DE3341800C2

DE3341800C2 - Drehbewegungsmeßgerät

Info

Publication number: DE3341800C2
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: 1985-09-19
Also published as: DE3341800A1

Description

stellt, quer zur Richtung der aufgeprägten Stromdichte /ι drehen und den Strom an Ober- und Unterseite abgreifen, so würde ein erheblicher Prozentsatz von i\ in /, umgelenkt werden.

Die weiteren in den F i g. 1 und 2a dei Zeichnung angegebenen Bezugszeichen haben folgende Bedeutung:

mit »v« ist die angelegte Spannung zur Erzeugung eines Längsstromes /ι mit der Stromdichte i\ und mit /_r der Querstrom, welcher der transversalen Stromdichte /, entspricht, .bezeichnet

Da in Supraleitern ohne Schwierigkeiten Stromdichten von 10³ A/Cm² erzielt werden, andererseits aber Stromstärken bis herab zu 10-¹⁸A gemessen werden können, ergibt sich aus der Gleichung (3) als Grenzemp- is findlichkeit des vorgeschlagenen Meßgeräts der enorme Wert von <w= 10-²¹rad/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 Halleffsktes 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 ω erfolgt dann durch gleichzeitige Messung von 1\ und /, und Bildung des Quotienten; oder bei Stabilisierung von I\ durch Messung von /, allein.

Zum Erhalt einer möglichst hohen Stromdichte i\, 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 /, zu erhalten, werden die Elektroden 13,14, zum Abgreifen von /, möglichst so breit wie die Querabmessung des Supraleiters 10 gewählt (F i g. 2b).

Zweckmäßigerweise wird zur weiteren Optimierung des Gerätes der Behälter für die Kühlflüssigkeit 11 nach außen hin von einer stark wärmeisolierenden Wandung umhüllt, beispielsweise naoh Art des sogenannten »Dewar-Gefäßes«. Zur Konstanthaltung der Flüssigkeitstemperatur wird vorgeschlagen, die Kühlflüssigkeit re- gelmäßig 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 F i g. 3 dadurch geschehen, daß ein ringförmiges Leiterstück 10 in eine Kühlflüssigkeit eingebettet und in diesem durch ein senkrecht zur Ringfläche gerichtetes magnetisches Wechselfeld 15 mit der Feldstärke B ein Ringstrom induziert wird.

Das Abgreifen des Querstromes kann wieder in der vorbeschriebenen Weise erfolgen.

Der Abgriff kann aber auch, da es sich bei /, um einen Wechselstrom handelt, kapazitiv ohne direkte metallisehe Berührung erfolgen, wie dies in der F i g. 4 skizziert ist. Der Stromkreis für den Querstrom kann dabei so abgestimmt werden, daß es mit der Freauenz des induzierenden Magnetfeldes in Resonanz tritt, wodurch die Empfindlichkeit des Meßgeräts noch betrachtlich erhöht wird

Eine kapazitive Einspeisung ist auch für den Längsstrom /1 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 Intertialsystem mit Hilfe eines supraleitenden Leiterstücks gemessen wird, wobei der durch die Corioliskraft induzierte Strom quer zu einer aufgeprägten Feldstärke gemessen wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

1 2 Durch die Anmelderin wurde festgestellt, daß es mög- Patentansprüche: lieh ist, durch Messung des Querstromes, welcher in einem Leiter durch die Ablenkung der Elektronen infol-

1. Meßgerät zur Bestimmung der Drehbewegung ge der quer zur aufgeprägten Feldstärke wirkenden Cogegenüber einem Inertialsystem, die einem rotieren- 5 rioliskraft entsteht, eine Drehbewegung nach Größe den Supraleiter aufgeprägt wird, dadurch ge- und Richtung zu detektieren. Für die Größe der Stromkennzeichnet, daß der Supraleiter (10) quer dichte /, quer zu einer aufgeprägten Feldstärke E\ ergibt zur angelegten elektrischen Feldstärke £Ί und dazu- sich:

gehörigen Stromdichte /Ί, welche durch eine äußere

Spannung i/oder durch ein äußeres Magnetfeld B ίο ϊ,=2πΐομ² NEi<tf (1) aufgeprägt werden, rotiert und daß eine Meßanordnung vorgesehen ist, durch welche die Querstrom- wobei /Ji₀ die Ruhemasse des Elektrons, μ die Elektrodichte /( bzw. der Querstrom I₁, welche durch die nenbeweglichkeit Wdie Dichte der Leitungselektronen Wirkung der Coiioliskraft quer zu i_{ entstehen, als und «die zu messende Winkelgeschwindigkeit der Dre-Maß der Drehgeschwindigkeit gemessen wird. 15 hung ist

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Wie man aus der Gleichung (1) entnehmen kann, ist zeichnet, daß der Leiter (10) in ein Flüssigkeitsbad die transversale Stromdichte proportional zum Quadrat (11), dessen Temperatur unter der kritischen Tempe- der Elektronenbeweglichkeit μ.

ratur liegt, beispielsweise Helium, eingebracht ist Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu-

3. Meßgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge- 20 gründe, ein Meßgerät der eingangs genannten Art zu kennzeichnet, daß eine dünne Schicht des Supralei- schaffen, das in seiner Grenzempfindlichkeit und Geters (10) mit einer Dicke von beispielsweise ΙΟ-³ bis nauigkeit wesentlich verbessert ist

1 mm auf einem Isolator (12) aufgebracht ist Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch t aufge-

4. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- zeigten Maßnahmen gelöst In den Unteransprüchen sprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die 25 sind Maßnahmen für vorteilhafte Ausführungsformen Meßanordnung gegen äußere Magnetfelder abge- bzw. Weiterbildungen angegeben. Nachfolgend werden schirmt ist. Ausführungsbeispiele erläutert und in den Figuren der

5. Meßgerät nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch Zeichnung schematisch dargestellt. Es zeigt
gekennzeichnet daß die Elektroden (13,14) zum Ab- F i g. 1 eine schematische Schaltskizze,

greifen der Stromstärke /, in ihrer Breite etwa der 30 Fig.2a eine schematische Darstellung eines Ausfüh-

Querabmessung des Supraleiters (10) entsprechen. rungsbeispiels,

6. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- F i g. 2b einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß spräche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Fig.2a,

Wandung des Flüssigkeitsbades (11) mit stark war- F i g. 3 eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungs-

meisolierendem Material ausgekleidet ist 35 beispiel in schematischer Darstellung,

7. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- F i g. 4 einen Ausschnitt eines Ausführungsbeispiels, sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bei dem der Abgriff des Querstromes kapazitiv ohne Kühlflüssigkeit regelmäßig in einem Flüssigkeits- metallische Berührung erfolgt.

kreislauf ausgetauscht wird oder/und gleichzeitig Ausgehend von den eingangs genannten Überlegun-

gekühlt wird. 40 gen wird durch die Erfindung eine Möglichkeit geschaf-

8. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- fen, die Elektronenbeweglichkeit durch Abkühlung des sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiters bis zu Supraleitung drastisch zu erhöhen. Dazu Strom zur Einspeisung in den Supraleiter (10) durch genügt eine Abkühlung unter etwa 15 K, was bei Beein magnetisches Wechselfeld (15) erzeugt wird. trachtung der kritischen Temperaturen entsprechend

9. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- 45 verwendeter Materialien, wie beispielsweise NbN mit sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das T_c= 16 K oder Nb3Sn und Nb3Sb mit 7"_c=18 K als aus-Abgreifen des Querstromes kapazitiv ohne metalli- reichend angesehen werden kann.

sehe Berührung erfolgt (F i g. 4). Da bei Supraleitung bereits bei sehr kleinen Feldstär-

10. Meßgerät nach einem oder mehreren der An- ken hohe Stromdichten auftreten, ist es zweckmäßig, die sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet daß der 50 Gleichung (1) so umzuschreiben, daß sie den Zusam-Längsstrom Z₁ kapazitiv eingespeist ist menhang zwischen aufgeprägter longitudinaler Stromdichte /| und der infolge der Corioliskraft entstehenden

Stromdichte /, angibt Mit /Ί=^πμΕι, wobei eo die

elektrische Elementarladung ist ergibt sich:
55

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät zur Be- . _ ₂_mo_ · ,~\

Stimmung der Drehbewegung gegenüber einem Inerti- ^/( eo ^^/liA ' ' alsystem, die einem rotierenden Supraleiter aufgeprägt

wird. Da die Elektronenbeweglichkeit im Falle der Supralei-

Ein solches Meßgerät ist aus der DE-OS 31 20 062 60 . . ,.₁₅ cm² ,. ...

bekanntgeworden. Hier wird die Drehbewegung um die ^tun« ^{bei etwa} Ό^Ι5^Γ liegt folgt
Symmetrieachse gemessen, außerdem wird der durch

die Drehbewegung erzeugte Längsstrom in den Leitern i,=ti\Cü. (3) gemessen, der induktiv durch die Wechselwirkung der

Leiterstreifen entsteht. Dieses Meßgerät erfordert ei- 65 Bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 1 rad/s ist

nen aufwendigen Aufbau, der trotzdem eine genaue daher die transversale Stromdichte /, etwa gleich der

Messung nicht ermöglicht, weil die induzierten Ströme longitudinalen Stromdichte i\. Würde man also ein su-

sehr schwach sind. praleitendes Stück eines Leiters 10, wie in F i g. 1 darge-