DE2551798A1

DE2551798A1 - Elektrischer neigungsmessfuehler

Info

Publication number: DE2551798A1
Application number: DE19752551798
Authority: DE
Inventors: Ghanshyam Ambaram Bhat; Charles George Buckley; Harold Lee Swartz
Original assignee: Sperry Rand Corp
Current assignee: Sperry Corp
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-18
Publication date: 1976-05-26
Also published as: SE7512885L; SE416588B; FR2291475A1; FR2291475B1; CA1067602A; IT1060097B; GB1485327A; JPS5172462A; DE2551798C2; US4028815A; JPS6026163B2

Description

Elektrischer Neigungsmeßfühler

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Neigungsmeßfühler mit Einrichtungen zur Erzielung einer Temperaturkompensation.

Elektrische Neigungsmeßfühler sind z.B. aus den US-Patentschriften 3 823 486 und 3 171 213 sowie der britischen Patentschrift 1 289 719 bekannt.

Die US-Patentschrift 3 171 213 beschreibt einen Neigungsmeßfühler mit einem Gehäuse mit einer ringförmigen Kammer, die durch ein zylindrisches Gehäuse mit einem inneren Rohr gebildet ist, das entlang der Neigungsachse des Gehäuses angeordnet ist. Das innere Rohr schließt einen Isolierstab ein, der in einem äußeren leitenden Teil angeordnet ist, und der einen gemeinsamen Anschluß bildet. An der inneren Oberfläche des Gehäuses sind zwei bogenförmige Anschlüsse oder Leiter befestigt, die in entgegengesetzter ViinkelbeZiehung zueinander und mit einem festen radialen Abstand gegenüber dem in Längsrichtung verlaufenden Rohr angeordnet sind. Eine elektrolytische Flüssigkeit füllt die ringförmige innere Kammer des Meßfühlers zur Hälfte. Dieser Neigungsmeßfühler ist so aufgebaut und konstruiert, daß seine Betriebsweise durch eine grundlegende physika-

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lische Beziehung zwischen dem Neigungswinkel und den Flächen der Elektroden gekennzeichnet ist, die in die elektrolytische Flüssigkeit eingetaucht sind. Das Betriebsprinzip sagt aus, daß der Unterschied der eingetauchten Flächen der jeweiligen bogenförmig ausgebildeten inneren Anschlüsse linear proportional zum Neigungswinkel ist. Dies kann mathematisch wie folgt ausgedrückt werden:

(A_L - A_R) - KG (1)

dabei ist:

A_T = eingetauchte Fläche der Elektrode in der linken Leit-

fähigkeitszelle,

A_R = eingetauchte Fläche der Elektrode in der rechten Leitfähigkeitszelle,

K = eine Proportionalitätskonstante, die sich auf die Geometrie der Elektroden bezieht und in Grad pro Flächeneinheit ausgedrückt ist,

θ = Neigungswinkel.

Aus der vorstehenden Gleichung ist zu erkennen, daß, wenn ein bestimmter Betrag zur Elektrodenfläche beider Leitfähigkeitszellen hinzugefügt oder davon abgezogen wird, die Erfüllung der Gleichung aufrechterhalten wird. Dies bedeutet, daß die Betriebsweise des Neigungsmeßfühlers von Natur aus gegenüber Änderungen des Elektrolytflüssigkeitsspiegels unempfindlich ist. Änderungen des Flüssigkeitsspiegels können sich auf Grund unterschiedlicher Ursachen ergeben, unter Einschluß von Leckverlusten der Flüssigkeit aus dem Meßfühler, wodurch der Flüssigkeitsspiegel abgesenkt wird, Anhaften der Flüssigkeit in dem Meßfühler, was die gleiche Wirkung ergibt, Gasblaseneinschlüsse in der Flüssigkeit, wodurch der Flüssigkeitsspiegel in dem Meßfühler erhöht wird, und Wirkungen, die sich aus den Temperaturausdehnungseigenschaften des Gehäuses und der Flüssigkeit ergeben. Es ist zu erkennen, daß die durch die Gleichung .(1)

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definierte Beziehung von Flüssigkeitsspiegeländerungen, die sich aus thermischen Ausdehnungseigenschaften der Flüssigkeit in dem Gehäuse ergeben, unabhängig ist, weil diese Änderungen die Gültigkeit der Gleichung nicht beeinflussen.

Bei der praktischen Ausführung des Neigungsmeßfühlers nach der US-Patentschrift 3 171 213 ist jedoch entsprechend der Gleichung (1) eine elektrische Schaltung erforderlich, durch die eine meßbare Spannung erzeugt werden kann, die proportional zur linken Seite der Gleichung ist. Die Schaltung muß eine proportionale funktioneile Beziehung zwischen der meßbaren Spannung und dem Neigungswinkel des Neigungsmeßfühlers ergeben, der durch die rechte Seite der Gleichung dargestellt ist. Der Widerstandswert der beiden Leitfähigkeitszellen ist der Parameter, der allgemein dazu verwendet wird, die eingetauchte Fläche darzustellen« Die Widerstands-ZFlächenbeziehung, die hier zu verwenden ist, ist in der folgenden Gleichung definiert:

R-³T^- (2)

dabei ist

D = der Abstand zwischen den Elektroden in der Leitfähigkeitszelle,

δ = spezifischer Widerstand der Elektrolytflüssigkeit in Ohm pro Flächeneinheit pro Längeneinheit,

A = eingetauchte Fläche einer Elektrode.

Wenn die vorstehende Gleichung nach A aufgelöst wird und die resultierende Beziehung in die Gleichung (1) eingesetzt wird, ergibt sich bei Verwendung geeigneter Indizes die folgende Gleichung:

DS = ΚΘ

Diese Gleichung ist die charakteristische Gleichung für bekannte ringförmige Beschleunigungsmesser und Neigungsmeßfühler.

609822/102S ./.

Eine Schaltung, die die Messung einer Spannung ermöglicht, die proportional zur Größe (l/R_L - 1/Rj₁) ist oder die funktionell auf diese Größe bezogen ist, damit eine Spannung und ein Winkel gleichgesetzt werden können, ist in Fig. 1 der Zeichnungen gezeigt. Es wird in der folgenden Analyse gezeigt, daß der bekannte ringförmige Beschleunigungsmesser und die in Verbindung mit diesem verwendete elektrische Schaltung keinen Meßfühler ergeben, der gegenüber den Wirkungen und Temperaturänderungen unempfindlich ist.

Eine typischerweise mit dem elektrolytischen Neigungsmeßfühler nach der US-Patentschrift 3 171 213 verwendete Schaltung ist in Fig. 1 gezeigt. Die Spannung an dem Ausgangswiderstand R wird wie folgt ausgedrückt;

V = l_T (R) W

¹T - ¹L ^{+ 1}R (5)

■ I -^EzX (₇\

Das Einsetzen der Gleichungen (6) und (7) in die Gleichung (5) und Einsetzen des Ergebnisses hiervon in die Gleichung (4) ergibt:

V = R

TD I Tp I TD TD TD I \ -7 /

η / ν ι, α/

Das Einsetzen dieser Gleichung (9) in d ie Gleichung (3) ergibt:

(ε ⁺ ir + W-) i ds - ^Κθ (¹⁰)

609822/102S

?R51798

Unter Benutzung der Flächenbeziehung für den Widerstand der Zellen inder Gleichung (2) und bei Auflösen nach der Spannung ergibt sich die folgende Gleichung

DS + (A + A)

R~ ^{L R}

Eine Betrachtung der vorstehenden Gleichung zeigt, daß in dieser Gleichung zwei Größen enthalten sind, die sich mit der Temperatur ändern, d.h. der spezifische Widerstand (S)des Elektrolyten und die Größe (A, + A).

Der spezifische Elektrolyt-Widerstand (C) nimmt typischerweise mit ansteigenden Temperaturen ab und die Größe (A_L + A_R), die die gesamten eingetauchten Flächen der Elektroden darstellt, ist auf Grund der Flüssigkeitsausdehnung und -zusammenziehung temperaturabhängig. In der Praxis hat die Flüssigkeit eine größere volumetrische Temperaturausdehnung als das Gehäusematerial, das zur Aufnahme dieser Flüssigkeit bestimmt ist. Als Ergebnis steigt der Flüssigkeitsspiegel in der ringförmigen Kammer mit steigenden Temperaturen. Es ist daher zu erkennen, daß der Wert des Lastwiderstandes R so ausgewählt werden kann, daß ein möglichst konstanter Wert des Nenners in der obigen Gleichungpber einen vorgegebenen Temperaturbereich aufrechterhalten wird. Die Schaltung nach Fig. 1 ergibt damit eine Möglichkeit für eine begrenzte Temperaturkompensation für ringförmige Beschleunigungsmesser oder Neigungsmeßfühler wie es in der Technik bekannt ist.

In der US-Patentschrift 3 6o4 2?5 schließt der elektrolytische Meßfühler ein hohles rohrförmiges Teil aus Glas ein, in dem im wesentlichen identische bogenförmige Elektrodenpaare angeordnet sind, die diametral in dem rohrförmigen Teil angeordnet sind. Dieser Heßfühler soll von Natur aus eine Temperaturkompensation auf Grund seiner symmetrischen Anordnung ergeben. Die Ausdehnung und Zusammenziehung des Elektrolyten erfolgt symmetrisch bezüglich beider Elektrodenpaare, so daß die elektrischen NuIl-

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? RS 17

β -

zustands-Eigenschaften praktisch konstant bleiben und die vertikale Drift auf Grund von Temperaturänderungen gegenüber der Hochtemperatur so weit v.'ie möglich verringert ist.

In der US-Patentschrift 3 823 486 ist angegeben, daß die verbesserten Baueigenschaften dieses Meßfühlers die Notwendigkeit einer zusätzlichen Flüssigkeit zum Auffüllen der unteren Teile des Meßfühlers beseitigen, wie dies bei dem Beschleunigungsmesser nach der britischen Patentschrift 1 289 719 der Fall war. Als Ergebnis ist der Meßfühler nach der US-Patentschrift 3 823 846 für einen vorgegebenen linearen Winkelbereich des Meßfühlers gegenüber Temperaturänderungen weniger empfindlich. Obwohl die in dieser letzteren US-Patentschrift beschriebene Anordnung weniger gegenüber Temperaturänderungen empfindlich ist, waren weder bei dieser Einrichtung noch bei den bekannten Einrichtungen nach der britischen Patentschrift 1 289 719 oder der US-Patentschrift 3 171 213 Einrichtungen zur effektiven Kompensation der Auswirkungen von Temperaturänderungen vorgesehen, die sich bei den beiden Größen in der vorstehenden Gleichung ergeben, d.h. beim spwzifischen Elektrolytwiderstand (S) und bei der Größe (A₁. + A„) die die gesamten eingetauchten Flächen der Elektroden darstellt.

Es sind jedoch weiterhin elektrische Schaltungen bekannt, die einen Operationsverstärker verwenden und die eine Spannung (V) liefern, die linear auf die Größe (l/R_L - ¹Z^o) ^{in der} charakteristischen Gleichung des Meßfühlers nach Gleichung (3) bezogen ist. Eine typische Schaltung dieser Art ist auf Seite 210, Fig. der Literaturstelle "Operational Amplifiers - Design and Applications' von Graeme, Tobey und Huelsman, 1971, McGraw Hill Book Company beschrieben. Eine Schaltung ähnlicher Art ist in der US-Patentschrift 2 978 638 der gleichen Anmelderin beschrieben. Diese typische bekannte Schaltung ist in Fig. 3 gezeigt und schließt einen Operationsverstärker ein, der eine Ausgangsspannung V liefert, die mathematisch wie folgt ausgedrückt werden kann:

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? R R 1 7 9 8 - 7 -

V = ER (1/R_L - 1/R_R) (12)

Wenn diese Gleichung nach dem Ausdruck (l/R_T - l/Rt>) aufgelöst

Jj Γί

und das Ergebnis in die Gleichung (3) eingesetzt wird, ergibt sich die folgende Beziehung für die Spannung V:

Es ist aus der vorstehenden Gleichung zu erkennen, daß alle Ausdrücke in dem Koeffizienten von θ auf der rechten Seite der Gleichung (13) grundsätzlich gegenüber Temperaturänderungen unempfindlich sind, mit der Ausnahme des spezifischen Elektrolytwiderstandes (S). Weil dieser Ausdruck in der charakteristischen Gleichung für diese Art von Meßfühler gemäß Gleichung (3) enthalten ist, ist zu erwarten, daß er in der einen oder anderen Form in der Spannungs-/Neigungswinkel-Funktion auftritt, die von irgendeiner elektrischen Schaltung abgeleitet wird, die dazu verwendet wird, die Ausgangsspannung V entsprechend der Gleichung (3) zu liefern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Neigungsmeßfühler der vorstehend genannten Art zusammen mit einer geeigneten elektronischen Schaltung zu schaffen, bei dem Änderungen der Ausgangsspannung, die durch die Auswirkung von Temperaturänderungen auf den spezifischen Elektrolyt-Widerstand (S) hervorgerufen werden, kompensiert sind.

Ein erfindungsgemäß ausgebildeter elektrischer Neigungsmeßfühler, dessen Arbeitsweise auf dem Pegel einer Flüssigkeit beruht, um Neigungen festzustellen, und der einen normalen Neigungsbereich aufweist, umfaßt nicht leitende Gehäuseteile, die eine geschlossene Kammer mit allgemein ringförmiger symmetrischer innerer Form um eine Bezugsachse bilden, die der horizontalen Achse des Neigungsmeßfühlers entspricht, erste und zweite Elektrodenteile, die in den Gehäuseteilen befestigt und zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, dritte Elektrodenteile, die in den Ge-

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häuseteilen befestigt sind, vierte Elektrodenteile, die in den Gehäuseteilen befestigt sind und entsprechende Teile aufweisen, die unter gleichen Abständen von den ersten, zweiten bzw. dritten Elektrodenteilen angeordnet sind, eine elektrolytische Flüssigkeit, die sich mit der Umgebungstemperatur ändernde volumetrische und Impedanz-Eigenschaften aufweist und die teilweise die Kammer füllt und in die teilweise die ersten und zweiten und die entsprechenden Teile der vierten Elektrodenteile eingetaucht sind, während die dritten Elektrodenteile und der entsprechende Teil der vierten Elektrodenteile für den normalen Neigungsbereich des Neigungsmeßfühlers vollständig eingetaucht sind, und Schaltungseinrichtungen, die mit den ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrodenteilen verbunden sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das entsprechend der folgenden Gleichung proportional zur Neigung des Meßfühlers um die Bezugsachse ist:

⁹ - ^RA ⁽R_L V

worin Θ der Neigungswinkel, R_T der Elektrolytwiderstand zwischen den ersten und vierten Elektrodenteilen, E^ der Elektrolytwiderstand zwischen den zweiten und vierten Elektrodenteilen und A der Elektrolytwiderstand zwischen den dritten und vierten Elektrodenteilen ist, so daß das Ausgangssignal gegenüber Änderungen des Volumens und der Impedanz der elektrolytischen Flüssigkeit kompensiert ist, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Neigungsmeßfühler (oder ringförmiger Beschleunigungsmesser) geschaffen, der zumindest zwei entgegengesetzt angeordnete bogenförmige leitende Elektroden und eine gemeinsame Elektrode aufweist, die teilweise in eine elektrolytische Flüssigkeit in einem ringförmig geformten Gehäuse eingetaucht sind. Eine vierte Elektrode, die als Hilfselektrode bezeichnet wird, ist ebenfalls in dem ringförmigen Gehäuse angeordnet und vollständig

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in die ElektrolytflUssigkeit eingetaucht.

Eine elektronische Schaltung mit einem mit einer Wechselstromquelle oder dergleichen gekoppelten Transformator ist mit den Endanschlussen der Sekundärwicklung mit den jeweiligen bogenförmigen teilweise eingetauchten Elektroden verbunden während ein Mittelanzapfungsanschluß mit Erde verbunden ist. Die gemeinsame Elektrode ist mit dem invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers verbunden, dessen Ausgangsanschluß über die Hilfselektrode in dem ringförmigen Gehäuse nach Art einer Gegenkopplung zum invertierenden Eingangsanschluß zurückgeführt ist während der direkte Eingangsanschluß des Operationsverstärkers mit Erde verbunden ist.

Das von dem Operationsverstärker in Abhängigkeit von der an den negativen Eingangsanschluß angelegten Spannung erzeugte Ausgangs signal ist proportional zum Neigungswinkel um eine Längsachse durch den ringförmigen Meßfühler. Die Hilfselektrode, die zwischen dem Ausgang des Operationsverstärkers und seinem invertierenden Eingangsanschluß eingekoppelt ist, wirkt als veränderliche Impedanz, der einen Wert aufweist, der proportional zu den Änderungen in dem spezifischen Widerstand (6) der Elektrolytflüssigkeit zwischen der Hilfselektrode und der gemeinsamen Elektrode ist. Weil diese Änderungen des spezifischen Widerstandes primär durch Temperaturänderungen bestimmt sind, ergibt die veränderliche Impedanz ein Gegenkopplungssignal an den invertierenden oder negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers, das das diesem zugeführte Eingangssignal gegenüber den Auswirkungen der Temperatur auf den spezifischen Widerstand des Elektrolyten kompensiert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten AusfUhrungsbeispielen noch näher erläutert.

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- ίο -

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer typischen elektronischen Schaltung, die bisher bei bekannten ringförmigen Beschleunigungsmessern und Neigungsmeßfühlern verwendet wurde;

Fig. 2 eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform eines ringförmigen Beschleunigungsmessers oder Neigungsmeßfühlers mit zwei Paaren von gegenüberliegend angeordneten bogenförmigen Elektroden, die teilweise in eine Elektrolytflüssigkeit eingetaucht sind und mit einem dritten Paar von Elektroden, die vollständig in die Elektrolytflüssigkeit eingetaucht sind;

Fig. 3 ein Schaltbild einer typischen bekannten elektronischen Schaltung, die zum Verständnis des ringförmigen Beschleunigungsmessers oder Neigungsmeßfühlers gemäß der vorliegende^Erfindung zweckmäßig ist;

Fig, Λ ein Schaltbild der Schaltung nach Fig. J5, die mit den Elektroden des ringförmigen Beschleunigungsmessers verbunden ist;

Fig. 5 ein Schaltbild einer abgeänderten elektronischen Schaltung, die mit den Elektroden des ringförmigen Beschleunigungsmessers gekoppelt werden kann;

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers;

Fig. 7 eine Darstellung einer Ausführungsform eines ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers, bei dem das Gehäuse ein kanalförmiges Teil und eine ebene Deckplatte aufweist;

.A

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7RS1798 - li -

Fig. 8 eine ausführlichere Darstellung einer abgeschrägten Prallplatte, die bei dem Meßfühler nach Fig. 7 Verwendung finden kann;

Fig. 9a, 9b und 9c Ansichten, die Einzelheiten des Meßfühlers nach Fig. 7 zeigen.

Im folgenden sei zunächst auf die Beziehung für die Spannung V gemäß Gleichung (13) bezug genommen, d.h.:

V= ^ (13)

Es wurde anhand dieser Gleichung festgestellt, daß alle Ausdrücke in dem Koeffizienten von 0 auf der rechten Seite der Gleichung gegenüber Temperaturänderungen unempfindlich sind, mit Ausnahme des spezifischen Widerstandes (S) der Elektrolytflüssigkeit. Die Grundlage des verbesserten ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers ist die Erkennung der Tatsache, daß die charakteristische Beziehung für die Spannung gemäß Gleichung (13) einen Ausdruck (S) für den spezifischen Widerstand der Elektrolytflüssigkeit enthält, der in Gleichung (Ij) durch eine meßbare Impedanzgröße ersetzt werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß, wie in Fig. 2 gezeigt, eine dritte Leitfähigkeitszelle aufgebaut wird, die aus zwei gegenüberliegenden leitenden Elektroden besteht, die als Hilfselektroden 16, 17 bezeichnet werden, und die immer vollständig in die Elektrolytflüssigkeit 20 eingetaucht sind. Die meßbare Impedanzgröße, die zwischen den Elektroden (l6, I7) hervorgerufen wfcrd, ist linear auf den Ausdruck (S) für den spezifischen Widerstand des Elektrolyten bezogen. Die Impedanz dieser Hilfszelle kann entsprechend der Gleichung (2) mit entsprechender Indizes-Bezeichnung wie folgt ausgedrückt werden:

(14)

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? R R "1 7 9

Die Auflösung dieser Gleichung nach dem Ausdruck (<f) für den spezifischen Widerstand des Elektrolyten ergibt die folgende Gleichung:

V/eil die Hilfs-Leitfähigkeitszelle, die durch die Elektroden 16, 17 gebildet ist, die gleiche Elektrolytflüssigkeit 20 wie die linke durch die Elektroden 12 und IJ gebildete Leitfähigkeitszelle undj3ie rechte durch die Elektroden 14 und 15 gebildete Leitfähigkeitszelle enthält, ist der spezifische Widerstand der Lösung in jeder Zelle im wesentlichen gleich und die Gleichung (15) kann in die Gleichung (5) eingesetzt werden, um eine neue charakteristische Gleichung zu entwickeln, die die erfindungsgemäße Ausführungsform des verbesserten ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers definiert:

(1/R₁₁ - 1/R_R) R_A (DA_A/D_A) - ■ Κθ (ΐβ)

Weil die Aus drücke D, D_A, A„ und K alle Konstanten sind, die von der Konstruktionsgeometrie abhängen und gegenüber Temperaturauswirkungen unempfindlich sind, können sie alle in einen einzigen Koeffizienten kombiniert werden, um die Gleichung (16) zu vereinfachen und um die folgende Gleichung zu schaffen:

(1/R_L - 1/R_n) R_A = KO (17)

Die vorstehende Gleichung (17) ist die neue charakteristische Gleichung des verbesserten ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers, bei dem eine Temperaturkompensation durchgeführt ist.

Wenn der verbesserte ringförmige Neigungsmeßfühler oder Beschleunigungsmesser mit e iner geeigneten elektronischen Schaltung verwendet wird, wie z.B. der bekannten Schaltung nach Fig. 3, bei der der einen festen Wert aufweisende Widerstand R durch die

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äquivalente Impedanz R» ersetzt wird, wird ein meßbares Ausgangsspannungssignal erzeugt, das proportional zur linken Seite der charakteristischen Gleichung ist, so daß die Ausgangsspannung und der Neigungswinkel in bezug zueinander gesetzt werden können. Die resultierende Beziehung, die in Gleichung (17) definiert ist, enthält keine temperaturabhängigen Parameter.

Jede Schaltung, die eine einzige Spannung oder eine Spannungsfunktion entsprechend der folgenden Gleichung festlegt, stellt eine geeignete gerätemäßige Ausführung für den verbesserten ringförmigen Neigungsmeßfühler oder Beschleunigungsmesser dar:

Spannung oder Spannungsfunktion = (l/R_L - 1/Rj₁) R_AC (18) wobei C eine Proportionalitätskonstante ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines verbesserten ringförmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers wird nun anhand von Fig. 2 beschrieben, die einen ringförmigen Beschleunigungsmesser oder einen Neigungsmeßfühler 10 zeigt, der ein Gehäuse 11 aufweist, das winkelförmig um eine Neigungsachse A-A angeordnet ist. Das erste Paar von bogenförmigen Elektroden 12, 15 ist innerhalb des Gehäuses 11 befestigt und an der vorderen bzw. hinteren Oberfläche dieses Gehäuses befestigt. Das zweite Paar von bogenförmigen Elektroden 14, 15 ist gegenüberliegend zu diesem ersten Elektrodenpaar angeordnet und die Elektroden sind auf der vorderen Oberfläche bzw. der hinteren Oberfläche in dem Gehäuse 11 befestigt. Die Elektroden 16, 17 des dritten Elektrodenpaars sind Jeweils an der vorderen bzw. hinteren Oberfläche in dem Gehäuse 11 zwischen den unteren Enden der entsprechenden Elektroden von den ersten und zweiten Elektrodenpaaren angeordnet. Eine Elektrolytflüssigkeit 20 füllt teilweise die ringförmige Kammer in dem Gehäuse 11, wodurch die Elektroden der ersten und zweiten Paare teilweise und die Elektroden 16 und 17 des dritten Paares vollständig in diese Flüssigkeit eingetaucht sind.

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Wie es in mathematischer Form vorstehend dargelegt wurde, ergibt das von dem dritten Elektrodenpaar gelieferte Signal eine Möglichkeit zur Kompensation von Temperatüränderungen in dem Ausgangssignal, das von dem ringförmigen Beschleunigungsmesser oder Neigungsmeßfühler 10 als Ergebnis der Auswirkungen der Temperatur auf den spezifischen Widerstand (S) der Elektrolytflüssigkeit 20 erzeugt wird.

Das Gehäuse 11 kann aus irgendeinem geeigneten nicht leitenden Material wie z.B.Glas, Keramik oder einem anderen glasähnlichen Material hergestellt werden. Bei einer Ausführungsform des ring~ förmigen Neigungsmeßfühlers oder Beschleunigungsmessers war das für das Gehäuse 11 verwendete nichtleitende Material ein Material, das unter der Bezeichnung Mycalex 620BB von der Fa. Mycalex, Division of Spaulding Fibre Company, Clifton, New Jersey, hergestellt wird. Das unter dem Handelsnamen Mycalex 620BB hergestellte Material ist ein Präzisionsformungs-Keramoplast mit einem großen Anteil von künstlichem .Glimmer, das aus einem Glasbinder ausgefällt ist. Dieses Material ergibt eine hohe Temperaturfestigkeit, eine hohe Verformungstemperatür und eine Festigkeit. Einige der Eigenschaften dieses Materials sind folgende:

Wärmeverformungstemperatur 593°C
maximale Temperaturbeständigkeit 648°C thermischer Ausdehnungskoeffizient 9,4 χ 10 1/⁰C Wärmeleitfähigkeit 0,38 Kcal/hm°C (0,29 BTü/hft°F) Zugfestigkeit 25 kp/cm²
Drückfestigkeit 2110 kp/cm²
Biegefestigkeit 844 kp/cm²
Elastizitätsmodul 0,85 x 10 kp/cm².

Die Elektroden 12 bis 17 können aus Platin, Silber oder einem anderen geeigneten Material bestehen, das beispielsweise durch Zerstäuben entlang der Innenoberflächen der vorderen und hinteren Stirnflächen in dem Gehäuse 11 abgeschieden wird. Um einen

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relativ großen Bereich der Winkelverschiebung zu erzielen, (typischerweise über eine Neigung von - 20° oder mehr) müssen die Elektroden 12 bis 15 eine ausreichende Bogenlänge aufweisen, um diesen Winkelbereich zu erzielen. In einem praktisch ausgeführten Ausführungsbeispiel hatte jede der Elektroden \J> und eine WinkelerStreckung von ungefähr 150° und jede Elektrode war über ungefähr 60° ihrer WinkelerStreckung eingetaucht, wenn die Neigungsachse auf ungefähr 0° lag.

Das dritte Elektrodenpaar 16, 17 ist so aufgebaut, daß sich eine ausreichende Fläche ergibt, damit der spezifische Widerstand der Lösung zwischen den Elektroden 16, YJ im wesentlichen gleich dem spezifischen Widerstand der Lösung zwischen den Elektroden 12, 13 bzw. l4, 15 in den ersten und zweiten Elektrodenpaaren ist, wenn der Neigungswinkel im wesentlichen 0° beträgt. In einem praktisch ausgeführten Beispiel betrug die Winkelerstreckung der Elektrode ungefähr 60°.

Weil die Elektroden 13, 15 und YJ zusammengeschaltet sind, um einen gemeinsamen elektrischen Verbindungspunkt zu bilden, wie es weiter unten beschrieben wird, werden diese Elektroden bei dem praktisch ausgeführten Beispiel durch eine einzige Elektrode gebildet, die eine Bogenlänge von 360° aufwies und die auf der hinteren Innenoberfläche des Gehäuses 11 aufgebracht war, wie es in Fig. 9o gezeigt ist. Alternativ könnten die Elektroden Ij5 und 15 durch eine einzige bogenförmige Elektrode von ungefähr 500° gebildet werden. Die Elektroden 13, I5 und YJ sind in den Figg. 2, 4 und 7 als drei getrennte Elektroden gezeigt, um die linke, rechte sowie die Hilfsleitfähigkeitszelle deutlich zu machen, die im folgenden ausführlicher erläutert werden.

Zwischen den Hilfselektroden 16, 17 und den benachbarten unteren Enden der bogenförmigen Elektroden 12, 14 bzw. 13, I5 sind Prallplatten 21, 22 (Fig. 7) angeordnet, die mit den Innen-

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? .S R 1 7 9 - 16 -

oberflächen des Gehäuses 11 mit Hilfe eines geeigneten Klebemittels wie es z.B. unter dem Handelsnamen Pyroceram 89 erhältlich ist, verklebt sind. Die Prallplatten 21 und 22 sind in den Pigg. 2 und 4 fortgelassen, um eine klarere Darstellung der Elektroden 12 bis 17 und der Flüssigkeit 20 zu erzielen, sie sind jedoch in Fig. 7 und ausführlicher in Fig. 8 gezeigt. Die Prallplatten sind ebenfalls aus einem geeigneten nichtleitenden Material hergestellt und in dem praktisch ausgeführten Beispiel werden sie aus dem gleichen Material wie das Gehäuse 11 hergestellt, nämlich aus dem unter dem Handelsnamen Mycalex 62OBB erhältlichen Material. Die Prallplatten 21, 22 isolieren die Hilfselektroden 16, 17 elektrisch von den unteren Enden der benachbarten Elektroden 12, l4 bzw. 15, 15.

Weiterhin ergeben die Prallplatten eine Dämpfung der Flüssigkeit 20 in dem ringförmigen Meßfühler während Perioden von schnellen Winkelverschiebungen um die Achse A-A. Damit die Flüssigkeit an den Prallplatten vorbeifließt, können Spalte gemäß Fig. 7 in einer Axialrichtung zwischen dem Deckel des Gehäuses 11 und der Oberseite der Prallplatten 21, 22 vorgesehen sein oder es können Spalte in Radialrichtung zwischen den Enden der Prallplatten 21, 22 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 11 entlang der Achse A-A vorgesehen sein. Fig. 9a zeigt im einzelnen den Radialspalt zwischen dem radial inneren Ende jeder Prallplatte 21 oder 22 und dem Außenumfang der Nabe des Gehäuses. Fig. 9b zeigt den Axialspalt zwischen dem Deckel 46 und den benachbarten Kanten der Prallplatten 21 und 22. Obwohl sowohl radiale als auch axiale Spalte in Fig. 7 dargestellt sind, ist vorzugsweise nur die eine Art von Spalten bei der praktischen Ausführung der Erfindung verwendet. ·

Weiterhin kann jede Prallplatte abgeschrägt sein, um messerförmige Kanten zu bilden, die verhindern, daß Blasen in den normalen Betriebsstellungen auf Grund der Oberflächenspannung

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der Elektrolytflüssigkeit 20 e'ingefangen v/erden. Pig. 8 ist eine ausführliche Darstellung einer Prallplatte wie z.B. der Prallplatte 21, bei der eine Ecke abgeschrägt wurde. Zu Vergleichszwecken ist die Ecke vor ihrer Abschrägung strichpunktiert dargestellt. Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die benachbarten Ecken der Prallplatten 21, 22 in der Nähe der Achse A-A abgeschrägt, um das Einfangen von Blasen für eine Bewegung des Meßfühlers im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn zu beseitigen.

Pig. 7 ist eine schematische Darstellung des Aufbaus des ringförmigen Meßfühlers 10, bei dem das Gehäuse 11 einen kanalförmigen Abschnitt 45 und eine im wesentlichen ebene Deckplatte 46 aufweist, wobei die leitenden Elektroden IJ, 15 und 17 an der unteren Oberfläche der Deckplatte 16 befestigt sind, während die Elektroden 12, 14 und 16 an der inneren unteren Oberfläche des kanalförmigen Teils 45 befestigt sind. Alternativ könnte die im wesentlichen ebene Deckplatte 45 ein zum kanalförmigen Teil 45 identisches kanalförmiges Teil sein und die drei getrennten leitenden Elektroden können durch eine einzige gemein-

_o gebildet same Elektrode mit einer Bogenlänge von 360 fs'ein, wie dies in Fig. 9c gezeigt ist. Diese Ausführungsform erfordert keine Abdeckung der Abstände zwischen den Elektroden 13, 17 und 15, 17 vor der Abscheidung des leitenden Materials während der Herstellung.

Pig. 3 ist ein Schaltbild einer bekannten Einrichtung, bei der die Impedanz der Elektroden 12, 13 und der Elektrolytflüssigkeit zwischen diesen Elektroden durch den Widerstand R₁. dargestellt ist, während die Impedanz der Elektroden 14, 15 und der Elektrolytflüssigkeit 20 zwischen diesen Elektroden durch den Widerstand Rd dargestellt ist. Wie es weiterhin in Fig. 3 gezeigt ist, ist eine Wechselstromquelle 25 mit den Anschlüssen 26 und 27 der Primärwicklung 28 eines Transformators 30 gekoppelt, dessen Sekundärwicklung 31 mit dem ringförmigen Beschleunigungsmesser

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gekoppelt ist, der aus Vereinfachungsgründen mit 10 bezeichnet ist, obwohl dieser Beschleunigungsmesser nicht mit dem Beschleunigungsmesser 10 nach Fig. 2 identisch ist. Ein erster Anschluß 32 der Sekundärwicklung ist mit einem ersten Anschluß an einem V/iderstand 33 verbunden, der mit R₁- bezeichnet ist,

L·

der äquivalenten Impedanz der linken Leitfähigkeitszelle. Der zweite Anschluß 34 der Sekundärwicklung 3I ist eine Mittelanzapfung, die mit Erde verbunden ist, während der dritte Anschluß

35 der Sekundärwicklung 31 mit einem ersten Anschluß an einem Widerstand J>6 verbunden ist, der mit R_R bezeichnet ist, der äquivalenten Impedanz der rechten Leitfähigkeitszelle. Die zweiten Anschlüsse der Widerstände 33 und ~$6 sind miteinander und mit dem negativen oder invertierenden Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 40 verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit dem ersten Anschluß eines einen festen V/ert aufweisenden Widerstandes 41 verbunden ist. Der zweite'Anschluß des Widerstandes 41 ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der zweiten Anschlüsse der Widerstände 33 und J>6 verbunden. Der positive Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 ist mit Erde verbunden.

Wie es gut bekannt ist, wirkt die in Pig. 3 gezeigte Kombination der mittelangezapften Sekundärwicklung und der Widerstände 33 und 36 als Brückenschaltung, bei der eine Null-Ausgangsspannung zwischen dem gemeinsamen Anschluß der Widerstände 33, 36 und der Mitte !anzapfung der Sekundärwicklung gewonnen wird. Wenn sich eine Änderung des Impedanzwertes eines oder beider Widerstände 33*

36 ergibt, wird eine meßbare Ausgangsspannung zwischen dem gemeinsamen Anschluß und der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung erzeugt. Die meßbare Ausgangsspannung ist proportional zur Änderung der Werte der Widerstände 33, 36.

Weil die Widerstände 33, 36 die äquivalenten Impedanzen R₇. und R_R darstellen, erzeugt irgendeine Änderung der Impedanz dieser jeweiligen Leitfähigkeitszellen auf Grund einer Winkelbewegung des Gehäuses 11 um die Neigungsachse A-A eine Änderung des meß-

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? Fi R1 7 9 8

baren Spannungssignals zwischen dem gemeinsamen Anschluß und der Mittelanzapfung an Erde. Weiterhin kann die Richtung der Winkelbewegung des ringförmigen Beschleunigungsmessers 10 aus der Polarität des meßbaren Spannungssignals bestimmt werden, das am negativen Anschluß des Operationsverstärkers 40 anliegt. Die Polarität der an den Anschlüssen der Sekundärwicklung 31 erzeugten Spannung ist an diesen Anschlüssen 32, 35 durch die Bezeichnungen +E und -E dargestellt. Wenn· daher die äquivalente Impedanz IL- größer wird, während die äquivalente Impedanz Rn kleiner wird, weist das meßbare Spannungssignal, das dem Operationsverstärker 40 zugeführt wird, eine negative Polarität bzw. umgekehrt auf.

Wie es weiter oben bei der Diskussion des bekannten Standes der Technik anhand der Fig. 3 erläutert wurde, weist der Widerstand 41 einen festen Wert als Lastwiderstand auf, der als Konstante in dem Koeffizienten des Neigungswinkels (Θ) in der Gleichung (13) auftritt. Der spezifische Widerstand (S) des Elektrolyten verbleibt als Ausdruck in dem Koeffizienten, so daß sich eine Temperaturabhängigkeit ergibt. Bei dem verbesserten Ausführungsbeispiels gemäß der vorliegenden Erfindung ist jedoch der feste Wert des Lastwiderstandes 41 durch die äquivalente Impedanz der Hilfs-Leitfähigkeitszelle ersetzt, die mit R_A in Pig. 4 bezeichnet ist. Somit erzeugt irgendeine Änderung des spezifischen Widerstandes der Elektrolytflüssigkeit 20 eine Änderung der äquivalenten Impedanz der Hilfs-Leitfähigkeitszelle und diese Änderung wird am Eingang des Operationsverstärkers 40 durch die veränderliche Gegenkopplungsimpedanz R^ kompensiert.

Fig. 4 ist eine Darstellung des Schaltbildes der elektronischen Schaltung nach Fig. 3, die mit der isometrischen Darstellung des verbesserten ringförmigen Beschleunigungsmessers oder Meßfühlers nach Fig. 2 gekoppelt ist, wobei der in Fig. 3 einen festen Wert aufweisende Widerstand 4l durch die veränderliche Impedanz R_A ersetzt ist. Wie es weiter oben erwähnt wurde, sind

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? ^ ^ 1 7 9 8

die Prallplatten 21, 22 aus Pig. 4 zur Vereinfachung der Darstellung fortgelassen. In Fig. 4 sind die genannten Impedanzen R , R_R und R. strichpunktiert als äquivalente Impedanzen darge-

Xj Xl /τ.

stellt, die die Impedanzen der tatsächlichen Schaltungsbauteile in den jeweiligen Leitfähigkeitszellen des ringförmigen Beschleunigungsmessers darstellen. Es ist in der Darstellung nach Pig. zu erkennen, daß die an der hinteren Oberfläche in dem Gehäuse befestigten Elektroden 13, 15, 17 eine gemeinsame Elektrode auf Grund der Verbindung zwischen jeder dieser Elektroden und dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 bilden. Daher ist es ohne weiteres zu erkennen, daß die grundlegende Ausführung des verbesserten ringförmigen Meßfühlers oder Beschleunigungsmessers zumindest vier unterschiedliche Elektroden, d.h. eine linke bogenförmige Elektrode, eine rechte bogenförmige Elektrode, eine gemeinsame Elektrode und eine Hilfselektrode, die zwischen'der linken und der rechten bogenförmigen Elektrode angeordnet ist, benötigt.

Die genaue Betriebsweise des verbesserten ringförmigen Meßfühlers wird im folgenden anhand von Fig. 4 erläutert, in der die Wechselstromquelle 25 mit dem Transformator 30 verbunden ist, um eine positive Ausgang&spannung an dem Anschluß 32 und eine negative Ausgangsspannung am Anschluß 35 der Sekundärwicklung zu erzeugen, die mittelangezapfb ist, wobei die Mittelanzapfung mit Erde verbunden ist. Der Anschluß 32 ist mit der ersten bogenförmigen Elektrode 12 verbunden, während der zweite Anschluß 35 mit der zweiten bogenförmigen Elektrode 14 verbunden ist. Der Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 40 ist mit der Hilfselektrode 16 verbunden. Wenn das Gehäuse 11 bezüglich der Achse A-A so ausgerichtet ist, daß gleiche Flächen der Elektroden 12 und in die Elektrolytflüssigkeit 20 eingetaucht sind, so wird eine Meß-Ausgangsspannung von 0 an den negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 angelegt. Bei einer Drehung des Gehäuses 11 um die Achse A-A im Uhrzeigersinn werden die in die Elektrolytflüssigkeit eingetauchten Flächen der Elektroden 12, 13 verringert, während die in die ElektrolytflUssigkeit einge-

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tauchten Flächen der Elektroden 14, 15 vergrößert werden. Als Ergebnis wird die durch den Widerstand R_R dargestellte äquivalente Impedanz vergrößert und das Meßspannungssignal am gemeinsamen Verbindungspunkt, der mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 verbunden ist, steigt auf einen positiven Wert an, der proportional zur Änderung der eingetauchten Flächen der Elektroden 12, Ij5 und 14, 15 ist.

In gleicher Weise wird, wenn das Gehäuse 11 im Gegenuhrzeigersinn um die Achse A-A ausgehend von einer Nullstellung aus gedreht wird, die Fläche der in die ElektrolytflUssigkeit 20 eingetauchten Elektrode 14 verringert, während die Fläche der leitenden, in die Elektrolytflüssigkeit 20 eingetauchten Elektrode 12 vergrößert wird. Als Ergebnis wird das Meßspannungssignal am gemeinsamen Verbindungspunkt, der mit dem negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 verbunden ist, auf einen negativen Wert vergrößert. Die Größe dieser negativen Spannung ist proportional zur Änderung der Flächen der leitenden Elektroden 12, 13 und 14, 15, die in die Elektrolytflüssigkeit 20 eingetaucht sind.

Die Elektroden 16 und 17 bleiben über den zulässigen Neigungswinkelbereich, über den das Gehäuse 11 um die horizontale Achse A-A verdreht werden kann, vollständig in die Elektrolytflüssigkeit 20 eingetaucht. Wenn sich daher eine Temperatüränderung ergibt, die eine Änderung des spezifischen Widerstandes (S) der Elektrolytflüssigkeit 20 erzeugt, so ist dies die einzige Änderung, die sich bei der äquivalenten Impedanz R» ergibt, die die Hilfs-Leitfähigkeitszelle darstellt. V/eil irgendeine Änderung der Impedanz der Hilfs-Leitfähigkeitszelle außerdem eine Änderung der äquivalenten Impedanzen R, und Rj. ergibt, wird die in dem Meßspannungssignal, das an den negativen Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 40 angelegt wird, hervorgerufene Wirkung durch das Signal kompensiert, das von Ausgang des Operationsverstärkers 40 über die Hilfs-Leitfähigkeitszelle an den nega-

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tiven EingangsanSchluß angelegt wird, weil die sich ergebende und an den negativen Eingangsanschluß zurückgeführte Ausgangsspannung die Auswirkung von Temperaturänderungen in den Leitfähigkeitszellen kompensiert, die durch die äquivalenten Impedanzen R₁ und Rp dargestellt sind.

Die Schaltung nach Pig. 4 verwendet eine elektronische Schaltung, die eine einzige und kontinuierliche Ausgangsspannung liefert, die linear proportional zum Neigungswinkel ist. Ein alternatives Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 zeigt eine zweite elektronische Schaltung, bei der ein Betrieb in mehreren Zuständen zwei Ausgangsspannungen liefert, die in einer Schaltfolge gemessen werden. Eine einfache algebraische Punktion der gemessenen Spannung ist linear proportional zu den Neigungswinkeln. Die Berechnung des Neigungswinkels kann manuell oder mit Hilfe einer einfachen Rechenschaltung durchgeführt werden. Wie es in Fig. gezeigt ist, ist eine Spannung E an die Eingangsanschlüsse 1 und der Schaltung 50 angelegt. Ein Widerstand 51 stellt die veränderlichelmpedanz R_A der Hilfs-Leitfähigkeitszelle dar, deren erster Anschluß mit einem Anschluß der Spannungsquelle verbunden ist. Der zweite Anschluß des Widerstandes 51 ist mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 52 und 53 und über eine Ausgangsleitung 57 mit einem ersten Ausgangsanschluß verbunden. Der Widerstand 52 ist mit R_L bezeichnet und stellt die linke Leitfähigkeitszelle dar, während der Widerstand 53 mit R_R bezeichnet ist und die rechte Leitfähigkeitszelle darstellt. Der zweite Anschluß des Widerstandes 52 ist mit einem ersten Anschluß 54 an dem Schalter 55 verbunden, der in einer normalerweise geschlossenen Stellung gezeigt ist. Der normalerweise offene Anschluß 56 des Schalters 55 ist mit dem zweiten Anschluß des Widerstandes 53 verbunden. Der gemeinsame Anschluß des Schalters 55 ist mit dem zweiten Anschluß- 2 der Spannungsquelle E und Über eine Leitung 58 mit dem zweiten Ausgangsanschluß verbunden. Der erste Ausgangsanschluß ist mit dem gemeinsamen Verbindungspunkt der Widerstände 5I, 52 und 53 verbunden.

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Der Schalter 55 wird dazu verwendet, die Schaltung 50 in einem von zwei Zuständen mit Energie zu versorgen und zwei Ausgangsspannungen V. und Vp werden an den Ausgangsanschlüssen gemessen. Die Spannungs- und Widerstandsbeziehungen in der Schaltung nach Fig. 5 sind wie folgt:

+ R_A) (19)

+ R_A) ■ (20)

Aus den vorstehenden Gleichungen ergeben sich die Widerstandsverhältnisse für diese Gleichungen wie folgt:

V^RL ^{= E/V}l - ^l

R_A/R_R = EZV₂ - 1 (22)

Eine Subtraktion der Gleichung (2$ von der Gleichung (22) ergibt die folgende Punktion der Spannung in Abhängigkeit des Widerstandes für das abgeänderte Ausführungsbeispiel nach Fig. 5:

(EZv₁ - EZv₂) = (r_aZr_l - R_AZR_R) (23)

Das Umstellen der Gleichungen und das Verwenden von R_A als Faktor ergibt die folgende Gleichung:

R_A = (EZV₁ - EZV₂) (24)

Die Kombination dieser Gleichung mit der äquivalenten Gleichung (17) ergibt die folgende Beziehung:

(EZV₁ - EZV₂) - Kö (25)

darin ist:

V₁ = Ausgangsspannung bei Schalter 55 in Stellung 54, V₂ = Ausgangsspannung bei Schalter 55 in Stellung 56, E = Erregungsspannung,
K = Konstante für die Konstruktionsgeometrie, θ = Neigungswinkel.

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? 5 Fi 1 7 9 - 24 -

Aus der vorstehenden mathematischen Ableitung ist zu erkennen,

en
daß die Ausgangs spannung'V und V₂ mit dem bekannten Wert der Erregungsspannung E und einer Konstante K, die durch die Konstruktionsgeometrie bestimmt ist, kombiniert werden können, um ein resultierendes Signal zu gewinnen, das proportional zum Neigungswinkel θ ist, der sich aus einer Bewegung des ringförmigen Meßfühlers um die horizontale Achse A-A ergibt.

Der ringförmige Meßfühler 60 nach Fig. 6 stellt ein weiteres abgeändertes Ausführungsbeispiel der Erfindung dar, bei dem die Elektroden 61 und 62 bogenförmige Elektroden sind, die einander gegenüberliegend in einem Gehäuse 6j angeordnet und ander Innenoberfläche des äußeren Umfanges des Gehäuses 6j5 befestigt sind, während die dritte gemeinsame Elektrode 64 an der inneren Oberfläche des inneren Umfanges des Gehäuses 6j5 befestigt ist. Die vierte Elektrode 65 ist zwischen den unteren Enden der Elektroden 6l und 62 angeordnet und ebenfalls an der inneren Oberfläche des äußeren Umfanges des Gehäuses 6j5 befestigt.

Die Widerstände 66, 67 und 68 stellen die veränderlichen Impedanzen der linken mit PU bezeichneten Leitfähigkeitszelle, der rechten Leitfähigkeitszelle PL^ bzw. der Hilfs-Leitfähigkeitszelle R_A dar. Diese Impedanzen PL, FL· und R_Ä sind strichpunktiert ähnlich wie in Pig. 4 dargestellt, v/eil diese Impedanzen äquivalente Impedanzen sind, die die Impedanzen der tatsächlichen Schaltungsbauteile in den jeweiligen Leitfähigkeitszellen des ringförmigen Meßfühlers darstellen. Die WechselspannungsqusLle 25, der Transformator j50 und der Operationsverstärker 40 sind zu den entsprechenden in Fig. 4 gezeigten Bauteilen identisch. Die Betriebsweise des ringförmigen Meßfühlers 60 in Kombination mit den zugehörigen elektrischen Bauteilen ist identisch zu der, die vorstehend anhand von Fig. 4 beschrieben wurde. Der einzige Unterschied in den Bauteilen besteht in der speziellen Form und den Anbringungsstellen der leitenden Elektroden in dem Gehäuse 63, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist.

Patentansprüche; 609822/1025

Claims

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Patentansprüche :

(1.) Elektrischer Neigungsmeßfühler, dessen Arbeitsweise auf — dem Pegel einer Flüssigkeit Vruht, um eine Neigung festzustellen, und der einen normalen Neigungsbereich aufweist, gekennzeichnet durch nichtleitende Gehäuseteile (11), die eine geschlossene Kammer mit allgemein ringförmiger symmetrischer innerer Form um eine Bezugsachse bilden, die der horizontalen Achse des Meßfühlers entspricht, erste und zweite Elektrodenteile (12, 14; 6l, 62), die in den Gehäuseteilen (11) befestigt und zueinander entgegengesetzt angeordnet sind, dritte Elektrodenteile (16565) die in den Gehäuseteilen (11) befestigt sind, vierte Elektrodenteile (15, 15, 17; 64), die in den Gehäuseteilen befestigt sind und entsprechende Teile aufweisen, die unter gleichen Abständen von den ersten, zweiten bzw. dritten Elektrodenteilen angeordnet sind, eine Elektrolytflüssigkeit (20), die sich mit der Umgebungstemperatur ändernde volumetrische und Impedanz-Eigenschaften aufweist und die teilweise die Kammer füllt und in die teilweise die ersten, zweiten und die entsprechenden Teile der vierten Elektrodenteile eingetaucht sind, während die dritten Elektrodenteile und der entsprechende Teil der vierten Elektrodenteile für den normalen Neigungsbereich des Neigungsmeßfühlers vollständig eingetaucht sind, und SchaItungseinrichtungen (30, 40, 50), die mit den ersten, zweiten, dritten bzw. vierten Elektrodenteilen gekoppelt sind, um ein Ausgangssignal zu liefern, das proportional zur Neigung des Meßfühlers um die Bezugsachse entsprechend der Gleichung

~"~ Λ ¹R ¹R

Jj Λ

ist, worin θ der Neigungswinkel, FL der Widerstand der ElQktrolytflüssigkeit zwischen den ersten und vierten Elektroden-

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teilen, R_n der Widerstand der Elektrolytflüssigkeit zwischen den zweiten und vierten Elektrodenteilen und R^ der Widerstand der Elektrolytflüssigkeit zwischen den dritten und vierten Elektrodenteilen ist, so daß das Ausgangssignal gegenüber Änderungen des Volumens und der Impedanz der Elektrolytflüssigkeit kompensiert ist, die durch Temperaturänderungen hervorgerufen werden.
2. Neigungsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Elektrodenteile in Kombination mit den entsprechenden Teilen der vierten Elektrodenteile erste (12, 13) und zweite (l4, 15) Paare von Elektroden bilden, die symmetrisch entgegengesetzt zueinander und bezüglich der Bezugsachse angeordnet sind, so daß linke und rechte gegenüberliegende Elektrodenpaare gebildet werden und daß die Elektrolytflüssigkeit (20) die Kammer angenähert bis zur Höhe der Neigungsachse füllt, so daß der Flüssigkeitspegel normalerweise jedes Paar von linken und rechten Elektrodenpaaren in der Mitte halbiert.
3. Neigungsmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die ersten und zweiten Elektrodenteile (12, 14; 6l, 62) erste und zweite bogenförmige Elektroden einschließen, die an der Innenoberfläche der Gehäuseteile

(11) befestigt sind, daß die dritten Elektrodenteile (l6, 65) eine bogenförmige Elektrode einschließen, die an der Innenoberfläche der Gehäuseteile (11) befestigt und zwischen den unteren Enden der ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist und daß die vierten Elektrodenteile ringförmige Elektrodenteile (13, 15, 17, 64) einschließen, die an der Innenoberfläche der Gehäuseteile (11) konzentrisch zur Bezugsachse angeordnet sind.
4. Neigungsmeßfühler nach einem der vorhergehenden 'Ansprüche, dadurch gekennze i ohne t , daß die geschlossene Kammer mit allgemein ringförmiger Form weiterhin Prallplatten-

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elemente (21, 22) einschließt, die aus nichtleitendem Material gebildet sind und zwischen den ersten und dritten Elektrodenteilen und zwischen den zweiten und dritten Elektrodenteilen angeordnet sind, um elektrisch jede der ersten, zweiten und dritten Elektrodenteile zu isolieren.
5. Neigungsmeßfühler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplattenelemente (21, 22) zwei rechtwinklig geformte Blöcke einschließen, wobei in einer Abmessung, entweder in Axialrichtung oder in Radialrichtung jeder Block kürzer als die entsprechende Innenabmessung der geschlossenen Kammer mit allgemein ringförmiger Form ist, so daß die Elektrolytflüssigkeit (20) an den Prallplattenelementen (21, 22) während einer Winkelbewegung der Gehäuseteile (11) um die Horizontalachse vorbeifließen kann.
6. Neigungsmeßfühler nach Anspruch 4 oder 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Prallplattenelemente (21, 22) rechtwinklig geformte Blöcke einschließen, bei denen eine Ecke abgeschrägt ist, um eine messerförmige Kante zu bilden, die das Einfangen von Blasen in der Elektrolytflüssigkeit (20) während der Winkelbewegung der Gehäuse teile (11) um die Horizontalachse beseitigt.
7. Neigungsmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtungen (j50, 40, 50) einen Operationsverstärker (40) einschließen, dessen negativer Eingangsanschluß mit den vierten Elektrodenteilen gekoppelt ist und dessen Ausgangsanschluß mit den dritten Elektrodenteilen gekoppelt ist, um eine Gegenkopplungsimpedanz zu schaffen, die auf Temperaturänderungen anspricht.
8. NeigungsmeßfUhler nach einemder vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtungen (^0, 40) eine Wechselstromquelle (25) und einen

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Transformator (30) einschließen, dessen Primärwicklung mit der Wechselstromquelle gekoppelt fet, dessen Sekundärwicklung (j5l) eine Mittelanzapfung (j)4) aufweist und dessen Ausgangsanschlüsse (3², 35) jeweils mit den ersten und zweiten Elektrodenteilen verbunden sind.
9. Neigungsmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungseinrichtungen eine Potentialquelle (25) mit einem ersten Anschluß, der mit den dritten Elektrodenteilen gekoppelt ist, Schalterelemente (55) mit einem gemeinsamen Element, das mit einem zweiten Anschluß der elektrischen Potentialquelle ge* koppelt ist, mit einem ersten Anschluß (54), der mit den ersten Elektrodenteilen gekoppelt ist, und mit einem zweiten Anschluß (56) der mit den zweiten Elektrodenteilen gekoppelt ist, und eine Ausgangsverbindung (57* 58) einschließen, die zwischen dem gemeinsamen Element des Schalterelementes (55) und den vierten Elektrodenteilen ausgebildet ist, so daß die Schaltungseinrichtungen Ausgangsspannungen liefern, die in ein einziges elektrisches Ausgangssignal kombiniert werden können, das proportional zum Winkel der Bewegung der Gehäuseteile (11) um die Horizontalachse ist und das entsprechend der Änderung der Impedanz der Elektrolytflüssigkeit (20) temperaturkompensiert ist.
10. Neigungsmeßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitenden, eine geschlossene Kammer mit allgemein ringförmiger Form bildenden Gehäuseteile (11) eine erste Kammer mit einem ersten darin angeordneten Kanal, an dessen Boden die ersten, zweiten und dritten Elektrodenteile befestigt sind und eine zweite Kammer mit einem zweiten darin angeordneten Kanal bilden, wobei die zweite Kammer zur ersten Kammer identisch ist und wobei die zweite Kammer vierte Elektrodenteile einschließt, die an dem Boden des zweiten Kanals befestigt sind .

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11. Neigungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die nichtleitenden Gehäuseteile (H) ein ringförmiges Gehäuse mit ersten, zweiten und dritten bogenförmigen Slektrodenteilen, die an der vorderen Innenoberfläche des Gehäuses befestigt sind, und einem vierten bogenförmigen Elektrodenteil bilden, das an der Innenoberfläche der Rückseite des Gehäuses befestigt ist.
12. Neigungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichne t, daß die nichtleitenden Gehäuseteile (11) ein ringförmiges Gehäuse mit ersten, zweiten und dritten bogenförmigen Elektroden (6l, 62, 63), die an der inneren Umfangsoberflache am äußeren Durchmesser des ringförmigen Gehäuses befestigt sind, und mit einem vierten ringförmigen Elektrodenteil (64) bilden, das an der inneren Umfangsoberf lache am inneren Durchmesser des ringförmigen Gehäuses befestigt ist.

IJ. Neigungsmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichne t, daß die ersten und zweiten Elektrodenteile erste und zweite bogenförmige Elektroden einschließen, die an der vorderen Innenoberfläche der Gehäuseteile (11) befestigt sind, daß die dritten Elektrodenteile eine bogenförmige Elektrode einschließen, die an der vorderen Innenoberfläche der Gehäuseteile (11) befestigt und zwischen den unteren Enden der ersten und zweiten Elektroden angeordnet ist, und daß die vierten Elektrodenteile drei bogenförmige Elektroden einschließen, die an der hinteren Oberfläche der Gehäuseteile (11) befestigt und entgegengesetzt zu den ersten, zweiten und dritten Elektrodenteilen angeordnet sind, so daß die ersten, zweiten, dritten und vierten Elektrodenteile drei Paare von Elektroden bilden, wobei die drei Elektroden der vierten Elektrodenteile außerhalb der Gehäuseteile (11) an einem einzigen Verbindungspunkt miteinander verbunden sind, um eine gemeinsame Elektrode zu bilden.

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