AT150712B - Meßgerät zur Bestimmung von Änderungen der Schwerebeschleunigung. - Google Patents

Description

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  Messgerät zur Bestimmung von Änderungen der   Schwere beschleunigung.   



   Genaue Bestimmungen der Änderung der Schwerebeschleunigung sind für die Erderforschung, insbesondere zum Zwecke der Bestimmung von Lagerstätten, von grosser Bedeutung. 



   Gegenstand der Erfindung ist ein Gerät zum Messen der Änderung der Schwerebeschleunigung, welches gegenüber den bekannten Einrichtungen den Vorteil besitzt, sehr genaue Ergebnisse zu liefern, rasch zu arbeiten und einfach in der Bedienung und im Aufbau zu sein. Das Gerät ist ferner erschütterungssicher und leicht zu transportieren und aus diesem Grunde für die Verwendung durch sogenannte Messtrupps im freien Gelände besonders geeignet. 



   Das Gerät enthält eine Masse, die mit einem Hebel in Verbindung steht, dessen durch Änderung der Schwerebeschleunigung bewirkte Lageänderung zu einer Änderung eines Kraftarmes (des Normalabstandes des Drehpunktes von der Richtung der Kraft) führt, u. zw. besitzt diese Änderung des Kraftarmes eine solche Richtung, dass der Ausschlag der Massenbewegung gesteigert wird. An dem Hebel, an dem sich die Masse befindet, greift eine Feder an, die bestrebt ist, der Lageänderung entgegen zu wirken. Erfolgt nun beispielsweise eine Vergrösserung der Schwerebeschleunigung und tritt dadurch ein Ausschlag des Hebels ein, so vergrössert sich der Kraftarm, an dem die Masse sitzt, oder verkleinert sich der Kraftarm, an dem die Feder angreift. Infolgedessen muss eine weitere Bewegung der Masse in der Richtung des anfänglichen Ausschlages erfolgen.

   Das   Umgekehrte würde natürlich   eintreten, 
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 das System erst zur Ruhe, wenn die Streckung der Schraubenfeder der vereinigten Wirkung der Schwerebeschleunigung und der Vergrösserung des Kraftarms das Gleichgewicht hält.   Selbstverständlich   verlaufen die Vorgänge umgekehrt, wenn eine Verringerung der Sehwerebeschleunigung eintritt. 



   Zur weiteren Steigerung der Messgenauigkeit empfiehlt es sich, auf die Änderungen Rücksicht zu nehmen, welche die Länge der in dem Gerät verwendeten Feder unter dem Einfluss von Temperatur- änderungen erfährt. Auch Federn aus bestem Werkstoff (Edelstahl, Quarz, Wolfram) haben im allgemeinen einen Temperaturkoeffizienten   der-Spannung von-5 bis-15. 10- (1.   Diese Koeffizienten sind zwar erheblich geringer als die vor kurzer Zeit noch als unvermeidlich angesehenen Koeffizienten   von -100 bis. -200. 10-6.   Trotz des durch die Anwendung besonderer Werkstoffe erzielten Fortschrittes ist es aber nicht möglich, den Einfluss der Temperatur bei der erforderlichen   Messgenauigkeit   von 1.   10-6   der Schwerkraft zu vernachlässigen.

   
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 Im besonderen Falle der Verwendung einer Schraubenfeder ist diese Möglichkeit aber gegeben, da der Spannungskoeffizient der Feder bei Temperaturänderungen eine Längenänderung der Feder erzeugt. Bei einer Blattfeder oder einer flachen Spiralfeder wäre eine solche Kompensation nicht möglich, da bei diesen Federn eine temperaturbedingte Änderung der Spannung Winkeländerungen und keine Längenänderungen hervorruft. 



    Nachfolgend werden einige Beispiele gegeben, in welchen die Kompensation bei Schraubenfedern möglich ist, deren Temperaturkoeffizienten diejenige Grösse besitzen, die man bei guten Federn   erreichen kann. In der Tabelle sind die Temperaturkoeffizienten der Spannung von Federn den Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung von Baustoffen gegenüber gestellt, die für das Gestell bzw. den Massstab Verwendung finden können. 
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<tb> 
<tb> dE <SEP> der <SEP> Feder <SEP> Verwendeter <SEP> Werkstoff <SEP> 
<tb> 7i <SEP> des <SEP> Gestells <SEP> t-
<tb> -24#0.10-6 <SEP> Aluminium <SEP> +23#8.10-5
<tb> ,-16-5. <SEP> 10-11 <SEP> Kupfer <SEP> + <SEP> 16'5. <SEP> 10-6
<tb> - <SEP> 12-0. <SEP> 10-s <SEP> Eisen <SEP> +12-0. <SEP> 10-6
<tb> - <SEP> 4'5. <SEP> 10-6 <SEP> Osram <SEP> + <SEP> 4-5. <SEP> 10-li
<tb> - <SEP> 3'0. <SEP> 10-6 <SEP> Porzellan <SEP> + <SEP> 3'0.

   <SEP> 10-6
<tb> 
 
Man erkennt, wie bei sehr verschiedenen Temperaturkoeffizienten der Federn eine Anpassung des Werkstoffs des Gestells möglich ist. 



   Die Kompensation besitzt ganz besondere Bedeutung in solchen Fällen, in denen die Temperaturkoeffizienten der Feder einen auch für heutige Verhältnisse äusserst niedrigen Wert besitzen. Es sind beispielsweise Federn bekannt geworden, deren Temperaturkoeffizient der Spannung   etwa-2'0. 10   und weniger beträgt (Guilleaume'sche Spezialuhrenstähle). Um nun die Messgenauigkeit mit derartigen Federn nicht zu beeinträchtigen, werden gemäss der Erfindung Gestelle aus Metall angewendet, deren Temperaturkoeffizienten der Länge von derselben Grössenordnung sind. Als solche Metalle kommen die sogenannten invariablen Nickel-Eisen-Legierungen (z. B. Invar, Indilatan und andere mit meistens   36%   Nickel) in Betracht.

   Bei Federn mit einem Koeffizienten   von-0-6. 10-6 hat   sich Quarzglas als besonders geeigneter Werkstoff erwiesen. 



   Um die Genauigkeit der Kompensation auf ihren Höchstwert zu bringen, muss dafür gesorgt werden, dass zwischen der Feder und dem Gestell keine Temperaturdifferenzen auftreten. Um das Auftreten solcher Differenzen zu verhindern, empfiehlt es sich, die Feder und den Stab in demselben isolierenden Raum unterzubringen. Dies kann beispielsweise geschehen, indem man das Gestell als ein Rohr ausbildet, in dem die Feder untergebracht wird. Die Temperatur der Feder gleicht sich dann der Temperatur des Rohres weitgehend an. 



   Da ferner die Messgeräte bei den einzelnen, an verschiedenenorten aufeinanderfolgenden Messungen auf das genaueste horizontiert sein müssen, kann es von Bedeutung sein, den Horizontierungsfehler vollkommen auszuschalten. So kann bei einem Horizontierungsfehler von einer Sekunde (Winkelmass) in Anbetracht der grossen Neigungsempfindlichkeit der entstehende Messfehler 10 Milligal oder mehr   erreichen, während   die erforderliche Messgenauigkeit 1 Milligal beträgt. Eine so genaue Horizontierung kann mit Libellen u. dgl. nicht sicher und schnell genug erreicht werden. Ausserdem besitzen diese
Horizontierungsanordnungen eine sehr grosse Temperaturempfindlichkeit. 



   Man kann aber die bei der Horizontierung erforderliche Genauigkeit weitgehend verringern, wenn man zwei Schweremesser gleicher Neigungsempfindlichkeit gemeinsam verwendet und in einer 

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 Lage anordnet, auf die Neigungsänderungen im entgegengesetzten Sinne einwirken. In dem aus der Messung beider Systeme sich ergebenden Mittelwert ist ein Neigungsfehler daher nicht enthalten. 



   In der beigefügten Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Die Fig. 1-5 zeigen schematische Darstellungen von fünf verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. 



   Die Fig. 6-9 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, u. zw. Fig. 6 eine perspektivische Ansicht, Fig. 7 eine Draufsicht des Geräts in der Ruhelage, Fig. 8 eine Seitenansicht, und Fig. 9 eine Draufsicht des Geräts in der Lage nach Verbringung an einen neuen Standort. Fig. 10 ist eine besondere Ausführungsform des Geräts nach Fig. 5, Fig. 11 ist eine abgeänderte Ausführungsform der Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 12 ist eine weitere Abänderung der Vorrichtung nach Fig. 5. 



   In Fig. 1 erkennt man einen Hebel L, an dessen einem Ende ein Gewicht M aufgehängt ist und dessen anderes Ende mit einer Blattfeder E in Verbindung steht, die in der Unterlage U befestigt ist. 



  Tritt eine Erhöhung der Schwerebeschleunigung ein, so wird das Gleichgewicht des Systems mit der Wirkung gestört, dass der Hebel L eine stärker geneigte Lage einnimmt. Hiedurch vergrössert sich der Kraftarm   Li.   Die Vergrösserung des Kraftarms ruft eine weitere Neigung des Systems hervor. 



  Dieses kommt erst dann zur Ruhe, wenn die durch die vergrösserte Durchbiegung der Blattfeder gesteigerte elastische Gegenkraft der vereinigten Wirkung der Schwerebeschleunigung und der Vergrösserung des Kraftarms zu   L2   das Gleichgewicht hält. 



   In Fig. 2 erkennt man einen Hebel L, an dessen einem Ende ein von der Feder E getragenes Gewicht M'befestigt ist und dessen anderes Ende mit einer Schneide auf der Unterlage U ruht. Mit dem Hebel L ist oberhalb desselben eine Hilfsmasse M starr verbunden. Tritt, wie in Fig. 1 erkennbar, eine Neigung des Hebels L ein, so entsteht ein Kraftarm   L2   der Hilfsmasse M. Durch diesen Vorgang wird wiederum die Neigung des Systems vergrössert. 



   In Fig. 3 wird ein annähernd horizontaler Hebel L verwendet, an dessen einem Ende ein Gewicht M befestigt ist und dessen anderes Ende mit einer Blattfeder   E   in Verbindung steht, die in der Unter- lage U befestigt ist. Auf dem Hebel L ruht eine Libelle J. Tritt eine Erhöhung der Schwerebeschleuni- gung ein, so wird das Gleichgewicht des Systems mit der Wirkung gestört, dass der Hebel L eine stärker geneigte Lage einnimmt. Hiedurch wandert die Blase der Libelle entsprechend Fig. 3 nach links und der Schwerpunkt   S   der Libelle nach rechts. Der Kraftarm Li der Libelle wird hiedurch verlängert und erhält die Grösse L2. Die Wirkung ist dieselbe wie bei den andern Ausführungsformen. 



   In Fig. 4 ist die Libelle J der Fig. 3 durch eine in einer Schale S rollende Kugel K ersetzt. Bei einer Neigung des Hebels L rollt die Kugel entsprechend Fig. 4 nach rechts und Kraftarm   L   der Kugel wird zum Kraftarm   L2.   



   In Fig. 5 erkennt man, dass der Hebel L der Masse bei Neigungsänderungen gleich bleibt, während der Kraftarm      der Feder E sich entsprechend ändert. Bei einer Vergrösserung der Schwerkraft ver- kleinert sich der Hebel Li zu L2 und veranlasst dadurch eine weitere Neigung des Systems. 



   Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 6-9 trägt der über einer Schneide L spielende Balken W an der einen Seite eine kleine Masse   M   und ist an der andern Seite mit einer Spiralfeder F verbunden. 



  Oberhalb der Schneide L befindet sich das Horizontalpendel P. Die Feder kann aus zwei Teilen von entgegengesetztem Drall zusammengesetzt werden, um die durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Verdrehungskräfte zu kompensieren. 



   Beim Arbeiten mit dem Horizontalpendel gemäss Fig. 6-9 wird der Hebel W am Ausgangspunkt der Messung entarretiert und das Horizontalpendel P gelöst, während die Feder fixiert bleibt. 



  Man bestimmt die Lage des Horizontalpendels auf einer an geeigneter Stelle angebrachten Skala. 



  Nunmehr werden alle Teile wiederum arretiert. Nachdem das Gerät an den neuen Standort gebracht worden ist, wird wiederum der Waagebalken entarretiert und das Horizontalpendel gelöst. Es ergibt sich dann im Falle einer Änderung der Schwerkraft eine neue Lage des Horizontalpendels, aus der die Veränderung der Schwere abgeleitet werden kann. Nachdem die Ablesung vorgenommen worden ist, wird von neuem arretiert, dann wird die Fixierung der Feder vorübergehend gelöst, um die Federspannungen auszugleichen. Nachdem die Feder von neuem fixiert worden ist, wird wiederum entarretiert und abgelesen, um vor Aufsuchung eines neuen Standortes eine Grundablesung zu erhalten, auf welche die Ablesung des dritten Standortes bezogen werden kann. 



   In der Fig. 10 ist die Feder in einem Gestell untergebracht, das aus einem Werkstoff besteht, dessen Ausdehnungskoeffizient die gleiche Grösse besitzt wie der Spannungskoeffizient der Feder, wobei die Vorzeichen beider Grössen entgegengesetzt sind. 



   Die Fig. 11 und 12 lassen Einrichtungen erkennen, deren jede aus zwei Messgeräten der beschriebenen Art kombiniert sind. In beiden Fällen ist die Anordnung der beiden einzelnen Teile symmetrisch getroffen. Sie sind miteinander starr verbunden, so dass ein einziges Messgerät entsteht. 



  Die Horizontierung wird mit weniger als   yi   der bisherigen Genauigkeit ausgeführt. Die infolgedessen verbleibenden Neigungsfehler werden jedoch durch die Anordnung mehr als kompensiert, denn sie wirken auf die beiden Teile des zusammengesetzten Gerätes in gleicher Grösse, aber in entgegengesetzter Richtung. Es ist also möglich, die Genauigkeit und insbesondere auch die Messgeschwindigkeit erheblich zu steigern.

Claims (1)

1. PATENT-ANSPRÜCHE : 1. Messgerät zur Bestimmung von Änderungen der Schwerebeschleunigung, gekennzeichnet durch einen unter der Einwirkung einer Feder und einer Masse stehenden Hebel, dessen Lage durch eine Änderung der Schwerebeschleunigung so verändert wird, dass ein Ausschlag entsteht, der die Änderung der Schwerebeschleunigung erkennen lässt, und eine derartige Anordnung der Masse und der Feder, dass eine Änderung der Schwerebeschleunigung eine Änderung des Kraftarms der Masse oder der Feder in der Richtung hervorruft, dass die Wirkung der Änderung der Schwerebeschleunigung selbsttätig gesteigert wird.

   2. Messgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Hebel, dessen eines Ende mit einer Feder in Verbindung steht, die das System in geneigter Lage hält.

   3. Messgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Ende des Hebels eine Masse aufgehängt ist.

   4. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel an seinem einen Ende mit einer Feder in Verbindung steht, die ihn in einer im wesentlichen horizontalen Lage hält, und dass ein Hilfssystem, das bewegliche Teile enthält, auf dem Hebel angeordnet ist.

   5. Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfssystem aus einer Libelle besteht.

   6. Messgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Hilfssystem aus einer Schale besteht, in der sich eine Kugel bewegt.

   7. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel, welcher einen im wesentlichen horizontalen, mit einer Masse verbundenen Teil enthält und auf eine Schneidkante gestützt EMI4.1 8. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder aus zwei Teilen von entgegengesetztem Drall besteht.

   9. Messgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen auf einer Schneidkante gestützten Hebel, der aus mehreren zueinander winkelförmig liegenden Teilen besteht, zu denen ein im wesentlichen horizontaler Teil gehört, mit dem eine Masse verbunden ist.

   10. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einer von dem Hebel aufragenden Stütze eine Hilfsmasse befestigt ist.

   11. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder mit einem Gestell verbunden ist, das aus einem Werkstoff besteht, dessen Temperaturkoeffizient der Ausdehnung dem Temperaturkoeffizienten der Spannung der Feder annähernd gleich ist, aber in entgegengesetzter Richtung wirkt wie dieser.

   12. Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Federn mit einem Temperaturkoeffizienten von etwa,-2'0. 10-6 invariable Nickel-Eisen-Legierungen für das Gestell verwendet werden.

   13. Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Federn mit einem Temperaturkoeffizienten von etwa-0'6. 10-6 Quarzglas für das Gestell verwendet wird.

   14. Messgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder in demselben Raume wie das Gestell untergebracht ist.

   15. Messgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gestell Rohrform besitzt und die Feder aufnimmt.

   16. Messgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Geräte gleichartiger Neigungsempfindlichkeit in der Weise miteinander kombiniert werden, dass die Neigungsänderungen EMI4.2