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Verwandte
Anmeldung
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Diese
Anmeldung beansprucht Priorität
bezüglich
der chinesischen Anmeldung Nr. 200520072771.8, welche am 17. Juni
2005 eingereicht wurde.
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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Neigungsmesser und insbesondere
einen tragbaren elektronischen Neigungsmesser unter Nutzung des Messprinzips
der Heißluftmassen-Konvektion.
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Hintergrund
der Erfindung
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Es
ist eine gängige
Praxis, den Neigungswinkel einer ebenen Oberfläche bei der Gebäudekonstruktion,
Hausdekoration und anderen Konstruktionstechniken zu messen. Ein
einfacher Neigungsmesser könnte
eine geeichte Wasserwaage oder ein Massiv-Pendel mit einem Zeiger
und einer Skalenscheibe sein. Allerdings ist die Messgenauigkeit
mit ihnen nicht ausreichend, und der Messfehler ist ziemlich hoch,
was aus der Ablesung durch einen Operator persönlich gemäß der Anzeige der oben erwähnten Vorrichtungen
resultiert.
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Präzisere elektronische
Neigungsmesser auf dem Fachgebiet sind normalerweise ein Neigungsmesser
vom elektrolytischen Typ und ein Neigungsmesser vom Massiv-Pendel-Typ.
Beruhend auf dem Prinzip, dass die Oberfläche von Elektrolyt stets die Waage
hält, misst
ein Neigungsmesser vom elektrolytischen Typ die Tiefenvariationen
seiner Elektroden, welche in dem Elektrolyt eingetaucht sind, um den
Neigungswinkel zu erhalten. Ein Neigungsmesser vom Massiv-Pendel-Typ
wandelt, basierend auf dem Prinzip, dass das Pendel unter dem Einfluss
der Schwerkraft stets im Lot bleiben wird, die Versetzung des Pendels
von einer Referenzposition in ein elektrisches Signal um, um den
Neigungswinkel zu berechnen. Jedoch besitzen diese elektronischen
Neigungsmesser ziemlich komplizierte Strukturen und eine geringe
Anti-Erschütterungs-
und Anti-Vibrations-Leistung, und sie werden leicht beschädigt.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, einen tragbaren elektronischen
Neigungsmesser mit einer vereinfachten Struktur, verbesserten Anti-Erschütterungs-
und Anti-Vibrations-Eigenschaften und mit hoher Präzision bereitzustellen.
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Um
das oben genannte Ziel zu erreichen, umfasst ein Neigungsmesser,
der von dieser Erfindung bereitgestellt wird, ein Gehäuse, eine
Messungs-Anzeigeeinheit
und eine Gruppe von Bedienungsknöpfen,
welche auf dem Gehäuse
vorgesehen sind, einen Messschaltkreis, welcher innerhalb des Gehäuses installiert
ist, sowie eine Leistungsversorgung, welche Energie an die Anzeigeeinheit
und den Messschaltkreis liefert. Das Gehäuse umfasst eine Referenz-Messoberfläche. Der
Messschaltkreis umfasst eine Neigungswinkel-Sensoreinheit, welche eine
gasgefüllte
abgedichtete Kammer einschließt. Innerhalb
der Kammer befindet sich ein Heizelement und ein Satz von Temperaturfühlerelementen,
welcher wenigstens ein Paar von Temperaturtühlerelementen in symmetrischer
Anordnung um das Heizelement herum umfasst.
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Während der
Messung wird das Gas innerhalb der abgedichteten Kammer durch das
Heizelement erwärmt,
mit einem Ergebnis, dass eine heiße Gasmasse, welche frei in
der Kammer bewegt werden kann, erzeugt wird. Während die Neigungswinkel-Sensoreinheit
horizontal platziert ist, ist die Temperaturverteilung der heißen Gasmasse
zentral-symmetrisch um das Heizele ment herum. In diesem Fall sind
die Temperaturen, welche von allen Temperaturfühlerelementen detektiert werden,
identisch, und deshalb sind ihre elektronischen Ausgangssignale auf
gleicher Höhe.
Wenn andererseits die Neigungswinkel-Sensoreinheit geneigt ist,
wird, aufgrund der Schwerkraft, eine freie Konvektion bei der heißen Gasmasse
auftreten, welche zu einer Variation der Temperaturverteilung der
heißen
Gasmasse führen wird,
so dass eine Differenz zwischen den elektronischen Ausgangssignalen
von jedem Paar von Temperaturfühlerelementen
vorliegen wird. Die Differenz ist proportional zum Neigungswinkel
der Neigungswinkel-Sensoreinheit, und deshalb kann, basierend auf
der Differenz, der Neigungswinkel berechnet werden. Durch Verwenden
der mittels Konvektion frei bewegbaren heißen Gasmasse als einem Schwerkraft-Block,
kann die Struktur des Neigungsmessers bei stark verbesserten Anti-Erschütterungs-
und Anti-Vibrations-Eigenschaften
vereinfacht werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung besitzt die Neigungswinkel-Sensoreinheit des Messschaltkreises
des Neigungsmessers eine erste Achse, welche quer durch das Heizelement
verläuft.
Ein erstes Paar von Temperaturfühlerelementen,
symmetrisch angeordnet um das Heizelement, ist entlang der ersten
Achse angeordnet. Die erste Achse ist parallel zur Referenz-Messoberfläche des
Gehäuses,
so dass der Neigungswinkel der ersten Achse der Neigungswinkel der
Referenz-Messoberfläche
sein wird.
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Die
Neigungswinkel-Sensoreinheit des Messschaltkreises des Neigungsmessers
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann ferner eine zweite Achse aufweisen, welche durch
das Heizelement und senkrecht zur ersten Achse verläuft. Ein
zweites Paar von Temperaturfühlerelementen,
welche symmetrisch um das Heizelement herum liegen, ist entlang der
zweiten Achse angeordnet. Die zweite Achse ist senkrecht zur Referenz-Messoberfläche des
Gehäuses.
Durch Kombinieren der Messungen auf Basis von beiden, der ersten
Achse und der zweiten Achse, kann der Fehler im Temperaturfühler teil,
welcher aus Temperaturvariation folgt, partiell verringert werden, und
die Präzision
der Messung kann weiter verbessert werden.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Neigungsmessers gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2a ist
ein schematisches Diagramm einer Neigungswinkel-Sensoreinheit in einem Messschaltkreis
des Neigungsmessers gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2b ist
ein schematisches Diagramm der Neigungswinkel-Sensoreinheit in 2a während eines
Messverfahrens;
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3a ist
ein schematisches Diagramm einer Neigungswinkel-Sensoreinheit in einem Messschaltkreis
eines Neigungsmessers gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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3b ist
ein schematisches Diagramm der Neigungswinkel-Sensoreinheit in 3a während eines
Messverfahrens.
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Ausführliche
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Die 1 veranschaulicht
einen Neigungsmesser 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Der Neigungsmesser 1 umfasst
ein Gehäuse 11,
eine Anzeigeeinheit 12 und eine Gruppe von Knöpfen, welche
beide auf dem Gehäuse 11 vorgesehen
sind, sowie eine Leistungsversorgung (nicht gezeigt in 1)
und einen Messschaltkreis (nicht gezeigt in 1), welche
beide innerhalb des Gehäuses 11 installiert
sind. Die Gruppe von Knöpfen
umfasst einen Ein/Aus-Schalter 14. Offensichtlich können andere
Knöpfe
gemäß den Anforderungen
der Funktionen bereitgestellt werden. Zum Beispiel kann ein Speicher-Knopf 16 hinzugefügt werden,
um die letzten Messdaten abzuspeichern. Der Neigungsmesser 1 besitzt
eine Referenz-Messoberfläche.
Es wird bevorzugt, eine Bodenfläche 18 des
Gehäuses 11 als
die Referenz-Messoberfläche
vorzubestimmen. Bei den angezeigten Messdaten auf der Anzeigeeinheit 12 handelt
es sich um den Neigungswinkel der Referenz-Messoberfläche 18.
Während
des Messens ist es notwendig, die Referenz-Messoberfläche 18 gegen
eine zu messende Oberfläche
anstoßen
zu lassen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird verstehen, dass andere
passende Bereiche des Gehäuses ebenfalls
als die Referenz-Messoberfläche
verwendet werden können.
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Die 2a ist
ein schematisches Diagramm des Prinzips eines Messschaltkreises
des Neigungsmessers 1 gemäß der bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Der Messschaltkreis umfasst eine Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 und
eine Signalverarbeitungseinheit (nicht gezeigt). Die Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 umfasst
eine gasgefüllte
abgedichtete Kammer 201. Innerhalb der abgedichteten Kammer 201 sind
ein Heizelement 202 und ein Paar Temperaturfühlerelemente 203 und 204 enthalten.
Das in der abgedichteten Kammer 201 eingefüllte Gas
kann Luft oder ein anderer Typ von geeigneten Gasen sein. Das Heizelement 202 ist
im zentralen Teil der abgedichteten Kammer 201 gelegen. Die
Temperaturfühlerelemente 203 und 204 liegen symmetrisch
um das Heizelement 202 herum. Die Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 besitzt
eine Achse X, welche durch das Heizelement 202 verläuft, und eine
andere Achse Y, welche ebenfalls durch das Heizelement 202 und
orthogonal zur Achse X verläuft.
Die Temperaturfühlerelemente 203 und 204 sind
beide entlang der Achse X angeordnet, und ihre Ausgangsenden sind
separat an die Signalverarbeitungseinheit angeschlossen, welche
ihrerseits die Ausgangssignale von den Tem peraturtühlerelementen 203 und 204 verarbeiten
und den Neigungswinkel der Achse X berechnen wird.
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Während der
Neigungsmesser 1 in Betrieb ist, wird das Heizelement 202 verwendet,
um das Gas in der abgedichteten Kammer 201 zu erwärmen, um
eine heiße
Gasmasse zu erzeugen. Wenn die Achse X in der horizontalen Richtung
liegt, ist die Temperaturverteilung der heißen Gasmasse um die Achse Y
symmetrisch, und die Temperaturwerte, welche von den Temperaturfühlerelementen 203 und 204 detektiert
werden, sind daher identisch. Weiterhin sind deshalb ihre elektronischen
Ausgangssignale ebenfalls identisch. Sobald die Achse X geneigt wird,
wird aufgrund der Schwerkraft eine freie Konvektion bei der heißen Gasmasse
auftreten, welche zu einer asymmetrischen Temperaturverteilung um die
Achse Y führen
wird, weshalb die Temperaturwerte, welche von den Temperaturfühlerelementen 203 und 204 detektiert
werden, voneinander verschieden sind, und deswegen besteht eine
Differenz zwischen den zwei elektronischen Ausgangssignalen. Die
Differenz ist eine Funktion des Neigungswinkels der Achse X, was
ausgedrückt
werden kann als: x = g sinα,
wobei x die Differenz zwischen den elektronischen Ausgangssignalen
von den Temperaturfühlerelementen 203 bzw. 204 ist,
g die Erdbeschleunigung ist, und α der
Winkel zwischen der Achse X und der horizontalen Ebene ist, wie
gezeigt in 2b. Dann kann eine Formel, welche
den Winkel α zwischen
der Achse X und der horizontalen Ebene berechnet, erhalten werden: α = sin–1(x/g).
Vorzugsweise ist die Achse X der Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 parallel
zu der Referenz-Oberfläche 18 auf
dem Gehäuse 1.
In diesem Fall ist der Neigungswinkel der Achse X der Neigungswinkel
der Referenz-Oberfläche,
und es wird keine zusätzliche
Berechnung benötigt.
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Mittels
des oben erwähnten
Verfahrens kann eine exakte Messung eines Neigungswinkels relativ zur
horizontalen Ebene im Bereich von 0–90 Grad erreicht werden. Es
sollte bemerkt werden, dass während
ein Neigungswinkel nahe 90° ist,
die Variation der Differenz zwischen den elektronischen Ausgangssignalen
von den zwei Temperaturfühlerelementen
nicht groß genug
sein wird, und es als ein Ergebnis für den Signalverarbeitungsschaltkreis schwierig
ist, diese Winkel präzise
zu unterscheiden. In den meisten Fällen jedoch kann das oben erwähnte Verfahren
die Anforderung für
eine Neigungswinkelmessung erfüllen.
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Gemäß einer
anderen bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 ferner
ein anderes Paar von Temperaturtühlerelementen 205 und 206 einschließen, welche
entlang der Achse Y und symmetrisch um das Heizelement gelegen sind,
wie gezeigt in 3a. Die Ausgangsenden der Temperaturfühlerelemente 205, 206 sind
ebenfalls an die Signalverarbeitungseinheit des Messschaltkreises
angeschlossen. In dieser Ausführungsform
wird die Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 vertikal angeordnet, wobei
ihre Achse X parallel zur Referenz-Messoberfläche ist und die Achse Y senkrecht
zur Referenz-Messoberfläche
ist. In diesem Fall ist der Winkel zwischen der Achse Y und einer
horizontalen Ebene 90°-α. Da x =
g sinα,
ist dann y = g cosα,
wobei y die Differenz zwischen den Ausgangssignalen aus den Temperaturfühlerelementen 205 und 206 ist,
welche jeweils entlang der Achse Y gelegen sind. Aus der obenstehenden
Formel kann α=tan–1(x/y)
hergeleitet werden. In diesem Fall können, basierend auf der Arcustangens-Funktion,
Winkel nahe 90° präzis durch die
Neigungswinkel-Sensoreinheit unterschieden werden. Darüber hinaus
können
die Messfehler der Neigungswinkel-Sensoreinheit 20 an der
Achse X und der Achse Y, welche aus dem Einfluss der Umgebungstemperatur
und der erhöhten
Temperatur des Messschaltkreises selbst folgen, gegeneinander ausgeglichen
werden. Deshalb kann die Messgenauigkeit weiter verbessert werden.
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Die
obenstehende Beschreibung und die Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsformen werden
lediglich verwendet, um das Prinzip und den Inhalt der vorliegenden
Erfindung zu beschreiben und zu veranschaulichen, aber nicht, um
den beanspruchten Umfang der vorliegenden Erfindung zu be schränken. Vom
Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet wird es verstanden werden,
dass es andere Alternativen, Modifikationen und Äquivalente innerhalb des Sinns
und Umfangs der vorliegenden Erfindung geben wird. Der Sinn und
der Umfang der Erfindung werden durch die beilegenden Patentansprüche definiert.