Устройство для измерения гравитационной постоянной
Полезная модель относится к области метрологии и может быть использована при уточнении значения фундаментальной физической константы - гравитационной постоянной. Техническая задача заключается в уменьшении погрешности измерений за счет устранения дестабилизирующих факторов, связанных с присутствием оператора в процессе измерений, и проведении длительных непрерывных измерений Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержащее помещенные в термостат и установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух сосредоточенных масс на его концах и подвешенном на металлической упругой нити, притягивающую массу, размещенную на линии равновесия рабочего тела на одном из установочных отверстий неподвижной линейки узла фиксации массы на различных расстояниях от грузов коромысла, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, проведения длительных непрерывных измерений с цилиндрическими притягивающими массами, уменьшения их погрешности, устранения дестабилизирующих факторов, связанных с присутствием оператора, узел фиксации имеют дополнительный центрирующий цилиндр, обеспечивающий точную посадку такой массы на фиксирующие отверстия неподвижной линейки.
Техническое решение относится к области метрологии, а именно, к измерению гравитационной постоянной размещенными в вакуумной камере крутильными весами.
Известна установка для измерения гравитационной постоянной [1] (а.с. СССР 
492837, G01V 7/00, 1974 г.), содержащая установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух сосредоточенных шаровых масс на его концах и подвешенном на металлической упругой нити, шаровую притягивающую массу, размещенную в узле фиксации на линии равновесия рабочего тела на различных расстояниях от грузов коромысла.
Недостаток такой установки заключается в том, что периоды колебаний весов, соответствующие различным позициям притягивающей массы, отклоняются от нормального значения из-за низкочастотного дрейфа положения равновесия и периода колебаний весов. Он обусловлен, прежде всего, влиянием микросейсм, амплитудные и частотные характеристики которых изменяются во времени. Дрейф вызывают и температурные флуктуации, однако влияние последних ослабляют термостатированием весов. Практически невозможно полностью избавиться от дестабилизирующего влияния микросейсм. Выбор оптимального соотношения геометрических параметров весов, гашение качаний магнитным демпфером, проведение измерений в ночное время и прочие меры лишь частично устраняют их влияние. Искажение периодов колебаний весов микросейсмами приводит к смещению значения гравитационной постоянной.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому объекту является устройство для измерения гравитационной постоянной [2] (Патент 79342. Устройство для измерения гравитационной постоянной. / Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Шахпаронов В.М., Ионова Л.П., Ковалев Е.И. - Приоритет полезной модели 31.07.08.). Оно содержит установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух сосредоточенных масс на его концах и подвешенном на металлической упругой нити, шаровую притягивающую массу, размещенную на линии равновесия рабочего тела на одном из установочных отверстий неподвижной линейки узла фиксации на различных расстояниях от грузов коромысла.
Недостаток такого устройства заключается в том, что оно не предусматривает замену шаровой притягивающей массы на цилиндрическую, что ограничивает его возможности.
Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства для перемещения и фиксации притягивающей массы. Рассматривается вариант с цилиндрической массой с вертикальной осью. Несущественное усложнение конструкции устройства обеспечивает перемещение и четкую фиксацию цилиндрической массы.
Поставленная цель достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено дополнительным центрирующим цилиндром, укрепленным по центру к нижней плоскости цилиндрической притягивающей массы. Он обеспечивает точную посадку на круглые отверстия неподвижной линейки. Перемещение такой массы с одного отверстия на другое осуществляется по-прежнему с помощью дополнительной линейки и электропривода. Устройство обеспечивают фиксацию масс на заданных позициях и изменение направления перемещения после измерений в крайних позициях. Время, затрачиваемое на перемещение на новую позицию и измерения на ней, составляет два полных периода колебаний весов. Первая половина периода искажена процессом перемещения притягивающих масс, оставшиеся полтора периода позволяют рассчитать периоды, амплитуды колебаний и гравитационную постоянную. При трехпозиционной схеме притягивающие массы фиксируются в одной промежуточной позиции, при четырехпозиционной - в двух. Наличие двух идентичных узлов, расположенных с разных сторон от крутильных весов, обеспечивает измерения с двумя равными по величине притягивающими массами.
Отличительные признаки заявляемого устройства не имеют сходных признаков в известных решениях и являются полностью новыми, существенными для реализации данного устройства и достижения поставленной цели.
Циклическое перемещение притягивающих масс в обоих направлениях способствует уменьшению погрешностей измерений, обусловленных воздействием микросейсм на точку подвеса крутильных весов. Возможность достижения положительного эффекта при осуществлении изобретения ясна из вышесказанного и подтверждается результатами проведенных измерений гравитационной постоянной.
Устройство поясняется чертежом (фиг.), где 1 - корпус вакуумной камеры, 2 - вспомогательная нить, 3 - бесконтактный магнитный подшипник, 4 - магнитный демпфер, 5 - крутильная нить весов, 6 - коромысло весов, 7 - шаровые грузы коромысла, 8 - отражающее зеркало весов, 9 - антенна для термомеханической обработки нити подвеса, 10 - магнитный экран, 11 - цилиндрические притягивающие массы, 12 - центрирующие цилиндры, 13 - узлы для перемещения и фиксации притягивающих масс, 14 - платформа для крепления установки, 15 - источник света, 16 - фотоприемники, 17 - компаратор, 18 - компьютер.
Устройство работает следующим образом. Внутри вакуумной камеры 1 размещают крутильные весы, в которых на вспомогательной нити 2 крепится бесконтактный магнитный подшипник 3, обеспечивающий поворот системы по азимуту, а также магнитный демпфер 4. В нем между полюсами магнитов расположен круглый диск, изготовленный из немагнитного материала с высокой проводимостью. Верхний конец крутильной нити весов 5 соединен с телом демпфера, а к ее нижнему концу крепится рабочее тело весов, включающее коромысло 6 с шаровыми грузами 7 на концах и отражающее зеркало 8. При термомеханической обработке нити подвеса протекание тока высокой частоты величиной порядка 5 МГц обеспечивает антенна 9 через емкость между ее поверхностью и подвешенным к нити 5 телом весов. Магнитный экран 10, изготовленный из высококачественных марок пермаллоя, в значительной мере защищают весы от воздействия магнитных полей, устраняет возможное магнитное взаимодействие притягивающих масс с телом весов. Цилиндрические притягивающие массы 11 фиксируются на круглых отверстиях узлов 12 с помощью дополнительных цилиндрических наконечников 13. Узлы 12, устанавливаемые на жесткой платформе 14, содержит дополнительную линейку для подхвата и перемещения притягивающей массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее с помощью электропривода. Источник света 15 направляет на зеркало весов 8 через стеклянное окно камеры 1 луч света, который после отражения от зеркала выходит обратно и проходит мимо двух фотоприемников 16. Колоколообразные импульсы с фотодиодов 16 подаются на компаратор 17. При определенной амплитуде компаратор опрокидывается. Его сигналы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 18, который завершает при этом измерение интервала времени, фиксирует его и начинает измерение нового. Последний восьмой интервал компьютер привязывает к реальному времени. После окончания измерений на данной позиции компьютер формирует сигнал на включение электропривода и задает время, в течение которого он не может быть выключен. Выключение двигателей осуществляется кнопочными выключателями после окончания заданного в программе времени и возвращения узлов перемещения в первоначальное положение. Для предотвращения аварийной ситуации в случае сбоя в системе управления предусмотрены кнопочные выключатели, обесточивающие привод до сброса притягивающих масс с узлов фиксации.
Предлагаемое устройство было проверено на размещенных в вакуумной камере крутильных весах. Использовались латунные притягивающие массы диаметром 100 мм и высотой 100 мм. Фиксирующие узлы имели 10 круглых отверстий диаметром 13 мм. При размещении притягивающих масс на первой ближней к весам позиции проводилась юстировка по азимуту, при которой весы сохраняли положение равновесия. Затем массы перемещались на другую позицию, где вновь проверялось сохранение положения равновесия. При расчетах реальная система заменялась на модельную, которая обеспечена математическим и программным обеспечением. В ней цилиндрические притягивающие массы заменялись на шаровые. Проводились расчеты моментов притяжения в реальной и модельной системах. Моменты притяжения в модельной системе уравнивались с реальными за счет изменения расстояния от оси вращения. При этом шаровые массы на любой позиции располагались на более далеких расстояниях. Затем расчеты проводились как по аналитическим формулам с учетом членов при пятой степени амплитуды колебаний, так и непосредственно по системе двух дифференциальных уравнений. Во всех вариантах обеспечивалось устойчивое измерение гравитационной постоянной.
Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержащее установленные на общем основании в вакуумной камере крутильные весы, систему измерения периодов и амплитуд колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящим из коромысла и двух шаровых грузов на его концах, укрепленного к нижнему концу металлической упругой нити, притягивающие массы, размещенные на линии равновесия рабочего тела на одном из установочных отверстий неподвижных линеек на различных расстояниях от грузов коромысла, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей устройства, проведения длительных непрерывных измерений с цилиндрическими притягивающими массами, уменьшения их погрешности, устранения дестабилизирующих факторов, связанных с присутствием оператора, цилиндрические массы имеют дополнительные центрирующие цилиндры, обеспечивающие их точную посадку на фиксирующие отверстия неподвижных линеек.
