DE19725248A1 - Neigungsmesser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungsmesser, speziell zum Einsatz im geotechnischen Bereich, für die Ermittlung von Informationen innerhalb von Erdschichten und Bewegungen von Bauwerken, der ge­ eignet ist, diese Veränderungen sowohl kurz-, als auch langfristig zu erfassen.

Bekannt sind Meßeinrichtungen für die genannten Zwecke, die, neben Pendeln, als gravitations­ empfindliches Element Flüssigkeiten benutzen, deren Pegelstandsveränderungen gegenüber einer Bezugsebene abgetastet, die in neigungsproportionale Meßwerte umgewandelt erfaßt und dokumen­ tiert werden. Die Erfassung der Meßwerte kann durch Messung der Änderung des Widerstands oder der Kapazität eines Kondensators erfolgen.

Es wurde bereits in der DE-OS 25 31 798 vorgeschlagen, die Messung des Pegelstandes einer elek­ trolytischen Flüssigkeit durch eine Widerstandsmessung zwischen mehreren Elektroden vorzuneh­ men, wodurch winkelproportionale Widerstandsdifferenzen ermittelt werden.

Nachteilig an dieser Meßanordnung ist die starke Temperaturabhängigkeit des Elektrolyten wodurch bei Temperaturschwankungen relativ große Meßfehler entstehen, sowie der relativ große elektrische Strom in der Sensorzelle.

In der DD-PS 226 068 wurde ein kapazitives Neigungsmeßgerät vorgeschlagen bei dem sich zwi­ schen zwei Kondensatorplatten mit einer gemeinsamen Gegenelektrode eine Flüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante befindet, wodurch ein Differentialkondensator gebildet wird. Bei Änderungen der Neigungswinkel des Meßgerätes ändern sich die Anteile der Kondensatorplatten, die mit Flüssig­ keit bedeckt sind, wodurch eine Kapazitätsdifferenz hervorgerufen wird, die sich proportional zur ein­ getretenen Winkeländerung verhält.

Nachteilig bei dieser Meßeinrichtung ist die Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit, wodurch bei Temperaturschwankungen Meßfehler auftreten. Weiterhin nachteilig ist die komplizierte Geometrie des Sensors und damit die kostenintensive Herstellung der Meßeinrichtung.

Auch bei einer Reihe weiterer vorgeschlagener Lösungen wird mit Flüssigkeit als gravitations­ empfindlichem Element in den Meßvorrichtungen gearbeitet z. B. in den CH 660 552, DE 32 49 101, DE 36 08 274 und EP 01 71 961. Nachteilig bei diesen Lösungen sind jeweils die Temperaturabhängigkeit der verwendeten dielektrischen Flüssigkeiten bzw. die komplizierte und teure Herstellung der definierten Flüssigkeitsbehälter, die als Meßzelle dienen.

Bei Messungen in langen Bauwerken, wie z. B. Leitungen, ist die Messung von Bewegungen sehr arbeitsintensiv. Dabei werden durch die Leitungen oder Bohrlöcher Neigungsmesser in bestimmten zeitlichen Abständen durch diese Leitungen oder Bohrlöcher bewegt und die Neigungsveränderungen gegenüber vorherigen Messungen ermittelt. Diese Arbeitsweise ist sehr personal- und kostenintensiv sowie zeitraubend und wird daher vor allem bei Langzeitmessungen nur in größeren Zeitabständen durchgeführt. Dadurch ist eine quasi-kontinuierliche Überwachung der Bauwerke in den meisten Fällen nicht gewährleistet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungsmesser aufzuzeigen, der es erlaubt, bei hinreichender Genauigkeit der Meßergebnisse auch über längere Zeiträume eingesetzt zu werden und der in der Konstruktion und Fertigung so kostengünstig ist, daß er auch als verlorener Sensor Verwendung finden kann. Gleichzeitig soll die Möglichkeit bestehen, eine Vielzahl von Neigungs­ messern zu kombinieren (in einer einheitlichen Meßkette und/oder sternförmig) wenn die örtlichen Gegebenheiten das erfordern. Die einzelnen Meßdaten sollen durch den Sensor nach programmier­ baren Zeiten erfaßt und gespeichert und durch eine Leitung oder eine Datenfernübertragung (DFÜ) an einen Rechner ausgegeben oder in bestimmten Zeitabständen durch einen tragbaren Rechner ausgelesen werden.

Der Neigungsmesser soll konstruktiv einfach aufgebaut sein und einen kapazitiven Sensor als Meß­ element enthalten, wobei ein Mikroprozessor und spezielle Datenaufbereitungsprozeduren in ihm direkt integriert sind. Dadurch soll der Neigungsmesser gegenüber den bekannten Neigungsmessern, Vorzüge aufweisen und dabei aber in der Herstellung so preiswert sein, daß sein Einsatz in den un­ terschiedlichsten Bereichen der Geotechnik, des Bauwesens usw. effektiv wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in einem Gehäuse eine Meßzelle, die so in die Meßebene eingebaut ist, daß die Neigung in zwei orthogonalen Komponenten erfaßt wird und die eine Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante enthält, befindet. Von der Meßzelle werden Neigungsänderungen in zwei senkrecht zueinanderstehenden Richtungen erfaßt. Dazu sind in der Meßzelle zwei Elektroden für die Messung in der X-Achse und zwei Elektroden für die Messung in der Y-Achse und eine Mittelelektrode vorgesehen. Die Elektroden sind zu einem Teil von einer Flüs­ sigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante umgeben. Bei einer Veränderung der Neigung der Meßzelle, werden damit unterschiedliche Teile der Elektroden von der Flüssigkeit benetzt und damit ändert sich die Kapazität der Meßzelle, die gemessen wird.

Zur Erhöhung der Vibrations- und Stoßfestigkeit und damit Erweiterung der Anwendungsfelder sind die Elektroden durch Teflonhalter am Boden und an der Decke des Sensors fixiert. Spezielle Maßnahmen sind durch Beschichten der Oberflächen der Elektroden mit einer oberflächen­ aktiven Substanz (vorzugsweise PTFE) hinsichtlich der Verringerung der Haftung des Dielektrikums an den Elektroden (Benetzung) getroffen, um die Meßrate zu erhöhen und u. U. höherfrequente dy­ namische Prozesse zu erfassen.

Von dieser Meßzelle werden, gesteuert durch einen Mikroprozessor, entsprechend den programmier­ ten Zeitabständen Kapazitätsmessungen in der Meßzelle über einen Oszillator vorgenommen, die ein Maß für den Neigungswinkel des Neigungsmessers darstellen und nach einer Analog/Digital-Wand­ lung als digitale Meßdaten an einen internen Speicher weitergeleitet werden.

Eine Temperaturkompensation wird durch die Auswahl geeigneter Flüssigkeiten mit hoher Dielektrizi­ tätskonstante wie Glyzerin o. ä. durch den konstruktiven Aufbau der Sensorzelle sowie durch einen eingebauten Temperatursensor, eine spezielle elektronische Schaltung und den Vergleich mit einer Kalibrierfunktion und durch den Mikroprozessor realisierten Bearbeitung des Rohmeßwertes gewähr­ leistet.

Die zur Temperaturkompensation erforderlichen Daten sind in einem EPROM abgelegt und werden durch den Mikroprozessor in die Meßprozedur eingebunden.

Weiterhin ist ein Standardinterface zur Übertragung der gemessenen Daten durch ein Übertragungs­ kabel oder DFÜ-Einrichtungen auf einen Zentralrechner oder zur Auslesung der Daten, in frei wählba­ ren Zeitabständen, durch einen tragbaren Rechner eingebaut.

Diese neuen Neigungsmesser können nicht nur als Einzelneigungsmesser eingesetzt werden, son­ dern sie sind auch über eine Parallel- und/oder Sternschaltung mit einer elektrischen Leitung in einer Meßkette schaltbar. Dabei können eine größere Anzahl einzelner Neigungsmesser geschaltet wer­ den. Wenn diese Leitung mit 4 Adern ausgeführt ist, kann die Spannungsversorgung der Sensoren über 2 Adern der Leitung erfolgen, während 2 Adern für die Auslesung der erfaßten Daten benötigt werden.

Die Sensoren sind in zwei Varianten für horizontalen oder vertikalen Einbau vorgesehen.

Der aufgezeigte neue Neigungsmesser weist gegenüber den bekannten eine Reihe von Vorzügen auf, die hier kurz dargestellt werden sollen:

• - Der Neigungsmesser besitzt eine autonome Funktion oder die Messung kann ferngesteuert wer­ den und die Speicherung von Meßwertsätzen erfolgt intern in einem Ringpufferspeicher.
• - Das Meßregime ist flexibel, so können Messungen auf Abruf durch einen Operator, ein autonomes Messen mit variabler Abfraghäufigkeit das programmgesteuert wird oder kontinuierlich, vorge­ nommen werden.
• - Der Neigungsmesser eignet sich ausgezeichnet zur kontinuierlichen bzw. quasikontinuierlichen Langzeitüberwachung in geotechnischen Objekten und Bauwerken.
• - Durch die Möglichkeit der festen Installation des Neigungsmessers wird der Aufwand für die durchzuführenden Messungen insbesondere bei Langzeitüberwachungen erheblich gesenkt.
• - Die Sensorkopplung der einzelnen Neigungsmesser in Form von Reihen- und/oder Sternschal­ tungen ermöglicht die Erzielung von komplizierten Meßkonfigurationen.
• - Die Neigungsmesser sind insbesondere geeignet für den Einsatz an schwer oder unzugänglichen bzw. Orten mit einem hohen Gefährdungspotential, wie Bohrungen, Deponien und Endlagern für toxische bzw. radioaktive Materialien.

Die Erfindung soll nachstehend durch Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden:

Bezugszeichenliste

In den Zeichnungen bedeuten:
A1 interne Spannungsversorgung (optional)

1

Sensorelement

2

Oszillator/Zähler

3

Mikroprozessor

4

Speicher

5

Temperaturkompensation

6

serielles Standardinterface bzw. Übertragungseinrichtung (faseroptisch, Funk usw.)

7

PC (Zentralrechner oder tragbarer PC)

8

Elektroden in X-Richtung

9

Elektroden in Y-Richtung

10

Mittelelektrode
S1-Sn Sensoren 1 bis n
MPkt Meßpunkt für permanente oder temporäre Messungen bzw. Leitung oder DFÜ zu einem Zentralrechner.

Beispiel 1

Der Aufbau und die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Neigungsmessers soll an der Fig. 1 der Zeichnung, die als Blockschaltbild ausgeführt ist, erläutert werden. In einem Gehäuse, das vorzugs­ weise zylinderförmig gestaltet, aber nicht abgebildet ist, befindet sich ein Sensorelement 1 als kapa­ zitive Meßzelle mit Elektroden 8, 9, 10 und einem Dielektrikum, wobei die Elektroden so angeordnet sind, daß die Neigungsänderungen, die auf den Neigungsmesser einwirken, in zwei senkrecht zuein­ ander stehenden Richtungen erfaßt werden. Das Sensorelement wird jeweils für den vorgesehenen horizontalen und vertikalen Einbau um jeweils 90°C versetzt eingebaut. Die Meßzelle ist mit einem Oszillator 2 verbunden, der, über den Mikroprozessor 3 gesteuert, die Messung der Daten vornimmt. Zuerst werden vermittels der mikroprozessorgesteuerten Temperaturkompensation 5 die Meßwerte korrigiert. Nach der Messung wird aus einer Reihe von Meßwerten, vom Mikroprozessor gesteuert, der Mittelwert der Messungen gebildet und an den Speicher 4 weitergeleitet.

Über das serielle Standardinterface 6 können die gemessenen Daten über eine Direktleitung oder DFÜ zu einem Zentralrechner 7 geleitet werden, oder sie werden in der Meßzelle gespeichert und in bestimmten Zeitabständen unter Zuhilfenahme eines tragbaren PC oder eines anderen Datenlese­ gerätes (Memorycard usw.) ausgelesen.

Die erforderliche Spannung, die für die Funktion des Neigungsmessers erforderlich ist, kann durch eine im Gehäuse oder am Gehäuse befestigte Batterie geliefert werden, oder sie wird durch zwei Adern der Leitung extern geliefert, die durch eine Batterie (z. B. eine Autobatterie) oder ein Netzteil gewährleistet wird.

Die Art der Stromversorgung richtet sich nach dem jeweiligen Einsatz (Zugänglichkeit des installierten Neigungsmessers oder Zeitdauer des Meßeinsatzes).

Beispiel 2

In der Fig. 2 ist die Schaltung für eine Reihe von Neigungsmessern in einer Meßkette dargestellt. Diese Anordnung der Neigungsmesser als Serienneigungsmesser ist besonders geeignet für die Überwachung von größeren Bauwerken, wie verlegten Leitungen (für Gas, Wasser, Abwasser, Öl), Böschungen, Tunneln, Dämmen, Baugruben usw. oder zur Messung des Setzungsverhaltens in De­ ponien über längeren Zeiträume. Dabei werden bevorzugt mehrere Neigungsmesser in einer Meß­ kette parallel geschaltet.

Die einzelnen Neigungsmesser (Sensoren) S1 bis Sn sind über eine Leitung mit einem Meßpunkt MPkt verbunden, von dem die gemessenen Werte über eine elektrische Leitung oder DFÜ zu einem Zentralrechner zur Auswertung kontinuierlich übermittelt, oder durch einen tragbaren Rechner diskon­ tinuierlich ausgelesen werden. Die einzelnen Sensoren können auch sternförmig geschaltet werden oder in einer gemischten Schaltungsanordnung geschaltet sein. Die Stromversorgung für die einzel­ nen Sensoren, wird bei der Anwendung als Serienneigungmesser vorzugsweise zentral über 2 Adern der Leitung, mit der die Sensoren mit dem Meßpunkt verbunden sind, vorgenommen. Damit wird die Stromversorgung auch über lange Zeiträume gewährleistet.

Beispiel 3

In der Fig. 3 der Zeichnungen ist der prinzipielle Aufbau des Sensorelementes (der Meßzelle) des Neigungsmessers in einer Draufsicht dargestellt. In einem Gehäuse befinden sich zwei Elektroden 8,8 für die Messung von Neigungen in der X-Richtung und 2 Elektroden 9,9 für die Messung von Neigun­ gen in Y-Richtung sowie eine Mittelektrode 10, die durch Kapazitätsveränderungen die durch ein in der Meßzelle vorhandene dielektrische Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante, die ge­ genüber dem in der Meßzelle vorhandenen Gas oder einer mit der ersten Flüssigkeit nicht mischba­ ren Flüssigkeit mit einer geringen Dielektrizitätskonstante je nach der Größe der von der ersten Flüs­ sigkeit benetzten Teile der Elektroden, durch Änderungen der Kapazität ein Maß für die Neigung der Meßzelle darstellt. Dieser Aufbau der Meßzelle ist gegenüber anderen bekannten Meßzellen mit ka­ pazitiver Messung von Neigungsänderungen sehr einfach. Damit ist die Herstellung der Meßzelle, gegenüber den bekannten Meßzellen mit kapazitiven Meßverfahren, sehr kostengünstig.

Claims (4)

1. Neigungsmesser zur Messung der Neigung in Richtung von 2 Achsen, die senkrecht zueinander stehen, mit kapazitiver Messung zur Anwendung als Einzel- oder Serienneigungsmesser für den Einsatz bei geotechnischen Messungen, insbesondere der langfristigen Überwachung von Bau­ werken, wie verlegten Leitungen, Böschungen, Tunneln, Dämmen, Baugruben und/oder des Setzungsverhaltens von Deponien und ähnlichen Anwendungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Neigungsmesser in einem Gehäuse eine Meßzelle mit zwei Neigungskomponenten, die aus zwei Elektroden (8) für die Messung in Richtung der X-Achse und zwei Elektroden (9) für die Messung in der Y-Achse sowie einer Mittelelektrode (10), wobei die Elektroden teilweise von einer Flüssigkeit mit einer hohen Dielektrizitätskonstante und teilweise von einem Gas bzw. einer zwei­ ten Flüssigkeit mit deutlich verschiedener Dielektrizitätskonstante umgeben ist, sowie einem Oszil­ lator (2) der entsprechend den in einem Mikroprozessor (3) programmierten Zeitabständen Messungen der Kapazität der Meßzelle vornimmt, die ein Maß für den Neigungswinkel in den bei­ den senkrecht zueinander stehenden Meßachsen des Neigungsmessers darstellen und nach einer elektronischen Temperaturkompensation (5) aus einer bestimmten Anzahl von Meßwerten einen Durchschnittswert errechnet und diesen Meßwert über eine Analog/Digital-Wandlung als digitalen Meßwert an einen internen Speicher (4) weiterleitet, von wo die Meßdaten über ein serielles Stan­ dardinterface zur Übertragung der gemessenen und gespeicherten Daten durch ein Übertragungs­ kabel oder DFÜ auf einen Zentralrechner oder zur diskontinuierlichen Auslesung in wählbaren Zeitabständen durch einen tragbaren Rechner oder ein anderes Datenlesegerät (Memorycard usw.) ausgelesen werden, wobei zur Stromversorgung (A1) des Neigungsmessers mit einer Span­ nung, Batterien in dem Neigungsmesser eingebaut bzw. am Neigungsmesser angebaut sind, oder eine Stromversorgung über freie Adern der Leitung zum Auslesen der Daten extern durch eine Batterie oder ein Netzteil gewährleistet ist, enthält.

2. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er mit gleichartigen Neigungs­ messern kombiniert in einer Meßkette (S1-Sn) parallel oder sternförmig über die gleiche Leitung geschaltet, über den Mikroprozessor einzeln angesprochen und die gespeicherten Meßdaten ein­ zeln abfragbar sind, wobei bei einem Langzeiteinsatz die Versorgung mit Betriebsspannung vor­ zugsweise über externe Stromversorgung, wie Batterie oder ein Netzteil, vorgesehen ist.

3. Neigungsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle aus einem zylindrischen Gehäuse in dem die Meßelektroden paarweise gegenüberliegend für die Messung in den jeweiligen Achsrichtungen und eine Mittelelektrode angeordnet sind, die teilweise von einer dielektrischen Flüssigkeit mit hoher chemischer Stabilität und einer der Meßaufgabe angepaßten Viskosität sowie einer hohen Dielektrizitätskonstante bedeckt und oberhalb der Flüssigkeitsober­ fläche von einem Medium mit geringer Dielektrizitätskonstante (Gas bzw. eine mit der ersten Flüssigkeit nicht mischbare) umgeben sind, besteht.

4. Neigungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperaturkompensation durch den internen Mikroprozessor so vorgenommen wird, daß die direkt am Sensor gemessene Temperatur mit im Speicher des Neigungsmesser abgelegten Eichdaten verglichen und ein korri­ gierter Meßwert berechnet wird.