIGeophysics. Přesnost byla 1,2 mGal.

Technicky vzato je gravimetr měděné závaží zavěšené v poli permanentních magnetů na struně vyrobené ze slitiny s nízkým teplotním koeficientem. Tyto magnety tlumí vibrace v příčné rovině. Řetězec je umístěn mezi póly dalšího permanentního magnetu a je součástí obvodu kladné zpětné vazby generátoru. Při buzení struny generátorem vznikají netlumené mechanické vibrace s vlastní frekvencí struny, která je závislá na napětí gravitací zátěže, proto se problém redukuje na měření odchylky této frekvence od referenční. Pohybová rovnice struny má tvar:

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

kde M je hmotnost nákladu,

\sigma

- hustota,

\alpha

- extrémně malý úhel mezi vektory tahové síly a gravitace.

Nevýhodou strunových gravimetrů je jejich citlivost na vibrace.

Poznámky

↑ Gravimeter // Encyklopedický slovník Brockhause a Efrona : v 86 svazcích (82 svazcích a 4 dodatečné). - Petrohrad. , 1890-1907.
↑ Fedynsky V.V. Sovětský gravimetr // Novinky o technologii ropy. 1947. č. 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. a Rasel E. M. Phys. Rev. Lett. 117, 203003 — Zveřejněno 11. listopadu 2016 Atom-Chip Fountain Gravimeter Archivováno 31. května 2019 ve Wayback Machine

Odkazy

Gravimeter // Velká sovětská encyklopedie : [ve 30 svazcích] / kap. vyd. A. M. Prochorov . - 3. vyd. - M .: Sovětská encyklopedie, 1969-1978.
Katalog Gravimetrické zařízení

Viz také

Průzkum gravitace
Geofyzika
GRACE je mezinárodní projekt pro studium gravitačního pole Země, který představuje dvě identické družice letící jedna za druhou na stejné oběžné dráze ve vzájemné vzdálenosti.

Literatura

Lozinskaya A. M., Fedynsky V. V. Gravimetr-výškoměr // Aplikovaná geofyzika. 1953. Vydání. 10. S. 3-28.
Fedynsky VV O vývoji zařízení pro gravimetrická měření v pohybu // Izvestiya AN SSSR. Ser. geophys. 1959. č. 1. S. 146-152.
Fedynsky VV K otázce klasifikace gravimetrických děl a nové technické instrukce pro gravimetrický průzkum // Geofyzikální průzkum. 1962. Vydání. 8. S. 51-56.
Gainanov A. G., Krasny L. I. Stroev P. A., Fedynsky V. V. et al. Vysvětlivka ke gravimetrické mapě Tichého oceánu a pacifického mobilního pásu. - L . : VSEGEI, 1979. - 60 s.
Vinogradov V. B. , Bolotnova L. A. Gravimetry. - Jekatěrinburg: Nakladatelství USGU , 2010. - 67 s. - 200 výtisků.
Kurz prospekce Mironov V.S. Gravity. - L . : Nedra, 1972. - 512 s.