Gravimetri

Gravimetri ( latinasta gravis "raskas" + kreikka μετρεω "mittaan") - laite painovoiman erittäin tarkkaan mittaukseen ; käytetään useimmiten mineraalien etsimisessä .

On huomattava, että 1800 -luvun lopulla - 1900-luvun alussa tämä termi merkitsi erilaista mittalaitetta . Erityisesti Brockhausin ja Efronin Encyclopedic Dictionaryn sivuilla annettiin seuraava gravimetrin määritelmä: " laite ruudin gravimetrisen tiheyden määrittämiseen " [1] .

Lisäksi joissakin [2] lähteissä gravimetriä kutsuttiin Gravity Variometeriksi .

Laitteen ja sovelluksen käyttötarkoitus

Gravimetri on pohjimmiltaan monitieteinen instrumentti, jonka soveltaminen on mahdollista monilla alueilla. Käytännössä gravimetreistä kuitenkin lähes 100 % käytetään painovoimatutkimuksessa, nimittäin mineraaliesiintymien etsinnässä. Tästä johtuen itse gravimetrit ovat liittyneet niihin vahvasti. Painovoimatutkimuksen ansiosta on mahdollista määrittää tietyn mineraalin esiintyminen maan suolistossa suoraan maan pinnalta. Tämän avulla voit vähentää merkittävästi kalliiden kaivojen porauksen tai kaivosten rakentamisen määrää.

Tyypillinen esimerkki on esimerkiksi karstin vajoamat, joiden päällä painovoima on pienempi, jolloin gravimetrin lukemat pienenevät; tiheän malmin yläpuolella gravimetrin lukemat ovat korkeammat, koska painovoima kasvaa raskaiden esineiden yli.

On huomattava, että joskus gravimetreja käyttävät edelleen arkeologit , paleontologit , ja niitä on mahdollista käyttää myös hydrologiassa , maaperätieteessä , maataloudessa , kartoituksessa ja monilla muilla aloilla. Gravimetrit asennetaan autoihin, laivoihin, lentokoneisiin, avaruussatelliitteihin jne., mutta käsin kantavat mallit ovat yleisempiä.

Mielenkiintoinen tosiasia on, että gravimetrit löysivät sovelluksensa yhdellä epätyypillisistä alueista - ballististen (mukaan lukien ydin-) ohjusten navigoinnissa . Rakettien suuntausjärjestelmä perustuu gravimetriaan , koska maan gravitaatiokenttä on vahva ja vakaa vertailupiste: toisin kuin magneettikentän suuntautuminen tai radiosignaalin ohjaaminen, gravitaatiokenttää ei voida vääristää tai siepata. Ilmeisistä syistä on myös mahdotonta "naamioida" hyökättyä kohdetta keinotekoisella gravitaatiopoikkeamalla, koska sen luominen edellyttää miljardien tonnejen kiven nopeaa ja peiteltyä liikkumista planeetan pisteestä toiseen.

Yleistä tietoa

Aluksi painovoimatutkimuksessa ja gravimetriassa käytettiin erilaisia gradiometrejä ja variometrejä painovoimakentän tarkkoihin mittauksiin. Näiden laitteiden avulla voit mitata potentiaalin toisten johdannaisten täydet arvot, mikä on melko informatiivinen, mutta niillä on erittäin alhainen tuottavuus - yksi painovoimamittaus voi kestää jopa 40 minuuttia tai enemmän. Tästä johtuen yksinkertaisemmat, mutta samalla tuottavammat erityyppiset gravimetrit, jotka mittaavat vain potentiaalin pystysuoraa derivaatta, ovat yleistyneet . Neuvostoliitossa vuoteen 1953 mennessä aloitettiin omien gravimetrien tuotanto ja variometristen laitteiden tuotanto väheni jyrkästi, ja vuoteen 1968 mennessä se lopetettiin. Tällä hetkellä gradiometrejä ja variometrejä käytetään vain painovoimakentän erittäin tarkkoihin mittauksiin (niiden avulla arkeologiset tutkimukset, suurten maanalaisten tilojen - gallerioiden ja bunkkerien etsiminen) ovat mahdollisia, kun gravimetrien tarkkuus ei riitä. $\Delta g$

Gravimetri on melko ohut mittalaite, jonka toiminta riippuu useista häiritsevistä tekijöistä: lämpötila, paine, tärinä (kaikenlaiset mikroseismit tai tärinä). Siksi mittaukset suoritetaan yksinomaan levossa asentamalla gravimetri vuorotellen jokaiseen ennalta valmistetun verkon pikettiin. Gravimetrin herkkä osa sijoitetaan suojakoteloon, jossa lämpötila ja paine pysyvät vakiona. Nykyaikaiset gravimetrit ovat jo saavuttaneet määritystarkkuuden tasolla ~10 -7 -10 -9 suhteellisissa mittauksissa ja tarkkuus absoluuttisissa mittauksissa voi olla 0,03-0,07 mGal . $g$

On olemassa monia erilaisia herkkiä järjestelmiä, joiden toiminta johtuu painovoiman vaikutuksesta tiettyyn ilmiöön: kappaleiden vapaa pudotus, heilurin värähtely (kielet, kalvot), raskaan gyroskoopin precessio , pyörivän nesteen pinnan kaarevuus (tai nesteen nousu kapillaarissa ), johtimen levitaatio virralla tai varautuneella hiukkasella magneettikentässä sekä minkä tahansa tasapainojärjestelmän (vipujen tai jousien) tasapaino ).

Mitatut indikaatiot voivat olla sekä absoluuttisia (itse painovoiman arvo mitataan esim. 981,2573 mGal) että suhteellisia (tässä tapauksessa mitataan painovoimaero kahdessa vierekkäisessä pisteessä). Mittauksia voidaan tehdä myös liikkeellä (vedessä, ja viime aikoina ilmatiedustelu on tullut "muodikkaaksi"), mutta useammin gravimetrit asennetaan mittauspisteeseen kiinteästi ja vasta mittausten valmistuttua ne siirretään uusi kohta.

Painovoiman absoluuttinen mittaus

Absoluuttiset mittaukset ilmestyivät historiallisesti aikaisemmin johtuen siitä, että niiden karkea suorittaminen on mahdollista ilman erikoislaitteita. Esimerkiksi suurta heiluria voidaan käyttää mittauslaitteena. Lisäksi painovoima arvioitiin heittämällä raskaita palloja korkeista torneista (tässä tapauksessa mitattiin aika, jolloin pallo putosi maahan). Absoluuttisista mittauksista on kuitenkin tullut todella tarkkoja vasta modernin tekniikan kehittyessä.

Heilurigravimetrit absoluuttisiin mittauksiin

Painovoiman itseisarvon mittaus perustuu siihen, että heilurin värähtelyjakso T riippuu kentän suuruudesta, jossa nämä värähtelyt tapahtuvat. Tätä riippuvuutta kuvaava matemaattinen laitteisto on kaava:

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

Tarkempaa laskelmaa varten voit käyttää monimutkaisempaa mallia:

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

missä on pienten värähtelyjen jakso,

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

\alpha

- heilurin suurin poikkeama pystysuorasta.

Kuitenkin painovoimalaskelmien tarkkuuteen vaikuttaa sen seurauksena heilurin pituuden mittaustarkkuus sekä kuorman massa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi F.V. Bessel ehdotti saman heilurin värähtelyjaksojen mittaamista eri pituisilla kierteillä ja . Laskennassa sinun on käytettävä kaavaa: $T_{1}$ $T_{2}$ $l_{1}$ $l_{2}$

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

Tämän lähestymistavan etuna on, että heilurien pituusero voidaan mitata paljon tarkemmin ja helpommin kuin itse heilurien pituudet. Mittaustarkkuus voi olla 0,3 mGal .

Ballistiset gravimetrit

Painovoiman itseisarvon mittaus perustuu jonkin tunnetun massan omaavan testikappaleen vapaan pudotusajan rekisteröintiin. Tätä riippuvuutta kuvaava matemaattinen laitteisto on kaava:

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

Arvot - alkukorkeus, - alkunopeus tunnetaan etukäteen, vastaavasti mittaamalla kehon sijainti z ja aika t useissa asennoissa, voimme muodostaa yhtälöjärjestelmän: $z_{0}$ $v_{0}$

\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.

Kehon koordinaattien mittaukset suoritetaan laseretäisyysmittarilla, ja tarkkuuden lisäämiseksi otetaan käyttöön korjaus koordinaattien määrityksen aikaviiveeseen, joka johtuu laitteen fyysisistä prosesseista.

Tarkkuuden lisäämiseksi entisestään ne voivat monimutkaistaa matemaattista laitteistoa ottaen huomioon itse gravitaatiokentän epähomogeenisuuden (vapaasti putoava kuorma muuttaa absoluuttista korkeutta, ja eri korkeuksilla on erilaisia painovoiman normaaliarvoja). Siksi käytännössä seuraava kaava on yleinen:

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}},

missä on pystysuora painovoimagradientti nykyisessä piketissä.

\gamma

Itse asiassa GABL-E-tyyppisissä gravimetreissä yhden vapaan pudotuksen aikana mittauksia ei tehdä kolme kertaa, vaan useita satoja kertoja. Tämän ansiosta tilastolliset menetelmät voivat määrittää todennäköisimmän painovoiman arvon. Tätä varten käytetään seuraavaa kaavaa:

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})\\\sum t_{i}&\sum t_{i}^{2 }&\sum \vasen[{S_{i}-{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_ {i}^{4})}\oikea]t_{i}\\\sum t_{i}^{2}&\sum t_{i}^{3}&\sum \left[{S_{i} -{\frac {1}{6}}\gamma (v_{0}t_{i}^{3}+{\frac {1}{4}}gt_{i}^{4})}\oikea] t_{i}^{2}\end{vmatrix}},

missä N on mittausten lukumäärä ja arvo määritetään lausekkeella:

\Delta

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

Visuaalisesti gravimetrin pääosa on lyhyt putki, josta ilma pumpataan ulos. Erityinen mekanismi ylhäältä alas heittää tunnetun massan pallon putkeen alas, ja alempi mekanismi (ns. "hame") nappaa alla olevan pallon, kun se lentää putkesta. Mekanismi palauttaa sitten pallon takaisin putken yläosaan ja heittää sen uudelleen. Lasersäde mittaa putoamisen aikana toistuvasti putkessa olevan pallon koordinaatit.

Kvanttigravimetri

On luotu kvanttigravimetri, jonka tilavuus on 1 cm 3 ja joka perustuu Mach-Zehnderin interferometrin [3] käyttöön .

Suhteellisen painovoiman mittaus

Toisin kuin absoluuttiset mittaukset, suhteellisille mittauksille on ominaista korkeampi suorituskyky. Yksi ja sama laite siirretään luonteeltaan yleisemmistä oletuksista ennalta valittujen paikkojen välillä ja mittaustuloksia vertailemalla määritetään painovoimakentän konfiguraatio tällä alueella.

Heilurigravimetrit suhteellisiin mittauksiin

Esimerkkejä tästä mallista ovat Stuckart-gravimetrit ja Agat-kompleksi (TsNIIGAIK). Instrumentit koostuvat yhdestä tai useammasta heilurisarjasta, joissa kaksi heiluria heiluu vastavaiheessa. Heilurit asetetaan Dewar-astiaan , jota pidetään vakiolämpötilassa.

Suhde mitataan:

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

Mittaustarkkuus voi olla 0,1 mGal .

Gravimetrit perustuvat Golitsynin seismografiin

Laitteen suunnittelu perustuu seismografiin .

Tämän tyyppinen gravimetri on ehkä yleisin. Suunnittelun näennäisestä karheudesta huolimatta kvartsigravimetreillä (järjestelmän tärkein herkkä elementti, Golitsyn-seismografi on valmistettu kvartsista) on optimaalinen saavutettavuuden ja toimivuuden suhde. Useimmiten nämä ovat suhteellisen edullisia laitteita, joilla on pieni paino ja mitat hyvällä mittaustarkkuudella. Tällaisia ovat esimerkiksi suositut kanadalaiset gravimetrit CG-5 ja kotimainen GNU-K (GNU-KS, GNU-KV).

Suunnitteluprototyypin kehitti suuri venäläinen geofyysikko B. B. Golitsyn .

Se perustuu herkän elementin kehykseen käänteisen U-muotoisen kvartsisen kehyksen muodossa. Rungon yläpäiden väliin venytetään kaksoiskierreksi kierretty kvartsilanka. Kierteen keskelle kierrosten väliin laitetaan ohut kvartsivipu, jonka päässä on platinapaino. Keinuun kohdistuva kuormitus tasapainottaa kvartsifilamentin purkamisvoimaa.

Painovoiman mitta tällaisessa gravimetrissä on keinuvivun poikkeama asennosta laitteen kalibroinnin aikana. Kulman mittaa optinen järjestelmä (visuaalisesti), mutta on myös muita kaavioita. Koko kvartsirakenne platinapainolla asetetaan termostaattiin.

Kvartsigravimetrien kehityksen erillinen haara on vastaavan laitteen La Coste & Romberg -gravimetrit, mutta näiden gravimetreiden herkkä osa ei ole kvartsia, vaan metallia. Järjestelmän vakaus varmistetaan myös anturin lämpötilasäädöllä.

Inertiaaliset gravimetrit

Painovoiman kiihtyvyysvektorin määritys inertiagravimetrin avulla perustuu inertiajärjestelmän parametrien mittaustuloksiin liikkuvalla kantoaluksella (useimmiten laivastossa). Itse inertiajärjestelmä koostuu kiihtyvyysantureista, gyroskoopeista ja muista laitteista.

Inertialigrametrian teoria on täysin yhteneväinen inertianavigoinnin teorian kanssa , ja pääyhtälö on:

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

missä on pistetestimassan sädevektori

{\vec {r))

m,

m{\vec {g}}

on painovoimavektori,

\vec{F}

- tuen iskun voima testimassaan.

Inertianavigointi on melko pitkälle kehittynyt tiede, joka kehittyi jo 1930-luvulla ja on löytänyt sovelluksen monilla aloilla. Esimerkiksi A. V. Til kehitti nopean merigravimetrin "Sten", jossa oli inertiakappaleen magneettinen jousitus. Sen avulla hän tajusi mahdollisuuden määrittää sukellusveneiden koordinaatit vain Maan gravitaatiokentän perusteella. Laitetta testattiin vuonna 1982 ja se sisällytettiin Typhoon -sukellusvenenavigointijärjestelmään . Näiden testien aikana Til suoritti myös painovoimatutkimuksen Valkoisella merellä, jossa havaittiin poikkeavuuksia, jotka lupaavat mineraalien lisätutkimusta.

Tällainen gravimetri koostuu kolmesta ortogonaalisesta kiihtyvyysmittarista, joiden asentoa seurataan jatkuvasti gyroskoopeilla. Mainittujen kiihtyvyysantureiden avulla saadaan kolme testimassaan vaikuttavaa voimavektorin komponenttia.

Kryogeeniset gravimetrit

Suprajohtava pallo sijoitetaan renkaan päälle, jonka läpi sähkövirta kiertää luoden ulkoisen magneettikentän, joka indusoi pallon pintaan, jonka magneettikenttä on vastakkainen ulkopuolelta kohdistetun magneettikentän kanssa ja työntää pallon ulos ulkopuolelta. kentässä, joten pallo leijuu (levitoi) renkaan yläpuolella painovoiman määräämällä korkeudella. Tämän korkeuden mittaamalla voit laskea painovoiman.

Merkittävien etujen puute yhdistettynä korkeisiin kustannuksiin rajoittaa tällaisten laitteiden yleisyyden yksittäisiin näytteisiin.

String gravimetrit

Kielityyppiset gravimetrit perustuvat kielen resonanssitaajuuden riippuvuuteen sen jännityksestä kieleen riippuvan kuorman vaikutuksesta. Ne ovat käytännössä inertiattomia, niiden paino ja mitat ovat pieniä, joten ne soveltuvat painovoimamittauksiin lentokoneesta. Niille on myös ominaista erittäin pieni nollapoikkeama, korkea häiriönkestävyys ja herkkyysakselin terävä suuntaavuus. Gravimetri-idean ehdottivat fyysikot Mandelstam ja Papaleksi , mutta se otettiin käyttöön ja testattiin ensimmäisen kerran Englannissa sukellusveneessä vuonna 1949. Neuvostoliitossa ensimmäisen merkkijonogravimetrin kehitti ja testasi vuonna 1956 pinta-aluksella A. M. Lozinskaya VNIIGeophysicsissä. Tarkkuus oli 1,2 mGal.

Teknisesti gravimetri on kuparipaino, joka on ripustettu kestomagneettikenttään langalle, joka on valmistettu metalliseoksesta, jolla on matala lämpötilakerroin. Nämä magneetit vaimentavat värähtelyjä poikittaistasossa. Lanka sijoitetaan toisen kestomagneetin napojen väliin ja on osa generaattorin positiivista takaisinkytkentäpiiriä. Kun generaattori virittää merkkijonoa, syntyy vaimentamattomia mekaanisia värähtelyjä langan luonnollisella taajuudella, joka riippuu kuorman painovoiman aiheuttamasta jännityksestä, joten ongelma rajoittuu tämän taajuuden poikkeaman mittaamiseen referenssistä. Merkkijonon liikeyhtälöllä on muoto:

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

missä M on kuorman paino,

\sigma

- tiheys,

\alpha

- erittäin pieni kulma vetovoiman ja painovoiman vektorien välillä.

String gravimetrien haittana on niiden herkkyys tärinälle.

Muistiinpanot

↑ Gravimetri // Encyclopedic Dictionary of Brockhaus and Efron : 86 nidettä (82 osaa ja 4 lisäosaa). - Pietari. , 1890-1907.
↑ Fedynsky V.V. Neuvostoliiton gravimetri // Öljytekniikan uutisia. 1947. Nro 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. ja Rasel E. M. Phys. Rev. Lett. 117, 203003 — Julkaistu 11. marraskuuta 2016 Atom-Chip Fountain Gravimeter Arkistoitu 31. toukokuuta 2019 Wayback Machinessa

Linkit

Gravimetri // Suuri Neuvostoliiton Encyclopedia : [30 nidettä] / ch. toim. A. M. Prokhorov . - 3. painos - M . : Neuvostoliiton tietosanakirja, 1969-1978.
Luettelo Gravimetriset laitteet

Katso myös

Painovoiman tutkimus
Geofysiikka
GRACE on kansainvälinen hanke, jossa tutkitaan Maan gravitaatiokenttää, joka edustaa kahta identtistä satelliittia, jotka lentävät peräkkäin samalla kiertoradalla etäisyyden päässä toisistaan.

Kirjallisuus

Lozinskaya A. M., Fedynsky V. V. Gravimetri-korkeusmittari // Applied Geophysics. 1953. Numero. 10. S. 3-28.
Fedynsky VV Laitteiden kehittämisestä gravimetrisiin mittauksiin liikkeessä // Izvestiya AN SSSR. Ser. geofysiikka. 1959. Nro 1. S. 146-152.
Fedynsky VV Kysymykseen gravimetristen töiden luokittelusta ja uudesta gravimetrisen tutkimuksen teknisestä ohjeesta // Geofysiikan tutkimus. 1962. Numero. 8. S. 51-56.
Gainanov A. G., Krasny L. I. Stroev P. A., Fedynsky V. V. et al. Selittävä huomautus Tyynenmeren ja Tyynenmeren liikkuvan vyöhykkeen gravimetriseen karttaan. - L .: VSEGEI, 1979. - 60 s.
Vinogradov V. B. , Bolotnova L. A. Gravimetrit. - Jekaterinburg: USGU :n kustantaja , 2010. - 67 s. - 200 kappaletta.
Mironov V.S. Painovoiman etsintäkurssi. - L .: Nedra, 1972. - 512 s.