AT397868B - Neigungsmessgerät mit einer pendelvorrichtung - Google Patents

Description

AT 397 868 B

Die Erfindung betrifft ein Neigungsmeßgerät mit einer Pendelvorrichtung zur Messung der Neigungslage und einer Fliehkraftkompensationseinrichtung, wobei entsprechend der einwirkenden Fliehkraft elektrischer Strom erzeugt und damit ein die Fliehkraft an der Pendelvorrichtung kompensierender elektrischer Motor betrieben wird.

Derartige Neigungsmeßgeräte sind zB. durch die US-PS 3 537 307 bekannt geworden, wonach die Beschleunigungskräfte dazu herangezogen werden, einen entsprechenden Strom zu erzeugen und damit einen die Fliehkraft an der Pendelvorrichtung kompensierenden elektrischen Motor anzutreiben.

Die bekannten solchen Geräte können den heutigen hohen Anforderungen an Neigungsmeßgeräten nicht genügen. Dies wird erfindungsgemäß nunmehr dadurch ermöglicht, daß auf einer Pendelachse verdrehbar ein Pendel angeordnet ist, wobei der elektrische Motor Teil der Pendelmasse ist, daß die Pendelachse mit einer Bundmaske fest verbunden ist, die eine Verzahnung aufweist, in die ein Ritzel des Motors eingreift, und daß ein Fliehkraftmeßgeber vorgesehen ist, mit dessen analog zur einwirkenden Fliehkraft abgegebenem und verstärktem Strom der Motor zur kompensierenden Verdrehung der Rundmaske angetrieben wird.

Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung umfaßt der Fliehkraftmeßgeber eine durch Federkraft in eine Ruhelage gehaltene Masse, die mit wenigstens einer Blendenmaske verbunden ist, und daß durch die Blendenmaske ein Lichtstrahl zwischen einer Lichtquelle und einem Lichtmengenmeßgerät (Fototransistor) in seinem Lichtstrahlquerschnitt gesteuert ist, sodaß die im Lichtmengenmeßgerät beim Verschieben der Masse unter der Einwirkung der Fliehkraft entstehende Strommenge analog der Fliehkraft ist.

In den Zeichnungen ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt. Die Zeichnungen sind zum Teil schematisch gehalten.

Die Fig. 1 bis 12 veranschaulichen konstruktive Einzelheiten. Aus den Fig. 13a, 13b und 13c ist insbesondere die Funktion des erfindungsgemäßen Neigungsmeßgerätes zu ersehen. Die Fig. 14 bis 21 erläutern die grundsätzliche Funktion der Meßgeber, wie in den österr. Patentanmeldungen A 3083/88 Kl G 01 C und A 292/89 Kl. G 01 D (ÖP.Nr. 394.783) desselben Erfinders beschrieben ist und auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird.

Bei bekannten Neigungsmeßgeräten tritt die Schwierigkeit auf, daß die Meßung der Neigung durch die Einwirkung der Fliehkraft zB. beim Kurvenfahren verfälscht wird. Mit der vorliegenden Erfindung wird die Fliehkraft auf besondere Weise kompensiert, sodaß der wahre Neigungswinkel angezeigt wird.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen schematisch den Fliehkraftmeßgeber, der in Abhängigkeit von der gemessenen Fliehkraft eine Meßgröße abgibt, die zur Kompensation herangezogen wird.

In Fig.1 ist als Masseteil eine Kugel 1 dargestellt, die zwischen zwei Masken 2 von Federn 3 im Gleichgewicht gehalten wird. Oberhalb und unterhalb der Masken 2 befinden sich 'Lichtquellen 5 und Fototransistoren 6. Wie in den zuvor genannten Patentanmeldungen genau ausgeführt ist, wird der von der Lichtquelle 5 ausgestrahlte Lichtstrahl durch die keilförmige Ausnehmung 15 in den Masken 2 je nach Verschiebelage mehr oder weniger durchgelassen, sodaß der in den Fototransistoren 6 entstehende Strom ein Maß für die Verschiebelage und damit auch ein Maß für die auf das Gewicht 1 wirkende Fliehkraft ist. Die Anordnung Fig.1 ist in einem Rohr 4 angebracht, wie den Fig.2 und 3 zu entnehmen ist.

Das Licht der Lichtquelle 5 tritt durch die Schlitze 7 hindurch.

Die zuvor beschriebene Konstruktion gemäß den Fig.1 bis 3 ist der Meßgeber für die zu kompensierende Fliehkraft und wird an dem erfindungsgemäßen Neigungsmeßgerät angeordnet, wie in den Fig. 8,10,11,12 und 13a,b,c dargestellt und beschrieben ist. Der genannte Fliehkraftmeßgeber siehe insbesondere die explosionsartige Darstellung Fig.10 ist schematisch angedeutet und mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet. Er sitzt auf einer Platte 16, die auch die Lichtquellen 5 und die Fototransistoren 6 trägt. Eine in einem Langloch radial verschiebbare Schraube 17 dient zur Justierung und Auswuchtung der Scheibe 16.

Die Scheibe 16 sitzt fest auf einer Achse 17, die in Fig.10 verlängert dargestellt ist. Weiters sitzt auf der Achse 17 eine von einer Endplatte 18 getragene und abgeschlossene Rundmaske 19, deren Kante 14 als weitere Meßgeber wirkt, wie dies ebenfalls in der zuvor genannten Patentanmeldung und weiter unten näher beschrieben ist.

Zwischen den zuvor genannten Bauteilen befindet sich auf einer drehbar gelagerten Aufhängung 20 ein Elektromotor 8, der in bevorzugter Weise ohne Kollektor arbeitet. Die Federn 3 zu beiden Seiten der Aufhängung 20 halten den Motor 8 in Ruhelage in einer bestimmen Stellung zu den Teilen 16 und 18 der Anordnung. Ein Ritzel 9 des Motors 8 greift in eine Verzahnung 10 ein, die an der Innenseite der Platte 18 und innerhalb der Rundmaske 19 angeordnet ist.

In zusammengebautem Zustand liegen die Teile etwa so aneinander, wie dies in Fig. 12 dargestellt ist. Wie schon zuvor beschrieben, wirkt die Kante 14 als bestimmende Größe für den Neigungsmeßgeber. Die Lichtquelle 21 (Fig.12) sendet ihr Licht in Richtung des Fototransistors 22. Je nach Drehstellung der Maske 19 und damit der Kante 14 gelangt mehr oder weniger Licht auf den Fototransistor 22. Es sind noch zwei 2

AT 397 868 B weitere Lichtquellen , Fototransitoranordnungen 23,24 vorgesehen, die in Zusammenwirkung mit weiteren Maskenteilen 25,26 bestimmte Grundstellungen der Maske feststellen können.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Anordnung beschrieben.

In der Grundstellung Fig.12, also ohne Einwirkung von Fliekraft und in ebener Stellung, hängt der Motor 8 lotrecht nach unten in Richtung zum Erdmittelpunkt. Der von der Lichtquelle 21 kommende Lichtstrahl wird durch die Maske 19 abgedeckt oder das Licht wird maximal abgeschwächt. Nach weiterer Signalverarbeitung ergibt dies einen Signalwert für die Neigung 0.

Wird ohne Einwirkung einer Fliehkraft die Vorrichtung geneigt, dann dreht sich die Anordnung unter der Wirkung der Masse des Motors 8, die stets zum Erdmittelpunkt zeigt. Dabei verdreht sich auch die Maske 19 gegenüber den Lichtquellen, Fototransistoranordnungen 21, 22 bzw. 23 und 24. Wie in der zuvor genannten Anmeldung und später deutlich beschrieben ist, steigt damit die auf den Fototransistor 22 auftreffende Lichtmenge und damit der Strom, wodurch sich eine Meßgröße für die jeweils erzielte Neigung ergibt.

Unterliegt die erfindungsgemäße Anordnung einer Fliehkraft, dann wird diese Fliehkraft durch den Fliehkraftmeßgeber 12 (siehe Fig. 1 bis 3) festgestellt, wobei in den Fototransistoren 6 ein entsprechender Strom erzeugt wird. Dieser Strom gelangt über die Achse (Minuspol) und zB. über eine plusleitung entlang der einen Feder 3 zu dem Motor 8. Der Motor treibt das Ritzel 9 an und verstellt die Lage der Maske 19 so weit, daß eine Kompensation der Fliehkraft gegeben ist. In den Fig. 4 bis 6 ist dies anschaulich dargestellt.

Wie im Hinblick auf Fig.10 und 12 beschrieben, werden durch die Stellungen der Masken über ihre Kanten Fototransistoren entsprechend gesteuert. Der durch die Kante bei 71 gesteuerte Fototransistor zeigt die 90* - Teilungen (wie A 3085/88) jedoch ohne power on reset. Mit zusätzlich zwei LED für die Anzeige dunkel oder licht an den beiden äußeren Enden bei 71,72 (Fig. 13c). Bei 73 erscheint ein grünes Zeichen. Zusätzlich sind für die Enden zwei rote LED vorgesehen, die mit Transistorschaltern gesteuert werden.

Der zu 74 zugehörige Fototransistor mißt die Neigung in Grad (wie A 292/89 Neigungsmesser).

Die Stelle 75 ist mit dem Pluspol und die Stelle 76 mit dem Minuspol verbunden. Die Leitung für den Motor ist durch die Feder 77 gegeben. Bei 78 findet eine Potentialtrennung statt.

Der der Stelle 79 zugehörige Fototransistor schaltet das Vorzeichen plus oder minus bei der Siebensegmentanzeige für die Neigungsmessung 180* Teilung, siehe Fig.13b. Zu dieser Fig.13b sei noch gesagt, daß insgesamt zwei solcher Geber (mit Kompensation der Querbeschleunigung) einmal in X-Achse und einmal in Y-Achse zum Flugzeug eingebaut sind. Wenn jeweils die drei Lagebestimmungen dabei genützt werden, so kann dies die Basis für den künstlichen Horizont sein.

Bei 80 (Fig.13) ist die Motorwendeschaltung angebracht. Die beiden Fototransistoren 81,82 sind für eine analoge Steigerung der Leistung des Motors (Drehmoment) bestimmt. Die beiden Fototransistoren 83,84 schalten die Drehrichtung des Motors (siehe auch A 292/89).

Das Prinzip, nach dem der erfindungsgemäße Signalgeber arbeitet, wird im folgenden anhand der Fig.14 erläutert.

Die Lichtquelle 31 sendet einen Lichtstrahl 32 zu einem Empfänger 33. Durch die Blende 34 wird der Lichtstrahl begrenzt, der in Richtung zum Empfänger 33 gesendet wird. Zwischen Lichtquelle und Empfänger ist eine Steuerblende 35 angeordnet. Die steuerblende 35 umfaßt im wesentlichen einen verschiebbaren Schirm 36 mit einer keilförmig ausgebildeten Blendöffnung 37 und zwei feststehende Kulissen 38, die ebenso wie der Schirm aus lichtundurchlässigem Material bestehen. Der bewegliche Schirm 36 ist entsprechend dem Pfeil 39 verschiebbar. Am Schirm 36 greift in hier nicht dargestellter Weise eine Meßgröße an, wie zB. die Verschiebung eines kraftübertragenden Stempels von einer Druckmembran eines Manometers etc.

Die Lichtquelle 31 ist hier als LED eingezeichnet. Es kann aber auch jede andere passende Lichtquelle Verwendung finden.

Der Empfänger 33 umfaßt im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Fototransistor 40 und eine Vorsatzblende 41.

Das von der LED 31 ausgesandte Licht fällt durch die Blende 34 und als Lichtstrahl 32 durch die Blendenöffnung 37 der Steuerblende 35, wobei der Querschnitt des Lichtstrahles entsprechend der Stellung der Blendöffnung 37 mehr oder weniger eingeengt wird. Durch die Vorsatzblende 41 und deren Blendöffnung 70 wird eine definierte Lichtmenge zu dem Empfänger durchgeiassen, und diese Lichtmenge ist abhängig von der Stellung der Blendöffnung 37 bzw. der Kulisse 38. Der Fototransistor 40 gibt somit eine der auftreffenden Lichtmenge entsprechende Spannung ab. Durch an sich bekannte Weiterverarbeitung des Stromes bzw. der Spannung des Fototransistors kann die gemessene Größe zur Steuerung eines Anzeigeinstrumentes verwendet werden.

Das Ausführungsbeispiel Fig.15 entspricht vom Meßprinzip her jenem der Fig.14. Gleiche Teile tragen in allen diesen und folgenden Figuren stets die gleichen Bezugszeichen. 3

Claims (5)

1. AT 397 868 B Die Steuerblende besteht hier aus einer Blendentrommel 42 und der feststehenden Blende 43. In Fig.15 ist die Blendentrommei separat dargestellt. Die Blendentrommel ist im wesentlichen zylinderförmig. Die Zylinderwand ist an einer Seite durch einen Boden 45 abgeschlossen und dieser trägt ein Exzentergewicht 46. Die Blendentrommel ist um die Achse 47 frei drehbar. Bei etwa horizontaler Lage dieser Achse 47 wird die Blendentrommel durch das Exzentergewicht 46 jeweils so (Pfeil 71) gedreht, daß das Exzentergewicht in Richtung zum Erdmittelpunkt zeigt, wie dies mit dem Pfeil 18 angedeutet ist. Die dem Boden 45 gegenüberliegende Kante der Zylinderwand 44 (Blendkante 49) weist entlang des Zylinderumfanges einen veränderlichen Abstand zum Boden 45 auf, sodaß die Strecke 50 größer ist als die Strecke 51. Wie in Fig.15 zu ersehen ist, dreht sich die Blendkante 49 an der feststehenden Blende 43 vorbei, wobei zwischen der feststehenden Blende 43 und der Blendkante 49 ein Spalt 72 für den Durchtritt des Lichtstrahls 32 verbleibt, dessen Breite von der Drehstellung der Blendentrommel abhängt. Die sich hierbei ergebende Blendöffnung entspricht in ihrer Projektion auf eine zum Lichtstrahl senkrechten Ebene der Blendöffnung 37 in Fig.14. Die Lichtquelle sitzt hier innerhalb der Blendentrommel und der Lichtstrahl gelangt je nach Stellung der Blendentrommel in mehr oder weniger abgeschwächter Form zum Empfänger 3, wo die auftreffende Lichtmenge in die entsprechende Spannung oder den entsprechenden Strom umgewandelt wird. Fig.16 zeigt die Anordnung der Fig.2 in Blickrichtung des Lichtstrahles vom Empfänger aus gesehen. Die Blendentrommel 42 hat dabei die Stellung der größtmöglichen Annäherung ihrer Blendkante 49 im Bereich des Lichtstrahles. Wird die Blendtrommel 42 um 90° verdreht, würde der Lichtstrahl mit seiner maximalen Ausdehnung auf den Empfänger treffen. Eine derartige Konstruktion kann vorteilhafterweise für einen Neigungsmesser Verwendung finden, wie er in Fig. 20 schematisch dargestellt ist. In einem Gehäuse 52, das aufgebrochen dargestellt ist, befinden sich die anhand der Fig. 2 und 8 dargestellten Elemente. Die Vorrichtung kann mit den Flächen 53 oder 54 auf eine Ebene aufgesetzt werden, deren Neigungswinkel bestimmt werden soll. Das Exzentergewicht 46 nimmt stets jene Stellung ein, in der der Pfeil 48 in Richtung zum Erdmittelpunkt zeigt. Durch die Verdrehung (Pfeil 71) der Blendentrommel 42 gegenüber der feststehenden Blende 43 wird die Blendenöffnung und damit der Querschnitt des Lichtstrahles 32 entsprechend eingestellt. Die auftreffende Lichtmenge wird vom Empfänger 33 in Strom umgewandelt und über eine Schaitungseinheit 55 wird eine Anzeigevorrichtung 56 angesteuert. Die Anzeigevorrichtung 56 besteht in dem Ausführungsbeispiel Fig.20 aus vier 7-Segmentanzeigen, durch die entweder der gemessene Neigungswinkel digital angezeigt oder die Differenz zur waagrechten Lage angezeigt wird. Die Fig. 17 und 18 zeigen die Konstruktion gemäß den Fig.1 und 2, wobei Verstellschrauben 57, 58 vorgesehen sind. Mit diesen Verstellschrauben läßt sich die Steuerblende in Richtung des Pfeiles 59 verstellen, sodaß die Blende mehr oder weniger Lichtmenge in einer bestimmten Stellung der Steuerblende durchläßt. Damit läßt sich die vom Empfänger erzeugte Spannung einstellen. Im Blockschaltbild Fig.19 ist funktionell die Arbeitsweise der Elektronik dargestellt, die zur Auswertung der Verschiebung der Steuerblende vorgesehen ist. Mit 60 ist eine Spannungsquelle bezeichnet, deren Spannung im Stabilisator 61 stabilisiert wird. Die LED 62 sendet den Lichtstrahl 63 durch die von der Meßgröße gesteuerte Steuerblende 64 zum Fototransistor 65 als Empfänger. Das Signal wird im Verstärker 66 verstärkt. Die Verstärkung kann zB. mittels einer Transistorschaltung, einem Darlington-Transistor oder einem handelsüblichen Operationsverstärker (zB. OP 741) erfolgen. Die so verstärkte Spannung wird in dem Spannungsfrequenzumsetzer 67 in eine der Eingangsspannung entsprechende Frequenz umgesetzt. Das Frequenzsignal gelangt zum Frequenzzähler 68, welcher die Anzeigevorrichtung 69 in Form eines 7-Segmentedisplays steuert. Eine derartige Vorrichtung ist bei Anwendung als Neigungsmesser in der Lage, Neigungen von 0 · bis 90’ mit einer Auflösung bis zu 1/1000' zu messen. Die Anwendungsmöglichkeiten für beide Ausführungsarten des erfindungsgemäßen optoelektrischen Gebers lassen sich nur beispielsweise anführen. Das Ausführungsschema gemäß Fig.14 läßt sich zB. zur Abtastung von Oberflächen anwenden, wobei Oberflächenunebenheiten die Steuerblende verschieben. Die in den Fig. 14 und 17 gezeigte Steuerblende 35 kann auch gekrümmt und in einer gekrümmten Ebene verschiebbar sein. Aus Platzgründen kann dies vorteilhaft sein. Fig.21 ist nach den oben stehenden Ausführungen von selbst verständlich. Patentansprüche 1. Neigungsmeßgerät mit einer Pendeivorrichtung zur Messung der Neigungslage und einer Fliehkraftkompensationseinrichtung, wobei entsprechend der einwirkenden Fliehkraft elektrischer Strom erzeugt 4 AT 397 868 B und damit ein die Fliehkraft an der Pendelvorrichtung kompensierender elektrischer Motor betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Pendelachse (17) verdrehbar ein Pendel (8,9,20) angeordnet ist, wobei der elektrische Motor (8) Teil der Pendelmasse ist, daß die Pendelachse mit einer Rundmaske (19) fest verbunden ist, die eine Verzahnung (10) aufweist, in die ein Ritzel (9) des Motors (8) eingreift, und daß ein Fliehkraftmeßgeber (12) vorgesehen ist, mit dessen analog zur einwirkenden Fliehkraft abgegebenem und verstärktem Strom der Motor (8) zur kompensierenden Verdrehung der Rundmaske (19) angetrieben wird. (Fig.10).
2. 2. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliehkraftmeßgeber (12) eine durch Federkraft (3) in eine Ruhelage gehaltene Masse (1) umfaßt, die mit wenigstens einer Blendenmaske (2) verbunden ist, und daß durch die Blendenmaske ein Lichtstrahl zwischen einer Lichtquelle (5) und einem Lichtmengenmeßgerät (Fototransistor 6) in seinem Lichtstrahlquerschnitt gesteuert ist, sodaß die im Lichtmengenmeßgerät beim Verschieben der Masse (1) unter der Einwirkung der Fliehkraft entstehende Strommenge analog der Fliehkraft ist. (Fig.1 bis 3).
3. 3. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundmaske (19) eine den Lichtstrahl einer Lichtquelle (21,23) je nach Drehlage der Rundmaske mehr oder weniger abdek-kende Steuerkante (14) aufweist und daß auf der zur Lichtquelle gegenüberliegenden Seite der Rundmaske (19) ein Lichtmengenmeßgerät (Fototransistor 22, 24) angeordnet ist.
4. 4. Neigungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fliehkraftmeßgeber (12) auf einer mit der Pendelachse (17) verbundenen Scheibe (16) angeordnet ist. (Fig.10).
5. 5. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Pendel (8,9,20) über Federn (3) mit der Rundmaske (19) und der Scheibe (16) federnd verbunden ist (Fig.8,10). Hiezu 13 Blatt Zeichnungen 5