DE3915404C2 - - Google Patents
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- DE3915404C2 DE3915404C2 DE19893915404 DE3915404A DE3915404C2 DE 3915404 C2 DE3915404 C2 DE 3915404C2 DE 19893915404 DE19893915404 DE 19893915404 DE 3915404 A DE3915404 A DE 3915404A DE 3915404 C2 DE3915404 C2 DE 3915404C2
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Geologenkompaß
zur Erfassung von Streichen und Fallen tektonischer Elemente
nach den Patentansprüchen 1 bzw. 5.
Die Tektonik befaßt sich mit der Struktur von Gesteins
körpern; sie beschreibt deren Erscheinungsformen und be
müht sich um eine Deutung der Ursachen und Vorgänge ihrer
Entstehung. Zur Beschreibung geologischer Körper und
Strukturen werden die flächigen und linearen Elemente dar
gestellt, und zwar auf der Grundlage der Messung ihrer An
ordnung bzw. Lage im Raum. Flächige Elemente sind ein
deutig und reproduzierbar festgelegt durch die Bestimmung
von Streichen, Einfallen und Einfallsrichtung; lineare Ele
mente sind eindeutig festgelegt durch Messung von Streichen,
Abtauchwinkel und Abtauchrichtung. Die genannten Meßgrößen
werden dabei jeweils in Grad gegenüber der Horizontalen
und gegenüber magnetisch Nord bestimmt. Das Erdmagnetfeld
wird also als Bezugssystem für die Messungen benutzt.
Demzufolge werden diese Messungen mit einem spezifisch aus
gebildeten Geologenkompaß durchgeführt, der dem allgemein
gebräuchlichen Marschkompaß gegenüber einige Änderungen
und Ergänzungen aufweist. Der Geologenkompaß weist insbe
sondere folgende Besonderheiten auf:
- - er hat einen feststehenden Ablesekreis mit einer dem Uhrzeigersinn entgegen angeordneten Gradeinteilung,
- - er hat ein Pendel (Klinometer) zur Bestimmung vertikaler Winkel mit zugehörigem Ablesekreis, und
- - er hat eine Libelle (Wasserwaage) zur Kontrolle der horizontalen Lage des Kompasses.
Mit dem Geologenkompaß der bekannten Art sind die Meßvor
gänge jedoch sehr zeitraubend, da relativ viele Handgriffe
und Ablesungen und Beobachtungen erforderlich sind.
Der sogenannte Gefügekompaß nach CLAR (vgl. Buch "Einführung
in die tektonischen Arbeitsmethoden" von H. Flick, H. Quade
und G. A. Stache, Verlag E. Pilger (Clausthal-Zellerfeld), 4. Auflage Nachdruck 1988)
zeichnet sich dem vorgenannten Geologenkompaß gegenüber
durch seine schnelle Handhabung aus, insbesondere dadurch,
daß in einem einzigen Meßvorgang die Richtung des Einfallens
und der Einfallswinkel bzw. die Richtung des Abtauchens
und der Abtauchwinkel bestimmt werden können. Mit diesen
beiden Werten ist schließlich die räumliche Lage jeder ge
neigten Fläche bzw. jedes Linears eindeutig festgelegt.
Der Gefügekompaß nach CLAR ist somit bereits für Serien
messungen gut geeignet.
Diese Neukonstruktion "CLAR-Gefügekompaß" weist dem Geologen
kompaß gegenüber einige wesentliche Änderungen auf, und zwar
- - eine Meßplatte mit einer Anlegekante,
- - einen Vertikalkreis (mit 5 Grad-Teilung) auf einem der Achsenlager der Meßplatte,
- - eine Ablesemarke für den Vertikalkreis, und
- - zwei Libellen.
Bei der Arbeit mit dem Gefügekompaß müssen aber nach wie vor
drei Arbeitsschritte durchgeführt werden, wobei zusätzlich
Richtung und Gegenrichtung der Meßplatte beachtet werden
müssen. Dabei sind zur Bedienung beide Hände erforderlich
und Meßwerte (die Winkelwerte für Streichen und Fallen)
müssen je für sich abgelesen und dokumentiert werden.
In der Praxis sind im allgemeinen für einen homogenen Be
reich eines Gesteinskörpers, d.h. eines tektonischen Be
reichs, 300 bis 1000 Messungen durchzuführen und es ist
leicht nachzuvollziehen, daß Ablesung und Aufzeichnung
dieser Vielzahl von Meßergebnissen anstrengend und zeit
raubend sind. Ergänzend kommt noch hinzu, daß die Gesamt
heit der Meßwerte auch noch ausgewertet werden muß und zwar
manuell oder mittels eines Datenverarbeitungsgeräts.
Bei aller Einfachheit des bekannten Gefügekompasses ist der
Umgang mit diesem Gerät und zwar insbesondere auch im Hin
blick auf die verbleibende Auswertearbeit sicher nicht als
optimal zu bezeichnen.
Aus der DE 28 22 724 A1 ist eine Überwachungs- bzw.
Vermessungseinrichtung für Bohrlöcher bekannt, bei
der in einem in ein Bohrloch einzusetzenden nicht-magne
tischen Gehäuse ein Digital-Magnetkompaß, sowie je
ein Digital-Inklinations- bzw. -Neigungsmesser inte
griert sind. Mit diesen drei Meßgeräten, die je für
sich in spezifischer Weise mit kreiringförmigen Signal
elementen codiert sind, werden die Nord-Süd-Orientie
rung, sowie die Neigungen bezüglich der X- und Y-Achse
gemessen. Diese bekannte Einrichtung ist einerseits
nur für Bohrlöcher anwendbar und andererseits, vom
Grundaufbau her so komplex und voluminös, daß sie für
die Verwendung bei tektonischen Geländevermessungen
ausscheidet.
Darüber hinaus ist in der DE 30 24 734 A1 ein Neigungswinkelmeßgerät
zur Anwendung bei Baumaßnahmen, beim
Sport, im Straßenverkehr usw. offenbart, mit dem zwar
Neigungswinkel einer Fläche gegenüber einer Horizontalen
und gegebenenfalls auch gegenüber der Nord-Süd-Richtung
vermessen werden können; diese Meßergebnisse können
jedoch nicht gleichzeitig ermittelt werden und darüber
hinaus ist die Handhabung des Geräts rein manuell und
visuell.
Zum Stand der Technik gehört noch ein Neigungswinkelmeßgerät
mit einer in einem Kugelgehäuse integrierten,
frei beweglichen magnetischen Kugel (US-PS 36 33 039).
Bei diesem Gerät handelt es sich um einen Neigungsmesser,
der ein Kontroll- oder Alarmsignal abgibt, wenn
die gemessene Neigung einen vorgegebenen Grenzwert
überschreitet; zusätzlich ist darauf hinzuweisen, daß
die Art der Messung und das "Meßliniennetz" nicht
geeignet sind, diesen bekannten Neigungsmesser als
Geologenkompaß zu verwenden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe be
steht darin, einen Geologenkompaß zu schaffen, der einer
seits einfach und sicher handhabbar ist, der andererseits
die Meßwerte automatisch registriert und speichert, und
der darüber hinaus unterschiedlichen Meßaufgaben
entsprechend leicht adaptiert werden kann.
Damit sollen letztlich Meßwerterfassung und Meßwertaus
wertung zeitlich und räumlich in einem einheitlichen Meß
system integriert werden, und die Gefahr von Fehlmessungen
aufgrund fehlerhaften Ablesens der Meßskalen soll ausge
schaltet sein. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß auch
der Datendurchsatz und die statistische Aussagekraft von
z.B. Geländevermessungen erhöht werden können, wenn die ge
nannte Aufgabe gelöst wird.
Die Lösung der dieser Erfindung zugrunde liegenden
Aufgabe ergibt sich aus der im Anspruch 1 bzw. 5
spezifizierten Merkmalskombination.
Gemäß der ersten Prinziplösung ist die Kugel inner
halb des Kugel-Gehäuses schwimmend in einer Flüssigkeit
gelagert, wobei die Orientierungsdaten ausgehend von
einem Fixpunkt am Kugel-Gehäuse durch Abtastung längs
zweier auf Großkreisen der Kugel liegender Meßhalbkreise
und Bestimmung derer Schnittpunkte mit zwei orthogonal
zueinander angeordneten Normier-Großkreisen (Anspruch 3)
oder durch Abtastung der Linien der in
Längen- und Breitengraden unterteilten Kugeloberfläche
(Anspruch 4) gewonnen werden.
Gemäß der weiteren Prinziplösung ist vorgesehen, im
Handgriff einen Träger mit einer magnetischen Kompaß
nadel und einer unmagnetischen Gravitationsnadel zu
integrieren, die über Druck-/Kraftsensoren aufgehängt
sind und die Orientierungsdaten in Form von vektoriel
len Kraftkomponenten abgeben (Anspruch 5).
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen dieses Geolo
genkompasses sind Gegenstand der weiteren Unteran
sprüche. Diesbezüglich ist besonders darauf hinzuweisen,
daß spezifischen Aufgabenstellungen und/oder bestimmten
tektonischen Geländeformen entsprechend der Kompaß
an sich auch in Meßplatten verschiedener Geometrie,
unter Umständen auch in sogenannten Meßscheren inte
grierbar ist. In bevorzugter Weiterbildung ist darüber
hinaus vorgesehen, die Meßplatten bzw. die Meßscheren
konzeptionell und konstruktiv so auszubilden, daß sie
auf einen Handgriff aufsteckbar sind, der seinerseits
die Kompaßkugel und den Datenausgang aufweist. Damit
können letztlich mit ein und demselben Meßkopf Meßplat
ten bzw. Meßscheren unterschiedlicher Geometrie verbun
den und tektonische Elemente unterschiedlicher Forma
tionen leichter vermessen werden.
Mit diesem Geologenkompaß können somit geologische
Flächen und Lineare, sowie bei einer Verwendung einer
Meßschere auch Kreuzschichtungen in einem einzigen
Arbeitsgang eingemessen und bezüglich ihrer tektonischen
Daten in der angekoppelten Datenverarbeitungseinheit
dokumentiert werden. Das Libellen-Nivellement erfolgt
dabei quasi automatisch, so daß mit dem erfindungsge
mäßen Gerät eine einfache Einhandbedienung möglich
ist. Damit sind auch komplizierte strukturgeologische
Probleme schnell und präzise lösbar.
Die Einzelheiten des Geologenkompasses
werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläu
tert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung des Geologenkompasses
in einer ersten Grundansicht;
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung des Geologenkompasses
nach Fig. 1 in Arbeitsstellung;
Fig. 3 ein Meßbeispiel für einen flüssigkeitsgelagerten
Kugelkompaß nach Fig. 2 zur Bestimmung der
Einfallsrichtung am Horizontalkreis;
Fig. 4 ein Meßbeispiel für einen flüssigkeitsgelagerten
Kugelkompaß nach Fig. 2 zur Bestimmung der
Einfallsrichtung am Vertikalkreis;
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines flüssigkeits
gelagerten Kugelkompasses zur gleichzeitigen
Bestimmung der Einfallsrichtungen am Horizontal-
und am Vertikalkreis;
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Geologenkompasses
mit einem beliebig im Raum anordenbaren Träger;
Fig. 7 eine erste Erläuterungsskizze zu Fig. 6;
Fig. 8 eine zweite Erläuterungsskizze zu Fig. 6.
Fig. 1 zeigt einen Geologenkompaß 1 als Handgerät.
Vom Grundaufbau her besteht dieser Geologenkopaß 1
aus einer Meßplatte 2 und einem ergonomisch geformten
Handgriff 3, mit dem der Geologenkompaß 1 einfach und
handhabungsfreundlich an zu vermessende tektonische
Flächenelemente angelegt werden kann. Der Geologenkompaß
1 liegt dabei mit einer Meßfläche 2′ der Meßplatte
2 eben auf diesem Flächenelement (vergleiche Bezugszei
chen 12 in Fig. 2) auf.
Die eigentliche Meßeinheit des Geologenkompasses 1
besteht aus einer mit der Meßplatte 2 gekoppelten (Kom
paß-) Kugel 4, die in eindeutig reproduzierbarer Zuord
nung zur genannten Meßfläche 2′ der Meßplatte 2 mit
dieser gekoppelt ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 ist die Kugel 4 in einem (Kugel-)Gehäuse
5 gelagert, das Teil des Handgriffs
3 und komplementär zu einer Aufnahme an bzw. in der
Meßplatte 2 ausgebildet ist. Damit kann der mit einer
- nicht gezeichneten - Datenverarbeitungseinheit über
eine Signalleitung 11 gekoppelte Handgriff 3 mit Meß
platten 2 unterschiedlicher Geometrie, z.B. auch mit
einer sogenannten Meßschere zur Messung von Kreuzschich
tungen, verbunden werden.
Auf der Grundlage dieser Konzeption können somit auf
ein- und denselben Handgriff 3 Meßplatten 2 unterschied
licher Art gesteckt werden, so daß in einfacher Weise
unterschiedliche tektonische Elemente vermessen
werden können. Dabei muß der Datenverarbeitungseinheit
natürlich eingegeben werden, welche Art Meßplatte 2
die folgenden Meßdaten liefert.
Der soweit beschriebene Geologenkompaß 1
basiert - konstruktiv und funktionell betrachtet -
auf einer flüssigkeitsgelagerten Kugel.
Die jeweilige Messung der Lage der Kugel
bzw. der auf die Kugel einwirkenden Kräfte erfolgt
dabei jeweils über einen Auslöseknopf 6, der gleichzei
tig dafür sorgt, daß während des Meßvorgangs selbst
die aktuelle Position der Kugel fixiert bleibt. Zusätz
lich kann in der Meßplatte 2 auch ein akustisches
und/oder optisches Anzeigeelement 7 integriert sein,
das nach einem Meßvorgang anzeigt, ob bereits ein weite
rer Meßvorgang erfolgen kann - dies ist inbesondere
in Verbindung mit der flüssigkeitsgelagerten Kugel
4 erforderlich, um zu gewährleisten, daß die Kugel
4 die für die Richtigkeit einer Messung erforderliche
Ruhelage eingenommen hat. (Bei der praktischen Arbeit
wird im allgemeinen eine Vielzahl von Messungen ein und
desselben tektonischen Elements ausgeführt - der zu ver
arbeitende Meßwert ist dann der statistische Mittelwert.)
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 sollte noch folgendes ange
merkt werden. Je nachdem, ob der Geologenkompaß 1
nach dem Prinzip der flüssigkeitsgelagerten Kugel oder
der über Kraftaufnehmer fixierten Elementen arbeitet, werden
über die Kugel der jeweiligen Meßstellung der Meßplatte
2 entsprechende, d.h. dem zu messenden
tektonischen
Element entsprechende Orientierungsdaten gewonnen.
Diese Orientierungsdaten werden von der Kugel 4 über
eine entsprechende Signalaufbereitungsschaltung 8 und
einen Datenausgang 9 an die abgesetzte Datenverarbei
tungseinheit übertragen.
Die Signalaufbereitungsschaltung 8 besteht dabei -
im Fall der flüssigkeitsgelagerten Kugel 4 - aus einem
Operationsverstärker mit einem Datenfilter (vergleiche
Bezugszeichen 81) und einem Analog/Digital-Wandler
82, in dem die analogen Orientierungsdaten binär codiert
werden. Der Datenausgang 9 ist eine übliche (Norm-)
Schnittstelle für die Datenkommunikation zwischen einer
Meßstation und einer Datenverarbeitungseinheit, z.B.
eine sogenannte V24-Schnittstelle. Die genannten Funk
tionseinheiten Operationsverstärker 81 mit Datenfilter
und Analog/Digital-Wandler 82, sowie die Schaltungslogik
der Schnittstelle, d.h. des Datenausgangs 9, sind beim
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sämtlich im Handgriff
3 integriert.
Im Falle der flüssigkeitsgelagerten Kugel 4 werden
- wie anhand der Meßbeispiele nach Fig. 3 und 4 noch
zu erläutern ist - längs der sogenannten Meßhalbkreise
je ein Sensorelement, beispielsweise eine Fotozelle,
bewegt und zwar jeweils zwischen einem vorgegebenen
Fixpunkt am (Kugel-)Gehäuse 5 (als Ausgangspunkt der
Messungen) und einem Schnittpunkt der Meßhalbkreise
mit den die Kugel 4 unterteilenden Normier-Großkreisen. Die
Ansteuerung für die Sensorelemente und zwar sowohl
bezüglich ihrer Bewegung als auch bezüglich ihrer be
stimmungsgemäßen Funktion als Abtast- und Aufzeichnung
elemente ist ebenfalls im Handgriff 3 integriert (ver
gleiche Bezugszeichen 10).
Die Verbindung zwischen dem Geologenkompaß 1 und der
Datenverarbeitungseinheit erfolgt - wie bereits erwähnt
- über eine Signalleitung 11 üblicher Bauart.
Fig. 2 zeigt den Geologenkompaß 1 in Seitenansicht
und in Arbeitsstellung. Dazu wird der Geologenkompaß
1 mit der Meßfläche 2′ der Meßplatte 2 flächig auf
die zu vermessende tektonische Fläche 12 aufgelegt.
Die Kugel 4 orientiert sich im freien Spiel der Kräfte
des Gravitationsfeldes und des Magnetfeldes der Erde
in Nord-Süd-Richtung und gibt die entsprechenden Orien
tierungsdaten über die im Handgriff 3 integrierten
Signalaufbereitungsschaltungen und den Datenausgang
9 an die Signalleitung 11 ab, über die die Daten
schließlich zur Datenverarbeitungseinheit übertragen
werden.
Die Funktionsweise des Geologenkompasses 1 nach den
Fig. 1 und 2, und zwar eines Geologenkompasses 1 mit
einer flüssigkeitsgelagerten (Kompaß-)Kugel 4 wird
im folgenden anhand der in Fig. 3 und 4 gezeigten Meß
beispiele näher erläutert.
Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 wird von einem
Geologenkompaß 1 mit einer flüssigkeitsgelagerten Kugel
4 ausgegangen, wobei sich diese Kugel unter Einwirkung
des Gravitations- und Magnetfeldes der Erde vollkommen
frei einschwingen kann. Der untere Teil der Kugel 4
muß dabei selbstverständlich beschwert sein, damit
sich die Kugel 4 exakt horizontal zur Erdoberfläche
ausrichten kann.
Die Kugel 4 ist durch zwei rechtwinklig aufeinanderste
hende Normier- Großkreise GK1 und GK2 unterteilt, wobei darauf
zu achten ist, daß die vier Halbkreise für Sensorelemen
te wie z.B. Fotozellen unterscheidbar codiert sein
müssen, um auch bei "Über-Kopf-Messungen" exakt die
Fläche einmessen zu können. Diese unterschiedliche
Codierung wird beispielsweise über unterschiedliche
Farben oder über Farben unterschiedlicher Dichte reali
siert.
Am - hier zeichnerisch nur angedeuteten - (Kugel-)Gehäuse
5 ist als Ausgangspunkt für die Messungen eindeutig
und reproduzierbar ein Fixpunkt A festzulegen, und
zwar vorzugsweise so, daß er sich auf der Symmetrieebene
des Kugel-Gehäuses senkrecht über dem Mittelpunkt der
Kugel 4 befindet. Damit ist eine relativ einfache Aus
wertung der Meßwerte möglich.
Zur Messung selbst werden dann auf der Kugel 4 jeweils
zwei Meßhalbkreise M1 und M2 festgelegt, und zwar
ausgehend vom vorbeschriebenen Fixpunkt A. Diese beiden
Meßhalbkreise M1 und M2 liegen dabei auf sogenannten
Großkreisen der Kugel 4; der Winkel zwischen den beiden
Meßhalbkreisen M1 und M2 ist vorzugsweise wesentlich
kleiner als 90 Grad, so daß die Gefahr von Deckungs
gleichheit mit den beiden Normier-Großkreisen GK1 und GK2
der Kugel 4 weitgehend ausgeschaltet ist.
Der eigentliche Meßvorgang basiert auf je einer (Mini-)
Fotozelle, die den beiden Meßhalbkreisen M1 und M2 zuge
ordnet sind bzw. - ausgehend vom Fixpunkt A - diesen entsprechend
am (Kugel-)Gehäuse 5 verfahrbar angeordnet sind. Die Fotozellen werden
durch einen Getriebemotor längs der Meßhalbkreise M1
und M2 verfahren, und zwar jeweils über die vollen
Halbkreise, d.h. über 180 Grad. Der jeweils zurückge
legte Betrag der Fahrstrecke wird über einen inkremen
talen Winkelgeber erfaßt, dessen Werte im
Analog/Digital-Wandler 82 der Signalaufbereitungs
schaltung des Geologenkompasse 1 digitalisiert werden.
Bei Erreichen eines Normier-Großkreises GK1 bzw. GK2 wird
der aktuelle Winkelwert, sowie die Codierung des Normier-Groß
kreises GK1/GK2 gespeichert und in digitaler Form
zur angeschlossenen Datenverarbeitungseinheit übertra
gen.
Zur eindeutigen Bestimmung der Lage eines tektonischen
Elements sind folgende Meßergebnisse bzw. Meßwerte
erfolderlich:
- a) der Kippwinkel (das FALLEN) der Ebene des tekto nischen Elements gegenüber der Horizontalen mit einem Wertebereich von Null bis 180 Grad, und
- b) der Streichwinkel (das STREICHEN) der Ebene des tektonischen Elements gegenüber der Vertikalen mit einem Wertebereich von Null bis 360 Grad.
Im Hinblick auf die in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigten
Meß- und Normierungslinien werden zur Auswertung einer
Messung und damit zur eindeutigen Lagebestimmung eines
tektonischen Elements folgende Informationen benötigt:
1. Die Wegstrecke zwischen dem Fixpunkt A und dem
ersten Normier-Großkreis GK1, und zwar gemessen auf dem
ersten und dem zweiten Meßhalbkreis M1 und M2.
Aus diesen beiden Meßwerten läßt sich der sogenannte
Kippwinkel a′ berechnen, der letztlich den Neigungs
wert der zu messenden Ebene bestimmt.
Bezugnehmend auf die Darstellung nach Fig. 3 ergibt
sich der genannte Kippwinkel a′ wie folgt:
gesucht: a′
gemessen: b, c, α ER NB=1<Formeln:
gemessen: b, c, α ER NB=1<Formeln:
cos a = cos b cos c + sin b sin c cos α (I)
cos b = cos c cos a + sin c sin a cos β (II)
sin b sin c sin α = sin a sin c sin β = sin a sin b sin γ (III)
I + II:
III:
a′ = arc sin (sin α′ sin c)
2. Die Wegstrecke zwischen dem Fixpunkt A und dem
zweiten Normier-Großkreis GK2, und zwar gemessen auf dem
ersten und dem zweiten Meßhalbkreis M1 und M2.
Aus diesen beiden Meßwerten läßt sich dann der
Streichwinkel gegenüber magnetisch Nord N über
einen Winkel b′ und unter Berücksichtigung der
geschnittenen Großkreissegemente berechnen.
Bezugnehmend auf die Darstellung nach Fig. 4 errech
net sich der Winkel b′ wie folgt:
gesucht: b′
gemessen: b, c, α
gemessen: b, c, α
Formeln:
cos a = cos b cos c + sin b sin c cos α (I)
cos c = cos a cos b + sin a sin b cos γ (II)
sin b sin c sin α = sin a sin c sin β = sin a sin b sin γ (III)
I + II:
III:
b′ = arc sin (sin β′ sin c)
Da b′ auf einem Kleinkreis der Kugel 4 liegt, muß
eine Radius-Korrektur durchgeführt werden, da auf
einer Kugel nur Längen die auf einem Großkreis
liegen direkt in Winkelgrade umrechenbar sind.
Der Radius des Kleinkreises (auf dem der Winkel
b′ liegt) läßt sich leicht mit Hilfe des Kippwinkels
a′ berechnen.
3. Die Codierung der vierfach geschnittenen Normier-Großkreise
GK1 und GK2 muß selbstverständlich eindeutig
festgelegt und den Meßwerten zuordenbar sein.
4. Der Winkel α zwischen den beiden Meßhalbkreisen
M1 und M2 muß für die obigen Berechnungen ebenfalls
bekannt sein.
Auch nach der Prinzipdarstellung gemäß Fig. 5 wird von einer
flüssigkeitsgelagerten magnetischen Kugel 4 ausgegangen.
Diese Kugel 4 weist analog derer nach Fig. 3/Fig. 4
zwei senkrecht zueinander stehende Normier-Großkreise
GK1 und GK2 auf, die - in Analogie zur Erdkugel - dem
Null-Meridian bzw. dem Äquator entsprechen. Die Kugel 4
ist nun weiterhin nach Art einer geodätisch dargestellten
Erdkugel mit einem Raster von Abtastlinien überzogen, die
im Rastermaß von z.B. einem Winkel-Grad die Kugel 4 in eine
Vielzahl von inkrementalen Flächenelemente fi unterteilen.
Diese Flächenelemente fi werden jeweils durch zwei auf
Großkreisen liegenden, Längengraden
entsprechenden Rand
linien und zwei auf sogenannten Kleinkreisen liegenden,
Breitengraden entsprechenden Randlinien begrenzt. Bei einem
Rastermaß von einem Winkelgrad ergeben sich so insgesamt
129 600 Flächenelemente fi.
Zur Abtastung dieser an der Oberfläche geodätisch ge
stalteten Kugel 4 ist am Kugel-Gehäuse 5 ein Sensor
element, z.B. in Form einer Fotozelle, vorgesehen. Mit
diesem Sensorelement wird bei einer Verdrehung der Kugel 4
relativ zum (Kugel-)Gehäuse 5 die Zahl der am Meßpunkt
vorbeidrehenden Längen- und Breitengradlinien bestimmt,
so daß letztlich die Abstandsmaße zwischen den Normier-
Großkreisen GK1 und GK2 einerseits und dem dem Sensor
element zugewandten Flächenelement fi andererseits als
Orientierungsdaten der Kugel 4 vorliegen.
Im Prinzip funktioniert der anhand von Fig. 5 erläuterte
Geologenkompaß bereits mit einem Sensorelement. Hierbei
muß jedoch gewährleistet sein, daß die Längengrade und
die Breitengrade unterscheidbar abgetastet werden können;
dies ist beispielsweise dadurch möglich, daß die Abtast
linien der Längen- und Breitengrade unterschiedliche Farbe
haben und das Sensorelement farbspezifische Signale generiert.
Bei Verwendung von z.B. zwei Sensorelementen muß sicher
gestellt sein, daß das eine nur z.B. Längengrade und das
andere dann die Breitengrade zählt.
Der Vollständigkeit halber soll noch angemerkt werden, daß
der anhand von Fig. 5 erläuterte Kompaß jeweils vor der
Inbetriebnahme "geeicht" werden muß, da die Ausgangs
position indifferent ist. Diese Eichung wird so ausge
führt, daß durch beliebige Drehungen des Kompasses ein
mehrmaliges Kreuzen des Abtaststrahls des Sensorelements
mit den Normier-Großkreisen GK1 und GK2 verursacht wird.
Dies ist erforderlich, um die relative Position der magne
tischen Kugel 4 im Gravitations- und Magnetfeld der Erde
zu normieren.
Mit einem auf einer Kugel 4 gemäß Fig. 5 basierenden
Kompaß wird - verglichen mit der Ausführungsform nach
Fig. 3/Fig. 4 - gewissermaßen nach Art einer kinematischen
Umkehrung das gleiche Ergebnis erzielt. Während beim
Kompaß nach Fig. 3/Fig. 4 die Oberfläche der Kugel längs
der Meßhalbkreise abgetastet wird, werden beim Kompaß
nach Fig. 5 mit jeder Lageänderung die am Sensor vorbei
streichenden Abtastlinien gezählt.
In Fig. 6 ist eine weitere Prinziplösung eines
Geologenkompasses dargestellt,
die auf der Auswertung von Kräften beruht, die
mittels Dehnungsstreifen (DMS), Piezo-Gebern oder
dergleichen Kraft-/Drucksensoren gemessen bzw.
erfaßt werden. Die für die Bestimmung tektonischer
Elemente erforderlichen Größen - Neigungswinkel gegen
über der Horizontalen sowie gegenüber geographisch
Nord - werden hierbei ohne mechanische Bewegung
eines Kugelkompasses, d.h. eine dem freien Spiel
der Kräfte überlassene Kugel erfaßt. Grundsätzlich
ist für diese Messungen die Erfassung des Neigungs
winkels und des Nordpols in voneinander unabhängigen
Systemen erforderlich (der geographische und der
magnetische Nordpol sind hier der Einfachheit halber
gleichgesetzt).
Um den geographischen Nordpol als Winkelstellung
gegenüber der tatsächlichen Lage des Geologenkompasses
zu erfassen, wird zunächst eine magnetische Kompaß
nadel 101 in ihrem Masse-Schwerpunkt so an einem - im Hand
gerät "Geologenkompaß" nach Fig. 1 integrierten
Träger 100 aufgehängt, daß eine räumliche Drehebene
entsteht, innerhalb welcher sich die Kompaßnadel 101
in Richtung Norden ausrichten würde, wenn sie sich
frei bewegen könnte. (Zur Erläuterung dieser Drehebene
wird auf Fig. 7 verwiesen, aus der erhellt, wie sich
die Kompaßnadel 101 um ihre Achse am Träger 100 mit
der Kraft P auf geographisch Nord einstellen will -
bezogen auf Fig. 6 liegt die als Ellipse dargestellte
Drehebene in der Zeichenebene.)
Die Drehebene wäre, was die Ausrichtung der Kompaßnadel
101 nach Norden angeht, im optimalen Fall in der Hori
zontalen anzunehmen (vergleiche Fig. 7). In der Praxis
jedoch hat die gedachte Drehebene einen von der Hori
zontalen abweichenden Neigungswinkel (vergleiche Fig. 8,
die zur Erläuterung der realen Drehebene dient).
Auch wenn die Drehebene bzw. die Kompaßnadel 101 der
Horizontalen gegenüber - durch räumlich beliebiges
Anlegen des Handgeräts "Geologenkompaß" - in eine
Neigungslage mit Winkel α gezwungen wird, so wird
sie sich noch immer gegen Norden ausrichten. Die ent
sprechende vektorielle Kraftkomponente P′ ist dabei
kleiner und sie ergibt sich durch eine Division der
Kraft P (vergleiche Fig. 7) durch cos α (vergleiche
Fig. 8).
Ist nun - wie in der Prinzipdarstellung von Fig. 6
gezeigt - die Kompaßnadel 101 insoweit festgehalten,
daß sie sich nicht mehr bewegen kann, so entsteht
eine Torsionskraft M1, die über Piezofühler, DMS oder
dergleichen andere Drucksensoren erfaßt werden kann.
Diese Torsionskraft M1 repräsentiert somit auch ohne
Bewegung der Kompaßnadel 101 ein Maß für die Winkel
stellung des Kompasses gegenüber dem Nordpol. Da -
wie vorstehend bereits erläutert - dieses Maß aber
nicht nur von der Himmelsrichtung, sondern auch von der
Neigung des Kompasses abhängt, muß in einem zweiten
Schritt diese Neigung separat erfaßt und als Korrektur
faktor bei der Bestimmung der Himmelsrichtung berück
sichtigt werden. Eine Grundbedingung ist dabei aller
dings, daß der benutzte Drucksensor bei einer gefor
derten Auflösung von einem Grad selbst bei 89 Grad Neigungs
winkel noch eine genügend große Torsionskraft M1 an
zeigt, um ein Grad Abweichung von der Nordrichtung noch
identifizieren zu können.
Bei einem Neigungswinkel von 90 Grad gegenüber der
Horizontalen ist jedoch naturgemäß keine Erfassung
der Himmelsrichtung mehr möglich, da auf die Kompaß
nadel 101 keine Kräfte mehr einwirken, wenn sie senk
recht zu den Feldlinien der Erde angeordnet ist. Dieses
Problem läßt sich jedoch auf zweierlei Weise umgehen:
1. Da der Geologenkompaß als Handgerät frei im Raum
geführt wird, ist es möglich, die während der Be
wegung erfaßten Winkel zu speichern, so daß das
System beim zufälligen Erreichen einer undefinier
ten Lage (90 Grad Neigungswinkel) berücksichtigen
kann, aus welcher Richtung heraus diese undefinier
te Lage erreicht wurde. Wird dabei - quasi voraus
schauend - die Bewegungsrichtung um inkrementale
Schritte extrapoliert, so ist eine
Lagebestimmung
auch dann möglich, wenn eine Istwert-Erfassung
einer bestimmten Totlage zufolge nicht mehr mög
lich wäre.
Es gibt insgesamt drei dieser "Totlagen", jeweils
zwei bei einer Winkelstellung von +90 Grad und
-90 Grad gegenüber der Horizontalen, und eine
weitere, wenn die Kompaßnadel exakt in Südrichtung
steht.
2. Diese Totlagen lassen sich auch dadurch vermeiden,
daß ein (oder auch weitere) gleichwertige(s)
System(e) vorgesehen ist/sind, das/die jeweils um
90 Grad-Raumwinkel zueinander versetzt sein muß/
müssen.
In Fig. 6 ist dies durch eine zweite Kompaßnadel
102 dargestellt, die in einer Drehebene angeordnet ist, die
der der ersten Kompaßnadel 101 gegenüber um 90
Grad verdreht ist. Auf die zweite Kompaßnadel 102
wirkt eine die Auslenkung in Richtung NORD ini
tiierende Torsionskraft M3.
Damit werden nicht nur Totlagen vermieden, sondern
es ist auch das Problem der Auflösbarkeit in der
Nähe von Totlagen eliminiert. Ist zum Beispiel die
Signalabgabe bei einem Grad Abweichung von der Nord
stellung zu gering, so hat sie bei einer weiteren
um 90 Grad versetzten Kompaßnadel gerade ihr
Maximum.
Um ausschließlich die Himmelsrichtung zu erfassen,
sind - vergleiche Fig. 6 - Kompaßnadeln 101, 102
erforderlich, die exakt in ihrem Masseschwerpunkt
aufgehängt sind. (Wäre dies nicht der Fall, so
würde bei der Bestimmung der Himmelsrichtung auch
eine Neigungskomponente anfallen, die dann nicht
eliminierbar ist.)
Somit muß zur reinen Bestimmung des Neigungswinkels
ein unabhängiges System aufgebaut werden, wobei
jedoch der Aufbau in sehr ähnlicher Weise wie
der der Kompaßnadeln 101, 102 erfolgen kann. Die
magnetischen Eigenschaften der Kompaßnadeln 101,
102 sind durch eine unmagnetische Nadel 103 ersetzt,
die jedoch nicht im Masseschwerpunkt aufgehängt
ist, sondern eine Unsymmetrie aufweist. Dies ent
spricht der Masse M nach Fig. 6.
Diese Masse M will sich aufgrund der Gravitations
kraft G in zur Horizontalen senkrechter Richtung
ausrichten, wodurch im Aufhängepunkt der Nadel 103
am Träger 100 eine Torsionskraft M2 entsteht. Diese
Torsionskraft M2 wird gleichermaßen wie die Tor
sionskräfte M1 und M3 der Kompaßnadeln 101, 102
erfaßt. Die Größe dieser Torsionskraft M2 ist
letztlich ein Maß für den Neigungswinkel (gegenüber
der Horizontalen).
Auch hierbei gibt es sogenannte Totlagen, die sich
aus der Winkelstellung +90 Grad und -90 Grad
gegenüber der Horizontalen ergeben. Die Nicht-
Erfaßbarkeit dieser beiden Winkelstellungen kann
jedoch prinzipiell auf die gleiche Weise kompen
siert werden , wie es in Verbindung mit den Tot
lagen bei der Erfassung der magnetisch bedingten
Abweichungen erläutert ist.
Claims (6)
1. Geologenkompaß zur Erfassung von Streichen und Fallen
tektonischer Elemente
mit einer an das einzumessende tektonische Element anlegbaren Meßplatte (2), die mit einem Handgriff (3) versehen und mit einem Gehäuse (5) zur Aufnahme einer dem freien Spiel der Kräfte des Gravitations- und Magnetfeldes der Erde folgende flüssigkeitsgelagerten und unten beschwerten magnetischen Kugel (4) verbunden ist,
wobei die magnetische Kugel (4) auf ihrer Oberfläche Markierungen trägt,
mit mindestens einem Sensor zur Abtastung der Markierungen zur Erfassung der Lage der magnetischen Kugel (4) relativ zum Gehäuse (5) und zur Erzeugung von entsprechenden Orientierungssignalen, und
mit einer Aufbereitungsschaltung (Operationsverstärker 81) für die Orientierungssignale, einem Analog/Digital-Wandler (82) und einer Schnittstelle (Datenausgang 9) zum Anschluß einer externen Datenverarbeitungseinheit im Handgriff (3).
mit einer an das einzumessende tektonische Element anlegbaren Meßplatte (2), die mit einem Handgriff (3) versehen und mit einem Gehäuse (5) zur Aufnahme einer dem freien Spiel der Kräfte des Gravitations- und Magnetfeldes der Erde folgende flüssigkeitsgelagerten und unten beschwerten magnetischen Kugel (4) verbunden ist,
wobei die magnetische Kugel (4) auf ihrer Oberfläche Markierungen trägt,
mit mindestens einem Sensor zur Abtastung der Markierungen zur Erfassung der Lage der magnetischen Kugel (4) relativ zum Gehäuse (5) und zur Erzeugung von entsprechenden Orientierungssignalen, und
mit einer Aufbereitungsschaltung (Operationsverstärker 81) für die Orientierungssignale, einem Analog/Digital-Wandler (82) und einer Schnittstelle (Datenausgang 9) zum Anschluß einer externen Datenverarbeitungseinheit im Handgriff (3).
2. Geologenkompaß nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) und
der Handgriff (3) als modulare Steckeinheit ausgebildet
sind, die mit Meßplatten (2) unterschiedlicher
Art verbindbar sind.
3. Geologenkompaß nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Markierungen auf der Kugel (4) aus zwei senkrecht zueinander stehenden Normier-Großkreisen (GK1, GK2) bestehen und
daß am Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) auf zwei Großkreisen der Kugel (4) entsprechenden, sich in beliebigem vorgegebenen Winkel schneidenden Meßhalbkreisen (M1, M2) bewegbare Sensoren, vorzugsweise Fotozellen, vorgesehen sind, über die ausgehend von einem relativ zum Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) festgelegtem gemeinsamen Fixpunkt (A) die Schnittpunkte zwischen den Meßhalbkreisen (M1, M2) und den zwei Normier-Großkreisen (GK1, GK2) der Kugel (4) und damit die Wegstrecken zwischen dem Fixpunkt (A) und den Normier-Großkreisen (GK1, GK2) meßbar sind.
daß die Markierungen auf der Kugel (4) aus zwei senkrecht zueinander stehenden Normier-Großkreisen (GK1, GK2) bestehen und
daß am Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) auf zwei Großkreisen der Kugel (4) entsprechenden, sich in beliebigem vorgegebenen Winkel schneidenden Meßhalbkreisen (M1, M2) bewegbare Sensoren, vorzugsweise Fotozellen, vorgesehen sind, über die ausgehend von einem relativ zum Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) festgelegtem gemeinsamen Fixpunkt (A) die Schnittpunkte zwischen den Meßhalbkreisen (M1, M2) und den zwei Normier-Großkreisen (GK1, GK2) der Kugel (4) und damit die Wegstrecken zwischen dem Fixpunkt (A) und den Normier-Großkreisen (GK1, GK2) meßbar sind.
4. Geologenkompaß nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Markierungen auf der Kugel (4) aus einem auf die Kugel (4) aufgebrachten Raster von zu den zwei senkrechten zueinander stehenden Normier-Großkreisen (GK1, GK2) parallelen Längen- und Breitengraden entsprechenden Abtastlinien bestehen, und
daß am Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) mindestens ein Sensor, vorzugsweise eine Fotozelle, befestigt und zur Abtastung der Längen- und Breitengrade in inkrementalen Schritten ausgebildet ist, um bezogen auf die zwei senkrecht zueinander stehenden Normier-Großkreise (GK1, GK2) der Kugel (4) die Zahl der vorbeidrehenden Abtastlinien zu bestimmen.
daß die Markierungen auf der Kugel (4) aus einem auf die Kugel (4) aufgebrachten Raster von zu den zwei senkrechten zueinander stehenden Normier-Großkreisen (GK1, GK2) parallelen Längen- und Breitengraden entsprechenden Abtastlinien bestehen, und
daß am Gehäuse (5) zur Aufnahme der Kugel (4) mindestens ein Sensor, vorzugsweise eine Fotozelle, befestigt und zur Abtastung der Längen- und Breitengrade in inkrementalen Schritten ausgebildet ist, um bezogen auf die zwei senkrecht zueinander stehenden Normier-Großkreise (GK1, GK2) der Kugel (4) die Zahl der vorbeidrehenden Abtastlinien zu bestimmen.
7. Geologenkompaß zur Erfassung von Streichen und
Fallen tektonischer Elemente in einer an das einzumessende
tektonische Element anlegbaren Meßplatte
(2), die mit einem Handgriff (3) versehen und mit
einem Gehäuse (5) zur Aufnahme eines Trägers (100)
verbunden ist,
wobei der Träger (100) einen mit einer dem Magnetfeld der Erde folgenden magnetischen Kompaßnadel (101) gekoppelten ersten Kraftsensor, und einen mit einer dem Gravitationsfeld der Erde folgenden unmagnetischen Nadel (103) gekoppelten zweiten Kraftsensor aufweist, wobei die Kraftsensoren Orientierungssignale abgeben und
wobei im Handgriff eine Aufbereitungsschaltung für die Orientierungssignale, ein Analog/Digital-Wandler und eine Schnittstelle für den Anschluß einer externen Datenverarbeitungseinheit integriert sind.
wobei der Träger (100) einen mit einer dem Magnetfeld der Erde folgenden magnetischen Kompaßnadel (101) gekoppelten ersten Kraftsensor, und einen mit einer dem Gravitationsfeld der Erde folgenden unmagnetischen Nadel (103) gekoppelten zweiten Kraftsensor aufweist, wobei die Kraftsensoren Orientierungssignale abgeben und
wobei im Handgriff eine Aufbereitungsschaltung für die Orientierungssignale, ein Analog/Digital-Wandler und eine Schnittstelle für den Anschluß einer externen Datenverarbeitungseinheit integriert sind.
6. Geologenkompaß nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß am Träger (100) eine der ersten Kompaßnadel
(101) gegenüber um 90 Grad gedrehte zweite magnetische
Kompaßnadel (102) vorgesehen ist, die mit
einem dritten Kraftsensor gekoppelt ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893915404 DE3915404A1 (de) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Geologenkompass |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19893915404 DE3915404A1 (de) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Geologenkompass |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3915404A1 DE3915404A1 (de) | 1990-11-15 |
DE3915404C2 true DE3915404C2 (de) | 1992-03-26 |
Family
ID=6380454
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19893915404 Granted DE3915404A1 (de) | 1989-05-11 | 1989-05-11 | Geologenkompass |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3915404A1 (de) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH06221852A (ja) * | 1993-01-25 | 1994-08-12 | Sato Kogyo Co Ltd | 電子式ステレオクリノコンパス |
DE19651476C2 (de) * | 1996-12-11 | 2001-02-15 | Nils Sappok | Geologenkompaß |
WO2008077595A1 (en) * | 2006-12-22 | 2008-07-03 | Technische Universität Graz | A device for and a method of determining the orientation of a plane in space |
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GB1525299A (en) * | 1976-12-17 | 1978-09-20 | Univ Cardiff | Apparatus for measuring of tilt or deviation |
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DE3024734A1 (de) * | 1980-06-30 | 1982-02-04 | Alfred 8000 München Sinseder | Neigungswinkelmessgeraet |
-
1989
- 1989-05-11 DE DE19893915404 patent/DE3915404A1/de active Granted
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3915404A1 (de) | 1990-11-15 |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |