FI80788C

FI80788C - Method and apparatus for indicating a direction or angle

Info

Publication number: FI80788C
Application number: FI874952A
Authority: FI
Inventors: Viljo Lukkarinen
Original assignee: Metrum Oy
Priority date: 1987-11-09
Filing date: 1987-11-09
Publication date: 1990-07-10
Also published as: FI874952A0; FI874952A; FI80788B; WO1990013792A1

Description

8078880788

MENETELMÄ JA LAITE SUUNNAN TAI KULMAN ILMAISEMISEKSI -FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR ANGIVNING AV EN RIKTNING ELLER VINKELMETHOD AND APPARATUS FOR INDICATING DIRECTION OR ANGLE -FÖRFARANDE OCH ANORDNING FÖR ANGIVNING AV EN RIKTNING ELLER VINKEL

Tämän keksinnön kohteena on menetelmä ja laite kulman tai suunnan ilmaisemiseksi, jossa kallistusherkän libellin tai vastaavan tasapainoelimen asentoa ja liikkumissuuntaa tarkkaillaan valosähköisistä komponenteista muodostetulla valolähde-valodetektorijärjestelmällä.The present invention relates to a method and apparatus for detecting an angle or direction in which the position and direction of movement of a tilt-sensitive vial or similar balancing member are monitored by a light source-light detector system formed of photoelectric components.

Yhdysvaltalaisesta patentista no. 3,863,067 ja länsisaksa-laisesta hakemusjulkaisusta no. 2,636,706 sekä hakijan aikaisemmasta suomalaisesta patenttihakemuksesta no. 841864 tunnetaan libellissä olevan kaasukuplan tarkkailuun perustuvia laitteita. Näissä julkaisuissa tarkkailu tapahtuu yhden valolähteen ja detektorin avulla kuplan rajapintaa tarkkailemalla joko läpivalaisua tai suoraa heijastusta käyttämällä. Toisaalta tunnetaan yhdysvaltalaisesta patentista no. 4,182,046, englantilaisesta patentista 1,528,445 sekä hakijan aikaisemmasta suomalaisesta patenttihakemuksesta no. 870737 laitteita, jotka perustuvat libellissä olevan kaasukuplan liikkeiden tarkkailuun kahdella valolähde-detektoriparilla.U.S. Patent No. 3,863,067 and West German Application Publication No. 2,636,706 and the applicant's previous Finnish patent application no. 841864 discloses devices based on monitoring a gas bubble in a vial. In these publications, monitoring is performed by a single light source and a detector by observing the bubble interface using either X-ray or direct reflection. On the other hand, it is known from U.S. Pat. 4,182,046, from the English patent 1,528,445 and from the applicant's earlier Finnish patent application no. 870737 devices based on monitoring the movements of a gas bubble in a vial with two pairs of light source detectors.

Lähes kaikkia tunnettuja laitteita vaivaavat lukuisat haitat. Yksi näistä on se, että libellin kaasukupla muuttaa huomattavasti muotoaan ja kokoaan lämpötilan vaikutuksesta. Tämä seikka aiheuttaa varsinkin sellaisissa maissa, joissa on suuret lämpötilavaihtelut, kuten Suomessa, huomattavia kalibrointi- ja tulkitsemisvaikeuksia. Kahdella valolähde-detektoriparilla varustetuissa laitteissa lämpötilavaihtelut ovat ongelmallisia erityisesti fototransistorien ominaisarvojen ryömimisen takia. Tämä olisi teoriassa korjattavissa sovitetuilla pareilla (fotoelektronisia ei ole markkinoilla) tai kompensoinnin avulla, mutta käytännön sovellutuksiin nämä ratkaisut ovat liian hankalia, kalliita ja epävarmoja.Almost all known devices suffer from numerous disadvantages. One of these is that the gas bubble in the vial changes significantly in shape and size due to temperature. This fact causes considerable calibration and interpretation difficulties, especially in countries with large temperature fluctuations, such as Finland. In devices with two pairs of light source detectors, temperature fluctuations are problematic, especially due to the creep of the characteristics of the phototransistors. This could theoretically be remedied by matched pairs (photoelectrics are not on the market) or by compensation, but for practical applications these solutions are too cumbersome, expensive and uncertain.

2 807882 80788

Lisäksi on todettu, että mittaustulos tunnetuissa laitteissa vaihtelee säännöttömästi eri mittauskerroilla, ja se liukuu vasta jonkin ajan kuluessa kohti oikeaa arvoa. Tämä johtuu siitä, että libellin nesteputken seinämään jää ainakin joksikin aikaa kuplan yläpuolelle ohut nestekalvo, joka on paksuudeltaan ja tasaisuudeltaan epäsäännöllinen ja muuttuva. Näin on, koska kalvossa tapahtuu koko ajan kuivumista ja valumista, joka vaikuttaa sekä kalvon läpi kulkevaan valoon että siitä heijastuvaan valoon. Näin mittaustulokset ovat epämääräisiä aina kun positioanturin tarkkailuvalo kulkee libellin läpi ylhäältä alas tai päivastoin.In addition, it has been found that the measurement result in known devices varies irregularly with different measurement times and only slides towards the correct value over a period of time. This is because a thin film of liquid, irregular and variable in thickness and uniformity, remains in the wall of the liquid tube of the vial above the bubble for at least some time. This is because there is constant drying and runoff in the film, which affects both the light passing through the film and the light reflected from it. Thus, the measurement results are vague whenever the position sensor observation light passes through the vial from top to bottom or during the day.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellämainitut haitat ja aikaansaada menetelmä suunnan ilmaisemiseksi ja siihen soveltuva laite, joka kykenee tarkkaan kulman ja muutossuunnan ilmaisuun lämpötilasta ja em. kalvon muodostumisesta riippumatta. Tämän aikaansaamiseksi on keksinnön mukaiselle menetelmälle, jossa menetelmässä tasapainoelimestä heijastuneita valosäteitä detektoidaan ja ilmoitetaan käyttäjälle merkinantolaittein milloin eri valosäteiden synnyttämät sähköiset signaalit ovat tasapainossa keskenään, tunnusomaista se, että libellin nesteen ja tasapainoelimen väliseen rajapintaan suunnataan ainakin yksi valolähde siten, että tasapainoelimen ollessa keskiasennossaan, valolähteen tasapainoelimestä heijastuneista valosäteistä saadaan olennaisesti yhtä suuri osa osumaan olennaisesti suorassa kulmassa symmetrisesti valolähteisiin nähden sijoitetun yhden tai useamman detektorin pintaan.The object of the present invention is to obviate the above-mentioned drawbacks and to provide a method for detecting a direction and a suitable device capable of accurately detecting an angle and a direction of change regardless of the temperature and the formation of the above-mentioned film. To achieve this, the method according to the invention, in which the light beams reflected from the balancing element are detected and notified to the user by signaling devices when the electrical signals generated by the different light beams are in equilibrium, is characterized in that at least one light source is directed at the interface a substantially equal portion of the reflected light beams is caused to strike the surface of one or more detectors located at a substantially right angle symmetrically to the light sources.

Keksinnöllä voidaan sovellutusmuodosta riippuen saavuttaa seraavia etuja tunnettuun tekniikkaan nähden: - suuri tarkkuus, koska mitattava valosäde ei missään tapauksessa kulje tasapainoelimen yläpuolella olevan neste-kalvon läpi,Depending on the embodiment, the invention can achieve the following advantages over the prior art: high accuracy, since the light beam to be measured does not in any case pass through the liquid film above the balancing element,

IIII

3 80788 - varma suunnan ilmaisu, suuri sivukallisturaa sallittua - mikään nesteputkessa tapahtuva lämpötilan muutoksista johtuva normaali ilmiö, joka vaikuttaa kuplaan tai nesteeseen, ei häiritse laitteen toimintaa.3 80788 - reliable direction indication, large side tilt allowed - no normal phenomenon in the liquid pipe due to temperature changes affecting the Bubble or the liquid will interfere with the operation of the device.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle edulliselle sovellu-tusmuodolle on tunnusomaista se, että libellin nesteen ja tasapainoelimen väliseen rajapintaan suunnataan ainakin kahden valolähteen tuottamat valosäteet, ja että tasapainoelimestä heijastuneita valosäteitä kerätään yhden ainoan detektorin pinnalle. Tällä sovellutusmodolla saavutetaan mahdollisimman yksinkertaisella rakenteella kaikkia yllämainittuja etuja.A preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that the light beams produced by at least two light sources are directed to the interface between the liquid of the vial and the balancing member, and that the light beams reflected from the balancing member are collected on a single detector. With this embodiment, all the above-mentioned advantages are achieved with the simplest possible structure.

Keksinnön mukaisen menetelmän eräälle toiselle edulliselle sovellutusmuodolle on tunnusomaista se, että libellin nesteen ja tasapainoelimen väliseen rajapintaan suunnataan yhden ainoan valolähteen tuottama valosäde, ja että heijastuneita valosäteitä kerätään ainakin kahden detektorin pinnalle. Tämä sovellutusmuoto sopii useampien detektoriensa takia lähinnä kohteisiin, jossa lämpötila pysyy olennaisesti vakiona .Another preferred embodiment of the method according to the invention is characterized in that a light beam produced by a single light source is directed at the interface between the liquid and the balancing member of the vial and that reflected light rays are collected on the surface of at least two detectors. Due to its multiple detectors, this embodiment is mainly suitable for applications where the temperature remains substantially constant.

Keksinnön mukaisen menetelmän muille edullisille sovellutus-. . muodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa pa tenttivaatimuksissa on esitetty.Other preferred applications of the method according to the invention. . the shapes are characterized by what is set forth in the claims below.

Keksinnön mukaiselle laitteelle, joka laite muodostuu yhdestä tai useammasta sinänsä tunnetun kallistusherkän libellin yhteyteen asennetuista valolähteistä kuten valodiodeista ja yhdestä tai useammasta valodetektorista, kuten fototransis-toreista, sekä näitä ohjaavasta elektroniikasta merkinanto-laitteineen tietyn kulman tai suunnan tarkistamiseksi, on tunnusomaista se, että laitteeseen kuuluu ainakin yksi valolähde joka on suunnattu libellin nesteen ja tasapainoelimen väliseen rajapintaan sekä yksi tai useampia detektoreita 4 80788 sijoitettuna valolähteisiin nähden symmetrisesti ja olennaisesti suorassa kulmassa niihin siten, että valolähteiden keskiasennossaan olevasta tasapainoelimestä heijastuneet valosäteet ovat detektoitavissa olennaisesti yhtä voimakkaina .The device according to the invention, which consists of one or more light sources such as light emitting diodes and one or more light detectors, such as phototransistors, mounted in connection with a tilt-sensitive vial known per se, and its control electronics with signaling devices for checking a certain angle or direction, at least one light source directed at the interface between the liquid and the balancing member of the vial and one or more detectors 4 80788 positioned symmetrically and at substantially right angles to the light sources so that the light rays reflected from the balancing member in the center position of the light sources are detectably substantially equal.

Keksinnön mukaisen laitteen eräälle edulliselle sovellutus-muodolle on tunnusomaista se, että ainakirt kaksi valolähdettä kuten LED-diodia on suunnattu libellin nesteen ja tasapainoelimeen väliseen rajapintaan, ja että laitteeseen kuuluu yksi ainoa detektori, Jolla tasapainoelimestä heijastuneet valosäteet ovat detektoitavissa.A preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that at least two light sources, such as LEDs, are directed at the interface between the liquid of the vial and the balancing element, and that the device comprises a single detector with which the light rays reflected from the balancing element can be detected.

Keksinnön mukaisen laitteen eräälle toiselle edulliselle sovellusmuodolle on tunnusomaista se, että yksi ainoa valolähde kuten LED-diodi on suunnattu libellin nesteen ja tasapainoelimeen väliseen rajapintaan, ja että laitteeseen kuuluu ainakin kaksi detektoria, joilla tasapainoelimestä heijastuneet valosäteet ovat detektoitavissa.Another preferred embodiment of the device according to the invention is characterized in that a single light source such as an LED is directed at the interface between the liquid of the vial and the balance member, and that the device comprises at least two detectors with which the light rays reflected from the balance member can be detected.

Keksinnön mukaisen laitteen muille edullisille sovellutus-muodoille on tunnusomaista se, mitä jäljempänä olevissa patenttivaatimuksissa on esitetty.Other preferred embodiments of the device according to the invention are characterized by what is stated in the claims below.

Keksintöä selostetaan seuraavassa tarkemmin esimerkkien avulla ja viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissaThe invention will now be described in more detail by means of examples and with reference to the accompanying drawings, in which

Kuvio 1 esittää esimerkin keksinnön mukaisesta libellin ja valolähde-vastaanotin-yhdistelmän järjestelystä libellin sivulta katsottuna,Figure 1 shows an example of an arrangement of a vial and a light source-receiver combination according to the invention, seen from the side of the vial,

Kuvio 2 esittää kuvion l mukaista rakennetta libellin päädystä katsottuna,Figure 2 shows the structure of Figure 1 as seen from the end of the vial,

Kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaista rakennetta ylhäältä katsottuna , 5 80788Figure 3 shows a top view of the structure of Figure 1, 5 80788

Kuvio A esittää toisen esimerkin keksinnön mukaisesta järjestelystä ,Figure A shows another example of an arrangement according to the invention,

Kuvio 5 esittää esimerkin keksinnön mukaisesta järjestelystä, jossa käytetään useampaa kuin kahta valolähdettä ,Figure 5 shows an example of an arrangement according to the invention using more than two light sources,

Kuvio 6 esittää kuvion 5 mukaista rakennetta sivulta katsottuna ,Fig. 6 shows a side view of the structure according to Fig. 5,

Kuvio 7 esittää keksinnön raukaisen laitteen elektroniikkaa merkinantolaitteineen,Figure 7 shows the electronics of a cowardly device of the invention with its signaling devices,

Kuvio 8 esittää kuvion 7 mukaisen piirin signaalimuotoja eri tilanteissa,Fig. 8 shows the signal formats of the circuit of Fig. 7 in different situations,

Kuvio 9 esittää keksinnön mukaisen laitteen tarkkuusalueen määräytymistä.Figure 9 shows the determination of the accuracy range of the device according to the invention.

Seuraavassa tarkastellaan lähinnä niitä sovellutusmuotoja, joissa käytetään kahta tai useampia valolähteitä ja yhtä, libellin tasapainoelimen alle sijoitettua detektoria. On selvää, että keksinnöstä ei poistuta ja laitteen toiminta ei muutu miksikään, jos valolähteet kuvatuissa kahden valolähteen sovellutuksissa ja detektori vaihtavat paikkaa. Toisaalta jos valolähteet korvataan detektoreilla ja detektori valolähteellä, saadaan yllä mainittuun verrattuna käänteinen sovellutus, joka detektorien lämpätilaherkkyyksien erilaisuudesta johtuen soveltuu lähinnä vakiolämpötilasovellutuk-siin. Tällä varauksella saavutetaan keksinnön perusajatuksesta poistumatta kaikkia muita yllämainittuja etuja.In the following, the embodiments in which two or more light sources and one detector located below the leveling element of the vial are used are mainly considered. It is clear that the invention will not be eliminated and the operation of the device will not change for any reason if the light sources in the described two light source applications and the detector change location. On the other hand, if the light sources are replaced by detectors and the detector by a light source, an inverse application is obtained compared to the above, which is mainly suitable for constant temperature applications due to the different temperature sensitivities of the detectors. This reservation achieves all the other advantages mentioned above without departing from the basic idea of the invention.

Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukainen järjestely libellin osalta, Jossa itse libelli on merkitty viitenumerolla 1, libellin sisältämä nestetila ja neste numerolla 2 Ja nes- 6 80788 teessä oleva tasapainoelin eli kaasukupla numerolla 3. Tiiviisti libellin 1 yhtä sivua vasten on asennettu kaksi valolähdettä 4a ja 4b, joita tästedes kutsutaan valodiodeiksi. Valodiodit on suunnattu libellin 1 tasapainoelimeen 3 sivulta päin yhdensuuntaisesti ja olennaisesti symmetrisesti libellin tasapainoakseliin A nähden siten, että tasapaino-asemassa olennainen osa molemmista valosäteistä sivuavat tasapainoelintä ja heijastuvat siitä alaspäin tasapainoelimen alle sijoitetulle detektorille. Detektori, joka tässä esimerkissä muodostuu fototransistorista 5, on sijoitettu tasapainoelimen 3 alle, libellin tasapainoakselille A. Tässä oletetaan, että libellin akseli A ja tasapainoelimen 3 keskikohta yhtyvät libellin ollessa vaakasuorassa. Jos jostain syystä näin ei ole, muodostuu luonnollisesti tasapainoelimen keskikohta määrääväksi ja valodiodit sekä detektorit on sijoitettava sen mukaisesti. Valodiodien ja fototransistorin kiinnitystä libelliin l ei ole tässä esitetty, mutta se voidaan tehdä lukuisin eri tavoin, esim. ruuviliitoksin tai liimaamalla.Figure 1 shows an arrangement according to the invention for a vial, in which the vial itself is indicated by reference numeral 1, the liquid space contained in the vial and the liquid by number 2, and a liquid balancing element in the liquid 680. Two light sources 4a are mounted tightly against one side of the vial 1 and 4b, hereinafter referred to as light emitting diodes. The light emitting diodes are directed to the balancing member 3 of the vial 1 from the side parallel and substantially symmetrically with respect to the balancing axis A of the vial so that in the equilibrium position a substantial part of both light beams side the balancing member and are reflected downwards to the detector. The detector, which in this example consists of a phototransistor 5, is placed below the balance member 3, on the balance axis A of the vial. Here it is assumed that the axis A of the vial and the center of the balance member 3 coincide when the vial is horizontal. If this is not the case for some reason, the center of the balancing element will naturally become dominant and the light emitting diodes and detectors must be positioned accordingly. The attachment of the light emitting diodes and the phototransistor to the vial 1 is not shown here, but it can be done in a number of different ways, e.g. by screw connections or by gluing.

Kuvio 2 valaisee nuolen B avulla valodiodeista lähtevän valosäteen kulkua fototransistoriin 5, samoin kuvio 3, jossa näkyvät molemmat valodiodit 4a ja 4b sekä vastaavat valon kulkua esittävät nuolet B ja C. Valodiodit ovat siten sijoitetut kuplaan 3 nähden, että kuplan 3 pinnan kaarevuus ei juuri anna valon kulkea kuplan läpi libellin toiselle puolelle, vaan suurin osa valosta heijastuu kuplan 3 pinnasta. Huomataan, että kaikki valodiodien 4a,4b emittoima valo ei suinkaan kulkeudu fototransistorille 5, vaan hajautuu heijastuksen jälkeen myös muualle. Kaiken valon fokusoituminen yhteen pisteeseen ei olekaan tarpeen, vaan riittää että valodiodit ja fototransistori 5 muodostavat kuplan 3 ollessa libellin keskellä tasapainoasemassaan siihen nähden symmetrisen kuvion. Siten valodiodien tarkka pystysuuntainen korkeus ja fototransistorin tarkka asema akseliin A nähden kuviossa 2 ei ole kovin kriittinen, koska näiden muodostama li 7 80788 kuvio säilyy symmetrisenä. Tarkkuuden kannalta on siten ratkaisevinta fototransistorin 5 ohjauselektroniikan laatu ja sen säädöt (kts. kuvio 7). Jotta eri valodiodeilta tulevat säteet pystytään erottamaan toisistaan, on yleensä tarpeen pulssittaa näitä vuorottelevasti siten, että fototransistori itse asiassa detektoi vain yhdeltä diodilta tulevia valosäteitä kerrallaan.Figure 2 illustrates the direction of arrow B, leaving a light emitting diode light beam passage of the phototransistor 5, as Figure 3, which shows the two light-emitting diodes 4a and 4b and the corresponding passage of light represented by arrows B and C. The LEDs are positioned for the bubble with respect to 3, the bubble 3 curvature of the surface does not exactly give the light passes through the bubble to the other side of the vial, but most of the light is reflected from the surface of the bubble 3. It is noted that all the light emitted by the light emitting diodes 4a, 4b is by no means transmitted to the phototransistor 5, but is scattered elsewhere after reflection. It is not necessary to focus all the light on one point, but it is sufficient that the light emitting diodes and the phototransistor 5 form a symmetrical pattern with the bubble 3 in the center of the vial in its equilibrium position. Thus, the exact vertical height of the light emitting diodes and the exact position of the phototransistor with respect to the axis A in Fig. 2 are not very critical, because the pattern li 7 80788 formed by them remains symmetrical. Thus, the quality of the control electronics of the phototransistor 5 and its adjustments are the most crucial in terms of accuracy (see Fig. 7). In order to be able to distinguish the rays from the different light emitting diodes, it is usually necessary to pulse them alternately so that the phototransistor actually detects light rays from only one diode at a time.

Kuten erityisen hyvin käy ilmi kuviosta 2, voi valon kulkusuunta tässä suoritusesimerkissä yhtä hyvin olla päinvastainen kuin mitä yllä on esitetty. Tällöin siis valodiodit sijaitsevat libellin alla ja fototransistori sen jommalla kummalla sivulla.As is particularly clear from Figure 2, the direction of light travel in this exemplary embodiment may just as well be reversed as shown above. In this case, the light emitting diodes are located below the vial and the phototransistor on either side of it.

Kuviossa 4 esitetään keksinnön erästä toista sovellutus-muotoa, jossa valodiodit 6a ja 6b ovat sijoitetut libellin 1 päätyihin, fototransistorin 5 ollessa samassa paikassa kuin kuvioissa 1-3. Muutoinkin kuvion 4 järjestely vastaa täysin kuvioiden 1-3 yhteydessä esitettyä sovellutusmuotoa.Figure 4 shows another embodiment of the invention in which the light emitting diodes 6a and 6b are arranged at the ends of the vial 1, the phototransistor 5 being in the same position as in Figures 1-3. Otherwise, the arrangement of Figure 4 corresponds exactly to the embodiment shown in connection with Figures 1-3.

Kuviossa 5 ja 6 esitetään esimerkki keksinnön soveltamisesta monisuunta-anturiin, jossa käytetään useampia kuin kahta valolähdettä. Siinä sylinterimuotoisen monisuuntalibellin 7 sisällä on niinikään sylinterimuotoinen nestetila 8, johon on muodostettu tavanomaiseen tapaan tasapainoelin eli kupla 9. Libelliä 7 ympäröi kahdeksan samanlaista Ja symmetrisesti sijoitettua valodiodia 10a...lOh, jotka vastakkaisista diodeista muodostettuina pareina toimivat samalla tavalla kuin esim. kuvion 4 yhteydessä on esitetty. Kytkemällä sopivasti riittävän nopeassa tahdissa parit (esim 10c ja lOg kuviossa 6) vuorollaan toimimaan yhdessä fototransistorin 6 kanssa, saadaan tällaisella anturilla yksiselitteinen suuntatieto kallistumasta esim. hälyttimeen tai mittalaitteeseen.Figures 5 and 6 show an example of the application of the invention to a multi-directional sensor using more than two light sources. Inside the cylindrical multidirectional label 7 there is also a cylindrical liquid space 8 in which a balancing member 9 is formed in the usual way. The label 7 is surrounded by eight similar and symmetrically arranged light emitting diodes 10a ... 10h. has been presented. By suitably connecting the pairs (e.g. 10c and 10g in Fig. 6) at a sufficiently fast rate to co-operate with the phototransistor 6, such a sensor provides unambiguous directional information about the inclination to e.g. an alarm or measuring device.

Kuviossa 7 esitetään esimerkki kytkentäkaaviosta, jonka avulla keksintö on toteutettavissa, ja kuviossa 8 esitetään 8 80788 kuvion 7 mukaisessa piirissä esiintyvät tärkeimmät käyrä-muodot eri tilanteissa. Kuvio 8 on jaettu kolmeen vyöhykkeeseen 1,11 ja III, joista jokainen edustaa tarkkailtavan libellin tasapainoelimen eli kuplan eri asentoja.Fig. 7 shows an example of a circuit diagram by means of which the invention can be implemented, and Fig. 8 shows 880788 the main curve shapes present in the circuit according to Fig. 7 in different situations. Figure 8 is divided into three zones 1,11 and III, each of which represents the different positions of the balancing member of the vial to be observed, i.e. the bubble.

Seuraavassa käydään läpi kuvion 7 mukaisen piirin toimintaa viittaamalla kuvioihin 7 ja 8. Piiriin kuuluu oskillaattori 12, joka syöttää vastuksiin R1-R4 vastakkaissvaiheista kant-tiaaltoa pisteisiin D ja E (kts. myös kuvio 8). Oskillaattorin taajuus on luokkaa 1 kHz, mutta mikään ei estä tarpeen vaatiessa nostaa sitä esim 100 kHz:iin. Kun pisteen D tila on looginen ykkönen, on pisteen E tila nolla, ja transistori Tl johtaa, joka puolestaan sytyttää valodiodin 13a, jonka emittoiman valon voimakkuus on säädettävissä trimmerillä RS. Tässä tilanteessa toinen valodiodi 13b ei saa virtaa eikä se siis pala. Aivan vastaavasti sytytetään valodiodi 13b transistorilla T2 ja sammutetaan valodiodi 13a seuraavassa jaksossa, jossa E=1 ja D=0. Tällöin siis valodiodit vuorotellen emittoivat valoa fototransistorille 14. Kun jomman kumman valodiodin I3a,13b emittoima valo osuu fototransistorin 14 : pintaan syntyy siinä virta, joka asettaa transistorin T3 hetkeksi johtavaan tilaan, jonka aikana RC-piirejä Cl,R8 ja C2,R9 varataan. Transistoreilla T4 ja T5 pidetään huolta siitä, että valodiodin 13a aikaansaama virta varaa RC-piiriä . Cl,R8 ja valodiodin 13b vastaava virta varaa RC-piiriä C2,R9.The operation of the circuit of Fig. 7 will now be reviewed with reference to Figs. 7 and 8. The circuit includes an oscillator 12 which supplies a resistive phase wave to the resistors R1-R4 at points D and E (see also Fig. 8). The frequency of the oscillator is of the order of 1 kHz, but nothing prevents it from being raised to 100 kHz, if necessary. When the state of point D is a logical one, the state of point E is zero, and the transistor T1 conducts, which in turn turns on the light emitting diode 13a, the intensity of the light emitted of which is adjustable by the trimmer RS. In this situation, the second light emitting diode 13b does not receive power and therefore does not light up. Correspondingly, the light emitting diode 13b is turned on by the transistor T2 and the light emitting diode 13a is turned off in the next cycle where E = 1 and D = 0. Thus, the light emitting diodes alternately emit light to the phototransistor 14. When the light emitted by one of the two light emitting diodes I3a, 13b hits the surface of the phototransistor 14, a current is generated therein which places the transistor T3 in a momentarily conductive state during which the RC circuits C1, R8 and C2, R9 are charged. Transistors T4 and T5 ensure that the current generated by the light emitting diode 13a charges the RC circuit. C1, R8 and the corresponding current of the light emitting diode 13b charge the RC circuit C2, R9.

Operaatiovahvistimeen 15 syötetään pisteisiin F ja G muodostuneet jännitteet, jotka vaihtelevat RC-piirien varautumisen ja purkautumisen tahdissa. Jos tarkkailtava libellin kupla nyt on tasapainossa, on siitä eri suunnista (tässä tapauksessa kahdesta) heijastunut yhtä paljon valoa fototransistorille 14, jolloin RC-piirit varautuvat yhtä paljon. Tämä : näkyy kuvion 8 vyöhykkeellä I pisteiden G ja F keskimäärin yhtäsuurina jännitteinä, jolloin sisääntulojaan vertailevasti kytketty operaatiovahvistin käyrämuotojen leikkaus-The operational amplifier 15 is supplied with voltages generated at points F and G, which vary in the rate of charging and discharging of the RC circuits. If the bubble of the vial to be observed is now in equilibrium, the same amount of light has been reflected from the different directions (in this case two) to the phototransistor 14, whereby the RC circuits are equally charged. This: appears in zone I of Fig. 8 as the average of equal voltages at points G and F, with the operational amplifier connected comparatively to its inputs

IIII

9 80788 kohdissa vaihtaa ulostulonsa tilaa, jolloin tuloksena on kuvion 8 kohdan H mukainen kanttiaaltojännite. Tämä signaali invertoidaan NAND-portissa 16, jolloin saadaan H:hon verrattuna käänteinen signaali pisteeseen I. Tasasuuntauksen jälkeen signaalit syötetään toisiin RC-piireihin C3.R10 ja C4, Rl1, joiden synnyttämiä signaalimuotoja kuvaa kuviossa 8 esitetyt pisteiden J Ja K käyrämuodot. Tasapainovyöhykkeellä I sekä pisteen J että pisteen K jännitteet pysyvät loogisina l.sinä, jolloin AND-portin 17 ulostulo myös on ykkönen, mikä puolestaan saa tasapainoaseman saavuttamisesta ilmoittavan valodiodin LI syttymään transistorin T7 kautta.9 80788 changes the state of its output, resulting in a square wave voltage according to H of Fig. 8. This signal is inverted at NAND gate 16 to obtain an inverse signal relative to H at point I. After rectification, the signals are applied to other RC circuits C3.R10 and C4, R11, the signal forms generated by which are represented by the curves of points J and K shown in Fig. 8. In the equilibrium zone I, the voltages of both point J and point K remain logical, so that the output of the AND gate 17 is also one, which in turn causes the light emitting diode L1 to illuminate through transistor T7.

Jos libellin tasapainoelin ei ole tasapainoasemassaan, eli jos tilanne on kuvion 8 vyöhykkeen II (kallistuma vasemmalle) tai vyöhykkeen III (kallistuma oikealle) mukainen, niin pisteiden F ja G jännitteet ovat koko ajan eri suuria, jolloin niitä vertailevan operaatiovahvistimen ulostulokin on tapauksesta riippuen jatkuvasti looginen nolla tai ykkönen. Kuten ammattimies helposti havaitsee, tämä johtaa siihen, että AND-portin 17 ulostulo on aina nolla ja että tapauksesta riippuen jompi kumpi korjaussuuntaa osoittavien valo-diodien L2 ja L3 ohjaustransistorit T6 tai T8 saavat ohjauksen sytyttää vastaavan diodinsa palamaan libellin aseman korjaustarpeen ja -suunnan ilmaisemiseksi.If the leveling balance of the vial is not in its equilibrium position, i.e. if the situation is in zone II (tilt left) or zone III (tilt right) of Figure 8, then the voltages at points F and G are different at all times, so that the output of the comparator is logically zero or one. As will be readily appreciated by those skilled in the art, this results in the output of the AND gate 17 always being zero and, depending on the case, one of the control transistors T6 or T8 of the correction direction LEDs L2 and L3 causing the control diode to light to indicate the need and direction of the vial position correction.

Operaatiovahvistin 18 valvoo virtakytkimenä toimivan transistorin T9 avulla, että suuntatietoa ei anneta saataessa vain hyvin heikkoja signaaleja fototransistorista 14, jolloin libelli on hyvin vinossa asennossa, esim. 10°. Muutoin voi syntyä ristiriitaisia tilanteita, esim. jos valodiodit 13a ja 13b sattumalta antaisivat suunnilleen samansuuruisia siganaaleja. Mikäli kuvion 7 mukaista laitetta käytetään esim. kuvion 5 mukaisessa sovellutusmuodossa, tulee siihen liittää yksinkertainen logiikka, joka käy läpi eri valo-diodiparit vuorollaan samalla tavalla kuin yllä on esitetty. Tällaisen kytkennän tekeminen on ammattimiehelle selvä asia.The operational amplifier 18 monitors by means of the transistor T9, which acts as a current switch, that no directional information is given when receiving only very weak signals from the phototransistor 14, whereby the vial is in a very oblique position, e.g. 10 °. Otherwise, conflicting situations may arise, e.g. if the light emitting diodes 13a and 13b accidentally give signals of approximately the same size. If the device according to Fig. 7 is used, for example, in the embodiment according to Fig. 5, a simple logic must be connected to it, which goes through the different light-emitting diode pairs in turn in the same way as described above. Making such a connection is obvious to a person skilled in the art.

10 8078810 80788

Keksintöön sisältyvän toisen sovellutusmuodon, jossa on yksi valolähde ja useampia valodetektoreita, ohjataan vastaavalla tavalla kun mitä yllä on esitetty, kuitenkin sillä erotuksella (mikäli elektroniikan monimutkaisuus pidetään samalla alhaisella tasolla kuin kuviossa 7), että valolähde on päällä jatkuvasti ja valodetektorit ohjataan vastaanottamaan heijastuneita valosäteitä kukin vuorollaan. Alan ammattimiehen taitoihin kuuluu osata muuttaa kuvion 7 mukaista piiriratkaisua niin, että tällainen toiminta saadaan aikaan.The second embodiment of the invention having one light source and multiple light detectors is controlled in a manner similar to that described above, except that (if the electronics complexity is kept at the same low level as in Figure 7) that the light source is on continuously and the light detectors are controlled to receive reflected light rays each. in turn. It is within the skill of a person skilled in the art to be able to change the circuit solution according to Fig. 7 so that such an operation is achieved.

Kuviossa 9 on esitetty fototransistorin antamat jännitetasot tasapainoelimen aseman, eli libellin kallistuskulman a funktiona. Taso N kuvaa ilmaisurajaa, tässä ± 10·, käyrät O ja P kuvaavat keksinnön mukaisesti kytketyn fototransistorin ulostulojännitettä eri libellin kulmilla a. Havaitaan, että heijastumat libellin kuplasta valodetektoriin eivät ole voimakkaimmillaan libellin ollessa vaakasuorassa. Ilmaisu perustuu ainoastaan käyrien leikkauskohdan detektoimiseen, ja keksinnölle ominainen tarkkuus johtuu käyrien O ja P samanmuotoisuudesta ja symmetrisyydestä kaikissa tilan-: teissä, mikä puolestaan johtuu siitä, että käyrät O ja PFigure 9 shows the voltage levels given by the phototransistor as a function of the position of the balancing element, i.e. the tilt angle α of the vial. Level N represents the detection limit, here ± 10 ·, curves O and P represent the output voltage of a phototransistor connected according to the invention at different vial angles a. It is observed that the reflections from the vial bubble to the photodetector are not strongest when the vial is horizontal. The expression is based only on the detection of the intersection of the curves, and the accuracy inherent in the invention is due to the uniformity and symmetry of the curves O and P in all situations, which in turn is due to the fact that the curves O and P

; ovat yhden ja saman puolijohdekomponentin tuottamia. Tark- kuusalue R, jonka suuruus ensisijaisesti määrätään kuvion 7 vastuksia R8 ja R9 säätämällä, on tyypillisesti 0.005°, mikä vastaa parhaimpien tunnettujen, mutta huomattavasti monimutkaisempien ja kalliimpien laitteiden tarkkuutta. Tarkkuus-aluetta voidaan säätää lisäämällä esim. transistori kunkin RC-piirin Cl,R8 ja C2,R9 rinnalle ja säätämällä niiden vahvistusta. Kuvioon 9 on myös merkitty kuvion 7 eri opastavien valodiodien L1-L3 päälläoloalueet, joiden avulla yhteys kuvioon 7 käy helposti ilmi. Käyrien O ja P muotojen lopullinen hienosäätö voidaan suorittaa kuvion 7 säätövas-: tuksilla R5 ja R6. Tästä johtuen valodiodien eivät tarvitse olla kovin suurella tarkkuudella symmetrisesti sijoitettuja kuvion 1 akseliin A:hän nähden, koska mahdolliset voimak- li li 80788 kuuserot detektoldussa heiJastussignaalissa on helppo kompensoida diodien valovoimakkuutta säätämällä em. vastuksista. Yhtä lailla voidaan kompensoida muista kuin mitattavasta kohteesta johtuvia pysyviä eroavaisuuksia detektoidun valon voimakkuudessa.; are produced by one and the same semiconductor component. The accuracy range R, the magnitude of which is primarily determined by adjusting the resistors R8 and R9 in Figure 7, is typically 0.005 °, which corresponds to the accuracy of the best known, but considerably more complex and expensive devices. The accuracy range can be adjusted, for example, by adding a transistor in parallel with each of the RC circuits C1, R8 and C2, R9 and adjusting their gain. Fig. 9 also shows the presence areas of the different guiding light emitting diodes L1-L3 of Fig. 7, by means of which the connection to Fig. 7 is easily indicated. The final fine-tuning of the shapes of the curves O and P can be performed with the adjustment resistors R5 and R6 in Fig. 7. As a result, the light emitting diodes do not have to be arranged symmetrically with respect to the axis A of Fig. 1 with very high accuracy, because any strong differences in the detected reflection signal can easily compensate for the light intensity of the diodes by adjusting the above resistors. Equally, permanent differences in the intensity of the detected light due to a non-measurable object can be compensated.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksinnön eri sovel-lutusmuodot eivät rajoitu yllämainittuihin esimerkkeihin, vaan että ne voivat vaihdella jäljempänä olevien patenttivaatimusten puitteissa. Niinpä merkinantolaitteina voivat toimia mitkä tahansa ihmisen aistimia signaaleja tuottavat laitteet, kuten äänimerkit. Eri merkinantolaitteita voidaan myös yhdistää.It will be apparent to those skilled in the art that the various embodiments of the invention are not limited to the above examples, but may vary within the scope of the claims below. Thus, any device that produces signals sensed by the human senses, such as audible signals, can act as signaling devices. Different signaling devices can also be combined.

Claims

A method for detecting an angle or direction, wherein the position and direction of movement of a tilt-sensitive vial <1; 7) or a corresponding balancing member (3; 9) is monitored by a light source-light detector system formed of photoelectric components, detecting light beams reflected from the balancing member (3; 9). informing the user by means of signaling devices (LI) when the electrical signals generated by the different light beams are in balance with each other, characterized in that at least one light source (4a, 4b; 6a, 6b; 10a) is directed at the interface between the liquid (1; 9) of the vial (1; 7) -10h) such that when the balancing member (3; 9) is in its central position, a substantially equal portion of the light rays reflected from the balancing member of the light source are hit at a substantially right angle to the surface of one or more detectors (5; 11) symmetrically with the light sources.

Method according to Claim 1, characterized in that the light rays produced by at least two light sources (4a, 4b; 6a, 6b; 10a-10h) are directed at the interface between the liquid of the vial (1; 7) and the balancing element (3; 9), and that the light rays reflected from the balancing element are collected on the surface of a single detector (5; 11).

Method according to Claim 2, characterized in that the two light beams produced by the light sources (4a, 4b) are directed laterally parallel to the balance element (3) of the vial (1) and substantially symmetrically with respect to the balance axis (A) of the vial so that a substantially equal portion of both light beams strikes the balance member (3) and is reflected downwardly therefrom to the detector (5) located below the vial. Il 13 80788

Method according to Claim 2, characterized in that the two light beams produced by the light sources are directed parallel to the balance element (3) of the vial (1) and substantially symmetrically with respect to the balance axis (A) of the vial so that in the equilibrium position a substantially equal part of both light beams to the balancing member (3) and is reflected laterally to the detector (5) on the side of the vial.

Method according to Claim 2, characterized in that the two light beams produced by the light sources (6a, 6b) are directed to the interfaces between the liquid of the vial (1) and the balance member (3) from opposite directions at the ends of the vial. both light beams hit the balancing member (3) and are reflected downwards from it to the detector (5) located below the balancing member.

Method according to claim 2, characterized in that the light rays produced by the more than two light sources (10a-10h) are directed laterally symmetrically in pairs in opposite directions to the balance member (9) of the circularly symmetrical vial (7) so that in the equilibrium position of both light beams of the light beam pair impinges on the balancing member (9) and is reflected downwards to the detector (11) located below the balancing member.

Method according to claim 1, characterized in that a light beam produced by a single light source is directed at the interface between the liquid of the vial (1; 7) and the balancing member (3; 9), and that reflected light beams are collected on the surface of at least two detectors. 14 80788

Method according to Claim 7, characterized in that the light beam produced by one light source is directed laterally to the balance element (3) of the vial (1) so that in the equilibrium position a substantial part of the light beam hits the balance element (3) and is reflected downwards below the vial. (A) for two detectors arranged substantially symmetrically with respect to.

Method according to claim 7, characterized in that the light beam produced by one light source is directed to the balance member (3) of the vial (1) from below so that in the equilibrium position a substantial part of the light beam hits the balance member (3) and is reflected laterally to its balance axis ( A) for two detectors arranged substantially symmetrically with respect to.

Method according to claim 7, characterized in that the two light detectors are directed at the balance member (3) of the vial (1) in opposite directions from the ends of the vial so that at equilibrium a substantial part of the light beam produced below the balance member hits the balance member (3) and is reflected laterally on the surface of the detectors.

Method according to claim 7, characterized in that more than two light detectors are directed laterally symmetrically in pairs in opposite directions to the balance member (9) of the circularly symmetrical vial (7) so that at equilibrium a substantial part of the light beam produced below the balance member hits the balance member ) and reflected from it sideways to each detector.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, which apparatus consists of one or more light sources mounted in connection with a tilt-sensitive vial (1-7) known per se li ib 80788, such as light emitting diodes (4a, 4b; 6a, 6b, · 10a-10h) and one or a plurality of light detectors, such as phototransistors (S; 11) p and electronics controlling them with signaling devices (LI) for checking a certain angle or direction, characterized in that the device comprises at least one light source (4a, 4b; 6a, 6b; 10a-10h) directed a vial (1; 7) at the interface between the liquid and the balancing member (3; 9) and one or more detectors (5, 11) arranged symmetrically and at substantially right angles to the light sources so that the light sources (4a, 4b; 6a, 6b); 10a-10h) the light rays reflected from the balance element (3; 9) in its central position can be detected substantially equally strongly.

12 80788

Device according to Claim 12, characterized in that at least two light sources, such as LEDs (4a, 4b; 6a, 6b; 10a-10h), are directed at the interface between the liquid of the vial (1; 7) and the balancing element (3; 9), and that the device comprises a single detector (5; 11) with which the light rays reflected from the balancing element can be detected.

Device according to Claim 13, characterized in that two light sources, such as LEDs (4a, 4b), are directed laterally parallel and substantially symmetrically to the interface of the liquid and balance element (3) of the vial (1) with respect to the balance axis (A) of the vial. in the equilibrium position, the optical axes of both LEDs (4a, 4b) substantially impinge on the equilibrium member (3), and that the detector (5) is located below the vial (1).

Device according to Claim 13, characterized in that two light sources, such as LEDs (4a, 4b), are directed at the interface between the liquid and the balancing element (3) of the vial (1) from below in parallel and substantially symmetrically with respect to the balance axis (A) of the vial. in the equilibrium position, the optical axes 80788 of both LEDs (4a, 4b) substantially impinge on the balancing member (3), and that the detector (5) is located on the side of the vial (1).

Device according to claim 13, characterized in that two light sources such as LEDs (6a, 6b) are directed opposite the interface of the liquid of the vial (1) and the balance member (3) at the ends of the vial so that in the equilibrium position of both LEDs (6a, 6b) ) the optical axes substantially impinge on the balance member (3), and that the detector (5) is located below the balance member.

Device according to Claim 13, characterized in that more than two light sources, such as LEDs (10a-10h), are directed laterally symmetrically in pairs from opposite directions to the liquid-balance interface of the circular symmetrical vial (7) so that each LED the optical axes of the diode pair (10a, 10e; 10b, 10f ...) substantially impinge on the balancing member (9), and that the detector (11) is located below the balancing member.

Device according to claim 12, characterized in that a single light source such as an LED is directed at the interface between the liquid of the vial (1; 7) and the balance member (3; 9), and in that the device comprises at least two detectors with light beams reflected from the balance member. detectable.

Device according to claim 18, characterized in that a single light source such as an LED is directed laterally at the liquid-balancing interface of the vial (1) and that below the vial there are two detectors arranged substantially symmetrically on the balance axis (1) of the vial (1). A). li 17 80788

Device according to Claim 18, characterized in that a single light source, such as an LED, is directed at the liquid-balancing interface of the vial (1) from below, and that on the side of the vial there are two detectors arranged substantially symmetrically in the plane of the vial (1). relative to the weight axis (A).

Device according to Claim 18, characterized in that the two light detectors are directed opposite the interface of the liquid and the balancing element (3) of the vial (1) at the ends of the vial, and in that there is one light source such as an LED below the vial.

Device according to claim 18, characterized in that more than two light detectors are directed laterally symmetrically in pairs from opposite directions to the liquid-balance interface of the circularly symmetrical vial (7) so that in the equilibrium position the optical axes of each detector pair hit the balance (9) symmetrically, and that the light source is located below the balancing member. 80788 BC