DE1908232C3

DE1908232C3 - Gravimeter

Info

Publication number: DE1908232C3
Application number: DE1908232A
Authority: DE
Inventors: Hans Dieter Dipl.-Ing. 1000 Berlin Jacoby
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-02-14
Filing date: 1969-02-14
Publication date: 1974-10-17
Also published as: DE1908232A1; DE1908232B2; US3731538A; FR2031418A1; JPS4948781B1

Description

6s Die Erfindung bezieht sich auf ein Gravimeter zur Messung der Erdschwere auf schwankendem Aufstellungsort — vorzugsweise von sich bewegenden Seeoder Luftfahrzeugen aus — mit einem nach dem Prinzip der selbsttätigen Kraftkompensatjon mit einer Gegenkopplung versebenen Graviraetersystera, das eine in einem lagestabiliserbaren Gehäuse entlang einer ebenen, den Scbwerevektor enthaltenden Bahn gegen Rückstellkräfte mit einem Freiheitsgrad der Bewegung verstellbare Masse, eine mit der Masse zusammenwirkende Vorrichtung zur Abbildung ihrer auf ortsfeste Teile des Gehäuses bezogenen Stellung in ein elektrisches Meßsignal und in einem Gegenkopplungszweig in Reihenschaltung, eine von diesem Meßsignal beaufschlagte Vorrichtung zur Steuerung eines mit dem Meßsignal veränderlichen elektrischen Stromes, ein Tiefpaßfilter zur Vermeidung von Auswirkungen auf das Gravimetersystem einwirkender, kurzperiodischer Beschleunigungskräfte auf eine an den Ausgang des Tiefpaßfilters angeschlossene Meßvorrichtung zur Anzeige und, oder Aufzeichnung der Erdschwere, ein übertragungsglied mit integralem übertragungsverhalten und eine auf die Masse einwirkende Kompensationseinrichtung enthält.

Bei diesem bekannten Gravimeter (deutsche Patentschrift 1 165 290) ist die gesamte Anordnung derart getroffen, daß der Tür die Meßvorrichtung maßgebliche Störfrequenzgang des die Kraftkompensation an der Graviraetermasse bewirkenden Gegenkopplungszweiges nach höheren Frequenzen stark abfällt.

Dieser Abfall ist zur Eluminierung der auf das Meßsystem einwirkenden, auf die Bewegung seines Aufstellungsortes zurückzuführenden und der Erdbeschleunigung überlagerten Störkräfte aus der Anzeige der Meßvorrichtung 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 dem bekennten Gravimeter nur unvollkommen möglich, da der Frequenzabfall des Frequenzganges des Regelkreises einer Kompensationsvorrichtung aus Gründen der Erhaltung seiner Stabilität bei vorgegebener Kreisverstärkung im Gegenkopplungskreis eine gewisse Grenze nicht unterschreiten darf.

Die bekannte Anordnung leidet ferner unter dem Mangel, daß das im Gegenkopplungszweig angeordnete Tiefpaßfilter als Verzögerungsglied wirksam ist und die durch die Gegenkopplung gegebene Lageregelung an der Gravimetermasse ungünstig beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, an Gravirnetern der eingangs genannten Art die Anordnung derart zu treffen, daß unter Erhalt der Stabilität des Regelkreises die Unterdrückung der Störbeschleunigungskräfte mit Frequenzen oberhalb einer vorgegebenen Frequenzgrenze möglichst vollständig erfolgt, so daß unterhalb einer vorgegebenen Frequenzgrunze alle Störkomponenten schnell unterdrückt werden, wobei eine Verbesserung hinsichtlich der erzielbaren Regelgüte trotz Verwendung eines der Anzeigevorrichtung zugeordneten Tiefpaßfilters erzielt werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Gravimeter der eingangs genannten Art vorgeschlagen, welches sich erfindungsgemäß dadurch kennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter mit seinem Eingang an den Ausgang des Obertragungsgliedes mit integralem übertragungsverhalten und mit seinem Ausgang nur an den Eingang der Meßvorrichtung angeschlossen ist und daß die Kompensationseinrichtung auch mit dem Eingang des integralen Übertragungsgliedes verbunden ist.

Die Zeichnungen erläutern die Erfindung an Hand jo eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

F i g. 1 zeigt schematisch in perspektivischer Darstellung den Aufbau des Meßsystems des Gravimeters nach der Erfindung, welches vorzugsweise zur Messung der Erdschwere von einem sich entlang einem geographischen Kurs fortbewegenden Schiff Anwendung findet;

F i g. 2 zeigt ein Blockdiagramm der zu diesem Meßsystem gehörigen elektrischen Einrichtungsbestandteile;

F i g. 3 zeigt ein zusammenfassendes Blockdiagramm des Systems nach den Fig. 1 und 2. und

F i g. 4zeigtdenAmplitudenfrequenzgangdesGravimeters nach der Erfindung in logarithmischer Darstellung.

In Fig. 1 bezeichnet 1 eine Grund- und 2 eine Kopfplatte, die beide über Stützen 3,4 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 Thermos:aten auf eine konstante Temperatur geregelt und im übrigen nach außen im wesentlichen druckdicht abgeschlossen. Das Gehäuse selbst ist auf einer durch Kreiselgeräte lagestabilisierten 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 rohrformige Masse aus Leichtmetall /0 bezeichnet, die mittels einer in ihrem Innern angeordneten Schraubenfeder 7, 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 2 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 Mantel der Masse 6 tangential angreifen und mit ihren zweiten Enden iewcils an den Stützen 3. 4 und 5 befestigt sind. Diese fünf Spannbänder werden durch zwei Zugfedern 13 und 14. die an die Masse 6 ebenfalls tangential zu hrcm Mantel angreifen und die an der Stütze 3 bzv· in einem Gehäuseteil 3.4 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 Fbcne und die Spaiinbänder 11 und 12 in einer im Abstand von dieser angeordneten parallelen Ebene und das Spannband IO in einer dritten parallelen Zwischenebene angeordnet.

Die Endpunkte der Spannbänder 8, 9, 11 und 12 sind ebenso wie die der Federn 13 und 14 sowohl an der Masse 6 ate auch an den Stützen 3 und 4 bzw an dem Gehäuseteil 3 A elektrisch isoliert befestigt.

Das untere F.nde ij'er Masse 6 ist mit einem Spulenkörper 15 verbunden, der im Luftspalt 16 eines topfförmigen Pcrmancijlmagneten 17 beweglich ist. Der Spulenkörper 15 trägt zwei Wicklungen, deren Wicklungsenden jeweils mit den Spanndräbten H und 9 bzw. den Spannfedern 13 und 14 elektrisch \erbunden sind.

Die eine der beiden Wicklungen ist über die Anschlüsse 15A 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 gehäusefest 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 geg-'bene Kapazitäten bei Bewegung der Masse 6 gegenläufig und um gleiche Beträge geändert werden.

Die Platten 21 und 22 sind über ihre Anschlüsse 24 und 25 wie F i g. 2 entnehmbar mit den Klemmen eines Übertragers 30 verbunden, der sie aus einem Generator 31 gegenphasig mit einer HF-Wechselspannung fester Frequenz speist. Die an der Platte 20 influenzierte Spannung ist an ihrem Anschluß 23 abgegriffen und einem Verstärker 32 zugefügt. Ihre Amplitude ist der Stellung der Platte 20 (in Näherung) proportional, und ihre Phase springt in einer Mittelstellung der Platte 20, der Nullstellung der Masse 6. um 180^c. Sie ist mittels eines Übertragers 33 einer pnasenenipfindlichen Gleichrichtervorrichtung 34 zugeführt.

Die Gleichrichtervorrichtung 34 ist gleichzeitig vom übertrager 30 mit der Ausgangsspinnung des Generators 31 über einen Verstärker 35 und eirn Phasenumkehrstufe 36 mit Hilfsspannungen gespeist, die die phasenrichlige Gleichrichtung der Ausgangsspannung des Verstärkers 32 in üblicher Weise erlauben.

Die der Gleichrichtervorrichtung 34 über die Leitung 37 entnommene und dem Eingang eines Verstärkers 38 zugeführte Gleichspannung ist in ihrer Stärke der Stellung der Masse 6 proportional, und sie wechselt in der Nullstellung der Masse 6 ihre Polarität. Diese Nullstellung ist durch Verstellen der Schraube 8 einstellbar.

Der Verstärker 38 speist mit einem Ausgangsglcichstrom eine Wicklung I5</ des Spulenkörpers 15 und steuert gleichzeitig mit dem Spannungsabfall an der Wicklung 15d ein integrales übertragungsglied 39 in Form eines Verstärkers. Der Verstärker 39 ist in bekannter Weise als gegengekoppclter Operationsvcrstärker ausgebildet, der in seinem Gcgenkopplungszweig einen Kondensator aufweist. Fr speist die zweite Wicklung I⁵/' des Spulenkörpers 15 mit einem Gleichstrom, der mit einem Zeitintcgral über seine Fingangsspannung variabel ist.

An den Ausgang der Verstärkervorrichtung 39 ist über ein elektrisches Tiefpaßfilter <0, welches aus frequenzabhängig gegengekoppeltcn Operationsverstärkern aufgebaut ist, ein Gleichstrommeßinstrument 41 zur analogen Anzeige der Erdschwere, ein digitales Voltmeter 42 zur digitalen Anzeige der Erdschwere und ein Drucker 43 zum Ausdruck der Anzeige des Vollmeters 42 angeschlossen.

In F i g. 3 bezeichnet 50 schematisch das dem Ein-

fluß äußerer Kräfte W unterworfene Mcßwcrk nach F i g. 1 mit dem Frequenzgang F₁. Mit y ist das Signal am Ausgang des Verstärkers 38, mit 51 die Vorrichtung 39 mit dem Frequenzgang F₂. mit 52 der die Spulenwicklung I5ii enthaltene Signalpfad mit dem Frequenzgang F₃ und mit 53 die Vorrichtung 40 mit dem Frequenzgang F₄ bezeichnet.

Die Ausgangssignalc χ, und X₁ der Vorrichtungen 51 und 52 sind addiert und auf den Eingang des Meßwerks 50 im Sinne der Gegenkopplung zurückgeführt. Bezeichnet man

x, + X₂ = χ und W-x = χ,.,.

so folgt für den Frequenzgang F₀ des offenen Regelkreises, daß

F₀ = x/x„. = F,-(F₂ + F₃)

ist. Für den Folgefrequenzgang F₇ - Z/-.. wobei Z die Ausgangsgröße der Vorrichtung 39 am Eingang des Filters 40 bezeichnet, folgt unmittelbar

ρ _ y/w _ .v.l.". F±'_^xj». = F.F,

F₁ ■ F₂ ρ -—

Aus (1) ist unmittelbar ersichtlich, daß der Frequenzgang F₂ mit wachsender Frequenz beliebig klein gewählt werden darf, sofern dafür gesorgt wird, daß F₃ in diesem Bereich hinreichend groß verbleibt.

Unterstellt man deshalb z. B., daß das Meßsystem 50 eine Verstärkung von r₀₁ = 100 aufweist und nicht mit Zeitverzögerungen behaftet ist — was wegen der mangelnden bzw. geringer Dämpfung des Meßwerks nach F i g. 1 etwa zutrifft — so läßt sich zwecks Unterdrückung aller Störkräfte mit Frequenzen o> < 1 s"' F₃ z. B. wählen zu

P ₌ ^r±3J: '" +_!«
³ \ +T₁₃J-,.,

mil

und

= K)OO. T_n = Is. /·„, = I

F, =

'•-12/7·' I + fr.

wobei r_₁₂ und T₁₂ z.B. zu r__t2 = 0,01s"¹ und T₁₂ = 100 s wählbar sind.

In (I), (2) und (3) sind mit F₁, F₂ und F₃ die im Bodediagramm darstellbaren Frequenzgänge (transfer functions) der Vorrichtungen 50, 51 und 52 bezeichnet, wobei j = \ - 1 und «»die Kreisfrequenz der auf die Gravimetermasse einwirkenden Kräfte bezeichnen. Dabei ist F₂ als Integral übertragendes Glied und F₃ als Verzögerungsglied erster Ordnung mit

ίο einem parallel geschalteten konstant übertragenden Element in üblicher Schreibweise (vergleiche z. B. W. O ρ pel t: Kleines Handbuch technischer Regelvorgänge, Verlag Chemie GmbH, Weinheim/Bergstr., 1956) gewählt.

Diese Dimensionierung, welche unschwer erreichbar ist, läßt eine Dämpfung aller Störschwingungen

oberhalb von _|0 Hz zu, die größer als 20db/Dekade ist und die praktisch (vgl. die F i g. 4) ohne Gefährdung der Stabilität der Gegenkopplung 150db/Dckade und mehr betragen kann.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ist deshalb praktisch eine nahezu ideale Unterdrückung aller Störkräfte erreichbar, wobei die durch das Ticfpaßfilter53 (bzw. 40 in Fig. 2) gegebenen Verzögerungen keinen Einfluß auf die Regelung mehr haben. Die im Ausführungsbeispiel aus der Spule 15. dem Luftspalt 16 und dem topfförmigen Permanentmagneten 17 bestehende Kompensationseinrichtung kann, bei entsprechender Reduktion der Gravimetermasse, durch einen mittels einer elektrischen Spannung steuerbaren elektrostatischen Kraftgeber (Kondensator) ersetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gravimeter zur Messung der Erdschwere auf schwankendem Aufstellungsort — vorzugsweise von sich bewegenden See- oder Luftfahrzeugen aus — mit einen» nach dem Prinzip der selbsttätigen Kraftkompensation mit einer Gegenkopplung versehenen Gravimetermeßsystem, das eine in einem lagestabilisierbaren Gehäuse entlang einer ebenen, den Schwerevektor enthaltenden Bahn gegen Rückstellkräfte mit einem Freiheitsgrad der Bewegung verstellbare Masse, eine mit der Masse zusammenwirkende Vorrichtung zur Abbildung ihrer auf ortsfeste Teile des Gehäuses bezogenen Stellung in ein elektrisches Meßsignal und in einem Gegenkopplungszweig in Reihenschaltung, eine von diesem Meßsignal beaufschlagte Vorrichtung zur Steuerung eines mit dem Meßsignal veränderlichen elektrischen Stromes, ein Tiefpaßfilter zur Vermeidung von Auswirkungen auf das Gravimetersystem einwirkender, kurzperiodischer Beschleunigungskräfte auf eine an den Ausgang des Tiefpaßfilters angeschlossene Meßvorrichtung zur Anzeige und/oder Aufzeichnung der Erdschwere, ein übertragungsglied mit integralem übertragungsverhalten und eine auf die Masse einwirkende Kompensationseinrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßfilter (40) mit seinem Eingang an den Ausgang des übertragungsglicdes (39) rait integralem übertragungsverhalten und mit seinrm Ausgang nur an den Eingang der Meßvorrichtung ('»!) angeschlossen ist und daß die Kompensationseinrichtung (15,16,17) auch mit dem Eingang des integralen Ubertragungsgliedes (39) verbunden ist.

2. Gravimeter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Eingang des Übertragungsgliedes (39) mit integralem übertragungsverhalten verbundene Teil der Kompensationseinrichtung (15, 16, 17) ein im wesentlichen proportionales übertragungsverhalten aufweist.

3. Gravimeter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung (15, 16. 17) aus einem Elektromagnetsystem besteht.

4. Gravimeter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine Wicklung (15a, 15b) des Elektromagnetsystems mit dem Eingang bzw. dem Ausgang des Ubertragungsgliedes (39) mit integralem übertragungsverhalten verbunden ist.

5. Gravimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (6) mit ihrer Aufhängung (7) frei von Dämpfungsmittel ausgebildet ist. $5

6. Gravimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse (6) an eine linear verlaufende Bahn gefesselt ist.

7. Gravimeter nach einem der Ansprüche 1 oder 2 sowie 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung von einem elektrostatischen Kraftgeber gebildet ist.