DE3836794A1 - Elektronischer neigungsmesser - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Neigungsmesser mit einem in einem Gehäuse angeordneten mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohlraum, in der eine geringe Menge eines Gases eingeschlossen ist mit einem optischen Strahlerzeuger, mit einem optischen Empfänger, mit einer Auswerteelektronik sowie mit einer digitalen Anzeigevor­ richtung für die gemessene Neigung sowie ein Verfahren zur elektronischen Neigungsmessung.

Aus der DE-OS 24 19 787 ist eine elektronische Wasserwaage bekannt, bei der es nicht mehr erforderlich ist, während der Arbeiten dauernd die Libelle beobachten zu müssen; es ist eine einstellbare Skala vorgesehen, mit welcher außer der Horizontalen jede Schräge eingestellt werden kann, wo­ bei diese Skala bzw. dieser Skalenring elektronisch mit ei­ nem Läutewerk in Verbindung steht, das in der Wasserwaage eingebaut ist und beim Erreichen der eingestellten Horizon­ tale oder Schräglage in Tätigkeit tritt und dem Benützer der Wasserwaage akustisch anzeigt, daß die gewünschte Lage erreicht ist, ohne die Libelle beobachten zu müssen. Zwar erleichtert eine derartige Wasserwaage bestimmte handwerkliche Arbeiten, z.B. beim Verlegen von Fliesen in lichtschwachen Ecken und Räumen, ohne jedoch dabei die Ge­ nauigkeit der Neigungsmessung gegenüber den herkömmlichen Wasserwaagen zu erhöhen.

Aus der DE-OS 32 08 811 ist ein Neigungswinkelmeßgerät zur stufenlosen elektronischen Bestimmung von Neigungswinkeln bekannt, wobei in einem drehbar gelagerten Pendel ein kon­ tinuierlicher Widerstand entsprechend der Neigung des Win­ kels abgegriffen wird. Als Pendel kommen hierbei elektrisch leitende Pendel, Kugeln, Quecksilberperlen oder Walzen in Betracht, während der Meßwiderstand zu einem Widerstand zur Justierung der 0°-Anzeige parallel geschal­ tet ist; der ermittelte Meßwert ist auf einer elektroni­ schen Zifferanzeige darstellbar. Aufgrund der endlichen Ab­ messungen der Pendel ist auch hierbei trotz der elektroni­ schen Bearbeitung der derart gewonnenen Meßwerte eine be­ stimmte Winkelauflösung nicht zu unterbieten.

Ferner ist aus der DE-OS 26 36 706 eine Vorrichtung zur selbsttätigen Messung der Neigung und/oder Neigungsände­ rung eines Geräteteiles in bezug auf die Richtung der Schwerkraft bekannt, mit einem gerätefest angeordneten optischen Strahlerzeuger und einem gerätefest angeordneten optischen Empfänger sowie mit einem den optischen Strahlen­ gang vom Strahlerzeuger zum Empfänger ablenkenden Bauele­ ment, das sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellt. Der Empfänger als fotoelektrisches Element ist einer Aus­ werteelektronik nachgeschaltet, die mit einer Anzeige- und/oder einer Registriervorrichtung verbunden ist. Der Strahlengang wird durch eine totalreflektierende Flüssig­ keitsoberfläche abgelenkt, wobei der Sendestrahl gepulst ist. Als sich selbsttätig nach der Schwerkraft einstellen­ des Element kann auch hierbei ein Pendel verwendet werden, das zur Ablenkung des Strahlengangs einen Spiegel trägt. Nachteilig ist dabei noch die Schwingungsdämpfung sowie die endliche Abmessung des Pendels, die auch hier die Auf­ lösung beeinträchtigt; ferner ist der bauliche Aufwand er­ heblich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektroni­ schen Neigungsmesser zu schaffen, der einfach im Aufbau und billig in der Herstellung ist und mit dem Neigungen mit einer bisher nicht gekannten Präzision, d.h. bis im Be­ reich von wenigen Sekunden gemessen werden können.

Ausgehend von einem Neigungsmesser der eingangs näher ge­ nannten Art wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, daß er folgende Bauteile aufweist:
Der Hohlraum ist in einem kreisförmig gebogenen in sich geschlossenen transparenten Rohr angeordnet; die Flüssig keit ist für die verwendete optische Strahlung nicht transparent; die optische Strahlungsquelle ist im Mittel­ punkt der das Rohr enthaltenden Ebene angeordnet; parallel zur Rohrebene ist eine verdrehbare Codierscheibe vorgese­ hen, die zwei drehfest mit ihr verbundene Fotozellen aufweist, die derart angeordnet sind, daß sie das von der optischen Strahlungsquelle stammende die Gasblase durchset­ zende Licht empfangen können, daß die Codierscheibe mit einer Antriebsvorrichtung zusammenwirkt, um ihr eine Drehbewegung zu erteilen, die von einer Nachlaufsteuerung betätigbar ist; parallel zur Codierscheibe ist eine drehfest mit dem Gehäuse verbundene Abtastvorrichtung für die Codierscheibe vorgesehen und im Gehäuse ist eine Auswerteelektronik für die von der Abtastvorrichtung stammenden Signale vorgesehen, deren Ausgangssignale der Anzeigevorrichtung zugeführt werden.

Als Flüssigkeit kommt vorteilhafterweise gefärbter Alkohol in Betracht, während die optische Strahlungsquelle vorteil­ hafterweise eine LED ist.

Vorteilhafterweise umschließt das Rohr eine transparente Scheibe, in deren Mittelpunkt die optische Strahlungsquelle angeordnet ist und deren kreisförmiger Rand geschliffen ist.

Die Antriebsvorrichtung kann ein von einer Nachlaufsteue­ rung ansteuerbarer Motor mit einer Antriebswelle sein, die mit einem ringförmigen Gewinde entlang des Außenumfangs der Codierscheibe zusammenwirkt.

Vorzugsweise ist die Codierscheibe eine CD-Scheibe, die eine Vielzahl von optisch abtastbaren Informationen trägt, wobei jede Information einem diskreten Drehwinkel entspricht, oder eine elektronische Codierscheibe.

Vorzugsweise besteht die Abtastvorrichtung aus einer Viel­ zahl von Lasern, die parallel zu diskreten Radien der CD- Scheibe auf der dieser zugewandten Innenwand des Gehäuses angeordnet sind.

Das Gehäuse kann zugleich die Trägerplatine für die Auswer­ teelektronik sein.

Besonders günstig ist es, wenn jeder Fotozelle eine Schlitzblende auf der dem Rohr zugewandten Seite zugeordnet ist.

Die Fotozellen sind mit einem Differenzverstärker verbun­ den, dessen Ausgangssignal einem von zwei Transistoren zuführbar ist zur wahlweisen Ansteuerung des Antriebsmotors in eine der beiden Drehrichtungen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur elektronischen Neigungs­ messung, wobei mit einer optischen Strahlungsquelle eine für die verwendete Strahlung undurchlässige Flüssigkeit be­ leuchtet wird, in der eine Gasblase eingeschlossen ist, wo­ bei sich die Flüssigkeit in einem kreisförmig gebogenen transparenten Rohr befindet, besteht darin, daß nach dem Aufsetzen auf die zu messende Fläche die Antriebsvorrich­ tung durch die Nachlaufsteuerung solange betätigt wird, bis die beiden Fotozellen eine maximale gleiche Helligkeit des die Gasblase durchdringenden Lichtes feststellen und der Differenzwert zwischen ihren Ausgangssignalen einen Minimalwert aufweist, wonach anschließend von der Abtast­ vorrichtung die Verdrehung der Codierscheibe bezüglich des Gehäuses ausgelesen wird und schließlich die so ermittelte Neigung, vorzugsweise in digitaler Form, von der Anzeige­ vorrichtung dargestellt wird.

Der erfindungsgemäße Neigungsmesser ist besonders einfach im Aufbau und kommt mit wenigen Bauteilen aus. Aufgrund der Vielzahl von speicherbaren Informationen auf einer her­ kömmlichen CD-Scheibe im Kleinformat ist es möglich, die ge­ messene Neigung mit einer bisher nicht bekannten Präzision von wenigen Sekunden anzuzeigen. Aufgrund der verwendeten optoelektronischen Nachlaufsteuerung wird eine Genauigkeit der Nachsteuerung von +/-0,01 mm erreicht, bei einer Be­ leuchtungsstärke von ca. 5000 Lux.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Neigungsmessers;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Neigungsmesser;

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung der beiden Fotozellen;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Nachlaufsteuerung;

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Ausgangssignals die­ ser Steuerung und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Nachlauf­ steuerung.

In Fig. 1 ist ein teilweise aufgeschnittenes Ausführungs­ beispiel eines Neigungsmessers in Form eines quadratischen Kästchens 1 dargestellt, auf dessen Außenseite eine Digi­ talanzeige 2 angeordnet ist. In diesem Kästchen ist ein in sich geschlossenes Rohr 3 drehfest angeordnet mit rundem oder eckigem Querschnitt, in dem eine für Licht undurchlässige Flüssigkeit enthalten ist, in welcher eine Gasblase 4 eingeschlossen ist, die als Libelle dient. Mit 1 a ist die Unterseite des Gehäuses 1 bezeichnet, die auf die zu messende Fläche aufgesetzt wird.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch das Ausführungsbei­ spiel gemäß Fig. 1, wobei gleiche Teile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen sind. Man erkennt hier, daß das mit der nichttransparenten Flüssigkeit 11 gefüllte Rohr 3 auf einer Trägerscheibe 9 aus transparentem Material sitzt, z.B. eine PVC-Scheibe, in deren Mittelpunkt eine optische Strahlungsquelle 10, z.B. eine UV-LED angeordnet ist. Mit 8, 8′ sind zwei unmittelbar nebeneinander angeordnete Fotozellen bezeichnet, z.B. zwei Halbleiter-Fotodioden, die die von der Strahlungsquelle 10 ausgehende Lichtstrahlung messen und die ortsfest auf einer verdrehbar und parallel zur Scheibe 9 gelagerten Codierscheibe vorgesehen sind.

Die Codierscheibe 14 ist eine codierbare CD-Scheibe, die eine Vielzahl von auslesbaren Informationen dahingehend trägt, daß jeder Drehstellung im Raum ein bestimmter Winkelwert zugeordnet ist. Zum Auslesen dieser Informa­ tionen dienen eine Vielzahl von Lasern 13, z.B. 12 Halb­ leiterlasern, die ortsfest mit dem Gehäuse 1 auf der der CD-Scheibe 14 zugewandten Innenseite angeordnet sind. Mit 12 sind zwei Kugellager bezeichnet zur reibungsarmen Ver­ drehung der CD-Scheibe 14.

Integriert im Gehäuse 1 ist eine (nicht dargestellte) Aus­ werteelektronik zur Ansteuerung der Anzeigevorrichtung 2 sowie eine Nachlaufsteuerung zur Ansteuerung des Motors 5, der die Codierscheibe 14 mit den beiden Fotozellen solange verdreht, bis die beiden Fotozellen 8, 8′ durch die Libelle 4 hindurch die maximale Helligkeit des von der optischen Strahlungsquelle 10 ausgesandten Lichtes empfan­ gen; dieses Licht durchsetzt die transparente Scheibe 9, deren geschliffener und polierter Außenrand 15 einen gut gebündelten Lichtübergang zur Libelle ermöglicht.

Fig. 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die beiden Fotozel­ len 8, 8′ sowie die ihnen zugeordneten Schlitzblenden 16, 16′ mit einer Schlitzbreite von z.B. 0,2 mm, die in einem Abstand von 1 mm vor den Fotozellen 8, 8′ angeordnet ist.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel einer Schaltung wird das Differenzsignal der beiden Foto­ dioden in einem Differenzverstärker verstärkt und von einem Voltmeter angezeigt. Die Offset-Spannung des Diffe­ renzverstärkers und diejenige der Dioden kann mit einem Potentiometer durch Nullabgleich kompensiert werden.

Fig. 5 zeigt den Verlauf der Ausgangsspannung der beiden Fo­ todioden, d.h. der Fotozelle 8, 8′ in Abhängigkeit vom Blendenweg.

In Fig. 6 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Nach­ laufsteuerung mit Differentialfotodiode dargestellt. Hier­ bei werden zwei Schaltverstärkerstufen mit optoelektroni­ schen Kopplern verwendet und einer Nullpunktregelung von +/-0,01 mm. Überschreitet bei diesem Ausführungsbeispiel die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers die Basis­ schleusenspannung der Endstufe von +/-0,6 V so wird ein Relais angesteuert, von dem ein Stellglied einer Nachlauf­ steuerung betrieben wird.

Die Spannung von +/-0,6 V wird bereits nach einem Weg von etwa +/-0,01 mm erreicht entsprechend der Genauigkeit der Steuerung. Der Ausgangsstrom des Operationsverstärkers wird hierbei in der Komplementärendstufe erhöht und treibt eines von zwei Relais zur Ansteuerung des Antriebsmotors 5. Eine weitgehende Temperaturkompensation ergibt sich bereits aus der Symmetrie der Schaltung. Im Zusammenhang mit der in Fig. 3 dargestellten Schlitzblende lassen sich Nach­ steuerungsgenauigkeiten von +/-0,01 mm erzielen und zwar bei Lichtstärken von ca. 5000 Lux. Bei einer geringeren Lichtstärke von 3000 Lux beträgt die Genauigkeit +/-0,015 und bei 2000 Lux immer noch +/-0,02 mm. Der erfindungsge­ mäße elektronische Neigungsmesser wird auf die zu messende Fläche mit seiner Unterseite aufgesetzt, wonach völlig selbsttätig die Antriebsvorrichtung durch die Nachlauf­ steuerung solange betätigt wird, bis die beiden Fotozellen eine maximale Helligkeit des die Gasblase, d.h. die Libelle durchsetzendes von der optischen Strahlungsquelle stam­ menden Lichtes feststellen und der Differenzwert zwischen den Ausgangssignalen einen Minimalwert annimmt. Anschließend wird von der Abtastvorrichtung die Verdrehung der CD- Scheibe bezüglich des Gehäuses ausgelesen und zwar in digi­ taler Form, wobei jedem Winkelschritt ein bestimmter Zah­ lenwert absolut zugeordnet ist. Dieser stellt einen nume­ rischen Wert dar, d.h. einem Meßwert, der nicht über Hilfs­ geräte erstellt, sondern aus der codierten CD-Scheibe aus­ gelesen wird. Dieser absolute Meßwert steht sofort zur Weiterverarbeitung zur Verfügung, wobei jeder ausgelesene Codewert den direkten Drehwinkel darstellt. Dieser kann von der Anzeigevorrichtung unmittelbar danach abgelesen werden, und zwar mit der oben erwähnten Genauigkeit.

Der Neigungsmesser ist absolut wartungsfrei und äußerst zu­ verlässig. Er eignet sich zur Messung von Winkelpositionen an Waagen, Wasserwaagen, Theodoliten, Werkzeugen, Linear­ verschiebungen über Winkelmessungen an Teleskopen und die Telemetrie.

Claims (10)

1. Elektronischer Neigungsmesser, mit einem in einem Gehäu­ se angeordneten mit einer Flüssigkeit gefüllten Hohl­ raum, in der eine geringe Menge eines Gases eingeschlos­ sen ist, mit einem optischen Strahlerzeuger, mit einem optischen Empfänger, mit einer Auswerteelektronik so­ wie mit einer digitalen Anzeigevorrichtung für die ge­ messene Neigung, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl­ raum in einem kreisförmig gebogenen, in sich geschlos­ senen transparenten Rohr angeordnet ist, daß die Flüs­ sigkeit für die verwendete optische Strahlung nicht transparent ist, daß die optische Strahlungsquelle im Mittelpunkt der das Rohr enthaltenden Ebene angeordnet ist, daß parallel zur Rohrebene eine verdrehbare Codierscheibe vorgesehen ist, die zwei drehfest mit ihr verbundene Fotozellen aufweist, die derart angeordnet sind, daß sie das von der optischen Strahlungsquelle stammende die Gasblase durchsetzende Licht empfangen können, daß die Codierscheibe mit einer Antriebsvorrich­ tung zusammenwirkt, um ihr eine Drehbewegung zu ertei­ len, die von einer Nachlaufsteuerung betätigbar ist, daß parallel zur Codierscheibe eine drehfest mit dem Gehäuse verbundene Abtastvorrichtung für die Codier­ scheibe vorgesehen ist, und daß die von der Abtastvor­ richtung stammenden Signale der Auswerteelektronik für die Anzeigevorrichtung zugeführt werden.

2. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr eine transparente Scheibe umschließt, in deren Mittelpunkt die optische Strahlungsquelle angeord­ net ist und deren kreisförmiger Rand geschliffen ist.

3. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlungsquelle eine UV-LED ist.

4. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung ein von der Nachlaufsteue­ rung ansteuerbarer Motor mit einer Antriebswelle ist, die mit einem ringförmigen Schneckengewinde entlang des Außenumfangs der Codierscheibe zusammenwirkt.

5. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Codierscheibe eine CD-Scheibe ist, die eine Vielzahl von optisch abtastbaren Informationen trägt, wobei jede Information einem diskreten Drehwinkel ent­ spricht.

6. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastvorrichtung aus einer Vielzahl von Lasern besteht, die parallel zu diskreten Radien der CD-Scheibe auf der dieser zugewandten Innenseite des Gehäuses angeordnet sind.

7. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse zugleich die Trägerplatine für die Aus­ werteelektronik und die Nachlaufsteuerung ist.

8. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fotozelle eine Schlitzblende auf der dem Rohr zugewandten Seite zugeordnet ist.

9. Neigungsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozellen mit einem Differenzverstärker verbun­ den sind, dessen Ausgang mit einem von zwei Transistoren verbindbar ist zur wahlweisen Ansteuerung des Antriebs­ motors.

10. Verfahren zur elektronischen Neigungsmessung unter Ver­ wendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mit einer optischen Strahlungsquelle eine für die verwendete Strahlung undurchlässige Flüssigkeit beleuchtet wird, in der eine Gasblase eingeschlossen ist, die sich beide in einem kreisförmig gebogenen, in sich geschlossenen Rohr befinden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
nach dem Aufsetzen auf die zu messende Fläche wird die Antriebsvorrichtung durch die Nachlaufsteuerung solange betätigt, bis die beiden an der Codierscheibe angeordne­ ten Fotozellen eine maximale Helligkeit des die Gasblase durchdringenden Lichtes feststellen und der Differenz­ wert zwischen ihren Ausgangssignalen einen Minimalwert annimmt;
anschließend wird von der Abtastvorrichtung die Ver­ drehung der Codierscheibe bezüglich des Gehäuses ausge­ lesen und
schließlich wird die so ermittelte Neigung in digitaler Form von der Anzeigevorrichtung dargestellt.