DE10135329B4

DE10135329B4 - Vorrichtung zur Messung von Neigungswinkeln

Info

Publication number: DE10135329B4
Application number: DE2001135329
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Schulz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2021-07-20
Also published as: DE10135329A1

Abstract

Vorrichtung zur Messung von Neigungswinkeln durch Bestimmung der Winkellage einer Luftblase in einem teilweise mit einer Flüssigkeit (2e) gefüllten Behälter (2) mittels einer Mehrfachlichtschranke (1/3), wobei das Schattenbild der Luftblase ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Grenzfläche (2f) zwischen Flüssigkeit und Luftblase auf den schräg nach oben gerichteten Teil der von der Lichtquelle (1) abgegebenen Strahlung einwirkt und der Behälter (2) als Küvette ausgebildet ist, der von einer Seite bestrahlt wird und auf dessen Gegenseite drei Fotodetektoren (3a, b, c) so angeordnet sind, dass bei Messung an horizontalen Flächen die Fotodetektoren (3a, b) abgeschattet werden, während der nicht abgeschattete Fotodetektor (3c) als Referenz dient und bei Messungen an vertikalen Flächen die Fotodetektoren (3b, c) abgeschattet werden, während der Fotodetektor (3a) als Referenz eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung von Neigungswinkeln gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist nach DE 44 38 557 A1 bekannt, Neigungswinkel durch Erfassen des Flüssigkeitsspiegels in einer Küvette mittels einer Mehrfachlichtschranke zu bestimmen. Dies geschieht dabei unter Ausnutzung der unterschiedlichen Brechungsindizes von Luft und Flüssigkeit, wobei als Flüssigkeit Öl vorgeschlagen ist.

Nachteilig bei dieser Vorrichtung ist, daß die durch den mit Luft gefüllten Teil der Küvette hindurchfallende Strahlung durch die nicht vermeidbare Schlierenbildung an den Glasflächen erheblich gestört gestört und zu Fehlmessungen führen kann. Dies gilt insbesondere für den Nullpunkt, der für ein solches Meßsystem entscheidend ist, jedoch auch für die Kalibrierung, wenn die auf die Referenzdiode fallende Strahlung nicht konstant bleibt. Außerdem führt die hohe Viskosität von Öl dazu, daß sich das Meßergebnis nur sehr langsam einstellt.

Nach WO 93/15377 ist bekannt, Neigungswinkel mit einer Vorrichtung zu bestimmen, bei der die Lage der Luftblase mit einem Positionsdetektor erfaßt wird. Für die Messung aller Winkel im Gesamtbereich von 360° ist ein Ringdetektor einzusetzen. Aus Kostengründen ist dieser nur für aufwendige Messvorrichtungen geeignet, nicht jedoch für die am meisten gefertigten Neigungswinkelmesser, die „Wasserwaagen".

Die in der Patentschrift DE 198 54 812 A1 beschriebene Vorrichtung verwendet als Behälter für die Flüssigkeit die aus Wasserwaagen bekannten Libellen, wobei die Durchstrahlung dieses zylinderförmigen Körpers durch dessen Mantelflächen erfolgt. Gegenüber der Durchstrahlung durch die Frontflächen hat diese Anordnung den Vorteil, daß das Ausgangssignal relativ gut linear zum Messwinkel ist. Nachteilig ist jedoch der kleine Messbereich.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Fehlereinflüsse möglichst weitgehend auszuschließen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß die Anordnung, wie in 1 dargestellt, von Lichtquelle (1), Küvette (2) und Fotodetektoren (3a, b) so erfolgt, daß der Schatten, der im Strahlengang durch die Reflexion an der gekrümmten Flüssigkeitsoberfläche (2f) entsteht, auf die Fotodetektoren (3a, b) fällt und diese etwa zur Hälfte abdeckt. Durch diesen Aufbau wird der Einfluß von Schlieren auf den Glasflächen weitgehend ausgeschaltet und durch die Messung der Abschattung anstelle der unterschiedlichen Brechungsindizes wird ein wesentlich größerer Meßeffekt (Differenz der Fotoströme der Fotodetektoren 3a, b) erzielt.

Der dritte Fotodetektor (3c) dient als Referenz bei Messung des Neigungswinkels bei horizontalen Flächen, wobei die darauf fallende Strahlung durch die Flüssigkeit (2e) verläuft und somit nicht durch Schlieren beeinträchtigt wird. Diese Anordnung erlaubt es auch, die Messung von horizontal auf vertikal (2/3) umzustellen, indem dann die Differenz der Fotoströme der Fotodetektoren 3b und 3c ausgewertet wird, während der Fotodetektor 3a als Referenz eingesetzt wird. Hierbei ist es notwendig, die Lichtquelle (1) mittig zur Küvette (2) und die Fotodetektoren (3a, b, c) symmetrisch zur Mitte anzuordnen und die Flüssigkeit (2e) so hoch einzufüllen, daß das durch die gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche (2f) bewirkte Schattenbild die oberen Hälften der Fotodetektoren (3a, b bzw. 3b, c) abdeckt.
Öl hat eine geringe Oberflächenspannung (z.B. im Vergleich zu Wasser) und erzeugt somit eine gleichmäßige Oberfläche, wegen seiner hohen Viskosität stellt sich der hießwert jedoch nur sehr langsam ein. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb vorgeschlagen, als Flüssigkeit (2a) ein Lösungsmittel zu verwenden, das sowohl eine niedrige Oberflächenspannung als auch eine niedrige Viskosität aufweist. Hierbei sind z.B. Alkohol, Terpentin, Benzol oder Aceton geeignet, wobei Aceton die besten Werte hat, jedoch die Klebung der Küvette angreifen kann, weshalb die anderen Lösungsmittel unproblematischer sind.
1 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung. Von der Lichtquelle (1), vorzugsweise einer Infrarotdiode, die mittig bezüglich der Küvette (2) angeordnet ist, wird Strahlung emittiert. Die Küvette (2), die aus einer Aluminiumplatte (2a) mit kreisförmiger Bohrung (2b) und zwei aufgeklebten Glasplatten (2c, d) besteht, jedoch auch aus Plexiglas gefertigt werden kann, und etwas mehr als zur Hälfte mit einer Flüssigkeit (2e) gefüllt ist, welche mit der Luft eine Grenzfläche (2f) bildet, wird durchstrahlt und die Strahlung fällt dann auf die Fotodetektoren (3a, b, c), von denen zwei so angeordnet sind, daß sie etwa zur Hälfte bestrahlt werden, während auf die obere Hälfte, bedingt durch die Reflexion der Strahlung an der Flüssigkeitsoberfläche/Grenzfläche (2f) nur sehr wenig Strahlung auftrifft. 2 und 3 zeigen Schnitte durch die Küvette (2) bei Messung an horizontalen bzw. an vertikalen Flächen. Während bei der Messung an horizontalen Flächen die Fotodetektoren 3a und 3b teilweise abgeschattet werden, trifft dies bei Messung an vertikalen Flächen für die Fotodetektoren 3b und 3c zu.
Dieser erfindungsgemäß vorgeschlagene Aufbau der Meßvorrichtung führt zu einer hohen Stabilität des Meßergebnisses auch bei Temperaturschwankungen und bei stoßartiger Belastung.
4 und 5 zeigen die Schaltbilder der elektronischen Signalverarbeitung. Dabei zeigt 4 die Signalverarbeitung unter Verwendung eines Zweifach-Operationsverstärkers (4a, b), dessen erster Ausgang auf ein Digitalvoltmeter (5) geschaltet ist und dessen zweiter Ausgang den Strom für die Lichtquelle (1) liefert. Dabei werden die Fotoströme der Fotodioden 3a, b über die Widerstände R1 und R2 in Spannungen umgesetzt, wobei das zusätzliche Potentiometer P1 eine Nullpunktverschiebung ermöglicht. Der Operationsverstärker 4b ist als Integralregler geschaltet. Dabei werden der Fotostrom der Fotodiode 3c mit einem Referenzstrom, der aus der Betriebsspannung abgeleitet wird, verglichen und mittels der Kondensatoren C1 und C2 integriert. Der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers 4b liefert den Strom für die Lichtquelle (1), wobei der Widerstand R7 den Strom begrenzt. Als Stromquelle zum Betrieb der Meßvorrichtung ist eine Batterie B1 vorgesehen.
5 zeigt eine Schaltung, bei der das Digitalvoltmeter (5) direkt von den Fotodioden (3a, b, c) angesteuert wird. Wenn bei dem Digitalvoltmeter (5) Eingang und Referenz potentialmäßig getrennt sind, genügen die Widerstände R1 und R2 sowie das Potentiometer P1, um das Eingangssignal für das Digitalvoltmeter (5) zu erzeugen. Über das Potentiometer P2, das zur Kalibrierung der Anzeige dient, wird aus dem Fotostrom der Fotodiode 3c eine Referenzspannung erzeugt.
Die Schaltbilder zeigen die Auswertung für die Messung an horizontalen Flächen. Für die Messung an vertikalen Flächen wird eine hier nicht dargestellte Umschaltung zwischen den Fotodetektoren (3a, b, c) vorgenommen.
Bei dem Einsatz der Meßvorrichtung zur Überprüfung von Boden- oder Deckenflächen ergibt sich das Problem, daß die Anzeige des Digitalvoltmeters (5) nicht oder nur schwierig abzulesen ist. Es wird deshalb in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Vorrichtung in einen Meß- (6a) und einen Anzeigeteil (6b) aufzuteilen, die mit einem Drehgelenk (7) verbunden sind, sodaß der Anzeigeteil (6b) um ± 90° gedreht und somit in Blickrichtung gebracht werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Messung von Neigungswinkeln durch Bestimmung der Winkellage einer Luftblase in einem teilweise mit einer Flüssigkeit (2e) gefüllten Behälter (2) mittels einer Mehrfachlichtschranke (1/3), wobei das Schattenbild der Luftblase ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Grenzfläche (2f) zwischen Flüssigkeit und Luftblase auf den schräg nach oben gerichteten Teil der von der Lichtquelle (1) abgegebenen Strahlung einwirkt und der Behälter (2) als Küvette ausgebildet ist, der von einer Seite bestrahlt wird und auf dessen Gegenseite drei Fotodetektoren (3a, b, c) so angeordnet sind, dass bei Messung an horizontalen Flächen die Fotodetektoren (3a, b) abgeschattet werden, während der nicht abgeschattete Fotodetektor (3c) als Referenz dient und bei Messungen an vertikalen Flächen die Fotodetektoren (3b, c) abgeschattet werden, während der Fotodetektor (3a) als Referenz eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit (2e) ein Lösungsmittel wie Benzin, Terpentin, Alkohohl oder Aceton verwendet wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Messung von horizontalen Flächen die Fotoströme der Fotodetektoren (3a, b) auf den Differenz-Messeingang eines Digitalvoltmeters (5) eingespeisst werden, während der Fotostrom des Fotodetektors (3c) auf den Referenzeingang des Digitalvoltmeters (5) geführt wird, wobei jeweils zuvor durch Widerstände (R1/R2) die Fotoströme in analoge Spannungen umgesetzt werden.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Messung an horizontalen Flächen die Fotoströme der Fotodetektoren (3a, b) auf die Differenzeingänge eines Operationsverstärkers (4a) eingespeist werden, dessen Ausgang auf ein Digitalvoltmeter (5) geführt ist, und dass der Fotostrom des Fotodetektors (3c) auf einen als Integralregler geschalteten Operationsverstärker (4b) eingespeist wird, dessen Ausgangsstrom die Lichtquelle betreibt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung in einen Messteil (6a) und einen Anzeigeteil aufgeteilt ist, wobei der Anzeigeteil (6b) mittels eines Gelenkes (7) um +– 90° drehbar gelagert ist.