NL8500817A - Toestel voor het bepalen van een standafwijking van een lichaam ten opzichte van de vertikale of horizontale richting. - Google Patents

Description

·» 'VΛ 4 , Lx 85 5024 Mm/Tg *

Toestel voor het bepalen van een standafwijking van een lichaam ten opzichte van de vertikale of horizontale richting.

De uitvinding heeft betrekking op een toestel voor het bepalen van een standafwijking van een lichaam ten opzichte van de vertikale of horizontale richting, omvattende een met dit lichaam te verbinden drager, die de bewegingen van dit lichaam volgt, een 5 onder invloed van de zwaartekracht ten opzichte van deze drager beweegbaar onderdeel, en middelen voor het bepalen van de stand van dit onderdeel ten opzichte van de drager. Toestellen van deze soort zijn reeds zeer lang bekend, en wel in de vorm van een schietlood of waterpas, die dienen voor het instellen van een gewenste verti-10 kale of horizontale stand. De aflezing van een dergelijk toestel geschiedt door vergelijking van de stand van tenminste een deel van het vrij beweegbare onderdeel, zoals een ophangdraad bij een schietlood of het grensvlak tussen een vloeistof en een gasbel bij een waterpas, en een met het in te stellen lichaam verbonden gedeelte, 15 bijvoorbeeld een tegenover het uiteinde van het schietlood geplaatst richtpunt resp. merktekens op een waterpasbuis.

De nauwkeurigheid van dergelijke bekende toestellen hangt af van de afmetingen van het toestel, zoals de lengte van het op-hangkoord van een schietlood of de lengte van een waterpasbalk, ter-20 wijl de gevoeligheid o.a. door de demping van het beweegbare lichaam wordt bepaald.

Dergelijke in de regel met het oog te verrichten bepalingen zijn echter voor vele doeleinden te onnauwkeurig, terwijl dergelijke toestellen niet geschikt zijn om in een automatisch regelstelsel 25 te worden opgenomen. Er is dan ook reeds lang gepoogd de aflezing van dergelijke toestellen eenvoudiger en nauwkeuriger te maken.

Wanneer bijvoorbeeld gebruik wordt gemaakt van een geleidende vloeistof zoals kwik, kunnen elektrische contacten worden gebruikt, doch ook een dergelijke meting is niet zeer nauwkeurig, in het bijzonder 85 00 8 1 7 - 2 - wegens de aanwezigheid van de vloeistofmeniscus en vonkverschijnse-len. Optische metingen kunnen nauwkeuriger zijn, doch de nauwkeurigheid wordt beperkt door het feit, dat foto-elektrische omzetters moeten worden gebruikt, waarvan het scheidingsvermogen door de af-5 metingen ervan wordt begrensd.

Er bestaat thans een zeer grote behoefte aan dergelijke toestellen, die op zeer nauwkeurige en snelle wijze standafwijkingen ten opzichte van de vertikaal of horizontaal kunnen bepalen, o.a. bij het opbouwen van zeer grote staalconstructies, i.h.b. boor-10 eilanden en dergelijke, en soortgelijke toepassingen. Dergelijke toestellen moeten bij voorkeur geringe afmetingen hebben, en nochtans zeer nauwkeurig zijn.

De uitvinding beoogt een dergelijk toestel te verschaffen, dat aan deze eisen voldoet.

15 Daartoe heeft het toestel volgens de uitvinding als ken merk, dat de drager is voorzien van een stralingsbron, die een stra-lingsbundel naar een eveneens met de drager verbonden vlakke foto-elektrische omzetter met zijdelings foto-effect kan richten, die is ingericht om aan elektrodeparen met het invalspunt van de straling 20 overeenkomende stromen te leveren, waarvan de sterkten omgekeerd evenredig zijn met de afstanden tussen het invalspunt en de desbetreffende elektrode van het paar, en dat het beweegbare onderdeel is ingericht om de door de bron uitgezonden straling zodanig te beïnvloeden, dat op de omzetter een stralingsvlek wordt gevormd, waar-25 van de ligging ten opzichte van de elektroden overeenkomt met de stand van dit onderdeel ten opzichte van de drager.

Dergelijke foto-elektrische omzetters zijn bekend uit het proefschrift van D.J.W. Noorlag, "Lateral Photo-Effect Position-Sensitive Detectors", Delft (1982), waarnaar kan worden verwezen.

30 In het bijzonder kunnen daarbij twee onderling loodrechte elektrodenparen worden gebruikt, zodat de plaats van het invalspunt in twee coördinaatrichtingen kan worden bepaald. Een dergelijke omzetter verschaft een zeer nauwkeurige bepaling van het zwaartepunt van 85 0 0 8 1 7 - 4 - 3 - een stralingsvlek, terwijl, daar de halfgeleider doorlopend is, een doorlopende meting wordt verkregen, dit in tegenstelling tot het geval van een aantal onderling gescheiden en naast elkaar geplaatste foto-elektrische onderdelen.

5 Een eerste uitvoeringsvorm van het toestel volgens de uit vinding, waarbij het beweegbare onderdeel een aan een draad opgehangen gewicht omvat, heeft als kenmerk, dat de drager een buisvormige mantel omvat, waarin de stralingsbron en eventueel een lens, en de dwars op de as van deze mantel opgestelde omzetter zijn opge-10 nomen, en dat het beweegbare onderdeel de van de bron uitgaande bundel kan afbuigen.

Zn het bijzonder wordt de ophangdraad voor het gewicht door een stralingsgeleidervezel gevormd, waarvan het vaste uiteinde de uit de bron tredende straling kan opnemen, terwijl het vrije uit-15 einde tegenover de omzetter is gelegen. Bij een andere uitvoering daarvan wordt het beweegbare onderdeel gevormd door een in de mantel op te nemen vloeistofmassa, waarvan het oppervlak naar de bron en ƒ de omzetter is gericht, en wel zodanig, dat de van de bron afkomstige straling rechtstreeks dan wel onder tussenplaatsing van een deel-20 spiegel door dit oppervlak naar de omzetter wordt teruggekaatst.

De inwendige ruimte van de mantel rond het beweegbare onderdeel wordt bij voorkeur met een dempende vloeistof gevuld.

Een tweede uitvoeringsvorm van het toestel volgens de uitvinding, waarbij het beweegbare onderdeel wordt gevormd door een in 25 een gesloten holte van de drager opgenomen vloeistofmassa, die deze holte met uitzondering van een met een lichtere stof gevulde bel vult, heeft als kenmerk, dat deze holte zodanig ten opzichte van de lichtbron en de omzetter is opgesteld, dat de van de bron uitgaande straling door de vloeistof, die de straling tenminste aanmerkelijk 30 absorbeert, wordt afgeschermd, doch door de bel naar de omzetter wordt doorgelaten.

Daarbij kan de bel met een tweede vloeistof zijn gevuld, / die niet met de eerste vloeistof mengbaar is, en een smeermiddel 8500817 _— -* *« .-1 \ - 4 - daarvoor vormt. In het geval van kwik als eerste vloeistof kan bijvoorbeeld zwavelzuur als tweede vloeistof worden gebruikt. Daardoor kunnen hysteresiseffecten in de beweging van de eerste vloeistof aanmerkelijk worden verminderd, waardoor een onnauwkeurigere en wel-5 licht ook snellere standbepaling kan worden verkregen.

De voornoemde holte is bij voorkeur torusvormig, teneinde standafwijkingen van 360° en meer te kunnen vaststellen, in welk geval de door de bron uitgezonden bundel een cylinder- of kegelvormige bundel is, die de omzetter volgens een cirkel snijdt.

10 De drager kan voorts van een mechanische triller worden voorzien, teneinde het lossen van de vloeistof van de wand te vergemakkelijken.

De uitvinding zal in het onderstaande nader worden toegelicht aan de hand van een tekening; hierin toont: 15 fig. IA en B een schematische doorsnede resp. aanzicht van een omzetter met zijdelings foto-effect, die een wezenlijk bestanddeel van het toestel volgens de uitvinding vormt; fig. 2 en 3 doorsneden van twee verschillende uitvoeringen van een eerste uitvoeringsvorm van het toestel volgens de uitvin-20 ding; en ' fig. 4A en B een schematische doorsnede van een tweede uit voeringsvorm van het toestel volgens de uitvinding resp. een aanzicht van een onderdeel daarvan.

In fig. 1 en 2 is een foto-elektrische omzetter afgebeeld, 25 die een wezenlijk onderdeel van het toestel volgens de uitvinding vormt. Deze omzetter bestaat uit een halfgeleiderplaatje 1, waarin ' nabij het vooroppervlak een ondiep gebied 2 van tegengestelde gelei- dingsvorm is gevormd, waarvan het geleidingsvermogen groter is dan dat van het plaatje 1. Het plaatje bestaat bijvoorbeeld uit n-30 geleidend silicium, waarin door doping een p-geleidend gebied 2 is gevormd. Tussen het gebied 2 en het plaatje 1 bevindt zich een pn-overgang, die zich evenwijdig aan het vooroppervlak uitstrekt. De zijgedeelten van deze overgang zijn naar het vooroppervlak afgebogen, 8500817 Λ - 5 - en snijden dit.

Zoals uit fig. 2 blijkt, zijn twee elektrodenparen 3a resp. 3b op het vooroppervlak van het plaatje 1 aangebracht, waarbij het eerste stel 3 a met de drager, en het andere stel 3 b met het gebied 5 2 van tegengestelde geleidingsvorm in aanraking is, terwijl de elektroden van een paar onderling evenwijdig zijn gericht. Een bijkomende elektrode 4 dient om een in de keerzirr gerichte voorspanning aan de pn-overgang aan te. leggen. Daarbij ontstaat een verarmingsgebied, dat althans nagenoeg geheel in het plaatje 1 is gelegen, zodat het 10 gebied 2 een weerstandslaag met vaste dikte vormt.

Het gebied 2 is zo dun, dat de invallende straling het voor-noemde overgangsgebied kan bereiken, waarbij dan ladingdragers worden voortgebracht, die evenwijdig aan de overgang naar de elektroden 3 bewegen. Het is gebleken, dat de door met de elektroden 3 ver-15 bonden leidingen 5 vloeiende stromen een sterkte hebben, die omgekeerd evenredig is met de afstanden tussen het zwaartepunt van een invallende stralingsvlek 6 en de desbetreffende elektroden. Met twee paar elektroden 3 kan de ligging van de vlek 6 in twee coördinaat-richtingen worden bepaald.

20 De leidingen 5 dienen met een vezwerkingsketen te worden verbonden, waarin deze stroomsterkten kunnen worden gemeten en de verhoudingen daartussen kunnen worden bepaald, waarbij zonodig de daaruit afgeleide coördinaten nog kunnen worden omgerekend. Het zal duidelijk zijn, dat de aldus verkregen coördinaatwaarden des te 25 nauwkeuriger zijn, naarmate de stralingsvlek 6 kleiner en scherper bepaald is.

Fig. 2 en 3 tonen twee uitvoeringen van een eerste hoofduitvoeringsvorm volgens de uitvinding.

De uitvoeringsvorm volgens fig. 2 omvat een gesloten buis 30 7. Nabij het ene uiteinde ervan is een stralingsbron 8 in de buis 7 geplaatst, bijvoorbeeld een stralingsdiode, die straling van een geschikte frequentie kan uitzenden. De uitgezonden straling wordt door een lens 9 of dergelijke naar het eindvlak 10 van een stralings- 85 0 0 8 17 - 6 - -·, , * ‘ geleidingsvezel 11 verdicht. Het desbetreffende uiteinde van de vezel 11 is daarbij in een dwarsschot 12 ingeklemd, dat het eindvlak 10 vrijlaat. De lens 9 kan eventueel ook worden weggelaten.

Nabij het andere uiteinde van de vezel 11 is een gewicht 13 5 aangebracht, waarbij de vezel 11 in de langssymmetrieas van het gewicht 13 is gelegen. De vezel 11 vormt samen met het gewicht 13 een slinger of schietlood.

Het eindvlak 14 van de vezel 11 is vrij, zodat de straling, die van de bron 8 afkomstig is, uit de vezel 11 kan treden. Deze 10 straling valt daarbij in op een vlakke omzetter 1 van de in fig. 1 en 2 getoonde soort, die dwars op de langsas van de buis 7 is gericht.

De grootte van de op de omzetter 1 invallende stralings-vlek hangt daarbij af van o.a. de middellijn van de vezel 11. Zono-15 dig kan aan het uiteinde 14 van de vezel nog een bijkomende bunde-lingslens worden aangebracht om de scherpte van de stralingsvlek te verbeteren.

Teneinde de slingeringen van het gewicht 13 te dempen, kan de inwendige ruimte 15 van de buis 7 rond dit gewicht met een ge-20 schikte viskeuze vloeistof worden gevuld.

Fig. 3 toont een andere uitvoeringsvorm van dit toestel, waarin onderdelen, die met onderdelen van het toestel van fig. 2 overeenkomen, van dezelfde verwijzingsgetallen zijn voorzien.

Dit toestel omvat weer een buis 7, waarin aan een uiteinde 25 een stralingsbron 8 met een bundelingslens 9 is geplaatst. Voor de lens 9 is nu een diafragma 10' aangebracht, dat een smalle bundel doorlaat, die naar het oppervlak van een aan het tegenoverliggende einde van de buis 1 gelegen kwikplas 16 is gericht. In de bundel is een deelprisma 17 opgesteld, dat de door de kwikplas 16 terugge-30 kaatste straling zijdelings afbuigt naar een zijbuis 18, waarin een lens 19 is aangebracht, die een scherpe stralingsvlek op een aan het uiteinde van deze zijbuis 18 opgestelde omzetter 1 vormt.

De stand van het kwikoppervlak 16 is steeds ongeveer hori- 8500817 ( I a - 7 - zontaal, zodat de plaats van de stralingsvlek op de omzetter 1 zal afhangen van de stand van de buis 7 ten opzichte van de vertikaal. Zonodig kan weer de ruimte 15 boven het kwik 16 met een daarmede niet mengbaar dempende vloeistof zijn gevuld om de beweging van de 5 kwikmassa 16 te dempen.

Het toestel van fig. 3 kan nog worden vereenvoudigd door de omzetter 1 tegen de onderzijde van het- diafragma 10' aan te brengen, en van een middenopening te voorzien voor het doorlaten van de lichtbundel. Het deelprisma 17 kan dan worden weggelaten, 10 evenals de zijbuis 18, zodat deze uitvoeringsvorm uiterlijk met die van fig. 1 overeenkomt.

Fig. 4A esn B tonen een tweede hoofduitvoeringsvorm van het toestel volgens de uitvinding. Deze omvat een doorzichtig lichaam 20 uit glas of een glasachtige kunststof, waarin een gesloten ring-15 vormige holte 21 is gevormd. Deze holte is voor het grootste gedeelte gevuld met een voor straling ondoorlatende vloeistof, waarbij bij voorkeur kwik wordt gebruikt. Een kleine bel 22 is niet met deze vloeistof gevuld.

Het kan gunstig zijn deze bel 22 met een tweede lichtere 20 vloeistof te vullen, die in het geval van kwik als eerste vloeistof zwavelzuur kan zijn. Deze vloeistof zal zich als een dunne laag over het binnenoppervlak van de holte 21 uitspreiden, en werkt als een smeermiddel, waardoor mogelijke door wrijving en/of adhesie veroorzaakte hysteresiseffecten, wanneer de kwikmassa begint te bewe-25 gen, kunnen worden verminderd. Bovendien kan de oppervlaksspanning, en doordoor de meniscus, daardoor worden verminderd. Wanneer dergelijke effecten geen rol spelen, kan uiteraard de tweede vloeistof worden weggelaten.

Het lichaam 20 kan in het bijzonder uit twee platen bestaan, 30 die aan elkaar zijn gekit of gelijmd, terwijl in elke plaat een cirkelvormige groef is gevormd, welke groeven samen de holte 21 vormen.

De open groeven kunnen gemakkelijk worden gepolijst, teneinde een zeer glad oppervlak te verkrijgen, dat bovendien de wrijving van de 85 00 8 1 7 . · - 8 - vloeistof in de holte vermindert.

Zoals in fig.4A is afgebeeld, is het lichaam 20 tussen een stralingsbron 23 en een vlakke foto-elektrische omzetter 1 van de in fig. 1 en 2 getoonde soort opgesteld. De stralingsbron kan bijvoor-5 beeld een matglas-plaat zijn, die gelijkmatig door een lamp of een aantal lampen wordt bestraald; ook andere stralingsbronnen kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld een aantal licht-uitzendende dioden, een luminescerend paneel of dergelijke, of een optisch stelsel, dat een met de holte 21 overeenkomend ringvormig stralingsgebied kan 10 vormen, terwijl ook een ringvormige stralingsbron kan worden gebruikt.

Deze bron 23 moet tenminste dat gedeelte van het lichaam 20 bestralen, waarin de holte 21 is gevormd, waarbij het gedeelte buiten de holte ondoorzichtig kan zijn gemaakt, zoals bij 24 is aan-, geduid. De bron 23 kan ook ringvormig zijn. De straling van de bron 15 23 zal alleen door de bel 22 worden doorgelaten, zodat een stralings-vlek 6 op het oppervlak van de omzetter 1 wordt gevormd, die een cirkelvormige baan op het oppervlak van de omzetter 1 zal beschrijven, wanneer de bel 22 in de holte 21 beweegt.

Zoals in fig. 4B door een onderbroken lijn 24' is aangeduid, 20 kunnen de uiterste gedeelter van de bel 22 worden afgedekt door het buitenste afgedekte gebied 24, teneinde de invloed van de meniscus te onderdrukken.

Wanneer de bel 22 klein is, ligt het zwaartepunt van de vloeistofmassa dichter bij het middelpunt van de holte 21, hetgeen 25 gunstig is. Er wordt derhalve de voorkeur aan een kleine bel 21 gegeven. Zonodig kan een lenzenstelsel voor het vormen van een scherp beeld van de bel 21 op het omzetteroppervlak 1 worden gebruikt, doch dit vereist uiteraard een zekere afstand tussen het lichaam 20 en de omzetter 6. In de praktijk zal de vlek 6 voldoende scherp 30 zijn, wanneer de omzetter 1 op een zeer kleine afstand van het lichaam 20 is opgesteld, of dit lichaam aanraakt.

Het is voorts mogelijk een omzetter van de onderhavige soort te vervaardigen, waarin het overgangsgebied, en dus ook het 8500817 . * .- * - 9 - gevoelige oppervlak, ringvormig is, zodat het mogelijk wordt rechtstreeks uitgangssignalen te verkrijgen, die de hoekstand van de vlek 6 voorstellen, wanneer de straal van de beschreven cirkelbaan dezelfde is als de gemiddelde straal van het gevoelige oppervlak 5 van de omzetter.

Wanneer hysteresiseffecten, die door aanhechting van de vloeistof aan de wand van de holte worden' veroorzaakt, moeten orden onderdrukt, kan het verder gunstig zijn het lichaam 20 met een mechanische triller te verbinden.

3500817

Claims (10)

1. Toestel voor het bepalen van een standafwijking van een lichaam ten opzichte van de vertikale of horizontale richting, omvattende een met dit lichaam te verbinden drager, die bewegingen van dit lichaam volgt, een onder invloed van de zwaartekracht ten opzichte van deze drager beweeg- 5 baar onderdeel, en middelen voor het bepalen van de stand van dit onderdeel ten opzichte van de drager, met het kenmerk, dat de drager (7,20) is voorzien van een stralingsbron (8,23), die een stralings-bundel naar een eveneens met de drager (7,20) verbonden vlakke foto-elek-trische omzetter met zijdelings foto-effect (1) kan richten, die is inge-10 richt om aan elektrodenparen (3a,3b) met het invalspunt van de straling (6) overeenkomende stromen te leveren, waarvan de sterkten omgekeerd evenredig zijn met de afstanden tussen het invalspunt (6) en de desbetreffende elektrode van het paar (3a,3b), en dat het beweegbare onderdeel (13,16,22) is ingericht om de door de bron uitgezonden straling zodanig te beïnvloe-15 den, dat op de omzetter (1) een stralingsvlek (6) wordt gevormd, waarvan de ligging ten opzichte van de elektroden (3a,3b) overeenkomt met de stand van dit onderdeel (13,16,22) ten opzichte van de drager (7,20).

2. Toestel volgens conclusie 1, met he.t kenmerk, dat het beweegbare onderdeel een aan een draad (11) opgehangen gewicht (13) 20 omvat, en dat de drager een buisvormige mantel (7) omvat, waarin de stralingsbron (8) en eventueel een lens (9), en de dwars op de as van deze mantel (7) opgestelde omzetter (1) zijn opgenomen, en dat het beweegbare onderdeel (13) de van de bron (8) uitgaande bundel kan afbuigen.

3. Toestel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat 25 de ophangdraad (11) voor het gewicht (13) wordt gevormd door een stralings-geleidervezel, waarvan het vaste uiteinde (10) de uit de bron (8) tredende straling kan opnemen, terwijl het vrije uiteinde (14) tegenover de omzetter (1) is gelegen.

4. Toestel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het beweegbare onderdeel wordt gevormd door een in de mantel (7) op te 30 nemen vloeistofmassa (16), waarvan het oppervlak naar de bron (8) en de omzetter (1) is gericht, en wel zodanig, dat de van de bron (8) afkomstige straling rechtstreeks dan wel onder tussenplaatsing van een deelspie-gel (17) door dit oppervlak (16) naar de omzetter (1) wordt teruggekaatst.

5. Toestel volgens een van de conclusies 2..4, m e t het k e n- 35 merk, dat de inwendige ruimte van de mantel (7) rond het beweegbare on- 8500817 .1 >· -m · -11- derdeel (13,16) met een dempende vloeistof (15) is gevuld.

6. Toestel volgens conclusie 1, waarbij het beweegbare onderdeel wordt gevormd door een in gesloten holte van de drager opgenomen vloei-stofmassa, die deze holte met uitzondering van een met een lichtere stof gevulde bel vult, met het kenmerk, dat deze holte (21) zoda- 5 nig ten opzichte van de lichtbron (23) en de omzetter (1) is opgesteld, dat de van de bron (23) uitgaande straling door de vloeistof, die straling tenminste aanmerkelijk absorbeert, wordt afgeschermd, doch door de bel (22) naar de omzetter (1) wordt doorgelaten.

7. Toestel volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de bel (22) met een tweede vloeistof is gevuld, die niet met de eerste vloeistof mengbaar is, en een smeermiddel daarvoor vormt.

8. Toestel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat, wanneer de eerste vloeistof kwik is, de tweede vloeistof zwavelzuur is.

9. Toestel volgens een van de conclusies 6..8, met het ken merk, dat de holte (21) torusvormig is, en dat de door de bron (23) uitgezonden bundel een cylinder- of kegelvormige bundel is, die de omzetter volgens een cirkel snijdt.

10. Toestel volgens een van de conclusies 6..9, met het ken merk, dat de drager (20) is voorzien van een mechanische triller. 8500817