DE4237953C1 - Neigungssensor mit optischem Abgriff - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor mit einer in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter eingeschlossenen, sich bei Abweichung von einer Horizontalstellung verlagernden Gasblase.

Solche Neigungssensoren sind als "Libellen" bekannt. Bei üblichen Libellen wird die Lage der Gasblase visuell beobachtet. Es ist jedoch häufig erforderlich, elektrische Signale nach Maßgabe der Neigung gegenüber der Horizontalen zu erzeugen.

Durch die DE-A-39 30 228 ist ein Neigungssensor bekannt, bei welcher in einem flüssigkeitsgefüllten Behälter eine Gasblase eingeschlossen ist. Die Oberseite des Behälters ist gekrümmt, so daß sich die Gasblase bei einer Neigung des Behälters nach irgendeiner Richtung entsprechend aus dem Zentrum des Behälters heraus verlagert. Zur Erzeugung eines neigungsabhängigen Ausgangssignals ist bei der DE-A-39 30 228 der Behälter mit einer lichtabsorbierenden Flüssigkeit gefüllt. Die Lage der Gasblase wird durch eine im wesentlichen vertikale Lichtschranke erfaßt. Zum Ausgleich von temperaturbedingten Druckschwankungen in dem Behälter ist der Behälter mit einer als Membran ausgebildeten Stirnfläche versehen, die eine Ausdehnung der Flüssigkeit innerhalb des Behälters gestattet.

Aus einem Aufsatz von A. Pfeiffer u. a. "Hochpräzises Inklinometer mit optoelektronischer Neigungserfassung" in "Technisches Messen" 58 (1991), 101 bis 105 ist ein zweiachsig messender Neigungssensor bekannt, bei dem die Lage der Gasblase in einer Libelle mit einer großflächigen Vierquadranten-Diode exakt erfaßt wird. Die Gasblase wird von einem im wesentlichen vertikal verlaufenden Lichtbündel durchstrahlt. Dieses Lichtbündel fällt auf die Vierquadranten- Diode. Die Vierquadranten-Diode ist dabei oberhalb der Gasblase angeordnet. Die Gasblase wirkt dabei als Zerstreuungslinse. Das hat zur Folge, daß die Strahlen des Lichtbündels nach außen, von der Bündelachse weg gebrochen werden. Hinter der Gasblase tritt ein Schatten auf. Bei einer Auslenkung der Gasblase aus der Mittellage werden die Quadranten der Vierquadranten-Diode unterschiedlich beleuchtet. Aus den Signalen, die von den Quadranten geliefert werden, können durch Linearkombination neigungsabhängige Signale für zwei zueinander senkrechte Richtungen gewonnen werden.

Der bekannte Neigungssensor erfordert eine ziemlich großflächige Vierquadranten-Diode. Die Diode muß größer sein als der Schatten der Gasblase, damit ein der Auslenkung proportionales Signal erhalten wird. Die Signale der vier Quadranten müssen in verschiedener Weise linearkombiniert werden, um Werte für die Neigung in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu gewinnen. Die Charakteristik von Ausgangssignal über Neigung hängt von der Größe der Gasblase ab. Diese ist stark temperaturabhängig.

Aus der WO 90/13 792 sind als Dosenlibellen ausgebildete Neigungssensoren bekannt, bei denen von einer oder mehreren Strahlungsquellen ausgehende Lichtbündel an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gasblase gebrochen werden. Weiterhin ist eine Anzahl von Sensoren vorgesehen, die je nach der Stellung der Gasblase von den gebrochenen Lichtbündeln getroffen werden oder nicht. Eine derartige Anordnung erfordert jedoch einen aufwendigen Aufbau und eine oft unerwünscht große Bauhöhe.

Aus der US-PS 41 54 000 ist ein Neigungssensor bekannt, der aus zwei in einer Ebene rechtwinklig zueinander angeordneten Rohrlibellen besteht. Zur Feststellung der Lage der Gasblase in den Rohrlibellen sind jeweils zwei oder mehr Lichtschranken vorgesehen. Auch diese Ausbildung erfordert einen aufwendigen Aufbau und ist dementsprechend kostspielig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen auf dem Prinzip der "Libelle" beruhenden Neigungssensor konstruktiv einfach aufzubauen. Der Neigungssensor soll weitgehend unabhängig von äußeren Störeinflüssen sein. Die Signalverarbeitung soll einfach sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Neigungssensor mit einer in einem mit lichtdurchlässiger Flüssigkeit gefüllten Behälter eingeschlossenen, sich bei Abweichungen von einer Horizontalstellung verlagernden Gasblase und mindestens zwei auf die Stellung der Gasblase ansprechenden Lichtschranken bei dem

• (a) der als Dosenlibelle ausgebildete Behälter einen Deckelteil mit einer konkav gewölbten Innenfläche aufweist, der den Behälter 10 nach oben hin abschließt,
• (b) in der Gasblase enthaltenden Transversalebene des Behälter zwei den Behälter durchsetzende Lichtschranken aus je einer ein Lichtbündel erzeugenden Lichtquelle und photoelektrischen Detektormitteln vorgesehen sind,
• (c) die Achsen der beiden Lichtschranken miteinander einen Winkel bilden und die Lichtbündel der Lichtschranken sich im Bereich der Gasblase überlappen,
• (d) wobei die Detektormittel der beiden Lichtschranken auf die Neigung des Neigungssensors um die jeweilige Bündelachse der Lichtschranke ansprechen.

Die Lage der Gasblase wird somit nicht durch eine einzige vertikale Lichtschranke mit einem "zweidimensionalen" Detektor sondern durch zwei horizontale Lichtschranken bestimmt. Jede dieser Lichtschranken erfaßt dabei die Neigung des Neigungssensors um jeweils die Achse ihres Lichtbündels. Es werden so von vornherein getrennte Neigungssignale für die beiden Achsen geliefert. Statt einer recht großflächigen Vierquadranten-Diode sind nur zwei lineare Detektor- Anordnungen erforderlich, wenn ein quantitatives Neigungssignal erzeugt werden soll. Die Lage des Schattens auf einer Detektor-Anordnung ist dabei im wesentlichen unabhängig davon, wie weit die Gasblase in bezug auf die andere Detektoranordnung ausgelenkt ist. Nimmt man als Maß für die Neigung jeweils die Lage der Mitte des Schattens, die mit einer Folge von Detektorelementen bestimmt werden kann, dann ist dieser Wert unabhängig von der Größe der Gasblase. Wenn der Neigungssensor nur das Überschreiten eines bestimmten Schwellwertes der Neigung signalisieren soll, dann ist für jede Lichtschranke nur eine Photodiode erforderlich. Es kann aber, anders als bei dem bekannten Neigungssensor, zwischen einer Neigung in der einen Richtung und einer Neigung in einer dazu senkrechten Richtung unterschieden werden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Vertikalschnitt längs der Linie I-I von Fig. 2 durch einen als Libelle ausgebildeten Neigungssensor mit optischem Abgriff.

Fig. 2 zeigt einen Horizontalschnitt längs der Linie II-II von Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit 10 generell ein Behälter bezeichnet. Der Behälter 10 weist einen Behältermantel 12 auf. Der Behältermantel 12 ist flach-zylindrisch. Der Behältermantel 12 bildet längs seines oberen Randes einen Abschnitt 14 mit erweitertem Durchmesser. Zwischen dem Abschnitt 14 und dem Mittelteil 16 der Bohrung des Behältermantels 12 ist eine Ringschulter 18 gebildet. In dem Abschnitt 14 sitzt ein Deckelteil 20. Der Deckelteil 20 sitzt mit seinem planen Rand auf der Ringschulter 18 auf. Die Innenfläche 22 des Deckelteils 20 ist konkav gewölbt. Der Deckelteil 20 ist aus einem durchsichtigen Material, z. B. Glas, hergestellt. Längs des unteren Randes des Behältermantels 12 ist ein erweiterter Abschnitt 24 gebildet. Zwischen dem Abschnitt 24 und dem Mittelteil 16 der Bohrung des Behältermantels 12 ist eine Ringschulter 26 gebildet. Auf der Ringschulter 26 ist der Rand einer Druckausgleichsmembran 28 abdichtend befestigt.

Zwischen dem Behältermantel 12, dem Deckelteil 20 und der Druckausgleichsmembran 28 ist ein Hohlraum 30 gebildet. Der Hohlraum 30 ist mit einer durchsichtigen Flüssigkeit gefüllt bis auf eine Gasblase 32. Die Gasblase 32 befindet sich jeweils im höchsten Punkt des Hohlraums 30. Bei horizontaler Anordnung des Neigungssensors, wie sie in Fig. 1 und 2 dargestellt ist, liegt die Gasblase 32 am Scheitelpunkt 34 der konkaven Innenfläche 22 an.

Die Druckausgleichsmembran 28 ist durch einen Bodenteil 36 abgedeckt. Der Bodenteil 36 ist flach-schalenförmig und liegt mit seinen Rändern an der Stirnfläche des Behältermantels 12 an. Der Bodenteil 36 bildet dadurch auf der Außenseite der Membran 28 einen abgeschlossenen Hohlraum 38.

Der Behältermantel 12 weist zwei Paare von diametral gegenüberliegenden Fenstern 38, 40 und 42, 44 auf. Die Fenster 38 und 42 sind relativ kleine Fenster von im Horizontalschnitt trapezförmiger Gestalt. Die Fenster 40 und 44 erstrecken sich in Umfangsrichtung über einen wesentlich größeren Winkel. Die Höhe ist bei allen Fenstern gleich. Das Paar von Fenstern 42, 44 ist gegenüber dem Paar von Fenstern 38, 40 um 90° winkelversetzt. Die Fenster 38 und 42 bilden Eintrittsfenster für Lichtbündel 46 bzw. 48. Das Lichtbündel 46 geht von einer Lichtquelle 50 aus. Das Lichtbündel 46 tritt divergent durch das Fenster 38 in den Behälter 10 ein, durchsetzt den Behälter und tritt, wenigstens mit seinen achsnahen Strahlen, durch das Fenster 40 wieder aus. Die Bündelachse ist mit 52 bezeichnet. Der aus dem Fenster 40 austretende Teil des Lichtbündels 46 fällt auf eine lineare Detektoranordnung 54. Die Detektoranordnung 54 ist eine lineare Folge von Photodioden. Das Lichtbündel 48 geht von einer Lichtquelle 56 aus. Das Lichtbündel 48 tritt divergent durch das Fenster 42 in den Behälter 10 ein, durchsetzt den Behälter und tritt, wenigstens mit seinen achsnahen Strahlen, durch das Fenster 44 wieder aus. Die Bündelachse ist mit 58 bezeichnet. Die Bündelachse 56 des Lichtbündels 48 verläuft senkrecht zu der Bündelachse 52 des Lichtbündels 46. Der aus dem Fenster 44 austretende Teil des Lichtbündels 48 fällt auf eine lineare Detektoranordnung 60. Die Detektoranordnung 60 ist ebenfalls eine lineare Folge von Photodioden.

Die Gasblase 32 wirkt als Zerstreuungslinse. Das bedeutet, daß in jedem der beiden Lichtbündel 46 und 48 hinter der Gasblase ein Schatten gebildet wird. Diese Schatten werden von den Detektoranordnungen 54 und 60 erfaßt. Wenn die Gasblase 32 in ihrer Mittelstellung ist, dann liegt der Schatten in dem Lichtbündel 46 symmetrisch zu der Bündelachse 52, und der Schatten im Lichtbündel 48 liegt symmetrisch zu der Bündelachse 58. Bei einer Auslenkung der Gasblase 32 in Richtung der Bündelachse 52, was einer Neigung des Behälters 10 um die andere Bündelachse 58 entspricht, wandert der Schatten im Lichtbündel 48 über die Detektoranordnung 60. Als Maß für die Neigung dient die Verlagerung der Mitte des Schattens, also der Mitte zwischen den beiden gerade wieder von dem Lichtbündel beaufschlagten Detektorelementen. Dieses Maß ist unabhängig von Veränderungen in der Größe der Gasblase 32. Der Schatten auf der Detektoranordnung 54 bleibt im wesentlichen unverändert. Selbst eine Änderung in der Größe des Schattens verändert nicht die Lage der Mitte des Schattens. Entsprechend ist die Situation bei einer Verlagerung der Gasblase 32 in Richtung der Bündelachse 58 infolge einer Neigung des Behälters 10 um die Bündelachse 52. Bei einer Verlagerung der Gasblase 32 in eine beliebige, zwischen den Bündelachsen 52 und 58 liegende Richtung erfolgt die Anzeige der Komponenten im wesentlichen unabhängig voneinander.

Claims (7)

1. Neigungssensor mit einer in einem mit lichtdurchlässiger Flüssigkeit gefüllten Behälter (10) eingeschlossenen, sich bei Abweichung von einer Horizontalstellung verlagernden Gasblase (32) und mindestens zwei auf die Stellung der Gasblase (32) ansprechenden Lichtschranken, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) der als Dosenlibelle ausgebildete Behälter (10) einen Deckelteil (20) mit einer konkav gewölbten Innenfläche aufweist, der den Behälter (10) nach oben hin abschließt,
• (b) in der die Gasblase (32) enthaltenden Transversalebene des Behälters (10) zwei den Behälter (10) durchsetzende Lichtschranken aus je einer ein Lichtbündel (46; 48) erzeugenden Lichtquelle (50; 56) und photoelektrischen Detektormitteln (54; 60) vorgesehen sind,
• (c) die Achsen der beiden Lichtschranken miteinander einen Winkel bilden und die Lichtbündel (46; 48) der Lichtschranken sich im Bereich der Gasblase (32) überlappen,
• (d) wobei die Detektormittel (54; 60) der beiden Lichtschranken auf die Neigung des Neigungssensors um die jeweilige Bündelachse (52; 58) der Lichtschranke ansprechen.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bündelachsen (52; 58) der beiden Lichtschranken senkrecht zueinander verlaufen.

3. Neigungssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtbündel (46; 48) der beiden Lichtschranken divergent sind.

4. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) der Behälter (10) einen Behältermantel (12) aufweist, in welchem auf diametral gegenüberliegenden Wandungsteilen Fenster (38, 40; 42, 44) zum Durchtritt der Lichtbündel (46; 48) vorgesehen sind, und
• (b) der Behälter (10) auf der dem Deckelteil (20) gegenüberliegenden Unterseite durch eine Druckausgleichsmembran (28) abgeschlossen ist.

5. Neigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckausgleichsmembran (28) durch ein schalenförmiges Bodenteil (36) abgedeckt ist.

6. Neigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bodenteil (36) einen an die Druckausgleichsmembran (28) anschließenden, abgeschlossenen Hohlraum (38) bildet.

7. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektormittel (54; 60) von jeweils einer linearen Anordnung von Detektorelementen gebildet sind.