PL245653B1 - Przyrząd do przechyłowej kalibracji sensora grawimetru dynamicznego - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest układ przyrządu do przechyłowej kalibracji sensora grawimetru dynamicznego, którego obszarem zastosowań są: techniki pomiarowe elementów pól fizycznych dotyczących zwłaszcza siły ciężkości oraz jej przyspieszenia, a także, geofizyka i hydrografia. Układ przyrządu według zgłoszenia zawiera stelaż, posadowiony na stabilnym stole (9), w kształcie litery „T”, składający się z szyny wzdłużnej (1) oraz przytwierdzonej do niej na jednym z końców, poprzecznej (2). Na przeciwległym końcu szyny (1) oraz na obu końcach szyny (2) zainstalowane są zespoły regulacyjne złożone z prowadnika (3) i śruby poziomującej (4) - mikrometrycznej. Na środku szyny (1) posadowiony jest pasowany do niej nośnik szynowy (5), a do niego montowane są w montażu pasowanym - podstawa (6) do montażu grawimetru, oraz do niej, element montażowy (8) grawimetru. Montaż tych elementów jest pasowany i bezluzowy. Na szynie (1) zamontowane  są także elementy odbłyśnikowe (7) na które skierowane są wiązki światła generowane przez tachimetr (10) posadowiony na statywie przed stołem (9).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest przyrząd do przechyłowej kalibracji sensora grawimetru dynamicznego.

Obszar zastosowań przedmiotu wynalazku to techniki pomiarowe elementów pól fizycznych dotyczących zwłaszcza siły ciężkości oraz jej przyspieszenia, a także geofizyka i hydrografia.

Proces kalibracji sensorów grawimetrów dynamicznych jest skomplikowany. Można go przeprowadzić tylko przy użyciu specjalnego sprzętu z udziałem wysoko wykwalifikowanego personelu. Najczęściej stosowanym sprzętem są stoły przechyłowe. Stół przechylany jest kilka razy parami powyżej i poniżej horyzontu. W rezultacie uzyskuje się zależność wskazania grawimetru „V” od kąta pochylenia „Θ”. Najczęściej jest to wykonywane w laboratoriach producentów grawimetrów co pięć lat. Czynność ta wymaga od użytkownika przetransportowania sensora grawimetru do i od producenta. Główni producenci grawimetrów dynamicznych mają swoje siedziby i laboratoria w Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Rosji. Oprócz wymienionej metody, stosowane są jeszcze cztery zasadnicze inne metody kalibracji. Pierwszą z nich jest kalibracja przy użyciu ciągów pionowych lub poziomych wartości przyspieszenia siły ciężkości, zwanych liniami kalibracyjnymi, w których efekty przyspieszenia siły ciężkości są obliczane teoretycznie lub mierzone za pomocą „skalibrowanych instrumentów”. Druga z metod to kalibracja z wykorzystaniem platformy, wykonującej ruchy pionowe, wytwarzającej układ nieinercjalny. Kolejna metoda kalibracji wykorzystuje masy testowe. Ostatnia z metod to metoda kalibracji przez porównanie, przy czym jej realizacja polega na rejestracji równoległej z innymi skalibrowanymi grawimetrami, albo rejestracja równoległa z grawimetrem absolutnym, względnie rejestracja na stacjach podstawowych, na których zostały pomierzone wartości przyspieszenia siły ciężkości przy użyciu grawimetrów absolutnych, przy czym parametry pływów i środowiska są dobrze znane. Powyższe techniki są najczęstszymi metodami rejestrowania grawimetrów. Metoda kalibracji wykonywana w laboratoriach z wykorzystaniem mas testowych realizowana jest na dwa sposoby - pod grawimetr toczy się kula albo torus pierścieniowy wokół grawimetru, porusza się w płaszczyźnie pionowej. Za pomocą tych metod można generować jedynie niewielkie zmiany grawitacji, a zatem wymagana jest wysoka rozdzielczość instrumentalna. Problematyka kalibracji instrumentarium dla grawimetrii jest szeroko opisana w literaturze specjalistycznej. Najpoważniejsze publikacje to: E.A. Boyarsky and L.V. Afanasyeva. “Magellan-2 universal software package for the processing and analysis of aero and marine gravity measurements”, Gyroscopy and Navigation, 1(2):146-154, 2010 r.; Bruno Meurers “Aspects of gravimeter calibration by time domain comparison of gravity records”, Bull Inf Mar'ees Terr, 135:10643-10650, 2002 r.; Arne Vestergaard Olesen “Improved airborne scalar gravimetry for regional gravity field mapping and geoid determination”, Copenhagen: University of Copenhagen, 2002 r.; B. Richter, H. Wilmes, and I. Nowak “The Frankfurt calibration system for relative gravimeters”, Metrologia, 32(3):217, 1995 r. - przedmiot publikacji w części zgłoszony był do ochrony w narodowym Urzędzie Patentowym; A.V. Sokolov, A.A. Krasnov, L.S. Elinson, V.A. Vasil’ev, and L.K. Zheleznyak “Calibration of the chekan-AM gravimeter by a tilting method”, Gyroscopy and Navigation, 6(4):288-293, 2015 r. - przedmiot publikacji w wybranym zakresie wcześniej był zgłoszony do ochrony w narodowym Urzędzie Patentowym ; M. Van Ruymbeke, A. Somerhausen, and N. Grammatica “Calibration of gravimeters with the vrr 8601 calibration platform”, Metrologia, 32(3):209, 1995 r. także i ten przedmiot publikacji poprzedzająco w części zgłoszony był do ochrony w narodowym Urzędzie Patentowym; P. Varga, A. Haj’osy, and G. Csap’o “Laboratory calibration of Lacoste-Romberg type gravimeters by using a heavy cylindrical ring” Geophysical Journal International, 120(3):745-757, 1995 r. - również, w części, przedmiot publikacji zgłoszony był wcześniej do ochrony w narodowym Urzędzie Patentowym. Przedmiotowo właściwym dla niniejszego zgłoszenia jest rozwiązanie opisane w dokumencie: CN109752769, „Parameter calibration method of measurement device for gravity meter stable platform”. Wszystkie powyżej wymienione publikacje dotyczą tematu rozwiązań technicznych przedmiotowo zbliżonych do przedmiotu niniejszego zgłoszenia, zwłaszcza w aspekcie wyniku końcowego jakim jest oznaczenie wartości i znaku poprawki jaką należy uwzględnić przy opracowywaniu wyników pomiarów grawimetrycznych, przy czym korekta może być uwzględniana zarówno w sposób analityczny jednostkowo, albo poprzez wprowadzenie jej na stałe, przykładowo przez umieszczenie jej w algorytmie obsługującym procedurę pomiarów i rejestracji. Cel techniczny powyższych rozwiązań jest zbliżony do celu uzyskiwanego przez rozwiązanie według zgłoszenia, jednak środki techniczne użyte w przyrządzie są znacząco różne od tych stanowiących stan techniki. Znane są także rozwiązania techniczne opisane w dokumencie patentowym PL 110083 „Sposób i urządzenie do pomiaru ugięcia elementów sprężystych płaskich” oraz w dokumencie patentowym PL/EP 2063292 „Kalibrowanie wielowiązkowego urządzenia sonarowego”, w których zastosowane zostały środki techniczne występujące w zgłaszanym rozwiązaniu, takie jak precyzyjne śruby regulacyjne oraz optometryczne elementy do pomiaru odchyleń kątowych, jednak ich użycie nakierowane jest na osiągnięcie zupełnie innego celu technicznego.

Głównym problemem przy wykonywaniu kalibracji z wykorzystaniem opisanych technik pomiarowych jest konieczność stosowania wysoce specjalistycznego sprzętu. Dodatkowo każda z przedstawionych technik posiada wady dla niej charakterystyczne. Kalibracja z wykorzystaniem punktów o znanych wartościach przyspieszenia ziemskiego - linii kalibracyjnej, wymaga wcześniejszego zbudowania i utrzymania takiej linii. Jest to procedura kosztowna, ponieważ nie w każdych warunkach geograficznych można taką linię zbudować, do jej wykonania potrzeba przy najmniej jednego dobrze skalibrowanego grawimetru, a w celu uzyskania dużych zmian wartości „g” linia musi być z reguły długa lub wykorzystywać korzystne warunki geograficzne, przykładowo duże zmiany wysokości. Kalibracja z wykorzystaniem platformy oscylacyjnej rozwiązuje problem zależności od warunków geograficznych ale pociąga za sobą inne utrudnienia. Sama platforma jest urządzeniem wysoce specjalistycznym, które musi być wykonane z dużą precyzją. Ruch powinien mieć stosunkowo niedużą amplitudę, częstotliwość, z którą wykonywane są wibracje musi mieścić się w zakresie pasma pomiarowego grawimetru, czyli od mikroherców do pojedynczych herców. Ruch musi być wykonywany możliwe płynnie z wykluczeniem wszystkich szarpnięć, a przechyły w trakcie podnoszenia muszą być również tak małe, by można je było uznać za pomijalne. Wymagania mechaniczne na budowę takiego urządzenia są więc mocno wyśrubowane, a uzyskany produkt jest wysoce specjalistyczny. Typowa platforma nie umożliwia również kalibracji przechyłomierzy grawimetru, a więc nie jest odpowiednia do grawimetrów dynamicznych, dla których są one równie ważne. Kalibracje z wykorzystaniem masy testowej pozwalają na osiągnięcie znaczonej precyzji, ponieważ wartość pobudzenia jest dobrze określona. Wymaga jednak dużego zaplecza sprzętowego. Ze względu na małą wartość stałej grawitacji wielkość masy próbnej musi być znacząca, aby uzyskać nawet niewielkie zmiany przyspieszenia grawitacyjnego. W połączeniu z koniecznością jej przemieszczania stanowi to wyzwanie inżynierskie i podnosi kosztowność projektu. Kalibracje poprzez porównanie mają zasadniczo dwie wspólne wady. Po pierwsze wymagają pobudzenia, które będzie w równym stopniu oddziaływać na oba przyrządy pomiarowe. Naturalnym wyborem takiego pobudzenia mogą być pływy skorupy ziemskiej. Posiadają one amplitudę o wartości około 150 mikro Gala i są wolnozmienne z pozycją na powierzchni Ziemi. Będą więc równo oddziaływać na blisko umieszczone instrumenty. Ich częstotliwość jest jednak niewielka rzędu 2 cykli na dzień, dlatego w celu zebrania odpowiedniej ilości danych trzeba prowadzić pomiary przez długi okres. Kolejny problem stanowi konieczność wykorzystywania urządzenia wzorcowego przez cały okres pomiaru. Urządzenie musi być bardziej stabilne niż sensor badany. Z tych względów pomiar tego typu jest procedurą kosztowną i czasochłonną. Wymienione w stenie techniki sposoby i urządzenia do kalibracji sensorów grawimetrów dynamicznych, dotyczą rozwiązań zainstalowanych trwale w laboratoriach pomiarowych certyfikujących przedmiotowe sensory. Każdorazowa potrzeba wykonania takiej kalibracji skutkuje koniecznością przetransportowania sensora - samego albo osadzonego w specjalizowanym urządzeniu, do producenta sprzętu, nierzadko oddalonego o tysiące kilometrów. Sprzęt musi być bardzo dobrze zabezpieczony, z uwagi na fakt, iż urządzenia takie są bardzo kosztowne w zakupie, również transport do laboratorium i z powrotem jest obarczony wysokim kosztem. Ponad to grawimetr nie może być używany przez właściciela przez czas niezbędny do przeprowadzenia kalibracji - nierzadko jest to kilka tygodni a nawet miesięcy.

Przyrząd do przechyłowej kalibracji sensora grawimetru dynamicznego w istocie wykonania zawiera stelaż zestawiony z listwy wzdłużnej będącej w istocie szyną optyczną, do której na jej jednym z końców, trwale, symetrycznie zainstalowana jest listwa poprzeczna - podtrzymująca. Na przeciwległym końcu listwy wzdłużnej oraz na obu końcach listwy poprzecznej, poziomo osadzone są prowadniki, w których pionowo posadowione są śruby poziomujące regulowane. Na listwie wzdłużnej, w środkowym sektorze, posadowiony jest nośnik szynowy, do którego przytwierdzana jest podstawa montażowa przeznaczona do osadzania elementu mocującego sensor grawimetru. Przed tym elementem oraz na końcu listwy wzdłużnej, bezpośrednio przed prowadnikiem śruby poziomującej zainstalowane są elementy odbłyśnikowe dla tachimetru. Stelaż posadowiony jest na odpowiednio przygotowanym stole o wysokostabilnej konstrukcji uniemożliwiającej jakiekolwiek ruchy w którymkolwiek kierunku. Listwa wzdłużna wykonana jest z wieloprofilowego kształtownika, a nośnik szynowy, jest na niej posadowiony, precyzyjnie bez luzów wzdłużnych i poprzecznych. Podstawa montażowa wraz z elementem do montażu gra wimetru wykonane są także bardzo precyzyjnie, odwzorowane do kalibrowanego egzemplarza grawimetru, by wyeliminować jakiekolwiek przemieszczanie się grawimetru podczas kalibracji, z wyjątkiem tych przemieszczeń, które są zamierzone w procesie kalibracji. Śruby poziomujące, w istocie są śrubami z naciętym na nich gwintem drobnozwojnym, którego skok nie powinien być większy niż jeden milimetr. Użycie śrub z gwintem o skoku mniejszym niż jeden milimetr skutkuje poprawą dokładności procesu kalibracji oraz znacząco ułatwia i przyspiesza proces kalibracji.

Przedmiot wynalazku przedstawiony jest na rysunku, na którym Fig. 1 - pokazuje widok przyrządu z boku, Fig. 2 - schemat aksjonometryczny przyrządu, zaś Fig. 3 - widok złożeniowy przyrządu.

Przedmiot wynalazku w przedmiocie wykonania posiada stelaż zestawiony z listwy wzdłużnej 1 pełniącej jednocześnie funkcję szyny optycznej oraz przytwierdzonej trwale i symetrycznie do jednego z jej końców, listwy poprzecznej 2 pełniącej funkcję szyny podtrzymującej. Na jej końcach oraz na przeciwległym końcu listwy wzdłużnej 1 zainstalowane są prowadniki 3 wiodące śruby poziomujące 4. Listwa wzdłużna 1 wykonana jest z metalowego profilu cztero kształtowego półotwartego, zaś listwa poprzeczna 2 jest sztabą metalową pełną. Śruby poziomujące 4 są śrubami z naciętym gwintem zewnętrznym o skoku 0,7 milimetra. Sam rodzaj gwintu, sposób jego nacięcia na śrubach oraz w tulei wiodącej prowadnika 3, jest taki, że tworzy zespół regulacyjny, praktycznie bezluzowy. Na listwie 1 w połowie jej długości posadowiony jest nośnik szynowy 5, na którym jest osadzona podstawa 6 do montażu grawimetru, do której doinstalowuje się element montażowy 8 grawimetru, przy czym wzajemne połączenia tych elementów są pasowane by nie było pomiędzy nimi żadnych luzów. Również na listwie 1 przy końcu, w którym osadzony jest zespół regulacyjny 3 i 4, od góry zamontowany jest element odbłyśnikowy 7. Taki sam element zamontowany jest także przed elementem montażowym 8 grawimetru. Stelaż do pracy osadzony jest na stole 9, którego konstrukcja i inne walory zapewniają stabilne posadowienie, by uniemożliwić jakiekolwiek przemieszczenia się. Poza stołem 9 na przedłużeniu listwy 1, w jej osi w pewnej odległości instalowany jest tachimetr 10 współpracujący z elementami odbłyśnikowymi 7. Odległość tachimetru 10 od stołu 9 warunkowana jest geometrią pomieszczenia oraz parametrami tachimetru 10. Im ta odległość jest większa to i baza pomiarowa także jest większa i tym samym pomiar wartości kąta przechyłu jest dokładniejszy.

Przyrząd będący przedmiotem wynalazku jest szczególnie właściwym dla przechyłowej metody kalibracji grawimetrów dynamicznych. W przypadku tej metody pomiaru, zminimalizuje się możliwie dużą ilość czynników wpływających na wynik pomiaru. Ze względu na relatywnie niewielki czas pomiaru, szczególnie w porównaniu z metodami porównawczymi, czynniki takie jak modulacja pływowa i dryft instrumentalny mają niewielki wpływ na błąd pomiaru. Pomiar wykonywany jest metodą krokową, ława zatrzymuje się przy danym wychyleniu, więc składnik siły bezwładności indukowanej przez oscylator pionowy, jest również pomijalny. Zmiana położenia pionowego ławy w trakcie cyklu pomiarowego jest również mała, więc czynnik ten może być pominięty lub doliczony jako poprawka wyższego rzędu. Najistotniejszym czynnikiem wpływającym na zmianę odczytu przyrządu jest efekt pochylenia, którego kontrolowanie stanowi istotę prezentowanego rozwiązania. Ważną zaletą metody realizowanej przez przyrząd jest to, że urządzenie jest przenośne i kalibrację można przeprowadzić na miejscu. Metodę przechyłu wykorzystaną do kalibracji elementu pomiarowego realizowaną przez przedmiot wynalazku można stosować dla wszystkich typów grawimetrów względnych. Główną zaletą nowej technologii kalibracji jest fakt, że nie ma potrzeby stosowania precyzyjnych obrotowo-przechyłowych stołów. Czujnik grawitacji można przechylać dzięki ławie optycznej połączonej ze śrubami mikrometrycznymi, czyli w oparciu o podzespoły o szerokim zastosowaniu pomiarowym. Konstrukcja pozwoliła określać kąty przechyłu, nie bazuje więc jedynie na wskazaniach sensorów urządzenia badanego i pozwala na sprawdzenie dokładności zewnętrznej.

Claims (5)

1. Przyrząd do przechyłowej kalibracji sensora grawimetru dynamicznego posiadający stelaż wykonany z profilowanych kształtowników oraz zawierający elementy regulacyjne położenia w postaci śrub z gwintem drobnozwojowym i optometryczne elementy do pomiaru odchyleń kątowych, znamienny tym, że stelażem przyrządu jest listwa wzdłużna (1) o sztywnej charakterystyce kształtu do której poprzecznie na jednym z jej końców przytwierdzona jest symetrycznie listwa poprzeczna (2), na końcach której oraz na przeciwległym końcu listwy wzdłużnej (1) zainstalowane są prowadniki (3) z posadowionymi w nich śrubami poziomującymi (4) będącymi śrubami o mikrometrowym skoku gwintu, zaś na górnej płaszczyźnie listwy (1), osadzony jest nośnik szynowy (5), do którego są zainstalowane, odpowiednio bezpośrednio i pośrednio, elementy montażowe (6) i (8) grawimetru, ponadto na listwie (1) przed jej zespołem regulacyjnym (3) i (4), oraz za elementem montażowym (8) grawimetru, posadowione są elementy odbłyśnikowe (7) współpracujące z tachimetrem (10), a sam przyrząd umieszczony jest na stabilnym stole (9).

2. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że śruby poziomujące (4) posiadają nacięty gwint zewnętrzny o skoku nie większym niż jeden milimetr, korzystnie mniejszym, przy czym taki sam gwint, co do skoku i rodzaju, tylko wewnętrzny, nacięty jest w tulei wiodącej prowadnika (3), a rodzaj gwintu jak i sposób jego nacinania w elementach (3) i (4) zespołu regulacyjnego, jest taki by wyeliminowane zostały, w takim połączeniu gwintowanym, luzy zarówno wzdłużne, poprzeczne i obwodowe.

3. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że listwa wzdłużna (1) pełni równocześnie funkcję listwy optycznej i wykonana jest korzystnie z metalowego jednorodnego wieloprofilowego kształtownika, zaś listwa poprzeczna (2), funkcjonalnie podpierająca, w wykonaniu jest metalowym kształtownikiem sztabowym.

4. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że element montażowy (8) jest ściśle i bezluzowo spasowanym z gniazdem podstawy (6), do montażu grawimetru, które jest także bezluzowo spasowane do nośnika szynowego (5) posadowionego na szynie (1), na czas trwania procesu kalibracji, z jednoczesną możliwością wykonywania przemieszczenia zespołu grawimetru wzdłuż listwy (1), jeżeli podczas kalibracji zaistnieje taka konieczność.

5. Przyrząd według zastrz. 1, znamienny tym, że stelaż przyrządu ustawiony jest na stole (9), którego konstrukcja zapewnia stabilność posadowienia, a przed stołem (9), na statywie, ustawiony jest tachimetr (10) w taki sposób by jego dwie wiązki świetlne skierowane były na elementy odbłyśnikowe (7), odpowiednio przedni i tylny, posadowione na listwie (1).