DE1070835B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Es sind Gravimeter bekannt, bei denen die zum Instrument gehörige Gravimetermasse durch elastische Elemente derart in einer Gleichgewichtslage gelagert ist, daß Schwereänderungen, die eine Gewichtsänderung der Masse zur Folge haben, eine Ortsverlagerung der Masse in eine neue Gleichgewichtslage derart bewirken, daß durch die Massenbewegungen zusätzliche Kraftwirkungen durch die Gravimetermasse selbst, z. B. in Form von Drehmomenten, ausgelöst werden, die die Massenbewegung unterstützen und damit über die reine Schwerkraftwirkung hinaus eine Vergrößerung der Anzeige herbeiführen. Derartige Gravimeter sind im allgemeinen so ausgebildet, daß sich Schwereänderungen entweder als Längenänderung einer Feder zu erkennen geben, oder auch in anderen Ausführungsformen als Winkeländerungen. Gemeinsam ist allen Geräten dieser Art die Benutzung von Metall- oder Quarzfedern, die die Gravimetermasse tragen bzw. in geeigneter Weise abstützen und die bei Schwerkraftänderungen eine entsprechende elastische Deformation erfahren, die als Dehnung, Stauchung, Knickung oder Verdrehung nach außen hin in Erscheinung treten kann. Der eingangs erwähnte Kunstgriff, der letztlich eine Empfindlichkeitssteigerung der Meßeinrichtung bezweckt, ist in zahlreichen Varianten bekanntgeworden.

Es ist auch bekannt, zusätzliche Kraftwirkungen an Gravimetern, die nach Art der Hebelwaage ausgebildet sind, dadurch zu erzeugen, indem man die Gravimetermasse selbst mit beweglich gelagerten zusätzlichen Elementen versieht, die fest mit dem Gravimetersystem verbunden bei Neigungen der Waage ihrerseits Schwerpunktsverlagerungen derart erfahren, daß das an der Waage wirksame Drehmoment vergrößert wird. Hierzu sind Horizontalpendel, Flüssigkeitslibellen oder auch auf gekrümmter Unterlage beweglich gelagerte Kugeln oder Rollen vorgeschlagen worden, deren Lage mit der Verschiebung der Gravimetermasse veränderlich ist. Die bekannten Vorschläge in dieser Richtung haben jedoch wegen zahlreicher technischer Schwierigkeiten nicht zu praktisch verwendbaren Instrumenten geführt. Im besonderen bereitet es infolge der überaus großen Meßempfindlichkeit solcher Anordnungen Umstände, die zusätzlichen Elemente in ihrer temperaturabhängigen Arbeitsweise bzw. in ihrem Schwingungsverhalten so weit zu stabilisieren, daß die durch sie theoretisch mögliche Empfindlichkeitssteigerung auch nur angenähert ausnutzbar wird. Es ist weiterhin bekannt, die Meßempfindlichkeit der gravi metrischen Einrichtungen dadurch zu steigern, indem man die Gravimetermasse selbst bei Schwereänderungen beeinflußt. Hierzu wird nach einem bekannten Vorschlag zu einer elastisch abgestützten flüssigen und in einem Gefäß angeordneten Gravimetermasse über geeignete Vorrich-

Anmelder: Askania-Werke Aktiengesellsdiaft, Berlin-Friedenau, Bundesallee 86-89

Dipl.-Ing. Fritz Haalck, Berlin-Wilmersdorf, ist als Erfinder genannt worden

tungen bei deren Verlagerung Flüssigkeit zu- oder abgeführt.

Jede der erwähnten Maßnahmen bezweckt es, über den Einfluß der reinen Gewichtsänderungen hinaus Kräfte wirksam werden zu lassen, die den Nachweis der zu messenden Gravitationsänderungen erleichtern. Auch die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem derartigen Gravimeter. Sie befaßt sich mit einem Gravimeter, dessen Gravimetermasse durch elastische Mittel in einer Gleichgewichtslage gelagert ist und bei dem die Vorrichtungen, die dem Nachweis der unter dem Einfluß von Schwereänderungen eintretenden Lageänderungen der Masse dienen, so ausgebildet sind, daß sie auf das eigentliche Gravimetersystem einen astasierenden Einfluß nehmen können, indem sie die Verlagerungen der Gravimetermasse unterstützen. Ein derartiges Gravimeter, bei dem im wesentlichen die Wirkung eines stark inhomogenen magnetischen Feldes zur Erzeugung zusätzlicher Kräfte herangezogen wird, ist bereits vorgeschlagen worden. Gravimeter dieser Ausbildung weisen den Vorzug auf, daß man sie weitgehend unbeeinflußt durch komplizierte Astasierungsmaßnahmen baulich so ausbilden kann, daß sie ein günstiges Schwingungsverhalten aufweisen. Es war das Ziel der Erfindung, ein Gravimeter anzugeben, bei dem im Prinzip rein mechanisch-optische Mittel zur empfindlichen Anzeige von Schwerkraftänderungen herangezogen werden können. Im besonderen sollten die Unzulänglichkeiten der bekannten Gravimeter beseitigt werden, die aus den zur Stabilisierung derjenigen Teile, die zusätzliche Kraftwirkungen am Gravimetersystem bewirken, erforderlichen Maßnahmen resultieren. Das Gravimetersystem soll dabei gleichzeitig einfach in seinem Schwingungsverhalten beherrschbar sein und eine kurze Baulänge aufweisen.

Bei einem solchen statischen Gravimeter, dessen Gravimetermasse durch elastische Mittel in einer Gleichgewichtslage gelagert ist und das mit Mitteln zum Nachweis der bei Änderungen der Schwerewirkung eintretenden Lageänderungen der Gravimetermasse

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versehen ist, ist erfindungsgemäß zwischen der beweglich gelagerten Gravimetermasse und einem ortsfest verbleibenden Gravimeterbestandteil ein an sich bekanntes astatisch ausbildbares und mit einem Reflektor versehenes Pendel derart angeordnet, daß sich Lageänderungen der Gravimetermasse als Drehungen und/oder Neigungen des Pendelkörpers auswirken und zum Nachweis der Pendelbewegungen und damit der Gravitationsänderungen ein über den Pendel reflektor geführter Lichtzeiger verwendet wird.

Pendel mit astatischen Aufhängemitteln sind an sich bekannt. Sie werden für den Bau seismometrischer Einrichtungen, zur Erstellung von Neigungsmessern und zur Stabilisierung von Ziellinien optischer Visiervorrichtungen herangezogen. So ist beispielsweise eine Vorrichtung zur Bestimmung kleiner Neigungen oder der Lotrichtung bekanntgeworden, die nach Art bekannter Pendelwaagen ausgebildet einen Pendelkörper aufweist, der an nach Art eines Gelenkvierecks gegeneinander orientierten Aufhängemitteln an einem Neigungskörper, dessen Neigungen gegen die Horizontalebene bestimmt werden sollen, befestigt ist. Ähnliche Pendelformen sind auch bereits zur dynamischen Schweremessung herangezogen worden.

Die vorliegende Erfindung weist einen Weg zur Anwendung derartiger Pendel in statischen Schweremessern. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß deren Anwendung nach dem Erfindungsvorschlag in statischen Gravimetern trotz der dem Pendel eigenen Neigungsempfindlichkeit möglich ist, wenngleich in transportablen Geräten besondere Maßnahmen zur Beseitigung des Einflusses der Neigungsempfindlichkeit getroffen werden müssen.

Die Aufhängung der astatisch gelagerten Pendelmasse erfolgt an Fäden oder Bändern, die nach Art der aus der Getriebelehre her bekannten Gelenkvierecke gegeneinander orientiert sind. Die Aufhängemittel werden bevorzugt so ausgebildet, daß Pendel mit verhältnismäßig kurzer Baulänge jedoch sehr langsamer Schwingungsdauer entstehen. Ein nach der Erfindung ausgebildetes Gravimeter hat dann den Vorzug, daß seine Eigenperiodizität aus dem Bereich der seismischen Bodenunruhe verlagert wird. Hierzu ist eine geeignete Lage des Schwerpunktes der Pendelmasse bezüglich der an ihr gelegenen Befestigungspunkte der Aufhängemittel unter Berücksichtigung der Geometrie der Aufhängemittel erforderlich.

In den Fig. 1 bis 3 sind als Ausführungsbeispiele zwei Gravimeter, die dem Erfindungsvorschlag entsprechen, im Prinzip dargestellt und erläutert.

In Fig. 1 bezeichnet 1 die Gravimetermasse, die von einer am Gehäuse 3 des Gravimeters befestigten Feder 2 getragen wird. Die bei Schwereänderungen eintretenden Gewichtsveränderungen der Gravimetermasse 1 bewirken eine Längenänderung der Feder 2. Dem Nachweis dieser Längenänderung dient der als reflektierendes optisches Element ausgebildete Pendelkörper 4, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus zwei aneinanderliegenden Glasprismen besteht, deren Berührungsfläche 5 verspiegelt ist. Der Pendelkörper 4 ist an Fäden bzw. Bändern 6 und 7 zwischen der Gravimetermasse 1 und einem ortsfest verbleibenden Punkt 8 des Gravimeter aufgehängt. In der Fig. 2 ist die im vorliegenden Ausführungsbeispiel gewählte Art der Aufhängung dargestellt. Dabei sind vier sich paarweise kreuzende Fäden oder Bänder verwendet.

Über den Reflektor 5 ist der Lichtzeiger 9 geführt, der am Spiegel 10 reflektiert, über 5 zurück in das Okular 12 eines Ablesemikroskops gelangt. Diese nach Art bekannter AutokoHimationssysteme zu denkende Vorrichtung gestattet es mit Hilfe der Skala 11, Lageänderungen der Gravimetermasse 1 zu beobachten. Der Reflektor 5 erfährt bei Ortsverlagerungen der Gravimetermasse 1 ebenfalls Ortsverlagerungen, die je nach Lage des Schwerpunktes des Indikators 4 als Neigungen und/oder Drehungen in Erscheinung treten, die dann auf den Lichtzeiger 9 übertragen werden. Zur Justierung und Bemessung der Empfindlichkeit der Anordnung wird in weiterer Ausbildung der Erfindung

ίο der Pendelkörper mit Mitteln zur Verlagerung seines Schwerpunktes in vertikaler Richtung versehen.

Bei Ortsverlagerungen der Gravimetermasse 1 wandert der Schwerpunkt des Pendels in Abhängigkeit von den Bewegungen der Gravimetermasse 1 entweder nach links oder rechts aus seiner Normallage aus und erzeugt durch Verlagerung seines Schwerpunktes Kräfte, die über 6 auf die Gravimetermasse übertragen werden. Diese Kräfte unterstützen die Bewegung der Gravimetermasse, so daß also mit dieser Anordnung eine die Meßempfindlichkeit steigernde astasierende Wirkung verknüpft ist. Die Größe des Astasierungseffektes hängt von der Geometrie der Aufhängung des Pendelkörpers 4 bzw. von der Lage dessen Schwerpunktes ab.

Bei geeigneter Ausbildung dieser Anordnung kann der reine Astasierungseffekt neben dem reinen Vergrößerungseffekt der Nachweismittel extrem stark zurücktreten, und es hat sich gezeigt, daß auch bei einer derartigen Ausbildung der Lageindikationsmittel eine in vielen Fällen als ausreichend anzusehende Ubersetzung der linearen Verschiebung der Gravimetermasse erzielbar ist.

Ein Nachteil des Gravimeters nach Fig. 1 ist seine außerordentliche Neigungsempfindlichkeit, die aus der Eigenart des astatisch ausbildbaren Pendels resultiert.

In weiterer Ausbildung der Erfindung wird deshalb eine Gravimeterausbildung zur Beseitigung dieses Nachteiles vorgeschlagen, bei der zwei Pendel der bezeichneten Art antisymmetrisch im Gravimeter angeordnet sind. Die Fig. 3 zeigt ein solches Gravimeter. In dem wieder als schematisches Ausführungsbeispiel zu verstehenden Gravimeter bezeichnet 20 die Gravimetermasse, die mittels der beiden Federn 21 und 22 am Gehäuse 24 des Gravimeters reibungsfrei gelagert und befestigt ist. 23 und 23' bezeichnen an sich bekannte Mittel zur Dämpfung der Gravimetermasse (Luftdämpfung). Wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 dienen hier die wieder als Reflektoren ausgebildeten Pendelkörper 25 und 26 dem Nachweis der Lageänderungen der Gravimetermasse 20. Beide Reflektoren sind mittels der Fäden bzw. Bänder 25', 25" und 26', 26" an der Masse 20 und an dem ortsfest verbleibenden Gehäuseteil 24' aufgehängt. Die Reflektoren 25, 26 sind so gegeneinander ausgerichtet, d. h. ihre Aufhängung ist so gewählt, daß sie sich bei Verlagerungen der Masse 20 in gegenläufigem Sinne bewegen. Zur willkürlichen Beeinflussung der Empfindlichkeit der gesamten Meßanordnung dienen die Laufgewichte 29, 30, die es gestatten, die Schwerpunktslage der einzelnen Pendelkörper einzustellen.

Wie in Fig. 1 laufen über beide Reflektoren Lichtzeiger, die an den ortsfesten Gegenspiegeln 27, 28 reflektiert und über 25, 26 zurück in das Okular eines Ablesemikroskops 31 gelangen. Beide Lichtzeiger bewegen sich bei Schwereänderungen, die eine Verlagerung der Gravimetermasse 20 bedingen, im Gesichtsfeld des Okulars 31 auf Grund der speziellen Anordnung der Indikatoren an einer Biidtrennungskante (vgl. Fig. 4, in der das Gesichtsfeld des Okulars 31 und 31' angedeutet ist), gegenläufig, so daß also — unabhängig von der mit den Pendelkörpern 25, 26 erziel-

Claims (8)

baren Vergrößerung — eine Verdoppelung der Empfindlichkeit erfolgt. In der beschriebenen Anordnung gehen Neigungen des Gravimetersystems im Prinzip nicht mehr in die Messung ein, denn bei solchen Neigungen werden die Lichtmarken im Okular 31 in gleicher Richtung verschoben, so daß deren Koinzidenz in der Nullage des Gravimeters nicht gestört wird. Darüber hinaus ist die richtige Justierung der Nachweismittel mit der beschriebenen Anordnung einfach kontrollierbar. Schweremessungen werden mit dem vorliegenden Gravimeter zweckmäßig nach einer an sich bekannten Nullmethode vorgenommen. Zur Ausführung solcher Messungen dient die im Hintergrund der Fig. 3 angedeutete weiche Rückholfeder 32, die es unter Benutzung der mit ihrem Betätigungsknopf 33 angedeuteten Feinmeßspindel gestattet, Lageänderungen der Gravimetermasse 20 meßbar durch Beobachten der Lichtzeiger im Okular 31 rückgängig zu machen. Das Ablesemikroskop 34 dient zur Ablesung der Meßspin- ao delteilung, die Aufschluß über die zu messenden relativen Schwereänderungen gibt. Die Mittel, die zur Zusammenführung der beiden über 25, 26 laufenden Lichtzeiger in das Ablesemikroskop 31 notwendig sind, sowie die Mittel zur Ablesung »5 bzw. Beleuchtung der Mikrometerteilung sind der Einfachheit wegen und weil sie den eigentlichen Gegenstand der Erfindung nicht betreffen, nicht näher dargestellt. Es soll hinzugefügt werden, daß zahlreiche Variationen des Erfindungsvorschlages im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich sind. Tm besonderen wären abweichend von den obigen Ausführungsbeispielen Änderungen in der Art der Anordnung der die astasierende Wirkung bedingenden Nachweismittel denkbar, wobei sich besonders die eine oder die andere Art der Aufhängung der Pendelkörper, z. B. mit sich nicht kreuzenden Bändern, als vorteilhaft erweisen könnte. Weiterhin ist der Erfindungsvorschlag nicht an die skizzierte Art der Federanordnung oder -ausbildung gebunden, und es könnten die Abmessungen der Aufhängemittel unter Berücksichtigung bzw. Auswahl der Schwerpunktslage des Indikators so bemessen werden, daß sich aus dem Zusammenwirken des Astasierungseffektes und der ohnehin mit der Anordnung erzielbaren Vergrößerung, die aus der reinen Geometrie der Anordnung hervorgeht, ein maximales Übersetzungsverhältnis für die Anzeige der Gravimetermassenverlagerung ergäbe. In jedem Fall jedoch ist es nach dem Erfindungs-Vorschlag möglich, die Gravimeter so auszubilden, daß eine Messung der Massenverlagerung ohne Zuhilfenahme störanfälliger z. B. fotoelektrischer oder magnetischer Hilfsmittel erfolgen kann, wenn sich diese auch für die Fälle, daß an eine Registrierung der Schwerewerte gedacht ist, nicht vermeiden lassen. Patentansprüche:

1. Statisches Gravimeter, dessen Gravimetermasse durch elastische MitteJ in einer Gleichgewichtslage gelagert ist und das mit Mitteln zum Nachweis der bei Änderungen der Schwerewirkung eintretenden Lageänderungen der Gravimetermasse versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der beweglich gelagerten Gravimeter-

masse (1) und einem ortsfest verbleibenden Gravij meterl>estandteil (8) ein an sich bekanntes, astatisch ausbildbares und mit einem Reflektor (5) versehenes Pendel (4, 6, 7) derart angeordnet ist, daß sich Lageänderungen der Gravimetermasse (1) als Drehungen und/oder Neigungen des Pendelkörpers (4) auswirken und dadurch, daß zum Nachweis der Pendelbewegungen und damit der Gravitationsänderungen ein über den Pendelreflektor (5) geführter Lichtzeiger (9) verj wendet ist. ^: i

2. Gravimeter nach Anspruch 1, dadurch get kennzeichnet, daß der Pendelkörper (4) an mindef stens zwei flexiblen Fäden oder Bändern (6, 7-j zwischen dem ortsfesten Graviineterlwstandteil (8) und dem beweglichen Gravimetersystem (1) angeordnet ist.

3. Gravimeter nach Anspruch 2, dadurch gekenn^ zeichnet, daß die flexiblen Aufhängemittel (66) des Pendels gegeneinander nach Art eines Gelenkvierecks, vorzugsweise sich kreuzend, orientiert sind

4. Gravimeter nach einem der Ansprüche, 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Elimination von Neigungseinflüssen zwischen ortsfesten Bestandteilen (24') des Gravimeters und der Gravimetermasse (20) zwei astatisch ausbildbare Pendel (25, 26) derart angebracht sind, daß Bewegungen des beweglichen Gravimetersystems gegenläufige Bewegungen der Pendelkörper bewirken.

5. Gravimeter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die über die beiden Pendel geführten Lichtzeiger im Gesichtsfeld einer optischen Ablesevorrichtung (31) derart zusammengeführt sind, daß sie sich bei Lageänderungen des beweglichen Gravimetersystems gegenläufig bewegen.

6. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtzeigernachweismtttel nach Art bekannter Autoköllimationsbeobachtungssysteme ausgebildet sind.

7. Gravimeter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Pendelkörper mit Mitteln (29, 30) zur willkürlichen Verlagerung ihrer Schwerpunktslage ausgestattet sind.

8. Gravimeter nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die unter dem Einfluß von Schwereänderungen eintretenden Lageänderungen einer von elastischen Kräften in einer Gleichgewichtslage gehaltenen Gravimetermasse zur Bestimmung der Schwereänderungen gemessen werden und zum Nachweis der Lageänderungen dieser Gravimetermasse durch Bänder oder Fäden zwischen der Gravimetermasse und einem ortsfest verbleibenden Gravimeterbestandteil angeordnete Nachweismittel vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in Abänderung des Gravimeters nach diesen Ansprüchen die Nachweismittel so ausgebildet sind, daß der AstasierungsefFekt neben dem reinen mit dem Pendel erzielbaren Vergrößerungseffekt zurücktritt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 174 741;
USA.-Patentschrift Nr. 2 117 471;
Zeitschrift für Geophysik, 1939, S. 41 bis 46.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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