DD269459A1

DD269459A1 - Rotierendes schweregradiometer mit waagebalken

Info

Publication number: DD269459A1
Application number: DD31315088A
Authority: DD
Inventors: Michael Naumann
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1988-02-24
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-06-28

Abstract

Das vorgeschlagene Schweregradiometer dient der Bestimmung aller Komponenten des Schweregradienttensors und ist fuer die Loesung von Aufgaben der Geodaesie, der Gravimetrie und der Ressourcenerkundung geeignet. Das Geraet besteht aus einem rotierenden Hohlzylinder, in dem ein Waagebalken magnetisch gelagert ist, der relativ zum Hohlzylinder freie Drehbewegungen ausfuehren kann. Zur Unterstuetzung und Stabilisierung der Magnetlagerung dient ein Dreifedergelenk. In Abhaengigkeit von der periodisch wechselnden Orientierung des Waagebalkens zu den auf ihn einwirkenden Schweregradienten vollfuehrt dieser eine oszillierende Bewegung, die ein Mass fuer die auf ihn wirkenden Gradienten ist. Figur

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung aller Komponenten des Schweregradienttensors, das sowohl Messungen im Labor als auch im Gelände erlaubt. Mit Hilfe dieses Gerätes ist die Lösung von Aufgabenstellungen der angewandten Gravimetrie und Geodäsie möglich. Des weiteren erlaubt dieses Gerät die Erkundung oberflächennah gelegener Braunkohle-, Kali- und Erzlagerstätten sowie die Erkundung von Hohlräumen im Zusammenhang mit Fragen der Standortsicherheit von Bauwerken.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Literatur sind einige Lösungen für Geräte zur Messung der Gradienten der Schwere bekannt (FR 1240368, DE 2344742, GB 2143047, SU 475584, US 3273397, US 3926054, US 3630086, US 3564921, US 3731537, W.C.Wells— „Spaceborne Gravity Gradiometers", NASAConf. Publ. 2305,1983), von denen jedoch nur nachfolgend näher erläutertes Gerät dem erfindungsgemäßen Gradiometer ähnelt.

Das in der Fachliteratur beschriebene Gradiometer (W. C. Wells) besteht aus einem rotierenden Hohlzylinder, in dessen Mitte sich ein magnetisch gelagerter, frei beweglicher Waagebalken befindet. Dieser trägt an den Enden jeweils eine Testmasse. Der Hohlzylinder und der Waagebalken besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse.

Nachteilig ist jedoch, daß dieses Gradiometer wegen der notwendigen hohen Stabilität der Magnetlagerung unter kryogenen Bedingungen arbeiten muß. Aus heutiger Sicht ist damit ein äußerst hoher apparativer Aufwand verbunden, der den mobilen Einsatz im Gelände gefährden kann.

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 Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein rotierendes Schweregradiometer mit Waagebalken vorzuschlagen, bei dem die Waagebalkenlagerung durch geeignete Mittel ohne den hohen kryotechnischen Aufwand stabil gestaltet werden kann.

Das erfindungsgemäße Gradiometer (Fig. 1, 2) besteht aus einem rotierenden Hohlzylinder 1, der vom Motor 18 angetrieben wird. Die Rotationsfrequenz des Hohlzylinders 1 wird von einem Winkelaufnehmer 19 gemessen und vermittels der Regelung 20 konstant gehalten.

Innerhalb des Hohlzylinders 1 befindet sich ein Waagebalken 2, der magnetisch gelagert ist und relativ zum Hohlzylinder freie Drehbewegungen ausführen kann. Beide besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse. Die bei Raumtemperatur nicht genügend stabile Magnetlagerung 10... 17 wird erfindungsgemäß durch das Dreifedergelenk 5; 6; 7 unterstützt und stabilisiert. Die Magnetlagerung dient gleichzeitig als Permanentmagnetkupplung.

Der Waagebalken 2 trägt an seinen Enden in gleicher Entfernung von der Symmetrieachse die gleich großen Testmassen 3; 4, die gleichzeitig die Mittelplatten der am Hohlzylinder befestigten kapazitiven Sensorelemente 8; 9 darstellen.

Bei Funktion des Gradiometers rotiert der Hohlzylinder 1 und mit ihm der Waagebalken 2 im Schwerefeld der Erde. In Abhängigkeit von der periodisch wechselnden Orientierung des Waagebalkens 2 zu den auf ihn einwirkenden Schweregradienten entsteht eine oszillierende Relativbewegung des Waagebalkens 2 gegenüber dem Hohlzylinder 1. Diese wird durch das kapazitive Sensorelement 3 aufgenommen. Das Meßsignal der zum kapazitiven Sensorelement gehörenden Sensorelektronik 21 stellt die Regelgröße für den Regler 22 dar, der über eine Track-and-Hold-Schaltung 23 und die Verstärker24; die elektrostatische Verstelleinheit steuert, die mit dem Differentialkondensator des kapazitiven Sensorelementes 4 identisch ist.

Die Stellgröße des Reglers 22 ist den Schweregradienten proportional und stellt das Gradiometerausgangssignal dar. Es wird in der Auswerteelektronik 26 aufgearbeitet und in der Anzeige 27 abgebildet.

Eine weitere Methode der Meßwertaufnahme bei unverändertem konstruktivem Aufbau des Gradiometers und gleicher Funktion sieht die Verwendung eines optischen Verfahrens anstelle der kapazitiven Sensorelemente vor (Fig.3). In diesem Fall befinden sich die Testmassen 3; 4 im Strahlengang zwischen je einer Lichtquelle 28; 29 und einem optischen positionsempfindlichen Sensor 30; 31, wodurch bei Funktion des Gradiometers auf den Sensoren 30; 31 ein entsprechender oszillierender Schatten abgebildet wird. Die Meßsignale beider sind dem Schweregradienten proportional und werden in einer nachfolgenden Elektronik 32 bearbeitet und in der Anzeige 27 abgebildet.

Aufgrund der Rotation des Hohlzylinders 1 ist das Gradiometerausgangssignal mit dessen Rotationsfrequenz modelliert. Es folgt der Beziehung:

a = r(Vxx-Vyy)sin2nt + 2rV_xycos2nt,

worin V_xx, Vyy, V_xydie auf das Gradiometer wirkende Schweregradienten, a das Gradiometerausgangssignal, r die halbe Waagebalkenlänge, Ω die Rotationsfrequenz des Hohlzylinders und t die Zeit sind.

Aufgrund der oben genannten physikalischen Zusammenhänge ist für die Bestimmung der Tensorkomponenten eine gleichzeitige Messung mit drei erfindungsgemäßen Geräten in der sogenannten Schirmkonfiguration erforderlich. Daraus resultieren drei Beziehungen mit sechs Unbekannten. Unter Zuhilfenahme der Beziehungen derTensorkomponenten untereinander sind alle Komponenten des Schweregradienttensors bestimmbar.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1: Prinzipielle Darstellung des Schweregradiometers

Fig. 2: Seitenansicht des Schweregradiometers zum Ausführungsbeispiel 1 (Schnitt) Fig. 3: Seitenansicht des Schweregradiometers zum Ausführungsbeispiel 2 (Schnitt)

Ausführungsbeispiel 1

Das Gradiometer (Fig. 1, 2) besteht aus einem rotierenden Hohlzylinder 1, der vom Motor 18 angetrieben wird. Die Rotationsfrequenz des Hohlzylinders wird vom Winkelaufnehmer, einem optischen Abtastsystem, 19 gemessen und vermittels der Regelung 20 konstant gehalten.

Der Hohlzylinder besitzt einen Innendurchmesser von 460mm. Innerhalb des Hohlzylinders 1 befindet sich ein biegesteif konstruierter Waagebalken 2, dessen Länge 400 mm beträgt. Erbesteht aus Aluminium. Der Waagebalken 2 ist im Hohlzylinder 1 magnetisch gelagert und kann sich dementsprechend relativ zum Hohlzylinder frei bewegen. Beide besitzen eine gemeinsame Symmetrieachse.

Das Magnetlager besteht aus den Ringmagneten 10... 13, die die radiale Lagerung übernehmenden Scheibenmagneten 14; 15 sowie den Spulen 16; 17, die die Axiallager darstellen. Diese bei Raumtemperatur nicht ausreichend stabile Lagerung wird erfindungsgemäß durch das Dreifedergelenk 5; 6; 7 unterstützt und stabilisiert. Es besteht aus drei Messingbändern mit den Abmessungen 0,08 χ 10 χ 270mm³. Diese sind entsprechend Fig.2 symmetrisch zum Waagebalken 2 angeordnet. Das Messingband 5 (in Fig. 2 nicht dargestellt) besteht aus einem Band, dessen Mittellinie mit der des Waagebalkens übereinstimmt, während die Messingbänder 6; 7 aus zwei Bändern mit halber Breite bestehen, die symmetrisch zur WaagebalkenmitteHinie angeordnet sind. Das Dreifedergelenk gewährleistet, daß bei einer Auslenkung des Waagebalkens um einen kleinen Winkel relativ zum Hohlzylinder der Mittelpunkt des Waagebalkens nicht aus dem Mittelpunkt des Hohlzylinders auswandert. Das heißt, die Symmetrieachsen bleiben durch das Dreifedergelenk identisch. Die zum Axiallager gehörenden Spulen 16; 17 sind regelbar gestaltet und gewährleisten somit die axiale Steifigkeit der Waagebalkenlagerung.

Die Ringmagnete 10... 13 erfüllen gleichzeitig die Funktion einer Permanentmagnetkupplung.

Der Waagebalken 2 trägt an seinen Enden in gleicher Entfernung von der Symmetrieachse die gleich großen, 10g schweren Testmassen 3; 4. Diese sind gleichzeitig die Mittelplatten der am Hohlzylinder befestigten kapazitiven Sensorelemente 8; 9. Die Sensorelemente bestehen aus einem Differential- und einem Auskoppelkondensator. Ihre wirksame Kondensatorfläche beträgt 200 mm². Sie arbeiten in einer Sensorelektronik nach dem Trägerfrequenzverfahren.

Bei Funktion des Gradiometers rotiert der Hohlzylinder 1 und mit ihm der Waagebalken 2 im Schwerefeld der Erde. In Abhängigkeit von der periodisch wechselnden Orientierung des Waagebalkens 2 zu den auf ihn einwirkenden Schweregradienten entsteht eine oszillierende Relativbewegung des Waagebalkens 2 gegenüber dem Hohlzylinder 1. Diese wird durch das kapazitive Sensorelement 3 aufgenommen. Das Meßsignal der zum kapazitiven Sensorelement gehörenden Sensorelektronik 21 stellt die Regelgröße für den PID-Regler 22 dar, der über eine Track-and-Hold-Schaltung 23 und die Verstärker 24; 25 die elektrostatische Verstelleinheit steuert, die mit dem Differentialkondensator des kapazitiven Sensorelementes 4 identisch ist.

Die weitere Auswertung dieses Signals entspricht der oben angegebenen Art und Weise.

Ausführungsbeispiel 2

Beim zweiten Ausführungsbeispiel sind der konstruktive Aufbau des Gradiometers und dessen Funktion unverändert. Anstelle der kapazitiven Sensorelemente werden jedoch optische Meßsysteme verwendet (Fig.3).

Die Testmassen 3; 4 befinden sich im Strahlengang zwischen je einer Lichtquelle 28; 29 und einem optischen positionsempfindlichen Sensor 30; 31. Als Lichtquelle 28; 29 werden vorzugsweise LEDs und als optische positionsempfindliche Sensoren 30; 31 positionsempfindliche Vollflächen-Photodioden eingesetzt.

Bei Funktion des Gradiometers werden die Testmassen 3; 4 als oszillierende Schatten auf den optischen positionsempfindlichen Sensoren 3; 31 abgebildet. Die resultierenden Meßsignale beider sind dem wirkenden Schweregradienten proportional. In der nachfolgenden Elektronik 32 werden diese bearbeitet und in der Anzeige 27 abgebildet.

Die weitere Auswertung des Signals entspricht der oben angegebenen Funktionsweise des erfindungsgemäßen Gerätes.

Claims

1. Rotierendes Schweregradiometer mit Waagebalken und Hohlzylinder, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetische Lagerung des Waagebalkens im Hochzylinder unterstützt und stabilisiert wird durch ein Dreifedergelenk und die am Waagebalken angebrachten gleich großen Testmassen gleichzeitig die Mittelplatten von zwei am Hohlzylinder befestigten kapazitiven Sensorelementen sind, von denen ein Sensorelement die Bewegungen des Waagebalkens detektiert und das andere Sensorelement der elektrostatischen Rückführung des Waagebalkens dient.

2. Schweregradiometer nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich die am Waagebalken angebrachten gleich großen Testmassen im Strahlengang eines optischen Meßwertaufnehmersystems befinden, das aus je einer Lichtquelle und einem optischen positionsempfindlichen Sensor besteht.