Download Señales medidas por Gravímetros de Superconducción El

Gravímetro Superconductor
El instrumento más sensitivo y estable
para medir variaciones de la gravedad de la Tierra
El gravímetro superconductor
Principio de medición
El gravímetro superconductor (SG) funciona como un gravímetro relativo con una
alta sensibilidad y alta estabilidad en el tiempo.
El SG usa la levitación magnética para suspender una masa de prueba (esfera
hueca de Neodymium) en un campo magnético de bobinas superconductoras.
Una variación en la gravedad o un movimiento de la Tierra genera un voltaje en un
ciclo de retroalimentación el cual se registra con muy alta precisión.
Fuerza de suspensión:
Coldhead y
Diaphragma
Las corrientes eléctricas en las bobinas de superconducción, inducen corrientes secundarias en la superficie de la esfera
de superconducción (ley de inducción de Faraday), esto hace que la esfera levite sobre las bobinas
La fuerza de levitación es extremamente estable en el tiempo debido a que no hay pérdidas resistivas (óhmicas), que
normalmente declinarían las corrientes con el tiempo.
Los elementos superconductores tan fabricados de Niobium (Nb), un elemento que posee características de
superconducción, como por ejemplo, resistencia cero en un ambiente con menos de 9,2 K:
- Masa levitada: esfera hueca, diámetro 2.54 cm, masa aproximada .de 5 g
- Bobinas de inducción: alineado axialmente, ubicadas aprox. 2.5 cm bajo el centro de la esfera
- Blindaje magnético: generado por 2 bobinas de Niobium
Transductor de
desplazamiento
retroalimentación
parametro medido:
voltaje del control
Dewar
placas capacitivas
TiltCompensation
Compressor
Cortesia: GWR Instruments, Inc.
http://www.gwrinstruments.com/
Diseño:
Características:
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alta sensitividad: aprox. 0.1 nm/s
alta relación señal a ruido
estabilidad a largo plazo
desviación baja y casi lineal
amplio rango de frecuencias
Nuestro Actual sistema SG
cuenta con un pequeño dewar,
un sistema de refrigeración
eficiente que permite licuar el
gas de helio.
En la figura, el cool-head esta
en la posición de mantención. El
equipo no requiere la
transferencia de helio líquido
durante su operación.
2
• el sensor dentro del dewar esta
sumergido en helio líquido (4,2 K)
• el sistema de refrigeración, es capaz
de re-licuar el gas de Helio.
• regulación de la temperatura (0.001 K)
• sistema de retroalimentación y registro
de datos.
bobina ajustable:
campo magnético
variable
campo magnético constante
Bobinas de superconducción
Esfera de superconducción
bobinas de superconducción
Corte transversal por el sistema de la medición de un gravímetro de
superconducción.
Un puente de capacitancia está
instalado alrededor de la esfera (3
capacitores, amplificador lock-in
sensitivo a la fase):
• Placas superior e inferior:
capacitores semi-esféricos
envolviendo la esfera (señal de
referencia de 10 kHz )
• Placa central: anillo esférico
alrededor del ecuador de la esferal
con 1 mm de distancia.
• Señal AC del anillo central es
proporcional al desplazamiento de la
esfera relativa al centro del puente.
Sistema de retro-alimentación:
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La señal AC (posición de la ésfera en el capacitor) es amplificada, demodulada, filtrada y aplicada
a una red de integración.
La señal DC de salida es conectada a una resistencia de precisión en serie a una bobina de retroalimentación de 5 vueltas (bajo la esfera).
La fuerza de retro-alimentación resultante es proporcional a la aceleración de la esfera (cambios
de la gravedad y desplazamiento).
El voltaje está medido con un voltímetro de alta precisión.
Ventajas del control retro-alimentado: Aumento en el rango dinámico lineal y rápida respuesta.
Señales medidas por Gravímetros de Superconducción
Global Geodynamics Project (GGP) Red internacional de gravímetros de
superconducción
El objetivo del proyecto Geodinámica Global (GGP) es el monitoreo y registro de
datos con alta precisión de las variaciones del campo gravitacional de la Tierra con
gravímetros superconductores (SG). Los datos son usados en múltiples estudios
sobre la Tierra, que van desde los movimientos globales de la Tierra, como el
Chandler Wobble, hasta los efectos gravitacionales de la atmósfera y la variabilidad
del almacenamiento del agua en el suelo. Las estaciones SG son operadas de
forma independiente por grupos nacionales de científicos. GGP se propone como un
nuevo candidato para ser servicio permanente en la Asociación Internacional de la
Geodesia (IAG).
La estación TIGO en Concepción es una de las 5 estaciones SG ubicadas en el
hemisferio sur y la unica en sudamerica.
Los gravímetros superconductores cubren un amplio rango de
las señales, desde los largos periodos de las mareas sobre
variaciones estacionales o variaciones diarias, hasta los
modos normales sísmicos:
– Mareas terrestres: de 18.6 años (periodo lunar) hasta un
periodos de un cuarto de día
– Cargas de las mareas oceánicas
– Cambios en la masa atmosférica y sus deformaciones.
– Movimiento polar (diario, anual, periodo de Chandler)
– Cambios en el almacenamiento del agua en el suelo
– Oscilaciones libres del nucleo de la Tierra
La señal residual de gravedad obtenida por la red internacional
de los gravímetros superconductores proporciona información
importante sobre el transporte de masas y cambios en la altura
dentro del sistema de la Tierra. Ésta información puede ser
utilizada para comparar con modelos del campo gravitacional
de la Tierra obtenidas por misiones satelitales (que dependen
del tiempo), con modelos hidrológicos globales o con
observaciones relacionadas a cambios de la hidrósfera y la
criósfera.
Variación del señal por mareas terrestres: aprox. 2.5 ∙ 10-6 m/s2
Transfer function TIDE-Filter SG-30
Distribución de los SG en todo el mundo que forman la red del proyecto geodinámico global (GGP).
Distribución espectral de las señales registradas con gravímetros superconductores según Crossley et. al., EOS, 1999.
La línea verde indica la función de transferencia de frecuencia de un SG.
División G4 – Sistemas de referencia nacionales, campo gravitacional
Agencia Federal de Cartografía y Geodesia de Alemania (BKG)
Richard-Strauss-Allee 11, 60598 Frankfurt/Main, Alemania
© Bundesamt für Kartographie und Geodäsie
Frankfurt am Main, 2012