DE1623389C

DE1623389C - Gravimeter

Info

Publication number: DE1623389C
Authority: DE
Inventors: Ernst 1000 Berlin Brede
Original assignee: Askania GmbH
Current assignee: Askania GmbH

Description

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Ausbildung eines Gravimeters zur Messung der Erdschwere von sich entlang einem geographischen Kurs fortbewegenden Fahrzeugen, wie Schiffen, Flugzeugen od. dgl., aus, bestehend aus einer gegen Rückstellkräfte in einem Gehäuse aus einer Nullstellung heraus schwingungsfähig gelagerten Masse, einer Vorrichtung zur Abbildung der Stellung der Masse relativ zu ihrem Gehäuse in ein elektrisches Meßsignal und aus einer von diesem Signal gespeisten Meßvorrich- ίο tung zur Ermittlung des Schweremeßwerts, bei der die Masse mittels einer Geradführung, bestehend aus mehreren Fäden oder Bändern, die in verschiedenen Ebenen gelagert an die Masse angreifen, auf einer geradlinigen, die Schwerkraft enthaltenden Bahn ber wegbar geführt ist.The present invention is concerned with the construction of a gravimeter for measuring the gravity of the earth of vehicles moving along a geographic course, such as ships, aircraft Od. Like., consisting of a counter restoring forces in a housing from a zero position oscillating mass, a device for mapping the position of the mass relative to their housing into an electrical measuring signal and from a measuring device fed by this signal device for determining the gravity measurement value, in which the mass by means of a straight line, consisting of several threads or ribbons that attack the mass stored in different planes, on one rectilinear path containing gravity is guided over moveable.

Gravimeter dieser Ausbildung sind beispielsweise in der deutschen Patentschrift 1 006 170 beschrieben. In Ausführungen mit einer um eine horizontale Drehachse schwingungsfähig gelagerten Masse weisen solehe Gravimeter den Nachteil auf, daß beim Vorhandensein gewisser Phasenbeziehungen zwischen den Störkräften, die auf die Masse in vertikaler Richtung einwirken, und solchen Kräften, die in horizontaler Richtung wirksam sind, der sogenannte cross-coupling-effect auftritt. Dieser Effekt verfälscht das mit dem Gravimeter erzielbare Meßergebnis in unkontrollierbarer Weise.Gravimeters of this design are described, for example, in German patent specification 1 006 170. In designs with a mass that can vibrate about a horizontal axis of rotation, these Gravimeter has the disadvantage that when there are certain phase relationships between the Disturbing forces that act on the mass in the vertical direction, and those forces that act in the horizontal direction Direction are effective, the so-called cross-coupling effect occurs. This effect falsifies the measurement result that can be achieved with the gravimeter in an uncontrollable manner Wise.

Um den Einfluß des cross-coupling-effects klein zu halten, ist es daher zweckmäßig, die Gravimetermasse nicht um eine horizontale Drehachse drehbar zu lagern, sondern dafür Sorge zu tragen, daß die Masse lediglich auf einer geradlinigen Bahn translatorische Bewegungen ausführen kann.In order to keep the influence of the cross-coupling effect small, it is therefore advisable to use the gravimeter mass not to be rotatable about a horizontal axis of rotation, but to ensure that the mass can only perform translational movements on a straight path.

Solche Gravimeter der vorliegenden Zweckbestimmung sind ebenfalls bereits bekannt, und es befaßt sich die vorliegende Erfindung mit einer zweckmäßigen Ausgestaltung solcher Gravimeter.Such gravimeters of the present purpose are also already known and concerned the present invention with an expedient configuration of such gravimeters.

Die bekannten Konstruktionen (deutsche Patentschrift 1 006 170 [Fig. 6 a und 6 b]) leiden unter dem Mangel, daß eine wesentliche translatorische Bewegung der Masse auf ihre Bahn nicht möglich ist. Der direkte Meßbereich solcher Gravimeter ist deshalb klein. Es ist deshalb auch bekannt, die Geradführung über Rollen und Räder zu bewirken. Solche Anordnungen weisen jedoch nicht vernachlässigbare Reibungseinflüsse auf, die die Empfindlichkeit des Gravimeters und seine Meßgenauigkeit herabsetzen. The known constructions (German patent specification 1 006 170 [Fig. 6 a and 6 b]) suffer from the deficiency that a substantial translatory movement of the mass on its path is not possible. The direct measuring range of such gravimeters is therefore small. It is therefore also known to effect straight-line guidance using rollers and wheels. However, such arrangements have non-negligible frictional influences that reduce the sensitivity of the gravimeter and its measurement accuracy.

Es ist auch erörtert worden, die Masse entlang ihrer Bahn durch an sie angelenkte Blattfedern zu fesseln. Solche Geradführurigen lassen größere Bewegungen der Masse zu. Sie leiden jedoch unter dem Mangel, daß bei größeren Hüben Kippungen der Masse gegen ihre Bahn auftreten, welche die Linearitat der Anzeige des Maßsystems stören. It has also been discussed to restrain the mass along its path by leaf springs hinged to it. Such straight guides allow larger movements of the mass . However, they suffer from the deficiency that, with larger strokes, the mass tilts against its path, which disturbs the linearity of the display of the measuring system.

Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Konstruktion anzugeben, welche eine exakt translatorische Bewegung der Masse mit größeren Amplituden bei hinreichender Linearität der Anzeige gestattet.It was therefore the object of the invention to provide a construction which is exactly translational Movement of the mass with larger amplitudes is permitted with sufficient linearity of the display.

In Verbesserung der bekannten Anordnungen wird ein Gravimeter der eingangs näher bezeichneten Art vorgeschlagen, welches sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß die Masse um eine sich entlang ihrer Bahn erstreckende Drehachse drehbeweglich gelagert ist und dadurch, daß die Spannfäden in verschiedenen Ebenen im Abstand voneinander tangential zur Drehachse der Masse an die Masse angreifen und durch eine an sie in ihrer Längsrichtung angreifende Kraft gespannt sind. In an improvement of the known arrangements, a gravimeter of the type described in more detail is proposed, which is characterized according to the invention in that the mass is rotatably mounted about an axis of rotation extending along its path and in that the tension threads in different planes at a distance from one another tangential to the axis of rotation attack the mass on the mass and are tensioned by a force acting on them in their longitudinal direction.

Die Figuren erläutern ein Ausführungsbeispiel.The figures explain an embodiment.

Fig. 1 zeigt den mechanischen Aufbau des Meßsystems; Fig. 1 shows the mechanical structure of the measuring system;

¹F i g. 2 erläutert seine elektrische Wirkungsweise. ¹ Fig. 2 explains its electrical mode of operation.

In der Fig. 1 bezeichnet 70 eine gehäusefeste Grundplatte des Meßsystems, auf der über Streben 71, 72, 73 und 74 die Kopfplatte 75 gelagert ist. Weitere gehäusefeste Bauteile sind mit 76, 77 und 78 bezeichnet.In Fig. 1, 70 denotes a fixed to the housing Base plate of the measuring system on which the head plate 75 is mounted via struts 71, 72, 73 and 74. Further Components fixed to the housing are labeled 76, 77 and 78.

Mit 79 ist die rohrförmig ausgebildete Gravimetermasse des Meßsystems bezeichnet. Sie ist um die Richtung A-A drehbar gelagert, und es sind zu ihrer Lagerung die fünf metallischen Fäden 80, 81, 82, 83 und 84 vorgesehen. Sie weisen einen runden Querschnitt auf, und es sind die Fäden 80 und 81 bzw. 83 und 84 jeweils in einer Ebene zwischen der Masse 79 und den Streben 71 und 72 derart gelagert, daß die Fäden an die Masse tangential zur Drehachse A-A angreifen. Der Faden 82 greift an die Masse 79 ebenfalls tangential an und ist in einer Ebene zwischen der Masse und der Strebe 73 gelagert, die etwa den Abstand zwischen den Ebenen der beiden anderen Verspannungen halbiert. Mit 85 und 86 ist jeweils eine Zugfeder bezeichnet, die mit ihrem einen Ende an der Masse 59 und mit ihrem anderen Ende an der Strebe 71 bzw. 74 Befestigt sind. Beide Federn greifen ebenso wie die Spannfäden 80 bis 84 an die Masse 79 tangential zur Drehachse der Masse an und üben auf die Masse ein Drehmoment aus, welches die Spannfäden spannt.The tubular gravimeter mass of the measuring system is designated by 79. It is mounted rotatably about the direction AA , and the five metallic threads 80, 81, 82, 83 and 84 are provided for mounting it. They have a round cross-section, and the threads 80 and 81 or 83 and 84 are each supported in a plane between the mass 79 and the struts 71 and 72 in such a way that the threads engage the mass tangentially to the axis of rotation AA . The thread 82 also engages the mass 79 tangentially and is mounted in a plane between the mass and the strut 73, which roughly halves the distance between the planes of the two other braces. With 85 and 86 a tension spring is designated, which are fastened with their one end to the mass 59 and with their other end on the strut 71 and 74, respectively. Both springs, like the tensioning threads 80 to 84, engage the mass 79 tangentially to the axis of rotation of the mass and exert a torque on the mass, which tensions the tensioning threads.

Die Federn 85 und 86 sind hinsichtlich ihrer elastischen Eigenschaften derart ausgewählt, daß sie unter dem Einfluß normaler in einer Horizontalebene wirksamer Trägheitskräfte, die auf das Maßsystem einwirken, nicht gespannt werden können.The springs 85 and 86 are selected in terms of their elastic properties so that they under the influence of normal inertial forces effective in a horizontal plane, which act on the system of measurement, cannot be tensioned.

Mit 87 ist eine im Innern der Masse 79 gelagerte Zugfeder bezeichnet, die am Boden 88 des Rohrs 79 befestigt ist. Ihr zweites Ende ist an der Kopfplatte 75 befestigt. Sie trägt das Gewicht des Rohrs 79. 89 bezeichnet einen zweiarmigen Hebel, der um die Drehachse 90 drehbar gelagert ist.A tension spring which is mounted in the interior of the mass 79 and which is located on the bottom 88 of the tube 79 is denoted by 87 is attached. Its second end is attached to the head plate 75. It bears the weight of the pipe 79.89 designated a two-armed lever which is mounted rotatably about the axis of rotation 90.

Die Drehachse 90 wird durch ein metallisches Spannband gebildet, das mit seinem einen Ende .an dem Bauteil 78 und mit seinem anderen Ende an einem Bauteil 91, welches um die Längsachse des Spannbandes 90 in dem Bauteil 76 drehbar gelagert ist, eingespannt ist. Das Bauteil 9l ist mit einem Teilkreis 92 verbunden, und es läßt sich das Bauteil 91 über ein Schneckengetriebe 93 von der Gehäuseaußenseite her in meßbarer Weise durch Beobach; tung der Kreisleitung 92 mittels eines optischen Ablesemikroskops tordieren, so daß die Vorspannung des Torsionsbandes 90 geändert werden kann. The axis of rotation 90 is formed by a metallic tensioning band, which is clamped with its one end on the component 78 and with its other end on a component 91, which is mounted rotatably about the longitudinal axis of the tensioning band 90 in the component 76 . The component 91 is connected to a pitch circle 92, and the component 91 can be measured via a worm gear 93 from the outside of the housing in a measurable manner by observation; twist the circuit line 92 by means of an optical reading microscope so that the bias of the torsion band 90 can be changed.

Der Hebel 89 ist mit den Justiergewichten 95 undThe lever 89 is with the adjustment weights 95 and

96 verbunden. Durch Verstellen dieser Gewichte läßt sich der Schwerpunkt des Hebels 89 in die Drehachse 90 legen, so daß von außen auf das Meßsystem einwirkende Kräfte auf den Hebel kein Drehmoment ausüben können. 94 kennzeichnet einen Auftriebskörper zur Kompensation der wirksamen Auftriebskräfte.96 connected. By adjusting these weights, the center of gravity of the lever 89 can be moved into the axis of rotation 90 place so that forces acting on the measuring system from the outside do not have any torque on the lever can exercise. 94 identifies a buoyancy body to compensate for the effective buoyancy forces.

Mit 97 ist ein Faden bezeichnet, der, am äußeren Ende des Hebels 89 befestigt, an einem Ansatz 98 der Gravimetermasse 79 angreift. Koaxial zu dem FadenWith a thread 97 is referred to which, attached to the outer end of the lever 89, to a projection 98 of the Gravimeter mass 79 attacks. Coaxial with the thread

97 ist zwischen dem Hebel 89 und dem Ansatz 98 eine Druckfeder 99 gelagert, die den Faden 97 spannt.97, a compression spring 99 is mounted between the lever 89 and the extension 98 and tensions the thread 97.

Die Anordnung ist derart getroffen, daß das von der Zugfeder 87 nicht kompensierte Gewicht der Masse 79 durch die Torsionskraft des Torsionsfadens 90 kompensiert wird, und es läßt sich so durch Verstellen der Vorspannung des Torsionsbandes 90 der Meßbereich des Gravimeters verändern.The arrangement is made such that the weight of the tension spring 87 not compensated for Mass 79 is compensated for by the torsional force of the torsion thread 90, and it can be adjusted in this way the bias of the torsion band 90 change the measuring range of the gravimeter.

Das Rohr 79 trägt an seinem oberen Ende einen isolierten Ansatz 100, der wiederum starr mit einer Metallplatte 101 verbunden ist. Die Metallplatte 101 ist zwischen zwei parallel dazu gelagerten Metallplatten 102 bzw. 103 angeordnet. Die Platten 102 und 103 sind gehäusefest gelagert. Sie bilden zusammen mit der Platte 101 ein nach Art eines Differentialkondensators ausgebildetes elektrisches Abgriffssystem, dessen elektrische Anschlüsse mit 104,105 und 106 bezeichnet sind.At its upper end, the tube 79 has an insulated extension 100, which in turn is rigidly connected to a metal plate 101 . The metal plate 101 is arranged between two metal plates 102 or 103 mounted parallel thereto. The plates 102 and 103 are mounted fixed to the housing. Together with the plate 101, they form an electrical tapping system designed in the manner of a differential capacitor, the electrical connections of which are denoted by 104, 105 and 106.

Am unteren Ende des Rohrs 79 ist ein topf f örmiger Permanentmagnet 107 an der Grundplatte 70 gelagert. In seinem Luftspalt taucht eine am unteren Ende des Rohrs 79 befestigte Spule 108 ein. Die elektrischen Anschlüsse der Spule sind über die Drähte 83 und 84 gelegt und mit 109 bzw. 110 bezeichnet. Die Drähte sind hierzu elektrisch isoliert von der Strebe 71 bzw. 72 zu einem isolierenden Ansatz 111 des Rohrs 79 geführt.At the lower end of the tube 79, a pot-shaped permanent magnet 107 is mounted on the base plate 70. A coil 108 fastened to the lower end of the tube 79 is immersed in its air gap. The electrical connections of the coil are laid across wires 83 and 84 and labeled 109 and 110 , respectively. For this purpose, the wires are electrically insulated from the strut 71 or 72 to an insulating extension 111 of the tube 79.

In F i g. 2 bezeichnen 104,105 und 106 die elektrischen Anschlüsse des Differentialkondensators 101, 102,103 der Fig. 1. Es sind die Anschlüsse 104 und 106 mit dem Ausgang eines elektrischen Hochfrequenzoszillators 120 verbunden. Der Anschluß 105 ist in der dargestellten Weise zum Eingang eines Verstärkers 121 geführt, dessen Ausgangsspannung über ein elektrisches Tiefpaßfilter 122 dem Eingang eines elektrischen Reglers 123 zugeführt ist. Dem Eingang dieses Reglers ist zu Justierzwecken eine dem Potentiometer 124 entnehmbare Sollwertspannung zuführbar. Der Ausgangsstrom des Reglers 123 ist über die Anschlüsse 109 und 110 der Wicklung der Spule 108 zugeführt, und es ist die Anordnung so getroffen, daß die.Ausgangsspannung des Verstärkers 121, die der Stellung der Masse 79 relativ zu dem Gehäuse des Gravimeters proportional ist, in der Spule einen Strom erzeugt, der durch Wechselwirkung mit dem Feld des Permanentmagneten 107 an der Masse 79 eine Kraft erzeugt, die der Massenbewegung entgegenwirkt. Unter dem Einfluß äußerer Kräfte wird deshalb der Ausgangsstrom des Verstärkers 121 mehr oder weniger schwanken, und bei genügend hoher Verstärkung in dem Regelkreis wird die Masse 79 im wesentlichen ihre durch Justierung der Torsion des Fadens 90 vorgegebene Nullstellung beibehalten. Der Strom über die Spule 108 ist deshalb ein Maß für die auf die Masse 79 einwirkenden Kräfte. Seine Größe wird mittels des Analog-Schreibers 127 als Funktion der Zeit oder des geographischen Ortes des das Meßsystem transportierenden Fahrzeugs registriert.In Fig. 2, 104 , 105 and 106 designate the electrical connections of the differential capacitor 101, 102, 103 of FIG. 1. The connections 104 and 106 are connected to the output of an electrical high-frequency oscillator 120 . The connection 105 is led in the manner shown to the input of an amplifier 121 , the output voltage of which is fed to the input of an electrical regulator 123 via an electrical low-pass filter 122. A setpoint voltage which can be taken from the potentiometer 124 can be fed to the input of this controller for adjustment purposes. The output current of the regulator 123 is fed to the winding of the coil 108 via the connections 109 and 110 , and the arrangement is such that the output voltage of the amplifier 121, which is proportional to the position of the mass 79 relative to the housing of the gravimeter, A current is generated in the coil which, through interaction with the field of the permanent magnet 107 , generates a force on the mass 79 which counteracts the movement of the mass. The output current of the amplifier 121 will therefore fluctuate more or less under the influence of external forces, and if the gain in the control loop is sufficiently high, the mass 79 will essentially maintain its zero position predetermined by adjusting the torsion of the thread 90. The current through the coil 108 is therefore a measure of the forces acting on the mass 79. Its size is registered by means of the analog recorder 127 as a function of the time or the geographical location of the vehicle transporting the measuring system.

Mit 125 ist ein elektrisches Meßinstrument bezeichnet, welches den zeitlichen Mittelwert des die Wicklung 108 durchfließenden Stroms anzeigt. 126 kennzeichnet eine elektrische Schreibmaschine zur digitalen Registrierung des zeitlichen Mittelwerts des die Spule 108 durchfließenden Stroms. An electrical measuring instrument is designated by 125 , which displays the mean value of the current flowing through the winding 108 over time. 126 denotes an electric typewriter for digitally recording the time average value of the current flowing through the coil 108.

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Claims

Patent claims:

1. Gravimeter for measuring the gravity of the earth moving along a geographic course Vehicles (airplanes, ships or the like), consisting of one against the back ^ · adjusting forces in a housing from a zero position out of a vibrating mass, a device for mapping the position of the mass relative to its housing in an electrical

ao measuring signal and from a measuring device fed by this signal to determine the gravity measured value, in which the mass can be moved on a straight path containing gravity by means of a straight guide consisting of several tensioned threads or straps that attack the mass in different planes is guided, characterized in that the mass (79) is rotatably mounted about an axis of rotation (AA) extending along its path and in that the tensioning threads (80, 81, 82, 83, 84) are in different planes. attack the mass at a distance from one another tangential to the axis of rotation of the mass and are tensioned by a force (85, 86) acting on it in its longitudinal direction.

2. Gravimeter according to claim 1, characterized in that that the threads (80, 81, 82, 83, 84) are tensioned by torsion of the mass (79).

3. Gravimeter according to claim 1 and 2, characterized in that the mass (79 ) engages at least one tangential to the 'axis of rotation (AA) effective tension spring (85, 86).

4. Gravimeter according to one of claims 1 to 3, characterized in that a depending on the position of the mass (79) via an electrical tap (101,102,103,120, 121) controlled force transmitter (107,108) is provided for automatic compensation of the forces acting on the mass is.

5. Gravimeter according to claim 4, characterized in that elastic means (87, 90) for Compensation of the weight of the mass (79) are provided in a zero position of the mass.

1 sheet of drawings