DE1804443A1 - Geraet zum Messen einer Beschleunigung - Google Patents

Description

• Gerät zum Messen einer Beschleunigung Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen einer Beschleunigung, insbesondere einer Horizontalbeschleunigung des Erdbodens bei Erdbeben. In gleicher Weise läßt sich das Gerät jedoch auch zum Best-immen mindestens einer Komponente eines Gravitationsfeldes anwenden, da Gravitationskräfte und Beschleunigungskräfte äquivalent sind.
• Gemäß der Erfindung ist ein Gerät zum Messen einer Beschleunigung gekennzeichnet durch eine geschlossene, im wesentlich U-förmige, Quecksilber enthaltende Röhre aus Isoliermaterial, deren im Betrieb wenigstens annähernd senkrecht stehende Schenkel nur teilweise mit Quecksilber gefüllt sind und jeweils einen durch das geschlossene Ende in das Quecksilber hineinreichenden Widerstandsdraht enthalten, und durch eine Wheatstone'sche Brückenschaltung mit vier Armen, von denen zwei jeweils den sich im quecksilberfreien Raum eines der Schenkel liegenden Teil des betreffenden Widerstandadrahtes enthält.
• Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist.
• Das in der Zeichnung dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung dient vorzugsweise zur Messung von horizontalen Verschiebungen des Erdbodens, die durch ein Erdbeben verursacht werden, und enthält eine im wesentlichen U-förmige Röhre aus einem Isoliermaterial, vorzugsweise Glas. Die als Ganzes mit 1 bezeichnete Röhre besteht aus einer horizontalen unteren Röhre 2,mit deren Enden zwei vertikale Röhrenteile 3, 4 verbunden sind.
• Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind die drei Röhrenstücke 2, 3 und 4 gerade und die senkrechten Rohrstücke 3, 4 stehen unten etwas über den Ansatzpunkt des horizontalen Rohrstückes 2 über.
• Die U-Röhre 1 ist teilweise mit Quecksilber 6 gefüllt und in den Achsen der beiden vertikalen Röhrenstücke 3 und 4 sind zwei elektrische PJiderstandsdrähte 8 bzw. 9 gespannt.
• Die oberen und unteren Enden der beiden vertikalen Röhrenstücke sind hierfür mit oberen Verschlußkappen 12, 13 bzw. unteren Verschlußkappen 14, 15 versehen, die hermetisch mit den Röhrenenden verbunden sind. Die Widerstandsdrähte 8, 9 bestehen vorzugsweise aus einer Legierung, die 92% Platin und 8% Wolfram enthält, nicht oxidiert und mit Quecksilber kein Amalgam bildet.
• Die Verschlußkappen 12, 13, 14 und 15 bestehen vorzugsweise aus Metall, um ihren elektrischen Anschluß zu erleichtern, und sie sind dann mit den Röhrenenden durch ein Glas-Metall-Lot dicht verbunden.
• Die beiden senkrechten Röhrenstücke 3, 4 sind in ihrem oberen Teil durch eine Kapillarrohre 18 aus Glas verbunden, die etwa die Form eines umgekehrten, relativ weit geöffneten "V" hat und damit zwei schräg nach unten verlaufende 3tLcke aufweist, die das Abfließen des Quecksilbers erleichtern, im Falle daß das Gerät vor seiner endgültigen Montage einmal umgekehrt werden sollte.
• Die Röhrenanordnung besteht vorzugsweise aus hartem Geräteglas und ist miteinander verblasen. Der Innendurchmesser der Kapillarröhre ist vorzugsweise so bemessen, daß die Oberflächenspannung des Quecksilbers nicht ausreicht, um es in der Röhre zu halten. Die Kapillarröhre kann beispielsweise einen Innendurchmesser von 0,5 mm haben. Die Verbindung der Kapillarröhre mit den beiden senkrechten Röhrenstücken 3 und 4 soll so erfolgen, daß Niveauänderungen des Quecksilbers in den senkrechten Röhrenstücken nicht gestört werden.
• Das eine der beiden senkrechten Röhrenstücke, z.B.
• das Röhrenstück 3, weist an seinem oberen Ende einen Pumpstutzen 19 auf, durch den ein Gas, vorzugsweise ein Inertgas, wie Argon, in den oberhalb des Quecksilberspiegels befindlichen Teil der beiden senkrechten Röhrenstücke und die Kapillarröhre 18 eingefüllt werden kann. Man kann die Gasfüllung, z.B. durch einen Fülldruck von etwa einer Atmosphäre so bemessen, daß der Strömungswiderstand, den die Kapillarröhre 18 bei Niveauänderungen des Quecksilbers in den beiden senkrechten Röhrenstücken entgegensetzt, die gewünschte Dämpfung des Gerätes ergibt.
• Der beschriebenen Anordnung ist eine elektrische Meßschaltung zugeordnet, die vorzugsweise eine Wheatstone'sche Brückenschaltung enthält. Der eine Arm der Brückenschaltung enthält den Widerstandsdraht 8 sowie einen zusätzlichen Widerstand 22, der zweite Brückenarm enthält den Widerstandsdraht 9 und einen weiteren zusätzlichen Widerstand 23 und die übrigen beiden Brückenarme enthalten je einen Widerstand 211 bzw. 25.
• Zwei Klemmen 26, 27 dienen zum Anschluß einer Spannungsquelle und zwei weitere Klemmen 28, 29 zum Anschluß eines Meßgerätes.
• Das beschriebene Gerät arbeitet folgendermaßen: Im Ruhezustand liegen die Niveaus des Quecksilbers in den beiden senkrechten Röhrenstücken 3 und 4 in der gleichen Horizontalebene Vorzugsweise verläuft die untere Querröhre 2 ebenfalls horizontal und die Längen der Stücke der beiden Widerstandsdrähte 8 und 9, die sich oberhalb des Quecksilbersptegels befinden, sind gleich. Für die dabei herrschenden Werte der Widerstände der Drähte 8 und 9 ist die Brücke dann abgeglichen, d.h. daß das an die Klemmen 28, 29 angeschlossene Meßgerät stromlos ist. Durc eine horizontale Verschiebung des Erdbodens tritt eine Verlagerung der Masse des in der horizontalen Querröhre 2 befindlichen Quecksilbers ein und das Quecksilber steigt daher im einen der beiden senkrechten Röhrenstücke 3 oder 4 an, während es im anderen absinkt. Hierdurch ändert sich die effektive Länge der sich oberhalb des Quecksilberspiegels befindlichen Teile der Widerstandsdrähte 8 und 9 in den beiden Röhrenstücken, wodurch das Brückengleichgewicht gestört wird und;am elektrischen Meßgerät eine der Niveauverlagerung des Quecksilbers in den beiden Röhrenstücken und damit der Amplitude der Horizontalbewegung des Erdbodens entsprechende Anzeige auftritt.
• Die untere Querröhre 2 kann den gleichen Innendurchmesser haben wie die beiden senkrechten Röhrenstücke 3 und 4, z.B. einen Durchmesser von 6 mm.
• Geräte der vorliegenden Art lassen sicht leicht; für verschiedene Empfindlichkeiten herstellen. Hat man z.B. ein Gerät, das für eine Maximalamplitude der horizontalen Bewegungen von 5 cm ausgelegt ist, so läßt sich eine höhere Empfindlichkeit, z.B. dieselbe Anzeige für eine Maximalamplitude von 2 cm, mit gleichem Niveauunterschied des Quecksilbers in den senkrechten Röhrenstücken dadurch erreichen, daß man den Durchmesser der unteren Querröhre 2 größer macht als den der beiden senkrechten Röhrenstücke. Man muß hierfür nur in Betracht ziehen, daß in den senkrechten Röhrenstücken bei verschiedenen Bevegungsamplituden jeweils die gleichen Volumenänderungen des Quecksilbers eintreten müssen, was bedeutet, daß die Querschnitte der unteren Querröhren der für Bewegungßamplituden von 2 cm bzw.
• 5 cm ausgelegten Geräte im Verhältnis von 5 : 2 stehen müssen.
• Die Durchmesser der horizontalen Röhren verhalten sich dann also wie g . Wenn also das Gerät zur Messung von maximal 5 cm betragenden Horizontalbewegungen eine Querröhre 2 mit einem Innendurchmesser von 6 mm hat, wie es oben erwähnt wurde, muß ein Gerät, das bei Horizontalbewegungen mit einer Maximalamplitude von 2cm die gleichen Meßwerte liefert, eine Querröhre mit einem Innendurchmesser von 9,5 mm bei unverändertem Querschnitt der senkrechten Röhrenstücke haben.
• Die obige Beschreibung betraf die Verwendung des vorliegenden Gerätes für dynamische Beschleunigungsmessungen, bei denen die Meßdauer kurz im Vergleich zur Schwingungsdauer der Quecksilbersäule ist. Man kann das vorliegende Gerät jedoch auch für statische Messungen verwenden, nämlich um die Orientierung des Gerätes in einem Gravidationsfeld festzustellen, insbesondere also zur Neigungsmessung.
• Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung werden zur Mesung zweier, zueinander senkrechter Beschleunigungs- oder Gravidationsfeldkomponenten zwei Geräte der vorliegenden Art verwendet) deren Symmetrieebenen senkrecht aufeinander stehen. Man verwendet also insbesondere zwei U-Röhren 1, deren Schenkel 3, 4 senkrecht stehen, während die Querröhren 2 in den beiden U-Röhren senkrecht zueinander verlaufen. Auf diese Weise läßt sich, ins besondere unter Verwendung eines elektronischen Rechengerätes, die Vertikalrichtung und die Horizontalebene einer Einrichtung mit beweglicher Achse in einem Schwerefeld, z.B. dem Gravitationsfeld der Erde, ermitteln.
• Die Röhrenstücke der U-Röhre 1 müssen nicht notwendigerweise gerade sein. Sie können eine beliebige, gemäß einem vorgegebenen Gesetz errechnete Form haben und insbesondere kreisbogenförmig sein, in diesem Falle ist die Anzeige dann direkt proportional zum Neigungswinkel bezüglich des jeweiligen Schwerefeldes.

Claims (8)

Pat entansprüche

1. Gerät zum Messen einer Beschleunigung, g e -k e n n z e i c h n e t d u r c h eine geschlossene, im wesentlichen U-förmige, Quecksilber (6) enthaltende Röhre (1) aus Isoliermaterial, deren im Betrieb wenigstens annähernd senkrecht stehende Schenkel (3, 4) nur teilweise mit Quecksilber gefüllt sind und jeweils einen durch das geschlossene Ende in das Quecksilber hineinreichenden Widerstandsdraht (8, 9) enthalten, und durch eine Wheatstone'sche Brtlckenschaltung (22 bis 29) mit vier Armen, von denen zwei jeweils den sich im quecksilberfreien Raum eines der Schenkel liegenden Teil des betreffenden Widerstandsdrahtes enthalten.

- 2. Gerät nach Anspruch 1, d a d u r c- h g ek e n n z e i c h n e tv daß der vom Quecksilber freie Raum in den beiden Schenkeln (3, 4) mit einem eine Oxidation des Quecksilbers verhinderndes Inertgas, insbesondere Argon, gefüllt ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder ?, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die quecksilberfreien oberen Teile der Schenkel (3, 4) durch eine Kapillarröhre (18) verbunden sind.

4. Gerät nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Kapillarröhre die Form eines weit geöffneten, umgekehrten "V" hat.

5. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die beiden Schenkel (3, 4) und die sie verbindende Querröhre (2) aus geraden Rohrstücken bestehen.

6. Gerät nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Widerstandsdrähte (8, 9) zwischen den Enden (12, 14; 13, 15) der Schenkel eingespannt sind und axial durch letztere verlaufen.

7. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die U-Röhre kreisbogenförmig ist.

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8. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n'e t, daß zwei um 900 gegeneinander verdrehte U-Röhren mit der zugehörigen Meßanordnung vorgesehen sind.