DE4329571A1

DE4329571A1 - Neigungssensor

Info

Publication number: DE4329571A1
Application number: DE19934329571
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Bahm; Andreas Dipl Ing Kuehnle; Roland Dipl Ing Michal; Norbert Dipl Phys Normann; Gunter Lothar Dipl Ing Schulze
Original assignee: Doduco GmbH and Co KG Dr Eugen Duerrwaechter
Current assignee: Doduco Solutions GmbH
Priority date: 1992-09-02
Filing date: 1993-09-02
Publication date: 1994-03-03

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Neigungssensor, ins besondere für Behälter, die eine dielektrische Flüssigkeit enthalten. Um eine dielektrische Flüssigkeit handelt es sich auch bei einem Schmieröl im Antriebsaggregat eines Kraftfahrzeugs. Um dort den Ölstand zu messen, beispiels weise den Ölstand im Verbrennungsmotor oder den Ölstand im Automatikgetriebe, ist es bekannt, einen Ölmeßstab vorzu sehen, der in eine Ölkammer des Antriebsaggregates ein taucht. Der Ölmeßstab hat zwei Markierungen für den maxi malen und den minimalen Ölstand, wobei der aktuelle Öl stand dadurch ermittelt wird, daß man den Ölmeßstab her auszieht und schaut, bis wohin er benetzt ist. Ein solcher mechanischer Ölmeßstab erlaubt keine kontinuierliche Kontrolle des Ölstandes.

Es ist bekannt, eine kontinuierliche Ölstandskontrolle mit Hilfe eines mechanischen Schwimmers durchzuführen, dessen Lage durch den Ölstand bestimmt und durch einen Lagesensor gemeldet wird. Nachteilig dabei ist, daß der mechanische Schwimmer durch unvermeidliche Verunreinigungen des Öles beeinträchtigt wird, indem sich die Verunreinigungen in der Mechanik des Schwimmers ablagern und dadurch dessen Ge nauigkeit und Funktionsfähigkeit beeinträchtigen.

Es ist weiterhin bekannt, den Ölstand durch einen elektri schen Sensor in Gestalt eines beheizten Widerstandsdrahtes zu bestimmen, der in das Öl eintaucht. Bei diesem Sensor macht man sich die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands zunutze. Der Sensor wird mit konstanter Heiz leistung beheizt und wird umso heißer, je länger der Sensor abschnitt ist, welcher nicht in das Öl eintaucht. Nachteilig dabei ist, daß schwankende Öltemperaturen ebenso in das Meßergebnis eingehen wie Änderungen der Zusammensetzung des Öls im Laufe der Betriebszeit (Alterung).

Aus der DE-OS 16 48 153 ist es bekannt, den Füllstand von dielektrischen Flüssigkeiten wie Helium oder Stickstoff mittels einer kapazitiven Meßbrücke zu bestimmen, die mit Wechselstrom gespeist wird. Dabei liegt in einem Zweig der Brücke ein als Kondensator ausgebildeter Meßfühler mit einer zylindrischen Innenelektrode und einer dazu koaxialen Außen elektrode, die durch einen dielektrischen Faden, der wendel förmig auf die Innenelektrode gewickelt ist, auf Abstand gehalten werden. Im Zwischenraum zwischen den beiden Elek troden steht die Flüssigkeit bis zu der zu bestimmenden Höhe. Eine Änderung des Füllstandes ändert die Kapazität des Kondensators und bringt die Brückenschaltung aus dem Gleichgewicht; ein etwaiges Ungleichgewicht wird aus der Phasenverschiebung zwischen der die eine Brückendiagonale speisenden Wechselspannung und der an der anderen Brücken diagonale abgegriffenen Wechselspannung bestimmt. Dieser bekannte kapazitive Füllstandsmesser arbeitet zufrieden stellend in Flüssigkeiten, deren dielektrische Eigen schaften sich nicht verändern. Bei Motorölen ist das an ders: Sie verändern sich durch Alterung. Außerdem wer den bei einem Ölwechsel häufig andere Ölsorten einge füllt. Schließlich schwankt auch die Temperatur des Öls in weiten Grenzen. All dies geht mit einer Änderung der dielektrischen Eigenschaften einher und würde eine kapazitive Füllstandsmessung gemäß DE-OS 16 48 153 ver fälschen, so daß diese für die Messung des Ölstandes in Automobilen ungeeignet ist.

Um unabhängig von Stoffeigenschaften der dielektrischen Flüssigkeit und um unabhängig von ihrer Temperatur zu sein, ist es bekannt, zwei verschiedene Kondensatoren in die Flüssigkeit eintauchen zu lassen (DE-OS 30 32 155, US-PS 3,901,079), von denen einer als Referenzkondensator dient und andauernd vollständig von der dielektrischen Flüssigkeit geflutet ist, während der andere der eigent liche Meßkondensator ist und in einem vom Füllstand ab hängigen Ausmaß mit der dielektrischen Flüssigkeit ge füllt ist.

In Kraftfahrzeugen kommt für die Messung des Ölstandes eine weitere Einflußgröße hinzu, die geeignet ist, das Meßer gebnis zu verfälschen, nämlich die variable Neigung des Fahrzeuges. Nach einem unveröffentlichten Vorschlag werden in den Spalt zwischen den beiden Elektroden eines Meßkonden sators Schikanen eingebaut, die einen Niveauausgleich der dielektrischen Flüssigkeit im Kondensator verlangsamen. Damit kann man allerdings nur den Einfluß, den ein Hin- und Herschwappen der Flüssigkeit infolge der Fahrzeugbe wegung auf die Niveaumessung haben kann, klein halten, aber nicht den systematischen Meßfehler beseitigen, der bei längerer Bergfahrt oder Talfahrt oder beim Abstellen des Fahrzeugs auf geneigtem Untergrund auftritt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu schaffen, der es erlaubt, die Neigung des Fahr zeugs zu erfassen und bei der Füllstandsbestimmung der di elektrischen Flüssigkeit zu berücksichtigen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbil dungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen An sprüche.

Der erfindungsgemäße Sensor arbeitet mit zwei Kondensa toren, in welchen die dielektrische Flüssigkeit steht. Bei diesen beiden Kondensatoren handelt es sich aber nicht wie bei einem Füllstandssensor um einen Meßkondensator und einen stets vollständig gefüllten Referenzkondensator, der, damit er über den ganzen Meßbereich gefüllt ist, zweck mäßigerweise unterhalb des Meßkondensators liegt; viel mehr werden erfindungsgemäß zwei funktionell gleichbe rechtigte, in Normallage höhengleich angeordnete Konden satoren verwendet, die zwischen ihren Elektroden Spalte haben, die nach dem Prinzip kommunizierender Röhren mit einander verbunden sind. Die beiden Kondensatoren sollen eine fest vorgegebene Relativlage zueinander haben. Wegen der Strömungsverbindung der beiden Kondensatoren mitein ander steht die dielektrische Flüssigkeit in beiden stets gleich hoch. Wird die Anordnung aus den beiden Konden satoren geneigt und dadurch die Höhenlage der beiden Kondensatoren relativ zueinander geändert, dann strömt dielektrische Flüssigkeit aus dem durch das Neigen an gehobenen Kondensator herüber in den anderen Kondensator, wodurch sich das Verhältnis ihrer Kapazitäten ändert. Diese Änderung kann ermittelt werden durch eine mit Wechselspannung betriebene Meßbrücke mit zwei Zweigen, deren Enden mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind, die eine Spannung mit vorgegebener Amplitude lie fert. In dem einen Zweig der Meßbrücke liegen zwei be kannte Impedanzen und in dem anderen Zweig die beiden Kondensatoren, in welchen die dielektrische Flüssigkeit steht. Durch Ändern der Höhenlage der beiden Kondensatoren wird die Meßbrücke verstimmt, was zum Auftreten einer Spannung in der die beiden Zweige verbindenden Brücken diagonale führt und durch einen in dieser Diagonale liegenden Spannungsaufnehmer erfaßt und einer Auswertung zugeführt werden kann. Die Größe der auftretenden Spannung ist ein Maß für die Verstimmung der Meßbrücke und diese wiederum ein Maß für die aufgetretene Neigung. Das nei gungsabhängige Meßsignal kann benutzt werden, um ein gleichzeitig oder in engem zeitlichem Zusammenhang ge bildetes Füllstandsmeßsignal rechnerisch um den Einfluß der Neigung zu korrigieren.

Statt die Kondensatoren in eine Meßbrücke einzusetzen, kann man als Maß für eine Änderung der Neigung der Konden satoranordnung, die sich in einer Änderung des Kapazitäts verhältnisses widerspiegelt, auch den Verschiebestrom messen, der die von der Wechselspannungsquelle erzwungene Ladungsverschiebung beim Umladevorgang der beiden Konden satoren begleitet, vorzugsweise mittels einer Kompensa tionsschaltung. Dafür eignet sich besonders eine Meß schaltung mit einem Operationsverstärker, dessen nicht invertierender Eingang mit einer Referenzspannungsquelle und dessen invertierender Eingang mit dem am Verbindungs punkt zwischen den beiden Kondensatoren liegenden Abgriff verbunden ist. Der Operationsverstärker wird in Strom/ Spannungs-Wandler-Beschaltung betrieben, mit Ohmscher Rückkopplung vom Ausgang auf seinen invertierenden Ein gang. Liegt der nicht invertierende Eingang des Opera tionsverstärkers auf Referenzpotential, kompensiert der Strom-Spannungs-Wandler über den Rückkoppelwiderstand die durch das Wechselspannungssignal erzwungene Ladungsver schiebung beim Umladevorgang der Kondensatoren, da auch der invertierende Eingang des Operationsverstärkers auf demselben Referenzpotential gehalten wird. Die Aus gangsspannung des Operationsverstärkers ist ein Maß für den Kompensationsstrom über den Rückkoppelwiderstand in den kapazitiven Spannungsteiler und damit direkt ein Maß für die das Verhältnis der Kapazitäten der Kondensatoren verstimmende Größe (Neigung oder Niveau).

Ein erfindungsgemäßer Neigungssensor mit einer Anordnung aus zwei Meßkondensatoren gestattet es, die in einer Richtung auftretende Neigung genau zu erfassen. Berück sichtigt man, daß die bei Kraftfahrzeugen auftretende Neigung meistens eine Längsneigung, aber keine Quer neigung ist, dann kann man mit einem solchen Neigungs sensor bei entsprechender Orientierung des Sensors in Be zug auf die Fahrtrichtung die Längsneigung erfassen. Will man auch die Querneigung erfassen, dann kann man das ein fach dadurch, daß man den Sensor um ein weiteres Paar Kondensatoren ergänzt, deren Elektroden und deren Spalte zwischen den Elektroden dementsprechend unter einem Win kel zu den Elektroden der anderen beiden Kondensatoren auf die zweite Neigungsrichtung ausgerichtet sind. Vorzugs weise verwendet man gleiche Kondensatoren mit gleichen und parallel zueinander angeordneten Elektrodenpaaren und orientiert die beiden Gruppen von Kondensatoren recht winklig zueinander, um die Neigung in zwei zueinander senkrechten Richtungen zu erfassen. Die vier Kondensatoren definieren auf diese Weise ein rechtwinkliges Koordinaten system (X-Y-Koordinaten), in welchem die in einer beliebigen Richtung auftretende Neigung leicht erfaßt werden kann.

Grundsätzlich könnten die beiden Gruppen von je zwei Konden satoren zwei verschiedenen Meßschaltungen angehören. Einfacher und weniger aufwendig ist es jedoch, wenn man nur eine Meß schaltung, z. B. eine Meßbrücke vorsieht, der alle vier Konden satoren angehören. Die beiden Gruppen von Kondensatoren kann man abwechselnd (Zeitmultiplex) auf die Meßschaltung schal ten und dabei die beiden Kondensatoren mit um 180° phasen verschobenen Wechselspannungen im Gegentakt beaufschlagen.

Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Kondensatoren nicht über mechanische Schalter oder Halbleiterschalter ange steuert werden, sondern mit phasenverschobenen Signalen, die aus einer Wechselspannungsquelle stammen, die vier um 90° phasenverschobene, amplitudengleiche Ausgangssignale liefert. Die Wechselspannungsquelle wird in der Weise mit den Kondensatoren verbunden, daß die beiden einer Gruppe angehörenden Kondensatoren im Gegentakt betrieben werden und die beiden anderen Kondensatoren in 90°-Phasenlage dazu. Dadurch entsteht ein zirkular rotierender elektri scher Spannungsvektor (ein Drehfeld) für die Sensoran regung bei der Neigungsmessung; eine Unterscheidung von X-Y-Richtung erübrigt sich, da durch die Ansteuerung mit dem Drehfeld jede beliebige Richtung in der X-Y-Ebene zu einer Änderung des Kapazitätsverhältnisses und damit z. B. zu einer Verstimmung der Meßbrücke und folglich zu einem auswertbaren Signal führt.

Zwar hat der erfindungsgemäße Neigungssensor sein bevor zugtes Anwendungsgebiet bei der Füllstandsmessung von di elektrischen Flüssigkeiten in Fahrzeugen, er kann jedoch auch andernorts eingesetzt werden, wo es ähnliche Meßauf gaben zu bewältigen gilt, z. B. bei der Überwachung von Ma schinen und bei einer reinen Schrägstandsüberwachung (von Maschinenteilen, Nutzfahrzeugen, Steigkörben, in der Schiffahrt usw.) ohne Kombination mit einer Füllstands messung. Erfindungsgemäße Neigungssensoren könnten auch eingesetzt werden zur Bildung einer elektrischen Wasser waage oder zur Kontrolle einer Nivellierungsplattform, die mit einem erfindungsgemäßen Neigungssensor und einem Regler ausgerüstet ist, der das Ausgangssignal des Neigungs sensors als Ist-Signal empfängt und die Plattform nach einer Auslenkung selbsttätig in eine vorbestimmte, insbesondere horizontale Lage zurückführt.

Wird der Neigungssensor nicht in Kombination mit einem Füllstandssensor verwendet, dann müssen die Spalte zwischen den Elektroden in den Kondensatoren, in denen sich die dielektrische Flüssigkeit befindet, nicht von außen zugänglich sein, sie können ein abgeschlossenes System bilden. In besonders vorteilhafter Weiterbildung der Er findung kann der Neigungssensor so ergänzt werden, daß er zusätzlich zur Füllstandsmessung eingesetzt werden kann. Dazu wird er lediglich um einen Referenzkondensator ergänzt, welcher so ausgebildet und angeordnet ist, daß er gleichbleibend mit der elektrolytischen Flüssigkeit ge füllt ist, und die für die Neigungsmessung vorgesehenen Kondensatoren werden so ausgebildet, daß die Spalte zwi schen ihren Elektroden von außen zugänglich sind, so daß die dielektrische Flüssigkeit, in welche der Sensor ein taucht, als Dielektrikum von variabler Höhe in die Spalte eindringen kann. Die Neigungsmessung ist im wesentlichen unabhängig vom Füllstand, weil es sich bei der Neigungs messung um eine Differentialmessung handelt, in welcher es lediglich auf den Unterschied des Füllstands in neben einanderliegenden Kondensatoren ankommt.

Die Füllstandsmessung wird so durchgeführt, daß man mit der Neigungsmessung abwechselnd den Referenzkondensator und wenigstens einen der für die Neigungsmessung vorge sehenen Kondensatoren, vorzugsweise eine Parallelschaltung aller für die Neigungsmessung vorgesehenen Kondensatoren, auf die Meßschaltung, z. B. die Meßbrücke schaltet und das dann erhaltene, auf den Referenzkondensator bezogene Füllstandssignal korrigiert mit dem zuletzt gewonnenen Neigungssignal.

Gestalt und Anordnung der Elektroden der Kondensatoren sind in weiten Grenzen beliebig. Besonders kompakt wird der erfindungsgemäße Kondensator dann, wenn man ihn so aufbaut, daß die verschiedenen Kondensatoren eine Elek trode gemeinsam haben, welcher die anderen Elektroden gegenüberliegen. Besonders günstig ist ein Sensor, in welchem die gemeinsame Elektrode innen liegt und von den anderen Elektroden umgeben ist, insbesondere in zylin drischer Geometrie, aber auch in einer im Querschnitt quadratischen Geometrie.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die bei gefügten schematischen Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt die Anordnung eines erfindungsgemäßen Neigungs- und Füllstandssensors mit gemein samer Außenelektrode auf dem Boden der Öl kammer eines Antriebsaggregates,

Fig. 2 zeigt als Detail eine abgewandelte Elektroden form,

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Sensors in seiner Beschaltung als Füllstandssensor, ein gefügt in eine Wechselspannungsmeßbrücke,

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäßen Sensors in einer teilweise aufgeschnittenen Schrägansicht, und zwar in Abwandlung zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 mit gemeinsamer Innenelektrode statt mit ge meinsamer Außenelektrode,

Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild des Sensors aus Fig. 4,

Fig. 6 zeigt anhand des Ersatzschaltbildes aus Fig. 5 die Elektrodenbeschaltung bei Nei gungsmessung in X-Richtung,

Fig. 7 zeigt anhand des Ersatzschaltbildes aus Fig. 5 die Elektrodenbeschaltung bei Neigungsmessung in Y-Richtung,

Fig. 8 zeigt anhand des Ersatzschaltbildes aus Fig. 5 die Elektrodenbeschaltung des Sen sors bei Füllstandsmessung, und

Fig. 9 zeigt ein Ersatzschaltbild des Sensors in seiner Beschaltung als Füllstands sensor mit einer aus der Wechselspannungs quelle gebildeten Referenzspannung.

Fig. 1 zeigt eine auf dem Boden 1 einer Ölkammer eines An triebsaggregates, beispielsweise auf dem Boden einer Ölwanne angeordnete Sensoreinheit bestehend aus einem Gehäuse 2 am Fuß der Sensoreinheit und zwei hierauf übereinander ange ordneten zylindrischen Kondensatoren 3 und 4 mit einer ge meinsamen Außenelektrode 5. Die beiden übereinander ange ordneten Innenelektroden 6 und 7 sind durch einen Isolator 8 miteinander verbunden.

Die Sensoranordnung ist an der Unterseite durch das Gehäuse 2 verschlossen und am gegenüberliegenden oberen Ende offen, so daß von dort Öl in den von Abstandhaltern freien Ring raum 9 eindringen kann, und in der Höhe des Isolators 8 befindet sich eine weitere Öleintrittsöffnung 10, so daß das Niveau 11 des Öls auch nach einem Absinken des Ölstandes in der Ölkammer innerhalb und außerhalb des Ringraums 9 gleich ist, solange der Ölstand in der Ölkammer nicht unter die Eintrittsöffnung 10 absinkt. Auf diese Weise ist sicher gestellt, daß der Kondensator 4 stets bis zum Rand gefüllt ist.

Vom Gehäuse 2 führt durch eine abgedichtete Öffnung 12 ein elektrisches Kabel 13 zu einer im Fahrzeug untergebrachten Auswerteelektronik 14. Im Gehäuse 2 befindet sich eine nicht näher dargestellte Elektronik zur Meßsignalaufbereitung, so daß parasitäre Zuleitungskapazitäten minimal gehalten werden.

Eine Änderung des Verhältnisses der Kapazitäten C₁ und C₂ der Kondensatoren 3 und 4 kann durch eine Meßschal tung 16 (Fig. 3) bzw. 17 (Fig. 9) erfaßt werden. Die Elektronik zur Meßsignalaufbereitung kann die Meßspannung einer Wechselstrommeßbrücke auswerten, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Meßbrücke hat in ihrem einen Zweig zwei bekannte Impedanzen Z₁, Z₂ und in ihrem anderen Zweig die Kapazitäten C₁ des ersten Kondensators 3 und C₂ des zweiten Kondensators 4, die einen kapazitiven Spannungsteiler mit einem zwischen ihnen liegenden Ab griff 15 bilden.

Die Endpunkte der einen Brückendiagonale sind mit einer Wechselspannungsquelle verbunden, die eine Wechselspannung mit gleichbleibender Amplitude Û_signal liefert. An den End punkten der anderen Brückendiagonale wird eine Meß spannung abgegriffen, deren Amplitude Û_mess vom Niveau 11 des Öls im ersten Kondensator 3 abhängt. Die Höhe der Meßspannung ist unabhängig von der Temperatur und Zusammen setzung des Öls, weil deren Einfluß durch den ständig mit Öl gefüllten Referenzkondensator 4 kompensiert wird. Schwankungen des Ölstandes durch den Fahrbetrieb können beispielsweise durch die in Fig. 2 dargestellte Elektroden geometrie gedämpft werden, bei welcher die Innenelektrode 6a zylindrisch ist und die Außenelektrode 5a ein Rechteck- Gewindeprofil mit geringer Steigung hat.

Der in Fig. 1 dargestellte Sensor kann typisch so di mensioniert werden:
Innendurchmesser der Außenelektroden 5: 40 mm
Außendurchmesser der Innenelektroden 6 und 7: 38 mm
Länge der Innenelektrode 6: 35 mm
Länge der Innenelektrode 7: 60 mm.

Damit kann die in Fig. 3 dargestellte Schaltung typisch wie folgt dimensioniert werden:
Z₁ = 5,1 kΩ
Z₂ = 10 kΩ
Û_signal = 5 V
Signal-Frequenz = 100 kHz.

Der dargestellte Sensor kann jeden Ölstand zwischen der Öl eintrittsöffnung 10 und dem oberen Ende des ersten Konden sators 3 anzeigen. Das an der Brückenschaltung im Diagonal abgriff gewonnene Meßsignal U _mess wird nach Auswertung der Amplituden und/oder Phaseninformation in ein ölstands moduliertes Ausgangssignal aufbereitet, z. B. in ein puls breitenmoduliertes Signal umgewandelt, das dann einer weiteren Auswerteelektronik zugeführt und angezeigt wer den kann. Die Anzeige kann in an sich bekannter Weise mit einem Zeigerinstrument erfolgen, vorteilhafterweise auch mit einer senkrechten Reihe von Leuchtdioden, wobei der Normalbereich zwischen einem oberen und einem unteren Grenzwert zweckmäßigerweise durch grüne Leuchtdioden symbolisiert wird, der Gefahrbereich für zu hohen oder zu tiefen Ölstand durch rote Leuchtdioden.

Um den Einfluß von Neigungen berücksichtigen zu können, besteht die Innenelektrode 6 des Kondensators 3 aus vier gleichen, sich über die volle Länge des Zylinders er streckenden, getrennten Oberflächenabschnitten, welche sich jeweils über etwas weniger als 90° in Umfangsrichtung des Zylinders erstrecken. Die dadurch in Verbindung mit der Außenelektrode 5 gebildeten vier Teilkondensatoren werden für Zwecke der Füllstandsmessung parallel zusammen geschaltet, für Zwecke der Neigungsmessung jedoch getrennt, wie es anhand der Fig. 4 bis 8 erläutert wird. Dabei ist es für die Art und Weise der Beschaltung unerheblich, ob die gemeinsame Elektrode die Außenelektrode ist (wie in Fig. 1) oder die Innenelektrode (wie in Fig. 4).

Der in Fig. 4 dargestellte Sensor hat eine prismatische Innenelektrode 20 mit quadratischem Querschnitt, welcher zur Bildung von fünf Kondensatoren vier Elektroden 21 bis 25 gegenüberliegen. Die Elektroden 21 bis 24 sind ebene Platten und umgeben den oberen Abschnitt der inneren Elektrode 20 unter Bildung von Spalten 26 bis 29. Die vier Platten 21 bis 24 können Teile eines längsgeschlitzten Rechteckprofils sein. Der untere Abschnitt der Innenelek trode 20 ist von einer Außenelektrode 25 in Gestalt eines Rechteckprofils umgeben. Der Spalt 30 zwischen der Innen elektrode 20 und der unteren Außenelektrode 25 ist nach unten hin verschlossen. Zwischen der unteren Elektrode 25 und den oberen Elektroden 21 bis 24 besteht ein Ringspalt 31, durch die die dielektrische Flüssigkeit einerseits in den Spalt 30 eindringen und ihn ausfüllen kann und andererseits in den Spalten 26 bis 29 hochsteigen kann.

Das Ersatzschaltbild der so gebildeten fünf Kondensatoren ist in Fig. 5 dargestellt. Die aus den Elektroden 20 und 21 sowie 20 und 22 gebildeten Kondensatoren bilden eine erste Gruppe, mit welcher die Neigung in X-Richtung fest gestellt werden kann. Die aus den Elektroden 20 und 23 sowie 20 und 24 gebildeten Kondensatoren bilden eine zweite Gruppe, mit welcher die Neigung in Y-Richtung bestimmt werden kann. Der aus den Elektroden 20 und 25 gebildete Kondensator schließlich dient als Referenzkondensator für die Bestimmung des Niveaus der elektrolytischen Flüssig keit, in welche der Sensor eintaucht, insbesondere von Öl.

Um die Neigung in X-Richtung zu bestimmen, genügt es, die durch die Elektroden 20 und 23, 20 und 24 sowie 20 und 25 gebildeten Kondensatoren unwirksam zu machen, indem ihre Elektroden sämtlich auf das gleiche Potential gelegt, die drei Kondensatoren also kurzgeschlossen werden (Fig. 6). Die Neigung in Y-Richtung kann bestimmt werden, indem man die durch die Elektroden 20 und 21, 20 und 22 sowie 20 und 25 gebildeten Kondensatoren auf das gleiche Potential legt (Fig. 7). Eine Neigung in beliebiger Richtung kann be stimmt werden, in dem man den durch die Elektroden 20 und 25 gebildeten Kondensator kurzschließt und über eine Wechsel spannungsquelle, die vier um 90° phasenverschobene, amplituden gleiche Ausgangsspannungen liefert, die Außenelektroden 21, 22, 23 und 24 so ansteuert, daß die Elektroden 21 und 22 mit einem Gegentaktsignal beaufschlagt werden, die Elektroden 23 und 24 ebenso mit einem Gegentaktsignal be aufschlagt werden und die beiden Gegentaktsignale zueinander einen Phasenversatz von 90° aufweisen, wie in der nach stehenden Tabelle angegeben.

Dadurch entsteht ein zirkular rotierender elektrischer Spannungsvektor, der bei einer Neigung des Sensors gegen eine beliebige Richtung in der X-Y-Ebene zu einer Ver stimmung des Differentialsystems und damit zu einem aus wertbaren Signal führt.

Zur Niveaumessung werden die durch die Elektroden 20 und 21, 20 und 22, 20 und 23 sowie 20 und 24 gebildeten Kondensatoren parallel geschaltet und bilden gemeinsam eine Meßkapazität (entsprechend C₁ in Fig. 3), wohin gegen der durch die Elektroden 20 und 25 gebildete Konden sator eine Referenzkapazität bildet, entsprechend C₂ in Fig. 3.

Bei der Neigungsmessung mit den Elektrodenbeschaltungen wie in Fig. 6 und Fig. 7 liegen die nicht kurzge schlossenen Kondensatoren in der Meßbrücke, entsprechend den Kapazitäten C₁ und C₂ in Fig. 3.

Der Füllstandsbereich, der angezeigt werden kann, ist durch die Länge der Elektroden 21 bis 24 begrenzt. Durch die An ordnung des Referenzkondensators (20, 25) unterhalb des Ringspalts 31 ist sichergestellt, daß im vorgesehenen Meßbereich der Referenzkondensator stets vollständig mit der dielektrischen Flüssigkeit gefüllt ist, so daß Temperatur- und Alterungseinflüsse keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben.

Alternativ zu Fig. 3 kann gemäß Fig. 9 mit dem Ab griff 15 auch eine Meßschaltung 17 verbunden sein, die den Verschiebestrom zwischen den Kondensatoren 3 und 4 kompensiert und mißt, der auftritt, wenn die Kondensa toren 3, 4 aus der Wechselspannungsquelle U _signal mit zwei 180° phasenverschobenen Signalen (z. B. sinus- oder dreieckförmig) im Gegentakt beaufschlagt werden. Mit dem Abgriff 15 ist der invertierende Eingang eines Operationsverstärkers 18 verbunden, dessen Ausgang über einen ohm′schen Widerstand R_K mit dem invertieren den Eingang rückgekoppelt ist. Der nicht invertieren de Eingang des Operationsverstärkers 18 erhält eine aus der Wechselspannungsquelle gebildete Referenzspannung U _ref. Da auch der invertierende Eingang auf der Referenz spannung U _ref gehalten wird, fließt über den Rückkoppel widerstand R_K ein Strom I _mess in den kapazitiven Spannungsteiler und kompensiert den Verschiebestrom zwischen den Kondensatoren 3 und 4. Die Ausgangsspannung U _mess des Operationsverstärkers 18 ist ein Maß für den Kompensationsstrom I _mess und damit direkt ein Maß für die den kapazitiven Spannungsteiler verstimmende Größe (Neigung oder Niveau).

Claims

1. Neigungssensor,
gekennzeichnet durch
eine Wechselspannungsquelle (U _signal), die eine Spannung mit vorgegebener Amplitude Û liefert,
mit zwei Kondensatoren (C₁, C₂; 20/21, 20/22, 20/23, 20/24), die zur Bildung eines kapazitiven Spannungsteilers mit der Wechselspannungsquelle (U _signal) elektrisch in Reihe ver bunden sind und an einem zwischen ihnen liegenden Verbin dungspunkt (15) einen elektrischen Abgriff haben, der zum Anschließen einer Meßschaltung (16, 17) zur Ermittlung einer Änderung des Teilverhältnisses der beiden Kondensa toren dient,
wobei die beiden Kondensatoren (C₁, c₂; 20/21, 20/22, 20/23, 20/24) durch zwei Paare (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) von Elektroden gebildet sind, deren Relativlage fest vorge geben ist, in jedem Paar (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) ein Spalt (26, 27; 28, 29) zwischen den Elektroden (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) vorgesehen ist, in welchem sich eine dielektrische Flüssigkeit befindet, und die Spalte (26, 27; 28, 29) nach dem Prinzip kommunizierender Röhren mit einander verbunden sind.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Meßschaltung (16) zwei bekannte Impe danzen (Z₁, Z₂) enthält, welche die Reihenschaltung der Kondensatoren (C₁, C₂; 20/21, 20/22, 20/23, 20/24) zu einer Wechselspannungsmeßbrücke ergänzen, in deren einem Zweig die beiden Kondensatoren (3, 4) liegen, in deren anderem Zweig die beiden bekannten Impedanzen liegen, wobei die Enden der beiden Zweige mit der Wechselspannungsquelle (U _signal) verbunden sind und in der die beiden Zweige überbrückenden Brückendiagonale ein Spannungsaufnehmer (U _mess) liegt.

3. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßschaltung (17) eine den Verschiebestrom zwischen den beiden Kondensatoren (C₁, C₂; 20/21, 20/22, 20/23, 20/24) messende Strommeßschal tung ist.

4. Neigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßschaltung (17) eine Kompen sationsschaltung ist, welche den Verschiebestrom kompen siert.

5. Neigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Meßschaltung (17) einen Opera tionsverstärker (18) mit einem invertierenden und einem nicht invertierenden Eingang enthält, wobei der nicht invertierende Eingang mit einer festen Referenzspannungs quelle (U _ref) und der invertierende Eingang mit dem Ver bindungspunkt (15) zwischen den Kondensatoren verbunden ist und der Ausgang des Operationsverstärkers (18) durch einen ohm′schen Widerstand (R) mit dem invertierenden Eingang rückgekoppelt ist.

6. Neigungssensor nach einem der vorstehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, das die Elektro den (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) gleich und parallel zu einander angeordnet sind.

7. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur zweidimensionalen Neigungsmessung zwei unterschiedlich ausgerichtete Gruppen von je zwei Elektrodenpaaren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) vorgesehen sind, deren Relativlage zueinander fest vorge geben ist.

8. Neigungssensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die beiden Gruppen von Elektrodenpaaren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) alternativ mit der Meßschal tung (16, 17) zusammenschaltbar sind.

9. Neigungssensor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die beiden Gruppen (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) in zueinander rechtwinkliger Orientierung angeordnet sind.

10. Neigungssensor nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß alle vier Elektrodenspalte (26, 27; 28, 29) nach dem Prinzip kommunizierender Röhren untereinander verbunden sind.

11. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spalte (26, 27; 28, 29) zwischen den Elektroden nach außen offen sind.

12. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) eine Elektrode (20) mit einer Umfangsfläche gemeinsam haben, welcher die anderen Elektro den 21 bis 24) unter Bildung der Spalte (26 bis 29) über den Umfang verteilt gegenüberliegen.

13. Neigungssensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß die gemeinsame Elektrode (20) innen liegt und von den anderen Elektroden (21 bis 24) umgeben ist.

14. Neigungssensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode zylindrisch ist, während die anderen Elektroden teilzylindrisch sind.

15. Neigungssensor nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die gemeinsame Elektrode (20) im Querschnitt quadratisch ist, während die anderen Elektroden (21 bis 24) eben sind.

16. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den für die Neigungsmessung vorgesehenen Kondensatoren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) unterhalb von diesen ein weiterer offener Kondensator (20/25) vorgesehen ist, der als Referenzkapazität (C₂ ) mit der Meßschaltung (16, 17) zusammenschaltbar, ins besondere in die Meßbrücke schaltbar ist.

17. Neigungssensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeich net, daß der Spalt (30) des weiteren Kondensators (20/25) nur nach oben offen ist.

18. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Neigungs messung vorgesehenen Kondensatoren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) parallel zusammenschaltbar sind.

19. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Spalte (26-29) Schikanen (5a) eingebaut sind, die einen Niveauausgleich verlangsamen.

20. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Fuß (2) un mittelbar unter den Elektroden (20 bis 25) hat, in welchem sich die Meßschaltung (16, 17), insbesondere der Spannungs aufnehmer (U _mess) und eine Signalaufbereitungsschaltung befinden.

21. Neigungssensor nach einem der vorstehenden Ansprüche in Verbindung mit Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Wechselspannungsquelle (U _signal), welche vier um 90° phasenverschobene Wechselspannungssignale mit gleicher Amplitude Û liefert, vorgesehen und so mit den Kondensatoren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) verbunden ist, daß die beiden einer Gruppe angehörenden Kondensatoren (20/21, 20/22, 20/23, 20/24) im Gegentakt betrieben werden.