DE102004048747A1

DE102004048747A1 - Neigungs- und Beschleunigungssensor

Info

Publication number: DE102004048747A1
Application number: DE200410048747
Authority: DE
Inventors: Otto Krone; Andreas Springer
Original assignee: WestfaliaSurge GmbH
Current assignee: GEA Farm Technologies GmbH
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Vorrichtung zur Neigungsbestimmung mit einem Gehäuse (10) und einer teilweise mit einem Fluid gefüllten Messkammer (9) und einer Messeinrichtung, welche eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode und ein elektrisches Mittel zum Erzeugen einer elektrischen Größe sowie eine Auswerteeinrichtung (13) umfasst. Das elektrische Mittel (12) ist parallel zu der zweiten Elektrode (3) geschaltet und die erste Elektrode (2) ist über die Auswerteeinrichtung (13) mit der zweiten Elektrode (3) elektrisch verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Neigungs- und/oder Beschleunigungsmessung. Die Vorrichtung kann eingesetzt werden, um z.B. die Neigung einer Oberfläche eines Gegenstandes zu bestimmen.

Solche Vorrichtungen werden zur Bestimmung des Neigungswinkels von Oberflächen und Objekten verwendet, um den Neigungswinkel zu überwachen oder um einen definierten Winkel einzustellen etc..

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Neigungsmessung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Neigungsbestimmung geeignet und umfasst wenigstens ein Gehäuse und wenigstens eine teilweise mit einem Fluid gefüllte Messkammer. Wenigstens eine Messeinrichtung ist vorgesehen, welche wenigstens eine erste Elektrode und wenigstens eine zweite Elektrode umfasst. Wenigstens eine Auswerteeinrichtung ist vorgesehen und wenigstens ein elektrisches Mittel dient zum Erzeugen einer elektrischen Größe. Das elektrische Mittel ist parallel zu der ersten Elektrode geschaltet und die zweite Elektrode ist über die Auswerteeinrichtung mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden.

Vorzugsweise ist die zweite Elektrode über die Auswerteeinrichtung mit der ersten Elektrode elektrisch verbunden. Dabei ist die Auswerteeinrichtung vorzugsweise elektrisch zwischen der ersten und der zweiten Elektrode angeordnet. Insbesondere ist die Auswerteeinrichtung auf der einen Seite elektrisch mit der ersten Elektrode und auf der anderen Seite elektrisch mit der zweiten Elektrode verbunden.

Die Vorrichtung dient z.B. zum Bestimmen einer Neigung einer Oberfläche in wenigstens einer Richtung. Es ist mit der Vorrichtung auch möglich, die Neigungsbestimmung in verschiedenen z.B. zueinander senkrechten Richtungen z.B. nacheinander durchzuführen.

Das Fluid in der Messkammer ist insbesondere eine Flüssigkeit, wie z.B. Wasser. Das Restvolumen füllt ein zweites Fluid aus, das sich mit dem ersten Fluid nicht oder nur in geringem Maße mischt. Vorzugsweise ist die Messkammer etwa zur Hälfte mit Fluid angefüllt. Der genaue Füllstand kann vom angestrebten Messbereich abhängen und auch zwischen z.B. 20 und 70 % betragen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr vorteilhaft, da mit einfachen Mitteln eine hohe Genauigkeit erzielt wird.

Die Vorrichtung kann zur Messung mit einer Seite oder Kante, z.B. der Unterseite oder einer seitlichen Wand oder mit einer Seitenkante auf die zu messende Oberfläche aufgelegt werden, um den Neigungswinkel der Fläche oder Kante zu bestimmen.

Die Vorrichtung kann nicht nur als eigenständiges Gerät eingesetzt werden, sondern kann auch ein integriertes oder separates Teil einer anderen Vorrichtung sein, bei der eine Neigungsbestimmung sinnvoll oder erforderlich ist.

Vorzugsweise ist das elektrische Mittel eine Spannungsquelle, so dass als elektrische Größe vorzugsweise eine elektrische Spannung anlegbar ist. Das elektrische Mittel ist damit im Wesentlichen parallel zu der ersten Elektrode geschaltet.

Es ist auch möglich, dass das elektrische Mittel eine Stromquelle und insbesondere eine Konstantstromquelle ist.

Die Auswerteeinrichtung umfasst vorzugsweise ein Spannungsmessmittel, insbesondere wenn das elektrische Mittel eine Spannungsquelle umfasst.

Die wenigstens zwei Elektroden erstrecken sich vorteilhafterweise über die gesamte Höhe der Messkammer, um einen großen Messbereich zu erreichen.

Die Neigungswerte werden erfindungsgemäß nicht stufenförmig, sondern kontinuierlich erfasst. Das ist sehr vorteilhaft, da eine hohe Messgenauigkeit erzielbar ist.

Die elektrische Einrichtung arbeitet vorzugsweise mit einer Potentialmessung, indem eine potentiometrische Messung durchgeführt wird. An eine der Elektroden, z.B. an die erste Elektrode wird dazu ein Potential angelegt, welches über der Länge der Elektrode nahezu linear abfällt, wenigstens wenn Querschnitt und Materialeigenschaften über der Länge der Elektrode konstant sind.

Die erste Elektrode ist beim Messen bis zu einer gewissen Höhe mit dem Fluid bzw. der Flüssigkeit benetzt. In das Fluid wird deshalb ein Potentialverlauf eingebracht, der von der Höhe und der Art der Benetzung abhängt. Deshalb kann als Fluid in der Messkammer auch ein schäumendes oder Schaum enthaltendes Fluid eingesetzt werden.

In allen Ausgestaltungen kann mindestens eine der Elektroden durch einen elektrisch leitenden Stab ausgebildet werden. Eine Querschnittsform kann z.B. rund, oval, drei-, vier und mehreckig, flach oder abgerundet ausgebildet sein.

Vorzugsweise ist wenigstens eine Elektrode an einem Gehäuseteil angeordnet oder darin integriert.

Es ist möglich, dass wenigstens eine Elektrode von oben in die Messkammer hineinragt.

In allen Ausgestaltungen ist vorzugsweise wenigstens eine Speichereinrichtung vorgesehen. In der Speichereinrichtung können z.B. die Messwerte der aktuellen Messung gespeichert werden oder auch die von vergangenen Messungen gespeichert bleiben, um Vergleiche zu ziehen. Es ist möglich, auf einem Display der Vorrichtung neben dem aktuellen Messwert auch oder anstatt dessen die Differenz zu einem vorangegangenen Messwert darzustellen.

In bevorzugten Weiterbildungen ist wenigstens eine dritte Elektrode vorgesehen. Die drei Elektroden können zur Bestimmung des Neigungswinkels eingesetzt werden. Zur Ermittlung des Neigungswinkels ist die Messkammer mit einem Fluid teilweise gefüllt und verschlossen, so dass das Fluid nicht abfließen kann. Das Fluid kann Wasser oder eine sonstige geeignete Flüssigkeit sein. An die z.B. zweite Elektrode wird eine elektrische Größe angelegt. Zwischen der ersten und der zweiten Elektrode wird ein erster Messwert abgegriffen. Anschließend wird die elektrische Größe abgeschaltet und an die dritte Elektrode angelegt und zwischen der ersten und der dritten Elektrode wird ein zweiter Messwert abgegriffen. Bei idealer horizontaler Ausrichtung werden beide Messwerte im Rahmen der Messgenauigkeit identisch sein. Ist die Vorrichtung in Richtung der Verbindungs linie von zweiter und dritter Elektrode geneigt, dann ergibt sich eine unterschiedlich hohe Benetzung an der zweiten und an der dritten Elektrode. Mit den unterschiedlichen Messwerten und dem zugehörigen Abstand kann der Neigungswinkel der Vorrichtung in dieser Richtung ermittelt werden.

Aber auch wenn nur zwei Elektroden vorhanden sind, kann ein Neigungswinkel ebenfalls bestimmt werden, wenn z.B. auf Kalibierwerte zurückgegriffen wird. Auch ein Berechnen des Neigungswinkels aus dem Messwert ist möglich, da das Fluidvolumen in der Messkammer bekannt ist.

Auch der Einsatz einer vierten Elektrode ist möglich. Bevorzugterweise dient eine Elektrode als Masse und an der bzw. den anderen Elektrode(n) wird die zwischen Masse und jeweiliger Elektrode angelegte Spannung abgegriffen.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinrichtung alternierend zwischen die erste und die zweite Elektrode und zwischen die erste und die dritte Elektrode schaltbar. Wenn eine vierte Elektrode vorgesehen ist, kann die Auswerteeinrichtung zusätzlich auch noch alternierend zwischen die erste und die vierte Elektrode schaltbar sein. Es können auch entsprechend viele Auswerteeinrichtungen vorgesehen sein, um gleichzeitig messen zu können.

In bevorzugten Weiterbildungen ist wenigstens eine zweite Messkammer vorgesehen, die vorzugsweise derart getrennt von der ersten Messkammer ist, dass kein Fluid aus der ersten Messkammer in die zweite Messkammer gelangen kann und umgekehrt. Es kann auch wenigstens eine dritte Messkammer vorgesehen sein, die ebenfalls von der ersten und der zweiten Messkammer getrennt sein kann.

In diesen Ausgestaltungen können die zwei oder drei Messkammern senkrecht zueinander angeordnet sein.

Es ist möglich, dass in der zweiten und – falls vorhanden in der dritten Messkammer – eine weitere Messeinrichtung vorgesehen ist. Es ist auch möglich, dass jede Messkammer über zwei Elektroden verfügt, wobei ein zentrales elektrisches Mittel eine elektrische Größe erzeugt und eine zentrale Auswerteeinrichtung die jeweiligen Messwerte alternierend aufnimmt und auswertet.

Weiterhin eignet sich die Vorrichtung auch zur Bestimmung der Beschleunigung. Dazu ist in bevorzugten Weiterbildungen mit der Auswerteeinrichtung durch Differenzbildung der Messwerte zu einem zweiten und einem ersten Zeitpunkt bezogen auf die dazwischen liegende wenigstens einen Beschleunigungswert bestimmbar. Das Maß für die Beschleunigung wird unter Verwendung der Beziehung (Messwert M2(T2) – Messwert M1(T1)/(Zeitpunkt T2 – Zeitpunkt T1)abgeleitet. Durch die Massenträgheit des Fluids bedingt, wird sich bei einer Beschleunigung oder Abbremsung der Vorrichtung eine aus der Horizontalen ausgelenkte Fluidoberfläche einstellen, auch wenn die Messkammer an sich horizontal ausgerichtet ist. Durch die Auswerteeinrichtung oder auch eine separate Steuereinrichtung kann aus den Messwerten die Beschleunigung berechnet werden. Mit zwei Elektroden kann ein eindimensionaler Beschleunigungswert abgeleitet werden.

In einer Weiterbildung eignet sich die Vorrichtung auch zur Bestimmung der Geschwindigkeit. Dazu werden die Beschleunigungswerte integriert. Dementsprechend kann mit geeigneter Ausstattung der Vorrichtung bei dreidimensionaler Beschleunigungserfassung ein dreidimensionaler Geschwindigkeits- und/oder Beschleunigungsvektor abgeleitet werden.

In allen Ausgestaltungen kann wenigstens ein Abschnitt des Gehäuses und/oder der Messkammer einen im Wesentlichen runden oder ovalen Querschnitt aufweisen.

Ebenso kann zur Berücksichtigung von Temperatureinflüssen ein Temperatursensor in der Messkammer vorgesehen sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Ausgestaltungen der Erfindung werden nun in den folgenden Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren erläutert. Darin zeigen schematisch:
1 einen erfindungsgemäßen Neigungssensor in einer stark schematischen Aufsicht;
2 den Neigungssensor nach 1 in einer stark schematischen geschnittenen Seitenansicht;
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Neigungssensors in einer stark schematischen Aufsicht;
4 ein elektrisches Ersatzschaltbild für eine erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Mit Bezug auf die 1, 2 und 4 wird nun ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Neigungssensors 1 beschrieben.
Der in 1 dargestellte Neigungssensor 1 umfasst ein Gehäuse 10, welches die Messkammer 9 umgibt. In der hier rund ausgestalteten Messkammer 9 ist zentral eine erste Elektrode 2 angeordnet. Konzentrisch um die erste Elektrode 2 sind hier drei Elektroden 3, 4 und 5 angeordnet.
Mittels einer Spannungsquelle 12 wird eine Spannung an die zweite Elektrode 3 angelegt. Die Auswerteeinrichtung 13 nimmt das in der Flüssigkeit angelegte Potential zwischen erster und zweiter Elektrode auf. Wenn der Neigungssensor insgesamt gegenüber der Horizontalen 7 gekippt ist, dann liegt zwischen Fluidoberfläche 8 und der Horizontalen 7 ein Neigungswinkel 6 vor, der mittels der Auswerteeinrichtung 13 erfassbar ist. Das Messergebnis der Auswerteeinrichtung ist ein Maß für die Neigung des Neigungssensors 1 und der Neigungswinkel 6 kann daraus abgeleitet werden.
Durch die Berücksichtigung mehrerer Elektroden 3, 4 und 5 kann eine zwei und auch dreidimensionale Neigung ermittelt werden.
Wie in dem Ausführungsbeispiel nach 3 können die Elektroden 3, 4 und 5 auch in eine Wand der Messkammer 9 integriert werden.
Mit dem Spannungserzeugungsmittel 12 wird eine alternierende Spannung oder eine Wechselspannung vorgegeben, um elektrolytische Ablagerungen an den Elektroden 2, 3, 4 und 5 zu vermeiden, die zu einer Beeinträchtigung der Spannungsmessung führen würden. Dabei werden übliche Frequenzen verwendet.
Ein Messwert wird mit Hilfe der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 bestimmt, in dem mit einem Spannungserzeugungsmittel 12 eine Spannung an die Enden der zweiten Elektrode 3 angelegt wird.
Der Widerstand der Elektrode 3 ist so gewählt, dass er erheblich kleiner ist als der des zu messenden Fluides bei maximaler Füllhöhe bzw. bei maximal zu erfassendem Neigungswinkel. Dadurch kann der Einfluss des Fluidwiderstandes auf den Gesamtwiderstand in erster Näherung vernachlässigt werden. Eine rechnerische Berücksichtigung des Einflusses ist aber auch möglich.
Das angelegte Potential hängt vom Einzelfall ab. Hier im Ausführungsbeispiel beträgt der Spitzenwert der alternierenden Spannung 60 mV, während der Widerstand der Elektrode 3 etwa 100 Milliohm beträgt. Es sind aber auch deutlich höhere Werte im Bereich von mehreren hundert Millivolt und auch im Bereich von mehreren Volt und noch größere Spannungen möglich.
Das Potential nimmt in der zweiten Elektrode 3 linear mit der Höhe zu. An jeder mit Fluid benetzten Stelle wird das jeweils anliegende Potential in das Fluid eingebracht. Durch die geringe absolute Höhe des Potentials werden negative Auswirkungen auf Bedienpersonen vermieden, die mit dem Gerät in Berührung kommen, selbst wenn keine ideale elektrische Isolierung vorliegt.
Die erste Elektrode 2 nimmt ein Potential auf, welches von dem Füllstand des Fluides 14 abhängt. Falls das Fluid in der Messkammer schäumt, wird das bei der Messung berücksichtigt, da der spezifische Widerstand des Schaumes entsprechend größer als der der flüssigen Phase ist. Die Widerstandsanteile von flüssiger Phase und Schaumphase bilden insgesamt einen Gesamtwiderstand, der repräsentativ für die Dichte ist.
In 4 ist in einem Querschnitt ein Ersatzschaubild des Messprinzips eingezeichnet. Die zweite Elektrode 3 besteht aus einem niederohmigen Edelstahlstab, welcher in das leitfähige Fluid eintaucht. Das Spannungserzeugungsmittel 12 treibt über die Zuleitungen einen höherfrequenten Strom durch die zweite Elekt rode 3. Zunächst wird mit dem Spannungsmessmittel 13 zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 eine Spannung gemessen. Danach wird mittels des Spannungserzeugungsmittels 12 über die Zuleitungen ein höherfrequenter Strom durch die dritte Elektrode 4 geleitet. Dabei wird mit dem Spannungsmessmittel 13 zwischen der ersten Elektrode 2 und der dritten Elektrode 4 die Spannung gemessen. Anschließend wird mittels des Spannungserzeugungsmittels 12 über die Zuleitungen ein höherfrequenter Strom durch die vierte Elektrode 5 geleitet. Dabei wird mit dem Spannungsmessmittel 13 zwischen der ersten Elektrode 2 und der vierten Elektrode 5 die Spannung gemessen.
Zum eingetauchten Teil der zweiten Elektrode 3 liegen die mittleren Ersatzswiderstände RF1 und RF2 des Fluids parallel, das auch ein Flüssigkeits-Gasgemisch sein kann. Somit ist die abgenommene Spannung proportional zum Dichteverlauf an der zweiten Elektrode 3. Durch gesteuerte Stromspeisung wird der direkte Einfluss von den mittleren Ersatzwiderständen RF1 und RF2 auf das Messergebnis minimiert.
Aus den aufgenommen Messwerten werden die Neigungswinkel ein-, zwei oder auch dreidimensional bestimmt.

1: Vorrichtung
2: erste Elektrode
3: zweite Elektrode
4: dritte Elektrode
5: vierte Elektrode
6: Neigungswinkel
7: Horizontale
8: Fluidoberfläche
9: Messkammer
10: Gehäuse
11: Wand
12: Spannungserzeugungsmittel
13: Spannungsmessmittel
14: Fluid
100: Vorrichtung

Claims

Vorrichtung zur Neigungsbestimmung mit einem Gehäuse, wenigstens einer teilweise mit einem Fluid gefüllten Messkammer (9), und wenigstens einer Messeinrichtung, welche wenigstens eine erste Elektrode (2) und wenigstens eine zweite Elektrode (3) und wenigstens ein elektrisches Mittel (12) zum Erzeugen einer elektrischen Größe, sowie eine Auswerteeinrichtung (13) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Mittel (12) parallel zu der zweiten Elektrode (3) geschaltet und die erste Elektrode (2) über die Auswerteeinrichtung (13) mit der zweiten Elektrode (3) elektrisch verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Mittel (12) eine Spannungsquelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Mittel (12) eine Stromquelle, insbesondere eine Konstantstromquelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13) ein Spannungsmessmittel (13) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich wenigstens eine, vorzugsweise wenigstens zwei Elektroden (2, 3, 4, 5) über die gesamte Höhe der Messkammer erstrecken.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der Elektroden (2, 3, 4, 5) durch einen elektrisch leitenden Stab ausgebildet wird, der insbesondere rund, oval, drei-, vier und mehreckig, flach oder abgerundet ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (2, 3, 4, 5) an einem Gehäuseteil (10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Elektrode (2, 3, 4, 5) von oben in die Messkammer (9) hineinragt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speichereinrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dritte Elektrode (4) und vorzugsweise eine vierte Elektrode (5) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (13) alternierend zwischen die erste (2) und die zweite Elektrode (3), zwischen die erste (2) und die dritte Elektrode (4) schaltbar ist, wobei wenn eine vierte Elektrode (5) vorhanden ist, die Auswerteeinrichtung (13) auch noch zwischen die erste (2) und die vierte Elektrode (5) schaltbar sein kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Messkammer vorgesehen ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dritte Messkammer vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten und/oder dritten Messkammer jeweils eine weitere Messeinrichtung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung durch Differenzbildung der Messwerte zu einem zweiten Zeitpunkt und einem ersten Zeitpunkt bezogen auf die Zeitspanne zwischen erstem und zweitem Zeitpunkt einen Beschleunigungswert bestimmbar ist.
Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Auswerteeinrichtung durch Integration der Messwerte einen Geschwindigkeitswert bestimmbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungserzeugungsmittel (12) alternierend an die zweite Elektrode (3) und die dritte Elektrode (4), und falls vorhanden an die vierte Elektrode (5) schaltbar ist.