DE3915404C2 - - Google Patents

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:

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

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 f_i unterteilen. Diese Flächenelemente f_i 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 f_i.

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 f_i 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 M_3.

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).

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.

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.

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.

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.