DE1230577B

DE1230577B - Gravimeter

Info

Publication number: DE1230577B
Application number: DEG39562A
Authority: DE
Inventors: Dr Anton Graf
Original assignee: Continental Elektronidustrie AG
Current assignee: Continental Elektronidustrie AG
Priority date: 1964-01-08
Filing date: 1964-01-08
Publication date: 1966-12-15
Also published as: US3413854A

Description

Gravimeter Die Erfindung betrifft ein Gravimeter zur Messung von Gravitationskräften von sich entlang einem Kurs fortbewegenden Fahrzeugen ausmit einer an eine Nullage gefesselten Gravimetermasse, die in einer die Gravitationskraft einschließenden Ebene schwingungsfähig gelagert ist, mit Mitteln zur Abbildung der Stellung der Masse in eine elektrische Größe und mit einem durch diese elektrische Größe gesteuerten, auf die Masse einwirkenden Kraftgeber zur Erzeugung einer der Massenbewegung entgegenwirkenden Kompensationskraft, bei dem der die Massenbewegung kompensierende Kraftgeber durch einen elektrischen Strom gesteuert ist und die von dem Kraftgeber erzeugte Kraft die Masse stets in ihrer Nulllage festhält.
In einer bekannten Ausführung von Gravimetem zur Erdschweremessung von sich entlang einem Kurs fortbewegenden Fahrzeugen aus ist ein durch die Stellung der Gravimetermasse gesteuerter Regler vorgesehen, welcher die Gravimetermasse mittels eines Servomotors und einer sehr schwachen Feder so beeinflußt, daß der Schwingungsmittelpunkt der Masse stets in einer Nullage festgehalten wird. Der Servomotor verstellt dabei eine Spindel, deren beweglicher Teil seinerseits die Feder spannt oder entspannt. Die Stellung des von der Spindel verstellten Bauteiles ist dabei ein Maß für den jeweiligen Schweremeßwert.
Gravimeter dieser und ähnlicher Ausbildung weisen den Vorzug auf, daß die Phasenverschiebung, die zwischen der wanderung des Meßwertes und der Anzeige des Gravimeters wegen der starken Dämpfung, der solche Gravimeter unterliegen, reduziert wird.
Die Einlaufzeiten solcher Gravimeter sind indessen immer noch beträchtlich. Sie weisen darüber hinaus den Nachteil auf, daß ihre Anzeige durch Beschleunigungskräfte, die in der Horizontalebene wirksam sind und auf das Gravimetersystem einwirken, trotz mancher konstruktiver Vorkehrungen zu Verfälschungen des Meßwertes Anlaß geben können.
Dieses ist immer dann der Fall, wenn die in der Horizontalebene wirksamen Kräfte und die in der die Gravitationskraft einschließenden Ebene wirksamen Störkräfte die gleiche Frequenz aufweisen und wenn zwischen diesen Kräften bestimmte Phasenbeziehungen bestehen.
In Verbesserung der bekannten Gravimeter wird deshalb ein Gravimeter der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen, das sich dadurch kennzeichnet, daß der durch den Strom gesteuerte Kraftgeber die an die Masse angreifende Kompensationskraft ohne Zwischenschaltung eines elastischen Ober tragungselementes erzeugt, und dadurch, daß der den Kraftgeber steuernde Strom einer Vorrichtung zur Ermittlung des Schweremeßwertes zugeführt ist.
Der Kompensationsstrom kann dabei durch analog oder digital anzeigende Meßvorrichtungen registriert werden. Er kann aber auch mit seinem zeitlichen Mittelwert registriert oder auch durch eine Locheinrichtung auf einem Lochstreifen zwecks Weiterverarbeitung in einem Rechenautomaten erfaßt werden.
Gravimeter nach der Erfindung lassen eine erhebliche Reduktion der obenerwähnten Phasenverschiebung zwischen Änderungen des Schweremeßwertes und der entsprechenden Graviineteranzeige zu. Gleichzeitig ist der Einfluß von in der Horizontalebene wirksamen Störkräften beseitigt, da die Gravimetermasse bei entsprechend starker Gegenkopplung über den vorgesehenen Regler mit nur einem sehr kleinen Regelfehler in ihrer Nullage festgehalten wird.
Die Figur beschreibt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Figur bezeichnet 1 die Gravimetermasse, einen Waagebalken, der um eine horizontale Achse durch Torsionsfedern 2 und 3 in einem Gehäuse drehbar mittels Spannfäden 60 a, 60 b, 60 c und 60 d, welche bei 61 und 62 am Gehäuse, bei 63 und 64 am Balken befestigt sind, gelagert ist. Der Waagebalken 1 ist in einer vertikalen Ebene unter dem Einfluß von Beschleunigungskräften schwingungsfähig gelagert. Er weist an seinem einen Ende eine aus elektrisch gut leitendem, nichtmagnetischem Material gefertigte Platte 4 auf, die mit einer Nase 5 versehen ist. Die Platte 4 ist in einem von zwei Permanentmagneten 6 und 7, die einander gegenüberstehen, gebildeten Luftspalt beweglich gelagert. Die Magnete 6 und 7 bilden in Verbindung mit der Platte 4 geschwindigkeitsproportionale elektroma- gnetische Wirbelstromdämpfung für die Bewegungen des Waagebalkens 1.
Die Nase 5 des Waagebalkens ist mit einem beweglich gelagerten Eisenstab 8 eines elektrischen Differentialtransformators 9 fest verbunden. Der Eisenstab 8 steuert die Amplitude einer elektrischen Wechselspannung, die über Leitungen 10 dem Transformator 9 entnehmbar ist. Die Wechselspannung weist eine feste Frequenz, z. B. 100 kHz, auf.
Die Amplitude der Wechselspannung verschwindet in einer Stellung des Eisenkerns 8 und damit justierbar in einer bestimmten Stellung, der Gleichgewichtslage bzw. der Nullstellung, des Waagebalkens 1. Beim Durchgang des Eisenstabes 8 durch diese Stellung wechselt der Phasenwinkel der Ausgangsspannung des Transformators 9 um 1800.
Die Wechselspannung der Leitung 10 wird in einem Verstärker 11 verstärkt und am Ausgang des Verstärkers 11 phasenempfindlich gleichgerichtet.
Ein entsprechender elektrischer Gleichstrom ist über Leirungen 12 der Wicklung einer Spule 13, die an der Platte 4 zwischen den Magneten 6 und 7 befestigt ist, zugeführt. Der elektrische Gleichstrom verschwindet in der Nullstellung des Waagebalkens 1 und kehrt beim Durchgang des Waagebalkens durch diese Stellung seine Richtung um.
Die Polung des Stromes ist so gewählt, daß die vom Strom in der Spule 13 erzeugte Kraft der Ausschlagrichtung des Balkens entgegengesetzt ist. An den WiderständenR, und R2 entstehen dabei Spannungsabfälle, die registriert werden, und zwar nach -Wahl analog mit einem durch das RlCf-Glied stark gedämpften Millivoltschreiber 50 oder digital mit einem schwach gedämpften, über den Kreis R2C2 integrierenden Digitalvoltmeter 51 mit Drucker 52.
Natürlich kann man beide Registrierarten parallel betreiben. Da Digitalvoltmeter nur positive oder negative Meßwerte richtig zur Anzeige bringen können (also nicht über Null hinweg integrieren), wird durch eine Hilfsspannung 53 von hoher Kon--stanz das Spannungsniveau so weit gehoben, daß die (periodischen) Spannungsschwankungen die Nullinie nicht überschreiten.
Bei entsprechender Polung und Verstärkung erfolgt beim Einwirken von Beschleunigungs- oder Gravitätionskräften kein Balkenausschlag mehr, sondern der Balken wird festgehalten, wenn die mechanische Kraft, die den Balken auslenken will, und die elektromagnetische Kraft, die dieser entgegenwirkt, einander gleich sind. Wie bei allen Reglern wird natürlich für die Impulsgebung eine sehr kleine Balkenbewegung erfolgen müssen, aber diese ist vernachlässigbar klein im Vergleich zu dem Ausschlag, der ohne diese Regelanordnung vorhanden wäre. Diese Balkenfesthaltemethode erfordert im Prinzip keine oder höchstens eine sehr schwache magnetische Dämpfung, und daher kann die Einlaufzeit des Meßgliedes extrem kurz gehalten werden.
Sie beträgt bei der beschriebenen neuen Vorrichtung nur wenige Sekunden, so daß das Gravimeter nunmehr »frequenzunabhängig« ist. Ein weiterer Vorteil ist das völlige Freisein vom »cross-coupling«-Effekt, da dieser ja nur zustande kommt, wenn der Meßbalken aus der Nullage auswandern kann. Ferner ist ein derartig geregeltes Gravimeter in einem weit höheren Maße linear, als dies bei einem Gerät -der Fall ist, bei dem der Meßbalken ausschlägt.
Maßgebend ist hierbei nur die symmetrische Anord- nung des Verlagerungsaufnehmers (9). Wegen der völligen Linearität des erfindungsgemäß geregelten Gravimeters ergibt sich auch eine beachtliche Erhöhung des Meßbereiches. Während man früher nur mit Mühe + 100 Gal wegen der Schwierigkeit der Linearisierung erreichte, kann man jetzt mehr als 1 400 Gal überstreichen, je nach »Härte« der Regelung.
Ferner soll schließlich noch als weiterer Vorteil erwähnt werden, daß zur Prüfung des Gravimeters auf Linearität kein aufwendiger »Sinusfahrstuhl« (maschinelle Vorrichtung zur Erzeugung vertikaler periodischer Beschleunigungen verschiedener Amplituden und Frequenzen) mehr nötig ist, sondern daß es jetzt genügt, das Gravimeter in einem Kardan an einer Schraubenfeder aufzuhängen und in seiner Eigenperiode schwingen zu lassen. Beispielsweise erhält man bei einer Periode von 2 s schon bei einer Amplitude von 1 40 cm eine periodische Beschleunigung von + 400 Gal. Früher hätte man hierfür einen »Fahrstuhl« von über 20 m Höhe benötigt. Da die Periodendauer z. B. einer Schiffsschwingung bei etwa 10 s liegt und da das Gravimeter im ungeregelten Zustand in bezug auf die Dämpfung frequenzabhängig ist, hätte die Untersuchung bei einer Periodendauer von 10 s vorgenommen werden müssen anstatt bei 1 s oder 2 s, wie dies jetzt erlaubt ist, wenn der Meßbalken erfindungsgemäß festgehalten wird. Die Prüfung des Gravimeters durch freies Schwingenlassen an einer Feder geht außerdem völlig stoßfrei vor sich, während die maschinell betriebenen Sinusfahrstühle wegen unvermeidlichen Reibungen eine gewisse Rauhigkeit besitzen.

Claims

Patentansprüche: 1. Gravimeter zur Messung von Gravitationskräften von sich entlang einem Kurs fortbewegenden Fahrzeugen aus mit einer an eine Nulllage gefesselten Gravimetermasse, die in einer die Gravitationskraft einschließenden Ebene schwingungsfähig gelagert ist, mit Mitteln zur Abbildung der Stellung der Gravimetermasse in eine elektrische Größe und mit einem durch diese elektrische Größe gesteuerten auf die Masse einwirkenden Kraftgeber zur Erzeugung einer der Massenbewegung entgegenwirkenden Kompensationskraft, bei dem der die Massenbewegung kompensierende Kraftgeber durch einen elektrischen Strom gesteuert ist und die durch diesen Strom erzeugte Kraft die Masse stets in ihrer Nullage festhält, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Strom gesteuerte Kraftgeber (6, 13) ohne Zwischenschaltung einer Feder die Kompensationskraft an der Masse (1) erzeugt und dar durch, daß der den Kraftgeber steuernde Strom einer Vorrichtung (50, 51, 52) zur Ermittlung des Schwerenmeßwertes zugeführt ist.
2. Gravimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Festhalten der Masse der Strom eines elektrischen Abgriffes verwendet wird.
3. Gravimeter nach Anspruchl und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbalken mit einer Spule versehen ist, die in ein Magnetfeld eintaucht und die mit dem verstärkten Strom des elektrischen Abgriffes versorgt wird.
4. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenstrom durch seine Spannung gemessen wird, entweder analog oder digital oder gleichzeitig nach beiden Methoden.
5. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungswerte über eine bestimmte Zeit gemittelt gemessen werden, was in an sich bekannter Weise durch eine hohe Zeitkonstante oder durch ein Integrationsgerät oder durch ein integrierendes Digitalvoltmeter mit Drucker bzw.

Locher zur Weiterverarbeitung in einem Rechenautomaten bewerkstelligt werden kann.

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschriften Nr. 2559919, 2674885.