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Elektronische Wasserwaage
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Die Erfindung betrifft eine elektronische Wasserwaage mit einem länglichen
Gehäuse, dessen Bodenwand die Meßfläche bildet, mit einer Stelleinrichtung zur Vorgabe
einer gewünschten Schräglage und mit einer die jeweilige Einstellung der Meßfläche
anzeigenden Neigungsmeßeinrichtung mit nachgeschalteter Schalteinrichtung, die bei
Übereinstimmung der Einstellung der Meßfläche mit der vorgegebenen Schräglage eine-
optische und/oder akustische Anzeigeeinrichtung steuert.
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Eine elektronische Wasserwaage dieser Art ist durch die DE-OS 24 19
787 bekannt und hat den Vorteil, daß nicht nur die Horizontale, sondern jede beliebige
Schräglage eingestellt und überwacht werden kann. Dabei kann auf eine Beobachtung
und ein Ablesen der Neigungsmeßeinrichtung verzichtet werden, da die Anzeigeeinrichtung
die Übereinstimmung mit der Horizontalen bzw. der vorgegebenen Schräglage anzeigt.
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Bei dieser bekannten elektronischen Wasserwaage wird ein Skalenring
über ein Zahnradgetriebe und einen Stellknopf auf die gewünschte Schräglage eingestellt.
Der hohle Skalenring nimmt als Neigungsmeßeinrichtung ein drehbares Pendelgewicht
auf, das einen als Kontakt ausgebildeten Zeiger aufweist. Der Gegenkontakt für diese
Schalteinrichtung befindet sich an dem Skalenring und zwar im Bereich seiner Nullmarkierung.
Wird der Skalenring auf eine gewünschte Schräglage verdreht, dann schaltet die Schalteinrichtung
die Anzeigeeinrichtung erst dann ein, wenn das Pendelgewicht in der vertikalen Stellung
mit dem verstellten Gegenkontakt des Skalenringes in Kontakt kommt. Dies ist dann
der Fall, wenn die Meßfläche des Gehäuses in die gewünschte Schräglage gebracht
ist.
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Bei dieser bekannten elektronischen Wasserwaage ist die Einstell-
und Meßgenauigkeit begrenzt, da der Gegenkontakt am Skalenring eine bestimmte Breite
aufweisen muß. Die Breite des Gegenkontaktes begrenzt das Auflösungsvermögen der
Neigungsmeßeinrichtung. Darüber hinaus sind Teile von Winkelgraden mit dem Skalenring
nicht exakt genug einstellbar. Außerdem neigt das Pendelgewicht beim Meßvorgang
zu mehr oder weniger großen Pendelschwingungen, die das Ableiten eines exakten Anzeigesignals
erschweren.
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Es ist auch bekannt, bei einer herkömmlichen Libelle mit Gasblase
als Neigungsmeßeinrichtung einer Wasserwaage die Stellung der Gasblase mittels aus
Lichtsender und Lichtempfänger gebildeten Schalteinrichtungen zu überwachen und
anzuzeigen, wie die DE-OS 24 03 909 und die DE-OS 27 41 411 zeigen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Wasserwaage der eingangs
erwähnten Art zu schaffen, bei der das Erreichen der Horizontalen bzw. jeder beliebig
vorgebbaren Schräglage eindeutig und mit größerer Genauigkeit angezeigt werden kann
und bei der in einfacher Weise die gewünschte Schräglage genauer vorgegeben werden
kann.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Neigungsmeßeinrichtung
eine herkömmliche Libelle mit Gasblase verwendet ist, die auf einer im Gehäuse drehbar
gelagerten und mittels der Stelleinrichtung auf eine der gewünschten Schräglage
entsprechende Drehstellung einstellbare Scheibe oder dgl. befestigt ist, daß die
Drehachse der Scheibe oder dgl. parallel zur Meßfläche und quer zur Längsrichtung
des Gehäuses gerichtet ist, daß die Libelle außerhalb der Drehachse der Scheibe
tangential und in der Nullstellung parallel zur Meßfläche des Gehäuses gerichtet
ist und daß als Schalteinrichtung ein Lichtsender und Lichtempfänger verwendet sind,
welche auf der Scheibe zu-beiden Seiten der Libelle so angeordnet sind, daß sie
in der Mittelstellung
und/oder den beiden Endstellungen der Gasblase
Ausgangssignale zur Steuerung der Anzeigeeinrichtung abgeben.
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Bei dieser Ausgestaltung bilden die Libelle und die Schalteinrichtung
aus Lichtsender und Lichtempfänger eine Einheit, die als Ganzes durch Verdrehen
der Scheibe auf die gewünschte Schräglage bzw. die Horizontale (Nullstellung) eingestellt
werden kann. Da der Lichtsender und die Lichtempfänger ihre Stellung zur Libelle
beibehalten, kann ein wesentlich genaueres Ansprechen der Schalteinrichtung beim
Erreichen'der Mittelstellung der Gasblase einjustiert werden. Diese Genauigkeit
der Anzeige bleibt dann auch erhalten. Da mit der Schalteinrichtung auch die Endstellungen
der Gasblase angezeigt werden können, läßt sich die Stellung der Meßfläche zu der
vorgegebenen Schräglage auch nach der Richtung ihrer Abweichung anzeigen, was die
Handhabung der elektronischen Wasserwaage noch mehr erleichtert.
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Eine direkte manuelle Einstellung der Libelle auf eine gewünschte
Schräglage läßt sich nach einer Ausgestaltung dadurch erreichen, daß die Scheibe
als Zahnrad ausgebildet- ist, das mit seiner Verzahnung mit einem Antriebszahnrad
im Eingriff steht und daß das Antriebszahnrad drehfest mit einer im Gehäuse drehbar
gelagerten Skalenscheibe verbunden ist. Dabei kann zwischen Zahnrad und Antriebszahnrad
durchaus eine Untersetzung vorgesehen sein, so daß der Einstelldrehwinkel an der
Skalenscheibe ein Mehrfaches des Drehwinkels der Scheibe mit der Libelle sein muß.
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Eine noch größere Untersetzung der Stell-bewegung zwischen dem Einstellglied
und der Scheibe mit der Libelle läßt sich nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch
erreichen, daß um die Scheibe ein Zugseil geführt ist, dessen erstes Ende mittels
einer Zugfeder am Gehäuse befestigt ist und dessen zweites Ende mit einer Stellmutter
verbunden ist, welche mittels einer Stellspindel verstellbar ist. Die
Wirkverbindung
zwischen der als Zahnrad ausgebildeten Scheibe und der Skalenscheibe kann dabei
beibehalten werden, so daß die vorgegebene Schräglage exakter eingestellt und angezeigt
werden kann.
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Die Verstellung der Stellspindel wird nach einer Ausgestaltung so
ausgeführt, daß die Stellspindel drehfest mit der Einstellscheibe verbunden ist.
Dabei kann eine weitere Unterstützung der Stellbewegung dadurch erreicht werden,
daß die Stellspindel zusätzlich über ein Zahnradgetriebe'mit doppelter Untersetzung
mit einer weiteren Einstellscheibe gekoppelt ist. Die auf die weitere Stellscheibe
übertragene- Drehbewegung wird daher in einem stark verkleinerten Verhältnis als
Drehbewegung an der Scheibe mit der Libelle wirksam, was eine sehr große Einstellgenauigkeit
für die gewünschte Schräglage ergibt.
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Die Bedienung der Stelleinrichtung wird nach einer Ausgestaltung dadurch
erleichtert, daß die Skalenscheibe, die Einstellscheibe und die weitere Einstellscheibe
teilweise aus Durchbrüchen des Gehäuses vorstehen.
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Die Scheibe mit der Libelle kann nach einer weiteren Ausgestaltung
dadurch auf eine beliebige Schräglage eingestellt werden, daß die Stellspindel mittels
eines einstufigen Zahnradgetriebes mit Übersetzung mit einem Elektromotor gekoppelt
ist und däß die Schräglage mittels einer elektronischen Eingabeeinrichtung vorgebbar
ist, die ein die Drehrichtung und die Anzahl der auszuführenden Umdrehungen oder
dgl. kennzeichnendes Ausgangssignal für den Elektromotor abgibt.
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Die Motorwelle des Elektromotors muß dabei mehrere Umdrehungen ausführen,
ehe'die Stellspindel eine einzige Umdrehung ausgeführt hat.
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Mit der elektronischen Eingabeeinrichtung kann eine Information vorgegeben
werden, die dem Elektromotor anzeigt, wie weit und in welcher Richtung er die Stellspindel
zu verstellen hat.
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Die Einstellung der Scheibe mit der Libelle mittels eines Elektromotors
wird nach einer Weiterbildung dadurch vereinfacht, daß die Stellspindel mittels
eines einstufigen Zahnradgetriebes mit Übersetzung mit einem Elektromotor gekoppelt
ist, daß der Elektromotor in eine der Nullstellung entsprechende Ausgangsstellung
einstellbar ist, daß der Elektromotor aus der Ausgangsstellung in der einen oder
anderen Drehrichtung antreibbar ist, daß mittels eines Drehimpulsgebers die Umdrehungen
anzeigende Ausgangssignale ableitbar sind, daß aus diesen Ausgangssignalen über
eine elektronische Auswerteeinrichtung eine die eingestellte Schräglage kennzeichnende
Information ableitbar ist und daß diese Information mittels einer elektrischen Digitalanzeigeeinrichtung
anzeigbar ist.
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Die Einstellung beginnt daher stets bei der exakt definierten Nullstellung
der Scheibe. Der Stellweg des Elektromotors in der einen oder anderen Drehrichtung
läßt sich dann leicht mit einem Drehimpulsgeber anzeigen. Die vorgegebene Stellinformation
kann mit den vom Drehimpulsgeber abgegebenen Impulsen abgezählt werden, so daß die
Scheibe mit der Libelle exakt auf die vorgegebene Schräglage eingestellt wird. Dabei
kann die Auswahl der Drehrichtung des Elektromotors dadurch manuell vorgenommen
werden, daß mittels einer ersten -Schaltmaßnahme der Elektromotor in die Ausgangsstellung
bringbar ist und daß über eine von zwei weiteren Schaltmaßnahmen die Drehrichtung
des Elektromotors zur Vorgabe einer Schräglage in der einen öder anderen Richtung
auswählbar ist.
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Das Erreichen der Mittelstellung der Gasblase in der Libelle läßt
sich nach einer weiteren Ausgestaltung dadurch mit großer Sicherheit und Genauigkeit
erreichen, daß als Lichtsender eine Glühlampe verwendet ist, die auf einer Seite
der Libelle so angeordnet ist, daß sie auf die Mtite der in der Mittelstellung befindlichen
Gasblase ausgerichtet ist, daß zur überwachung der Mittelstellung der Gasblase
zwei
Photozellen vorgesehen sind, die auf der anderen Seite der Libelle angeordnet sind,
daß sie in den durch die Enden der in der Mittelstellung befindlichen Gasblase gehenden
Strahlengänge liegen und daß die gleich großen Ausgangssignale der beiden Photozellen
über einen Differenzverstärker als Kennzeichen für die Mittelstellung der Gasblase
auswertbar sind. Die beiden Photozellen können in der Mittelstellung der Libelle,
die der Horizontalstellung der Meßfläche zugeordnet ist, so einjustiert werden,
daß sie exakt gleiche Ausgangssignale abgeben. Bei der kleinsten Abweichung der
Gasblase von der Mittelstellung werden die Ausgangssignale der beiden Photozellen
sofort verschieden und das Anzeigesignal entfällt.
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Um auch die Richtung der Abweichung der vorgegebenen Schräglage von
der Meßfläche anzuregen, sieht eine einfache Weiterbildung vor, daß als Lichtempfänger
zwei weitere Photodioden vorgesehen sind, die so angeordnet sind, daß sie etwa um
die Abmessung der Gasblase zu den Enden der Libelle hin versetzt sind und dieEndstellungen
der Gasblase überwachen. Dabei ist die weitere Ausgestaltung so, daß die Ausgangssignale
der Photozellen paarweise Differenzverstärker steuern und daß die Ausgangssignale
der Differenzverstärker einer Auswertelogik zuführbar sind, die daraus Steuersignale
für Anzeigelampen ableiten, welche einzeln und/oder in Kombination die Mittelstellung
und die Endstellungen der Gasblase anzeigen.
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Die Erfindung wird anhand von verschiedenen, in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 in Seitenansicht das offene
Gehäuse einer elektronischen Wasserwaage mit einer drehbar gelagerten Scheibe und
Libelle, Fig. 2 die Draufsicht auf die Oberseite der Wasserwaage nach Fig. 1,
Fig.
3 in Seitenansicht ein anderes Ausführungsbeispiel der elektronischen Wasserwaage
nach der Erfindung, bei der ein Elektromotor die Stellbewegungen ausführt, Fig.
4 die Draufsicht auf die Oberseite der Wasserwaage nach Fig. 3, Fig. 5 ein Schaltschema
für die der Libelle zugeordnete Schalteinrichtung und Anzeigeeinrichtung und Fig.
6 eine Prinzipschaltung der Auswerte- und Anzeigeeinrichtung.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 3 wird ein quaderförmiges
hohles Gehäuse 10 verwendet, dessen Stirnseiten mit Deckeln 11 und 12 verschlossen
sind. Der Deckel 12 deckt den Aufnahmeraum 13 ab, in dem die zur Versorgung der
elektronischen Einrichtungen erforderlichen Batterien 14 untergebracht sind. Die
Bodenwand des Gehäuses 10 bildet die Meßfläche und die Schräglage wird in Längsrichtung
dieser Bodenwand gemessen.
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Als Neigungsmeßeinrichtung ist in. dem Gehäuse 10 die Scheibe 15 drehbar
gelagert, wobei die Drehachse 16 parallel und quer zur Längsrichtung der Meßfläche
ausgerichtet ist. Auf dieser Scheibe 15 ist die herkömmliche Libelle 17 mit der
Gasblase 18 befestigt und zwar außerhalb der Drehachse 16. Die Ausrichtung der Libelle
17 ist so, daß sie in der gezeigten Nullstellung über der Drehachse 16 liegt und
tangential sowie parallel zur Meßfläche verläuft. Die Scheibe 15 ist als Zahnrad
ausgebildet, welches mit seiner Verzahnung 29 im Eingriff mit dem Antriebszahnrad
30 steht. Dieses Antriebszahnrad 30 ist koaxial zu dem Skalenring 31 angeordnet
und drehfest mit diesem verbunden. Um die Scheibe 15 ist der Seilzug 36 geschlungen,
dessen erstes Ende über die Zugfeder 35 am Punkt 34 des Gehäuses 10 befestigt
ist.
Das andere Ende des Seilzuges 36 ist an der Stellmutter 37 angebracht, die auf der
Stellspindel 38 verstellbar ist. Die Stellspindel 38 ist mittels-der beiden Lagern
39 und 48 im Gehäuse 10 drehbar gelagert und trägt zwischen den beiden Lagern 39
und 48 drehfest die Einstellscheibe 40 und ein Zahnrad 41. Dieses Zahnrad 41 steht
mit einem großen Zahnrad 42 im Eingriff, das mit dem Zahnrad 43 drehfest auf der
Lagerwelle 46 sitzt. Die Lagerwelle 46 wird mittels der Lager 49 und 51 im Gehäuse
10 gelagert. Das Zahnrad 43 steht mit einem Zahnrad 44 im Eingriff, das auf der
Stellwelle 47 drehfest befestigt ist. Die in den Lagern 50 und 52 gelagerte Stellwelle
47 trägt die weitere Einstellscheibe 45. Wie die Fig. 2 zeigt, ragen die Skalenscheibe
31 mit ihrerAnzeigeskala 32 und die Einstellscheiben 40 und 45 teilweise durch Durchbrüche
in der Oberseite 19 des Gehäuses 10, so daß sie leicht bedient werden können.
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Wird die Einstellscheibe 40 verdreht, dann wird je nach Drehrichtung
die Stellmutter 37 in der einen oder anderen Richtung auf der Stellspindel 38 verstellt.
Über den Seilzug 36 wird die Stellbewegung der Stellmutter 37 in eine Drehbewegung
für die Scheibe 15 umgesetzt, wobei die Zugfeder 35 den Seilzug 36 stets gespannt
hält. Mit der Verdrehung der Scheibe 15 wird auch die Skalenscheibe 31 in entgegengesetzter
Richtung verdreht. Dabei wird ein kleiner Drehwinkel der Scheibe 15 in einen größeren
Drehwinkel der Skalenscheibe 31 übersetzt. Wird jedoch die Einstellscheibe 45 verdreht,
dann werden durch das zweistufige Untersetzungsgetriebe mit den Zahnrädern 41,42,43
und 44 für eine Umdrehung der Stellspindel 38 mehrere Umdrehungen der Einstellscheibe
45 benötigt. Es steht daher selbst für einen sehr kleinen Einstellwinkel der Scheibe
15 ein großer Stellwinkel an der Einstellscheibe 45 zur Verfügung, was eine höhere
Einstellgenauigkeit mit sich bringt.
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Wie Fig. 3 zeigt, ist auf der einen Seite der Libelle 17 an der Scheibe
15 der als Glühlampe 20 ausgebildete Lichtsender angebracht.
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Die Glühlampe 20 ist so angebracht, daß sie auf die Mitte der in Mittelstellung
befindlichen Gasblase 18 ausgerichtet ist. Auf der anderen Seite der Libelle 17
sind an der Scheibe 15 die vier Photozellen 25 bis 28 angeordnet. Dabei kann die
Scheibe 15 mit entsprechenden Befestigungsaufnahmen 21 bis 24 versehen sein. Die
Photozellen 26 und 27 sind so auf Abstand angeordnet, daß sie in dem Strahlengang
der Glühlampe 20 liegen, welcher die Enden der sich in Mittelstellüng befindlichen
Gasblase 18 schneidet. Die Photozellen 26 und 27 können so einjustiert werden, daß
sie in der Mittelstellung der Gasblase 18 exakt gleiche Ausgangssignale liefern.
Sobald die Gasblase 18 auch nur geringfügig aus der Mittelstellung wandert, entstehen
sofort unterschiedliche Ausgangssignale an den Photozellen 26 und 27. Wird, wie
Fig. 6 zeigt, den Photodioden PZ mit den Bezugszeichen 26 und 27 ein Differenzverstärker
V1 nachgeschaltet, dann gibt dieser nur ein Ausgangssignal ab, wenn die Ansteuersignale
gleich sind, d.h. wenn sich die Gasblase 18 in der Mittelstellung befindet. Im Bereich
der Enden der Libelle 7 sind weitere Photozellen 25 und 28 an der Scheibe 15 festgelegt,
mit denen die Endstellungen der Gasblase 18 überwacht und angezeigt werden können.
Die Photozellen 25 und 28 weisen dabei einen Abstand von den benachbarten Photozellen
26 und 27 auf, der etwa durch die Abmessung der Gasblase 18 gegeben ist. Die Photozellen
25 und 26 steuern den Differenzverstärker V3 und die Photozellen 27 und 28 den Differenzverstärker
V2. Die Ausgangssignale der Differenzverstärker V1, V2 und V3 steuern eine Auswertelogik
AWL, an der die Anzeigelampen 53,54,55 und 56 angeschaltet sind. Diese Anzeigelampen
sind in der Oberseite 19 des Gehäuses 10 paarweise angeordnet, dabei können die
Anzeigelampen 54 und 55 grüne und die Anzeigelampen 53 und 56 rote Leuchtdioden
sein.
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Leuchten die Anzeigelampen 54 und 55 auf, dann ist die vorgegebene
Schräglage
erreicht. Leuchtet die Anzeigelampe 53 oder die Anzeigelampe 56 auf, dann wird die
Richtung der Abweichung von der vorgegebenen Schräglage bzw. Horizontallage angezeigt.
Dabei kann durchaus auch die benachbarte Anzeigelampe 54 oder55 mit aufleuchten.
Bei der Auswerteschaltung nach Fig. 6 ist davon ausgegangen, daß bei gleicher Ausleuchtung
der Photozellen 25 und 26 durch die Lichtquelle LQ die Glühlampe 20 dem Differenzverstärker
V3 ein Ausgangssignal abgibt, welches über die Auswertelogik AWL die Anzeigelampe
53 einschaltet.
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Bei gleicher Ausleuchtung der Photozellen 26 und 27 gibt der Differenzverstärker
V1 ein Ausgangssignal ab, das über die Auswertelogik AWL die Einschaltung der Anzeigelampen
54 und 55. Werden dagegen die PhotozelIen -27 und 28 gleich ausgeleuchtet, dann
gibt der Differenzverstärker V2 ein Ausgangssignal ab, das über die Auswertelogik
AWL die Anzeigelampe 56 einschaltet.
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Wie Fig. 2 zeigt, kann neben dem Durchbruch in der Oberseite 19 des
Gehäuses 10 für die Skalenscheibe 31 die Markierung 33 angebracht sein, die das
Ablesen der Anzeigeskala 32 des Skalenringes 31 erleichtert. Außerdem können zwischen
den Einstellscheiben 40 und 45 noch die Anzeigelampen 57 und 58 angeordnet sein,
welche den Einschaltzustand bzw. den Ausschaltezustand der elektronischen Wasserwaage
anzeigen. Die Einstellscheibe 40 kann ebenfalls eine Skala tragen, die gegenüber
der Skalenscheibe 31 eine feinere Gradeinteilung aufweist.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 und 5 ist die Scheibe 15 mit
der Libelle 17 und den Photozellen gleich ausgebildet, wie bei dem Ausführungsbeispiel
nach Fig. 1 bis 3. Die Stellspindel 38 ist im Lager 39 gelagert und trägt drehfest
das Zahnrad 41, das mit dem auf der Motorwelle 59 des Elektromotors 60 drehfest
aufgebrachten Zahnrad 42 im Eingriff steht. Dabei bilden die Zahnräder 41 und 42
eine
Untersetzung, so daß sich die Motorwelle 59 öfters drehen
muß als die Stellspindel 38. Zur Anzeige der gewünschten Schräglage ist die Digitalanzeigeeinrichtung
62 in die Oberseite 19 des Gehäuses 10 eingebaut. Außerdem sind in der Oberseite
19 des Gehäuses drei Schalttasten 63, 64 und 65 eingebaut. Wird die mit S bezeichnete
Schalttaste 65 betätigt, dann wird der Elektromotor 60 in die definierte Ausgangsstellung
eingestellt, in der die Scheibe 15 mit der Libelle 17 die Nullage einnimmt. Mit
den mit R und L bezeichneten Schalttasten 63 und 64 wird die Drehrichtung des Elektromotors
60-ausgewählt, der z.B. solange in Betrieb ist, wie die Schalttaste 63 oder 64 betätigt
ist. Bei der Drehbewegung des Elektromotors 60 gibt ein Drehimpulsgeber Impulse
ab, die die elektronische Auswerteeinrichtung 61 aufaddiert und in eine Information
umsetzt, welche an der Digitalanzeigeeinrichtung 62 angezeigt und die erreichte
Schräglage der Libelle 17 kennzeichnet.
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Die Anordnung kann jedoch auch so sein, daß eine elektronische Eingabeeinrichtung
vorhanden ist, über die die gewünschte Schräglage eingegeben wird. Dabei wird eine
Information abgeleitet, die den Elektromotor 60 entsprechend in Drehbewegungen versetzt.
Auch hier kann ein Drehimpulsgeber des Elektromotors 60 zur Abzählung der-Bewegungsschritte
von Vorteil sein.