RU2364896C1

RU2364896C1 - Method for measurement of gravitation constant

Info

Publication number: RU2364896C1
Application number: RU2008131496/28A
Authority: RU
Inventors: Олег Всеволодович Карагиоз (RU); Олег Всеволодович Карагиоз; Валерий Петрович Измайлов (RU); Валерий Петрович Измайлов; Владимир Михайлович Шахпаронов (RU); Владимир Михайлович Шахпаронов
Original assignee: Олег Всеволодович Карагиоз
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2009-08-20

Abstract

FIELD: physics, measurement.

SUBSTANCE: invention is related to metrology and may be used in specification of fundamental physical constant - gravitation constant. According to invention, attractive mass is aligned in two or more positions, in all positions they measure periods, amplitudes of torsion balance oscillations and distance increment from initial point, making system of equations, distances are calculated between interacting masses and gravitation constant. Invention specific feature consists in the fact that during fixation of attractive bodies in two positions, masses are displaced and fixed by two units perpendicular to line of torsion balance equilibrium cyclically in both directions, varying it for the opposite one after measurements at every of two positions, moreover, the first position is placed on line of balance equilibrium in close proximity to rocker weight, and the second one is selected based on produced maximum of torsion oscillations period.

EFFECT: reduction of gravitation constant measurements error by weakening of destabilizing factors related to microseisms, unbalanced flows of diluted gas and presence of operator for selection of the following position.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области метрологии, а именно к способу определения гравитационной постоянной вакуумированными крутильными весами.The invention relates to the field of metrology, and in particular to a method for determining the gravitational constant by evacuated torsion scales.

Известен способ определения гравитационной постоянной [1] (а.с. №492837, G01V 7/00, 1974 г.). Способ заключается в том, что притягивающую массу юстируют в азимутальном направлении в двух или нескольких позициях, измеряют на всех позициях периоды, амплитуды колебаний весов и приращение расстояния от первоначальной точки, составляя систему уравнений, рассчитывают расстояния между взаимодействующими массами и гравитационную постоянную. Юстировку притягивающей массы в вертикальном направлении проводят либо визуально до герметизации вакуумной камеры, либо по максимальному уменьшению периода колебаний. Если весы расположены в стеклянной камере, настройку по вертикали проще всего проводить визуально. Способ позволял осуществлять измерения с одной притягивающей массой. Такой вариант назывался однотактной схемой. При наличии симметрично расположенных двух равных притягивающих масс схему измерений называли двухтактной.A known method of determining the gravitational constant [1] (AS No. 492837, G01V 7/00, 1974). The method consists in the fact that the attracting mass is aligned in the azimuthal direction in two or more positions, the periods, the oscillation amplitudes of the weights and the increment of the distance from the initial point are measured at all positions, composing a system of equations, the distances between the interacting masses and the gravitational constant are calculated. The alignment of the attracting mass in the vertical direction is carried out either visually until the vacuum chamber is sealed, or to minimize the oscillation period. If the balance is located in a glass chamber, the vertical adjustment is easiest to carry out visually. The method made it possible to carry out measurements with one attractive mass. This option was called a single-cycle circuit. In the presence of symmetrically arranged two equal attracting masses, the measurement scheme was called push-pull.

Недостаток такого способа 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.The disadvantage of this method is that the periods of oscillation of the scales, corresponding to different positions of the attracting mass, deviate from the normal value due to the low-frequency drift of the equilibrium position and the period of oscillation of the balance, due primarily to the influence of microseisms, the amplitude and frequency characteristics of which vary with time . Temperature fluctuations also cause a drift, but the influence of the latter is weakened by thermostating of the balance. It is almost impossible to completely get rid of the destabilizing effect of microseisms. Choosing the optimal ratio of the geometric parameters of the balance, damping the swings with a magnetic damper, taking measurements at night and other measures only partially eliminate their influence. Distortion of periods of oscillation of weights by microseisms leads to a shift in the value of the gravitational constant.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому объекту является метод 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), в котором измеряются периоды и амплитуды колебаний крутильных весов при размещении притягивающей массы на всех установочных отверстиях узла фиксации, расположенного на линии равновесия весов. Используют 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 размещают на линии равновесия весов на одном из установочных отверстий неподвижной линейки узла фиксации на различных расстояниях от грузов коромысла.The closest in its technical essence to the claimed object is the method of measuring the gravitational constant [2] (Karagias OV, Izmailov VP, Agafonov NI, Kocheryan EG, Tarakanov Yu.A. On the determination of gravitational a constant vacuum torsion balance. Izv. AN SSSR, Physics of the Earth, No. 5, 1976, pp. 106-111), which measures the periods and amplitudes of oscillations of a torsion balance when placing the attractive mass on all the mounting holes of the fixation unit located on the balance line of the balance . A system for measuring the period and amplitude of oscillations is used, which is optically coupled to a mirror mounted on the working body of the balance, consisting of a beam and two concentrated masses at its ends and suspended on a metal elastic thread. The ball attracting mass is placed on the balance line of the balance on one of the mounting holes of the fixed ruler of the fixation unit at various distances from the rocker arms.

Недостаток такого способа 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. Он не предусматривает автоматизацию процесса перемещения шаровой притягивающей массы, что уменьшает производительность и увеличивает погрешность измерений.The disadvantage of this method is that the movement of the ball mass from one mounting hole to another is carried out manually by the operator, which leads to a deterioration in the stability of the balance due to the violation of the established thermal regime and makes it difficult to conduct continuous measurements. It does not provide automation of the process of moving the ball attracting mass, which reduces productivity and increases the measurement error.

Технической задачей изобретения является уменьшение погрешности измерений гравитационной постоянной за счет ослабления дестабилизирующих факторов, связанных с микросейсмами, неравновесными потоками разреженного газа и присутствием оператора при выборе следующей позиции.An object of the invention is to reduce the measurement error of the gravitational constant due to the weakening of the destabilizing factors associated with microseisms, non-equilibrium flows of rarefied gas and the presence of the operator when choosing the next position.

Поставленная задача достигается тем, что притягивающие массы юстируют по сохранению положения равновесия на двух позициях, которые расположены на линии, перпендикулярной коромыслу весов в положении равновесия. Первая позиция размещается в непосредственной близости от грузов коромысла. Вторая смещается на расстояние, при котором достигается максимум периода колебаний. Притягивающие массы перемещают двумя узлами циклически в обоих направлениях, изменяя его на противоположное после каждого измерения. Способ предусматривает измерения только с двумя равными по величине шаровыми притягивающими массами, что обеспечивает сохранение положения равновесия весов.The task is achieved in that the attracting masses are adjusted to maintain the equilibrium position at two positions that are located on a line perpendicular to the balance beam in the equilibrium position. The first position is located in the immediate vicinity of the rocker arms. The second is shifted by a distance at which the maximum period of oscillation is achieved. The attracting masses are moved by two nodes cyclically in both directions, changing it to the opposite after each measurement. The method involves measurements with only two equal in magnitude ball attracting masses, which ensures the preservation of the balance position of the balance.

Циклическое перемещение притягивающих шаровых масс в обоих направлениях способствует уменьшению погрешностей, 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 переносят на более короткие расстояния, что упрощает работу узлов перемещения и фиксации. Двухпозиционная схема способствует получению максимального количества циклов за одно и то же время измерений.The cyclic movement of the attracting ball masses in both directions reduces the errors caused by the action of microseisms on the suspension point of the torsion balance. The difference in the periods of oscillation during measurements at the selected positions exceeds the similar difference when moving attractive masses along the balance line of the balance. In this case, the ball masses are transferred to shorter distances, which simplifies the operation of the displacement and fixation units. The two-position scheme helps to obtain the maximum number of cycles for the same measurement time.

Способ поясняется фиг.1-2, 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 - шаровые притягивающие массы, 10 - узлы для перемещения и фиксации шаровых притягивающих масс, 11 - платформа для крепления установки, 12 - источник света, 13 - фотоприемники, 14 - компаратор, 15 - компьютер, θ - угол между направлением притягивающей массы на ось вращения весов и линией равновесия коромысла.The method is illustrated in figures 1-2, where 1 is the housing of the vacuum chamber, 2 is an auxiliary thread, 3 is a non-contact magnetic bearing, 4 is a magnetic damper, 5 is a torsion thread of the balance, 6 is the balance beam of the balance, 7 is the ball load of the beam, 8 - reflective mirror of the balance, 9 - ball attracting masses, 10 - nodes for moving and fixing ball attracting masses, 11 - platform for mounting the unit, 12 - light source, 13 - photodetectors, 14 - comparator, 15 - computer, θ - angle between the direction attracting mass to the axis of rotation of the balance and the balance line of the beam.

Способ измерения реализован 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. Шаровые притягивающие массы 9 фиксируются на круглых отверстиях узлов 10. Вся установка устанавливается на жесткой платформе 11. Источник света 12 направляет на зеркало весов 8 через стеклянное окно камеры 1 луч света, который после отражения от зеркала выходит обратно и проходит мимо двух фотоприемников 13. Колоколообразные импульсы с фотодиодов 13 подаются на компаратор 14. При определенной амплитуде компаратор опрокидывается. Его сигналы с крутыми фронтами поступают на входной порт компьютера 15, который завершает при этом измерение интервала времени, фиксирует его и начинает измерение нового. Последний восьмой интервал, завершающий измерения, 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 двигателя осуществляется кнопочным выключателем 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.The measurement method is implemented as follows. Inside the vacuum chamber 1, a torsion balance is placed in which a non-contact magnetic bearing 3 is mounted on the auxiliary thread 2, which ensures the rotation of the system in azimuth, as well as a magnetic damper 4, in which a circular disk made of non-magnetic material with high conductivity is located between the poles of the magnets. The upper end of the twisting thread of the scales 5 is connected to the damper body, and the working body of the scales is attached to its lower end, including the beam 6 with ball weights 7 at the ends and a reflecting mirror 8. Ball attracting masses 9 are fixed on the round holes of the nodes 10. The whole installation is mounted on rigid platform 11. The light source 12 directs a beam of light to the balance of the scales 8 through the glass window of the camera 1, which, after reflection from the mirror, goes back and passes by two photodetectors 13. Bell-shaped pulses from the photodiodes 13 are supplied to comparator 14. At a certain amplitude, the comparator capsizes. Its signals with steep edges arrive at the input port of the computer 15, which completes the measurement of the time interval, fixes it and begins to measure a new one. The last eighth interval, completing the measurements, the computer binds to real time. After completing measurements at this position, the computer generates a signal to turn on the electric drive and sets the time during which it cannot be turned off. The engine is switched off by a push-button switch after the time specified in the program has ended and the moving nodes have returned to their original position. To prevent an emergency in the event of a malfunction, push-button switches are provided in the control system to de-energize the drive until the attracting masses are reset from the fixing units.

Пример. Предложенный способ был апробирован на вакуумированных крутильных весах с периодом колебаний Т₀=1676 с. Использовались стальные шаровые притягивающие массы диаметром 101,6 мм и латунные массы диаметром 122 мм. Узлы 10, имеющие 10 круглых установочных 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 θ между направлением на ось вращения весов и линией равновесия коромысла, на ближней позиции данный угол равен нулю. Наличие угла θ приводит к усложнению аналитических формул (Карагиоз О.В., Измайлов В.П., Шахпаронов В.М. Расчет гравитационной постоянной при фиксации притягивающих масс на произвольных позициях. // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2004. - №5. - С.85-94). На стальных массах величиной 4282,544 г при фиксации их на дальней позиции период составлял T₂=1683,2 с, на ближней к весам позиции период падал до Т₁=1619,l с. На латунных массах величиной 7981,292 г периоды составляли соответственно Т₂=1682,7 и Т₁=1587,3 с. Дополнительные исследования проводились при отклонении направления перемещения шаровых масс от угла 90 градусов. Программное обеспечение заявленного способа было разработано на базе уже имевшейся программы, обеспечивавшей расчеты при фиксации притягивающих масс на линии равновесия весов. Расчеты проводились как по аналитическим формулам с учетом членов при пятой степени амплитуды колебаний, так и непосредственно по системе двух дифференциальных уравнений. Наличие двух независимых вариантов расчета G позволяет исключить какие-либо ошибки при выводе формул и их программировании. Повышение точности измерений обеспечивалось увеличением разности периодов колебаний весов Т₂-Т₁ при фиксации масс на двух позициях. При фиксации масс на дальней позиции период колебаний весов Т₂ превышал величину Т₀. Вследствие этого увеличилась и разность периодов Т₂-Т₁. Характеристики микросейсм и неравновесных потоков газа изменяются во времени. Поскольку измерения на двух позициях происходят в разное время, эти факторы по разному смещают периоды Т₁ и Т₂. Высокий вакуум значительно ослабляет влияние неравновесных потоков, но он в процессе работы установки постепенно ухудшается. Регенерация насоса позволяет восстановить вакуум, но проводить ее часто сложно. Приходится работать и при более высоком давлении, при этом влияние потоков неуклонно возрастает. При увеличении интервала времени между измерениями роль микросейсм возрастает. Основной вклад вносят технические микросейсмы, связанные с жизнью города. Однако и естественные дают свой вклад. Флуктуации температуры, а также градиентов температур изменяют расстояния между взаимодействующими массами, что приводит к долгопериодным вариациям G в основном за счет колебаний величины Т₁. Увеличение T₂-T₁ снижает дестабилизирующее влияние всех возможных дестабилизирующих факторов. Следует также отметить, что предлагаемый способ реализуется при значительно меньшем перемещении притягивающих масс (примерно в три раза), что значительно облегчает работу узлов 10, увеличивая их ресурс.Example. The proposed method was tested on evacuated torsion scales with a period of oscillation T ₀ = 1676 s. Steel ball attracting masses with a diameter of 101.6 mm and brass masses with a diameter of 122 mm were used. The nodes 10, having 10 round mounting holes with a diameter of 13 mm, turned 90 degrees with respect to the balance line of the beam in opposite directions. When placing the attracting masses at the first position closest to the balance, an azimuth adjustment was carried out at which the balance maintained its equilibrium position. Then the ball masses moved to the second distant position, where the preservation of the equilibrium position was again checked. The second position, at which the maximum period of oscillation of the weights was reached, was on the fourth mounting hole. The location of the attracting balls at a distant position leads to the formation of an angle θ between the direction of the axis of rotation of the balance and the balance line of the beam, in the near position this angle is zero. The presence of an angle θ leads to a complication of analytical formulas (Karazag O.V., Izmailov V.P., Shakhparonov V.M. . - No. 5. - S.85-94). On steel masses with a value of 4282.544 g, when they were fixed at a distant position, the period was T ₂ = 1683.2 s, at the position closest to the balance, the period fell to T ₁ = 1619, l s. On brass masses of 7981.292 g, the periods were T ₂ = 1682.7 and T ₁ = 1587.3 s, respectively. Additional studies were conducted when the direction of movement of the ball masses deviated from an angle of 90 degrees. The software of the claimed method was developed on the basis of an existing program that provided calculations when fixing the attracting masses to the balance line of the balance. The calculations were carried out both according to analytical formulas taking into account the terms at the fifth degree of the oscillation amplitude, and directly according to a system of two differential equations. The presence of two independent options for calculating G eliminates any errors in the derivation of formulas and their programming. Improving the accuracy of measurements was provided by increasing the difference in the periods of oscillation of the weights T ₂ -T ₁ when fixing the masses at two positions. When fixing the masses at a distant position, the period of oscillation of the weights T ₂ exceeded the value of T ₀ . As a result, the difference in periods T ₂ -T ₁ has also increased. The characteristics of microseisms and nonequilibrium gas flows change over time. Since measurements at two positions occur at different times, these factors shift periods T ₁ and T ₂ differently. High vacuum significantly reduces the effect of nonequilibrium flows, but it gradually worsens during the operation of the installation. Pump regeneration allows you to restore the vacuum, but it is often difficult to carry it out. It is necessary to work at a higher pressure, while the influence of flows is steadily increasing. With an increase in the time interval between measurements, the role of microseisms increases. The main contribution is made by technical microseisms related to the life of the city. However, the natural ones also contribute. Temperature fluctuations, as well as temperature gradients, change the distance between the interacting masses, which leads to long-period variations of G mainly due to fluctuations in the value of T ₁ . An increase in T ₂ -T ₁ reduces the destabilizing effect of all possible destabilizing factors. It should also be noted that the proposed method is implemented with significantly less movement of the attracting masses (about three times), which greatly facilitates the operation of nodes 10, increasing their resource.

Claims

A method for measuring the gravitational constant, in which the attracting mass is adjusted in two or more positions, determine at all positions the periods, the oscillation amplitudes of the weights and the increment of the distance from the initial point, make up a system of equations and calculate the distances between the interacting masses and the gravitational constant, characterized in that the masses move and fix with two nodes perpendicular to the balance line of the balance cyclically in both directions, changing it to the opposite after measurements for each their two positions, the first position placing weights on the equilibrium line in the vicinity of the load of the rocker and the other is selected to obtain maximum torsional oscillation period.