DE3824950C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Registrierung von Gravitationsfel­ dern nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Meßgerät ist aus der DE-PS 6 99 271 und DE-AS 18 05 048 bekannt.

Mit den bekannten Meßgeräten (Horizontalpendel, rotierende Massen, Eötvös -Torsionswaage) in verschiedenen astasierten Zuständen, läßt sich der Gra­ dient eines Massepotentials in der Größe von ca. 1µgal erfassen. Hierzu werden bestimmte Prüfmassen so gelagert, daß sie die horizontale Komponen­ te eines Massepotentials messen kann. Dieser Vorgang ist rein mechanisch, wobei die Prüfmasse, gehalten von einer Rückhaltekraft, in einer bestimm­ ten Position fixiert ist, aus der sie eine begrenzte Bewegung bzw. Auslen­ kung innerhalb ihres Freiraumes ausführen darf und soll. Als Rückhalte­ kraft finden vorzugsweise mechanische Federn in ihren verschiedensten For­ men Verwendung. Die Auslenkung der Prüfmasse ist das Kriterium für eine externe gravitative Beeinflussung und kann in optischer, hydraulischer oder elektrischer Weise zur Anzeige gebracht werden. Entscheidend beteiligt an der Qualität eines Meßergebnisses ist die Güte der Feder und die Astasierung der Prüfmasse. Die Grenze der Meßempfind­ lichkeit wird vom Kompromiß zwischen Rückhaltesystem und Astasierung der Prüfmasse vorgegeben. Erst über eine Meßreihe und deren mathematischen Bearbeitung ist das Endergebnis bei herkömmlichen Instrumenten erzielbar.

Das Meßgerät nach der DE-PS 6 99 271 ist als Gerät zur Messung der Schwer­ kraft, also einer vertikal angreifenden Gravitationskraft ausgelegt. Dem entspricht es, daß das in diesem Gerät vorgesehene Pendel im Betriebsfalle (mittels eines Amplitudengebers) aus seiner labilen Gleichgewichtslage ausgelenkt wird und dann in eine seitliche Gleichgewichtslage fällt, bei welcher die Schwerkraft einer entgegenwirkenden Federkraft entspricht. Eine genaue und empfindliche Messung horizontal angreifender Gravitations­ kräfte ist mit einer derartigen Anordnung nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Meßgerät der eingangs genannten Art die exakte Messung horizontal angreifender Gravitationskraft- Komponenten bei gesteigerter Meßempfindlichkeit zu ermöglichen, mit ein­ fachem Meßvorgang und geringem konstruktiven Aufwand.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentan­ spruches 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen er­ geben sich aus den Unteransprüchen. Folgende Überlegungen wurden dabei zu­ grunde gelegt.
Das Gewicht einer Prüfmasse, nachstehend auch als Körper bezeichnet, wird nur auf seiner Unterstützungsfläche - nach unten - wirksam. Der Schwer­ punkt dieses Körpers ist der Punkt oder Ort, in dem sich seine gesamte Mas­ se bzw. sein Gewicht vereint vorgestellt werden kann. Befindet sich der Schwerpunkt lotrecht über seiner Unterstützungsfläche und ist diese groß genug, so steht ein Körper frei, d. h. kräftefrei nach allen horizontalen Richtungen. Befindet sich der Schwerpunkt außerhalb der Unterstützungs­ fläche, so neigt er sich nach der nicht unterstützten Seite.

Die Größe der Unterstützungsfläche gibt Aufschluß ob und wie stabil bzw. labil das Stehvermögen eines Körpers ist. Ein Körper steht auch dann noch frei oder hat ein Höchstmaß an Astasierung erreicht, wenn seine gesamte Masse genau lotrecht über seiner auf ein Minimum reduzierten Unterstütz­ ungsfläche zu liegen kommt. Genau in diesem astasierten Zustand erscheint der Schwerpunkt des Körpers - in alle horizontale Richtungen - schwerelos. Geringste gravitative Kräfte können ihn angreifen und versuchen aus der lotrechten Stellung auszulenken. Es ist nun Aufgabe der Halte- bzw. Rück­ haltekraft den Körper in diese astasierte Lage zu versetzen und dort zu halten.

Wesentlichen Einfluß auf die Meßeigenschaft des Gerätes hat die konstruk­ tive Bauform der unterstützenden- bzw. tragenden Fläche. So reagiert die Einzelpunktauflage vorzugsweise auf horizontale Massen, d. h. Masse in der horizontalen Ebene am Meßstandort. Die Mehrpunktauflage besteht aus min­ destens zwei Auflageflächen, bis hin zur schneidenförmigen Ausführung. Sie reagiert vorrangig auf horizontale Masse aus einer Richtung bzw. deren Gegenrichtung. Damit werden horizontale Bereiche ausgeblendet und andere hervorgehoben, ähnlich einer Rundfunkrichtantenne. Eine zusätzliche, jedoch nur für spezielle Meßvorgänge notwendige Varian­ te, ist die Drehmöglichkeit der Haltevorrichtung von mindestens 180 Grad um die Lotachse. Extraterrestrische Beschleunigungskräfte bzw. Masse (Mond, Sonne usw.) und ihre Bewegungen können damit erkannt werden.

Das Meßgerät gemäß der Erfindung, wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des Meßgerätes nach der Erfindung,

Fig. 2-12 Einzelheiten der erfindungsgemäßen Anordnung, im einzelnen:

Fig. 2 den neigungsfähigen Körper K mit der Unterstützungsfläche UF im mechanischen Kontakt mit der tragenden Fläche TF,

Fig. 3 den neigungsfähigen Körper K gehalten von einem tragenden Feld,

Fig. 4 die Punktauflage des neigungsfähigen Körpers K,

Fig. 5 die Mehrpunktauflage des neigungsfähigen Körpers K an zwei Punkten,

Fig. 6 die fest mit dem Meßstandort MO verbundene Haltevorrichtung HV für den Körper K,

Fig. 7 die Lotaufhängung LA für die Haltevorrichtung HV,

Fig. 8 und 9 die kardanische Ausführung KD für die Haltevorrichtung HV, wobei die Haltevorrichtung HV in unterschiedlicher Höhe im Kardan fixierbar ist,

Fig. 10 die azimutal, über eine Drehvorrichtung DV, gegen den Meß­ standort MO drehbar gelagerte Haltevorrichtung HV bei Lot­ aufhängung LA,

Fig. 11 die azimutal, über eine Drehvorrichtung DV, gegen den Meß­ standort drehbar gelagerte Haltevorrichtung HV bei fester Verbindung mit dem Meßstandort,

Fig. 12 die Arretier- und Stellvorrichtung für den Körper K, wobei die Konuspassung KP den Körper K zur Arretierung anhebt und ihn gegen das Widerlager W drückt.

In einem Ausführungsbeispiel (Fig. 1) mit Einzelpunktauflage wurde ein elektromagnetisches Wechselfeld eingesetzt. Es vereint in sich die For­ derung nach einer berührungsfreien, feindifferenzierbaren, fernsteuerbaren Haltekraft, Rückhaltekraft und Meßsensor in einem Feld. Es sind jedoch auch andere Felder denkbar, so z.B. elektrodynamische, elektrostatische, pneumatische. Das hier verwendete elektromagnetische Wechselfeld wird aus vier symmetrisch um den Körper K (Prüfmasse) angeordnete Reihenresonanz­ kreise erzeugt. Zwei sich gegenüberliegende Kreise befinden sich auf der Nord/Süd bzw. Ost/West Achse. Der mit Ferrit F versehene Körper K beein­ flußt das Resonanzverhalten der Kreise. Für alle vier Kreise wurde eine Resonanzfrequenz von fres = 4,5 KHz gewählt. Diese Frequenz trifft dann zu, wenn sich der Körper K im Lot (Mittelstellung) befindet. Der Oszillator OC schwingt auf einer etwas höheren Frequenz (z. B. foc = 5 KHz) und steuert damit die vier regelbaren Leistungsverstärker an. Die Leistungs- und Regelverstärker RV versorgen ihre jeweils zugeordneten nie­ derohmigen Resonanzkreise mit Energie. Ein Teil dieser Energie wird in je­ der einzelnen Spule in Form von elektromagnetischer Anziehungskraft frei und versucht das mit dem Körper K verbundene Ferrit an sich zu ziehen.

Nachdem der Körper K von seiner Arretierungsvorrichtung (Konuspassung KP und Widerlager W) freigegeben und auf die tragende Fläche TF gestellt wor­ den ist, können die anziehenden Kräfte der Spulen als Haltekraft HK auf K einwirken. Wegen der Wahl der Oszillatorfrequenz (foc = obere Schwing­ kreisflanke) entsteht ein Effekt, der den Körper selbstregelnd am Aus­ lenken hindert:

• a. Lenkt der Körper K aus der Lotrechte L aus, d. h. er nähert sich einer Spule, so verändert sein Ferrit F die Resonanzfrequenz des betreffenden Kreises zur tieferen Frequenz hin. Dabei wird der Abstand zwischen foc und fres größer; der Kreis hochohmiger. Die Folge davon ist eine ge­ ringere Energiefreisetzung in diesem Kreis, K wird weniger angezogen.
• b. Von der gegenüberliegenden Spule entfernt sich der Körper K und damit ändert sich die Resonanzfrequenz dieses Kreises zur höheren Frequenz. Der Abstand zwischen foc und fres wird kleiner; der Kreis niederohmi­ ger. Die Folge davon ist ein Ansteigen der freiwerdenden Energie in diesem Kreis, K wird mehr angezogen.

Dieser Vorgang zeigt, daß die von den Spulen ausgehenden elektromagneti­ schen Wechselfelder mit unterschiedlicher Intensität und in Abhängigkeit der Auslenkrichtung auf den Körper K anziehend wirken. Die Prüfmasse steht somit selbstregelnd, mechanisch berührungsfrei und läßt sich durch unter­ schiedliche Aussteuerung der Regelverstärker RV in die Lotrechte L justie­ ren. Damit ist die Aufgabe der Haltekraft HK, die einer statischen Grund­ einstellung entspricht, beendet.

Zur Überwachung und weiteren Verarbeitung muß die Position des Körpers K abgetastet und quantifiziert werden. Als Abtastsensor dient das oben be­ schriebene elektromagnetische Haltefeld. Das Ferrit F des Körpers K beein­ flußt nicht nur positionsabhängig den Energiefluß in den Spulen sondern verändert auch deren Phasenlage. Es kann daher die Phasendifferenz der Spannungen an sich jeweils gegenüberliegenden Spulen (Nord/Süd oder Ost/ West) ausgewertet werden. Eine Phasenvergleichsschaltung PV ermittelt die Phasendifferenz und wandelt sie in analoge Spannungssignale um. Gewonnen werden positionsabhängige Spannungswerte, die auf einem Monitor der Meßanordnung MA, dessen Mittelpunkt dem Lot und die Peripherie den vier Himmelsrichtungen des Meßstandortes MO zugeordnet ist, zur Anzeige kommen. Dabei wird die Lage bzw. Position und die Bewegung von K elektro­ nisch, rückwirkungsfrei vermessen.

Das Ziel ist es nun, mit Hilfe der Haltekraft HK und der Meßanordnung MA, die Prüfmasse so in das Lot zu stellen, daß bei minimierter HK der Körper K weiterhin im Lot verbleibt. Ist das Minimum an Haltekraft gefunden, so hat K seine höchstmögliche Astasierung erreicht. Die gesamte Masse bzw. der Schwerpunk SP befindet sich genau über der Unterstützungsfläche UF. Die Prüfmasse erscheint zu diesem Zeitpunkt völlig schwerelos und ist jetzt empfänglich für Masseanziehungs- bzw. Beschleunigungskräfte, vor­ zugsweise aus der horizontalen Ebene. Alle Masse, die K umgibt, ist in sein Stehvermögen integriert, so daß Mas­ seänderungen im Umfeld von K dessen Stehvermögen beeinflussen. Ändert sich eine ihn umgebende Masse, so versucht K aus der Lotstellung auszulenken, wobei im weiteren Verlauf zwei verschiedene Wege beschritten werden können.

• a. Der Körper K bleibt im ausgelenkten Zustand (ohne oder manuelle Rück­ führung). Die selbstregelnde Haltekraft verhindert ein weiteres Aus­ lenken. Über einen Monitor kann die Auslenkbewegung beobachtet und ver­ messen werden. Dabei entspricht die Auslenkrichtung der einflußnehmen­ den externen Masserichtung und die Auslenkstärke der relativen Größe dieser Masse. Auslenkrichtungen werden in Winkelgrade und Auslenkstärke in Beschleunigung (Gal) dargestellt.
• b. Der Körper K wird nicht ausgelenkt, er verbleibt weiterhin im Lot (au­ tomatische Rückführung). Jeder Auslenkversuch wird mit einer Gegenkraft aus dem Stellwertspeicher SW beantwortet. Die Gegenkraft, die genau in Größe und Richtung der externen Einflußgröße entspricht, wird mit Rück­ haltekraft RK bezeichnet. Sie wird über die Regelverstärker RV wirksam indem zusätzlich zur statischen Haltekraft HK die entsprechenden Reso­ nanzkreise mehr oder weniger Energie abgeben. Ein Stellwertspeicher versorgt die Nord/Süd-, der andere die Ost/West- Richtung. In der Lot­ position von K sind beide Stellwertspeicher leer. Weicht K z.B. in die westliche Richtung vom Lot ab, so erhöht der Stellwertspeicher (Ost/West) seinen Inhalt von Null auf minus Eins (Ab­ weichung nach Ost = plus 1, Nord = plus 1, Süd = minus 1). Minus Eins steht für eine genau dosierbare Spannungsgröße (kleinste Regelgröße) die zur Folge hat, daß der westliche RV etwas weniger und der östliche RV etwas mehr Energie an die dazugehörigen Schwingkreise abgibt, wo­ durch der Körper K in das Lot zurückgeführt wird. Reicht minus eins nicht aus, so erhöht sich der Wert in einem zweiten Meßlauf auf minus zwei usw., bis die entsprechende Rückhaltekraft RK gefunden ist. Dieser Vorgang läuft zweckmäßigerweise mit einer ein­ stellbaren Durchlaufgeschwindigkeit ab. Die Durchlaufgeschwindgkeit, entsprechend der Trägheit von K ausgelegt, sollte so bemessen sein, daß kleinsten Abweichungen erfolgreich begegnet werden kann. Der Inhalt der beiden Stellwertspeicher entspricht direkt einer exter­ nen gravitativen Beeinflussung. Über einen Monitor können diese Werte (Abzisse und Ordinate) vermessen, betrachtet und in Beziehung zu den Masseverhältnissen am Meßstandort MO gesetzt werden.

Weil sich Masseanziehung mit dem Quadrat der Entfernung verringert, jedoch proportional zur Masse erhöht und diese Wirkung auf einer Linie - der Richtungsaussage - erfolgt, kann von einem Meßstandort MO nur die relative Massegröße bestimmt werden. Im Gegensatz zur sofortigen horizontalen Rich­ tungsaussage des vorgestellen Gerätes, über die gesuchte einflußnehmende Masse, kann die Bestimmung der Größe, Entfernung bzw. Ort dieser Masse nur über entsprechende Schnittlinienmessungen erfolgen. Der Kreuzungspunkt der Schnittlinien (Richtungsaussagen von zwei verschiedenen Meßstandorten) er­ möglicht spontan die Festlegung der gesuchten Masse auf die Lotlinie des Ortes, der mit dem Schnittpunkt markiert wurde. Soll die gefundene Masse auf dieser Lotlinie vertikal definiert werden, sind weitere Messungen not­ wendig.

Damit ein Meßergebnis in geeigneter Form sichtbar wird, müssen bei den be­ kannten Meßgeräten mechanische Federn ihre Prüfmasse auslenken lassen. Vorteilhafter, in bezug auf höchste Astasierung, ist die Rückführung der Prüfmasse d. h. die Vermeidung jeder Auslenkung. Die hier vorgestellte elektrische Feder erfüllt, in Verbindung mit der konstruktiven Anordnung der Prüfmasse, diese Bedingung.

Absolute, d. h. 100 prozentige Astasierung ist bei herkömmlichen Geräten nicht möglich, jedoch in der hier vorgestellten Version anzustrebendes und erreichbares Ziel. Je genauer diese Vorgabe mit Hilfe der Halte- bzw. Rückhaltekraft zum Tragen kommt, desto sensibler bzw. empfindlicher wird das Meßgerät. Bei experimenteller Überprüfung des vorgestellten Gerätes wurde ohne mechanische und elektronische Besonderheiten eine Empfindlich­ keit von <100 ngal erreicht. Dieser Wert ist bei professioneller Ausge­ staltung mit Sicherheit zu unterbieten. Das Endergebnis der Messung wird direkt, optisch und ohne zusätzliche Be­ arbeitung in Winkelgrade (0-360 Grad) und Beschleunigung (Gal) angezeigt. Der gesamte Einstell-, Justier- und Meßvorgang erfolgt manuell oder automa­ tisch auf elektrischem Weg und ermöglicht dadurch eine ferngesteuerte Handhabung. Insgesamt ist der mechanische und elektrische Aufwand, beson­ ders aber auch die Größe des Gerätes, bezogen auf die erzielbare Empfind­ lichkeit gering und kommt so einer kommerziellen Nutzung entgegen.

Claims (19)

1. Meßgerät zur Registrierung von Gravitationsfeldern mit einem nei­ gungsfähigem Körper (K), dessen Schwerpunkt (SP) lotrecht mit einer Unterstützungsfläche (UF) auf einer tragenden Fläche (TF) im labilen Gleichgewicht ruht, dadurch gekennzeichnet,

• - daß eine Meß- und Regelanordnung (MA, OC, OV, RV, SW, PV) zur Er­ zeugung einer Haltekraft (HK) sowie möglichen Neigungsbewegungen des Körpers (K) entgegenwirkenden Rückhaltekräften (RK) vorgesehen ist,
• - daß die Meß- und Regelanordnung eine Regelvorrichtung (OV) zur Minimierung der Haltekraft (HK) aufweist,
• - daß die Meß- und Regelanordnung eine Regelvorrichtung (PV, SW, RV) zur Erzeugung von Rückhaltekräften (RK) bei externer gravitativer Beeinflussung aufweist und
• - daß eine Auswertevorrichtung zur Auswertung der Rückhalte­ kräfte (RK) vorgesehen ist.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterstützungsfläche (UF) und die tragende Fläche (TF) sich mechanisch berühren.

3. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Unterstützungsfläche (UF) und der tragenden Fläche (TF) ein Feld besteht, welches den Körper (K) schwebend fixiert.

4. Meßgerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche der Unterstützungs­ fläche (UF) und der tragenden Fläche (TF) als Spitzenlagerung aus­ gebildet ist.

5. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Berührungsfläche der Unterstützungs­ fläche (UF) und der tragenden Fläche (TF) mindestens als Zweipunkt­ lagerung ausgeführt ist.

6. Meßgerät nach einem der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Fläche (TF) mechanisch fest mit einem Meßort (MO) verbunden ist.

7. Meßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die tragende Fläche (TF) über eine Lot­ aufhängung (LA) mit einem Meßort (MO) verbunden ist.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lotaufhängung (LA) als kardanische Aufhängung (KD) ausgebildet ist.

9. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur azimutalen Drehung der tragenden Fläche (TF) eine Drehvorrichtung (DV) vorgesehen ist.

10. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (K) durch eine Arretier- und Stellvorrichtung mit einer Konuspassung (KP) in einem vorgegebenen Ort auf der tragenden Fläche (TF) abstellbar ist.

11. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Regelanordnung auf gleich­ zeitig die Haltekraft (HK) und die Rückhaltekräfte (RK) erzeugenden elektromagnetischen Wechselfeldern beruht.

12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder Reihenresonanzkreise axialsymmetrisch um den Körper (K) angeordnet sind.

13. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (K) ein Ferritteil (F) auf­ weist.

14. Meßgerät nach Anspruch 12 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Oszillator (OC) mit angeschlossenem Oszillatorverstärker (OV) über Regelverstärker (RV) die Reihen­ resonanzkreise speist.

15. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Oszillators (OC) auf das Resonanzverhalten der Reihenresonanzkreise einstellbar ist.

16. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungsfaktoren der Regelver­ stärker (RV) manuell oder automatisch einstellbar sind.

17. Meßgerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärkungsfaktor des Oszillator­ verstärkers (OV) manuell oder automatisch einstellbar ist.

18. Meßgerät nach Anspruch 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenresonanzkreise auf Phasenver­ gleicher (PV) zur Feststellung der Position des Körpers (K) wirken.

19. Meßgerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Phasenvergleicher (PV) ge­ wonnene Information über die Position des Körpers (K) einem Stell­ wertspeicher (SW) zuführbar ist zur Erzeugung eines manuell einstell­ baren oder automatisch geregelten Stellwertes.