DD272781A3

DD272781A3 - CAPACITIVE TILT SENSOR

Info

Publication number: DD272781A3
Application number: DD30209187A
Authority: DD
Inventors: Frank Schmucker; Frank Assmann; Reinhard Arend
Original assignee: Weinert E Messgeraetewerk
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-04-24
Publication date: 1989-10-25
Also published as: DE3744411A1; GB2204136A; DE3744411C2; GB8809483D0; GB2204136B

Abstract

Kapazitiver Neigungssensor mit Differentialkondensator fuer Winkel- und Ebenheitsmessungen in einem weiten Umgebungstemperaturbereich. Der erfindungsgemaesse Neigungssensor ist zur Winkel- und Ebenheitsmessung an Kran- und Foerderanlagen, im Bauwesen und als elektronische Wasserwaage geeignet. Er besteht aus einem Differentialkondensator mit angeschlossener Auswerteeinrichtung. Der Differentialkondensator befindet sich in einer geschlossenen Kammer und wird aus paarweisen identischen Kondensatorplatten als die eine Elektrode, einer Gegenelektrode und einer Fluessigkeit gebildet. Erfindungsgemaess bildet eine elektrisch leitfaehige Fluessigkeit die Gegenelektrode des Differentialkondensators und das Dielektrikum besteht aus einer festen Passivierungsschicht, welche auf die Kondensatorplatten aufgebracht ist. Entsprechend der Bedeckung der Flaechen der Kondensatorplatten durch die Fluessigkeit aendert sich bei Neigung des Sensors die gemessene Kapazitaet an den Kondensatorplatten gegensinnig, woraus eine proportionale Winkelaenderung ermittelt wird. Fig. 2Capacitive tilt sensor with differential capacitor for angle and flatness measurements in a wide ambient temperature range. The tilt sensor according to the invention is suitable for measuring angles and flatness in cranes and conveyors, in construction and as an electronic spirit level. It consists of a differential capacitor with connected evaluation device. The differential capacitor is located in a closed chamber and is formed of paired identical capacitor plates as the one electrode, a counter electrode and a liquid. According to the invention, an electrically conductive liquid forms the counterelectrode of the differential capacitor and the dielectric consists of a solid passivation layer which is applied to the capacitor plates. In accordance with the coverage of the area of the capacitor plates by the liquid, the measured capacitance on the capacitor plates changes in the opposite direction when the sensor is tilted, from which a proportional angle change is determined. Fig. 2

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungenFor this 1 page drawings

Field of application of the invention

Die Erfindung dient der Winkel- und Ebenheitsmessung an Kran- und Förderanlagen, im Bauwesen, für elektronische Wasserwaagen und überall da, wo die genaue Messung von Winkelwerten zu einer Bezugsebene notwendig ist. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße kapazitive Neigungssensor bei großen Umgebungstemperaturschwankungen in einem weiten Umgebungstemperaturbereich einsetzbar.The invention is used for the measurement of angles and flatness in cranes and conveyors, in construction, for electronic spirit levels and everywhere where the exact measurement of angle values to a reference plane is necessary. Particularly advantageously, the capacitive tilt sensor according to the invention can be used for large ambient temperature fluctuations in a wide ambient temperature range.

Characteristic of the known state of the art

Es sind Meßordnungen zur Winkelmessung bekannt, die nach dem Prinzip eines Pendels aufgebaut sind, indem die Winkeländerung eines Gehäuseteils gegenüber einem frei aufgehängten Pendel über eine Wegmessung abgebildet wird, Nachteilig bei diesen Meßanordnungen sind die große Masse, der hohe Platzbedarf, der mechanische Aufwand und lange Einschwingzeiten des Pendels. Weiterhin sind Meßanordnungen bekannt, die als gravitationsempfindliches Element eine Flüssigkeit benutzen, deren Pegelstand gegenüber einer Bezugsebene abgetastet und in einen neigungswinkelproportionalen Meßwert umgewandelt wird. Eine derartige Meßanordnung wird in der DE-OS 2551798 beschrieben, wobei der Pegelöiand eine/ elektrolytischen Flüssigkeit durch eine Widerstandsmessung zwischen mehreren Elektroden abgetastet wird und eine . winkelproportionale Widerstandsdifferenz ermittelt wird.There are measuring systems for angle measurement are known, which are constructed according to the principle of a pendulum by the angular change of a housing part relative to a freely suspended pendulum is mapped via a displacement measurement, Disadvantages of these measuring arrangements are the large mass, the high space requirement, the mechanical complexity and long Settling times of the pendulum. Furthermore, measuring arrangements are known which use as a gravitational sensitive element a liquid whose level is sampled relative to a reference plane and converted into a tilt angle proportional measurement. Such a measuring arrangement is described in DE-OS 2551798, wherein the Pegelöiand a / electrolytic liquid is scanned by a resistance measurement between a plurality of electrodes and a. angle-proportional resistance difference is determined.

Nachteilig bei dieser Meßanordnung ist die starke Temperaturabhängigkeit des Elektrolyten, so daß bei großen Umgebungstemperaturschwankungen g. ößere Meßfehler entstehen, die einen Einsatz in einem weiten Umgebungstemperaturbereich ausschließen. In der DD-PS 226068 wird ein kapazitives Neigungs- und Ebenheitsmeßgerät beschrieben, bei dem sich eine dielektrische Flüssigkeit mit hohem Dielektrizitätswert zwischen zwei als Kreissektoren ausgebildeten Kondensatorplatten mit einer gemeinsamen Gegenelektrode befindet und damit ein Differentialkondensator gebildet wird.A disadvantage of this measuring arrangement is the strong temperature dependence of the electrolyte, so that at large ambient temperature fluctuations g. More measuring errors occur, which rule out use in a wide ambient temperature range. In DD-PS 226068 a capacitive inclination and planeness measuring device is described, in which a dielectric liquid with a high dielectric value between two formed as a circular sectors capacitor plates is located with a common counter electrode and thus a differential capacitor is formed.

Bei Abweichungen von der Horizontallage der Meßanordnung ändern sich gegensinnig die mit Flüssigkeit bedeckten Flächen der Kondensatorplatten, was eine Kapazitätsdifferenz hervorruft, die proportional zur Winkeländerung ist. Nachteilig bei der Anordnung gemäß DD-RS 226068 ist die starke Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten der dielektrischen Flüssigkeit, was größere Meßfehler hervorruft oder die Anwendung der Anordnung nur in einem relativ kleinen Einsatztemperaturbereich ohne größere Meßfehler zuläßt. Von Nachteil ist die Begrenzung der Meßempfindlichkeit durch einen minimal notwendigen Plattenabstand, da bei Verringerung des Elektrodenstandes wegen eintretender Kapillarwirkung auf die Flüssigkeit wiederum Meßfehler entstehen. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Einsetzbarkeit von dielektrischen Flüssigkeiten bei einem Temperaturbereich über 50°C aufgrund des Dampfdruckes, der zur Erhöhung des Kammerinnendrucks und ^u Verwerfungen der Kammerwände führt, so daß auch hier Meßfehler auftreten.In the case of deviations from the horizontal position of the measuring arrangement, the surfaces of the capacitor plates covered with liquid change in opposite directions, which causes a capacitance difference which is proportional to the change in angle. A disadvantage of the arrangement according to DD-RS 226068 is the strong temperature dependence of the dielectric constant of the dielectric fluid, which causes larger measurement errors or allows the application of the arrangement only in a relatively small operating temperature range without major measurement errors. A disadvantage is the limitation of the measuring sensitivity by a minimum necessary plate spacing, since in reducing the electrode level due to incoming capillary action on the liquid again measurement errors. Another disadvantage is the limited applicability of dielectric fluids at a temperature range above 50 ° C due to the vapor pressure, which leads to an increase in the chamber internal pressure and distortions of the chamber walls, so that also measurement errors occur here.

Für diese Meßanordnung sind also dielektrische Flüssigkeiten erforderlich, die eine gute Benetzbarkeit, eine geringe Viskosität, einen möglichst niedrigen Dampfdruck und eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Diese Forderungen können in ihrer Gesamtheit praktisch nicht realisiert werden und sind nur auf Kosten des zulässigen Meßfehlers und der Einschränkung des Einsatztemperaturbereiches zu optimieren. Weiterhin wirkt sich bei der Anordnung gemäß DD-PS 226068 der hohe technologische Aufwand für den hochgsnauen planparallelen Aufbau der Kondensaioranordnung zur Konstanthaltung des Plattenabstandes nachteilig auf die Höhe der Herstellungskosten aus.For this measurement arrangement so dielectric fluids are required which have good wettability, low viscosity, the lowest possible vapor pressure and the lowest possible temperature dependence of the dielectric constant. These requirements can not be practically realized in their entirety and can only be optimized at the expense of the permissible measuring error and the limitation of the operating temperature range. Furthermore, in the arrangement according to DD-PS 226068, the high technological cost for the hochgsnauen plane-parallel structure of the Kondensaioranordnung to keep the plate spacing constant adversely affects the level of manufacturing costs.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist, einen kapazitiven Neigungssensor zu schaffen, der in einem großen Umgebungstemperaturbereich eine hohe Meßgenauigkeit bei minimalem Meßfehler besitzt und platzsparend aufgebaut ist.The aim of the invention is to provide a capacitive tilt sensor which has a high accuracy of measurement with a minimum measurement error in a large ambient temperature range and is constructed to save space.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Neigungssensor unter Verwendung einer Flüssigkeit als gravitationsempfindliches Element in einer geschlossenen Kammer und Bestandteil eines Differntialkondensators zu schaffen, wobei der Pegelstand der Flüssigkeit abgetastet und dia gemessene Kapazitätsdifferenz proportional der Winkelabweichung des Neigungssensors von seiner Horizontallage ist und eine hohe Meßempfindlichkeit in einem weiten Einsatztemperaturbereich garantiert ist. 'The invention has for its object to provide a capacitive inclination sensor using a liquid as a gravitational sensitive element in a closed chamber and part of a Differntialkondensators, the level of the liquid is scanned and dia measured capacitance difference is proportional to the angular deviation of the inclination sensor from its horizontal position and a high Sensitivity is guaranteed in a wide operating temperature range. '

Zur Lösung der Aufgabe soll der bekannte Aufbau des Differentialkondensators, bestehend aus in Form und Größe eines Kreisoder Kreisringausschnittes paarweise identischen, elektrischleitfähigen und zur Horizontallage des Neigungssensors symmetrisch angeordneten Kondensatorplatten, die sich in der Flüssigkeit befinden und die eine Elektrode bilden und aus einer Gegenelektrode vorwendoi werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kondensatorplatten mit einer hochisolierenden festen Passivierungsschicht gleichmäßiger Dicke versehen sind und als Gegenelektrode des Differentialkondensators eine elektrisch leitende Flüssigkeit dient. Die Passivierungsschicht besitzt in einem weiten Temperaturbereich eine stabile Dielektrizitätskonstante und bildet das Dielektrikum des Differentialkondensators. Mit einer Kontaktfläche beliebiger Form kann die elektrisch leitende Flüssigkeit auch eine gemeinsame Gegenelektrode bilden. In der Horizontallage des Neigungssensors reicht die Flüssigkeit in der Kammer bekannterweise bis zur Symmetrieachse der Kondensatorplatten, so daß die am Differentialkondensator gemessene Kapazitätsdifferenz gleich Null ist. Bei Neigung des Sensors änc* m sich gegensinnig die mit elektrisch leitender Flüssigkeit bedeckten Flächen der Kondensatorplatten, so daß die entstehende Kapazitätsdiftorenz proportional der Winkelabweichung des N'eigungssensors zur Horizontallage ist. Die beiden Einzelkapazitäten des Differen'ialkondensators folgen der BeziehungTo achieve the object of the known structure of the differential capacitor, consisting of in the form and size of a circle or Kreisringausschnittes pairwise identical, electrically conductive and the horizontal position of the tilt sensor symmetrically arranged capacitor plates, which are located in the liquid and form an electrode and be vorwendoi from a counter electrode , According to the invention the object is achieved in that the capacitor plates are provided with a highly insulating solid passivation layer of uniform thickness and serves as a counter electrode of the differential capacitor, an electrically conductive liquid. The passivation layer has a stable dielectric constant over a wide temperature range and forms the dielectric of the differential capacitor. With a contact surface of any shape, the electrically conductive liquid can also form a common counter electrode. In the horizontal position of the inclination sensor, the liquid in the chamber is known to extend to the symmetry axis of the capacitor plates, so that the capacitance difference measured at the differential capacitor is equal to zero. When the sensor inclines, the areas of the capacitor plates covered with electrically conductive liquid change in opposite directions, so that the resulting capacitance difference is proportional to the angular deviation of the inclination sensor to the horizontal position. The two individual capacitances of the differential capacitor follow the relationship

c = _e.A .· ₍₁₎ c = _e .A. · ₍₁₎

wobei d die Dicke der Passivierungsschicht, edle Dielektrizitätskonstante der Passivieiungsschicht und A die von der elektrisch leitenden Flüssigkeit bedeckte Fläche der jeweiligen Kondensatorplatte ist.where d is the thickness of the passivation layer, noble dielectric constant of the passivating layer, and A is the area of the respective capacitor plate covered by the electrically conductive liquid.

Da die Dicke der Passivierungsschicht d einen konstanten Wert besitzt und die Fläche A nur noch vom Neigungswinkel des Neigungssensors zur Horizontallage abhängt, ergibt sich aufgrund der symmetrischen Anordnung der Kondensatorplatten und deren Kreisausschnitt- bzw. Kreisringausschnittform eine proportionale Bezishung zwischen der gemessenen Kapazitätsdifferenz und dem Neigungswinkel. Durch geeignete Wahl des Passivierungsmaterials kann die Dielektrizitätskonstante der Passivierungsschicht temperaturstabil gehalten werden.Since the thickness of the passivation layer d has a constant value and the area A depends only on the inclination angle of the inclination sensor to the horizontal position, results due to the symmetrical arrangement of the capacitor plates and their Kreisausschnitt- or circular ring shape a proportional Bezishung between the measured capacitance difference and the inclination angle. By suitable choice of the passivation material, the dielectric constant of the passivation layer can be kept temperature-stable.

An die elektrisch leitfähige Flüssigkeit wird lediglich dis Bedingung eines relativ geringen Dampfdruckes gestellt, um bei hohen Temperaturen durch steigenden Kammerinnendruck keine Verwerfungen der Kammerwände bzw. der Trägerplatten für die Elektroden des Differentialkondensators zuzulassen.To the electrically conductive liquid only the condition of a relatively low vapor pressure is set to allow at high temperatures by increasing internal chamber pressure no distortions of the chamber walls or the carrier plates for the electrodes of the differential capacitor.

Die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes der elektrisch leitenden Flüssigkeit und deren Leitfähigkeit sind bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung vernachlässigbar, da dieser nur als Reihenwiderstand zum relativ großen Innenwiderstand des Differentialkondensators in die Messung eingeht.The temperature dependence of the internal resistance of the electrically conductive liquid and its conductivity are negligible in the measuring arrangement according to the invention, since this is received only as a series resistance to the relatively large internal resistance of the differential capacitor in the measurement.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to the following embodiment. Show

Fig. 1: die äußere Gestaltung der Kondensatorplatten in der DraufsichtFig. 1: the outer design of the capacitor plates in plan view

Fig. 2: eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Neigungssensor in der Seitenansicht.2 shows a sectional view of a tilt sensor according to the invention in a side view.

Auf einerTrägerplatte 1 befinden sich zwei als Kreisringausschnitte symmetrisch aufgebaute Kondensatorplatten 3, die mit einer dünnen Glassicht 4 als Passivierungsschicht überzogen sind. Mittels einer zweiten Trägerplatte 2, die im Abstand zur Trägerplatte 1 angeordnet ist, wird eine hermetisch geschlossene Kammer gebildet. In der geschlossenen Kammer befindet sich eine leitfähige Flüssigkeit 5, deren Pegel in der Horizontallage des Neigungssensors bis zur Symmetrieachse der beiden Kondensatorplatten 3 reicht. Zusammen mit einer leitenden Fläche 6, die auf der Trägerplatte 2 aufgebracht ist, bildet die leitfähige Flüssigkeit 5 eine gemeinsame Gegenelektrode zu den Kondcnsatorplatten 3.On a carrier plate 1, there are two condenser plates 3, symmetrically constructed as circular ring cut-outs, which are coated with a thin glass layer 4 as a passivation layer. By means of a second carrier plate 2, which is arranged at a distance from the carrier plate 1, a hermetically sealed chamber is formed. In the closed chamber is a conductive liquid 5, whose level in the horizontal position of the inclination sensor extends to the symmetry axis of the two capacitor plates 3. Together with a conductive surface 6, which is applied to the carrier plate 2, the conductive liquid 5 forms a common counterelectrode to the Kondcnsatorplatten third

Bei Veränderung des Neigungssensors aus der Horizontallage ändern sich gegensinnig die mit leitfähiger Flüssigkeit 5 bedeckten Flächen der Kondensatorplatten 3 und es ist eine Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Kondensatorplatten 3 meßbar. Diese Kapazitätsdifferenz ist proportional zur Änderung des Neigungswinkels des Neigungssensors aus der Horizontallage bzw. in bezug auf die Horizontallage. Durch die äußerst dünne Glasschicht 4, dere ι Dicke im Mikrometerbereich liegt, ergibt sich eine hohe Winkelauflösung durch eine große Änderung der Kapazitätsdifferenz pro Winkelwert. Als vorteilhafteste Dicke der Glasschicht 4 hat sich der Bereich von 2 bis 10Mm erwiesen. In bekannter Weise ist zur Realisierung des kapazitiven Neigungssensors an die Elektroden des Differentialkondensators eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Messung der neigungswinkelproportionalen Kapazitätst'ifferenz und zur Anzeige des Winkelwertes angeschlossen.When the inclination sensor is changed from the horizontal position, the areas of the capacitor plates 3 covered with conductive liquid 5 change in opposite directions, and a capacitance difference between the two capacitor plates 3 can be measured. This capacitance difference is proportional to the change in the inclination angle of the inclination sensor from the horizontal position or with respect to the horizontal position. Due to the extremely thin glass layer 4, the ι thickness in the micrometer range, results in a high angular resolution by a large change in the capacitance difference per angle value. As the most advantageous thickness of the glass layer 4, the range of 2 to 10 μm has been found. In known manner, an electronic evaluation device for measuring the tilt angle proportional capacitance difference and for displaying the angle value is connected to the realization of the capacitive tilt sensor to the electrodes of the differential capacitor.

Claims

1. Capacitive inclination sensor using a liquid as a gravitational sensitive element in a closed chamber in which are in the form and size of a circular or circular cutout pairs identical, electrically conductive and symmetrical to the horizontal position of the tilt sensor capacitor plates, with a counter electrode a Diffenntialkono and the chamber in the horizontal position of the inclination sensor is filled to the symmetry axis of the capacitor plates with the liquid, characterized in that the capacitor plates are provided with a highly insulating solid passivation layer of uniform thickness and that the liquid in the chamber is electrically conductive and the counter electrode of the Differential capacitor forms.

2. Capacitive inclination sensor according to claim 1, characterized in that the liquid in the chamber with a contact surface of any shape forms a common counter electrode.

3. Capacitive inclination sensor according to claim 1 or 2, characterized in that an electronic ejection device for measuring the inclination angle proportional capacitance difference and for displaying the angle value is connected to the electrodes of the differential capacitor.