DD265707A1 - Schweregradiometer - Google Patents

Abstract

Das vorgeschlagene Schweregradiometer dient der Bestimmung der Schweregradienten in Hinblick auf die Ressourcenerkundung. Das Geraet besteht aus zwei in horizontaler Lage mit identischer Symmetrieachse vertikal uebereinander angeordneter Scheiben, wobei an jeder Scheibe vier orthogonal zueinander angeordnete kapazitive Beschleunigungsaufnehmer mit vertikaler Messachsenorientierung befestigt sind. Durch Differenzbildung der Messwerte zweier Beschleunigungsaufnehmer wird ein 16fach redundantes Signal erhalten, das sowohl den Vertikal- als auch beide Horizontalgradienten beinhaltet. Figur

Description

a » V_nAz + 2 r (V_1xCOeOt + V^sin Ot),

worin V_n, V_n, ν,γ die drei Gradienten, O die Rotationsf requenz, Δζ der vertikale Abstand der beiden Scheiben, r deren Radius und t die Zeit sind. Aus dieser Gleichung ergibt sich über die Verwendung des Phasenwinkels φ der Rotation, der mit Hilfe des Winkelaufnehmers gemessen wird, das folgende Gleichungssystem

φ «= nn: a = ν,,Δζ ± 2 r V„

φ - nn + "Λ: a = ν,,Δζ ± 2 r V₁,

ψ - n"/j + "Λ: a - V_nAz ± 1,414 (V„ + V^)

aus dom alle drei GraHienten bestimmbar sind.

Aufgrund des erfindungsgemäßen Aufbaus des Gradiometers und unter Berücksichtigung der zusätzlichen schrittweisen Rotation der zweiten Scheibe wird die Messung der Gradienten mit 1 öfacher Redundanz ausgeführt. Das bedeutet, daß mit hoher statistischer Sicherheit systematische Fehler durch kleine Unterschiede in den Kennlinien der Beschleunigungsaufnehmer beseitigt werden.

AusfOhrungt>belspiel

Fig. 1: Wi. kprinzip des Schweregradiometers (achematisch) Fig. 2: Seitenansicht des Schweregradiometers (Schnitt)

Im zylindrischen Gehäuse des Gradiometers 1 (Fig.2) befinden sich zwei horizontale Scheiben 2; 3 vertikal übereinander. Auf ihnen befinden sich jeweils vier orthogonal zueinander angeordnete Beschleunigungsaufnehmer 4... 11 (in Fig.2 nur vier dargestellt), deren empfindliche Achsen vertikal b-r.. parallel zur Symmetrieachse des Gehäuses orientiert sind. Prinzipiell sind für dieses Gradiometer alle denkbaren Beschleunigungsaufnehmertypen geeignet, die die notwendige Meßschwelle im Zusammenhang mit dem geforderten Dynamikbereich realisieren. Im vorliegenden Fall werden kapazitive Beschleunigungsaufnehmer verwendet. Die Scheibe 2 wird vom Motor 12 angetrieben, wobei deren Rotationsfroquenz durch den Winkelaufnehmer 13 gemessen und über die Regelung 14 konstant gehalten wird. Die Scheibe 3 wird durch den Schrittmotor 15 mittels eines Zufallsgenerator 16 jeweils um 90° um die Symmetrieachse des Gradiometors fortbewagt. Durch Differenzbildung der Meßwerte, z. B. der Becchleunigungsaufnehmer 4 und 9 wird ein Signal erhalten, das sowohl den Vertikal- aU auch beide Horizontalgradienten beinhaltet. Dieses wird digital zur Anzeige gebracht bzw. analog über einen Schreiber ausgegeben.

Bei gleichzeitiger Messung des Phasenwinkels der Rotation sind eile drei Gradienten separat durch das oben angegebene Gleichungssystem aus dem Signal bestimmbar.

Claims (2)

1. Schweregradicmeter mit rotierenden Scheiben und separaten Beschleunigungsaufnehmern, gekennzeichnet dadurch, daß zwei Scheiben in horizontaler Lage mit identischer Symmetrieachse vertikal übereinander angeordnet sind und an jedet der Scheiben vier orthogonal zueinander angeordnete Beschleunigungsaufnehmer mit vertikaler Meßachsenorientierung befestigt sind, wovon eine der zwei Scheiben mit konstanter Rotationsfrequenz rotiert, während die zweite Scheibe über einen Zufallsgenerator unregelmäßig jeweils um 90° um die Symmetrieachse des Schweregradiometers bewegt wird.

2. Schweregradiometei nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ^!n den Beschleunigungsaufnehmern vorzugsweise kapazitive Sensoren verwendet werden.

Hierzu 1 Seite Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung des gravimetrischen Vertikal- und Horizontalgndienten, das sowohl Messungen im Labor als auch im Gelfinde ertaubt. Mit Hilfe dieses Gerätes ist eine Erkundung von oberflächennah gelegenen Braunkohle- und Erzlagerstätten, die Kalierkundung und die Erkundung von Hohlräumen im Zusammenhang mit Fragen der Standortsicherheit von Bauwerken möglich.

Charakteristik dw bekannten technischen Lösungen

In der Literatur sind einige Lösungen für Geräte zur Messung der Gradienten der Schwere bekannt (FR 1240368, OE 2344742, GB 2143047,SU 476584, US 3273397, US 3926054, US 3630086, US 5564921, US 3731537, W.C.Wells— .Spaceborne Gravity Gradiometers", NASA Conf. Publ. 2305,1983), von denen jedoch nur nachfolgend näher erläutertes in seinem Aufbau und seiner Funktionsweise dem erfirdungsgemäßen Gradiometer nahekommt.

Das Gradiometer der Firma Bell Aerospace/Textron besteht aus einer rotierenden Scheibe, auf der orthogonal zueinander vier Beschleunigungeaufnehmer angeordnet sind. Die empfindliche Achse der Beschleunigungsaufnehmer liegt dabei tangential zur Scheibe. Die Differenz der Meßwerte zweier gegenüberliegender Beschleunigungsaufnehmer ist ein Maß für den Gradienten zwischen diesen. Nachteilig ist jedoch, daß zur Ermittlung des Vertikal- und der Horizontalgradienten drei gleichzeitig messende Geräte in einer bestimmten Anordnung zueinander notwendig sind. Ebenso wirkt sich die Orientierung der Beschleunigungeaufnehmer auf der Scheibe negativ aus, weil aufgrund der Anordnung der drei Geräte bei der Mossung und der tangential liegenden empfindlichen Achsen de·- Beschleunigungsaufnohmer diese ständig ihre Orientierung zur größten auf sie einwirkenden Beschleunigung — der Fallbeschleunigung ändern. Daraus resultieren extrem hohe Anforderungen an den Dynamikbereich der Beschleunigungsaufnehmer.

Das erfindungsgemäße Gradiometer vermindert deutlich diese Forderungen und stellt daher eine günstigere Gerätevariante dar. Zudem ist für die gleichzeitige Ermittlung der drei zu bestimmenden Gradienten nur ein einziges Gerät erforderlich.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Gradiometer zu entwickeln, das Messungen unter natürlichen Umweltbedingungen im freien Gelände erlaubt und die Erkundung von Ressourcen mit deutlich weniger Aufwand und mit besserer Auflösung und Abgrenzung der Lagerstätten ermöglicht.

Darlegung des Wesen» der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem einzigen Gerät die Messung des Vertikal- und der Horizontalgradienten der Schwere im Gelände und In der Bewegung zu ermöglichen.

Das erfindungsgemäße Gradiometer (Fig. 1) besteht aus zwei vertikal übereinander angeordneten horizontalen Scheiben 2; 3, von denen eine um ihre Symmetrieachse rotiert. Die Rotationsfrequenz dieser Scheibe wird von einem Winkelaufnehmer (nicht dargestellt) gemessen und vermittels einer Regelung konstant gehalten. Die zweite Scheibe führt keine Bewegung aus bzw. wird über einen Zufallsgenerator und einen Schrittmotor in unregelmäßigen Zeitabständen um 90" gedreht. Auf beiden Scheiben befinden sich jeweils vier orthogonal zueinander angeordnete Beschleunigungsaufnehmer 4... 11, wobei deren empfindliche Moßachsen parallel zur vertikalen Rotationsachse orientiert sind. Curch diese erfindungsgemäße Anordnung der Rotationsachse und der Beschleunigungsaufnehmer zu dieser tritt die Normalfallbeschleunigung immer nur in einer Richtung bezogen auf die Beschleunigungsaufnehmer auf, so daß die Forderungen an den Dynamikbereich deutlich geringer sind.

Das erfindungsgemäße Gradiometer muß bei Mossungen im Gelände zunächst im erdgebundenen Koordinatensystem nach Norden ausgerichtet werden. Jeder der acht Beschleunigungsaufnehmer mißt bei Funktion des Gerätes die auf ihn wirkendo vertikalo Beschleunigung separat. Für die Ermittlung der drei Gradienten ist die Differenz der Meßwerte zweier Aufnehmer zu bilden, die sich In horizontaler Richtung gegenüber, aber nicht in einer Scheibe befinden (z. B. Aufnehmer 4,9). Daraus resultiert die allgemeine Gleichung des Gradiometers der Form