DE4005740A1 - Horizontaler neigungsmesser zur bodenueberwachung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen horizontalen Neigungsmesser zur Bodenüberwachung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit einem derartigen Neigungsmesser werden über eine relativ große Meßlänge von z. B. 10 bis 500 m über eine Langzeitmessung Bodensetzungen oder Erhebungen oder Gebirgsdeformationen im Bereich von wenigen Mikrometern bis 10 cm erfaßt. Es handelt sich also um eine hochauflösende, empfindliche Neigungsmessung über eine relativ große Meßlänge.

Bisher hatte man derartige Neigungsmesser nach dem sogenannten Differenzdruckprinzip aufgebaut. Hierbei wurde an einer bestimmten Meßstelle ein Endbehälter aufgestellt, der mit einer Meßflüssigkeit gefüllt war. Im Abstand von diesem einen Endbehälter wird ein zweiter Endbehälter aufgestellt, der mit dem ersten Endbehälter über eine Druckausgleichsleitung verbunden ist.

Beide Endbehälter weisen im bodennahen Bereich jeweils einen Auslaß auf, an den jeweils eine Leitung angeschlossen ist. Die beiden Leitungen sind bevorzugt gleich lang und treffen via Flüssigkeitsschalter auf die Meßkammern eines Differenzdruckaufnehmers.

Auf diese Weise konnte somit der Höhenunterschied zwischen dem einen Endbehälter und dem anderen über die Erfassung des Flüssigkeitsdruckunterschiedes mittels des Differenzdruckaufnehmers erfaßt werden.

Der Differenzdruckaufnehmer besteht in ansich bekannter Weise aus zwei einander gegenüberliegenden Meßkammern mit einer dazwischenliegenden Membraneinheit.

Die Auslenkung der Membraneinheit erfolgt entsprechend dem Druckunterschied der Meßflüssigkeit in der einen Kammer im Vergleich zu dem Druck der Meßflüssigkeit in der anderen Kammer. Die Auslenkung der Membran ist also ein Maß für den Druckunterschied zwischen den beiden Endbehältern und damit ein Maß für den Höhenunterschied zwischen den beiden Endbehältern.

Mit der dargestellten Meßmethode waren relativ hochauflösende Messungen möglich. Nachteilig allerdings ist die mangelnde Nullpunktstabilität des Druckaufnehmers. Wenn beide Endbehälter auf gleicher Höhe stehen, sollte der Differenzdruckaufnehmer einen Differenzdruck von Null anzeigen. Dies war wegen der unvermeidlichen Drift der Auswerteelektronik nicht gewährleistet. Im übrigen war ein Meßabgleich dieses Differenzdruckaufnehmers bei den bekannten Geräten nicht langzeitstabil.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung so weiterzubilden, daß eine wesentlich verbesserte absolute Genauigkeit erreicht wird.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils von dem Endbehälter zum Differenzdruckaufnehmer geführte Leitung auf einen Flüssigkeitsmeßumschalter geführt ist, der zwei Ausgänge aufweist, an denen der Differenzdruckaufnehmer mit seinen zwei Eingängen angeschlossen ist, so daß die von den Endbehältern kommenden Leitungen wahlweise auf die eine oder andere Kammer des Differenzdruckaufnehmers geschaltet werden.

Nach der vorliegenden Erfindung wird der wesentliche Vorteil erreicht, daß nun eine wahlweise Aufschaltung der jeweiligen Leitung vom Endbehälter auf die eine oder die andere Kammer des Differenzdruckaufnehmers möglich ist.

Durch die wahlweise Umschaltung der einen oder der anderen Leitung auf jeweils die eine oder andere Kammer des Differenzdruckaufnehmers wird also der Vorteil erzielt, daß man mit der Umschaltung dieses Flüssigkeitsumschalters die Meß-Spanne erfassen kann. Mit der Umschaltung dieses Flüssigkeitsumschalters kann man also am Differenzdruckaufnehmer entweder das positive Meßsignal oder das inverse Meßsignal gleicher Größe erhalten. Entspricht das positive Meßsignal genau dem inversen Meßsignal, dann ist damit sichergestellt, daß eine Drift in der Auswerte-Elektronik nicht vorliegt. Liegt dennoch eine Drift vor, so kann diese im Wege des Abgleichs beseitigt werden.

Neben dieser Umschaltmöglichkeit durch den Flüssigkeitsumschalter zum Zwecke der Erfassung des Meßbereichs gibt es noch den sogenannten Nullabgleich nach der vorliegenden Erfindung.

Bei diesem Nullabgleich wird der Druck eines beliebigen Behälters, der nicht unbedingt ein Endbehälter sein muß, sondern auch eine andere Druckquelle sein kann, sowohl auf die linke als auch auf die rechte Kammer des Differenzdruckaufnehmers geschaltet und damit kann der genaue Nullpunkt des Differenzdruckaufnehmers eingestellt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Verwendung eines Flüssigkeitsumschalters zur Umschaltung der Leitungen, die vom Endbehälter zum Differenzdruckaufnehmer kommen, wird also der wesentliche Vorteil erreicht, daß eine Drift in der Meßelektronik beseitigt wird und im übrigen ein Nullpunktabgleich gegeben ist.

Damit ist es erstmals möglich, eine wesentliche höhere absolute Genauigkeit zu erreichen, wie sie bisher nicht bekannt war.

Mit der gegebenen technischen Lehre nach der Erfindung können deshalb Höhenunterschiede bis zu 10 cm mit einer Auflösung von besser als 1 Mikrometer erfaßt werden.

So war es beispielsweise möglich, bei einer Meßstrecke von 20 m zwischen den Endbehältern an einer Staumauer den Masse-Einfluß des Mondes auf die Staumauer zu erfassen. Diese Neigungsänderungen liegen im Bereich zwischen 0,5 bis 1 Mikrometer pro 20 m Meßlänge.

Die Erfindung wird nun anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor.

Die Fig. 1 zeigt schematisiert das Meßverfahren nach der vorliegenden Erfindung, während Fig. 2 eine Abwandlung des Meßverfahrens nach Fig. 1 darstellt.

In Fig. 1 sind zwei Endbehälter 1, 2 in gegenseitigem Abstand voneinander aufgestellt.

Die Endbehälter 1, 2 und die dazugehörenden Leitungen 8, 9 bzw. 10, 11 sind genau identisch ausgebildet, daher wird aus Vereinfachungsgründen lediglich immer nur die Funktion des einen Endbehälters beschrieben, wohingegen die Funktion des anderen Endbehälters genau gleich ist.

Jeder Endbehälter 1, 2 ist mit einer Meßflüssigkeit 3 befüllt, die z. B. aus Wasser, aus einem Wasseralkoholgemisch, Hydrauliköl oder dergleichen besteht. Wichtig ist, daß die Meßflüssigkeit 3 luftblasenfrei ist.

Bei der Verwendung von Wasser als Meßflüssigkeit wird es bevorzugt, wenn in jedem Endbehälter 1, 2 noch eine dünne Deckschicht 4 z. B. aus Öl auf der Meßflüssigkeit 3 lagert, um eine unzulässige Verdunstung zu vermeiden.

Die beiden Endbehälter 1, 2 sind in ihrem oberen Luftbereich jeweils über einen Auslauf 5 miteinander verbunden, wobei der Auslauf in einen Stutzen 12 mündet.

Der Stutzen 12 kann hierbei in der Mitte geführt werden; er kann aber auch in das Meßgehäuse der gesamten Meßeinrichtung geführt werden. Die letztgenannte Möglichkeit wird bevorzugt, weil das Meßgehäuse in der Regel beheizt ist und hierbei trockene Luft in den Leitungen 10, 11 und damit auch in den Endbehältern 1, 2 lagert.

In einer Anwendungsform der vorliegenden Erfindung haben die Auslässe 5 der Endbehälter 1, 2 und die Leitungen 10, 11 einen lichten Querschnitt von etwa 8 mm.

Der Bodenbereich jedes Endbehälters 1, 2 weist einen zweiten Auslaß 6 auf, der bevorzugt mit einem Absperrhahn 7 verschließbar ist.

An jedem Auslaß 6 setzt eine Leitung 8, 9 an, welche die eigentliche Meßleitung ist. Die in dieser Leitung lagernde Meßflüssigkeit hat also den hydrostatischen Druck der Meßsäule im jeweiligen Endbehälter 1, 2.

Erfindungsgemäß werden nun die Leitungen 8, 9 auf einen Flüssigkeitsumschalter 13 geführt. Dieser Flüssigkeitsumschalter besteht im wesentlichen aus einer Reihe von Eingängen 16-21 und weist im übrigen zwei Ausgänge 23, 24 auf. Jeder Ausgang 23, 24 ist über eine zugeordnete Leitung 29, 30 mit dem Differenzdruckaufnehmer 31 verbunden. Hierbei ist die Leitung 29 auf die Kammer 32 und die Leitung 30 auf die Kammer 32 des Differenzdruckaufnehmers 31 geführt.

Entsprechend dem Flüssigkeitsdruckunterschied in den Leitungen 29, 30 wird die Membran 34 des Differenzdruckaufnehmers 31 entsprechend ausgelenkt. Die Auslenkung der Membran 34 wird meßtechnisch entweder kapazitiv oder induktiv erfaßt.

Die dazugehörende Auswerte-Elektronik ist der Einfachheit halber nicht näher dargestellt.

Wichtig ist noch, daß die Kammern 32, 33 des Differenzdruckaufnehmers horizontal nebeneinander liegen und nicht vertikal übereinander angeordnet sind. Dies gilt auch für die Leitungen 29, 30 und für die übrigen Leitungen, die am Flüssigkeitsumschalter 13 an- oder abgehen.

Der Flüssigkeitsumschalter weist ein Drehteil 14 auf, welches beispielsweise in Pfeilrichtung 26 bzw. in Gegenrichtung hierzu zu den feststehenden Eingängen 16-21 verdrehbar ist. Das Drehteil 14 ist drehfest mit jeweils einer Verbindungsleitung 15, 15a verbunden. Die Verbindungsleitung 15, 15a mündet an ihrem radial einwärts liegenden Ende in eine innere, halbkreisförmige Verbindungsnut 27, 28.

Die Verbindungsnut ihrerseits ist jeweils fest mit einem Ausgang 23, 24 verbunden.

Damit kann entsprechend der Drehung des Drehteils 26 die Verbindungsleitung 15 bzw. 15a an einem beliebigen Eingang 16-21 geschaltet werden, wobei die Verbindungsleitung 15 die Eingänge 16, 18, 19 mit dem Ausgang 23 verbindet, während die Verbindungsleitung 15a die Eingänge 17, 20 und 21 mit dem Ausgang 24 verbindet.

Es werden im folgenden nun die verschiedenen Schaltstellungen des Flüssigkeitsumschalters 13 erläutert.

In der in Fig. 1 eingezeichneten Schaltstellung ist somit die Leitung 8 vom Endbehälter 1 über den Eingang 16 mit dem Ausgang 23 des Flüssigkeitsumschalters 13 verbunden, so daß die Leitung 8 direkt auf die Kammer 32 des Differenzdruckaufnehmers 31 geschaltet ist.

In analoger Weise ist die Leitung 9 des Endbehälters 2 über den Eingang 17 auf den Ausgang 24 und damit über die Leitung 30 auf die andere Kammer 33 des Differenzdruckaufnehmers 31 geschaltet.

Die ist die reine Meßstellung.

Vor Durchführung dieser Messung muß ein entsprechender Nullpunktsabgleich und eine entsprechende Beseitigung der Langzeitdrift der Meßanordnung durchgeführt werden.

Dies erfolgt folgendermaßen:
Durch die Durchführung des Nullpunktabgleichs wird das Drehteil 14 des Flüssigkeitsumschalters 13 in Pfeilrichtung 26 weiter gedreht.

Hierbei ist wichtig, daß die Leitung 8 über eine weitere Verbindungsleitung 25 mit dem Eingang 21 des Flüssigkeitsumschalters 13 verbunden ist, sowie ferner noch eine Verbindungsleitung 22 von der Leitung 8 abzweigt, die auf den Eingang 19 geschaltet ist.

Durch die entsprechende Verdrehung des Drehteils wird somit der eine Ausgang 23 in Verbindung mit dem Eingang 21 gebracht, während der Ausgang 24 in Verbindung mit dem Eingang 19 gebracht wird. Damit liegt der Endbehälter 1 mit seiner Leitung 8 auf beiden Kammern 32, 33. Er wird in dieser Schaltung nur als Referenzdruckbehälter verwendet und die Membran 34 darf bei dieser Messung keine Auslenkung zeigen. Die Meßanordnung wird somit auf 0 abgeglichen.

Zur Erfassung der Meßspanne wird der Flüssigkeitsumschalter 13 wie folgt verschaltet:
Hierbei soll - entgegen der Meßstellung - die Leitung 8 des Endbehälters 1 mit der Kammer 33 verbunden werden, während die Leitung 9 des Endbehälters 2 mit der Kammer 32 verbunden werden soll. Es handelt sich also um eine inverse Verschaltung des Differenzdruckaufnehmers im Vergleich zu seiner Meßstellung.

Zur Herstellung dieser inversen Verschaltung wird der Eingang 20 mit dem Ausgang 23 verbunden, während der Eingang 18 mit dem Ausgang 24 verbunden ist.

Bei dieser inversen Schaltung muß der Differenzdruckaufnehmer das genaue inverse Signal zu dem vorher erfaßten Meßsignal erzeugen. Erfolgt dies nicht, dann liegt eine Drift in der Meßanordnung vor und diese Drift kann durch Abgleich beseitigt werden.

In Fig. 1 ist noch dargestellt, daß weitere Eingänge des Flüssigkeitsumschalters 13 nicht belegt sind. Hier ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß noch weitere Meßanordnungen mit jeweils zwei auseinander liegenden Endbehältern und dazwischen liegenden Leitungen angeschlossen werden können, so daß mit dem erfindungsgemäßen Meßumschalter nicht nur der hydrostatische Differenzdruck zwischen zwei auseinander liegenden Endbehältern gemessen werden kann, sondern auch zwischen vier, sechs oder jeweils paarweise angeordneten Endbehältern. Die Meßanordnung ist somit vervielfacht und es wird jeweils nur ein einzige Auswerte-Elektronik mit einem einzigen Differenzdruckaufnehmer 31 benötigt.

Die Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des Meßprinzips nach Fig. 1, wobei statt eines Referenzdruckbehälters, wie er in Fig. 1 in Form des Endbehälters 1 verwendet wurde, ein anderer Referenzdruck erzeugt wird.

Der Referenzdruck wird hierbei in der Leitung 38 erzeugt, in der eine Flüssigkeitssäule 40 steht.

Die Leitung 38 verzweigt sich in zwei Leitungen 36, 37, wobei die Leitung 36 auf einen Eingang 35 des Flüssigkeitsumschalters 13 und die Leitung 37 auf einen weiteren Eingang 39 geschaltet ist.

Mit den beiden einander gegenüberliegenden Eingängen 35, 39 ergibt sich somit eine weitere Schaltstellung des Flüssigkeitsumschalters, so daß die Ausgänge 23, 24 mit diesen Eingängen 35, 39 in Verbindung gebracht werden können und somit statt des Referenzdruckes vom Endbehälter 1 der Referenzdruck von der Flüssigkeitssäule 40 auf die beiden Kammern 32, 33 des Differenzdruckaufnehmers 31 geschaltet wird.

Die Flüssigkeitssäule 40 hat hier dann beispielsweise eine Höhe von 50 cm. Dadurch wird der Nullpunkt des Druckaufnehmers bei erhöhtem Gesamtdruck gemessen und es kann allenfalls ein Korrekturfaktor für die Gesamtdruckabhängigkeit angegeben werden.

Zeichnungs-Legende

 1 Endbehälter
 2 Endbehälter
 3 Meßflüssigkeit
 4 Deckschicht
 5 Auslaß
 6 Auslaß
 7 Absperrhahn
 8 Leitung
 9 Leitung
10 Leitung
11 Leitung
12 Stutzen
13 Flüssigkeitsumschalter
14 Drehteil
15 Verbindungsleitung 15a
16 Eingang
17 Eingang
18 Eingang
19 Eingang
20 Eingang
21 Eingang
22 Verbindungsleitung
23 Ausgang
24 Ausgang
25 Verbindungsleitung
26 Pfeilrichtung
27 Verbindungsnut
28 Verbindungsnut
29 Leitung
30 Leitung
31 Differenzdruckaufnehmer
32 Kammer
33 Kammer
34 Membran
35 Eingang
36 Verbindungsleitung
37 Verbindungsleitung
38 Leitung
39 Eingang
40 Flüssigkeitssäule

Claims (7)

1. Horizontaler Neigungsmesser zur Bodenüberwachung, wobei in einem Abstand zwei mit einer Meßflüssigkeit gefüllte Endbehälter vorgesehen sind, die im oberen Bereich über eine Druckausgleichsleitung miteinander verbunden sind und an die im bodennahen Bereich jedes Endbehälters jeweils eine Meßleitung angeschlossen ist, die gleich lang auf jeweils eine Meßkammer eines Differenzdruckaufnehmers geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils von dem Endbehälter (1, 2) zum Differenzdruckaufnehmer (31) geführte Leitung (8, 9) auf einen Flüssigkeitsmeßumschalter (13) geführt ist, der zwei Ausgänge (23, 24) aufweist, an denen der Differenzdruckaufnehmer (31) mit seinen zwei Eingängen (29, 30) angeschlossen ist, so daß die von den Endbehältern (1, 2) kommenden Leitungen (8, 9) wahlweise auf die eine oder andere jeweilige Kammer (32, 33) des Differenzdruckaufnehmers (31) geschaltet werden.

2. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Nullpunktes des Differenzdruckaufnehmers (31) der Druck eines beliebigen Behälters, insbesondere Endbehälters (1, 2) über den Flüssigkeitsmeßumschalter (13) sowohl auf die linke als auch auf die rechte Kammer (32, 33) des Differenzdruckaufnehmers (31) geschaltet wird.

3. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Meßspanne bzw. Drift nach Art einer inversen Verschaltung des Differenzdruckaufnehmers (31) im Vergleich zu seiner Meßstellung die Leitung (8) des Endbehälters (1) mit der Kammer (33) des Differenzdruckaufnehmers (31) und die Leitung (9) des Endbehälters (2) mit der Kammer (32) über den Flüssigkeitsumschalter (13) verbunden werden.

4. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsleitungen (16, 17) und die Ausgänge (23, 24) des Flüssigkeitsumschalters (13) sowie sonstige Leitungen, insbesondere auch die abgehenden Leitungen (29, 30) als auch die Kammern (32, 33) des Differenzdruckaufnehmers, horizontal nebeneinanderliegend angeordnet sind.

5. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsumschalter (13) ein Drehteil (14) aufweist, welches in Bezug auf die feststehenden Eingänge (16-21) verdrehbar ist, wobei das Drehteil (14) drehfest mit jeweils einer Verbindungsleitung (15, 15a) verbunden ist, die radial einwärts in jeweils eine innere, halbkreisförmige Verbindungsnut (27, 28) münden, die ihrerseits fest mit jeweils einem Ausgang (23, 24) verbunden sind.

6. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsumschalter (13) nach Art einer Vervielfachung der Meßanordnung weitere Eingänge aufweist, wo zusätzliche Meßanordnungen mit jeweils zwei auseinanderliegenden Endbehältern und dazwischenliegenden Leitungen angeschlossen werden können.

7. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines Referenzdruckes zur Prüfung der Druckabhängigkeit des Differenzdruckaufnehmers eine vertikale Leitung (38) vorgesehen ist, in der eine Flüssigkeitssäule (40) steht, wobei die Leitung (38) über Verzweigungen (36, 37) auf jeweils einen Eingang (35, 39) des Flüssigkeitsumschalters (13) geschaltet ist.