Alat Gravimeter

ALAT GRAVIMETER Peralatan jenis lama yang mengukur bacaan relatif adalah berdasarkan kepada pendulum. Ia mengambil masa yang panjang untuk dibaca. Peralatan moden yang dapat mengukur graviti dengan pantas tanpa menggunakan prinsip pendulum dikenali sebagai meter graviti atau gravimeter. Sebuah gravimeter pada asasnya adalah satu spring seimbang yang mempunyai jisim malar. Perubahan berat jisim tersebut kerana perubahan graviti menyebabkan panjang spring berubah dan ini memberikan perubahan graviti. Pemanjangan spring berkadar terus dengan penambahan daya (Hukum Hooke), oleh itu :mδg = kδg dan

δs = (m/k)δg k ialah pemalar kenyal spring

Gravimeter awal yang kepekaannya dikawal oleh spring mempunyai dua tugas iaitu untuk menanggung jisim dan bertindak sebagai alat pengukur yang dikenali sebagai gravimeter stabil. Masalah ini diatasi dalam gravimeter moden (jenis tak stabil) yang menggunakan daya tambahan yang bertindak serupa seperti pemanjangan spring dan langsung membesarkan pergerakan spring. GRAVIMETER JENIS STABIL Gravimeter jenis ini menggunakan spring untuk mengimbangkan graviti dengan daya yang berlawanan. Anjakan boleh diukur dengan bertambah atau berkurangnya graviti yang akan memanjangkan atau memendekkan spring utama. Ianya boleh dikembalikan pada nilai rujukan yang tetap dengan merubah ketegangan spring pelaras. Nilai pelarasan ketegangan ini adalah fungsi secara langsung perubahan graviti dari nilai rujukan. Contoh alat gravimeter stabil iaitu Askania Gravimeter, Scintrex CG-3, dan Boliden Gravimeter.

Example • •

Stable: pencil lying flat on table. Lift up one end; it falls back flat Unstable: Pencil standing on end. Push it; it falls over.

Stable gravimeters consist of a mass at end of a beam, which pivots on a fulcrum, and is balanced by a tensioned spring.

Changes in gravity affect weight of mass, which is balanced by restoring force of spring. a) Askania Gravimeter Beam is pivoted on main spring. A beam of light is reflected from the mass to a photoelectric cell. Deflection of mass, displaces light beam and changes voltage in circuit.

Re-tensioning auxiliary spring restores beam to null position, i.e. same position at which all measurements made.

Stable Gravimeters Using Electrical Amplification Some gravimeters, including the common Scintrex CG-5, use the small extension of the mass to change the capacitance in an electric circuit. b) Boliden Gravimeter Mass is in form of a bobbin with two metal plates suspended between two other metal plates. • •

Change in gravity causes mass to move and changes capacitance between top plates -- detected by tuned circuit. Mass returned to null position by adjusting DC current connected two lower plates—mass supported by electrostatic repulsion.

c) Scintrex CG-5 Gravimeter

CG-5 operates on same principle, but uses feedback circuit to control current to plates that restores mass to null position. See http://www.scintrexltd.com/.

GRAVIMETER JENIS TAK STABIL Dalam gravimeter tidak stabil pula, anjakan yang disebabkan oleh graviti akan diperbesarkan oleh daya ketiga. Sebagai contoh, gravimeter tak stabil ialah gravitimeter LaCoste Romberg. Gravimeter ini terdiri daripada satu alang bersangga yang mempunyai jisim dan dibantu oleh spring yang terlekat betul-betul diatas sangga. Magnitud momen spring keatas alang bergantung kepada pemanjangan spring dan sin sudut θ. Jika graviti bertambah, alang akan lebih tertekan dan pemanjangan spring bertambah. Walaupun daya pulih spring bertambah, sudut θ menjadi lebih kecil θ’. Dengan menggunakan rekaan geometri spring dan alang yang sesuai, magnitud penambahan momen pulih oleh kenaikan graviti boleh diperkecilkan. Spring biasa mempunyai julat pengukuran yang agak kecil. Namun demikian, dengan menggunakan spring ‘panjang sifar’ iaitu spring yang bertensi semasa dibina sehinggakan daya pulih berkadar terus kepada panjang fizikal spring dan bukannya kepada pemanjangannya. Alat ini boleh ditinggikan kepekaannya

dengan

julat

pengukuran

yang

tinggi.

Bacaan

diambil

secara

mengembalikan alang ke kedudukan mengufuk dengan mengubah kedudukan menegak spring menggunakan skru mikrometer. Kesan terma dikawal oleh sistem termostat yang digerakkan oleh kuasa bateri. Alat ini mempunyai julat pengukuran 5000 ug.

Gravimeter LaCoste Romberg • • • • • • •

Spring is metal with high thermal conductivity to minimise effects of thermal expansion/contraction. Thermally insulated. Spring is zero-length, i.e. pretensioned during manufacture so behaves as if it would contract to zero length if tension lost. Zero length spring is weak, and maximises extension. Mass is large. Reading made by viewing light reflected from beam in eyepiece. Null position recovered by adjusting micrometer screw. Long length of screw means meter can read over range of 50,000 g.u.; used for worldwide surveys. Accurate to 0.03 g.u.

Gravimeter tak stabil lain yang biasa digunakan ialah gravimeter jenis Worden. Ketakstabilan alat dihasilkan oleh sistem mekanikal yang serupa cuma alangnya dibantu oleh dua spring. Spring pertama menjadi spring pengukur manakala spring kedua boleh digunakan untuk menambah julat bacaan sebanyak 2000 ug lagi. Bagi sesetengah peralatan ini yang khas, spring kedua juga dikalibrasikan sehingga julat keseluruhan bacaan serupa dengan julat bacaan gravimeter LaCoste Romberg. Kesan terma biasanya diminimumkan dengan menggunakan komponen kuarza dan alang dwilogam yang dapat melakukan gantian secara automatik apabila berlaku perubahan suhu. Akibatnya alat ini tidak memerlukan termostat dan memadai diletakkan alat dalam bekas kedap udara. Peralatan biasa mempunyai julat pengukuran yang terhad dan tidak sesuai digunakan untuk pengukuran graviti antara benua atau untuk kawasan graviti berjulat tinggi.

Gravimeter Worden • • • •

For thermal problem, made of quartz glass springs, rods, and fibres. (Quartz less sensitive to heat than metal). Assembly housed inside vacuum flask with electrical thermostat. Range of instrument is 20,000 g.u. with accuracy up to 0.1 g.u., but 1 g.u. more usual. Lower range means it is more commonly used for local surveys, over which g changes less.

Alat Worden Gravitimeter adalah digunakan untuk pengukuran perbezaan gravity bumi, dan ia boleh mengesan 1:100 000 000 daripada gravity normal bumi. Rekaan bagi alat tersebut, pengukuran perbezaan gravity iaitu 0.01 miligal atau 1 inci dalam perubahan ketinggian dapat dilakukan. Alat Worden Gravitimeter yang istimewa ini masih lagi dipakai pada masa kini, dan ianya mudah dibawa serta pengukurannya adalah berkejituan yang tinggi. Alat Worden Gravitimeter ini hanyalah satu-satunya alat yang telah mencecah 1500 unit dalam pengeluarannya. Alat Worden Gravitimeter ini adalah berdasarkan kepada pembinaan sistem kenyalan dari quartz. Ianya direka dengan dipasangkan dengan 3 spring untuk mendapatkan zerolength.

Name:

Worden Gravity Meter

Date:

1950's

Item Number:

87.21.16

Donor:

Lamont-Doherty Geological Observatory

Type:

N/A

Manufacturer: Texas Instruments, Inc.

Pemalar kalibrasi gravimeter boleh berubah mengikut masa dan mesti disemak secara berkala. Prosedur paling biasa ialah mengambil bacaan pada dua atau lebih lokasi yang graviti mutlak atau relatifnya diketahui. Dalam membuat kalibrasi, gravimeter jenis Worden, bacaan diambil untuk beberapa set julat skru penyelarasan supaya pemalar kalibrasi dapat disemak untuk keseluruhan julat pengukuran meter tersebut. Bagi sesetengah peralatan ini yang khas, spring kedua juga dikalibrasikan sehingga julat keseluruhan bacaan serupa dengan julat bacaan gravimeter LaCoste Romberg. Prosedur sedemikian tidak boleh digunakan untuk gravimeter LaCoste Romberg di mana setiap julat yang berbeza mempunyai pemalar kalibrasi tersendiri. Dalam hal ini penyemakan boleh dilakukan dengan mengambil bacaan meter pada beberapa inkliriasi meja sengget. Prosedur ini biasanya diserahkan kepada pembuat alat.

FG5 LA-COSTE ROMBERG FG-5 menggunakan kaedah jatuhan bebas, iaitu sesuatu objek dijatuhkan ke dalam bekalan vakum. Objek yang jatuh itu akan diawasi dengan menggunakan laser interferometer yang berkejituan tinggi. Arah jatuhan bagi bahan yang digunakan dalam kaedah jatuhan bebas adalah merujuk sepenuhnya kepada spring aktif yang kukuh yang dipanggil ‘superspring’. Superspring membekal pengecualian gempa bumi, iaitu sebagai rujukan optik untuk meningkatkan penunjukan noise pada alat FG-5. Peminggiran optikal berlaku dalam interferometer supaya dapat jarak pengukuran yang lebih jitu. Dalam system ukur ini boleh dijadikan sebagai standart absolute wavelength.

Sekiranya didapati masa yang dibekalkan terlalu panjang, maka alat FG-5 perlu dibuat kalibrasi graviti.

FG5 instrument in metrology laboratory. o o o o

Absolute Accuracy: +/- 2µGal1 Measurement Precision: +/- 1µGal Integration Time to 1µGal: 1 hour Operation: Indoor and Outdoor (Protected Environments)

Schematischer Aufbau des LaCoste-Romberg-Gravimeters SUPERCONDUCTING GRAVIMETER(SG) SG adalah astu peralatan yang menyatukan sensor ukuran perbagai perubahan graviti di kawasan yang jauh dan dekat. Oleh kerana terdapat pelbagai bahan mineral di bawah tanah, maka kuasa tarikan graviti di suatu titik dengan suatu titik yang lain sentiasa berubah. Unit penderiaan graviti adalah dalam bentuk bulat dan ia bergantung kepada satu magnetik yang stabil. Dalam Gravity Sensing Unit (GSU) diisikan dengan satu cecair yang bernama liquid helium filled dewar dan suhu nay adalah 4.2K mengawasi kepada beberapa μK.

Tindak balas daripada negative untuk menjadikan alatnya sama dengan 0. dan tindak balas dari voltan untuk berfungsi sebagai sama dengan perubahan ukur graviti. Resolusi SG adalah 10-11 m/s2 (ngal). Sekiranya kadar pengaliran 10-3 m/s2 (μgal) setahun, maka alat ini perludibuat kalibrasi kerana kemunculan ketepatan yang tinggi dan pengaliran rendah. Installation of the SG TO18 at the GFZ Potsdam site

1 = Dewar and Gravity Sensing Unit 2 = Measurement Electronics 3 = Compressor

4 = Cool Pack 5 = Display

A10 LA-COSTE ROMBERG -

Alat gravitimeter yang absolute. Ia cepat memperolehi data, senang digunakan dan mudah dibawa ke tempat kerja. Alat ini boleh mengoperasi pada mana-mana tempat samada di tempat panas, tempat bersalji dan tempat berangin.

A-10 Field Photograph Gallery

A-10 deployed in Prudhoe Bay, Alaska, 2003. (-40C) o o o o o

Absolute Accuracy: +/- 10µGal2 Measurement Precision: +/- 5µGal Integration Time to 1o uGal: 5 minutes Operation: Indoor and Outdoor (Exposed Environments) Acquisition: 30 minutes minimum including setup, occupation, and tear down time