background image

Pomiary grawimetryczne. 

(przyśpieszenia siły ciężkości) 

Jednostki:    1 cm· sek

-2

 = 1 gal (gal) 

 

  10

-3 

cm· sek

-2

 = 1 mgal (miligal) 

                  10

-6 

cm· sek

-2

 = 1 

gal (mikrogal) 

Średnia wartość przyspieszenia ziemskiego 
 

 

 

 981 gal 

Rodzaje pomiarów grawimetrycznych 
 

1. Bezwzględne 

 

 

- wahadło fizyczne 

 

 

- balistyczne 

 

2. Względne 

 

 

- wahadłowe 

 

 

- grawimetr strunowy 

 

 

- grawimetr statyczny 

background image

1.Pomiary bezwzględne 
 

a) pomiary bezwzględne z wykorzystaniem wahadła fizycznego 

 
Ruch wahadła matematycznego ujęty jest równaniem różniczkowym 

sin

2

2

l

g

dt

d

(2.1) 

Przy czym kąt 

 jest wychyleniem z położenia 

równowagi. W położeniu granicznym, gdzie 

 =

, a 

t=0 oraz d

/dt=0, z równania (2.1) wynika, że 

cos

cos

2

l

g

dt

d

(2.2) 

Przy czym zgodnie z oznaczeniami na rys., 

 jest amplitudą drgań wahadła. Dalej 

uzyskuje się: 

cos

cos

2

d

g

l

dt

(2.3) 

Poprzez scałkowanie w granicach od - 

 do+ 

 znajduje się okres wahadła matematycznego 

0

2

2

0

2

sin

2

sin

2

1

d

g

l

dt

T

T

(2.4) 

background image

W nowoczesnych aparatach amplituda nie przekracza kilkunastu minut i dlatego 

...

2

sin

64

9

2

sin

2

1

1

4

2

g

l

T

(2.5) 

Z błędem nie większym niż10

-10

 

T

 można przyjąć, że półokres wahań

 

 

2

16

1

1

g

l

T

Wielkość zdefiniowana wzorem Christana Huyghensa (1629-1695): 

g

l

T

0

Odpowiada okresowi wahań dla 

= 0. Stąd przyspieszenie siły ciężkości 

2

0

2

T

l

g

(2.6) 

Okres zredukowany wahadła do „zerowej amplitudy” otrzymuje się w myśl wzoru 

 

2

0

16

1

1

T

T

(2.7) 

background image

Wykorzystywane do pomiarów grawimetrycznych wahadło fizyczne ma w przybliżeniu 
taki sam okres wahań, jak wahadło matematyczne o długości 

Ma

J

a

l

0

(2.8) 

zwanej długością zredukowana wahadła fizycznego. Wielkość a oznacza odległość 
środka obrotu wahań od środka ciężkości wahadła fizycznego, a J

0

 – moment 

bezwładności masy M wahadła względem osi przechodzącej przez jego środek 
ciężkości 

background image

Metoda swobodnego spadku ciał 

Równanie swobodnego spadku ciał można zapisać w znanej z fizyki postaci 

2

0

0

2

t

g

t

v

z

z

Równanie to ma swoje źródło w równaniu różniczkowym drugiego rzędu względem czasu 
o postaci           , wynikającego z równości                    . Ponieważ g = const., to w wyniku 
pierwszego scałkowania otrzymalibyśmy                        . 
A zatem z

0

 i v

0

 reprezentują stałe całkowania (położenie początkowe z

0

 i prędkość 

początkowa v

0

 w momencie t=0). Dostatecznie precyzyjne pomierzenie tych parametrów 

początkowych jest niewykonalne. Z tego powodu drogę i interwały czasu mierzy się 
pomiędzy co najmniej trzema punktami na torze spadającego ciała. Można w takim 
przypadku napisać dwa równania: jedno dla z

2

 – z

1

 i drugie dla z

3

 – z

1

, lub ogólnie dla 

większej liczby interwałów pomiarowych: 

g

z

mg

z

m

gt

v

z

0

2

1

1

1

1

2

t

t

g

t

t

v

z

z

i

i

i

background image

Z układu takich równań można albo wyeliminować v

1

, albo potraktować dodatkowo z

1

 i v

1

 

jako niewiadome, gdy rozporządzamy nadliczbowymi obserwacjami z

i

. Przy takim 

podejściu należałoby uwzględnić zależność pomiędzy wielkościami obserwowanymi z i t. 
W najprostszym przypadku trzech punktów obserwacji wzdłuż drogi spadku 
otrzymalibyśmy następujący związek: 



 







2

3

1

2

1

3

1

3

1

2

1

2

1

3

2

t

t

t

t

t

t

t

t

z

z

t

t

z

z

g

background image

1. – komora próżniowa, 2 – ruchomy pryzmat, 3 – laser, 4 – urządzenie kompensujące 

drgania, 5 – licznik lub oscyloskop, 6 – silnik napędzający urządzenie wyrzucające 

pryzmat 

Dokładność 

współczesnych 

bezwzględnych 

pomiarów 

stacjonarnych  przyspieszenia  siły 
ciężkości  szacuje  się  w  granicach 
jednego 

mikrogala. 

Pomiary 

aparatami  przenośnymi  są  mniej 
dokładne. Można ich błędy szacować 
na około ±0,002÷0,005 mgala. 

background image

Grawimetry statyczne 

Do pomiarów względnych przyśpieszenia siły ciężkości stosuje się powszechnie grawimetry 
statyczne. 

Model grawimetru statycznego 

Najprostszy model grawimetru statycznego 
stanowić może pionowa sprężyna obciążona 
stałą masą. Zmiany przyśpieszenia siły 
ciężkości powodują zmienność siły 
przykładanej do tej sprężyny i tym samym 
zmiany jej długości. W pewnym zakresie 
zmiany te będą miały charakter liniowy. 
Równanie równowagi statycznej naszego 
modelu ma następującą postać: 

0

l

l

k

mg

przy czym k jest pewna stałą wartością charakterystyczną dla danej sprężyny, l – to 
długość sprężyny obciążonej, zaś l

0

 – nie obciążonej. Poprzez różniczkowanie tego 

równania można dojść do związku liniowego pomiędzy małą zmianą przyspieszenia 

g i 

zmianą długości sprężyny 

l.  

l

m

k

g

l

l

l

g

g

0

albo 

background image

We współczesnych grawimetrach statycznych znalazł zastosowanie inny, bardziej 
złożony system pomiarowy 

Schemat systemu mierzącego grawimetru 

Rysunek  przedstawia  schemat  tego  systemu. 
Pozioma  ‘dźwignia’  o  długości  a,  obciążona 
masą  m,  może  się  obracać  wokół  osi  O  (  z 
reguły  os  tę  stanowi  pozioma  ‘nić  torsyjna’). 
Na  skutek  zmiany  przyśpieszenia  siły 
ciężkości  dźwignia  wykonuje  pewien  obrót 
wokół osi O. Za pomocą sprężyny pomiarowej 
można doprowadzić dźwignię do wyjściowego 
położenia  poziomego.  Następuje  to  w 
większości  konstrukcji  poprzez  pochylenie 
systemu mierzącego grawimetru. 

Śruba mikrometryczna, połączona ze sprężyną pomiarową, umożliwia pomiar przemieszenia 
dźwigni,  będącego  funkcją  kata  obrotu  dźwigni  (nachylenie  systemu  mierzącego).  Taka 
metoda  pomiaru  (odczytywania  grawimetru),  polegająca  na  doprowadzeniu  systemu 
mierzącego do pozycji wyjściowej (poziomej) poprzez nachylanie, nosi nazwę odczytu przez 
zerowanie  (metoda  zerowania).  Na  ogół  w  pewnym  zakresie  zmian  przyspieszenia  istnieje 
prawie  liniowa  zależność  pomiędzy  katem  obrotu  dźwigni  i  zmianą  przyspieszenia. 
Równanie równowagi statycznej systemu przedstawionego na rysunku ma postać: 

cos

mga

background image

Związek ten wyraża równość momentu siły mg o ramieniu a i momentu skręcającego nici 
torsyjnej,  przy  czym 

  jest  stałym  współczynnikiem  skręcenia  nici  torsyjnej, 

  - 

wyjściowym  katem  skręcenia  nici,  zaś 

  to  kąt  wychylenia  dźwigni.  Na  podstawie  tego 

równania uzyskuje się związek pomiędzy 

g i 



, który jest liniowy dla 

 bliskich zera. 



g

a

ma

g

Równania te mają w mniejszym bądź większym stopniu zastosowanie do wszystkich 
typów grawimetrów statycznych. 

background image

Sprężyny  metalowe,  zazwyczaj  inwarowe,  wymagają  dobrej  izolacji  termicznej  grawimetru 
(±0,001ºC),  cechują  się  małym  współczynnikiem  termoelastycznym  (0÷±0,05x10

-6

/1  ºC), 

małą  tzw.  elastycznością  wtórną,  natomiast  znaczną  liniową  rozszerzalnością  termiczną. 
Sprężyny  kwarcowe  mają  duży  współczynnik  termoelastyczny,  zaś  bardzo  małą  liniową 
rozszerzalność termiczną, są niemagnetyczne, mają własności higroskopijne, są lekkie mało 
podatne na zjawisko histerezy oraz odkształcenia elastyczne na skutek zmian ciśnienia. 

W  efekcie  takich  własności  grawimetry  ze  sprężynami  metalowymi  wymagają,  oprócz 
termostatów,  także  szczelnych  obudów,  chroniących  systemy  pomiarowe  przed  zmianami 
ciśnienia, a także osłon antymagnetycznych. W związku z tym bywają stosunkowo ciężkie. 
Jednakże za ich pomocą osiąga się wysokie dokładności pomiaru, z reguły lepsze niż ±0,02 
mgala. Ponadto grawimetry metalowe mają bardzo małe dryfty. 

Schemat różnych systemów mierzących grawimetrów 

background image

Grawimetry  kwarcowe  są  bardzo  lekkie  i    niewielkiego  rozmiaru,a  więc  wygodne  w 
użyciu.  Niestety  charakteryzują  się  znacznymi  wielkościami  dryftu,  co  czyni  pomiary 
bardziej  uciążliwymi.  Muszą  być  bardzo  dobrze  zabezpieczone  przed  wpływami 
wilgotności. Mniej wrażliwe na wpływy zmian temperatury mogą nie być wyposażone w 
termostaty  utrzymujące  z  dużą  dokładnością  temperaturę  wewnętrzną.  Są  z  reguły 
wyposażone  w  bimetaliczne  kompensatory  temperatury.  Zapewniają  nieco  niższe 
dokładności pomiarów niż grawimetry ze sprężynami metalowymi (około ±0,05mgala). 

Zasady astatyzacji. Przez astatyzację systemu mierzącego grawimetru rozumie się pewien 
mechaniczny zabieg powodujący zwiększenie czułości tego systemu. Reakcja systemu 
mierzącego, z poziomą dźwignią o długości a, na zmiany przyśpieszenia jest określona w 
równaniu równowagi iloczynem mga z jednej strony, zaś parametrami sprężyny 

 i 

 z 

drugiej strony.Z wzajemnej relacji tych wielkości wynika określona wielkość reakcji 
urządzenia na zmiany przyśpieszenia, czyli czułość grawimetru. Jeśli do układu będącego 
w równowadze, zostanie wprowadzony dodatkowy element, np.. w postaci dodatkowego 
momentu obrotowego (dodatniego bądź ujemnego), reakcja urządzenia na zmiany 
przyspieszenia okaże się zmieniona. W procesie astatyzacji chodzi o takie zakłócenie 
pierwotnego stanu równowagi, aby uzyskać możliwie największą czułość urządzenia, nie 
doprowadzając go jednakże do stanu równowagi chwiejnej ani obojętnej. I tak na 
przykład systemy mierzące z pionową lub ukośna sprężyną i poziomą dźwignią astatyzuje 
się poprzez odpowiedni dobór parametrów geometrycznych systemu mierzącego. 

background image

W  przypadku  systemu  przedstawionego  schematycznie  na  rysunku  równanie  równowagi 
przy poziomej dźwigni ma postać: 

0

0

sin

n

l

l

k

mga

Wyrażenie nsin

0

 to ramię siły k(l-l

0

). Po 

wychyleniu dźwigni o kąt 



 równanie to 

zmieni się na 



sin

cos

0

n

l

l

k

mga

Zmieniając sin

0

 i sin 

 przez odpowiednie funkcje 

 i 

 +



, można łatwo dojść do 

następującej relacji 



tan

g

dg

d

z której wynika, że największą czułość grawimetru (



max

) osiągniemy, gdy 

=90º. Zatem 

w konstrukcjach, działających na zasadzie zilustrowanej schematem przedstawionym na 
rysunku. Astatyzację można uzyskać poprzez taki dobór punktów zaczepienia sprężyny i 
dźwigni, aby kat 

 był zbliżony do kąta prostego. 

background image

Schemat systemu mierzącego grawimetru Wordena 

1. sprężyna pomiarowa (główna), 2 –sprężyna i śruba odczytu,3-sprężyna i śruba zmian 

zakresu pomiarowego, 4-dźwignia pozioma obciążona masą, 5-nić torsyjna, 6-wskaźnik 

położenia dźwigni, 7-lunetka odczytowa 

background image

Relative Spring Gravimeters 

Advantages 

• Simple To Operate 
• Small/Lightweight 
• Inexpensive 

Problems 

• Drifts 
• Tares 
• Calibration 

background image

Cechowanie grawimetrów 

Najpowszechniej stosuje się dwie metody cechowania grawimetrów statycznych: 
1.) za pomocą baz grawimetrycznych 
2.) metoda nachylania 

Dryft grawimetrów 

działanie  grawimetrów  statycznych,  polegające  na  odkształceniu  elementów 
sprężystych,  można  objaśnić  na  podstawach  teorii  elastyczności  i  reologii.  Zjawisko 
dryftu systemów mierzących grawimetrów jest efektem nakładania się dwóch  efektów: 
odstępstwa  w  zachowaniu  się  materiału,z  którego  sporządzono  system  mierzący,  od 
zasad  teorii  Hooka  i  pewnych  zjawisk  reologicznych,  takich  jak  pełzanie  i  płynięcie 
materiału. 

Wpływ zmiany temperatury na rozszerzalność liniową 

t

l

l

1

0

Wpływ mian temperatury na zmianę współczynnika elastyczności sprężyny 

 

(właściwe zjawiska termoelastyczne) 

t

1

0

background image

Różne sposoby pomiaru grawimetrami 

sposób łańcuchowy 

sposób profilowy 

sposób gwiazdowy 

background image

Poprawki do pomierzonych wartości przyspieszenia siły ciężkości 

1. Poprawka ze względu na zmiany przyspieszenia siły ciężkości spowodowana 
przyciąganiem Księżyca i Słońca. 
 
Poprawka spowodowana jest zjawiskiem pływów skorupy ziemskiej. Zjawisko pływów i 
jego wpływ na pomiary geodezyjne zostaną omówione w dalszej części wykładów. 

mgal

z

z

h

k

g

s

k

p

3

1

2

cos

0379

,

0

3

1

2

cos

0825

,

0

2

3

1

gdzie: Δg

p

 – poprawka pływowa do pomierzonej wartości przyspieszenia siły ciężkości 

           k, h – liczby Love’a 
               z

k

 – topocentryczna odległość zenitalna Księżyca 

               z

s

 – topocentryczna odległość zenitalna Słońca 

19

,

1

15

,

1

2

3

1

h

background image

2. Poprawka ze względu na dryft grawimetru 
 
Pomiar grawimetryczny wykonany „tam” i „z powrotem” 

BA

AB

g

g

g

Chód: 

 

P

AB

t
AB

P

B

P

A

t

A

t

B

t

t

g

T

T

T

T

g

n

gdzie: 

P

BA

P

B

P

A

t
AB

t

A

t

B

t

T

T

t

T

T

A

i

pom

i

popr

i

T

T

h

g

g

Powyższe dwie poprawki do pomierzonych wartości przyspieszenia są najbardziej istotne. 
Przy pomiarach o dokładności rzędu 1μgal wprowadzamy szereg innych poprawek między 
innymi  spowodowanych  zmianami  ciśnienia  atmosferycznego,  zmianami  poziomu  wody 
gruntowej, wilgotności gruntu itp..