PL239205B1

PL239205B1 - Vertical deviation sensor

Info

Publication number: PL239205B1
Application number: PL426301A
Authority: PL
Inventors: Sergiusz Łuczak
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2018-07-11
Filing date: 2018-07-11
Publication date: 2021-11-15
Also published as: PL426301A1

Abstract

Czujnik odchylenia od pionu zaopatrzony w ruchomy element (3) o sferycznej powierzchni wykonany z materiału przewodzącego umieszczony w przestrzeni ograniczonej przez zestaw elektrod, jest zaopatrzony w zasadniczo graniasty korpus (1) z rozmieszczonymi na obwodzie otworami (4a, 4c), w których są umieszczone przynajmniej trzy elektrody boczne (5c) rozstawione tak, że odstępy pomiędzy sąsiadującymi elektrodami bocznymi są mniejsze od średnicy ruchomego elementu (3). Korpus (1) jest zaopatrzony w podstawę górną z elektrodą górną (6b) i podstawę dolną z elektrodą dolną (6a). Elektroda górna (6b) i elektroda dolna (6a) są rozstawione na odległość większą od średnicy ruchomego elementu (3) i są wypukłe, gładkie i umieszczone naprzeciw siebie. Sąsiadujące ze sobą elektrody boczne są odizolowane od siebie oraz od elektrody górnej (6b) i dolnej (6a) lub zwarte wyłącznie przez ruchomy element (3). Sposób określania odchylenia od pionu, za pomocą czujnika cechuje się tym, że wykrywa się parę elektrod zwartych ze sobą oraz elektrodą górną lub dolną i identyfikuje się kierunek odchylenia od pionu jako półprostą przebiegającą od środka korpusu, pomiędzy tymi dwiema elektrodami.A vertical deviation sensor provided with a spherical surface movable element (3) made of a conductive material placed in a space limited by a set of electrodes, is provided with a substantially angular body (1) with holes (4a, 4c) arranged around the circumference, in which at least three side electrodes (5c) are arranged so that the gaps between adjacent side electrodes are smaller than the diameter of the movable element (3). The body (1) is provided with an upper base with an upper electrode (6b) and a lower base with a lower electrode (6a). The upper electrode (6b) and the lower electrode (6a) are spaced apart by a distance greater than the diameter of the movable element (3) and are convex, smooth and placed opposite each other. Adjacent side electrodes are insulated from each other and from the upper (6b) and lower electrodes (6a) or short-circuited only by the movable element (3). A method of determining deviation from the vertical using a sensor is characterized in that a pair of electrodes shorted together and an upper or lower electrode are detected and the direction of deviation from the vertical is identified as a ray extending from the center of the body between the two electrodes.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest czujnik odchylenia od pionu.The subject of the invention is a yaw rate sensor.

Istniejące wyłączniki stykowe nie nadają się do detekcji i pomiaru odchylenia od pionu z uwagi na dużą histerezę mechaniczną lub mają zbyt skomplikowaną budowę, trudną w realizacji pr zy ograniczeniach rozmiaru czujnika i zapewniającą pomiar jedynie w ograniczonych podzakresach. Inne przykłady mechanizmów służących do określania odchylenia od pionu ujawniono w dokumentach JP2009117137A, JP 2003077377A, CN103794403A, CN106885921A oraz TW201417133A.The existing contact switches are not suitable for the detection and measurement of deviation from the vertical due to the large mechanical hysteresis or they have too complicated structure, difficult to implement due to the limitations of the sensor size and ensuring measurement only in limited ranges. Other examples of the vertical deviation determination mechanisms are disclosed in JP2009117137A, JP 2003077377A, CN103794403A, CN106885921A, and TW201417133A.

W dokumencie JP2009117137 A ujawniono czujnik przechyłu do wykrywania przechylenia i pochylenia sprzętu/urządzenia uwzględniający niewielki rozmiar i grubość sprzętu/urządzenia. Czujnik wyposażony jest w obudowę zawierającą na przeciwległych powierzchniach styki stałe oraz ruchomy element kulisty. Pochylanie i przechylanie powoduje zwarcie ruchomego elementu kulistego z jednym ze styków stałych, w ten sposób wykrywane jest przechylenie lub pochylenie. Z uwagi na nieckowaty kształt przestrzeni pomiędzy stykami stałymi, taki czujnik cechuje się bardzo dużą wartością histerezy mechanicznej.JP2009117137 A discloses a tilt sensor for equipment / device tilt and tilt detection considering the small size and thickness of the equipment / device. The sensor is equipped with a housing with fixed contacts on opposite surfaces and a movable spherical element. Tilting and tilting short-circuit the moving ball element to one of the fixed contacts, thus detecting the tilt or tilt. Due to the trough shape of the space between the fixed contacts, such a sensor is characterized by a very high value of mechanical hysteresis.

Natomiast w dokumencie JP2003077377 A ujawniono wielokierunkowy przełącznik przechylenia o wysokiej stabilności styku przy przechylaniu, pozwalającym na miniaturyzację sprzętu. Przełącznik wewnątrz obudowy zawiera elastyczny rowek i ruchomy element kulisty swobodnie obracający i poruszający się w elastycznym rowku oraz nieruchomy element stykowy ze sprężystego materiału stykającego się z ruchomym kulistym elementem umieszczonym w elastycznym rowku. Zarówno obudowa przełącznika jak i nieruchomy element stykowy podzielona jest na górną i dolną. Przełącznik daje możliwość jednoznacznego określania tylko jednej pozycji kątowej - położenia horyzontalnego oraz wykrycia odchylenia od tego położenia bez możliwości stwierdzenia, w jakim kierunku przemieściła się ruchoma kulka. Z uwagi na nieckowaty kształt elementu stykowego w obszarze kontaktu z kulką, znaczne kątowe pochylenie elementu stykowego oraz elastyczność rowka, taki przełącznik cechuje się bardzo dużą wartością histerezy mechanicznej.In contrast, JP2003077377 A discloses an omni-directional tilt switch with high tilt contact stability, allowing hardware miniaturization. The switch inside the housing includes a flexible groove and a movable spherical element freely rotating and moving in the flexible groove, and a stationary contact element of resilient material in contact with the movable spherical element housed in the flexible groove. Both the switch housing and the fixed contact element are divided into an upper and a lower one. The switch makes it possible to unambiguously determine only one angular position - horizontal position, and to detect a deviation from this position without the possibility of determining in which direction the moving ball has moved. Due to the trough shape of the contact element in the area of contact with the ball, the considerable angular inclination of the contact element and the flexibility of the groove, such a switch has a very high mechanical hysteresis value.

Dokument CN103794403 A ujawnia wielopunktowy przełącznik przechyłu zawierający izolator otaczający jedną oś, dwa pierwsze elementy przewodzące oraz wiele drugich elementów przewodzących zainstalowanych na izolatorze posiadających jedno wyprowadzenie połączenia. Każdy pierwszy element stykowy przewodzący posiada jedną część stykową i jedną część wyprowadzającą połączenie. Wspomniane części stykowe rozmieszczone są tak, aby były oddzielone odstępami wzdłuż osi. Części wyprowadzające połączenie są odsłonięte od izolatora. Każdy drugi element przewodzący posiada odpowiednią część stykową i część wyprowadzającą połączenie. Części stykowe odsłonięte są w komorze wewnętrznej i rozmieszczone w szyku w sposób otaczający oś. Ruchomy element kulisty umieszczony jest w komorze wewnętrznej i przemieszcza się pomiędzy położeniem połączenia, stykając się więcej niż z dwoma częściami stykowymi, a położeniem rozłączenia, które nie styka się z żadnymi dwoma częściami stykowymi. Przełącznik daje możliwość jednoznacznego określania tylko ośmiu pozycji kątowych, z tym, że te osiem podzakresów nie jest takich samych. Przełącznik inaczej działa kiedy ruchomy element kulisty przetacza się po wklęsłej niecce pierwszego elementu przewodzącego, a inaczej kiedy ruchomy element kulisty przetacza się po płaskich powierzchniach drugich elementów przewodzących. Z uwagi na nieckowaty kształt pierwszego elementu przewodzącego przełącznik cechuje się bardzo dużą wartością histerezy mechanicznej.CN103794403 A discloses a multi-point tilt switch including an insulator surrounding one axis, two first conductors, and a plurality of second conductors installed on an insulator having one connection lead. Each first conductive contact piece has one contact portion and one connection leading portion. Said contact portions are arranged to be separated by spaces along the axis. The parts leading the connection are exposed to the insulator. Each second conductive element has a respective contact portion and a connection lead portion. Contact parts are exposed in the inner chamber and arranged in an array in a manner surrounding the axis. The movable spherical element is positioned in the inner chamber and moves between a connection position contacting more than two contact parts and a disconnected position which is not in contact with any two contact parts. The switch makes it possible to unequivocally define only eight angular positions, but the eight sub-ranges are not the same. The switch works differently when the movable spherical element rolls over the concave trough of the first conducting element, and differently when the movable spherical element rolls over the flat surfaces of the second conducting elements. Due to the trough shape of the first conducting element, the switch has a very high mechanical hysteresis value.

Natomiast dokument CN106885921 A ujawnia czujnik kierunku odchylenia od pionu wykorzystujący dwie części prowadzące elektrody, co najmniej sześć kołków stykowych, kulisty element ruchomy i obwód przetwarzania sygnału. Obwód przetwarzania sygnału uzyskuje kierunek odwrócenia wykrytego obiektu zgodnie z wykrytym sygnałem. Czujnik daje możliwość jednoznacznego określania sześciu lub więcej pozycji kątowych. Z uwagi na wielokątny kształt części prowadzących oraz walcowy kształt kołków stykowych, taki czujnik cechuje się dużą wartością histerezy mechanicznej. Zastosowanie wielokątnego wycięcia w części prowadzącej sprawia, że czujnik działa inaczej kiedy jest odchylony tylko w jednej płaszczyźnie, a inaczej kiedy jest odchylony naraz w dwóch płaszczyznach: ruchomy element kulisty opiera się wtedy na krawędzi wielokątnego wycięcia w górnej lub dolnej części prowadzącej w dwóch punktach kontaktowych oraz w trzecim punkcie kontaktowym na wypukłej powierzchni kołka stykowego. Przy różnych orientacjach kątowych czujnika będą się zmieniać naciski na poszczególne punkty kontaktu, a ponieważ obszary kontaktu cechują się różną geometrią, zmiana położenia kulki będzie następowała przy różnych kątach odchylenia od pionu, co zwiększa niepewność wskazań c zujnika.In contrast, document CN106885921 A discloses a yaw rate sensor using two electrode guiding portions, at least six contact pins, a spherical moving member and a signal processing circuit. The signal processing circuitry obtains a direction to invert the detected object according to the detected signal. The sensor enables the unambiguous determination of six or more angular positions. Due to the polygonal shape of the guide parts and the cylindrical shape of the contact pins, such a sensor has a high mechanical hysteresis value. The use of a polygonal notch in the guiding part makes the sensor work differently when it is tilted only in one plane, and differently when it is tilted in two planes at once: the moving spherical element rests on the edge of the polygonal notch in the upper or lower guiding part at two contact points and at a third contact point on the convex surface of the contact pin. With different angular orientations of the sensor, the pressures on individual contact points will change, and because the contact areas are characterized by different geometry, the change in the position of the ball will take place at different angles of deviation from the vertical, which increases the uncertainty of the sensor indications.

PL 239 205 B1PL 239 205 B1

Ponadto dokument TW201417133 A pokazuje rozwiązanie dotyczące wielowarstwowego przełącznika przechyłu zawierającego izolator, cztery przewodzące zaciski umieszczone pomiędzy dwiema osłonami izolatora oraz ruchomy element kulisty umieszczony w komorze wewnętrznej izolatora. Izolator ma kilka rowków utworzonych na co najmniej jednej powłoce. Cztery końcówki przewodzące są odpowiednio wyposażone w element płytowy ograniczony położeniem w rowku, część stykową utworzoną na elemencie płytowym i wyeksponowaną na komorę wewnętrzną oraz część łączącą wystawioną na zewnątrz izolatora. Ruchomy element kulisty jest umieszczany w komorze wewnętrznej i może się poruszać pomiędzy położeniem zamkniętym, w którym naraz styka się z dowolnymi dwiema częściami stykowymi, a położeniem otwartym, w którym nie styka się z żadną z dwóch części stykowych. Przełącznik daje możliwość jednoznacznego określania co najwyżej pięciu pozycji kątowych w zakresie niepełnego kąta bryłowego - nie ma możliwości rozróżnienia pozycji pionowej górnej i pionowej dolnej. Podzakresy nie są takie same, bowiem przełącznik inaczej działa, kiedy ruchomy element kulisty opiera się na wklęsłej niecce izolatora, a inaczej, kiedy opiera się na bocznych płaskich powierzchniach przewodzących zacisków. Kształt izolatora z wklęsłymi nieckami oraz pochyłe powierzchnie przewodzących zacisków powodują, że przełącznik cechuje się bardzo dużą wartością histerezy mechanicznej.In addition, document TW201417133 A shows a solution for a multi-layer toggle switch containing an insulator, four conductive clamps sandwiched between two insulator sheaths, and a movable spherical element housed in the inner chamber of the insulator. The insulator has several grooves formed in at least one shell. The four conductive terminals are suitably provided with a plate member delimited by its position in the groove, a contact portion formed on the plate member and exposed to the inner cavity, and a connecting portion exposed outside the insulator. The movable spherical element is placed in the inner chamber and is movable between a closed position, where it contacts any two contact portions at once, and an open position, where it is not in contact with either of the two contact portions. The switch makes it possible to unequivocally define at most five angular positions within the incomplete solid angle - it is not possible to distinguish between the vertical upper and vertical lower positions. The sub-ranges are not the same as the switch operates differently when the movable spherical element rests on the concave basin of the insulator than when it rests on the side flat surfaces of the conductive terminals. The shape of the insulator with concave basins and the inclined surfaces of the conductive terminals make the switch characterized by a very high value of mechanical hysteresis.

Celem wynalazku jest zapewnienie czujnika odchylenia od pionu, który może także pełnić funkcję wyłącznika stykowego, wolnego od wad w rozwiązaniach wskazanych w stanie techniki, tzn. dzielącego pełny kąt bryłowy na parzystą liczbę jednakowych podzakresów, cechującego się małą wartością histerezy mechanicznej oraz stałą geometrią w każdym punkcie styku ruchomej kulki z elektrodami, dającego możliwość wykorzystania prostego układu logicznego przypisującego elektrodom bocznym odpowiedni stan logiczny.The object of the invention is to provide a vertical deviation sensor, which can also function as a contact switch, free from defects in the solutions indicated in the prior art, i.e. dividing the full solid angle into an even number of equal sub-ranges, characterized by a small value of mechanical hysteresis and a constant geometry in each the point of contact of the moving ball with the electrodes, which enables the use of a simple logic system assigning the appropriate logical state to the side electrodes.

Czujnik odchylenia od pionu zaopatrzony w ruchomy element sferycznej powierzchni wykonany z materiału przewodzącego umieszczony w przestrzeni ograniczonej przez zestaw elektrod, zgodnie z wynalazkiem jest zaopatrzony w zasadniczo graniasty lub cylindryczny korpus z rozmieszczonymi na obwodzie otworami, w których są umieszczone przynajmniej trzy elektrody boczne rozstawione tak, że odstępy pomiędzy sąsiadującymi elektrodami bocznymi są mniejsze od średnicy ruchomego elementu. Korpus jest zaopatrzony w podstawę górną z elektrodą górną i podstawę dolną z elektrodą dolną. Elektroda górna i elektroda dolna są rozstawione na odległość większą od średnicy ruchomego elementu i są gładkie oraz umieszczone naprzeciwko siebie. Dzięki temu element ruchomy może się swobodnie i bez oporów toczyć po elektrodzie dolnej w razie odchylenia czujnika od pionu, a elektrody od poziomu, przemieścić się ku ścianie korpusu zwierając jednocześnie dwie elektrody boczne, pomiędzy którymi się zatrzyma ze sobą i z elektrodą, po której się toczy. Sąsiadujące ze sobą elektrody boczne są odizolowane od siebie oraz od elektrody górnej i dolnej w warunkach, gdy ruchomy element znajduje się w centralnej części przestrzeni pomiędzy elektrodami. Dzięki temu fakt zwarcia elektrod przez ruchomy element można wykryć analizując elektryczne połączenia elektrod z zewnątrz lub wykorzystać czujnik jako przełącznik zamykający obwód w warunkach odchylenia od pionu w określoną stronę. Elektrody górna i dolna są wypukłe. Dzięki lekkiej wypukłości elektrod, ruchomy element zawsze znajduje się w jednym z dziesięciu wewnętrznych rogów graniastosłupa, który tworzy układ elektrod czujnika, zwierając ze sobą zawsze trzy elektrody.The vertical deviation sensor provided with a movable spherical surface element made of a conductive material placed in the space bounded by the electrode set, according to the invention is provided with a substantially angular or cylindrical body with circumferentially distributed openings in which at least three side electrodes are arranged spaced apart so that that the spacing between adjacent side electrodes is smaller than the diameter of the movable element. The body is provided with an upper base with an upper electrode and a lower base with a lower electrode. The upper electrode and the lower electrode are spaced more than the diameter of the movable element and are smooth and placed opposite to each other. Thanks to this, the movable element can freely and without resistance roll on the lower electrode in the event of a sensor deviation from the vertical, and the electrodes from the horizontal, move towards the body wall, simultaneously shorting two side electrodes, between which it will stop with itself and with the electrode on which it rolls . Adjacent side electrodes are insulated from each other and from the upper and lower electrodes when the movable element is in the central part of the space between the electrodes. Thanks to this, the fact that the electrodes are short-circuited by the moving element can be detected by analyzing the electrical connections of the electrodes from the outside or using the sensor as a switch that closes the circuit in conditions of deviation from the vertical in a specific direction. The top and bottom electrodes are convex. Due to the light convexity of the electrodes, the moving element is always located in one of the ten inner corners of the prism that forms the electrode array of the sensor, always short-circuiting the three electrodes.

Korzystnie czujnik zawiera przynajmniej pięć elektrod bocznych, co pozwala na zapewnienie rozdzielczości kątowej detekcji kierunku odchylenia od pionu równej 72 stopnie.Preferably, the sensor includes at least five side electrodes to provide an angular resolution of yaw direction detection of 72 degrees.

Korzystnie ruchomy element o sferycznej powierzchni stanowi kulka ze stali łożyskowej alternatywnie może być wykonana z materiału ceramicznego stosowanego np. w łożyskach tocznych.Preferably, the movable element with a spherical surface is a ball made of a bearing steel, alternatively it can be made of a ceramic material used, for example, in rolling bearings.

Element ruchomy i/lub elektrody są korzystnie pokryte warstwą ochronną, najlepiej zawierającą materiał wybrany z grupy obejmującej złoto, platynę i iryd. Warstwa ochronna zabezpiecza przed korozją, poprawia kontakt elektryczny i zapewnia gładką i twardą powierzchnię, redukując opory toczenia, a w konsekwencji redukując histerezę czujnika.The moving element and / or the electrodes are preferably covered with a protective layer, preferably comprising a material selected from the group consisting of gold, platinum and iridium. The protective layer protects against corrosion, improves electrical contact and provides a smooth and hard surface, reducing rolling resistance, and consequently reducing sensor hysteresis.

Korzystnie elektrody górna i dolna są odizolowane od siebie elektrycznie, co zapewnia możliwość wykrycia orientacji góra/dół czujnika.Preferably, the top and bottom electrodes are electrically insulated from each other, which provides the ability to detect the top / bottom orientation of the sensor.

Sposób określania odchylenia od pionu, za pomocą czujnika według wynalazku cechuje się tym, że wykrywa się parę elektrod bocznych zwartych ze sobą oraz elektrodą górną lub dolną. Wiadomo, że kierunek odchylenia od pionu znajduje się pomiędzy zwartymi elektrodami.The method for determining the deviation from vertical with the sensor according to the invention is characterized in that it detects a pair of side electrodes shorted together and an upper or lower electrode. It is known that the tilt direction is between the shorted electrodes.

Korzystnie, gdy elektrody górna i dolna są rozwarte podaje się na nie odpowiednio potencjał o pierwszej wartości i potencjał o drugiej wartości, a następnie wykrywa się parę elektrod bocznych mających ten sam potencjał równy pierwszemu lub drugiemu potencjałowi. Wiadomo, że kierunek odchylenia od pionu znajduje się pomiędzy dwiema elektrodami o tym samym potencjale. DodatkowoPreferably, when the upper and lower electrodes are open, the first value and the second value potential are applied to them, respectively, and then a pair of side electrodes having the same potential equal to the first or second potential are detected. It is known that the deviation from the vertical is between two electrodes of the same potential. Additionally

PL 239 205 B1 ustalenie czy potencjał ten ma pierwszą czy drugą wartość pozwala stwierdzić jak czujnik jest zorientowany i czy faktycznie górna podstawa znajduje się u góry. Dzięki temu czujnik jest niewrażliwy na błędy montażu mechanicznego w elementach, których ma wykrywać pion - błędy te można wykryć i skorygować później.Determining whether the potential has a first or second value allows one to determine how the sensor is oriented and whether the top base is actually at the top. As a result, the sensor is insensitive to errors in mechanical assembly in the elements that the riser is to detect - these errors can be detected and corrected later.

Przedmiot wynalazku został ukazany w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1a przedstawia korpus czujnika według wynalazku, Fig. 1b przedstawia otwarty korpus czujnika według wynalazku z zamontowanymi elektrodami, Fig. 1c przedstawia czujnik według wynalazku z korpusem zamkniętym pokrywką, natomiast Fig. 1d przedstawia czujnik bez pokrywki, z widocznym ruchomym elementem. Fig. 2 przedstawia schematycznie mechanizm zwierania elektrod przez element ruchomy, Fig. 3 przedstawia przykładowy schemat elektryczny układu logicznego do wykrywania, które z elektrod są zwarte, natomiast Fig. 4 przedstawia przykład wykonania czujnika w przekroju perspektywicznym.The subject of the invention has been shown in the exemplary embodiments in the drawing, in which Fig. 1a shows the sensor body according to the invention, Fig. 1b shows an open sensor body according to the invention with mounted electrodes, Fig. 1c shows the sensor according to the invention with the body closed with a lid, and Fig. 1d shows the sensor without a cover, with a visible moving element. Fig. 2 is a schematic diagram of an electrode shorting mechanism by a movable element, Fig. 3 is an exemplary circuit diagram of the logic for detecting which electrodes are short-circuited, and Fig. 4 is a perspective sectional view of an embodiment of the sensor.

Korpus 1 w przykładzie wykonania czujnika według wynalazku ukazano na Fig. 1a jest on wykonany z nieprzewodzącego plastiku i ma graniasty kształt. Na obwodzie korpusu 1 wykonano pięć otworów 4a, 4b na elektrody boczne, z których dwa są widoczne na Fig. 1 a. Od spodu korpus jest zamknięty na stałe podstawą dolną z płaską i przewodzącą elektrodą dolną 6a, niepokazaną na Fig. 1a. Od góry korpus 1 jest gwintowany, dzięki czemu można go zamknąć pokrywką z podstawą górną i znajdującą się na niej elektrodą górną 6b.The body 1 in the embodiment of the sensor according to the invention is shown in Fig. 1a, it is made of non-conductive plastic and has an angular shape. On the periphery of the body 1, five openings 4a, 4b are made for side electrodes, two of which are visible in Fig. 1a. From the bottom, the body is permanently closed with a lower base with a flat and conductive lower electrode 6a, not shown in Fig. 1a. From the top, the body 1 is threaded, so that it can be closed with a cover with an upper base and an upper electrode 6b located thereon.

W otworach 4a, 4b wykonanych na obwodzie korpusu 1 umieszczone są elektrody 5a, 5b, 5c, 5d i 5e, jak pokazano na Fig. 1b, 1c i 1d. W przestrzeni 2 wewnątrz korpusu, pomiędzy elektrodami bocznymi i pomiędzy elektrodą górną 6b i dolną 6a znajduje się ruchomy element 3 - kulka ze stali łożyskowej. Alternatywnie można zastosować kulkę ceramiczną pokrytą warstwą przewodzącą prąd elektryczny lub dowolny inny element o sferycznej przewodzącej powierzchni wykonany z przewodzącego materiału odpornego na korozję i ścieranie. Można również zastosować pokrycie ruchomego elementu oraz elektrod warstwą zabezpieczającą, wykonaną z materiału przewodzącego, mało porowatego, gładkiego i odpornego na korozję jak np. złoto, platyna czy iryd.In holes 4a, 4b provided on the circumference of the body 1 are electrodes 5a, 5b, 5c, 5d and 5e, as shown in Figs. 1b, 1c and 1d. In the space 2 inside the body, between the side electrodes and between the upper 6b and lower 6a electrodes, there is a movable element 3 - a ball made of bearing steel. Alternatively, a ceramic ball covered with an electrically conductive layer can be used, or any other element with a spherical conductive surface made of a conductive material resistant to corrosion and abrasion. It is also possible to cover the moving element and the electrodes with a protective layer made of a conductive, low-porous, smooth and corrosion-resistant material, such as gold, platinum or iridium.

Po umieszczeniu ruchomego elementu 3 wewnątrz przestrzeni w korpusie 1, korpus zakręca się pokrywką 1b zapewniającą podstawę górną z elektrodą górną 6b.After the movable element 3 has been placed inside the space in the body 1, the body is screwed on with the cover 1b providing an upper base with an upper electrode 6b.

Twardość i gładkość materiału elektrod bocznych oraz górnej i dolnej oraz ruchomego elementu 3 jest istotna z uwagi na możliwość redukcji oporów toczenia, a w konsekwencji wzrost czułości. Odstęp pomiędzy elektrodą górną 6b i dolną 6a jest nieznacznie większy od średnicy ruchomego eleme ntu. Odstęp pomiędzy sąsiadującymi elektrodami bocznymi, a także odstęp pomiędzy każdą z elektrod bocznych 5a, 5b, 5c, 5d, 5e a elektrodą górną 6b i dolną 6a jest mniejszy od średnicy ruchomego elementu 3.The hardness and smoothness of the material of the side and upper and lower electrodes as well as of the moving element 3 is important due to the possibility of reducing the rolling resistance and, consequently, increasing the sensitivity. The distance between the upper 6b and lower 6a electrodes is slightly larger than the diameter of the movable element. The distance between adjacent side electrodes, as well as the distance between each of the side electrodes 5a, 5b, 5c, 5d, 5e and the upper 6b and lower 6a electrodes, is smaller than the diameter of the movable element 3.

Dzięki temu, gdy czujnik jest ustawiony pionowo sąsiadujące pary elektrod są od siebie odizolowane. Każde odchylenie od pionu skutkuje przemieszczeniem się ruchomego elementu 3 i zwarciem za jego pośrednictwem dwóch elektrod bocznych oraz elektrody dolnej, co schematycznie pokazano na Fig. 2, gdzie elektrody boczne zwierane z elektrodą dolną (niewidoczną na rysunku) przez ruchomy element 3 oznaczono jako 5a i 5b. Jeżeli czujnik zostanie obrócony o 180 stopni wówczas dwie elektrody boczne zwierają się z elektrodą górną.As a result, when the sensor is positioned vertically, adjacent electrode pairs are isolated from each other. Each deviation from the vertical results in a displacement of the movable element 3 and a short circuit through it of the two side electrodes and the lower electrode, as schematically shown in Fig. 2, where the side electrodes connected with the lower electrode (not visible in the drawing) by the movable element 3 are denoted as 5a and 5b. If the sensor is rotated by 180 degrees, the two side electrodes short-circuit with the upper electrode.

Elektrody górna, dolna i boczne są lekko wypukłe i gładkie, dzięki czemu histereza czujnika jest zredukowana, a jednocześnie zapewnione jest zwieranie w każdej orientacji kątowej czujnika zawsze tylko dwóch sąsiednich elektrod bocznych z elektrodą dolną lub górną.The top, bottom and side electrodes are slightly convex and smooth, so that the sensor hysteresis is reduced, and at the same time it is ensured that only two adjacent side electrodes are always shorted in each angular orientation of the sensor with the bottom or top electrode.

Alternatywnie można zastosować przynajmniej jedną elektrodę 15 wklęsłą. Wówczas będzie takie położenie, w którym spoczywający na niej ruchomy element 3 nie będzie miał kontaktu z żadną elektrodą boczną w pewnym zakresie kątów odchylenia czujnika. Taką sytuację można wykryć. Stanowi ona wówczas dodatkowy stan czujnika - „pion”. Dobierając promień wklęsłości można ustalić zakres kątów 20 traktowanych jako „pion”, czyli regulować tolerancję ustalenia pionu.Alternatively, at least one concave electrode can be used. The position will then be such that the movable element 3 resting on it will not come into contact with any side electrode within a certain range of sensor deflection angles. Such a situation can be detected. It then constitutes an additional state of the sensor - "vertical". By selecting the concavity radius, it is possible to set the range of angles considered "plumb", that is, to adjust the tolerance to establish the plumb.

Korpus 1 można wykonać z materiału przewodzącego. Wówczas trzeba tylko zapewnić izolację elektrod bocznych 5a, 5b, 5c, 5d, 5e od ścian korpusu 1. Można to zrobić wyściełając otwory tulejami z materiału izolującego. Jeżeli jest potrzebne odizolowanie górnej elektrody od dolnej, można to zapewnić stosując izolację lub plastikowe wieko 1a korpusu 1.The body 1 can be made of a conductive material. Then it is only necessary to insulate the side electrodes 5a, 5b, 5c, 5d, 5e from the walls of the body 1. This can be done by lining the holes with sleeves made of insulating material. If it is desired to isolate the upper electrode from the lower one, this can be ensured by using insulation or a plastic cover 1a of the body 1.

Czujnik według wynalazku można wykorzystać jako przełącznik, w którym ruchomy element 3 zwiera tylko jeden z obwodów elektrycznych, w zależności od kierunku odchylenia od pionu, pozostałe zaś obwody pozostawia rozwarte.The sensor according to the invention can be used as a switch, in which the movable element 3 closes only one of the electrical circuits, depending on the direction of deviation from the vertical, and leaves the other circuits open.

Jeżeli elektrody górna 6b i dolna 6a są odizolowane od siebie elektrycznie można podać na nie potencjały o różnych wartościach - przykładowo 0 i 6 V odpowiadające logicznemu „0” i „1”. WówczasIf the upper 6b and lower 6a electrodes are electrically insulated from each other, potentials of different values can be applied to them - for example, 0 and 6 V corresponding to logical "0" and "1". Then

PL 239 205 B1 można wykryć nie tylko fakt odchylenia od pionu, ale również orientację samego czujnika tj. określić, czy nie został zamontowany do góry nogami. Taka konfiguracja ułatwia też wykrywanie zwartych elektrod - można to zrobić za pomocą prostego układu logicznego, którego przykład ukazano na Fig. 3. Wejścia układu logicznego ukazanego na Fig. 3 oznaczone EL1 i EL7 odpowiadają elektrodzie górnej 6b oraz dolnej 6a z Fig. 1a-d, natomiast wejścia oznaczone EL2, EL3, EL4, EL5, i EL6 odpowiadają elektrodom bocznym 5a, 5b, 5c, 5d, 5e z Fig. 1a-d.By detecting not only the deviation from the vertical, but also the orientation of the sensor itself, i.e. whether it has not been mounted upside down, can be detected. This configuration also facilitates the detection of shorted electrodes - this can be done with a simple logic, an example of which is shown in Fig. 3. The logic inputs shown in Fig. 3 labeled EL1 and EL7 correspond to upper electrode 6b and lower electrode 6a in Fig. 1a-d. while the inputs labeled EL2, EL3, EL4, EL5, and EL6 correspond to side electrodes 5a, 5b, 5c, 5d, 5e of Figs. 1a-d.

Wejścia EL2, EL3, EL4, EL5, i EL6 odpowiadające sąsiadującym ze sobą elektrodom bocznym łączy się parami z wejściami odpowiednich bramek AND IC1A, IC3A, IC5A, IC7A, IC9A i odpowiednich bramek NOR IC2A, IC4A, IC6A, IC8A, IC10A oraz z potencjałem 0 i 6V za pośrednictwem układów czterech rezystorów - odpowiednio układu rezystorów: R1, R2, R3, R4, układu rezystorów: R5, R6, R7, R8, układu rezystorów: R9, R10, R11, R12, układu rezystorów: R13, R14, R15, R16 i układu rezystorów: R17, R18, R19, R20). Wartości dobiera się tak, że w sytuacji, gdy elektroda boczna nie jest zwarta ani z elektrodą górną ani z dolną, na wejście odpowiadających jej dwóch bramek AND jest podawany sygnał mniejszy niż 3 V, zaokrąglany przez bramkę do logicznego „0”, zaś na odpowiadające jej dwie bramki NOR sygnał większy od 3 V zaokrąglany do logicznego „1”. W takiej sytuacji, logiczne „0” występuje na wyjściach PAD7 - PAD16 przypisanych parom elektrod, które nie są zwarte. Wyjścia PAD7 - PAD16 odpowiadają kątowym położeniom czujnika, dla których ruchomy element 3 znajduje się w jednym z wewnętrznych rogów graniastosłupa, jaki tworzy układ elektrod czujnika. Natomiast zawsze któraś z par elektrod bocznych jest zwarta z elektrodą górną lub dolną. Kiedy dana para elektrod bocznych jest zwarta przez ruchomy element 3 i połączona z potencjałem +6 V, czyli z elektrodą górną, za pośrednictwem odpowiedniego rezystora R1, R5, R9, R13, R17, to na wejściu bramki AND odpowiadającej tej parze elektrod pojawiają się wartości potencjału zaokrąglane do „1” i na jednym wyjściu układ zwraca „1”. Jeżeli ta para elektrod jest połączona za pośrednictwem ruchomego elementu 3 z potencjałem 0 V, czyli z elektrodą dolną, to wówczas na wejściu bramki NOR odpowiadającej tej parze elektrod pojawiają się dwa sygnały zaokrąglane do logicznego „0”, bramka zwraca „1” i na innym wyjściu całego układu pojawia się logiczne „1”. Taką sytuację można zapewnić przykładowo stosującInputs EL2, EL3, EL4, EL5, and EL6 corresponding to the adjacent side electrodes are connected in pairs to the inputs of the respective AND gates IC1A, IC3A, IC5A, IC7A, IC9A and the corresponding NOR gates IC2A, IC4A, IC6A, IC8A, IC10A and to the potential 0 and 6V via four resistor systems - resistor system: R1, R2, R3, R4, resistor system: R5, R6, R7, R8, resistor system: R9, R10, R11, R12, resistor system: R13, R14, respectively, R15, R16 and resistor chip: R17, R18, R19, R20). The values are chosen so that in a situation where the side electrode is not short-circuited to neither the upper nor the lower electrode, a signal of less than 3 V is fed to the input of the corresponding two AND gates, rounded by a gate to a logical "0", and to the corresponding its two NOR gates, a signal greater than 3 V rounded to a logical "1". In this case, a logic "0" is present at the outputs PAD7 - PAD16 assigned to the electrode pairs that are not short-circuited. The outputs PAD7 - PAD16 correspond to the angular positions of the sensor for which the movable element 3 is located in one of the inner corners of the prism formed by the sensor electrode system. However, one of the pairs of side electrodes is always short-circuited with the upper or lower electrode. When a given pair of side electrodes is short-circuited by the moving element 3 and connected to the +6 V potential, i.e. to the upper electrode, through the appropriate resistor R1, R5, R9, R13, R17, the values of the potential is rounded to "1" and the system returns "1" on one output. If this pair of electrodes is connected via a movable element 3 to a potential of 0 V, i.e. to the lower electrode, then at the input of the NOR gate corresponding to this pair of electrodes, two signals appear, rounded to the logical "0", the gate returns "1" and on another logical "1" appears on the output of the entire circuit. Such a situation can be ensured by, for example, using

R1=R5=R9=R13=R17 = 2 MQ, ‘R1 = R5 = R9 = R13 = R17 = 2 MQ, '

R2=R6=R10=R14=R18 = 1 MQ,R2 = R6 = R10 = R14 = R18 = 1 MQ,

R3=R7=R11=R15=R19 = 1 MQ,R3 = R7 = R11 = R15 = R19 = 1 MQ,

R4=R8=R12=R16=R20 = 2 MQ.R4 = R8 = R12 = R16 = R20 = 2MQ.

Na Fig. 4 ukazano przekrój perspektywiczny przykładowej realizacji czujnika w wersji z lekko wypukłymi elektrodami. Poza elementami przedstawionymi na Fig. 1 i 2, dodatkowo wyszczególniono wkręty 7a, 7b, 8c umożliwiające przymocowanie kabli elektrycznych do każdej z elektrod (wkręty 8a, 8b, 8d, 8e nie są widoczne). W przedstawionym położeniu element ruchomy 3 zwiera ze sobą elektrodę dolną 6a oraz boczne 5c, 5b, z tym, że 5b jest niewidoczna na rysunku.Fig. 4 shows a perspective section of an exemplary embodiment of the sensor in a version with slightly convex electrodes. In addition to the elements shown in Figs. 1 and 2, the screws 7a, 7b, 8c for attaching the electric cables to each of the electrodes are further detailed (the screws 8a, 8b, 8d, 8e are not visible). In the position shown, the movable element 3 has the bottom 6a and the side 5c, 5b electrodes, but 5b is not visible in the drawing.

Znawca na podstawie powyższego opisu jest w stanie rutynowo zaproponować różne konfiguracje i warianty czujnika według wynalazku obejmujące zastosowanie elektrod o określonych kształtach, wykonanych z dostępnych w stanie techniki materiałów o korzystnych właściwościach. Jest również w stanie zaproponować rozkład elektrod bocznych adekwatny do zastosowania. Rutynowo wykona korpusy w różnych kształtach i z różnych materiałów, a także zaproponuje układy logiczne i mikroprocesorowe do odczytywania wskazań czujnika. Jest zatem jasnym, że przedstawione powyżej przykłady ujawniają wynalazek określony załączonymi zastrzeżeniami, nie ograniczając w żaden sposób zakresu ochrony, który z tych zastrzeżeń wynika.A person skilled in the art from the above description is able to routinely propose various configurations and variants of the sensor according to the invention including the use of electrodes with specific shapes, made of materials available in the art having advantageous properties. It is also able to propose the distribution of side electrodes adequate to the application. It will routinely make bodies in various shapes and materials, and propose logic and microprocessor circuits for reading sensor indications. It is therefore clear that the above examples disclose the invention as defined by the appended claims, without in any way limiting the scope of protection that follows from these claims.

Claims

1.A vertical deviation sensor provided with a movable element (3) with a spherical surface made of conductive material placed in a space (2) limited by a set of electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 6a, 6b) which is provided with a substantially angular or cylindrical body (1) and the upper, lower and side electrodes therein, characterized in that the body has openings (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) arranged along its periphery, in which at least three side electrodes are placed (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) spaced so that the spacing between adjacent side electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) is smaller than the diameter of the movable element (3) and the upper base with the upper electrode (6b) and the basis

The lower electrode with the lower electrode (6a), the upper electrode (6b) and the lower electrode (6a) are spaced at a distance greater than the diameter of the movable element (3) and are smooth and placed opposite to each other, and adjacent to each other side electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e) are insulated from each other and from the upper (6b) and lower (6a) electrodes or short-circuited only by the movable element (3), the upper and lower electrodes are convex and electrically insulated from each other, and to the side (5a, 5b, 5c, 5d, 5e), upper (6b) and lower (6a) electrodes there is a multi-output logic circuit connected, returning on one of the outputs a logic signal identifying a short circuit of the side electrodes with the upper or lower one.

2. The sensor according to claim The method of claim 1, characterized in that it comprises five holes (4a, 4b, 4c, 4d, 4e) on the circumference of the body (1) and five side electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e).

3. The sensor according to claim 3. A method as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the movable element (3) with the spherical surface (3) is a ball made of a bearing steel.

4. The sensor according to claim 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the movable element (3) with a spherical surface is a ball made of a ceramic material covered with an electrically conductive layer.

5. A sensor according to any of claims 1 to 5. from 1 to 3, characterized in that the movable element (3) is covered with a protective layer.

6. A sensor according to any of the claims A method according to any of the claims 1 to 5, characterized in that at least one of the electrodes (5a, 5b, 5c, 5d, 5e, 6a, 6b) and the movable element (3) is covered with a protective layer.

7. The sensor according to claim The process of claim 5 or 6, characterized in that the protective layer comprises a material selected from the group consisting of gold, platinum and iridium.

8. The sensor according to p. The method of claim 7, characterized in that the upper (6b) and lower (6a) electrodes are electrically insulated from each other.