DE102010012970A1

DE102010012970A1 - Device for realization of diamagnetic levitation produced by magnetic field without using superconductive bodies, has diamagnetic float element forming convex surface when seen from downside and floating in magnetic field

Info

Publication number: DE102010012970A1
Application number: DE102010012970A
Authority: DE
Inventors: Prof. Dr.-Ing. Quick Hans Jürgen; Prof. Dr.rer.nat.habil. Zehner Christian
Original assignee: FACHHOCHSCHULE BRANDENBURG
Current assignee: FACHHOCHSCHULE BRANDENBURG
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: DE102010012970B4

Abstract

The device has a diamagnetic float element (4) floating in a magnetic field that is produced by a radial-symmetrical magnet assembly (1). The magnet assembly forms a concave surface (101) when seen from above and the diamagnetic float element forms a convex surface (401) when seen from downside. An optical measurement device (6) e.g. three-beam interferometer and/or laser interferometric vibrometer, measures a change in position of the diamagnetic floated element by light reflection at a mirror (5) in a non-contact manner. The diamagnetic float element is formed by a socket pad.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for implementing a diamagnetic levitation according to the preamble of patent claim 1.

Unter diamagnetischer Levitation wird das physikalische Phänomen bezeichnet, dass ein diamagnetischer Körper über einem Magnetfeld in einer stabilen Lage schweben kann. Bei einem frei schwebendem diamagnetischen Körper hebt die abstoßende Kraft des magnetischen Gegenfeldes, welches durch die im diamagnetischen Material durch das äußere magnetische Feld induzierten Dipolmomente zustande kommt, die Schwerkraft auf. Eine diamagnetische Leviation ist beispielsweise in der Druckschrift US 2006/0162452 A1 beschrieben.By diamagnetic levitation is meant the physical phenomenon that a diamagnetic body can hover over a magnetic field in a stable position. In a free-floating diamagnetic body, the repulsive force of the magnetic opposing field, which is due to the induced in the diamagnetic material by the external magnetic field dipole moments, lifts the gravity. A diamagnetic levitation is for example in the document US 2006/0162452 A1 described.

Die Verwendung eines im Magnetfeld frei schwebenden diamagnetischen Körpers im Sinne einer „diamagnetischen Lagerung” hat gegenüber konventioneller mechanischer Lagerung den Vorteil, dass die bei mechanischen Systemen auftretende Hemmung bzw. Dämpfung infolge Reibung bei der diamagnetischen Lagerung extrem gering ist. Hier wird die Hemmung bzw. Dämpfung verursacht lediglich durch die Reibung an Luft bzw. Gasmolekülen und durch die Wirkung von Wirbelströmen im diamagnetischen Körper, wobei der Einfluss der Wirbelströme dominiert. Die Reibung an Gasmolekülen kann durch Evakuierung der Sensoranordnung beseitigt werden. Der Einfluss von Wirbelströmen kann durch Maßnahmen, die die elektrische Leitfähigkeit des diamagnetischen Materials verringern, ebenfalls vermindert oder durch symmetrische Anordnungen beseitigt werden.The use of a diamagnetic body freely suspended in the magnetic field in the sense of a "diamagnetic bearing" has the advantage over conventional mechanical mounting that the inhibition or damping occurring in mechanical systems due to friction in the diamagnetic bearing is extremely low. Here, the inhibition or damping caused only by the friction of air or gas molecules and by the action of eddy currents in the diamagnetic body, the influence of the eddy currents dominates. The friction on gas molecules can be eliminated by evacuation of the sensor assembly. The influence of eddy currents can also be reduced by measures that reduce the electrical conductivity of the diamagnetic material or eliminated by symmetrical arrangements.

Ursprünglich war die Anwendung der diamagnetischen Levitation begrenzt auf supraleitende Körper, die ideale Diamagnete darstellen. In dem Maße, in dem es in den letzten Jahrzehnten gelang, Permanentmagnete (insbesondere Neodym-Magnete) hoher Remanenz und Koerzitivfeldstärke und diamagnetische Werkstoffe hoher magnetischer Suszeptibilität (z. B. aus pyrolytischem Kohlenstoff, Graphit oder HOPG (HOPG = „High Oriented Pyrolytic Graphite”)) herzustellen, wird die Nutzung der diamagnetischen Levitation für Sensoren und Messvorrichtungen zunehmend auch für nicht supraleitende Körper interessant.Originally, the application of diamagnetic levitation was limited to superconducting bodies, which are ideal diamagnets. To the extent that has been achieved in recent decades, permanent magnets (especially neodymium magnets) high remanence and coercive force and diamagnetic materials of high magnetic susceptibility (eg, pyrolytic carbon, graphite or HOPG (HOPG = "High Oriented Pyrolytic Graphite ")), The use of diamagnetic levitation for sensors and measuring devices is becoming increasingly interesting for non-superconductive bodies.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation bereitzustellen, die ohne supraleitende Körper auskommt.The present invention has for its object to provide a device for realizing a diamagnetic levitation, which manages without superconducting body.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a device having the features of claim 1. Embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Danach ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation vorgesehen, bei der eine Magnetanordnung und ein diamagnetischer Schwebekörper verwendet werden, die derart ausgebildet sind, dass die Magnetanordnung von oben gesehen eine konkave Oberfläche und der diamagnetische Schwebekörper von unten gesehen eine konvexe Oberfläche ausbilden. Zwischen den beiden Oberflächen besteht ein Abstand, der die Levitation ausmacht.According to the invention there is provided a device for realizing a diamagnetic levitation, in which a magnet assembly and a diamagnetic float are used, which are formed such that the magnet arrangement seen from above a concave surface and the diamagnetic floating body seen from below form a convex surface. There is a gap between the two surfaces that makes up the levitation.

Aufgrund der konvexen Form des diamagnetischen Schwebekörpers führt ein seitliches Auslenken aus der Ruheposition, in der die Symmetrieachsen des diamagnetischen Schwebekörpers und der Magnetanordnung identisch sind, zu einem Gegenmoment mit der Wirkung, dass eine Stabilisierung des Schwebekörpers gegenüber einem seitlichen Ausgleiten bereitgestellt wird. Es liegt eine selbstzentrierende Anordnung vor, die dementsprechend ohne Schutzmaßnahmen zum Verhindern eines seitlichen Ausgleitens des diamagnetischen Schwebekörpers auskommt und insofern in vorteilhafter Weise ausgebildet ist.Due to the convex shape of the diamagnetic levitation body, lateral deflection from the rest position, in which the axes of symmetry of the diamagnetic float and the magnet assembly are identical, results in a counter-moment with the effect of providing stabilization of the float against lateral sliding out. There is a self-centering arrangement, which accordingly requires no protective measures for preventing a lateral slipping of the diamagnetic floating body and is thus formed in an advantageous manner.

Die Krümmungen der einander gegenüberliegenden Oberflächen des konvexen Schwebekörpers und der konkaven Magnetanordnung sind in einer Ausgestaltung im Wesentlichen identisch, das heißt der Abstand zwischen dem diamagnetischen Schwebekörper und der Magnetanordnung ist im Bereich dieser Oberflächen im Wesentlichen konstant.The curvatures of the opposing surfaces of the convex float and the concave magnet assembly are substantially identical in one embodiment, that is, the distance between the diamagnetic float and the magnet assembly is substantially constant in the region of these surfaces.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnetanordnung und der diamagnetische Schwebekörper jeweils radialsymmetrisch ausgebildet. Insbesondere ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass die Magnetanordnung derart im Raum positioniert ist, dass die Symmetrieachse der Magnetanordnung mit dem Vektor der Schwerebeschleunigung zusammenfällt, wobei für diesen Fall ebenfalls die Symmetrieachse der Magnetanordnung mit der Symmetrieachse des diamagnetischen Schwebekörpers zusammenfällt. Durch die radial-symmetrische Anordnung von diamagnetischem Schwebekörper und Magnetanordnung ist bei Drehung des diamagnetischen Körpers um seine Symmetrieachse das wirkende wirksame Gegenmoment („Torsionsmoment”) äußerst gering. Ferner wird die gesamte Vorrichtung möglichst radial-symmetrisch ausgelegt, um die durch Massenanziehung bewirkten Einflüsse auf die Genauigkeit und Auflösung der Messverfahren gering zu halten.In one embodiment of the invention, the magnet arrangement and the diamagnetic floating body are each formed radially symmetrically. In particular, it is provided in one embodiment that the magnet assembly is positioned in space such that the axis of symmetry of the magnet assembly coincides with the vector of gravitational acceleration, in which case also the axis of symmetry of the magnet assembly coincides with the symmetry axis of the diamagnetic floating body. Due to the radial-symmetrical arrangement of diamagnetic float and magnet assembly is the effective effective counter-torque ("" when rotating the diamagnetic body about its axis of symmetry (" Torsional moment ") extremely low. Furthermore, the entire device is designed as radially symmetrical as possible in order to minimize the effects caused by mass attraction on the accuracy and resolution of the measurement method.

In einem Ausführungsbeispiel weist die Magnetanordnung mindestens zwei ineinander gesteckte Hohlzylinderdauermagnete mit alternierend entgegengesetzter Magnetisierung in Axialrichtung auf, wobei die Hohlzylinderdauermagnete gemeinsam die konkave Oberfläche der Magnetanordnung ausbilden. Die ineinander gesteckten Hohlzylindern weisen dabei sphärischen Stirnflächen auf, die von oben gesehen konkav und alternierend entgegengesetzt magnetisiert sind. Die sphärische Formgebung erfolgt vor der Magnetisierung.In one exemplary embodiment, the magnet arrangement has at least two hollow cylinder permanent magnets which are inserted into one another and have alternately opposite magnetization in the axial direction, wherein the hollow cylinder permanent magnets jointly form the concave surface of the magnet arrangement. The nested hollow cylinders have spherical end faces which, viewed from above, are magnetized concavely and alternately in opposite directions. The spherical shaping takes place before the magnetization.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der diamagnetische Schwebekörper durch eine Kugelschale gebildet, d. h. er ist Teil einer gedachten Hohlkugel. Dies bedeutet, dass der diamagnetische Schwebekörper nicht nur von unten gesehen eine konvexe Oberfläche sondern auch von oben gesehen ein konkave Oberfläche ausbildet. Die Dicke des Schwebekörpers kann dabei konstant sein oder variieren, etwa zum Rand hin dicker oder dünner werden. Es wird darauf hingewiesen, dass auch Ausgestaltungen des Schwebekörpers denkbar sind, bei denen dieser nicht als Teil einer Hohlkugel ausgebildet ist und beispielsweise durch eine Kugelkalotte gebildet wird.In a further embodiment, the diamagnetic float is formed by a spherical shell, d. H. he is part of an imaginary hollow sphere. This means that the diamagnetic floating body not only forms a convex surface from below, but also forms a concave surface when seen from above. The thickness of the float can be constant or vary, be thicker or thinner towards the edge. It should be noted that embodiments of the floating body are conceivable in which this is not formed as part of a hollow ball and is formed for example by a spherical cap.

In einem Ausführungsbeispiel weist der als Kugelschale ausgebildete diamagnetische Schwebekörper zusätzlich mittig eine kreisförmige Öffnung auf. Er besitzt für diesen Fall die Form einer Hohlkugelschicht. Diese Ausführung weist der Vorteil auf, dass das Eigengewicht des Schwebekörpers verringert wird, wodurch die Schwebebedingung mit weniger Permanentmagneten realisierbar ist. Weiter kann vorgesehen sein, dass im Bereich der kreisförmigen Öffnung ein Spiegel in den Schwebekörper eingelegt wird.In one embodiment, the diamagnetic floating body designed as a spherical shell additionally has a circular opening in the center. He has in this case the shape of a hollow sphere layer. This embodiment has the advantage that the dead weight of the floating body is reduced, whereby the hover condition can be realized with less permanent magnets. It can further be provided that in the region of the circular opening a mirror is inserted into the float.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Außendurchmesser des diamagnetischen Schwebekörpers größer als der Außendurchmesser der Magnetanordnung. Hierdurch kommt es zu einem Überstand des Schwebekörpers. Bei Auslenken des Schwebekörpers oder Neigung der Anordnung können somit alle Magnetfeldbereiche auf den diamagnetischen Schwebekörper wirken.In a further embodiment of the invention, the outer diameter of the diamagnetic floating body is greater than the outer diameter of the magnet assembly. This leads to a projection of the float. When deflecting the float or inclination of the arrangement can thus all magnetic field areas act on the diamagnetic float.

Es ist des Weiteren in einer Ausführungsform vorgesehen, dass an dem diamagnetischen Schwebekörper ein Spiegel angeordnet ist. Die Vorrichtung umfasst dabei eine optische Messvorrichtung, die geeignet ist, eine Lageänderung des diamagnetischen Schwebekörpers mittels Lichtreflexion am Spiegel berührungsfrei zu messen. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass der Spiegel zentrisch auf der der Messvorrichtung abgewandten Seite des diamagnetischen Schwebekörpers angeordnet ist und die optische Messvorrichtung als Dreistrahl-Interferometer oder laserinterferometrisches Vibrometer ausgebildet ist, die über dem diamagnetischen Körper angeordnet ist.It is further provided in one embodiment that a mirror is arranged on the diamagnetic float. The device in this case comprises an optical measuring device which is suitable for measuring a change in position of the diamagnetic floating body by means of light reflection at the mirror without contact. It can be provided in particular that the mirror is arranged centrally on the side facing away from the measuring device of the diamagnetic floating body and the optical measuring device is designed as a three-beam interferometer or laser interferometric vibrometer, which is arranged above the diamagnetic body.

Allgemein kann vorgesehen sein, dass der Spiegel entweder a) innerhalb der diamagnetischen Schale, b) auf deren Oberkante oder c) bei Ausführung als Hohlkugelschicht auf deren Unterkante angeordnet wird. Die Varianten b) und c) gewährleisten eine Selbstjustierung bei der Spiegelbefestigung. Die Varianten a) und insbesondere b) verlagern den Schwerpunkt der Schwebeanordnung nach oben und erhöhen die Empfindlichkeit der entsprechenden Vorrichtung.In general, it can be provided that the mirror is arranged either a) within the diamagnetic shell, b) on its upper edge or c) when executed as a hollow sphere layer on its lower edge. Variants b) and c) ensure self-alignment during mirror mounting. The variants a) and in particular b) shift the center of gravity of the floating arrangement upwards and increase the sensitivity of the corresponding device.

Die Vorrichtung weist in einer Ausführungsform ein Gehäuse mit einem ebenen Gehäuseboden auf, auf dem die Magnetanordnung angeordnet ist. Die Magnetanordnung und die optische Messeinrichtung sind dabei derart starr in dem Gehäuse angeordnet und justiert, dass ihre Symmetrieachsen parallel verlaufen und senkrecht auf dem Gehäuseboden stehen.In one embodiment, the device has a housing with a flat housing bottom, on which the magnet arrangement is arranged. The magnet assembly and the optical measuring device are arranged and adjusted in such a rigid manner in the housing that their axes of symmetry are parallel and perpendicular to the housing bottom.

Allgemein können durch die Geometrie des diamagnetischen Schwebekörpers und die Lage des Spiegels der Ort des Schwerpunkts und damit die Empfindlichkeit der Vorrichtung eingestellt werden.In general, the geometry of the diamagnetic levitation body and the position of the mirror can be used to set the location of the center of gravity and thus the sensitivity of the device.

Eine Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper ändert dessen Lage, wobei aus dem statischen und dynamischen Verhalten Informationen für verschiedene Verfahren gewonnen werden können. Die geringe Hemmung bzw. Reibung diamagnetischer Lagerungen eröffnet dabei eine Vielzahl von Anwendungen. Beispielhafte Anwendungen betreffen eine Neigungsmessung (Inklinometer, Tiltmeter), die Bestimmung der Schwerebeschleunigung (Gravimeter), die Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten und kleiner Massen, die Detektion von Vibrationen oder Erschütterungen (Seismometer) und die Gewinnung von Informationen über die Intensität und Richtung schwacher Gasströmungen.A force acting on the diamagnetic float changes its position, whereby the static and dynamic behavior information for different methods can be obtained. The low inhibition or friction diamagnetischer bearings opens a variety of applications. Exemplary applications include inclination measurement (inclinometer, tilt meter), determination of gravitational acceleration (gravimeter), determination of Newtonian gravitational constants and small masses, detection of vibrations or seismometers, and obtaining information about the intensity and direction of weak gas flows.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist demenstprechend in einer vorteilhaften Ausgestaltunga a) Mittel zur Erfassen eines statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers nach einer Krafteinwirkung und b) Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers. Die Mittel zur Erfassen eines statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers nach einer Krafteinwirkung werden dabei beispielsweise durch ein bereits erwähntes Dreistrahl-Interferometer oder ein laserinterferometrisches Vibrometer in Verbindung mit einem am Schwebekörper angeordneten Spiegel bereitgestellt. The device according to the invention has demenstprechend in a vorteilhafte a configuration a) means for detecting a static and / or dynamic behavior of the diamagnetic levitation body after a force and b) means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic levitation body. The means for detecting a static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body after a force effect are provided, for example, by an already mentioned three-beam interferometer or a laser interferometric vibrometer in conjunction with a mirror arranged on the float.

Weiter können Mittel vorgesehen sein, die eine Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper bereitstellen, um ein statisches oder dynamisches Verhalten zu erzeugen, dass dann ausgewertet werden kann. Eine Krafteinwirkung kann jedoch auch durch externe Kräfte, z. B. Vibrationen oder Schwingungen der Erde erfolgen.Furthermore, means may be provided which provide a force on the diamagnetic float to produce a static or dynamic behavior that can then be evaluated. However, a force can also by external forces, eg. B. vibrations or vibrations of the earth.

In einer Ausgestaltung dient die Vorrichtung der Bestimmung der Schwerebeschleunigung. Es sind Mittel zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper vorgesehen, die den diamagnetischen Schwebekörper in eine Schwingung entlang seiner Symmetrieachse versetzen. Die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers werten dabei den zeitlichen Verlauf der Schwingung zur Bestimmung des Zahlenwertes der Schwerebeschleunigung aus.In one embodiment, the device serves to determine the gravitational acceleration. Means are provided for providing a force to the diamagnetic levitation body which causes the diamagnetic levitation body to vibrate along its axis of symmetry. The means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body evaluate the time course of the oscillation for determining the numerical value of the gravitational acceleration.

In einer weiteren Ausgestaltung dient die Vorrichtung der Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten. Es sind Mittel zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper vorgesehen, die eine oder mehrere Testmassen umfassen. Die die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers nehmen dabei eine Auswertung zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten vor.In a further embodiment, the device serves to determine Newton's gravitational constant. Means are provided for providing a force to the diamagnetic levitation body comprising one or more test masses. The means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body make an evaluation for the determination of Newton's gravitational constant.

In einer weiteren Ausgestaltung dient die Vorrichtung der Erfassung von Erschütterungen und Schwingungen, die den diamagnetischen Schwebekörper erfassen. Entsprechende Bewegungen des Schwebekörpers werden erfasst und die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers nehmen eine Auswertung zur Bestimmung solcher Erschütterungen und Schwingungen vor.In a further embodiment, the device is used to detect shocks and vibrations that capture the diamagnetic float. Corresponding movements of the float are detected and the means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body make an evaluation to determine such vibrations and vibrations.

In einer weiteren Ausgestaltung dient die Vorrichtung der Bestimmung von Informationen über Intensität und Richtung einer Gasströmung. Es sind Mittel zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper in Form einer Gasströmung vorgesehen. Die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers nehmen dabei eine Auswertung zur Bestimmung von Informationen über Intensität und Richtung der Gasströmung vor.In a further embodiment, the device serves to determine information about the intensity and direction of a gas flow. Means are provided for providing a force to the diamagnetic float in the form of a gas flow. The means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body thereby perform an evaluation for determining information about the intensity and direction of the gas flow.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail with reference to the figures of the drawing with reference to several embodiments. Show it:

1 in Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die den Grundaufbau einer solchen Vorrichtung zeigt; 1 a sectional view of a first embodiment of a device for realizing a diamagnetic levitation, showing the basic structure of such a device;

2 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Bestimmung der Schwerebeschleunigung geeignet ist; 2 a sectional view of an embodiment of a device for realizing a diamagnetic levitation, which is suitable for determining the gravitational acceleration;

3 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Gewinnung von Informationen über Eigenschaften einer Gasströmung geeignet ist; 3 a sectional view of an embodiment of a device for realizing a diamagnetic levitation, which is suitable for obtaining information about properties of a gas flow;

4 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Bestimmung einer Masse aus dem Kippwinkel der diamagnetischen Schwebeanordnung geeignet ist; 4 a sectional view of an embodiment of a device for realizing a diamagnetic levitation, which is suitable for determining a mass from the tilt angle of the diamagnetic floating order;

5 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Bestimmung der Schwerebeschleunigung nach der vertikalen Wagemethode geeignet ist; 5 a sectional view of an embodiment of a device for realizing a diamagnetic levitation, which is suitable for determining the gravitational acceleration according to the vertical carriage method;

6 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten durch Realisierung einer horizontalen Drehwaage geeignet ist, und 6 a sectional view of an embodiment of a device for the realization of a diamagnetic levitation, which is suitable for determining the Newton's gravitational constant by implementing a horizontal rotary scale, and

7 in Schnittdarstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation, die zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten nach der vertikalen Wagemethode geeignet ist. 7 a sectional view of an embodiment of an apparatus for realizing a diamagnetic levitation, which is suitable for determining the Newton's gravitational constant according to the vertical carriage method.

Die 1 zeigt den grundlegenden Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation. Die Vorrichtung umfasst eine radialsymmetrische Magnetanordnung 1, die von oben gesehen die Form einer sphärischen Schale mit einer konkaven Oberfläche 101 aufweist, die entweder ganz oder nur in einem äußeren Randbereich durch eine Permanentmagnetanordnung, vorzugsweise aus Neodym, gebildet wird. Die Magnetanordnung 1 besteht aus ineinander gesteckten Hohlzylindern 102, 103 mit sphärischen Stirnflächen, die von oben gesehen konkav und alternierend entgegengesetzt magnetisiert sind. Die sphärische Formgebung erfolgt vor der Magnetisierung. Das Ineinanderstecken der Hohlzylindermagneten 102, 103 erfordert wegen der starken Abstoßungskräfte eine spezielle Vorrichtung.The 1 shows the basic structure of a device according to the invention for the realization of a diamagnetic levitation. The device comprises a radially symmetrical magnet arrangement 1 , seen from above the shape of a spherical shell with a concave surface 101 which is formed either entirely or only in an outer edge region by a permanent magnet arrangement, preferably of neodymium. The magnet arrangement 1 consists of nested hollow cylinders 102 . 103 with spherical faces that are concave and alternately magnetized opposite from above. The spherical shaping takes place before the magnetization. The nesting of the hollow cylinder magnets 102 . 103 requires a special device because of the strong repulsive forces.

Da die Realisierung eines sehr homogenen radialsymmetrischen Magnetfeldes mit Permanentmagneten schwierig ist, unter anderem wegen einer nicht vernachlässigbaren Inhomogenität der Permanentmagneten 102, 103, können Beläge 2 aus hochpermeablem Material zur Feldführung verwendet werden, um einerseits eine Homogenisierung und andererseits eine Optimierung der Levitationskraft zu erreichen. Parameter für eine Optimierung sind: Permeabilität, Schichtdicke, Randkontur, Spaltbreite und Spalttiefe an der Nahtstelle Nordpol-Südpol der Hohlzylinder 102, 103.Since the realization of a very homogeneous radially symmetric magnetic field with permanent magnets is difficult, partly because of a non-negligible inhomogeneity of the permanent magnets 102 . 103 , can coverings 2 be used from high permeability material for field management, on the one hand to achieve homogenization and on the other hand, an optimization of the levitation force. Parameters for an optimization are: permeability, layer thickness, edge contour, gap width and gap depth at the interface North Pole South Pole of the hollow cylinder 102 . 103 ,

Zur Erhöhung der Levitationskraft kann die Magnetanordnung mit mehr als zwei Hohlzylindern 102, 103 mit alternierend entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung realisiert werden. Zur Optimierung des räumlichen Verlaufs der Levitationskraft können die Anzahl, Länge und Wandstärke der Hohlzylinder 102, 103 im Ergebnis einer Computersimulation geeignet gewählt werden. Der innere Bereich kann auch ein Vollzylinder sein, falls man keine Öffnung nach unten benötigt. Ferner kann die Unterseite der Magnetanordnung auf einer Platte 3 mit hoher magnetischer Permeabilität angeordnet werden, wodurch der magnetische Streufluss nach unten wesentlich verringert wird. Eine solche Platte 3 ist in der 1 vorgesehen.To increase the levitation force, the magnet assembly with more than two hollow cylinders 102 . 103 be realized with alternating opposite direction of magnetization. To optimize the spatial course of the levitation force, the number, length and wall thickness of the hollow cylinder 102 . 103 be chosen as a result of a computer simulation suitable. The inner area can also be a solid cylinder, if you do not need an opening down. Furthermore, the bottom of the magnet assembly on a plate 3 be arranged with high magnetic permeability, whereby the magnetic leakage flux is substantially reduced down. Such a plate 3 is in the 1 intended.

Die Platte 3 wird durch einen Hohlzylinder 7 getragen, der für eine Distanz zu einem Gehäuseboden 10 eines Gehäuses 9 sorgt, damit Platz zur Aufnahme von Zusatzvorrichtungen unterhalb des diamagnetischen Schwebekörpers gegeben ist. Mit einer Justiervorrichtung 11 kann der Gehäuseboden 10 in seiner Lage zu einer Bodenplatte 12 justiert werden. Die gesamte Vorrichtung ruht beispielsweise auf einem Dreibein-Stativ 13.The plate 3 is through a hollow cylinder 7 worn for a distance to a caseback 10 a housing 9 ensures that there is space to accommodate additional devices below the diamagnetic float. With an adjusting device 11 can the case bottom 10 in its position to a bottom plate 12 to be adjusted. The entire device rests, for example, on a tripod tripod 13 ,

Der über der Magnetanordnung 1 schwebende diamagnetische Schwebekörper 4 ist ebenfalls radialsymmetrisch ausgebildet. Er weist von unten gesehen eine konvexe Oberfläche 401 auf. Das geometrische Gebilde des diamagnetischen Schwebekörpers 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel Teil einer Hohlkugel in Form einer Kugelschale, die im Scheitelbereich 41 zusätzlich eine kreisförmige Öffnung aufweisen kann. Sie bildet in diesem Fall eine Hohlkugelschicht. Der Außendurchmesser des Körpers 4 ist größer als der der Magnetanordnung 1 gewählt, so dass es zu einem Überstand kommt und bei Neigung der Anordnung alle Magnetfeldbereiche auf den diamagnetischen Schwebekörper 4 wirken können.The above the magnet arrangement 1 floating diamagnetic floats 4 is also formed radially symmetrical. He has seen from below a convex surface 401 on. The geometrical structure of the diamagnetic floating body 4 is in the illustrated embodiment part of a hollow sphere in the form of a spherical shell, in the apex area 41 may additionally have a circular opening. It forms in this case a hollow sphere layer. The outer diameter of the body 4 is larger than that of the magnet arrangement 1 chosen, so that it comes to a supernatant and tilting the arrangement all magnetic field areas on the diamagnetic float 4 can act.

Der diamagnetische Schwebekörper 4 besteht aus Material mit möglichst hoher magnetischer Suszeptibilität, vorzugsweise aus pyrolytischem Kohlenstoff oder Graphit. Bei der Verwendung des Materials HOPG (HOPG = „High Oriented Pyrolytic Graphite”) mit der größten Suszeptibilitat sind die physikalischen Eigenschaften stark anisotrop und hängen von der Kristallitgröße und dem Winkel der Kristallite zueinander (Mosaizität, „mosaic spread”) ab, was bei seiner Verwendung zu beachten ist. So besitzt scheibenförmiges Material mit geringer Mosaizität und hoher Suszeptibilität eine hohe elektrische Leitfähigkeit in der Scheibenebene, was eine Voraussetzung zur Ausbildung starker Wirbelströme ist. Ein derartiges Material ist jedoch für eine mechanische Präzisionsformgebung durch Schleifen oder Polieren nicht geeignet, da es wegen seiner laminaren Struktur eine leicht faltige Oberfläche hat und sich bei der Bearbeitung dünne Schichten ablösen würden. Die diamagnetische Kugelschale 4 kann wie erwähnt im Scheitelbereich 41 mit einer kreisförmigen Öffnung (nicht dargestellt) versehen werden (es entsteht dann eine Hohlkugelschicht), um bei Verwendung von nur zwei Hohlzylindern 102, 103 der Magnetanordnung 1 ihr Eigengewicht zu verringern und damit die Schwebebedingung zu garantieren.The diamagnetic float 4 consists of material with the highest possible magnetic susceptibility, preferably of pyrolytic carbon or graphite. When using the material HOPG (HOPG = High Oriented Pyrolytic Graphite) with the highest susceptibility, the physical properties are strongly anisotropic and depend on the crystallite size and the angle of the crystallites to each other (mosaic spread) Use is to be noted. Thus, disc-shaped material with low mosaicity and high susceptibility has a high electrical conductivity in the disk plane, which is a prerequisite for the formation of strong eddy currents. However, such a material is not suitable for precision mechanical shaping by grinding or polishing because it has a slightly wrinkled surface due to its laminar structure and would be peeled off during processing of thin layers. The diamagnetic spherical shell 4 can as mentioned in the apex area 41 be provided with a circular opening (not shown) (there is then a hollow sphere layer) to use only two hollow cylinders 102 . 103 the magnet arrangement 1 to reduce their own weight and thus to guarantee the hovering condition.

Da der Vektor der Schwerebeschleunigung im Schwerpunk des diamagnetischen Körpers 4 angreift, geht dieser durch eine gedachte Linie zwischen dem Schwerpunkt und dem Scheitel der diamagnetischen Schale 1 und steht senkrecht zur Tangente im Scheitel bzw. zu jeder gedachten Scheibe, die zum Vektor der Schwerebeschleunigung senkrecht steht. Since the vector of gravitational acceleration in the center of gravity of the diamagnetic body 4 attacks, this goes through an imaginary line between the center of gravity and the apex of the diamagnetic shell 1 and is perpendicular to the tangent in the vertex or to each imaginary disc, which is perpendicular to the vector of gravitational acceleration.

Somit ist es möglich und vorgesehen, durch Anbringen eines Spiegels 5 mit μ_r ≈ 1 (μ_r gleich relative Permeabilität) in Form einer Kreisscheibe in einer solchen Ebene eine Fläche bereitzustellen, deren Neigung (Nick- und Gierwinkel) berührungslos gemessen werden kann. Dies kann mit einer optischen Messvorrichtung 6 z. B. in Form eines handelsüblichen, ortsfest montierten Dreistrahlinterferometers mit hoher Empfindlichkeit erfolgen. Insbesondere kann eine Empfindlichkeit von ca. 0,002 arcsec entsprechend 5,6·10^–7 Grad erreicht werden.Thus, it is possible and provided by attaching a mirror 5 with μ _r ≈ 1 (μ _r equals relative permeability) in the form of a circular disc in such a plane to provide an area whose inclination (pitch and yaw angle) can be measured without contact. This can be done with an optical measuring device 6 z. B. in the form of a commercially available, fixed mounted three-beam interferometer with high sensitivity. In particular, a sensitivity of about 0.002 arcsec corresponding to 5.6 × 10 ^-7 degrees can be achieved.

Über der Magnetanordnung 1 wird dabei im Oberteil des Gehäuses 9 die optische Messvorrichtung 6 angebracht. Je nach Messaufgabe ist diese ein Dreistrahlinterferometer, ein laserinterferometrisches Vibrometer, oder es werden beide gleichzeitig verwendet. Magnetanordnung 1 und Dreistrahlinterferometer 9 sind zueinander in Achsrichtung justiert und in dem Gehäuse 9 fixiert, wobei der Gehäuseboden 10 genau senkrecht zur Achse 8 steht.Above the magnet arrangement 1 is doing in the upper part of the housing 9 the optical measuring device 6 appropriate. Depending on the measurement task, this is a three-beam interferometer, a laser interferometric vibrometer, or both are used simultaneously. magnet assembly 1 and three-beam interferometer 9 are aligned with each other in the axial direction and in the housing 9 fixed, with the case back 10 exactly perpendicular to the axis 8th stands.

Zu beachten ist, dass einerseits ein Mindestdurchmesser des Spiegels 5 wegen der Strahlabstände des Dreistrahl-Interferometers 6 nicht unterschritten werden kann (z. B. bei einem bekannten handelsüblichen Modell jeweils ca. 12 mm). Andererseits kann ein zu großer Durchmesser dazu führen, dass wegen der Zusatzmasse ein Schweben nicht mehr möglich ist. Die Magnetanordnung 1 und der diamagnetische Schwebekörper 4 müssen so dimensioniert sein, dass trotz der Zusatzmasse des Spiegels 5 eine Levitation gewährleistet ist.It should be noted that, on the one hand, a minimum diameter of the mirror 5 because of the beam distances of the three-beam interferometer 6 can not fall below (for example, in a known commercial model in each case about 12 mm). On the other hand, a too large diameter can cause floating due to the additional mass is no longer possible. The magnet arrangement 1 and the diamagnetic float 4 must be dimensioned so that, despite the additional mass of the mirror 5 a levitation is guaranteed.

In einem Ausführungsbeispiel liegt der Durchmesser des diamagnetischen Schwebekörpers 4 in der Größenordnung von ca. 5 cm. Zur Gewährleistung einer hohen Auflösung und Genauigkeit der Vorrichtung der 1 und daraus abgeleiteten Vorrichtungen und Verfahren ist vorteilhaft, wenn folgende Anforderungen erfüllt sind:

a) Die Geometrie, Dichte und die magnetischen Eigenschaften des diamagnetischen Schwebekörpers 4 sowie das Magnetfeld der Magnetanordnung 1 sind radialsymmetrisch.
b) Der Spiegel 5 und die entscheidenden mechanischen Baugruppen sind mit hoher Präzision gefertigt und ihre Ortslage exakt justiert.
c) Der Schwerpunkt der Schwebeanordnung wird je nach Vorrichtung und Verfahren geeignet gelegt (durch Wahl des Krümmungsradius, der Geometrie des diamagnetischen Hohlkugelteils 4 und Lage des Spiegels 5).
d) Die die Schwebeanordnung umgebenden Massen (Magnetanordnung 1, Gehäuse 9u u. a.) sind möglichst radialsymmetrisch anzuordnen, so dass infolge Massenanziehung die Empfindlichkeit und Genauigkeit nicht unzulässig beeinträchtigt wird.
e) Je nach Anforderung an das Messverfahren ist die Vorrichtung zu evakuieren, zu temperieren, von elektromagnetischen Feldern abzuschirmen und gegen äußere Erschütterungen bzw. Schwingungen zu isolieren.

In one embodiment, the diameter of the diamagnetic float is 4 in the order of about 5 cm. To ensure a high resolution and accuracy of the device 1 and devices and methods derived therefrom are advantageous if the following requirements are met:

a) The geometry, density and magnetic properties of the diamagnetic levitation body 4 and the magnetic field of the magnet assembly 1 are radially symmetric.
b) The mirror 5 and the crucial mechanical components are manufactured with high precision and their spatial position adjusted exactly.
c) The center of gravity of the floating arrangement is suitably placed depending on the device and method (by choice of the radius of curvature, the geometry of the diamagnetic hollow spherical part 4 and location of the mirror 5 ).
d) The masses surrounding the floating arrangement (magnet arrangement 1 , Casing 9u ua) are to be arranged as possible radially symmetrical, so that the sensitivity and accuracy is not unduly affected due to mass attraction.
e) Depending on the requirements of the measuring method, the device is to be evacuated, tempered, shielded from electromagnetic fields and insulated against external shocks or vibrations.

Unter diesen Voraussetzungen fallen die Symmetrieachsen der Magnetanordnung 1 und des diamagnetischen Schwebekörpers 4 zusammenfallen, und es wirken keine schädlichen Gegenmomente.Under these conditions, the symmetry axes of the magnet arrangement fall 1 and the diamagnetic levitation body 4 coincide, and there are no harmful counter-moments.

Mit der Justiervorrichtung 11 wird dabei die Bodenplatte 12 zum Gehäuseboden 10 so justiert, dass der mit der optischen Messeinrichtung 6 gemessene Nick- und Gierwinkel jeweils Null ist. Damit ist weiter gewährleistet, dass die Normale der Bodenplatte 12 genau mit der Richtung des Vektors der Schwerebeschleunigung und der Symmetrieachse der Magnetanordnung 1 und des Schwebekörpers 4 zusammenfällt Für das dynamische Verhalten des Schwebekörpers 4 gibt es in senkrechter und lateraler Richtung unterschiedliche Eigenfrequenzen, die in komplizierter Weise von der Geometrie der Anordnung, der Geometrie des Magnetfelds und den physikalischen Eigenschaften des diamagnetischen Schwebekörpers abhängen. Typischerweise liegen die Eigenfrequenzen in der Größenordnung von 10 HzWith the adjusting device 11 becomes the bottom plate 12 to the case back 10 adjusted so that the with the optical measuring device 6 measured pitch and yaw angles is zero. This further ensures that the normal of the bottom plate 12 exactly with the direction of the vector of gravitational acceleration and the axis of symmetry of the magnet arrangement 1 and the float 4 coincides For the dynamic behavior of the float 4 There are different natural frequencies in the vertical and lateral directions, which depend in a complicated manner on the geometry of the arrangement, the geometry of the magnetic field and the physical properties of the diamagnetic levitation body. Typically, the natural frequencies are of the order of 10 Hz

Wir bereits erwähnt, kann anstelle oder zusätzlich zum Dreistrahlinterferometer 6 ein Laserinterferometrisches Vibrometer verwendet werden, um Schwingungen des diamagnetischen Schwebekörpers 4 mit hoher Empfindlichkeit zu detektieren, wobei mit einem bekannten, handelsüblichen laserinterferometrischen Vibrometer in einem Frequenzbereich von 0 bis 500 kHz eine Auflösung von 0,1 nm erreicht wird.We already mentioned, instead of or in addition to the three-beam interferometer 6 a laser interferometric vibrometer used to oscillate the diamagnetic float 4 detect with high sensitivity, wherein with a known, commercial laser interferometric vibrometer in a frequency range of 0 to 500 kHz, a resolution of 0.1 nm is achieved.

Die Magnetanordnung 1 und die Schwebeanordnung 4 sollten gegenüber äußeren Magnetfeldern maximal abgeschirmt werden, um die erforderliche Empfindlichkeit und Genauigkeit zu gewährleisen. Diese Abschirmung ist in den Figuren nicht dargestellt. Zur Erhöhung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ist es auch zweckmäßig, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit innerhalb der Vorrichtung hinreichend konstant zu halten. Für extreme Anforderungen kann es erforderlich sein, das Volumen innerhalb der Vorrichtung zu evakuieren. Die Anordnung kann des Weiteren je nach Messaufgabe und Anforderungen in einer schwingungsisolierten Umgebung betrieben bzw. auf einer schwingungsisolierten Unterlage angeordnet werden. The magnet arrangement 1 and the floating order 4 should be shielded from external magnetic fields to ensure the required sensitivity and accuracy. This shield is not shown in the figures. To increase the accuracy and reproducibility, it is also expedient to keep the temperature and humidity within the device sufficiently constant. For extreme requirements, it may be necessary to evacuate the volume within the device. Depending on the measuring task and requirements, the arrangement can furthermore be operated in a vibration-isolated environment or arranged on a vibration-isolated base.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber bekannten Lösungen zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation sind unter anderem Folgende:

– Ein Ausgleiten des Schwebekörpers 4 ist bei geringen Neigungswinkeln wegen des Gegenmoments der diamagnetischen Kugelschale 1 nicht möglich.
– Wegen der radialen Symmetrie von Magnetfeld und Schwebekörper gibt es im Abgleichfall keinen systematischen Fehler bei der Neigungsmessung.
– Wegen der radialen Symmetrie von Magnetfeld und Schwebekörper 4 kompensiert sich der Einfluss der Wirbelströme bei Drehung der diamagnetischen Kugelschale 4 um ihre Symmetrieachse.
– Die Anordnung nach 1 kann durch Modifikation an unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden.
– Die Anordnung ist relativ einfach gehalten und ermöglicht, bei fertigungstechnischer Beherrschung der Symmetrie- und Homogenitätsanforderungen, eine kostengünstige Realisierung.

The advantages of the device according to the invention over known solutions for realizing diamagnetic levitation include the following:

- Slipping out of the float 4 is at low angles of inclination because of the counter-torque of the diamagnetic spherical shell 1 not possible.
- Due to the radial symmetry of the magnetic field and float, there is no systematic error in the inclination measurement in the adjustment case.
- Because of the radial symmetry of magnetic field and float 4 the influence of the eddy currents compensates on rotation of the diamagnetic spherical shell 4 around its axis of symmetry.
- The arrangement after 1 can be adapted to different measuring tasks by modification.
- The arrangement is kept relatively simple and allows for manufacturing control of the symmetry and homogeneity requirements, a cost-effective implementation.

Im Folgenden werden mehrere Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Die Anwendungen beruhen alle auf dem Grundprinzip, dass zunächst eine Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper erfolgt, die durch entsprechende Mittel der Vorrichtung oder durch externe Kräfte bereitgestellt wird. Die Vorrichtung umfasst Mittel zur Erfassen eines statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers 4 nach einer solchen Krafteinwirkung, die beispielsweise durch die beschriebene optische Messvorrichtung 6 bereitgestellt werden. Weiter sind Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers vorgesehen, die in Abhängigkeit von der jeweiligen Anwendung ausgeführt sind. Diese Mittel umfassen in der Regel eine rechnergestützte Auswertung.In the following, several applications of the device according to the invention will be described. The applications are all based on the basic principle that first of all a force is applied to the diamagnetic floating body, which is provided by appropriate means of the device or by external forces. The device comprises means for detecting a static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body 4 after such a force, for example, by the described optical measuring device 6 to be provided. Furthermore, means are provided for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body, which are carried out depending on the respective application. These means usually include a computer-aided evaluation.

Eine erste Anwendung zur Neigungsmessung (Inklinometer) kann der in der 1 beschriebene Aufbau bereitstellen. Die Vorrichtung zur Neigungsmessung entspricht somit der Anordnung der 1.A first application for inclination measurement (inclinometer), the in the 1 provide the structure described. The device for tilt measurement thus corresponds to the arrangement of 1 ,

Dabei werden zur Bestimmung der Neigung der Bodenplatte 12 die Achsen 8 der Magnetanordnung und des Dreistrahlinterferometers so justiert sind, dass sie genau parallel verlaufen und genau senkrecht zum Gehäuseboden 10 und zum Gehäusedeckel der Vorrichtung ausgerichtet sind. Damit ist gewährleistet, dass die Normale der Bodenplatte 12 genau mit der Richtung des Vektors der Schwerebeschleunigung zusammenfällt, wenn keine Neigung der Schwebeanordnung und damit des Spiegels nachweisbar ist.These are used to determine the inclination of the bottom plate 12 the axes 8th the magnet assembly and the three-beam interferometer are adjusted so that they are exactly parallel and exactly perpendicular to the housing bottom 10 and are aligned with the housing cover of the device. This ensures that the normal of the bottom plate 12 exactly coincides with the direction of the vector of gravitational acceleration, if no inclination of the floating order and thus of the mirror is detectable.

Dabei wird mit der Justiervorrichtung 11 die Bodenplatte 12 zum Gehäuseboden 10 so justiert, dass dieser Zustand erreicht ist (der mit dem Dreistrahlinterferometer 6 gemessene Nick- und Gierwinkel ist jeweils Null). Der mit der Justiervorrichtung 11 eingestellte Nick- und Gierwinkel der Bodenplatte 12 zum Gehäuseboden 10 ist das Maß für die Neigung der Bodenplatte 12 zur Schwerelinie.It is with the adjustment 11 the bottom plate 12 to the case back 10 adjusted so that this state is reached (the one with the three-beam interferometer 6 measured pitch and yaw angles are each zero). The one with the adjustment device 11 set pitch and yaw angles of the bottom plate 12 to the case back 10 is the measure of the inclination of the bottom plate 12 to the gravity line.

Die erzielbare Auflösung und Genauigkeit wird auch durch die stets vorhandenen Inhomogenitäten hinsichtlich Geometrie, Dichte und magnetischen Eigenschaften beeinflusst, die zu Gegenmomenten führen. Vernachlässigt man diese Inhomogenitäten, dann wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung nur durch das Dreistrahlinterferometer 6 und die Justiervorrichtung 11 bestimmt.The achievable resolution and accuracy is also influenced by the ever-present inhomogeneities in terms of geometry, density and magnetic properties, which lead to Gegenmomenten. Neglecting these inhomogeneities, then the sensitivity of the device only by the three-beam interferometer 6 and the adjusting device 11 certainly.

Bei einem Strahlabstand von ca. 12 mm beträgt die Auflösung eines bekannten kommerziellen Dreistrahlinterferometers 5,6·10^–7 Grad, die durch Vergrößerung des Strahlabstandes prinzipiell noch verbessert werden kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können durch zusätzliches Anbringen von Vorrichtungen geeigneter Orientierung (vertikal, horizontal, beliebiger Raumwinkel) an das Gehäuse 9 zur Bereitstellung z. B. von Laserstrahlen diese für hochpräzise Nivellier,- Justier und sonstige Messaufgaben genutzt werden.With a beam spacing of approximately 12 mm, the resolution of a known commercial three-beam interferometer is 5.6 × 10 ^-7 degrees, which can in principle be improved by increasing the beam spacing. With the device according to the invention can by additionally attaching devices of suitable orientation (vertical, horizontal, any solid angle) to the housing 9 for providing z. B. of laser beams they are used for high-precision level, - adjustment and other measurement tasks.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, mit der Justiervorrichtung 11 keine Winkelverstellung vorzunehmen (d. h. die Elemente 10, 11, 12 sind parallel) und die Vorrichtung in Analogie zu einer Wasserwaage zu verwenden. Dann sind die gemessenen Nick- und Gierwinkel des Dreistrahlinterferometers 6 ein Maß für die NeigungAnother possibility is with the adjusting device 11 no angular adjustment (ie the elements 10 . 11 . 12 are parallel) and to use the device in analogy to a spirit level. Then the measured pitch and yaw angles of the three-beam interferometer are 6 a measure of the inclination

Zusammengefasst: Gemäß einer ersten Variante a) wird vor Beginn der Messung die Vorrichtung justiert. Der mit der Justiervorrichtung 11 eingestellte Nick- und Gierwinkel der Bodenplatte 12 zum Gehäuseboden 10 ist das Maß für die Neigung der Bodenplatte 12 zur Schwerelinie. Dabei können an das Gehäuse 9 Vorrichtungen angebracht werden, die Laserstrahlen mit definierter Orientierung (vertikal, horizontal, beliebiger Raumwinkel) aussenden, die für hochpräzise Nivellier,- Justier oder sonstige Messaufgaben genutzt werden. Gemäß einer zweiten Variante b) wird mit der Justiervorrichtung 11 wird keine Winkelverstellung vorgenommen, so dass der Gehäuseboden 10 und die Bodenplatte 12 genau parallel zueinander sind. Die Vorrichtung wird in Analogie zu einer Wasserwaage verwendet. Die mit dem Dreistrahlinterferometer gemessenen Nick- und Gierwinkel sind dann ein Maß für die Neigung der Bodenplatte 12 zum Vektor der Schwerebeschleunigung. Für beide Varianten ist zur Bestimmung der Zahlenwerte der Neigung jeweils dieselbe Kalibrierung der Vorrichtung erforderlich. In summary: According to a first variant a), the device is adjusted before starting the measurement. The one with the adjustment device 11 set pitch and yaw angles of the bottom plate 12 to the case back 10 is the measure of the inclination of the bottom plate 12 to the gravity line. It can be attached to the housing 9 Attached devices that emit laser beams with a defined orientation (vertical, horizontal, arbitrary solid angle), which are used for high-precision leveling, - adjusting or other measuring tasks. According to a second variant b) is with the adjusting device 11 No angle adjustment is made so that the case bottom 10 and the bottom plate 12 are exactly parallel to each other. The device is used in analogy to a spirit level. The pitch and yaw angles measured with the three-beam interferometer are then a measure of the inclination of the base plate 12 to the vector of gravitational acceleration. For both variants, the same calibration of the device is required to determine the numerical values of the slope.

Es ist prinzipiell möglich, das Interferometersignal zu nutzen, um diesen Einstellvorgang zu automatisieren. Ferner ist es möglich, dieses Signal in einer Rückkopplung nach bekannten Methoden zu verwenden, um mit elektrostatischen oder magnetischen Kräften das Ausgleiten und das dynamische Verhalten des diamagnetischen Schwebekörpers zu beeinflussen.It is possible in principle to use the interferometer signal to automate this adjustment process. Furthermore, it is possible to use this signal in feedback according to known methods to influence with electrostatic or magnetic forces the sliding and the dynamic behavior of the diamagnetic floating body.

Für eine zweite Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Erschütterungen und Schwingungen (Seismometer) kann ebenfalls der in der 1 beschriebene Aufbau verwendet werden.For a second application of the device according to the invention for the detection of shocks and vibrations (seismometer) can also in the 1 described structure can be used.

Seit ca. 10 Jahren ist in der Fachwelt bekannt, dass für Vibrationserscheinungen der Erde nicht nur Erdbeben und Vulkanausbrüche verantwortlich sind, sondern dass die Erde auch äußerst geringfügige Eigenschwingungen („Erdbrummen”) in vertikaler und horizontaler Richtung mit einem Frequenzspektrum im Bereich von 3 bis 7 mHz ausführt. Das vertikale Heben und Senken des Erdbodens erfolgt in der Größenordnung von 100 nm, deren Ursachen noch nicht vollständig verstanden werden.For about 10 years, it has been known in the art that not only earthquakes and volcanic eruptions are responsible for the earth's vibration phenomena, but that the earth also has extremely slight natural oscillations ("earth humming") in the vertical and horizontal directions with a frequency range in the range of 3 to 7 mHz. The vertical lifting and lowering of the soil is on the order of 100 nm, the causes of which are not fully understood.

Zu Beginn der Messung erfolgt eine Justierung mittels der Justiervorrichtung 11 derart, dass die Normale des Spiegels 5 mit dem Vektor der Schwerebeschleunigung zusammenfällt. Es können durch Anbringen eines laserinterferometrischen Vibrometers 6 anstelle eines Dreistrahlinterferometers Vibrationen des diamagnetischen Schwebekörpers in z-Richtung (senkrecht zur Spiegelfläche) mit hoher Empfindlichkeit (0,1 nm) nachgewiesen werden, wobei die Eigenfrequenz des Schwebekörpers durch eine Zusatzmasse in bestimmten Grenzen eingestellt werden kann.At the beginning of the measurement, adjustment takes place by means of the adjusting device 11 such that the normal of the mirror 5 coincides with the vector of gravitational acceleration. It can be done by attaching a laser interferometric vibrometer 6 Instead of a three-beam interferometer vibrations of the diamagnetic levitation in the z-direction (perpendicular to the mirror surface) are detected with high sensitivity (0.1 nm), wherein the natural frequency of the float can be adjusted by an additional mass within certain limits.

Weiterhin können bei gleichzeitiger Verwendung eines laserinterferometrischen Vibrometers 6 und eines Dreistrahlinterferometers 6 mittels einer rechnergestützten Auswertung der Messergebnisse aus Nick- und Gierwinkel zusätzliche Informationen über das dynamische Verhalten des diamagnetischen Schwebekörpers 4 und damit über Erschütterungen und Schwingungen gewonnen werden. Zur Gewinnung quantitativer Aussagen ist eine Kalibrierung der Vorrichtung erforderlich.Furthermore, with the simultaneous use of a laser interferometric vibrometer 6 and a three-beam interferometer 6 by means of a computer-aided evaluation of the measurement results of pitch and yaw angle additional information about the dynamic behavior of the diamagnetic floating body 4 and thus be gained over vibrations and vibrations. To obtain quantitative statements, a calibration of the device is required.

Anhand der 2 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerebeschleunigung aus der Eigenresonanz der Schwebevorrichtung erläutert. Dabei sind zusätzlich Mittel vorgesehen, mit denen von unten berührungsfrei ein Kraftfeld auf den diamagnetischen Schwebekörper einwirken kann, um ihn in Schwingungen zu versetzen. Das Kraftfeld muss radialsymmetrisch sein und seine Symmetrieachse muss mit der Schwerelinie des Schwebekörpers 4 zusammenfallen. Auf diese Weise wird ein Kippen des Schwebekörpers vermieden.Based on 2 An application of the device according to the invention for determining the gravitational acceleration from the self-resonance of the levitation device is explained. In this case, additional means are provided with which from below a force field can act on the diamagnetic float to contact it to vibrate it. The force field must be radially symmetric and its axis of symmetry must be aligned with the gravity line of the float 4 coincide. In this way, tilting of the float is avoided.

Diese Mittel können z. B. entweder aus einer stromdurchflossenen konzentrischen Spule 142 bestehen, die außerhalb oder innerhalb der zylindrischen Magnetanordnung angeordnet ist, je nachdem, ob die Magnetanordnung den Raum bis zur Symmetrieachse vollständig oder nicht vollständig ausgefüllt, und/oder aus einem elektroakustischen Wandler (Lautsprecher) 141 unterhalb der zylindrischen Magnetanordnung. Zu Beginn der Messung erfolgt eine Justierung mittels der Justiervorrichtung 11 derart, dass die Normale des Spiegels 5 mit dem Vektor der Gravitationsbeschleunigung zusammenfällt.These agents can z. B. either from a current-carrying concentric coil 142 which is arranged outside or inside the cylindrical magnet arrangement, depending on whether the magnet arrangement completely or not completely fills the space up to the axis of symmetry, and / or of an electroacoustic transducer (loudspeaker) 141 below the cylindrical magnet arrangement. At the beginning of the measurement, adjustment takes place by means of the adjusting device 11 such that the normal of the mirror 5 coincides with the vector of gravitational acceleration.

Die Anregung der Schwingung der Schwebeanordnung erfolgt sinusförmig oder impulsförmig und intermittierend mit einer Frequenz in der Nähe ihrer Eigenfrequenz oder mit ihrer Eigenfrequenz (maximale Schwingungsamplitude) in Richtung der Schwerelinie des Schwebekörpers 4. Der zeitliche Verlauf der Schwingungen des Schwebekörpers 4 wird mit einem laserinterferometrischen Vibrometer 6 gemessen und rechnergestützt ausgewertet. Da die gemessene Frequenz des Schwebekörpers 4 auch infolge der Wirbelströme auch von seiner Amplitude abhängt, ist die Auswertung bei möglichst kleinen Schwingungsamplituden vorzunehmen.The oscillation oscillation is excited in a sinusoidal or pulsed and intermittent manner at a frequency near its natural frequency or at its natural frequency (maximum oscillation amplitude) in the direction of the gravity line of the float 4 , The time course of the oscillations of the float 4 is done with a laser interferometric vibrometer 6 measured and evaluated computer-aided. As the measured frequency of the float 4 also depends on its amplitude as a result of the eddy currents, the evaluation is carried out at the smallest possible vibration amplitudes.

Für die Eigenfrequenz einer gedämpften Masse-Feder-Anordnung gilt:

For the natural frequency of a damped mass-spring arrangement:

Dabei gibt s_a den Federweg und δ den Abklingkoeffizienten an. Bei der Schwebeanordnung wird der Federweg vor allem durch das magnetische Feld der Dauermagnetanordnung bestimmt. Der Abklingkoeffizient wird durch die Wirbelströme im diamagnetischen Schwebekörper und geringfügig durch die Reibung an den Luftmolekülen bestimmt. Nach geeigneter Kalibrierung lässt sich g mit hoher Präzision bestimmen.Where s is _a suspension travel and δ to the Abklingkoeffizienten. In the floating arrangement, the spring travel is determined primarily by the magnetic field of the permanent magnet arrangement. The decay coefficient is determined by the eddy currents in the diamagnetic float and slightly by the friction at the air molecules. After suitable calibration g can be determined with high precision.

Aufgrund der extremen Anforderungen an die Auflösung und Genauigkeit ist eine Temperaturstabilisierung, Evakuierung und regelmäßige Kalibrierung der Vorrichtung sinnvoll.Due to the extreme demands on the resolution and accuracy, a temperature stabilization, evacuation and regular calibration of the device makes sense.

Anhand der 3 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Gewinnung von Informationen über Eigenschaften einer Gasströmung beschrieben. Dabei wird die Vorrichtung durch zentrisches Anbringen eines nichtmagnetischen, radialsymmetrischen Körpers 15 an den diamagnetischen Schwebekörper 4 erweitert, der für eine horizontale Gasströmung eine Prallfläche bietet und einen Hohlzylinder bildet. Die Schwerelinie dieses Körpers 15 muss sich dabei genau mit der Schwerelinie des diamagnetischen Schwebekörpers 4 decken. Der Körper 15 weist eine möglichst geringe Masse auf.Based on 3 An application of the device according to the invention for obtaining information about properties of a gas flow is described. In this case, the device by centric attachment of a non-magnetic, radially symmetrical body 15 to the diamagnetic float 4 extended, which provides a baffle for a horizontal gas flow and forms a hollow cylinder. The gravity line of this body 15 must be exactly with the gravity line of the diamagnetic float 4 cover. The body 15 has the lowest possible mass.

Der in 3 dargestellte Hohlzylinder 15 mit μ_r ≈ 1 ist als eine mögliche Ausführungsvariante aufzufassen. Voraussetzung ist, dass die räumliche Ausdehnung der Gasströmung mindestens so groß ist wie der Außendurchmesser des Hohlzylinders 15 und nicht über seine Oberkante hinausgeht.The in 3 illustrated hollow cylinder 15 with μ _r ≈ 1 is to be regarded as a possible embodiment variant. The prerequisite is that the spatial extent of the gas flow is at least as large as the outer diameter of the hollow cylinder 15 and do not go beyond its top edge.

Zu Beginn der Messung erfolgt ohne Gasströmung eine Justierung mittels der Justiervorrichtung 11 derart, dass die Senkrechte des Spiegels 5 mit dem Vektor der Schwerebeschleunigung zusammenfällt. Ist die Intensität der Gasströmung homogen, dann kippt die diamagnetische Kugelschale 4 mit dem Hohlzylinder 15 in eine Richtung, die der Richtung der Gasströmung entspricht. Der mit dem mit dem Dreistrahl-Interferometer 6 gemessenen Nickwinkel stellt ein Maß für die Intensität der Gasströmung dar. Sowohl die horizontalen Komponenten als auch die vertikale Komponente der Intensität der Gasströmung gehen in diesen Wert ein.At the beginning of the measurement, an adjustment by means of the adjusting device takes place without gas flow 11 such that the perpendicular of the mirror 5 coincides with the vector of gravitational acceleration. If the intensity of the gas flow is homogeneous, then the diamagnetic spherical shell tilts 4 with the hollow cylinder 15 in a direction that corresponds to the direction of gas flow. The one with the three-beam interferometer 6 measured pitch angle is a measure of the intensity of the gas flow. Both the horizontal components and the vertical component of the intensity of the gas flow enter into this value.

Eine Inhomogenität der Gasströmung in der horizontalen Ebene über den Durchmesser des Hohlzylinders 15 kann bei entsprechender Empfindlichkeit der Vorrichtung bzw. ausreichender Intensität der Gasströmung zu einer einmaligen Drehung um einen Winkelbereich oder zur Rotation des Hohlzylinders 15 führen. Eine Inhomogenität bezüglich der der vertikalen Komponente führt dazu, dass der mit dem Interferometer 6 gemessene Gierwinkel von Null verschieden ist und mit zunehmender Inhomogenität zunimmt.An inhomogeneity of the gas flow in the horizontal plane over the diameter of the hollow cylinder 15 can with appropriate sensitivity of the device or sufficient intensity of the gas flow to a single turn by an angular range or rotation of the hollow cylinder 15 to lead. An inhomogeneity with respect to the vertical component leads to that with the interferometer 6 measured yaw angle is different from zero and increases with increasing inhomogeneity.

Anhand der 4 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung einer Masse aus dem Kippwinkel der diamagnetischen Schwebeanordnung beschrieben. Dabei ist die Vorrichtung durch eine Vorrichtung zur Aufnahme der Masse ergänzt. Dazu wird z. B. am unteren äußeren Rand der diamagnetischen Schwebeanordnung ein dünner Faden 16 befestigt, an dessen unterem Ende über drei um 180 Grad versetzte Fäden 17 eine Schale 18 zur Aufnahme einer Masse 19 angebracht ist.Based on 4 An application of the device according to the invention for determining a mass from the tilt angle of the diamagnetic suspension arrangement is described. The device is supplemented by a device for receiving the mass. This is z. B. at the lower outer edge of the diamagnetic Schwebeanordnung a thin thread 16 attached, at its lower end over three staggered by 180 degrees threads 17 a bowl 18 for receiving a mass 19 is appropriate.

Durch die Platte 3 mit hoher magnetischer Permeabilität an der Unterseite der Magnetanordnung 1 ist der magnetische Streufluss darunter vernachlässigbar gering ist.Through the plate 3 with high magnetic permeability at the bottom of the magnet assembly 1 the magnetic leakage flux underneath is negligible.

Durch die Eigenmasse der Aufnahmevorrichtung 16, 17, 18 und verstärkt durch die zu bestimmende Masse 19 kippt die Schwebevorrichtung um einen Winkel, der durch den Gleichgewichtszustand zwischen dem Kippmoment infolge der Elemente 16, 17, 19 und dem Gegenmoment bestimmt wird, das durch die im Schwerpunkt der Schwebeanordnung angreifende Schwerebeschleunigung entsteht. Der Kippwinkel entspricht dem mittels Dreistrahlinterferometer 6 gemessenen Gierwinkel des Spiegels 5.By the net weight of the receiving device 16 . 17 . 18 and reinforced by the mass to be determined 19 tilts the levitation device by an angle caused by the state of equilibrium between the tilting moment due to the elements 16 . 17 . 19 and the counter-moment is determined, which is caused by the gravitational acceleration acting in the center of gravity of the floating order. The tilt angle corresponds to that by means of a three-beam interferometer 6 measured yaw angle of the mirror 5 ,

Weiter wird an der äußeren Kante der diamagnetischen Schale 1 diametral gegenüber dem Befestigungspunkt der Aufnahmevorrichtung 16 eine Masse 20 mit μ_r ≈ 1 befestigt. Das Gewicht der Aufnahmevorrichtung 16, 17, 19 wird einmalig so abgeglichen, dass der Kippwinkel ohne zu messende Masse 19 Null ist. Zu Beginn der Messung wird ohne zu bestimmende Masse mit der Justiervorrichtung 11 die Bodenplatte 12 zum Gehäuseboden 10 so justiert, dass der mit dem Dreistrahl-Interferometer gemessener Nick- und Gierwinkel jeweils Null ist, so dass die Schwerelinie der Schwebevorrichtung genau senkrecht zum Spiegel 5 steht. Durch Auflegen der Masse 19 auf die Schale 18 kippt die Schwebeanordnung in einen Gleichgewichtszustand, wobei der Kippwinkel proportional der Masse ist. Zur zahlenmäßigen Bestimmung muss die Vorrichtung zuvor kalibriert werden.Next is at the outer edge of the diamagnetic shell 1 diametrically opposite the attachment point of the receiving device 16 a mass 20 attached with μ _r ≈ 1. The weight of the cradle 16 . 17 . 19 is adjusted once so that the tilt angle without mass to be measured 19 Is zero. At the beginning of the measurement is without mass to be determined with the adjusting device 11 the bottom plate 12 to the case back 10 adjusted so that the measured with the three-beam interferometer pitch and yaw angle is zero, so that the gravity line of the hovering device exactly perpendicular to the mirror 5 stands. By applying the mass 19 on the shell 18 tilts the floating arrangement in an equilibrium state, where the tilt angle is proportional to the mass. For numerical determination, the device must first be calibrated.

Aufgrund der geringen diamagnetischen Levitationskraft ist das Verfahren auf eine zu bestimmende Masse von einigen wenigen Gramm beschränkt. Die Empfindlichkeit ist umso größer, je geringer die Masse m_s der Schwebeanordnung im Verhältnis zur unbekannten Masse m ist und je höher der Schwerpunkt der Schwebeanordnung liegt. Wenn der Schwerpunkt der Schwebeanordnung genau im Mittelpunkt einer Hohlkugel liegen würde, dann gäbe es kein Gegenmoment und die Empfindlichkeit wäre unendlich hoch. Dies ist jedoch aus folgenden Gründen nicht erreichbar:

a) Bei einer derartigen Ausführung wäre die Schwebebedingung auf Grund der Hohlkugelmasse nicht erfüllbar
b) Die stets vorhandenen Inhomogenitäten hinsichtlich Geometrie, Dichte und magnetischen Eigenschaften führen zu Gegenmomenten.

Due to the low diamagnetic levitation force, the process is limited to a certain mass of a few grams. The sensitivity is greater, the lower the mass m _{s of} the floating order in relation to the unknown mass m and the higher the center of gravity of the floating order is. If the center of gravity of the floating order were exactly in the center of a hollow sphere, then there would be no counter-moment and the sensitivity would be infinitely high. However, this is not achievable for the following reasons:

a) In such an embodiment, the hover condition would not be fulfilled due to the hollow ball mass
b) The constant inhomogeneities with regard to geometry, density and magnetic properties lead to counter moments.

Vernachlässigt man diese Inhomogenitäten, dann wird die Empfindlichkeit der Vorrichtung nur durch die Auflösung des Dreistrahlinterferometers 6 zur Messung des Kippwinkels (Gierwinkel) und vom Verhältnis m/m_s bestimmt.Neglecting these inhomogeneities, then the sensitivity of the device only by the resolution of the three-beam interferometer 6 for measuring the tilt angle (yaw angle) and the ratio m / m _s .

Durch Anbringen des Spiegels 5 auf der Öffnung der diamagnetischen Kugelschale 4 wird der Schwerpunkt des Schwebekörpers 4 nach oben verlagert, was zu einer Erhöhung der Empfindlichkeit führt.By attaching the mirror 5 on the opening of the diamagnetic spherical shell 4 becomes the center of gravity of the float 4 shifted upwards, which leads to an increase in sensitivity.

Einen entscheidenden Einfluss auf die Genauigkeit der Massemessung hat die Präzision der Justierung der Vorrichtung vor Beginn der Messung ohne zu messende Masse m mit dem Ziel, dass der mit dem Dreistrahlinterferometer 6 gemessene Nick- und Gierwinkel möglichst jeweils Null ist. Ferner ist zu beachten, dass sich ein systematischer Fehler dadurch ergibt, dass die Schwerpunkte der Schwebeanordnung und der zu bestimmenden Masse m in unterschiedlicher Höhe lokalisiert sind, wodurch die Höhenabhängigkeit der Schwerebeschleunigung g einen Einfluss auf die Genauigkeit bekommt. Der maßgebende Schweregradient beträgt ca. 3·10^–7 g/cm.A decisive influence on the accuracy of the mass measurement has the precision of the adjustment of the device before starting the measurement without mass m to be measured with the aim of that with the three-beam interferometer 6 measured pitch and yaw angles is zero, if possible. It should also be noted that a systematic error results from the fact that the centers of gravity of the floating order and the mass m to be determined are located at different heights, whereby the height dependence of the gravitational acceleration g has an influence on the accuracy. The governing gravity gradient is approximately 3 · 10 ^-7 g / cm.

Anhand der 5 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Schwerebeschleunigung nach der vertikalen Wagemethode beschrieben.Based on 5 An application of the device according to the invention for determining the gravitational acceleration according to the vertical carriage method is described.

Der Grundgedanke zur Anwendung der Wagemethode darin, anstelle eines mechanischen Lagers (z. B. einer Schneide) ein nahezu reibungsfreies Magnetlager auf der Basis der diamagnetischen Levitation zu verwenden, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Ausgehend von der Vorrichtung nach der 1 wird diese in Analogie zur Vorrichtung nach 4 so ergänzt, dass am unteren äußeren Rand der diamagnetischen Schwebeanordnung ein dünner Faden 16 befestigt wird, an dessen unterem Ende eine Aufnahmevorrichtung für eine Testmasse 19 mit μ_r ≈ 1 angebracht ist, die aus einer Schale 18 an drei um 180 Grad versetzten Fäden 17 besteht. Aufgrund der geringen diamagnetischen Levitationskraft liegt die Masse 19 im Grammbereich oder darunter. Die Testmasse 19 bewirkt eine Neigung der diamagnetischen Schale 4, die proportional zu der Masse m 19 und der Schwerebeschleunigung g ist.The basic idea for using the carriage method is to use a nearly frictionless magnetic bearing based on diamagnetic levitation instead of a mechanical bearing (eg a blade) in order to achieve high sensitivity. Starting from the device according to the 1 this is in analogy to the device after 4 so supplemented that at the lower outer edge of the diamagnetic floating order a thin thread 16 is attached, at its lower end a receiving device for a test mass 19 attached with μ _r ≈ 1, which consists of a shell 18 at three staggered by 180 degrees threads 17 consists. Due to the low diamagnetic Levitationskraft lies the mass 19 in the gram range or below. The test mass 19 causes a tilt of the diamagnetic shell 4 , which is proportional to the mass m 19 and the gravitational acceleration g.

Es wird diametral auf der anderen Seite der diamagnetischen Schale an einem Punkt 21 eine Kraft zur Wirkung gebracht, die in Richtung des Schwerevektors nach unten gerichtet ist.It will be diametrically on the other side of the diamagnetic shell at one point 21 a force is applied, which is directed in the direction of the gravity vector down.

Das System ist gemäß Wageprinzip abgeglichen bzw. befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn der Spiegel 5 eine horizontale Lage einnimmt, was mittels des Dreistrahlinterferometers 6 mit hoher Auflösung angezeigt wird. Da eine Drehung der diamagnetischen Schale 4 nicht ausgeschlossen werden kann, muss die Kraftwirkung unabhängig davon sein. Erreicht wird dies dadurch, dass am Punkt 21 mittels eines Fadens 22 ein Körper 23 mit hoher Dielektrizitätskonstante ε_r angebracht wird, der berührungsfrei in den Luftspalt einer Kondensatoranordnung eintaucht. Durch Anlegen einer Spannung an die Elektroden 24 der Kondensatoranordnung wird der Körper 23 nach unten in den Luftspalt der Kondensatoranordnung hineingezogen.The system is balanced according to the weighing principle or is in the equilibrium state when the mirror 5 assumes a horizontal position, which by means of the three-beam interferometer 6 with high resolution. Because a rotation of the diamagnetic shell 4 can not be excluded, the force must be independent of it. This is achieved by the fact that at the point 21 by means of a thread 22 a body 23 is mounted with a high dielectric constant ε _r , which dips into the air gap of a capacitor arrangement without contact. By applying a voltage to the electrodes 24 the capacitor arrangement becomes the body 23 pulled down into the air gap of the capacitor assembly.

Dazu wird ein Hohlzylinder 25 unterhalb der diamagnetischen Schwebeanordnung angeordnet, an dem die Kondensatoranordnung als Teil eines Zylinderkondensators konzentrisch angebracht ist. Der Hohlzylinder 25 und damit der Zylinderkondensator kann mit einer Aussparung versehen werden, damit der Körper 23 mit seiner Querschnittsfläche einen großen Bereich in der Kondensatoranordnung einnimmt, wodurch die Kraftwirkung auf den Körper 23 erhöht wird.This is a hollow cylinder 25 arranged below the diamagnetic Schweungsanordnung to which the capacitor assembly is mounted as part of a cylindrical capacitor concentric. The hollow cylinder 25 and thus the cylinder capacitor can be provided with a recess to allow the body 23 with its cross-sectional area occupies a large area in the capacitor assembly, whereby the force acting on the body 23 is increased.

Die Masse des Körpers 23 und die Masse der Aufnahmevorrichtung 16, 17, 18 für die Testmasse 19 werden einmalig so abgeglichen, dass der Kippwinkel ohne Spannung am Kondensator Null ist. Nach Auflegen der Testmasse 19 kippt die diamagnetische Schale 4 in Analogie zur Vorrichtung nach der 4 um einen bestimmten Winkel. Durch Anlegen einer Spannung U an die Kondensatoranordnung kann das System so abgeglichen werden, dass der Kippwinkel Null ist. Die gesuchte Schwerebeschleunigung g ergibt sich aus der Kraft (~U²) des Kondensators auf den Körper 23, der Testmasse 19 und dem Radius bis zur Außenkante der diamagnetischen Schale 4. The mass of the body 23 and the mass of the cradle 16 . 17 . 18 for the test mass 19 are adjusted once so that the tilt angle without voltage at the capacitor is zero. After applying the test mass 19 tilts the diamagnetic shell 4 in analogy to the device according to the 4 at a certain angle. By applying a voltage U to the capacitor arrangement, the system can be adjusted so that the tilt angle is zero. The desired gravitational acceleration g results from the force (~ U ² ) of the capacitor on the body 23 , the test mass 19 and the radius to the outer edge of the diamagnetic shell 4 ,

Zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung sind die Fertigung und Montage des Hohlzylinders 25 und der Kondensatoranordnung ebenfalls mit höchster Präzision vorzunehmen. Ferner sollten wegen des Einflusses des Schweregradienten auf den Messfehler die Schwerpunkte der Testmasse 19 und des Körpers 23 möglichst auf gleicher Höhe liegen.To achieve a sufficient accuracy and reproducibility of the measurement, the production and assembly of the hollow cylinder 25 and to make the capacitor assembly also with the highest precision. Further, because of the influence of the severity gradient on the measurement error, the centroid of the test mass should 19 and the body 23 preferably at the same height.

Anhand der 6 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten durch Realisierung einer horizontalen Drehwaage beschrieben. Die Gravitationskonstante bestimmt als Proportionalitätsfaktor im Newtonschen Gravitationsgesetz die Kraftwirkung zweier sich anziehender Massen. Sie lässt sich nur dadurch bestimmen, dass man die von einer Masse (Feldmasse) ausgehende Anziehungskraft auf eine zweite Masse (Testmasse) bestimmt. Sie besitzt eine elementare Bedeutung u. a. für die Parameter von Planetenbahnen und bei der Ermittlung der Dichte von Planeten. Sie bildet nach Planck zusammen mit dem Planckschen Wirkungsquantum h und der Lichtgeschwindigkeit c ein absolutes Einheitensystem. Eine möglichst genaue Bestimmung der Gravitationskonstante G hat eine hohe Bedeutung für den Erkenntnisfortschritt in der Physik.Based on 6 an application of the device according to the invention for determining the Newtonian gravitational constant by implementing a horizontal rotary scale is described. The gravitational constant determines the force effect of two attractive masses as a proportionality factor in Newton's law of gravitation. It can only be determined by determining the force of attraction of a mass (field mass) on a second mass (test mass). It has an elementary meaning, among other things, for the parameters of planetary orbits and in the determination of the density of planets. According to Planck, it forms an absolute system of units together with Planck's constant h and the speed of light c. The most accurate determination of the gravitational constant G is of great importance for the progress of knowledge in physics.

Der Grundgedanke zur erfindungsgemäßen Realisierung einer horizontalen Drehwaage besteht darin, dass anstelle eines üblichen Torsionsfadens zur Aufhängung der die Testmasse tragenden Anordnung eine diamagnetische Aufhängung verwendet wird, die gemäß 1 radial-symmetrisch ist. Dadurch ist das bei Drehung des diamagnetischen Körpers 4 wirkende Gegenmoment („Torsionsmoment”) bei völliger Symmetrie Null, was praktisch jedoch nicht zu erreichen ist. Von Einfluss ist die nicht vollständige Radial-Symmetrie hinsichtlich Geometrie, Dichte und Magnetfeld der Schwebeanordnung sowie der umgebenden Massen. Das Gegenmoment bei einer Auslenkung des Schwebekörpers 4 aus der Ruhelage wird also durch stets vorhandene Abweichungen von einer perfekten Symmetrie bereitgestellt.The basic idea for the realization according to the invention of a horizontal torsion balance is that instead of a customary torsion thread for suspending the assembly carrying the test mass, a diamagnetic suspension is used, which according to FIG 1 is radially symmetric. This is what happens when the diamagnetic body is rotated 4 acting counter-torque ("torsional moment") with complete symmetry zero, which is practically impossible to achieve. Influence is the incomplete radial symmetry with respect to geometry, density and magnetic field of the floating arrangement as well as the surrounding masses. The counter-torque at a deflection of the float 4 from the rest position is thus provided by always existing deviations from a perfect symmetry.

Da hierbei die Wirbelströme im diamagnetischen Schwebekörper einen entscheidenden Einfluss haben, ist das „Torsionsmoment” in der Regel geschwindigkeitsabhängig. Deshalb wird die Vorrichtung derart symmetrisch ausgelegt, dass das verbleibende „Torsionsmoment” hinreichend kleiner ist als ein präzise einzustellendes und zu kalibrierendes Moment, das für die übliche Auswertung (statische oder dynamische Methode) zur Anwendung kommt.Since the eddy currents in the diamagnetic float have a decisive influence, the "torsional moment" is usually speed-dependent. Therefore, the device is designed symmetrically such that the remaining "torsional moment" is sufficiently smaller than a precise moment to be set and calibrated, which is used for the usual evaluation (static or dynamic method).

Damit die umgebenden Massen einen geringen Einfluss auf die Empfindlichkeit und Genauigkeit haben, sollten sie möglichst in großer Entfernung von den Test- und Feldmassen und möglichst symmetrisch angeordnet werden.So that the surrounding masses have little influence on the sensitivity and accuracy, they should be arranged as far as possible from the test and field masses and as symmetrically as possible.

Die Vorrichtung der 1 wird gemäß der 6 wie folgt modifiziert und ergänzt (für die einzelnen Teile gelten wegen der großen Abstände der umgebenden Massen unterschiedliche Maßstäbe): Zur Aufnahme von Teilen einer horizontalen Drehwaage unterhalb der Schwebeanordnung wird der Hohlzylinder 7 mit μ_r ≈ 1 radial nach außen verlagert. Der Bereich unterhalb des hochpermeablen Materials 3 wird durch weitere Maßnahmen geschirmt (nicht eingezeichnet). Im Scheitel 41 des diamagnetischen Schwebekörpers 4 und genau senkrecht zur Tangente im Scheitel wird eine dünne Stange 26 (als Zylinder oder Hohlzylinder ausgeführt) angebracht, an der senkrecht dazu eine Querstange 27 zur Befestigung von 2 Testmassen 28 angebracht ist. Zwei Feldmassen 29 werden in bekannter Weise positioniert, worauf nicht näher eingegangen wird, da dies nicht erfindungsrelevant ist. Der Versuchsablauf und die Auswertung (statische oder dynamische Methode) entsprechen den bekannten Verfahren.The device of 1 is in accordance with the 6 Modified and supplemented as follows (due to the large distances of the surrounding masses, different scales apply to the individual parts): The hollow cylinder is used to accommodate parts of a horizontal torsion balance below the floating arrangement 7 displaced radially outwards with μ _r ≈ 1. The area below the high-permeability material 3 is shielded by other measures (not shown). In the crown 41 of the diamagnetic floating body 4 and exactly perpendicular to the tangent at the apex becomes a thin pole 26 (designed as a cylinder or hollow cylinder) mounted on the perpendicular to a crossbar 27 for fixing 2 test masses 28 is appropriate. Two field masses 29 are positioned in a known manner, which is not discussed in more detail, since this is not relevant to the invention. The experimental procedure and the evaluation (static or dynamic method) correspond to the known methods.

Das in die Auswertung eingehende „Torsionsmoment” wird durch ein Verdrehen des Schwebekörpers 4 bestimmt, dass die Gravitationskraft zwischen den Testmassen 28 und den Feldmassen 29 bewirkt. Das Verdrehen wird hochpräzise über die optische Messvorrichtung 6 erfasst.The "torsional moment" entering into the evaluation is achieved by rotating the float 4 determines that the gravitational force between the test masses 28 and the field masses 29 causes. The twisting becomes highly precise via the optical measuring device 6 detected.

Eine evtl. auftauchende Schwierigkeit bei der genauen Befestigung der Stange 26 an den diamagnetischen Schwebekörper 4 kann umgangen werden, indem anstelle des oberen Teils der Stange 26 ein Torsionsfaden mit großem Torsionsmoment verwendet wird, der sich aber trotzdem ausreichend genau in Richtung des Vektors der Schwerebeschleunigung ausrichtet.A possibly emerging difficulty in the exact attachment of the rod 26 to the diamagnetic float 4 Can be bypassed by replacing the top of the rod 26 one Torsionsfaden is used with a large torsional moment, but nevertheless aligned sufficiently accurately in the direction of the vector of gravitational acceleration.

Um den Einfluss magnetischer Streufelder zu unterbinden, sind die Testmassen 28 und sonstigen Teile der Aufhängung aus Material mit μ_r ≈ 1 ausgeführt. Ein hochpermeabler, zentrisch angebrachter Zylinderflansch 30 schirmt die Stange 26 zusätzlich ab.To prevent the influence of stray magnetic fields, the test masses 28 and other parts of the suspension made of material with μ _r ≈ 1. A highly permeable, centrically mounted cylinder flange 30 shields the rod 26 in addition.

Anhand der 7 wird eine Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten nach der vertikalen Wagemethode beschrieben.Based on 7 An application of the device according to the invention for determining Newton's gravitational constant according to the vertical carriage method is described.

Der Grundgedanke zur Realisierung einer vertikalen Waage entsprechend der Vorrichtung der 5 besteht darin, anstelle eines mechanischen Lagers (z. B. einer Schneide) ein nahezu reibungsfreies Magnetlager auf der Basis der diamagnetischen Levitation zu verwenden, um eine hohe Empfindlichkeit zu erreichen. Gemäß der 7 wird eine kugelförmige Testmasse 31 unmittelbar an einem Faden 16 befestigt, um eine definierte Position zu einer Feldmasse 32 zu garantieren. Die Vorrichtung nach 5 und das diesbezüglich beschriebene Verfahren werden so ergänzt und modifiziert, dass nach durchgeführtem Abgleich der Waage nur mit der Testmasse 31 danach die Feldmasse 32 hochgenau dicht unterhalb der Testmasse 31 positioniert wird, wodurch infolge Massenanziehung die Testmasse 31 etwas nach unten gezogen wird. Danach erfolgt ein erneuter Abgleich der Waage durch Verändern der Spannung um einen Betrag ΔU an den Platten 24 der Kondensatoranordnung. In die Berechnung der Newtonschen Gravitationskonstante G gehen ein: die Geometrie, Masse und Abstände von Test- und Feldmasse 31, 32, die für den Abgleich erforderliche Spannungsänderung ΔU sowie die Geometrie und Dichte der umgebenden Massen zur Berücksichtigung und Korrektur ihres Einflusses auf das Messergebnis.The basic idea for the realization of a vertical balance according to the device of 5 is to use a nearly frictionless magnetic bearing based on diamagnetic levitation instead of a mechanical bearing (eg, a blade) to achieve high sensitivity. According to the 7 becomes a spherical test mass 31 directly on a thread 16 attached to a defined position to a field mass 32 to guarantee. The device after 5 and the method described in this regard are supplemented and modified so that after comparison of the balance with the test mass 31 then the field mass 32 high precision tightly below the test mass 31 is positioned, resulting in mass attraction, the test mass 31 something is pulled down. Thereafter, the scale is readjusted by changing the voltage by an amount ΔU on the plates 24 the capacitor arrangement. In the calculation of Newton's gravitational constant G enter: the geometry, mass and distances of test and field mass 31 . 32 , the voltage change .DELTA.U required for the adjustment and the geometry and density of the surrounding masses to take into account and correct their influence on the measurement result.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2006/0162452 A1 [0002] US 2006/0162452 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zur Realisierung einer diamagnetischen Levitation ohne Verwendung supraleitender Körper, mit einer Magnetanordnung, die ein magnetisches Feld erzeugt, und mit einem diamagnetischen Schwebekörper, der geeignet ist, in dem durch die Magnetanordnung bereitgestellten magnetischen Feld zu schweben, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (1) von oben gesehen eine konkave Oberfläche (101) und der diamagnetische Schwebekörper (4) von unten gesehen eine konvexe Oberfläche (401) ausbilden.Device for realizing a diamagnetic levitation without using superconductive bodies, with a magnet arrangement which generates a magnetic field, and with a diamagnetic floating body which is able to float in the magnetic field provided by the magnet arrangement, characterized in that the magnet arrangement ( 1 ) seen from above a concave surface ( 101 ) and the diamagnetic float ( 4 ) seen from below a convex surface ( 401 ) train.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (1) und der diamagnetische Schwebekörper (4) jeweils radialsymmetrisch ausgebildet sind.Device according to claim 1, characterized in that the magnet arrangement ( 1 ) and the diamagnetic float ( 4 ) are each formed radially symmetrically.

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Magnetanordnung (1) derart im Raum positioniert ist, dass die Symmetrieachse (8) der Magnetanordnung (1) mit dem Vektor der Schwerebeschleunigung zusammenfällt, wobei die Symmetrieachse (8) der Magnetanordnung (1) mit der Symmetrieachse (8) des diamagnetischen Schwebekörpers (4) zusammenfällt.Device according to Claim 2, characterized in that the magnet arrangement ( 1 ) is positioned in space such that the axis of symmetry ( 8th ) of the magnet arrangement ( 1 ) coincides with the vector of gravitational acceleration, the axis of symmetry ( 8th ) of the magnet arrangement ( 1 ) with the symmetry axis ( 8th ) of the diamagnetic floating body ( 4 ) coincides.

Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (1) mindestens zwei ineinander gesteckte Hohlzylinderdauermagnete (102, 103) mit alternierend entgegengesetzter Magnetisierung in Axialrichtung aufweist, wobei die Hohlzylinderdauermagnete (102, 103) gemeinsam die konkave Oberfläche (101) der Magnetanordnung (1) ausbilden.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the magnet arrangement ( 1 ) at least two nested hollow cylinder permanent magnets ( 102 . 103 ) with alternately opposite magnetization in the axial direction, wherein the hollow cylinder permanent magnets ( 102 . 103 ) together the concave surface ( 101 ) of the magnet arrangement ( 1 ) train.

Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der diamagnetische Schwebekörper (4) durch eine Kugelschale gebildet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the diamagnetic float ( 4 ) is formed by a spherical shell.

Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelschale (4) mittig eine kreisförmige Öffnung aufweist.Device according to claim 5, characterized in that the spherical shell ( 4 ) has a circular opening in the middle.

Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des diamagnetischen Schwebekörpers (4) größer ist als der Außendurchmesser der Magnetanordnung (1).Device according to one of the preceding claims, characterized in that the outer diameter of the diamagnetic floating body ( 4 ) is greater than the outer diameter of the magnet assembly ( 1 ).

Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem diamagnetischen Schwebekörper (4) ein Spiegel (5) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung des Weiteren eine optische Messvorrichtung (6) aufweist, die geeignet ist, eine Lageänderung des diamagnetischen Schwebekörpers (4) mittels Lichtreflexion am Spiegel (5) berührungsfrei zu messen.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the diamagnetic float ( 4 ) a mirror ( 5 ), the device further comprising an optical measuring device ( 6 ), which is capable of a change in position of the diamagnetic floating body ( 4 ) by means of light reflection on the mirror ( 5 ) to measure without contact.

Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (5) zentrisch auf der der Magnetanordnung (1) abgewandten Seite des diamagnetischen Schwebekörpers (4) angeordnet ist und die optische Messvorrichtung (6) als Dreistrahl-Interferometer und/oder laserinterferometrisches Vibrometer ausgebildet ist, die über dem diamagnetischen Körper (4) angeordnet ist.Device according to claim 8, characterized in that the mirror ( 5 ) centered on the magnet assembly ( 1 ) facing away from the diamagnetic floating body ( 4 ) and the optical measuring device ( 6 ) is designed as a three-beam interferometer and / or laser interferometric vibrometer which is located above the diamagnetic body ( 4 ) is arranged.

Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (9) mit einem ebenen Gehäuseboden (10), auf dem die Magnetanordnung (1) angeordnet ist, wobei die Magnetanordnung (1) und die optische Messeinrichtung (6) derart starr in dem Gehäuse (9) angeordnet und justiert sind, dass ihre Symmetrieachsen parallel verlaufen und senkrecht auf dem Gehäuseboden (10) stehen.Apparatus according to claim 8 or 9, characterized by a housing ( 9 ) with a flat housing bottom ( 10 ) on which the magnet arrangement ( 1 ), wherein the magnet arrangement ( 1 ) and the optical measuring device ( 6 ) so rigid in the housing ( 9 ) are arranged and adjusted so that their axes of symmetry are parallel and perpendicular to the housing bottom ( 10 ) stand.

Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch a) Mittel (6) zum Erfassen eines statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers (4) nach einer Krafteinwirkung, und b) Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers (4).Device according to one of the preceding claims, characterized by a) means ( 6 ) for detecting a static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body ( 4 ) after a force, and b) means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body ( 4 ).

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (141, 142) zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper (4) vorgesehen sind, die den diamagnetischen Schwebekörper (4) in eine Schwingung entlang seiner Symmetrieachse (8) versetzen, und die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers (4) den zeitlichen Verlauf der Schwingung zur Bestimmung des Zahlenwertes der Schwerebeschleunigung auswerten.Device according to claim 11, characterized in that means ( 141 . 142 ) for providing a force to the diamagnetic float ( 4 ) are provided, which the diamagnetic float ( 4 ) into a vibration along its axis of symmetry ( 8th ) and the means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body ( 4 ) Evaluate the time course of the vibration to determine the numerical value of the gravitational acceleration.

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper vorgesehen sind, die eine oder mehrere Testmassen umfassen, und die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers eine Auswertung zur Bestimmung der Newtonschen Gravitationskonstanten vornehmen.Apparatus according to claim 11, characterized in that means are provided for providing a force on the diamagnetic floating body, the one or more test masses and the means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body make an evaluation for determining the Newtonian gravitational constant.

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers eine Auswertung zur Bestimmung von Erschütterungen und Schwingungen vornehmen, die den diamagnetischen Schwebekörper erfassen.Apparatus according to claim 11, characterized in that the means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body make an evaluation for the determination of vibrations and vibrations that detect the diamagnetic float.

Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bereitstellung einer Krafteinwirkung auf den diamagnetischen Schwebekörper in Form einer Gasströmung vorgesehen ist und die Mittel zum Auswerten des statischen und/oder dynamischen Verhaltens des diamagnetischen Schwebekörpers eine Auswertung zur Bestimmung von Informationen über Intensität und Richtung der Gasströmung vornehmen.Apparatus according to claim 11, characterized in that means for providing a force to the diamagnetic float in the form of a gas flow is provided and the means for evaluating the static and / or dynamic behavior of the diamagnetic floating body, an evaluation for determining information about the intensity and direction of Make gas flow.