DD265681A1 - Horizontiergeber - Google Patents

Abstract

Horizontiergeber zur Ermittlung der Horizontallage und zum Nachweis bzw. zur Messung von Neigungen in zwei Koordinatenrichtungen, besonders geeignet zur Horizontalstabilisierung im Bau- und Verkehrswesen. Der erfindungsgemaesse Horizontiergeber umfasst einen drehzahlstabilisierten Motor, der die Aufhaengung eines mit einem Schwerkraftkoerper versehenen Pendels auf einer Kreisbahn um die Abtriebswelle des Motors bewegt. Dabei ist die Abtriebswelle zur Auflageflaeche eines alles umschliessenden Gehaeuses senkrecht angeordnet. In Horizontallage des Geraetes beschreibt der Schwerkraftkoerper, in dem sich ein optischer Sender befindet, eine Kreisbahn parallel zur Auflageflaeche, in einem Abstand zur Auflageflaeche, in der sich ausserhalb der Kreisbahn eine Nullspur mit mindestens zwei optischen Sensoren befindet. Ober- oder unterhalb der Nullspur befindet sich eine Messspur, vorteilhafterweise mit einem Ringsensor versehen. In Abhaengigkeit davon, ob von den zwei Sensoren der Nullspur oder von welchen Stellen des Ringsensors Signale von dem im Schwerkraftkoerper befindlichen Sender empfangen werden, kann die Neigungslage und auch deren kurzzeitige Aenderung schnell und genau bestimmt werden. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung Horizontiergeber

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur Ermittlung der Horizontallage und zum Nachweis bzw. zur Messung von Neigungen in zv/ei Koordinatenrichtungen.

Sie ist insbesondere für Arbeits- und Meßgeräte im Bau- und Verkehrswesen anwendbar, sowie in weiteren Bereichen zur Horizontalstabilisierung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es gibt eine Vielzahl von Neigungsv/inkelgebern basierend auf der Messung der Abweichung vom Vektor der Erdbeschleunigung zu deren wesentlichen Merkmalen die Verwendung eines oder auch zweier Pendel gehört.

Im allgemeinen bestimmen sie die Lage einer Bezugsfläche, die parallel zur Auflagefläche des Gerätes ist, gegenüber einem ruhenden lotrecht hängenden Pendel. Es gibt hier eine Vielfalt von Lösungsmöglichkeiten. Sie unterscheiden sich im wesentlichen in der Art und Weise in der diese Relativlage bestimmt wird (mechanisch, elektrisch, elektronisch oder optisch) und in der Art der Dämpfung und Aufhängung des Pendels.

Der Nachteil aller Lösungen, die ein ruhendes Pendel als Bezugsnormal verwenden, ist, daß genaue Messungen nur bei absoluter Ruhestellung des Pendels möglich sind. Deshalb sind Maßnahmen notwendig, um die Übertragung der Bewegung des Neigungsmessers minimal zu halten bzw, eine Bewegung des Pendels möglichst stark zu dämpfen. Maßnahmen zur Dämpfung der Pendelschwingungen haben jedoch auch immer die Erhöhung

der Trägheit des Pendels zur Folge, wodurch wiederum die Meßgenauigkeit sinkt. Man muß also bei diesen Lösungen stets einen Kompromiß zwischen der Ablesegeschwindigkeit und der Meßgenauigkeit eingehen.

In der DD-PS 224 922 wird erstmals ein Neigungswinkel— messer beschrieben, bei dem der Neigungswinkel mittels eines gleichförmig rotierenden Schwerkraftkörpers ermittelt wird. Bei horizontaler Ausrichtung ist seine Kraftwirkung in jeder Winkelstellung des Motors gleich und somit der Leistungsverbrauch des Motors konstant. Die Kraft ändert sich bei Neigung kontinuierlich innerhalb einer Umdrehung je nach dem ob die Bewegung mit oder entgegen der Richtung der Erdbeschleunigung erfolgt. Entsprechend schwankt der Leistungsverbrauch des drehzahlstabilisierten Gleichstrommotors, der als Maß für die Neigung ausgewertet wird.

Bei dieser indirekten Messung'bei der der Meßwert über mehrere Informationsträger geleitet wird (Änderung der Neigungswinkels——Änderung der Kraftwirkung des rotierenden Schwerkraftkörpers—«-Änderung der Winkelgeschwindigkeit—»-Änderung des Stromes—»-Änderung der Motorleistung) Kann eine Vielzahl von Störgrößen den Meßwert beeinflussen.

Zusätzlicher Aufwand ist notwendig, um die Neigungsrichtung zu bestimmen. Kurzfristige Neigungsänderungen können auf Grund der Trägheit der Leistungsmessung nur mit relativ hohem schaltungstechnischem Aufwand wahrgenommen werden.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es mit geringem technischen Aufwand die Horizontlage, eine Neigung dazu und deren kurzzeitige Änderungen, schnell und genau bestimmen zu können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gerät mit einem'gleichförmig rotierenden Schwerkraftkörper zu schaffen, mit dem die Horizontlage bzw. eine Neigung dazu und deren Änderung direkt aus der Messung einer geometrischen Größe bestimmt werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Horizontiergeber, mit einem Schwerkraftkörper der in mechanischer Verbindung mit der Abtriebswelle eines drehzahlstabilisierten Motors steht, und einem mit diesem fest verbundenen Gehäuse dadurch gelöst, daß die mechanische Verbindung derart gestaltet ist, daß der Schwerkraftkörper an einem Pendel befestigt ist, dessen Aufhängung ein Drehgelenk ist, das mit der Abtriebswelle eine starre Verbindung aufweist, so daß es bei Drehung der Abtriebswelle eine Kreisbahn um diese beschreibt, die Abtriebswelle senkrecht zur Aufstellfläche des Gehäuses angeordnet ist, das Gehäuse parallel zur Aufstellfläche im Inneren eine umlaufende Nullspur aufweist, die mit mindestens zwei optoelektronischen Sensoren bestückt ist, die um, einen Winkel ungleich 1öO zueinander versetzt und im gleichem Abstand zur Abtriebswelle angeordnet sind, ober- oder unterhalb der Nullspur mindestens eine Meßspur vorhanden ist, die mindestens vier zueinander gleichmäßig versetzte und im gleichen Abstand zur Abtriebswelle angeordnete optoelektronische Sensoren aufweist, eine mit den Sensoren in Verbindung stehende Auswerte- und Anzeigeelektronik vorhanden ist und sich im Schwerkraftkörper ein optischer Sender befindet.

Das Wesen der Erfindung liegt in der Form- und Lageänderung der durch den Schwerkraftkörper des mit konstanter Winkelgeschwindigkeit rotierenden Pendels beschriebenen Fläche gegenüber einer der Auflagefläche parallelen Null- bzw. Meßspur, in Abhängigkeit von Neigungswinkel und -richtung.

Befindet sich der Horizontiergeber in Horizontallage, ist die Neigung des Pendels gegenüber seiner Rotationsachse, bestimmt durch die Lage der Abtriebswelle des Motors, konstant und der Schwerkraftkörper in dem ein optischer Sender untergebracht ist beschreibt eine Kreisbahn, die bei Wahl der entsprechenden Winkelgeschwindigkeit in Höhe der Nullspur liegt. Wenn beide Sensoren der Nullspur ansprechen, befindet sich der Horizontiergeber in Horizontallage· Wird der Horizontiergeber um einen Neigungswinkel of gekippt, so ändert sich auch die Pendelneigung gegenüber der Rotationsachse kontinuierlich während einer Umdrehung, wobei das Pendel seine maximale und minimale Neigung gegenüber der Rotat-•tionsachse in Neigungsrichtung von oC erfährt. Dadurch ändert sich die durch den Schwerkraftkörper beschriebene Fläche in Form und Lage. Sie erfährt eine Neigung gegenüber der Horizontalen die ungleich der Neigung Л der Auflagefläche des Horizontiergebers ist. Weißt der Horizontiergeber ober- oder unterhalb der Nullspur eine Meßspur mit vier gleichmäßig zueinander versetzten Sensoren auf, so sprechen in der Regel nacheinander zwei Sensoren an, wodurch auch bei Unkenntnis der Neigungsgeschwindigkeit, die Lage eines Winkelbereiches von kleiner 45° ermittelt werden kann, in dem die Neigungsrichtung liegt. Die Neigungsrichtung kann mit der Verwendung mehrerer Sensoren genauer bestimmt werden. Ist diese Meßspur ein ganzer Sensorring oder sind mehrere Meßspuren mit einzelnen Sensoren so übereinander angeordnet, daß mehrere vertikale Sensorzeilen entstehen, ist neben der Bestimmung der Neigungsrichtung auch die Ermittlung des Neigungsbetrages möglich. Der besondere Vorteil der Erfindung ist, daß mit geringen technischen Mitteln die Horizontallage, eine Neigung dazu und deren kurzfristige Änderung schnell und genau bestimmt werden können.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Dazu zeigen:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Horizontiergeber in Korizontallage und

Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Horizontiergeber um einen bestimmten Neigungswinkel Л geneigt.

Der in Fig. 1 dargestellte Horizontiergeber umfaßt einen drehzahlstabilisierten Motor 1, an dessen Abtriebswelle (2) eine Scheibe befestigt ist, an der außermittig über ein Drehgelenk ein Pendel 3 angebracht ist. Am unteren Ende des Pendels 3 befindet sich ein Schwerkraftkörper mit einem optischen Sender 4. Die gesamte Anordnung wird von einem mit dem Motor fest verbundenen zylinderförmigen Gehäuse 5 umschlossen, wobei die Abtriebswelle 2, mit der Zylinderachse zusammenfallend, senkrecht zur Aufstellfläche des Gehäuses 5 verläuft. Auf dem inneren Umfang des Gehäuses 5 befindet sich parallel zur Aufstellfläche eine Nullspur б mit zwei optoelektronischen Sensoren 7. die um ca. 170 zueinander versetzt angeordnet sind. Oberhalb der Nullspur 6 befindet sich eine Meßspur 8 auf der ein Ringsensor 10 aufgebracht ist. Der Ringsensor 10 und die Sensoren 7 sind mit einer Auswerte- und Anzeigeelektronik 9 verbunden.

Zum Ermitteln der Horizontallage wird das Pendel 3. durch den Motor 1 angetrieben, mit konstanter Winkelgeschwindigkeit u? gedreht.

Die Neigung des Pendels 3 gegenüber der Abtriebswelle 2 wird dann bestimmt durch die auftretende Fliehkraft F , abhängig von der Winkelgeschwindigkeit o? , der Masse des Schwerkraftkörpers und dem Abstand der Pendelaufhängung von der Abtriebswelle 2, sowie der Erdbeschleunigung g. Bei Horizontallage der erfindungsgemäßen Anordnung ist der Winkel zwischen Fliehkraft F und der Erdbeschleunigung g in jedem Punkt der Umdrehung des Motors 1 gleich, so daß die

Neigung des Pendels 3 konstant ist und der Schwerkraftkörper eine der Horizontalen parallele Kreisbahn beschreibt. Der Abstand der Kreisbahn von der Auflagefläche wird dann bestimmt durch die Winkelgeschwindigkeit ьЭ und muß gleich dem Abstand der Nullspur 6 von der Auflagefläche sein. Der Hcrizontiergeber befindet sich dann in Horizontallage, wenn beide Sensoren 7 der Nullspur 6 ansprechen.

Wird nun der Horizontiergeber bei konstanter Winkelgeschwindigkeit um den Neigungswinkel oL geneigt (siehe Fig. 2), ändert sich der Winkel zwischen Fliehkraft F und Erdbeschleu-

nigung g konstant während einer Umdrehung der Abtriebswelle 2 und somit die Neigungslage des Pendels 3 gegenüber der Abtriebswelle 2. Der Schwerkraftkörper beschreibt dann eine kreisähnliche Bahn gegenüber der Horizontalen ungleich dem Neigungswinkel </ geneigt und mit veränderlichem Abstand zu den Sensoren 7 und dem Ringsensor· 10. Während einer Umdrehung des Pendels 3 empfängt der Ringsensor 10 dann in der Regel zwei Signale aus deren Position auf die Neigungsrichtung und deren Betrag geschlossen werden kann. Die Heßgenauigkeit wird dabei vom Abstand der Meßspur 8 zur Nullspur 6 und der Struktur des Ringsensors 10 bestimmt.

Ebenso vorteilhaft wie die Verwendung eines Ringsensors 10 auf einer tfeßspur 8 erscheint eine Anordnung von mehreren Meßspuren mit je vier Sensoren 7, so daß vier gleichmäßig zueinander versetzte Sensorzeilen entstehen. Auch hier v/erden in üer Regel bei jeder Umdrehung des Pervdeis zwei Signale registriert. Der Meßbereich wird hier durch die Länge der Sensorzeilen begrenzt.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1. Horizont!ergeber mit einem Schwerkraftkörper der in mechanischer Verbindung mit der Abtriebswelle eines drehzahlstabilisierten Kotors steht und einem mit diesem fest verbundenen Gehäuse, gekennzeichnet dadurch, daß

   a) die mechanische Verbindung derart gestaltet ist, daß der Schwerkraftkörper an einem Pendel befestigt ist, dessen Aufhängung ein Drehgelenk ist, das mit der Abtriebswelle eine starre Verbindung aufweist, so daß es bei Drehung der Abtriebswelle eine Kreisbahn um diese beschreibt,

   b) die Abtriebswelle senkrecht zur Aufstellfläche des Gehäuses angeordnet ist,

   c) das Gehäuse parallel zur· Aufstellfläche im Inneren eine umlaufende Nullspur aufweist, die mit mindestens zwei optoelektronischen Sensoren bestückt ist, die um einen Winkel ungleich 180° zueinander versetzt und im gleichem Abstand zur Abtriebswelle angeordnet sind,

   d) ober- oder unterhalb der Nullspur mindestens eine Meß— spur vorhanden ist, die mindestens vier zueinander gleichmäßig versetzte und im gleichen Abstand zur Ab — triebswelle angeordnete optoelektronische Sensoren aufweist,

   e) eine mit den Sensoren in Verbindung stehende Auswerte- und Anzeigeelektronik vorhanden ist und

   f) sich im Schwerkraftkörper ein optischer Sender befindet - Hierzu ή Blatt Zeichnungen -