EP0359090A2 - Neigungssensor - Google Patents

Abstract

Der Neigungssensor enthält in einer Wanne (3, 3', 8) eine frei bewegliche Kugel (4). Die Ruhelage der Kugel (4) auf der Wannenwand (3, 3', 13', 13") hängt davon ab, wie "schräg" die Wanne und damit auch das Gehäuse (1) des Neigungssensors zur Waagerechten liegen. Aus der Tatsache, daß die Kugel (4) in ihrer Ruhelage entweder zwei voneinander elektrisch isolierte Wannenbereiche, z B. den Wannenboden (7) und die Wannenwand (3') miteinander verbindet oder nicht, ist jeweils abzuleiten, ob die Lage des Gehäusebodens (2) innerhalb oder außerhalb einer Klasse einer bestimmten Neigung liegt. Eine ringartige Unterteilung (13, 13', 13") der Wannenwandfläche erlaubt eine Klasseneinteilung des Betrages der Neigung, eine sektorale Unterteilung (10...10‴"), eine Klasseneinteilung der Richtung der Neigung. Durch eine Kombination der sektoralen und azimutalen Wannenwandteilung sind sowohl Richtung als auch Betrag der Neigung in einem Raster erfaßbar.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Neigungssensor mit einer als Lage­indikator dienenden Kugel.
• Ein Sensor mit einer Kugel als Kontaktgeber ist aus der DE-C-27 09 397 bekannt. Ein solcher Lageänderungsschalter ist als Neigungssensor nicht geeignet.
• Bestimmte Munitionsarten, wie z.B. Minen zur Bekämpfung von ge­panzerten Zielen, müssen zur Erreichung einer optimalen Wirkleistung auf das Ziel ausgerichtet sein. Minen werden in der Regel vertikal positioniert, damit die Ziele, z.B. überrol­lende Panzer, von der weniger stark gepanzerten Unterseite her bekämpft werden können. Eine solche bestimmte Lage zum Schwer­kraftfeld ist bei Handverlegung einfach zu realisieren. Bei der Verlegung der Minen über größere Distanzen mit Raketenartille­rie oder Minenwurffahrzeugen muß die senkrechte Positionierung über Stell- oder Aufrichtmechaniken realisiert werden. Ohne einen Lagesensor ist jedoch nicht zu entscheiden, ob die ge­wünschte Positionierung geglückt ist.
• Es sind verschiedene Lagesensoren bekannt. Das Über- oder Un­terschreiten einer festgelegten Neigung in einer Richtung läßt sich mit einem Quecksilberschalter als Neigungssensor überprü­fen. Unter -30°C Umgebungstemperatur ist ein solcher Sensor nicht mehr einsetzbar. Komplexere Geräte, beispielsweise mit einem Kreiselsystem, sind teuer und groß, benötigen eine Strom­versorgung und vertragen meist auch nicht die bei der Verlegung auftretenden hohen Beschleunigungen.
• Aufgabe der Erfindung ist ein robuster Neigungssensor, mit dem in erster Linie entschieden werden kann, ob Lageabweichungen nicht über ein vorgebbares Maß hinausgehen.
• Die Aufgabe wird von einem Neigungssensor gelöst, der gekenn­zeichnet ist durch eine in einem Gehäuse eingebaute Wanne mit monoton ansteigender Wandsteilheit und wenigstens zwei unter­scheidbaren Wandbereichen und Mitteln, mit denen feststellbar ist, in welchen der Wandbereiche bzw. zwischen welchen Wandbereichen sich die freibewegliche Kugel befindet. Bevorzugt sind elektrische Mittel, beispielsweise ein Ohmmeter. Wenn die untereinander isolierten Wandbereiche eine elektrisch leitende Oberfläche haben und die Fuge, die die beiden Wandbereiche trennt, so ausgebildet ist, daß eine ausreichend große Metallkugel, die auf der Fuge liegt, gleichzeitig Kontakt mit beiden Wandbereichen haben kann, so läßt sich aus einem sehr niedrigen Widerstandswert schließen, daß die Kugel einen Kurz­schluß zwischen den beiden Flächen erzeugt hat und somit auf der Fuge liegen muß, während aus einem sehr hohen Widerstands­wert gefolgert werden kann, daß die Kugel nicht im Bereich der Fuge sein kann.
• Spezielle Ausführungsformen des Neigungssensors sind in den Un­teransprüchen beschrieben.
• Grundgedanke der Erfindung ist, daß die Kugel im Gleichgewicht den Punkt mit der geringsten potentiellen Energie annimmt und aus der Ruhelage einer freibeweglichen Kugel auf der Wannen­oberfläche auf die Lage eines mit der Wanne festverbundenen Ge­häuses zurückgeschlossen werden kann, speziell auf den Winkel, den die Normale auf der Bodenfläche des Gehäuses mit der Lot­rechten bildet. Das Prinzip ist am besten erkennbar an einer rotationssymmetrischen Wanne mit der maximalen Steilheit am Wannenrand, beispielsweise in Form eines Kugelabschnittes, wo­bei der "Wannenboden", hier der Mittelpunkt des Kugelabschnit­tes, am Gehäuseboden befestigt ist. Bei Schräglage des Gehäuses bleibt entweder die Kugel in der Wanne oder die Kugel rollt über den Wannenrand hinaus. Bei dem erfindungsgemäßen Neigungs ­messer ist der freie Raum zwischen Wanne und Gehäuse so klein, daß ein Aus-der-Wannerollen der Kugel verhindert wird. Das bedeutet aber, daß wenn die Kugel die Innenwand des Gehäuses bzw. dessen Deckel berührt, die Wanne so schräg liegt, daß die Bodenneigung des Gehäuses größer ist als die Wannensteilheit am Rand.
• Durch Verändern der Steilheit der Wannenwand hat man es somit in der Hand, den Winkel festzulegen, bei dem der Neigungssensor ein Über- oder Unterschreiten einer bestimmten Schräglage registriert. Dieses Konzept des erfindungsgemäßen Neigungs­sensors ist in mehrfacher Hinsicht ausbaufähig. In der Grund­form erkennt der Neigungssensor für alle Raumrichtungen, ob die Bodenneigung des Gehäuses des Sensors flacher oder steiler als ein vorgegebener Wert ist. Bevorzugte Ausführungsformen der Wanne sind dabei ein Kugelabschnitt oder eine Wanne mit einem ebenen Wannenboden und einem Kegelstumpf als Wannenwand, wobei am Großkreis des Kegelstumpfes ein Spalt, der zwei Bereiche isoliert, zum Gehäuse gebildet wird. Ein elektrischer Kurz­schluß durch die Kugel zwischen Wanne und Gehäuse bedeutet, daß die Gehäusenormale mehr als (90 - α)° von der Lotrechten abweicht, wobei α die maximale Wandsteilheit der Wanne ist. Ein sehr hoher Widerstandswert zwischen Wanne und Gehäuse besagt, daß die Normale um weniger als (90 - α)° von der Lotrechten abweicht.
• Ein Schalten des Neigungssensors ist jedoch keineswegs grund­sätzlich auf den Wannenrand beschränkt. Wannenwand und Wannen­boden können durch irgendeine isolierte Vertiefung voneinander getrennt sein und die Steilheiten der Wandbereiche um diese Fugen sind korreliert mit dem Winkel zwischen der Normalen auf der Bodenfläche des Gehäuses und der Lotrechten.
• Mit dem erfindungsgemäßen Neigungsmesser lassen sich auch meh­rere Raumwinkelbereiche abdecken. Bei einer konkav durchhängen­den Wannenwand erlaubt die azimutale Ruhelage der Kugel auf der Wannenwand Rückschlüsse auf die Schräglage der Wanne und damit auf die Neigung des Gehäusebodens. Der Wannenwandbereich muß dafür in ringförmige Zonen zerlegt werden, die voneinander elektrisch isoliert sind, und bevorzugt soll die Wandsteilheit innerhalb einer ringförmigen Zone konstant sein. Vorteilhaft wäre es sogar, wenn sich der Mittenbereich etwas aufwölben würde. Dadurch ist gewährleistet, daß die Kugel immer auf einer isolierten Zone zur Ruhe kommt und nicht innerhalb eines Wandbereichs liegt, was meßtechnisch schwerer nachzuweisen wäre, als wenn sie in ihrer Ruhelage über dem isolierten Bereich zwei elektrisch leitende Wandbereiche verbindet. Der isolierte Bereich zwischen zwei elektrisch leitenden Wandbereichen, zwischen denen die Kugel einen "Kurzschluß" her­stellen soll, muß gegenüber dem metallischen Wandbereich eine Vertiefung aufweisen, denn nur so kann die Kugel die beiden Flächen (die eventuell zur Isolierung hin etwas abgerundet sein sollten) eine elektrische Verbindung herstellen.
• Es ist weiterhin möglich und vorteilhaft, den erfindungsgemäßen Neigungssensor dahingehend zu modifizieren und zu erweitern, daß sich nicht nur der Betrag der Neigung sondern auch die Richtung der Neigung eingrenzen läßt. Ähnlich wie bei der Feststellung der azimutalen Lage muß die Fläche, auf der die Kugel zur Ruhe kommt, sektoral unterteilt werden. Auch hier ist es bevorzugt, wenn sich die Ruhelage immer auf dem isolierten Bereich zwischen zwei metallischen Wandbereichen einstellt. Das bedeutet, daß die Wannenwand in Umfangsrichtung stückweise eben sein muß, so daß die Form der isolierten Wanne in dem Gehäuse nicht mehr kegelstumpfförmig sondern pyramidenstumpfförmig ist. Die Zahl der Pyramidenseiten bzw. der isolierenden Streifen gibt die Zahl der Klassen an, in die der Neigungssensor die Richtung der Gehäusebodennormalen sortieren kann.
• Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und weiter bei­spielhaft beschrieben. Es zeigen:
• Fig. 1 Schnitt durch einen Neigungssensor mit kegel­stumpfähnlicher Wanne, bei der die Wanne zum Gehäuse isoliert ist;
• Fig. 2 Schnitt durch einen Neigungssensor mit kegel­stumpfähnlicher Wanne, bei der der Wannenboden von der Wannenseite isoliert ist;
• Fig. 3 Schnitt durch einen Neigungssensor mit durchgehend gewölbter Wanne;
• Fig. 4 Draufsicht auf eine sektoral unterteilte Wanne nach Fig. 3;
• Fig. 5 Schnitt durch einen Neigungssensor mit drei azimuta­len Meßbereichen;
• Fig. 6 Draufsicht auf eine ringförmig unterteilte Wanne nach Fig. 5.
• Der Neigungssensor gemäß Fig. 1 besteht aus einem Gehäuse 1 mit einer Bodenfläche 2, in der isoliert eine Wanne 3 befestigt ist, in der sich frei eine Kugel 4 bewegen kann. Befindet sich die Kugel in der gestrichelten Position 5, was dann der Fall ist, wenn die Bodenfläche 2 um mehr als den Winkel α von der Waagerechten abweicht, dann entsteht eine leitende Verbindung zwischen dem Gehäuse 1 und der Wanne 3. Ein an die An­schlußdrähte 6, 7 angeschaltetes Ohmmeter zeigt einen sehr hohen Wert an, solange das Gehäuse noch hinreichend waagerecht steht. Sobald aber die Neigung der Normalen auf der Bodenfläche 2 in irgendeine Raumrichtung größer als α wird, rollt die Kugel an den Wannenrand (Position 5) und stellt eine galvanische Verbindung zwischen Wanne 3 und Gehäuse 1 her. Wie diese Information ausgewertet wird, hängt vom Anwendungsfall ab.
• Eine etwas modifizierte Ausführungsform eines einfachen Nei­gungssensors zeigt Fig. 2. Das Umschalten wird auch durch den Winkel α′, der Steilheit der Wannenwand, bestimmt. Der einzige Unterschied besteht in der Lage des Isolierringes 9, hier zwi­schen "Wannenboden" 8 und "Wannenwand" 3′. Der Isolierbereich 9 muß eine hinreichende Tiefe haben, damit die Kugel 4 einen Kon­takt zwischen 8 und 3′ herstellen kann. Die Steilheit unmittel­bar in der Nähe der Isolierung bestimmt den Schaltpunkt,wo die Kugel 4 vom Wannenboden 8 zum Rand (in Position 5) rollt und umgekehrt, also der Widerstand zwischen den Anschlußdrähten 6 und 7 von null auf unendlich oder umgekehrt springt. Damit keine undefinierte Kugellage vorkommen kann, muß die Wannensteilheit monoton zum Rand hin zunehmen. Die Wannenwand 3′und das Gehäuse 1 haben hier gleiches Potential.
• Fig. 3 ähnelt Fig. 1, zeigt aber eine in radialer Richtung ge­wölbte Wannenwand 3˝. Entscheidend für die Schaltanzeige ist die Wandsteilheit beidseitig des Isolierbereichs, also der Winkel α˝.
• Eine Besonderheit der Fig. 3 ist in Fig. 4 deutlicher erkenn­bar. Die Wanne 3˝ist sektoral in sechs gleiche voneinander isolierte Kreissektoren 10...10‴˝ aufgeteilt, mit jeweils eigenen Anschlüssen 7... 7‴˝. In der Mitte ist ein kleiner zentraler isolierter, tiefer liegender Bereich 11. Wenn zwischen mindestens drei der sechs Anschlüsse 7...7‴˝ ein endlicher Widerstandswert angezeigt wird, bedeutet das, daß die Kugel sich in der Wannenmitte 11 aufhalten muß, und damit das Gehäuse waagerecht steht. Mit diesem Sensor kann also festgestellt werden, ob und falls ja, in welchem durch die Sektoren vorgegebenen sechs Winkelbereichen die Neigung des Sensors über den durch den Winkel α˝ vorgegebenen Wert liegt. Mit einem solchen Sensor kann auch festgestellt werden, nach welchen der sechs Winkelbereiche überhaupt die Neigung der Gehäusenormalen zeigt, auch wenn sie noch unterhalb des Schaltwertes für die Neigung liegt. Um immer ein eindeutiges Ergebnis zu erhalten, muß jeder Kreissektor 10...10‴˝ in Umfangsrichtung eben oder in der Mitte sogar etwas aufgewölbt sein; dann ist eine stabile Kugellage nur jeweils über einen Isolierbereich, beispielsweise 12, gegeben. Ein Kurzschluß beispielsweise zwischen den beiden Kreissektoren 10 und 10‴˝ weist auf einen maximal 60° breiten Winkelbereich γ , innerhalb dessen die Hauptneigung des Sensors liegen muß, hin.
• Eine bevorzugte Weiterbildung des Neigungssensors zum Erfassen verschiedener Neigungen ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Die Steigung des Wannenrandes nimmt zum Rand hin zu. Mit diesem Sensor ist festzustellen, ob die Neigung des Sensors in irgendeine Raumrichtung zwischen 0 und ß′ oder zwischen ß′ und ß˝ oder >ß˝ ist. Jeder der ringförmigen Bereiche 13, 13′, 13˝ ist über die Anschlußdrähte 16, 15, 7 kontaktiert. Wenn sich die Kugel in Stellung 5 befindet, also die Neigung >ß˝ ist, wird durch die Kugel ein Kurzschluß zwischen 13 und 1 bewirkt.
• Es versteht sich, daß die sektorale Unterteilung nach Fig. 3 und 4 mit der azimutalen Unterteilung nach Fig. 5 und 6 kombi­niert werden kann.
• Der in verschiedenen Ausführungsformen dargestellt Neigungssen­sor ist als ein lageabhängiger Schalter einsetzbar, der wegen seiner Robustheit auch für zahlreiche militärtechnische Anwendungen geeignet ist. Besonders geeignet ist er für Minen, die fernverlegt werden und mit Hilfe eines Aufricht- und Stellmechanismusses kontrolliert in eine senkrechte Position gebracht werden müssen.

Claims (9)

1. Neigungssensor mit einer als Lageindikator dienenden Ku­gel, gekennzeichnet durch eine in einem Gehäuse eingebaute Wanne mit monoton ansteigender Wandsteilheit und wenig­stens zwei unterscheidbaren Wandbereichen und Mitteln, mit denen feststellbar ist, in welchen der Wandbereiche bzw. zwischen welchen der Wandbereiche sich die freibewegliche Kugel befindet.

2. Neigungssensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in einem Gehäuse (1) mit zumindest innen elektrisch leitender Oberfläche isoliert eingebaute, elektrisch leitende Wanne (3, 3˝), mit einer festgelegten maximalen Wandsteilheit α,α˝), wobei am Wannenrand der Abstand zwischen Wanne (3, 3˝) und Gehäuse (1) kleiner ist als der Kugeldurchmesser und die Kugel (4) innerhalb der Wanne (3, 3˝) frei beweglich ist, und durch Mittel (6, 7) zur Messung des Widerstandes zwischen Wanne (3, 3˝) und Gehäuse (1).

3. Neigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenseite des Gehäuses wenigstens im Bereich des Wannenrandes aus elektrisch voneinander isolierten Segmen­ten aufgebaut ist und Mittel zur Messung des Widerstandes zwischen den Segmenten und der Wanne vorhanden sind.

4. Neigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanne aus elektrisch voneinander isolierten Seg­menten (10...10‴˝) aufgebaut ist und Mittel (6, 7...7‴˝) zur Messung des Widerstandes zwischen den Segmenten (10...10‴˝) der Wanne (3˝) und dem Gehäuse (1) vorhanden sind.

5. Neigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Wanne der Wannenboden (8) und die Wannenwand (3′) durch eine isolierende Vertiefung (9) voneinander elektrisch getrennt sind, der Abstand zwischen Wannenbo­ den (8) und Wannenwand (3′) bei hinreichender Tiefe klei­ner ist als der Kugeldurchmesser und Mittel (6, 7) zur Messung des Widerstandes zwischen Wannenboden (8) und Wan­nenwand (3′) vorhanden sind.

6. Neigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wannenboden aus elektrisch voneinander isolierten Segmenten aufgebaut ist und Mittel zur Messung des Wider­standes zwischen den Segmenten des Wannenbodens und der Wannenwand vorhanden sind.

7. Neigungssensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wannenwand aus elektrisch voneinander isolierten Segmenten aufgebaut ist und Mittel zur Messung des Wider­standes zwischen den Segmenten der Wannenwand und dem Wan­nenboden vorhanden sind.

8. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Wannenwand zum Rand hin stufenartig zunimmt, solche ringartige Wandstufen (13, 13′) durch isolierende Vertiefungen (14) voneinander getrennt sind, wobei der Abstand zweier benachbarter Wannenwandstufen bei hinreichender Tiefe kleiner als der Kugeldurchmesser ist und die Wandsteigung (ß′, ß˝) innerhalb einer ringartigen Wandstufe konstant ist und zusätzlich Mittel (15, 16) zur Messung des Widerstandes zwischen den voneinander isolierten ringartigen Wandstufen (13, 13′, 13˝) vorhanden sind.

9. Neigungssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächen der einzelnen Segmente bzw. Sektoren auf der Wannenwand in Abstandsrichtung der isolierenden Vertiefungen eben oder zur Wanneninnenseite hin etwas aufgewölbt sind.

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