Расчет и устройства подвеса ротара в гравиметре типа гравиметра Протеро и Гудкаинда

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Государственное образовательное  учреждение

высшего профессионального образования

 

Воронежский государственный технический  университет

 

Физико – технический факультет

Кафедра физики твердого тела

 

 

К У Р С О В О Й      П Р О Е К Т

 

по дисциплине: "НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫЕ УСТРОЙСТВА"

специальность "ТЕХНИКА И ФИЗИКА НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР"

на тему:

" Расчет и устройство подвеса ротора в гравиметре типа гравиметра

Протеро и Гудкаинда  "

 

                                                     

                                                   

                                                   

                                                                   Выполнил студент группы НТ-051

                                                               _______________      Разиньков А.В.

 

                Принял профессор кафедры физики

      твердого тела

                                                               ________________     Милошенко В.Е.

 

 

                  

 

 

                        ___________                                 __________

                           (дата)                                           (оценка)

 

                                                

 

Воронеж  2008

ЗАДАНИЕ   НА   КУРСОВОЙ   ПРОЕКТ

 

по учебной дисциплине "Низкотемпературные устройства" для студента специальности 140401 "Техника и физика низких температур" Тема: " Расчет и устройство подвеса ротора в гравиметре типа гравиметра Протеро и Гудкаинда  "

 

Отчет должен содержать:

1. Обзор литературы по теме.
2. Выводы, содержащие недостатки в принципе действия или конструкции имеющихся приборов или устройств.
3. Описание разрабатываемого предложения (своего варианта). Выбор основных параметров и типа подвижного элемента.
4. Конструкторская проработка предлагаемого варианта.
5. Расчет основных параметров:

Технические условия:

5.1  Рабочая среда – вакуум 10^-3 Тор;

5.2  Рабочая температура 5 К;

5.3  Магнитное поле 1000 Гс;

5.4  Величина зазора – 1 мм;

5.  Чувствительный элемент – сфера из ниобия;

1. Диаметр – 25 мм;
2. Вес – 30 г;

5.6  Датчик емкостной.

 

 

 

 

 

 

Задание получил______  ________ _____________________

                                 дата                          Роспись                                Ф. И.О.

 

 

ЗАМЕЧАНИЯ  РУКОВОДИТЕЛЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

Введение……………………………………………………………………..5

Назначение, состав, основные параметры и   классификация

    гравиметров ………………………………………………………............8

1. Гравиметры с контактным подвесом ………………………………….. 9

    1.1 Маятниковые гравиметры …………………………………………...9

    1.2 Пружинные гравиметры …………………………………………….11

    1.3 Гравиметры с неконтактным подвесом…………………………….13

    1.4 Гравиметр Протеро и Гудкаинда……………………………………16

2. Разработка гравиметра…………………………………………………..18

    2.1 Расчет катушки подвеса……………………………………………..18

    2.2 Описание конструкции………………………………………………20

3. Выводы по проделанной работе…………………………………………21

Заключение…………………………………………………………………..22

Список литературы………………………………………………………….23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Низкие температуры, достигнутые  впервые в XIX веке, получили развитие и широкое распространение в прошлом столетии по ряду причин: открытие сверхпроводимости, атомной энергетики, освоение космоса и ракетостроения, а также внедрение новых технологий в промышленном производстве, медицине и др. [1]. Уже в 30-е гг. ХХ века физика низких температур занимала видное место в физике как во всемирном масштабе, так и в СССР, что было связано в первую очередь с деятельностью Л. В. Шубникова (1901 – 1937) [2].

Конечно, главным в  области низких температур является появление сверхпроводимости и использование ее основных свойств: исчезновения сопротивления и идеального диамагнетизма, – которые положены в основу создания целого ряда охлаждаемых приборов и устройств.

Например, в энергетике сверхпроводники позволяют существенно  снизить потери в линиях электропередач; в обмотках электрических машин – получать сверхвысокие магнитные поля, повысить КПД энергетических устройств и снизить их массу и габариты за счет увеличения плотности тока. Созданы поезда, движущиеся на бесконтактном подвесе, образованном сверхпроводящими магнитами; такие поезда, например, в Японии, позволяют развивать скорость до 500 – 550 км/ч, недоступную обычным поездам.

В судостроении использование  сверхпроводников позволяет снизить  массу энергетических устройств, даже с учетом массы ожижительных установок, и тем самым повысить автономность плавания судов. Существуют проекты  подводных лодок со сверхпроводящими двигателями, более экономичными, чем установленные в настоящее время.

В приборостроении понижение  рабочих температур повышает механическую и геометрическую стабильность измерительных  устройств, позволяет поднять на несколько порядков чувствительность приборов, снизить величину отношения сигнал/шум, повысить долговременную стабильность. Здесь разработаны и испытаны гальванометры с чувствительностью 10^-19 В, магнитометры, измеряющие потоки с точностью до 10^-19 Вт, а построение на их базе устройства для измерения перемещения имеют точность 10^-20 м. Теоретические значения предела чувствительности акселерометра, связанные с шумами усилителя, имеют величину м/с², дрейф нуль-пункта составляет 10^-9g в сутки.

Долговременная стабильность работы гравиинерциальных приборов в значительной степени, как было отмечено выше, определяется их механическими напряжениями, возникающими из-за неравных температурных коэффициентов линейного расширения в пределах 10^-10 K^-1 используемых конструкционных материалов. В области гелиевых температур роль этих факторов и броуновского движения снижается и вызывает более высокую стабильность работы прибора. Температурный дрейф нуля гравиметра составляет 10^-5 K, что приводит к неопределенности нуля порядка 10^-10 и относительному изменению индукции магнитного поля за счет температурной зависимости глубины проникновения магнитного поля на величину , чувствительность – 10^-10g.

Важнейшим следствием идеального диамагнетизма является возможность их левитации. «Левитацией» называется состояние, при котором твердое тело «парит» в силовом поле подвеса без механического контакта с окружающими телами [3]. Первые теоретические исследования в области электромагнитной левитации датируются 1839 годом (основоположником можно считать английского физика и математика С. Ирншоу). Собственно изучение левитации сверхпроводников стало возможно после открытия в 1933 году немецкими физиками В. Мейснером и Р. Оксенфельдом способности сверхпроводников выталкивать из себя магнитное поле, что привело к созданию сверхпроводящего подвеса, и экспериментального подтверждения в 1939 году немецким физиком В. Браунбеком эффекта, состоящего в возможности достижения устойчивого равновесия свободного тела при наличии в магнитной системе диамагнитных тел. В нашей стране впервые магнитная левитация сверхпроводника была осуществлена в 1945 году профессором МГУ В.К. Аркадьевым. В начале 60-х годов появились первые сообщения об использовании магнитных подвесов в различных системах инерциальной навигации: гироскопах, акселерометрах, гравиметрах и др.

Использование таких  приборов и устройств, охлаждаемых  до температур жидкого гелия, сопровождается их выигрышем в энергии, повышением чувствительности, долговременной стабильности, быстродействия, а иногда это единственный способ решения проблемы. Поэтому сегодня техника, работающая на основе явления сверхпроводимости и связанных с ним физических явлений, становится все более востребованной. И, кроме того, явление сверхпроводимости обладает большим потенциалом, что позволяет предвидеть его широкое использование в будущем.

В своей работе я рассмотрел одну из областей применения приборов, работа которых основана на явлении  сверхпроводимости и его особенностей. Действительно, в условиях всевозрастающих требований к точности аппаратуры в целом и гравиизмерительной аппаратуры в частности, старые методы измерений ускорения свободного падения использующие, например, маятниковые или пружинные гравиметры, уступают место более совершенным и имеющим больший потенциал гравиметрам с неконтактным подвесом подвижного элемента.

Вместе с тем, в работе приведен обзор наиболее распространенных конструкций гравиметрической аппаратуры, выполненной как с контактным подвесом, так и на основе неконтактного вывешивания подвижного элемента. Это сделано не только для того, чтобы рассмотреть сверхпроводящие гравиметры через призму сравнения с традиционными образцами, но и для того, чтобы показать необходимость развития гравиметрии в направлении роста использования сверхпроводящих гравиметров вследствие того, что традиционные аналоги еще в течение ХХ в. исчерпали свой ресурс, достигнув своего физического предела точности измерений.

 

 Назначение, состав, основные параметры и классификация                         гравиметров

 

Гравиметр (от лат. gravis – тяжелый и греч. metreo – измеряю) – прибор для измерения ускорения свободного падения под действием силы тяжести.

Любой гравиметр имеет  в своем составе:

а) подвижный элемент (называемый также пробным телом, инерционным телом, чувствительным элементом), который воспринимает полезный сигнал и под его воздействием изменяет свое пространственное положение вдоль оси чувствительности;

б) неподвижный корпус, в котором закрепляется подвижный  элемент и относительно которого он изменяет свое положение при воздействии полезного сигнала;

в) датчик, позволяющий  отслеживать и измерять изменение  пространственного положения подвижного элемента.

Основными параметрами  гравиметра являются такие показатели как дрейф нуль-пункта (нуль-пункт – положение нуля или начала какой-либо системы отсчета), жесткость и чувствительность прибора (величина, обратная жесткости). Дрейф нуль-пункта характеризует долговременную стабильность работы прибора и показывает, какое смещение испытывает значение, выбранное в качестве начального (нулевого), за определенный промежуток времени. Как правило, в качестве характеристического отрезка времени выбираются 1 час, сутки, 1 год.

По методу производимых гравиметрами измерений, приборы классифицируют на:

а) абсолютные гравиметры, предназначенные для измерения абсолютных значений ускорения свободного падения (наиболее совершенными из таких гравиметров являются баллистические, о которых более подробно рассказано в пункте 4.2);

б) относительные гравиметры, предназначенные для определения  изменений ускорения свободного падения.

Существуют два варианта закрепления подвижного элемента в  корпусе, которые и положены в основу классификации гравиметров. На основании этих вариантов гравиметры подразделяются на:

а) гравиметры с контактным подвесом, в которых подвижный элемент механически закрепляется на корпусе (ниже рассмотрены варианты такого закрепления, использующие маятники или пружины);

б) гравиметры с неконтактным (в некоторой литературе – бесконтактным) подвесом, в которых отсутствует  непосредственный механический контакт между корпусом и подвижным элементом, а последний вывешивается с помощью сил различной физической природы (электростатической, электромагнитной).

Эти два класса принципиально  отличаются друг от друга как физическими  основами и технической реализацией, так и достигнутыми значениями точности измерений.

 

1. Гравиметры с контактным подвесом

 

1.1 Маятниковые гравиметры

 

Первым методом измерения  ускорения силы тяжести был метод  свободных колебаний маятника. Связь  периода (T) таких колебаний с ускорением свободного падения (g) математического маятника записывается в виде бесконечного ряда:

                                                                           (2.1)

где l – длина нити, α – амплитуда.

Под математическим маятником подразумевается идеальный маятник, который состоит из точечной массы, подвешенной на невесомой и нерастяжимой нити в абсолютном вакууме. Маятник, включающий физическое тело (т. е. тело конечных размеров, масса которого распределена по всему объему), качающееся около вертикальной оси, называется физическим маятником. Такой маятник совершает колебания по тому же закону, только роль длины l в формуле (2.1) выполняет некоторая функция формы массы и расположения точки подвеса. Эта функция называется приведенной длиной маятника и имеет вид

                                                                                                             (2.2)

где – момент инерции относительно оси качания, l – расстояние от оси качания до центра тяжести, M – масса маятника.