DE10338985A1

DE10338985A1 - Neigungsmesser auf Kraftmessungsbasis

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Publication number: DE10338985A1
Application number: DE2003138985
Authority: DE
Original assignee: Ebm Brosa Messgerate & Co KG GmbH; ebm Brosa Messgeraete GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Brosa Messgerate & Co KG GmbH; ebm Brosa Messgeraete GmbH and Co KG
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: DE10338985B4

Abstract

Neigungsmesser (28), insbesondere für Geräte (60) mit neigbaren Elementen (62), mit einem Kraftaufnehmer (10), der eine Längsachse (18) aufweist und derart ausgebildet ist, dass eine durch eine Auslenkung aus einer relativen Stellung des Neigungsmessers von 0° zur Erdbeschleunigung g bewirkte Kraft zu einer Verformung oder zu einer mechanischen Spannung zumindest in einem Teil des Kraftaufnehmers (10) führt, und einem elektrischen Messsystem (16, 22, 24), das mit dem Kraftaufnehmer (10) verbunden ist und die Verformung oder die mechanische Spannung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Kraftaufnehmers (10) so angeordnet ist, dass sie bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers (28) einen Winkel (β) mit der Erdbeschleunigung g bildet, der größer als 0° ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Neigungsmesser, insbesondere für Geräte mit neigbaren Elementen, mit einem Kraftaufnehmer, der eine Längsachse aufweist und derart ausgebildet ist, dass eine durch eine Auslenkung aus einer relativen Stellung des Neigungsmessers von 0° zur Erdbeschleunigung bewirkte Kraft zu einer Verformung oder zu einer mechanischen Spannung zumindest in einem Teil des Kraftaufnehmers führt, und einem elektrischen Messsystem, das mit dem Kraftaufnehmer in einem Messbereich desselben verbunden ist und die Verformung oder die mechanische Spannung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt.
Ein derartiger Neigungsmesser ist aus der DE 32 34 372 C2 bekannt.
Ein Gerät mit neigbarem Element im Sinne der Erfindung ist z.B. ein Hubgerät, etwa wie ein Telekran.
Die Erfindung betrifft allgemein einen Neigungsmesser, der nach dem sogenannten Biegebalkenprinzip funktioniert. Beim Biegebalkenprinzip wirkt eine durch eine Masse hervorgerufene Gewichtskraft auf einen Biegebalken ein und verursacht entsprechend der Orientierung des Biegebalkens im Schwerkraft- bzw. Erdbeschleunigungsfeld eine sinusförmige Krafteinleitung auf den Biegebalken. Der Biegebalken dient als Kraftaufnehmer.
Unter einem elektrischen Messsystem versteht man im Sinne der Erfindung vorzugsweise ein solches auf der Basis von Dehnungsmessstreifen. Es können auch andere elektrische Messsysteme, wie z.B. piezoelektrische oder magnetoelektrische Messsysteme verwendet werden, um Verformungen in Kraftaufnehmern zu erfassen.
Ein Kraftaufnehmer wird in praktischen Anwendungen z.B. zum Aufnehmen und Messen von Zug- und/oder Druckkräften verwendet. Ein Anwendungsbeispiel wird in der DE 100 60 201 C2 offenbart. Dort werden sehr große Kräfte im Bereich von bis zu 2000 kN oder darüber in Tragseilen von Lastkränen oder in Stützauslegern von schwerem Arbeitsgerät, wie Baggern oder Kränen, gemessen.
Aus der eingangs erwähnten DE 32 34 372 ist ein elektrischer Neigungsmesser für eine elektrische Waage bekannt, der einen Kraftaufnehmer aufweist. Der Kraftaufnehmer ist eine Masse in Form einer Kugel, die an einem dünnen Stab mit quadratischem Querschnitt beweglich aufgehängt ist. Bei Schrägstellung der Längsachse des Stabes gegenüber der Erdbeschleunigung, die eine vektorielle Größe ist und immer in Richtung des Schwerpunkts der Erde zeigt, wird der Stab auf Biegung beansprucht. Diese Biegung wird durch aufgeklebte Dehnungsmessstreifen in einer ersten Richtung, nämlich entlang zweier sich gegenüberliegender Längsflächen des Stabs, und in einer zweiten, dazu senkrechten Längsrichtung in bekannter Weise in je ein elektrisches Signal umgewandelt. Diese beiden Signale werden verstärkt, digitalisiert und einem Mikroprozessor zugeführt. Dort kann aus den beiden Signalen suwohl die Größe als auch die Richtung der Schrägstellung errechnet werden.
Es hat sich jedoch als nachteilig herausgestellt, dass die Messgenauigkeit bei größeren Auslenkungen aus der Grundstellung des Kraftaufnehmers äußerst gering ist.
Eine weitere Anwendung von Dehnungsmessstreifen zur Bestimmung von Winkeln ist aus der DE 101 13 038 C2 bekannt. Dort werden Dehnungsmessstreifen am Fuße eines Windenergieanlagenturms angebracht. Je größer die Schwingungsamplitude des Turmes ist, um so größer wird auch die entsprechende Dehnung/Stauchung im Bereich der Dehnungsmessstreifen sein. Die Dehnungsmessstreifen sind bevorzugterweise in der Hauptwindrichtung der Windenergieanlage ausgerichtet.
Mit solchen Dehnungsmessstreifen lassen sich nicht nur Belastungen des Turms im Bereich des Turmfußes messen, sondern es lässt sich auch ableiten, wie groß die Auslenkung des Turms im Bereich der Gondel bzw. des Turmkopfes ist. Je nach Auslenkungsamplitude des Turmkopfes nimmt auch die Belastung im Bereich des Turmfußes zu. Weiter schlägt die DE 101 13 038 vor, die Dehnungsmessstreifen auch in anderen Bereichen des Turmes anzubringen, z.B. auch auf halber Höhe des Turms.
Auch hier ist die Messgenauigkeit bei größeren Auslenkungen nur unbefriedigend.
Ferner sind Pendelwinkelgeber bekannt, bei denen der Winkel durch die Auslenkung eines Pendels aus seiner Ruhelage angegeben wird. Der Winkel wird dabei bspw. potentiometrisch, kapazitiv, induktiv oder optisch erfasst. Zur Dämpfung dieses schwingenden Systems kann das Pendel in einer (hoch-)viskosen Flüssigkeit gelagert sein. Die Flüssigkeit vermindert die Trägheitseffekte des Pendels bei großen Auslenkungen. Bei kleinen Auslenkungen des Pendels wirkt sich dies jedoch negativ aus, da das Pendel eine relativ große Zeitspanne benötigt, um die Auslenkung anzeigen zu können.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Neigungsmesser zu schaffen, der über einen großen Bereich eines zu messenden Winkels eine zufriedenstellende Messgenauigkeit liefert.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen genauen Neigungsmesser zu schaffen, der bspw. bei Kränen zur Messung des Winkels eines Auslegers benutzt werden kann. Hierbei ist es wünschenswert, dass der Neigungsmesser relativ unempfindlich gegenüber Stößen ist.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, einen Neigungsmesser zu schaffen, der schnell und zuverlässig Winkeländerungen anzeigt, ohne lange Einschwing- und Dämpfungsdauern abwarten zu müssen. Der Neigungsmesser sollte kostengünstig herzustellen sein und eine lange Lebensdauer aufweisen.

Diese Aufgabe wird durch einen Neigungsmesser der eingangs erwähnten Art gelöst, bei dem die Längsachse des Kraftaufnehmers so angeordnet ist, dass sie bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers einen Winkel mit der Erdbeschleunigung bildet, der größer als 0° ist.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Messsignale über einen großen Messbereich sehr genau angezeigt werden können. Kleinste Änderungen des zu messenden Winkels sind leicht im Ausgangssignal erkennbar. Dadurch, dass die Längsachse des Kraftaufnehmers bei 0°-Stellung des Neigungsmessers gegenüber der Erdbeschleunigung g geneigt ist, bewegt sich das Ausgangssignal vorzugsweise im steilsten Teil der sinusförmigen Ausgangskurve. Bei einer Winkelmessung von bspw. 90° bewegt sich die Längsachse des Kraftaufnehmers z.B. von –45° bis zu +45°. Das Ausgangssignal bewegt sich auf dem steilsten Teil der Kurve und gelangt selbst bei einer 90°-Stellung des Neigungsmessers nicht in den Bereich der Extrempunkte des sinusförmigen Ausgangssignals. Im Bereich um die Extrempunkte des sinusförmigen Ausgangssignals bewirken Winkeländerungen lediglich kleine Signaländerungen. Dieser Nachteil wird durch die vorliegende Erfindung überwunden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kraftaufnehmer einen stabförmigen Abschnitt, wobei der stabförmige Abschnitt einen rechteckigen Querschnitt aufweisen und sich an den stabförmigen Abschnitt ein Auslenkungsgewicht anschließen kann. Das elektrische Messsystem umfasst bevorzugterweise zumindest einen Dehnungsmessstreifen, der in einer Ebene parallel zur Längsachse des Kraftaufnehmers angeordnet sein kann.

Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass das Biegebalkenprinzip ausgenutzt werden kann. Durch die Gestaltung des stabförmigen Abschnittes können Dehnungsmessstreifen auf einfache Weise am Kraftaufnehmer angebracht werden. Durch die Anordnung des Dehnungsmessstreifens in einer Ebene, die parallel zur Längsachse des Kraftaufnehmers ist, kann das Biegebalkenprinzip voll ausgenutzt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das elektrische Messsystem mehrere Dehnungsmessstreifen auf, die zu einer Widerstandsbrücke, insbesondere zu einer Wheatstone'schen Brücke, elektrisch zusammenschaltbar sind.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Winkel zwischen der Längsachse des Kraftaufnehmers und der Erdbeschleunigung kleiner oder größer als 180° ist. Mit anderen Worten, der Winkel zwischen der Längsachse des Kraftaufnehmers und der Erdbeschleunigung ist ungleich 0°. Dadurch wirkt auf den Kraftaufnehmer in der 0°-Stellung des Neigungsmessers ein Drehmoment, das sich in einem von Null verschiedenen Ausgangssignal äußert. Dadurch kann erreicht werden, dass das Ausgangssignal nicht im Wendepunkt der Steigung des sinusförmigen Ausgangssignals startet, wie es im Stand der Technik der Fall ist. Es kommt zu einer Verschiebung des Startpunktes entweder in Richtung des positiven oder des negativen Messbereichs. Der Kraftaufnehmer wird in der 0°-Stellung des Neigungsmessers vorzugsweise so orientiert, dass sich das Ausgangssignal bei einer Winkeländerung in Richtung des Nulldurchgangs des sinusförmigen Ausgangssignals bewegt.

So kann gewährleistet werden, dass die Messgenauigkeit über einen großen Messbereich ausreichend ist.

Weiter ist es von Vorteil, wenn der Winkel zwischen der Längsachse des Kraftaufnehmers und der Erdbeschleunigung kleiner als 360° ist, insbesondere, wenn er 45° oder 60° beträgt.

Mit einem Winkel von 45° oder 60° erhält man einen Neigungsmesser, der besonders genaue Messsignale in einem Winkelmessbereich von 90° bzw. 120° erzielt. Dadurch, dass die Längsachse des Kraftaufnehmers gegenüber der Erdbeschleunigung einen Winkel von 45° oder 60° aufweist, startet das Ausgangssignal nicht im Nullpunkt der sinusförmigen Ausgangskurve. Es startet vielmehr in einem steilen Bereich des Ausgangssignals. Mit zunehmender Winkeländerung nimmt auch die Änderung des Ausgangssignals zu, so dass eine große Messgenauigkeit über einen großen Messbereich erreicht wird.

Vorteilhaft ist auch, wenn der Kraftaufnehmer zumindest einen ersten und einen zweiten Messbereich aufweist, in denen jeweils zumindest ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, wobei die Dehnungsmessstreifen in den beiden Messbereichen in zwei Ebenen angeordnet sind, die um eine Drehachse zueinander gedreht sind. Diese Drehachse kann die Längsachse des Kraftaufnehmers sein. Die Orientierung der Ebenen zueinander kann ein beliebiger Winkel zwischen 0° und 90° sein.

Durch diese Maßnahmen können zum einen zwei Winkel gemessen werden, die voneinander unabhängig sind. Diese voneinander unabhängigen Winkel liegen in zwei unterschiedlichen Winkelmessebenen. Zum anderen kann eine Messung eines einzigen Winkels erreicht werden, wobei die Winkelmessung kompensiert ist. Das bedeutet, dass z.B. der erste Messbereich mit seinem zugeordneten Dehnungsmessstreifen für die Messung des zu bestimmenden Winkels verantwortlich ist. Gleichzeitig kann das Messsignal, das mittels des ersten Messbereichs erzeugt wird, mittels des zweiten Messbereichs auf Fehler korrigiert werden. Diese Fehler können durch eine Verkippung des Neigungsmessers um eine Achse erzeugt werden, um die die Ebener der Messbereich zueinander gedreht sind.

Dreht man die Ebenen der Messbereiche um die Längsachse des Kraftaufnehmers, so kann eine Verkippung kompensiert werden, die entlang einer Achse verursacht wird, die senkrecht zur Winkelmessebene steht. Diese Kompensation kann insbesondere bei Lastkränen von Vorteil sein. Selbst wenn der Kran nicht exakt nivelliert bzw. der Neigungsmesser nicht exakt montiert und somit auch nicht exakt justiert wurde, d.h. die Erdbeschleunigung g nicht perfekt in der Winkelmessebene liegt, kommt es trotzdem zu keiner Verfälschung des Messwinkels. Wenn es gewünscht wird, kann (ohne Kompensation) der Winkel zwischen der Ebene des Messwinkels und der Erdbeschleunigung g bestimmt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Kraftaufnehmer einen dritten und einen vierten Messbereich auf, in denen jeweils ein Dehnungsmessstreifen angeordnet ist, wobei die Ebenen der dritten und vierten Messbereiche zueinander gedreht sind, und wobei der erste und zweite Messbereich ein erstes Messbereichspaar und der dritte und vierte Messbereich ein zweites Messbereichspaar bilden.

Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil einer redundanten Winkelmessung, beispielsweise kann das Messsignal des einen Messbereichspaars zur Kontrolle des Messsignals des anderen Messbereichspaars verwendet werden.

Besonders bevorzugt ist es jedoch wenn das erste Messbereichspaar so angeordnet ist, dass ein erster Messwinkel in einer ersten Messebene messbar ist, und das zweite Messbereichspaar zum ersten Messbereichspaar so angeordnet ist, dass ein zweiter Messwinkel in einer zweiten Messebene messbar ist, wobei die erste und die zweite Messebene schräg zueinander stehen.

In Verbindung mit der zuvor genannten Ausgestaltung hat diese Maßnahme den Vorteil, dass die beiden Messwinkel unabhängig von einander und dabei kompensiert gemessen werden können.

Ferner ist es bevorzugt, wenn der Neigungsmesser zwei Kraftaufnehmer aufweist, die jeweils mit einem Messsystem verbunden sind und deren Längsachsen in einem Winkel zwischen 0° und 180° zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Längsachsen in einem Winkel von 90° oder 180° zueinander angeordnet. Dabei kann der Winkel zwischen der Längsachse des Kraftaufnehmers und der Erdbeschleunigung in der Ebene der Auslenkung des Neigungsmessers liegen.

Durch diese Maßnahme wird es möglich, eine Änderung der Erdbeschleunigung zu kompensieren. Sollte die Erdbeschleunigung von ihrem Standardwert von 9,80665 m/s² abweichen, so kann über die Entfernung der beiden Messsignale, die von den beiden Kraftaufnehmern erzeugt werden, in Richtung der X-Achse, die dem Winkel entspricht, auf die Änderung der Erdbeschleunigung rückgeschlossen werden. Eine Abnahme der Entfernung der Messsignale in X-Richtung kommt eine Zunahme der Erdbeschleunigung gegenüber ihrem Standardwert gleich. Eine Zunahme der Entfernung der Messsignale in X-Richtung stellt eine Abnahme der Erdbeschleunigung dar.

Die beiden Kraftaufnehmer können in einem Winkel von 90° oder 180°, vorzugsweise in der Winkelmessebene, zueinander angeordnet sein. Durch einen Winkel von 90° zwischen den Längsachsen der Kraftaufnehmer ist eine sehr genaue Winkelmessung auch für Winkel möglich, die größer als 90° bzw. 180° sind. Dies wird dadurch erreicht, dass man zwischen den beiden Ausgangssignalen hin- und herschalten kann, wenn das aktuell anzeigende Messsignal den optimalen Anzeigebereich verlässt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Ausgangssignal sich einem der beiden Extrempunkte der sinusförmigen Ausgangskurve nähert.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
1 zeigt einen ersten Kraftaufnehmer, wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
2 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform eines Neigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt schematisch verschiedene Stellungen eines Kraftaufnehmers und ein zugehöriges Signal in Abhängigkeit von einem Neigungswinkel des Neigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Neigungsmesser, der mit einem Autokran verbunden ist.
5 zeigt schematisch Kraftaufnehmer einer zweiten Ausführungsform eines Neigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt schematisch Kraftaufnehmer einer dritten Ausführungsform des Neigungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine alternative Form für einen Kraftaufnehmer, der für eine weitere Ausführungsform des Neigungsmessers verwendbar ist.
8 zeigt eine weitere alternative Form für einen Kraftaufnehmer.
Die Messung von Winkeln bzw. Neigungen mit einem Neigungsmesser gemäß der vorliegenden Erfindung basiert auf der Messung von Kräften, insbesondere von Drehmomenten, auf Grund der Gravitationskraft. Der erfindungsgemäße Neigungsmesser weist einen Kraftaufnehmer und ein elektrisches Messsystem auf. Ein Kraftaufnehmer mit elektrischem Messsystem ist schematisch in der 1 angedeutet.
1 zeigt einen mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenen Kraftaufnehmer zum Aufnehmen und Messen z.B. von Zug- und/oder Druckkräften.
Der Kraftaufnehmer 10 weist ein, im vorliegenden Fall, zylindrisches Auslenkgewicht 12 und einen daran anschließenden stabförmigen Abschnitt 14 auf. Der stabförmige Abschnitt 14 hat vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt. Am stabförmigen Abschnitt 14 ist ein elektrisches Messsystem 16 angebracht.
Der linke Teil der 1 zeigt den Kraftaufnehmer 10 schematisch in einer ersten Seitenansicht. Der in der 1 rechts dargestellte Kraftaufnehmer 10 entspricht dem links dargestellten Kraftaufnehmer 10, außer dass er um 90° um eine Längsachse 18 gedreht wurde. Man erkennt, dass im stabförmigen Abschnitt 14 ein balkenförmiger Abschnitt 20 vorgesehen ist, der einen Messbereich des Kraftaufnehmers definiert. Das elektrische Messsystem 16 ist vorzugsweise in diesem balkenförmigen Abschnitt 20 angeordnet.
Eine in senkrechter Richtung zur Längsachse 18 auf den Kraftaufnehmer 10, insbesondere das Auslenkgewicht 12, wirkende Zug- und/oder Druckkraft bewirkt in zumindest einem Teilbereich, insbesondere im Bereich 20 des Kraftaufnehmers 10, eine Verformung oder mechanische Spannung, die mit dem elektrischen Mess system 16 erfasst und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.
Der Kraftaufnehmer 10 weist in der 1 einen Messbereich mit zwei derartigen Messsystemen 16 auf, die als Dehnungsmessstreifen (DMS) 22 (vgl. 1 rechts) und 24 ausgebildet sind. Die DMS 22 und 24 sind dabei als Folien-DMS ausgebildet. Die DMS 22 und 24 sind mit dem Kraftaufnehmer 10, insbesondere dem stabförmigen Abschnitt 14, z.B. durch einen geeigneten Klebstoff verbunden. Eine andere Art der Verbindung ist jedoch möglich. Die beiden DMS 22 und 24 können jeweils als halbe Widerstandsbrücke ausgebildet sein und durch eine entsprechende Zusammenschaltung eine Vollbrücke bilden.
Durch ein Zusammenschalten mehrerer Messsysteme können redundante Messsysteme erhalten werden, um bei sicherheitsrelevanten Anwendungen die erforderliche Sicherheit der Kraftmessung zu gewährleisten.
Ferner weist der Kraftaufnehmer 10 eine Bohrung 26 auf. Mit Hilfe der Bohrung 26 kann der Kraftaufnehmer 10 mit einem Gehäuse verbunden werden (vgl. 2).
In 2 ist schematisch eine erste Ausführungsform eines Neigungsmessers gemäß der Erfindung gezeigt, der mit dem allgemeinen Bezugszeichen 28 bezeichnet ist.
Der Neigungsmesser 28 ist in der 2 in einer Seitenansicht dargestellt. Der Neigungsmesser 28 weist ein Gehäuse 30 auf. Das Gehäuse 30 kann z.B. aus Edelstahl, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt sein. Es kann aber auch aus anderen Materialien hergestellt sein. Bei der Darstellung der 2 ist ein Gehäusedeckel (nicht dargestellt) vom Gehäuse 30 entfernt worden, um das Innere des Neigungsmessers 28 besser veranschaulichen zu können.
Die Grundfläche des Gehäuses 30 ist in der 2 quadratisch dargestellt. Andere Formen sind jedoch möglich. Vorzugsweise wird eine rechteckige bzw. mehreckige symmetrische Grundform gewählt, so dass eine der geraden Außenflächen des Gehäuses zur Definition und Justierung einer Nullstellung des Neigungsmessers herangezogen werden kann.
Unter einer Nullstellung des Neigungsmessers 28 ist der Zustand zu verstehen, aus dem der Neigungsmesser geneigt, gekippt oder ausgelenkt wird. Die Differenz zwischen der Nullstellung und der nach der Bewegung erreichten Stellung wird hinsichtlich eines Drehwinkels α vom Neigungsmesser 28 angezeigt.
Beispielsweise könnte eine Außenfläche 32 zur Bestimmung des jeweiligen Neigungswinkels benutzt werden. Ferner kann eine Hilfslinie 34, z.B. entlang der Erdbeschleunigung g, zur Bestimmung des Winkels definiert werden. Der Neigungsmesser 28 könnte dann bspw. um einen Drehpunkt 36 entlang einem der Pfeile 38 oder 40 um einen beliebigen Winkel α gedreht werden.
Dreht man den Neigungsmesser 28 um den Drehpunkt 36, so wird auch der Kraftaufnehmer 10 mitbewegt. Der Kraftaufnehmer 10 ist z.B. mittels einer Schraube (nicht dargestellt), die durch die Bohrung 26 greift, mit dem Gehäuse 30 fest verbunden. Lenkt man den Neigungsmesser 28 bspw. entlang des Pfeils 40 aus, d.h. der Neigungsmesser wird im Uhrzeigersinn um den Drehpunkt 36 ge dreht, so nimmt die Schwerkraft auf den balkenförmigen Abschnitt 20 des Kraftaufnehmers 10 zu. Das Drehmoment, das durch das vektorielle Kreuzprodukt des Hebels und der auf den Hebel wirkenden Kraft gebildet wird, nimmt ebenfalls zu. Der DMS 24 wird gedehnt. Der DMS 22 wird gestaucht. Dies macht sich im Ausgangssignal des elektrischen Messsystems, das die DMS 22 und 24 umfasst, bemerkbar, wie es später noch erläutert werden wird.
Das Gehäuse 30 ist vorzugsweise massiv ausgebildet. Ein massives Gehäuse weist jedoch eine Ausnehmung 42 auf, in der der Kraftaufnehmer 10 untergebracht wird. Ferner kann eine weitere Ausnehmung 44 vorgesehen werden, in der weitere Teile, wie z.B. ein Verstärker, ein Mikroprozessor, usw., (nicht dargetellt) des Messsystems untergebracht werden können. Zwischen den beiden Ausnehmungen 42 und 44 ist eine Nut 46 in das Gehäuse 30 gefräst, die ein Verbindungskabel aufnehmen kann. Die Ausnehmung 44 kann mit einer weiteren Ausnehmung 48 verbunden sein (in der 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt), die bspw. zur Aufnahme einer Steckerbuchse dient. Über die Steckerbuchse (nicht dargestellt) kann der Neigungsmesser 28 (elektrisch) mit der Außenwelt verbunden werden.
Ferner weist das Gehäuse 30 hier vier Bohrungen 50 mit jeweils einem Gewinde (nicht dargestellt) auf. Der in der 2 nicht dargestellte Deckel weist entsprechende Bohrungen auf, durch die Schrauben (nicht dargestellt) greifen, um das Gehäuse fest zu verschließen. Zum Zwecke der Abdichtung kann im äußeren Bereich des Gehäuses 30 eine weitere, umlaufende Nut 52 vorgesehen sein. In die weitere Nut 52 kann ein O-Ring (nicht dargestellt) eingebracht werden.
Es ist jedoch nicht zwingend erforderlich, dass das Gehäuse 30 massiv ausgebildet ist. Es könnte auch hohl sein. Es hat sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, das Gehäuse massiv mit entsprechenden Ausnehmungen auszubilden. Bei entsprechend gewählter Dimensionierung der Ausnehmungen, insbesondere der Ausnehmung 42, kann das Ansprechverhalten des Neigungsmessers verbessert werden. So kann bspw. ein elastisches Element (nicht dargestellt) zwischen der Wandung der Ausnehmung 42 und dem Auslenkgewicht 12 des Kraftaufnehmers 10 vorgesehen sein. Die Toleranzen zwischen der Wandung des Gehäuses 30 und dem Kraftaufnehmer 10 sind so eng toleriert, dass sich der Kraftaufnehmer bei sachgemäßer Verwendung frei bewegen kann, jedoch bei hohen Beschleunigungskräften einen mechanischen Anschlag hat. Die hohen Beschleunigungskräfte können z.B. beim fallen lassen des Neigungsmessers 28 auf eine Stahlplatte aus einer Höhe von einem Meter auftreten. Dies kann zu einer Überdehnung des balkenförmigen Abschnitts 20 führen, wodurch es z.B. zu Nullpunktverschiebungen oder gar zur Zerstörung des Neigungsmessers 28 kommen kann.
Das elastische Element dämpft auch allzu große Schwingungen des Auslenkgewichts 12 bei großen und/oder schnellen Winkeländerungen des Neigungsmessers 28.
3 zeigt schematisch ein Ausgangssignal des Neigungsmessers 28 der 2 in Abhängigkeit von der Stellung bzw. Orientierung des Kraftaufnehmers 10.
Zum besseren Verständnis der Erfindung sind oben in der 3 mehrere Stellungen des Kraftaufnehmers 10 dargestellt. Im unte ren Teil der 3 ist das entsprechende Ausgangssignal des elektrischen Messsystems 16 gezeigt.
Um das Verständnis des Funktionsprinzips des Neigungsmessers 28 zu vereinfachen, ist lediglich der Kraftaufnehmer 10 dargestellt. Der Drehpunkt 36 wurde von der rechten oberen Ecke des Gehäuses 30 (vgl. 2) in den Punkt verlegt, wo der Kraftaufnehmer 10 mit dem Gehäuse verbunden ist. Der Kraftaufnehmer 10 ist mit durchgezogener Linie bei einer Stellung von 45° des Neigungsmessers 28 gemäß der Erfindung dargestellt. Links davon ist der Kraftaufnehmer 10 durch eine gestrichelte Linie in der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 angedeutet. Ganz rechts ist der Kraftaufnehmer 10 durch eine gestrichelte Linie bei einer 90°-Stellung des Neigungsmessers 28 dargestellt.
Im unteren Teil der 3 ist das zu den oben in der 3 gezeigten Stellungen gehörige elektrische Ausgangssignal des elektrischen Messsystems 16 aufgezeigt. Das Ausgangssignal kann sowohl durch die Stromstärke als auch die Spannung oder eine beliebige anderen elektrische Kenngröße repräsentiert werden. Im Beispiel der 3 wird das Signal in mV/V gemessen und durch eine Elektronik in ein Normsignal von z.B. 4–20 mA oder in ein digitales Signal (Bus) umgesetzt. Das Ausgangssignal kann als linearisiertes Signal ausgegeben werden. Die Einteilung der Signalskala ist hier willkürlich gewählt. Das Ausgangssignal bewegt sich jedoch üblicherweise in einem Bereich von ca. ±4 mA, wobei dies jedoch auch von der verwendeten Elektronik abhängt, d.h. z.B. davon, ob ein Verstärker verwendet wird oder nicht.
Auf der X-Achse des in der 3 dargestellten Graphen des Ausgangssignals ist einmal ein Winkel α aufgetragen. Der Winkel α repräsentiert die Orientierung des Neigungsmessers gegenüber der Erdbeschleunigung g.
Ferner ist eine weitere X-Achse eingezeichnet, die einen Winkel β repräsentiert. Der Winkel β gibt die Orientierung bzw. den Winkel der Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 gegenüber der Erdbeschleunigung g an (vgl. 2).
Wie man der 2 entnehmen kann, ist der Kraftaufnehmer 10 in der gezeigten 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 um den Winkel β = –45° gegenüber der Erdbeschleunigung g ausgelenkt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in der 2 die Hilfslinie 34 eingezeichnet, die parallel zur Erdbeschleunigung g orientiert ist.
Bezug nehmend auf 3 ist festzustellen, dass das elektrische Messsystem bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 ein negatives Ausgangssignal liefert. Wird der Neigungsmesser 28, und somit auch der Kraftaufnehmer 10, im Gegenuhrzeigersinn aus der 0°-Stellung in die 90°-Stellung gedreht, so erhält man die in der 3 unten dargestellte Kurve für das Ausgangssignal. Aus der 0°-Stellung wird der Kraftaufnehmer 10 entlang eines Pfeils 54 im Gegenuhrzeigersinn in die 45°-Stellung des Neigungsmessers 28 gedreht. In der 45°-Stellung des Neigungsmessers 28 beträgt der Winkel β zwischen der Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 und der Erdbeschleunigung g 0°.
Das Ausgangssignal des elektrischen Messsystems 16 ist ein Maß für das auf den Kraftaufnehmer 10 wirkende Drehmoment. Das Drehmoment berechnet sich bekanntermaßen aus dem vektoriellen Kreuzprodukt des Hebels und der Kraft. Daraus folgt, dass das Drehmoment bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28, d.h. bei der –45°-Stellung des Kraftaufnehmers 10, senkrecht aus der Zeichenebene der 3 herausragt. Diese Orientierung des Drehmoments äußert sich im Vorzeichen des Ausgangssignals. Bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 erhält man gemäß der 3 ein negatives Ausgangssignal. Ob das Ausgangssignal bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 positiv oder negativ ist, hängt jedoch von der Verschaltung der Widerstandsbrücke ab. Es ist auch möglich, ein Ausgangssignal zu erhalten, das gegenüber der in der 3 unten dargestellten Kurve, die sinusförmig ist, um 180° phasenverschoben ist.
Wird der Neigungsmesser 28 nun aus der 0°-Stellung entlang des Pfeils 54 in die 45°-Stellung bewegt, so bewegt sich die Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 entlang des Pfeils 54 aus der –45°-Stellung in eine 0°-Stellung. Da in diesem Fall die Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 parallel zur Erdbeschleunigung g bzw. zur Hilfslinie 34 der 2 orientiert ist, wirkt kein Drehmoment auf den Kraftaufnehmer 10. Dies äußert sich darin, dass das Ausgangssignal Null ist.
Wird der Neigungsmesser 28 bzw. der Kraftaufnehmer 10 nun um weitere 45° entlang eines Pfeils 56 gedreht, so steigt das Ausgangssignal in einen positiven Bereich, wie es durch einen Pfeil 58 im Graphen des Ausgangssignals veranschaulicht ist.
In der 90°-Stellung des Neigungsmessers 28 beträgt der Winkel β zwischen der Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 und der Erdbeschleunigung g 45°. Das Signal ist positiv, da sich das Drehmoment im Vergleich zur 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 im Vorzeichen umgekehrt hat. Das Drehmoment zeigt senkrecht in die Zeichenebene der 3 hinein.
4 zeigt schematisch eine Verwendung des Neigungsmessers 28 bei einem Autokran 60. Der Autokran 60 weist einen Teleskopausleger 62 auf. Am Teleskopausleger 62 ist der erfindungsgemäße Neigungsmesser 28 angebracht. Ferner ist in der 4 mit den gestrichelten Linien eine 45°-Stellung und eine 90°-Stellung des Teleskopauslegers 62, und somit auch des Neigungsmessers 28, gezeigt.
In der 0°-Stellung des Teleskopauslegers 62 ist der Kraftaufnehmer 10 um einen Winkel β = +45° gegenüber der Erdbeschleunigung g orientiert. In der 45°-Stellung des Teleskopauslegers 62 ist β = 0°, und bei der 90°-Stellung des Teleskopauslegers 62 ist β = –45°.
Hinsichtlich der 3 ist der Kurvenablauf genau umgekehrt. Die 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 würde durch den Kraftaufnehmer 10 repräsentiert werden, der im oberen Bereich der 3 durch eine gestrichelte Linie rechts dargestellt ist. Um den Teleskopausleger 62 aus der 0°-Stellung in die 90°-Stellung zu bewegen, müsste der in der 3 dargestellte Bewegungsablauf des Kraftaufnehmers 10 umgekehrt werden oder der Neigungsmesser 28 an der Rückseite, d.h. dann in der 3 nicht mehr sichtbar, des Teleskopauslegers 62 angebracht werden. Der Neigungsmesser 28 würde sich dann entgegengesetzt der Pfeile 54 und 56 bewegen. Das Ausgangssignal würde sich vom positiven Bereich in Richtung des negativen Signalbereichs bewegen.
Der im Zusammenhang mit den 1 bis 4 erläuterte Neigungsmesser 28 wird vorzugsweise als sogenannter „90°-Geber" verwendet. Durch die (Vor-)Auslenkung des Kraftaufnehmers 10 von 45° gegenüber der Erdbeschleunigung bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 wird gewährleistet, dass sich das Messsignal auf dem Teil der Signalkurve bewegt, der den größten Gradienten aufweist.
Die Signalkurve (vgl. 3 unten) ist sinusförmig. Die Sinusform ist durch die Aufteilung der Gewichtskraft in eine Normalkraft und die dazu senkrechte in Längsrichtung des Kraftaufnehmers wirkende Zugkraft bedingt (vgl. 3). Die Gewichtskraft ist parallel zur Erdbeschleunigung g orientiert. Die Normalkraft ist senkrecht zur Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 orientiert. Die Zugkraft ist entlang der Längsachse 18 des Kraftaufnehmers 10 orientiert. Die Gewichtskraft, die Normalkraft und die Zugkraft bilden – vektoriell dargestellt – ein Kräfteparallelogramm. Die Normalkraft, die zur Berechnung des Drehmoments erforderlich ist, berechnet sich nach folgender Formel: FN = Fg sinα,wobei α den Winkel zwischen der Längsachse 18 und der Erdbeschleunigung g bei einer beliebigen Stellung des Neigungsmessers 28 repräsentiert.
Das größte Drehmoment wirkt dann auf den Kraftaufnehmer 10, wenn dessen Längsachse 18 senkrecht zur Erdbeschleunigung g bzw. zur Hilfslinie 34 orientiert ist. Diese Stellung entspricht entweder dem Maximum oder dem Minimum des sinusförmigen Ausgangssignals. Würde der Kraftaufnehmer 10 aus dieser Lage um einen kleinen Winkel gedreht werden, so ließe sich dies an Hand der Änderung des Ausgangssignals nur schwer bzw. ungenau nachweisen. Die Änderung (Gradient) des Ausgangssignals um die Extrempunkte herum ist sehr gering.
Deshalb wird bspw. für einen „90°-Geber" der Kraftaufnehmer 10 in der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 vorab um einen Winkelbetrag von 45° gegenüber der Erdbeschleunigung g gedreht. Dadurch wird erreicht, dass sich bei einer Winkeländerung α von bis zu 90° das Ausgangssignal auf dem steilsten Stück der sinusförmigen Kurve des Ausgangssignals bewegt (vgl. 3).
Es versteht sich, dass der Neigungsmesser 28 gemäß der 2 natürlich auch für Winkelmessungen von mehr als 90° eingesetzt werden kann. Bspw. könnte er als sogenannter „120°-Geber" eingesetzt werden, wobei dann der Kraftaufnehmer 10 um einen Winkel |β| = 60° in der 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 vorgeneigt wäre.
Der voreingestellte Neigungswinkel β des Kraftaufnehmers 10 gegenüber der Erdbeschleunigung g kann aber auch jeden beliebigen anderen Wert annehmen, der größer als 0° und kleiner als 360° ist, um ein gutes Auflösungsvermögen des Neigungsmessers 28 zu erhalten.
Ferner ist es möglich, mit dem in der 2 dargestellten „90°-Geber" auch Winkel zu messen, die größer als 90° sind. In diesem Falle ist es jedoch von Vorteil, die Historie des Signallaufs aufzuzeichnen, um feststellen zu können, auf welchem Ast der Sinuskurve man sich gerade befindet, da jedem Sinuswert zwei Winkelwerte zugeordnet werden können. So gilt z.B. sin45° = sin135°. An Hand einer aufgezeichneten Historie des Ausgangssignals ließe sich zuordnen, welche Winkelstellung das Ausgangssignal erzeugt hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Neigungsmesser vorgeschlagen, der ähnlich dem Neigungsmesser 28 der 2 ist. Ein solcher Neigungsmesser weist zwei Kraftaufnehmer 10 auf, die in einer Messebene um 90° versetzt zueinander angeordnet sind.
Eine solche Anordnung ist in der 5 angedeutet. Im oberen Bereich der 5 ist, ähnlich wie in der 3, der Neigungsmesser vereinfacht dargestellt, der aber im Gegensatz zum Neigungsmesser 28 der 3 zwei Kraftaufnehmer K1 und K2 aufweist. Beide Kraftaufnehmer K1 und K2 sind jeweils mit einem elektrischen Messsystem verbunden, so dass zwei separate Ausgangssignale f(K₁) und f(K₂) ausgegeben werden. Da der Winkel zwischen den beiden Kraftaufnehmern K1 und K2 90° beträgt, sind auch deren Ausgangssignale um 90° phasenverschoben. Das Vorsehen mehrerer Kraftaufnehmer hat verschiedene Vorteile.
Der Neigungsmesser der 5 kann bspw. als „90°-Geber" benutzt werden, bei dem eine Änderung der Erdbeschleunigung kompensiert werden kann. Eine Änderung der Erdbeschleunigung kann bspw. dann auftreten, wenn der Neigungsmesser an verschiedenen geografischen Stellen auf der Erdoberfläche benutzt wird. Die Erdoberfläche bildet keinesfalls, wie allgemein angenommen wird, eine ideale Kugel. Vielmehr ist die Erde an ihren Polen abgeplattet und am Äquator gegenüber einer idealen Kugel ausgedehnt. Dies führt dazu, dass die Erdbeschleunigung, die normalerweise 9,80665 m/s² beträgt, um Differenzen von +0,22335 m/s² bis zu –0,02665 m/s² variiert. Bei den bisherigen Erläuterungen wurde stets davon ausgegangen, dass die Erdbeschleunigung konstant ist.
Für den Fall, dass die Erdbeschleunigung größer als der Standardwert von 9,80665 m/s² ist, wirkt eine größere Gewichtskraft auf die Auslenkungsgewichte 12 der Kraftaufnehmer K1 und K2. Dies hat zur Folge, dass ein größeres Drehmoment wirkt, was sich wiederum darin äußert, dass sich der Signalwert des Kraftaufnehmers K1 auf seiner Kurve f(K1) nach rechts bewegen wird, was einer Bewegung des Kraftaufnehmers K1 in Richtung der Hilfslinie 34 entspricht. Dies ist im unteren Teil der 5 durch einen Pfeil 64 beim Signalwert 66 angedeutet.
Der Signalwert des zugehörigen Kraftaufnehmers K2 dagegen wird ebenfalls ein größeres Drehmoment erfahren, was sich darin äußert, dass sein Signalwert 68 in Richtung eines Pfeils 70 laufen wird.
Auf Grund der größeren Erdbeschleunigung wird sich, laut Ausgangssignal, der Winkel zwischen den Längsachsen 18 der Kraftaufnehmer K1 und K2 verkleinern. Dies äußert sich darin, dass der Abstand zwischen den beiden Signalwerten 66 und 68 in x-Richtung kleiner werden wird als er tatsächlich ist.
Somit ist es ein Einfaches, einen oder beide Messwerte durch den bekannten vorbestimmten Winkel zwischen den Kraftaufnehmern K1 und K2 im kräftefreien Zustand rechnerisch zurückzukorrigieren, so dass aus der Differenz der beiden Winkelsignale die Erdbeschleunigungskompensation ermittelt werden kann. Wenn z.B. das erste Winkelsignal +44° entspricht und das zweite Signal –44° entspricht, dann errechnet sich der absolute Winkelfehler, indem man den Betrag des ersten Winkelsignals und den Betrag des zweiten Winkelsignals jeweils von 90° subtrahiert. Im eben genannten Beispiel erhält man somit einen absoluten Winkelfehler von 2°. Das Verhältnis zwischen dem absoluten Winkelfehler und 180° stellt die prozentuale Winkelkorrektur dar. Auf diese Weise kann eine Kompensation bei einer Zunahme der Erdbeschleunigung gegenüber dem Standardwert erreicht werden. Das Gleiche gilt natürlich auch für eine Abnahme der Erdbeschleunigung gegenüber ihrem Standardwert.
Ferner kann der Neigungsmesser gemäß der 5 als sogenannter „180°-Geber", aber auch als „360°-Geber", verwendet werden.
Bei einem „180°-Geber" wird für die ersten 90° eines zu messenden Winkels α das Signal von z.B. dem Kraftaufnehmer K1 benutzt. Sobald der Neigungsmesser um einen Winkel gedreht wird, der größer als 90° ist, wird das Ausgangssignal f(K2) als Messsignal benutzt. Dies hat den Vorteil, dass die Ausgangssignale f(K1) und f(K2) immer in dem Bereich benutzt werden, wo die Kurve der jeweiligen Ausgangssignale die größten Gradienten aufweist.
Es versteht sich, dass auch hier Winkel gemessen werden könnten, die größer als 180° sind. Zum Zwecke der Eindeutigkeit des Messwerts wäre dann aber wiederum eine Aufzeichnung des Verlaufs der Ausgangssignale sinnvoll. So könnte jederzeit festgestellt werden, auf welchem (Winkel-)Ast des jeweiligen sinusförmigen Ausgangssignals man sich gerade befindet.
Eine weitere Ausführungsform eines Winkelmessers gemäß der vorliegenden Erfindung ist in 6 schematisch angedeutet.
Ähnlich wie bei der Ausführungsform gemäß der 5 sind auch hier zwei Kraftaufnehmer K1 und K2 vorgesehen. Die Kraftaufnehmer K1 und K2 sind jedoch entlang ihrer Längsachsen parallel zueinander angeordnet. Sie sind vorzugsweise auf der gleichen Achse aber entgegengesetzt zueinander angeordnet.
Da bei der Ausführungsform gemäß der 6 die Kraftaufnehmer K1 und K2 zueinander einen Winkel von 180° bilden, sind die ihnen zugeordneten Ausgangssignale ebenfalls um 180° phasenverschoben. Mit der Anordnung gemäß der 6 lassen sich Winkel von über 180° genauestens messen. Ferner ist ebenfalls eine Kompensation bei Änderung der Erdbeschleunigung möglich.
In 7 ist ein weiteres Beispiel für einen Kraftmesser 10 gezeigt, der für eine weitere Ausführungsform eines Neigungsmessers gemäß der Erfindung verwendbar ist.
Im oberen Bereich der 7 ist der Kraftmesser in einer Unteransicht entlang der Längsachse 18 dargestellt. In der Mitte der 7 ist der Kraftaufnehmer 10 in einer Seitenansicht dargestellt. Die Längsachse 18 liegt dabei in der Zeichenebene, die eine X-Y-Ebene repräsentiert. Die Erdbeschleunigung g wirkt in der Seitenansicht in Z-Richtung, d.h. senkrecht in die Zei chenebene hinein. Der zu messende Winkel soll in der X-Z-Ebene liegen.
Angenommen, die in der 7 unten dargestellte Stellung, d.h. der Kraftaufnehmer 10 bzw. die Längsachse 18, bildet einen Winkel von 90° mit der Erdbeschleunigung g bzw. der Z-Achse, stellt die 0°-Stellung des Neigungsmessers 28 dar. Dann würde eine Verkippung des Neigungsmessers 28 bzw. des Kraftaufnehmers 10 um die X-Achse zu einer Verfälschung des Ausgangssignals des in der X-Z-Ebene zu messenden Winkels führen. Das Ausgangssignal würde einen Wert ungleich Null anzeigen, obwohl der Neigungsmesser 28 bzw. der Kraftaufnehmer 10 nicht um die Y-Achse bzw. in der X-Z-Ebene gedreht wurde, da natürlich auch auf Grund einer Verkippung um die X-Achse bzw. einer Drehung in der Y-Z-Ebene ein Drehmoment bewirkt wird, das sich nachweisbar in Form eines Ausgangssignals äußert.
Um den Neigungsmesser 28 gegen eine Verdrehung um die X-Achse unempfindlich zu machen, wird das elektrische Messsystem auf zwei Ebenen E1 und E2 angeordnet, die jeweils parallel zur X-Achse bzw. zur Längsachse 18 sind, jedoch jeweils um den gleichen Winkel in entgegengesetzter Richtung zueinander gedreht sind.
Im oberen Bereich der 7, der eine Sicht auf den Kraftaufnehmer 10 entlang der X-Achse zeigt, erkennt man, dass die zwei Ebenen E1 und E2 um Winkel γ1 und γ2 gegenüber der Y-Achse gedreht sind, wobei γ1 = –γ2 gilt.
Vorausgesetzt, der Kraftaufnehmer 10 ist lediglich senkrecht zur Längsachse 18 in der X-Z-Ebene biegbar, dann kann durch eine Anordnung des elektrischen Messsystems auf den beiden Ebenen E1 und E2 auf die oben aufgeführte Art und Weise ein Verkippen des Neigungsmessers 28 um die X-Achse kompensiert werden. Dass der Kraftaufnehmer 10 lediglich in der vorgegebenen Richtung gestaucht oder gedehnt werden kann, kann durch eine geeignete Orientierung der Gefügeausrichtung des Materials des Kraftaufnehmers 10 erreicht werden.
Vorzugsweise sind auf den Ebenen E1 und E2 jeweils Dehnungsmessstreifen als Teil des elektrischen Messsystems angeordnet. Die DMS sind in der 7 nicht dargestellt. Die DMS der jeweiligen Ebenen können eine Halb- oder Vollbrücke bilden, die wiederum zu einer Voll- oder einer doppelten Vollbrücke zusammenschaltbar sind.
Durch die symmetrische Verkippung der Ebenen E1 und E2 um die x-Achse kann erreicht werden, dass die störenden Komponenten bei einer Verkippung des Neigungsmessers 28 um die x-Achse kompensiert werden und dass sich die Komponenten, die sich in der X-Z-Ebene, d.h. der Messebene, befinden, gegenseitig so ergänzen, dass das gleiche Messergebnis erzielt wird, wie wenn keine Verkippung um die X-Achse bzw. die Längsachse 18 stattgefunden hätte. Somit ist eine Kompensation bei Verkippung um die X-Achse möglich.
Um auch die Verkippung um die Y-Achse kompensieren zu können, geht man ähnlich wie bei der Kompensation bei Verkippung um die X-Achse vor. Dadurch verdoppeln sich die Ebenen und die erforderlichen elektrischen Messsysteme. Auf diese Weise erhält man einen X/Y-Neigungsmesser, mit einem Messelement für die X-Richtung und einem Messelement für die Y-Richtung.
8 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Kraftaufnehmers 10, der für den erfindungsgemäßen Neigungsmesser verwendbar ist. Der Kraftaufnehmer 10 der 8 ist ähnlich wie der in der 7 gezeigte gestaltet.
Zusätzlich zu den beiden Ebenen E1 und E2 sind zwei weitere Ebenen E3 und E4 vorgesehen, auf denen jeweils Dehnungsmessstreifen als Teil eines elektrischen Messsystems angeordnet sind. Die Dehnungsmessstreifen sind in der 8 nicht dargestellt. Die Dehnungsmessstreifen der jeweiligen Ebenen E1 bis E4 können eine Halb- oder Vollbrücke bilden, die wiederum zu einer Voll- oder einer doppelten Vollbrücke zusammenschaltbar sind.
Die Ebenen E1 und E2 bilden ein erstes Messbereichspaar zum Messen eines ersten Messwinkels in einer ersten Messebene, die in 8 durch die X-Z-Ebene definiert ist. Die Ebenen E3 und E4 bilden ein zweites Messbereichspaar zum Messen eines zweiten Messwinkels in einer zweiten Messebene, die in 8 durch die Y-Z-Ebene definiert ist.
Der erste und der zweite Messwinkel können unabhängig von einander gemessen werden. Somit ermöglicht dieser Neigungsmesser die Messung eine zweidimensionale Winkelmessung.
Durch die symmetrische Verkippung der Ebenen E3 und E4 um die Z-Achse kann erreicht werden, dass störende Komponenten bei einer Verkippung des Neigungsmessers 28 um die Y-Achse kompensiert werden können. Somit ist ein Neigungsmesser 28 geschaffen, der sowohl bei einer Verkippung um die X-Achse als auch bei einer Verkippung um die Y-Achse kompensierbar ist.
Es ist klar, dass die Orientierung der Längsachse 18 im Verhältnis zu den Raumachsen X, Y und Z in der 7 lediglich exemplarisch gewählt worden ist. Eine Kompensation ist bei entsprechender Vorgehensweise auch dann möglich, wenn die Längsachse 18 anders als im Zusammenhang mit der 7 zum Raum bzw. der Erdbeschleunigung g orientiert ist.
Es versteht sich, dass die beschriebenen Kraftaufnehmer nicht zwingend die in den Figuren wiedergegebene Form aufweisen müssen. Ferner können andere elektrische Messsysteme anstatt der DMS verwendet werden.

Claims

Neigungsmesser (28), insbesondere für Geräte mit neigbaren Elementen, mit einem Kraftaufnehmer (10), der eine Längsachse (18) aufweist und derart ausgebildet ist, dass eine durch eine Auslenkung aus einer relativen Stellung des Neigungsmessers von 0° zur Erdbeschleunigung g bewirkte Kraft zu einer Verformung oder zu einer mechanischen Spannung zumindest in einem Teil des Kraftaufnehmers (10) führt, und einem elektrischen Messsystem (16, 22; 24), das mit dem Kraftaufnehmer (10) in einem Messbereich desselben verbunden ist und die Verformung oder die mechanische Spannung erfasst und in ein elektrisches Signal umwandelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse des Kraftaufnehmers (10) so angeordnet ist, dass sie bei der 0°-Stellung des Neigungsmessers (28) einen Winkel (β) mit der Erdbeschleunigung g bildet, der größer als 0° ist.
Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (10) einen stabförmigen Abschnitt (14) umfasst.
Neigungsmesser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der stabförmige Abschnitt (14) einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
Neigungsmesser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den stabförmige Abschnitt (14) ein Auslenkungsgewicht (12) anschließt.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Messsystem (16) zumindest einen Dehnungsmessstreifen (22, 24) aufweist.
Neigungsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dehnungsmessstreifen (22, 24) in einer Ebene (E1, E2) parallel zur Längsachse (18) des Kraftaufnehmers (10) angeordnet ist.
Neigungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Messsystem (16) mehrere Dehnungsmessstreifen (22, 24) aufweist, die zu einer Widerstandsbrücke, insbesondere zu einer Wheatstone'schen Brücke, elektrisch zusammenschaltbar sind.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) zwischen der Längsachse des Kraftaufnehmers (10) und der Erdbeschleunigung g kleiner oder größer als 180° ist.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) zwischen der Längsach se (18) des Kraftaufnehmers (10) und der Erdbeschleunigung g kleiner als 360° ist.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) zwischen der Längsachse (18) des Kraftaufnehmers (10) und der Erdbeschleunigung g 45° oder 60° ist.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (10) zumindest einen ersten und einen zweiten Messbereich aufweist, in denen jeweils zumindest ein Dehnungsmessstreifen (22, 24) angeordnet ist, wobei die Messbereiche in jeweils einer Ebene (E1, E2) angeordnet sind, die zueinander gedreht sind.
Neigungsmesser nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen (E1, E2) der Messbereiche um die Längsachse (18) des Kraftaufnehmers (10) zueinander gedreht sind.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen (E1, E2) der Messbereiche um einen Winkel (γ) zwischen 0° und 90° zueinander gedreht sind.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Ebenen (E1, E2) um 15° zueinander gedreht sind.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftaufnehmer (10) einen dritten und einen vierten Messbereich aufweist, in denen jeweils ein Dehnungsmessstreifen (22, 24) angeordnet ist, wobei die Ebenen (E3, E4) der dritten und vierten Messbereiche zueinander gedreht sind, und wobei der erste und zweite Messbereich ein erstes Messbereichspaar und der dritte und vierte Messbereich ein zweites Messbereichspaar bilden.
Neigungsmesser nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Messbereichspaar so angeordnet ist, dass ein erster Messwinkel in einer ersten Messebene messbar ist, und das zweite Messbereichspaar so zum ersten Messbereichspaar angeordnet ist, dass ein zweiter Messwinkel in einer zweiten Messebene messbar ist, wobei die erste und die zweite Messebene schräg zueinander stehen.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungsmesser (28) zwei Kraftaufnehmer (K1, K2) aufweist, die jeweils mit einem Messsystem (16) verbunden sind und deren Längsachsen (18) in einem Winkel zwischen 0° und 180° zueinander angeordnet sind.
Neigungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (18) in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.
Neigungsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen (18) in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sind.
Neigungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β) zwischen der Längsachse (18) des Kraftaufnehmers (10) und der Erdbeschleunigung g in der Ebene (X-Z) der Auslenkung des Neigungsmessers (28) liegt.