DE2809240A1

DE2809240A1 - Neigungsmessgeraet

Info

Publication number: DE2809240A1
Application number: DE19782809240
Authority: DE
Inventors: Banks Terrence Frederi Rostron
Original assignee: ROSTRON BANKS
Current assignee: ROSTRON BANKS
Priority date: 1977-03-03
Filing date: 1978-03-03
Publication date: 1978-09-07
Also published as: BE864497A; JPS53109665A; FR2382677A1

Description

NEIGUNGSMESSGERÄT

Die Erfindung betrifft ein Neigungsmeßgerät und insbesondere ein Überwachungsgerät für die elektronische Messung von Abweichungen von der horizontalen Ebene und jeder anderen Ebene zum Horizont wie durch die Schwerkraft bestimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Neigungsmeßgerät zu schaffen, das für die kontinuierliche Durchführung extrem genauer Positionsmessungen gegenüber der horizontalen Ebene geeignet ist, und ein solches Gerät, bei dem das elektrische Ausgangssignal der elektronischen Überwachung ohne Veränderung an eine ferngelegene Station zur Aufzeichnung oder weiteren Verwendung weitergegeben werden kann.

Der Erfindung liegt dabei aber gleichzeitig auch die Aufgabe zugrunde, ein Gerät zu schaffen, das unempfindlich ist, eine lange Lebensdauer besitzt und frei von jeglichen Reibungskräften ist.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist festgestellt worden, daß diese Aufgabe bei einem Neigungsmeßgerät im wesentlichen gelöst werden kann, bei dem die Eigenschaft bzw. das Vermögen einer Flüssigkeit oder eines Gases oder Mischungen derselben zur Dämpfung einer Strahlung ein elektrisches Signal erzeugt, das der Abweichung von einer vorbestimmten Position proportional ist.

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Die Erfindung besteht in einem Neigungsmeßgerät mit einem Behälter, einer Flüssigkeit oder einer Mischung einer Flüssigkeit und eines Gases, die zur Strahlungsdämpfung innerhalb des Behälters geeignet ist, mit einer Strahlung aussendenden Einrichtung und mit einer Strahlung empfangenden Einrichtung, die derart angeordnet sind, daß eine durch Bewegung des Behälters hinsichtlich einer vorbestimmten Ebene bewirkte Veränderung im Flüssigkeitslevel eine Veränderung der von der Empfangseinrichtung empfangenen Strahlung bewirkt, und mit Mitteln zur Messung der Strahlungsveränderung.

Die Erfindung besteht darüber aber auch in einem Neigungsmeßgerät mit einer Strahlung aussendenden Einrichtung und einer Strahlung empfangenden Einrichtung, die oberhalb oder unterhalb der Flüssigkeitsfläche angeordnet ist, wobei eine durch die Neigung des Gerätes bewirkte Veränderung im Flüssigkeitslevel zur Veränderung der Intensität der zu der Empfangseinrichtung hin reflektierten Strahlung dient und der Level der Strahlungsänderung der Zunahme oder Abnahme des Flüssigkeitslevels proportional ist.

Die Erfindung besteht aber auch in einem Neigungsmeßgerät mit einer Strahlung aussendenden Einrichtung und einer Strahlung empfangenden Einrichtung, die oberhalb und unterhalb der Flüssigkeitsfläche angeordnet sind, wobei eine durch die Neigung des Gerätes bewirkte Veränderung im Flüssigkeitslevel zur Veränderung der Intensität der zu der Empfangseinrichtung hingelangenden Strahlung infolge der Brechung der Strahlung durch die Flüssigkeitsfläche dient.

Bei allen diesen vorstehend angegebenen Ausführungsformen der Erfindung können zwei strahlungaussendende Einrichtungen und zwei strahlungempfangende Einrichtungen verwendet werden, um Fehler infolge von Veränderungen der Temperatur, der fehlerhaften Ausrichtung oder anderweitiger Probleme zu korrigieren.

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Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachfolgend anhand von drei besonderen Ausführungsformen unter gleichzeitiger Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter ins Einzelne gehend beschrieben; in den Zeichnungen zeigt:

Figur 1

ein schematisches Detail der ersten Ausführungsform.

Figur 2 ein Schaltdiagramm der strahlungabgebenden Einrichtungen ,

Figur 3 ein Schaltdiagramm der strahlungempfangenden Einrichtungen ,

Figur 4 ein schematisches Detail der zweiten Ausführungsform,

Figur 5 die dritte Ausführungsform,

Figur 6 ein perspektivisches Detail der Figur 5,

Figur 7 eine praktische Alternative zu der ersten Ausführungsform unter Verwendung einer einzigen gemeinsamen strahlungabgebenden Einrichtung und

Figur 8 ein perspektivisches Detail der Figur 7.

Bei der ersten Ausführungsform ist das Hauptgehäuse 11 des Gerätes, das die Flüssigkeit 12 enthält, an einer Nivellierplattform 13 angebracht. Strahler, also Strahlungen abgebende Einrichtungen, 16 und 17 sind an der Basis der Flüssigkeit 13 angeordnet. Empfänger, also strahlungaufnehmende Einrichtungen, 14 und 15 sind direkt oberhalb der Strahler 16 und 17 angeordnet. Das Gerät ist hermetisch abgedichtet und macht Rücklaufwege 18 und 19 für die Flüssigkeit 13 und Luft bzw. Gas erforderlich.

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Figur 2 zeigt ein Schaltungsbeispiel, das zum Antrieb der Strahler 16 und 17 verwendet werden kann. Strahlerdioden 22 und 23 sind von Stromquellen eines Kreises 21 versorgt. Widerstände 24 und 25 dienen der Schaltung des Versorgungsstroms, den die Strahler 22 und 23 aufnehmen.

Figur 3 zeigt ein Beispiel der strahlungempfangenden Schaltung. Strahlungempfangende Transistoren 32 und 33 sind mit Steuerungen 34 und 35 abgeglichen. Ein Differenzialverstärker 31 verstärkt die Differenz des Signallevels zwischen den beiden Empfängern und dient zum Antrieb einer Anzeige 38. Eine Steuerung 36 dient zur Abgleichung des Verstärkers 31 für die anfängliche Einstellung. Der Anzeigebereich der Anzeige 38 kann durch Aufschaltung vorbestimmter Werte des Widerstandes 37 verändert werden. Dies dient zur Veränderung der Verstärkung des Verstärkers 31.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß Figur 3 ist ein Hauptgehäuse 41 des Geräts, das Flüssigkeit 42 enthält, an einer Nivellierungsplattform 43 angebracht. Strahler 46 und 47 sind oberhalb der Flüssigkeit 42 in der Nähe zugehöriger Empfänger 44 und 45 angeordnet. Sowohl die Sender 46 und 47 als auch die Empfänger 44 und 45 sind auf die Basis des Gerätes hin fokusiert angeordnet. Das Gerät ist hermetisch abgedichtet und macht Rücklaufwege 48 und 49 für die Flüssigkeit bzw. Luft erforderlich.

Bei der dritten Ausführungsform gemäß 5 und 6 besitzt ein Hauptgehäuse 51 des Geräts einen maschinell gearbeiteten Kanal 53, der Flüssigkeit 52 enthält. Strahler 56 und 57 sind zu Demonstrationszwecken an der Basis der Flüssigkeit 52 angeordnet. Empfänger 54 und 55 sind direkt oberhalb der Strahler 56 und 57 angeordnet. Das Gerät ist hermetisch abgedichtet und macht Rücklaufwege 48 und 49 für die Flüssigkeit und Luft / Gas erforderlich»

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Die Figuren 7 und 8 zeigen eine praktische Abänderung der ersten Ausführungsform mit einem Hauptgehäuse 71 mit einem maschinell hergestellten Kanal 73, der Flüssigkeit 72 enthält. Bei diesem Gerät wird lediglich ein einziger Strahler 76 in Verbindung mit Empfängern 74 und 75 verwendet/ die oberhalb des Strahlers 76 in jedem Kanal des Gerätes angeordnet sind. Das Gerät ist hermetisch abgedichtet, und maschinell hergestellte Kammern 78 und 79 bilden Rücklaufwege für die Flüssigkeit und Luft / Gas.

Das diesen Ausführungsformen zugrundeliegende Verfahren zur Überwachung eines Levels ist extrem genau, und zwar von einem kleinen Brechungswinkel bis zu einem solchen von einigen zig Grad und ohne Wiedereinstellung des Corpus des Gerätes.

Die Skalierung der Anzeige, beispielsweise der Anzeige 38, kann mittels eines Schalters verändert werden, der die Verstärkung des Verstärkers 31 verändert. Unter der Voraussetzung entsprechender Auswahl der Charakteristiken des Empfängers und des Verstärkers kann eine vollständig lineare Ausgangsleistung erzielt werden. Kleine Verwölbungs- bzw. Veränderungsabweichungen der Fläche können auf ein ablesbares Ausmaß verstärkt werden.

Die Erfindung macht keinen Gebrauch von einem Verfahren zur Überwachung der Position einer Blase in einem Gerät zwecks Anzeige der Position hinsichtlich eines Levels. Die Überwachung der Position einer Blase würde infolge von Temperaturveränderungen, die zu einer Veränderung der Blasenabmessungen führen würden, einem Fehler ausgesetzt sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden zwei Strahler 16 und 17 und zwei Empfänger 14 und 15 zur Überwachung der beiden Extrema der Flüssigkeit 12 verwendet. Die dabei gebildete Ausgangsleistung wird einem Differenzialverstärker, beispielsweise

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dem Verstärker 31, zugeführt. Auf diese Weise wird eine genaue und stabile Anzeige erreicht, die von der Temperatur nicht beeinträchtigt ist, die zu einer Veränderung des Flüssigkeitslevels oder der Flüssigkeitsdichte oder des Azimuts des Gerätes führen würde. Jede gemeinsame und gleichwertige Veränderung jedes der Strahlungsempfangswege wird in dem Differenzialverstärker außer Acht gelassen, was zu einer Veränderung der Ausgangsleistung gleich Null führt.

Die im Rahmen der Erfindung verwendete Flüssigkeit kann in ihrer Art unterschiedlich sein, erfordert im allgemeinen jedoch eine geringe Oberflächenspannung und kann in einem Alkohol oder Ähnlichem bestehen. Sofern die Flüssigkeit eine solche ist, daß sie lediglich für eine geringe Dämpfung sorgt, kann es notwendig sein, der Flüssigkeit ein Additiv zugeben zu müssen, um so die Strahlungsabsorb tion zu verbessern; dieses Additiv kann beispielsweise ein Farbstoff sein. Hexan und Isopentan sind geeignete Flüssigkeiten, jedoch wird eine Verbesserung der Dämpfungseigenschaften durch Beimischen einer gewissen Äthermenge zu diesen beiden Flüssigkeiten erreicht. Auch können alle anderen Flüssigkeiten oder Mischungen von Flüssigkeiten oder Lösungen verwendet werden, die für einen messbaren Dämpfungsgrad sorgen.

Vorstehend ist die Erfindung zwar unter besonderer Bezugnahme auf eine Flüssigkeit als Dämpfungsmedium beschrieben worden, dennoch kann eine Flüssigkeit / Gas- oder Gas / Gas-Kombination entweder mit Flüssigkeit oder mit Gas als Modulationsmedium verwendet werden.

Die Gestaltung des Gerätes unterliegt hinsichtlich der Größe keiner Beschränkung und das Gerät kann aus Metall, Keramik oder einem anderweitigen Werkstoff hergestellt werden. In idealer Weise sollte das Gerät aus einem nichtzerbrechlichen Werkstoff hergestellt und$iermetisch abgedichtet sein für die unempfindliche Verwendung und lange Lebensdauer.

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Eine genaue maschinelle Bearbeitung des Gerätes bei seiner Herstellung ist nicht erforderlich/ da alle korrekten Einstellungen bei der Herstellung elektrisch vorgegeben bzw. zuvor eingestellt werden. Jedoch kann für Anwendungsfälle, die eine außergewöhnliche Genauigkeit und Empfindlichkeit erforderlich machen, eine sorgfältige, maschinelle Bearbeitung des Gerätes notwendig sein.

Das Gerät kann einschließlich der elektronischen Schaltung, der Energiequelle und der Anzeigemittel klein genug gestaltet sein, um innerhalb eines Gehäuses untergebracht zu werden, das in seinen Abmessungen einem kleinen Taschenrechner entspricht, wobei das Gerät eine genaue Messung der Ausrichtung bei Berührung eines Knopfs liefert.

Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf irgendeinen Zweck beschränkt, der die Bezugnahme auf eine Levelebene erforderlich macht, da das Ausgangssignal linear ist und analog digital sein kann oder mittels einer elektronischen Schaltung eine Anzeige liefert, wenn vorbestimmte Ausrichtungsgrenzwerte erreicht werden. Auch kann ein Servomechanismus direkt von dem Ausgangssignr.l angetrieben werden, um eine korrigierende Messung für die Steuerung eines Flugzeugs und dergleichen zu liefern.

Bei einer korrekten vorhergehenden Anordnung einer Kombination von Geräten und infolge der elektronischen Weiterverarbeitung des kombinierten Ausgangssignals kann eine vollständige überwachung der genauen Anordnung über 360 ° erreicht werden. Dies kann auch durch Anordnung von zwei Gerätegruppen wie angegeben erreicht werden, wobei diese unter 90 ° zueinander angeordnet sind und ein geeignetes Ausgangssignal in der Weise behandelt wird, daß eine vollständige Ausrichtungsanzeige hinsichtlich der horizontalen Ebene geliefert wird.

Aus den Zeichnungen und Schaltungen ist zu ersehen, daß ein Beispiel für die Strahlungsmittel in einer infrarotaussendenden Diode be-

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stehen kann. Diese Auswahl dient der Verwendbarkeit der Charakteristiken eines Fototransistors als Empfänger. Dennoch können auch andere elektromagnetische Strahlung abgebende Einrichtungen verwendet werden. Anstelle des als Beispiel für den Empfänger angegebenen Fototransistors für Empfindlichkeit und lineare Ausgangsleistung kann auch eine Fotodiode oder ein anderweitiges Strahlungsempfangendes Mittel verwendet werden.

Die beiden Strahlungsempfänger sollten so ausgewählt werden, daß gewährleistet ist, daß sie ein abgestimmtes Paar mit gleichen bzw. einander entsprechenden Charakteristiken bilden. Kleine Abweichungen können durch zuvor eingestellte Steuerungen ausgeglichen werden, wie diese in den Schaltungsbildern dargestellt sind.

Veränderungen der Strahlungslevel der Sender können mit Hilfe von Steuerungen ausgeglichen werden, die in den Schaltungsbildern dargestellt sind. Eine genauere Verfahrensweise würde jedoch diejenige sein, lediglich eine einzige jeder Seite gemeinsame Strahlungsquelle vorzusehen, indem Zylinder oder Kanäle in V-Form oder mit Hilfe einer Koppelung über optische Fasern oder dergleichen vorgesehen werden.

Infolge der kleinen Toleranz der maximalen und minimalen Ausgangsleistung der verwendeten Infrarot-Strahlungsdioden könnte eine praktische Alternative für die Stromquellen darin bestehen, eine Impulsbreitenmodulation zur Veränderung des wirksamen Strahlungslevels zu verwenden. Abhängig von der Empfindlichkeit der Strahlungsempfänger und der Dämpfung der Flüssigkeit kann ein geeigneter Filter zur Verwendung einer bestimmten Dämpfung der Strahlungsausgangsleistung notwendig sein. Dies würde dann dazu dienen, die Strahlungsimpulse daran zu hindern, die Strahlungsempfänger zu übersteuern oder bis zu ihrer Leistungsfähigkeit zu beaufschlagen.

Bei der Ausfuhrungsform gemäß Figur 4 sind die beiden Sender bzw. Strahler 46 und 47 und die beiden Empfänger 44 und 45 in

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dem Gerät oberhalb der Flüssigkeit 42 angeordnet. Die Verfahrensweise der Überwachung des Flüssigkeitslevels dieser Ausführungsform besteht in unterschiedlicher Weise darin, daß die Leveiveränderung festgestellt wird im Wege der Veränderung der von der Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Strahlungen. Die Strahler 46 und 47 und die Empfänger 44 und 45 sind im Hinblick darauf fokusiert, die Basis des Gerätes zu bestreichen. Das Ansteigen oder Absinken des Flüssigkeitslevels führt zu einer Veränderung der von einem Strahler an einen Empfänger reflektierten Strahlung. Durch die Flüssigkeitsoberfläche hindurchtretende Strahlung wird in der Flüssigkeit absorbiert. Gleichartige Veränderungen infolge der Flüssigkeitsexpansion oder einer Azimutveränderung werden mittels des Differenzialverstärkers neutralisiert. Diese Ausführungsform macht jedoch eine genauere Herstellung erforderlich und führt infolge der anderweitigen Ausrichtung der Strahler und Empfänger nicht zu einer linearen Ausgangsleistung.

Bei der Ausführungsform der Figuren 5 und 6 sind die Strahler 56 und 57 und die Empfänger 54 und 55 oberhalb und unterhalb der Fläche der Flüssigkeit 52 angeordnet. Die Veränderung des Flüssigkeits levels wird über die Veränderung der Intensität der empfangenen Strahlung infolge Strahlungsbrechung an der Flüssigkeitsoberfläche festgestellt. Bei ansteigender oder absinkender Flüssigkeit verändert sich die Strahlungsintensität aufgrund des Fokusierungseffektes, der auf die Meniskusgestaltung der Flüssigkeitsoberfläche zurückzuführen ist. Veränderungen des Zylinderdurchmessers in Verbindung mit den Eigenschaften der ausgewählten Flüssigkeit führen zu einer Veränderung der fokalen Länge des Strahlungsweges.

Die Gestaltung des die Flüssigkeit enthaltenden Gerätes, der Sender und der Empfänger kann im Hinblick auf eine geeignete Anpassung an individuelle Anwendungsfälle verändert werden. Eine im allgemeinen größere Empfindlichkeit auf kleinere Veränderungen kann erreicht werden, wenn die beiden Bestimmungskanäle weiter voneinander entfernt sind. Die Gestaltung der Vorrichtung kann auch so verändert werden, daß sie in einem

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- 13 einzigen großen Zylinder oder in einem U-Rohr besteht.

In bevorzugter Ausführungsform füllt die Modulationsflüssigkeit das Gerät nicht mehr als bis zu Hälfte, da der mittels des Gerätes meßbare Maximalwinkel in der Winkeldifferenz zwischen der der Strahlung empfangenden Einrichtung am meisten benachbarten Flüssigkeit und der der Strahlung aussendenden Einrichtung am meisten benachbarten Flüssigkeit besteht. Hieraus folgt also, daß die Höhenbegrenzung des Gerätes den meßbaren Maximalwinkel desselben beschränkt. Auch bildet die Beschränkung des Abstandes zwischen den beiden Strahlungsmeßwegen eine Grenze für den meßbaren Maximalwinkel.

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Claims

Patentansprüche

,j Neigungsmeßgerät gekennzeichnet durch ein Behältnis (11; ^—' 41; 51; 71), eine Flüssigkeit (12; 42; 52; 72) oder eine Mischung aus Flüssigkeit und Gas, die zur Strahlungsdämpfung innerhalb des Behältnisses (11; 41; 51; 71) geeignet ist, eine Strahlung abgebende Einrichtung (16, 17; 46, 47; 56, 57; 76) und eine Strahlung empfangende Einrichtung (14, 15; 44, 45; 54, 55; 74, 75), die derart angeordnet sind, daß eine durch Bewegung des Behältnisses (11; 41; 51; 71) hinsichtlich einer vorbestimmten Ebene bewirkte Veränderung des Flüssigkeitslevels zu einer Veränderung der von der Strahlung aufnehmenden Einrichtung (14, 15; 44, 45; 54, 55; 74, 75) aufgenommenen Strahlung führt, und durch Mittel zur Messung der Strahlungsveränderung.

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ORIGINAL SNSPECTED
2. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung abgebende Einrichtung (16, 17; 56, 57; 76) und die Strahlung aufnehmende Einrichtung (14, 15; 54, 55; 74, 75) zu entgegengesetzten Seiten oder Enden einer die Modulationsflüssigkeit (12; 52; 72) oder ein entsprechendes Gas enthaltenden Kammer (11; 51; 51) angeordnet sind.
3. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung abgebende Einrichtung (16, 17; 46, 47; 56, 57; 76) und die Strahlung aufnehmende Einrichtung (14, 15; 44, 45; 54, 55; 74, 75) oberhalb oder unterhalb der Oberfläche der Modulationsflüssigkeit (12; 42; 52; 72) oder eines entsprechendes Gasas angeordnet sind.
4. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Modulationsflüssigkeit (42) oder des entsprechenden Gases zur Veränderung der von der Strahlung abgebenden Einrichtung (46, 47) zu der Strahlung aufnehmenden Einrichtung (44, 45) reflektierten Strahlung dient.
5. Neigungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsflüssigkeit (12; 52; 72) bzw. das entsprechende Gas dazu dient, die Brechung der Strahlung zwischen der Strahlung abgebenden Einrichtung (16, 17; 56, 57; 76) und der Strahlung aufnehmenden Einrichtung (14, 15; 54, 55; 74, 75) zu verändern .
6· Neigungsmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeicnet, daß das Signal der Strahlung aufnehmenden Einrichtung (14, 15; 44, 45; 54, 55; 74, 75) zur Lieferung einer Positionsanzeige gegenüber dem Horizont bestimmt unter dem Einfluß der Schwerkraft verwendbar ist.

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7. Neigungsmeßgerät nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kombination von zwei Strahlungswegen zur Überwachung von zwei Punkten der Flüssigkeits- bzw. Gasoberfläche.
8. Neigungsmeßgerat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der beiden Strahlung aufnehmenden Einrichtungen im Hinblick auf die Lieferung einer gemeinsamen bzw. gleichartigen Rejektion verwendet werden.
9. Neigungsmeßgerat nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeicnet durch Anordnung in einer Kombination gleichartiger Geräte bei derartiger Anordnung, die eine Anzeige für jegliche Ebene zur Horizontalen zuläßt.
10. Neigungsmeßgerat nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche zur elektronischen Messung von Abweichungen von der Horizontebene oder irgendeiner Ebene zum Horizont, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vergleich von mindestens zwei Meßsignalen im Hinblick darauf durchführbar ist, daß Fehler bedingt durch Temperatur oder fehlerhafte Ausrichtung des Gerätes zurückgewiesen bzw. ausgeschaltet sind.

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