DE3744411A1

DE3744411A1 - Kapazitiver neigungssensor

Info

Publication number: DE3744411A1
Application number: DE19873744411
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl Ing Schmucker; Frank Dipl Ing Assmann; Reinhard Dipl Ing Arend
Original assignee: WEINERT E MESSGERAETEWERK
Current assignee: MESSGERAETE GMBH MAGDEBURG, O-3011 MAGDEBURG, DE
Priority date: 1987-04-24
Filing date: 1987-12-29
Publication date: 1988-11-17
Also published as: GB2204136A; GB2204136B; DE3744411C2; DD272781A3; GB8809483D0

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung dient der Winkel- und Ebenheitsmessung an Kran- und Förderanlagen, im Bauwesen, für elektronische Wasserwaagen und überall da, wo die genaue Messung von Winkelwerten zu einer Bezugsebene notwendig ist. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße kapazitive Neigungs sensor bei größten Umgebungstemperaturschwankungen in einem weiten Umgebungstemperaturbereich einsetzbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind Meßanordnungen zur Winkelmessung bekannt, die nach dem Prinzip eines Pendels aufgebaut sind, indem die Winkeländerung eines Gehäuseteils gegenüber einem frei aufgehängten Pendel über eine Wegmessung abgebildet wird. Nachteilig bei diesen Meßanordnungen sind die große Masse, der hohe Platzbedarf, der mechanische Aufwand und lange Einschwingzeiten des Pendels. Weiterhin sind Meßanordnungen bekannt, die als gravitations empfindliches Element eine Flüssigkeit benutzen, deren Pegelstand gegenüber einer Bezugsebene abgetastet und in einen neigungswinkelproportionalen Meßwert umgewandelt wird. Eine derartige Meßanordnung wird in der DE-OS 25 51 798 beschrieben, wobei der Pegelstand einer elektrolytischen Flüssigkeit durch eine Widerstandsmessung zwischen mehreren Elektroden abgetastet wird und eine winkelproportionale Widerstands differenz ermittelt wird.

Nachteilig bei dieser Meßanordnung ist die starke Temperaturabhängigkeit des Elektrolyten, so daß bei großen Umgebungsschwankungen größere Meßfehler entstehen, die einen Einsatz in einem weiten Umgebungstemperaturbereich ausschließen. In der DD-PS 2 26 068 wird ein kapazitives Neigungs- und Ebenheitsmeßgerät beschrieben, bei dem sich eine dielektrische Flüssigkeit mit hohem Dielektri zitätswert zwischen zwei als Kreissektoren ausgebildeten Kondensatorplatten mit einer gemeinsamen Gegenelektrode befindet und damit ein Differential kondensator gebildet wird.

Bei Abweichungen von der Horizontallage der Meßan ordnung ändern sich gegensinnig die mit Flüssigkeit bedeckten Flächen der Kondensatorplatte, was eine Kapazitätsdifferenz hervorruft, die proportional zur Winkeländerung ist.

Nachteilig bei der Anordnung gemäß DD-PS 2 26 068 ist die starke Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitäts konstanten der dielektrischen Flüssigkeit, was größere Meßfehler hervorruft oder die Anwendung der Anordnung nur in einem relativ kleinen Einsatztemperaturbereich ohne größere Meßfehler zuläßt. Von Nachteil ist die Begrenzung der Meßempfindlichkeit durch einen minimal notwendigen Plattenabstand, da bei Verringerung des Elektroden standes wegen eintretender Kapillarwirkung auf die Flüssigkeit wiederum Meßfehler entstehen. Ein weiterer Nachteil ist die begrenzte Einsetzbarkeit von dielektrischen Flüssig keiten bei einem Temperaturbereich von 50°C aufgrund des Dampfdruckes, der zur Erhöhung des Kammerinnendrucks und zu Verwerfungen der Kammerwände führt, so daß auch hier Meßfehler auftreten.

Für diese Meßanordnung sind also dielektrische Flüssigkeiten erforderlich, die eine gute Benetzbarkeit, eine geringe Viskosität, einen möglichst niedrigen Dampfdruck und eine möglichst geringe Temperaturabhängigkeit der Dielektrizitätskonstanten aufweisen. Diese Forderungen können in ihrer Gesamtheit praktisch nicht realisiert werden und sind nur auf Kosten des zulässigen Meßfehlers und der Einschränkung des Einsatztemperaturbereiches zu optimieren. Weiterhin wirkt sich bei der Anordnung gemäß DE-PS 2 26 068 der hohe technologische Aufwand für den hochgenauen plan parallelen Aufbau der Kondensatoranordnung zur Konstanthaltung des Plattenabstandes nachteilig auf die Höhe der Herstellungs kosten aus.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist, einen kapazitiven Neigungssensor zu schaffen, der in einem großen Umgebungstemperaturbereich eine hohe Meßgenauigkeit bei minimalem Meßfehler besitzt und platzsparend aufgebaut ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven Neigungssensor unter Verwendung einer Flüssigkeit als gravitationsempfindliches Element in einer geschlossenen Kammer und Bestandteil eines Differentialkondensators zu schaffen, wobei der Pegelstand der Flüssigkeit abgetastet und die gemessene Kapazitätsdifferenz proportional der Winkel abweichung des Neigungssensors von seiner Horizontallage ist und eine hohe Meßempfindlichkeit in einem weiten Einsatz temperaturbereich garantiert ist.

Zur Lösung der Aufgabe soll der bekannte Aufbau des Differentialkondensators, bestehend aus in Form und Größe eines Kreis- oder Kreisringausschnittes paarweise identischen, elektrisch leitfähigen und zur Horizontal lage des Neigungssensors symmetrisch angeordneten Kondensatorplatten, die sich in der Flüssigkeit befinden und die eine Elektrode bilden und aus einer Gegenelektrode verwendet werden. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kondensatorplatten mit einer hochisolierenden festen Passivierungsschicht gleichmäßiger Dicke versehen sind und als Gegenelektrode des Differentialkondensators eine elektrisch leitende Flüssigkeit dient. Die Passivierungsschicht besitzt in einem weiten Temperaturbereich eine stabile Dielektrizitäts konstante und bildet das Dielektrikum des Differentialkondensators. Mit einer Kontaktfläche beliebiger Form kann die elektrisch leitende Flüssigkeit auch eine gemeinsame Gegenelektrode bilden. In der Horizontallage des Neigungssensors reicht die Flüssigkeit in der Kammer bekannterweise bis zur Symmetrieachse der Kondensatorplatten, so daß die am Differential kondensator gemessene Kapazitätsdifferenz gleich Null ist. Bei Neigung des Sensors ändern sich gegensinnig die mit elektrisch leitender Flüssigkeit bedeckten Flächen der Kondensatorplatten, so daß die entstehende Kapazitäts differenz proportional der Winkelabweichung des Neigungs sensors zur Horizontallage ist. Die beiden Einzel kapazitäten des Differentialkondensators folgen der Beziehung

wobei d die Dicke der Passivierungsschicht, ε die Dielektrizitätskonstante der Passivierungsschicht und A die von der elektrisch leitenden Flüssigkeit bedeckte Fläche der jeweiligen Kondensatorplatte ist.

Da die Dicke der Passivierungsschicht d einen konstanten Wert besitzt und die Fläche A nur noch vom Neigungswinkel des Neigungssensors zur Horizontallage abhängt, ergibt sich aufgrund der symmetrischen Anordnung der Kondensatorplatten und deren Kreisausschnitt- bzw. Kreisringausschnittform eine proportionale Beziehung zwischen der gemessenen Kapazitätsdifferenz und dem Neigungswinkel. Durch geeignete Wahl des Passivierungs materials kann die Dielektrizitätskonstante der Passivierungs schicht temperaturstabil gehalten werden. An die elektrisch leitfähige Flüssigkeit wird lediglich die Bedingung eines relativ geringen Dampfdruckes gestellt, um bei hohen Temperaturen durch steigenden Kammerinnendruck keine Verwerfungen der Kammerwände bzw. der Trägerplatten für die Elektroden des Differential kondensators zuzulassen.

Die Temperaturabhängigkeit des Innenwiderstandes der elektrisch leitenden Flüssigkeit und deren Leitfähigkeit sind bei der erfindungsgemäßen Meßanordnung vernachlässigbar, da dieser nur als Reihenwiderstand zum relativ großen Innenwiderstand des Differentialkondensators in die Messung eingeht.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dabei zeigen Fig. 1 die äußere Gestaltung der Kondensatorplatten in der Draufsicht und

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Neigungssensor in der Seitenansicht. Auf einer Trägerplatte 1 befinden sich zwei als Kreisringausschnitte symmetrisch aufgebaute Kondensatorplatten 3, die mit einer dünnen Glasschicht 4 als Passivierungsschicht überzogen sind. Mittels einer zweiten Trägerplatte 2, die im Abstand zur Trägerplatte 1 angeordnet ist, wird eine hermetisch geschlossene Kammer gebildet. In der geschlossenen Kammer befindet sich eine leitfähige Flüssigkeit 5, deren Pegel in der Horizontallage des Neigungssensors bis zur Symmetrieachse der beiden Kondensatorplatten 3 reicht. Zusammen mit einer leitenden Fläche 6, die auf der Trägerplatte 2 aufgebracht ist, bildet die leitfähige Flüssigkeit 5 eine gemeinsame Gegenelektrode zu den Kondensatorplatten 3.

Bei Veränderung des Neigungssensors aus der Horizontallage ändern sich gegensinnig die mit leitfähiger Flüssigkeit 5 bedeckten Flächen der Kondensatorplatten 3 und es ist eine Kapazitätsdifferenz zwischen den beiden Kondensatorplatten 3 meßbar. Diese Kapazitätsdifferenz ist proportional zur Änderung des Neigungswinkels des Neigungssensors aus der Horizontallage bzw. in Bezug auf die Horizontallage. Durch die äußerst dünne Glasschicht 4, deren Dicke im Mikrometerbereich liegt, ergibt sich eine hohe Winkelauflösung durch eine große Änderung der Kapazitätsdifferenz pro Winkelwert. Als vorteilhafteste Dicke der Glasschicht 4 hat sich der Bereich von 2 bis 10 µm erwiesen. In bekannter Weise ist zur Realisierung des kapazitiven Neigungssensors an die Elektroden des Differentialkondensators eine elektronische Auswerteeinrichtung zur Messung der neigungswinkelproportionalen Kapazitätsdifferenz und zur Anzeige des Winkelwertes angeschlossen.

Claims

1. Kapazitiver Neigungssensor unter Verwendung einer Flüssigkeit als gravitationsempfindliches Element in einer geschlossenen Kammer, in der sich in Form und Größe eines Kreis- oder Kreisringaus schnittes paarweise identische, elektrisch leitfähige und zur Horizontallage des Neigungssensors symmetrisch angeordnete Kondensatorplatten befinden, die mit einer Gegenelektrode einen Differential kondensator bilden und die Kammer in der Horizontallage des Neigungssensors bis zur Symmetrieachse der Kondensatorplatten mit der Flüssigkeit gefüllt ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Kondensatorplatten mit einer hochisolierenden festen Passivierungsschicht gleichmäßiger Dicke versehen sind und daß die Flüssigkeit in der Kammer elektrisch leitend ist und die Gegen elektrode des Differentialkondensators bildet.

2. Kapazitiver Neigungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Flüssigkeit in der Kammer mit einer Kontaktfläche beliebiger Form eine gemeinsame Gegenelektrode bildet.

3. Kapazitiver Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß an die Elektroden des Differentialkondensators eine elektronische Auswerte einrichtung zur Messung der neigungswinkel proportionalen Kapazitätsdifferenz und zur Anzeige des Winkelwertes angeschlossen ist.