DE3920246A1

DE3920246A1 - Liquid inclination sensor with electrical output signal - has container of liquid and gas with dielectric wall separating liquid from electrodes with differential impedance measuring circuit

Info

Publication number: DE3920246A1
Application number: DE19893920246
Authority: DE
Inventors: Hans-Hermann Dr Ing Seidel; Gerit Dr Sc Nat Kampfrath
Original assignee: SEIDEL HANS-HERMANN DR 8960 KEMPTEN DE
Current assignee: SEIDEL HANS-HERMANN DR 8960 KEMPTEN DE
Priority date: 1989-06-21
Filing date: 1989-06-21
Publication date: 1991-01-03

Abstract

The liquid inclination sensor with an electrical output signal has a container (1) contg. liquid (3) and gas (2) separated from electrodes (5-7) by a dielectric wall (4). The electrodes are mounted on the separating wall so that the vol. of liquid found within the electrical field line region varies with inclination angle. The electrodes are connected to a differential impedance measurement circuit (11) which measures the resistive and capacitive resistances of the variable liquid vol. and produces an electrical inclination output signal (12). USE/ADVANTAGE - Esp. for detecting small and very small inclinations without electrical contact between liquid and measurement electrodes.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsneigungssensor mit elektrischem Ausgangs signal, insbesondere zur Erfassung kleiner und kleinster Neigungswinkel.The invention relates to a liquid inclination sensor with an electrical output signal, especially for the detection of small and smallest inclination angles.

Flüssigkeitsneigungssensoren mit galvanischem oder mit kapazitivem Abgriff der Meß information unterschiedlicher Bauart zählen zum Stand der Technik.Liquid inclination sensors with galvanic or with capacitive tapping of the measuring Information of different types are part of the state of the art.

In der EP 02 43 011 A2 und in der DE 25 51 798 C2 werden zwei verschiedene elektronische Neigungsmesser mit galvanischem Abgriff beschrieben. Diese Neigungs messer mit galvanischem Abgriff besitzen den Nachteil, daß in der Flüssigkeit chemische Veränderungen durch Gleichstromkomponenten möglich sind. Die Kontakt stellen von leitfähiger Flüssigkeit und Stromzuführungselektroden bergen außerdem besondere Grenzschichtprobleme in sich, die einen negativen Einfluß auf die meß technischen Parameter bewirken.EP 02 43 011 A2 and DE 25 51 798 C2 describe two different types described electronic inclinometer with galvanic tap. This inclination Knife with galvanic tap have the disadvantage that in the liquid chemical changes due to DC components are possible. The contact places of conductive liquid and power supply electrodes also contain special boundary layer problems, which have a negative influence on the measurement effect technical parameters.

Andere Neigungssensoren mit kapazitivem Abgriff, wie z. B. die DE 32 49 101 C2, die DE 36 08 274 C2 und die EP 01 71 961 A1 verwenden eine dielektrische Flüssig keit oder gekrümmte Behälterformen. Mit diesen Anordnungen können aufgrund der relativ geringen Kapazitätsänderung pro Neigungswinkeleinheit keine kleinen und klein sten Neigungswinkel erfaßt werden. Außerdem sind die Temperaturdrift der Dielektri zitätskonstante und der Fertigungsaufwand für definiert gekrümmte Flüssigkeitsbe hälter nachteilig.Other inclination sensors with capacitive tapping, such as. B. DE 32 49 101 C2, DE 36 08 274 C2 and EP 01 71 961 A1 use a dielectric liquid or curved container shapes. With these arrangements, due to the relatively small capacity change per unit tilt angle no small and small most inclination angle can be detected. In addition, the temperature drift of the dielectrics constant and the manufacturing effort for defined curved liquid be more disadvantageous.

Mechanische Pendelneigungssensoren, wie in der DE 25 23 446 beschrieben, gestat ten zwar auch die Messung kleinster Neigungswinkel, besitzen aber die Nachteile mechanischer Anordnungen wie Hysterese, Stoßempfindlichkeit und komplizierter Aufbau. Weiterhin ist das Meßergebnis derartiger mechanischer Systeme wegen der dabei verwendeten Federelemente von der Größe der Gravitationskraft abhängig, so daß eine Neigungsmessung außerhalb der Erdoberfläche fehlerbehaftet ist.Mechanical pendulum inclination sensors, as described in DE 25 23 446, allow Although measuring the smallest inclination angle also has the disadvantages mechanical arrangements such as hysteresis, shock sensitivity and more complicated Construction. Furthermore, the measurement result of such mechanical systems is due to the spring elements used depend on the size of the gravitational force, so that an inclination measurement outside the earth's surface is faulty.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kleine und kleinste Neigungswinkel unter Verwendung unkomplizierter Gefäßgeometrien bei großer Auswahlmöglichkeit der gravitationsempfindlichen Flüssigkeit, die sowohl Leitfähigkeit, wie auch dielektrische Eigenschaften besitzen können soll, zu messen, wobei ein galvanischer Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den Meßelektroden vermieden werden soll.The invention is based, small and smallest inclination angle under the task Use of uncomplicated vessel geometries with a large selection of gravitationally sensitive liquid, which is both conductivity and dielectric Should be able to have properties to measure, with a galvanic contact between the liquid and the measuring electrodes should be avoided.

Das Meßergebnis soll unabhängig von der Größe der Gravitationskraft nur deren Richtung anzeigen, also auch in großen Höhen oder auf anderen Himmelskörpern fehler frei funktionieren.The measurement result should only be independent of the size of the gravitational force Show direction, i.e. also at great heights or on other celestial bodies work freely.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in einem Gefäß ein Gas und eine Flüssigkeit befinden und durch dielektrische Trennwände gegenüber der Elektroden isoliert sind und daß die Elektroden auf den Trennwänden so angeordnet sind, daß sich in deren elektrischen Feldlinienverläufen ein durch unterschiedliche Nei gungswinkel veränderliches Flüssigkeitsvolumen der gravitationsempfindlichen Flüssigkeit findet und daß die Elektroden mit den Eingängen einer elektronischen Differential impedanzmeßschaltung zum Messen der resistiven und der kapazitiven Widerstände des veränderlichen Flüssigkeitsvolumens verbunden sind, die einen elektrischen Neigungs signalausgang besitzt.This object is achieved in that in a vessel Gas and a liquid are located and through dielectric partitions opposite the Electrodes are insulated and that the electrodes are arranged on the partitions are that in their electrical field lines a different Nei Angle of change variable liquid volume of the gravitationally sensitive liquid finds and that the electrodes with the inputs of an electronic differential impedance measuring circuit for measuring resistive and capacitive resistances of the variable volume of liquid are connected, which has an electrical inclination signal output.

Damit die gravitationsempfindliche Flüssigkeit und das Gas auch in einem ungekrümm ten zylindrischen Rohr in horizontaler Lage keinen undefinierten instabilen Gleich gewichtszustand seiner Lage annimmt, befinden sich an den Zylinderenden spezielle kapillarkraftvergrößernde Teile, die eine kontinuierliche Zunahme der Kapillarwirkung auf die Flüssigkeit zu den Zylinderenden hin bewirken und so in Abhängigkeit der Geo metrie dieser kapillarkraftvergrößernden Teile eine exakte Erfassung des Null-Neigungs winkels ermöglicht.So that the gravitationally sensitive liquid and the gas are also in an uneven shape th cylindrical tube in horizontal position no undefined unstable equals assumes the weight of its position, there are special at the cylinder ends Capillary force-enlarging parts that have a continuous increase in capillary action effect on the liquid towards the cylinder ends and thus depending on the geo With the help of these capillary force increasing parts, an exact detection of the zero inclination angle.

Zur einfachen Meßsignalgewinnung kann ein Relaxationsoszillator Verwendung finden, dessen periodendauerbestimmenden Bauelemente durch den komplexen Widerstand des Meßvolumens gebildet werden.A relaxation oscillator can be used for simple measurement signal acquisition, the period-determining components by the complex resistance of the Measurement volume are formed.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß schon eine geringfügige Flüssigkeitsvolumenänderung im Feldlinienverlauf der Meßelektroden zu einer gut auswertbaren Änderung des resistiven und oder des kapazitiven Wider standes führt und da mechanische Hystereseerscheinungen in der Flüssigkeit keine Rolle spielen, können auch kleinste Neigungswinkel im Winkelsekundenbereich und darunter gemessen werden. Ein Flüssigkeitsspiegel ist auch bei unterschiedlich starker Gravitationskraft immer waagerecht, so daß der Neigungswinkel unabhängig vom Meß ort, z. B. auch in großer Höhe oder auf anderen Himmelskörpern gemessen werden kann.The advantages achieved by the invention are in particular that one slight liquid volume change in the field line course of the measuring electrodes a well evaluable change in the resistive and or the capacitive counter leads and since there are no mechanical hysteresis in the liquid Even the smallest tilt angles in the range of angular seconds and can play a role be measured below. A liquid level is also different in strength Gravitational force always horizontal, so that the angle of inclination is independent of the measurement place, e.g. B. can also be measured at high altitude or on other celestial bodies can.

Ein weiterer großer Vorteil besteht in der hohen mechanischen Schockbelastbarkeit, da außer der Flüssigkeit keine weiteren beweglichen Teile Verwendung finden.Another big advantage is the high mechanical shock resistance, since no other moving parts are used apart from the liquid.

Embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigenThe invention is intended to be illustrated below using an exemplary embodiment with reference to drawings are explained in more detail. The drawings show

Fig. 1 Flüssigkeitsneigungssensor mit elektrischem Ausgangssignal,1 liquid inclination sensor with electrical output signal,

Fig. 2 Flüssigkeitsneigungssensor mit zylindrischem Gefäß,2 liquid inclination sensor with a cylindrical vessel,

Fig. 3 Flüssigkeitsneigungssensor mit verbundenen Gefäßen,3 liquid inclination sensor with connected vessels,

Fig. 4 Flüssigkeitsneigungssensor mit kapillarkraftvergrößernden kegligen Teilen, Fig. 4 liquid tilt sensor with kapillarkraftvergrößernden kegligen parts

Fig. 5 Flüssigkeitsneigungssensor mit kapillarkraftvergrößernden schrägen Teilen, Fig. 5 liquid tilt sensor with kapillarkraftvergrößernden oblique parts,

Fig. 6 Flüssigkeitsneigungssensor mit zylindrischen Elektroden,6 liquid inclination sensor with cylindrical electrodes,

Fig. 7 Flüssigkeitsneigungssensor für zwei Neigungskoordinaten, Fig. 7 liquid tilt sensor for two tilt coordinates,

Fig. 8 verzahnte Meßelektroden, Figure 8 toothed measuring electrodes.,

Fig. 9 elektrisches Ersatzschaltbild und Teil der Meßsignalgewinnung. Fig. 9 electrical equivalent circuit and part of the measurement signal acquisition.

Der Flüssigkeitsneigungssensor besteht aus einem Gefäß 1, in dem sich eine Flüssig keit 3 als gravitationsempfindliches Element und ein Gas 2 befindet. Zwischen der Flüssigkeit 3 und den Meßelektroden 5, 6 und 7 befindet sich eine dielektrische Trenn wand 4. Diese Trennwand 4 kann, wie in der Fig. 2 bis 6 dargestellt, auch durch ein dielektrisches Gefäß 1 gebildet werden. Die Meßelektroden 5, 6 und 7 sind so angeordnet, daß sich in ihrem Feldlinienverlauf, wie es vereinfacht in der Fig. 9 dar gestellt ist, ein vom jeweiligen Neigungswinkel abhängiges Flüssigkeitsvolumen mit resistiv und kapazitiv wirkenden Elementen 16 befindet. Das veränderliche Flüssigkeits volumen im Feldlinienverlauf bewirkt auch eine Veränderung der Größen der wirksamen resistiven und kapazitiven Elemente 16, die ihrerseits z. B. in Verbindung mit einem Relaxationsoszillator 17 eine leicht weiterverarbeitbare Periodendaueränderung her vorrufen. Eine Veränderung des Flüssigkeitsvolumens führt in jedem Fall zu einer Meß signaländerung, unabhängig davon, ob die resistive oder die kapazitive Komponente der Flüssigkeit überwiegt. Die elektrischen Werte der Flüssigkeit 3 sollten aber über die Zeit und die Temperatur möglichst konstant sein und die nichtelektrischen Eigenschaf ten, wie Viskosität, chemische Beständigkeit, Grenzschichtverhalten, Oberflächenspan nung, Verträglichkeit mit dem Gas 2 und Toxizität sollten ebenfalls der Aufgabe an gepaßt sein.The liquid inclination sensor consists of a vessel 1 in which there is a liquid speed 3 as a gravitationally sensitive element and a gas 2 . Between the liquid 3 and the measuring electrodes 5, 6 and 7 there is a dielectric partition 4 . As shown in FIGS. 2 to 6, this partition 4 can also be formed by a dielectric vessel 1 . The measuring electrodes 5, 6 and 7 are arranged so that in their field line course, as shown in simplified form in FIG. 9, is a liquid volume dependent on the respective inclination angle with resistive and capacitive elements 16 . The variable liquid volume in the field line course also causes a change in the sizes of the effective resistive and capacitive elements 16 , which in turn z. B. call in conjunction with a relaxation oscillator 17 an easily processable period change ago. A change in the liquid volume leads in any case to a measurement signal change, regardless of whether the resistive or the capacitive component of the liquid predominates. However, the electrical values of the liquid 3 should be as constant as possible over time and the temperature, and the non-electrical properties, such as viscosity, chemical resistance, boundary layer behavior, surface tension, compatibility with the gas 2 and toxicity should also be adapted to the task.

Der Flüssigkeitsneigungssensor in Fig. 2 besteht im wesentlichen aus einem ca. halb gefüllten an beiden Enden geschlossenen Glasrohr 1. Die Meßelektroden 5, 6 und 7 können dabei, wie dargestellt, unterhalb oder oberhalb angeordnet sein oder das Rohr, wie in Fig. 6 dargestellt, ringförmig umschließen. Fig. 3 zeigt einen Neigungssensor, dessen beide Hälften, die über eine Leitung 13 und 14 für die Flüssigkeit und das Gas sowie elektrische Leitungen miteinander in Verbindung stehen, an größeren Kon struktionsteilen in entsprechender Entfernung voneinander befestigt werden können, wodurch die Meßempfindlichkeit vergrößert, oder zueinander bewegliche Teile nivelliert werden können.The liquid inclination sensor in FIG. 2 essentially consists of an approximately half-filled glass tube 1 closed at both ends. The measuring electrodes 5, 6 and 7 can, as shown, be arranged below or above or surround the tube, as shown in Fig. 6, in a ring. Fig. 3 shows a tilt sensor, the two halves, which are connected via a line 13 and 14 for the liquid and the gas and electrical lines to each other, can be attached to larger con struction parts at a corresponding distance from one another, thereby increasing the measuring sensitivity, or moving parts can be leveled.

Fig. 4, 5 und 6 zeigt Flüssigkeitsneigungssensoren zur Erfassung besonders kleiner Neigungswinkeldifferenzen unter Verwendung gerader zylindrischer Rohre. Bei derartigen geraden zylindrischen Rohren 1, 4 befindet sich das Gasvolumen 2 in waagerechter Stellung im labilen Gleichgewicht, so daß deren Position keine genaue Aussage über den wirksamen Neigungswinkel gestattet. Durch spezielle kapillarkraftvergrößernde Teile 15 wird die Oberflächenspannung so beeinflußt, daß das Gasvolumen in waage rechter Stellung des Rohres eine definierte Position einnimmt. Fig. 4, 5 and 6 shows liquid inclination sensors for detecting very small inclination angle differences using straight cylindrical tubes. With such straight cylindrical tubes 1, 4 , the gas volume 2 is in a horizontal position in an unstable equilibrium, so that its position does not allow a precise statement about the effective inclination angle. The surface tension is influenced by special capillary force-increasing parts 15 such that the gas volume assumes a defined position in the horizontal position of the tube.

Fig. 7 zeigt in der Draufsicht einen zweiachsigen Neigungssensor. Fig. 7 shows a two-axis tilt sensor in the plan view.

Fig. 8 zeigt eine mögliche kammartige Verzahnung der Meßelektroden 5 und 6 und 7 und 6, was insbesondere bei dünnen Flüssigkeitsschichten zur Meßempfindlichkeits steigerung sinnvoll ist. Fig. 8 shows a possible comb-like toothing of the measuring electrodes 5 and 6 and 7 and 6 , which is particularly useful in thin layers of liquid to increase the sensitivity.

Claims

1. Liquid inclination sensor with an electrical output signal, in particular for capturing the smallest and smallest inclination angle, characterized in that there is a gas ( 2 ) and a liquid ( 3 ) in a vessel ( 1 ) and through dielectric partition walls ( 4 ) relative to the electrodes ( 5, 6, 7 ) are insulated and that the electrodes ( 5, 6, 7 ) on the partition ( 4 ) are arranged so that there is a variable liquid volume of the liquid ( 3 ) in their electric field lines and that the electrodes ( 5, 6, 7 ) are connected to the inputs ( 8, 9, 10 ) of an electronic differential impedance measuring circuit for measuring the resistive and the capacitive resistances ( 16 ) of the variable liquid volume, which has an electrical tilt signal output ( 12 ) .

2. Liquid inclination sensor according to claim 1, characterized in that the vessel ( 1 ) and the dielectric partition ( 4 ) is formed by a dielectric tube.

3. liquid inclination sensor according to claim 1 and 2, characterized in that to increase the sensitivity, the vessel ( 1 ) is divided into two parts ( 1.1 ) and ( 1.2 ) through a connecting line ( 13 ) for the liquid and a connecting line ( 14 ) are interconnected for the gas.

4. Liquid inclination sensor according to claim 2, characterized in that the dielectric tube is not curved and there are capillary force increasing parts ( 15 ) on both tube ends and the free cross-section decreases towards the tube end.

5. Liquid inclination sensor according to claim 1, 2 and 4, characterized in that the capillary force increasing parts ( 15 ) are preferably designed as a cone ( 15.1 ), as an oblique cylindrical section ( 15.2 ) or as a rotational hyperboloid.

6. Liquid inclination sensor according to claim 1 to 5, characterized in that the electrodes ( 5, 6 and 7 ) surround the dielectric tube ( 1 ) in an annular manner on the outside.

7. liquid inclination sensor according to claim 1, characterized in that the vessel ( 1 ) is formed vertically cylindrical and under a horizontal dielectric partition wall ( 4 ) the electrodes ( 5.1, 6 and 7.1 ) for the inclination in the x direction and the electrodes ( 5.2, 6 and 7.2 ) for the inclination in the y direction, which are connected to the associated electronic differential impedance measuring circuits ( 11.1 and 11.2 ).

8. liquid inclination sensor according to claim 1 to 7, characterized in that the measuring electrodes ( 5 ) or ( 7 ) and the reference electrode ( 6 ) are comb-like and interlocked at a distance.

9. liquid inclination sensor according to claim 1 to 8, characterized in that the electronic differential impedance measuring circuit ( 11 ) has at the input at least one relaxation oscillator ( 17 ), the output pulse times ( 18 ) a function of the capacitive and the resistive electrical components ( 16 ) of the variable liquid volume inclination are.

10. liquid inclination sensor according to claim 1 to 8, characterized in that as Liquid a low-viscosity, non-foaming, chemically inactive, long-term stable Liquid with low temperature coefficient of the electrical parameters over a wide temperature range is used.

11. Liquid inclination sensor according to claim 1 to 7, characterized in that in the vessel ( 1 ) in the region of the liquid ( 3 ) flow obstacles are arranged as a vibration damper.