-
Erschütterungsmesser Die Erfindung betrifft einen kapazitiveii Erschütterungsmesser,
d. h. ein Gerät, das die Energie von natürlichen oder künstlich erzeugten Erschütterungswellen
in periodische Kapazitätsänderungen umsetzt. Bei derartigen Erschütterungsmessern
sind von den gegenüberliegend angeordneten Belegungen eines Kondensators die einen
starr, die anderen, einem trägen System zugehörigen Belegungen jedoch elastisch,
vorzugsweisevermittelseiner Membran, mit dem Gehäuse des Gerätes verbunden. Bezogen
auf ein mit dem Gerätgehäuse verbundenes Koordinatenkreuz geraten .beim Auftreffen
von Boden- bzw. Erschütterungswellen das elastisch aufgehängte, träge System und
die mit ihm verbundenen Kondensatorbelegungen in Schwingungen, während die mit dem
Gehäuse starr verbundenen Belegungen in Ruhe bleiben. Es ändert sich die gegenseitige
Entfernung der beiden Belegungen und damit die Kapazität des Kondensators. Die Wirkungsweise
ist also ähnlich der eines Kondensatormikrophons, so dati die bei Kondensatormikrophonen
üblichen Schaltungen benutzt werden können.
-
Unter den bisher für diesen Zweck verwendeten Anordnungen sind sowohl
solch-., bei denen die schwingenden Kondensatorbelegungen in geeigneter Weise, in
der Regel mittels eines mechanischen Übersetzungsgetriebes, mit einer besonderen
trägen Masse verbunden sind, als auch solche, bei .denen die schwingend aufgehängten
Belegungen des Kondensators gleichzeitig die träge Masse bilden.
-
Die Erfindung gelangt zu einer wesentlichen Verbesserung der vorerwähnten
Erschütterungsmesser, indem sie für die mit dem Gehäuse starr verbundenen Belegungen
eine gemeinsame Verschiebbarkeit gegenüber dem Gehäuse vorsieht. Es kann auf diese
Weise
durch ein und dasselbe Mittel,, nämlich eine Abstandsänderung zwischen den starr
und den elastisch mit dem Gehäuse verbundenen Belegungen, sowohl die Empfindlichkeit
als auch die Dämpfung des Gerätes den jeweiligen Erfordernissen aufs innigste, angeglichen
bzw. auf einen sehr hohen Grad gebracht werden.
-
Bei einem zu Bodenuntersuchungen herangezogenen Erschütterungsmesser
liegt nicht wie bei einem Kondensatormikrophon zur Übertragung von Sprache oder
Musik das Hauptgewicht auf der verzerrungsfreien Wiedergabe der auftreffenden, künstlich
erzeugten gedämpften Bodenwellen, sondern auf derBestimmung des zeitlichenEintreffpunktes
solcher Wellen. Dabei ergeben sich hauptsächlich folgende Anforderungen an ein solches
Gerät: Erstens hohe Empfindlichkeit, damit man mit möglichst schwachen Schallquellen
zum Erzeugen der Bodenwellen auskommt, zweitens größtmögliche Dämpfung. Infolge
der großen Fortpflanzungsgeschwiridigiceit der Bodenwellen folgen nämlich beim sogenannten
Reflexionsschießen die einzelnen, von verschiedenen Tiefen reflektierten Wellen
sehr rasch aufeinander. Es handelt sich hier um Zeitunterschiede, die unter Umständen
kleiner als o,i Sek. sind. Die Möglichkeit der Unterscheidung der verschiedenen
reflektierten Wellen hängt also wesentlich davon ab, ob die durch eine reflektierte
Welle erzeugten Schwingungen des Erschütterungsmessers schon erloschen sind im Zeitpunkt
des Eintreffens der nächsten Welle. Man muß also große Dämpfung mit großer Empfindlichkeit
verbinden.
-
Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich die aufgezählten Anforderungen
auf einfachste Weise erfüllen. Die hohe Empfindlichkeit verlangt eine große Ruhekapazität
Co und eine große prozentuale Änderung d C der Kapazität beim Auftreffen der Bodenschwingungen.
Beides ist durch Verkleinerung des obenerwähnten Abstandes zu erreichen. Zur Erläuterung
diene die Fig. i. In dieser ist dargestellt, wie sich die Kapazität C und die Kapazitätsänderung
A C mit dem Abstand d zwischen den starr und den elastisch mit dem Gehäuse verbundenen
Kondensatorbelegungen ändern. Daß auf dem steilen Ast der Kurve die Schwankungen
in bezug auf die Ruhekapazität nicht linear sind, spielt dabei keine Rolle, da ja
keine verzerrungsfreie Wiedergabe angestrebt wird.
-
Auch die Dämpfung erhöht sich durch Verkleinerung des Abstandes d.
Dabei haben Versuche gezeigt, daß die durch Verkleinerung von d auf einige Zehntel
Millimeter erreichte Dämpfung durch das Luftpolster von der Dicke d vollkommen ausreicht.
Die Empfindlichkeit wird im allgemeinen allerdings durch eine Vergrößerung der Dämpfung
vermindert. Vergrößert man aber die Dämpfung durch Verkleinerung von d, so wird
die entsprechende Verminderung der Empfindlichkeit durch die gleichzeitig erfolgende
Erhöhung der Empfindlichkeit infolge der Wahl des Arbeitspunktes auf dem steilen
Ast der Kapazitätskurve nach Fig. i mehr als wettgemacht. In diesem Zusammenhang
ist zu bemerken, daß eine Füllung mit einem anderen Dielektrikum, z. B. mit Flüssigkeiten
oder anderen, gegebenenfalls verdichteten Gasen, ebenfalls sowohl die Ruhekapazität
als auch die Dämpfung vergrößert. Dagegen würde eine zusätzliche Dämpfung durch
Magnetfelder oder auf eine andere bekannte Weise nur die Dämpfung vergrößern ohne
eine gleichzeitige Erhöhung der Empfindlichkeit.
-
Bekanntlich kann ein Kondensator aus mehreren, beispielsweise 5 oder
15 plattenförmigen Belegungsplatten bestehen. Die Belegungen sind dann den beiden
Polen de Kondensators entsprechend derart in zwei Gruppen aufzuteilen, daß die eine
Gruppe mit dem Gehäuse des Gerätes starr, die zweite Gruppe jedoch elastisch verbunden
ist und die Gesamtheit der zur zweiten Gruppe gehörigen Platten zusammen mit den
sie zusammenhaltenden und als Aufhängung dienenden Teilen gleichzeitig die schwingende
trage Masse bildet. Außerdem sind dabei die zu einer Gruppe gehörenden Belegungen
untereinander sowohl mechanisch als auch elektrisch so: zu verbinden, daß die von
den einzelnen Belegungsplatten gebildeten Kondensatoren einander elektrisch parallel
geschaltet sind. Werden als Kondensatorbelegungen einander parallele Scheiben gewählt,
so können erfindungsgemäß die die träge Masse bildenden Belegungen mittels nach
außen vorstehender Ansätze an zu ihren Ebenen senkrechten Säulen starr befestigt
und über diese zugleich elektrisch miteinander verbunden werden. Erfindungsgemäß
wird ferner zweckmäßig jedereinzelnen der elastisch aufgehängten scheibenförmigen
Platten ein kleiner Abstand zu der einen und ein relativ großer Abstand zu der anderen
der beiden sie .einschließenden gehäusefesten Platten gegeben. Die Membranen, die
die mit dem Gehäuse elastisch verbundenen Kondensatorbelegungen halten, sind vorzugsweise
aus Gummi hergestellt.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 2 bis 5 der Zeichnung
dargestellt. Dabei zeigt Fig. z einen schematischen Längsschnitt der grundsätzlichen
Anordnung, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Geradführung der Belegungen,
Fig:
4 eine Draufsicht auf die obere Aufhängung der beweglichen Belegungen und Fig. 5
eine Seitenansicht des Gehäuses, in dem das Gerät untergebracht ist.
-
In Fig.2 sind i die aus Metallplatten, z. B. Aluminiumplatten, bestehenden
feststehenden Kondensatorbelegungen, die untereinander parallel und äquidistant
an sie elektrisch und mechanisch starr verbindenden metallischen Säulen befestigt
sind, deren Zahl zweckmäßig mindestens drei beträgt, die aber in Fig. 2 der Übersichtlichkeit
halber durch 'eine zentrale Säule 2 ersetzt sind. Mit Hilfe dieser Säulen kann man
die Belegungen i gegenüber dem Gehäuse des Erschütterungsmessers bzw. gegenüber
den schwingenden Belegungen 4 zwecks Einstellung der Entfernung d in der zur Ebene
der Belegungen senkrechten Richtung mittels einer Mikrometerschraube 3 verschieben.
Der feststehende Teil der mit einer Gegenmutter 3, versehenen Mikrometerschraubenanordnung
ist durch Vermittlung eines in Fig. 2 durch gestrichelte Linien angedeuteten Gerüstes
mit einem Ring 9 und damit auch mit dem Gehäuse starr verbunden. Die schwingenden
Belegungen 4 sind ebenfalls aus Metallplatten bestehende Kreisscheiben, die in der
obenerwähnten Weise durch Metallsäulen miteinander verbunden sind, die in Fig.2
der Übersichtlichkeit halber durch Säulen 5 und 6 angedeutet sind. Diese Säulen
sind durch starre Verbindungen 5" und 6" an der unteren Hälfte eines Doppelringes
7 befestigt. Die untere Hälfte des Doppelringes 7 befindet sich unterhalb einer
Gummimembran 8, die obere Hälfte oberhalb dieser, und die beiden Hälften des Ringes
7 sind mit durch die Membran 8 hindurchtretende Schrauben derart fest aneinandergezogen,
daß der Teil der Merizbran, der sich innerhalb der Ringe befindet, an der elastischen
Aufhängung nicht beteiligt ist. Die Gummimembran 8 ist in den Ring 9 eingespannt,
'der mit dem Gehäuse starr verbunden ist. Die schwingenden Belegungen 4 befinden
sich unterhalb der feststehenden Belegungen i, was eine einfache Arretierung ermöglicht,
indem man den Erschütterungsmesser beim Transport auf den Kopf gestellt verpackt.
Die feststehenden Belegungen i sind durch die betreffenden Säulen und die Mikrometerschrauben
3 elektrisch leitend mit dem Gehäuse verbunden, während die schwingenden Belegungen
4 von dem Ring 7 aus mittels einer nachgiebigen Zuleitung an den anderen, isoliert
durch das Gehäuse geführten Pol angeschlossen sind.' In Fig. 3 erkennt man .die
gegenseitige Befestigung der Belegungen und andere bauliche Einzelheiten. In der
Nähe der Wand io des z##linderförmigen Gehäuses befinden sich Metallsäulen 11, 12,
13, die den feststehenden Teil der Mikrometerschraubenanordnung mit dem Gehäuse
verbinden. Jede dieser Säulen ist mit einer Spannvorrichtung i i", 12a, 13, versehen,
die aus einer durch die Säule gehenden Spindel mit zwei Muttern besteht. Mittels
dieser Spannvorrichtungen kann ein Ring 14, der an den Spannvorrichtungen durch
Drähte iib, 13U und eine Zugfeder i2b befestigt ist, in die gewünschte zentrale
Lage gebracht werden. Der Ring 14 ist andererseits durch Drähte 15a, 16a, 17a, die
durch Isolierringe 15b, 16b, 171, unterbrochen sind, mit den die schwingenden
Belegungen tragenden Säulen 15, 16, 17 verbunden. Diese die Geradführung in Zusammenarbeit
mit der oberen Membranaufhängung bewirkende Vorrichtung ist am unteren Teil des
Erschütterungsmessers zwischen einer feststehenden und einer schwingenden Belegung
in einem größeren Zwischenraum dl (Fig.2) untergebracht. Statt des Ringes 14 kann
aber auch ein Bolzen an einer schwingenden Platte befestigt sein, der dann mittels
der Spannv orrichtung 11, 12, 13, i ia, 12a, 13a in derselben Weise zentriert werden
kann. Wie aus Fig.3 ersichtlich, ist jede schwingende Belegung mit :drei radial
herausragenden Ansätzen 4a, 4b, 4, versehen, . mittels derer die Belegung an den
Säulen 15, 16, 17 befestigt ist. Dabei sind Rohrabschnitte 15" 16, ile als Abstandstücke
vorgesehen. Die feststehenden Belegungen sind in ähnlicher Weise an Säulen 18, i9,
2o befestigt.
-
In Fig. 4 ist die Gummimembran 8 nach Entfernen des Deckels von oben
gesehen dargestellt. Durch die Aufhängung des schwingenden Plattensystems ist nur
der kreisringförmige Teil der Gummimembran elastisch beansprucht, :der sich zwischen
den Ringen 7 und 9 befindet. Dieser wirksame Teil der Membran, von dessen Abmessungen
die Eigenfrequenz abhängt, kann durch Austauschen des Ringes 7 verändert werden.
Zweckmäßig wählt man eine Eigenfrequenz unterhalb von ioo Hz, vorzugsweise etwa
30 Hz.
-
Das eigentliche Gerät ist an dem Deckel 2i (Fig. 5) mit Hilfe von
Schrauben 22 befestigt, und das Ganze wird dann in den Topf io eingeschraubt. Von
den Anschlüssen 23 und 24 ist einer mit dem Gehäuse leitend verbunden.
-
Die Kondensatorbelegungen können auch als wellenförmige oder als Kegelflächen
ausgebildet und auch statt aus Metall aus Isolierstoff mit leitendem Überzug hergestellt
werden. Ferner kann die zum Einstellen der Plattenentfernung d dienende Mikrometerschraubenanordnung
3, 3" am Gehäuse io so angeordnet sein, daß sie von außen bedient werden kann.