DE3707345A1 - Verfahren zum messen eines winkels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Win­ kels, bei dem ein Winkelmesser mit einer Meßfläche an eine Ebene gelegt und ein Absolutwert eines Signals eines im Winkelmesser enthaltenen elektronischen Pendels ermittelt und ausgewertet wird.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 32 16 172 be­ kannt.

Bei dem bekannten Verfahren wird ein Lotwinkelmeßgerät zweimal an die Ebene gelegt, deren Neigungswinkel bestimmt werden soll und zwar jeweils um 180° verdreht (Umschlagmes­ sung). In dem bekannten Lotwinkelmeßgerät ist eine Auswert­ einheit enthalten, die aus den beiden durch Umschlag gemes­ senen Werten den arithmetischen Mittelwert bildet.

Bei Verfahren und Vorrichtungen der bekannten Art ist zu berücksichtigen, daß die verwendeten elektronischen Pendel eine gewisse Eigendämpfung aufweisen. Beim Durchführen einer Messung wird das Meßgerät mechanisch bewegt, beispielsweise aus einem Futteral genommen und an die auszumessende Ebene angelegt. Während dieser stochastischen Bewegung des Meßge­ räts wird das Pendel in unkontrollierter Weise ausgelenkt und muß sich nach Anlegen an die auszumessende Ebene zu­ nächst auf einen Ruhewert einpendeln, ehe eine Messung vorgenommen werden kann. Da der Benutzer des Winkelmessers von außen nicht feststellen kann, ob sich das Pendel bereits auf einen hinreichend genauen Ruhewert eingependelt hat, muß er entweder eine undefinierte Zeit warten, bis es subjektiv der Meinung ist, daß das Pendel sich genügend eingependelt hat oder er muß, beispielsweise durch Betätigen einer Taste, willkürlich einen Meßzeitpunkt festlegen, ohne aber auch in diesem Falle zu wissen, ob das Ergebnis hinreichend genau ist. In jedem Falle wird der Benutzer, insbesondere bei hochgenauen Messungen mit sehr kleiner Dämpfung des elektro­ nischen Pendels und damit sehr langer Ausschwingzeit aus Sicherheitsgründen einige Zeit abwarten, ehe er den Meßwert abliest.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß auch bei hochgenauen Winkelmessern mit Pendeln sehr kleiner Dämpfung schnelle Messungen zu einem definierten Zeitpunkt möglich sind, ohne daß der Benutzer den Aus­ schwingvorgang des Pendels beobachten muß.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Dämpfung des Signals ermittelt und bei vorbestimmter Annähe­ rung der Dämpfung an eine vorbekannte Eigendämpfung des Pendels der Absolutwert des Signals gemessen und ein Grenz­ wert für eine große Meßzeit extrapoliert wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Die Erfindung macht sich nämlich die Überlegung zunutze, daß vor dem Anlegen des Winkelmes­ sers an die auszumessende Ebene durch unkontrolliertes Hantieren mit dem Winkelmesser ein Schwingungsverlauf des Pendels auftritt, der keinen Gesetzmäßigkeiten unterliegt, was sich insbesondere darin zeigt, daß die Amplitude aufein­ anderfolgender Ausschläge des Pendels sich unregelmäßig ändert. Sobald jedoch der Winkelmesser an die auszumessende Ebene angelegt wurde, ist der Amplitudenverlauf ausschließ­ lich durch die Eigendämpfung des Pendels im jetzt ruhenden Winkelmesser bestimmt, so daß durch Vergleich der gemessenen Signaldämpfung mit einer vorgegebenen Eigendämpfung der Zustand des angelegten Winkelmessers sicher erkannt werden kann. Durch Extrapolation gemessener Absolutwerte kann dann bereits nach wenigen Nulldurchgängen des Signals der zu messende Grenzwert extrapoliert werden.

Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geschieht all dies dadurch, daß aufeinanderfolgende Extrem­ werte gemessen und die Differenzbeträge aufeinanderfolgender Extremwerte ermittelt werden, daß die Quotienten aufeinan­ derfolgender Differenzbeträge bestimmt werden und daß bei Einhaltung eines vorgegebenen Wertebereichs der Quotienten während einer vorbestimmten Zeitspanne die Absolutwerte des Signals bestimmt und daraus durch Extrapolation der Grenz­ wertesignale für eine große Meßzeit ermittelt wird.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die zunächst allgemein definierte Signalanalyse auf besonders einfache und zweck­ mäßige Weise durchgeführt werden kann. Die Einfachheit der Signalanalyse nach diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ermöglicht es, die Signalanalyse in einem kleinen Ein-Chip- Prozessors durchzuführen, so daß das erfindungsgemäße Verfah­ ren mit einem kleinen und einfach handhabbaren Winkelmesser ausgeführt werden kann, der beispielsweise nach Art einer herkömmlichen Wasserwaage gestaltet ist.

Bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Grenzwert von einem vorgewählten Sollwert subtrahiert und die Differenz wird angezeigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß nicht nur Abweichungen von der horizontalen (klassische Wasserwaage) sondern auch Abweichungen von einem vorgegebenen endlichen Sollwert gemessen werden können. Soll beispielsweise bei Zimmerarbei­ ten ein Balken unter einer bestimmten Neigung angebracht werden, so braucht der Zimmerer nur den gewünschten Winkel­ wert als Sollwert einzugeben und er erhält dann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anzeige der Abweichung von dem vorgewählten Winkelwert, die sehr viel einfacher zu erfassen und auszuwerten ist als eine Anzeige des Absolut­ werts, weil er dort zunächst die Abweichung von einem ge­ wünschten Sollwert durch Kopfrechnen ermittelt werden müßte.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung dieser Varian­ te wird die Differenz durch einen Lichtpunkt auf einer gebogenen Lichtpunktkette angezeigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine besonders einfach identifizierbare quasianaloge Anzeige erreicht wird, die vom Erscheinungsbild der Anzeige einer klassischen Wasserwaage ähnelt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird der Grenzwert in einen Steigungswert umgerechnet.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Verfahren auch leicht bei solchen Anwendungsfällen, bei­ spielsweise im Straßenbau, eingesetzt werden kann, bei denen mit Steigungswerten statt mit Winkelwerten gearbeitet wird.

Bei einer weiteren bevorzugten Variante des erfindungsge­ mäßen Verfahrens wird ein Mittelwert aus mehreren gemessenen Grenzwerten bestimmt und angezeigt.

Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß bei unregelmäßig geneig­ ten Ebenen durch mehrmaliges Messen ein Mittelwert der Neigung bestimmt werden kann, ohne daß hierzu zusätzliche Manipulationen erforderlich sind.

Schließlich ist noch eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens bevorzugt, bei der zur Bestimmung von Stücken eines Dreiecks der Grenzwert mit weiteren Winkel- oder Streckenwerten verknüpft und die jeweils fehlenden Stücke ermittelt werden.

Auch diese Maßnahme hat z. B. im Zimmererhandwerk den Vor­ teil, daß bei der Ausführung von Dächern die jeweils fehlen­ den Werte der Neigung oder Balkenlänge ermittelt werden können, wenn genügend Vorgaben oder Meßwerte zur Berechnung der fehlenden Werte vorliegen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nachstehend noch erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Es versteht sich ferner, daß die Erfindung nicht nur das ge­ nannte Verfahren mit seinen Abwandlungen sondern auch die hierzu erforderlichen Gerätschaften umfaßt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausfüh­ rungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Winkelmes­ sers, wie er zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens verwendet werden kann;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines mit dem Winkelmesser gemäß Fig. 1 gemessenen Signals;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf der aus dem Verlauf gemäß Fig. 2 ermittelten Dämpfung des Meßsignals;

Fig. 4 einen Ausschnitt, stark vergrößert, aus einem Teil des in Fig. 2 gezeigten Signalverlaufes.

In Fig. 1 bezeichnet 1 als Ganzes einen erfindungsgemäßen Winkelmesser, wie er zur Durchführung des weiter unten noch geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens Verwendung fin­ det. Der Winkelmesser 1 umfaßt ein Gehäuse 10, das inbeson­ dere wie ein Gehäuse einer klassischen Wasserwaage ausgebil­ det sein kann. Das Gehäuse 10 verfügt an einer oder mehrerer seiner Außenflächen über eine Meßfläche 11, die im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Unterseite des Gehäu­ ses 10 ist und die an einer schiefen Ebene 12 anliegt, die zur Horizontalen um einen Winkel 13 geneigt ist.

Im Gehäuse 10 ist ein elektronisches Pendel 20 um eine Achse 21 drehbar angeordnet. Das Pendel 20 kann beispielsweise eine Kreisscheibe 22 aufweisen, die um die Achse 21 drehbar ist und die außerhalb der Achse ein Gewicht 23 aufweist, wodurch die Kreisscheibe 22 sich stets so ausrichtet, daß sich das Gewicht 23 unterhalb der Achse 21 befindet. Die Kreisscheibe 22 ist an ihrem Umfang mit Markierungen 24 versehen, die entweder als Inkrementalmarkierungen mit Bezugsmarken oder als Absolutmarkierungen in an sich bekann­ ter Weise ausgestaltet sein können. Den Markierungen 24 steht ein gehäusefester Sensor 25 gegenüber.

Der Sensor 25 ist an einer Auswerteinheit 30 angeschlossen. Die Auswerteinheit 30 sowie weitere Aggregate des Winkelmes­ sers 1 können beispielsweise mittels einer Solarzelle 31 auf der Oberseite des Gehäuses 10 oder aber auch mittels Bat­ terien, Akkumulatoren oder dgl. betrieben werden.

Die Auswerteinheit 30 steuert eine Ziffernanzeige 32 sowie eine Wasserwaagenanzeige 33. Die Wasserwaagenanzeige 33 verfügt über eine gebogene Kette aus Lichtpunkten, die beispielsweise durch lichtemittierende Dioden (LED) 34 realisiert werden. Am Scheitelpunkt der Wasserwaagenanzeige 33 befindet sich ein vergrößerter Nullpunkt 35, der z. B. durch eine vergrößert ausgebildete oder andersfarbig leuch­ tende lichtemittierende Diode (LED) dargestellt werden kann.

Weiterhin ist im Gehäuse 10 eine erste Tastatur 36 zur Eingabe von Zahlenwerten oder zur Festlegung des Anzeigemo­ dus angeordnet und ferner eine zweite Tastatur 37, mit der z. B. Funktionsabläufe des Winkelmessers 1 gesteuert werden können.

Schließlich kann am Gehäuse 10 noch eine Buchse oder Schnittstelle 38 angeordnet sein, mittels der Daten aus der Auswerteinheit 30 in einen externen Rechner überspielt werden können.

Zur Benutzung des erfindungsgemäßen Winkelmessers 1 wird dieser an die zu messende Ebene 12 angelegt. Mittels der Tastaturen 36 und 37 können Funktionsarten vorgegeben und ggf. Zahlenwerte eingegeben werden.

In einer ersten Funktionsart dient der Winkelmesser 1 zur Messung des Absolutbetrages des Neigungswinkels 13 und dieser Absolutbetrag wird in der Zifferanzeige 32 angezeigt.

Durch Betätigen von Tasten der ersten Tastatur 36 kann dabei festgelegt werden, ob die Ziffernanzeige im Winkelmaß, im Bogenmaß oder als Steigung in Prozent oder Promille erfolgt. Auch kann durch Betätigen einer weiteren Taste festgelegt werden, daß die Meßwerte aufeinanderfolgender Messungen gespeichert und dann ein Mittelwert dieser Messungen ange­ zeigt wird.

Bei einer weiteren Funktionsart kann zunächst ein Bezugswin­ kel vorgegeben werden, der z. B. ein Winkel mit dem Betrag Null (Horizontale) oder einer endlicher Winkel (schiefe Bezugsebene) sein kann. Auf der Ziffernanzeige 32 kann nun die Abweichung vom vorgegebenen Winkel als Zahl angezeigt werden. Auf der Wasserwaagenanzeige 33 kann die Abweichung alternativ oder zusätzlich durch Wandern eines Lichtpunktes auf der Reihe von Leuchtdioden 34 angezeigt werden. Gibt man einen Winkel mit dem Wert Null als Bezugswinkel vor, hat die Wasserwaagenanzeige 33 die Funktion der Anzeige einer klas­ sischen Wasserwaage, bei der sich eine Luftblase in einem gebogenen und mit Flüssigkeit gefüllten Röhrchen bewegt. Gibt man jedoch einen endlichen Winkelwert vor, so geht die Funktion der Wasserwaagenanzeige 33 bei dem erfindungsge­ mäßen Winkelmesser 1 über die einer klassischen Wasserwaage hinaus, weil nun wasserwaagenähnlich die Abweichung von einem endlichen Bezugswert ebenfalls auf einer gebogenen Skala angezeigt wird. Zur Vereinfachung der Ablesung kann die Erreichung des Bezugswertes durch die vergrößerte oder anders farbige Nullpunkt-Leuchtdiode 35 kenntlich gemacht werden.

Bei einer weiteren Funktionsart des erfindungsgemäßen Win­ kelmessers 1 können Dreiecksberechnungen durchgeführt wer­ den.

Sind beispielsweise beim Bau eines Dachs eines Hauses die Firsthöhe über dem obersten Stockwerk sowie die Kniestock­ höhe und die zulässige Dachneigung bekannt, so kann aus diesen Vorgaben die Länge der Dachbalken durch einfache Triangulation (Berechnung der fehlenden Stücke eines Drei­ ecks) bestimmt werden. Hierzu werden beim erfindungsgemäßen Winkelmesser 1 die Tastaturen 36 und 37 durch Eingabe von Zahlenwerten und Funktionen entsprechend betätigt.

Das Pendel 20 ist im Gehäuse 10 vorzugsweise auf einer Platine 39 angeordnet, auf der bevorzugt auch die Auswert­ einheit 30 als Chip angeordnet ist.

Zur Erzielung möglichst genauer Messungen ist die Kreis­ scheibe 22 hierzu in einer sehr präzisen Lagerung gehalten, die nur sehr gering gedämpft ist, so daß auch bei kleinen Veränderungen des Winkels 13, beispielsweise beim genauen Justieren des Winkelmessers 1 in eine Fallinie der schiefen Ebene 12 auch kleine Winkelvariationen noch sicher angezeigt werden.

Wird der Winkelmesser 1 z. B. aus einem Futteral entnommen und auf die schiefe Ebene 12 überführt und dort angelegt, gerät die Kreisscheibe 22 in unkontrollierte Schwingungen, weil die Handhabung des Winkelmessers 1 eine unregelmäßige Beschleunigung auf die Kreisscheibe 22 bzw. deren Gewicht 23 ausübt.

Man muß daher nach dem Anlegen des Winkelmessers 1 an die Ebene 12 noch eine gewisse Zeit abwarten, bis sich die Kreisscheibe 22 auf einen Endwert eingependelt hat.

Um trotzdem baldmöglich einen zuverlässigen Winkelwert ermitteln zu können, wird erfindungsgemäß ein Verfahren eingesetzt, wie es nachstehend anhand der Fig. 2 bis 4 erläutert wird:

Fig. 2 zeigt den Verlauf eines Signals 40, das den gemes­ senen Winkel α darstellt in Abhängigkeit von der Zeit t. Zum Zeitpunkt t = 0 befindet sich der Winkelmesser 1 in einer Ausgangslage des Wertes α ₁. Zum Zeitpunkt t ₁ wird nun der Winkelmesser 1 mit der Hand ergriffen und zur Meßstelle überführt. Hierbei stellt sich eine unregelmäßige Schwingung der Kreisscheibe 22 ein, wie aus Fig. 2 deutlich ersichtlich. So durchläuft das Signal 40 um einen gestri­ chelt angedeuteten Mittelwert 41 herum einen unregelmäßig schwingenden Verlauf, der durch aufeinanderfolgende Extrem­ werte 42, 43, 44 gekennzeichnet ist. Erst nach Anlage an die Ebene 12 etwa zum Zeitpunkt t ₂ stellt sich eine gleich­ mäßig gedämpfte Schwingung ein und der Mittelwert 41 nähert sich für große Meßzeit t schließlich dem Endwert α ₂, der z. B. dem Winkel 13 in Fig. 1 entspricht.

Um aus dem Verlauf gemäß Fig. 2 so schnell wie möglich einen zuverlässigen Meßwert α 2 zu ermitteln, werden die Extrem­ werte 42, 43, 44 erfaßt, beispielsweise durch einen Spitzen­ wertmesser oder durch zeitliche Ableitung des Signals 40, Feststellen der Nullstellen der zeitlichen Ableitung und Speichern der Extremwerte 42, 43, 44 bei Erreichen dieser Nullstellen, wozu beispielsweise Sample-And-Hold-Schaltungen verwendet werden können.

Die so gespeicherten Extremwerte 42, 43, 44 werden nun Subtrahierstufen zugeführt, in denen die Spitze-Spitze-Werte S ₁, S ₂, d. h. die Differenzen zeitlicher von aufeinander­ folgender Extremwerte 42, 43, 44 ermittelt werden.

Diese Werte werden nun Quotientenbildnern zugeführt, wobei der jeweils zeitlich spätere Wert S _{n + 1} durch den jeweils zeitlich vorhergehenden Wert S _n dividiert wird. Auf diese Weise ergibt sich der aktuelle Betrag der Dämpfung des Signals 40 und diese Dämpfung ist in Fig. 3 als Quotient 45 in Abhängigkeit von der Zeit t mit gleichem Zeitmaßstab wie in Fig. 2 aufgetragen.

Man erkennt deutlich, daß zwischen den Zeitpunkten t ₁ und t ₂ der Quotient 45, d. h. die Dämpfung des Signals 40 in Fig. 2 einen sehr unregelmäßigen Verlauf besitzt. Erst nach dem Zeitpunkt t ₂, nach dem der Winkelmesser 1 auf die Ebene 12 aufgesetzt wurde, nähert sich der Quotient 45 einem Ruhewert ε, der der Eigendämpfung des Pendels 20 entspricht.

Um das Erreichen dieses Endwerts zu erkennen, wird erfin­ dungsgemäß ein Fenster 48 definiert, dessen Höhe einer zulässigen Schwankung der Dämpfung Δε entspricht und dessen Breite einer vorgegebenen Zeit entspricht. Wenn z. B. die halbe Periodendauer des Signals 40 einen Betrag Δ t hat, wobei jeweils im Zeitabstand von Δ t ein neuer Quotient 45 berechenbar ist, kann die Breite des Fensters 48 ein end­ liches Vielfaches N Δ t der halben Periodendauer betragen. Beispielsweise kann man festlegen, daß drei aufeinanderfol­ gende Quotienten 45 innerhalb der Variationsbreite Δε lie­ gen, um zu definieren, daß nun der Winkelmesser 1 in Meß­ position ist.

Das Fenster 48 wird hierzu "gleitend" an den Verlauf des Quotienten 45 gelegt, um festzustellen, ob z. B. N aufeinan­ derfolgende Messungen des Quotienten 45 innerhalb des Fen­ sters 48 liegen. Sobald dies der Fall ist, werden Absolut­ werte des Signals 40 erfaßt.

Wie Fig. 4 zeigt, kann dies einfach dadurch geschehen, daß zwischen aufeinanderfolgenden Extremwerten 50, 51, 52 je­ weils die zeitliche Mitte gebildet und zu diesen Mittenwer­ ten die Absolutbeträge dieses α _n bzw. α _{n + 1} bestimmt werden. Aus den so gemessenen Absolutwerten kann nun in an sich bekannter Weise durch Extrapolation der Grenzwert α 2 für lange Meßzeit t bestimmt werden, wobei umso weniger Absolutwerte benötigt werden, je mehr die Konstanten des Pendels 20 bekannt sind.

Es versteht sich, daß die vorstehend geschilderte Signalana­ lyse nur einen von zahlreichen möglichen Wegen aufzeigt. Generell ist es lediglich erforderlich, den Dämpfungsverlauf des Signals zu überwachen und zu prüfen, ab welchem Zeit­ punkt die Dämpfung im wesentlichen von der Eigendämpfung des Pendels 20 bestimmt ist, um dann durch Extrapolation den eingeschwungenen Endwert des Winkels zu ermitteln.

Claims (7)

1. Verfahren zum Messen eines Winkels, bei dem ein Win­ kelmesser (1) mit einer Meßfläche (11) an eine Ebene (12) gelegt und ein Absolutwert (α n) eines Signals (40) eines im Winkelmesser (1) enthaltenen elektroni­ schen Pendels (20) ermittelt und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf des Signals (40) erfaßt wird, daß die Dämpfung des Signals (40) ermittelt und bei vorbestimmter Annäherung (Δε) die Dämpfug an eine vorbekannte Eigendämpfung (ε) des Pendels (20) der Absolutwert (α n) des Signals (40) gemessen und ein Grenzwert (α 2) für eine große Meßzeit (t) extrapoliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aufeinanderfolgende Extremwerte (42, 43, 44) gemessen und die Differenzbeträgt (S ₁, S ₂) aufeinanderfol­ gender Extremwerte (42, 43, 44) ermittelt werden, daß die Quotienten (45) aufeinanderfolgender Differenzbe­ träge (S 1, S 2) bestimmt werden und daß bei Einhaltung eines vorgegebenen Wertbereichs (Δε) der Quotienten (45) während einer vorbestimmten Zeitspanne (N Δ t) die Absolutwerte (α n, α n + 1) des Signals (40) bestimmt und daraus durch Extrapolation der Grenzwert (α 2) des Signals (40) für eine große Meßzeit (t) ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Grenzwert (α 2) von einem vorgewählten Sollwert subtrahiert und die Differenz angezeigt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz durch einen Lichtpunkt auf einer gebo­ genen Lichtpunktkette angezeigt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Grenzwert (α n) in einen Steigungswert umgerechnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittelwert aus mehreren gemes­ senen Grenzwerten (α n) bestimmt und angezeigt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung von Stücken eines Dreiecks der Grenzwert mit weiteren Winkel- oder Streckenwerten verknüpft und die jeweils fehlenden Stücke ermittelt werden.