SE439371B - Kapacitiv lutningsindikator - Google Patents

Description

7802015-8 2 omvandlingen har vidare gjort dessa anordningar speciellt olämp- liga för användning i kompakta lutningsindikerande instrument.

Föreliggande uppfinning undviker tidigare nackdelar vilka man i allmänhet finner i tidigare tillgängliga instrument och ger en robust, kompakt anordning med låg effektförbrukning, samt ger hög noggrannhet och direkt digitalavläsning av tillstånd för tyngdkraftsrelaterade positioner över ett område av plus eller minus 200 bågsekunder.

Sammanfattningsvis används i föreliggande uppfinning en ka- pacitiv givare i en lutningsindikerande anordning innefattande ett par kondensatorer vilka delar en gemensam pendelupphängd platta, och som resultat härav individuellt uppvisar större och mindre grad av kapacitiv koppling när de tyngdkraftpåverkade rö- relserna hos den upphängda plattan mellan de två fasta samverkan- de plattorna hos respektive kondensatoranordningar växlar avstånd mellan dessa element.

'Via lämpliga klockade omkopplingsorgan placeras först den ena och sedan den andra växelvis i en oscillatorkrets vilken ge- nererar ett pulståg vid en frekvens bestämd genom avståndet mel- lan den gemensamma plattan och den fasta plattan i operativ för- bindelse med kretsen. På detta sätt åstadkommes effektivt ett par oscillatorer vilka delar väsentligen alla huvudkomponenterna, för att därvid säkra en hög grad av relativ stabilitet hos frekven- serna.

En reversibel räknare i anordningen mottager pulstågen vilka genereras via oscillatorkretsen och ackumulerar ett pulstal när- helst upp- eller nedräkningsmoden aktiveras. När omkopplingsorga- net åstadkommer växlingen mellan kondensatorerna i oscillator- kretsen, växlar det samtidigt räknaren mellan uppräknings- och nedräkningstillstånd, för att därvid aktivera och öka räknetalet vid den första oscillatorfrekvensen följd av ett avtagande räkne- tal vid den andra oscillatorfrekvensen. ' I slutet av vardera sådan räknecykel kan det återstående nettoräknetalet, vilket visar skillnaden i plattavstånd och så- lunda pendelförflyttningen i den kapacitiva givaren, låsas och strobas över till en presentationsenhet eller annat utnyttjnings- organ, där vilken som helst avvikelse vid anordningen från en lutningsposition kan visas digitalt. 7802013-8 3 I de bifogade ritningarna visar fig l en utföringsform av den kapacitiva givaren enligt föreliggande uppfinning, fig 2 en anna vy i tvärsnitt av givaranordningen taget längs 2-2 i fig l, och fig 3 ett schema över elektroniken som används i en utfö- ringsform av den lutningsindikerande anordningen enligt förelig- gande uppfinning.

En utföringsform av lutningsavkännaren, eller kapacitiva gi- varanordningen vilken används i föreliggande uppvinning visas i fig l och omfattar en kropp 10 vilken har en central kavitet i vilken pendelaggregatet l5 är upphängt via spännbandsdelar l4 för tyngdkraftskänslig rörelse med vilken som helst ändring i lut- ningsposition för kroppen 10. Pendelaggregatet 15, vilket tydli- gare kan ses i fig 2, innefattar ett par pendelstöddelar 16 i vilka är fästad en ände av axelutskotten hos pendeldelen 18 vil- ken tjänar som en gemensam kondensatorplatta för givaren. Stöden 16 är slitsade vid 17 för att medge fästbultarna 19 att åstadkom- ma ett fast ingrepp för axeländarna hos pendeldelen 18.

De övre utvidgningarna av upphängningsbanden 14 är fästade mot kroppen 10 via klämstången 12, medan de undre utvidgningarna på dessa band är lateralt förskjutna och fästade mot pendelstöd- delar 16 via nedre spännstången 13. Det sålunda uppbyggda pendel- aggregatet l5 och speciellt den gemensamma kondensatorplattdelen 18 kan fritt röra sig inom håligheten i kroppen 10 som framgår av fig 2 med vilken som helst lutning eller förskjutning av kroppen 10 från en gravitationshorisontell position.

Fästade inom kaviteten i kroppen 10 medelst fjäderringar 22 är plattor 21 av isolerande material som glas eller liknande, vilka uppbär fasta kondensatorplattor 23, 24 i form av belagda metallfilmer. I den beskrivna utföringsformen är sådana metall- filmer, vilka har en area av omkring 650 mm2 åtskilda från en gemensam platta 18 med omkring 125,um när anordningen befinner sig i ett nivellerat tillstånd, vilket ger ett kapacitansvärde i vardera givarkondensatorn som uppgår till omkring 50 pP. Utvidg- ningarna hos metallfilmskikten på plattorna 21 till den tillgäng- liga yttre delen av metallplattutrymmet som vid tungorna 25 ger kontakt för anslutningsledningar 26, 27. Jordkontakten för kret- PoOR QUÅLWY 7802013-8 4 sen som hör samman med avkännaren är utförd genom upphängnings- metallband 14 av beryllium-koppar t ex till den ledande kroppen 10. Metallfilmbeläggningarna är företrädesvis begränsade i stor- lek för att utsträcka sig till ej mindre än omkring 3 mm från kroppen 10 för att minimera strökapacitanser vilka negativt skulle kunna påverka linjäriteten hos det avsedda gensvaret för givaren. Ändlocken 28 vilka endast visas i fig 2 gör lutningssen- sorn komplett och bildar därvid ett robust dammtätt aggregat.

I den kapacitiva givaranordningen, vilken beskrivits ovan, ser man att den innefattar ett organ varigenom en gemensam kon- densatorplatta kan förflyttas under påverkan av gravitationen mellan två samverkande kondensatorplattor 23, 24 för att ge varierande kapacitiva kopplingar vilka kan användas som en indi- kering av förflyttningen av givaraggregatet från en horisontell position. Den fysiska stabiliteten hos denna sensor förhöjs genom uppbyggnadsmässiga särdrag som t ex den vinklade uppställningen av upphängningsbanden 14 vilka speciellt motverkar radiell rörel- se hos den upphängda plattdelen 18. Det täta avståndet, t ex om- kring 95 pnn mellan periferin hos plattan l8 och väggarna i hål- rummet vilket bildas genom kroppen 10 och plattorna 21, ger vidare enkelt och effektivt både luftdämpning och mekanisk inne- slutning för att eliminera vibrationssvängningar hos pendeln och skydd mot skador vilka härrör från skakningar och stötar.

I fig 3 visas det kapacitiva givaraggregatet enkelt schema- tiskt som en gemensam platta 18 och samverkande plattor23, 24 vilka är placerade i kretsen med återstoden av elektroniken medelst ledarna 26, 27.

En fyrkantvågoscillator är t ex uppbyggd av Schmitt-trigger- element som MM74Cl4 från National Semiconductor, anslutna i krets med plattan 23, 24 hos den kapacitiva givaren genom lågkapacitiva bilaterala omkopplare 33, 34 som CD40l6 från RCA Corporation. Me- delst tilläggskretsar beskrivna nedan slutes en av vardera om- kopplarna 33, 34 växlande med bl a under räkneperioderna sålunda orsakande oscillatorn 31 att generera pulståg vilka varierar i frekvens t ex mellan 15 och 25 KHz i överensstämmelse med den ka- pacitiva kopplingen mellan den pendelupphängda gemensamma plattan 18 och respektive kondensatorplattor 23, 24. Pulstågutsignalen från oscillatorn 31 ledes till klockingångsanslutningen C på upp- 7802013-8 5 ned-räknaren 36 vilken t ex kan vara en anordning från Hughes Aircraft Company under beteckningen HCTR40l0.

En andra fyrkantvågoscillator 32 anordnad att mata ett puls- tåg av konstant frekvens av omkring 4 KHz tjänar som en huvud- klocka i lutningsindikeringsanordningen. Klocksignalen ledes genom en konventionell dividerare till en omkopplingsstyranord- ning 35 vilken t ex kan vara ett fyrastegs skiftregister som CD40l5 från RCA Corporation,och det lågfrekventa pulståget med en frekvens omkring 1 Hz fortsätter till omkopplaren 33, 34 längs parallella ledare, innefattande inverteraren 37, och åstadkommer samtidig öppning och slutning av respektive omkopplaren 33, 34.

Kondensatorerna 23, 24 placeras sålunda på fast tidbas upprättad genom styranordningen 35 i oscillatorkretsen 31 för att närhelst sensorn befinner sig utom nivå ge ett par varierade frekvenspuls- tåg som tidigare beskrivits. Det inses naturligtvis att ett lut- ningstillstånd hos sensorn kommer att resultera i ett par växlan- de pulståg av lika frekvens.

Ett tåg av omkopplingspulser vilka är synkroniserade med om- kopplingen mellan kondensatorplattorna 23, 24 ledes till upp-ned- räkningsstyranslutningen U/D på räknaren 36. Som resultat härav pålägges vardera av de två pulstågen från oscillatorn 31 räknaren för att växlande åstadkomma en uppräkning vid den första frekven- sen och en omkastad nedräkning vid den andra pulsfrekvensen.

Under vardera räkneperioden åstadkommas därför ett nettoräknetal vilket står i direkt förhållande till graden avvikelse hos givar- anordningen från en sann gravitationshorisontalposition.

En serie pulser styrda till ingångsanslutningen L på räkna- ren 36 är ytterligare synkroniserade med upp-nedräkningsomkopp- lingssekvensen genom funktionen hos skiftregisteranordningen 35 och logiska element innefattande NOR-grinden 38 och inverterarna 39 för att styra låsfunktionen vilken uppdaterar och håller netto-upp-nedräknetalet genom den följande räkneperioden. En strobpuls, antingen genererad inom kretsen eller som en styrsig- nal härrörande från yttre elektronik, vilken ej är visad, verkar på så sätt att den vidarebefordrar upp-nedräknetalsindikeringen på graden fellutning som digitala data till konventionella driv- steg och synliga presentationselement vilka alla generellt är visade vid 41. Lämpliga omräkningsfaktorer beroende på det , i 'FY 'PGOR QÜN” L 7802015-8 6 aktuella räknefrekvensområdet pålägges presentationskretsarna för att åstadkomma en slutlig utläsning av den aktuella avvikelsen från sann horisontal direkt i konventionella enheter som bågse- kunder, Efter överföringen av digitala data från räknaren 36 till presentatíonsanordningen 41 ledes en ytterligare utsignal vilken är synkroniserad genom styranordningen 35 till återställnings- funktionsingångsanslutningen RST hos räknaren 36 för att rensa räknaren innan start av vardera följande upp-ned-räkningsperiod.

Utöver den verkliga presentationen av lutningsavvikelse vid 41 kan lutningsindikatorn enligt föreliggande uppfinning användas för att ge digitala data till ett samhörande större instrument antytt vid 51. På detta sätt kan föreliggande anordning användas för att tillföra sådana avvikelsedata vilka möjliggör för det större användningsinstrumentet att åstadkomma lämplig korrektion i totalposition eller presentation av funktion.T ex ger inför- livning av föreliggande lutningsindikator som en generator av digitala data vilka utvisar avvikelser från sann horisontalposi- tion i ett övervakningsinstrument ett medel varigenom den digita- la utsignalen hos föreliggande anordning direkt kan införlivas i uppmätta höjddata för att ge en sann avläsning av höjder som upp- mäts i övervakningssystemet.

Claims (8)

1. a) b) c) M e) a) b) C) d) e) f) s) 7802013-8 7 PATENTKRAV Lutningsindikator, k ä nrxe t e c k n a d av en kapacitiv lutningssensor innefattande ett par kon- (23, 24) inkluderande ett gemensamt, upphängt plattelement (18), organ (31) bildande en oscillatorkrets med en kondensator densatorer pendel- i sensorn, organ (32, 35, 33, 34) för att regelbundet, omväxlande placera den ena och den andra av sensorkondensatorerna i oscillatorkretsen, organ (36) anslutna till utgången av oscillatorkretsen för ackumulering av räknetal från oscillatorkretsens ut- signal åstadkomma under respektive tidsperioder då var och en av sensorkondensatorerna (23, 24) befinner sig i kretsen och för bestämning av skillnaden mellan respekti- ve räknetal som ackumulerats på detta sätt, och organ (41, 51) utnyttjande nämnda räknetalsskillnad för bildande av en svarssignal indikerande avvikelsen av sensorn från en referensriktning.

2. Lutningsindikator, k ä n n e t e c k n a d av en kapacitiv lutningssensor innefattande ett par konden- satorer (23, 24) inkluderande ett gemensamt, hängt plattelement (18), organ (31) bildande en första oscillatorkrets med en kon- pendelupp- densator av sensorn, manövrerbara omkopplingsorgan (33, 34) för omväxlande in- koppling av den ena och den andra av sensorkondensatorer- na i den första oscillatorkretsen, organ (32) bildande en andra oscillatorkrets med en ut- signal som har i huvudsak konstant frekvens, ett första räknarorgan anslutet till utgången av en av oscillatorkretsarna, ett organ (35) känsligt för ett förutbestämt antal räkne- steg i det första räknarorganet i och för aktivering av nämnda omkopplingsorgan (33, 34), ett organ (36) anslutet till utgången av den andra oscil- 7-802013-8 h) a) b) a) b) c) d) e) 8 latorkretsen för ackumulering av räknetal av utsignalen från den andra av nämnda oscillatorkretsar åstadkomna under respektive tidsperioder när var och en av nämnda sensorkondensatorer är inkopplad i den första oscillator- kretsen samt för bestämning av skillnaden mellan respek- tive räknetal som ackumulerats på detta sätt, och organ (41, 51) som utnyttjar räknetalsskillnaden för tillhandahållande av ett gensvar indikerande sensorns av- vikelse från en referensriktning.

3. Lutningsindikator enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av en reversibel räknare (36) ansluten till utgången av oscillatorkretsen, organ (35) för omkoppling av räknaren mellan dess upp- och nedräknande moder samtidigt med alterneringen av kon- densatorerna.

4. Lutningsindikator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att lutningssensorn innefattar ett kroppselement (10) med en central horrning, ett par stödelement (16) i längdriktningen åtskilda från borrningen, ett elektriskt ledande plattelement (18) monterat mellan stödelementen inuti och sträckande sig vinkelrätt mot borrningen, ett organ (14) som sträcker sig mellan kroppen och respektive stödelement och hänger upp stödelementen och det stödda plattelementet för longitudinell rörelse i borrningen, ett par stationära elektriskt ledande plattelement (23, 24) fixerade vinkelrätt i borrningen och som med borr- ningens vägg bildar en kavitet som tätt omsluter det upp- hängda plattelementet, varigenom ett par kondensatorer bildas med hjälp av det upphängda plattelementet och en luftdämpning av dess longitudinella rörelse åstadkommas, och 7302013-s 9 f) elektriska ledningsorgan som förbinder kavitetens yttre med respektive stationära och upphängda plattelement.

5. Lutningsindikator enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d BV element fästade vid kroppselementet för att täcka respektive ändar av dess borrning, varigenom bildas ett i huvudsak luft- att lutningssensorn vidare innefattar ett par täckplatt- tätt hölje för stödet och plattelementen.

6. Lutningsindikator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d visuella digitala presentationselement (41) och drivkret- 6. av sar härför.

7. äV Lutningsindikator enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d ett vinkelberäknande och presenterande organ som utgör en del av ett övervakningssystem.

8. Lutningsindikator enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av a) ett organ (31) bildande en oscillatorkrets vars utsignal- frekvens är känslig för värdet av kondensatorn i kretsen, b) ett kapacitivt lutningskänsligt organ innefattande en ledande platta (18) som är pendelupphängd mellan ett par relativt fixa parallella ledande plattor (23, 24), vari- genom bildas ett par kondensatorer vars värde varierar i motsatta riktningar såsom ett resultat av den gravita- tionskänsliga rörelsen av den upphängda plattan mellan de fixa plattorna, c) ett omkopplingsorgan (33, 34) för omväxlande anslutning av den ena och den andra kondensatorn i nämnda kondensa- torpar i oscillatorkretsen under i huvudsak lika långa tidsintervall, i och för påverkan av utgångssignalfrek- vensen i enlighet med det ena eller det andra värdet av kondensatorerna, d) ett reversibelt räknarorgan (36) kopplat till oscillator- kretsens utgång, e) ett organ (35) synkroniserat med omkopplingsorganen för reversering av räknarorganets räkningsriktning samtidigt ......_.-._..____...., PQQR QUALITY '7so2o13-8 10 med omkopplingen mellan kondensatorerna, i och för åstad- kommande av en ökande räknarställning vid den oscillator- utgångsfrekvens som påverkas av den ena kondensatorn och en minskande räknarställníng vid den oscíllatorutgångs- frekvens som påverkas av den andra kondensatorn samt för erhållande av en nettoräknarställning indikerande det lutningskänsliga organets avvikelse från en referensrikt- ning..