DE4316046C1 - Optoelektronisches Neigungsmeßsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Neigungs­ meßsystem, bestehend aus einem Verformungspendel mit einer Sendeeinheit und untereinanderliegend, gestellfest angeordnet, einer Empfangseinheit, die zum Zusammenwir­ ken mittels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels bestimmt sind.

Eine Neigungsmeßvorrichtung zur dynamischen Messung von Winkelabweichungen gegenüber der Vertikalen ist durch die DE/OS 31 15 838 bekannt.

Hierbei ist in einem elastischen Stab eine unbelastete optische Faser eingeschlossen, deren eingespannten Ende eine Lichtquelle zugeordnet ist und deren freies Faserende das von der Lichtquelle ausgehende, entlang der Faser übertragene Licht einen Lichtpunkt auf einer lichtempfindlichen Dedektorfläche erzeugt.

Diese Lösung beseitigt die Nachteile ebenfalls vorbe­ kannter Neigungsmesser, indem flexible Stäbe oder Stan­ gen, bei denen das freie Ende durch ein Gewicht belastet ist, welches bei Schiefstellung die Biegung der Stäbe bewirkt, durch die optische Faser ersetzt werden. Damit werden die mangelhafte Empfindlichkeit durch die große Masse der, den Neigungswinkel durch Verbiegen an­ zeigenden, Teile beseitigt.

Allen bekannten Lösungen haftet jedoch der Nachteil an, daß insbesondere Verkippungsfehler bei der Auswertung der Neigungswinkel durch die Biegung der Stäbe, Auslen­ kung der Pendel, oder auch der optischen Faser auftre­ ten.

Im weiteren ist besonders bei dynamischen Messungen ein längeres Nachschwingen der elastischen Elemente zu ver­ zeichnen und damit eine sofortige exakte Zuordnung der Auslenkung zu der tatsächlichen Neigung nicht gewähr­ leistet.

Besonders geringe Auslenkungen um die Nullpunktlage, d. h. die Messung kleiner dynamischer Neigungen, sind negativ beeinflußt.

Eine weitere Vorrichtung zur vergrößerten Anzeige klei­ ner Neigungen ist durch die DE-PS 9 71 903 bekannt gewor­ den. Diese arbeitet nach dem Prinzip einer Pendelwaage, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß an einem Nei­ gungskörper mittels mindestens zweier Schwingen ein Schwingkörper angehängt ist.

Diese Schwingen können, wie in vorbenannter Patent­ schrift beschrieben, starr ausgeführt sein oder auch aus unstarren Bändern oder Drähten bestehen.

Die Schwingen sind sowohl am Neigungskörper, wie auch am Schwingkörper, in Gelenken derart geführt, daß ein Ge­ lenkviereck gebildet wird.

Bei Auslenkung des Neigungskörpers wird der Schwingkör­ per nicht parallel zu diesem verschoben, sondern um einen, selbst auch auswandernden, Momentanpol gedreht.

Damit haften dir Vorrichtung die bereits beschriebe­ nen Nachteile eines Pendels in gleicher Weise an. Die auftretenden Verkippungen lassen eine Verwendung in Zusammenwirken mit einem optoelektronischen Meß- und Auswertesystem nicht zu.

Eine exakte Messung dynamischer Neigungen ist besonders durch die Instabilität der Konstruktion, auch bei Anord­ nung mehrerer Schwingenpaaren in unterschiedlichen Ebe­ nen nicht zu gewährleisten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Meßsystem zu entwickeln, das zweidimensional einwirkende statische und dynamische Neigungsänderungen gegenüber der Vertikalen in proportionale zweidimensionale Ver­ schiebungen umwandelt und diese optoelektronisch erfaßt und auswertet.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verformungspendel als doppeltes Parallelfedergelenksy­ stem mit integrierter optoelektronischer Sendeeinheit ausgebildet ist, senkrecht zu einer X-Y-Ebene aus einem oberen Parallelfedergelenk und einem unteren Parallelfe­ dergelenk besteht, mittels einem Basiselement gestell­ fest so angeordnet ist, daß eine Pendelmasse parallel zu der X-Y-Ebene gegenüber einer optoelektronischen Emp­ fangseinheit frei bewegbar ist, die Lichtaustrittsfläche der Sendeeinheit und das Bündel der Lichteintrittsflä­ chen der Empfangseinheit sich in einem definierten Ab­ stand zueinander befinden und die optoelektronische Sende- und Empfangseinheit über ein Leitungssystem mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind.

Das erfindungsgemäße optoelektronische Neigungsmeßsystem hat den wesentlichen Vorteil, daß durch die Ausbildung des Verformungspendels als doppeltes Parallelfederge­ lenksystem die zweidimensional einwirkenden statischen oder dynamischen Neigungsänderungen nach Größe und Rich­ tung exakt gemessen werden können.

Dies erfolgt durch Umwandlung der Neigungskomponenten in proportionale zweidimensionale Verschiebungen.

Das senkrecht zur X-Y-Ebene obere Parallelfedergelenk übernimmt dabei zum Beispiel ausschließlich die Umwand­ lung der in X-Richtung wirkenden, das untere Parallelfe­ dergelenk entsprechend ausschließlich die Umwandlung der in Y-Richtung wirkenden Neigungskomponenten.

Die Ausbildung des Verformungspendels als doppeltes Parallelfedergelenksystem mit zwei untereinander ange­ ordneten Parallelfedergelenken gewährleistet durch die parallel geführte Verschiebung des optoelektronischen Senders zum Empfänger, daß Verkippungsfehler durch die einwirkenden Neigungen vermieden werden.

Die Blattfedern des oberen und unteren Parallelfederge­ lenkes sind in Querschnittsgeometrie und Querschnitts­ fläche so gewählt, daß die durch die jeweiligen Paral­ lelfedergelenke den Neigungskomponenten in X- bzw. Y- Richtung entgegenwirkenden Widerstandsmomente in ihrer Größe identisch, in ihrer Richtung aber orthogonal ent­ gegengerichtet sind. Ein mechanisches Übersprechen der Verschiebungen in X-Y-Richtung wird damit ausgeschlos­ sen.

Die Dimensionierung der Blattfederquerschnitte und die Länge der Blattfedern bestimmt gleichzeitig die Größe der Widerstandsmomente und damit die Steifigkeit des Systems.

Auf diese Weise ist eine einfache Zuordnung zu unter­ schiedlichsten Meßbereichen gegeben.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Ein­ spannstelle des oberen Parallelfedergelenkes durch das gestellfest auf einer Trägerplatte angeordnete Basis­ element gebildet, das untere Parallelfedergelenk trägt als Einspannstelle die Pendelmasse und zwischen beiden Parallelfedergelenken ist ein Koppelelement als gemein­ same Einspannstelle angeordnet.

Das obere Parallelfedergelenk hat gegenüber dem unteren Parallelfedergelenk unterschiedliche Belastungen auf­ zunehmen, so daß vorteilhaft die Blattfedern des oberen Parallelfedergelenkes eine geringere Länge und/oder größere Federquerschnitte aufweisen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, die Sendeeinheit in dem gestellfesten Basiselement auf der Trägerplatte anzuordnen. Die Empfangseinheit ist ebenfalls auf der Trägerplatte, senkrecht zur X-Y-Ebene positionierbar, angeordnet.

Durch Zuordnung der Empfangseinheit zur Pendelmasse ist der definierte Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche der Sendeeinheit und dem Bündel der Lichteintrittsflä­ chen der Empfangseinheit einstellbar.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Empfangseinheit sieht eine Vertiefung vor, welche, der Geometrie der Pendelmasse entsprechend, geradlinige Begrenzungsflächen aufweist. Das doppelte Parallelfedergelenksystem ragt mit der Pendelmasse in diese Vertiefung hinein, wobei die Freiräume zwischen Pendelmasse und den Begrenzungs­ flächen der Vertiefung so gewählt sind, daß die durch die Neigungen erzeugten Verschiebungen der Pendelmasse begrenzt werden und diese Anordnung als Überlastsiche­ rung das Meßsystem schützt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Pendelmasse und Empfangseinheit ein Dämp­ fungssystem angeordnet, welches vorteilhaft als Wirbel­ strombremse ausgebildet ist.

Ein Nachschwingen der Pendelmasse, insbesondere durch dynamisch aufgeprägte Neigungsänderungen, wird damit weitgehend ausgeschaltet, so daß die jeweils anstehenden Neigungen bzw. Neigungsänderungen exakt gemessen werden können.

Das doppelte Parallelfedergelenksystem mit der Sendeein­ heit und die Empfangseinheit, gestellfest auf der Trä­ gerplatte angeordnet, sind in einem Gehäusegrundkörper senkrecht zu dessen Bodenfläche fixiert. Diese dient dabei als Bezugsfläche zu den in ihrer Neigung zu mes­ senden Körpern. Die Anordnung des gesamten Meßsystems in dem hermetisch gegen Umwelteinflüsse abdichtbaren Gehäu­ se ist durch die Empfindlichkeit der optoelektronischen Sende- und Empfangseinheit eine vorteilhafte Ausfüh­ rungsform.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Sen­ deeinheit eine lichterzeugende Sendediode angeordnet, an welche ein Lichtwellenleiter angekoppelt ist. Dieser ist innerhalb der Parallelfedergelenke zu der Pendelmasse geführt und in dieser mit seiner Lichtaustrittsfläche festgelegt.

Von der Lichtaustrittsfläche dieses Lichtwellenleiters wird ein divergierendes Lichtstrahlenbündel ausgesandt, das eine Lichtfläche auf die Lichteintrittsflächen der in der Empfangseinheit angeordneten Lichtwellenleiter projiziert.

Diese Lichtwellenleiter sind zu Empfangsdioden bzw. auch einer oder mehreren Referenzdioden geführt, welche die optischen in elektrische Signale umwandeln.

Ein wesentlicher positiver Effekt einer vorteilhaften Ausführungsform besteht darin, daß durch entsprechende Gestaltung des senderseitigen Lichtwellenleiters die Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche Geraden darstellen, die zu den X- bzw. Y-Achsen parallel ver­ laufen und zu den Lichteintrittsflächen der zu den Em­ pfangsdioden führende Lichtwellenleiter mittig angeord­ net sind.

Die rechteckigen Lichteintrittsflächen sind in gleichen Abständen auf den Diagonalen eines Quadrates angeordnet, die zu der X- bzw. Y-Achsen parallel und, im Ruhezustand des Meßsystems, mit diesen deckungsgleich sind.

Die Grenzflächen der Lichteintrittsflächen weisen dabei einen gleichen und entsprechend ihrer Zuordnung zu den X- bzw. Y-Achsen einen konstanten Abstand auf.

Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß die durch Neigung erzeugte Verschiebung der projizierten Licht­ fläche in X und/oder Y-Richtung und damit Änderung der Lichtintensität auf den Empfangsdioden absolut linear ist.

Gleichzeitig kann der mechanisch begrenzte Meßbereich optimal ausgewertet werden.

Von der projizierten Lichtfläche, unabhängig von deren Verschiebung, ständig überdeckt, kann vorzugsweise die Lichteintrittsfläche eines/oder mehrerer Lichtwellenlei­ ter die zu einer oder mehrerer Referenzdioden führen angeordnet sein. Letztere gewährleisten die Kompensation von unerwünschten äußeren Einflüssen wie Temperaturände­ rungen und Spannungsschwankungen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die elektronische Auswerteeinheit im her­ metisch gegen Umwelteinflüsse abgeschlossenen Gehäuse integriert, wodurch eine kompakte Bauform realisiert ist. Die Anschlußleitungen werden durch eine Kabelver­ schraubung zugeleitet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in der elektronischen Auswerteeinheit Bauelemente zur Signal­ verarbeitung angeordnet.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der elektronischen Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verarbeitung zweier Einzelsignale der Kanäle X und Y. Durch Impedanz­ wandler erfolgt die Anpassung der hochohmigen Empfangs­ dioden an nachfolgende Verstärkerstufen. Nachgeordnet erfolgt durch Differenzglieder die Differenzbildung der Eingangssignale wodurch, den Kraftkomponenten X und Y proportionale, Analogsignale entstehen. In der Pegelan­ passung werden diese Signale zu anwendergerechten Aus­ gangssignalen X, Y verstärkt.

Die über Referenzdioden gewonnenen belastungsunabhängi­ gen Signale werden dem Sendediodentreiber und den Diffe­ renzgliedern zugeführt und zur temperaturabhängigen Regelung der Verstärkung und des Sendestromes und zur Kompensation sonstiger äußerer Einflußfaktoren verwen­ det.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verar­ beitung jeweils eines Differenzsignales der Kanäle X und Y durch entsprechend geschaltete Empfangsdioden.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß aus den Einzel­ signalen der Empfangsdioden der Kanäle X und Y jeweils ein Differenz- und Summensignal gebildet wird und diese Quotientenblöcken aufgeschaltet werden. Durch mathemati­ sche Verknüpfung beider Signale erfolgt eine Quotien­ tenbildung. Störende Einflußfaktoren sind als konstante Größen sowohl im Differenz- als auch im Summensignal enthalten und heben sich somit nach der Quotientenbil­ dung auf. Die separate Bereitstellung und Verarbeitung eines Referenzsignals kann hierbei entfallen. Über Ver­ stärkerstufen und Pegelanpassungen werden die anwender­ spezifischen Ausgangssignale X, Y bereitgestellt.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni­ schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß die analogen Einzelsignale der Empfangsdioden in jeweils einer A-D- Wandlerstufe in zwei digitale Signale der Kanäle X und Y umgesetzt werden.

Diese belastungsabhängigen Signale werden in einem Mi­ krorechner weiterverarbeitet, wobei wahlweise eine Dif­ ferenzbildung oder eine Quotientenbildung erfolgen kann. Zur Kompensation belastungsunabhängiger äußerer Einflüs­ se ist ein Sensor zur Signalerfassung und -auswertung angeordnet, wobei dessen Ausgangssignale ebenfalls dem Mikrorechner zugeführt werden.

Durch mathematische oder logische Verknüpfung mit den belastungsabhängigen Signalen der Empfangsdioden werden, von äußeren unerwünschten Einflüssen freie, digitale Ausgangssignale X, Y bereitgestellt.

Durch eine nachgeschaltete D-A-Wandlerstufe ist es eben­ falls möglich anwenderspezifische Analogsignale zur Ver­ fügung zu stellen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung gewährleistet die externe Anordnung der gesamten elektronischen Aus­ werteeinheit. Der Sende- und Empfangseinheit werden spannungslos Lichtwellenleiter zugeführt.

Der Vorteil dieser rein optischen, von elektrischen Signalen freien, Anordnung besteht insbesondere in einen problemlosen Einsatz des erfindungsgemäßen optoelektro­ nischen Neigungsmeßsystems in explosionsgefährdeten Bereichen sowie in Bereichen mit starken elektrischen, magnetischen und elektromagnetischen Feldern. Darüber hinaus ist der Einsatz unter extremen Temperaturbedin­ gungen gegeben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin­ dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, Ausführungsbei­ spiele näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbei­ spiels eines erfindungsgemäßen optoelektroni­ schen Neigungsmeßsystems im Gehäuse bei abge­ nommenen Deckel;

Fig. 2 eine Schnittdarstellung I-I gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellenleiter mit proji­ zierter Lichtfläche der Sendeeinheit in der X- Y-Ebene in einem vergrößerten Ausschnitt ge­ mäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung zweier Einzelsignale pro Kanal;

Fig. 5 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung eines Differenzsignals pro Kanal;

Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Quotientenbildung bei der Signalverarbeitung;

Fig. 7 ein Blockschaltbild zur digitalen Signalaufbe­ reitung;

Die Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung ein Ausführungs­ beispiel eines optoelektronischen Neigungsmeßsystems im Gehäuse bei abgenommenem Deckel.

Das insgesamt mit 1 bezeichnete doppelte Parallelfeder­ gelenksystem besteht aus den, senkrecht zu der X-Y-Ebe­ ne, untereinander angeordneten oberen Parallelfederge­ lenk 2 und unteren Parallelfedergelenk 3.

Das doppelte Parallelfedergelenksystem 1 ist gestellfest auf der Trägerplatte 8 dadurch befestigt, daß die Blatt­ federn 4, 5 des oberen Parallelfedergelenkes 2 mit dem als Einspannstelle dienenden Basiselement 9 fest ver­ bunden sind. Das Basiselement 9 seinerseits ist auf der Trägerplatte 8 fest angeordnet und so ausgebildet, daß das doppelte Parallelfedergelenk 1 insgesamt weiter keine Berührungskontakte aufweist.

Das untere Parallelfedergelenk 3 trägt als Einspannstel­ le die Pendelmasse 10, an welcher die Blattfedern 6, 7 durch Kleben fest angeordnet sind.

Die Blattfedern 4, 5 des oberen Parallelfedergelenkes 2 und die Blattfedern 6, 7 des unteren Parallelfedergelen­ kes 3 sind fest an dem Koppelelement 11, welches dabei als gemeinsame Einspannstelle dient, angeklebt.

Die Blattfedern sind aus Bandfedermaterial gefertigt. Die Anpassung des Meßsystems an anwenderorientierte Meßbereiche ist dabei auf einfachste Weise, durch die Auswahl entsprechender Abmessungen, realisierbar.

Die Blattfedern 4 bis 7 sind dabei in Querschnittsgeome­ trie und Querschnittsfläche so hergestellt, daß ihre Längsausdehnung extrem groß zu der Dicke gewählt ist. Die durch die jeweiligen Parallelfedergelenke den Nei­ gungskomponenten in X- bzw. Y-Richtung entgegenwirkenden Widerstandsmomente sind dabei in ihrer Größe identisch, in ihrer Richtung aber orthogonal entgegengerichtet. Ein mechanisches Übersprechen der Verschiebungen in X-Y- Richtung wird damit ausgeschlossen.

Die konstruktiv bedingt, an den Parallelfedergelenken 2 und 3 angreifenden unterschiedlichen Masseanteile werden durch Differenzen in Blattfederlänge und/oder Dicke kom­ pensiert.

Die einwirkenden zweidimensionalen statischen und dyna­ mischen Neigungen bewirken eine parallele Verschiebung der Pendelmasse 10 zur X-Y-Ebene.

Das obere Parallelfedergelenk 2 übernimmt dabei aus­ schließlich die Umwandlungen der in X-Richtung wirken­ den, das untere Parallelfedergelenk 3 entsprechend aus­ schließlich die Umwandlung der in Y-Richtung wirkenden Neigungskomponenten.

Die Sendeeinheit 13 ist in das Basiselement 9, gestell­ fest zur Trägerplatte 8, eingefügt. Die Empfangseinheit 14, ist ebenfalls auf der Trägerplatte, jedoch senkrecht zur X-Y-Ebene positionierbar, mittels Befestigungsele­ menten angeordnet.

Sendeeinheit 13 und Empfangseinheit 14 liegen auf glei­ cher Achse, wobei durch Zuordnung der Empfangseinheit 14 zur Pendelmasse 10 der definierte funktionsbedingte Abstand 18 zwischen der Lichtaustrittsfläche 20 der Sen­ deeinheit 13 und dem Bündel der Lichteintrittsflächen 21 der Empfangseinheit 14 eingestellt wird.

Die Empfangseinheit 14 weist eine Vertiefung 19 auf, welche entsprechend der Geometrie der Pendelmasse 10 quadratisch ausgeführt ist.

Das doppelte Parallelfedergelenksystem 1 ragt mit der Pendelmasse 10 in die Vertiefung 19 hinein. Die Freiräu­ me zwischen der Pendelmasse 10 und den Begrenzungsflä­ chen der Vertiefung 19 sind dabei so gewählt, daß bei Erreichen der vorbestimmten maximalen Neigung die Pen­ delmasse 10 anliegt und somit das Meßsystem gegen Über­ lastung geschützt wird.

Zwischen der Pendelmasse 10 und der Empfangseinheit 14 ist ein Dämpfungssystem vorgesehen, welches als Wirbel­ strombremse wirkt. Die Pendelmasse 10 ist hierzu aus Nichteisenmetall gefertigt und wirkt mit Magneten 12 zusammen, die in die Grundfläche der Vertiefung 19 der Empfangseinheit 14 eingelassen sind.

Insbesondere bei dynamisch aufgeprägten Neigungsänderun­ gen wird damit ein Nachschwingen der Pendelmasse 10 weitgehend verhindert.

Die Montageeinheit, bestehend aus Trägerplatte 8, darauf gestellfest angeordneten Parallelfedergelenksystem 1 mit Sendeeinheit 13 und der Empfangseinheit 14 sind in dem Gehäusegrundkörper 15 senkrecht zu dessen Bodenfläche fixiert.

Der Gehäusegrundkörper 15 mit zwischenliegender Dichtung 17 und Gehäusedeckel 16 schirmen das empfindliche opto­ elektronische Meßsystem hermetisch gegen Umwelteinflüsse ab.

In der Sendeeinheit, im Basiselement 9 eingesetzt, ist in der Aufnahie 25 die lichtemittierende Sendediode 42 angeordnet, an welche der Lichtwellenleiter 22 angekop­ pelt und durch eine Vergußmasse fixiert ist.

Die Lichtaustrittsfläche 20 dieses Lichtwellenleiters 22, der ein divergierendes Lichtstrahlenbündel aussen­ det, ist dabei so gewählt, daß die Begrenzungslinien der auf die Sendeeinheit projizierten Lichtfläche 30 Geraden eines Quadrates darstellen.

Die Empfangseinheit 14 ist ebenfalls gestellfest auf der Trägerplatte 8 unter der Sendeeinheit 13, aber axial zu dieser positionierbar, angeordnet.

In der Empfangseinheit 14 sind Lichtwellenleiter 23 durch eine Vergußmasse fixiert. Sie führen zu den Emp­ fangsdioden 43, 44, 45, 46, welche in Aufnahmen 26 ge­ halten sind.

In gleicher Weise führt ein Lichtwellenleiter 24 zu einer in der Aufnahme 27 gehaltenen Referenzdiode 35.

Die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter sind rechteckig ausgeführt und auf den Diagonalen eines Quadrates in gleichem Abstand zuein­ ander angeordnet.

Die Lichteintrittsflächen 31, 32 befinden sich dabei auf der zur X-Achse parallelen, die Lichteintrittsflächen 43, 44 auf der zur Y-Achse parallelen Diagonale, wobei im Ruhezustand des Meßsystems die Diagonalen und die X- bzw. Y-Achse deckungsgleich sind.

Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 31 und 32 weisen dabei einen gleichen und zur X-Achse konstan­ ten Abstand auf.

Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 33 und 34 sind zur Y-Achse entsprechend ausgeführt.

Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß der durch eine Neigung erzeugten parallelen Verschiebung der Pen­ delmasse 10 in X- und/oder Y-Richtung, stets absolut identische Flächenanteile der kommunizierenden Lichtein­ trittsflächen 31, 32 bzw. 33, 34 der projizierten Licht­ flächenänderung zugeordnet sind.

Die meßbare Änderung der Lichtintensität ist damit zu der Verschiebung absolut linear.

Die Anordnung der Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche 30, mittig zu den Lichteintrittsflächen 31, 32, 33, 34 dient einer optimalen Auswertung des mecha­ nisch begrenzten Meßbereiches, ist für die Meßgenauig­ keit des Systems dabei jedoch nicht relevant.

Zentral zu den Lichteintrittsflächen 31 bis 34 und somit von der projizierten Lichtfläche 30, unabhängig von deren Verschiebung, ständig überdeckt, ist die Lichtein­ trittsfläche 35 des zu der Referenzdiode 47 führenden Lichtwellenleiters 24 angeordnet. Die Erfassung und Kompensation unerwünschter äußerer Einflüsse, wie Tempe­ raturänderungen oder Spannungsschwankungen, ist somit belastungsunabhängig.

Die Empfindlichkeit des optoelektronischen Meßsystems bedingt die Anordnung in einem Gehäuse. Der Gehäuse­ grundkörper 15 ist durch die Dichtung 17 zum Gehäusedec­ kel 16 hermetisch gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt.

Die Zuführung der elektrischen Leitungen zu der inte­ grierten elektronischen Auswerteeinheit 40 erfolgt dabei über eine Kabelverschraubung.

Die elektronische Auswerteeinheit 40 in Verbindung mit der Sendeeinheit 13 und Empfangseinheit 14 hat die Auf­ gabe, die optischen Signaländerungen, welche die zu messende Neigung durch mechanische Verformung des dop­ pelten Parallelfedergelenksystems und damit der Ver­ schiebung der Pendelmasse hervorruft, zu erzeugen, zu erfassen und auszuwerten.

Je nach Art der Aufbereitung der belastungsabhängigen optischen Signale kann unterschieden werden, in eine analoge Verarbeitung zweier Einzelsignale je Kanal X, Y gemäß Fig. 4; in eine analoge Verarbeitung eines Dif­ ferenzsignals je Kanal X, Y gemäß Fig. 5; in eine Quo­ tientenbildung je Kanal X, Y gemäß Fig. 6 und in eine digitale Signalaufbereitung unter Einsatz eines Mikro­ rechners gemäß Fig. 7.

Als ein Ausführungsbeispiel soll die in Fig. 6 darge­ stellte Signalverarbeitung durch einen Quotientenblock je Kanal X und Y näher beschrieben werden.

Der Sendediodentreiber 41 betreibt die lichtemittierende Sendediode 42, die Licht einer bestimmten Wellenlänge, Leuchtdichte und Leuchtdichteverteilung erzeugt, welches als divergierendes Lichtstrahlenbündel die Lichtfläche 30 projiziert.

Durch Verschiebung der projizierten Lichtfläche 30 er­ zeugte Änderung der Lichtintensität auf den Empfangs­ dioden 43, 44 bzw. 45, 46 werden Einzelsignale der Kanäle X und Y gewonnen und jeweils einem Differenzblock 54 und Summenblock 55 zugeleitet.

Durch mathematische Verknüpfung der Differenz- und Sum­ mensignale im Quotientenblock 56 erfolgt eine Quotien­ tenbildung der Einzelsignale.

Störende Einflußfaktoren, wie Temperatur- und Spannungs­ schwankungen, durch Trübung verursachte Lichtabschwä­ chung oder Alterungen der vorgelagerten elektronischen Bauelemente, sind als konstante Größen sowohl im Diffe­ renz- als auch im Summensignal enthalten und heben sich somit nach der Quotientenbildung auf.

Die separate Bereitstellung und Verarbeitung eines Refe­ renzsignals kann deshalb entfallen.

Über Verstärkerblöcke 57 und Pegelanpassungen 53 werden anwenderspezifische Signale bereitgestellt.

Die Ausgangssignale X, Y, 63, 64 der Kanäle X, Y, 48, 49 sind dabei den Verschiebungen der Pendelmasse 10 in X- und / oder Y-Richtung und somit den Neigungen der Meßanordnung gegenüber der Vertikalen proportional.

Claims (21)

1. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem bestehend aus einem Verformungspendel mit einer Sendeeinheit und einer Empfangseinheit, die zum Zusammenwirken mit­ tels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels be­ stimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver­ formungspendel als doppeltes Parallelfedergelenksy­ stem (1) mit integrierter optoelektronischer Sende­ einheit (13) ausgebildet ist, senkrecht zu einer X- Y-Ebene aus einem oberen Parallelfedergelenk (2) und einem unteren Parallelfedergelenk (3) besteht, mittels einem Basiselement (9) gestellfest so an­ geordnet ist, daß eine Pendelmasse (10) parallel zu der X-Y-Ebene gegenüber einer optoelektronischen Empfangseinheit (14) frei bewegbar ist, die Licht­ austrittsfläche (2) der Sendeeinheit (13) und das Bündel der Lichteintrittsflächen (21) der Empfangs­ einheit (14) sich in einem definierten Abstand (18) zueinander befinden und die optoelektronische Sen­ de- und Empfangseinheit (13, 14) über ein Leitungs­ system mit einer elektronischen Auswerteeinheit (40) verbunden sind.

2. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Parallel­ federgelenk (2) aus den Blattfedern (4, 5) besteht, deren eine Einspannstelle das gestellfest auf einer Trägerplatte (8) angeordnete Basiselement (9) dar­ stellt, das untere Parallelfedergelenk (3) aus den Blattfedern (6, 7) besteht, als Einspannstelle die Pendelmasse (10) trägt und zwischen Parallelfe­ dergelenk (2) und (3) ein Koppelelement (11) als gemeinsame Einspannstelle angeordnet ist.

3. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfe­ dern (4, 5) des oberen Parallelfedergelenkes (2) vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsgeometrie mit Längsausdehnung in Y-Richtung und die Blattfe­ dern (6, 7) des unteren Parallelfedergelenkes (3) vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsgeometrie mit Längsausdehnung in X-Richtung aufweisen.

4. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfedern (4, 5) des Parallelfedergelenkes (2) gegenüber den Blattfedern (6, 7) des Parallelfeder­ gelenkes (3) vorzugsweise eine geringere Länge auf­ weisen und/oder deren Federquerschnitte größer ge­ wählt sind.

5. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (13), vorzugsweise gestellfest in dem Basiselement (9), und die Empfangseinheit (14), senkrecht zur X-Y-Ebene positionierbar, auf der Trägerplatte (8) angeordnet sind und der definierte Abstand (18) zwischen der Lichtaustrittsfläche (20) und dem Bündel der Lichteintrittsflächen (21) durch Zuordnung der Empfangseinheit (14) zur Pendelmasse (10) einstellbar ist.

6. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangseinheit (14) eine Vertiefung (19) mit vor­ zugsweise geradlinigen Begrenzungsflächen aufweist, in welche das doppelte Parallelfedergelenksystem (1) mit der Pendelmasse (10) hineinragt.

7. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pen­ delmasse (10) und Empfangseinheit (14) vorzugsweise ein Dämpfungssystem angeordnet ist.

8. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungs­ system vorzugsweise so ausgebildet ist, daß die Pendelmasse (10) aus Nichteisenmetall besteht und auf der Grundfläche der Vertiefung (19) Magnete (12) eingelassen sind.

9. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (8), mit doppelten Parallelfederge­ lenksystem (1), Sendeeinheit (13) und Empfangsein­ heit (14) in einem Gehäusegrundkörper (15) senk­ recht zur Bodenfläche fixiert sind.

10. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sendeeinheit (13) vorzugsweise ein Lichtwellen­ leiter (22) an die in der Aufnahme (25) gehaltenen Sendediode (42) angekoppelt, innerhalb der Paral­ lelfedergelenke (2, 3) zu der Pendelmasse (10) ge­ führt und mit seiner Lichtaustrittsfläche (20) in dieser festgelegt ist.

11. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Empfangseinheit (14) vorzugsweise Lichtwellen­ leiter (23) von Lichteintrittsflächen (31, 32, 33, 34) zu den in Aufnahmen (26) gehaltenen Empfangs­ dioden (43, 44, 45, 46) geführt und dabei vorzugs­ weise durch eine Vergußmasse fixiert sind.

12. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter in X-Richtung (31, 32) und die Licht­ eintrittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellen­ leiter in Y-Richtung (33, 34) vorzugsweise in glei­ chem Abstand zum Schnittpunkt der X-Y-Achsen ange­ ordnet sind.

13. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht­ wellenleiter (31, 32, 33, 34) vorzugsweise recht­ eckig ausgeführt sind, die zur X-Achse parallelen Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen (31, 32) einen in Y-Richtung und die zur Y-Achse paral­ lelen Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen (33, 34) einen in X-Richtung gleichen und konstan­ ten Abstand aufweisen.

14. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche der Sendeeinheit (30) vorzugsweise zu den X- und Y-Ach­ sen parallel verlaufen und dabei zu den Lichtein­ trittsflächen (31, 32, 33, 34) mittig angeordnet sind.

15. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß von der projizierten Lichtfläche der Sendeeinheit (30) überdeckt, vorzugsweise eine Lichteintrittsfläche eines empfängerseitigen Lichtwellenleiters (35) einer Referenzdiode (47) angeordnet ist, deren Lichtwellenleiter (24) innerhalb der Empfangsein­ heit (14) mittels Vergußmasse fixiert zur Aufnahme der Referenzdiode (27) geführt ist.

16. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit (40) vorzugsweise in dem mit einer Kabelverschraubung versehenen Gehäu­ segrundkörper (15) angeordnet ist und dieser durch den Gehäusedeckel (16) mit zwischenliegender Dich­ tung (17) durch Befestigungselemente verschließbar ist.

17. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in der elektronischen Auswerteeinheit (40) ein Sende­ diodentreiber (41) vorgesehen ist, einem Kanal X (48) vorzugsweise analoge Einzelsignale der Em­ pfangsdioden (43, 44) zugeführt werden und einem Ka­ nal Y (49) vorzugsweise analoge Einzelsignale der Empfangsdioden (45, 46) zugeführt werden, den Emp­ fangsdioden (43, 44, 45, 46) jeweils Impedanzwand­ ler (50) nachgeschaltet sind, ein Signal der Refe­ renzdiode (47) über eine Pegelanpassung (53) den Differenzgliedern (51) und dem Sendediodentreiber (41) zugeführt wird, wobei dem Kanal X (48) und dem Kanal Y (49) über die Differenzglieder (51) und Pegelanpassung (52) die Ausgangssignale X, Y (63, 64) abgenommen werden.

18. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kanal X (48) von den Empfangsdioden (43, 44) und dem Kanal Y (49) von den Empfangsdioden (45, 46) vorzugsweise ein Differenzsignal zugeführt wird.

19. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kanal X (48) zugeordneten analogen Einzelsignale der Emp­ fangsdioden (43, 44) und die dem Kanal Y (49) zu­ geordneten analogen Einzelsignale der Empfangsdio­ den (45, 46) vorzugsweise jeweils einem Differenz­ block (54) und einem Summenblock (55) zugeführt, die gebildeten Differenz- und Summensignale Quo­ tientenblöcken (56) aufgeschaltet werden und über Verstärkerblöcke (57) und Pegelanpassungen (52) die Ausgangssignale X, Y (63, 64) abgenommen werden.

20. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Ein­ zelsignale der Empfangsdioden (43, 44, 45, 46) vor­ zugsweise in jeweils einer A-D-Wandlerstufe (58) in je zwei digitale Signale der Kanäle X (48) und Y (49) umgesetzt, diese Signale und ein Signal des Temperatursensors (59) einem Mikrorechner (60) mit zugeordnetem Speicher (61) zugeführt werden und dem Mikrorechner (60) digitale Ausgangssignale X, Y (65, 66) oder einer zwischengeschalteten D-A-Wand­ lerstufe (62) analoge Ausgangssignale X, Y (67, 68) abgenommen werden.

21. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Auswerteeinheit (40), die Sendediode (42), die Empfangsdioden (43, 44, 45, 46) und die Referenzdiode (47) extern zum Gehäuse angeordnet sind und die Verbindung zu der Sendeeinheit (13) und der Empfangseinheit (14) über ein Leitungssy­ stem aus Lichtwellenleitern erfolgt.