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Pendelapparat mit elastischer Unterstützung des Pendels mittels eines
Federblattes Es werden insbesondere zur Messung der Stärke des Schwerkraftfeldes
vielfach sog. elastische Pendel benutzt, welche ein,in der Mittellage im wesentlichen
lotrechtes, elastisches Federblatt enthalten, dessen eines Ende fest ist, während
am anderen Ende mittels eines Trägers eine schwere Masse angeordnet ist, derart,
daß das Ganze eine schwingende Bewegung um eine scheinbare Achse, ähnlich derjenigen
eines Metronoms um seine Drehachse, erhalten kann.
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Die Periode dieser Schwingungen ist einerseits von den elastischen
Eigenschaften der Blattfeder, andererseits von der Stärke des Schwerkraftfeldes
an .der Meßstelle abhängig.
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Wenn daher eine Messung an einer Stelle vorgenommen wird, an der .die
Stärke des Schwerkraftfeldes genau bekannt ist, kann man die Vorrichtung eichen,
d. h. die obengenannte Abhängigkeit zahlenmäßig bestimmen, wodurch erreicht wird,
daß die Schwerkraft an irgendeiner Stelle durch Messung der Schwingungsperiode an
dieser Stelle bestimmt werden kann.
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Es ist selbstverständlich unbedingt erforderlich, .daß die elastischen
Eigenschaften der Blattfeder bei jeder Messung die gleichen sind; deshalb benutzt
man vorzugsweise Federn, welche aus einem einzigen Stück einer als Ehnvar bekannten
Eisen-Nickel-Legierung mit praktisch von der Temperatur unabhängigen, elastischen
Eigenschaften-herausgearbeitet sind.
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Insbesondere sind Pendelapparate mit elastischer Unterstützung des
Pendels mittels eines Federblattes bekannt, das zusammen mit dem Einklemmfuß und
dem Klemmkopf für die Pendelstange aus einem Stück, und zwar aus Elinvar, besteht.
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Die Erfindung bezweckt, die bei dieser Ausbildung des Federblattes,
des Klemmfußes. und des Klemmkopfes aus einem Stück sich ergebenden Fehlerursachen
zu beseitigen, wie unten ausgeführt.
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Demgemäß bestehen die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung
darin, daß der Einklemmungsfuß parallele Klemmflächen besitzt, deren eine sich über
das Federblatt hinweg bis nahe an den Klemmkopf fortsetzt und mit der Mittelebene
des Pendels zusammenfällt, wobei der bewegliche Teil dieses Stückes derart ausgebildet
ist, daß sein Schwerpunkt in die mit der einen Klemmfläche zusammenfallende Mittelebene
des Pendels
fällt. sowie in Vorrichtungen zur Änderung der Lage
des eingeklemmten Fußes des Federblattes gegenüber dem Gestell des Apparates und
in Vorrichtungen zur Verlegung des Schwerpunktes der Pendelmasse nach der ge;. wünschten
Seite der Mittelebene. Die Einzei-#4 heiter dieser Anordnungen gehen aus den Ansprüchen
und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels hervor, das in den Zeichnungen
dargestellt ist. Von diesen zeigen: Abb. i und 2 den .das Federblatt, Klemmfuß und
Klemmkopf bildenden Unterteil des Pendels in Seiten- bzw. in Voransicht, Abb. 3
das Pendel zusammen mit dem Gestell, Abb. 4. eine abgeänderte Anordnung der Pendelmasse,
Abb. 5 und 6 die Klemmvorrichtung für das untere Ende des Federteiles.
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Abb. 7 bis 9 sind schematische Zeichnungen, an Hand deren die Einstellung
der Mittellage des beweglichen Teiles erläutert werden soll.
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Abb. io ist eine Zeichnung eines Einzelteiles in größerem Maßstabe,
welche die Wirkung des zur genannten Einstellung erforderlichen Keils zeigt.
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Abb. i i zeigt eine für die Einstellung des Apparates maßgebliche
Kurve der Werte der Schwingungsperioden.
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Das federnde Blatt des Pendels, der Kopf zum Befestigen des Pendelstabes
an dem Blatt und der zum Einklemmen des Blattes dienende Fuß werden aus einem einzigen
Stück eines Materials herausgearbeitet, dessen Elastizitätsmodul sich möglichst
wenig mit der Temperatur ändert, z. B. aus der als Elinvar bekannten Legierung.
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Da einerseits dieses Federblatt genau bestimmte Abmessungen aufweisen
soll und es andererseits erforderlich ist, daß die bei der Herstellung aus demselben
Material sich ergebenden Fehler der Justierung genau beseitigt werden, wird gemäß
der Erfindung folgende Anordnung getroffen (Abb. i und 2).
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Aus dein Stabe, aus dem die genannten Teile geformt werden, bildet
man zunächst den aufgeschnittenen Klemmkopf i, welcher zur Aufnahme des Pendelstabes
2 bestimmt ist, wobei ein Klemmring 3 das Zusammendrücken der beiden Teile bewirkt.
Dann bildet man an dem Unterende des Kopfes und in einer die Mittelebene des Stabes
.enthaltenden Ebene X-X eine Fläche, welche bei der Bearbeitung des Federblattes
als Bezugsfläche dient, und weiter in einer zu X-X parallelen Ebene Y-Y eine
zweite Fläche; diesen beiden Flächen schließen sich mittels Schultern i., ib an
das Unterende des Klemmkopfes an, wobei sie derart um den Betrag 1i gegeneinander
versetzt sind, daß infolge der dadurch entstandenen Asymmetrie der Schwerpunkt des
schwingenden Teiles ungeachtet der Anwesenheit des Materials bei 4" (auf der 'Einen
Seite der Mittellinie) in die Ebene X-X .zu liegen kommt. Das elastische Blatt 5
wird erhalten, indem man das zwischen den Ebenen X-X und Y-Y befindliche Material
des Stückes i durch genaue Bearbeitung bis auf die gewünschte Stärke entfernt. Man
kann die Nachgiebigkeit dieses Blattes noch durch Anbringen einer öffnung 5" von
runder, rechteckiger oder einer anderen geeigneten Form erhöhen.
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Die Stange :2 des Pendels kann beispielsweise, wie bekannt, aus geschmolzenem
Quarz oder einem anderen geeigneten, den später angegebenen Anforderungen genügenden
Material hergestellt sein. -Die Stange?, trägt (Abb. 3) eine oder mehrere
Metallmassen 6, 7, 8, welche -gespalten sind und mittels der Schrauben
6" 7Q, 8,, gehalten werden. Eine dieser Massen kann gleichzeitig zur Arretierung
des Pendels benutzt werden, wie weiter unten beschrieben.
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Die erforderlichen Eigenschaftender Stange 2 und die Art der Anbringung
der Masse (zi) werden an Hand des Temperaturkoeffizienten des Elastizitätsmoduls
des Federblattes 5 bestimmt, welcher bei den verschiedenen Metallproben einen in
geringem Maße von Null abweichenden positiven oder negativen Wert haben kann. Wenn
dieser Koeffizient gleich Null oder negativ ist, wird man für die Stange a geschmolzenen
Quarz benutzen. Wenn er Null ist, werden die Massen so, wie in Abb. 3 dargestellt,
angebracht. Wenn er negativ ist, kann man die Anordnung gemäß Abb, q. wählen, wobei
an dein Unterende eines Rohres z' eine Masse 2'b eines Materials von geeignetem
Temperatursausdelinungskoeffizienten angeordnet ist; das Rohr ist auf die Stange
2 aufgeschoben und an dieser mit seinem oberen Ende in irgendeiner geeigneten Weise
befestigt.
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Wenn schließlich der T emperaturelastizitätskoeffizient positiv ist,
wird man den Quarz mit Vorteil durch ein vorzugsweise urmagnetisches Material ersetzen,
das einen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher wenigstens in erster Annäherung
eine Kompensation des Temperaturkoeffizienten des Pendels erreichen läßt. Man kann
dazu beispielsweise reines oder legiertes Platin in Form eines dünnen Rohres verwenden.
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2 Durch die vorstehend beschriebenen Anordnungen erreicht man die
Eliminierung einer wichtigen Fehlerquelle, da es praktisch unmöglich ist, für die
Anfertigung des Federblattes ein Material zu bekommen, dessen Elastizitätseigenschaften
von der Temperatur völlig unabhängig sind; selbst wenn man z. B.
immer
Elinvar benutzt, werden diese Eigenschaften doch von Versuch zu Versuch in gewissem
Grade von der Temperatur beeinflußt.
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Das Stück, aus dem das Federblatt herausgearbeitet ist, wird weiter
noch einer Wärmebehandlung unterworfen, um das Material zu homogenisieren und mit
der Zeit auftretende Änderungen der elastischen Eigenschaften zu verhindern. Diese
Behandlung ist im wesentlichen gleich derjenigen, welcher man die in Chronometern
benutzten Spiralfedern unterwirft.
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Der "beschriebene bewegliche Teil wird in bekannter Weise von einem
festen, sehr starren Gestell getragen; dies dient dazu, das Unterende des Federblattes
durch Einklemmen des Teiles q.6 zu befestigen; es soll weiter auch die Anbringung
des beweglichen Teiles unter Schonung des Federblattes erleichtern und die genaue
Beobachtung der Pendelabweichungen sowie die Arretierung des beweglichen Teiles
während des Transports in bekannter Weise ermöglichen.
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Das Gestell (Abb.3) umfaßt einen Ständer g, welcher zur Erzielung
einer möglichst großen Starrheit mit Rippen versehen ist. An seinem unteren Ende
besitzt er einen Fuß 9a und an seinem oberen Ende einen Galgen gr,. Die Enden des
Fußes 9a und des Galgens 9b sind im Betrieb mittels eines Trägers io miteinander
verbunden; die Befestigung mittels Schrauben i i o. dgl. gestattet nötigenfalls
die Entfernung dieses Trägers; dabei entsteht zwischen Fuß und Galgen ein freier
Raum, welcher eine leichtere Auswechselung des beweglichen Teiles unter Anwendung
aller gewünschten Vorrichtungsmaßregeln zur Vermeidung von Beschädigungen der Feder
oder der Marke zur Beobachtung der Pendelbewegungen ermöglicht.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Marke durch einen
an dem oberen Stangenende befestigten äußerst dünnen Quarzfaden 1z gebildet, welcher
mit einer festen Marke, die von einer an dem Galgen g1, befestigten Spitze
13 gebildet wird, zusammenarbeitet. Diese beiden Marken sollen im Ruhezustand
des beweglichen Teiles zusammenfallen. Die Ausbildung des Gestells und der Anzeigevorrichtung
bilden nicht den Gegenstand der Erfindung.
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Die Verbindung zwischen dein beweglichen Teil und dem Gestell erfolgt
durch die Einklemmung des Teiles 41, zwischen einer vertikälen Anlagefläche g, des
Ständers g und einem Block 1q., der gegen diese Fläche z. B. mittels der Schrauben
15 gedrückt wird. Dieser Block ist mit zwei Seitenflanschen 14, versehen, welche
die zugehörigen Seitenflächen des Ständers g genau umgreifen, damit die einzig mögliche
Bewegung des Blockes gegenüber dein Gestell ein Gleiten der Flanschen über ihre
Anlageflächen ist und eine für den Teil ¢b unerwünschte Drehbeanspruchung vermieden
wird.
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Die Einstellung des Ruhezustandes des beweglichen Teiles geschieht
wie folgt: Man weiß, daß die Schwingungsperiode eines derartigen elastischen Pendels
sich mit der Neigung des Gestelles ändert. Die Gesetzmäßigkeit dieser Änderung kann
mit Hilfe einer Kurve C,, (Abb. ;) in Polarkoordinaten dargestellt werden. Diese
Kurve gibt von einem Pol 0 aus den Wert P dieser Periode für die verschiedenen Werte
des Winkels i an, welcher zwischen der Ruhelage des beweglichen Teiles und einer
in bezug auf das Gestell festen Ursprungsrichtung, z. B. der durch die Marke 13
angegebenen Richtung d, gebildet wird.
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Wenn man nun ohne besondere Maßnahmen den Apparat :derart einstellt,
daß die Marken 12 und 13 zusammenfallen, wenn sich z. B. der bewegliche Teil
bei mittels Stellschrauben eingestellter vertikaler Lage des Gestells im Ruhezustand
befindet, so hat die Kurve eine Lage Cl, wobei also die Schwingungsdauer bei einer
von d abweichenden Richtung D einen Höchstwert Ad zeigt, der in bezug
auf die erste Richtung eine beträchtliche Neigung besitzt.
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Es folgt daraus, daß eine sehr geringe Schiefstellung des Apparates,
bei der das Gestell von der Vertikalen und demzufolge der Ruhezustand des beweglichen
Teiles von d abweicht, einen sehr großen störenden Einfluß auf den Wert der Schwingungsperiode
des Pendels ausüben muß, wodurch ein Anlaß zu großen Fehlern gegeben wird. Bei der
sehr großen Empfindlichkeit des Apparates sind derartige geringe Schiefstellungen
jedoch unvermeidlich.
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Gemäß der Erfindung werden nun die nachteiligen Folgen einer solchen
Entregelung durch die in den Ansprüchen angegebenen Mittel vermieden, welche es
ermöglichen, D und d zusammenfallen zu lassen; unter diesen Umständen werden :die
Änderungen der Schwingungsperiode nach der einen und der anderen Seite dieser Richtung
bedeutend herabgesetzt und praktisch bedeutungslos gemacht. Zur Erreichung dieses
Zieles umfaßt die beschriebene Anordnung Mittel zur Regelung von zwei Faktoren des
Apparates, und zwar einerseits solche, daß bei bestimmter Stellung des Gestelles
D und d zusammenfallen, und andererseits solche, daß diese Stellung diejenige ist,
bei der d vertikal ist.
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Zum besseren Verständnis soll die Einstellung des Apparates an Hand
eines praktischen Beispiels erläutert werden: Zunächst wird das Ablesemikroskop
derart eingestellt, daß der
Skalenteil 5o (die Mitte) der Okularmikrometerskala
des Ablesemikroskops mit dem Index (der festen Marke 13 des Apparates) zusammenfällt.
Dann bestimmt man der Reihe nach die Perioden (oder, was auf dasselbe hinauskommt,
die Zeit, die beispielsweise für zwanzig Schwingungen benötigt wird) bei verschiedenen
Stellungen (Schiefstellungen) des Apparates. Der Apparat wird also beispielsweise
der Reihe nach so eingestellt, daß die Ruhelage des Pendels (der beweglichen Marke
z2) auf den Skalenteil 80, 70, 6o, 5o; 40, 30, 20 fällt. Für jede dieser Stellungen
wird die Schwingungsdauer (oder die Zeit für zwanzig Schwingungen) bestimmt. Hierbei
ist darauf zu achten, daß stets eine gleich große Anfangsamplitude genommen und
die Temperatur möglichst konstant gehaltenwird.
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Man zeichnet jetzt die Kurve der Schwingungsdauer (oder der Zeit für
zwanzig Schwingungen) in Abhängigkeit von der Ruhelage (in Skalenteilen ausgedrückt)
des Pendels bei verschiedenen Stellungen des Apparates. Man erhält hierdurch die
Kurve der Abb. zr. Aus dieser läßt sich der Betraga bestimmen, um den der - Höchstwert
der Schwingungsdauer von der mittleren Ruhelage des Pendels (bei Skalenteil 5o)
abweicht. Durch Änderung,der Lage des eingespannten Federblattes (ä. B. durch Zwischenlage
eines mehr oder weniger starken Keiles in der weiter unten näher beschriebenen Weise)
läßt sich experimentell erreichen, daß der Höchstwert der Schwingungen D nahezu
mit der mittleren Ruhelage des Pendels d zusammenfällt. Hierbei wird der Apparat
im allgemeinen nicht seine vertikale Stellung haben. Dies ist jedoch beispielsweise
aus dem Grunde erwünscht, weil man oft nacheinander mit verschiedenen Apparaten,
auf derselben Grundplatte zu arbeiten hat. Um auch zu erreichen, daß die mit, dem
Höchstwert der Schwingungen D zusammenfallende mittlere Ruhelage d des Pendels sich
bei der vertikalen Stellung des Apparates einstellt, genügt es, durch Verstellung
asymmetrisch auf dem Pendel angeordneter Hilfsmassen eine Verlegung des Schwerpunktes
.der Pendelmasse herbeizuführen. Diese beiden Regelungen werden im folgenden näher
erläutert: Die erste Regelung ergibt sich durch Zwischenfügung eines Keiles 16
zwischen dem Tei14b des beweglichen Teiles und einer seiner Anlageflächen, wodurch,
wie in Abb. zo stark vergrößert dargestellt, dem Federblatt eine Abbiegung verliehen
wird, so daß seine Stellung im Ruhestandsich ändert.
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Die Anlagefläche des Klemmblockes 14 enthält eine Aushöhlung 14b,
wodurch die Notwendigkeit einer sorgfältigen Bearbeitung wegfällt und die Klemmung
des beweglichen Teiles in zwei Punkten, nämlich gegen den Keil 16 und gegen denFuß
derAnlageflächegc, gewährleistet ist.
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Auf diese Weise ändert man die Lage des Höchstwertes der Kurve der
Schwingungsperioden in bezug auf das Gestell, und es wird eine Stellung des Gestelles
und eine Dicke des Keiles 16 gefunden, bei der D und d zusammenfallen; man hat dann
die Kurve C2 (Abb. 8).
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Wenn diese ersteRegelung ausgeführt worden ist, bringt man die gemeinsame
Richtung D-4 zur Koinzidenz mit der Vertikalen. Es genügt dazu, die Schwingmassen
derartig zu ändern, daß der Ruhezustand des beweglichen Teiles in bezug auf :das
Gestell sich verschiebt und zum Zusammenfallen mit d gebracht wird, wenn das Gestell
so gestellt wird, daß die Richtung d vertikal ist. Dann hat man die gewünschte Einstellung
(in Abb.9 dargestellt) erreicht, bei welcher -die Kurve C3 symmetrisch zur Vertikalen
liegt und in ihrem Schnittpunkt mit dieser Vertikalen horizontal verläuft, so daß
von der Verstellung des Apparates herrührende Fehlerursachen auf ein Mindestmaß
herabgesetzt werden.
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Die Änderung der Schwerpunktlage in Bezug auf die Symmetrieebene des
Pendels erreicht man, indem an einer oder mehreren Schwingmassen des Pendels entweder
nur auf einer Seite der Schwingungsebene oder auf beiden Seiten kleine, mit Gewinde
versehene Stangen 17 angeordnet werden, auf die Hilfsmassen. 18 aufgeschraubt
sind, die gestatten, dem auf das bewegliche Teil wirkenden Drehmoment den genau
gewünschten Wert zu erteilen.
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Die Änderung kann auch durch die Verwendung von einer oder mehreren
Schwingmassenherbeigeführt werden, welche aus zwei Metallen verschiedenen spezifischen
Gewichtes hergestellt sind, wobei ,die Trennungsebene zwischen den beiden Metallen
durch dieAchse der Stange 2 geht.
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Mittels der bisher beschriebenen Maßnahmen gelingt es nur näherungsweise,
die Richtung D des Höchstwertes der Kurve der Perioden mit der durch die Marke 13
angegebenen Richtung d zusammenfallen zu lassen.
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Weil es aber sehr wichtig ist, daß bei den Messungen die Ruhelage
des beweglichen Teiles genau mit :der Richtung D des Höchstwertes zusammenfällt,
wird nach Vollendung der Einstellung des ganzen Apparates die übrigbleibende Abweichung
zwischen der Marke 13 und dem Höchstwert der Kurve bestimmt.
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Zu diesem Zweck wird das Ablesemikroskop derart eingestellt, daß die
Mitte der Okularmikrometerskala mit der Marke 13 (dem Index) zusammenfällt. Es werden
dann
die Werte der Periode für eine Anzahl von Ruhelagen bestimmt,
die bei verschiedenen Skalenteilen liegen. In dieser Weise kann die Lage der Kurve
der Perioden sehr genau festgestellt und die Lage des Höchstwertes der Kurve in
Bezug auf die Okularmikrometerskala genau bestimmt werden. Hieraus kann dann gleichfalls
die Abweichung a (in Skalenteilen) zwischen dem Index und dem Höchstwert abgeleitet
werden.
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Der Bequemlichkeit halber empfiehlt es sich aber, immer bei den Messungen
die Ruhelage des beweglichen Teiles und die Mitte der Okularmikrometerskala zusammenfallen
zu lassen. Zu diesem Zweck wird das Ablesemikroskop ,soviel verschoben, daß der
Index mit demjenigen Skalenteil zusammenfällt, der a Skalenteile von der Mitte der
Skala entfernt ist, und zwar nach derjenigen Seite hin, die der zuerst bestimmten
Lage des Höchstwertes entgegengesetzt ist. Diese Indexposition muß für jedes Instrument
angegeben werden.
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Damit die Temperatur des elastischen Blattes 5 sehr genau durch Ablesen
eines (nicht dargestellten) Thermometers bestimmt werden kann, befindet sich das
elastische Blatt innerhalb einer Umfassung, welche durch einen durch eine Verlängerung
1q., des Klemmblockes 1q. gebildeten Wärmeschirm begrenzt wird.
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Das oben beschriebene Ganze ist in bekannter Weise in ein Glasrohr
i9 eingeschlossen, in dem ein sehr hohes Vakuum herrscht, das dieSchwingungsdämpfungdurch
die Luft verhindert. Zu diesem Zweck werden auch die verschiedenen Teile, um die
Anwesenheit von Öldämpfen im Innern des Rohres i9 zu verhindern, sorgfältig entölt.
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Das Ganze ist, wie üblich, auf einer Fußplatte 2o befestigt, welche
mittels Stellschrauben 21 auf einer dreieckigen Tragplatte ruht.