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 устранении дестабилизирующих факторов, связанных с присутствием оператора, уменьшении погрешности за счет увеличения разности периодов колебаний весов при фиксации притягивающих тел на двух позициях, а также для проведения длительных непрерывных измерений. Устройство для измерения гравитационной постоянной содержит - помещенные в термостат и установленные на общем основании вакуумированные 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 шаровой массы на различных расстояниях от грузов коромысла. При этом узлы перемещения и фиксации установлены перпендикулярно линии равновесия весов, имеют дополнительную линейку, подхватывающую шаровую массу секторами круглых отверстий, и электропривод, обеспечивающий перемещение притягивающей массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее, при этом первая позиция размещается на линии равновесия весов в непосредственной близости от груза коромысла, а вторая обеспечивает получение максимума периода крутильных колебаний, между ними осуществляется циклическое перемещение. Сокращение количества позиций притягивающих масс до минимума увеличивает количество циклов измерений, повышает их точность, снижает дестабилизирующее влияние микросейсм.
Техническое решение относится к области метрологии, а именно, к измерению гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами.
Известна установка для измерения гравитационной постоянной [1] (а.с. №492837, G01V 7/00, 1974 г.), содержащая установленные на общем основании вакуумированные 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, обусловленного, 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 близкой по своей технической сущности к заявляемому объекту является установка для измерения гравитационной постоянной [2] (Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Агафонов Н.И., Кочерян Э.Г. Тараканов Ю.А. Об определении гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами. Изв. АН СССР, Физика Земли, №5, 1976, с.106-111), содержащая установленные на общем основании вакуумированные 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 такой установки заключается в том, что перемещение шаровой массы из одного установочного отверстия на другое осуществляется
оператором вручную, что приводит к ухудшению стабильности работы весов вследствие нарушения установившегося теплового режима и затрудняет проведение длительных непрерывных измерений. Установка не позволяет автоматизировать процесс перемещения шаровой притягивающей массы, что уменьшает производительность и увеличивает погрешность измерений.
Технической задачей заявляемого решения является уменьшение погрешности измерений гравитационной постоянной за счет устранения дестабилизирующих факторов, связанных с микросейсмами, неравновесными потоками разреженного газа и присутствием оператора при выборе следующей позиции.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве притягивающие массы юстируют по сохранению положения равновесия на двух позициях, которые расположены на линии, перпендикулярной коромыслу весов в положении равновесия. Первая позиция размещается на линии равновесия в непосредственной близости от грузов коромысла. Вторая позиция смещается на расстояние, при котором достигается максимум периода колебаний. Притягивающие массы перемещают циклически в обоих направлениях, изменяя его на противоположное после каждого измерения. Желательно не использовать промежуточную позицию, т.к. время измерения увеличивается, а производная периода по смещению позиции вдоль фиксирующего узла достигает в ней максимального значения. Устройство предусматривает измерения с двумя равными по величине шаровыми притягивающими массами, которые позволяют сохранить положение равновесия весов.
Отличительные признаки заявляемого устройства не имеют сходных признаков в известных решениях и являются полностью новыми.
Циклическое перемещение притягивающих шаровых масс в обоих направлениях способствует уменьшению погрешностей измерений, обусловленных воздействием микросейсм на точку подвеса крутильных весов. Разность периодов колебаний при измерениях на выбранных позициях превосходит аналогичную разность при перемещении притягивающих масс вдоль линии равновесия весов. При этом шаровые массы переносятся на более короткие расстояния, что упрощает работу систем перемещения и фиксации. Двухпозиционная схема способствует получению максимального количества циклов за одно и то же время измерений.
Возможность достижения положительного эффекта при осуществлении решения 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 - шаровые притягивающие массы, 12 - узлы для перемещения и фиксации шаровых притягивающих масс, 13 - платформа для крепления установки, 14 - источник света, 15 - фотоприемники, 16 -компаратор, 17 - компьютер, 
- угол между направлением притягивающей массы на ось вращения весов и линией равновесия коромысла.
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 котором 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. Антенна 9, расположенная под коромыслом с грузами, обеспечивает протекание тока высокой частоты величиной порядка 5 МГц 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. Шаровые притягивающие массы 11 фиксируются на круглых отверстиях узлов 12, которые устанавливаются перпендикулярно линии равновесия коромысла весов на жесткой платформе 13. Узлы 12 содержит дополнительную линейку для подхвата и перемещения шаровой массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее с помощью электропривода. Первая позиция размещается на линии равновесия весов в непосредственной близости от груза коромысла, вторая выбирается по получению максимума периода крутильных колебаний, при этом обеспечивается циклическое перемещение между ними. Источник света 14 направляет на зеркало весов 8 через стеклянное окно камеры 1 луч света, который после отражения от зеркала выходит обратно и проходит мимо двух фотоприемников 15. Колоколообразные импульсы с фотодиодов 15 подаются на компаратор 16. При определенной амплитуде компаратор опрокидывается. Его сигналы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 17, 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.
Пример. Предлагаемое устройство было реализовано в вакуумированных крутильных весах с периодом колебаний 1676 с. Использовались стальные шаровые притягивающие массы диаметром 101,6 мм и латунные массы диаметром 122 мм. Фиксирующие узлы, имеющие 10 круглых отверстий диаметром 13 мм, разворачивались на 90 градусов по отношению к линии равновесия коромысла в противоположные стороны. При размещении притягивающих масс на первой, ближней к весам, позиции проводилась юстировка по азимуту, при которой весы сохраняли положение равновесия. Затем шаровые массы перемещались на вторую дальнюю позицию, где вновь проверялось сохранение положения равновесия. Вторая позиция, на которой достигался максимум периода колебаний весов, оказалась на четвертом установочном отверстии. Расположение притягивающих шаров на дальней позиции приводит к образованию угла между направлением на ось вращения весов и линией равновесия коромысла, на ближней позиции данный угол равен нулю. Наличие угла приводит к усложнению аналитических формул. На стальных массах величиной 4282,544 г при фиксации их на дальней позиции период составлял 1683,2 с, на ближней к весам позиции период падал до 1619,1 с. На латунных массах величиной 7981,292 г периоды составляли соответственно 1682,7 и 1587,3 с. 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. Усложнение расчетов компенсировалось повышением точности измерений.
Устройство для измерения гравитационной постоянной, содержащее помещенные в термостат и установленные на общем основании вакуумированные крутильные весы, систему измерения периода и амплитуды колебаний, оптически связанную с зеркалом, укрепленным на рабочем теле весов, состоящем 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 шаровой массы на различных расстояниях от грузов коромысла, отличающееся тем, что узлы перемещения и фиксации перпендикулярны линии равновесия весов, имеют дополнительную линейку, подхватывающую шаровую массу секторами круглых отверстий, и электропривод, обеспечивающий перемещение притягивающей массы с одного отверстия неподвижной линейки на соседнее, при этом первая позиция размещается на линии равновесия весов в непосредственной близости от груза коромысла, а вторая обеспечивает получение максимума периода крутильных колебаний, между ними осуществляется циклическое перемещение.
