DD245045A1 - Anordnung zur bestimmung von neigungswinkeln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Neigungswinkelmessanordnung und ist anwendbar fuer Fahrzeuge, Geraete, Bauteile o. ae., um deren Neigung beliebiger Richtung zu bestimmen. Ziel der Erfindung ist ein Neigungsmesser, dessen Aufbau einfach und von geringer Baugroesse ist, dessen Herstellung einen geringen technischen Aufwand erfordert und der eine hohe Zuverlaesssigkeit gewaehrleistet. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungsmesser zu entwickeln, der eine minimale Anfaelligkeit gegenueber Stoessen und Schwingungen aufweist und in einem grossen Arbeitstemperaturbereich sehr genau arbeitet. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe bei der Neigungswinkelmessanordnung, bestehend aus einem mit dem Messobjekt verbundenen transparenten Gehaeuse mit hohlkugelfoermigem Raum, einem in dieser Hohlkugel befindlichen Pendelkoerper, Fotoempfaengern zur Auslenkungsbestimmung und einer nachgeordneten Auswerteeinheit, dadurch geloest, dass im Mittelpunkt der Hohlkugel eine raeumlich strahlende Lichtquelle angeordnet ist, dass der Pendelkoerper mit sphaerisch gewoelbter Unterseite und planer Oberseite auf einer Fluessigkeit gelagert ist und dass die Auswerteeinheit den an den aeusseren Seitenflaechen angeordneten CCD-Zeilen nachgeordnet ist. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung _ '

Die Erfindung ist anwendbar in oder an Fahrzeugen, Geräten, Bauteilen u. ä., um deren Neigung beliebiger Richtung automatisch zu bestimmen. Dabei sollten sich die Meßobjekte zumindest kurzfristig in Ruhe befinden. Insbesondere eignet sich die erfindungsgemäße Anordnung für Meßgeräte mit geringem Platzbedarf und einem großen Arbeitstemperaturbereich, wobei zusätzlich eine geringe Stoß- und Schwingungsanfälligkeit gefordert wird. Die Meßergebnisse sind zu beliebigen Zeiten abrufbar oder können kontinuierlich angezeigt werden.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

In der Patent- und Fachliteratur wurden eine Vielzahl technischer Lösungen zur Bestimmung von Neigungswinkeln bzw. Neigungsrichtungen veröffentlicht. Grundlegend können sie in aktive und passive Neigungsmesser unterteilt werden. Bei den aktiven Neigungsmessern kommt das Kreiselprinzip zur Anwendung. Dabei richtet sich der Kreisel senkrecht zum Erdbeschleunigungsvektor aus und verfiirrt während der Rotation in dieser Lage. Dieses Prinzip hat zwar den Vorteil, daß bei einer beschleunigten Bewegung des Meßobjektes nur geringe Lagefehler auftreten und daß eine gute Langzeitstabilität erreicht wird, doch dies ist nur mit einem sehr hohen materiellen Aufwand bezüglich Herstellung und Wartung zu erreichen. Auf aktive Neigungsmesser wird deshalb nicht näher eingegangen. Passive Neigungsmesser beruhen auf dem Prinzip, sich bezüglich des Erdbeschleunigungsvektors ausrichtende Massen zu nutzen. Dabei kommen vor allem Schwerkraftpendel oder Flüssigkeiten zum Einsatz. Auf die sich ausrichtenden Massen wirken bei Beschleunigung des Meßobjektes zusätzlich Kräfte, die sich überlagern und somit zu Fehlmessungen führen. Bei verschiedenen technischen Lösungen wurde versucht, den Einfluß von Beschleunigungen neben der Erdbeschleunigung völlig auszuschließen bzw. teilweise zu kompensieren. Auf solche Lösungen soll im Folgenden eingegangen werden.

Eine einfache Möglichkeit zur Bestimmung des Neigungswinkels besteht darin, elektrische Kontaktein Abhängigkeit von der Neigung des Meßobjektes zu schließen. Dazu wird in der DE-PS 3208811 ein Pendel in Verbindung mit einem Potentiometer eingesetzt. Die vom Pendel abgegriffene Spannung dient dabei als Maß für die Neigung. Mit dieser Erfindung lassen sich allerdings nur Neigungen in einer Richtung bestimmen. Die in DE-OS 3326618 beschriebene Lösung ermöglicht die Messung von räumlichen Neigungen. Dabei bewegt sich ein Pendel in einem magnetischen Feld, und über Näherungsfühler werden die der Neigung entsprechenden Signale abgenommen.

Bei einer anderen Gruppe von Neigungsmeßgeräten wird als Schwerkraftpendel eine Kugel verwendet, die sich auf einer sphärischen oder konkaven Grundfläche frei bewegen kann. In DE-OS 2155836 werden von einer elektrisch leitfähigen Kugel entsprechend auf der Grundfläche angeordnete Kontaktstellen verbunden, die zur Bestimmung des Neigungswinkels dienen. Eine ähnliche Lösung wird in DE-OS 3238915 beschrieben. Dabei wird von einer elektrisch leitfähigen Kugel, die auf einer elektrisch leitfähigen Grundfläche frei beweglich angeordnet ist, bei Erreichung eines Grenzwinkels eine leitende Verbindung zwischen der Grundfläche und einem, in einem definierten Abstand angeordneten, Kontaktring hergestellt. Die gesamten technischen Lösungen haben den Nachteil, daß sie gegenüber Stoßen und Schwingungen eine große Anfälligkeit zeigen. Diese Neigungsmesser sind nicht für Meßobjekte geeignet, die während der Messung in Bewegung sind, und weisen teilweise eine hohe Temperaturabhängigkeit der Meßergebnisse auf. Aufgrund ihres Aufbaus arbeiten sie nur mit einer geringen Auflösung.

In DE-OS 2952110 wird ein optischer Lot- und Drehgeschwindigkeitssensor beschrieben, der ebenfalls eine Kugel als Schwerkraftpendel nutzt, bei dem sich jedoch die Kugel, zur Verminderung der Stoß- und Schwingungsanfälligkeit, in einem mit einer transparenten Flüssigkeit gefüllten kugelförmigen Hohlraum befindet. Die von einer stationär angeordneten Lichtquelle ausgehenden Strahlen werden von der lichtundurchlässigen Kugel teilweise abgedeckt. Diese Abschaltungen werden von optoelektronischen Meßempfängem registriert und für die Ermittlung des Neigungswinkels genutzt. Aufgrund der Lage und Anordnung der Meßempfänger ist nur ein relativ geringer Neigungsbereich erfaßbar, da das Prinzip der Differenzsignalerfassung angewendet wird und bei großen Neigungswinkeln der Kugelschatten nur noch von einem Teil der Meßempfänger erfaßt werden kann und das System somit keine auswertbaren Signale mehr liefert. Dieser Nachteil kann auch

durch Verwendung einer größeren Kugel nicht beseitigt werden, da dadurch das Auflösungsvermögen drastisch verschlechtert werden würde. Eine größere Kugel würde bei kleineren Neigungswinkeländerungen eine kaum auswertbare Lageänderung zur Folge haben.

Eine letzte Gruppe von Neigungsmessern bestimmt die Neigung von-Objekten durch sich ausrichtende Flüssigkeiten. Dabei kommen die verschiedensten Flüssigkeiten zum Einsatz. In der Neigungsmeßanordnung nach DE-OS 2636706 wird eine totalreflektierende Flüssigkeit verwendet, an deren Oberfläche ein Lichtstrahl vom Sender zum Empfänger abgelenkt wird. Dabei dient die durch Verkippung erzeugte Verschiebung des optischen Signals als Maß für die Neigung. Eine andere Lösung wird in US-PS 4332090 beschrieben. Derauf die Oberfläche der transparenten Flüssigkeit gerichtete Lichtstrahl wird dabei beim Eintritt in die Flüssigkeit und nach erfolgter Reflexion am Boden des Gefäßes beim Austritt aus der Flüssigkeit gebrochen. Die Verschiebung des optischen Signals dient wieder als Maß für die Neigung. Eine weitere Möglichkeit der Neigungsmessung stellt die Druckmessung in flüssigkeitsgefüllten Gefäßen dar. In DE-PS 2947049 wird eine Differenzdruckmeßanordnung beschrieben,, die aus zwei geschlossenen, miteinander verbundenen Gefäßen besteht, wobei eines mit einer Flüssigkeit hoher Dichte und das andere mit einer Flüssigkeit geringer Dichte gefüllt ist. Der Neigungswinkel wird direkt über die Druckdifferenz ermittelt. Dieses System ist jedoch sehr störanfällig und ist nur in einem relativ kleinen Meßbereich einsetzbar. Ein sehr aufwendiges Verfahren auf dem Prinzip der Schlauchwasserwaage ist in DE-OS 2637512 dargestellt. Als Maß für die Neigung dienen dabei die Pegelstände in den Meßrohren, die über Impuls-Echo-Ultraschallmeßgeräte, die sich am Boden der Meßrohre befinden, gemessen werden. Dieses System ist ökonomisch äußerst ungünstig zu realisieren. Als besonders nachteilig bei allen genannten technischen Lösungen, die eine Flüssigkeit zur Bestimmung der Neigung nutzen, erweist sich, daß derartige Meßeinrichtungen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Schwingungen aufweisen. Weiterhin sind diese Lösungen nur zur Bestimmung von Neigungen in einer Richtung geeignet. Eine Modifizierung der optisch arbeitenden Neigungsmesser erfordert einen höheren Aufwand bezüglich der optoelektronischen Meßempfänger und der Auswerteeinheit. Neigungsmesser, die die Druckdifferenz von Flüssigkeiten nutzen, sind grundsätzlich nur zur Neigungsbestimmung in einer Richtung geeignet. Das große Bauvolumen dieser Anordnungen erlaubt keine Erweiterung solcher Systeme, um sie für die Bestimmung voti räumlichen Neigungen nutzen zu können.

Ziel der Erfindung .

Ziel der Erfindung ist es, eine Meßanordnung zur Bestimmung von räumlichen Neigungen zu schaffen, deren Aufbau einfach und von geringem Bauvolumen ist, die mit geringem technischen Aufwand realisiert werden kann, die eine möglichst geringe Anfälligkeit gegenüber Stößen und Schwingungen aufweist und bei einer hohen Betriebssicherheit zuverlässig mit guter Genauigkeit arbeitet.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln zu entwickeln, bei-der die Auslenkung eines Pendelkörpers bezüglich des Vektors der Erdbeschleunigung elektronisch erfaßt wird und aus deren Meßergebnissen ohne zusätzliche Ausgangsinformationen der Neigungswinkel und die Neigungsrichtung ermittelt und zu beliebigen Zeiten oder kontinuierlich angezeigt werden können. Die Aufgabe wird bei der Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln, bestehend aus einem fest mit dem Meßobjekt verbundenen transparenten Gehäuse mit hohlkugelförmigem Raum, einem in'dieser Hohlkugel befindlichen freibeweglichen Pendelkörper, einer Lichtquelle, optoelektronischen Meßempfängern zur Ermittlung der Auslenkung des Pendelkörpers und einer den Meßempfängern nachgeordneten Auswerteeinheit, dadurch gelöst, daß im Mittelpunkt dieser Hohlkugel eine räumlich strahlende Lichtquelle stationär angeordnet, daß der in der Hohlkugel befindliche Pendelkörper, dessen Außenform durch eine sphärisch gewölbte Unterseite und eine plane Oberseite charakterisiert ist, auf einer Flüssigkeit gelagert ist, daß außerhalb des transparenten Gehäuses, an dessen Seitenflächen CCD-Zeilen angebracht sind und daß diesen CCD-Zeilen eine elektronische Auswerteeinheit mit einem Anzeigeteil nachgeschaltet ist. Als Pendelkörper kommt ein Dauermagnet zum Einsatz, bei dem der Südpol an der sphärischen Unterseite und der Nordpol an der planen Oberseite liegt und der durch Aufsetzen eines nichtmagnetischen Ringes, mit der Hohlkugel angepaßten Außenform, die Außenform einer Halbkugel erhält. Die im Spalt zwischen Pendelkörper und Hohlkugel angeordnete magnetische Flüssigkeit dient als hydrostatisches Lager. Die CCD-Zeilen sind paarweise an den sich jeweils gegenüberliegenden Außenflächen'des transparenten Gehäuses angeordnet und nachdem Prinzip der Differenzsignalerfassung verbunden. Dieses Prinzip bringt neben der einfachen Weiterverarbeitung der Meßsignale den Vorteil mit sich, daß dadurch gleichzeitig eine Temperaturkompensation der Meßanordnung erfolgt. Das Ziel wird bei der Erfindung dadurch erreicht, daß der technische Aufwand zur Herstellung der Anordnung, die ein geringes Bauvolumen aufweist, sehr niedrig ist, daß sie zur zuverlässigen und genauen Bestimmung räumlicher Neigungen geeignet ist und daß eine geringe Anfälligkeit der Anordnung gegenüber Stößen und Schwingungen gewährleistet ist. .

Ausführungsbeispiel -

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Dazu ist in Figur 1 der schematische Aufbau der Neigungsmeßanordnung dargestellt.

Die Anordnung besteht aus einem fest mit dem Meßobjekt verbundenen transparenten Gehäuse 1 mit einem kugelförmigen Innenraum 2, einer im Mittelpunkt dieser Hohlkugel stationär angeordneten räumlich strahlenden Lichtquelle 3, einem in dieser Hohlkugel befindlichen freibeweglichen, agf einer magnetischen Flüssigkeit 7 gelagerten magnetischen Pendelkörper 5, an den vier Außenseiten des Gehäuses angeordneten CCD-Zeilen Sund einer den CCD-Zeilen 8 nachgeordneten Auswerteeinheit 9 mit Anzeigeteil 10. Der Pendelkörper 5 verfügt über eine sphärisch gewölbte Unterseite und eine plane Oberseite, auf die ein nichtmagnetischer Ring 6 aufgesetzt ist, der verhindert, daß die magnetische Flüssigkeit aus dem Lagespalt gedrückt wird und sich auf der planen Oberseite ansammelt. Die von der Lichtquelle 3 ausgehenden Strahlen werden teilweise vom Pendelkörper 5

entsprechend seiner Auslenkung abgeblendet. Diese Schattenwirkung wird von den CCD-Zeilen 8, von denen die sich jeweils gegenüberliegenden zur Differenzschaltung verbunden sind, registriert. Das Differenzsignalprinzip dient der Temperaturkompensation der Anordnung und hat den Vorteil einer einfachen Auswertung. Von derAuswerteeinheit9kann über die bekannten mathematischen Zusammenhänge der Raumneigungswinkel des Systems ermittelt und angezeigt werden. Die Anzeige, die auch kontinuierlich möglich ist, kann dabei auch getrennt in Längs- und Querneigung erfolgen. Mit der Erfindung wurde ein Neigungsmesser geschaffen, der zur automatischen Bestimmung der Neigung von Meßobjekten, die sich in Ruhe oder in gleichförmiger Bewegung befinden, geeignet ist. Eine Verringerung des Meßfehlers bei auftretenden Beschleunigungen kann erreicht werden, wenn der Massenschwerpunkt des Pendelkörpers, zum Beispiel durch Aufsetzen eines nichtmagnetischen Ringes mit hoher spezifischer Masse, in Richtung des Mittelpunktes der Hohlkugel verschoben wird. Ein idealer Fall würde erreicht sein, wenn der Massenschwerpunkt und der Mittelpunkt aufeinanderfallen. Die Vorteile dieser Neigungsmeßanordnung liegen im einfachen Aufbau, dem kleinen Bauvolumen, der geringen Anfälligkeit gegenüber Stößen und Schwingungen, der hohen Zuverlässigkeit sowie der, unabhängig von der Temperatur, gleichbleibend guten Genauigkeit.

Claims (4)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln, bestehend aus einem fest mit dem Meßobjekt verbundenen transparenten Gehäuse mit hohlkugelförmigem Raum, einem in dieser Hohlkugel befindlichen freibeweglichen Pendelkörper, einer Lichtquelle, optoelektronischen Meßempfängem zur Ermittlung der Auslenkung des Pendelkörpers und einer den Meßempfängem nachgeordnete Auswerteeinheit, gekennzeichnet dadurch, daß im Mittelpunkt dieser Hohlkugel eine räumlich strahlende Lichtquelle stationär zugeordnet ist, daß der in der Hohlkugel befindliche Pendelkörper, dessen Außenform durch eine sphärisch gewölbte Unterseite und eine plane Oberseite charakterisiert ist, auf einer Flüssigkeit gelagert ist, daß außerhalb des transparenten Gehäuses, an dessen Seitenflächen CCD-Zeilen angebracht sind, und daß diesen CCD-Zeilen eine elektronische Auswerteeinheit mit dem Anzeigeteil nachgeschaltet ist.
2. 2. Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Pendelkörper ein Dauermagnet vorgesehen ist, bei dem der Südpol an der sphärischen Unterseite und der Nordpol an der planen Oberseite liegt, daß auf der Planfläche des Pendelkörpers ein nichtmagnetischer Ring, dessen Außenform der Hohlkugel angepaßt ist, aufgesetzt ist und daß der Pendelkörper somit die Außenform einer Halbkugel aufweist.
3. 3. Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß als Flüssigkeit zwischen Pendelkörper und Hohlkugel eine als hydrostatische Lagerung dienende magnetische Flüssigkeit zum Einsatz kommt.
4. 4. Anordnung zur Bestimmung von Neigungswinkeln nach Punkt 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die CCD-Zeilen zur Temperaturkompensation paarweise an den sich jeweils gegenüberliegenden Außenflächen des transparenten Gehäuses angeordnet sind.