DE1908232A1 - Gravimeter - Google Patents

Description

CONTINENTAL Z*L _u K ! H O I H D Ü S 1 H I 2

AKTIBNGUSELLSCHAFT Askania-Werke

Berlin, den 10. Februar 19C9 (M26)

Gravimeter

Die Erfindung bezieht oic'.i auf ein Gravimeter zur Messung der \ Erdschwere auf achwankendem Aufstellungsort - vorzugsweise von sich entlang einem Kurs fortbewegenden See- oder Luftfahrzeugen aus - mit einem nach dem Prinzip der selbsttätigen Kraftkompensation mit einer Gegenkopplung versehenen Graviraetermeßsyetera bestehend aus einer in einem lagestabiliserbaren Gehäuse entlang einer ebenen, den Schwerevektor enthaltenden Dahn gegen iiückstellkräfte mit einem Freiheitsgrad der Bewegung verstellbaren .'lasse, einer mit ihr zusammenwirkenden Vorrichtung zur Abbildung ihrer auf ortsfeste Teile des Gehäuses bezogenen Stellung in ein elektrisches Ileßsignal, einer von diesem Signal beaufschlagten Vorrichtung zur Steuerung eines mit den Signal veränderlichen elektrischen Stromes und mit einem von diesem Strom gesteuerten, auf die Hasse einwirkenden Elektromagnetsystera zur Kompensation von auf sie einwirkenden äußeren Kräften, bei dem an den Signalpfad des Kompensationsstromkreisea über Tiefpaßfilter eine Heilvorrichtung zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Erdschwere anschließbar und im Signalpfad des Gegenkopplungszweiges zwischen der Abbildunßavorrichtung und dem Elektromagneten ein übertragungoglied mit integralem Übertragungsverhalten eingeschaltet ist.

PAT Seiffort (E 679/63) - 2 -

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Bei einem vorgeschlagenen Gravimeter ähnlicher Bauart wird das elektrische Meßsignal über ein Tiefpaßfilter geführt und mittels eines proportional übertragenden Verstärkers verstärkt und speist als Gleichstrom eine Wicklung eines permanentmagnetischen Elektromagneten. Der Spannungeabfall an dieser Wicklung wirkt auf eine Meßvorrichtung zur Registrierung der Erdschwere ein.

Die gesamte Anordnung ist dabei derart getroffen, daß der für die Meßvorrichtung maßgebliche Störfrequenzgang des die. Kraftkompensation an der Graviraetermasse bewirkenden Gegenkopplungssweiges nach höheren Frequenzen stark abfüllt. Dieser Abfall ist aur Eliminierung der auf das Meßsystem einwirkenden, auf die Bewegung seines Aufstellungsortes zurückzuführenden und der Erdbeschleunigung überlagerten Störkräfte aus der Anzeige der Heftvorrichtung erforderlich, wobei es notwendig ist, aus der Anzeige alle Kräfte zu eliminieren, deren Frequenzen oberhalb einer vorgegebenen Frequenzgrenze gelegen sind. Diese Frequenzgrenze ist in praktischen Fällen durch etwa 1/10 Hz gegeben, da die Störkräfte normalerweise oberhalb dieser Frequenz gelegen und die änderungen der Erdschwere bei normaler Fahrzeuggeschwindigkeit und normal verlaufenden Schwereprofilen Schwankungen der Meßgröße zur Folge haben, die unterhalb dieser Frequenz gelegen sind.

Die Erfüllung dieser Forderung ist bei den älteren Gravimetern nur unvollkommen möglich, da der Frequenzabfall des Frequenzganges des Regelkreises einer Kompensationsvorrichtung aus Griinden der Erhaltung seiner Stabilität bei vorgegebener Kreisverstärkung im Gegenkopplungskreis eine gewisse Grenze nicht unterschreiten darf.

Diese ültero Anordnung leidet ferner unter dem Mangel, daß das im Gegenkopplungasv/eig angeordnete Tiefpaßfilter als Verzögerungsglied wirksam ist und die durch die Gegenkopplung gegebene Lageregelung an der Gravimetermaeae ungünstig beeinflußt.

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Cweck der Erfindung ist es deshalb, an Gravimetern der eingangs Genannten Art die Anordnung derart zu treffen, daß die Unterdrückung der StorbesclileunxGungskräfte innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches frequenzabhängig derart erfolgt, daß unterhalb einer vor-Cecebenen Frequenzgrenze alle Gtb'rkoraponenten schnell unterdrückt v/erden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Gravimeter derart auszubilden, daß bei verbesserter Unterdrückung der auf das ließsystem in vertikaler Sichtung einv/irkenden Störkräfte horizontal verla-ienao .'fJrkrufte ohne Anzeige auf den Einfluß der Erdschwere sind.

Forner oolite die ältere Anordnung hinsic3itlich der erzielbaren I₁G^eI-JUtC trotz Verwendung eines der Anzeigevorrichtung zugeordneten oTjfilters verbessert werden.

liur Lüsung diener Aufgaben wird ein Gravimeter der eingangs genannten -*rt vorgeschlagen, welches sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß zur Unterdrückung kurzperiodischer Beschleunigungskräfte, welche auf dac Graviraetersystem einwirken, aus der Anzeige der Anzeigevorrichtung diese Anaeigevorrichtung mit dem Tiefpaßfilter hinter dem integralen übertragungsglied an den Signalpfad des Gegenkopplungszweiges angeschlossen und ein der Stellung der Ilasse proportionales Signr.l vor den integralen Übertragungsglied aus diesem Signalpfad heraus in einen parallelen, Ubertragungspfad auf ein auf die Ilasse einwirkendes Elektro-Iiagnetsystera meßkraftkompensierend im Sinne einer Gegenkopplung übertragen ist.

Die anliegenden Zeichnungen erläutern die Erfindung an Hand eines bevoi* zugten AusfUhrungcbeispiels.

Fig. 1 zeigt achetnatisch in perspektivischer Darstellung den Aufbau des Meßeysteas dee Gravimeter nach, der Erfindung, welches vorzugsweise zur Messung der Erdschwere von einen sich entlang einem geo^ir. hischen Kurs fortbewegenden Schiff Anwendung findet.

Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm der zu dieaen Meßsystem gehörigen elektrischen üinric'atungsbeatandteile.

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BAD

Fig. 3 zeigt ein zusammenfassendes Blockdiaoramra des Systems nach den Fic· 1 und 2 und es zeigt Fig. h den Araplitudenfrequensgans des Gravimeters nach der Erfindung in logarithmischer Darstellung«

In Fig. 1 bezeichnen 1 eine Grund- und 2 eine Kopfplatte, die beide über Stützen 3» ^ und 5 starr miteinander verbunden und in einem (nicht dargestellten) das System einschließenden Gehäuse, welches mit der Grundplatte 1 starr verbunden ist, gelagert sind. Das Innere des Gehäuses ist mittels eines Thermostaten auf eine konstante Temperatur geregelt und im übrigen nach außen im wesentlichen druckdicht abgeschlossen. Das Gehäuse selbst ist auf einer durch Kreiselgeräte lac©- stabilieierten Plattform lagerbar, so daß es in bezug auf die Horizontalebene und unabhängig von Schwankungen des die Plattform transportierenden Fahrzeugs stets die gleiche Lage einnimmt.

Mit 6 ist eine rohrförmige Masse aus Leichtmetall bezeichnet, die mittels einer in ihrem Innern angeordneten Schraubenfeder 7i die einerseits an einer Schraube 8, die in der Kopfplatte 2 höhenverstellbar gelagert ist, befestigt und andererseits an dem der Schraube 8 abgewandten Ende der Masse 6 befestigt ist, an der Kopfplatte aufgehängt ist.

Zur Fesselung der Masse 6 an eine lineare Bewegungsbahn sind fünf metallische Spannbänder 8, 9» 10, 11 und 12 vorgesehen, die jeweils an den Hantel der Masse 6 tangential angreifen und mit ihren zweiten Enden jeweils an den Stützen 3» ^ und 5 befestigt sind. Diese fünf Spannbänder werden durch zwei Zugfedern 13 und 1A, die an die Masse ebenfalls tangential zu ihrem Mantel angreifen und die an dar Stütze bzw. in einem Gehäuseteil 3 A befestigt sind, stramm gespannt und fesseln somit die Masse 6 an eine Bahn, die mit ihrer Längsachse übereinstimmt. Die Spannbänder 8 und 9 sind hierzu in einer Ebene und die Spannbänder 11 und 12 in einer im Abstand von dieser angeordneten parallelen Ebene und das Spannband 10 in einer dritten parallelen Zwiechenebene angeordnet.

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Die Zndpunkte der Spannbünder G, 9» 11 und 12 sind ebenso wie die der Federn 13 und 1¹J- sowohl an der Hasse 6 als auch an den Stützen und k bzw. an dem Gehäuseteil 3 A elektrisch isoliert befestigt.

Das untere linde der Ilasse 6 ist mit einem Spulenkörper 15 verbunden, der im Luftspalt 16 eines topfförmigen Permanentmagneten 17 beweglich ist. Der Spulenkörper 15 trägt zwei Wicklungen, deren Wicklungsenden jeweils mit den Spanndrähten 8 und 9 bzw. den Spannfedern 13 und Ik elektrisch verbunden sind.

Die eine der beiden Wicklungen ist über die Anschlüsse 15 A und .15 AA und die andere Wicklung über die Anschlüsse 15 B und 15 BB mit jeweils einer Stromquelle verbindbar.

Das obere Ende der Masse 6 ist mit einer Metallplatte 20, die an ihr elektrisch isoliert befestigt ist, starr verbunden. Die Metallplatte 20 ist im Luftspalt eines gehüusefest angeordneten, aus den beiden Metallplatten 21 und 22 bestehenden Kondensators beweglich, und es ist die Platte 20 elektrisch leitend mit dem Spanndraht 11 verbunden, der seinerseits als isolierte elektrische Zuleitung für die Platte 20 mit einem Ausgang 23 verbunden ist.

Die Platten 20, 21 und 22 bilden einen elektrischen Differentialkondensator, dessen durch die Platten 20 und 21 bzw. 20 und 22 gegebene Kapazitäten bei Bewegung der Ilasse 6 gegenläufig und um gleiche Beträge geändert werden.

Die Platten 21 und 22 sind Ubrr ihre Anschlüsse 2k und 25 - wie Fig. 2 entnehmbar - mit den Klemmen eines Übertragers 30 verbunden, der sie aus einem Generator 31 gegenphasiß mit einer HF-WecliBelepannung fester Frequenz upeist. Die an der Platte 20 influenzierte Spannung ist an ihrem Aaochluß 23 abgegriffen und einem Verotclrker zugefügt. Ihre Amplitude iat der Stellung der Platte 20 (in Näherung)

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BAD ORIGINAL

proportional, und ihre Phase springt in einer HitteIstellung der Platte 20, der Nullstellung der Masse 6, um 1GO°. Sie ist mittels eines Übertragers 33 einer phasenempfindlichen Gleichrichtervorrichtung 3^ augeführt.

Die Gleichrichtervorrichtung J>h ist gleichzeitig vom übertrager mit der Ausgangsspannung des Generators 31 über einen Verstärker und eine Phasenumkehrstufe 36 mit Hilfsspannungen gespeist, die die phasenrichtige Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Verstärkers 32 in üblicher Weise erlauben.

* Die der Gleichrichtervorrichtung 3k über die Leitung 37 entnommene und dem Eingang eines Verstärkers 33 augeführte Gleichspannung ist in ihrer Stärke der Stellung der Hasse 6 proportional, und sie: wechselt in der Nullstellung der Hasse 6 ihre Polarität. Diese Nullstellung ist durch Verstellen der Schraube 8 einstellbar.

Der Verstärker 3o speist mit einem Ausgangsgleichstrom eine Wicklung 15a des Spulenkörpers 15 und steuert gleichzeitig mit dem Spannungsabfall an der Wicklung 15a einen integral übertragenden Verstärker 39· Der Verstärker 39 ist in bekannter Weise als gegengekoppelter Operationsverstärker ausgebildet» der in seinem Gegenkopplungszweig einen Kondensator aufweist. Hr speist die aweite Wicklung 15b des Spulenkörpers 15 tnit einem Gleichstrom, der mit

* einem Zeitintegral aber seine Lingangsspannunj variabel ist.

An den Ausgang der Verstärkervorrichtuntj 39 ist aber ein elektrisches Tiefpaßfilter ¹K), welches aus frequenzabhängig gegengekoppelten Operationsverstärkern aufgebaut ist, ein Gleichstrommeßinstrument *f1 zur analogen Anzeige der Erdschwere, ein digitales Voltratter *+2 zur digitalen Anzeige der Urdschwere und ein Drucker Ό zum Ausdruck der Anzeige des Voltmeters *f2 angeschlossen.

BAD ORIGINAL

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In Fie· 3 bezeichnet 50 scheraatioch das dem Einfluß äußerer:Kräfte W unterworfene lleßwerk nach Fig. 1 mit dem Frequenzgang F . Mit y ist das Signal am Ausgang des Verstärkers 3ö» mit 51 die Vorrichtung 39 rait dem Frequenzgang F , mit 52 der die Spulenwicklung 15a enthaltene Signalpfad mit dem Frequenzgang F, und mit 53 die Vorrichtung ^O mit dem Frequenzgang F. bezeichnet.

Die Ausgangasignale X₁ und x_o der Vorrichtungen 51 und 52 sind addiert und auf den Hingang des Ileßwerks 50 im Sinne der Gegenkopplung zurückgeführt. Bezeichnet man χ + x_o = χ und W-X = X^, bo folgt für den Frequenzgang F des offenen Kegel¹ .roises, daL F = χ/χ_ω = F · (F₀ +F) ist'. Für den Folgefrequenzgang F„ = wobei Z die Ausgangsgröße der Vorrichtung 39 am Eingang des Filters ^O bezeichnet, folgt unmittelbar

F · F„ · χ
= S/U = —

* "ω

t 2

^{1 +F}o

F₁- F,
(1) = T £

1 "2 ^τ 3

Aus (1) iet unmittelbar ersichtlich, daß der Frequenzgang F_ mit wachsender Frequenz beliebig klein gewählt werden darf, sofern dafür gesorgt wird, daß F, in diesem Bereich hinreichend groß verbleibt.

Unterstellt man deshalb z.B.,daß das Heßsystem 50 eine Verstärkung von Tq. = 100 aufweist und nicht mit Zeitverzögerungen behaftet iat - wae wegen der mangelnden bzw. geringen Dämpfung des Meßwerks nach Fig. 1 etwa zutrifft - ao läßt eich zwecks Unterdrückung aller Störkräfte mit Frequenzen w)i 1 b" F, z.B. wählen au

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— O -

r ■)■ w/ + r

1 +

mit r ₇ = 1000, T , = 1 s , r₀-, = 1

und
(3) F₀

1 -f- T
' 12

-1 wobei r ., und T- a.B. au r ,,,, = 0,01 s und T _, = 100 β wählbar sind.

In (1), (2) und (3) sind mit F₁ F₀ und F_ die im Bödediagramra darotellbaren Fi*equenagänge (transfer functions) der Vorrichtungen 50, 51 und 52 bezeichnet, wobei j = M und <^> die Kreisfrequena der auf die Gravitieterraasse einwirkenden Kräfte bezeichnen« Dabei ist F₀ als Integral übertracendes Glied und F_ als VerzüGeruncs-Glied erster OrdnunG rait einem parallel Geschalteten konstant übertracenden ülement in üblicher Schreibweise (vgl. s.o. U. Oppelt: kleines Handbuch technischer KeGelvorgänGe« Verl.-3 Chemie GcibujV/einheiu/BerGstr. - 195O

Diese Dimensionierune» welche unschwer erreichbar ist, läßt eine Dämpfunß aller Stürachwinguncen oberhalb von -rpr Ha au, die größer als 20 db/Dekade ist und die praktisch (vcl· die Fig. k) ohne Gefährdung der Stabilität der GecenkopplunG 150 db/Dekade und mehr betragen kann.

Durch die erfindunGscemüßen Maßnahmen ist deshalb praktisch eine naheau ideale Unterdrückung aller Störkrüfte erreichbar, wobei die durch das Tiefpaßfilter 53 (bzw. ¹K) in Fig. 2) gegebenen Verzöge« runcen keinen Einfluß auf die Regelung mehrhaben.

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Die Erfindung ist nicht an das beschriebene Ausführungsbeispiel gebunden. Die Uicklungen 15a und 15b können durch eine einzige, von beiden Strömen gemeinsam durchflossene Wicklung ersetzt sein und es kann das übertragungsverhalten des Signalpfades 52 abweichend Gewühlt sein und ee kann ferner z.3. ein weiterer zusätzlicher Signalpfad mit a.B. differentialem Übertragungsverhalten in den Gegenkopplungspfad eingefügt werden. Auch ist es denkbar, über die Vorrichtung 39 zusätzlich ein proportionales Signal zu übertragen·

Die Erfindung ist nicht auf das Auführungsbeispiel beschränkt. Insbesondere ist der elektromagnetische Kompensationskraftgeber durch einen mittels einer elektrischen Spannung steuerbaren elektrostatischen Kraftgeber (Kondensator) bei entsprechender Reduktion der Gravimetermasse ersetzbar.

6 Patentansprüche 2 ZeichnungsblMtter

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Claims (5)

Patentansprüche

1) Gravimeter zur Messung der Erdschwere auf schwankendem Aufstellungsort - vorzugsweise von sich entlang einem Kurs fortbewegenden See- oder Luftfahrzeugen aus - mit einem nach dem Prinzip der selbsttätigen Kraftkompensation mit einer Gegenkopplung versehenen Gravimetermeßsystem bestehend aus einer in einem lagestabilisierbaren Gehäuse entlang einer ebenen, den Schwerevektor enthaltenden Bahn gegen P.ückstellkräfte rait einera ?reiheitsgrad der Bewegung verstellbaren Hasse, einer mit ihr r/Aiccmmenwirkenden Vorrichtung zur Abbildung ihrer auf ortsfeste

^ Teile des Gehäuses bezogenen Stellung in ein elektrisches ließsignal, einer von diesem Signal beaufschlagten Vorrichtung sur Steuerung eines mit dem Signal veränderlichen elektrischen Strons und mit einem von diesem Strom gesteuerten, auf die Hasse einwirkenden Elektromagnetsystem zur Kompensation von auf oie einwirkenden äußeren Kräften, bei dem an den Signalpfad des Konvpensationsstromkreises über Tiefpaßfilter eine Ileßvorrichtung zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Erdschwere anschließbar und im Signalpfad des Gegenkopplungszweiges zwischen der Abbildungsvorrichtung und dem Elektromagneten ein Übertragungsglied mit integralem übertragungsverhalten eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet., daß zur Unterdrückung kursperiodischer Beschleunigungskräfte, welche auf das Gravimetersystein (1,2,6,7) ein-

^ wirken, aus der Anzeige der Anzeigevorrichtung (*fi) diese Anzeigevorrichtung mit dem.Tiefpaßfilter (^0) hinter dem integralen Übertragungsglied (39) an den Signalpfad (3?-1 33, 15a, 15b) des GegenkopplungozweigeB angeschlossen und ein der Stellung der Masse (6) proportionales Signal (37) vor dam integralen Übertragungsglied aus diesem Gignalpfad heraus in einen parallelsn Ubertragungepfad (I5a) auf ein auf.die Hass© ©inv/irkendes £l©ktroraaßnetsystera (15t 16, 17) meßkraftkorapensierend im Sinne siner Gegenkopplung übertragen ist.

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2.) Gravimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche 'Übertragungspfad (15a) im wesentlichen proportionales Übertragungsverhalten aufweist.

3) Gravimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Übertragungspfad am Elektromagnetsystem (15, 16, 17) eine eigene Wicklung (15a, 15b) dieses Magneten zugeordnet ißt.

*O Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 t dadurch gekennzeichnet, daß das Maßsystem (6, 7) frei von Dämpfungsmitteln ausgebildet ist.

5) Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis k_t dadurch gekennzeichnet, daß die Hasse (G) an eine linear verlaufende Bahn gefesselt ist. \

C) Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des elektromagnetischen Ilraftgebers (15i 1υ, 17) ein solcher elektrostatischer Wirkungsweise vorgesehen ist.

AKTIDNG2SELLSCHAFT

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