DE102005010398A1 - Gravimeter unit for detection using gravitational field analysis determines first data based on detected first position of first floating body or produced field, where first data correspond to first gravitational strength at first location - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Materialdetektion mittels Gravitationsfeldauswertung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Gravimetereinheit zum Ermitteln einer Gravitationsfeldstärke, einen Sensor zur Materialdetektion mittels einer Gravitationsfeldauswertung, ein Verfahren zur Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter, die Verwendung eines Sensors als Füllstandsmesser, die Verwendung eines Sensors als Nährungsschalter, ein Programmelement zur Füllstandsmessung und ein computerlesbares Speichermedium.The The present invention relates to material detection by means of gravitational field evaluation. In particular, the present invention relates to a gravimeter unit for determining a gravitational field strength, a sensor for material detection by means of a gravitational field evaluation, a method for level measurement of a filling material in a container, the use of a sensor as a level gauge, the use a sensor as a proximity switch, a program element for level measurement and a computer readable storage medium.
Von jedem massebehafteten Körper wird ein Gravitationsfeld erzeugt, welches eine Anziehungskraft auf andere Massen ausübt. Bei einem kugelförmigen Körper mit homogener Massenverteilung ist das an seiner Oberfläche auftretende Gravitationsfeld proportional zum Kugeldurchmesser und seiner Dichte. Außerhalb des Körpers nimmt die Feldstärke seines Gravitationsfeldes mit dem Kehrwert des Abstandsquadrates zum Kugelmittelpunkt ab.From every massed body a gravitational field is generated, which is an attractive force other masses. In a spherical body with homogeneous mass distribution is that occurring on its surface Gravitational field proportional to the ball diameter and its density. Outside the body takes the field strength of its gravitational field with the reciprocal of the distance square to the ball center.
Das Gravitationsfeld der Erde, das als Fallbeschleunigung wirkt, hat auf der Erdoberfläche einen Wert von etwa 9,81 Meter pro Quadratsekunde. Ein kugelförmiges Wasservolumen von 1 m Durchmesser erzeugt an seiner Oberfläche ein Gravitationseigenfeld, das sich im Vergleich zum Erdfeld, wie 1 zu 70.000.000 verhält.The Gravitational field of the earth, which acts as a fall acceleration, has on the earth's surface a value of about 9.81 meters per square second. A spherical volume of water 1 m in diameter creates a gravitational field on its surface, Compared to the Earth's field, it behaves as 1 to 70,000,000.
Dieser Wert ist zwar äußerst gering, lässt sich jedoch mit Hilfe eines Gravimeterinstrumentes messen. Diese Geräte bestehen in der Regel aus einem präzisionsmechanischen Feder-Masse-System, auf welches das zu messende Gravitationsfeld einwirkt. Die Feder wird dabei durch die gravitationsproportionale Gewichtskraft des Masseelementes gedehnt, und ihre Längenänderung, oder eine benötigte Kompensationskraft zum Erreichen einer definierten Referenzlänge, als Maß für die einwirkende Gravitationsfeldstärke herangezogen.This Value is extremely low, let yourself However, with the help of a Gravimeterinstrumentes measure. These devices exist usually from a precision engineering Spring-mass system, on which the gravitational field to be measured acts. The feather is characterized by the gravitational proportional weight of the Mass element stretched, and their change in length, or a required compensation force for reaching a defined reference length, used as a measure of the applied gravitational field strength.
Es werden auch Schwerependel, Schwimmkörper und Fallkörperanordnungen zur Gravitationsfeldmessung verwendet.It are also heavy pendulum, float and Fallkörperanordnungen used for gravitational field measurement.
Neben wissenschaftlichen Anwendungen, wie der Messung der von Mond und Sonne erzeugten Gezeitenkräfte, werden Gravimeterinstrumente in erster Linie bei der Suche und Erkundung von Bodenschätzen wie Erdöl, Gas, Kohle, Erze und Salze eingesetzt. Dabei wird ausgenützt, dass diese Materialien in der Regel eine abweichende Dichte zum normalen Untergrundgestein aufweisen, bzw. dessen Dichte ändern, wenn sie in den Gesteinsporen enthalten sind.Next scientific applications, such as the measurement of the moon and Sun generated tidal forces, Gravimeter instruments are used primarily in search and exploration of natural resources like Oil, Gas, coal, ores and salts used. It is exploited that these materials usually have a different density to the normal underground rock or change its density, if they are contained in the rock spores.
In dem zu untersuchenden Gebiet wird ein Gravimeterinstrument entlang der Erdoberfläche bewegt, und die Gravitationsmesswerte sowie deren geographische Position aufgezeichnet. Das Gravimeter kann auch an ein Flugzeug montiert werden, welches das zu untersuchende Gebiet überfliegt. Weiterhin ist es üblich Gravimeterinstrumente in Bohrlöcher abzusenken, und beim Absenkvorgang die gemessenen Gravitationsfeldwerte und zugehörige Tiefenwerte aufzuzeichnen.In The area to be examined is followed by a gravimeter instrument the earth's surface moves, and the gravitational readings as well as their geographical Position recorded. The gravimeter can also attach to an airplane be mounted, which flies over the area to be examined. Furthermore, it is common Gravimeterinstrumente in boreholes Lowering the measured gravitational field values during the lowering process and related Record depth values.
Das Ergebnis dieser Messreihen sind Landkarten die geologische Schwerefeldanomalien darstellen, bzw. Tiefendiagramme welche das Feld im Erduntergrund zeigen.The The result of these series of measurements are maps of geological gravity field anomalies represent, or depth diagrams which the field in the underground demonstrate.
Der geschulte Geologe kann nun anhand der erstellten Karten und Diagramme, vorhandene Dichteunterschiede im Erduntergrund erkennen, und damit auf das Vorkommen von Lagerstätten und deren Abbauwürdigkeit Rückschlüsse ziehen.Of the trained geologist can now use the created maps and diagrams, recognize existing density differences in the underground, and thus on the occurrence of deposits and their mining value Draw conclusions.
Die
Die WO 98/57197 offenbart ebenfalls ein Gravitationsgradiometer. Hierin ist erläutert, dass die Gravitationsmessung oftmals von Flugzeugen aus vorgenommen wird, um Erdölvorkommen zu entdecken. Im Flugzeug auftretende und damit auf das Gravitationsgradiometer einwirkende Beschleunigungen sollen in dem in dieser Druckschrift erläuterten Gravitationsgradiometer kompensierbar sein.WO 98/57197 also discloses a gravitational gradiometer. It explains that gravitational measurement is often done from aircraft to discover oil deposits. Appearing in the aircraft and thus acting on the gravitational gradiometer accelerations are in the in This document explained gravity gradiometer be compensated.
All die bekannten Gravitationsmessgeräte sind für die Verwendung als industrietaugliche Sensoren zur Detektion von Materialmenge bzw. zur Ermittlung eines Füllstandes eines Füllgutes in einem Behälter nicht geeignet. Sie sind zum einen viel zu teuer, zu voluminös und zeigen lediglich das Gravitationsfeld in einer Raumrichtung an. Die ausgegebene Gravitationsfeldanzeige bedarf der Interpretation einer Fachkraft um weitere Informationen daraus ableiten zu können.Alles the known gravitational measuring devices are suitable for use as industrially suitable Sensors for detecting quantity of material or for determining a filling level a filling material in a container not suitable. On the one hand, they are much too expensive, too voluminous and show only the gravitational field in a spatial direction. The issued Gravitational field display requires the interpretation of a specialist to derive further information from it.
Weiterhin sind Ansprechzeit und Energieverbrauch der bekannten Gravitationsmesssysteme für einen industriellen Füllstandsensor viel zu hoch.Farther are response time and energy consumption of known gravity measurement systems for an industrial level sensor way to high.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor zur direkten Messung und Ausgabe eines Füllstandwertes bereitzustellen.It It is an object of the present invention to provide a sensor for direct Measurement and output of a level value provide.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die obige Aufgabe mittels einer Gravimetereinheit zum Ermitteln einer Gravitationsfeldstärke gelöst, die Gravimetereinheit umfassend einen ersten Schwebekörper, einen ersten Detektor und eine Quelle zur Erzeugung eines Feldes, wobei der erste Schwebekörper durch ein von der Quelle erzeugtes Feld berührungslos in der Schwebe haltbar ist, wobei eine erste Position des Schwebekörpers durch den ersten Detektor detektierbar ist, wobei die Gravimetereinheit ausgeführt ist, erste Daten auf Basis der detektierten ersten Position oder dem erzeugten Feld zu ermitteln, und wobei die ersten Daten mit einer ersten Gravitationsfeldstärke an einem ersten Ort korrespondieren.According to one embodiment According to the present invention, the above object is achieved by means of a gravimeter unit solved for determining a gravitational field strength, comprising the gravimeter unit a first float, a first detector and a source for generating a field, the first float by a field generated by the source without contact in the balance durable is, wherein a first position of the float through the first detector is detectable, wherein the gravimeter unit is executed, first data based on the detected first position or the and the first data with a first gravitational field strength correspond at a first location.
Vorteilhafterweise wird somit eine kostengünstige, miniaturisierte und hochauflösende Gravimetermesszelle bereitgestellt, bei der ein gravitationsfelddetektierendes Masseelement mittels elektrostatischer Kraftfelder berührungslos dreidimensional in der Schwebe gehalten wird. Die Notwendigkeit eines mechanischen Federelementes entfällt damit.advantageously, becomes a cost effective, miniaturized and high-resolution Gravimetermesszelle provided in which a gravitational field-detecting Mass element by means of electrostatic force fields contactless held in suspension in three dimensions. The need a mechanical spring element is eliminated.
Der vorliegenden Erfindung gemäß diesem Aspekt liegt der Gedanke zugrunde, über eine Schwebehalterung eines Schwebekörpers die auf diesen wirkende Gravitationskraft zu messen. Beispielsweise kann die Kenntnis der Kompensationskraft, die notwendig ist, den Schwebekörper in seiner ursprünglichen Position zu halten bzw. in seine ursprüngliche Position zurückzuführen, dazu verwendet werden, Rückschlüsse auf die auf den Schwebekörper einwirkende Gravitationskraft zu ziehen. Somit stellt die Erfindung eine kostengünstige, miniaturisierte und hochauflösende Gravimetereinheit bereit, mit welcher Gravitationsfeldstärken ohne mechanische Federelemente oder dergleichen dreidimensional ermittelt werden können.Of the present invention according to this Aspect is based on the idea of a Schwebehalterung a float to measure the gravitational force acting on it. For example can the knowledge of the compensatory force that is necessary, the float in its original To hold position or due to its original position, in addition used, conclusions on on the float to draw acting gravitational force. Thus, the invention provides a cost effective, miniaturized and high-resolution Gravimeter unit ready, with which gravitational field strengths without mechanical spring elements or the like determined three-dimensionally can be.
Das schwebende Masseelement wird vorzugsweise direkt oberhalb eines integrierten Halbleiterschaltkreises angeordnet, so dass beispielsweise Detektor und Quelle zumindest teilweise direkt auf diesem angebracht werden können.The Floating mass element is preferably directly above a integrated semiconductor circuit arranged so that, for example Detector and source at least partially mounted directly on this can be.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Feld ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus elektrischem Feld, magnetischem Feld, elektromagnetischem Feld und mechanischem Strömungsfeld.According to one another embodiment According to the present invention, the field is selected from the group consisting from electric field, magnetic field, electromagnetic field and mechanical flow field.
Vorteilhafterweise können somit über entsprechende Bauelemente, wie beispielsweise Spulen oder Kondensatorplatten, auf einfache Weise Felder erzeugt werden, welche den Schwebekörper in der Schwebe halten.advantageously, can thus over corresponding components, such as coils or capacitor plates, In a simple way fields are generated which the float in hold the balance.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der erste Detektor zur kapazitiven, induktiven, konduktiven oder optischen Detektion der ersten Position des ersten Schwebekörpers ausgeführt. Die kapazitive Positionsdetektion kann beispielsweise über eine zweite Elektrode erfolgen, welche zur Kapazitätsmessung zwischen Schwebekörper und der zweiten Elektrode verwendbar ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Schwebekörper beispielsweise innerhalb eines Hohlraums angeordnet sein, welcher mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist. Dies kann die Sensitivität der kapazitiven Messung erhöhen oder z. B. auch den Schwebekörper stabilisieren. Natürlich kann die kapazitive Positionsdetektion auch über ein Elektrodenpaar erfolgen.According to one another embodiment of the present invention is the first detector for capacitive, inductive, conductive or optical detection of the first position of the first float carried out. The Capacitive position detection can for example via a second electrode, which for capacitance measurement between float and the second electrode is usable. According to one aspect of the present Invention, the float For example, be arranged within a cavity, which filled with a dielectric is. This can be the sensitivity increase the capacitive measurement or z. B. also the float stabilize. Naturally the capacitive position detection can also be done via a pair of electrodes.
Für die induktive Messung können beispielsweise miniaturisierte Spulen in die Gravimetereinheit integriert sein, welche ein magnetisches Feld erzeugen, das sich auf den Schwebekörper auswirkt. Beispielsweise können Induktionsströme in dem Schwebekörper erzeugt werden.For inductive measurement, for example, miniaturized coils can be integrated in the gravimeter unit, which generate a magnetic field which has an effect on the float. For example Induction currents can be generated in the float.
Eine optische Positionsbestimmung bietet den Vorteil, abgesehen vom Strahlungsdruck der Photonen, keine zusätzlichen Kräfte in den Schwebekörper einzukoppeln. Beispielsweise können hier interferometrische Verfahren angewendet werden, wie sie aus der Optik bekannt sind.A Optical position determination offers the advantage, apart from the radiation pressure the photons, no additional personnel in the float couple. For example, you can here interferometric methods are applied as they are made the optics are known.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Gravimetereinheit weiterhin einen zweiten Schwebekörper und einen zweiten Detektor, wobei eine zweite Position des zweiten Schwebekörpers durch den zweiten Detektor detektierbar ist und wobei die Gravimetereinheit ausgeführt ist, die ersten Daten auf Basis der gemessenen ersten Position und der gemessenen zweiten Position zu erzeugen.According to one another embodiment The present invention further includes the gravimeter unit a second float and a second detector, wherein a second position of the second float detectable by the second detector and wherein the gravimeter unit is executed, the first data based on the measured first position and the to generate measured second position.
Vorteilhafterweise können durch die Verwendung zweier Schwebekörper innerhalb der Gravimetereinheit Eichungen durchgeführt werden bzw. Alterungsprozesse oder temperaturschwankungsbedingte Drifterscheinungen in den Messdaten ausgeglichen werden.advantageously, can by the use of two floating bodies within the gravimeter unit Calibrations performed or aging processes or temperature fluctuations Drift phenomena are compensated in the measured data.
Hierbei ist zu beachten, dass die Gravimetereinheit, obgleich sie die erste Position des ersten Schwebekörpers und die zweite Position des zweiten Schwebekörpers bestimmt, daraus nur ein Datensatz erstellt wird, der Aufschluss über das Gravitationsfeld am Ort der Gravimetereinheit gibt. Der Einsatz mehrerer Schwebekörper in der Gravimetereinheit kann somit die Systemgenauigkeit und -sicherheit erhöhen, liefert aber in dem vorliegenden Fall nur einen gemeinsamen Datensatz.in this connection It should be noted that the gravimeter unit, although the first Position of the first float and the second position of the second float determines it only a record is created, which reveals the gravitational field at Location of the gravimeter unit. The use of several floats in The gravimeter unit can thus ensure system accuracy and safety increase, but provides in the present case, only one common record.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Gravimetereinheit weiterhin eine Regelungseinrichtung, welche zum Halten des ersten Schwebekörpers in einer Ausgangsposition ausgeführt ist.According to one another embodiment The present invention further includes the gravimeter unit a control device, which for holding the first floating body in executed a starting position is.
Beispielsweise kann die Regelungseinrichtung Regelungssignale an die Quelle zur Erzeugung des Feldes senden, so dass die Feldstärke entsprechend variiert wird, um einer veränderten Gravitationsbeschleunigung entgegenzuwirken und eine Auslenkung des Schwebekörpers aus der Nullposition zu kompensieren. Die Steuergrößen, welche zur Kompensation veränderter Gravitationsbeschleunigungen verwendet werden, können erfindungsgemäß in die Bestimmung der Gravitationsfeldstärke mit einfließen.For example For example, the control device may supply control signals to the source Send generation of the field, so that the field strength is varied accordingly, changed one Counteract gravitational acceleration and a deflection of the float from the zero position to compensate. The control variables, which for compensation changed Gravity accelerations can be used according to the invention in the Determination of gravitational field strength included.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Gravimetereinheit weiterhin eine Speichereinrichtung zur Speicherung von Referenzwerten.According to one another embodiment The present invention further includes the gravimeter unit a memory device for storing reference values.
Weiterhin ist es möglich, diese Referenzwerte im Zuge einer Eichung der Gravimetereinheit in der Speichereinrichtung zu speichern und somit nachfolgende Messungen zu vereinfachen oder zu kalibrieren. Durch die Anbringung einer Speichereinrichtung in der Gravimetereinheit kann ein Datenaustausch zwischen der Gravimetereinheit und externer Auswerteeinheiten oder Anzeigeeinheiten minimiert werden.Farther Is it possible, these reference values in the course of a calibration of the gravimeter unit to store in the memory device and thus subsequent measurements simplify or calibrate. By attaching a Memory device in the gravimeter unit can exchange data between the gravimeter unit and external evaluation units or Display units are minimized.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Sensor zur Materialdetektion mittels einer Gravitationsfeldauswertung angegeben, wobei der Sensor eine erste Gravimetereinheit, eine zweite Gravimetereinheit und eine Kommunikationsschnittstelle umfasst. Die erste Gravimetereinheit ist zum Ermitteln erster Daten ausgeführt, welche mit einer ersten Gravitationsfeldstärke an einem ersten Ort korrespondieren. Die zweite Gravimetereinheit ist zum Ermitteln zweiter Daten ausgeführt, welche mit einer zweiten Gravitationsfeldstärke an einem zweiten Ort korrespondieren und die Kommunikationsschnittstelle ist zur Übertragung der ersten Daten und der zweiten Daten an eine Auswerteeinheit ausgeführt.According to one another embodiment The present invention is a sensor for material detection indicated by a gravitational field evaluation, wherein the sensor a first gravimeter unit, a second gravimeter unit and includes a communication interface. The first gravimeter unit is executed for determining first data, which with a first Gravitational field strength correspond at a first location. The second gravimeter unit is executed to determine second data, which with a second Gravitational field strength at a second location correspond and the communication interface is for transmission the first data and the second data to an evaluation executed.
Die Unterscheidung zwischen einem Gravitationsfeld, das beispielsweise von einem zu detektierten Füllgut ausgeht, und den übrigen Gravitationsfeldern, die von Massen stammen, die nicht gemessen werden sollen, geschieht besonders vorteilhaft dadurch, dass die Gradientenwerte des Gravitationsfeldes im Bereich des zu messenden Füllgutes ermittelt werden und aus deren räumlichen Verlauf die Masseverteilung in der näheren Umgebung bestimmt wird.The Distinction between a gravitational field, for example from a product to be detected goes out, and the rest Gravitational fields that originate from masses that are not measured are to be particularly advantageous in that the Gradient values of the gravitational field in the area of the to be measured filling material be determined and from their spatial Course the mass distribution in the immediate vicinity is determined.
Vorteilhafterweise wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Gravitationsfeldstärke in der Nähe der zu detektierenden Masse an verschiedenen Punkten im Raum gemessen. Da die Abstände zwischen den Gravitationsmesspunkten und der zu detektierenden Masse bekannt sind, kann anhand der auftretenden Feldgradientenwerte der Anteil an der gemessenen Summenfeldstärke ermittelt werden, der auf die Beobachtungsposition für die unbekannte Masse entfällt.advantageously, will according to this embodiment the present invention, the gravitational field strength in the Near the mass to be detected measured at different points in space. Because the distances between the gravitational measuring points and the mass to be detected can be known from the occurring field gradient values of Proportion of the measured sum field strength can be determined on the observation position for the unknown mass is omitted.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Industriesensor angegeben, insbesondere ein Sensor zur Ermittlung von Tankfüllständen, der es gestattet, Materialien, insbesondere Füllgüter, berührungslos durch geschlossene Tankwände hindurch zu messen. Der Tankfüllstand wird durch Messung und Auswertung des Füllguteigengravitationsfeldes durch den Sensor ermittelt. Vorteilhafterweise werden alle Anforderungen erfüllt, die an einen Sensor zum Einsatz in industriellen Anlagen gestellt werden.According to this embodiment The present invention provides an industrial sensor, in particular a tank level detection sensor that allows materials, in particular filled goods, contactless through closed tank walls to measure through. The tank level is determined by measurement and evaluation of the Füllguteigengravitationsfeldes determined by the sensor. Advantageously, all requirements Fulfills, placed on a sensor for use in industrial plants become.
Hierfür ist der Sensor statisch aufgebaut, ohne dass ein Gravimeterinstrument mechanisch über eine Messstrecke oder eine Fläche hinweg bewegt wird. Das erzeugte Messergebnis bedarf nicht der Weiterbearbeitung oder Interpretation einer Fachkraft, sondern kann den direkt anzeigbaren Füllwert darstellen. Dieser kann kontinuierlich, unterbrechungsfrei und in Echtzeit zur Verfügung stehen. Das Messergebnis beinhaltet keine geologischen oder astronomischen Komponenten, wie schwankender Wassergehalt des Erduntergrundes, tektonische Massenverlagerungen im Erdmantel oder Gezeitenkräfte, wie sie gerade von klassischen Gravitationssensoren gemessen werden. Ebenso können in der Umgebung sich bewegende Massen, wie Personen und Fahrzeuge, im Messergebnis unterdrückt werden.For this is the Sensor built statically, without that a gravimeter instrument mechanically over a measuring distance or a surface is moved away. The generated measurement result does not need further processing or interpretation of a professional, but can be directly viewable fillingValue represent. This can be continuous, uninterrupted and in Real time available stand. The measurement result does not include geological or astronomical Components, such as fluctuating water content of the underground, tectonic mass displacements in the mantle or tidal forces, such as they are being measured by classical gravitational sensors. Likewise surrounding masses, such as people and vehicles, suppressed in the measurement result become.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung basieren die ermittelten ersten Daten auf ersten Schwebekörperpositionsdaten oder auf ersten Regelungsparametern einer ersten Regelungseinrichtung. Weiterhin basieren die ermittelten zweiten Daten auf zweiten Schwebekörperpositionsdaten oder auf zweiten Regelungsparametern einer zweiten Regelungseinrichtung.According to one another embodiment The present invention bases the determined first data on first float position data or on first control parameters of a first control device. Furthermore, the determined second data are based on second float position data or on second control parameters of a second control device.
Die Schwebekörperposition oder aber auch die Regelungsparameter, bei denen es sich zum Beispiel um eine an eine Kondensatorplatte angelegte Spannung handeln kann, stellen leicht zu messende und genau zu bestimmende Daten dar, über welche fundierte Aussagen über entsprechende, auf den Schwebekörper einwirkende Gravitationskräfte getroffen werden können.The Float position or also the control parameters, which are for example may be a voltage applied to a capacitor plate, represent easily measurable and accurately determinable data about which sound statements about appropriate, on the float acting gravitational forces can be taken.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die erste und die zweite Gravimetereinheit relativ zueinander an festen Positionen im Sensor angeordnet. Weiterhin können die beiden Gravimetereinheiten werkseitig derart beabstandet werden, dass eine optimale Messung für beispielsweise einen ganz bestimmten Behälter möglich ist.According to one Aspect of the present invention are the first and the second Gravimeter unit relative to each other at fixed positions in the sensor arranged. Furthermore you can the two gravimeter units are factory-spaced such that optimal measurement for For example, a very specific container is possible.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die erste Gravimetereinheit um eine Achse rotierbar oder entlang einer Achse verschiebbar angeordnet, wobei während einer Rotation oder Verschiebung kontinuierlich Daten aufgenommen werden, welche auf den detektierten ersten Positionen oder den erzeugten Feldern innerhalb der Gravimetereinheit basieren. Diese aufgenommenen Daten können dann zu einem Volumendatensatz zusammengefasst werden, welcher die Topologie eines Gravitationsfeldes repräsentiert. Über diesen Volumendatensatz können somit Rückschlüsse auf eine örtliche Massenverteilung in der Umgebung des Sensors gezogen werden. Zur Auswertung des Datensatzes und zur Bildgebung können bekannte Verfahren aus z.B. der Computertomographie verwendet werden.According to one another embodiment According to the present invention, the first gravimeter unit is one Axis rotatable or displaceable along an axis, while during a rotation or shift continuously recorded data which are at the detected first positions or the generated Fields are based within the gravimeter unit. This recorded Data can then into a volume dataset that summarizes the topology represents a gravitational field. About this Volume data set can thus conclusions on a local one Mass distribution can be drawn in the vicinity of the sensor. to Evaluation of the data set and imaging can be done from known methods e.g. used in computed tomography.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst der Sensor eine Vielzahl von Gravimetereinheiten, welche linienartig, flächenartig oder räumlich angeordnet sind, so dass ein ein-, zwei- oder dreidimensionaler Datensatz ermittelt werden kann, welcher eine Gravitationsfeldverteilung repräsentiert.According to one Aspect of the present invention, the sensor comprises a plurality of gravimeter units arranged in a line-like, plane-like or spatially are, so that a one-, two- or three-dimensional record is determined which represents a gravitational field distribution.
Weiterhin kann der Sensor eine Auswerteeinheit umfassen, welche zur Entgegennahme der ersten Daten und der zweiten Daten von der Kommunikationsstelle ausgeführt ist, wobei die Auswerteeinheit zur Berechnung eines Gradienten eines Gravitationsfeldes auf Basis der ersten Daten und der zweiten Daten ausgeführt ist.Farther the sensor may comprise an evaluation unit, which is for receiving the first data and the second data from the communication office accomplished is, wherein the evaluation unit for calculating a gradient of a Gravitational field based on the first data and the second data accomplished is.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Auswerteeinheit beispielsweise zusammen mit dem Sensor auf einem Halbleiterchip in Form einer integrierten Schaltung ausgebildet sein. Natürlich ist es auch möglich, dass die Auswerteeinheit extern angeordnet ist und die Daten von der Kommunikationsschnittstelle über beispielsweise eine Funkübertragung oder ein anderes kabelloses Datenübertragungsverfahren erhält. Natürlich kann die Kommunikationsschnittstelle auch über eine Datenleitung mit der Auswerteeinheit verbunden sein.According to one Aspect of the present invention, the evaluation unit, for example together with the sensor on a semiconductor chip in the form of an integrated Circuit formed. Naturally it is also possible that the evaluation unit is arranged externally and the data from the communication interface via for example, a radio transmission or another wireless data transmission method. Of course you can the communication interface also via a data line with the Be connected evaluation.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors als Füllstandsmesser angegeben. Hierfür kann der Sensor in der Nähe eines Behälters angeordnet werden und den Füllstand im Inneren des Behälters messen.According to one another embodiment The present invention is the use of a sensor according to the invention as a level gauge specified. Therefor can the sensor in the vicinity a container be arranged and the level inside the container measure up.
Weiterhin kann, gemäß einem Aspekt der Erfindung, der Sensors als Näherungssensor verwendet werden, der beispielsweise detektiert, ob eine Tür offen oder geschlossen ist, oder wie weit ein entsprechender Gegenstand vom Sensor entfernt ist oder mit welcher Geschwindigkeit er sich dem Sensor nähert.Furthermore, according to one aspect of the invention, the sensor may be used as a proximity sensor be detected, for example, whether a door is open or closed, or how far a corresponding object is removed from the sensor or at what speed he approaches the sensor.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines Gravimeters als Füllstandsmesser angegeben, welches zum Beispiel ein Verfahren zur Füllstandsmessung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausführt.According to one another embodiment The present invention is the use of a gravimeter as a level gauge specified, for example, a method for level measurement according to a embodiment of the present invention.
Auch kann, gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung, ein Gravimeter als Näherungssensor Anwendung finden, zum Beispiel zur Detektion von Entfernungen.Also can, according to one Aspect of the present invention, a gravimeter as a proximity sensor application find, for example, for the detection of distances.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen Gravimetereinheit als Beschleunigungsmesser angegeben, welche zur Messung von Beschleunigungen, beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs, Flugzeugs oder einem anderen bewegten oder schwingenden Objekt, wie einer Person oder einer Maschine eingesetzt wird.According to one another embodiment The present invention is the use of a gravimeter unit according to the invention indicated as an accelerometer, which is used to measure accelerations, for example within a vehicle, airplane or another moving or vibrating object, such as a person or a machine is used.
Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Füllstandsmessung
eines Füllgutes
in einem Behälter
mittels einer Gravitationsfeldauswertung angegeben, wobei das Verfahren
die folgenden Schritte umfasst:
Ermitteln von ersten Daten,
welche mit einer ersten Gravitationsfeldstärke an einem ersten Ort korrespondieren,
durch eine erste Gravimetereinheit; Ermitteln von zweiten Daten,
welche mit einer zweiten Gravitationsfeldstärke an einem zweiten Ort korrespondieren,
durch eine zweite Gravimetereinheit; Berechnen eines Füllstandes
des Füllgutes
auf Basis der ermittelten ersten und zweiten Daten.According to a further exemplary embodiment of the present invention, a method for measuring the filling level of a filling material in a container by means of a gravitational field evaluation is provided, the method comprising the following steps:
Determining first data corresponding to a first gravitational field strength at a first location by a first gravimeter unit; Determining second data corresponding to a second gravitational field strength at a second location by a second gravimeter unit; Calculating a filling level of the filling material on the basis of the determined first and second data.
Vorteilhafterweise ermöglicht die Verwendung einer Gravitationsfeldauswertung zur Füllstandsmessung eine berührungslose Messung, welche keinen Kontakt mit dem Messobjekt erfordert. Weiterhin ist für das erfindungsgemäße Verfahren keine Strahlungsquelle oder dergleichen notwendig, welche einen Messstrahl emittiert, welcher beispielsweise nachfolgend von dem Füllgut reflektiert wird, so dass nachfolgend Aussagen über die Füllstandshöhe getroffen werden können. Vielmehr bedient sich das erfindungsgemäße Verfahren der Messung von Gravitationsfeldern, welche von dem Füllgut erzeugt werden. Eine Einbringung des Sensors in den Behälter ist hierfür nicht erforderlich. Auch wird durch die Messung keine Energie in das Füllgut eingebracht.advantageously, allows the use of a gravitational field evaluation for level measurement a non-contact Measurement which does not require contact with the measurement object. Farther is for the inventive method no radiation source or the like necessary, which a Emitted measuring beam, which, for example, subsequently from the filling is reflected, so that below statements about the level height can be made. Much more uses the inventive method the measurement of gravitational fields generated by the contents become. An introduction of the sensor in the container is not required. Also, no energy is introduced into the medium by the measurement.
Gemäß einem weitern Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Aufnahme eines Volumendatensatzes angegeben, bei dem die erste Gravimetereinheit um eine Achse rotiert oder entlang einer Achse verschoben wird. Auch kann eine Kombination aus Verschiebung und Rotation erfolgen, so dass sich die Gravimetereinheit entlang einer beliebig ein- zwei- oder dreidimensional verlaufenden Bahn bewegen kann. Während der Bewegung erstellt die Gravimetereinheit einen ersten Volumendatensatz, welcher die ersten Daten umfasst. Zur Ausführung dieses beispielhaften Verfahrens ist nur eine Gravimetereinheit notwendig, es können aber auch mehrere Gravimetereinheiten vorgesehen sein, was zum Beispiel zu einer schnelleren Aufnahme der Volumendaten führen kann, oder auch Bewegungsdimensionen im Bahnverlauf einzusparen gestattet.According to one further embodiment The present invention is a method for receiving a Volumetric data set in which the first unit of the gravimeter is rotated about an axis or moved along an axis. Also, a combination of displacement and rotation can be done, so that the gravimeter unit extends along any one or three-dimensionally moving web can move. During the movement the gravimeter unit creates a first volume data set which includes the first data. To carry out this exemplary Procedure is only one gravimeter unit necessary, but it can also be provided a plurality of gravimeter units, which, for example can lead to a faster recording of the volume data, or also movement dimensions saved in the course of the course allowed.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Programmelement zur Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter mittels einer Gravitationsfeldauswertung und ein computerlesbares Speichermedium, auf dem ein Computerprogramm zur Füllstandsmessung eines Füllgutes in einem Behälter mittels einer Gravitationsfeldauswertung gespeichert ist. Hierbei leitet das Computerprogramm einen Prozessor an, ein Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung auszuführen, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird. Das Programmelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann vorzugsweise in den Arbeitsspeicher eines Datenprozessors geladen werden. Der Datenprozessor kann ausgeführt sein, beispielhafte Ausführungsformen des Verfahrens der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Weiterhin kann das Computerprogramm in jeder Programmiersprache, wie beispielsweise C++, geschrieben sein und kann auf einem computerlesbaren Speichermedium, wie beispielsweise einer CD-ROM, gespeichert sein. Weiterhin kann das Computerprogramm über ein Netzwerk erhältlich sein, wie beispielsweise das WorldWideWeb, von dem es in einen Prozessor oder Computer geladen werden kann.The The present invention also relates to a program element for level measurement a filling in a container by means of a gravitational field evaluation and a computer readable Storage medium on which a computer program for level measurement a filling material in a container is stored by means of a gravitational field evaluation. in this connection The computer program initiates a processor, a method according to a embodiment of the present invention, if it is on the processor accomplished becomes. The program element according to a embodiment The present invention may preferably be in the working memory of a data processor. The data processor can be executed exemplary embodiments of the method of the present invention. Farther can the computer program in any programming language, such as C ++, can be written and stored on a computer-readable storage medium, such as a CD-ROM. Furthermore, can the computer program over a network available such as the WorldWideWeb, which makes it into a processor or computer can be loaded.
Weitere Aufgaben, Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den nebengeordneten Ansprüchen.Further Tasks, embodiments and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims and the sibling claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.in the The invention will be described below with reference to exemplary embodiments closer to the drawings described.
Der erfindungsgemäße Füllstandsensor beinhaltet mindestens 2 Gravimetereinheiten G1, G2, welche an festen Positionen am, oder in unmittelbarer Nähe des, zu messenden Füllgutbehälters montiert sind. Zur Kompensation variierender Gravitationsfernfelder, deren Ursprung nicht in Füllstandänderungen liegt, werden zur Signalweiterverarbeitung die Feldstärkemesswerte der 2 oder mehr Gravimetereinheiten voneinander subtrahiert. Die Felddifferenzwertbildung ist dabei richtungsselektiv auszuführen, das heißt, es sind Feldkomponenten mit jeweils gleicher Orientierung bezüglich der x-, y- oder z-Raumachse voneinander zu subtrahieren.Of the Inventive level sensor contains at least 2 gravimeter units G1, G2, which are attached to solid Positions on, or in the immediate vicinity of, to be measured product container mounted are. To compensate for varying gravitational distant fields whose Origin not in level changes The field strength measured values are used for signal processing of the 2 or more gravimeter units subtracted from each other. The Felddifferenzwertbildung is doing directionally selective, the is called, they are field components, each with the same orientation with respect to to subtract x, y or z space axis from each other.
Aus
den Felddifferenzwerten wird je nach Anzahl der Gravimetereinheiten
und deren Positionen am Füllgutbehälter, der
Füllstandwert
nach verschiedenen, im späteren
dargestellten, Verfahren ermittelt. Zur Gravitationsfeldmessung
wird ein neuartiges Miniaturgravimeter eingesetzt. Ein Ausführungsbeispiel
davon ist in
Die Unterscheidung zwischen dem Gravitationsfeld, das von dem zu detektierenden Füllgut ausgeht, und den übrigen Gravitationsfeldern, die von Massen stammen die nicht gemessen werden sollen, geschieht besonders vorteilhaft dadurch, dass die Gradientenwerte des Gravitationsfeldes im Bereich des zu messenden Füllgutes ermittelt werden, und aus deren räumlichen Verlauf die Masseverteilung in der näheren Umgebung bestimmt wird.The Distinction between the gravitational field to be detected by the one to be detected filling goes out, and the rest Gravitational fields that come from masses that are not measured are particularly advantageous in that the gradient values of the gravitational field in the region of the product to be measured be determined, and the spatial distribution of the mass distribution in the nearer Environment is determined.
Da das Gravitationsfeld eines jeden Körpers, außerhalb von diesem, mit dem Kehrwert des Abstandsquadrates zu seinem Schwerpunkt abnimmt, herrscht in seiner näheren Umgebung eine deutlich größere prozentuale Feldstärkenabnahme pro Längeneinheit, als dies in weiterer Entfernung der Fall ist.There the gravitational field of each body, outside of this, with the Inverts the distance square to its center of gravity decreases in its nearer Environment a significantly larger percentage Field strength decrease per unit length, as this is the case further away.
Die Gravitationsfelder unterschiedlich weit entfernter Körper, besitzen somit einen individuellen räumlichen Gradientenänderungswert, und können daher anhand von diesem unterschieden werden.The Gravitational fields of different distant body possess thus an individual spatial gradient change, and can therefore be distinguished on the basis of this.
Eine in der Nähe befindliche kleine Masse mit sehr schwachem Eigengravitationsfeld, kann somit aufgrund ihres großen Feldgradientenänderungswertes, trotz des dominierenden starken Erdfeldes, dessen Gradientenänderungswert jedoch um viele Zehnerpotenzen geringer ist, messtechnisch erfasst werden.A near small mass with very weak self-gravitational field, can therefore because of their large Feldgradientenänderungswertes, despite the dominant strong earth field, its gradient change value However, by many orders of magnitude lower, metrologically recorded become.
Zu diesem Zweck wird die Gravitationsfeldstärke in der Nähe der zu detektierenden Masse an verschiedenen Punkten im Raum gemessen. Da die Abstände zwischen den Gravitationsmesspunkten und der zu detektierenden Masse bekannt sind, kann anhand der auftretenden Feldgradientenwerte, jener Anteil an der gemessenen Summenfeldstärke ermittelt werden, der auf die Beobachtungsposition für die unbekannte Masse entfällt.To For this purpose, the gravitational field strength in the vicinity of the Detecting mass measured at different points in space. Because the distances between the gravitational measuring points and the mass to be detected can be known from the occurring field gradient values, that proportion of the measured sum field strength can be determined, the the observation position for the unknown mass is omitted.
Für viele Anwendungen in der Praxis genügt es, wenn sich die Gravitationsmesspunkte auf einer geraden Linie befinden, die auf die zu detektierende Masse zeigt.For many Applications in practice are sufficient it, if the gravitational measuring points on a straight line located on the mass to be detected.
Bei einem derartigen Gravitationsfeldsensor registrieren die einzelnen Gravimetermesszellen in Abhängigkeit ihres Abstandes zum Zielobjekt, eine unterschiedlich geschwächte Objektfeldstärke. Die Schwächung ist dabei aufgrund des im Nahbereich des Messobjektes hohen Feldgradientenänderungswertes deutlich nichtlinear.at such a gravitational field sensor register the individual Gravimetry cells dependent their distance to the target object, a differently weakened object field strength. The weakening is due to the high field gradient change value in the near range of the measurement object clearly nonlinear.
Weiter entfernte Objekte hingegen erzeugen, je nach räumlicher Sensorausrichtung, entweder lauter gleiche Feldstärken in den Messzellen, oder aufgrund ihrer im Fernbereich niederen Feldgradientenänderungswerte, eine nahezu lineare Feldabnahme entlang der Messzellen. Durch entsprechende mathematische Verarbeitung der Zellenmesswerte kann die Sensorelektronik die Fernfelder herausrechnen.Further By contrast, remote objects generate, depending on the spatial orientation of the sensor, either all the same field strengths in the measuring cells, or because of their low field gradient change values in the far field, a nearly linear field decrease along the measuring cells. By appropriate Mathematical processing of the cell readings can be done by the sensor electronics to calculate the far fields.
Gravitationsfelder unterliegen im Gegensatz zu elektromagnetischen und akustischen Wellen nicht den physikalischen Erscheinungen der Absorption, Reflexion, Dispersion, Interferenz, Beugung und Brechung.gravitational fields subject as opposed to electromagnetic and acoustic Do not wave the physical phenomena of absorption, reflection, Dispersion, interference, diffraction and refraction.
Durchleuchtet man eine menschliche Hand mit einer Lichtquelle, so gestattet das wieder austretende Licht es nicht die Knochenstruktur zu erkennen. Selbst bei Anwendung höchstentwickelter optischer Sensoren und komplexester Datenverarbeitungsalgorithmen, ist es nicht möglich ein Knochenabbild auf diese Weise zu erzeugen. Der Grund liegt darin, dass die vorangehend erwähnten physikalischen Effekte den Informationsgehalt des Lichtes zerstört haben.by Lights If you use a human hand with a light source, you are allowed to Again, light escaping it does not recognize the bone structure. Even when using the most advanced optical sensors and the most complex data processing algorithms, it is impossible to create a bone image in this way. The reason is that the above mentioned physical effects have destroyed the information content of the light.
Da beim Durchgang eines Gravitationsfeldes durch eine Materieschicht keiner dieser Effekte eine Wirkung besitzt, wird der Informationsgehalt des durchtretenden Feldes in keinster Weise verändert. Dies bedeutet, dass das Gravitationsfeld eines hinter einer dicken Bleiplatte aufgestellten Glas Wasser, die Platte völlig unverändert durchtritt, und es daher keinen Unterschied macht, ob sie vorhanden ist oder nicht. Die Bleiplatte fügt nur zu den im Raum bereits vorhandenen Gravitationsfeldern ihr eigenes hinzu.There when passing a gravitational field through a layer of matter none of these effects has an effect, the information content the passing field in no way changed. This means that the gravitational field of a behind a thick lead plate set up Glass of water, the plate passes through completely unchanged, and therefore it does not matter if it is present or Not. The lead plate adds only to the already existing in space gravitational fields their own added.
Da jedes der Felder seinen eigenen Ursprung im Raum hat, ist durch Auswertung der räumlichen Feldverteilung eine Trennung möglich.There each of the fields has its own origin in space is through Evaluation of the spatial Field distribution a separation possible.
Es hängt daher lediglich von der Genauigkeit und Auflösung der zur Verfügung stehenden Gravitationssensortechnologie ab, ob es möglich ist durch die Bleiplatte hindurch zu erkennen, wie voll das Glas ist, oder gar welche Form es hat.It depends therefore only by the accuracy and resolution of the available Gravity sensor technology, whether it is possible through the lead plate to see how full the glass is, or even what shape it has.
Im Folgenden wird als Erstes die erfindungsgemäße Messung von Füllstand-Grenzwerten durch Auswertung des Füllguteigengravitationsfeldes beschrieben.in the The first is the measurement according to the invention of level limit values by evaluation of the Füllguteigengravitationsfeldes described.
Grenzstandsensoren sollen das Erreichen eines bestimmten Füllstandniveaus melden. Zu diesem Zweck wird der Sensor außen an der Behälterwand auf der Höhe des zu meldenden Niveauwertes angebracht. Seine Aufgabe ist es ein räumlich begrenztes Volumen auf das Vorhandensein von Füllgutmasse hin zu überwachen. Massen, die sich außerhalb des Behälters befinden, dürfen nicht angezeigt werden.Level sensors should report the achievement of a certain fill level. To this end the sensor is outside on the container wall at the height of the level value to be reported. His job is one spatial Limited volume on the presence of Füllgutmasse to monitor. Crowds outside of the container are allowed to not be displayed.
Ein Füllstandgrenzschalter beinhaltet beispielsweise drei Gravimeterschaltkreise, mit denen die Gravitationsfeldstärke an drei verschiedenen Punkten gemessen wird. Die Punkte liegen vorzugsweise auf einer Geraden die auf den zu messenden Niveauwert zeigt. Aus den drei gewonnenen Messwerten können mittels Differenzbildung zwei benachbarte Feldgradientenwerte bestimmt werden.One Level Switches includes, for example, three gravimeter circuits with which the gravitational field strength measured at three different points. The points are preferably on a straight line that points to the level to be measured. Out the three obtained measurements can two adjacent field gradient values determined by subtraction become.
Während die Feldstärke proportional mit dem Füllgutdurchmesser wächst, ist der Feldgradient an der Füllgutoberfläche unabhängig vom Durchmesser des Füllgutvolumens. Sowohl die Feldstärke wie auch der Gradient sind beide proportional zur Füllgutdichte. Mit zunehmender Entfernung von der Füllgutoberfläche nehmen Feldstärke und Feldgradient ab. Der Grad der entfernungsbedingten Abnahme beider Parameter ist abhängig vom Füllgutdurchmesser und damit der Behältergröße.While the field strength proportional to the product diameter grows, the field gradient on the product surface is independent of Diameter of the product volume. Both the field strength as well as the gradient are both proportional to the product density. With increasing distance from the product surface take field strength and Field gradient. The degree of distance-related decrease of both Parameter is dependent from the product diameter and thus the container size.
Bei der Festlegung des Montageabstandes der drei Gravimeter innerhalb des Füllstandsensors ist daher der Bereich der abzudeckenden Behälterdurchmesser zu berücksichtigen.at fixing the mounting distance of the three gravimeters inside of the level sensor Therefore, the area of the container diameter to be covered must be taken into account.
Wird der Abstand zu groß gewählt, so kann der Sensor durch kleine Behälter hindurchblicken, so dass dahinter befindliche Massen detektiert werden. Wird er zu eng gewählt, so ergeben große Behälter nur geringe Signalunterschiede zwischen den Gravimetern.Becomes the distance chosen too large, so the sensor can through small containers look through it so that masses behind it are detected become. If he is elected too narrow, so give great container only small signal differences between the gravimeters.
Da sich die Gravimeter gegenseitig nicht beeinflussen, kann zur Einsatzbereichserweiterung zusätzlich ein viertes Gravimeter mit größerem Abstand im Sensor vorgesehen werden.There If the gravimeters do not influence each other, you can extend the range of application additionally a fourth gravimeter at a greater distance be provided in the sensor.
Die im Sensorgehäuse befindlichen Gravimeterschaltkreise sind mit G1, G2, G3 bezeichnet. Die Abstände a2, a3 der Gravimeter zueinander betragen beispielsweise jeweils 20 mm. Der Abstand a1 zwischen dem ersten Gravimeter G1 und dem Füllgutbehälter beträgt beispielsweise 10 mm und der Abstand a4 zur Sensorgehäuserückwand beträgt beispielsweise 80 mm. Die Masse des Füllgutbehälters m(B) beträgt z.B. 1 kg, bei einem Durchmesser von 0,124 m, die Massen der Störelemente S1 und S2 betragen z.B. jeweils 100 kg, bei einem Durchmesser von jeweils 0,58 m. Natürlich können auch ganz andere Abstände, Dichten und Massen gewählt werden.The gravimeter circuits in the sensor housing are labeled G1, G2, G3. The distances a 2 , a 3 of the gravimeters to each other, for example, each 20 mm. The distance a 1 between the first gravimeter G1 and the product container is, for example, 10 mm and the distance a 4 to the sensor housing rear wall is, for example, 80 mm. The mass of the product container m (B) is for example 1 kg, with a diameter of 0.124 m, the masses of the interference elements S 1 and S 2 are, for example, each 100 kg, with a diameter of 0.58 m. Of course, quite different distances, densities and masses can be chosen.
Die Sensorsignalverarbeitung erkennt das Vorhandensein eines Füllgutes zum einen daran, dass der Feldgradient zwischen den beiden dem Füllgut nächsten Gravimetern eine gewisse Höhe besitzt, was ein Zeichen dafür ist, dass eine ausreichende Massendichte vorliegt, zum anderen daran, dass der dem Füllgut entferntere Feldgradient in bestimmter Weise niedriger als der erste Gradient ist, was ein Zeichen dafür ist, dass sich die detektierte Masse in der unmittelbaren Nähe und richtigen Richtung befindet.The Sensor signal processing detects the presence of a filling material on the one hand, that the field gradient between the two next Gravimetern the product a certain height owns what a sign for that is that there is a sufficient mass density, on the other hand, that of the contents more distant field gradient in a certain way lower than the first Gradient is what is a sign that the detected Mass in the immediate vicinity and right direction.
Zur Elimination schwankender Fernfelder bildet die Sensorsignalverarbeitung als erstes die Differenzwerte (G1 – G2) und (G2 – G3) der in Richtung der Messgeraden liegenden Feldstärken. Diese Werte sind dem Feldgradienten im entsprechenden Streckenintervall proportional.to Elimination of fluctuating far fields forms the sensor signal processing First, the difference values (G1 - G2) and (G2 - G3) of the in the direction of the measuring lines lying field strengths. These values are the field gradient proportional in the corresponding distance interval.
Anschließend werden anhand der Höhe des ersten Differenzwertes, von der Signalverarbeitung zwei zulässige Wertebereiche für den zweiten Differenzwert ermittelt. Liegt der zweite Differenzwert im ersten Wertebereich, so gibt der Sensor eine Leermeldung aus. Liegt der Wert im zweiten Wertebereich erfolgt die Ausgabe einer Vollmeldung. Ist der zweite Differenzwert in keinem der beiden zugeordneten Wertebereiche enthalten, so liegt eine Betriebsstörung vor, und der Sensor gibt Störmeldung aus.Then be by height of the first difference value, of the signal processing two permissible value ranges for the determined second difference value. Is the second difference value in the first value range, the sensor outputs an empty message. If the value is in the second value range, the output is a Full message. If the second difference value is not assigned to either of the two Contain value ranges, there is a malfunction, and the sensor gives fault message out.
Soll der Sensor mit einer Schalthysterese ausgestattet werden, kann dies durch Verwendung unterschiedlicher Wertebereiche für den leer/voll und voll/leer Wechsel geschehen.Should The sensor can be equipped with a switching hysteresis, this can by using different value ranges for the empty / full and full / empty changes happen.
Bei Sensoren, die als Maximumniveau- bzw. Minimumniveau-Sicherheitsgrenzschalter eingesetzt werden, kann es sinnvoll sein, jeder dieser beiden Betriebsarten eigene Wertebereiche zuzuordnen, um dem für die jeweilige Betriebsart sicheren Sensorausgangswert einen Signalausgabevorzug zu geben.at Sensors acting as maximum level or minimum level safety limit switches can be used, it can be useful to each of these two modes assign their own value ranges to that for the respective operating mode safe sensor output value to give a signal output preference.
Mittels im Sensor abgelegter mathematischer Funktionen, welche den ersten Differenzwert als Eingangsgröße haben, kann die Sensorelektronik die Grenzen der Zuordnungsbereiche des zweiten Differenzwertes zu den Ausgangszuständen Leer/Voll/Störung errechnen.through stored in the sensor mathematical functions, which the first Have difference value as input, can the sensor electronics the limits of the allocation ranges of calculate the second difference value to the output states Empty / Full / Fault.
Es ist auch möglich statt mathematischer Funktionen, eine Wertetabelle im Sensor abzulegen, aus der die Sensorsignalverarbeitung anhand des ersten Differenzwertes die entsprechenden Bereichszuordnungsgrenzen für den zweiten Differenzwert auslesen kann. Zur Begrenzung der Wertetabellengröße wird eine sinnvolle Anzahl von Eingangswerten verwendet, und bei dazwischenliegenden Werten nach bekannten Methoden interpoliert.It is also possible, instead of mathematical functions, to store a table of values in the sensor, from the the sensor signal processing can read out the corresponding range allocation limits for the second difference value on the basis of the first difference value. To limit the value table size, a reasonable number of input values are used, and interpolated at intermediate values according to known methods.
Es besteht auch die Möglichkeit, die erforderliche Mindesthöhe des ersten Differenzwertes und die Bereichszuordnungsgrenzen für den zweiten Differenzwert, zusätzlich anhand von eingegebenen Messanwendungseigenschaften wie Behälterdurchmesser oder Produktdichte an die aktuelle Messaufgabe anzupassen.It there is also the possibility the required minimum height of the first difference value and the range allocation limits for the second one Difference value, in addition based on entered measurement application properties such as vessel diameter or to adjust the product density to the current measuring task.
Ebenso ist es möglich, bei befülltem Behälter einen Vollabgleich auszuführen um die Signalauswerteparameter an die konkret auftretenden Felddifferenzwerte zu adaptieren.As well Is it possible, when filled container to perform a full match to the signal evaluation parameters to the actually occurring field difference values to adapt.
Anhand
der in
Der im Beispiel verwendete Füllgutbehälter ist sehr klein und beinhaltet gefüllt lediglich eine Füllgutmenge von 1Kg Gewicht. Aufgabe des seitlich montierten Sensors ist es, das Vorhandensein diese Menge, unbeeinflusst von variablen umgebenden Massen, sicher anzuzeigen.Of the in the example used product container is very small and contains filled only a quantity of goods of 1Kg weight. The task of the laterally mounted sensor is the presence of this quantity, unaffected by variable surrounding Masses, safe to display.
Zur
Veranschaulichung des Einfluss beweglicher Massekörper, sind
in der
Die Dichte des Füllgutes und der Störmassen ist mit 1 g/ccm (Wasser) angenommen. Alle Massen haben aufgrund der einfacheren Berechenbarkeit ein kugelförmiges Volumen. Die Behälterwand verfügt über eine Dicke von 10 mm.The Density of the contents and the masses of disturbances is assumed to be 1 g / cc (water). All the masses have due For ease of calculability, a spherical volume. The container wall has one Thickness of 10 mm.
Tabelle 1 Table 1
Tabelle 1 zeigt anhand von 7 verschiedenen Massekombinationen die auftretenden Feldstärkewerte an den drei Gravimetern, sowie die daraus berechneten Differenzwerte. Die Feldstärken sind in Nanometer pro Quadratsekunde angegeben und gelten in Richtung der Messgeraden.table 1 shows by means of 7 different mass combinations the occurring Field strength values the three gravimeters and the calculated difference values. The field strengths are given in nanometers per square second and apply in the direction the measuring line.
Die ersten 3 Zeilen der Tabelle zeigen die Feldwerte bei leerem Behälter und vorhandenen Störmassen. Die vierte Zeile zeigt die Feldwerte bei vollem Behälter ohne die Störmassen. Die letzten 3 Zeilen zeigen die Feldwerte bei vollem Behälter und Störmassen.The The first 3 lines of the table show the field values when the container is empty and existing disturbing masses. The fourth line shows the field values when the container is full without the disturbance masses. The last 3 lines show the field values with full tank and Disturbing masses.
Man erkennt, dass im Falle der Störmassen ohne Füllgut, der erste Felddifferenzwert zwar eindeutig auf eine vorhandene Masse hinweist, der Unterschied zum zweiten Differenzwert jedoch nur minimal ist.you recognizes that in the case of the disordered masses without filling, Although the first field difference value clearly refers to an existing mass indicates, the difference to the second difference value but only minimal is.
Dies bedeutet, dass die detektierte Masse sich außerhalb des zu beobachtenden Raumvolumens befindet und daher nicht angezeigt werden darf.This means that the detected mass is outside of the observed Room volume and therefore may not be displayed.
Im Falle der Störmassen mit Füllgut sieht man, dass sowohl der erste Differenzwert hoch, als auch der Unterschied zum zweiten Differenzwert groß genug für die gewünschte Vollmeldung ist.In the case of the perturbations with filling material, it can be seen that both the first difference value high, and the Difference to the second difference value is large enough for the desired full message.
Obwohl die Störmassen in dem Beispiel beide je 100 mal so groß wie die Füllgutmasse waren, konnte der Gravitationsfeldsensor den Füllstand korrekt anzeigen.Even though the disturbance masses in the example, both were 100 times as large as the contents of the product, the Gravitational field sensor the level show correctly.
Die Werte von Tabelle 1 zeigen auch, dass bei Verwendung von lediglich 2 anstatt 3 Gravimetern, eine Unterscheidung zwischen dem Füllgut und den aufgeführten Störmassen nicht möglich wäre.The Values of Table 1 also show that using only 2 instead of 3 gravimeters, a distinction between the contents and the listed disturbing masses not possible would.
Bei besonders kritischen Anwendungen wie Füllgütern geringer Dichte, oder Messungen durch dicke Behälterisolationsschichten, kann zur Störmassenunterdrückung der Einsatz von 4 sensorinternen Gravimeterschaltkreisen erforderlich werden.at particularly critical applications such as low density products, or Measurements through thick container insulation layers, can for disturbing mass suppression of Use of 4 sensor-internal gravimeter circuits required become.
Da das beschriebene Messverfahren selektiv die Gravitationsfelder in Richtung der Messgeraden auswertet, gehen Störmassen deren Schwerpunkt räumlich nicht auf der Messgeraden liegt, nur vermindert oder gar nicht in die Messung ein.There the measuring method described selectively the gravitational fields in Evaluate the direction of the measuring line, go disturbing masses whose focus is not spatially is on the measuring line, only diminished or not at all Measurement on.
Als Zweites wird nachfolgend die erfindungsgemäße Messung von kontinuierlichen Füllständen durch Auswertung des Füllguteigengravitationsfeldes beschrieben.When Second is the measurement according to the invention of continuous Fill levels by evaluation of the Füllguteigengravitationsfeldes described.
Die Messung kontinuierlicher Füllstandwerte kann mittels vier verschiedener Verfahren der Feldauswertung geschehen. Diese Verfahren können einzeln oder auch kombiniert in einem Sensor zur Anwendung kommen.The Measurement of continuous level values can be done by four different methods of field evaluation. These methods can individually or combined in a sensor.
Das erste Verfahren basiert auf der Auswertung der Feldstärkendifferenz bei zwischen den Gravimetern sich befindendem Füllgut.The first method is based on the evaluation of the field strength difference in between the gravimeters befindendem contents.
Zu
diesem Zweck wird vorzugsweise ein erstes Gravimeter an der Unterseite
des Füllgutbehälters angebracht
und ein zweites an der Oberseite. Dieser Sensortyp ist in
Ist der Behälter leer entsteht eine Messwertdifferenz zwischen beiden Gravimetern, die dem Erdfeldgradienten multipliziert mit der Behälterhöhe entspricht. Dieser Wert wird mittels Nullabgleich aus dem Messergebnis entfernt.is the container empty results in a difference in reading between the two gravimeters, which corresponds to the earth field gradient multiplied by the container height. This value is removed from the measurement result by means of zero compensation.
Wird der Behälter befüllt, so wirkt das Füllgutgravitationsfeld am Ort des unteren Gravimeter dem Erdfeld entgegen, so dass dessen gemessene Feldstärke fällt. Am Ort des oberen Gravimeters addiert sich das Füllgutfeld zum Erdfeld, so dass dessen Feldstärke ansteigt.Becomes the container filled, this is how the contents gravitational field works at the location of the lower gravimeter against the Earth's field, so that its measured field strength falls. At the location of the upper gravimeter, the filling material field adds to the earth field, so that its field strength increases.
Die gemessene Feldstärkendifferenz zwischen beiden Gravimetern ergibt nach geeigneter Messwertlinearisierung eine der Behälterfüllgutmasse proportionale Füllstandanzeige.The measured field strength difference between both gravimeters results after suitable measured value linearization one of the container filling material proportional level indicator.
Es ist auch möglich, die beiden Gravimeter an zwei gegenüberliegenden Seitenwänden des Füllgutbehälters anzubringen. Bezüglich der genauen Erfassung des Leer- und Vollzustandes ist jedoch die voran erwähnte Montageart vorzuziehen.It is possible, too, the two gravimeters on two opposite side walls of the To be attached to the product container. In terms of However, the exact detection of the empty and full state is the mentioned earlier Mounting method preferable.
Das Messergebnis ist von der Füllgutdichte abhängig.The Measurement result is of the product density dependent.
Das zweite Verfahren basiert auf der Auswertung der Feldstärkenabnahme in zunehmendem Abstand zum Füllgut.The second method is based on the evaluation of the field strength decrease in increasing distance to the product.
Das
Gravitationsfeld außerhalb
des Füllgutes
nimmt, entsprechend dem Gravitationsfeldgesetz, mit dem Kehrwert
des Abstandsquadrates zu seinem Masseschwerpunkt ab. Der Grad der
entfernungsbedingten Feldstärkeänderung
ist sowohl ein Maß für den Füllgutdurchmesser
wie auch für
die Entfernung zum Füllgut. Ein
nach diesem Prinzip arbeitender Sensor enthält mehrere auf einer Linie
montierte Gravimeterschaltkreise. Die Montagelinie zeigt vorzugsweise
auf den Füllgutschwerpunkt.
Dieser Sensortyp ist in
Sensor
Die Sensorsignalverarbeitung errechnet mittels der gemessenen Feldwerte, und der bekannten physikalischen Gravitationsfeldverteilungsgesetze außerhalb von Massekörpern, den Abstand zum Füllgut bzw. dessen Höhe.The Sensor signal processing calculates by means of the measured field values, and the known physical gravitational field distribution laws outside of mass bodies, the distance to the product or its height.
Werden insgesamt nur 2 Gravimeter verwendet, so stehen nur 2 unterschiedlich vom Füllgutschwerpunkt beabstandete Feldmesswerte zur Verfügung, aus deren Differenz sich lediglich ein Feldgradient berechnen lässt. Der daraus ableitbare Füllstandmesswert ist als Folge davon von der Füllgutdichte abhängig.Become a total of only 2 gravimeters used, so only 2 are different from the product focus spaced field measurements available, the difference of which can only calculate a field gradient. The derivable from it Level measurement is as a result of the filling material density dependent.
Vorzugsweise werden daher mindestens 3 Gravimeter verwendet, aus deren Feldmesswerten sich mindestens 2 ortsverschiedene Feldgradienten berechnen lassen. Aus diesen mindestens 2 Felgradientenwerten kann der Füllstand dichteunabhängig ermittelt werden. Die 3 in diesem Fall unbekannten Parameter Füllhöhe, Füllgutdichte und Fernfeldamplitude, erfordern zur Lösung des Messproblems mindestens 3 Gravimeter, die 3 ortsverschiedene Feldmesswerte liefern.Preferably Therefore, at least 3 gravimeters are used, from their field measurements At least 2 spatially different field gradients can be calculated. From these at least 2 Felgradientenwerten the level independent of density be determined. The 3 unknown parameters in this case, filling level, filling density and far field amplitude, require at least to solve the measurement problem 3 gravimeters that provide 3 different field measurements.
Bei der Erstinbetriebnahme des Sensors ist bei leerem Füllgutbehälter ein Nullabgleich durchzuführen um statische Nahfeldkomponenten, wie die Leermasse des Behälters, aus dem Messergebnis zu entfernen.at The initial commissioning of the sensor is an empty product container Zero balance to perform near-field static components, such as the empty mass of the container to remove the measurement result.
Das dritte Verfahren basiert auf der Auswertung der Feldstärkenverteilung innerhalb des Füllguts oder entlang seiner Begrenzungsflächen. Das von einem kugelförmigen Füllgut erzeugte Feld nimmt, entsprechend dem Gravitatationsfeldgesetz, vom Masseschwerpunkt zur Füllgutoberfläche linear zu, die Feldstärke ist dabei innerhalb des Füllgutes proportional dem Schwerpunktabstand. Bei nicht kugelförmigem Füllgut sind die Verhältnisse komplizierter, aber dennoch streng physikalisch gesetzmäßig.The third method is based on the evaluation of the field strength distribution within the product or along its boundary surfaces. The generated by a spherical filling material Field takes, according to the Gravitatationsfeldgesetz, from the center of mass to the product surface linear to, the field strength is within the contents proportional to the center of gravity distance. For non-spherical contents are the ratios more complicated, yet strictly physically legitimate.
Am
Füllgutschwerpunkt
ist dessen Eigenfeldstärke
generell null. Der Sensor
Die Sensorsignalverarbeitung errechnet anhand der Feldstärkedifferenzwerte zwischen den einzelnen Gravimetern, und der bekannten physikalischen Feldverteilungsgesetze innerhalb von Massekörpern, den Füllstandwert. Durch Ausführung eines Nullabgleich werden statische Nahfeldkomponenten kompensiert. Werden lediglich 2 Gravimeter verwendet, so ist das Füllstandmessergebnis abhängig von der Füllgutdichte. Stehen mindestens 3 ortsverschiedene Feldmesswerte zur Verfügung, so kann der Füllstand dichteunabhängig ermittelt werden.The Sensor signal processing calculates based on the field strength difference values between the individual gravimeters, and the well-known physical Field distribution laws within mass bodies, the level value. By execution a zero balance, static near field components are compensated. Become Only 2 gravimeters used, the level measurement result depends on the filling density. Stand at least 3 spatially different field measurements available, so can the level independent of density be determined.
Die je nach Füllstand gerade nicht eingetauchten Gravimeter des Sensors, können dazu verwendet werden den Füllstand zusätzlich nach Verfahren zwei zu ermitteln. Ebenso ist es vorteilhaft, den Wert des letzten eingetauchten Gravimeters mit dem des ersten nicht mehr eingetauchten Gravimeters nach Verfahren eins zu verrechnen. Durch Kombination der Ergebniswerte aller verwendeten Verfahren lässt sich die Messgenauigkeit des Sensors erhöhen.The depending on level just not submerged gravimeter of the sensor, can do so to be used the level additionally to determine by method two. Likewise, it is advantageous to the Value of the last immersed gravimeter with that of the first one not to charge more submerged gravimeters according to method one. By combining the result values of all used procedures let yourself increase the measuring accuracy of the sensor.
Der Vorteil dieses Sensortyps gegenüber eintauchenden Füllstandstabsonden anderer physikalischer Messprinzipien liegt darin, dass der Sensor durch ein in den Behälter eingebautes Trennrohr, das ihn vor dem Füllgut schützt, hindurchmessen kann.Of the Advantage of this type of sensor immersing level rod probes Other physical measuring principles is that the sensor through one into the container built-in separation tube that protects him from the contents, can measure through.
Für Transportbehälter sind
dadurch einschiebbare Sensoren realisierbar. In den Behälter wird
ein einseitig geschlossenes und nach außen hin offenes Trennrohr eingebaut.
Während
der Befüllung
und zu sonstigen Kontrollzwecken wird der Gravitationssensor vorübergehend
ein geschoben und misst den Füllstand durch
das Trennrohr hindurch. Der Behälter
bleibt dabei hermetisch dicht. Im Beispiel von
Das
vierte Verfahren basiert auf der Auswertung der räumlichen
Lage des Gravitationsfeldvektors. Ein derartiger Sensor ist in
Liegen
bei einem Sensor
Der dreidimensionale Gravitationsfeldvektor wird gebildet durch die orthogonalen Feldkomponenten in x-, y- und z-Richtung. Das z-Feld weist in Füllhöhenrichtung und steht senkrecht zum Erdboden. Das x- und y-Feld verläuft hingegen parallel zum Erdboden. Es soll dabei das x-Feld die Gravitationskomponente in Richtung zur Behältermitte darstellen, und das y-Feld die Komponente parallel bzw. tangential zur Behälterwand am Montageort des Sensors repräsentieren.Of the Three-dimensional gravitational field vector is formed by the orthogonal field components in the x, y and z directions. The z field points in filling height direction and is perpendicular to the ground. The x and y field, on the other hand, runs parallel to the ground. The x-field should be the gravitational component towards the tank center represent and the y-field the component parallel or tangential to the container wall on Represent the mounting location of the sensor.
Ist
der Sensor
Jedes
Gravimeter im Sensor
Der
in
Neben der Berechnung der Füllhöhe aus den Gravimetermesswerten durch Anwendung der bekannten physikalischen Feldverteilungsgesetze unter Berücksichtigung der Montagepositionen der Gravimeter und eventuell zusätzlich eingegebener Behälterdaten, besteht auch die Möglichkeit die Füllhöhe aus den aktuellen Gravimetermesswerten durch einen Vergleich mit zuvor abgespeicherten Gravimetermesswerten während einer Inbetriebnahmebefüllung zu bestimmen.Next the calculation of the filling height from the Gravimetermesswerte by application of the known physical Field distribution laws under consideration the mounting positions of the gravimeters and possibly additionally entered Container data there is also the possibility the filling level from the current gravimeter readings by comparison with previously stored Gravimeter readings during a commissioning filling to determine.
Der zu messende Behälter wird zu diesem Zweck, nach Montage des Sensors, schrittweise befüllt, und nach jedem Befüllschritt die vorliegende Füllhöhe dem Sensor mitgeteilt. Dieser speichert zu dem eingegebenen Füllstandwert die auftretenden Gravitationsmesswerte aller Gravimeter ab. Beim späteren Messbetrieb vergleicht nun die Sensorsignalverarbeitung die aktuell gemessenen Gravitationswerte mit den abgespeicherten Stützwerten und interpoliert den Füllstand zwischen den beiden am nächsten liegenden Speicherwerten.Of the containers to be measured is for this purpose, after mounting the sensor, gradually filled, and after each filling step the present filling level to the sensor communicated. This saves to the entered level value the occurring gravitational measurements of all gravimeters. At the later Measuring mode now compares the sensor signal processing currently measured gravitational values with the stored support values and interpolates the level closest to each other lying memory values.
Bei den Verfahren 2 bis 4 werden vorzugsweise nicht die Absolutgrößen der Felddifferenzmesswerte miteinander verglichen, sondern die Verhältniswerte der einzelnen Felddifferenzen zueinander. Auf diese Weise werden auch Füllgüter, mit einer zur Inbetriebnahmebefüllung abweichenden Mediumsdichte, genau gemessen.at The methods 2 to 4 are preferably not the absolute sizes of the Field difference measured values compared to each other, but the ratio values the individual field differences to each other. That way also filled goods, with one for commissioning deviating medium density, measured exactly.
Durch die Anwendung mehrerer der Verfahren 1 bis 4 in einem Sensor, kann der Füllstand nach verschiedenen Methoden mehrfach bestimmt werden. Die Mittelwertbildung der einzelnen Messergebnisse führt zu einer erhöhten Messgenauigkeit des Sensors.By the application of several of the methods 1 to 4 in a sensor, can the level be determined several times by different methods. The averaging the individual measurement results lead to an elevated one Measuring accuracy of the sensor.
Bei Auftreten einer Störmasse reagieren die einzelnen Verfahren, je nach Position der Masse, unterschiedlich empfindlich auf diese. Die Mittelwertbildung mehrer Verfahren erhöht daher zusätzlich die Unempfindlichkeit gegenüber Störmassen.at Occurrence of a disturbing mass Depending on the position of the mass, the individual methods react differently sensitive to this. The averaging of several methods therefore increases additionally the insensitivity to Disturbing masses.
Es ist auch möglich nach Durchführung einer Plausibilitätsprüfung der einzelnen Messergebnisse, ein als ungenau erkanntes Resultat von der Ergebnismittelwertbildung auszuschließen.It is possible, too after execution a plausibility check of the individual measurement results, a result of inaccurately recognized exclude earnings averaging.
Durch Verwendung von mehr Gravimetern und damit Feldstärkemesspunkten in einem Sensor als theoretisch erforderlich, ist ebenfalls eine Überbestimmung des Füllstandes möglich. Auch bieten zusätzliche Gravimeter die Möglichkeit den Feldmesspunkteabstand zu reduzieren, so dass der Nahfeldmessbereich des Sensors sich verkleinert und eventuelle Störmassen eher als unproblematische Fernfelder wirken.By Use of more gravimeters and thus field strength measuring points in one sensor as theoretically required, is also an over-determination the level possible. Also offer extra Gravimeter the possibility to reduce the field measuring point distance, so that the near field measuring range of the sensor is reduced and possible disturbing masses rather than unproblematic Far fields work.
Die Wahl einer günstigen Montageposition des Sensors am Füllgutbehälter erhöht zusätzlich die Störsicherheit.The Choosing a cheap one Mounting position of the sensor on the product container additionally increases the Noise immunity.
Neben diesen passiven Methoden den Einfluss von Störmassen auf das Messergebnis zu unterdrücken, besteht auch die Möglichkeit, die Störmasse gezielt zu ermitteln, und sie anschließend aus dem Endergebnis herauszurechnen. Voraussetzung für dieses Vorgehen ist eine hinreichend große Zahl von Feldmesswerten, und damit Eingangsgrößen, für den Korrekturalgorithmus.Next These passive methods influence the influence of disturbing masses on the measurement result to suppress, there is also the possibility the disturbing mass and then calculate them out of the final result. requirement for this procedure is a sufficiently large number of field measurements, and thus input variables, for the correction algorithm.
Die Anzahl der benötigten Gravimeter in einem kontinuierlichen Füllstandsensor hängt auch von der Form des Behälters ab. Schlanke und unregelmäßig geformte Behälter können mehr Gravitationsmesspunkte und damit Gravimeter erfordern, als flache einfache Behälter.The Number of required Gravimeter in a continuous level sensor also hangs from the shape of the container from. Slim and irregular shaped container can require more gravitational measuring points and thus gravimeters than flat simple containers.
Bei
dem in
Bei
Sensoren die aus wenigen Gravimetereinheiten bestehen, wie der Typ
Auf Basis des später beschriebenen Miniaturgravimeterschaltkreis und modernen Funkübertragungsverfahren ist auch die Entwicklung und Anwendung drahtlos sendender Gravimetereinheiten möglich.On Base of the later described Miniaturgravimeterschaltkreis and modern radio transmission method is also the development and application of wireless sending gravimeter units possible.
Diese Geräte bestehen beispielsweise aus dem Gravimeterschaltkreis, einer hochintegrierten Funkschnittstelle und einer langlebigen Lithiumbatterie als Stromversorgung. Das Volumen dieser Einheit hat die Größe einer Streichholzschachtel oder noch kleiner. Die Gravimetereinheiten werden in der benötigten Anzahl an den entsprechenden Stellen am Behälter angeklebt. Eine entfernt montierte Auswerteeinheit empfängt die Messdaten aller Gravimeter und verrechnet sie zum Füllstandwert. Es genügt dabei eine Auswerteeinheit um die Daten von einer Vielzahl von Behältern zu empfangen und deren Füllstände zu berechnen.These equipment For example, consist of the gravimeter circuit, a highly integrated Radio interface and a long-life lithium battery as a power supply. The volume of this unit is the size of a matchbox or even smaller. The gravimeter units are in the required number glued to the appropriate places on the container. One away mounted evaluation unit receives the measuring data of all gravimeters and calculates them to the filling level value. It is sufficient while an evaluation to the data from a plurality of containers to receive and calculate their levels.
Eine noch weitergehende Miniaturisierung ist mittels Technologien möglich, wie sie bei intelligenten Kreditkarten und Warenetiketten eingesetzt werden. Damit könnten die Gravimetereinheiten als flacher, biegsamer Aufkleber gestaltet werden. In seinem Inneren befindet sich der Gravimeterchip, der Sendechip, eine Planarantenne, eine Lithiumpolymerbatterie und eventuell eine amorphe Solarzelle zur Batterieladung.A further miniaturization is possible by means of technologies such as they used on smart credit cards and merchandise labels become. With that could The Gravimeterereinheiten designed as a flat, flexible sticker become. Inside is the Gravimeterchip, the Send chip, a planar antenna, a lithium polymer battery and possibly an amorphous solar cell for battery charging.
Die Fläche beträgt beispielsweise 1 cm mal 4 cm, die Dicke circa 1 mm. Mit diesen sensorischen Aufklebern können dann Behälter und Rohrleitungen in revolutionär einfacher Weise instrumentiert werden. Eine zentrale Empfangseinheit berechnet dann alle Füllstandwerte und gibt sie an die Prozesssteuerung aus.The area is for example, 1 cm by 4 cm, the thickness of about 1 mm. With these sensory Stickers can then container and piping in revolutionary be instrumented easily. A central receiving unit then calculates all level values and gives them to the process control.
Ist es mittels spezieller Gravimeter möglich, in einer Gravimetereinheit mehrere Gravitationsfeldstärken an verschiedenen Orten zu messen bzw. direkt deren Differenzwert zu bestimmen, so sind die voran beschriebenen Gravitationsfeldmesspunktanordnungen und die zugehörigen Gravitationsfeldauswerteverfahren entsprechend sinngleich auf derartige Gravimetereinheiten übertragbar, ohne dass hierdurch der Erfindungsgegenstand verlassen wird.is it is possible by means of special gravimeters, in a gravimeter unit multiple gravitational field strengths to measure at different places or directly their difference value are the gravitational field measurement point arrangements described above and the associated ones Gravitational field evaluation method according to the same sense on such Gravimeter units transferable, without thereby leaving the subject invention.
Die
Füllstandmessung
auf Basis von Gravitationsfeldern bietet folgende Eigenschaften
und Anwendungsvorteile:
Es können alle Flüssigkeiten
und Flüssiggase
gemessen werden. Schüttgüter müssen über eine
Mindestdichte verfügen,
die Körnung
spielt keine Rolle. Die Messung kann durch die geschlossene Behälterwand
hindurch erfolgen, es sind alle Wandmaterialien geeignet. Dies ist
besonders vorteilhaft bei korrosiven, abrasiven, explosiven, keimfreien,
giftigen, biogefährlichen,
radioaktiven und ultrareinen Füllgütern, ebenso
bei Hochdrucktanks.Level measurement based on gravitational fields offers the following features and application advantages:
All liquids and liquefied gases can be measured. Bulk materials must have a minimum density, the grain size does not matter. The measurement can be made through the closed container wall, all wall materials are suitable. This is particularly advantageous for corrosive, abrasive, explosive, germ-free, toxic, biohazardous, radioactive and ultrapure products, as well as for high-pressure tanks.
Sehr heiße und sehr kalte Füllgüter werden durch die Tankisolation hindurch gemessen. Da das Messverfahren auf Massemengen reagiert, werden Produktanhaftungen, Schmutzablagerungen und Schaum ignoriert. Es ist damit auch für besonders klebrige und zähe Füllgüter geeignet. Füllgüter die zu sehr starken elektrostatischen Aufladungen neigen, können an der Außenwand montierte Sensoren weder beschädigen noch mit Produkt zusetzen.Very name is and become very cold products measured through the tank insulation. As the measurement method reacts to mass quantities, product adhesions, dirt deposits and foam ignored. It is therefore also suitable for particularly sticky and viscous products. Fillings the tend to very strong electrostatic charges, can the outer wall Do not damage mounted sensors still add product.
Die Anwendung in explosionsgeschützten Bereichen ist problemlos. Es wird keine Energie in das Füllgut eingekoppelt. Sensorstromversorgung und Messwertübertragung sind über eine eigensichere 4...20 mA Stromschleife möglich.The Application in explosion-proof Areas is easily. There is no energy coupled into the product. Sensor power supply and measured value transmission are via one intrinsically safe 4 ... 20 mA current loop possible.
Behältereinbauten wie Rührflügel, Prallbleche, Schwallwände, Heiz- und Kühlschlangen, Wärmetauscherregister, gelochte Zwischenböden, Gasinjektorlanzen, Katalysatorträgerplatten sowie Füllkörperschüttungen werden vom Gravitationsfeld unverändert durchdrungen, so dass dahinter und darunter befindliches Füllgut problemlos gemessen wird.vessel installations like impellers, baffles, Baffles, Heating and cooling coils, Coil, perforated shelves, Gas injector lances, catalyst carrier plates as well as packed beds are penetrated by the gravitational field unchanged, so that behind and below the contents are measured easily.
Neben der Montage an der Außenwand können Gravimetersensoren auch in die Behälterwand eingeschraubt oder aufgeflanscht werden. Bestimmte Sensorausführungen schließen in diesem Fall innen bündig mit der Wand ab, so das keine Einengung des Abzugsquerschnitts von Behältern oder des Durchflussquerschnitts von Rohrleitungen eintritt. Kleine Einschraubgewinde der Größe M8 sind möglich.Next the mounting on the outside wall can Gravimeterensoren also screwed into the container wall or be flanged. Certain sensor designs close in this Hang in flush with From the wall, so that no narrowing of the withdrawal cross-section of containers or the flow cross-section of pipes occurs. Small screw thread the size M8 are possible.
Sensoren die außen am Behälter montiert sind können ohne Unterbrechung des Anlagenbetriebs ausgetauscht oder nachgerüstet werden.sensors the outside on the container can be mounted be replaced or retrofitted without interruption of plant operation.
Es
wird nun der Aufbau eines neuartigen erfindungsgemäßen Miniaturgravimeters
beschrieben, wie es als beispielhafte Ausführungsformen in den
Die Technik der klassischen präzisionsmechanischen Gravimeter, wie sie im Bereich der Geologie verwendet werden, ist für Anwendungen in der industriellen Messtechnik nicht nur viel zu teuer und in der Ansprechzeit zu träge, besonders störend ist auch das viel zu große Bauvolumen. Dieses verhindert nicht nur die Realisierung eines kompakten Sensors, sondern lässt auch die benötigte punktförmige Gravitationsfeldbestimmung in engen Abständen nicht zu.The Technique of classical precision mechanical Gravimeters, as they are used in the field of geology, is for applications not only much too expensive and in industrial metrology the response time too slow, especially disturbing that is way too big Volume. This not only prevents the realization of a compact Sensors, but lets also the needed punctate Gravitational field determination at close intervals not too.
Ein weiterer Nachteil der klassischen Gravimeter ist die Tatsache, dass sie das Gravitationsfeld in nur einer Raumrichtung zu messen vermögen. Für eine dreidimensionale Feldbestimmung sind somit 3 dieser Geräte erforderlich. Neben den immensen Kosten würde eine derartige Konfiguration auch nicht die Messung der 3 Feldkomponenten am selben Punkt im Raum gestatten.One Another disadvantage of the classic gravimeter is the fact that they are able to measure the gravitational field in only one spatial direction. For a three-dimensional Field determination thus requires 3 of these devices. In addition to the would be immense cost Such a configuration also does not measure the 3 field components allow at the same point in space.
Einen deutlichen Schritt in die richtige Richtung stellen integrierte mikromechanische Beschleunigungssensoren dar. Bei diesen Sensorelementen wird mittels Ätzverfahren aus einem Siliziumsubstrat eine Biegebalkenstruktur mit angeformtem Masseelement erzeugt. Durch kapazitive Abstandsmessung wird die Auslenkung des Biegebalkens erfasst und mittels elektrostatischem Kompensationskraftfeld die Biegebalkennulllage wieder hergestellt. Aus der benötigten Kompensationsfeldstärke wird das Messergebnis gewonnen.a integrated step in the right direction Micromechanical acceleration sensors. In these sensor elements is by means of etching from a silicon substrate, a bending beam structure with integrally formed Mass element generated. By capacitive distance measurement, the deflection of the bending beam detected and by means of electrostatic compensation force field the bending beam zero position restored. From the required compensation field strength is won the measurement result.
Der Nachteil dieser Sensorelemente ist, dass sie die für Gravitationsfeldmessungen benötigte Genauigkeit und Auflösung nicht erreichen.Of the The disadvantage of these sensor elements is that they are suitable for gravitational field measurements needed Accuracy and resolution do not reach.
Die Federkonstante der Biegebalkenstruktur kann nicht beliebig verringert werden, da ansonsten plastische Verformungen auftreten, die zu einem Verlust der Nullpunktstabilität führen. Zudem unterliegen komplexe mikromechanische Strukturen generell einer Vielzahl von Fehlereinflüssen. Ebenso ist von Nachteil, dass Mechanik und Elektronik auf dem selben Materialsubstrat erzeugt werden müssen, so dass beide Komponenten nicht optimal gefertigt werden können. Für eine dreidimensionale Feldmessung wären auch in diesem Fall drei orthogonal zueinander angebrachte Messelemente erforderlich.The spring constant of the bending beam structure can not be reduced arbitrarily, since otherwise plastic deformations occur, resulting in a loss of zero stability. In addition, complex micromechanical structures are generally subject to a large number of defect influences. It is also disadvantageous that mechanics and electronics must be produced on the same material substrate, so that both components can not be manufactured optimally. For a three-dimensional field measurement would also be in this case three orthogonally mounted measuring elements required.
Die Realisierung einer kostengünstigen, miniaturisierten und hochauflösenden Gravimetermesszelle erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass das gravitationsfelddetektierende Masseelement mittels elektrostatischer Kraftfelder berührungslos dreidimensional in der Schwebe gehalten wird. Die Notwendigkeit eines mechanischen Federelementes entfällt damit.The Realization of a cost-effective, miniaturized and high-resolution Gravimetermesszelle according to the invention is characterized in that the gravitational field detecting Mass element by means of electrostatic force fields contactless held in suspension in three dimensions. The need a mechanical spring element is eliminated.
Die Position des Masseelementes wird kapazitiv ermittelt. Das schwebende Masseelement wird vorzugsweise direkt oberhalb eines integrierten Halbleiterschaltkreises angeordnet, so dass zumindest ein Teil der benötigten felderzeugenden und messenden Elektroden direkt auf diesem angebracht werden kann. Aus den zur Aufrechterhaltung einer definierten Schwebeposition des Masseelementes erforderlichen elektrischen Feldstärken, lassen sich die Werte der Gravitationsfeldstärken in den Raumrichtungen errechnen.The Position of the mass element is determined capacitively. The floating Mass element is preferably directly above an integrated Semiconductor circuit arranged so that at least part of the required field-generating and measuring electrodes mounted directly on top of this can be. From to maintain a defined hovering position the mass element required electric field strengths let the values of the gravitational field strengths in the spatial directions calculate.
Die
Auf
einem Halbleiterchip
Der
Spalt
Durch
Anlegen einer Spannung zwischen den Basiselektroden
Zur Einkopplung der elektrostatischen Kräfte können sowohl Gleich- wie auch Wechselspannungen verwendet werden.to Coupling of the electrostatic forces can be both DC and AC voltages are used.
Die kapazitive Abstandsmessung zur Bestimmung der genauen Lage des Schwebekörpers, wird vorzugsweise über die selben Elektroden ausgeführt, die auch der Krafteinkopplung dienen. Dabei ist zu beachten, dass das Hochfrequenzmessfeld ebenfalls Anziehungskräfte erzeugt.The Capacitive distance measurement to determine the exact position of the float is preferably over the same electrodes are running, which also serve the power input. It should be noted that the high-frequency measurement field also generates attractions.
Die Mess- und Regelelektronik auf dem Halbleiterchip sorgt nun dafür, dass der Schwebekörper in einer exakten Symmetrieposition zu den Elektroden gehalten wird. Die von außen durch das Gravitationsfeld auf den Schwebekörper einwirkende Schwerkraft wird durch eine gegengerichtete elektrostatische Kompensationskraft aufgehoben. Die erforderliche Kompensationskraft in den drei Raumrichtungen ist somit ein Maß für das Gravitationsfeld in den drei Raumrichtungen.The measurement and control electronics on the semiconductor chip now ensures that the float is held in an exact position of symmetry to the electrodes. The force acting from outside through the gravitational field on the float gravitational force is by a counter-directed electrostatic Kompensati onskraft lifted. The required compensation force in the three spatial directions is thus a measure of the gravitational field in the three spatial directions.
Die verwendeten Ansteuerspannungen der einzelnen Elektrodensegmente werden vorzugsweise so gewählt, dass sich am Schwebekörper ein Mittelmassepotential einstellt. Zu diesem Zweck wird die eine Hälfte der Elektroden mit positivem Spannungspegel gegenüber Mittelmasse und die andere Hälfte mit entsprechend negativem Pegel zur Mittelmasse angesteuert.The used drive voltages of the individual electrode segments are preferably chosen that is on the float sets a median ground potential. For this purpose, the one Half of the Electrodes with a positive voltage level to center ground and the other half driven with corresponding negative level to the center mass.
Da der Schwebekörper die einwirkenden elektrostatischen Kräfte über die Zeit integriert, können neben analogen Ansteuerspannungen, auch digitale pulsweitenmodulierte Binär- oder Ternärlevelspannungen verwendet werden.There the float the applied electrostatic forces integrated over time, in addition to analog drive voltages, also digital pulse width modulated Binary- or Ternärlevelspannungen used become.
Im folgenden sind die physikalischen Berechnungsformeln für ein idealisiertes Schwebekegelgravimeter aufgeführt. Weiterhin wird anhand eines Berechnungsbeispieles gezeigt, welche Höhe die in der Praxis auftretenden Elektrodenansteuerspannungen zur Gravitationsfeldkompensation haben, sowie welche Elektrodenkapazitätswerte sich ergeben. Auftriebskraft und wirksame Gewichtskraft des Schwebekörpers:
- m
- = Kegelmasse
- d
- = Kegeldurchmesser
- h
- = Kegelhöhe
- V
- = Kegelvolumen
- ρ1
- = Kegeldichte
- ρ2
- = Dielektrikumdichte
- g
- = Gravitationsfeldstärke
- FA
- = Auftriebskraft
- FG
- = wirksame Gewichtskraft
- εo
- = Elektrische Feldkonstante = 8.85·10–12 F/m
- εr
- = Dielektrizitätszahl des Dielektrikums
- A
- = wirksame Elektrodenfläche bezogen auf eine Raumrichtung x, y oder z.
- U
- = Spannung zwischen Elektrode und Schwebekörper
- s
- = Dielektrikumspaltweite
- n
- = Anzahl der Basis – oder Seitenelektroden
- l
- = Sehnenlänge der Seitenelektroden
- x,y
- = Raumrichtung parallel zu den Basiselektroden
- z
- = Raumrichtung senkrecht zu den Basiselektroden
- Ux
- = Ansteuerspannung einer Seitenelektrode um ein Gravitationsfeld in x-Richtung zu kompensieren
- Uz
- = Ansteuerspannung aller Basiselektroden oder aller Seitenelektroden um ein Gravitationsfeld in z-Richtung zu kompensieren.
- m
- = Cone mass
- d
- = Cone diameter
- H
- = Cone height
- V
- = Cone volume
- ρ 1
- = Cone density
- ρ 2
- = Dielectric density
- G
- = Gravitational field strength
- F A
- = Buoyancy
- F G
- = effective weight
- ε o
- = Electric field constant = 8.85 · 10 -12 F / m
- ε r
- = Dielectric constant of the dielectric
- A
- = effective electrode area with respect to a spatial direction x, y or z.
- U
- = Voltage between electrode and float
- s
- = Dielectric gap width
- n
- = Number of base or side electrodes
- l
- = Chord length of the side electrodes
- x, y
- = Spatial direction parallel to the base electrodes
- z
- = Spatial direction perpendicular to the base electrodes
- U x
- = Drive voltage of a side electrode to compensate for a gravitational field in the x direction
- U z
- = Drive voltage of all base electrodes or all side electrodes to compensate for a gravitational field in z-direction.
Kapazitäten zwischen Elektroden und Schwebekörper:Capacities between Electrodes and floats:
-
- CB C B
- = Kapazität einer Basiselektrode= Capacity of one base electrode
- CS C S
- = Kapazität einer Seitenelektrode= Capacity of one side electrode
- AS, AB A S , A B
- = Flächen der Elektroden= Areas of electrodes
Gravitationsfeldberechnung Gravitational field calculation
-
- gG
- = Gravitationsfeld and der Oberfläche eines kugelförmigen Objektes= Gravitational field and the surface a spherical one property
- yy
- = Gravitationskonstante = 6,67·10–11 m3/kg·s2 = Gravitational constant = 6.67 x 10 -11 m 3 / kg.s 2
- mm
- = Masse = Mass
- rr
- = Kugelradius= Ball radius
- VV
- = Volumen= Volume
- ρρ
- = Kugeldichte= Ball density
Anwendungsbeispielexample
Das Gravimeter ist seitlich an einem Kugeltank montiert. Die Kegelspitze zeigt nach unten.The Gravimeter is mounted on the side of a spherical tank. The cone top points down.
Das
Füllgutfeld
wirkt in x-Richtung. Das Erdfeld wirkt in z-Richtung. Das Füllgut ist
Wasser. Gegebene
Werte:
Wie das Berechnungsbeispiel zeigt, genügen zur Erzeugung der elektrostatischen Kompensationskräfte Spannungen von geringem Wert, so dass ein Betrieb der Messzellenelektronik an einer üblichen 5 Volt Versorgungsspannung problemlos möglich ist.As the calculation example shows sufficient to generate the electrostatic compensation forces Voltages of low value, allowing operation of the measuring cell electronics at a usual 5 Volt supply voltage is easily possible.
Da das Schwebekörpergravimeter prinzipbedingt kein mechanisches Federbauteil enthält, entfallen nicht nur die Fehlerkomponenten die eine derartige Struktur mit sich bringt, sondern man ist bezüglich der Messwertauflösung auch nicht mehr durch die Federsteifigkeit eingeschränkt.There the hover gravimeter inherently no mechanical spring component contains, do not account only the error components that such a structure entails, but you are relative the measured value resolution no longer limited by the spring stiffness.
Die Bauteile der Gravimeterzelle werden beim Messvorgang vorteilhafterweise keiner Verformung ausgesetzt, sondern rein statisch betrieben. Änderungen von Bauteiledimensionen durch Kriechvorgänge oder parameterverändernde Werkstoffumkristallisationsprozesse durch mechanische Zug- oder Druckspannungen treten daher nicht auf.The components of the gravimeter cell are advantageously exposed during the measuring process no deformation, but operated purely static. Changes of component dimensions due to creeping processes or Parameter-changing material recrystallization processes due to mechanical tensile or compressive stresses therefore do not occur.
Aufgrund der Tatsache, dass auf dem Halbleiterchip keine mechanischen Strukturen erzeugt werden müssen, kann dessen Herstellungsprozess ganz auf die Optimierung der elektronischen Schaltungskomponenten ausgelegt werden.by virtue of the fact that on the semiconductor chip no mechanical structures have to be generated Its manufacturing process can be entirely based on the optimization of the electronic Circuit components are designed.
Wird als Dielektrikum eine Flüssigkeit verwendet, so ist deren thermische Ausdehnung zu berücksichtigen. Innerhalb des Formteils kann beispielsweise eine teilweise gasgefüllte Kapillarröhre vorgesehen werden, in die sich die Dielektrikumsflüssigkeit hinein ausdehnen kann. Aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit wird wie beim Flüssigkeitsthermometer ein Wandern der Gassäule aus der Kapillare verhindert.Becomes as a dielectric a liquid used, their thermal expansion must be taken into account. Within the molding, for example, a partially gas-filled capillary tube can be provided into which the dielectric fluid can expand into. Due to the surface tension the liquid becomes like the liquid thermometer a hiking of the gas column prevented from the capillary.
Bei einem gasförmigen Dielektrikum ist der Schwebekörperhohlraum vorzugsweise hermetisch dicht auszuführen, so dass bei einer Temperaturänderung das eingenommene Volumen des Gases konstant bleibt, und damit auch dessen Dichte.at a gaseous one Dielectric is the floating body cavity preferably hermetically sealed, so that at a temperature change the occupied volume of the gas remains constant, and therefore also its density.
Da an die Gravimetermesszelle höchste Anforderungen hinsichtlich der Messgenauigkeit gestellt werden, kommen diverse Fehlerkompensationsmechanismen zum Einsatz. Es gilt vor allem temperatur- und alterungsbedingte Wertänderungen mechanischer und elektrischer Art zu kompensieren.There highest to the gravimeter measuring cell Requirements are made with regard to the measuring accuracy, Various error compensation mechanisms are used. It applies especially temperature and aging-related changes in the value of mechanical and electric way to compensate.
Zur Erzeugung zweier mathematisch unterschiedlich vom Gravitationsfeld und den Fehlerkomponenten abhängiger Messwerte, können auf dem Chip zwei in allen Abmessungen identische Schwebekörpereinheiten aufgebracht sein. Ebenso können die zugehörigen Ansteuer- und Auswerteschaltungsteile identisch aufgebaut sein.to Generation of two mathematically different from the gravitational field and the error components more dependent Readings, can on the chip two identical floating body units in all dimensions be upset. Likewise the associated Control and evaluation circuit parts to be identical.
Ein
Unterschied zwischen beiden Anordnungen besteht dann darin, dass
die Schwebekörper
Bei Verwendung eines flüssigen Dielektrikums, kann der durch dessen thermische Ausdehnung erzeugte Auftriebsfehler, auf diese Weise kompensiert werden.at Use of a liquid Dielectric, which can be generated by its thermal expansion Buoyancy error to be compensated in this way.
Ein Vergleich der Kapazitätswerte der acht Elektrodensegmente innerhalb einer Schwebekörpereinheit liefert zusätzliche Korrekturwerte.One Comparison of capacity values of the eight electrode segments within a floating body unit provides additional Correction values.
Während eine Positionsänderung des Schwebekörpers bei einem Teil der Elektroden eine Kapazitätszunahme, und bei einem anderen Teil eine Abnahme ergibt, führen thermische Werkstoffausdehnungen zu gleichartigen Änderungen. Durch geeignete Verrechnung der Elektrodensegmentwerte untereinander, lassen sich diese Fehler kompensieren. Mit Hilfe einer weiteren Hohlraumanordnung, die keinen Schwebekörper beinhaltet, ist es auch möglich die Grundkapazitätswerte separat zu messen.While one position change of the float for one part of the electrodes an increase in capacity, and for another Part of a decrease results thermal material expansion to similar changes. By suitable allocation of the electrode segment values among each other, these errors can be compensated. With the help of another Cavity assembly, which includes no float, it is possible the basic capacity values to measure separately.
Durch Erzeugung von Prüfkräften können weitere Informationen über die Funktionsparameter der Messzelle gewonnen werden. Zu diesem Zweck wird über die vorhandenen Elektroden ein zusätzliches elektrostatisches Kraftfeld in den Schwebekörper eingekoppelt. Die Feldregelung in der Elektronik wird dadurch veranlasst das bestehende Kompensationsfeld in seiner Stärke anzupassen, um das Kräftegleichgewicht im Schwebekörper aufrecht zu erhalten. Die Kraftfelderzeugung kann mit dieser Methode in ihrer Kennlinie durchgemessen werden.By Generation of test forces can be more information about the functional parameters of the measuring cell are obtained. To this Purpose is over the existing electrodes an additional electrostatic Force field in the float coupled. The field control in the electronics is thereby caused to adjust the strength of the existing compensation field to the balance of power in the float to maintain. The force field generation can be done with this method be measured in their characteristic.
Durch Veränderung der Schwebekörperposition aus der Mitte heraus, infolge anderer Sollwertvorgabe für die Regelung, lässt sich anhand der sich ergebenden Elektrodenkapazitätswerte bei verschiedenen Abständen zwischen dem Schwebekörper und den einzelnen Elektroden, die Kapazitäts-Abstands-Kennlinie des Messzelle nachmessen.By change the float position from the center, due to other setpoint specification for the control, let yourself from the resulting electrode capacitance values at different distances between the float and the individual electrodes, the capacitance-distance characteristic of the measuring cell remeasure.
Mit diesen Verfahren kann die Zelle in allen drei Dimensionen automatisch vermessen und neu kalibriert werden.With This method allows the cell in all three dimensions automatically measured and recalibrated.
Eine weitere Fehlerkorrekturmöglichkeit stellt die direkte Temperaturkompensation dar. Auf dem Halbleiterchip wird ein Temperaturfühler mitintegriert und entsprechend vorgegebener Wertabhängigkeiten die Kompensation ausgeführt. Da die gesamte Messzelle selbst nur Chipgröße hat, tritt ein kompensationsverfälschendes Temperaturgefälle nicht auf.A further error correction option is the direct temperature compensation. On the semiconductor chip, a temperature sensor is integrated and according to predetermined value dependencies Compensation executed. Since the entire measuring cell itself only has chip size, a compensation-distorting temperature gradient does not occur.
Der im kompletten Sensor ausgeführte Verrechnungsvorgang der Messwerte der einzelnen Gravimeterschaltkreise, führt bei einem gleichartigen Restfehler der Zellen, zu einem weiteren Kompensationseffekt. Die Chips für die Messzellen eines Sensors sollten daher dem gleichen Fertigungswafer entnommen werden.Of the executed in the complete sensor Billing process of the measured values of the individual gravimeter circuits, leads a similar residual error of the cells, to another compensation effect. The Chips for The measuring cells of a sensor should therefore be the same manufacturing wafer be removed.
Falls trotz aller Korrekturmaßnahmen und dem vorteilhaft hohen Integrationsgrad der Messzelle, die erforderliche Messgenauigkeit nicht erreicht wird, kann durch Verwendung eines dritten Schwebekörpers mit drittem Dichtewert, ein weiterer Datensatz von Eingangsgrößen zur Genauigkeitssteigerung generiert werden.If despite all corrective action and the advantageous high degree of integration of the measuring cell, the required Measurement accuracy can not be achieved by using a third floating body with third density value, another set of input values for Accuracy increase can be generated.
Ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Schwebekörpergravimeteranordnung
ist in den
Wird
die Gravimeterzelle stets so montiert, dass das Erdgravitationsfeld
von der Chipoberfläche
wegzeigt, so kann die gesamte Elektrodenstruktur auf dem Chip
Da
die Außenelektroden
nur geringe Kräfte
erzeugen können,
kann der Schwebekörper
Das
Formteil
Neben
den beschriebenen elektrostatischen Anziehungskräften ist auch die Erzeugung
von abstoßenden
Kräften
möglich.
Der Schwebekörper
Die kombinierte Erzeugung beider Kraftarten ist möglich indem der nichtleitende Schwebekörper mit einer Teilmetallisierung versehen wird. Der Halbleiterchip wird dadurch in die Lage versetzt, mit den auf ihm befindlichen Elektroden den metallisierten Teil des Schwebekörpers anzuziehen und den nichtmetallisierten Teil abzustoßen. Es können somit Kräfte in alle Raumrichtungen erzeugt werden, so dass eine Zellenausrichtung nicht erforderlich ist.The Combined generation of both types of force is possible by the non-conductive float is provided with a partial metallization. The semiconductor chip becomes thus enabled, with the electrodes on it to attract the metallized part of the float and the non-metallized part repel. It can thus forces be generated in all spatial directions, so that a cell alignment is not required.
Während bei Anwendung anziehender elektrostatischer Kräfte eine Regelung der Elektrodenspannung zwingend erforderlich ist, um den Schwebekörper stabil in der Schwebe zu halten, ist bei Verwendung abstoßender Kräfte eine Kraftfeldregelung nicht grundsätzlich erforderlich.While at Application of attractive electrostatic forces control of the electrode voltage is imperative to keep the float stable in the air to hold, when using repulsive forces a force field control not in principle required.
Eine Annäherung des Schwebekörpers an ein abstoßendes Kraftfeld, führt bei abnehmendem Abstand und damit steigender elektrischer Feldstärke, zu einer Zunahme der Feldkräfte. Der Schwebekörper nähert sich daher den Elektroden nur soweit an, bis sich Gravitationskräfte und elektrische Feldkräfte die Waage halten. Aus den sich einstellenden Abständen des Schwebekörpers zu den einzelnen Elektroden, kann dann der Wert des Gravitationsfeldes in den 3 Raumrichtungen errechnet werden. Die Anwendung einer aktiven Feldregelung bei abstoßenden Kraftfeldern, kann jedoch dennoch günstig sein, da eine konstante Schwebekörperposition Vorteile bei der Fehlerkompensation bietet.A approach of the float a repulsive one Force field, leads with decreasing distance and thus increasing electric field strength, too an increase in field forces. The float approaches Therefore, the electrodes only so far until gravitational forces and electric field forces keep the balance. From the self-adjusting intervals of the float to the individual electrodes, then can the value of the gravitational field be calculated in the 3 spatial directions. The application of an active field control at repulsive Force fields, however, can still be favorable, as a constant Float position Advantages of error compensation offers.
Ein
drittes Ausführungsbeispiel
einer Schwebekörpergravimeteranordnung
ist in
Ein
Unterschied zu der voranbeschriebenen Anordnung besteht darin, dass
rein metallische Schwebekörper
verwendet werden können.
Das Formteil
Es besteht auch die Möglichkeit auf der Schwebekörperunterseite mehrere konzentrische Ringstrukturen vorzusehen, die jeweils über einen eigenen zugeordneten Satz Innen- und Außenelektroden verfügen, um noch höhere Seitenkräfte erzeugen zu können.It there is also the possibility on the float bottom provide a plurality of concentric ring structures, each having a own assigned set of internal and external electrodes have to even higher lateral forces to be able to produce.
Durch geeignete Ansteuerung mehrfach vorhandener Elektrodensegmente, kann die für die Kraftfelderzeugung elektrisch wirksame Elektrodenfläche zu Test- und Kontrollzwecken variiert werden.By suitable control of multiple existing electrode segments can the for the force field generation electrically effective electrode surface to test and control purposes.
Weiterhin besteht die Möglichkeit die Ringstrukturen in verschiedenen Höhen auszuführen, so dass jeder einzelne Ring über einen anderen Abstand zu den Elektroden auf der Chipoberfläche verfügt. Eine derartige Anordnung gestattet es die Schwebekörperposition unter Verwendung verschiedener Spaltweiten mehrfach zu bestimmen. Anhand der bekannten Ringhöhenwerte lassen sich die abstandsunterschiedlichen Abstandsmesswerte von vorhandenen Fehlerkomponenten befreien.Farther it is possible to execute the ring structures at different heights, so that every single one Ring over has a different distance to the electrodes on the chip surface. A Such arrangement allows the float position using several times to determine different gap widths. Based on the known Ring height values can be the distance difference distance measurements of Free up existing error components.
Dieses Verfahren hat gegenüber einer Variation des Lagesollwertes, zum Zweck der Messung der Kapazitäts-Abstand-Kennlinie, den Vorteil, dass der Schwebekörper nicht bewegt werden muss. Die den einzelnen Ringen zugeordneten Elektroden gestatten es zudem die elektrischen Feldkräfte variabel über verschiedene Spaltweiten einzukoppeln.This Procedure has opposite a variation of the position setpoint, for the purpose of measuring the capacitance-distance characteristic, the advantage that the float does not have to be moved. The assigned to the individual rings Electrodes also allow the electrical field forces variable over different Coupling gap widths.
Bei
Verwendung eines gasförmigen
Dielektrikums mit konstant gehaltener Dichte besteht bei einem derartigen
Aufbau die Möglichkeit,
alle zur Fehlerkompensation erforderlichen Messwerte, von einem
einzigen Schwebekörper
abzuleiten. Die Gravimetermesszelle benötigt in diesem Fall, wie in
Wird ein flüssiges Dielektrikum verwendet, so erfordert dessen thermische Ausdehnung, und der sich daraus ergebende Auftriebsfehler, im allgemeinen zwei Schwebeanordnungen zur Fehlerkompensation. Kann bei dem verwendeten Dielektrikum jedoch aus dessen Dielektrizitätszahl der Dichtewert berechnet werden, weil sich beispielsweise die elektrische Suszeptibilität des Dielektrikums proportional zum Dichtewert verhält, so ist auf diese Weise ebenfalls die Auftriebsfehlerkompensation ausführbar.Becomes a liquid Dielectric used, so its thermal expansion, and the resulting buoyancy error, generally two Floating arrangements for error compensation. Can with the used Dielectric but calculated from the dielectric constant of the density value because, for example, the electrical susceptibility of the dielectric proportional to the density value, so is in this way also the buoyancy error compensation executable.
Die
Ermittlung der Dielektrizitätszahl
erfolgt durch Verrechnung der Kapazitätswerte einer ausreichenden
Anzahl von Elektroden, so dass sich andere kapazitätsbestimmende
Größen, wie
beispielsweise Schwebekörperposition
und Substratgrundkapazitäten,
eliminieren lassen. Eine Anordnung wie in
Bei Verwendung eckiger statt runder Schwebekörper, sind die voran erwähnten Ringstrukturen entsprechend sinngleich durch polygonähnliche Strukturgeometrien zu ersetzen.at Use square instead of round float, are the aforementioned ring structures correspondingly identical by polygon-like structural geometries to replace.
Elektrisch leitfähige Schwebekörper oder Formteile können neben Metall auch alternativ aus metallisiertem Isolierstoff, wie Glas oder Keramik, gefertigt werden. Die konturgenaue Herstellung metallischer Schwebekörper oder metallischer Formteile kann durch Prägeumformung geeigneter Rohlinge erfolgen. Teile auf Glasbasis können durch Pressen im plastischen Warmzustand präzise geformt werden.electrical conductive float or molded parts can in addition to metal also alternatively made of metallized insulating material, such as Glass or ceramics. Contour-accurate production metallic float or metallic moldings can by stamping forming suitable blanks respectively. Glass-based parts can be precisely shaped by pressing in the plastic hot state.
Neben festen Schwebekörpern können prinzipiell auch Flüssigkeitskugeln verwendet werden. Das Dielektrikum kann entweder gasförmig sein, oder aus einer sich nicht mischenden zweiten Flüssigkeit bestehen. Ebenso ist die Verwendung einer elektrostatisch in Schwebe gehaltenen Gasblase in einer Flüssigkeit denkbar. Die bei kleinen Abmessungen. stark ansteigende Oberflächenspannung sorgt für eine definierte Form dieser Schwebeobjekte.Next solid floating bodies can in principle also liquid balls be used. The dielectric may be either gaseous, or consist of a non-mixing second liquid. Likewise is the use of an electrostatically levitated gas bubble in a liquid conceivable. The small size. strongly increasing surface tension takes care of a defined form of these floating objects.
Es besteht auch die Möglichkeit, den Schwebekörper ganz von einer, alle Elektroden tragenden, Formteilanordnung zu umgeben, und den Halbleiterchip oder sonstige Elektronik mit Leiterverbindungen anzukoppeln. Ebenso ist es möglich den Schwebekörper sandwichartig zwischen zwei Halbleiterchips einzubetten. Weiterhin besteht die Möglichkeit die Vertiefungen für den Schwebekörper nicht im Formteil vorzusehen sondern auf dem Halbleiterchip selber.It there is also the possibility the float completely from one, all electrodes bearing, molding assembly surrounded, and the semiconductor chip or other electronics with conductor connections to dock. It is also possible the float sandwiched between two semiconductor chips. Farther it is possible the wells for the float not to be provided in the molded part but on the semiconductor chip itself.
Die
Kugelgestalt des Schwebekörpers
Da
beide Formteile
Im Schwebekörpergravimeter werden vorzugsweise elektrische Felder zur Krafterzeugung und Abstandsmessung eingesetzt. Diese lassen sich mit minimalem Energieaufwand generieren, einfach abschirmen und die benötigten Elektrodenanordnungen sind kostengünstig und sehr präzise herstellbar sowie integrationsfähig.in the Schwebekörpergravimeter are preferably electric fields for power generation and distance measurement used. These can be generated with minimal energy consumption, just shield and the needed Electrode arrangements are inexpensive and very precise to produce as well as integratable.
Alternativ können auch magnetische Felder verwendet werden. Der Schwebekörper wird hierzu von elektromagnetischen Spulen umgeben. Ein aus ferromagnetischem Material, wie Eisen oder Ferritkeramik, bestehender Schwebekörper wird vom Magnetfeld der Spulen angezogen. Körper aus permanentmagnetischen Material lassen sich je nach Feldpolung der Spulen sowohl anziehen wie auch abstoßen. Körper aus nichtmagnetischem, aber elektrisch leitfähigem, Material, wie beispielsweise Aluminium, können infolge von Wirbelstrombildung durch magnetische Wechselfelder der Spulen, von diesen abgestoßen werden.alternative can also magnetic fields are used. The float is surrounded by electromagnetic coils. One made of ferromagnetic Material, such as iron or ferrite ceramic, existing float is attracted by the magnetic field of the coils. Body made of permanent magnetic material can be tightened as well as depending on the field polarity of the coils repel. body nonmagnetic but electrically conductive material, such as Aluminum, can due to eddy current formation by alternating magnetic fields of Coils, repelled by these become.
Auch die Abstandsmessung kann mittels magnetischer Felder erfolgen. Aus den Induktivitätswerten der Spulen, sowie aus der magnetischen Koppelung zwischen den Spulen, kann der Abstand zu einem ferromagnetischen Schwebekörper ermittelt werden. Bei einem ohmisch leitfähigem Körper, kann die Abstandsmessung durch Auswertung der resistiven Komponente der Wechselstromimpedanz der Spulen erfolgen. Vom Schwebekörper ausgehende Felder, oder durch ihn veränderte Feldamplituden, stellen ebenfalls ein Maß für den Abstand dar. Die Feldstärkemessung kann beispielsweise mittels magnetoresistiven, Hall- oder GMR-Sensorelementen geschehen.Also the distance measurement can be done by means of magnetic fields. Out the inductance values of the Coils, as well as from the magnetic coupling between the coils, the distance to a ferromagnetic float can be determined become. In an ohmic conductive Body, can the distance measurement by evaluation of the resistive component the AC impedance of the coils take place. From the float outgoing Fields, or changed by him Field amplitudes also represent a measure of the distance. The field strength measurement For example, by means of magnetoresistive, Hall or GMR sensor elements happen.
Bei Anwendung von magnetischen Verfahren ist eine ausreichende Abschirmung der Messzelle gegenüber Umgebungsmagnetfeldern vorzusehen.at Application of magnetic methods is sufficient shielding opposite the measuring cell Provide ambient magnetic fields.
Die Schwebekörperposition kann auch konduktiv bestimmt werden. Hierzu ist ein ohmisch leitfähiges Dielektrikum zu verwenden. Der dann auftretende Widerstandswert zwischen einzelnen konduktiven Messelektroden, stellt ein Maß für den Schwebekörperabstand zu den Elektroden dar. Wird ein nicht zu niederohmiges Dielektrikum verwendet, so ist eine gleichzeitige resistive und kapazitive Abstandsmessung durchführbar. Ebenso bleibt die Möglichkeit der elektrischen Kraftfelderzeugung erhalten.The Float position can also be determined conductively. This is an ohmic conductive dielectric to use. The then occurring resistance value between individual Conductive measuring electrodes, provides a measure of the float distance to the electrodes. Is a not too low-resistance dielectric used, so is a simultaneous resistive and capacitive distance measurement feasible. As well the possibility remains obtained the electric power field generation.
Des Weiteren ist auch eine optische Abstandsmessung möglich. Diese kann beispielsweise durch Auswertung der Abschattungswirkung des Schwebekörpers auf einen Lichtstrahl, mittels Messung der Amplitude von vom Körper rückgestreuten Lichtes einer Punktlichtquelle sowie interferometrisch erfolgen.Of Furthermore, an optical distance measurement is possible. These For example, by evaluating the shading effect of float on a light beam, by measuring the amplitude of backscattered from the body Light of a point light source and interferometry done.
Prinzipiell besteht auch die Möglichkeit auf mechanischem Wege, beispielsweise durch An- oder Umströmen des Schwebekörpers mittels eines Fluids, welches an Stelle des Dielektrikum tritt, oder dieses selber darstellen kann, Kräfte auf den Schwebekörper einzukoppeln, sowie aus dem spaltweitenabhängigen Strömungswiderstand der Anordnung, Rückschlüsse auf die Körperposition zu ziehen.in principle there is also the possibility by mechanical means, for example by arrival or flow around the float by means a fluid which occurs in place of the dielectric, or this can represent themselves, forces on the float coupled, and from the gap-width-dependent flow resistance of the arrangement, Conclusions on the body position to draw.
Zur Unterdrückung des störenden Einflusses von Umgebungsvibrationen auf das Gravimeterausgangssignal existieren verschiedene Möglichkeiten.to suppression of the disturbing Influence of ambient vibrations on the gravimeter output signal There are different possibilities.
Es ist vorteilhaft, den Messzellenträgers in Dämmstoff einzubetten, bzw. mit anderen Maßnahmen die Schwingungsübertragung vom Sensorgehäuse zu den Messzellen zu hemmen.It is advantageous to embed the measuring cell carrier in insulation, or with other measures the vibration transmission from the sensor housing to inhibit the measuring cells.
Des weiteren kann bei Verwendung eines flüssigen Dielektrikums die strömungsbedingte Flüssigkeitsreibung zur Vibrationsunterdrückung ausgenützt werden.Of Further, when using a liquid dielectric, the flow-related fluid friction for vibration suppression exploited become.
Bei Messzellen mit gasförmigen Dielektrikum kann durch entsprechende Gestaltung von Schwebekörper und Formteil ebenfalls eine Vibrationsdämpfung durch das Dielektrikum bewirkt werden.at Measuring cells with gaseous Dielectric can by appropriate design of float and Molded part also a vibration damping by the dielectric be effected.
Der Schwebekörper wird hierzu so ausgeführt, dass er bei Bewegungen in jeder der drei Raumrichtungen, eine möglichst große Volumenverdrängung des Gasdielektrikum bewirkt, gleichzeitig jedoch nur ein minimales Eigengewicht aufweist.Of the float is done this way, that it moves as possible in each of the three spatial directions, one as possible size volume displacement the gas dielectric causes, but at the same time only a minimal Own weight.
Der
Schwebekörper
Bei metallischen Schwebekörpern können alternativ auch Wirbelströme zur Vibrationsdämpfung eingesetzt werden. Hierzu wird auf dem Formteil ein Permanentmagnet angebracht, welcher den elektrisch leitfähigen Schwebekörper einem inhomogenen Magnetfeld aussetzt. Jede Bewegung des Schwebekörpers führt zur Bildung von Wirbelströmen, deren eigene Magnetfelder entsprechend dem Lenz'schen Gesetz der sie verursachenden Bewegung entgegen wirken.at metallic floating bodies can alternatively also eddy currents for vibration damping be used. For this purpose, a permanent magnet is on the molding attached, which the electrically conductive float a inhomogeneous magnetic field exposes. Every movement of the float leads to Formation of eddy currents, their own magnetic fields according to Lenz's law of causing them Counteract movement.
Es besteht auch die Möglichkeit Vibrationskräfte in Echtzeit durch elektrostatische Kräfte der Elektroden zu kompensieren. Da mechanische Vibrationen üblicherweise im Frequenzbereich von 1 bis 1000 Hz auftreten, die Regelung der elektrostatischen Felder jedoch mit Frequenzen von mehreren 100 MHz erfolgen kann, sind die elektrischen Kompensationskräfte mehr als fünf Zehnerpotenzen schneller als die höchsten mechanischen Vibrationsfrequenzen.It there is also the possibility vibratory forces Compensate in real time by electrostatic forces of the electrodes. Because mechanical vibrations usually occur in the frequency range from 1 to 1000 Hz, the regulation of electrostatic fields but with frequencies of several hundred MHz, the electrical compensation forces are more than five Powers of ten faster than the highest mechanical vibration frequencies.
Da Vibrationen eine reine Wechselgröße darstellen, das Gravitationsfeld hingegen eine Gleichfeldgröße ist, kann durch Schwingungsunterdrückung und Messwertintegration die gewünschte Trennung herbeigeführt werden.There Vibrations represent a pure variable of change, the gravitational field, however, is a DC field size, can by vibration suppression and Measured value integration the desired Separation brought about become.
Durch die umfangreichen Diagnosefunktionen im Rahmen der Fehlerkorrektur, stellt die Schwebekörpergravimeterzelle ein selbstüberwachtes Messsystem dar. Der Sensorbetreiber erhält bei Ausfall eine zuverlässige Störmeldung, ebenso ist bei Parameterverschlechterung ein Vorausfallsignal als Warnmeldung abgebbar.By the extensive diagnostic functions in the context of the error correction, puts the float gravimeter cell a self-monitored Measuring system. The sensor operator receives a reliable fault message in case of failure, Similarly, if the parameter deterioration is a fallback signal than Warning message can be issued.
Aufgrund der Winzigkeit der Messzellen, ist für besondere Sicherheitsanforderungen auch der Bau vollständig redundanter Sensoren möglich, ohne dass sich die Außenabmessungen vergrößern. Eine gegenseitige Beeinflussung der Messzellen oder kompletter Sensoren erfolgt prinzipbedingt nicht.by virtue of the minuteness of the measuring cells, is for special safety requirements also the construction completely redundant sensors possible, without the outside dimensions enlarge. A mutual influence of the measuring cells or complete sensors does not occur due to the principle.
Durch Anordnung zahlreicher Messzellen in Form einer Matrix, ist auch die Realisierung bilderzeugender Sensoren denkbar.By Arrangement of numerous measuring cells in the form of a matrix, too the realization of imaging sensors conceivable.
Das erfindungsgemäße Schwebekörpergravimeter und die voran beschriebenen Gravitationsfeldauswerteverfahren können neben der Verwendung in Füllstandsensoren auch für andere Anwendungen der qualitativen und quantitativen Detektion von Massen bzw. deren Volumen vorteilhaft eingesetzt werden. Es können mit nur einem Typ von Gravimeterschaltkreis, alle Arten von Messanwendungen abgedeckt werden, da das Erdgravitationsfeld in allen Fällen stets die dominierende Größe darstellt.The Float Gravimeter according to the invention and the gravitational field evaluation methods described above may be used alongside the use in level sensors also for other applications of qualitative and quantitative detection be used advantageously by masses or their volume. It can with only one type of gravimeter circuit, all kinds of measurement applications be covered because the earth's gravity field in all cases always representing the dominant size.
Des Weiteren ist die erfindungsgemäße Schwebekörpermesszelle neben der Erfassung von Gravitationsbeschleunigungen auch zur Messung von Beschleunigungen anderer Art einsetzbar. Gegenüber bekannten Beschleunigungssensoren, weist sie insbesondere bei der Messung sehr kleiner Beschleunigungswerte Vorteile auf. Sie lässt sich daher beispielsweise in Trägheitsnavigationssystemen für Fahrzeuge, U-Boote und Flugkörper verschiedenster Art einsetzen.Of Further is the float measuring cell according to the invention in addition to the detection of gravitational acceleration also for measurement can be used by accelerators of other types. Opposite known Acceleration sensors, it has especially in the measurement very small acceleration values advantages. She lets herself therefore, for example, in inertial navigation systems for vehicles, Submarines and missiles use of various kinds.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend" keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine" oder „ein" keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.Complementary to point out that "comprising" no other elements or excludes steps and "one" or "one" does not exclude a multitude. Further It should be noted that features or steps with reference to one of the above embodiments have been described, also in combination with other features or steps of other embodiments described above can. Reference signs in the claims are not as a limitation to watch.
Claims (34)
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