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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung.
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Bekannte
Messvorrichtungen für
industrielle und kommerzielle Zwecke sind häufig mit kapazitiven Sensorelementen,
induktiven Sensorelementen, potentiometrischen Sensorelementen,
Lasersensorelementen oder optischen Sensorelementen ausgestattet.
Solche optischen Messeinrichtungen sind beispielsweise in der
DE 693 30 133 T2 beschrieben. Hierbei
werden mittels Lichtleitern Infrarot-Lichtsignale in die entsprechende
Sende- oder Empfangsposition geleitet und durch partielle bzw. vollständige Abdeckung
der Empfangs-Lichtleiterfläche
die Relativposition des mechanischen Verschiebeelementes bestimmt.
Hierbei werden als Sendemittel Infrarot Leuchtdioden (IR-LED) eingesetzt.
Als Empfangselemente werden Infrarot-Fototransistoren eingesetzt. Das
Ausgangssignal ist hierbei Analog zu der Relativposition des Verschiebeelementes.
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In
der
DE 198 31 960
A1 ist eine Wegmesseinrichtung mit integrierter Infrarot-
Sensorik beschrieben, bei der die Relativposition des sich bewegenden
Messobjektes digital entsprechend den beschriebenen Inkrementen
erfasst wird. Eine analoge Auswertung ist hierbei möglich.
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Als
Infrarot-Empfangssensoren werden Fototransistoren verwendet.
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Im
Vergleich der berührungslos
arbeitenden Wegsensoren sind die optischen Wegsensoren die deutlich
günstigsten.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Messvorrichtung
mit den gekennzeichneten Merkmalen des Hauptanspruches hat den Vorteil,
dass durch den Einsatz von Infrarotdioden als Empfangssensoren der
Infrarotstrahlung ein berührungsloses
Wegmesssystem aufgebaut werden kann. Dieses muss im Gegensatz zu
anderen optischen Wegmesssystemen nicht temperaturkompensiert werden
und die Tageslicht- bzw. Streulichtempfindlichkeit ist vernachlässigbar.
Somit können
einfache Aufbauten eines berührungslosen Weg-
bzw. Positionsmesssystems geschaffen werden. Dieses System ist sinnvollerweise
modular aufgebaut, so dass die eigentliche Sensoreinheit bestehend
aus Infrarotsender (Infrarot LED) und Infrarotempfänger (Infrarotdiode)
auf einer Elektronikplattform separat vormontiert ist. Die nächste Baugruppe
stellt den bewegten Teil der Messvorrichtung dar, wobei die Bewegung
sowohl linear als auch rotatorisch erfolgen kann. Die äußeren Gehäuseteile
und die gegebenenfalls erforderlichen Führungselemente können in
einem vormontierbaren Gehäuse
aufgebaut werden.
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Ein
weiterer Vorteil des beschriebenen Systems ist die geringe Bauform
und die Möglichkeit
geringe Wege genau zu erfassen. Durch entsprechende Anpassung der
Geometrien der bewegten Elemente ist es zudem möglich lange Messwege zu erfassen.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Beschreibungen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen
der im Hauptanspruch angegebenen Messvorrichtung möglich. Besonders vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen zwei bis achtzehn, wodurch
ein kostengünstiger
Aufbau möglich
ist.
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Von
Vorteil ist eine Ausbildung bei welcher justierbare Sensorpositionen
bzw. justierbare Positionen der bewegten Elemente integriert sind,
wodurch auftretende Toleranzen kompensiert werden können.
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Ein
weiterer Vorteil ist in Ansprüchen
zwei bis achtzehn beschrieben bei welchen die Sensoreinheit ohne
direkt integrierten bewegten Elementen aufgebaut ist so das Weg-
bzw. Positionsmessungen von zwei vollständig mechanischen entkoppelten
Systemen zueinander möglich
sind.
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Ebenfalls
hervorzuheben sind diejenigen Eigenschaften des beschriebenen Systems
durch welche Weg- bzw. Positionsmessungen in Flüssigkeiten, welche sich in
Infrarotlichtdurchlässigen
Behältern erfolgen.
Hierbei können
auch variierende Stoffeigenschaften der Flüssigkeiten mittels der Infrarot- Sensorik
erfasst werden.
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Die
Einsatzmöglichkeiten
des beschriebenen Messsystemes sind im industriellen Einsatz als auch
in Konsumerbereich durch den kostengünstigen und stabilen Aufbau
beinahe unbegrenzt.
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Zeichnung
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In
den 1 bis 8 ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
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1 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I).
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2 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einem Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit – mechanisch (II),
hierbei ist die Sensoreinheit – mechanisch
(II) als Linearschieber ausgebildet.
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2a zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einem Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit – mechanisch
(II), hierbei ist die Sensoreinheit – mechanisch (II) als Linearschieber
ausgebildet. Abweichend zur 2 ist hierbei
die Infrarotdiode (2) als SMD- Bauteil ausgebildet, und
auf einer zusätzlichen kleinen
Leiterplatte montiert.
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3 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II), bei welcher die Sensoreinheit – mechanisch (II) die Empfangsfläche durch
eine Rotationsbewegung unterschiedlich abdeckt.
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4 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch I
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II). Bei diesem Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit – mechanisch
(II) ist ein Schwimmer (9) in einem Gehäuse (7) integriert. Entsprechend
der Schwimmerposition variiert die abgedeckte Fläche der Sensoreinheit.
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5 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II). Hierbei ist Sensoreinheit – mechanisch (II) mittels einem
lichtdurchlässigen
Gehäuse
ausgebildet in welchem sich ein rotierendes Element befindet. Die
Abdeckfläche
der Sensoreinheit variiert hierbei in Abhängigkeit der Position des rotierenden
Elementes (10).
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6 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II). Hierbei ist die Sensoreinheit – mechanisch (II) in einem
Sensorgehäuse (III)
integriert. Die Sensoreinheit – mechanisch
(II) ist hierbei in Lagerungen (11) aufgenommen, so dass nur
Linearbewegungen möglich
sind und der Linearstößel mittels
eines Vorspannelementes (13) in Position gedrückt wird.
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7 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II), bei welcher durch die dargestellten Maßnahmen der Messweg verlängert wird.
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8 zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II). Der Messort wird durch entsprechender Lichtleiter zu abweichenden Messpositionen
umgeleitet.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist
die Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) perspektivisch dargestellt. Hierbei ist auf der Leiterplatte
(3) die eigentliche Sensoreinheit mittels einer Infrarot
LED (1) und Infrarotdiode (2) aufgebaut. Auf der
Infrarotdiode befindet sich die Infrarotlichtempfindliche Sensorfläche (2a).
Entsprechend der abgedeckten Fläche
dieser Sensorfläche Infrarotdiode
(2a) variiert die Ausgangsspannung Uout,
wobei die Eingangsspannung Um konstant gehalten wird. Zur Gewährleistung
der Funktion sind diverse elektrische bzw. elektronische Bauelemente auf
der Leiterplatte integriert (4). Diese haben die Aufgabe
die Grundfunktion zu gewährleisten,
ebenso können
mit diesen Bauteilen beispielsweise eines Potentiometers, die Abgleichfunktionen
durchgeführt werden.
Zusätzlich
sind diese elektrischen/elektronischen Bauelemente (4)
dazu erforderlich die Spannungsversorgung für die Infrarot- LED (1)
möglichst unabhängig von
der Eingangsspannung Uin konstant zu halten
und somit Schwankungen des Messsignales Uout durch
variierende Versorgungsspannungen Uin auszuschließen. Die
Infrarotdiode (2) mit der integrierten Sensorfläche (2a)
hat hierbei vorzugsweise eine sehr geringe Abweichung des Ausgangssignales
abhängig
von der Umgebungstemperatur. Ebenso ist das Empfangsspektrum der
Wellenlänge
vorzugsweise eng gebündelt
im Infrarot-Wellenlängenbereich.
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Die
Abbildung zeigt die Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
als vormontierte, vorjustierte und geprüfte Funktionseinheit. Es ist
auch eine Variante sinnvoll bei welcher diese Bauelemente direkt
in den entsprechenden Gehäuseelementen
der Funktionseinheit integriert sind.
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2 zeigt
die zuvor beschriebene Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
bei welcher zwischen der Infrarot LED (1) und der Infrarotdiode
(2) ein linearbeweglicher mechanischer Schieber eintaucht.
Entsprechend der Relativposition des mechanischen Linearschieber
(5) variiert die abgedeckte Fläche der Infrarotdiode (2a).
Dies hat zur Folge dass das Ausgangssignal Uout mit
zunehmenden Eintauchen des mechanischen Linearschiebers (5)
reduziert wird bis die gesamte Sensorfläche (2a) durch den
mechanischen Schieber abgedeckt ist und kein weiteres Ausgangssignal
Uout erfolgt. Die Schräge an dem mechanischen Linearschieber
(5) ist in diesem Ausführungsbeispiel
derart gestaltet, dass das Ausgangssignal möglichst linear entsprechend
der Position des mechanischen Linearschiebers (5) variiert. Sinnvollerweise
wird hierbei die Infrarotdiode (2) mit der integrierten
Sensorfläche
(2a) derart positioniert, dass die Aussenkante der Sensorfläche (2a)
möglichst
parallel zu der Schrägstellung
der Schieberfläche/Schräge des mechanischen
Linearschiebers (5) (siehe 2a). Dieses
Beispiel zeigt, dass die beiden Funktionseinheiten der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) und der Sensoreinheit -mechanisch (II) nicht direkt miteinander
mechanisch gekoppelt sein müssen,
so dass ein berührungsloses
Weg- bzw. Positionserfassungssystem aufgebaut wird. Damit die Empfindlichkeit
des Systems möglichst
gering wird, ist ein Abstand der Infrarot LED (1) und der
Infrarotdiode (2) möglichst
gering gewählt
bzw. das der mechanische Schieber (5) möglichst nah an der Sensorfläche (2a)
positioniert sein sollte.
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2a zeigt
die perspektivische Ansicht der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
mit einem Ausführungsbeispiel
der Sensoreinheit- mechanisch (II), hierbei ist die Sensoreinheit – mechanisch (II)
als Linearschieber ausgebildet. Abweichend zur 2 ist
hierbei die Infrarotdiode (2) als SMD- Bauteil ausgebildet,
und auf einer zusätzlichen
kleinen Leiterplatte montiert. Hierbei ist es mit einfachen Mitteln
möglich
die untere Kante der Sensorfläche
(2a) parallel zu der Schräge des Linearschiebers (5)
zu positionieren um ein lineares Ausgangssignal über den gesamten Messweg der
Sensorfäche
(2a), bei entsprechender Geometrie derselben, zu erhalten.
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3 zeigt
die Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I), wie zuvor beschrieben. Die Sensoreinheit – mechanisch (II) besteht hierbei
aus einem rotierenden System. Hierbei ist die Abdeckfläche der
mechanischen Rotationseinheit (6) starr an die Drehachse
(mechanische Rotationseinheit) (6a)) gekoppelt. Die Fläche der
mechanischen Rotationseinheit (6), welche die Sensorfläche (2a)
abdeckt, muss an den Aussenkanten derart gestaltet sein (Spirale),
dass in Abhängigkeit
der Winkelstellung ein möglichst
lineares Ausgangssignal aus der Infrarotdiode Uout in
Abhängigkeit
zur Winkelstellung der mechanischen Rotationseinheit (6)
erreicht wird. Auch bei diesem Beispiel sollte die abdeckende Fläche der mechanischen
Rotationseinheit (6) möglichst
nahe an der Sensorfläche
(2a) positioniert sein. Eine Variante bei welcher die Abdeckfläche der
mechanischen Rotationseinheit (6) auf 360 ° Grad bezogen
auf die Drehachse (6a) gestaltet ist und ermöglicht hierbei rotatorische
Weg- bzw. Positions- und Drehrichtungserfassungen für einen
kompletten Umlauf (360 ° Grad)
der mechanischen Rotationseinheit (6). Diese Variante ist
vorzugsweise eingesetzt in Erfassungssystemen für Kippbewegungen wie zum Beispiel
in Joystick-Anwendungen oder auch in anderen rotierenden Bewegungsabläufen. Hierbei
können
Drehzahl, Drehrichtung und Drehgeschwindigkeit erfasst werden.
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4 zeigt
die Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) wie zuvor beschrieben. Die Sensoreinheit – mechanisch (I) ist hierbei
mittels eines Aufnahmebehälters
(7) (aus Glas, transparentem Kunststoff, ...) aufgebaut
welcher für
Infrarotlichtstrahlung durchlässig
ist. In dem Aufnahmebehälter (7)
befindet sich ein mechanisches Bauelement (9) welches Axial
(in diesem Falle vertikal) verschiebbar ist. An der Spitze dieses
mechanischen Schwimmers (9) ist eine kegelige Geometrie
integriert, so dass in Abgängigkeit
der Schwimmerposition (9) die Abdeckung der Sensorfläche (2a)
variiert, und somit das Ausgangssignal Uout möglichst
linear entsprechend der Position ist. Dieses System wird vorzugsweise
in jenen Gebieten eingesetzt in welchen Niveaus bzw. Positionen
oder Durchflüsse,
welche die Position des Schwimmers variieren, berührungslos
getrennt von dem umgebenden Medium gemessen werden können. Dies
ist dann sinnvoll wenn abgekapselte Systeme mit zur Luft variierenden
Fluiden (flüssig/gasförmig) erfasst
werden müssen,
wobei entsprechende Positionsänderungen
sensiert werden können.
Ein zusätzlicher
Nutzen des Systems ist dass die Infraroteinheit variierende Eigenschaften
der Fluide unabhängig
von der Schwimmerposition (9) erfassen kann (solange diese
nicht Sensorfläche
(2)a vollständig abdeckt).
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Messungen
haben ergeben, dass sinnvollerweise Wasser/Öl-Trennungen erfasst werden
können
und dass auch die Fluidzusammensetzung bei Wasser oder Sole erfassbar
sind, da hierbei die Infrarotausgangssignale Uout variieren.
Solche Messwerte werden vorzugsweise zur Erfassung der Wasser/Sole-Konzentration
in Wasserenthärtungsanlagen,
welche nachdem Ionenaustauscherprinzip funktionieren benötigt. Das
dargestellte Funktionsprinzip ermöglicht es auch kostengünstige Durchflusssensoren aufzubauen,
welche nach dem Schwebekörperprinzip
funktionieren.
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5 zeigt
die zuvor beschriebene Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
bei welchem die Sensoreinheit – mechanisch
(I) mit einem Aufnahmebehälter
(7) aufgebaut ist. Dieser Aufbau entspricht dem der 4.
Hierbei ist jedoch in dem Aufnahmebehälter (7) kein axial
verschiebbares mechanisches Element (9) integriert, sondern
ein rotierendes Flügelrad
welches entsprechend gelagert ist. An dem Flügelrad ist hierbei eine Kurvengeometrie
welche die Sensorfläche
(2a) unterschiedlich entsprechend der Drehposition und
Drehgeschwindigkeit des Flügelrades
(10) abdeckt integriert. Somit ist es möglich durch das zuvor beschriebene
Sensorsystem Durchflussmengenmesser mit integriertem Flügelradmessern
aufzubauen bei welchen die Durchflussmenge, die Drehrichtung des
Flügelrades
und somit die Durchströmungsrichtung
des Fluides, als auch die Beschleunigung des Flügelrades (10) erfasst
werden kann. Derzeit sind keine funktionsfähigen Durchflusssensoren mit
optischer Erkennung des Flügelrades (10)
verfügbar.
Durch die Integration der Infrarotdiode (2) mit der integrierten
Sensorfläche
(2a) mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften ist es nun
möglich
ein kostengünstiges
und funktionell vorteilhaftes Durchflusserfassungssystem aufzubauen.
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6 zeigt
die Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) bei welcher zwischen der Infrarot LED (1) und der Infrarotdiode
(2) ein mechanischer Schieber (12) welcher in
der Sensoreinheit – mechanisch
(II) integriert ist, axial verschiebbar ist. Zusätzlich zu den zuvor beschriebenen
Aufbauten ist in dieser Variante ein Sensorgehäuse (III) integriert welches
mittels dem Sensorboden (IIIa) und Sensordeckel (IIIb) aufgebaut
ist. Indem Gehäuse
(III) sind die Lagerungen (11) integriert welche eine möglichst spielfreie
axiale Bewegung des Linearschiebers (12) zulassen. der
Linearschieber (12) ist in diesem Anwendungsbeispiel mittels
eines Vorspannelementes (13) vorgespannt, so dass durch
einen solchen Aufbau ein analoges Ausgangssignal ermittelt werden kann
wobei nach der Betätigung
der Drucktaste (14) der Linearschieber (12) durch
das Vorspannelement (13) (vorzugsweise Druckfeder) in die
Ausgangsposition zurückgedrückt wird.
Somit können
mit einfachen Mitteln analoge Drucktasten als auch analoge Kraft-/Drucksensoren
oder auch Zugsensoren aufgebaut werden. Der Einsatz solcher Systeme
ist in den vielfältigsten
Industrie und konsumerbereichen möglich.
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7 stellt
eine Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II) dar. Hierbei soll dargestellt werden welche Möglichkeiten
es gibt, die Wegmesslänge
des Sensorsystems zu anzupassen.
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Eine
Möglichkeit
hierbei ist, dass die Sensorfläche
(2a) entsprechend der Schrägstellung in des mechanischen
Linearschieber (12) möglichst
lang ist (Rechteckgeometrie mit möglichst langem Sensorfeld (2a)),
so dass bei ausreichenden Empfindlichkeiten des Messsystems ein
möglichst
hoher Messweg erfasst werden kann. Sollte dies nicht genügen ist
es möglich
zusätzliche
Infrarotdioden (2) entsprechend zu positionieren (Reihenschaltung)
damit der Messweg vergrößert wird.
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Diese
Abbildung verdeutlicht ebenfalls die Möglichkeit der Justage des Systems
durch eine Feinpositionierung der Infrarotdiode (2) bei
der Endmontage. Dies ist bei allen beschriebenen Aufbauten sinnvoll
und vorteilhaft. Eine Endkalibrierung des Systems durch eine Justage
der Sensoreinheit- mechanisch (II) ist ebenfalls möglich.
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Eine
andere Möglichkeit
den Messweg bei linearen Wegmesssystemen zu erhöhen ist es den Linearschieber
(12) in der Geometrie derart zu modifizieren, dass die
Abdeckflächen
mit der integrierten Schrägstellung
der einzelnen Segmente ein Ausgangssignal mit ausreichender Empfindlichkeit
erzeugt, und dass diese Segmente wiederholend hintereinander geschaltet
integriert werden. Somit ist möglich
bei einer umlaufenden Variante des Linearschiebers (12)
eine lineare Längenmesseinrichtung aufzubauen
welcher annähernd
unendliche Wege erfassen kann.
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8 zeigt
eine Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) mit einer Sensoreinheit – mechanisch
(II) bei welcher ein mechanischer Linearschieber (5) bzw.
ein mechanischer Rotationseinheit (6) zwischen zwei Lichtleitern
(15a), (15b) bewegt wird. Diese Lichtleiter leiten
zum einen des Infrarotlicht von der Infrarot LED (1) zu
dem von der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
(I) entfernten Messort. Der Lichtleiter (15b) hat eine
Empfangsfläche
welche hierbei durch den Schieber (5), (6) unterschiedlich
abgedeckt wird, dieser Lichtleiter (15b) leitet dann das
Infrarotlicht zu der Sensorfläche
(2a) der Infrarotdiode (2). Somit ist es möglich mittels
dieses Aufbaus eine Sensoreinheit zu erhalten bei welcher der Messort
mehr oder weniger unabhängig
von der Geometrie der Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch (I)
in relativ großen
Abständen
zu dieser erfolgen kann.
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- I
- Sensoreinheit – elektrisch/elektronisch
- II
- Sensoreinheit – mechanisch
- III
- Sensorgehäuse
- 1
- Infrarot – LED
- 2
- Infrarot – Diode
- 2a
- Sensorfläche (Infrarotdiode)
- 3
- Leiterplatte
- 4
- Elektronik – Bauelemente
- 5
- mechanischer
Linearschieber
- 6
- mechanische
Rotationseinheit
- 6a
- Drehachse
(mechanische Rotationseinheit)
- 7
- Aufnahmebehälter (Infrarotlicht-
durchlässig)
- 8
- Fluid
(flüssig/gasförmig)
- 9
- Schwimmer
- 10
- Rotationskörper
- 11
- Lagerung
- 12
- Linearschieber
- 13
- Vorspannelement
- 14
- Drucktaste
- 15
- Lichtleiter