AT396839B - Elektronische wasserwaage - Google Patents

Description

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AT 396 839 B

Die Erfindung betrifft einen elektronischen Neigungsmesser welcher ein in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer gelagertes scheibenförmiges Rundpendel aufweist, das in einer Ebene schwingt und eine zur Schwerkraft definierte Lage einnimmt und Steuerkanten aufweist, durch die ein Lichtstrahl steuerbar ist, der von einem Lichtdetektor meßbar ist und wobei das Signal zur Anzeige der Neigungslage der Vorrichtung auswertbar ist Es ist dies ein Neigungsmesser nach Art einer Wasserwaage, womit es möglich ist horizontale Lagen (oder auch vertikale Läget) genau einzustellen. Herkömmliche Geräte dieser Art sind zu ungenau.

Neigungsmesser de* oben genannten Type sind z. B. durch nachstehende Druckschriften bekannt geworden. So offenbart die DE-OS 3 345 839 kein Rundpendel im Sinne dar vorliegenden Erfindung, sondern bloß eine Pendelplatte. Die US-PS 4 063 366 zeigt ebenfalls kein Rundpendel, sondern zwei schwenkbare Flügelteile. Die DE-OS 3 802461 offenbart bloß einen diesbezüglichen Zeiger und keinesfalls ein Rundpendel gemäß der Erfindung. Die DE-OS 2 755 255 zeigt eine Scheibe, die nicht so ausgebildet ist wie das Rundpendel nach der Erfindung. Im übrigen bewegt sich diese Scheibe nicht in Flüssigkeiten und sie wird auch nicht gabelförmig umfaßt wie dies später dargestellt ist

DieErfindung ist dadurch gekennzeichnet daß das Rundpendel eine Grundscheibe und eine oder mehrere darauf aufgesetzte Blenden umfaßt und in der Kammer der optoelektronische Lichtfühler vorgesehen ist der das Rundpendel gabelförmig umgreifend, ausgebildet ist wobei an den Gabelenden einander gegenüberliegend eine LEDundeinFototransistorangeordnetsind. Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindungweist das Rundpendel diametral zu seiner Drehachse angeordnet ein Excentergewicht und einen Auftriebskörper auf.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles beschrieben. Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch die Vorrichtung und die Fig. 2 bis 8 zeigen Details. Fig. 9 zeigt die Zuordnung der Achsen und Flächen der Vorrichtung. Fig. 10 ist eine Schrägansicht. Fig. 11 zeigt das Schaltbild der elektronischen Schaltung für die Auswertung der Signale. Die Fig. 12 zeigt schematisch verschiedene Drehlagen des Rundpendels und Fig. 13 zugehörige Signalverläufe. Fig. 14 stellt schematisch eine Prüfanordnung für das Rundpendel dar. Die Fig. 15,16 sind Schaltpläne. Fig. 17 zeigt den Signalverlauf und Fig. 18 die Zuordnung der Steueikanten des Rundpendels.

Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch die elektronische Wasserwaage. Die äußere Hülle (1) ist ein Al-Rechteckrohr mit der Nennweite 4,4 cm x 2 cm. Die Länge ist 40 cm. Die Wandstärke ist 2 mm. Die Stirnseite wird wie üblich mit Plastikkappen (2) verschlossen. Die beiden Hohlräume (3) werden mit Schaumgummi gefüllt Mit (4) ist eine 9-Volt-Batterie dargestellt Mt der strich-punktierten Linie ist eine Verobordplatte (5) angedeutet, die die elektronische Schaltung trägt

An der Schmalseite des Rohres sind mittig fünf Löcher (6) mit 8 mm Durchmesser eingebohrt Von Innen ist ein schmaler Glasstreifen (7) eingeklebt Die strichlierten Hohlräume (8) sind mit Kunstharz ausgefüllt Die Batteriehalterungen (Anschlüsse) (9) werden ebenfalls mit dem Kunstharz eingegossen. Ein automatischer Ein-Aus-Schalter (10) ist ebenfalls vorgesehen (siehe Fig. 1 bis 4). Die Kammer (11) ist mit harz- und säurefreiem transparenten Öl aufgefüllt (punktierte Fläche). In dem Hohlraum (11) befindet sich ein optoelektronischer Lichtfühler (12). Eine Führungsschiene (13) dient für den Lichtfühler (12) zum Justieren der Wasserwaage.

Eine Halterung (14) dient der Lagerung des sich frei um die Achse (15) drehenden Rundpendels (16). Dar Lichtfühler (12), die Führungsschiene (13) und die Halterung (14) sind an doppelten Alublechen (17) befestigt, die den Höhlraum (11) bilden. Auch die Führungsschiene (13) und die Halterung (14) sind aus Alublech gefertigt. Mit dar Schraube (18) ist eine Ölfüllungsöffnung verschließbar.

DieSchratiben (19) dienen der Montagehilfe und halten die Verobordplatte (5) und dieHaltebleche (17) nach dem Vergießen mit Kunstharz fest zusammen. Mit dem Bezugszeichen (17a) ist eine Gummidichtung bezeichnet, die nach der Verschraubung der beiden Bleche (17) die Stirnseite vollkommen abdichtet, um das Kunstharz ohne Probleme eingießen zu können (siehe Fig. 6). Zur weiteren Abdichtung wird nach der Justierung der Wasserwaage das Knnstharz (8) eingegossen. Die Rückzugfeder (20) ist für den Lichtfühler (12) vorgesehen, auf dem Glas (7) ist zur weiteren Dichtung ebenfalls Kunstharz aufgegossen.

Die Mg. 2 stellt einen Querschnitt durch den automatischen Ein-Aus-Schalter (10) dar. Ein Quecksilbertropfen (74) befindet sich in einem Plastikrohr (21) oder einer Kugel, welche(s) nach jeder Seite ausgerundet ist. Zwei mit Metall beschichtete Flächen (22) sind durch den Schlitz (23) getrennt und jeweils mit Anschlußdrähten (24) leitend verbunden.

Der Schlitz (23) liegt parallel zu den Achse (Y) und (Z) der elektronischen Wasserwaage (siehe weiter unten). Anstatt der Metallflächen (22) könnten auch zwei Drähte verwendet werden, die voneinander isoliert eng zusammen Hegen. Die Mg. 3 zeigt eine Ansicht von oben (Y-Achse). Wenn nun die elektronische Wasserwaage auf die Fläche ¢0) gelegt wird, sodaß die X-Achse senkrecht steht, liegt die Quecksilberkugel (74) seitlich und kann so die Metallflächen (22) nicht leitend verbinden, und die elektronische Wasserwaage ist ausgeschaltet (Fig. 4). Steht die Konstruktion mit der Achse (Y) senkrecht, dann schließt der Quecksilbertropfen (74) den Kontakt und schaltet ein.

Die Fig. 5 zeigt das Rundpendel (16), welches alle 90° das Licht für den optoelektronischen Fühler freigibt oder verdeckt An einer Seite ist ein Schwimmkörper (25) und an der anderen Seite ein Gewicht (26) angeordnet. Die -2- 55

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Achse (27) ist eine dünne Schraube, die an beiden Enden zugespitzt ist und dient der punktförmigen Lagerung des Rundpendels in der Halterung (14) (Fig. 1). Durch den Auftriebskörper (25) und das Gewicht (26) stellt sich in der Öllagerung ein Stabilitätszustand ein. Dabei ist auch die punktförmige Aufhängung bei (27) stoßgesichert Die Öllagerung verhindert auch ein Nachpendeln des Rundpendels. Das Pendel stellt sich exakt gemäß Auftriebs- und Schwerkraft wirkung ein und stellt somit eine genaue Anzeige für dieNeigungslage der elektronischen Wasserwaage dar, die durch den optoelektronischen Meßwertfühler abgetastet wird.

Die Fig. 7 zeigt den optoelektronischen Meßwertfiihler (12). Er umfaßt den Kunstharzkörper (28), in welchem eine 3 mm große LED29 und ein Fototransistor (30) eingegossen sind. Beide Teile haben einen gemeinsamen +Anschluß. Von der LED fuhrt der - Anschluß und vom Fototransistor der Signalanschluß (S) (siehe Fig. 14) zurück. Die Schraube (31) ist ebenfalls eingegossen und dient zur Befestigung und zur Justierung.

Die Fig. 8 zeigt die Halterung (14) in Blickrichtung der Y-Achse. Innen befinden sich das Rundpendel (16), und an den Schmalseiten die Befestigungsschrauben (32,33). Diese Schrauben dienen auch zum Zusammenziehen der Bleche (17).

Die Fig. 6 zeigt die Ausbildung der Bleche (17) an den Kanten mit der Gummidichtung (17a) und der Schraube (34).

Die Fig. 9 zeigt die hier verwendeten Achsbezeichnungen (X - Y - Z) und Flächenbezeichnungen (A, B, C). Die Fig. 10 zeigt die Anordnung der Löcher oder Fenster in der elektronischen Wasserwaage. Die Löcher (6) wurden bereits oben beschrieben und haben einen Durchmesser von 8 mm. Zusätzlich sind auf der Fläche (B) fünf Löcher mit dem kleineren Durchmesser von 5 mm angeordnet. Auch durch diese Löcher kann die LED-Anzeige abgelesen werden, was insbesondere bei Sonnenlichteinstrahlung eine deutlichere Ablesung ermöglicht

Die elektronische Schaltung gemäß Fig. 11 dient der Auswertung der vom optischen Lichtfühler (12) (Fig. 1) stammenden elektrischen Signale und der Ansteuerung der LED’s in Abhängigkeit von der Drehlage des Rundpendels (16). Zu dieser Schaltung Fig. 11 gelten nachstehende Hinweise: RI = 100 Ω, R2 = 100 ΚΩ, R3 = 10 ΚΩ, R4 = 3,3 ΚΩ, R5 = 33 ΚΩ, R6 = 10 ΚΩ, R7 = 56 ΚΩ, R8 = 33 ΚΩ, R9 = 800 Ω, RIO = 5 ΜΩ, Rll = 150 Ω, R12 = 560 ΚΩ, R13 = 5 ΜΩ, R14 = 5 ΜΩ, R15 = 3,9 ΜΏ, R16 = 2,7 ΜΩ, R17 = 4,7 ΜΩ, R18 - 820 ΚΩ, R20 = 150 Ω, R21 = 390 Ω TI = T2=T3 = T4 = T5 = NPN Kleinsignaltransistor, FT = Fototransistor, LED1 = Leuchtdiode rot 0 3mm, CI = C2 = ELKO 1 pF, LED2 = LED3 = LED5 = LED6 = Leuchtdiode grün 0 8 mm, LEIM = Leuchtdiode rot 0 8 mm, T6 = NPN Kleinleistungstransistor, ZD=Zenerdiode 5,1 Volt, 1 Baustein CD 4093 NAND-Gatter-Schmitt-Trigger,

Die Schaltungbestehtaus sechs Schaltungseinheiten. Die mit (35) bezeichneteEinheitistein Spannungsstabilisator. DieBatteriespannungbeträgt9VoltausderRechteckbatterie(4)(Fig. l).DerLeistungstransistor(T6)istin der Lage, in Verbindung mit der Zenerdiode (ZD) und dem Vorwiderstand (R20) die Spannung (5,1 Volt bis 6,2 Volt) - auch bei Spannungsabfall an der Batterie - die Spannung am Transistoiemitter von (T6) aufrecht zu erhalten. Die am anderen Ende liegende Einheit (36) entspricht dem optoelektronischen Fühler (12) (Fig. 1). Die Leuchtdiode LED 1 ist der Lichgeber und hat den Vorwiderstand (RI). Das Rundpendel (16) beeinflußt mit seinen Kanten (37,38,39) und (40) (siehe Fig. 12) je nach Stellung den Lichteinfall in den Transistor (FT). Der Ausgang (Emitter) des (FT) ist mit der Verstärkereinheit (41) verbunden. (Γ3) und(T4) sind als Darlingtontransistor geschaltet wobei (T3) eine negative Vorspannung hat

Durch den Vorwiderstand (R8) und die Verbindung zwischen dem Kollektor von (T4) und der Basis (T5), liegt am Emitter von (T5) das invertierte Signal. (T5) schaltet durch, wenn der (FT) unbeleuchtet ist

Die Schaltungseiiiheit (42) ist ein astabiler Multivibrator. Der Ausgang ist über den Widerstand (R7) mit dem Emitter von (T5) verbunden.

Die Schaltungseinheit (43) besteht aus fünf Leuchtdioden. LED2 ist an die positive Spannung direkt angeschlossen und dient als Einschaltkontrolle. LED3, LED4, LED5 und LED6 sind an die Ausgänge des NAND-Gatter-Schmitt-Trigger des Bausteins CD 4093 angeschlossen (Einheit (44)). Die Gatter (1) bis (4) sind jeweils mit einem Eingang (El) (G) bis (El) (G4) an das positive Potential angeschlossen. Die Eingänge (E2) von Gatter (Gl) bis (G4) sind positiv über die Widerstände (RIO, R13, R14, R15) vorgespannt (E2) von (Gl) bis (G4) sind auch über die Vorwiderstände (Rll, R12, R18) und (R16) parallel mit (R17) mit der Verbindung (E T5-R7)

AT396839B verbunden.

DieFig. 13 zeigt, wie durch die verschiedenen Vorwiderstände (Rll, R12, R16 · R18) an den Eingängen (E2) von (Gl) bis (G4) die Schaltschwelle des CD 4093 beeinflußt wird.

Im unbeleuchteten Zustand von (FT) sperrt der Transistor (TS). Die vom Multivibrator erzeugte Rechteck-5 spannnng kann Ober die Widerstände (Rll, R12, R16 - R18) an die Eingänge des Bausteins CD 4093 gelangen. Ist OFT) beleuchtet, dann schließt (TS) die vom Multivibrator erzeugte Rechteckspannung mit der positiven Betriebsspannung^) kurz. Dielntensität der Beleuchtung von (FT) bewirkteine Amplitudenmodulation der Rechteckspannung, jestärker (FT) beleuchtet ist, desto geringer ist die Amplitude. Die im Baustein CD4093 enthaltenen Schmitt-Trigger weisen ein Hysterese-Verhalten auf, d. h. die Spannung des Einschaltpunktes liegt höher als jene des Ausschalt· 10 punktes. Durch die Modulation der Rechteckspannung mit dem von (FT) ausgehenden Signal werden diese Schmitt-Trigger periodisch ein- und ausgeschaltet, was zur Folge hat, daß auch zwischen Ein- und Ausschaltpunkt der Schmitt-Trigger liegende Spannungen eindeutig qualifiziert werden können. Die Eingänge des Bausteins CD4093 werden über die Widerstände (Rll, R12, R16/R17 und R18) angesteuert; diese Widerstände bestimmen nun die vier Schwellspannungen (Schwellamplituden), die am gemeinsamen Knotenpunkt dieser Widerstände 15 anliegen müssen, um die einzelnen Schmitt-Trigger der Reihe nach einzuschalten. An den Ausgängen (Al - A4) sind nun die Leuchtdioden (LED1 · 4) angeschlossen, welche als Anzeige für die vom Fototransistor (CT) kommende Spannung dienen.

Fig. 14 zeigt eine Vorrichtung, durch die das Rundpendel (16) vor dem Einbau genau auf die 90° Teilung geprüft weiden kann. Die Darstellung ist rein schematisch. Mit (29,30) sind die LED und der Fototransistor bezeichnet Das 20 Rundpendel (16) ist stehend drehbar gelagert, sodaß die 90° Kanten für den (FT) das Licht von der (LED) freigibt oder unterbricht Ein kleiner Gleichstrommotor (46) mit einem Antriebsriemen (47) dreht das Pendel (16). Die dargestellten 90° Kanten sind für eine Einzelprüfung gedacht. Der Sektor (48) verdeckt von 0 bis 90® und gibt für 90 bis 360° frei. Umgekehrt kann man auch die Lichtstrahlen über einen Bereich von 0 bis 270® verdecken und nur von 270 bis 360° freigeben. 25 Fig.l5zeigtdieSchaltungfÜrdiePrüfung(FTbeleuchtetodernichtbeleuchtet).Eskönnen90und270° gemessen werden. Mit den Bezugszeichen (49,50) sind wieder Lichtquelle und Fototransistor bezeichnet DerUmschalter(51) gibtentweder ein Signal oder ein invertiertes Signal an einen Eingang desNAND-Gatteis (52) ab. DerzweiteEingang von diesem Gatter ist an einen Signalgenerator (53) angeschlossen. Der nachgeschalteteUniversalzähler (54) weitet die Signale bis zur Anzeige aus. Wenn der Schalter (55) geschlossen ist weiden die Schwingungen für die Zeit der 30 Umdrehung des Rundpendels (16) (Fig. 14) ausgezählt wenn der FT50 beleuchtet ist Wenn der FT50 verdunkelt ist dann erfolgt die Auszählung, wenn der Schalter (55) offen und der Schalter (56) geschlossen ist Zur genauen Anzeige ist noch ein zusätzliches Signal notwendig, welches den Zähler (Z) im Universalzähler (54) rücksetzt Fig. 16 zeigt eine Schaltung zur gleichzeitigen Prüfung von allen via- 90° Teilungen des Rundpendels (16). Mit (56) ist eine Lichtquelle und mit (57) ein optoelektronischer Empfänger (Diode oder Transistor) bezeichnet Der 35 Ausgang desEmpfiingers istan zwei dynamischen Flip-Flops (58,59) angeschlossen, wobei dem Flip-Flop (59) ein

Inverter (60) vorgeschaltet ist Beide dynamischen Speicheizellen können sich in den Zuständen (Q) und (Q) befinden, das Umschalten erfolgt nur dann, wenn das ansteuemde Signal von H (High) auf L (Low) abfällt

Das UND-Gatter_(63) verbindet die beiden (Q) Ausgänge der beiden Flip-Flops. Nach einem gleichzeitigen H-Signal an diesen (Q) Ausgängen, wird an das UND-Gatter (64) ein Signal weitergegeben. Der andere Eingang von 40 diesem UND-Gatter wird an den Generator (G) angeschlossen. Über den Schalter (65) werden die Signale an den

Universalzähler (66) weitergegeben, wenn jener geschlossen ist Für die Rücksetzung des Zählers (65) ist wiederum ein zusätzliches Signal erforderlich. Dieses kann realisiert werden indem einem Monoflop (67) ein Oder-Gatter (68) nachgeschaltet wird. Die Haltezeit des Monoflops muß dabei mit der Drehgeschwindigkeit des Drehpendels (16) (Fig. 14) abgestinimt werden. Somit ist es möglich, daß 45 diese Schaltung eine bestimmte 90° Teilung (der Ausgangstage beim Drehen des Rundpendels) entsprechend eikennt Sinngemäß können in Fig. 17 und Fig. 18 die anderen drei 90° Teilungen erkannt werden.

Die Fig. 18 zeigt das Rundpendel beim Prüfen im Ausgangszustand. Mit (69) ist ein Fototransistor gekennzeichnet und mit (70) ist eine Markierung auf dem Rundpendel angedeutet Die Pfeile zeigen an, daß sich das Pendel beim Prüfen dreht Die Kantenmariderungen (1,2,3) und (4) entsprechen den in Fig. 18 in dar obersten waagrechten 50 Reihe liegenden Zahlen 1 bis 4. Diese kennzeichnen auch die Signalflanken des Fototransistors.

Die Fig. 12,13 zeigen den Zeitablauf einer Drehung des Pendels (16). Der FT71 wird dabei beleuchtet oder verdeckt Bei der Prüfling des Rundpendels (16) wird dieses vorerst in Ausgangslage gebracht (Fig. 18). Die Markierung (70) verdeckt den FT71 (siehe Fig. 18 +12). Der Motor (46) gemäß Hg. 15 wird gestartet Die Kante (1) (Fig. 12) gibt den Lichteinfall an den FT71 freu 55 In der Ausgangslage (Fig. 18) war der DFF1 auf (Q) und durch den Inverter (60) der DFF2 auf (Q) gesetzt (siehe

Pfeil (4)). Auf dem Weg von Kante (1) bis Kante (2) wird somit der Fototiansistorausgang positiv. -4-

Claims (2)

1. AT 396 839 B PATENTANSPRÜCHE L Elektronischer Neigungsmesser, weicherein ineinermitFlüssigkeit gefüllten Kammergelagertes scheibenförmiges Rundpendel aufweist, das in einer Ebene schwingt und eine zur Schwerkraft definierte Lage einnimmt und Steueikanten auf weist, durch die ein Lichtstrahl steuerbar ist, der von einem Lichtdetektor meßbar ist und wobei das Signal zur AnzeigederNeigungslagederVorrichtungauswertbar ist, dadurch gekennzeichnet,daß dasRundpendel (16) eine Grundscheibe (72) und eine oder mehrere darauf aufgesetzte Blenden (73) umfaßt, und in der Kammer (11) der optoelektronischeLichtfühler (12) vorgesehen ist, der das Rundpendel (16) gabelförmig umgreifend, ausgebildet ist, wobei an den Gabelenden einander gegenüberliegend eine LED29 und ein Fototransistor (30) angeordnet sind.
2. 2. Elektronische Wasserwaage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rundpendel (16) diametral zu seiner Drehachse (15,27) angeordnet ein Excentergewicht (26) und einen Auftriebskörper (25) aufweist. Hiezu 6 Blatt Zeichnungen -5-