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Gyroskop

Der nordsuchende Vermessungskreisel 'Gyromat'. Quelle: DMT.

Ein Kreiselinstrument, auch Kreiselstabilisator oder Gyroskop (gr. γύρος gyros „Drehung“ und σκοπεῖν skopein, sehen,) genannt, ist ein rasch rotierender, symmetrischer Kreisel, der sich in einem (meist) beweglichen Lager dreht.

Das Lager kann eine kardanische Aufhängung sein oder ein Rahmen in Form eines Käfigs. Aufgrund der Drehimpulserhaltung weist der Kreisel ein hohes Beharrungsvermögen gegenüber Lageänderungen im Raum auf. Wird die Drehgeschwindigkeit zwischen Kreisel und Käfig gemessen, spricht man von einem Gyrometer. Gyroskope werden als Navigationsinstrumente sowie zur aktiven Lageregelung eingesetzt, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt. Bei der Lageregelung von Raumflugkörpern wie Satelliten wird ausgenutzt, dass das Gesamtsystem aus Raumflugkörper und Gyroskop seinen Drehimpuls beibehält und somit durch Drehimpulsübertragung zwischen beiden die Lage gesteuert werden kann.

Kann sich der Kreisel nicht frei in seiner Lagerung bewegen und werden statt dieser Bewegungen die Kräfte gemessen, die er auf die Lagerung ausübt, weil er sich eben bewegen will und nicht kann, spricht man von einem 'gefesselten' Kreisel.

Aktuell wird der Begriff Kreisel oder Gyro- in übertragener Weise für eine Vielzahl von Drehratensensoren verwendet, die keine Kreisel enthalten, aber den gleichen Zweck erfüllen wie ein tatsächliches (mechanisches) Kreiselinstrument. 

Anwendung in der Geothermie

In der Geothermie spielen Gyroskope insbesonder bei der geometrischen Vermessung von Tiefbohrungen (Bohrlochverlauf) eine Rolle, da magnetische Sensoren durch den Metallausbau der Bohrung verfälscht sein können. Zum Einsatz kommen dabei (meist kombiniert):

  • Trägheitskreisel, die ihre Drehachse beibehalten, wobei mechanische Driften störend sein können, die dann durch Ruhephasen (stop and go) bei der Bohrlochbefahrung bestimmt werden müssen (zero velocity updates).
  • Nordsuchende Kreisel, die (bei ruhendem Sensor) die Rotationsachse der Erde sensieren und so die geografische (nicht die magnetische) Nordrichtung bestimmen.

Insgesamt erlauben die Kreiselmessungen eine Bestimmung des Bohrlochverlaufs mit Genauigkeiten im Meterbereich.