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Meßgerät mit einem Pendel zum Festlegen einer Bezugarichtung Die
Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät, bei dem ein Pendel dazu dient, eine durch
die Schwerkraft bestimmte Bezugsrichtung zu ermitteln, und sie betrifft insbesondere
eine Pendel anordnung, die geeignet ist, bei einem Meßgerät verwendet zu werden,
das dazu dient, eine senkrechte Richtung bzw. ein Lot als Bezugsrichtung zu bestimmen.
Als Beispiele für Meßgeräte, bei denen sich die Erfindung anwenden läßt, seien gewöhnliche
lGivelliergeräte genannt, ferner elektrische Nivelliergeräte, Klinometer sowie rGheodolite,~bei
denen eine mit einem Pendel arbeitende aorizontiereinrichtung vorhanden ist.
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bei einem Nivelliergerät der Sendelbauart ist ein Pendel in Form
eines optischen Elements, z.B. eines Prismas oder Reflektors, oder ein ein solches
optisches element tragendes Bauteil an einem Tragglied so aufgehängt, daß es mit
seiner Hilfe möglich ist, eine waagerechte Richtung
auf der Basis
der Wirkungsrichtung der Schwerkraft festzulegen. Bei einem automatischen ivelliergerät
ist das mit dem optischen Element versehene Pendel so aufgehängt, daß selbst dann,
wenn das automatische Nivelliergerät gegen die genau waagerechte Richtung geneigt
aufgestellt wird, diese Neigung gegen die Waagerechte selbsttätig kompensiert wird,
um trotz der lJeigung eine genau waagerechte Richtung festzulegen.
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Es sind bereits verschiedene Bauarten von automatischen Nivelliergeräten
bekannt. Bei einem solchen Gerät ist z.B. ein Pendel vorhanden, das in dem Gerät
mit Hilfe flexibler Schnüre oder dergleichen aufgehängt ist, die aus Kunstharzbändern
bestehen, oder ein starres Tragglied, an dessen unterem Ende ein Pendel befestigt
ist, ist mit Hilfe eines Kugellagers schwenkbar aufgehängt, oder es ist ein Pendel
vorhanden, zu dessen Aufhängungseinrichtung vier elastische Fäden gehören. Derartige
bekannte Nivelliergeräte sind im Jenaer Jahrbuch, 1958, 1. Teil beschrieben, das
vom VEB Carl Zeiss, Jena, veröffentlicht wurde.
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Um sowohl die Herstellung als auch die Benutzung eines solchen SSeßgeräts
zu erleichtern, ist es erforderlich, dafür zu sorgen, daß das Pendel schwingende
Bewegungen innerhalb eines bestimmten Bereichs ausführen kann.
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Wenn bei einer solchen Anordnung das Pendel wiederholt Schwingungen
ausführt, besteht z.B. die Gefahr einer Ermüdung der Aufhängungseinrichtung, so
daß beispielsweise die erwähnten Bänder aus Kunststoff infolge einer wiederholten
Beanspruchung dadurch beschädigt werden, daß Dauerbrüche auftreten. Bildet'man die
Kunststoffbänder dagegen als sehr dünne Bänder aus, um das Auftreten von Ermüdungserscheinungen
zu verhindern, können Eriecherscheinungen auftreten Daher ist es erforderlich, die
inneren Spannungen bei der Aufhängungseinrichtung im Zeitpunkt der maximalen Verformung
unterhalb einer vorbestimmten Sicherheitsgrenze zu halten, und zwar derart, daß
der Bereich elastischer Verformungen nicht überschritten wird.
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bezeichnet man die scheinbare maximale Verformung der AuShängungse»nrichtung
des pendels mit A und die wirksame Länge der unbelasteten Aufhängungseinrichtung
mit 1, ergibt sich die Beanspruchung bzw. Spannung # aus der folgenden Gleichung:
(1) Wenn man eine höchstzulässige Beanspruchung festlegen will, die auf die Sicherheitsgrenze
und die maximale Verlagerung des Pendels abgestimmt ist, muß man die wirksame Länge
der Aufhängungseinrichtung unter Anwendung der Gleichung (1) ermitteln. Besteht
die bandähnliche Aufhängungseinrichtung aus einem Werkstoff von hoher Festigkeit,
besteht die Gefahr des Auftretens von Dauerbrüchen als Folge wiederholter Beanspruchung.
Stellt man die Aufhängungseinrichtung dagegen so her, daß ein dünner Querschnitt
vorhanden ist, um Ermüdungsbrüche zu vermeiden, besteht, wie erwähnt, die Gefahr
des Kriechens. Ferner soll der Absolutwert der Dehnung der Aufhängungseinrichtung
über einem bestimmten Liiindestwert liegen, denn wenn eine nur sehr geringe Dehnung
erzielt werden soll, benötigt man eine Aufhängungseinrichtung von geringer Länge,
und wenn die Aufhängungseinrichtung andererseits zu kurz ist, kann sie leicht dadurch
beschädigt werden, daß eine übermäßige Dehnung åe Längeneinheit herbeigeführt wird.
Hat die Auf hängungseinrichtung andererseits eine zu große Länge, setzt sie einer
Dehnung zwar einen hohen Widerstand entgegen1 doch nimmt sie viel Raum in Anspruch,
so daß sich auch die Abmessungen des Geräts vergroBern, bei dem eine solche Aufhängungseinrichtung
benutzt wird. Somit ist es unzwecktäßigX Aufhängungseinrichtungen von übermäßiger
Länge zu verwenden.
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Bei einem auf bekannte Weise ausgebildeten Pendel für ein Nivalliergerät
muß daher die flexible Aufhängungseinrichtung des Pendels eine Länge haben, die
zwischen einem bestimmten k!iindestwert und einem bestimmten Höchstwert
liegt.
Ein Pendel bekannter Art mit einer solchen flexiblen Aufhängungseinrichtung weist
eine Eigenschwingungszahl auf, die häufig in einem Bereich liegt, bei dem sich Störungen
bezüglich der einwandfreien Ermittlung einer vertikalen oder horizontalen Richtung
ergeben. Insbesondere dann, wenn die Eigenfrequenz des Pendels 3 bis 8 Hz beträgt,
besteht die Gefahr, daß das Pendel leicht in Resonanz mit in der Umgebung auftretenden
Schwingungen kommt, so daß dann, wenn an einem solchen Pendel ein Spiegel befestigt
ist, das Blickfeld des Spiegels unstabil wird.
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Versucht man, solche Resonanzschwingungeu lediglich mit Hilfe eines
pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Dämpfers zu dämpfern, ergibt
sich eine lange Einschwingzeit, d.h. es dauert langer bis das Pendel zur Ruhe kommt
und eine stabile Lage einnimmt. Eine solche Länge der Einschwingzeit ist natürlich
unerwünscht, da sie ein schnelles Festlegen einer horizontaler. oder vertikalen
Richtung unmöglich macht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten
Schwierigkeiten, die sich bei bekannten Nivelliergeräten und dergleichen ergeben,
bei denen ein Pendel dazu dient, eine auf die Wirkungsrichtung der Schwerkraft bezogene
Richtung festzulegen, durch die Schaffung einer verbesserten Pendel anordnung zu
vermeiden.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist durch die Erfindung ein Meßgerät geschaffen
worden, bei dem ein Pendel dazu dient, eine durch die Schwerkraft bestimmte Bezugsrichtung
festzulegen, und zu dem ein Gehäuse gehört, ferner eine Pendelmasse, die ein das
Lot anzeigendes Element trägt, eine flexible Aufhängungseinrichtung, deren oberes
Ende am Gehäuse befestigt ist, während ihr unteres Ende mit der Pendelmasse fest
verbunden ist, wobei die flexible Aufhängungseinrichtung eine ausreichende Länge
hat, um die in ihr auftretenden inneren Spannungen zu begrenzen, welche
nährend
des Gebrauchs des Geräts durch die Pendelmasse hervorgerufen werden, so daß die
Spannungen die Elaattzitätsgrenze der Aufhängungseinrichtung nicht überschreiten,
sowie ein Brm, der am Gehäuse so befestigt ist, daß er mit der flexiblen ufhängungseinrichtung
an einen Punkt zwischen ihrem oberen Ende und ihrem unteren Ende in Berührung kommt,
ohne Jedoch irgendeine bleibende Verformung der lufhängungseinrichtung zu bewirken,
so daß dieser Punkt zwischen den Enden der Aufhängungseinrichtung als ein Abstützungspunkt
zur Wirkung kommt, u81 den die Pendelmasse Schwingungen ausführt.
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Somit wird gemäß der Erfindung die Eigenfrequenz des Pendels durch
den Ar so abgeändert, daß sie nicht in den vorstehend genannten unerwünschten Bereich
von 3 bis 8 Ha fällt, und gleichzeitig werden die in der Aurhängungseinrichtung
auftretenden inneren Spannungen unter der Elastizitätsgrenze gehalten. Beispielsweigo
ermöglicht es die Verwendung dieses Ärma, durch den ein mittlerer Haltepunkt festgelegt
wird die Eigenfrequenz eines Pendels, die ohne das Vorhandensein des lias etwa 3
bis 8 Ha betragen würde, so abzuändern1 daß sich eine Eigenfrequens von etwa 20
Hs ergibt. Eine solche Änderung der Eigenfrequens des Pendels wird alao dadurch
erzielt, daß der Kaltepunkt des Pendels, um den das Pendel schwingt, von oberen
Ende der flexiblen Aufhängungseinrichtung zu den zwischen ihren Enden liegenden
Punkt verlagert wird, ohne daß in der Aufhängungßeinrichtung höhere innere Spannungen
auftreten.
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Wenn ein Pendel, das eine verhältnismäßig hohe Eigenfrequenz von
z.B. 20 Hz oder darüber aufweist mit dieser Eigenfrequenz schwingt, sind diese Schwingungen
für das menschliche Auge nicht mehr erkennbar, und dies ist auf die Nachbildwirkung
beim menschlichen luge zurückzuführen. Infolgedessen werden die Schwingungen des
Pendels bedeutungslos.
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Ferner ist ea gemäß der Erfindung möglich die Lage des Schwerpunktes
eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Pendels dadurch zu verändern, daß man das
Pendel mit einer Ausgleichakasse versieht, die über dem zwischen den Enden der Aufhängungseinrichtung
liegenden Punkt angeordnet iet.
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Durch ein Verlagern des Schwerpunktes eines Pendel ist es somit ebenfalls
möglich, die Eigenfrequenz des Pendels so einzuregeln, daß das Auftreten unerwünschter
Resonanzzustände vermieden wird.
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Schließlich ist es gemäß der Erfindung möglich, ein Pendel der genannten
Art mit einer oder mehreren DE-pfungseinrichtung'en zu verstehen, die dazu dienen,
die unerwünschten Schwingungen zu unterdrücken, Der Gegenstand der Erfindung und
vorteilhafte weitere Einzelheiten deraelben sind nachstehend anhand besonders bevorzugter
Ausführungsbeispiele näher erläutert, weiche in der Zeichnung schematisch dargestellt
sind.
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Es seigt: Fig. 1A und 1B die Vorderansicht bzw. eine Seitenansicht
einer Ausffihvungsform eines Pendels für ein Meßgerät; Fig. 2 eine teilweise weggebrochen
gezeichnete perspektivische Darstellung eines autonatischen Nivelliergeräte mit
einem Pendel nach der Erfindung; Fig. 3A und 3B sowie Fig. 4A und 43 Jeweils eine
schematische I)arstellung eines optischen Systems für das automatische Nivelliergerät
nach Fig. 2; Fig. 5d und 5B eine perspektivische Darstellung bzw.
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einen senkrechten Schnitt eines elektrischen Njvelliergeräts mit einem
Pendel nach der Erfindung; Fig. 6 bis 8 jeweils einen Teilschnitt durch einen Theodoliten
mit einem mit einem erfindungsgemäßen Pendel;
Fig. 9 eine schematische
Darstellung einer Ausführungsform, bei der ein Pendel mit einem Gewicht versehen
ist; und Fig. 10 bis 12 schematische Darstellungen eines mit Dämpfern versehenen
Pendels nach der Erfindung.
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In den verschiedenen Figuren sind ähnliche Teile jeweils mit gleichen
BezugszRhlen bezeichnet.
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In Fig. 11 und 1B ist eine Aufhängungseinrichtung dargestellt, zu
der zwei Kunststoffbänder 1 und 2 gehören, von denen Jedes eine wirksame Länge 1
hat, und mittels welcher eine Pendelmasse 4 an einem ortsfesten Tragglied 5, z.B.
dem Gehäuse eines Meßgerätes, aufgehängt ist. Die Pendelmasse 4 trägt zwei Spiegel
3 und 3'. Ferner sind zwei Arme 6 und 7 vorhanden die von dem Tragglied 5 aus nach
unten ragen, und an deren unteren Enden Je ein Ansatzstück 8 bzw. 9 befestigt ist;
diese Ansatzatücke arbeiten mit den Bändern 1 und 2 aus Kunststoff Jeweils an einem
Punkt tusammen, der zwischen dem Tragglied 5 und der Pendelmasse 4 liegt, so daß
sie mittlere Haltepunkte P bestimmen. Im vorliegenden Fall sind die oberen Abschnitte
der gunststoffbänder 1 und 2 gemäß Fig. 1B gegen die Senkrechte unter einem kleinen
Winkel 8 geneigt, der vorzugsweise kleiner ist als 10'.
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Zwar ist gemäß Fig. 1A und 1B die Pendelmasse 4 an zwei Bändern 1
und 2 aufgehängt, doch wäre es auch möglich, die Pendelmasse nur an einem Band oder
aber an drei oder noch mehr Bändern aufzuhängen. Ferner brauchen die Bänder zum
Aufhängen der Pendelmasse 4 nicht unbedingt aus einem Kunststoff zu bestehen, sondern
man könnte auch Stahldrähte oder andere flexible Aufhängungsglieder verwenden.
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Die Reibung, die an den mittleren Haltepunkten P zwischen den Ansatzstücken
8, 9 und den Kunststoffbändern 1, 2 auftritt, ist eo gering, daß sich die Belastung
der
Bänder gleichmäßig über ihre ganze Länge 1 verteilt.
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Dies hat zur Folge, daß die Bänder i und 2 bei ihrer Belastung gleichmäßig
gedehnt werden, und daß es möglich ist, die auf die Last zurückzuführende Spannung
innerhalb des elastischen Bereichs der Bänder zu halten.
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Die Periode Ti der natürlichen Drehschwingungen, die das Pendel nach
Fig. 1A und IB um die senkrechte Achse V-V ausführt, wie es in Fig. 1A durch einen
gekrümmten Doppelpfeil angedeutet ist, läßt sich mit Hilfe der nachstehenden bekannten
Gleichung (2) ermitteln:
Hierin ist I1 das Trägheitsmoment der Pendelmasse 4 um die senkrechte Achse V-V
h der Abstand zwischen einer durch die mittleren Haltepunkte P verlaufenden Linie
und der Oberkante der Pendelmasse 4 2a der waagerechte Abstand zwischen den beiden
Kunststoffbändern 1 und 2, wobei angenommen ist, daß die senkrechte Achse V-V durch
den Schwerpunkt der Pendelmasse 4 verläuft und den Abstand zwischen den beiden Bändern
halbiert m die Masse der Pendelmasse 4 und g die Anziehungskraft der Erde.
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Beim Aufstellen der Gleichung (2) wurde angenommen, daß die Starrheit
der Bänder 1 und 2 vernachlässigbar gering ist.
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Gemäß der Erfindung ist der Abstand h kürzer als die wirksame Länge
1 der Bänder 1 und 2. Bei einem Pendel bekannter Art stimmt dagegen der Abstand
h mit der wirksamen Länge 1 der Bänder überein, d.h. h = 1. Um eine hohe Eigenfrequenz
mit einer kurzen Periode 'D1 für die Drehschwingungen gemäß der Gleichung (2) zu
erzielen, ist es bis jetzt üblich, einen großen Abstand 2a zwischen den beiden Bändern
vorzusehen. Wenn die mögliche Veränderung
des Abstandes 2a nicht
ausreicht, wird der Abstand h verkleinert. Bei einem Pendel bekannter Art ist es
zum Verkleinern des Abstandes h erforderlich, auch die wirksame Länge 1 der Bänder
1 und 2 zu verringern. Wenn dies geschieht, nimmt die Dehnung der Bänder Je Längeneinheit
bei ihrer Belastung durch die Pendelmasse 4 zu. Ist der Abstand h bei einem Pendel
bekannter Art zu klein, kann daher die Dehnung oder Verformung der Bänder Je Längeneinheit
den elastischen Bereich überschreiten, so daß die Genauigkeit und Zuverlässigkeit
des Pendels beeinträchtigt werden können.
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Somit ist es bei der bekannten Pendelkonstruktion schwierig, eine
kurze Periode Ti der natürlichen Drehschwingungen des Pendels zu erzielen. Wenn
die Drehschwingungs-Eigenfrequenz des Pendels zu niedrig ist, muß der Benutzer des
Geräts Jeweils lange warten, bis der einen stabilen Anzeigewert erhält.
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Bei einem Pendel bekannter Art, bei dem der Abstand 2a gleich 6,28
cm, I1 gleich 350 gcm2, m gleich 100 g und h gleich 2 cm ist, ergibt sich für die
natürlichen Drehschwingungen eine Periode Tl von 0,168 sec.
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Diese Periode Tl entspricht einer Frequenz von etwa 6 Hz, die in
den unerwünschten Frequenzbereich von 3 bis 8 Hz des Pendels fällt. Außerdem besteht
bei einer solchen Eigenfrequenz des Pendels die Gefahr, daß das Pendel leicht in
Resonanz mit in der Umgebung auftretenden Schwingungen kommt, so daß es Schwingungen
von großer Amplitude ausführt. Dies hat zur Folge, daß das Gerät mit einem solchen
Pendel unstabile Anzeigen liefert und sich nur unter Schwierigkeiten benutzen läßt.
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Gemäß der Erfindung sind dagegen zwischen den oberen und unteren
Enden der Kunststoffbänder 1 und 2 ein oder mehr mittlere Haltepunkte P vorhanden,
so daß der Abstand h verkleinert wird, während das Gewicht der Pendelmasse 4
von
den Bändern über ihre ganze Länge 1 aufgenommen wird.
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Beispielsweise kann man die Strecke h bei der Ausfuhrungsform nach
Fig. 1A und 1B bei den weiter oben genannten typischen Abmessungen auf 0,2 cm verkürzen.
Hierdurch ist es möglich, die Periode Ti der Eigendrehschwingungsfrequert auf 0,054
sec zu verkürzen, was einer Eigenfrequenz des Pendels von etwa 18,5 Hz entspricht.
Da sich beim menschlichen Auge das Nachbild bei Schwingungen auswirkt, deren Periode
zwischen 0,033 und 0,1 sec liegt, führt diese verkürzte Periode g von 0,054 sec,
die etwa dem zwanzigsten Teil einer Sekunde entspricht, dazu, daß sich das Nachbild
des menschlichen Auges auswirkt, so daß für den Benutzer eines mit einem solchen
Pendel ausgerüsteten Geräts die Schwingungen nicht bemerkbar sind. Somit wird der
Meßvorgang nicht durch eine Resonanz des Pendels gestört, bei der das wendel mit
seiner Eigenfrequenz schwingt.
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Für eine Betrachtung der mechanischen Beanspruchung der Kunststoffbänder
1 und 2 sei angenommen, daß die nach stehend aufgeführten Werte gegeben sind: Gewicht
W der Pendelmasse 4: 100 g Wirksame Länge 1 jedes Bandes 1 und 2: 20 mm Elastischer
Bereich K der Bänder 1 und 2: 1% Elastizitätsgrenze Ey der Bänder 1 und 2: 4,5 kg/mm2
Gesamte Querschnittsfläche A der Bänder21 und 2: 2 x 2(Breite) x 0,012(Dicke) a
0,048 mm und Höchstzulässige Dehnung m der Bänder 1 und 2: 20 x 0,01 - 0,2 mm.
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Wenn das Pendel im Ruhezustand frei herabhängt, beträgt die durch
die Pendelmasse 4 herbeigeführte Belastung der Bänder 1 und 2 etwa 2 kg/mm2 (= W/A
= 100/0,048), und diese Belastung entspricht weniger als der Hälfte der Elastizitätsgrenze
Ey der Bänder. Für den Fall, daß die Bänder über ihre ganze Länge 1 dazu dienen,
die Pendelmasse 4 zu tragen, wurde nachgewiesen, daß die Dehnung der Bänder in dem
höchtszulässigen Dehnungsbereich Am liegt.
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Würde jedoch das Gewicht der Pendelmasse 4 nur von den Abschnitten
der Bänder aufgenommen, deren Länge dem Abstand h entspricht, wUrde die Dehnung
der Bänder den vorstehend genannten elastischen Bereich E überschreiten.
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Fig. 2 zeigt ein mit einem Pendel nach der Erfindung ausgerichtetes
automatisches Nivelliergerät. Zu diesem Gerät gehört ein Gehäuse 10, das eine Objektivlinse
11 trägt, ferner ein Prismapendel 12, das die Pendelmasse bildet und an einem tragenden
Teil 5 des Gehäuses mit Hilfe von Bändern 1 und 2 aufgehängt ist, eine Fokussierlinse
14, ein Fadenkreuz 15 und ein Okular 16. Die Wirkungsweise eines automatischen Nivelliergeräts
nach Fig. 2 ist in den japanischen Patentveröffentlichungen 30 338/1964 und 78/1966
beschrieben, so daß ihr eine Beschreibung nur insofern gegeben zu werden braucht,
wie es für das Verständnis der Erfindung erforderlich ist. Gemäß Fig. 2 ist mit
dem unteren Ende des Pendelprismas 12 ein pneumatischer Dämpfer 18 durch ein Tragstück
18a verbunden, und an der Oberseite des Prismas 12 ist mittels eines Arms 19a ein
Ausgleichsgewicht 19 befestigt. Zwar bewirken der Dämpfer und das Ausgleichsgewicht
eine Stabilisierung des Pendels des Nivelliergeräts, doch handelt es sich hierbei
nicht um erfindungswesentliche Bestandteile des Geräts.
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Fig. 3A zeigt das optische System des Nivelliergeräts nach Fig. 2
in einer stark vereinfachten Darstellung.
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Ein waagerechter Lichtstrahl, der längs der Achse A der Objektivlinse
11 zu dem Prisma 12 gelangt, so daß er die Lage einer waagerechten Linse H-H bestimmt,
wird durch eine Spiegelfläche R1 des Prismas an dem Punkt B reflektiert und dann
durch eine weitere Spiegelfläche R2 des Prismas an einem Punkt C erneut zurückgeworfen,
so daß er sich in Richtung zum Brennpunkt F der Linse 11 fortpflanzt. Die beiden
Spiegelflächen R1 und R2 mussen hierbei im rechten Winkel zueinander verlaufen.
Ordnet man das Prisma 12 am Mittelpunkt der Brennweite der Linse 11 an, stehen der
brennpunkt F und der Mittelpunkt A der Linse 11 in Fluchtung
mit
einer Linse Z-Z', die gemäß Fig. 3A im rechten Winkel zu der waagerechten Linse
H-H verläuft. Fig. 3B zeigt für den Fall, daß kein Prisma 12 vorhanden ist, daß
der waagerechte Lichtstrahl, der in die Linse 11 an ihrem Mittelpunkt A einfällt,
im Brennpunkt F1 der Linse fokussiert wird. Ordnet man einen gedachten Spiegel M
in der Mitte zwischen den Punkten A und F1 an, wird der einfallende waagerechte
Lichtstrahl im Mittelpunkt A der Linse 11 fokussiert, wie es jedem Fachmann geläufig
ist. Das Prisma 12 erfüllt somit die Aufgabe des gedachten Spiegels M, und es dient
außerdem dazu, den Brennpunkt F gegenüber dem Mittelpunkt A der Linse 11 gemäß Fig.
3A entlang der Linse Z-Z' zu versetzen.
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Nunmehr sei angenommen, daß das Gehäuse 10 des automatischen Nivelliergeräts
nach Fig. 2 gegen die waagerechte Linie H-H unter einem Winkel x gekippt wird. Hierbei
wird die Objektivlinse 11 in der aus Fig. 4B ersichtlichen Weise um den gleichen
Winkel gegen die waagerechte Linse H-H gekippt. Wenn das Prisma 12 nicht vorhanden
wäre, würde sich der Brennpunkt der Linse 11 hierbei von dem Punkt F1 zu einem anderen
Punkt F2 verlagern, da die Linse 11 gekippt worden ist. Ordnet man bei der Anordnung
nach Fig. 4B erneut einen gedachten Spiegel Mi in der Mitte zwischen den Punkten
h und F1 unter dem Winkel X gegenüber der waagerechten Linie H-H an, wird der waagerecht
einfallende Lichtstrahl, der durch den Mittelpunkt A der Linse 11 verläuft, in der
aus Fig. 4b ersichtlichen Weise trotz der neigung der Linse 11 in dem Brennpunkt
F2 fokussiert. Das Pendelprisma 12 erfüllt hierbei die Aufgabe des gedachten Spiegels
Mi. Ordnet man einen Spiegel M' in senkrechter Lage am Mittelpunkt zwischen den
Punkten A und F1 an, wird ohne Rücksicht auf die Neigung der Objektivlinse 11 gemäß
Fig. 4B der waagerecht einfallende Lichtstrahl, der durch den Mittelpunkt A der
Linse 11 verläuft, stets an dem Punkt F fokussiert, der gemäß Fig0 4A auf den Linsenmittelpunkt
A längs der Linie Z-Z' nach Fig. 3A ausgerichtet ist.
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Das in Fig. 2 gezeigte Fadenkreuz 15 ist an einem Punkt angeordnet,
der dem Brennpunkt F in Fig. 4A entspricht, so daß bei dem automatischen Nivelliergerät
nach Fig. 2 die waagerechte Linie H-H auch dann Kolimatisiert werden kann, wenn
das Gehäuse 10 gegen die Waagerechte geneigt ist.
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Bei der Anordnung nach Fig. 2 dient ein zusätzliches Prisma 13 dazu,
den Punkt F nach Fig. 4B zu demjenigen Ende des Gehäuses 10 zu verlagern, das von
der Objektivlinse 11 abgewandt ist. Außerdem dient das Prisma 13 dazu, ein aufrechtes
Bild an dem Fadenkreuz bzw. der Strichplatte 15 zu erzeugen.
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Gemäß der Erfindung sind an dem tragenden Teil 5 des Gehäuses zwei
Arme 6 und 7 befestigt, von denen jeder mit einem Ansatzstück 8 bzw. 9 versehen
ist; diese Ansatzstücke können zur Anlage an den Kunststoffbändern 1 und 2 kommen.
Die Berührungspunkte zwischen den Kunststoffbändern und den Ansatzstücken der Arme
bilden die weiter oben definierten mittleren Haltepunkte P. Durch diese Anordnung
wird die Periode T1 der natürlichen Drehschwingungen des Pendelprismas 12 so verkürzt,
daß das Nivelliergerät stabil arbeitet.
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Die Spiegelflächen R1 und R2 des Pendelprismas 12 entsprechen praktisch
dem Spiegel 3, der gemäß Fig. 1A und 1B an der Pendelmasse 4 befestigt ist.
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Die Erfindung beschränkt sich nicht darauf, daß als Aufhängungseinrichtung
für das Pendelprisma 12 oder die Pendelmasse 4 die beschriebenen Bänder 1 und 2
aus Kunststoff verwendet werden. Gemäß der Erfindung ist es möglich, beliebige andere
flexible Aufhängungseinrichtungen vorzusehen, die es ermöglichen, die Spiegel 3,
3' bzw.
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die Spiegelflächen R1, R2 ohne Rücksicht auf die Stellung des tragenden
Teils 5 in ihrer senkrechten Lage zu halten.
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Fig. 5A und ,5B zeigen ein mit einem Pendel nach der Erfindung ausgerüstetes
elektrisches Nivelliergerät. Zu diesem Gerät gehört ein Gestell mit einem tragenden
Teil 5, der zwei Arme 6 und 7 aufweist. An dem tragenden Teil 5 des Gestells ist
ein Pendelträger 21 mittels zweier Bänder 1 und 2 aus Kunststoff befestigt. Jeder
Arme 6-und 7 ist mit einem Ansatzstück 8 bzw. 9 versehen. Diese Ansatzstücke arbeiten
mit den Bändern 1 und 2 zusammen, um die mittleren Haltepunkte P festzulegen. An
dem Pendelträger 21 ist ein Massekern 23 befestigt, der mit einem am Gestell befestigten
Differentialtransformator 22 zusammenarbeitet. Der Massekern 23 ist von einem Hohlraum
des Differentialtransformators 2 mit einem ausreichenden Spielraum aufnehmbar. Die
relative Lage des Massekerns 23 und des Transformators 22 variiert in Abhängigkeit
von der Größe der Abweichung des Gestells mit dem Transformator 22 gegenüber dem
Lot, denn der den Massekern 23 tragende Pendelträger 21 führt eine Schwenkbewegung
gegenüber dem Gestell aus, sobald das Gestell gegen das Lot gekippt wird.
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Mit dem unteren Ende des Pendelträgers 21 ist durch einen Arm 18a
ein pneumatischer Dämpfer 18 mit einem Kolben 24 und einem Zylinder 25 verbunden.
Außerdem ist mit dem oberen Ende des Eendelträgers 21 ein weiterer pneumatischer
Dämpfer 18b durch einen Arm 18c verbunden.
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Die Dämpfer 18 und 18b bilden jedoch nicht einen Gegenstand der Erfindung.
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Zu dem Differentialtransformator 22 gehören drei Wicklungen 22a,
22b und 22c, die auf bekannte Weise an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen
und mit einer ebenfalls nicht dargestellten elektrischen Meßschaltung verbunden
sind. Wenn das Gestell des Geräts nicht genau auf die Senkrechte oder die Waagerechte
ausgerichtet ist, nimmt der Massekern 23 gegenüber dem Differentialtransformator
22 eine andere Lage ein, so daß die Wicklungen ein Ausgangssignal erzeugen, das
einer solchen Verlagerung
des Massekerns gegenüber dem Transformator
auf bekannte Weise entspricht. Wird die Größe dieses Ausgangssignals festgestellt,
ist es möglich, die Abweichung des Gestells von der senkrechten bzw. waagerechten
Lage zu ermitteln.
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Um die Feststellung der Größe des Ausgangssignals des Differentialtransformators
zu erleichtern, kann man eine nicht dargestellte Brückenschaltung und einen ebenfalls
nicht dargestellten Verstärker vorsehen.
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Durch das Vorhandensein der mittleren Haltepunkte P bei dem elektrischen
Nivelliergerät nach Fig. 5A und 5B wird die Periode Tl der natürlichen Drehschwingungen
des Pendelträgers 21 verkürzt, da die Strecke h nach Fig. 1A entsprechend der Gleichung
(2) verkleinert worden ist.
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Fig. 6 bis 8 zeigen einen mit einem erfindungsgemäßen Pendel ausgerüsteten
Theodoliten. Die Wirkungsweise des dargestellten Theodoliten ist mit weiteren Einzelheiten
in der japanischen Patentveröffentlichung 7 673/1968 beschrieben, und daher wird
dieses Gerät hier nur insoweit beschrieben, als es zum Verständnis der Erfindung
erforderlich ist.
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Gemäß Fig. 6 bis 8 ist ein Säulenteil 30 vorhanden, das bei dem Theodoliten
ein schwenkbares Fernrohr 32 trägt, an dem eine Skalenscheibe 34 befestigt ist,
die sich zusammen mit dem Fernrohr dreht. An dem Säulenteil 30 ist ein Prisma 31
mittels zweier Kunststoffbänder 1 und 2 aufgehängt, und das Säulenteil trägt eine
Obäektivlinse 33.
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Nimmt dau Säulenteil 30 eine senkrechte Stellung ein, und ist die
optische Achse des Fernrohrs 32 auf eine waagerechte Linie H-H ausgerichtet, bewirken
das Prisma 31 und die Linse 33, daß das Bild eines Teilstrichs 0 der Skalanscheibe
34 auf einen gegenüber dem Säulenteil 30 ortsfesten Punkt 35 projiziert wird. Eine
nicht dargestellte Lupe oder ein Mikroskop kann es auf leichtere Weise ermöglichen,
das Zusammenfallen des Bildes des Teilstrichs 0 mit dem Punkt 35 festzustellen;
ist eine solche tbereinstimmung vorhanden, so zeigt dies an, daß die
optische
Achse des Fernrohrs 32 in Fluchtung mit der waagerechten Linie H-H steht, wie es
in Fig. 6 gezeigt ist.
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Nunmehr sei angenommen, daß das Säulenteil 30 gegenüber seiner Stellung
nach Fig. 6 um einen Winkel i- geneigt worden ist, wie es Fig. 7 zeigt. Würde man
annehmen, daß das Prisma 31 fest mit dem Säulenteil 30 verbunden ist, würde das
Bild des íeilstrichs 0 der Skalenscheibe 34 auch auf den Punkt 35 projiziert, nachdem
die optische Achse des Fernrohrs 32 gemäß Fig. 7 in eine von der waagerechten Lage
abweichende Lage gebracht worden ist, wie es in Fig. 7 durch die Linie X ' angedeutet
ist, so daß beim Messen eines Höhenwinkels mit Hilfe des Theodoliten ein Fehler
auftritt, der dem Winkel A entspricht. Bei der Konstruktion nach Fig. 6 bis 8 dient
das aufgehängte Prisma 31 dazu, einen solchen Fehler automatisch zu kompensieren.
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Genauer gesagt ist das Prisma 31 bei dem Theodoliten nach Fig. 6
bis 8 mit Hilfe der Bänder 1 und 2 aufgehängt, und es ist ein Arm 6 vorhanden, so
daß das Prisma ohne Rücksicht auf die Winkelstellung des Säulenteils 30 stets die
gleiche Lage gegenüber einer senkrechten Linie V-V einnimmt und ein virtuelles Bild
der ~i'eilstriche der Skalenscheibe 34 an einem Punkt C erzeugt, der auf der Kippachse
L-L des Fernrohrs 32 liegt. Die Skalenscheibe 34 ist an dem Fernrohr 32 so befestigt,
daß ihre Achse mit der Kippachse L-L des Fernrohrs zusammenfällt. Da die Linse 33
und die Bezugsmarke 35 in das Säulenteil 30 fest eingebaut sind, bleibt die Lage
des Punktes C gegenüber der Linse und der Bezugsmarke unabhängig von der jeweiligen
Winkelstellung des Säulenteils gegenüber der senkrechten Linie V-V unverändert.
Infolgedessen wird ein an dem Punkt C erscheinendes virtuelles Bild stets auf die
bezugsmarke 35 projiziert.
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Steht das Säulenteil 30 senkrecht, und nimmt das Fernrohr 32 gemäß
Fig. 6 eine waagerechte Lage ein, wird der Teilstrich 0 der Skalenscheibe 34, der
in der durch den
Punkt C verlaufenden senkrechten Ebene V-V liegt,
durch das Prisma 31 als virtuelles Bild auf den Punkt C projiziert, und die Linse
33 erzeugt an der Bezugsmarke 35 ein reelles Bild des virtuellen Bildes. Ist dagegen
das Säulenteil 30 gegen die senkrechte Linie V-V gemäß Fig. 7 unter dem Winkel A
geneigt, wird ein virtuelles Bild des Teilstrichs 01, der in diesem Zeitpunkt in
einer durch den Punkt C verlaufenden senkrechten Ebene liegt, auf den Punkt C projiziert,
da das Prisma 31 so aufgehängt ist, daß es Schwingungen um den auf den Punkt C ausgerichteten
Arm 6 ausführt. Somit wird in diesem Fall ein reelles Bild des Teilstrichs 01 durch
die Linse 33 auf die Bezugsmarke 35 projiziert. Infolgedessen weicht die Ablösung
an der Bezugsmarke 35 in diesem Fall von dem erwähnten ursprünglichen Teilstrich
O um den Winkel i ab. Dieser Anzeigewert fällt mit dem Winkel zwischen der durch
die Linie H'-H' bestimmten tatsächlichen Stellung der optischen Achse des Fernrohrs
gegenüber der waagerechten Linie H-H zusammen. Somit ergibt sich an der Bezugsmarke
35 eine Anzeige, deren Wert entsprechend der Neigung des Säulenteils 30 berichtigt
ist.
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Bei dem Theodoliten nach Fig. 6 bis 8 ist es wichtig, dafür zu sorgen,
daß das Prisma 31 Schwingungen um die Kippachse L-L des Fernrohrs 32 ausführen kann,
die mit der Achse der Skalenscheibe 34 zusammenfällt, denn wenn diese Übereinstimmung
nicht besteht, wird das reelle Bild des eilstrichs der Skalenscheibe 34 gemäß Fig.
7 an einem Punkt 35a erzeugt, der gegenüber der normalen Lage der Bezugsmarke 35
versetzt ist. Diese Verlagerung des Punktes 35a gegenüber der Bezugsmarke 35 verursacht
einen Fehler.
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Bei der soeben beschriebenen Konstruktion ist es gemäß der Erfindung
möglich, lange Aufhängungsbänder 1 und 2 zu verwenden und gleichzeitig ein stabiles
Arbeiten des Theodoliten zu gewährleisten. Die langen Bänder können ein Überlasten
der Bänder durch das Gewicht des Prismas 31 verhindern. Ferner ist es bei der erfindungsgemäßen
Konstruktion möglich, den Abstand zwischen dem Arm 6 und
der Einrichtung
zum Aufhängen des Prismas 31 möglichst klein zu machen, so daß es ohne weiteres
möglich ist, das Auftreten von Drehschwingungen des Prismas gegenüber dem Arm 6
und dem Säulenteil 30 mit einer unerwünschten Frequenz zu vermeiden. Vom herstellungstechnischen
Standpunkt aus betrachtet ist es vorteilhaft, daß man bezüglich der Lage, in der
die Bänder 1 und 2 an dem Säulenteil 30 befestigt werden, mit einer geringeren Genauigkeit
auskommt, da sich das Betriebsverhalten des Prismas 31 nicht nach der Lage der Befestigungspunkte,
sondern nach der Anordnung des Arms 6 richtet.
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Gemäß Fig. 2 ist es bei einer Konstruktion nach der Erfindung möglich,
ein Ausgleichsgewicht 19 am oberen Ende der Pendelmasse 4 bzw. des Prismas 12 zu
befestigen. Die Wirkung eines solchen Ausgleichsgewichts wird im folgenden anhand
von Fig. 9 beschrieben; wenn man die Masse des Pendelmassenteils 4 mit ml und die
Masse des Ausgleichsgewichts 19 mit m2 bezeichnet, und wenn der senkrechte Abstand
zwischen dem Schwerpunkt G der durch die Bauteile 4 und 19 gebildeten Baugruppe
und einer Linie P-P, welche die mittleren Haltepunkte des Pendels verbindet, gemäß
Fig. 9 als die Strecke hl gegeben ist, läßt sich die Periode T2 der natürlichen
Schwingungen des Pendels um die durch die Linie P-P bestimmte Schwingungsachse mit
Hilfe der folgenden Gleichung (3) berechnen:
Hierin bezeichnet I2 das rägheitsmoment der durch die Bauteile 4 und 19 gebildeten
Baugruppe in Beziehung zu der Linie P-P. Beim Aufstellen der Gleichung (3) würde
angenommen, daß die Starrheit der Bänder 1 und 2 vernachlässigbar gering ist.
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Wenn man bei der Anordnung nach Fig. 9 die Masse m2 im Vergleich
zu der Masse ml vergrößert, bzw. wenn man den Wert des Verhältnisses m2/ml erhöht,
wird der Schwerpunkt
G nach oben verlagert, so daß sich die Strecke
h1 verkürze. Somit wird die periode T2 der Eigenschwingungen des Pendels vergrößert,
um den mit Hilfe dieses Pendels durchgeführten Meßvorgang weiter zu stabilisieren.
Es ist zu bemerken, daß der Schwerpunkt G stets tiefer liegt als die Schwingungsachse
P-P des Pendels, denn wenn er über dieser Achse liegen würde, wäre das Pendel unstabil.
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Zwar ist bei dem in Fig. 6 bis 8 dargestellten Theodoliten kein solches
Ausgleichsgewicht vorhanden, doch ist es für jeden Fachmann naheliegend, daß man
auch auf dem Prisma 31 ein solches Ausgleichsgewicht anordnen könnte.
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Entsprechend könnte man den oberen Dämpfer 18b des elektrischen Nivelliergeräts
nach Fig. 5A und 5B durch ein solches Ausgleichsgewicht 19 ersetzen.
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Im folgenden wird die Wirkung des Dämpfers 18 bei dem Nivelliergerät
nach Fig. 5A und 5B anhand von Fig. 10 beschrieben wenn das untere Ende eines Spiegels
3 und 3' tragenden Pendelmasse 4 im freien Zustand belassen wird, ist die Pendelmasse
bestrebt, ihre Schwingungen um eine Achse P mit ihrer Eigenfrequenz fortzusetzen,
wie es auch aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich ist. Solche Schwingungen
sind in Fig. 10 mit gestrichelten Linien angedeutet. Der Dämpfer 18 bewirkt jedoch
eine Unterdrückung solcher Schwingungen. Gemäß Fig. 5B gehört zu dem Dämpfer 18
ein Zylinder 25, der durch einen Arm 18a mit dem unteren Ende des Pendelträgers
21 verbunden ist. Der Pendelträger 21 des elektrischen Nivelliergeräts nach Fig.
5A entspricht der Sendelmasse 4 in Fig. 10. Zwei Kolben 24, die in Hohlräume des
Zylinders 25 passen, sind am Gestell des Geräts so befestigt, daß dann, wenn der
Pendelträger 21 Schwingungen ausführt, die pneumatische Reibung zwischen den Kolben
24 und dem Zylinder 25 eine Dämpfung der Schwingungen des Pendelträgers bewirkt.
Zwar zeigen Fig. 5k und 53 einen pneumatischen Dämpfer, doch ist es gemäß der Erfindung
auch-möglich, beliebige andere Dämpfungseinrichtungen vorzusehen. Beispielsweise
könnte man das
Pendel selbst in einer Dämpfungsflüssigkeit von
hoher Viskosität arbeiten lassen, oder man könnte anstelle des pneumatischen Dämpfers
einen elektrischen Dämpfer benutzen, der nach dem Wirbelstromprinzip arbeitet.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die Kolben des pneumatischen
Dämpfers 18 an tragenden Abschnitten 5a befestigt, die an dem Gehäuse 10 ausgebildet
sind. Für jeden Fachmann liegt es auf der hand, daß man einen Dämpf er der gewünschten
Art auch mit dem unteren Ende des Prismas 31 des Theodoliten nach Fig. 6 bis 8 verbinden
könnte.
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Wenn gemäß Fig. 11 der pneumatische Dämpfer 18 mit dem unteren Ende
der Pendelmasse 4 verbunden ist, ist das obere Ende der Sendelmasse bestrebt, hin-
und herzuschwingen, wie es mit gestrichelten Linien angedeutet ist. Um solche Schwingungen
des oberen Endes der Sendelmasse 4 zu unterdrücken, kann man einen weiteren Dämpfer
18b der pneumatischen oder einer anderen Bauart mit dem oberen Ende der Pendelmasse
4 verbinden, wie es in Fig. 12 gezeigt ist. Bei dem elektrischen Pendel nach Fig.
5B ist ein oberer Dämpfer 18b vorhanden, zu dem ein Zylinder gehört, der mit dem
Pendelträger 21 durch einen Arm 18c verbunden ist und mit am Gestell des Geräts
befestigten Kolben zusammenarbeitet. Bei dem automatischen Nivelliergerät nach Fig.
2 könnte man das Ausgleichsgewicht 19 durch einen oberen Dämpfer ersetzen. Entsprechend
könnte man das Prisma 31 des Theodoliten nach Fig. 6 mis 8 mit einem oberen Dämpfer
versehen.
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Gemäß der vorstehenden Beschreibung ist durch die Erfindung ein Meßgerät
geschaffen worden, bei dem ein kendel dazu dient, unter Ausnutzung der Schwerkraft
eine Bezugsrichtung festzulegen, und das sich z.B. als automatisches Nivelliergerät,
als elektrisches Pendel oder als Theodolit ausbilden läßt. Zwar ist bei dem Meßgerät
nach der Erfindung das wendel von sehr einfacher Konstruktion,
doch
ist es nur schwer in Resonanz mit in der Umgebung auftretenden Schwingungen zu bringen,
so daß sein Blickfeld ziemlich stabil ist. Ferner ist es gemäß der Erfindung möglich,
diesen Vorteil zu erzielen, ohne die Länge der Aufhängungsglieder, z.B. der beschriebenen
Kunststoffbänder, zu verringern, so daß eine hohe mechanische Festigkeit der Aufhängungseinrichtung
gewährleistet ist. Ansprüche: