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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Präzisions-Kraftmessung,
insbesondere zur Gravimetrie, aber auch für Waagen, für die Messung von Druckschwankungen
etc.
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Präzisionmessungen
der Erdbeschleunigung werden u.a. zur Exploration von Lagerstätten eingesetzt,
dabei sind kleinste örtliche
Schwankungen zu messen.
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Zur
Vermessung der Erdbeschleunigung werden verwendet: Kugelfall, Pendel
(z.B. Reversionspendel), Federwaage, Supraleitendes Gravimeter (eine
Kugel wird im Magnetfeld einer supraleitenden Spule in der Schwebe
gehalten). Für
den Feldeinsatz hat sich die Methode der Federwaage durchgesetzt.
Mit dem heute verbreiteten Lacoste-Romberg-Gravimeter, im folgenden
LR-Gravimeter genannt, (zugrunde liegt
US 2 293 437 ) wird die Verlängerung
einer schräg
angeordneten Schraubenfeder über
eine starke Untersetzungsmechanik (Getriebe, Schnecke, Hebel) mechanisch
kompensiert unter Beobachtung eines Fadens über ein Mikroskop; an der Mechanik
kann man dann das Mass der Verlängerung
ablesen. Die Mechanik ist temperaturabhängig, deshalb muss das Gehäuse temperaturstabilisiert
werden. Über
die Schräglage
der Feder und einen Hebelarm und die Verwendung einer sog. Null-Längen-Feder
wird eine Astasierung erreicht. Unter Astasierung versteht man eine
Empfindlichkeitssteigerung unter Ausnutzung einer Beziehung zwischen
Schwerkraft und einer (zusätzlichen)
Federkraft. Das LR-Gravimeter arbeitet mit einer schwach verstimmten
Astasierung, bei im unverstimmten Idealfall unendlicher Empfindlichkeit
für beliebige
Auslenkungen. Nachteilig sind die Temperaturabhängigkeit der Mechanik, die
Notwendigkeit des Einsatzes einer schwierig herzustellenden Null-Längen-Feder,
der Aufwand für
die Präzisionsmechanik und
die schwierige Bedienung.
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Nach
US 3717036 wird die Masse über mehrere,
genau zu platzierende Halteelemente so eingespannt, dass sich der
Schwerpunkt der Masse genau in der Meßachse bewegt, verbunden mit
einer kleinen Drehung um die Meßachse.
Diese Drehung wird nicht gemessen, sondern als Neben effekt in Kauf
genommen, damit sich die Halteelemente nur verbiegen, aber nicht
verlängern
müssen
(Spalte 5 Zeile 53 ff).
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Nach
DE 91293 wird die lineare
Federausdehnung astasiert durch einen Drehmagneten, der auf einem
Torsionsfaden in Federrichtung montiert ist und sich in einem sehr
genau zu justierenden, inhomogenen Magnetfeld befindet. Die Messung
wird recht aufwendig durch Beobachtung der Dehnung einer kompensierenden
Zusatzfeder über
eine Stellschraube durchgeführt.
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Aufgabe
ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Anordnung zur
Präzisions-Kraftmessung,
insbesondere zur Vermessung von örtlichen oder
zeitlichen Änderungen
der Erdbeschleunigung, geeignet für den Feldeinsatz, bei dem
die o.g. Nachteile des LR-Gravimeters vermieden werden: Für den Feldeisatz
sollen geringe Anforderungen an eine Temperaturstabilisierung gestellt
werden; aus Preisgründen,
aus Gründen
der Temperaturstabilität
und zur Vermeidung von Unwägbarkeiten
durch Reibung sollen mechanische Komponenten wie Lager, Getriebe
und Hebelmechaniken weitestgehend vermieden werden, die Meßempfindlichkeit
ist mit für
den Feldeinsatz vertretbarem Aufwand möglichst hoch zu treiben.
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Die
Aufgabe wird nach den Ansprüchen
1, 8 und 19 gelöst:
Zur
Kraftmessung wird ein elastisches Element eingesetzt, das bei linearer
Beanspruchung eine Drehbewegung um die Beanspruchungsrichtung ausführt. Ein
solches Element wird hier kurz Drehfeder genannt. Die Drehung wird
angezeigt oder gemessen oder aktiv kompensiert. Erfindungsgemäße Realisierungen
der Drehfeder werden weiter unten beschrieben. Unabhängig von
der Drehfeder-Realisieurng, aber bevorzugt in Kombination damit,
wird die Gewichtskraft, die auf die Feder wirkt, über einen
Winkelhebel ausgeübt,
an dessen erstem Hebelarm die Gewichtskraft wirkt und an dessen
zweitem Hebelarm die Federkraft wirkt, wobei Winkelhebelgeometrie,
Federkonstante und Gewichtsmasse so aufeinander abgestimmt sind,
dass im Arbeitspunkt sich eine differentielle Änderung des Winkelhebel-Drehwinkels
auf die damit verbundene differentielle Änderung des Drehmoments aufgrund
der Federkraft einerseits und die ebenso damit verbundene differentielle Änderung
des Drehmoments aufgrund der Gewichtskraft andererseits, sich gegenseitig
exakt oder nahezu kompensieren.
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Anmerkung:
In der o.g. Patentschrift
US
2 293 437 werden mit den
11 und
12 Anordnungen mit Winkelhebeln gezeigt,
mit denen angeblich die oben geschilderte Astasierung für beliebige
Auslenkungen realisierbar ist. Diese Anordnungen haben jedoch keine
differentielle Änderung
des Hebelarmlänge
und damit des Drehmoments aufgrund der Gewichtskraft und können insofern
differentiell nicht mit unendlicher Empfindlichkeit astasierend
sein. Und wenn es selbst differentiell nicht möglich ist, ist es für beliebige
Auslenkungen erst recht nicht möglich.
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Anmerkung:
Die Drehung wird erfindungsgemäß nicht über eine
(reibungsbehaftete) mechanische Zwangsführung, z.B. in Art einer Spindel
erreicht, sondern ist konstruktiv bedingt der Drehfeder inhärent, und
damit, von ggf. innerer Materialreibung abgesehen, prinzi piell reibunsgfrei,
siehe unten (erfindungsgemäße Gestaltungen
von Drehfedern).
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1 zeigt
eine bevorzugte Anordnung zur Kraftmessung, mit Winkelhebel-Mechanismus.
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2 zeigt
zusätzliche
Anordnungen zur Dämpfung
und zum Beaufschlagen mit einer zusätzlichen Kraft, unter Weglassung
des Winkelhebel-Mechanismus.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäße Anordnung
zur Erhöhung
der Empfindlichkeit des Systems.
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Die 4 bis 8 zeigen
Realisierungen von Drehfedern.
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9 zeigt
eine Anordnung zur Kompensation von Fehlern durch schwankenden Atmosphärendruck.
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In 1 und 2 ist
die Drehfeder 10 oben eingespannt (nicht gezeichnet) und
wird unten mit einer Gewichtskraft G belastet. Die zu messende Schwerkraft
G0 kann direkt oder indirekt auf die Drehfeder wirken (2:
direkt mit G=G0). In 1 ist die Wirkung indirekt über den
Winkelhebel 50, mit dem Übersetzungsverhältnis L1/L2.
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Es
muss nicht unbedingt, wie in 1 gezeichnet,
L1>L2 gelten. Der
Winkelhebel 50 besitzt einen ersten Hebelarm 51 und
einen zweiten Hebelarm 52. Genau besehen sind die Hebelarme
die Verbindungsgeraden zwischen Drehpunkt 53 (vorzugsweise
realisiert als Schneide(n)) einerseits und Schwerpunkt des Masse-Hebelsystems,
bzw. Angriffpunkt 54 andererseits. In 1 ist
der Angriffspunkt über
einen Torsionsdraht 55 oder mehrere Verbindungsdrähte 56 verbunden.
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In 1 ist
die Geometrie speziell so gewählt,
dass im Arbeistpunkt die Verbindungslinie 53-54 rechtwinklig
auf der Achse 1 steht (prinzipiell ist das nicht notwendig).
Dadurch verschwindet die differentielle Änderung der Hebelarmlänge dL2,
und die differentielle Kraftänderung
auf die Feder, durch Drehung des Winkel hebels liegt genau in Achsrichtung,
jeweils mit maximalem Messeffekt. Der wirksame Winkel M – 53 – 54 liegt
vorzugsweise bei 45 Grad.
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Gemessen
wird die Gewichtskraft G in Richtung der Achse 1 (kurz:
Achse). Als Gewichtsmasse M (kurz Masse) dienen in 2 die
Körper 2 und 3, in 1 der
Körper 9.
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Das
freie Ende (Zeichnung: das untere Ende) der Drehfeder ist mit einem
Drehspiegel 20 gekoppelt (in 1 direkt,
in 2 über
Verbindungsdrähte).
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Der
Vorteil der Umsetzung der Federnverlängerung auf eine Verdrehung
nach Anspruch 1 besteht darin, dass Verdrehungen berührungslos
mit großer Genauigkeit
vermessen werden können:
Wie z.B. von Drehspiegel-Galvanometern bekannt, kann ein Lichtstrahl
(Laser) auf den Drehspiegel gerichtet werden, der drehwinkelabhängig vom
Drehspiegel abgelenkt wird; der abgelenkte Lichtstrahl trifft in
großer Entfernung
auf eine Fläche
und erzeugt dort einen Lichtfleck, wo aufgrund des großen optischen
Hebelarms, im folgenden Lichtarm genannt, mit großer Verstärkung eine
Veränderung
der Winkelstellung abgelesen werden kann. Man kann ebensogut einen
Laserpointer direkt an der Masse oder am freien Ende der Drehfeder
befestigen und dadurch den Spiegel einsparen.
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Der
Nachteil solcher Anordnungen ist der grobe Platzbedarf. Das optische
Zusammenfalten des Lichtarms über
mehrere Spiegel wäre
ein Ausweg. Eine automatische Präzisions-Auswertung
der Position des Lichtflecks ist jedoch nicht einfach zu realisieren
und damit ein zunächst
verbleibender Nachteil, der erfindungsgemäß durch die folgende Anordnung
beseitigt wird:
Es ist eine Kamera 21 auf den Spiegel
gerichtet, die im Spiegel das Spiegelbild eines Musters 22 erfaßt. Ein
an die Kamera angeschlossenes oder in der Kamera integriertes Bildverarbeitungssystem
ist nicht gezeichnet. Ein solches Muster kann so gestaltet werden,
dass einerseits eine hochgenaue Positionsauswertung möglich ist
(Subpixel-Vermessung von Kanten, die sich quer zum Kantenverlauf
bewegen), andererseits kann über
eine geeignete Codierung innerhalb des Musters bewerkstelligt werden,
dass eine eindeutige Winkelbestimmung möglich ist, auch wenn immer
nur ein Teil des Musters im Spiegelbild sichtbar ist.
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Die
Verstärkungswirkung
des Lichtarms wird erfindungsgemäß dadurch
weiter vergrößert, dass das
ausgewertete Spiegelbild nach einfacher, bevorzugt mehrfacher Hin-Und-Her-Reflexion
zwischen dem Drehspiegel 20 und einem Festspiegel 25 entsteht,
siehe 3. Auf diese Weise wird nicht nur der Lichtarm
durch Faltung verlängert,
sondern das Bild wird durch die Drehung mehrfach ausgelenkt, wodurch
sich die Empfindlichkeit des Systems gleich vervielfacht (3:
4-fache Auslenkung).
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Anhand 2 werden
diverse Ausgestaltungen der Erfindung erläutert:
Die Körper 2 und 3 erfüllen neben
der Funktion der Masse weitere Funktionen:
Körper 2 (Option)
ist aus Nichteisen-Metall, befindet sich in einem Magnetfeld (Pole
N und S, Magnetfeld in der Zeichnung horizontal orientiert; optional
ist ein zweites, nicht gezeichnetes Magnetfeld senkrecht zur Zeichenebene
orientiert) und dient als Wirbelstromdämpfung.
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Körper 3 erzeugt
mit den Magnetschuhen N und S ein in Achsrichtung gesehen möglichst
homogenes, quer zur Achsrichtung ausgerichtetes Magnetfeld, in dem
sich ein stromdurchflossener Leiter 4 befindet (Stromrichtung
senkrecht zur Papierebene). Vorzugsweise damit (es wäre z.B.
auch mit einem Plattenkondensator möglich) wird eine künstliche Kraft
in Achsrichtung erzeugt, die für
Zwecke der Kompensationsmessung und/oder für Zwecke der Selbst-Skalierung
und/oder zur Unterdrückung
von Hystereseeffekten eingesetzt werden kann, Näheres siehe unten.
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Der
Nichteisen-Metall-Körper 5 (Option)
befindet sich ebenfalls im Feld eines mit Körper 3 beweglichen
Magneten und dient zur Wirbelstromdämpfung.
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Erfindungsgemäß wird die
Messung durch ein Kompensationsverfahren realisiert, durch Beaufschlagen
mit einer zusätzlichen
Kraft als Kompensationskraft, vorzugsweise hervorgerufen durch den stromdurchflossenen
Leiter 4 in einem Magnetfeld, wobei die Verlagerung des
Spiegelbilds auf Null abgeglichen wird und der Strom als Mass für die Kraft (relativ
zu einer Normalkraft) herangezogen wird. Die zusätzliche Kraft ist in der Größenordnung
der zu messenden Kraftänderungen,
nicht in der Größen- Ordnung der Gesamtkraft;
für die
Strommessung sind also keine hochgenauen Meßinstrumente erforderlich.
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Erfindungsgemäß wird durch
Beaufschlagen mit einer wechselnden Kraft mit Mittelwert Null, vorzugsweise
mit abklingender Amplitude, vorzugsweise hervorgerufen durch den
mit Wechselstrom abklingender Amplitude durchflossenen Leiter 4 im
Magnetfeld eines Körpers 3,
eine innere Hysterese der Drehfeder beseitigt.
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Die
zusätzliche
Kraft kann erfindungsgemäß auch zur
Normierung des Systems herangezogen werden, zur Kompensation von
Temperaturabhängigkeiten
und sonstigen Abhängigkeiten,
indem die Meßempfindlichkeit
gegen Stromänderungen
einerseits beim Eichen gemessen und gespeichert wird, und andererseits
die aktuelle Meßempfindlichkeit
bei einer aktuellen Messung nochmals bestimmt wird und mit der Empfindlichkeit
lichkeit beim Eichen in Bezug gesetzt wird. Durch diese Selbst-Skalierungsmethode
kann man z.B. eine Temperaturabhängigkeit
des Elastizitätsmoduls
der Drehfeder herausrechnen. Interessanterweise funktioniert dies
auch bei inhomogener Temperaturver teilung auf der Drehfeder exakt,
denn das Meßinstrument
selbst wird zur Korrektur herangezogen. Bei einem Kompensationsverfahren
genügt
es, das Verhältnis
der Empfindlichkeiten zu berechnen; allgemein kann man jedoch durchaus
auch komplette Kennlinien, vom Eichen einerseits und vom Messen
andererseits, miteinander verrechnen.
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Erfindungsgemäße Gestaltungen
von Drehfedern:
Schraubenfedern (Zylinderform) und Spiralfedern (Schneckenform)
zeigen bei Belastung die folgenden Effekte:
- a)
Verlängerung
in achsialer Richtung (dies ist der konventionell bei der Federwaage
und bei bisher bekannten Gravimetern gemessene Effekt),
- b) Verschlankung: der Federn-Radius (R in 4) wird
kleiner,
- c) Innere Verdrehung (Torsion) mit dem Effekt, dass sich das
freie Ende der Feder um die Federnachse verdreht, die Feder entwindet
sich bei Zug und verwindet sich bei Druck.
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Bei
dieser Erfindung wird der Effekt c) gemessen. Erfindungsgemäß werden
die folgenden Ausführungsformen
von Drehfedern vorgeschlagen, mit denen der Verdreheffekt stark
ausgeprägt
ist:
Der Querschnitt des Federndrahtes ist normalerweise kreisförmig oder
quadratisch, bei Spiralfedern (Schneckenform, z.B. Unruhe) gelegentlich
rechteckförmig,
mit der größeren Abmessung
in achsialer Richtung (aufgewickeltes Bandmaterial).
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Erfindungsgemäß ist bei
einer Drehfeder nach 4 im Gegensatz dazu in Achsrichtung
der Materialquerschnitt KLEINER (Drahtquerschnitt 13 vorzugsweise
rechteckförmig
oder oval). Dadurch wird die Steifigkeit in radialer Richtung (Veränderung des
Radius R) höher
als in Belastungsrichtung (Verbiegen in Achsrichtung), wodurch der
Effekt b) verkleinert und der erwünschte Effekt c) vergrößert wird. Der
Effekt kann z.B. erzielt werden, indem man mindestens zwei Federn
konzentrisch und bündig
ineinandersetzt und miteinander verbindet. Dadurch entsteht der
wirksame Drahtquerschnitt 14, 4.
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Auch
durch eine Anisotropie des Federmaterials kann erreicht werden,
dass die Steifigkeit in radialer Richtung höher als in Belastungsrichtung.
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Eine
weitere Gestaltung der Drehfeder zeigt 5. Hier
besteht die Drehfeder aus einem Drehfederbaustein 30 oder
einer Hintereinanderschaltung von mehreren Drehfederbausteinen,
die s-förmig
gebogene Federelemente 31, 31a besitzen, vorzugsweise
mindestens zwei, besonders bevorzugt mindestens drei Federelemente
pro Drehfederbaustein. Bei Druck oder Zug verbiegen sich die Federelemente,
so daß sich
die Ringe 32 drehen.
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Eine
weitere Gestaltung der Drehfeder zeigt 6. Hier
besteht die Drehfeder einfach aus einem zu einer Schraubenform verdrehten
(verdrillten) Flachmaterial.
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Eine
weitere Gestaltung der Drehfeder zeigt 7. Die Drehfeder
besteht aus zwei Schraubenfedern 41 und 42 mit
gleichem Durchmesser, die so ineinander gedreht sind, daß die Federndrähte der
beiden Schraubenfedern gegenüberliegen.
Die gegenüberliegenden
Drähte
sind durch ein oder mehrere Verbindungselemente 43 miteinander
gekoppelt (nur in einer Richtung gezeichnet; Koppelelemente sind bevorzugt
in verschiedene Richtungen orientiert, auch senkrecht zur Papierebene),
um radiale Verbiegung der Feder zu unterbinden. Entsprechende Anordnungen
mit mehr als zwei ineinander gedrehten Schraubenfedern sind dementprechend
realisiert; bei drei Schraubenfedern z.B. haben die Verbindungselemnente
bevorzugt drei dreieckförmig
angeordnete Verbindungsstellen.
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Die
Drehfeder wird vorzugsweise über
eine Luftkammerndämpfung
gedämpft,
indem die Feder sich in einem Rohr 11 befindet und mit
Dämpfungselementen 12 (Durchmesser
geringfügig
kleiner als Rohr-Innendurchmesser, für Luftspalt, ggf. mit zusätzlichen
kleinen Luftöffnungen)
versehen ist. Da Dehnungen in Achsrichtung mit Drehbewegung gekoppelt
sind (Verschlankung ist unterbunden), werden mit den Dehnungen gleichzeitig
auch Drehungen gedämpft.
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Wie
oben zu 1 bereits beschrieben, können zusätzlich Wirbelstromdämpfungen
eingesetzt werden.
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Natürlich kann
anstelle von 1/2 auch eine
Anordnung mit einer auf Druck beanspruchten Drehfeder realisiert
werden.
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8 zeigt
eine beispielhafte Kombination von ineinander montierten Drehfedern.
Grundsätzlich können Drehfedern
unterschiedlicher oder gleicher Art kombiniert werden. Zur Platzersparnis
sind bevorzugt mehrere Federn (konzentrisch) ineinander montiert,
die hintereinandergeschaltet sind und bevorzugt wechselweise auf
Druck und Zug beansprucht werden (Feder 61 auf Zug, Feder 62 auf
Druck, Feder 63 auf Zug). In 8 könnten z.B.
die Drehfedern 61 und 62 nach 7 und
die Drehfeder 63 nach 4 realisiert
sein.
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Ein
bisher nicht berücksichtigte
Fehlerursache ist schwankende Auftriebskraft aufgrund schwankenden
Atmosphärendrucks.
Das LR-GRavimeter wird zur Vermeidung solcher Fehler gekapselt. Erfindungsgemäß wird der
Effekt unterbunden durch einen Auftriebskörper 55 (vorzugsweise
Hohlkörper oder
Körper
aus leichtem Material), der so bemessen und am Winkelhebel befestigt
ist, dass er im Arbeitspunkt das durch Auftriebskraft des restlichen
Systems (alle bewegliche Komponenten) verursachte Drehmoment kompensiert,
siehe 9.
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Vorteile:
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- – Mechanische
Komponenten wie Lager, Getriebe und Hebelmechaniken zur Kompensation
entfallen.
- – Reibung
entsteht nur minimal an der Schneide 54, eventuell durch
eine innere Reibung der Drehfeder.
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(Dadurch
entstehende) Hysterese wird über eine
abklingende Zusatzkraft vermieden.
- – Es wird
nur die Drehung, nicht die Verschiebung in Belastungsrichtung vermessen.
Dadurch ergeben sich die folgenden wesentlichen Vorteile:
- – Über die
Lichtzeiger-Methode können,
(wie das von Spiegelgalvanometern bekannt ist) extrem kleine Winkeländerungen
erfasst werden, indem man die Position des durch den Lichtzeiger
verursachten Lichtflecks in grosser Entfernung misst.
- – Über Vermessung
der Verschiebung eines Spiegelbilds, nach mehrfacher Hin-und-Her-Reflexion, können extrem
kleine Winkeländerungen
bei geringem Platzbedarf erfasst und automatisch ausgewertet werden.
- – Temperatureinflüsse auf
die Halterung des Systems spielen keine Rolle, da die Verdrehung
gemessen wird. Eine Halterungskonstruktion, die sich bei Temperatureinfluß nur ausdehnt,
aber nicht verdreht, ist sehr einfach zu realisieren.
- – In
erster Näherung
spielen auch die Temperatureinflüsse
auf die Feder keine Rolle (Bei Dehnung der Feder, in alle Richtungen
gleichförmig,
bleibt der Messwinkel erhalten). Lediglich der Einfluß der Temperatur
auf den Elastizitätsmodul
kann eine Rolle spielen; dieser kann durch geeignete Materialien
wie Nivarox erheblich reduziert werden.
- – Verbleibende
Temperatureinflüsse
oder sonstige systematische Meßfehler
werden durch die geschilderte Selbst-Skalierungsmethode herausgerechnet.
- – Fehler
durch schwankenden Atmosphärendruck werden über einen
Auftriebskörper
kompensiert.
- – Die
hier vorgeschlagene Anordnung zur Astasierung bietet die folgenden
Vorteile:
- – Über das Übersetzungsverhältnis L1/L2
kann kann man mit einer relativ kleinen Gewichtsmasse arbeiten.
- – Im
Gegensatz zum LR-Gravimeter ist es nicht erforderlich, eine Null-Längen-Feder
zu verwenden; eine solche Feder ist schwierig herzustellen.
- – Im
Gegensatz zum LR-Gravimeter kann die Feder, wie gezeichnet, vertikal
orientiert sein (die Feder ist allerdings nicht notwendigerweise
senkrecht orientiert); daraus resultiert u.a. eine einfachere Realisierung
der Luftkammerdämpfung,
da die Feder nicht in Richtung Rohr 11 durchhängen kann
und somit im Betrieb auch bei sehr kleinem Luftspalt keine Reibung
verursacht. Rohr 11 dient dann gleichzeitig als Schutz
gegen seitliche mechanische Stöße beim
Transport.