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Drehwaage.
Die Erfindung betrifft eine Drehwaage der von Eötvös angegebenen Art, welche bekanntlich im wesentlichen aus einem horizontalen Stab besteht, dessen Mitte an einem Torsionsfaden aufgehängt ist und an dessen Enden gleiche Gewichte in verschiedener Höhe angebracht sind. Wenn ein solches System in ein ungleichförmiges Schwerefeld gebracht wird, so wird es einem Kräftepaar unterworfen, welches bestrebt ist, den Stab um die Achse seines Aufhängefadens zu verdrehen, wobei ein Gegendrehmoment seitens des Fadens infolge seiner Verwindung hervorgerufen wird. Der Drehwinkel des Stabes, den dieser unter Einfluss der beiden Drehmomente erfährt, bildet ein Mass für den Gradienten des Schwere- feldes.
Das wichtigste Erfordernis, welches an eine solche Waage zu stellen ist. ist die Empfindlichkeit : Ein kleiner Gradient des Schwerefeldes muss einen hinreichend grossen und messbaren Ausschlag des Stabes zur Folge haben. Überdies ist es von grossem praktischem Wert, wenn die Schwingungsdauer des Systems nicht zu lange ist, damit eine einzige Beobachtung in kürzester Zeit ausgeführt werden kann. Diese Schwingungsdauer kann durch Verringerung des Horizontalabstandes zwischen den Gewichten vermindert werden, was allerdings mit einer Herabsetzung der Empfindlichkeit verbunden ist.
An sich ist dies kein sehr grosser Nachteil, da er durch eine Verfeinerung der Einrichtung zum Messen
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ordentlich kleinen, die verschiedensten Ursachen aufweisenden Transversalschwingungen bereits ihren Einfluss auf die Messeinrichtung auszuüben beginnen und infolge der ungleichen Höhe der Gewichte dem sie tragenden Stab einen Drehimpuls erteilen, der bereits so stark ist, dass keine Möglichkeit mehr besteht, die Ablenkung zu registrieren.
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der Gewichte zu schaffen, welche genaue Anzeigen gestattet. Gemäss der Erfindung wird dies durch Mittel erreicht, welche den Einfluss der mikroseismischen Bodenbewegungen auf die Anzeigen eliminieren.
In der Zeichnung veranschaulichen die Fig. 1-4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung ; ein Ausführungsbeispiel einer Drehwaage gemäss der Erfindung ist in Fig. 5 im senkrechten Schnitt dargestellt ; Fig. 6 zeigt die Registriereinrichtung der Drehwaage in schematischer Darstellung.
Die mikroseismischen Erdbewegungen beeinflussen die Waage, indem die dadurch verursachte horizontale Bewegung des oberen, festen Endes des Torsionsfadens, u. zw. insbesondere die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Vertikalebene durch den Balken und die Gewichte, eine Schwingung oder Pendelung um eine Horizontalachse, sogenannte Transversalschwingungen, und zugleich, infolge der asymmetrischen Anordnung der Gewichte in ungleicher Höhe, eine Rotationsschwingung um den Torsionsdraht hervorruft. Die Periode der Transversalschwingungen ist für Apparate mit kurzer und langer Rotationssehwingungsperiode ungefähr dieselbe ; der Unterschied zwischen beiden Arten von Apparaten tritt jedoch in dem Masse hervor, in dem Rotationsschwingungen die Transversalschwingungen begleiten.
Diese Rotationsschwingungen bestehen in Winkelverdrehungen des Balkens ; an Hand der Fig. 1 der Zeichnung wird im folgenden dargelegt, in welchem Masse bei einer bestimmten plötzlichen Verschiebung des Aufhängepunktes der Balken gedreht wird.
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In-Fig. 1 ist A der Aufhängepunkt des Torsionsfadens, B der Punkt der Befestigung des Fadens an dem Balken, welcher die Gewichte 1 und 11 trägt. Es wird davon ausgegangen, dass sicb der Punkt A plötzlich in einer Richtung senkrecht zur Bildebene um den Abstand dx verschiebt und die Gewichte durch die Trägheitswirkung in Ruhe verbleiben. Statt dessen kann man auch den gleichwertigen, jedoch für die vorliegenden Zwecke bequemeren Fall betrachten, dass A in Ruhe verbleibt und die Gewichte sich in entgegengesetztem Sinne um dx verschieben.
Sei nun die Länge des Torsionsfadens a, der Vertikalabstand der Gewichte h und deren Horizontalabstand !, so ist die Verschiebung des Punktes B gleich
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Nun ist die Winkelverdrehung des'Balkens bei einer bestimmten Ungleichförmigkeit (z. B, l, E) des Schwerkraftfeldes, mit andern Worten die. Empfindlichkeit des Apparates, der Länge des Balkens direkt proportional, so dass das. Verhältnis der Verdrehung durch die beschriebene Störung zur Verdrehung durch die Ungleichförmigkeit des Schwerkraftfeldes der zweiten Potenz der Balkenlänge proportional ist. Es geht daraus hervor, dass bei einer Waage mit geringer Balkenlänge, also kurzer Periode, der Einfluss der Bodenbewegungen weitaus wichtiger ist als bei einer Waage mit langem Balken und langer Periode.
Ist bei dieser dieser Einfluss zu vernachlässigen, so sind bei jener besondere Massnahmen unbedingt erforderlich, um brauchbare Anzeigen zu erhalten.
Brauchbare Anzeigen können durch die Anordnung der im folgenden angeführten Mittel, die zweckmässig in Kombination Anwendung finden, erreicht werden.
Ein Mittel, welches die Entstehung von Transversalschwingungen verhütet, besteht darin, dass je am Oberende und am Unterende des Gehänges ein Torsionsfaden befestigt ist. Wie bei Betrachtung der Fig. 4, in der diese Anordnung skizziert ist, klar sein wird, kann, wenn sich beide Gewichte I und 11 . um den Abstand dx verschieben, nur eine Translation des Balkens auftreten ; es wird weder eine Drehung um eine horizontale noch um eine vertikale Achse stattfinden können.
Ein Mittel, welches verhütet, dass eine Transversalschwingung von einer Rotationsschwingung begleitet wird, besteht darin, dass das obere Gewicht. mittels eines elastischen Zwischenstückes an dem
Stabe befestigt ist,. so dass dieses Gewicht sich in einer Ebene bewegen kann, die senkrecht zu der die beiden Gewichte schneidenden Ebene liegt. Bei einer derartigen Befestigung dieses Gewichtes kann das obere Balkenende sich im gewissen Grade unabhängig von den Bewegungen des Gewichtes verschieben.
Im Grenzfalle ist die Unabhängigkeit eine vollkommene, wobei dann das eine Balkenende sich frei bewegen kann. Verschiebt sich bei diesem Grenzfall (s. Fig. 2) das untere Gewicht und damit das untere Balkenende um dx, wobei I in seiner Lage verharrt, so erfährt der Punkt D eine Verschiebung um einen Teil von dx, und der Balken ist einer Winkelverdrehung im Sinne des Pfeiles unterworfen.
Ist dagegen sowohl I als 11 starr mit dem Balken verbunden (s. Fig. 3), so wird dem Balken eine Drehung im entgegengesetzten Sinne erteilt. Es ist deshalb möglich, durch eine teilweise Abhängigkeit zwischen den Verschiebungen des Gewichtes I und des Balkenendes, an dem es befestigt ist, d. h. durch eine elastische Befestigung dieses Gewichtes, zu erreichen, dass die Winkelverdrehung gleich Null ist, also eine Transversalsehwingung nicht mehr eine Rotation ins Leben ruft. Das Resultat ist also in dynamischer Hinsicht, d. h. in bezug auf die Bewegungen,'das gleiche, als wenn beide Gewichte sich in gleicher Hohe befänden.
Ein Mittel zur Dämpfung von Transversalschwingungen besteht darin, dass der Stab einen Zylinder trägt, der sich mit geringem Spiel in einem zylindrischen Gehäuse bewegen kann. Zur'Dämpfung von Rotationsschwingungen kann an dem Stab in seiner Drehachse eine Platte befestigt sein, die sich mit geringem Spiel in einem entsprechend gestalteten Spalt des Gehäuses bewegen, kann. Transversal- und Rotationsschwingungen können dadurch gedämpft werden, dass der Stab und der Torsionsfaden in eine Flüssigkeit getaucht wird. Diese Mittel zur Dämpfung der Schwingungen können praktisch nur Anwendung finden, wenn das Gehäuse einen geringen Horizontalquersehnitt besitzt, also auch der Horizontalabstand zwischen den beiden Gewichten gering ist, d. h. bei kurzperiodischen Waagen.
Schliesslich dient ein Mittel zur Anzeige der mittleren Lage des Balkens, um welche Mittellage die Störungen stattfinden. Dieses Mittel besteht darin, dass die Anzeige der Stabablenkung in an sich bekannter Weise mittels eines Lichtstrahles erfolgt, der durch einen am Stab befestigten Spiegel reflektiert
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und auf ein Thermoelement geworfen wird, welches einen von der Einfallstelle des Lichtstrahles abhängigen und ein elektrisches Anzeigegerät durchfliessenden Strom erzeugt, dessen Ausschlag ein Mass für die Stabablenkung ist.
Gemäss dem in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Stab 1 der Drehwaage aus einem röhrenförmigen Mittelteil, welcher an den oberen und unteren'Teilen Stützflächen besitzt, auf denen die Gewichte 2,2'in diametraler Gegenüberstellung zueinander ruhen. Die Verminderung des Horizontalabstandes zwischen den Gewichten macht es möglich, den Waagebalken in einem Gehäuse 8 von einfacher, z. B. zylindrischer Form unterzubringen, wodurch eine störende Beeinflussung des Waagebalkens durch Luftströmungen innerhalb des Gehäuses weitgehend ausgeschaltet wird. Der Stab der Drehwaage ist mittels eines Torsionsfadens 3 aufgehängt, dessen unteres Ende an dem Stab mittels einer Klammer 4 und dessen oberes Ende an einem Kopfstück 5 befestigt ist. Dieser Kopf ist am oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 8 angebracht.
Der Stab trägt den Zylinder 6, dessen Durchmesser derart bemessen ist, dass ein schmaler Spalt zwischen dem Zylinder 6 und der Innenwand des Gehäuses 8 verbleibt, wodurch eine dämpfende Wirkung auf die Schwingungen des Stabes ausgeübt wird. Als weiteres Dämpfungsglied dient eine flache Platte 7 am Ende des Stabes : welche rechtwinkelig aus der Zeichenebene hervorsteht und mit Spiel in einen Querschlitz des das Gehäuse 8 am Boden abschliessenden Teiles 9 passt.
Das Gehäuse 8 bildet mit dem Tisch 15, dem Zylinder 16 und dem Gehäuse 17 ein Ganzes. Das
Gehäuse 17 enthält die Einrichtung für die optische Bestimmung der Stablage in bezug auf das Gehäuse.
Diese Einrichtung besteht aus einer elektrischen Glühlampe. 18, einer Sammellinse 19, einer Blende 20, einem Prisma 21, um den durch die Blende tretenden Lichtstrahl zu dem am Stab befestigten Spiegel 24 abzulenken, und aus einem Thermoelement 22, welches den reflektierten Strahl auffängt. Es ist ohne weiteres einzusehen, dass bei einer Drehung des Gehäuses in bezug auf das Gehäuse 8 der reflektierte Strahl sich in einer Ebene bewegt, welche normal zur Zeichenebene verläuft. Fig. 6 zeigt das Thermoelement 22, welches mittels zweier Drähte an das Galvanometer 23 angeschlossen ist. Das Thermoelement besitzt bei A'und B'die Lötstellen, an denen das eine Metall (oder Legierung) mit zwei Streifen des zweiten Metalls (oder Legierung) verbunden ist.
Die von dem Lichtstrahl erzeugte Wärme ruft in dem Thermoelement einen Strom hervor, dessen Stärke von der Stelle abhängt, an welcher der Lichtstrahl einfällt. Trifft der Lichtstrahl in der Mitte zwischen A'und B'auf, so werden beide Lötstellen gleich erwärmt, so dass kein Strom erzeugt wird ; in dem Masse, in dem sich der Strahl der Lötstelle A' oder B'nähert, entsteht ein Strom von wachsender Stärke in der einen oder in der andern Richtung.
Der Ausschlag des Galvanometers bringt somit die Ablenkung des Gehänges zur Anzeige. Es ist hiebei sehr wichtig, dass infolge der Trägheit der Registriereinrichtung Bewegungen sehr kurzer Periodendauer um eine Mittellage nicht registriert werden, so dass also die von den mikroseismischen Erderschütterungen herrührenden kurzen Schwingungen die Anzeige nicht beeinflussen und das Galvanometer nur ihre Mittelstellung oder"Ntillinie"wiedergibt. Die hiefür notwendige Trägheitsgrösse ist namentlich bei
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Rotary balance.
The invention relates to a rotary balance of the type specified by Eötvös, which, as is known, essentially consists of a horizontal rod, the center of which is suspended from a torsion thread and at the ends of which the same weights are attached at different heights. If such a system is placed in a non-uniform gravitational field, it is subjected to a couple of forces which strive to twist the rod about the axis of its suspension thread, a counter-torque being produced on the part of the thread as a result of its twisting. The angle of rotation of the rod, which it experiences under the influence of the two torques, forms a measure for the gradient of the gravity field.
The most important requirement that must be placed on such a scale. is the sensitivity: A small gradient of the gravitational field must result in a sufficiently large and measurable deflection of the rod. Moreover, it is of great practical value if the period of oscillation of the system is not too long so that a single observation can be carried out in the shortest possible time. This period of oscillation can be reduced by reducing the horizontal distance between the weights, which, however, is associated with a reduction in sensitivity.
In itself, this is not a very great disadvantage, since it is due to a refinement of the device for measuring
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neatly small transverse vibrations, which have a wide variety of causes, are already beginning to exert their influence on the measuring device and, due to the unequal height of the weights, give the rod carrying them an angular momentum that is already so strong that there is no longer any possibility of registering the deflection.
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to create weights that allow accurate readings. According to the invention, this is achieved by means which eliminate the influence of microseismic ground movements on the displays.
In the drawing, Figures 1-4 illustrate schematic representations for explaining the invention; an embodiment of a rotary balance according to the invention is shown in FIG. 5 in vertical section; 6 shows the registration device of the rotary balance in a schematic representation.
The microseismic earth movements affect the scales by causing the horizontal movement of the upper, fixed end of the torsion thread, u. between, in particular, the movement in a direction perpendicular to the vertical plane through the bar and the weights, an oscillation or oscillation around a horizontal axis, so-called transverse oscillations, and at the same time, due to the asymmetrical arrangement of the weights at unequal heights, causes a rotational oscillation around the torsion wire. The period of the transverse vibrations is approximately the same for apparatus with short and long rotational vibration periods; however, the difference between the two types of apparatus becomes apparent to the extent that rotational vibrations accompany the transverse vibrations.
These rotational vibrations consist of angular rotations of the beam; with reference to FIG. 1 of the drawing, it is shown below the extent to which the beam is rotated in the event of a certain sudden displacement of the suspension point.
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In-Fig. 1, A is the suspension point of the torsion thread, B the point of attachment of the thread to the beam which carries the weights 1 and 11. It is assumed that the point A suddenly shifts in a direction perpendicular to the image plane by the distance dx and that the weights remain at rest due to the effect of inertia. Instead, one can also consider the equivalent, but more convenient case for the present purposes, that A remains at rest and the weights shift by dx in the opposite sense.
Let the length of the torsion thread be a, the vertical distance between the weights h and their horizontal distance!, Then the displacement of point B is the same
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Now the angular rotation of the bar is given a certain irregularity (e.g. 1, E) of the gravity field, in other words the. Sensitivity of the apparatus, the length of the beam directly proportional, so that the ratio of the twist due to the disturbance described to the twist due to the irregularity of the gravitational field is proportional to the second power of the beam length. It emerges from this that with a scale with a short bar length, i.e. a short period, the influence of the ground movements is far more important than with a scale with a long bar and a long period.
If this influence is negligible, then special measures are absolutely necessary in order to obtain useful advertisements.
Usable displays can be achieved by arranging the means listed below, which are expediently used in combination.
One means that prevents the development of transverse vibrations is that a torsion thread is attached to the top and bottom of the hanger. As will be clear when looking at FIG. 4, in which this arrangement is sketched, when both weights I and 11. shift by the distance dx, only a translation of the bar occurs; there will be no rotation around a horizontal or a vertical axis.
One means of preventing a transverse vibration from being accompanied by a rotational vibration is that the upper weight. by means of an elastic intermediate piece on the
Rod is attached. so that this weight can move in a plane that is perpendicular to the plane intersecting the two weights. When this weight is fastened in this way, the upper end of the beam can move to a certain extent independently of the movements of the weight.
In the borderline case the independence is perfect, whereby one end of the beam can move freely. If in this borderline case (see Fig. 2) the lower weight and thus the lower end of the bar shifts by dx, with I remaining in its position, point D experiences a shift by a part of dx, and the bar is angularly rotated in Subject to the sense of the arrow.
If, on the other hand, both I and 11 are rigidly connected to the beam (see Fig. 3), the beam is given a rotation in the opposite direction. It is therefore possible, through a partial dependence between the displacements of the weight I and the end of the beam to which it is attached, i.e. H. by means of an elastic fastening of this weight, to achieve that the angular rotation is equal to zero, i.e. a transverse visual oscillation no longer brings about a rotation. So the result is in dynamic terms, i.e. H. As for the movements, 'the same as if both weights were at the same level.
One means for damping transverse vibrations is that the rod carries a cylinder which can move with little play in a cylindrical housing. To dampen rotational vibrations, a plate can be attached to the rod in its axis of rotation, which plate can move with little play in a correspondingly shaped gap in the housing. Transverse and rotational vibrations can be dampened by immersing the rod and the torsion thread in a liquid. These means for damping the vibrations can practically only be used if the housing has a small horizontal cross-section, i.e. the horizontal distance between the two weights is also small, i.e. H. with short-period scales.
Finally, a means is used to display the central position of the bar, around which central position the disturbances take place. This means consists in displaying the rod deflection in a manner known per se by means of a light beam which is reflected by a mirror attached to the rod
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and is thrown onto a thermocouple, which generates a current that is dependent on the point of incidence of the light beam and flows through an electrical display device, the deflection of which is a measure of the rod deflection.
According to the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, the rod 1 of the rotary balance consists of a tubular central part which has support surfaces on the upper and lower parts on which the weights 2, 2 ′ rest in diametrical opposition to one another. The reduction of the horizontal distance between the weights makes it possible to place the balance beam in a housing 8 of simple, e.g. B. cylindrical shape, whereby a disruptive influence of the balance arm by air currents within the housing is largely eliminated. The rod of the rotary balance is suspended by means of a torsion thread 3, the lower end of which is fastened to the rod by means of a clamp 4 and the upper end of which is fastened to a head piece 5. This head is attached to the upper part of the cylindrical housing 8.
The rod carries the cylinder 6, the diameter of which is dimensioned such that a narrow gap remains between the cylinder 6 and the inner wall of the housing 8, whereby a damping effect is exerted on the vibrations of the rod. A flat plate 7 at the end of the rod serves as a further damping element: which protrudes at right angles from the plane of the drawing and fits with play in a transverse slot of the part 9 closing off the housing 8 at the bottom.
The housing 8 forms a whole with the table 15, the cylinder 16 and the housing 17. The
Housing 17 contains the means for optically determining the position of the rod in relation to the housing.
This device consists of an electric light bulb. 18, a converging lens 19, a diaphragm 20, a prism 21 to deflect the light beam passing through the diaphragm to the mirror 24 attached to the rod, and a thermocouple 22 which collects the reflected beam. It can readily be seen that when the housing is rotated with respect to the housing 8, the reflected beam moves in a plane which runs normal to the plane of the drawing. 6 shows the thermocouple 22 which is connected to the galvanometer 23 by means of two wires. The thermocouple has the soldering points at A 'and B', at which one metal (or alloy) is connected to two strips of the second metal (or alloy).
The heat generated by the light beam causes a current in the thermocouple, the strength of which depends on the point at which the light beam is incident. If the light beam strikes in the middle between A 'and B', both solder points are heated equally so that no current is generated; as the beam approaches soldering point A 'or B', a current of increasing strength arises in one or the other direction.
The deflection of the galvanometer thus shows the deflection of the hanger. It is very important that, due to the inertia of the registration device, movements of very short periods around a central position are not registered, so that the short oscillations resulting from the microseismic earth tremors do not affect the display and the galvanometer only shows its central position or "Ntillinie". The quantity of inertia necessary for this is in particular at
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