Title:
Gravimeter
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Gravimeter (10) mit (a) einem Massekörper (12), (b) einer Haltevorrichtung (14) zum Halten des Massekörpers (12) an einer vorbestimmten Position und (c) einer Positions-Erfassungsvorrichtung (18) zum Erfassen der Position des Massekörpers. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Massekörper (12) eine Einschnürung (22) besitzt.




Inventors:
Schmaljohann, Frank, Dipl.-Ing. (38104, Braunschweig, DE)
Hagedorn, Daniel, Dr. rer. nat. (38159, Vechelde, DE)
Löffler, Frank, Prof. Dr.-Ing. (38176, Wendeburg, DE)
Application Number:
DE102016111157A
Publication Date:
12/21/2017
Filing Date:
06/17/2016
Assignee:
Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, 38116 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE69521235T2N/A2002-05-16
DE19710269C1N/A1998-06-25



Foreign References:
50122161991-04-30
60792672000-06-27
52045681993-04-20
Attorney, Agent or Firm:
Gramm, Lins & Partner Patent- und Rechtsanwälte PartGmbB, 38122, Braunschweig, DE
Claims:
1. Gravimeter (10) mit
(a) einem Massekörper (12),
(b) einer Haltevorrichtung (14) zum Halten des Massekörpers (12) an einer vorbestimmten Position und
(c) einer Positions-Erfassungsvorrichtung (18) zum Erfassen der Position des Massekörpers,
dadurch gekennzeichnet, dass
(d) der Massekörper(12) eine Einschnürung (22) besitzt.

2. Gravimeter (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (12) zumindest im Bereich der Einschnürung (22) drehsymmetrisch bezüglich einer Drehsymmetrieachse (D) ist.

3. Gravimeter (10) nach Anspruch 2, nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (12) zumindest im Bereich der Einschnürung (22) spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene (S) ist, die senkrecht zur Drehsymmetrieachse (D) verläuft.

4. Gravimeter (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Massekörper (12) zumindest im Bereich der Einschnürung (22) doppelkegelstumpfförmig ausgebildet ist.

5. Gravimeter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
– der Massekörper (12), insbesondere auf seiner Oberfläche, ein supraleitendes Material enthält und
– die Haltevorrichtung (14) eine supraleitende Levitationsspule zum Erzeugen eines Magnetfelds, das den Massekörper (12) an der vorbestimmten Position hält, aufweist.

6. Gravimeter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (14) eine Haltevorrichtung-Außenkontur (K14) hat, die komplementär zu einer Massekörper-Außenkontur (K12) des Massekörpers ist, sodass die Haltevorrichtung (14) den Massekörper (12) bezüglich aller Translationsfreiheitsgrade, insbesondere zudem bezüglich von zwei Rotationsfreiheitsgraden, hält.

7. Gravimeter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions-Erfassungsvorrichtung (18) zumindest eine Mess-Spule (20.1, 20.2) aufweist, die mit einem supraleitenden Quanteninterferenzdetektor (28) gekoppelt ist.

8. Gravimeter (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Positions-Erfassungsvorrichtung (18) zumindest eine Mess-Spule (20) aufweist, die mit einem supraleitenden Quanteninterferenzdetektor (28) gekoppelt ist.

9. Gravimeter (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
eine Auswertevorrichtung (30) die
– mit der Positions-Erfassungsvorrichtung (18) gekoppelt ist und
– ausgebildet ist zum automatischen Berechnen der auf den Massekörper (12) wirkenden Beschleunigung (g) anhand von Messdaten der Positions-Erfassungsvorrichtung (18).

10. Gravimeter (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass
die Auswertevorrichtung (30) ausgebildet ist zum automatischen
– Regeln der Position des Massekörpers (12) auf die vorbestimmte Position durch Verändern einer Rückstellkraft und
– Berechnen der auf den Massekörper (12) wirkenden Beschleunigung (g) anhand der Rückstellkraft.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Gravimeter mit (a) einem Massekörper, (b) einer Haltevorrichtung zum Halten des Massenkörpers an einer vorbestimmten Position und (c) einer Position-Erfassungsvorrichtung zum Erfassen der Position des Massekörpers.

Ein derartiges Gravimeter ist aus der US 5,204,568 bekannt. Das dort beschriebene Gravimeter wird zur gravimetrischen Untersuchung beispielsweise von Bohrlöchern eingesetzt. Der Nachteil an einem derartigen Gravimeter ist, das höchstgenaue Messungen der Erdbeschleunigung nicht möglich sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Messung der Erdbeschleunigung zu verbessern.

Die Erfindung löst das Problem durch ein gattungsgemäßes Gravimeter, bei dem der Massekörper eine Einschnürung besitzt.

Vorteilhaft an einem derartigen Gravimeter ist, dass der Massekörper leicht in der vorbestimmten Position gehalten werden kann. Das erleichtert die hochgenaue Erfassung der Position des Massekörpers und verbessert damit die Messgenauigkeit. Es ist ein weiterer Vorteil, dass das Gravimeter so ausgebildet werden kann, dass es die Erdbeschleunigung unabhängig von seiner Orientierung mit hoher Genauigkeit misst.

Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter der Haltevorrichtung eine Vorrichtung verstanden, mittels der der Massekörper auf einer solchen vorbestimmten Position gehalten werden kann, dass aus der Position selbst oder aber aus dem Aufwand, der notwendig ist, um den Massekörper an der vorbestimmten Position zu halten, die Erdbeschleunigung bestimmbar ist.

Unter der Positions-Erfassungsvorrichtung wird insbesondere eine Vorrichtung verstanden, die die Position des Massekörpers relativ zur Haltevorrichtung bestimmt.

Vorzugsweise ist der Massekörper so relativ zur Haltevorrichtung ausgerichtet, dass eine von der Haltevorrichtung auf den Massekörper ausgeübte Haltekraft zumindest auch im Bereich der Einschnürung auf den Massekörper ausgeübt wird.

Günstig ist es, wenn der Massekörper zumindest im Bereich der Einschnürung drehsymmetrisch angeordnet ist. In anderen Worten existiert eine Drehsymmetrieachse. Vorzugsweise ist der Massekörper vollständig drehsymmetrisch. Unter dieser Drehsymmetrie ist eine Drehsymmetrie im technischen Sinne gemeint. In anderen Worten ist es möglich, nicht aber notwendig, dass eine Drehsymmetrie im mathematischen Sinne vorliegt, es ist aber auch möglich, dass Abweichungen von der Drehsymmetrie im mathematischen Sinne existieren, solange diese Abweichungen die Zentrierbarkeit nicht beeinträchtigen.

Besonders günstig ist es, wenn der Massekörper zumindest im Bereich der Einschnürung spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene ist, die senkrecht zur Drehsymmetrieachse verläuft. In diesem Fall kann der Massekörper so aufgebaut werden, dass eine Drehung des Gravimeters um eine Achse senkrecht zur Drehachse um 180° Grad die Messgenauigkeit nicht signifikant verringert.

Besonders günstig ist es, wenn der Massekörper zumindest im Bereich der Einschnürung doppelkegelstufenförmig ausgebildet ist. Dabei hat sich ein Öffnungswinkel von 90° ± 5° als besonders günstig herausgestellt. Dadurch kann der Massekörper selbstzentrierend von der Haltevorrichtung gehalten werden.

Vorzugsweise hat die Haltevorrichtung zumindest im Bereich der Einschnürung des Massekörpers eine zur Außenkontur des Massekörpers komplementäre Gestalt. In anderen Worten ist die Haltevorrichtung so ausgebildet, dass ein Spalt zwischen dem Massekörper und der Haltevorrichtung an allen Stellen möglichst gleichgroß ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Massekörper, insbesondere auf seiner Oberfläche, ein supraleitendes Material. Alternativ oder zusätzlich weist die Haltevorrichtung eine supraleitenden Spule zum Erzeugen eines Magnetfelds, das den Massekörper an der vorbestimmten Position. Supraleitende Magnete vermögen einerseits starke Magnetfelder zu generieren, sodass der Massekörper eine Vergleichsweise große Masse aufweisen kann. Vorzugsweise liegt die Masse des Massekörpers oberhalb von 1 Gramm. Supraleitende Magnete haben zudem den Vorteil, dass sie ein zeitlich konstantes Magnetfeld erzeugen, sodass eine Änderung der Lage des Massekörpers relativ zur Haltevorrichtung in sehr guter Näherung nicht auf Fluktuation des Magnetfelds zurückgeführt werden kann. Das erhöht die Messgenauigkeit.

Beispielsweise besitzt der Massekörper, beispielsweise auf seiner Oberfläche, Niob. Das Niob kann als Schicht aufgesputtert oder auf eine andere Weise aufgebracht sein. Niob hat den Vorteil, dass es über die höchste Sprungtemperatur eines chemischen Elements verfügt. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass der Massekörper auf seiner Oberfläche eine Hochtemperatur-supraleitende Substanz oder eine sonstige bei Normaldruck (1013 hPa) und einer geeigneten Temperatur supraleitende Substanz aufweist.

Vorzugsweise umfasst dieses Gravimeter eine Kühlvorrichtung zum Kühlen der Haltevorrichtung und/oder des Massekörpers auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen supraleitenden Materials.

Günstig ist es, wenn der Massekörper eine Dichte aufweist, die kleiner ist als 2 Gramm pro Kubikzentimeter, vorzugsweise kleiner als 1,8 Gramm pro Kubikzentimeter.

Es hat sich als besonders geeignet herausgestellt, wenn der Massekörper aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung herausgestellt ist. Auf diese Weise lassen sich vergleichsweise leichte und/oder kleine Massekörper verwenden, sodass das zum Halten notwendige Magnetfeld ebenfalls vergleichsweise klein sein kann. Günstig ist es, wenn die Masse des Massekörpers kleiner ist als 10 Gramm.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Haltevorrichtung einer Haltevorrichtung-Außenkontur, die zumindest im Bereich der Einschnürungen komplementär zu einer Massekörper-Außenkontur des Massekörpers ist, sodass die Haltevorrichtung den Massekörper bezüglich aller Translationsfreiheitsgrade hält. Vorzugsweise hält die Haltevorrichtung den Massekörper zudem bezüglich von zwei Rotationsfreiheitsgraden. In diesem Fall kann der Massekörper relativ zur Haltevorrichtung lediglich um eine Drehachse rotieren, bei der es sich vorzugsweise um die Drehsymmetrieachse handelt.

Vorzugsweise umfasst die Positions-Erfassungsvorrichtung eine Mess-Spule, die mit einem supraleitenden Quanteninterferenzdetektor gekoppelt ist. Bei dem Quanteninterferenzdetektor handelt es sich um ein Detektor auf Basis des Josephson-Effekts. Derartige Vorrichtungen werden im Englischen als SQUiD (superconducting quantum interference device) bezeichnet.

Das Gravimeter besitzt vorzugsweise eine Auswertevorrichtung die mit der Positions-Erfassungsvorrichtung gekoppelt ist und ausgebildet ist zum automatischen Berechnen der auf den Massekörper wirkenden Beschleunigung a, insbesondere der Erdbeschleunigung g, anhand von Messdaten der Positions-Erfassungsvorrichtung.

Besonders günstig ist es, wenn die Auswertevorrichtung ausgebildet ist, zum automatischen Regeln der Position des Massekörpers auf die vorbestimmte Position durch Verändern einer Rückstellkraft und Berechnen der auf den Massekörper wirkenden Beschleunigung anhand der Rückstellkraft. Beispielsweise erfolgt das Verändern der Rückstellkraft durch Verändern eines Stromflusses durch eine Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorhandene Spule, die mit einem Magnetfeld des Massekörpers zusammenwirkt. Alternativ oder zusätzlich kann das Verändern der Rückstellkraft auch ein Verändern eines elektrischen Felds zwischen dem Massekörper und der Haltevorrichtung oder einen sonstigen Bestandteil des Gravimeters erfolgen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt

1 mit den Teilfiguren 1a und 1b zwei Querschnitte durch ein erfindungsgemäßes Gravimeter und

2 eine schematische Zeichnung der Mess-Spulen des Gravimeters gemäß 1.

1 zeigt in der Teilfigur 1b ein erfindungsgemäßes Gravimeter 10 welches eine Haltevorrichtung 14 aufweist. Die Haltevorrichtung 14 umfasst im vorliegenden Fall zwei Levitationsspulen 16.1, 16.2 die supraleitend sind. Das Gravimeter 10 besitzt zudem eine Positions-Erfassungsvorrichtung 18, die eine erste Mess-Spule 20.1 und eine zweite Mess-Spule 20.2 aufweist.

1a zeigt der Übersichtlichkeit halber das Gravimeter 10 ohne die Haltevorrichtung Es ist zu erkennen, dass der Massekörper 12 eine Einschnürung 22 besitzt, die auch als Taille bezeichnet werden könnte. In anderen Worten besitzt der Massekörper 12 eine Massekörper-Außenkontur K12, die in der Umgebung der Haltevorrichtung 14 konkav ausgebildet ist. Der Massekörper 12 ist zudem drehsymmetrisch bezüglich einer Drehachse D. Im vorliegenden Fall hat der Massekörper 12 zudem eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer Symmetrieebene S die senkrecht zur Drehachse D verläuft.

Die schematische Struktur des Massekörpers 12 ist in 2 schematisch gezeigt. Es ist zu erkennen, dass der Massekörper doppelkegelstumpfförmig ausgebildet ist und einen Öffnungswinkel αvon 90° aufweist. Wenn im Rahmen dieser Beschreibung davon gesprochen wird, dass der Massekörper im Bereich der Einschnürung doppelkegelstumpfförmig ausgebildet ist, so ist darunter zu verstehen, dass die Massekörper-Außenkontur K12 im technischen Sinne eine Kegelstumpfform besitzt. Das heißt, dass es zwar möglich, nicht aber notwendig ist, dass die Massekörper-Außenkontur K12 im streng mathematischen Sinne kegelstumpfförmig ist. Vielmehr ist es möglich und in der Regel technisch unvermeidbar, dass die Massekörper-Außenkontur von der idealen Doppelkegelstumpfform abweicht.

1a zeigt schematisch, dass der Massekörper 12 eine Beschichtung 24 aus einem supraleitenden Material, in den vorliegenden Fall aus Niob, aufweist. Die Levitationsspulen 16.1, 16.2 (1b) haben eine Haltevorrichtung-Außenkontur K14 die Komplementär zur Massekörper-Außenkontur K12 ist. Ein Spalt zwischen beiden ist daher an allen Stellen im Wesentlichen gleichgroß. Durch die magnetische Abstoßung wird der Massekörper 12 relativ zur Haltevorrichtung 14 in einer stabilen Lage gehalten.

1b zeigt einen weiteren Vorteil des erfindungsgemäßen Gravimeters. Auch wenn das Gravimeter 10 um 90° verkippt wird, so bleibt der Massekörper 12 noch immer stabil von der Haltevorrichtung 14 gehalten und setzt nicht auf ihr auf.

2 zeigt schematisch die Verschaltung der beiden Mess-Spulen 20.1, 20.2. Diese sind mit einer Stromquelle 26 und einem supraleitenden Quanteninterferenzdetektor (SQUID, englisch für Superconducting Quantum Interference Device) 28 in einem Kreis geschaltet. Ändert sich die Lage des Massekörpers 12 so ändert sich das Magnetfeld in den beiden Mess-Spulen 20.1, 20.2, womit ein magnetfeldabhängiger elektrischer Kreisstrom angeregt wird. Durch die Verwendung des Quanteninterferenzdetektors 28 fällt an diesem eine messbare elektrische Spannung ab, mit der die Veränderung der Lage des Massekörpers 12 hochgenau bestimmt wird. Dazu ist der Quanteninterferenzdetektor 28 mit einer schematisch eingezeichneten Auswertevorrichtung 30 verbunden, die aus den vom Quanteninterferenzdetektor 28 gemessenen Messdaten die Lage des Messkörpers 12 relativ zur Haltevorrichtung 14 bestimmt.

In den Figuren nicht eingezeichnet ist eine Bestromungseinheit für die Haltevorrichtung 14, mittels der ein Strom in die supraleitendenden Levitationsspulen 16.1, 16.2 eingeprägt werden kann.

Bezugszeichenliste

10
Gravimeter
12
Massekörper
14
Haltevorrichtung
16
Levitationsspule
18
Positions-Erfassungsvorrichtung
20
Mess-Spule
22
Einschnürung
24
Beschichtung
26
Stromquelle
28
SQUID
30
Auswertevorrichtung
K12
Massekörper-Außenkontur
K14
Haltevorrichtung-Außenkontur
D
Drehachse
S
Symmetrieachse
α
Öffnungswinkel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • US 5204568 [0002]