DE1548403C - Gravimeter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gravimeter zur Ermittlung von Gravitationskräften von einem beweglichen Aufstellungsort aus, bestehend aus einer um eine Achse gegen Rückstellkräfte drehbeweglich gelagerten Masse, einer Vorrichtung zur Abbildung der Massenstellung in eine elektrische Größe sowie einer von dieser elektrischen Größe gesteuerten Meßeinrichtung zur Ermittlung der auf die Masse einwirkenden Gravitationskraft, bei dem die Masse mittels einer Geradführung auf einer Bahn geführt ist, die in einer senkrecht zur Drehachse der Masse angeordneten Ebene verläuft.

Bekannte Gravimeter dieser Ausbildung dienen zur Messung der Erdschwere von sich entlang einem Kurs bewegenden Fahrzeugen, also z. B. von Schiffen oder Flugzeugen, aus. In einer bekannten Ausführungsform solcher Gravimeter, die auf einer kreiselstabilisierten, in einer Horizontalebene angeordneten Plattform gelagert ist, besteht die Gravimetermasse aus einem an die Drehachse angelenkten Hebel, der mittels Drähten, dfe zwischen dem Hebel und der Drehachse angeordnet sind, in einer Ebene gefesselt ist, die senkrecht zur Drehachse verläuft. Die einzelnen Punkte der Gravimetermasse bewegen sich deshalb auf um die Drehachse verlaufenden Kreisbahnen.

Gravimeter dieser und ähnlicher Bauart leiden unter dem Mangel, daß bei bestimmten Phasenbeziehungen zwischen den Beschleunigungskräften, die auf die Gravimetermasse in der Horizontalebene einwirken, und solchen Kräften, die in der Vertikalebene wirksam sind, der sogenannte »cross-couplingeffect« auftritt. Dieser cc-Eft'ekt bewirkt, daß sich trotz der Fesselung der Gravimetermasse in der Vertikalebene auf die Masse Kräfte übertragen, welche sich den'in der Vertikalebene wirksamen Kräften überlagern und die demzufolge das Meßergebnis verfälschen (vgl. hierzu beispielsweise J. C. HARRISON »The Measurement of Gravity at Sea« in »Methods and Techniques in Geophysics«, Intersci. Publ. Lim., London 1960). .

Der vorliegenden Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannten Gravimeter der eingangs näher bezeichneten Art in der Weise zu verbessern, daß Kräfte, die in der Horizontalebene wirksam sind und die auf die Gravimetermasse einwirken, das mit dem Gravimeter erzielbare Meßergebnis nicht verfälschen. Es sei in diesem Zusammenhang bemerkt, daß mit dem Wort »Horizontalebene« nicht notwendig eine horizontal gelegene Ebene gemeint ist. Es handelt sich vielmehr stets um eine Ebene, die die Drehachse des Gravimeters aufnimmt. In Anwendungen, wo das Gravimeter in Raumfahrzeugen installiert ist, kann in diesem Zusammenhang von einer Horizontalebene dann naturgemäß nicht die Rede sein. Für die Zwecke der vorliegenden Beschreibung, die auf irdische Anwendungen des Gravimeters abgestellt ist, sei jedoch die obige Bezeichnung benutzt.

Der vorliegenden Erfindung entsprechend wird ein Gravimeter der eingangs näher bezeichneten Art beschrieben, das sich dadurch kennzeichnet, daß die Masse des Gravimeters über ein reibungsarmes Gelenk drehbeweglich an einen mit der Drehachse der Masse verbundenen Hebel angclenkt ist und mittels einer Geradführung in einer in ihrer Bewegungsebene geradlinig und senkrecht zur Drehachse vorlaufenden Bahn geführt ist und dadurch, daß der Schwerpunkt des Hebels in die Drehachse der Masse gelebt isl.

, An Gravimetern dieser Ausbildung kann der obengenannte cc-Effekt nicht mehr wirksam werden, da die an die Hebel angreifenden und in der Horizontalebene wirksamen Kräfte zu einer Bewegung des Hebels wegen seiner besonderen Schwerpunktlage nicht Anlaß geben. Andererseits haben solche Kraftkomponenten auch keinen Einfluß auf die geradlinige Bewegung der Gravimetermasse, da ihre Angriffsrichtung stets senkrecht zur Bewegungsrichtung der Masse verläuft. - . ' '

Die Anordnung ist bei Gravimetern nach der Erfindung unter anderem zweckmäßig derart getroffen, daß die Gravimetermasse gegen elastische Rückstellkräfte beweglich gelagert ist, und es kann die Anordnung derart getroffen sein, daß mittels der die Massenstellung elektrisch abbildenden Vorrichtung über einen Elektromagneten od. dgl. eine Kraft erzeugt wird, die auf die Gravimetermasse ein- und ihrer Bewegung entgegenwirkt. Dabei kann eine vollständige Kraftkompensation in der Weise erfolgen, daß eine Bewegung der Gravimetermasse aus einer Nullstellung heraus unabhängig von der Größe der auf sie einwirkenden und in vertikaler Richtung wirksamen Kräfte im wesentlichen nicht erfolgt.

Es ist auch möglich, auf die elastischen Rückstellkräfte zu verzichten und die Rückstellkräfte in der erwähnten Weise elektromagnetisch zu erzeugen, wobei durch den vorgesehenen Elektromagneten oder gesonderte Hilfsmittel nicht elastischer Art das Gewicht der Gravimetermasse in der Nullstellung kompensiert werden muß.

In der Figur ist ein Ausführungsbeispiel von Gravimetern nach der Erfindung beschrieben.

Es bezeichnen 1, 2, 3, 4, 5 und 6 ein mit dem Gehäuse des Gravimeters fest in Verbindung stehendes Teil. Das Gravimetergehäuse selbst, ist z. B. auf einem Schiff auf einer kreiselstabiliserten Plattform gelagert, so daß die Drehachse 7 des Gravimeters stets in der Horizontalebene liegt. .

Mit 8 ist ein Hebel bezeichnet, der an eine Stange 9 angelenkt ist. Die Stange 9 ist ihrerseits über Spanndrähte 10 und 11 drehbeweglich gelagert. Die Spanndrähte 10 und 11 sind mittels Buchsen in den Bauteilen 2 bzw. 5 gelagert. Der Körper 12 dient zur Lagerung des Hebels 8 und gleichzeitig zur Befestigung der Stange 9. Weiterhin sind an dem Körper 12 zwei Tarriergewichte 13 und 14 mittels Gewinde beweglich gelagert. Sie dienen dazu, den Schwerpunkt des Hebels 8 in die Drehachse zu verlegen.

Koaxial zur Stange 9 ist eine Torsionsfeder 14, die einerseits an dem Bauteil 5 und andererseits an dem Körper 12 befestigt ist, gelagert. Eine zweite Torsionsfeder 15 erstreckt sich zwischen dem Bauteil 12 und der Fassung 16 eines gläsernen Teilkreises 17. Die Fassung 16 ist mit einem Schneckengewinde 17 A in dem Bauteil 3 drehbeweglich gelagert, und es ist eine Spindel 18 zur Verstellung des Schneckenrades 17 A in dem Bauteil 4 gelagert. Die Stange 9 erstreckt sich koaxial zur Fassung 16 durch eine Öffnung in dieser Fassung und in dem Teilkreis 17 durch die Fassung hindurch, so daß durch Verstellen der Spindel 18 der Teilkreis 17 und damit die Spannung der Feder 15 verändert werden tymn. Die Stellung des Teilkreises 17, die immittelbar ein Maß für die von der Feder 15 ausgeübte Kraft ist, ist mittels einer nicht dargestellten optischen Abiesevorrichlüiig nach Art eines Mikroskops von der Außenseile des Gravimeters ablesbar.

Mit 20 ist ein hollies, hülsenförmiges Bauteil bezeichnet, das die beiden stangenförmigen Einsätze 21 und 22 aufweist. Mit 23 ist ein Metallfaden bezeichnet, der mittels einer Klemmbacke 24 an dem Hebel 8 einerseits und mittels einer Klemmbacke 25 an dem hülsenförmigen Bauteil 20 andererseits befestigt ist. Koaxial zu dem Faden 23 ist eine Druck- und Torsionsfeder 26 angeordnet, die mit ihren beiden freien Enden ebenfalls durch Einspannen in den Backen 24 und 25 befestigt ist.

Auf der Grundplatte 1 sind die drei Säulen 30, 31 und 32 angeordnet. Sie dienen jeweils zur Lagerung von Spanndrähten 33, 34,35, 36. und 37. Die Fäden sind jeweils an ihren Enden durch Kleben oder Löten in Hülsen befestigt, während die Hülsen durch in der Zeichnung nicht näher dargestellte Klemmvorrichtungen einerseits an den Säulen 30, 31 und 32 und andererseits an dem hülsenförmigen Bauteil 20 befestigt sind. Die Spanndrähte 33 und 34 bzw. 36 und 37 liegen jeweils in im Abstand voneinander angeordneten Ebenen und sind untereinander in diesen Ebenen um 120° versetzt. Die Drähte 34 und 37 bzw. 33 und 36 verlaufen untereinander, parallel. Der Spanndraht 35 ist in einer Zwischenebene gelegen und greift an die Hülse 20 gegen die übrigen Drähte um jeweils 120° versetzt an. Die Feder 26 ist durch Torsion vorgespannt. Ihre Torsion bewirkt, daß die fünf Fäden 33, 34, 35, 36 und 37 straff gespannt sind. Andererseits ist die Feder 26 auch als Druckfeder wirksam und bewirkt durch ihre Druckkraft, daß der Faden 23 stets und unabhängig von den auf die Gravimetermasse einwirkenden Kräften straff gespannt ist.

Der Faden 23 bildet die gelenkige Verbindung zwischen dem Hebel 8 und der Gravimetermasse 20, 21, 22. Die fünf Fäden 33, 34, 35, 36 und 37 bilden eine Geradführung für die Masse und erlauben deren Bewegung nur in geradliniger Richtung.

An den Ansatz 21 ist der Eisenkern 40 eines differentialtransformatorischen Systems angelenkt. Dieses System besteht in bekannter Weise aus dem Wicklungsträger 41 und darauf angeordneten Erregerund Abnahmewicklungen 42. Die Anordnung ist der-. art getroffen, daß bei Speisung des transformatorischen Systems mit einer Wechselspannung an der Abnahmewicklung eine Wechselspannung abgreifbar ist; deren Amplitude in der Nullstellung des Kerns 40 verschwindet und die bei Auslenkung des Kerns aus dieser Stellung linear mit dieser Auslenkung wächst.

Der Phasenwinkel der über die Leitung 43 abgreifbaren Ausgangswechselspannung des Systems springt in der Nullstellung des Kerns 40 in bekannter Weise um 180°. Die Ausgangsspannung ist einem Leistungsverstärker 44 zugeführt, der einen Gleichstrom steuert und der der Leitung 45 zugeführt ist. Er speist die Erregerwicklung 46 eines elektromagnetischen Systems. ■'.-■■■..

Die Erregerwicklung 46 ist mit ihrem Träger im Luftspalt eines Permanentmagneten 47 beweglich und an dem Ansatz 22 befestigt. Die Leitung 45 ist durch die Säule 32 isoliert hindurchgefühlt und steht mit dem unteren Draht 37 elektrisch leitend in Verbindung. Der Spaniulraht ist dabei sowohl an dem Ansatz 22 als auch an der Säule 32 elektrisch isoliert befestigt. In gleicher Weise ist der Spanndraht 36 an dein Ansatz 22 und an der Säule 36 befestigt, so daß er ebenfalls zur Stromzu- bzw. -abführung zur Spule 46 benutzbar ist. Der vom Verstärker 44 ausgesteuerte Strom fließt demzufolge über die Leitung 45 und den Spanndraht 37, durch die Spule 46 und gelangt von dort aus über den Spanndraht 36 \i\ die Leitung 50 zum Ausgang des Verstärkers 44 zurück. ' . .

In die Leitung 50 ist ein Schreiber 51 eingebaut, der zur Registrierung des vom Verstärker 44 ausgesteuerten Stroms dient. Der Schreiber 51 registriert den Strom entweder in analoger Form oder aber

ίο absatzweise in digitaler Form als Funktion der Zeit oder aber auch als Funktion des geographischen Ortes des Gravimeters. .

Die Anordnung ist derart getroffen, daß das elektromagnetische System 46, 47 eine Kraft erzeugt, die der Bewegung der Gravimetermasse entgegenwirkt. Tatsächlich erfolgt deshalb im Betrieb des Gravimeters unter dem Einfluß von in der Vertikalebene wirksamen Kräften lediglich eine geringfügige Auslenkung der Gravimetermasse aus ihrer NuIlstellung heraus.

Die Feder 15 dient in bekannter Weise zur Justierung der Nullstellung des Gravimeters und zur Eichung (Skalenwertbestimmung).

Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt:

Sie ist — wie bemerkt — auf einer z. B. durch Kreiselgeräte in der Horizontalebene stabilisierten Plattform derart aufgestellt, daß die Drehachse 7 annähernd in der Horizontalebene gelegen ist. Die auf die Masse 21,20, 22 einwirkenden, in der Hbrizontalebene wirksamen Kräfte bewirken, daß sich die Masse um ihre Längsachse drehen will. Die Vorspannung der Feder 26 ist dabei derart gewählt, daß erst solche Kräfte, die z, B. einen Betrag von 200 000 mgal überschreiten, zu einer Torsion Anlaß geben. Diese Vorspannung enthält einen Sicherheitsfaktor der Größenordnung zwei, denn die praktisch auftretenden Kräfte übersteigen 100 000 mgal im allgemeinen nicht. .
Kräfte, die in vertikaler Richtung auf die Gravimetermasse einwirken, geben zu einer Auslenkung der Masse Anlaß. Dabei ist die Anordnung mittels vorgesehener Libellen oder anderer Neigungsfühler derart justiert, daß die Bewegungsrichtung der Masse im Lot gelegen ist. Diese Auslenkung wird durch den Differentialtransformator 40,41,42 in eine elektrische Wechselspannung umgesetzt, die dem Eingang des Verstärkers 44 zugeführt ist. Der Verstärker 44 steuert einen Gleichstrom, der die Spule 46 durchfließt und demzufolge eine Kraft erzeugt, die der Bewegung der Gravimetermasse entgegenwirkt. Die Gegenkopplung ist derart getroffen, daß die Gravimetermasse praktisch nur kleine Auslenkungen aus ihrer Ruhelage ausführt.

Mit dem Schreiber 51 werden die auf die Masse in der vertikalen Richtung wirksamen Kräfte registriert. In Verbindung mit geeigneten Vorrichtung, die den zeitlichen Mittelwert der Bewegung der Gravimetermasse bzw. der auf sie einwirkenden Kräfte ermitteln, ist der jeweils gültige statische Schweremeßwert bestimmbar.

Es sei noch bemerkt, daß infolge der proportionalen Wirkung der Regeleinrichtung 40, 41. 42, 44, 46,47 der lineare Meßbereich der beschriebenen gravimetrischen Meßvonichtum: relativ klein ist.

Dieser Meßbereich läßt sieh dadurch erweitern, daß dem Regelkreis ein geeignetes, vom rein proportionalen Verhalten abweichendes Zeitverhalten (/.. B. proportional-integrales Verhalten) ueueben wird.

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Gravimeter zur Ermittlung von Gravitationskräften von einem beweglichen Aufstellungsort aus, bestehend aus einer um eine Achse gegen Rückstellkräfte drehbeweglich gelagerten Masse, einer Vorrichtung zur Abbildung der Massenstellung in eine elektrische Größe sowie aus einer von dieser elektrischen Größe gesteuerten Meßeinrichtung zur Ermittlung der auf die Masse einwirkenden Gravitationskraft, bei dem die Masse mittels einer Führung auf einer Bahn geführt ist, die in einer senkrecht zur Drehachse der Masse angeordneten Ebene verläuft, insbesondere Gravimeter zur Messung von Schwerkräften von sich entlang einem Kurs fortbewegenden Fahrzeugen (Schiff, Flugzeug, Satellit od. dgl.) aus, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (21, 20, 22) des Gravimeters über ein reibungsarmes Gelenk (23, 24) drehbeweglich an einen mit der Drehachse (7) der Masse verbundenen Hebel (S) angelenkt ist und mittels einer Geradführung (33, 34, 35, 36. 37) in einer in ihrer Bewegungsebene geradlinig und senkrecht zur Drehachse verlaufenden Bahn geführt ist und dadurch, daß der Schwerpunkt des Hebels in die Drehachse der Masse gelegt ist.

   2. Gravimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gravimetermasse (21, 20, 22) mittels eines Fadens (23) an dem Hebel (8) aufgehängt und der Faden mittels einer zwischen der Masse und dem Hebel angeordneten Druckfeder (26) gespannt ist.

   3. Gravimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (21, 20, 22) durch wenigstens 3 an sie gegeneinander um 120~ versetzt tangential angreifende Fäden oder Bänder

   in einer Geraden geführt ist. .

   .4. Gravimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Geradführung der Masse (21,20,22) fünf Fäden oder Bänder (33, 34, 35, 36, 37) vorhanden sind, von denen je zwei in im Abstand voneinander quer zur Bewegungsrichtung der Masse verlaufenden Ebenen liegend um 120° gegeneinander versetzt tangential an die* Masse angreifen und untereinander parallel liegen und dadurch, daß zwischen diesen Ebenen in einer dritten dazu parallel verlaufenden Ebene ein Faden "oder ein Band um 120° gegen die übrigen Fäden oder Bänder versetzt tangential an die : Masse angreift. · ·

   5. Gravimeter nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fäden oder Bänder unter der Zugwirkung einer Feder (26) stehen.

   6. Gravimeter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Spannung der Fäden oder Bänder eine diesen gemeinsame Torsionsfeder (26) vorhanden ist.

   7. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gravimetermasse gegen elastische Rückstellkräfte beweglich gelagert ist.

   8. Gravimeter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellkräfte durch Torsionsfedern, die koaxial zur Drehachse der Masse angeordnet sind, erzeugt sind.

   9. Gravimeter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse der Masse durch eine Spannband- oder Spanndrahtlagerung gegeben ist.

   10. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gravimetermasse gegen elektromagnetisch erzeugte Rückstellkräfte verstellbar, und von elastischen Rückstellkräften frei um ihre Drehachse beweglich gelagert ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen