Методы и способы повышения точности гравиинерциальной аппаратуры

Развитие высоких технологий в области конструкционных материалов и микроэлектроники за последнее десятилетие привело к быстрому совершенствованию измерительной техники. Внедряются новые методы обработки и хранения информации, разрешение регистрирующей аппаратуры повысилось, по крайней мере, на порядок. Применение современных аналоговых и цифровых микросхем позволило за счет введения обратных связей существенно расширить динамический диапазон и линейность различных датчиков.

Однако, прогресс в повышении точности измерительной аппаратуры не столь очевиден. Это связано с тем, что погрешности измерений обусловлены действием на датчики возмущающих факторов. Из многих факторов, дестабилизирующих работу чувствительной системы любого прецизионного датчика, влияние вариаций внешней температуры является наиболее значительным. Действительно, до настоящего времени не существует материала, у которого в широком диапазоне изменения внешней температуры физические параметры не имеют температурной зависимости. Проявление термозависимости элементов измерительной системы, а именно: упругости, линейного и объёмного расширения, электрических параметров электронных и магнитных компонентов и т. д. приводит к искажению показаний измерительных приборов. Например, у постоянных магнитов с высокой коэрцитивной силой, которые применяются в современных электромагнитных приборах и в системах электромагнитной обратной связи, температурный коэффициент остаточной магнитной индукции () составляет величину примерно 4×10^* ГС для магнитов типа ЮНДК, Ю-3 ГС — для магнитов типа железо-кобальт-ниодим. У термостабилизированного магнита типа самарий-кобальт-годолиний этот коэффициент немногим менее 10″ 4 ГС Диапазон температурных коэффициентов материалов, применяемых в чувствительных системах, достаточно широкий: у резисторов -^-=10~3ч-10−7 ГС, коэффициенты.

RdT линейного и объёмного расширения соответственно —=10″ -ь5×1(Г7 ГС и.

IdT dV =~3-^3×10−6 ГС и т. д.

VdT.

Создание термостабильных условий необходимо для работы большинства измерительных систем. При этом существенно повышается достоверность получаемой информации, упрощается методика измерений.

Проблема особенно актуальна в гравиинерциальной аппаратуре. Это связано с регистрацией сигналов, относительные величины которых имеют рекордно малые значения. Так при изучении собственных колебаний и.

II 1 приливных деформаций Земли фиксируют значения отн.ед. В полевой высокоточной гравиметрии, гравиоградиентометрии, акселерометрии, требуются относительные измерения на уровне 1(Г8-г1(Г10 отн. ед. в условиях резких изменений внешней температуры (-30-^+40 °С).

Вопросом тепловой защиты занимались многие специалисты в области гравиинерциальной аппаратуры. Например, в начале 1970;х годов всеобщее признание получили исследования В. А. Тулина и А. А. Савченко. Однако в современных условиях требования к точности гравиинерциальных измерений и соответственно к качеству тепловой защиты приборов повысились на один-два порядка.

Существует два метода борьбы с температурными возмущениями: термокомпенсация и термостатирование чувствительной системы. Увеличение постоянной времени тепловой защиты упругой кварцевой системы не исключает влияния на неё вариаций внешней температуры и приводит к неопределенности при введении температурных поправок в показания прибора. При производстве полевых работ для получения удовлетворительных результатов стремятся использовать известный 4 методический приём. Суть его заключается в организации для гравиметра таких температурных условий работы, при которых, во-первых, изменение внешней температуры было бы минимально, во-вторых, в течение рейса изменение температуры происходило бы монотонно и с одним знаком. Реализовать такой методический приём удаётся далеко не всегда. Эффективное снижение влияния внешней температуры на упругую систему гравиметра обеспечивается с помощью активной системы термостатирования. Прецизионный термостат представляет собой гармоничное сочетание оптимальной теплофизической конструкции прибора и системы автоматического регулирования, принцип действия которого вносит минимальные искажения в процесс терморегулирования. При термостатировании кварцевых гравиметров особое значение имеет решение проблемы обеспечения однородного температурного поля в объёме, занимаемом упругой системой, при вариации внешней температуры.

Проблема защиты от внешних воздействий стоит не только при создании кварцевых приборов. Она актуальна и для аппаратуры с чувствительной системой из металла специального сплава, термоупругий коэффициент которого на два порядка меньше, чем у кварца. Этим объясняется тот факт, что все современные зарубежные гравиметры имеют активную систему термостабилизации.

В зарубежной литературе, особенно в последние годы, имеются весьма скудные сведения о температурных исследованиях гравиметров. Информация о теплофизической конструкции гравиметра и типе применяемого термостата является секретом фирмы.

Быстрое развитие науки и техники за последнее десятилетие привело к появлению новой элементной базы в электронике. Разрешающая способность регистрирующей аппаратуры повысилась, по крайней мере, на порядок, поэтому несовершенство тепловой защиты чувствительной системы гравиметра становится сдерживающим моментом в процессе повышения точности гравиметрических определений.

Организация оптимальной тепловой защиты датчика гравиинерциальной аппаратуры является необходимым, но не достаточным условием повышения её точности. Каждый тип датчика ускорений имеет свои индивидуальные особенности. Однако существует ряд общих конструктивных погрешностей, минимизация которых, в итоге, приводит к совершенствованию приборов. Прогресс в области повышения точности гравиинерциальной аппаратуры невозможен без учета все более тонких возмущающих воздействий на чувствительную систему, как в процессе её исследования, так и в процессе эксплуатации. Такими возмущениями могут являться барометрический и адиабатический эффекты, сейсмоакустическое воздействие, упругое последействие чувствительной системы, уход места горизонта прибора в процессе наблюдений и т. д. Кроме того, важно знать предельные возможности конкретной конструкции прибора. Расширение ассортимента современных электронных компонентов позволяет модернизировать устройства регистрации и обработки полезного сигнала, существенно улучшая характеристики прибора.

Исследование возможности повышения точности гравиинерциальной аппаратуры выполнены на примере кварцевого гравиметра. Уровень полезного сигнала, который необходимо регистрировать с помощью.

8 —10 гравиметра, находится на уровне 10 ч-10 отн. ед. Каждое гравиметрическое определение представляет собой тонкий физический эксперимент, в котором необходимо учитывать или исключать все возможные источники погрешностей. В то же время конструкция гравиметра включает в себя все основные узлы, характерные для гравиинерциальной аппаратуры.

Целью настоящей работы были теоретические и экспериментальные исследования, направленные на повышение точности работы гравиметрической аппаратуры, и модернизация некоторых её узлов, в том числе термостата, для повышения эффективности гравиметрических определений.

Основные задачи диссертации.

• Изучение элементной базы для создания датчика температуры с высокой долговременной стабильностью, выбор оптимальной схемы измерения температуры, разработка системы регистрации температуры с предельным разрешением.

• Анализ систем терморегулирования и выбор оптимальной системы терморегулирования для организации эффективной тепловой защиты гравиметра.

• Изучение конструктивных погрешностей кварцевого гравиметра и определение способов борьбы с ними.

• Исследование возмущающих факторов, дестабилизирующих работу гравиметра, и определение методов их минимизации.

• Реализация разработанных подходов решения проблемы повышения качества термостатирования в конструкции термостата полевого гравиметра ГАГ-3 и оценка его эффективности по результатам лабораторных и полевых испытаний.

• Модернизация гравиметра ГАГ-3 для исследования возможности повышения его точности.

Используемые материалы.

В диссертации использовались материалы лабораторных и полевых исследований, полученные в лаборатории экспериментальной гравиметрии ИФЗ АН СССР и лаборатории медленных геофизических процессов ИФЗ РАН в период с 1976 и по настоящее время при непосредственном участии автора.

Научная новизна.

• Разработан и внедрен в серийном приборе прецизионный термостат с коэффициентом термостатирования 1/20 000.

• Разработан оптический датчик перемещения на базе инжекционного лазера, обеспечивающий разрешение полезного сигнала в гравиинерциальной аппаратуре на уровне броуновских шумов.

• Предложены способы минимизации действия возмущающих факторов на чувствительную систему гравиметра и улучшения параметров серийного гравиметра ГАГ-3, которые обеспечили создание макета нового прибора ГАГ-ЗМ, технические характеристики которого находятся на уровне лучших зарубежных полевых гравиметров.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанное аппаратурное и методическое обеспечение позволяет выполнять измерения вариации температуры на уровне Ю-6 °С.

2. Наиболее совершенной системой терморегулирования является система пропорционального терморегулирования с объединенным измерительно-нагревательным мостом.

3. Предложенный подход к выбору материалов для тепловой защиты гравиинерциальной аппаратуры, позволяет оптимально согласовать жесткость конструкции датчика с его тепловой изоляцией.

4. Разработанная конструкция экономичного термостата и методика его настройки обеспечивает коэффициент термостатирования термостата серийного гравиметра менее 1/20 000.

5. Реализация в гравиметре ГАГ-ЗМ предлагаемых в работе методов и способов снижения конструктивных погрешностей и влияния ряда возмущающих факторов обеспечили его технические характеристики на уровне лучших зарубежных гравиметров.

Практическая значимость работы.

Разработанный и реализованный в серийно выпускаемом гравиметре ГАГ-3 принцип экономичного термостатирования позволяет значительно уменьшить влияние вариаций внешней температуры на показания прибора. При этом существенно упрощается методика гравиметрических определений, повышается производительность геофизических работ и качество получаемой информации.

Разработанные и реализованные в модернизированном гравиметре ГАГ-ЗМ способы уменьшения конструктивных погрешностей гравиметра и снижения влияния ряда возмущающих факторов на его чувствительную систему представляют собой практические пути повышения точности гравиметрических определений на уровне нескольких микрогалов.

Реализация работы.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований использованы при проектировании и производстве серийного геодезического астазированного гравиметра ГАГ-3. В создании прибора принимали участие ИФЗ АН СССР (Москва) — ведущая организация, НПО «Рудгеофизика» (Ленинград) и в/ч 44 656.

С помощью гравиметров ГАГ-3 выполнены гравиметрические определения в Болгарии и странах СНГ с целью изучения неприливных вариаций силы тяжести. Модернизированные гравиметры ГАГ-ЗМ используются в ИФЗ РАН для гравиметрического мониторинга сложных объектов в Москве и Ленинграде (ЛАЭС) при изучении плотностных неоднородностей верхних слоев Земли.

Технические решения, полученные при выполнении настоящей работы, нашли применение при конструировании и исследовании спутниковых акселерометров, которые использовались на орбитальных космических станциях «Салют», «Союз», «Прогресс», «Мир», а в настоящее время являются штатным оборудованием Международной Космической Станции (МКС), в скважинных и наземных инклинометрах, в наземной и спутниковой градиентометрии.

Обсуждения и публикации.

Основные положения диссертации докладывались и получили одобрение на Совещаниях Комиссии по изучению неприливных изменений силы тяжести Межведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР (1986 и 1988гг., г. Москва), на Общемосковском гравиметрическом семинаре (1989г.), на расширенном семинаре лабораторий ИФЗ РАН (2002г.), на чтениях им. Ю. Д. Буланже (2002г.).

По теме диссертации опубликовано 11 статей и получено три авторских свидетельств на изобретение.

Структура объём диссертации.

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения. Она содержит 169 страниц машинописного текста, в том числе 28 рисунков, 10 таблиц.

Список литературы

включает 118 наименований.

Краткое содержание работы.

Во введении диссертации показана актуальность проблемы, сформулированы цели и задачи работы, её научная новизна, отражена практическая значимость результатов работы.

В первой главе проведен анализ элементной базы, теоретические и экспериментальные исследования возможности прецизионного измерения приращения температуры на уровне 106оС. Рассматриваются погрешности и помехи, возникающие при измерении температуры и методы снижения их влияния на результаты измерений.

Во второй главе обсуждаются возможности пассивной тепловой защиты гравиметра. Предлагается принцип выбора материала для датчика ускорений, обеспечивающий при максимальной жесткости конструкции датчика максимальную тепловую развязку от внешней среды.

В третьей главе приводится обзор активных термостатов для гравиметров, анализируются погрешности различных систем терморегулирования, а также конструктивные погрешности активных термостатов и предлагаются методы их минимизации. Приводятся общие рекомендации по конструированию термостата.

Четвертая глава содержит экспериментальный материал по исследованиям гравиметра ГАГ-3. Рассматриваются конструктивные погрешности гравиметра и методы их снижения. Анализируется ряд возмущающих факторов, дестабилизирующих работу чувствительной системы, и предлагаются способы их минимизации. Приводятся описание модернизированного гравиметра ГАГ-ЗМ и результаты его лабораторных и полевых испытаний.

В заключении подводятся итоги выполненной работы. Формулируются основные выводы по результатам исследований. Подчеркивается, что результаты исследований, выполненные в ИФЗ РАН и изложенные в настоящей работе, нашли применение при серийном выпуске гравиметра ГАГ-3, а также при создании макета модернизированного гравиметра ГАГ-ЗМ. Характеристики гравиметра ГАГ-ЗМ находятся на уровне лучших зарубежных аналогов.

Благодарности.

Автор глубоко благодарен научному руководителю к.ф.-м.н. Дубовскому В. Б. за огромную помощь в постановке экспериментальных работ и обсуждении их результатов, коллективу лаборатории «Медленных геофизических процессов» ИФЗ РАН за помощь в проведении лабораторных и полевых экспериментов, член-корр. АН СССР Ю. Д. Буланже, д.ф.-м.н. А. С. Алешину, д.ф.-м.н. Буданову В. Г., д.т.н. В. А. Тулину, д.ф.-м.н. В. Д. Гладкову, д.ф.-м.н. М. Г. Когану, д.т.н. В. В. Савичеву, к.т.н. Э. А. Боярскому, к.ф.-м.н. В. Г. Галстяну, к.ф.-м.н. А. П. Бажулину, к.ф.-м.н. А. Ю. Марченкову, к.ф.-м.н. С. С. Обыденникову, к.ф.-м.н. Б. В. Грану за ценные замечания и рекомендации во время обсуждения отдельных частей и глав диссертации, а также всем тем, кто помогал на различных этапах выполнения работы и всем, кто был внимателен и доброжелателен к автору.

Выводы.

1. Применение методических приемов высокоточного измерения температуры (гл. I) позволило с высокой степенью достоверности оценить температурное поле гравиметра и динамику его изменения при исследовании термостата.

2. Реализация принципов построения прецизионного термостата (гл. II и III) позволили в макете термостата достигнуть коэффициента термостатирования 1/30 000.В серийно выпускаемых гравиметрах ГАГ-3 коэффициент термостатирования не превышает величину 1/20 000.

3. При неблагоприятном тепловом воздействии на гравиметр, а именно, при продолжительном тепловом ударе, изменение отсчетов гравиметра составляет менее 2-х мкГал на градус изменения внешней температуры.

4. Дополнительные исследования термостата показывают его высокие эксплуатационные характеристики: быстрый выход прибора в стационарный тепловой режим и отсутствие влияния на показания гравиметра изменения напряжения питания.

5. Выполнен комплексный анализ конструктивных погрешностей гравиметра и действия на него ряда возмущающих факторов. Предложены и осуществлены на практике технические и методические решения, позволившие существенно улучшить технические характеристики гравиметра ГАГ-3.

6. В модернизированном гравиметре ГАГ-ЗМ с оптическим датчиком перемещения на основе инжекционного лазера и цифровым отсчетом реализована чувствительность упругой системы, близкая к уровню броуновских шумов. Испытания прибора показали, что в лабораторных условиях точность измерения Ag возможна на уровне 0,5 мкГал.

Электромагнитная отрицательная обратная связь на основе высококоэрцитивных постоянных магнитов обеспечивает линейность измерительной системы гравиметра на уровне Ю-5 от рабочего диапазона.

Экспериментальные работы в лабораторных и полевых условиях показывают, что технические характеристики гравиметра ГАГ-ЗМ находятся на уровне лучших зарубежных гравиметров.

Заключение

.

Действие возмущающих факторов на чувствительную систему и конструктивные элементы датчика гравиинерциальной аппаратуры рассмотрены на примере кварцевого гравиметра. Предлагаемые способы и методы повышения точности измерений применимы для любого типа гравиинерциальной аппаратуры.

По результатам выполненной работы можно сделать следующие выводы.

1. Комплексные теоретические и экспериментальные исследования, направленные на выявление возможности измерения температуры на предельном уровне, а также применение предлагаемых в главе I способов улучшения параметров измерительной схемы, позволили в лабораторных условиях регистрировать изменение температуры с помощью платинового датчика на уровне 2><10~6оС.

2. В прецизионной аппаратуре пассивное термостатирование не может обеспечить удовлетворительные термостабильные условия работы датчика продолжительное время.

3. Анализ систем терморегулирования показывает, что общая погрешность терморегулирования минимальна для системы пропорционального терморегулирования с объединенным измерительно-нагревательным мостом.

4. Реализация в макете термостата принципов построения прецизионного термостата, изложенных в главе III, позволили достигнуть коэффициента термостатирования 1/30 000. В серийно выпускаемом гравиметре ГАГ-3, в разработке которого в качестве головной организации участвовал Институт физики Земли АН СССР, коэффициент термостатирования термостата не превышает 1/20 000 Конструкция термостата защищена авторским свидетельством. Предлагаемый критерий (VE) выбора конструктивных материалов для тепловой развязки датчика позволяет оптимально согласовать жесткость конструкции датчика с его тепловой изоляцией. Трансформация отсчетного устройства гравиметра ГАГ-3 с применением оптического датчика перемещения на основе инжекционного лазера позволила реализовать чувствительность упругой системы гравиметра на уровне броуновских шумов. При испытании приборов в условиях вакуума следует учитывать адиабатический эффект. При скорости изменения давления в барокамере 103 Па/мин. изменение температуры прибора в процессе откачки воздуха становится пренебрежимо малым. Барометрический коэффициент гравиметра с новой конструкцией диапазонного устройства не превышает значения 0,05-Ю, 1 мГал/атм. Эта величина на порядок меньше, чем у стандартных приборов. Для исключения микросейсмического и акустического воздействия на гравиметр эффективен метод вязкоупругой развязки прибора от внешней среды в целом. Разработанная и реализованная антисейсмическая подвеска гравиметра ГАГ-3 обеспечивает автоматическое выведение прибора в горизонт и возможность выполнения высококачественных измерений в условиях сильных техногенных возмущений.

Эффективным методом осреднения положения маятника чувствительной системы для прибора с электрической системой регистрации является адаптивная цифровая фильтрация. При этом интегрирование входного сигнала производится за промежуток времени, кратный периоду основной моды возмущающих колебаний.

Применение в гравиметре ГАГ-3 новых технических решений (изложенных в настоящей работе) позволило в итоге создать макет гравиметра ГАГ-ЗМ более высокого уровня. Измерение A g гравиметром в лабораторных условиях осуществляется с точностью 0,5 мкГал. По этому параметру он превосходит лучшие образцы зарубежных полевых гравиметров.