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Vorrichtung zur Messung der Größe und der genauen Eintrittszeiten
sehr kleiner Beschleunigungsschwingungen Es ist bekannt, Beschleunigungen dadurch
zu bestimmen, daß man die dynamische Kraft ermittelt und messend verfolgt, welche
auf eine bekannte Masse ausgeübt werden muß, um ihr die zu messende Beschleunigung
zu erteilen. Dieses Prinzip liegt z. B. auch dem Beschleunigungsmesser von Grunmach
(Phys. ZS. Bd. Zo, rgog und Experimentaluntersuchung zur Messung von Erderschütterungen.
Verhdlgn. d. Ver. z. Förderung d. Gewerbefleißes 1913, Heft z bis 5) zugrunde, bei
dem eine federnd aufgehängte Masse m noch mit einem Druck von p Dyn auf einem Amboß
aufliegt, der dem zu messenden Beschleunigungsverlaufe b (t) ausgesetzt wird.
Solange die zeitlich veränderliche Beschleunigung b (t) in Richtung des Auflagedruckes
kleiner als der eingestellte Wert von P /m bleibt, liegt die Masse auf dem Amboß
auf. Erst wenn b (t) größer wird als der Grenzwert B
= p /na,
hebt sich die Masse von dem Amboß ab, da jetzt die auf sie statisch durch die Federaufhängung
und dynamisch durch die Beschleunigung B zusammen ausgeübte Kraft die Anziehungskraft
der Erde auf die Masse na bzw. die Kräfte ihrer elastischen Bindung übersteigt.
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Diese sehr einfache Methode der Beschleunigungsmessung findet aber
ihre Begrenzung bezüglich der Ausmessung sehr kleiner und kleinster Beschleunigungen,
wie sie z. B. bei der Untersuchung der Ausbreitung künstlich erzeugter elastischer
Wellen im Untergrunde zur geophysikalischen Bodenforschung vorkommen, darin, daß
es dann nicht mehr möglich ist, den erforderlichen, außerordentlich kleinen Auflagedruck
P praktisch genau einzustellen und insbesondere zeitlich auf Bruchteile von Millionstel
der Kraft konstant zu halten, mit der die Massen von der Erde angezogen bzw. durch
Federn in ihrer Ruhelage elastisch gebunden wird. Die Änderungen der Federkräfte
durch thermische Einflüsse, elastische Nachwirkungen, Veränderungen an der Auflagestelle
usw. bringen laufend Veränderungen im Auflagedrucke P hervor, welche die zulässigen
Grenzen erfahrungsgemäß um das Vieltausendfache überschreiten.
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Die vorliegende Erfindung soll nun einen Weg zeigen und Vorrichtungen
vorschlagen, wie man diese Schwierigkeiten umgehen und die an sich so überaus einfache
Messung des zeitlichen Verlaufes von Beschleunigungen durch instrumentelle Verfolgung
des zeitlichen Verlaufes der durch diese Beschleunigungen an einer bekannten Masse
in hervorgebrachten dynamischen Zusatzkräfte auch für allerkleinste Beschleunigungen
und trotzdem noch mit sehr kleinen Werten der Masse m durchführen kann.
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Dabei soll nur eine Einschränkung gemacht werden, welche indessen
für die Praxis meist ohne Bedeutung ist und für das Hauptanwendungsbereich meiner
Erfindung, die seismischen Erderforschungsmethoden, sogar stets erfüllt ist. Es
soll nämlich angenommen werden, daß die zu messenden Beschleunigungen
b (t) nur aus Beschleunigungswellen zusammengesetzt sind, deren Perioden
kurz sind gegenüber den Eigenschwingungsperioden der einzelnen schwingungsfähigen
Teile
der zu beschreibenden Beschleunigungsmesser. Diese Einschränkung gilt ja aber auch
in genau der gleichen Weise für alle Seismographen, die heute im Gebrauch sind und
in denen sich schwingungsfähige Systeme befinden.
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Um nun die oben bezeichneten Nachteile zu umgehen und den Auflagedruck
p zuverlässig konstant zu halten, sollen gemäß der Erfindung die beiden Aufgaben,
welche bisher der Tragfeder bzw. den Tragfedern der Masse m übertragen waren, voneinander
getrennt und verschiedenen Organen zugeordnet werden. Die Federn sollen die Aufgabe
behalten, die Masse m elastisch mit dem gewünschten Freiheitsgrade zu binden. Die
Einstellung des Auflagedruckes P aber wird durch eine Waage, im allgemeinen eine
zweiarmige Waage, geregelt, welche bekanntlich für die Messung von Kräften das genaueste
Hilfsmittel bedeutet, welches wir heute kennen. Ist der Waagebalken ohne das den
Druck p regelnde Übergewicht möglichst im indifferenten Gleichgewicht um seine Drehungsachse
und ruft jede Änderung der Federspannung, also Verrückungen der Masse m,_ nur kleine
Drehungen des starren Waagebalkens um seine Drehachse hervor, so ist auch nach Auflage
des den Druck p bestimmenden Übergewichtes der Druck p in erster Annäherung konstant,
wenn der --Waagebalken seine Neigung ein wenig ändert. Den jeweiligen Auflagedruck
P kann man durch Auflegen von Gewichtsstücken am anderen Arm der Waage bestimmen
und so die Vorrichtung statisch eichen.
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Die Abb. i bis 3 geben nun einige Beispiele für die Anwendung dieses
neuen Grundsatzes in der Praxis.
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In Abb. i ist die Masse in samt einer sie elastisch bindenden Feder
f an dem einen Arm einer zweiarmigen Waage w aufgehängt und wird durch eine entsprechende
Masse oder andere (z. B. elektromagnetische) dort angreifende Kräfte am anderen
Ende des Waagebalkens äquilibriert. Der Auflagedruck der Masse in auf den Amboß
A wird durch ein einstellbares Übergewicht der Waage nach der einen Seite
geregelt. Dehnt sich die Feder f langsam durch Elastizitätsänderungen, so dreht
sich der Waagebalken w um seine Drehachse, um die er selbst nahezu im indifferenten
Gleichgewicht ist, entsprechend und der Druck von m gegen A bleibt stets konstant
erhalten. Bei schnellen Beschleunigungswellen von der Form b (t), die den
ganzen Apparat treffen, dagegen folgen der Waagebalken w als Ganzes und der Amboß,
die ja beide starr gelagert sind, der im Beispiel vertikal angenommenen zu messenden
Komponente der Beschleunigung. Dagegen werden die schnellen Beschleunigungswellen
auf die federnd aufgehängte Masse m über den Amboß A übertragen, und ihr Auflagedruck
p ändert sich infolgedessen proportional der Größe m - b (t). Wird
m - b > p, so hebt sich die Masse sogar von A ab. (In ganz entsprechender
Weise kann man auch den ganzen Waagebalken mit den daran befestigten Gewichten an
eine Feder hängen.) Eine andere beispielsweise Ausführungsform zeigt Abb.
a, wo die Feder f, die die Masse m
trägt, am anderen Ende starrfixiert
ist, während der Amboß A an dem einen Ende eines Waagebalkens w befestigt ist.
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In Abb. 3 liegt die Masse m auf der Feder f, und die Bewegung des
Stativs gegen die elastisch mit beispielsweise vertikalem Freiheitsgrad gebundene
Masse m wird durch einen starren Hebel vergrößert, der mit seinem äußeren Ende auf
dem an dem einen Ende des Waagebalkens w angeordneten Amboß A aufliegt, während
das andere Ende des Waagebalkens am Stativ drehbar befestigt ist. Der Auflagedruck
P wird hier wiederum nur durch die einstellbare mechanische Unsymmetrie des jetzt
beispielsweise ungleicharmig ausgebildeten Waagebalkens w bestimmt.
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An Stelle eines mechanischen Übergewichts kann man an dem Waagebalken
natürlich auch auf andere an sich bekannte Weisen einstellbare oder sogar fernsteuerbare
Drehmomente angreifen lassen, um den Anlagedruck P zu regeln. Als Beispiel sei eine
einstellbare und fernsteuerbare elektromagnetische Zusatzkraft evtl. auch mit wahlweise
umschaltbarem Drehsinne genannt. Durch stufenweise Veränderung von kann man die
Beschleunigung feststellen, bei der der Kontakt gerade aufgehoben wird.
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Der Auflagedrucke von m auf dem Amboß A
kann nun in der
an sich bekannten Weise überwacht werden, daß man denKontakt beiA auszwei gegeneinander
sonst elektrisch isolierten Teilen bestehen läßt, von-denen der eine an m, der andere
an A befestigt ist, und indem man diesen Kontakt in einen Stromkreis einschaltet,
in dem sich ein Anzeige- oder, zur zeitlichen Überwachung, ein Registrierinstrument
befindet. Der Kontakt kann z. B. aus Wolfram, Platin, Kohle o. dgl. Substanzen bestehen,
welche sich an der Oberfläche durch die Stromunterbrechungen nicht verändern und
so gegen die Druckänderungen möglichst empfindlich sind. Das Registrierinstrument,
welches den Zustand dieses Kontaktes zeitlich überwachen soll, muß natürlich in
bekannter Weise eine möglichst kurze Eigenschwingungsdauer besitzen, um den elektrischen
Vorgängen an der Auflagestelle A möglichst momentan folgen zu können, und es muß
hochempfindlich sein, damit die Strombelastung an der Kontaktstelle (bei A) möglichst
klein wird, die Kontakte also geschont werden. Es empfiehlt sich daher, ein Seitengalvanometer
oder einen Oszillographen zu benutzen. Es genügen. aber auch einfache elektromechanische
Registrierapparate mit hoher Papiergeschwindigkeit.
Ein weiterer
Schutz für den Kontakt kann in an sich bekannter Weise durch Einbetten der Kontaktstelle
in ein chemisch gegenüber dem Kontaktmateriale indifferentes Gas erfolgen. Auch
in einen Raum mit vermindertem Gasdruck kann man die Kontakte bringen.
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Wenn es sich darum handelt, die Ausbreitung der Front der Erschütterungswelle,
die z. B. durch eine Explosion im Erdboden ausgelöst ist, zeitlich und räumlich
zu verfolgen, um die räumliche Verteilung der elastischen Eigenschaften im Boden
für die Zwecke der praktischen Geologie zu studieren, so ist es zweckmäßig, mehrere
gleichartige Beschleunigungsmesser der beschriebenen Art, deren Empfindlichkeit
und Aufnahmerichtung zweckentsprechend gewählt ist, auf den gleichen Registrierstreifen
nebeneinander aufzunehmen, um alle Beobachtungen auf dieselbe Zeitskala bezogen
zu erhalten. Auch den Moment der Explosion wird man durch Draht-, Erd- oder Wellentelegraphie
auf den gleichen Streifen in die gleiche Zeitskala sich eintragen lassen.