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Drehwaage.
Die Erfindung betrifft eine Drehwaage der von Eötvös angegebenen Art, welche bekanntlich im wesentlichen aus einem horizontalen Stab besteht, dessen Mitte an einem Torsionsfaden aufgehängt ist und an dessen Enden gleiche Gewichte in verschiedener Höhe angebracht sind. Wenn ein solches System in ein ungleichförmiges Schwerefeld gebracht wird, so wird es einem Kräftepaar unterworfen, welches bestrebt ist, den Stab um die Achse seines Aufhängefadens zu verdrehen, wobei ein Gegendrehmoment seitens des Fadens infolge seiner Verwindung hervorgerufen wird. Der Drehwinkel des Stabes, den dieser unter Einfluss der beiden Drehmomente erfährt, bildet ein Mass für den Gradienten des Schwere- feldes.
Das wichtigste Erfordernis, welches an eine solche Waage zu stellen ist. ist die Empfindlichkeit : Ein kleiner Gradient des Schwerefeldes muss einen hinreichend grossen und messbaren Ausschlag des Stabes zur Folge haben. Überdies ist es von grossem praktischem Wert, wenn die Schwingungsdauer des Systems nicht zu lange ist, damit eine einzige Beobachtung in kürzester Zeit ausgeführt werden kann. Diese Schwingungsdauer kann durch Verringerung des Horizontalabstandes zwischen den Gewichten vermindert werden, was allerdings mit einer Herabsetzung der Empfindlichkeit verbunden ist.
An sich ist dies kein sehr grosser Nachteil, da er durch eine Verfeinerung der Einrichtung zum Messen
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ordentlich kleinen, die verschiedensten Ursachen aufweisenden Transversalschwingungen bereits ihren Einfluss auf die Messeinrichtung auszuüben beginnen und infolge der ungleichen Höhe der Gewichte dem sie tragenden Stab einen Drehimpuls erteilen, der bereits so stark ist, dass keine Möglichkeit mehr besteht, die Ablenkung zu registrieren.
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der Gewichte zu schaffen, welche genaue Anzeigen gestattet. Gemäss der Erfindung wird dies durch Mittel erreicht, welche den Einfluss der mikroseismischen Bodenbewegungen auf die Anzeigen eliminieren.
In der Zeichnung veranschaulichen die Fig. 1-4 schematische Darstellungen zur Erläuterung der Erfindung ; ein Ausführungsbeispiel einer Drehwaage gemäss der Erfindung ist in Fig. 5 im senkrechten Schnitt dargestellt ; Fig. 6 zeigt die Registriereinrichtung der Drehwaage in schematischer Darstellung.
Die mikroseismischen Erdbewegungen beeinflussen die Waage, indem die dadurch verursachte horizontale Bewegung des oberen, festen Endes des Torsionsfadens, u. zw. insbesondere die Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Vertikalebene durch den Balken und die Gewichte, eine Schwingung oder Pendelung um eine Horizontalachse, sogenannte Transversalschwingungen, und zugleich, infolge der asymmetrischen Anordnung der Gewichte in ungleicher Höhe, eine Rotationsschwingung um den Torsionsdraht hervorruft. Die Periode der Transversalschwingungen ist für Apparate mit kurzer und langer Rotationssehwingungsperiode ungefähr dieselbe ; der Unterschied zwischen beiden Arten von Apparaten tritt jedoch in dem Masse hervor, in dem Rotationsschwingungen die Transversalschwingungen begleiten.
Diese Rotationsschwingungen bestehen in Winkelverdrehungen des Balkens ; an Hand der Fig. 1 der Zeichnung wird im folgenden dargelegt, in welchem Masse bei einer bestimmten plötzlichen Verschiebung des Aufhängepunktes der Balken gedreht wird.
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In-Fig. 1 ist A der Aufhängepunkt des Torsionsfadens, B der Punkt der Befestigung des Fadens an dem Balken, welcher die Gewichte 1 und 11 trägt. Es wird davon ausgegangen, dass sicb der Punkt A plötzlich in einer Richtung senkrecht zur Bildebene um den Abstand dx verschiebt und die Gewichte durch die Trägheitswirkung in Ruhe verbleiben. Statt dessen kann man auch den gleichwertigen, jedoch für die vorliegenden Zwecke bequemeren Fall betrachten, dass A in Ruhe verbleibt und die Gewichte sich in entgegengesetztem Sinne um dx verschieben.
Sei nun die Länge des Torsionsfadens a, der Vertikalabstand der Gewichte h und deren Horizontalabstand !, so ist die Verschiebung des Punktes B gleich
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Nun ist die Winkelverdrehung des'Balkens bei einer bestimmten Ungleichförmigkeit (z. B, l, E) des Schwerkraftfeldes, mit andern Worten die. Empfindlichkeit des Apparates, der Länge des Balkens direkt proportional, so dass das. Verhältnis der Verdrehung durch die beschriebene Störung zur Verdrehung durch die Ungleichförmigkeit des Schwerkraftfeldes der zweiten Potenz der Balkenlänge proportional ist. Es geht daraus hervor, dass bei einer Waage mit geringer Balkenlänge, also kurzer Periode, der Einfluss der Bodenbewegungen weitaus wichtiger ist als bei einer Waage mit langem Balken und langer Periode.
Ist bei dieser dieser Einfluss zu vernachlässigen, so sind bei jener besondere Massnahmen unbedingt erforderlich, um brauchbare Anzeigen zu erhalten.
Brauchbare Anzeigen können durch die Anordnung der im folgenden angeführten Mittel, die zweckmässig in Kombination Anwendung finden, erreicht werden.
Ein Mittel, welches die Entstehung von Transversalschwingungen verhütet, besteht darin, dass je am Oberende und am Unterende des Gehänges ein Torsionsfaden befestigt ist. Wie bei Betrachtung der Fig. 4, in der diese Anordnung skizziert ist, klar sein wird, kann, wenn sich beide Gewichte I und 11 . um den Abstand dx verschieben, nur eine Translation des Balkens auftreten ; es wird weder eine Drehung um eine horizontale noch um eine vertikale Achse stattfinden können.
Ein Mittel, welches verhütet, dass eine Transversalschwingung von einer Rotationsschwingung begleitet wird, besteht darin, dass das obere Gewicht. mittels eines elastischen Zwischenstückes an dem
Stabe befestigt ist,. so dass dieses Gewicht sich in einer Ebene bewegen kann, die senkrecht zu der die beiden Gewichte schneidenden Ebene liegt. Bei einer derartigen Befestigung dieses Gewichtes kann das obere Balkenende sich im gewissen Grade unabhängig von den Bewegungen des Gewichtes verschieben.
Im Grenzfalle ist die Unabhängigkeit eine vollkommene, wobei dann das eine Balkenende sich frei bewegen kann. Verschiebt sich bei diesem Grenzfall (s. Fig. 2) das untere Gewicht und damit das untere Balkenende um dx, wobei I in seiner Lage verharrt, so erfährt der Punkt D eine Verschiebung um einen Teil von dx, und der Balken ist einer Winkelverdrehung im Sinne des Pfeiles unterworfen.
Ist dagegen sowohl I als 11 starr mit dem Balken verbunden (s. Fig. 3), so wird dem Balken eine Drehung im entgegengesetzten Sinne erteilt. Es ist deshalb möglich, durch eine teilweise Abhängigkeit zwischen den Verschiebungen des Gewichtes I und des Balkenendes, an dem es befestigt ist, d. h. durch eine elastische Befestigung dieses Gewichtes, zu erreichen, dass die Winkelverdrehung gleich Null ist, also eine Transversalsehwingung nicht mehr eine Rotation ins Leben ruft. Das Resultat ist also in dynamischer Hinsicht, d. h. in bezug auf die Bewegungen,'das gleiche, als wenn beide Gewichte sich in gleicher Hohe befänden.
Ein Mittel zur Dämpfung von Transversalschwingungen besteht darin, dass der Stab einen Zylinder trägt, der sich mit geringem Spiel in einem zylindrischen Gehäuse bewegen kann. Zur'Dämpfung von Rotationsschwingungen kann an dem Stab in seiner Drehachse eine Platte befestigt sein, die sich mit geringem Spiel in einem entsprechend gestalteten Spalt des Gehäuses bewegen, kann. Transversal- und Rotationsschwingungen können dadurch gedämpft werden, dass der Stab und der Torsionsfaden in eine Flüssigkeit getaucht wird. Diese Mittel zur Dämpfung der Schwingungen können praktisch nur Anwendung finden, wenn das Gehäuse einen geringen Horizontalquersehnitt besitzt, also auch der Horizontalabstand zwischen den beiden Gewichten gering ist, d. h. bei kurzperiodischen Waagen.
Schliesslich dient ein Mittel zur Anzeige der mittleren Lage des Balkens, um welche Mittellage die Störungen stattfinden. Dieses Mittel besteht darin, dass die Anzeige der Stabablenkung in an sich bekannter Weise mittels eines Lichtstrahles erfolgt, der durch einen am Stab befestigten Spiegel reflektiert
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und auf ein Thermoelement geworfen wird, welches einen von der Einfallstelle des Lichtstrahles abhängigen und ein elektrisches Anzeigegerät durchfliessenden Strom erzeugt, dessen Ausschlag ein Mass für die Stabablenkung ist.
Gemäss dem in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Stab 1 der Drehwaage aus einem röhrenförmigen Mittelteil, welcher an den oberen und unteren'Teilen Stützflächen besitzt, auf denen die Gewichte 2,2'in diametraler Gegenüberstellung zueinander ruhen. Die Verminderung des Horizontalabstandes zwischen den Gewichten macht es möglich, den Waagebalken in einem Gehäuse 8 von einfacher, z. B. zylindrischer Form unterzubringen, wodurch eine störende Beeinflussung des Waagebalkens durch Luftströmungen innerhalb des Gehäuses weitgehend ausgeschaltet wird. Der Stab der Drehwaage ist mittels eines Torsionsfadens 3 aufgehängt, dessen unteres Ende an dem Stab mittels einer Klammer 4 und dessen oberes Ende an einem Kopfstück 5 befestigt ist. Dieser Kopf ist am oberen Teil des zylindrischen Gehäuses 8 angebracht.
Der Stab trägt den Zylinder 6, dessen Durchmesser derart bemessen ist, dass ein schmaler Spalt zwischen dem Zylinder 6 und der Innenwand des Gehäuses 8 verbleibt, wodurch eine dämpfende Wirkung auf die Schwingungen des Stabes ausgeübt wird. Als weiteres Dämpfungsglied dient eine flache Platte 7 am Ende des Stabes : welche rechtwinkelig aus der Zeichenebene hervorsteht und mit Spiel in einen Querschlitz des das Gehäuse 8 am Boden abschliessenden Teiles 9 passt.
Das Gehäuse 8 bildet mit dem Tisch 15, dem Zylinder 16 und dem Gehäuse 17 ein Ganzes. Das
Gehäuse 17 enthält die Einrichtung für die optische Bestimmung der Stablage in bezug auf das Gehäuse.
Diese Einrichtung besteht aus einer elektrischen Glühlampe. 18, einer Sammellinse 19, einer Blende 20, einem Prisma 21, um den durch die Blende tretenden Lichtstrahl zu dem am Stab befestigten Spiegel 24 abzulenken, und aus einem Thermoelement 22, welches den reflektierten Strahl auffängt. Es ist ohne weiteres einzusehen, dass bei einer Drehung des Gehäuses in bezug auf das Gehäuse 8 der reflektierte Strahl sich in einer Ebene bewegt, welche normal zur Zeichenebene verläuft. Fig. 6 zeigt das Thermoelement 22, welches mittels zweier Drähte an das Galvanometer 23 angeschlossen ist. Das Thermoelement besitzt bei A'und B'die Lötstellen, an denen das eine Metall (oder Legierung) mit zwei Streifen des zweiten Metalls (oder Legierung) verbunden ist.
Die von dem Lichtstrahl erzeugte Wärme ruft in dem Thermoelement einen Strom hervor, dessen Stärke von der Stelle abhängt, an welcher der Lichtstrahl einfällt. Trifft der Lichtstrahl in der Mitte zwischen A'und B'auf, so werden beide Lötstellen gleich erwärmt, so dass kein Strom erzeugt wird ; in dem Masse, in dem sich der Strahl der Lötstelle A' oder B'nähert, entsteht ein Strom von wachsender Stärke in der einen oder in der andern Richtung.
Der Ausschlag des Galvanometers bringt somit die Ablenkung des Gehänges zur Anzeige. Es ist hiebei sehr wichtig, dass infolge der Trägheit der Registriereinrichtung Bewegungen sehr kurzer Periodendauer um eine Mittellage nicht registriert werden, so dass also die von den mikroseismischen Erderschütterungen herrührenden kurzen Schwingungen die Anzeige nicht beeinflussen und das Galvanometer nur ihre Mittelstellung oder"Ntillinie"wiedergibt. Die hiefür notwendige Trägheitsgrösse ist namentlich bei
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