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Gerät zum Feststellen und Messen von Änderungen des Gradienten der
Vertikalkomponente des Erdschwerkraftfeldes aus der Luft oder vom Boden aus Die
Erfindung betrifft ein Gerät zum Feststellen und Messen von Anderungen des Gradienten
der Vertikalkomponente des Erdschwerkraftfeldes aus der Luft oder vom Boden aus.
Es wurde festgestellt, daß man den vertikalen Schwerkraftgradienten durch aufeinanderfolgende
Messungen mit einem in verschiedener Höhe in einem auf der Erde stehenden Halter
angebrachten Gravimeter feststellen kann. Entsprechende Versuche wurden unter Verwendung
von Stativen und Türmen durchgeführt, jedoch waren die Ergebnisse nicht zufriedenstellend,
da beim Auf- und Abwärtsbewegen des Gravimeters entstehendeSchwingungen sowie auch
Windstöße eine ausreichende Genauigkeit verhinderten. Bei einem derartigen Experiment
wurde mit einem 3,6 m hohen Stativ und einem Gravimeter gearbeitet, wobei die zur
Messung erforderliche Zeit an jeder Station all/2 Stunden betrug. Die Arbeit wurde
in einem Tal mit bekannten Schwerkrafteigenschaften durchgeführt; es wurde ein Stativ
ausreichender Höhe verwendet, damit eine Veränderung der Höhe des Gravimeters von
etwa 3,6 m möglich war.
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Es stellte sich heraus, daß der Bedienende das Gerät oder das Stativ
bei seinen Beobachtungen nicht berühren konnte, so daß für ihn eine erhöhte Plattform
gebaut oder eine Leiter aufgestellt werden mußte. Die für die Messung an jeder Station
erforderliche Zeit wurde schließlich auf 10 bis 15 Minuten verkürzt. Man mußte aber
verhältnismäßig windstille Zeiten abwarten und den Abtrieb des Gerätes überwachen.
Es wurden Beobachtungen an elf etwa 800 m auseinanderliegenden Stationen gemacht.
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Das Experiment hat gezeigt, daß es auf diese Weise möglich ist, praktische
Messungen des vertikalen Schwerkraftgradienten vorzunehmen, wenn größte Sorgfalt
aufgewendet wird, jedoch können die theoretischen und praktischen sich aus dem Experiment
ergebenden Folgerungen noch nicht vollständig übersehen werden, da offensichtlich
weitere Experimente notwendig sind, bevor ein endgültiges Urteil über die praktische
Durchführbarkeit dieses Verfahrens abgegeben werden kann. Diese Methode ist jedenfalls
sehr zeitraubend.
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Die Beschaffenheit der Erdoberfläche ist ein Faktor, der häufig auf
die von der Erdoberfläche aus durchgeführten Schwerkraftmessnngen einwirkt, und
solche Eigenheiten der Erdoberfläche, wie dichte Wälder, starkes Unterholz, Marschland,
Flüsse und kahle Berge, können oft unüberwindliche Schranken für das praktische
Arbeiten darstellen oder zumindest einen großen Zeitaufwand und hohe Kosten verursachen.
Ein Versuch, diese Schwierigkeiten zu über-
winden, sieht vor, daß ein Gravimeter
mittels Hubschrauber oder Kleinluftschiff zu den gewünschten Punkten gebracht und
dort mit einem Kabel zur Erde herabgelassen wird. Das Gerät wird von einem mit Spitzen
versehenen Stativ getragen und ist so schwer, daß die Spitzen in den Erdbodenn eindringen
und das Gerät in seiner Lage halten, während das Stativ gleichzeitig als Anker für
das Flugzeug dient. In dem Gerät sind Mittel für das automatische Ausrichten sowie
das Anzeigen der Schwerkraftmessung eingebaut, so daß die Ablesung durch den Bedienenden
vorgenommen werden kann, wenn das Gerät später in das Flugzeug hochgezogen wird.
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Die Ablesung der Schwerkraft ist aber so lange wertlos, als keine
Mittel zur genauen Bestimmung der Höhe der Station vorgesehen sind. Zwei Ausführungsformen
solcher Mittel sind bekannt, von denen die eine teleskopischer Natur und etwas kompliziert,
die andere ungenauer, jedoch schneller ist, wobei Funkübertragungsanlagen an zwei
oder mehr Erdstationen verwendet werden. In dieser Weise durchgeführte Schwerkraftmessungen
werden in dem auszumessenden Bereich an gewünschten Stellen wiederholt, wobei das
Gerät auf dem Luftwege von
Station zu Station transportiert wird
und die Messungen auf der Erde vorgenommen werden.
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Beim Schwerefeldvektor sind die horizontalen und die vertikalen Komponenten
sehr ungleich, wobei jedoch die vertikale Komponente meist nahezu gleich dem Gesamtvektor
ist, und es ist eine anerkannte Tatsache, daß Gradientenmessungen im Gegensatz zu
absoluten Messungen und insbesondere Messungen des Vertikalgradienten die aufschlußreicheren
Daten bei der geophysikalischen Suche nach Minerallagern liefern.
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Der vertikale Gradient ist die erste Ableitung des Schwerefeldes
in einer vertikalen Richtung, und die Gleichungen, die sowohl diese Ableitung als
auch die zweite Ableitung ausdrücken, sind dem mit dieser Tätigkeit befaßten Fachmann
geläufig. Diese Ableitungen haben die Eigenschaft, daß sie bequem die einzelnen
Wertangaben liefern, jedoch war es bisher notwendig, die Ableitungen aus Daten zu
errechnen, die durch unmittelbar auf dem Erdboden mit bekannten Geräten zur Messung
der Schwerkraft, wie beispielsweise Torsionswaage, Pendel oder Gravimeter, durchgeführte
Beobachtungen gewonnen wurden. Dieses Verfahren macht nicht nur die erwähnte beschwerliche
und zeitraubende Arbeit, sondern auch umfangreiche mathematische Berechnungen notwendig,
die unvermeidlich menschlichen Irrtümern unterliegen, während die bei den Berechnungen
verwendeten Gleichungen und Formeln nur annähernd gelten.
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Demgegenüber gestattet die vorliegende Erfindung mittels eines einfachen
Gerätes und eines einfachen Verfahrens das automatische Messen und das kontinuierliche
gleichlaufende Aufzeichnen derAnderungen im Gradienten der vertikalen Komponente
des Erdschwerkraftfeldes, also einer Ableitung dieses Schwerefeldes; Messung und
Aufzeichnen erfolgen, während das Gerät über dem nach Minerallagern zu erforschendem
Gebiet durch die Luft geflogen wird und damit von den örtlichen Bodenbeschaffenheiten
gänzlich unabhängigist.DieNotwendigkeit absoluterMessungen oder Bestimmungen ist
eliminiert. Die Wirkungen der horizontalen Komponenten des Schwerefeldes sind beseitigt.
Die kritischen und bedeutsamen Teile der Ableitung des Gradienten werden in Karten
eingetragen, und das ganze Verfahren zeichnet sich so durch Schnelligkeit åus, daß
beispielsweise 75 Quadratmeilen Gelände in etwa einer Stunde ausgemessen und kartenmäßig
erfaßt werden können, was völlig außerhalb jedes Vergleiches mit der Leistungsfähigkeit
oder Anpassungsfähigkeit der bisher bekannten Verfahren liegt.
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Die Erfindung geht dabei von einer bekannten Bauweise aus, bei welcher
mehrere in einem senkrechten Abstand voneinander angeordnete bewegliche und auf
die Schwerkraft ansprechfähige Massen Verwendung finden.
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Die bisher bekannten Geräte, bei denen, wie oben angeführt, mit mehreren
übereinander angeordneten Massen gearbeitet wird, sind für diese Zwecke unbrauchbar.
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In diesem Falle hängen die Massen an Federn, was es erforderlich
macht, sie bei einem Transport des Gerätes zu arretieren, damit dieses überaus empfindliche
Instrument hierbei keinen Schaden erleidet.
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Für den Einsatz in einem Falle, bei welchem das Gerät fortlaufend
bewegt werden würde, ist es also unverwendbar.
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Die Erfindung wendet sich demgegenüber einer grundlegend neuartigen
Bauweise für solche Geräte zu, deren wesentliches Merkmal darin besteht, daß die
Massen an einen aufgehängten Teil auf gegenüberliegenden Seiten von dessen Aufhängepunkt
angelenkt sind, so daß sie unter dem unterschiedlichen Einfluß, den die Schwerkraft
auf sie entsprechend ihrem senkrechten Abstand voneinander ausübt, in einander entgegengesetzten
Richtungen bewegbar sind, und daß die Bewegungen der Massen gegeneinander in Anderungen
einer elektrischen Meßgröße umsetzbar sind, die zum Anzeigen und/oder Registrieren
einer eingetretenen Gradientenänderung dient.
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Hierbei kann man so verfahren, daß den beiden Massen plattenförmige
Teile zugeordnet sind, die mit den Massen je einen kapazitätsveränderlichenKondensator
bilden und diese Kondensatoren in einer Kapazitätsmeßbrücke liegen, vermittels der
Größenänderungen der Kapazitäten letzten Endes als Gradientenänderungen sichtbar
gemacht und/oder registriert werden können.
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Damit das Gerät auch bei größeren Beanspruchungen im Einsatz ein
befriedigendes Verhalten zeigt, empfiehlt es sich, es mit einer elektrischen Einrichtung
zum Dämpfen der senkrechten Bewegungen auszustatten.
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Das Dämpfen der senkrechten Bewegungen kann auf besonders einfache
und vorteilhafte Weise dadurch geschehen, daß die Massen an den einen Pol, ihre
zugeordneten plattenartigen Teile an den anderen Pol einer insbesondere rhythmisch
intermittierend einschaltbaren Gleichstromquelle angeschlossen werden.
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Weiterhin ist es von Wert, das Gerät mit einer Einrichtung auszustatten,
die dazu dient, eine seitliche Verlagerung der Massen, die als eine Folge der Wirkung
der Horizontalkomponente des Erdschwerkraftfeldes auf diese Massen auftreten könnte,
zu unterbinden.
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Letzteres läßt sich leicht und mit einem geringen Aufwand erreichen,
wenn man die Massen mit einem rohrartigen Gehäuseteil ummantelt und diesen Gehäuseteil
an den einen Pol, die beiden Massen an den anderen Pol einer insbesondere rhythmisch
intermittierend einschaltbaren Gleichstromquelle anschließt.
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Einen sehr wertvollen Beitrag zur bestmöglichen Durchführung des
Betriebes mit einem solchermaßen aufgebauten Gerät stellt es dar, wenn man erfindungsgemäß
schließlich weiterhin so verfährt, daß die Stromversorgung der Kapazitätsmeßbrücke,
der Einrichtung zum Dämpfen der senkrechten Bewegung der Massen sowie der Einrichtung
zum Verhindern der seitlichen Verlagerungen dieser Massen über ein allen gemeinsames
Schaltgerät erfolgt, welches die Brücke und die beiden anderen genannten Einrichtungen
während der Benutzung des Gerätes selbsttätig fortlaufend in einer zyklischen Aufeinanderfolge
abwechselnd ein- und ausschaltet.
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In der Zeichnung ist eine praktische Ausführungsr form der Erfindung
schematisch dargestellt, die nachstehend beschrieben werden soll.
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Das erfindungsgemäße Gerät hat zwei gleiche Massen 1 und 2, die aus
einer Substanz mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen, jedoch nichtmagnetisch
oder doch wenigstens paramagnetisch und rostfrei ist. Edelmetalle, wie Gold und
Silber, haben sich als sehr geeignet erwiesen. Die Massen 1 und 2 brauchen nicht
groß zu sein; es genügt, wenn ihr Gewicht
weniger als 1 g beträgt,
um eine ausreichende Arbeitsgenauigkeit des Gerätes zu erzielen. Die Massen 1 und
2 sind vertikal übereinander mit Abstand an einem Kopfstück 5 mittels dünner Kupferdrähte
3 und 4 frei aufgehängt, wobei die Verbindungen mit dem Kopfstück 5 zwecks reibungsfreier
Befestigung gelenkige Aufhängungen 6 und 7 sind.
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Die Masse 1 ist bei 8 für einen freien Durchgang des Drahtes 4 durchbohrt,
so daß ein genaues vertikales Ausrichten der Massen 1 und 2 ermöglicht wird.
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Sonst sind die beiden Massen völlig gleich ausgebildet und haben unter
normalen Bedingungen gleiches Gewicht. Das Kopfstück 5 ist seinerseits an einem
zwischen den gelenkigen Aufhängungspunkten 6, 7 liegenden Punkt an einem das Gerät
tragenden Halter 10 mittels eines Kupferdrahtes 9 aufgehängt, wobei der Halter 10
die Decke einer nicht dargestellten Kammer od. dgl. sein kann und die Aufhängungspunkte
11 und 12 des Drahtes 9 ebenfalls gelenkig sind.
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Zwischen den Massen 1 und 2 sind in beliebiger Weise die Platten
13 und 14 einer nachstehend näher beschriebenen Kapazitätsbrücke fest angebracht,
wobei die Platte 13 der Masse 1, die Platte 14 der Masse 2 benachbart ist. In ähnlicher
Weise ist eine nichtmagnetische, jedoch elektrisch gut leitfähige Abschirmungl5
fest angebracht, die zur Verhinderung einer unerwünschten Interferenz oder einer
gegenseitigen Einwirkung der Massen 1 und 2 zwischen den Platten 13 und 14 eingesetzt
ist. Die Abschirmung 15 und das Kopfstück 5 können zweckmäßigerweise aus Kupfer
oder Messing sein.
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Eine zylindrische Elektrode 16 aus beliebigem nichtmagnetischem,
jedoch elektrisch leitfähigem Metall, z. B. aus Kupfer, umgibt die Massen 1 und
2, die Platten 13 und 14 und die Abschirmung 15, wobei die Elektrode 16 den Zweck
hat, Einwirkungen der horizontalen Komponenten des Erdschwerkraftfeldes in einer
später erläuterten Weise zu eliminieren.
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Für die vertikale Stabilisierung der Massen 1 und 2, der zugeordneten
Platten 13 und 14, der Abschirmung 15 und der Elektrode 16 sind (nicht dargestellte)
Mittel vorgesehen, die beispielsweise gyroskopischer Art sein können. obwohl auch
andere bekannte Formen der Aufhängung, z. B. einfach eine freie Aufhängung, gewählt
werden können. Dem Fachmann sind die verschiedenen Arten solcher Stabilisierungsmittel
vertrnut so daß weder eine genaue Beschreibung noch eine Darstellung für erforderlich
gehalten wird.
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Die erwähnte Kapazitätsbrücke ist Teil eines elektrischen Steuersystems
für das erfindungsgemäße Gerät, das drei Aufgaben hat. Nachstehend wird die Kapazitätsbrücke
sowie ihre Arbeitsweise beschrieben.
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Die Pole einer elektrischen Spannungsquelle, etwa einer Batterie
17, sind über Leitungen 18 und 19 mit einer üblichen mechanischen oder elektrischen
Schalteinrichtung 20 verbunden, deren Beschreibung sich erübrigt. Von der Schalteinrichtung
20 aus führen Leitungen 21 und 22 zu der Kapazitätsbrücke 23, von der aus Leitungen
24 und 25 über mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnete Abzweigungen zu den Massen
1 und 2 und deren benachbarten Platten 13 und 14 gehen. In der Zeichnung sind die
Leitungen unmittelbar mit den Massen verbunden dargestellt, in der Praxis bestehen
die Verbindungen naturgemäß mittelbar über die Haltemittel der Massen. Der Aus-
gang
der Kapazitätsbrücke ist elektrisch mit einer Aufzeichnungsanlage verbunden, die
zum Teil bekannt sind und von der Industrie angeboten werden.
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Graphische Aufzeichnungen, beispielsweise durch Oszillographen, oder
Bandaufzeichnungen sind am zweckmäßigsten, jedoch kann statt dessen auch eine Überwachung
mittels Kopfhörer durchgeführt werden.
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Wenn das Gerät arbeitet und mittels eines Flugzeuges über das zu
erforschende Gebiet geflogen wird, unterliegen die beiden Massen 1 und 2 der Kraft
der vertikalen Komponente des Erdschwerkraftfeldes, jedoch ist die Intensität der
Schwerkrafteinwirkung auf die beiden Massen infolge ihres vertikalen Abstandes unterschiedlich.
Der vertikale Abstand braucht nicht groß zu sein, weniger als 30 cm genügen.
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Wenn das Gerät über eine Schwerkraftanomalie hinwegfliegt, wirkt
sich dies so aus, daß die Gewichte der Massen sich unterschiedlich ändern und die
Masse 2 sich entweder aufwärts oder abwärts bewegt mit einer entsprechenden entgegengesetzten
Bewegung der oberen Masse 1. Dadurch werden beide Massen entweder dichter an die
Platten 14 und 13 des Kapazitätsbrückenkreises gebracht oder weiter von ihnen entfernt.
Daraus ergibt sich eine Änderung der Kapazität, wobei die Summe der Abstandsänderungen
zwischen jeder Masse und ihrer zugeordneten Platte der Brücke 23 eine proportionale
Kapazitätsänderung vermittelt, wodurch die Änderung sofort auf die Aufzeichnungsvorrichtung
übertragen wird. Die Bewegungen der Massen sind so gering, daß sie zwar nicht sichtbar
sind, aber für die Arbeitsweise des Gerätes völlig ausreichen.
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Wie bereits erwähnt, hat die die Massen 1 und 2, die Platten 13 und
14 und die Abschirmung 15 umgebende Elektrode 16 den Zweck, die Wirkungen der horizontalen
Komponenten des Schwerefeldes zu eliminieren. Zu diesem Zweck verbindet die Schalteinrichtung
20 über die positiven bzw. negativen Leitungen 26 bzw. 27 periodisch die Spannungsquelle
17 mit der Elektrode 16 sowie den beiden Massen 1 und 2, wobei die Leitung 27 über
Abzweigungen mit gleichen Bezugszeichen den Kontakt mit den Massen herstellt. Wie
schon in bezug auf die Leitung 24 erwähnt wurde, erfolgt auch hier der Kontakt mit
den Massen mittelbar über die Haltemittel der Massen.
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Wenn man das elektrische Potential der beiden Massen und das davon
verschiedene Potential der Elektrode 16 konstant hält, werden seitliche Bewegungen
der Massen verhindert und die Massen praktisch der Wirkung der horizontalen Schwerkraftkomponenten
entzogen.
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Die Steueranlage des erfindungsgemäßen Gerätes enthält außerdem Mittel,
die das Gleichgewicht der Brücke durch Dämpfung der normalerweise starken Eigenschwingungen
gewährleisten. Zur Erzielung dieser Dämpfung liegen elektrische Potentiale an den
Massen 1 und 2 und den dazu gehörenden Platten 13 und 14. Zu diesem Zweck wird über
die Schalteinrichtung 20 Spannung von der Quelle 17 an die positive Leitung 28 und
die negativen Leitung 29 gelegt, wobei die positive Leitung 28 drei mit der gleichen
Bezugsziffer bezeichnete Abzweigungen hat, die zu der Masse 1, der Masse 2 und der
Platte 14 führen, während die negative Leitung zu der Platte 13 geht. Auch hier
erfolgen die Verbindungen mit den Massen über deren Halterungen. Die Abschirmung
15 unterstützt die Beibehaltung des Gleichgewichtes, indem sie Interferenzen oder
eine gegenseitigen Einwirkung
zwischen den beiden Massen 1 und
2 verhindert.
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Wenn die Brücke richtig abgeglichen ist, ist das Signal an der Aufzeichnungsvorrichtung
Null.
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Die Schalteinrichtung 20 ist so gebaut und eingestellt, daß sie abwechselnd
nacheinander die Kapazitätsbrücke, den Dämpfungskreis und den Kreis der Elektrode
16 in einer solchen Geschwindigkeitsfolge einschaltet, daß der Gradient der vertikalen
Komponente des Schwerefeldes im wesentlichen kontinuierlich aufgezeichnet wird.
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Zur Anwendung des erfindungsgemäßen Gerätes wird dieses in oder an
einem vorzugsweise langsam fliegenden Flugzeug so angebracht oder darin oder darauf
oder von diesem so getragen oder geschleppt, daß es gegen alle Bewegungen des Flugzeuges
einschließlich dessen Geschwindigkeitsänderungen vertikal stabilisiert ist.
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Die Änderungen des Gradienten der vertikalen Komponente (d. h. einer
Ableitung) des Erdschwerefeldes, die während der Flüge durch das Gerät festgestellt
werden, können entweder graphisch oder auf Band kontinuierlich aufgezeichnet oder
laufend bei gleichzeitigem Notieren der Beobachtungen sorgfältig verfolgt werden.
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Das erfindungsgemäße Gerät arbeitet auch dann zufriedenstellend,
wenn es unter ziemlich turbulenten Bedingungen in der Luft getragen wird, sofern
die Druckkraft nicht größer ist als das Einundeinviertelfache der normalen Schwerkraft.
Falls die Turbulenz die Arbeitstoleranz des Gerätes übersteigen sollte, wird dies
dem Bedienenden sofort bekannt, so daß er die unzuverlässigen Aufzeichnungen abbrechen
kann. Darüber hinaus hat eine solche übermäßige Turbulenz keine schädliche Wirkung
auf das Gerät.
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Obwohl seine vollkommene Anpassungsfähigkeit an die Erforschung aus
der Luft eine wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Gerätes ist, kann es selbstverständlich
in gleicher Weise für Arbeiten vom Erdboden aus verwendet werden, wo ebenfalls die
oben erläuterten Vorzüge gegenüber den vorbekannten Geräten, beispielsweise die
Ausschaltung mathematischer Berechnungen, wertvoll sind.