Исследование выполнено при поддержке РФФИ-ДВО (грант № 11 -01-98501-р_восток_а) и ДВО РАН (грант № 12-1-0-03-005).
Л и т е р а т у р а
1. Иваницкий Г. Р., Медвинский А. Б., Цыганов М. А. От
динамики популяционных волн, формируемых живыми клетками, к нейроинформатике // Успехи физических наук. 1994. Т. 164. № 10. С. 1041—1072.
2. Олескин А. В. Нейрохимия и симбиотическая микрофлора человека: биополитические аспекты // Вестник РАН. 2009. Т. 79. № 5. С. 431—438.
3. Аршавский Ю. И., Гельфанд И. М. О математике и нейрофизиологии // Вестник РАН. 2010. Т. 80. № 10. С. 937—940.
4. Павлов А. Н. и др. Вейвлет-анализ в нейродинамике // Успехи физических наук. 2012. Т. 182. № 9. С. 905—938.
5. Калман Р., Фалб П., Арбиб М. Очерки по математической теории систем. М.: Мир, 1971; Kalman R. E. е. а. Topics in mathematical system theory. N.Y.: McGraw-Hill, 1969.
6. Осипов Ю. С., Кряжимский А. В. Задачи динамического обращения // Вестник РАН. 2006. Т. 76. № 7. С. 615—624.
7. Андреев В. Д. Теория инерциальной навигации. Корректируемые системы. М.: Наука, 1967.
Дата принятия 24.05.2013 г.
621.3.014.33:389
Концепция индукционно-динамической катапульты баллистического лазерного
гравиметра
В. Ф. БОЛЮХ* А. И. ВИННИЧЕНКО"
* Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт»,
Харьков, Украина, e-mail: vfbolyukh@gmail.com ** Национальный научный центр «Институт метрологии», Харьков, Украина,
e-mail: vinn96@eandex.ua
Предложена конструктивная схема индукционно-динамической катапульты баллистического лазерного гравиметра, содержащая неподвижный индуктор и электропроводящий якорь, который вместе с пробным телом перемещается вдоль вертикальной оси. Катапульта позволяет повысить точность гравиметра при прямом преобразовании электрической энергии в кинетическую. Электронная схема катапульты обеспечивает два последовательных импульса тока в индукторе для подбрасывания и торможения якоря в рабочем цикле.
Ключевые слова: баллистический лазерный гравиметр, индукционно-динамическая катапульта, математическая модель, подбрасывание и торможение якоря.
A design scheme of induction-dynamic catapult of laser ballistic gravimeter containing the static inductor and electro conductive armature moving together with the test object along the vertical axis is suggested. The catapult allows to improve the gravimeter accuracy by direct conversion of electrical energy into kinetic. Its electronic circuit provides two successive pulses of current in the inductor for armature tossing and braking during operating cycle.
Key words: ballistic laser gravimeter, induction-dynamic catapult, mathematical model, tossing and braking armature.
Для высокоточных измерений абсолютного значения ускорения свободного падения д применяются баллистические лазерные гравиметры (БЛГ), в которых осуществляется подбрасывание пробного тела (ПТ), представляющего собой оптический уголковый отражатель в специальном корпусе и являющегося составной частью измерительной системы лазерного интерферометра Майкельсона [1—4]. Наиболее точно измерения д проводятся симметричным способом, при котором определяются интервалы пути и времени, пройденные ПТ на симметричных относительно вершины восходящей и нисходящей траекториях свободного движения в вакуумной камере БЛГ [5].
Высокая точность измерения абсолютного значения д достигается на БЛГ — установке ДЕТУ 02-02—96. Однако в полной мере ее метрологические параметры не удовлетворяют современным требованиям, что в значительной степени связано с конструкцией катапульты, в которой осуществляется опосредованное преобразование электрической
энергии источника в вертикальное подбрасывание ПТ [6, 7]. Катапульта данного гравиметра выполнена на основе симметричного шестизвенного рычажного механизма (пантографа) с центральной осью, закрепленной в камере. При подаче на обмотку электромагнита импульса тока массивный ферромагнитный якорь втягивается во внутреннюю полость. Перемещаясь вертикально вниз, он тянет пантограф, который из-за уменьшения радиальных и увеличения аксиальных размеров подбрасывает каретку с ПТ вертикально вверх с последующим улавливанием. Таким образом, в катапульте взаимосвязаны следующие процессы: перемещение якоря под действием магнитного поля обмотки электромагнита, передача электромагнитной силы тяги на центральную ось, поворот секций пантографа вокруг соответствующих осей, перемещение каретки. Для устранения боковых смещений якорь и каретка установлены в подшипниках, связанных со стенками вакуумной камеры.
Такое многоступенчатое преобразование электрической энергии в механическую сопровождается трением и последующим износом контактов подвижных элементов, вибрацией и ударами в соединительных элементах, демпфированием части энергии, изгибно-деформационными процессами и др. Отметим также нелинейность магнитных характеристик и инерционность массивного ферромагнитного якоря, что затрудняет процесс управления катапультой.
Указанные систематические погрешности нельзя уменьшить проведением повторных измерений д, и дальнейшее повышение динамической точности БЛГ связано с совершенствованием катапульты ПТ, в частности с применением дополнительных устройств, например виброзащитных элементов оптико-механической системы. Однако это усложняет конструкцию, увеличивает габаритные размеры и массу БЛГ.
Конструктивная схема индукционно-динамической катапульты. Для устранения систематических погрешностей предлагается БЛГ с индукционно-динамической катапультой (ИДК), обеспечивающей прямое электромеханическое преобразование энергии при свободном и ограниченном перемещении якоря (рис. 1) [8].
Гравиметр содержит ПТ 15 с оптическим уголковым отражателем 16, вакуумную камеру 2, на верхней части которой установлен оптический излучатель 17. На днище 8 вакуумной камеры 2 на демпферах 7 установлена силовая плита 9, на которой зафиксированы катушка 10 с обмоткой 11, направляющие элементы в виде вертикальных стоек 3 и горизонтальные упоры 18 с вертикальными участками 20. В вакуумной камере 2 расположен выполненный в форме тонкого диска электропроводящий якорь 13, который соединен с толкающим диском 4, имеющим отверстия 6 с подшипниками 5, охватывающими вертикальные стойки 3. К нижней части ПТ 15 присоединен направляющий конус 14, форма боковых стенок которого совпадает с формой направляющей конусообразной аксиальной выемки 12 катушки 10. В якоре 13 и диске 4 выполнены центральные отверстия 21.
Нижние части вертикальных стоек 3, обеспечивающих свободное перемещение якоря 13, имеют увеличенный диаметр для подшипников 5 силового диска (см. рис. 1, а). Вертикальные стойки 3, обеспечивающие ограниченное вертикальное перемещение якоря 13, в верхней части соединены с горизонтальными упорами 18, к которым присоединены упругие демпферы 1 (см. рис. 1, б). Установленные на вертикальных участках 20 горизонтальных упоров 18 упругие элементы 19 удерживают якорь 13 с силовым диском при отсутствии взаимодействия ПТ 15 с диском 4.
При разряде емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) на обмотке 11 возникает первый импульс тока, под действием которого магнитное поле наводит ток в электропроводящем
Рис. 1. Конструктивная схема БЛГ с индукционно-динамической катапультой со свободным (а) и ограниченным (б) перемещением якоря в момент свободного полета
пробного тела:
1, 7 — демпферы; 2 — вакуумная камера; 3 — стойки; 4 — диск; 5 — подшипники; 6, 21 — отверстия; 8 — днище камеры 2; 9 — силовая плита; 10 — катушка; 11 — обмотка катушки; 12 — конусообразная выемка; 13 — якорь; 14 — направляющий конус; 15 — пробное тело; 16 — уголковый отражатель; 17 — излучатель; 18 — горизонтальный упор; 19 — упругий элемент; 20 — вертикальная опора
якоре 13. Под действием аксиальной электродинамической силы ^ отталкивания якорь 13 вместе с силовым диском 14 и ПТ 15 совершают свободное вертикальное перемещение Дг. При этом включается оптический излучатель 17, воздействующий на оптический уголковый отражатель 16, и осуществляется измерение д. При падении якоря 13 в момент приближения его к обмотке 11 начинается повторный разряд ЕНЭ. Поскольку остаточное напряжение ЕНЭ меньше начального, возникающая электродинамическая сила ^ отталкивания достаточна лишь для плавного торможения якоря 13 с ПТ 15.
При перемещении ПТ 15 по нижним утолщенным участкам вертикальных стоек 3 подшипники 5 задают горизонтальное положение диска 4. Поскольку верхние утонченные части стоек 3 не соприкасаются с подшипниками 5, обеспечивается бесконтактное перемещение ПТ 15, а значит, и максимальная точность измерения д. За счет взаимодействия направляющего конуса 14 с аксиальной выемкой 12 катушки 10 достигается строго аксиальное расположение якоря 13 относительно обмотки 11 как в начале, так в конце рабочего цикла БЛГ.
Гравиметр с ограниченным перемещением якоря работает следующим образом (см. рис. 1 , б). Подлетая к горизон-
Рис. 2. Расчетная (а) и электрическая (б) схемы ИДК:
1 — основание; 2
индуктор; 3 — электропроводящий якорь; 4 ■ БП, БУ — блоки питания и управления
тальным упорам 18, диск 4 сжимает упругие демпферы 1 и элементы 19. При этом диск 4 плавно тормозит, а ПТ 15 продолжает свободное вертикальное движение, в процессе которого выполняется измерение д. Диск 4 с якорем 13 удерживается разжатыми упругими элементами 19. В момент падения ПТ 15 происходит его контакт с диском, элементы 19 разжимаются, и далее осуществляется совместное падение силового диска 4, якоря 13 и ПТ 15.
Рассмотрим электромеханические процессы ИДК со свободным движением ПТ и якоря, выполненного в виде тонкого медного диска.
Математическая модель ИДК. Она содержит неподвижный индуктор (катушку с обмоткой) и электропроводящий якорь, который вместе с ПТ перемещается вдоль вертикальной оси Т. Якорь располагается относительно индуктора на расстоянии Аг0, при котором индуктор возбуждается для со-
Рис. 3. Зависимости плотности тока индуктора усредненных плотности тока якоря }2 и напряжения ЕНЭ ис на этапе подбрасывания якоря с ПТ
здания подбрасывающего импульса. В процессе торможения якоря, который падает
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.