DE3249101C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Nivelliervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Theodoliten und andere Vermessungsinstrumente enthalten Vor­ richtungen zur Korrektur oder Kompensation eines ungenauen Aufbaus des Vermessungsinstruments, der beispielsweise durch unkontrollierte Bewegungen des Stativs und der Alhidade, d. h. der drehbaren Grundplatte des Instruments, verursacht sein kann. Bekannte Korrektur- oder Kompensationsvorrichtungen haben verschiedene Nachteile, wie etwa einen erheblichen Platzbedarf sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung, so daß sie für eine Montage auf oder nahe der vertikalen Drehachse der Grundplatte nicht geeignet sind. Weiter haben die bekannten Vorrichtungen eine unerwünschte Hysterese, die zu Stabilitätsproblemen führt, oder sie sind nicht hinreichend empfindlich.

In der US-PS 27 11 590 ist eine Nivelliervorrichtung der eingangs genannten Gattung beschrieben, welche ein elektrisches Ausgangssignal abgibt, anhand dessen die Nivellierung durch­ geführt werden kann. Sie umfaßt in einem Behälter zwei Platten­ kondensatoren, zwischen denen eine Quecksilberschicht enthalten ist, die bei einer Verkippung aus der Horizontalen unterschied­ liche Kapazitätswerte der beiden Plattenkondensatoren bewirkt. Diese Art einer Nivelliervorrichtung weist einen einfachen Aufbau auf und läßt wegen des elektrischen Ausgangssignals eine rasche Auswertung zu, jedoch zeigt sich in der Praxis, daß die erzielbare Meßgenauigkeit gering ist.

Aus der DE-OS 23 01 511 ist ferner ein Gerät zum Messen des Neigungs- und Rollwinkels bekannt, das auch als Nivellier­ vorrichtung eingesetzt werden kann, bei dem das Ausgangs­ signal auf Impedanzveränderungen beruht, die durch gravi­ tationsbestimmte Abstandsänderungen eines in einem Gehäuse aufgenommenen Pendels hervorgerufen werden. Das Ausgangssignal entspricht dabei jeweils der Auslenkung des Pendels aus der Vertikalen. Dieser Vorrichtung entsprechen im elektrischen Ersatzschaltbild zwei jeweils gegenphasig mit Wechselspannung gespeiste Kondensatoren, wobei das Ausgangssignal über einen Verstärker an der den Kondensatorpaaren gemeinsamen Elektrode abgegriffen wird.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe steht darin, eine Nivelliervorrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Gattung zu schaffen, die eine verbesserte Meßgenauig­ keit besitzt.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zu­ grunde, daß die Meßgenauigkeit in starkem Maß durch die stets vorhandene Streukapazität des leitenden Bezugselements gegen Erde beeinträchtigt wird. Diese Streukapazität ist nämlich in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen, von der Temperatur und vom Abstand und der Lage bezüglich des Erdpotentials ver­ änderlich.

Ausgehend von dieser Erkenntnis ist daher erfindungsgemäß vor­ gesehen, daß das Paar der zur Messung verwendeten Kondensatoren mit gegenphasigen Wechselspannungen derart gespeist wird, daß das Produkt aus Kapazität und anliegender Spannung an den beiden Kondensatoren dann gleich groß ist, wenn die Bezugsfläche hori­ zontal nivelliert ist. Unter diesen Bedingungen ist es möglich, mit einem den invertierenden Verstärker vom Ausgang zum Ein­ gang überbrückenden Rückkopplungskondensator die unerwünschte Streukapazität zu kompensieren, so daß diese ihren Einfluß auf die Meßgenauigkeit verliert.

Zusätzlich und in besonders vorteilhafter Weise ist es mit dieser Anordnung überdies möglich, auch Temperatureinflüsse auf das Meßergebnis der Nivelliervorrichtung zu vermindern, sofern der Kapazitätswert des Rückkopplungskondensators ent­ sprechend eingestellt wird.

Wenn die Nivelliervorrichtung gemäß der Erfindung zum Ni­ vellieren beispielsweise der Alhidade oder der drehbaren Grundplatte eines Theodoliten benutzt werden soll, so kann diese Nivellierung selbsttätig oder aber von Hand erfolgen. Im ersteren Fall wird das Ausgangssignal der Vorrichtung zur Steuerung von Nivelliermotoren benutzt, welche die Lage der Grundplatte verändern, bis das Ausgangssignal der Vor­ richtung zu Null geworden ist. Im letzteren Fall stellt der Benutzer die Lage der Grundplatte von Hand nach, bis das Ausgangssignal zu Null geworden ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Nivelliervorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung in beispielsweise gewählter Ausführungsform schematisch ver­ einfacht dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Nivellierzelle, die einen Teil der Vorrich­ tung nach der Erfindung bildet;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Nivellierzelle nach Fig. 1;

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils der Fig. 3;

Fig. 5 ein äquivalentes Schaltbild entsprechend der Fig. 4;

Fig. 6 eine andere Elektrodenanordnung für die Nivel­ lierzelle;

Fig. 7 ein äquivalentes Schaltbild einer Vorrichtung mit einer Elektrodenanordnung gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine weitere Art der Anordnung der Elektroden;

Fig. 9 ein äquivalentes Schaltbild einer weiteren Aus­ führungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 10 und 11 eine perspektivische Darstellung und einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Nivellierzelle als Bestandteil der Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der me­ chanischen Konstruktion der Nivellierzelle. Ein als Schale 1 ausgebildeter Behälter aus elektrisch isolierendem Werkstoff mit einem nach außen weisenden, zu dem Boden der Schale 1 pa­ rallelen Rand enthält als Bezugselement eine leitende Flüssig­ keit 2 wie etwa Quecksilber. Die Außenfläche der Schale 1 ist mit einem leitenden Überzug 3 versehen.

Über der Schale 1 befindet sich eine plane starre Platte 4 aus elektrisch isolierendem Werkstoff. Die Platte 4 ist mit einem leitenden Muster 5′ versehen, das etwa denselben Durchmesser wie der Boden der Schale 1 hat. Vorzugsweise be­ findet sich das Muster 5′ an der Unterseite der Platte, d. h. der der Flüssigkeit 2 zugekehrten Seite der Platte. Die obe­ re Seite der Platte 4 kann ebenso mit einem leitenden Über­ zug 5′′ versehen sein. Dieser Überzug kann geerdet sein; ein Teil des leitenden Musters 5′ kann jedoch auch auf dieser Seite angebracht sein.

Der Raum zwischen der Flüssigkeit 2 und der Platte 4 ist mit einem dielektrischen Fluid gefüllt, bei dem es sich um Luft oder ein inertes Gas handeln kann. Um jedoch Oberflä­ chenwellen der Flüssigkeit, die von Erschütterungen des mit der Nivellierzelle ausgestatteten Instruments herrühren kön­ nen, zu unterdrücken, wird bevorzugt, diesen Raum mit einer dämpfenden dielektrischen Flüssigkeit zu füllen. Wenn die leitende Flüssigkeit Quecksilber ist, kann ein gegenüber Quecksilber inertes Silikonöl mit einer Viskosität, die die Bildung von Quecksilbertröpfchen verhindert, benutzt werden.

Wenn das dielektrische Fluid Luft oder ein inertes Gas ist, hat die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit 2 keinen nen­ nenswerten nachteiligen Effekt auf die mechanische Stabili­ tät der Vorrichtung. Die Schale 1 kann dann aus nachgiebigem oder starrem Werkstoff bestehen. Wenn andererseits das dielek­ trische Fluid eine dämpfende Flüssigkeit ist, besteht die Schale 1 bevorzugt aus einem weichen oder elastischen Werk­ stoff, der die Wärmedehnungen der leitenden Flüssigkeit auf­ nehmen kann. Es ist jedoch auch möglich, die Schale 1 aus einem starren Werkstoff herzustellen und eine getrennte Aus­ dehnungskammer, die mit der Schale 1 kommuniziert, vorzu­ sehen.

Über der Platte 4 befindet sich ein Deckel 6 aus einem leitenden Werkstoff oder aus einem nichtleitenden Werkstoff mit einem leitenden Überzug. Der Deckel 6 hat die Form einer umgekehrten Schale ähnlich der Schale 1.

Die Schale 1, die Platte 4 und der Deckel 6 sind mittels dreier Schrauben zusammengespannt, die in gleichen Abständen am Umfang der Zelle angeordnet sind. Die Zelle ist auf oder nahe der vertikalen Drehachse des nicht dargestellten Theodo­ liten oder eines anderen Vermessungsinstruments angebracht und mit der nicht dargestellten Grundplatte oder Alhidade über drei Lappen 7, 8 und 9 verbunden.

Obwohl die Schale 1 gemäß der in den Fig. 1 und 2 darge­ stellten Ausführungsform bevorzugt kreisförmig ist, sind auch andere Formen möglich. Wesentlich ist jedoch, daß die Schale in der Aufsicht symmetrisch zu waagerechten Achsen ist, die sich in den Richtungen erstrecken, in denen eine Abweichung von der nivellierten Position festgestellt werden soll. In allen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wird eine Abweichung von der nivellierten Position in zwei zuein­ ander orthogonalen Richtungen festgestellt, jedoch ist dies nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen, sondern eine Lageabweichung kann auch in mehr als zwei Richtungen oder in zwei nicht orthogonalen Richtungen festgestellt werden. Im Fall von zwei orthogonalen Richtungen kann die Schale 1 kreis­ förmige, elliptische, rechteckige, achteckige oder ähnliche Gestalt haben.

In der Mitte des Bodens der Schale 1 ist ein leitender Durchführungszapfen 10 in einer isolierenden Lagerung 11 angeordnet. Um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Flüssigkeit 2 und dem Zapfen 10 zu erzielen, ist der Boden der Schale 1 mit einer leitenden Beschichtung 10′ versehen, mit der der Zapfen 10 verbunden ist. Der Zapfen 10 muß daher nicht sehr weit in die Flüssigkeit 2 hineinreichen. Hierdurch wird die Bewegung der Flüssigkeit 2 zufolge einer Bewegung des die Nivellierzelle enthaltenden Instrumentes beim Ein­ richten gering gehalten. Der Zapfen 10 befindet sich vorzugs­ weise genau in der Mitte der Beschichtung 10′.

Ein Blockschaltbild der hier vorgeschlagenen Vorrichtung mit einer Zelle nach den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 wieder­ gegeben. Das leitende Muster 5′ auf der Platte 4 ist in fünf Teile A, B, C, D und E unterteilt, von denen die vier Teile A, B, C und D Dreieckteile sind, die zwei sich nahe dem Mit­ telpunkt der Platte 4 schneidende Seiten und eine längs eines Kreisbogens in der Nähe des Umfangs der Platte verlaufende dritte Seite haben. Die vier Teile A, B, C, D sind in gleichen Abständen angeordnet und bilden ein Muster, das zu zwei ortho­ gonalen Achsen X und Y symmetrisch ist, die sich in der Mitte der Platte 4 schneiden.

Die Teile A bis E des leitenden Musters 5′ dienen jeweils als eine Platte oder Elektrode eines Kondensators, dessen andere Platte oder Elektrode aus der leitenden Flüssigkeit 2 besteht. Festzuhalten ist, daß es für eine befriedigende Arbeitsweise nicht notwendig ist, daß die Teile oder Elektro­ den A bis D kongruent sind. Die einzigen wesentlichen Bedin­ gungen, die erfüllt sein müssen, bestehen darin, daß das Pro­ dukt der Kapazität jedes Kondensators und der an ihn angeleg­ ten Spannung für je zwei auf derselben Achse X oder Y liegen­ de Kondensatoren gleich sein muß, wenn die durch die Achsen definierte Ebene parallel zu der schwerkraftnivellierten Be­ zugsfläche ist, die durch die leitende Flüssigkeit 2 definiert ist, und daß die Teile oder Elektroden A, B und C, D auf je­ der Achse X und Y symmetrisch zu der anderen Achse Y bzw. X sind, so daß Rückwirkungen der Achsen vermieden werden kön­ nen.

Das fünfte Teil oder die fünfte Elektrode E hat die Form eines Kreuzes, dessen Ränder symmetrisch zwischen benachbar­ ten geraden Seiten der Teile A bis D liegen.

Der leitende Überzug 3 der Schale 1 und der Deckel 6 sind geerdet.

Zu der Vorrichtung gehört weiterhin eine Wechselspannungs­ quelle mit zwei Transformatoren 12 und 13. Die Primärwicklung des Transformators 12 wird mit einer Wechselspannung v (0°) versorgt. Eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung ist geer­ det, während die jeweiligen Wicklungsenden mit den Elektroden A bzw. B verbunden sind. Die Primärwicklung des Transforma­ tors 13 wird mit einer Wechselspannung v (90°) versorgt, die in bezug auf die Spannung v (0°) eine Phasenverschiebung von 90° hat. Die Sekundärwicklung hat ebenfalls eine geerdete Mittenanzapfung und ihre Wicklungsenden sind mit den Elektro­ den C bzw. D verbunden.

Der Zapfen 10 verbindet die leitende Flüssigkeit 2 mit dem negativen oder invertierenden Eingang eines Operationsver­ stärkers 14, dessen positiver oder nichtinvertierender Eingang geerdet ist.

Der Verstärker 14 ist mit einem Rückkopplungskondensator geschaltet, der ein getrennter Kondensator sein kann. Vor­ zugsweise ist jedoch statt dessen der Ausgang des Verstär­ kers mit der Elektrode E verbunden, da dann eine Temperatur­ kompensation erzielt werden kann, wie nachfolgend noch ge­ nauer beschrieben werden wird.

Der Ausgang des Verstärkers 14 ist mit einem ersten Pha­ sendetektor 15 verbunden, der das Ausgangssignal während der­ jenigen Phasenintervalle der Wechselspannung v (0°) erfaßt, während derer die der Flüssigkeit 2 über die zwischen ihr und den Elektroden A und B gebildeten Kondensatoren zuge­ führten Spannungen Änderungen des Ausgangssignals in der gleichen Richtung bewirken, wobei in der Mitte des gleichen Phasenintervalls die der Flüssigkeit 2 über die zwischen ihr und den anderen Elektroden C und D gebildeten Kondensatoren zugeführten Spannungen einen Nulldurchgang haben. Dasselbe gilt für einen zweiten Phasendetektor 17 zur Feststellung von Abweichungen von der nivellierten Lage, wenn die zu den Elektroden C und D gehörigen Kapazitäten verschieden werden.

Um die obenerwähnten Meßintervalle festzulegen, wird dem Phasendetektor 15 eine Rechteckspannung mit derselben Pha­ senlage wie die an dem Transformator 12 anliegende Spannung v (0°) und dem Phasendetektor 17 eine Rechteckspannung mit derselben Phasenlage wie die an dem Transformator 13 anlie­ gende Spannung v (90°) zugeführt.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 15 während einer Halbwelle wird in einem Verstärker 16 verstärkt. Das Aus­ gangssignal dieses Verstärkers hat eine bestimmte Beziehung zu der Winkelabweichung der Platte 4 längs einer durch die Flächenschwerpunkte der Elektroden A und B (X-Achse) gezoge­ nen Linie gegenüber der Horizontalen oder der Nivellierlage.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 17 während einer Halbwelle wird in einem Verstärker 18 verstärkt. Das Aus­ gangssignal dieses Verstärkers steht in einer bestimmten Be­ ziehung zu der Winkelablage der Platte 4 längs einer durch die Flächenschwerpunkte der Elektroden C und D gezogenen Linie (Y-Achse) gegenüber der Horizontalen oder Nivellier­ position.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 14 kann auch in ande­ rer Weise detektiert werden, zum Beispiel nur während vor­ gegebener Phasenlagen oder zu bestimmten Phasenwinkeln ab­ gefühlt werden.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild und Fig. 5 ein äquivalentes Schaltbild zu Fig. 3 für denjenigen Teil der Vorrichtung, der die Elektroden A, B und E und den Opera­ tionsverstärker 14 umfaßt, also für denjenigen Teil, der die Winkelabweichung um die X-Achse liefert. Die angelegten Wechselspannungen haben die gleiche Amplitude, jedoch eine gegenseitige Phasenverschiebung von 180° und werden den Elektroden A und B zugeführt.

Wenn die Zelle genau nivelliert ist, sind die Kapazitäten der durch die Elektroden A bzw. B und die Flüssigkeit 2 ge­ bildeten Kondensatoren C _A bzw. C _B gleich groß. Wenn die Vor­ richtung um die Y-Achse verkippt ist, so daß die Platte 4 mit den Elektroden A, B und E nicht mehr parallel zu der Flüssigkeitsoberfläche ist, ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren C _A und C _B in gegensinniger Richtung. Zwischen der Flüssigkeit und dem geerdeten Anschluß tritt eine Wechsel­ spannung auf. Diese Wechselspannung wird dem phaseninvertie­ renden Eingang des Verstärkers 14 zugeführt und wird vom Aus­ gang dieses Verstärkers rückgekoppelt über den Kondensator C _E , der zwischen der Elektrode E und der Flüssigkeit gebil­ det ist. Durch diese Maßnahme wird die Flüssigkeit 2 wieder auf ein Potential gebracht, das zumindest annähernd gleich 0 V ist.

Festzuhalten ist, daß für je zwei zusammengehörende Elektro­ den das Produkt aus der angelegten Spannung und der Kapazität des zugehörigen Kondensators gleich groß sein muß. Dies bedeu­ tet, daß dann, wenn an eine von zwei zusammengehörigen Elek­ troden eine Spannung angelegt wird, die doppelt so groß ist wie die an der anderen Elektrode anliegende Spannung, die Fläche der ersten Elektrode halb so groß sein muß wie die Fläche der zweiten Elektrode. Es ist also ohne weiteres mög­ lich, zusammenwirkende Elektroden unterschiedlicher Größe vor­ zusehen.

Da mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung nur kleine Win­ kelabweichungen von der Nivellierposition detektiert werden, sind die Kapazitäten C _A , C _B , C _E proportional zu der Fläche A der Elektroden, dividiert durch den Abstand d zwischen den Elektroden und der Flüssigkeitsoberfläche, d. h. proportional zu ^A / _d . Berechnungen haben gezeigt, daß eine Temperaturkom­ pensation der Vorrichtung erreicht werden kann, wenn die Elektroden A, B, C, D auf der Oberseite der Platte 4 (vgl. Fig. 1) und das Muster E auf der Unterseite der Platte 4 angeordnet werden und die Dicke der Platte 4 etwa gleich dem Abstand zwischen der Platte 4 und der Oberfläche der Flüssigkeit 2 ist. Dies gilt für alle in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsformen.

In der in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungs­ form wird das Potential der Flüssigkeit 2 unmittelbar abge­ fühlt. Da Potentialabweichungen von einem Mittelwert in be­ stimmten Phasenpositionen die am meisten interessierende Größe darstellen, kann der Abgriff auch kapazitiv erfolgen. Dies ist in der Ausführungsform gemäß den Fig. 6 und 7 der Fall. Fig. 6 zeigt das Muster auf der Platte 4 und Fig. 7 zeigt ein äquivalentes Schaltbild der Vorrichtung mit Aus­ nahme der auf den Verstärker 14 folgenden Schaltungsteile einschließlich der Phasendetektoren 15 und 17 (vgl. Fig. 3). Im Gegensatz zu Fig. 5 zeigt Fig. 7 das äquivalente Schalt­ bild sowohl für die X-Achse als auch für die Y-Achse, d. h. das Schaltbild enthält sämtliche Kondensatoren C _A , C _B , C _C und C _D .

Wie in Fig. 3 ist das leitende Muster in Quadranten un­ terteilt. In der Mitte des Musters ist ein kreisförmiger Teil F angeordnet. Dieser kreisförmige Teil ist mit dem phaseninvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 verbunden; der detektierende Kondensator C _F besteht zwi­ schen dem Teil F und der Flüssigkeit 2. Der Rückkopplungs­ kondensator C _E wird aus dem Teil E′ des Musters gebildet, der aus einem den kreisförmigen Teil E′ umgebenden Ring be­ steht. Von dem Ring aus erstrecken sich vier in gleichmä­ ßigen Abständen angeordnete Arme radial nach außen zum Um­ fang.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist das Muster in Quadranten I, II, III, IV unterteilt, die durch zwei zueinander orthogonale Durchmesserlinien durch die Arme des Elektrodenmusters definiert sind.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist die geerdete Anzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 12 gegenüber der elektri­ schen Mitte der Wicklung derart versetzt, daß die Spannung über den einen Wicklungsabschnitt der Sekundärwicklung dop­ pelt so groß ist wie die Spannung über den anderen Wicklungs­ abschnitt. Um dasselbe Ergebnis wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 zu erzielen, muß die Fläche der Elektrode A′, die mit dem äußeren Anschluß des die Spannung 2u liefernden Wicklungsabschnittes verbunden ist, halb so groß sein wie die Elektrode B′, die mit dem Anschluß des die Spannung u lie­ fernden Wicklungsabschnittes verbunden ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sind die Elektroden A′ und C′ halb so breit wie die Elektroden B′ und D′.

In den Fig. 6 und 7 ist eine Möglichkeit zur Kompensation einer mechanisch fehlerhaften Ausrichtung der Nivellierzelle gezeigt. Diese Kompensation wird durch Elektrodensegmente A′′, B′′, C′′, D′′ erzielt, die zwischen jedem Arm des Elektroden­ segmentes E′ und den benachbarten Rändern der Elektrodenseg­ mente A′ bis D′ angeordnet sind. Die Elektrodensegmente A′′ auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode A′ sind außerhalb des Musters miteinander verbunden, ebenso die Elektrodensegmen­ te B′′ zu beiden Seiten der Elektrode B′ usw. Vorzugsweise sind die Elektrodensegmente A′′ bis D′′ in demselben Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche wie der Teil E′ angeordnet.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird die Kompensation mittels eines Potentiometers 20 erzielt, das parallel zu der Sekun­ därwicklung des Transformators 12 liegt, wobei die Elektro­ densegmente A′′, B′′ mit dem Potentiometerschleifer verbun­ den sind, sowie mittels eines Potentiometers 21, das paral­ lel zu der Sekundärwicklung des Transformators 13 liegt, wo­ bei die Elektrodensegmente C′′ und D′′ mit dem Potentiometer­ schleifer verbunden sind.

Um zu verhindern, daß die große Kapazität zwischen der Flüssigkeit 2 und dem Überzug 3 einen merklichen Einfluß auf die Auswerteschaltung hat und um gleichzeitig den Überzug "zu erden", um eine Abschirmwirkung zu erreichen, kann der Überzug 3 über eine sogenannte bootstrap-Schaltung 19 mit demselben Potential wie die Flüssigkeit verbunden werden. In Fig. 7 ist die bootstrap-Schaltung in Form eines Verstär­ kers mit dem Verstärkungsfaktor 1 gezeichnet.

In Fig. 7 ist auch die Kapazität C _S zwischen der Flüssig­ keit 2 und der Abschirmung 6 symbolisch dargestellt. Diese Kapazität sollte so klein als möglich sein, läßt sich jedoch nicht vollständig vermeiden.

In Fig. 7 ist die Flüssigkeit 2 nicht unmittelbar mit dem phaseninvertierenden Eingang des Verstärkers 14 verbunden. Statt dessen werden die Potentialveränderungen kapazitiv über den Kondensator C _F abgefühlt.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Vorrichtung dargestellt. Diese Ausfüh­ rungsform des leitenden Musters und der Schaltung ist gegen­ wärtig die vorteilhafteste. In dieser Ausführungsform werden die Einrichtungen zur Detektierung einer Winkelabweichung um die X-Achse und die Y-Achse getrennt und abwechselnd mit Spannung versorgt. Es ist ein einziger Transformator 22 vor­ gesehen, dessen Sekundärwicklung eine geerdete Mittelanzap­ fung hat. Der eine Anschluß der Sekundärwicklung ist mit dem einen Anschluß von zwei Schaltern 23, 24 verbunden, der an­ dere Anschluß der Wicklung ist mit zwei Schaltern 25, 26 ver­ bunden. Die Schalter 23 bis 26 werden durch einen Betätiger SW wiederholt und gemeinsam betätigt, so daß die Schalter 23, 25 geöffnet sind, wenn die Schalter 24, 26 geschlossen sind und umgekehrt. Die Periodendauer des Schaltzyklus ist wesentlich länger als die Periodendauer der an der Primär­ wicklung des Transformators 22 anliegenden Wechselspannung. Somit sind in der einen Schaltstellung die Kondensatoren C _a , C _b wirksam, so daß die Vorrichtung Winkelabweichungen von der Nivellierlage längs der X-Achse (also um die Y-Achse) feststellt.

Das leitende Muster auf der Platte 4 ist in Fig. 8 darge­ stellt. In dieser Ausführungsform sind Korrekturelektroden a′, b′, c′, d′ auf gegenüberliegenden Seiten jeder Elektrode a, b, c, d angeordnet und miteinander durch leitende, gebo­ gene Streifen verbunden, die radial innerhalb der zugehöri­ gen Elektrode a-d verlaufen. Wie in der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform sind die Korrekturelektroden a′, b′ mit dem Schleifer eines Potentiometers 20 verbunden, der parallel zu den Elektroden a und b liegt, während die Korrek­ turelektroden c′, d′ mit dem Schleifer eines Potentiometers 21 verbunden sind, das parallel zu den Elektroden c und d liegt.

Die Flüssigkeit 2 ist unmittelbar leitend (galvanisch) mit einer Pufferstufe verbunden, die aus einem Verstärker 27 mit dem Verstärkungsfaktor 1 und einem hohen Eingangswiderstand besteht. Der Ausgang des Verstärkers 27 ist mit dem phasen­ invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 verbun­ den, dessen Ausgang mit der Elektrode e verbunden ist, die eine symmetrische Kreuzform hat. Der Ausgang des Verstärkers 14 ist weiterhin mit einem Phasendetektor 28 verbunden. Der Transformator 22 hat eine weitere Sekundärwicklung 29, deren einer Anschluß geerdet ist und deren anderer Anschluß mit dem Eingang des Phasendetektors 28 verbunden ist. Der Phasen­ detektor 28 stellt die Größe des Ausgangssignals des Ver­ stärkers 14 während einer Halbwelle der Versorgungsspannung fest. Ein Umschalter 30, der gemeinsam (im Synchronismus) mit den Schaltern 23 bis 26 betätigt wird, ist mit seinem beweglichen Schaltkontakt mit dem Ausgang des Phasendetek­ tors 28 verbunden. Seine feststehenden Kontakte sind jeweils mit einer mittelwertbildenden Schaltung 31 bzw. 32 verbunden. Jede dieser Schaltungen errechnet den Mittelwert des Ein­ gangssignals über die Zeitdauer dessen Anliegens. Eine sehr einfache Ausführungsform einer mittelwertbildenden Schal­ tung besteht in einem Tiefpaßfilter, das rasche Signalän­ derungen ausfiltert. An der einen Schaltung 31 liegt ein Signal an, wenn die Elektroden c und d mit der Versorgungs­ spannung verbunden sind. Das Ausgangssignal dieser Schaltung bezieht sich ausschließlich auf die Winkelabweichung längs der Y-Achse (also um die X-Achse).

Der anderen Schaltung 32 wird ein Signal zugeführt, wenn die Elektroden a und b mit der Versorgungsspannung verbunden sind. Das Ausgangssignal dieser Schaltung bezieht sich aus­ schließlich auf die Winkelabweichung längs der X-Achse (al­ so um die Y-Achse).

Der Überzug 3 kann mit der Flüssigkeit in der in Fig. 7 gezeigten Weise verbunden sein. Der Überzug kann auch mit dem Ausgang des Verstärkers 27 verbunden werden. In diesem Fall ist eine äußere Abschirmung (zum Beispiel eine geerdete Abschirmung - nicht dargestellt -) außerhalb des Überzuges 3 angeordnet und umschließt den gesamten mechanischen Teil in einer solchen Entfernung, daß die Kapazität gegenüber der Ab­ schirmung klein ist. Wenn jedoch eine äußere Abschirmung um die mechanischen Teile herum angeordnet ist, kann der elek­ trisch leitende Überzug 3 auch völlig entfallen.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine zweite Ausführungsform der mechanischen Konstruktion der Nivellierzelle.

In dieser Ausführungsform ist die leitende Flüssigkeit in der Schale 3 in Fig. 1 durch eine horizontale leitende Platte 33 ersetzt, die an ihrem Umfang einen nach unten weisenden Ringflansch hat. Die Platte 33 ist an drei Fäden 34, 35, 36 aufgehängt, von denen jeder mit seinem einen En­ de mit dem unteren Ende des Ringflansches und mit seinem an­ deren Ende mit der Grundplatte (nicht dargestellt) des zu nivellierenden Instrumentes verbunden ist und somit auch mit der Platte 37, die der Platte 4 in Fig. 1 entspricht. Vor­ zugsweise sind die Fäden schräg angeordnet wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt, um eine erhöhte Stabilität der Vor­ richtung zu gewährleisten. Die drei Fäden sind symmetrisch über den Umfang der Platte verteilt angeordnet. Die Anzahl und Anbringung der Fäden kann jedoch auch anders als in den Fig. 10 und 11 gewählt werden.

Die Platte 37 trägt ein gedrucktes leitendes Muster A ₁, B ₁, C ₁, D ₁. Zur Erzielung einer Temperaturkompensation ist der Teil E ₁ des Musters, der die Elektrode des Rückkopplungs­ kondensators des Operationsverstärkers 14 bildet, auf der Unterseite der Platte 37 angeordnet, während die Teile A ₁ bis D ₁ des Musters, die die Elektroden bilden, an denen die Versorgungswechselspannungen anliegen, auf der Oberseite der Platte 37 vorgesehen sind. Das leitende Muster und seine Verbindung mit der elektrischen Schaltung kann wie in den Fig. 3 bis 9 gezeigt ausgeführt sein. Zur Herstellung einer galvanischen Verbindung der Platte 33 mit dem phaseninver­ tierenden Eingang des Verstärkers 14 kann wenigstens einer der Fäden 34 bis 36 leitend sein und ist dann mit seinem oberen Ende mit dem Verstärkereingang verbunden. Auf der Unterseite der Platte 33 und umgeben von deren Ringflansch ist eine Magnetanordnung 38 befestigt. Diese Magnetanordnung ist zum Mittelpunkt in der Weise symmetrisch, daß gleichna­ mige Pole dem Ringflansch zugewandt sind. Der Zweck dieser Magnetanordnung besteht in der Unterdrückung von Wirbelströ­ men, die entstehen, wenn die Platte 33 sich relativ zu der Platte 37 bewegt. Außerdem wirkt die Magnetanordnung als Be­ schwerung und hat damit einen stabilisierenden Effekt auf die Nivellierzelle.

Die vollständige, in den Fig. 10 und 11 dargestellte Zel­ le kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das zumindest mit einem Überzug aus einem leitenden Werkstoff versehen ist, der geerdet ist. Es ist festzuhalten, daß die in den Fig. 10 und 11 gezeigte Zelle auch in umgekehrter Lage eingebaut werden kann, ohne ihre Wirkungsweise zu verändern. In diesem Fall sind die Fäden, an denen die Platte 33 aufgehängt ist, entfernt von der Platte 33 oberhalb derselben befestigt.

Eine Reihe weiterer Ausgestaltungen des vorliegenden Vor­ schlages ist möglich. Beispielsweise kann anstelle der in den dargestellten Ausführungsformen angelegten sinusförmigen Spannung eine aus Pulsen bestehende Spannung angelegt wer­ den. Die Pulse können gleichzeitig und mit unterschiedlichen Polaritäten an die jeweils zusammengehörigen zwei Elektroden, die von Teilen des leitenden Musters gebildet werden, ange­ legt werden.

Die Form des Musters kann ebenfalls abgewandelt werden. Beispielsweise kann der Kondensator C _F aus einem Ringmuster­ teil bestehen, der das in Fig. 3 gezeigte Muster umschließt.

Das leitende Muster muß auch nicht auf einer planen Fläche aufgebracht werden. Es kann auf einer leicht nach oben ge­ wölbten Schale vorgesehen werden.

Gemäß den zeichnerisch veranschaulichten Ausführungsbei­ spielen ist eine einzige elektrische Schaltung, die den Ope­ rationsverstärker 14 enthält, mit der Nivellierzelle verbun­ den. Alternativ kann auch ein getrennter Operationsverstärker für jede Meßrichtung vorgesehen sein, jedoch muß das leiten­ de Muster dann getrennte Teile E für die unterschiedlichen Richtungen haben, damit getrennte Rückkopplungskondensatoren C _E zur Verfügung stehen.

Sofern in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 das Potential der leitenden Flüssigkeit statt über die Durchfüh­ rung 10, 11 durch den Boden der Schale 3 direkt abgenommen werden soll, kann das leitende Muster 5 auf der Platte 4 in Fig. 6 verwendet werden. In der Mitte der Platte kann ein Zapfen befestigt und elektrisch mit dem Teil F des Musters verbunden sein. Der Zapfen erstreckt sich von der Platte nach unten in die Flüssigkeit 2.

Claims (16)

1. Nivelliervorrichtung zur Feststellung der Abweichung der Lage einer Ebene von einer Bezugslage, mit einem schwer­ kraftnivellierten leitenden Bezugselement (2), das eine ho­ rizontale Bezugsfläche festlegt, mit mindestens einem Paar von starr angeordneten leitenden Fühlelektroden (A, B; C, D), die gemeinsam die Ebene festlegen und nahe der Bezugs­ fläche dieser gegenüberstehend angebracht sind, weiterhin mit einem dielektrischen Fluid zwischen der Bezugsfläche und den Fühlelektroden (A, B; C, D), wobei das Bezugselement (2), das Paar der Fühlelektroden und das dielektrische Fluid mit­ einander zwei Kondensatoren (C _A , C _B ) bilden, deren Kapazitä­ ten sich bei Abweichungen der Lage der Ebene von der Paral­ lelität zwischen der Bezugsfläche und einer die Fühlelektro­ den (A, B; C, D) verbindenden Linie gegensinnig ändern, und mit einer Schaltung zur Detektierung von Änderungen der Ka­ pazität der beiden Kondensatoren (C _A , C _B ), die eine Wechsel­ spannungsquelle enthält, welche mit den beiden Kondensatoren (C _A , C _B ) verbunden ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wechselspannungsquelle den Kon­ densatoren (C _A , C _B ) gegenphasige erste und zweite Wechsel­ spannungen (v (0°), v (90°)) derart zuführt, daß das Produkt aus Kapazität und anliegender Spannung für beide Kondensa­ toren (C _A , C _B ) dann gleich groß ist, wenn die Bezugsfläche und die Linie parallel sind, und daß die Schaltung einen in­ vertierenden Verstärker (14) mit einem Rückkopplungskonden­ sator (C _E ) hat, dessen Eingang mit dem Bezugselement (2) ver­ bunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie auf oder nahe der vertikalen Drehachse eines Theodoliten oder eines anderen Vermes­ sungsinstruments angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bezugselement (2) und die Fühlelektroden (A-D) von einer geerdeten, leiten­ den Abschirmung (3, 6) umschlossen sind, und daß die Wechsel­ spannungen (v (0°), v (90°)) einerseits über die Abschirmung (3, 6) und andererseits über die betreffenden Fühlelektroden (A, B; C, D) zugeführt werden.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Elektrode (E), die gegenüber dem Bezugselement (2) angeordnet und in bezug auf die Fühlelektroden (A-D) unbeweglich ist und daß die zusätzliche Elektrode (E) mit dem Ausgang des Ver­ stärkers (14) verbunden ist und zusammen mit dem Bezugs­ element (2) als Rückkopplungskondensator für eine kapazitive Rückkopplung des Verstärkerausgangssignals dient.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zusätzliche Elektrode (E) in ei­ nem Abstand vom Bezugselement (2) angeordnet ist, der kleiner als der Abstand zwischen dem Bezugselement und den Elektroden (A-D) ist und vorzugsweise die Hälfte dieses Abstandes beträgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Elektroden (A-E) auf einer elektrisch isolierenden Platte (4) angeordnet sind, daß die Fühlelektroden (A-D) auf der dem Bezugselement (2) abgewandten Seite des Platte (4) angeordnet sind und daß die zusätzliche Elektrode (E) auf der dem Bezugselement (2) zugewandten Seite der Platte (4) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugs­ element (2) eine leitende Flüssigkeit in einer Schale (1) mit kreisförmigem Umriß ist, die mittig in einem Theodoliten oder einem anderen Vermessungsinstrument angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Außenseite der Schale (1) mit einem leitenden Überzug (3) versehen ist, der über eine bootstrap-Schaltung (19) mit der leitenden Flüssigkeit verbunden ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugselement ein fester ebener Körper (33) ist, der eine schwerkraftnivellie­ rende Aufhängung hat, die eine Anzahl von Fäden (34, 35, 36) umfaßt, die am Umfang des ebenen Körpers (33) in Abständen befestigt sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf der von den Fühlelektroden (A, B; C, D) abgewandten Seite des ebenen Körpers (33) eine Magnetanordnung (38) angebracht ist, die symmetrisch zu einer Achse des ebenen Körpers (33) ist und Wirbelströmen in dem ebenen Körper (33) entgegenwirkt.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Fühlelektroden (A, B; C, D) vorgesehen sind, von denen jedes Paar auf einer von zwei Linien (X, Y) liegt, die in den Ebenen liegen und zwischen sich einen Winkel ein­ schließen.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Verstärkers (14) über eine weitere Elektrode (F) kapazitiv mit dem Bezugselement (2) gekoppelt ist.

13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens einem Paar von Fühlelektroden (A′, B′) Hilfselektroden (A′′, B′′) zugeordnet sind, die symmetrisch und benachbart zu den Fühlelektroden (A′, B′) angeordnet sowie mit dem Schleifer eines Potentiometers (20) verbunden sind, das parallel zu den Fühlelektroden dieses Paares ange­ schlossen ist.

14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Wechsel­ spannungsquelle so ausgebildet ist, daß sie eine erste und eine zweite Spannung sequentiell und wiederholt liefert, und daß die Detektorschaltung die Ausgangssignale des Verstärkers getrennt für jedes Paar von Fühlelektroden während der Intervalle mißt, während derer die Spannungen an dem entsprechenden Elektrodenpaar anliegen.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit zwei Paaren von Fühlelektroden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die an den Fühlelektroden an­ liegenden Wechselspannungen für die verschiedenen Paare unterschiedliche Phase haben und daß für jedes Paar ein Detektor (15, 17) mit dem Ausgang des Verstärkers während eines vorgegebenen Phasenintervalls der an diesem Paar anliegenden Spannung verbunden ist, wobei in der Mitte dieses Intervalls die an dem anderen Elektrodenpaar anliegende Spannung einen Nulldurchgang hat.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, gekenn­ zeichnet durch eine Verarbeitungsschaltung (31, 32; 16, 18), die für jedes Paar von Fühlelektroden den Mittelwert des von diesen gelieferten Signals während einer Zeit bildet, die wesentlich länger als die Perioden­ dauer der ersten und der zweiten Wechselspannung ist.