CH680019A5

CH680019A5 -

Info

Publication number: CH680019A5
Application number: CH1013/90A
Authority: CH
Inventors: Hans-Rudolf Ammann
Original assignee: Ammann Lasertechnik
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1992-05-29
Also published as: DE4106114A1; SE9100669D0; JPH04350513A; SE9100669L; US5148018A

Description

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Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Neigungsmessgerät mit mindestens einem mit Flüssigkeit gefüllten Gefäss und ein Laserstrahl-Nivelliergerät, welches mit diesem Neigungsmessgerät versehen ist.

Neigungsmessgeräte arbeiten gewöhnlich mit einem Pendel. Hierbei gibt es die unterschiedlichsten Ausführungsarten.

Bekannt sind auch sogenannte Elektrolyt-Libel-len. Diese sind bis auf eine kleine Gasblase mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt. In die Gasblase ragt von beiden Seiten je ein Ende eines elektrischen Leiters. Sobald die Libelle aus dem Lot kommt, ändert sich infolge der Verschiebung der Gasblase der elektrische Messwert, wodurch feststellbar ist, dass die Libelle nicht mehr im Lot ist und nach welcher Seite sie sich neigt.

Bekannt ist auch, zum Messen der Neigung, das Pendelprinzip mit dem aus den Elektrolyt-Libellen bekannten Prinzip dergestalt zu kombinieren, dass das Pendel in eine elektrisch leitende Flüssigkeit getaucht ist, wobei sich bei dessen Entfernen von der Lotrechten der elektrische Widerstand verändert. Nachteilig an diesem System ist, dass es nicht sehr genau arbeitet. Ausserdem ist das Messergebnis, insbesondere in den grösseren Neigungsbereichen, stark temperaturabhängig. Ist die Umgebungstemperatur niedriger oder höher als ungefähr 20° bis 25°G wird das Messergebnis deutlich verfälscht.

In Nivelliergeräten, welche insbesondere im Hoch- und Tiefbau Verwendung finden, sind bezüglich der Messgenauigkeit hohe Anforderungen gestellt. Beispielsweise in Laserstrahl-Niveiliergerä-ten, wo der aus dem Gerät austretende Laserstahl in grösserer Entfernung durch einen Empfänger empfangen und sichtbar gemacht wird, wodurch grosse Flächen in die gewünschte Neigung gebracht werden können, führen schon kleine Neigungs-Abweichungen am Gerät zu unbrauchbar grossen Fehlmessungen beim Empfänger. Da diese Geräte im Freien benützt werden, dürfen sie ausserdem nicht empfindlich auf Temperaturschwankungen reagieren.

In solchen Geräten ist deshalb das Horizontieren und das Neigen voneinander getrennt worden. Im Gerät befindet sich eine bewegliche Messplatte, mit welcher die Laserebene verbunden ist. Wird nun das Gerät auf unebenem Gelände aufgestellt, hori-zontiert sich die Messplatte mit Hilfe von Elektrolyt-Libellen. Um nun die Laserebene zu neigen, ist zwischen der Messplatte und der Laserebene eine mechanische VerStelleinrichtung angeordnet. Diese Mechanik ist, insbesondere wenn die Laserebene in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen geneigt werden soll, sehr kompliziert und muss mit grösster Präzision hergestellt werden.

Die Erfindung bezweckt, ein Neigungsmessgerät und ein Laserstrahl-Nivelliergerät mit diesem Neigungsmessgerät zu schaffen, welche sehr präzis und zuverlässig arbeiten.

Das erfindungsgemässe Neigungsmessgerät entspricht dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 und das erfindungsgemässe Laserstrahl-Nivelliergerät entspricht dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 13.

Das Neigungsmessgerät arbeitet mit einer bisher nicht möglichen grossen Präzision. Darüber hinaus ist es, insbesondere wenn gemäss Anspruch 6 ein ï Sensoren-Paar je Neigungsachse vorgesehen ist,

völlig unempfindlich gegen Temperaturschwankungen. s

Das Neigungsmessgerät eignet sich deshalb vorzüglich für den Einbau in ein Laserstrahl-Nivellier-gerät gemäss Anspruch 13. Hier ergibt sich ein weiterer sehr grosser Vorteil, indem im Laserstahl-Nivelliergerät das Neigungsmessgerät sowohl die selbsttätige Horizontierung als auch die Neigung der Laserebene übernimmt. Wird nun das Laserstahl-Nivelliergerät auf einer Baustelle aufgestellt, horizontiert sich die Laserebene automatisch oder sie stellt sich direkt in die mittels einer Tastatur eingegebene Neigung. Es ist hier also nicht mehr erforderlich, dass das Gerät erst in die Waagerechte gebracht wird, wonach von hier aus in einem zweiten Schritt mechanisch die Neigung der Laserebene vorgenommen wird. Das Neigungsmessgerät ersetzt hier also sowohl die bisherige Horizon-tierungseinrichtung als auch die Neigungseinrichtung.

Nachfolgend werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele des erfindungsgemässen Neigungsmessgerätes und des erfindungsgemässen Laserstrahl-Nivelliergerätes näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Neigungsmessgerätes im Schnitt,

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Neigungsmessgerätes, ebenfalls im Schnitt,

Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2,

Fig. 4 zeigt das Beispiel eines Schwimmers auf der Flüssigkeit,

Fig. 5 zeigt einen sogenannten Kanalbaulaser mit dem Neigungsmessgerät,

Fig. 6 zeigt ein Laserstrahl-Nivelliergerät mit in zwei Achsen neigbarer Laserebene und

Fig. 7 zeigt das Blockschema der Auswertungs-und Steuerungseinrichtung

Aus Fig. 1 ist die Funktionsweise des erfindungsgemässen Neigungsmessgerätes ersichtlich. Das Gefäss 1 weist hier einen U-förmigen Querschnitt auf, wobei an der Aussenseite der beiden freien U-Schenkel je ein photoelektrischer Sensor 2, vorzugsweise ein linearer CCD-Bildsensor, angeordnet ist. Die beiden Sensoren 2 sind mit einer Auswertungseinrichtung 3 verbunden. Den beiden Sensoren 2 ist je eine an der Innenseite des U-Schenkels angebrachte Lichtquelle 4 zugeordnet.

Die im Gefäss 1 befindliche Flüssigkeit ist dunkel.

Durch Vergleich der Höhe des Flüssigkeitsstandes in den beiden U-Schenkeln kann in der Auswertungseinrichtung die Neigung der Achse X-X errechnet werden bzw. festgestellt werden, ob sich das Gefäss 1 in der Waagerechten befindet.

Denkbar wäre es auch, nur auf einer Seite des Gefässes 1 einen Sensor 2 vorzusehen, wobei je5

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der Flüssigkeitsstand einer bestimmten Neigung entsprechen würde. Der Vorteil von zwei einander gegenüberliegenden Sensoren 2 ist insbesondere darin zu sehen, dass hierbei die Neigung aus dem Höhenunterschied zwischen den beiden Flüssigkeitsständen errechenbar ist. Dieser Höhenunterschied bleibt auch dann unverändert, wenn sich die Flüssigkeit, oder das Gefäss, in dem sie sich befindet, infolge Temperaturschwankungen ausdehnt oder zusammenzieht. Bei nur einem Sensor würde das Messergebnis in diesem Fall verfälscht werden.

Zur Feststellung der Neigung auch in einer zweiten Achse, welche rechtwinklig zur Achse X-X steht, kann ein zweiter U-förmiger Gefässteil vorgesehen werden, der im Bereich des U-Mittelste-ges mit dem vorgehend beschriebenen Gefäss verbunden ist, wie dies in der Fig. 1 gestrichelt angedeutet ist. Es ist jedoch auch denkbar, zwei völlig getrennte, rechtwinklig zueinander stehende Messachsen vorzusehen.

Bei den optischen Sensoren 2 handelt es sich, wie schon erwähnt, um sogenannte lineare CCD-Bildsensoren. Diese wurden insbesondere für Telefaxgeräte entwickelt und gelangen dort zusammen mit einem Linsensystem zur Anwendung. Ein linearer CCD-Bildsensor besteht im wesentlichen aus bild- bzw. lichtempfindlichen Elementen, welche in einer Reihe stehen. Die Lichtenergie, die auf diese Elemente trifft, wird proportional zur Lichtintensität in elektrische Signale umgewandelt.

Da gegenüber den Sensoren 2 je eine Lichtquelle 4 vorhanden ist, welche den nicht mit Flüssigkeit gefüllten Teil des Gefässes aufhellt, und die im Gefäss 1 befindliche Flüssigkeit dunkel ist, ergibt sich im Bereich des Flüssigkeitsspiegels ein deutlicher Heli/Dunkel-Unterschied. Dieser Übergang vom dunklen Teil in den hellen Teil zeigt also genau die Höhe des Flüssigkeitsstandes beim Sensor 2 an. Die hier verwendeten Sensoren 2 weisen auf ihrer Länge von annähernd 15 mm ungefähr 2000 lichtempfindliche Elemente auf. In der Auswertungseinrichtung 3 lässt sich also ermitteln, bei welchem dieser 2000 Elemente der Flüssigkeitsstand ist. Es ist darüber hinaus jedoch technisch möglich, auch innerhalb eines Elementes den Messbereich weiter zu unterteilen. Denkbar ist hier eine nochmalige über zweihundertfache Feinunterteilung. Es versteht sich aus diesen Angaben von selbst, dass mit dem erfindungsgemässen Neigungsmessgerät, die jeweilige Neigung mit einer unglaublich grossen Präzision ermittelt werden kann.

In den Fig. 2 und 3 ist ein ringförmiges Gefäss 1 mit zwei konzentrischen Gefässwänden dargestellt. Die Neigung ist hier in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Achsen X-X und Y-Y messbar. Ist die eine Achse X-X geneigt, wird das Messergebnis in der zweiten Achse Y-Y in keiner Weise beeinträchtigt. Das Gefäss 1 muss jedoch nicht unbedingt, wie hier dargestellt, kreisrund sein. Es sind auch mehreckige Lösungen denkbar. Anstatt vier Lichtquellen 4, könnte im Zentrum auch nur eine einzige Lichtquelle vorgesehen werden, wobei die innere Ge-fässwand mindestens teilweise lichtdurchlässig sein müsste.

Möglich ist es auch, wie in Fig. 4 gezeigt, im Bereich des Sensors 2 einen Schwimmer 5 vorzusehen. Dieser kann eine beliebige Form aufweisen. Wichtig ist nur, dass er sich zwischen der Lichtquelle 4 und dem Sensor 2 befindet und einen Schatten auf letzteren wirft.

In Fig. 5 ist ein Laserstrahl-Nivelliergerät, und zwar ein Kanalbaulaser, dargestellt. Solche Geräte sind rohrförmig und werden im Rohrleitungsbau eingesetzt. Der von einer Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl 6 verlässt den Kanalbaulaser an seinem einen Ende. Im vorliegenden Beispiel sind zwei rechtwinklig zueinander stehende Neigunsmessge-räte bzw. Gefässe 1 vorgesehen. Hierdurch lässt sich einerseits der Laserstrahl in die gewünschte Neigung bringen und andererseits lässt sich gewährleisten, dass die Querachse genau waagerecht ist. Beim Verstellen der Neigung des Laserstrahles zeichnet dieser also an dem Ort, an dem er auftrifft, eine senkrechte Linie.

In Fig. 6 ist ein Laserstrahl-Nivelliergerät dargestellt, das drehbare Reflexionsmittel 7 aufweist, mit welchen der senkrecht ankommende Laserstrahl 6 in die Waagerechte umlenkbar und in einer waagerechten Ebene verschwenkbar ist. Der sich drehende Laserstrahl bildet eine Laserebene, die entweder sichtbar ist oder mit einem Empfangsgerät sichtbar gemacht werden kann. Mit Hilfe dieser Laserebene können die verschiedensten Nivellierarbeiten durchgeführt werden.

Die Laserlichtquelle befindet sich in einem senkrecht in einem Lager 8 im Deckel 9 aufgehängten Rohrstück 10, das mit seinen Enden schwenkbar ist, um es in der Senkrechten oder in der gewünschten Neigung halten zu können. Am unteren Ende dieses Rohres 10 ist ein ringförmiges Gefäss 1 eines Neigungsmessgerätes gemäss den Fig. 2 und 3 befestigt. Die vier Sensoren 2 und zwei mit je einer Exzenterwelle versehene Elektromotoren 11 und 12 sind mit der Auswertungs- und Steuerungseinrichtung 3 verbunden.

Dieses Laserstrahl-Nivelliergerät kann nun auf einer Baustelle auf beliebig unebenem Boden aufgestellt werden. Durch das Neigungsmessgerät wird sich die Laserebene sofort in die Waagerechte oder direkt in die an einer Tastatur eingestellte Neigung bzw. Neigungen bringen. Hierzu wird die Aus-wertungs- und Steuerungseinrichtung 3 die beiden Elektromotoren 11 und 12 so steuern, dass durch die Sensoren 2 die erforderlichen Flüssigkeitsstände gemeldet werden.

In Fig. 7 ist das Blockschema der Auswertungsund Steuerungseinrichtung 3 beschrieben, wobei einfachheitshalber nur die zwei linearen CCD-Bildsensoren 2 dargestellt sind, die für die Messung einer Neigungsachse vorzugsweise verwendet werden. Die Sensoren 2 messen die auf sie auftreffende Lichtmenge, bzw. ob Licht vorhanden ist oder nicht. Zur Verarbeitung im Rechner 13 bzw. 14 wird das analoge Signal bei 15 in ein digitales Signal umgewandelt. Mit 16 ist der Speicher zur Speicherung der Messwerte bezeichnet. Durch eine mit einem Zähler 17 verbundene Zeitablaufsteuerung 18 ist sichergestellt, dass der Mess- und Vergleichsvorgang kontinuierlich wiederholt wird. Die beiden

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Lichtquellen 4 sind von einer konstanten Stromquelle gespiesen.

Claims

Patentansprüche

1. Neigungsmessgerät mit mindestens einem mit Flüssigkeit gefüllten Gefäss, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss (1) in seinem Randbereich mindestens einen optischen Sensor (2) aufweist, mittels welchem die dortige Höhe des Flüssigkeitsstandes erfassbar ist, wobei dieser optische Sensor (2) mit einer Auswertungseinrichtung (3) verbunden ist, welcher der gemessene Flüssigkeitsstand in Form eines elektrischen Signals zugeleitet wird und in welcher, anhand der festgestellten Höhe des Flüssigkeitsstandes, die Neigung des Gefässes (1) durch Vergleich mit Vergleichswerten, die je einer bestimmten Neigung entsprechen, errechenbar ist bzw. feststellbar ist, ob sich das Gefäss (1) in der Waagerechten befindet.

2. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (2) ein photoelektrischer Bildsensor ist, beispielsweise ein linearer CCD-Bildsensor.

3. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Gefäss (1) befindliche Flüssigkeit dunkel ist.

4. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lichtquelle (4) vorhanden ist, welche den nicht mit Flüssigkeit gefüllten Teil des Gefässes (1) aufhellt.

5. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Bereich des optischen Sensors (2) ein Schwimmer (5) auf bzw. in der Flüssigkeit befindet.

6. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an einander entgegengesetzten Randbereichen des Gefässes (1) je ein optischer Sensor (2) zur Erfassung der dortigen Höhe des Flüssigkeitsstandes angeordnet ist, wodurch durch Errechnung des Höhenunterschiedes des Flüssigkeitsstandes zwischen diesen beiden Sensoren (2) die Neigung des Gefässes (1) feststellbar ist.

7. Neigungsmessgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang zweier sich rechtwinklig kreuzender Achsen je ein Sensor-Paar (2) zur Erfassung der Höhe des Flüssigkeitsstandes vorgesehen ist, zwecks Ermittlung der Neigung in zwei Achsen.

8. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (3) Mittel (15) zur Umwandlung des Messsignals in ein Steuersignal, mindestens einen Rechner (13, 14) sowie mindestens einen Messwertspeicher (16) enthält.

9. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss (1) einen U-förmi-gen Querschnitt aufweist, wobei die Einrichtung zum Feststellen der Höhe des Flüssigkeitsstandes in mindestens einem der freien U-Schenkel angeordnet ist.

10. Neigungsmessgerät nach den Ansprüchen 4 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (2) an einer Seite eines freien U-Schenkels und die Lichtquelle (4) an der gegenüberliegenden Seite angeordnet ist.

11. Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss (1) annähernd ringförmig ist und beispielsweise zwei konzentrische Gefässwände aufweist.

12. Neigungsmessgerät nach den Ansprüchen 4 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor (2) an einer Gefässwand und die Lichtquelle (4) dem Sensor gegenüberliegend an der anderen Gefässwand oder hinter dieser Gefässwand angeordnet ist, wobei diese mindestens teilweise lichtdurchlässig ist.

13. Laserstrahl-Nivelliergerät mit einem Neigungsmessgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäss mittelbar oder unmittelbar mit der Laserebene in Wirkverbindung steht, wobei die festgestellte Höhe des Flüssigkeitsstandes einer Auswertungs- und Steuerungseinrichtung (3) zugeleitet wird, wodurch aufgrund dieses Wertes die Laserebene über mindestens einen Elektromotor (11, 12) horizontierbar oder, entsprechend eines eingegebenen Wertes, neigbar ist.

14. Laserstrahl-Nivelliergerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsund Steuerungseinrichtung (3) Mittel (15) zur Umwandlung des Messsignals in ein Steuersignal, mindestens einen Rechner (13, 14) für die Vergleichsrechnung des Flüssigkeitsstandes und zur Steuerung des oder der Elektromotoren (11, 12) für die Horizontierung bzw. Neigung der Laserebene, mindestens einen Messwertspeicher (16) sowie eine Zeitablaufsteuerung (17, 18), zur kontinuierlichen Wiederholung des Mess- und Vergleichsvorganges enthält.

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