DE3341800A1

DE3341800A1 - Drehbewegungsmessgeraet

Info

Publication number: DE3341800A1
Application number: DE19833341800
Authority: DE
Inventors: Konrad Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Altmann
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: ALTMANN, KONRAD, DIPL.-PHYS. DR., 8000 MUENCHEN, D
Priority date: 1983-11-19
Filing date: 1983-11-19
Publication date: 1985-05-30
Also published as: DE3341800C2

Description

Drehbewegungsme ßgerät
Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät zur Bestimmung der Drehbewegung gegenüber einem Inertialsystem, die einem elektrischen Leiter aufgeprägt wird.
Durch die Anmelderin wurde festgestellt, daß es möglich ist, durch Messung des Querstromes, welcher in einem Leiter durch die Ablenkung der Elektronen infolge der quer zur aufgeprägten Feldstärke wirkenden Corioliskraft entsteht, eine Drehbewegung nach Größe und Richtung zu detektieren. Für die Größe der Stromdichte it quer zu einer aufgeprägten Feldstärke E1 ergibt sich: it = 2 mO 2 NEl W, (1) wobei m0 die Ruhemasse des Elektrons, A die Elektronenbeweglichkeit, N die Dichte der Leitungselektronen und W die zu messende Winkelgeschwindigkeit der Drehung ist.
Wie man aus der Gleichung (1) entnehmen kann, ist die transversale Stromdichte proportional zum Quadrat der Elektronenbeweglichkeit .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Meßgerät der eingangs genannten Art zu schaffei., das in seiner Grenzempfindlichkeit und Genauigkeit wesentlich verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Maßnahmen für vorteilhafte Ausführungsformen bzw. Weiterbildungen angegeben. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigen: Fig.1 eine schematische Schaltskizze, Fig. 2a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels, Fig.2b einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig.2a, Fig.3 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung, Fig.4 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels, bei dem der Abgriff des Querstromes kapazitiv ohne metallische Berührung erfolgt.
Ausgehend von den eingangs genannten Überlegungen wird durch die Erfindung eine Möglichkeit geschaffen, die Elektronenbeweglichkeit durch Abkühlung des Leiters bis zur Supraleitung drastisch zu erhöhen. Dazu genügt eine Abkühlung unter etwa 15 K, was bei Betrachtung der kritischen Temperaturen entsprechend verwendeter Materialien, wie beispielsweise NbN mit Tc = 16K oder Nb3Sn und Nb3Sb mit Tc = 18 K als ausreichend angesehen werden kann.
Da bei Supraleitung bereits bei sehr kleinen Feldstärken hohe Stromdichten auftreten, ist es zweckmäßig, die Gleichung (1) so umzuschreiben, daß sie den Zusammenhang zwischen auf geprägter longitudinaler Stromdichte il und der infolge der Corioliskraft entstehenden Stromdichte it angibt. Mit il = eOnßEl, wobei eO die elektrische Elementarladung ist, ergibt sich Da die Elektronenbeweglichkeit im Falle der Supracm2 leitung bei etwa 1015 sV liegt, folgt it z il (1) Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 1 rad/s ist daher die transversale Stromdichte it etwa gleich der longitudinalen Stromdichte. Würde man also ein supraleitendes Stück eines Leiters, wie in Fig.1 dargestellt, quer zur Richtung der auf geprägten Stromdichte il drehen und den Strom an Ober- und Unterseite abgreifen, so wUrde ein erheblicher Prozentsatz von i1 in it um gelenkt werden.
Da in Supraleitern ohne Schwierigkeiten Stromdichten von 103 A/Cm2 erzielt werden, andererseits aber Stromstärken bis herab zu 10-18 A gemessen werden können, ergibt sich aus der Gleichung (3) als Grenzempfindlichkeit des vorgeschlagenen Meßgeräts der enorme Wert von W=10'21 rad/s. Dieser Wert liegt weit über den üblichen für Navigationszwecke benötigten Genauigkeiten.
Um eine hohe Empfindlichkeit nicht durch von außen einwirkende Magnetfelder zu gefährden, durch die wegen des Halleffektes ebenfalls Querströme induziert werden, wird vorgeschlagen, die Vorrichtung durch bekannte Maßnahmen gegen äußere Magnetfelder abzuschirmen. Weiterhin wird vorgeschlagen, die Störung durch den Hallstrom dadurch auszuschalten, daß die Messung des Coriolisstromes senkrecht zu einem dünnen Leiterplättchen erfolgt.
Ein Ausführungsbeispiel zur technischen Realisierung besteht darin, den Leiter in ein Bad aus einer Flüssigkeit, deren Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt, zum Beispiel Helium flüssig, einzubetten. Die Messung der Drehgeschwindigkeit W erfolgt dann durch gleichzeitige Messung von 11 und It und Bildung des Quotienten; oder bei Stabilisierung von II durch Messung von It allein.
Zum Erhalt einer möglichst hohen Stromdichte il, schlägt die Erfindung vor, eine dünne Schicht des Supraleiters 10 mit einer Dicke von zum Beispiel 10 3 - 1 mm auf einen Isolator, beispielsweise eine Glasplatte 12, aufzubringen. Um dabei einen möglichst großen Strom lt zu erhalten, werden die Elektroden 13, 14, zum Abgreifen von It möglichst so breit wie die Querabmessung des Supraleiters 10 gewählt (Fig.2b).
Zweckmäßigerweise wird zur weiteren Optimierung des Gerätes der Behälter für die Kühlflüssigkeit 11 nach außen hin von einer stark wärmeisolierenden Wandung umhüllt, beispielsweise nach Art des sogenannten "Dewar-Gefäßes". Zur Konstanthaltung der Flüssigkeitstemperatur wird vorgeschlagen, die Kühlflüssigkeit regelmäßig in einem Flüssigkeitskreislauf, der gleichzeitig gekühlt ist, auszutauschen.
Um nun auch noch sehr hohe Stromdichten in dem Leiter zu erzeugen, schlägt die Erfindung vor, den Strom nicht direkt einzuspeisen, sondern ihn durch ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen. Dies kann nach Fig.3 dadurch geschehen, daß ein ringförmiges Leiterstück 10 in eine Kühlflüssigkeit eingebettet und in diesem durch ein senkrecht zur Ringfläche gerichtetes magnetisches Wechselfeld 15 ein Ringstrom induziert wird.
Das Abgreifen des Querstromes kann wieder in der vorbeschriebenen Weise erfolgen.
Der Abgriff kann aber auch, da es sich bei lt um einen Wechselstrom handelt, kapazitiv ohne direkte metallische Berührung erfolgen, wie dies in der Fig.4 skizziert ist.
Der Stromkreis für den Querstrom kann dabei so abgestimmt werden, daß es mit der Frequenz des induzierenden Magnetfeldes in Resonanz tritt, wodurch die Empfindlichkeit des Meßgeräts noch beträchtlich erhöht wird.
Eine kapazitive Einspeisung ist auch für den Längs strom 11 durchführbar, wodurch eine Einspeisung ohne Magnetfeld möglich wird, ohne daß direkte wärmeleitende metallische Kontakte erforderlich sind.
Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist nun ein Meßgerät der eingangs genannten Art geschaffen, mit dem eine Drehbewegung gegenüber einem Inertialsystem mit Hilfe eines supraleitenden Leiterstücks gemessen wird, wobei der durch die Corioliskraft induzierte Strom quer zu einer auf geprägten Feldstärke gemessen wird.

Claims

Drehbewegungsmeß gerät Patentansprüche Meßgerät zur Bestimmung der Drehbewegung gegenüber einem Inertialsystem, die einem rotierenden elektrischen Leiter aufgeprägt wird, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Leiter (10) als Supraleiter ausgebildet ist, der quer zur angelegten Feldstärke E1 rotiert und der auftretende Querstrom als Maß der Drehgeschwindigkeit gemessen wird.
2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß der Leiter (10) in ein Flüssigkeitsbad (11), dessen Temperatur unter der kritischen Temperatur liegt, beispielsweise Helium, eingebracht ist.
3. Meßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß eine dünne Schicht des Supraleiters (10) mit einer Dicke von beispielsweise 10 3 bis 1 mm auf einem Isolator (12) aufgebracht ist.
4. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gek e n n z e i c h n e t , daß die Meßanordnung gegen äußere Magnetfelder abgeschirmt ist.
5. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Elektroden (13, 14) zum Abgreifen der Stromstärke It in ihrer Breite etwa der Querabmessung des Supraleiters (10) entsprechen.
6. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Wandung des Flüssigkeitsbades (11) mit stark wärmeisolierendem Material ausgekleidet ist.
7. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Kühlflüssigkeit regelmäßig in einem Flüssigkeitskreislauf ausgetauscht wird oder/und gleichzeitig gekühlt wird.
8. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Strom zur Einspeisung in den Supraleiter (10) durch ein magnetisches Wechselfeld (15) erzeugt wird.
9. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß das Abgreifen des Querstromes kapazitiv ohne metallische Berührung erfolgt (Fig.4).
10. Meßgerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Längsstrom Il kapazitiv eingespeist ist.