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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft einen Neigungssensor.
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II. Technischer Hintergrund
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Neigungssensoren
werden benötigt,
um die Winkelstellung von beweglichen Aggregateteilen ständig zu überwachen,
beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Bauteilen wie Kranarmen,
Arbeitsplattformen und ähnlichem.
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Neigungssensoren
gibt es in unterschiedlichen Bauformen:
Früher wurde häufig Quecksilber dazu verwendet, um
innerhalb eines Neigungssensors die sich ändernde Lage des Quecksilbers
zu detektieren. Aus Umweltschutzgründen ist in den meisten Fällen die Anwendung
solcher Quecksilber-Sensoren
jedoch nicht mehr zulässig.
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Seitdem
werden meistens Pendelsensoren benutzt. Dabei stellt sich ein Pendel
entsprechend der momentan wirkenden Schwerkraft immer genau lotrecht
ein, gegebenenfalls gedämpft,
indem sich das Pendel in einer mit Dämpfungsfluid gefüllten Dämpfungskammer
befindet.
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Auf
der Lagerungsachse des Pendels, die die Pendelkammer in Richtung
Sensorkammer durchdringt, befindet sich in der Sensorkammer ein winkelsensitives Element,
dessen Drehlage detektiert wurde, beispielsweise eine Inkrementaldrehscheibe,
die von einem Lesekopf abgetastet wird.
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Nachteilig
dabei war die dauerhaft dichte Durchführung der Pendelwelle durch
die Trennwand und die dauerhafte Leichtgängigkeit der Lagerung der Pendelachse,
die erst eine schnelle Anpassung der Pendellage an die Schwerkraft,
auch bei nur geringen Winkelveränderungen,
ermöglicht.
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Daneben
ist es aus der
DE 203 14 275 bekannt,
die Pendelachse nicht mehr durch die Trennwand in die Sensorkammer
hineinzuführen,
sondern innerhalb der Pendelkammer einen Magneten auf der Pendelachse
anzuordnen, und die Drehlage dieses Magneten kontaktlos durch die
nicht magnetisierbare Trennwand hindurch mittels eines magnetosensitiven
Sensors abzutasten, der sich in der Sensorkammer gegenüberliegend
befindet.
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Auch
hier besteht nach wie vor das Problem, dass relativ hohe Lagerungskräfte in einer
kleinen zentralen Lagerungsachse dauerhaft und bei äußerst geringer
Haftreibung aufgenommen werden sollen, um das Pendel auch bei geringsten
Winkelabweichungen ausschlagen zu lassen.
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Des
Weiteren ist es bekannt, als magnetosensitives Element einzelne
Hall-Elemente, also Hall-Effekt-Sensoren
zu benutzen, wie es beispielsweise in der
US-Patentschrift 5 365 671 beschrieben ist.
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Ein
einzelner Hall-Sensor kann jedoch nur die Intensität des Magnetfeldes,
in der er sich befindet, messen und das Messergebnis ist damit sehr stark
von der Entfernung des Hall-Sensors von dem auslösenden Magneten abhängig.
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Aus
diesem Grund ist im vorliegenden Fall der Bewegungskörper, der
sich entsprechend der Schwerkraft ausrichtet und an dem der Magnet
angeordnet ist, in einem sehr eng umgebenden Führungsgehäuse aufgenommen. Um dabei die
Reibung in den angrenzenden Führungsflächen zu
vermindern, ist der Hohlraum, in dem sich der Bewegungskörper befindet,
vollständig
mit einem Fluid gefüllt, dessen spezifisches
Gewicht dem des Schwenkkörpers
entspricht, so dass dieser in dem Fluid quasi gewichtslos schwebt
(Spalte 2, Zeile 45 der
US-Patentschrift
5 365 671 ). Es handelt sich somit also um ein Pendel mit
einem Schwerpunkt außerhalb
des Drehpunktes des Schwenkkörpers,
dessen Lagerung durch die außen
umgebenden Führungsflächen gebildet
wird.
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Des
Weiteren ist es davon abweichend bekannt, den Gebermagneten in einem
Schwimmer anzuordnen. All diese Sensoren messen jedoch eine Winkelabweichung
in nur einer Messrichtung.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es
ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung,
einen Neigungssensor zu schaffen, der in zwei Raumrichtungen gleichzeitig
die Winkelabweichung misst sowie einfach und kostengünstig in
der Herstellung ist.
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b) Lösung
der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Für die Zwecke
der vorliegenden Erfindung werden folgende Begriffe definiert:
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Mittelachse des Wirkelementes:
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- – Bei
der Sensoreinheit bzw. dem darin wirksamen Sensorelement, ist dies
die Lotrechte auf den beiden zueinander orthogonalen, messbaren Raumrichtungen
in denen das Sensorelement in der Lage ist, die magnetische Fließdichte
zu messen und die somit die Messebene aufspannen, also die Orthogonale
zur Messebene,
- – bei
einer Ausführung
des Sensorelementes als Sensorchip also die Lotrechte, die in der
Aufsicht betrachtet durch die Mitte des Sensorelementes verläuft;
- – beim
Magneten ist die Mittelachse die Achse der Polrichtung, also die
Verbindungslinie zwischen der Mitte des Nordpoles und der Mitte
des Südpoles;
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Mittelpunkt des Wirkelementes:
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- – Beim
Sensorelement ist es der geometrische Mittelpunkt des in der Aufsicht
betrachteten Sensorelementes,
- – Beim
Magneten ist es der auf der Mittelachse in der geometrischen Mitte
zwischen Nordpol und Südpol
liegende Punkt.
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Schwenkpunkt des Wirkelementes:
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- – Bei
zwei relativ zueinander verschwenkbaren Elementen, hier den Wirkelementen,
ist es lediglich eine Frage der Definition, welches der beiden Elemente
als feststehend und welches aus dem gegenüber verschwenkbar betrachtet
wird. In aller Regel erfolgt das Verschwenken des schwenkbaren Elementes
um einen immer gleich bleibenden Schwenkpunkt und damit bewegt sich
das verschwenkbare Element auf einer sphärischen Fläche, sofern der Abstand von
diesem Schwenkpunkt immer gleich bleibt, was ebenfalls in aller Regel
der Fall ist.
- Der Schwenkpunkt ist somit derjenige Punkt, auf den die Mittelachse
des Wirkelementes in jedem Bewegungszustand hinweist.
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Schwenkachsen des Wirkelementes:
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- – Die
Verschwenkbarkeit um einen Schwenkpunkt kann in der Praxis dadurch
realisiert werden, dass das Wirkelement um zwei separate Schwenkachsen,
die sich im Schwenkpunkt kreuzen, nach Art einer Kardangelenkes, verschwenkbar
gelagert ist, sodass das Wirkelement jede beliebige Stellung auf
der sphärischen
Fläche
um den Schwenkpunkt einnehmen kann, auf der es liegt.
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Durch
Verzicht auf die mechanische Lagerung wie bei einem Pendel mit einem
umschließenden,
meist auf einem kleinen Durchmesser befindlichen, Lager können die
Haftkräfte
bei einem Schwimmer oder Schwebekörper sehr viel niedriger gehalten
werden, abhängig
von der relativen Formgestaltung des Schwimmers zur Schwimmerkammer, aber
auch des verwendeten Fluids und weiterer Hilfsmittel.
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Der
Kontakt zwischen Schwimmer und Schwimmerkammer findet, wenn überhaupt,
dann nur am Außenumfang
des Schwimmers statt und damit auf einem bereits wesentlich größeren wirksamen Durchmesser
als bei der eher punktförmigen,
zentralen Lagerung eines Pendels, und zusätzlich kann die Größe der Kontaktfläche dabei
geringer ausfallen. Der mechanisch sehr viel einfachere Aufbau eines
in einem Fluid untergebrachten Schwimmers gegenüber einer mechanisch exakt
ausgeführten
Lagerung wird erkauft mit dem Nachteil, dass damit die Schwenkachse
des Schwimmers weniger exakt fixiert werden kann als mittels einer
mechanischen Lagerung, auf der anderen Seite jedoch dies vernachlässigbar
ist angesichts der Erfassungsgenauigkeit, mit der der magnetostriktive
Sensor die Drehlage des Gebermagneten durch die Trennwand hindurch
detektiert.
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Des
Weiteren wird der Nachteil eines Pendels vermieden, dass bei einem
Pendel die Größe des Rückstellmoments
von der Masse des Pendels und deren Abstand von der Schwenkachse
nach unten abhängt.
Dadurch muss ein Pendel immer zwangsweise eine Mindesterstreckung
in vertikaler, also radialer Richtung aufweisen.
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Wie
bei einem Pendel kann der Schwimmer so in Relation zum Fluid ausgebildet
sein, dass sich sein Schwerpunkt unterhalb des Fluidspiegels befindet.
Dann stellt sich der Schwimmer analog zum Flüssigkeitsspiegel ein, der Flüssigkeitsspiegel
wiederum stellt sich abhängig
von der Schwerkraft ein.
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Die
andere Möglichkeit
besteht darin, dass sich bei dem Schwimmer der Schwerpunkt genau
auf Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
befindet, dementsprechend der Schwimmer nicht nur eine, sondern
mehrere unterschiedliche Drehlagen innerhalb des Fluids einnehmen
kann, drehbar um seine Längsachse,
die auf Höhe
des Fluidspiegels liegt. Insbesondere kann er rotationssymmetrisch
und damit instabil ausgebildet sein, was jedoch für die Funktion
des Sensors nicht negativ ist.
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Durch
Verwendung eines Multi-Hall-Sensors, insbesondere eines Multi-Hall-IC – sei es
in der Bauform als vertikaler oder horizontaler Multi-Hall-IC – kann ein
statischer Gradient gemessen werden, also wie stark die Intensität des vorliegenden
Magnetfeldes sich über
die Erstreckungslänge
des Sensors, insbesondere eines IC, zu- oder abnimmt, woraus die
Neigung der erzeugenden Magnetfeld-Achse relativ zur Ausrichtung
des Sensors berechenbar ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass lediglich die Winkelstellung der Magnetfeldachse
relativ zur Lotrechten auf die Sensorachse, also zur Schwenkachse, detektiert
wird, jedoch können
alle anderen Winkelabweichungen der Magnetfeldachse dagegen das Messergebnis
kaum verschlechtern.
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Dementsprechend
wird in dem Neigungssensor vorzugsweise der Magnet am Schwimmer
so positioniert und darüber
hinaus die Höhe
des Flüssigkeitsspiegels
in Relation zur Eintauchtiefe des Schwimmers so eingestellt, dass
der Magnet auf der Höhe
des Sensors liegt.
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Zusätzlich wird
der Magnet dabei so am Schwimmer angeordnet, dass die Magnetachse
lotrecht zum Fluidspiegel liegt.
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Um
sicherzustellen, dass die Mitte des Magneten immer genau auf Höhe des Sensors
verläuft, ist
generell die Kontur des Schwimmers der Kontur der Schwimmerkammer
möglichst
genau angepasst, um eine Abdriftung des Schwimmers zu vermeiden.
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Dementsprechend
wird der Schwimmer in der Schwimmerkammer auch in Querrichtung gehalten,
beispielsweise indem in der Aufsicht betrachtet die Breite des Schwimmers
nur geringfügig
kleiner ist als die innere Breite der Schwimmerkammer.
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Dadurch
werden auch der verbleibende Freiraum und die Menge an benötigtem Fluid
reduziert, was wiederum die Neigung des Fluids zu einem unkontrollierten
Schwappen bei starken Neigungsausschlägen verringert.
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Um
die Reibung zwischen Schwimmer und den Wänden der Schwimmerkammer zu
reduzieren, kann die Anlage zwischen beiden nur mittels kleinflächiger Vorsprünge wie
etwa punktförmiger
Noppen erfolgen, die entweder an den Innenflächen der Schwimmerkammer oder
den Außenflächen des Schwimmers
angeordnet sind. Durch ein gut schmierendes Fluid wie etwa ein dünnes Öl wird die
Gleitreibung dazwischen zusätzlich
verringert.
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Es
sind dennoch unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen des Schwimmers
selbst möglich.
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Nach
diesen Grundprinzipien ist es auf einfache Art und Weise möglich, einen
zweiachsigen Neigungssensor zu schaffen, indem man ein flächiges Sensorelement,
das in der Lage ist, die magnetische Flussdichte in mindestens zwei
zueinander orthogonalen Raumrichtungen, den so genannten Messrichtungen,
die somit eine Messebene aufspannen, zu messen, verschwenkbar zu
einem Magneten anordnet und die Wirkelemente relativ zueinander
so zu lagern, dass die Mittelachse des einen Wirkelementes immer
auf die Mittelachse, vorzugsweise direkt den Mittelpunkt, des anderen
Wirkelementes zeigt.
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In
der Praxis wird dabei das eine Wirkelement, meist das Sensorelement,
an denjenigen Bauteil, dessen Neigung detektiert werden soll, fest
angeordnet, während
der Magnet, der ja keine elektrischen Zuleitungen benötigt, dem
gegenüber schwenkbar
angeordnet wird, vorzugsweise in Form eines Schwimmers in einer
Flüssigkeit.
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In
der Ausgangslage der beiden Wirkelemente zueinander liegt der Schwenkpunkt
des einen Wirkelementes auf der Mittelachse des anderen Wirkelementes.
Wie bereits oben dargelegt, ist die Mittelachse des Magneten seine
Polachse, während die
Mittelachse des Sensorelementes die Orthogonale zur Messebene des
Sensorelementes ist.
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Die
Bewegbarkeit des einen Wirkelementes relativ zum anderen Wirkelement
muss dabei auf einer definierten und damit reproduzierbaren Fläche erfolgen,
die nicht einmal unbedingt eine gekrümmte Fläche sein muss.
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Bevorzugt
ist jedoch eine sphärische,
also kugelförmige
Fläche,
die an jedem Punkt den gleichen Abstand zum Schwenkpunkt – also dem
Mittelpunkt der sphärischen
Fläche – besitzt,
da dies die Auswertung des Signals wesentlich vereinfacht gegenüber anders
z. B. unregelmäßig geformten
Flächen.
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Die
Verschwenkbarkeit eines der Wirkelemente entlang einer sphärischen
Fläche
um einen Schwenkpunkt kann in der Praxis bei einer mechanischen
Lagerung dadurch erreicht werden, dass das Wirkelement um zwei sich
im Schwenkpunkt kreuzende, insbesondere senkrecht zueinander stehende,
Schwenkachsen schwenkbar gelagert ist, jedoch wird anstelle einer
Lagerung um separate Schwenkachsen die Schwerkraftausrichtung des
einen Wirkelementes dadurch erreicht, dass dieses Wirkelement als
Schwimmer auf einer Flüssigkeit
schwimmt.
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Besonders
gute Resultate lassen sich erzielen, wenn die Sensoreinheit in der
Lage ist, die magnetische Flussdichte nicht nur in zwei, sondern
in allen drei Raumrichtungen zu messen und hieraus die Veränderung
des Magnetfeldes in den beiden Messrichtungen X und Y zu errechnen.
In der Praxis ist das Sensorelement ein integrierter Schaltkreis,
also ein Chip, der flächig
gestaltet ist und somit eine Hauptebene parallel zu seiner größten Flächenerstreckung
besitzt, die in aller Regel auch die Messebene ist.
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Vorzugsweise
sollte die Auswerteelektronik der Sensoreinheit in der Lage sein,
bei einer sphärischen
Bewegung des einen Wirkelementes um das andere Wirkelement herum,
insbesondere des Magneten um das Sensorelement herum, den Einfluss dieser
Bewegung entlang der sphärischen
Fläche
bei der Auswertung zu berücksichtigen.
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Der
Radius der sphärischen
Fläche,
auf der sich das verschwenkbare Wirkelement bewegt, wird vorzugsweise
als Eingangsgröße der Auswerteelektronik
der Sensoreinheit eingegeben.
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In
der Regel ist das Messergebnis umso besser, je geringer der Radius
der sphärischen
Fläche ist,
sodass der Optimalfall darin besteht, den Radius der sphärischen
Fläche
an Null anzunähern,
also den Schwenkpunkt des schwenkbaren Wirkelementes möglichst
nahe, insbesondere in Übereinstimmung, mit
dem Mittelpunkt des anderen Wirkelementes zu bringen.
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Dabei
sind Drehungen des Magneten um eine Achse senkrecht zur Messebene,
insbesondere um seine Polachse, irrelevant und müssen bei der Auswertung nicht
berücksichtigt
werden.
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Im
Folgenden wird davon ausgegangen, dass der Magnet das bewegliche,
verschwenkbare Wirkelement ist und das Sensorelement das feststehende
Wirkelement, ohne jedoch die Erfindung hierauf zu beschränken.
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Um
die gewünschte
Verschwenkbarkeit des einen Wirkelementes, insbesondere des Magneten, zu
realisieren, ist auch die Aufhängung
als Pendel, insbesondere als kardanisch aufgehängtes Pendel, also schwenkbar
um zwei zueinander senkrecht stehende Schwenkachsen, möglich. Dennoch
ist die bevorzugte Ausführungsform
die Anordnung des Magneten an oder in einem Schwimmer, der in einer Schwimmerkammer
in oder auf einer Flüssigkeit schwimmend
sich nach der Schwerkraft ausrichtet.
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Das
Sensorelement ist dabei vorzugsweise außerhalb der Schwimmerkammer,
abgetrennt durch eine Trennwand, angeordnet, wofür die Trennwand lediglich nicht
magnetisierbar sein darf, um das Magnetfeld des Magneten hindurch
treten zu lassen.
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Um
den Schwimmer und damit den Magneten möglichst gut zu führen, ist
die Außenkontur
des Schwimmers an die Innenkontur der Schwimmerkammer angepasst:
Betrachtet
lotrecht zum Flüssigkeitsspiegel
füllt der Schwimmer
die Schwimmerkammer vorzugsweise weitestgehend aus, wobei auf der
Außenseite
des Schwimmers zur Wand der Schwimmerkammer hin kleinflächige Vorsprünge vorhanden
sein können zum
Kontaktieren der Wand der Schwimmerkammer mit möglichst geringer Reibung.
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Die
Schwimmerkammer selbst ist betrachtet in Richtung des Flüssigkeitsspiegels
kreisförmig
oder zumindest kreissegmentförmig
ausgebildet, je nach Größe des zulässigen Schwenkwinkels
des Schwimmers, und somit dreidimensional betrachtet eine Kugel
oder eine an zwei einander gegenüberliegenden Punkten
abgeflachte Kugel.
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Um
eine volle Drehung des Schwimmers in der Schwimmerkammer zu verhindern,
kann in der Schwimmerkammer eine im Normalzustand lotrecht zum Flüssigkeitsspiegel
stehende Schwallwand angeordnet sein, in der auch Durchgangsöffnungen
als Drosselstellen vorhanden sein können.
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Eine
weitere Möglichkeit
besteht darin, die Schwimmerkammer mit zwei schwer mischbaren Fluiden
unterschiedlichen spezifischen Gewichts zu füllen und das spezifische Gewicht
des Schwimmers so zu dimensionieren, dass er auf dem schweren Fluid
schwimmt, also sich im Kontaktbereich der beiden Fluide befindet.
Eine der bevorzugten Ausführungsformen
besteht darin, dass der Schwimmer ein scheibenförmiger, insbesondere kreisscheibenförmiger Schwimmer,
ist und der Magnet im Zentrum des Schwimmers mit einer Polachse
lotrecht zur Scheiben ebene und damit den Flüssigkeitsspiegel angeordnet
ist. Der Schwimmer befindet sich dabei in der zuvor beschriebenen
kugelförmigen
oder abgeflacht kugelförmigen
Schwimmerkammer, während
sich das Sensorelement außerhalb
der Schwimmerkammer mit der Messebene tangential zur kugelförmigen Schwimmerkammer
oder parallel zu einer der abgeflachten Seiten der abgeflacht kugelförmigen Schwimmerkammer
befindet.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Schwimmerkammer eine sphärische Form mit einer sphärischen äußeren und
einer sphärischen
konzentrisch dazu liegenden inneren Begrenzungsfläche, sodass
die sphärische
Schwimmerkammer einen Freiraum in ihrem Zentrum umschließt, in dem
das Sensorelement angeordnet ist.
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Für die Zugänglichkeit
des Sensorelementes in den zentralen Innenraum ist die sphärische Schwimmerkammer
auf einer Seite offen, also im Schnitt betrachtet U-förmig ausgebildet.
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Der
Schwimmer ist dabei flächig
ausgebildet und so dimensioniert, dass er mit der Mitte seiner einen
Haupt-Außenfläche an der
sphärischen
inneren Begrenzungswand der Schwimmerkammer anliegt und mit den
Außenkanten
der anderen Haupt-Außenfläche auf
der Innenseite der äußeren sphärischen
Begrenzungswand der Schwimmerkammer.
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Da
der Magnet in diesem Schwimmer mit einer Polachse senkrecht zur
Hauptebene des flächigen
Schwimmers in dessen Zentrum angeordnet ist, weist der entlang der
sphärischen
Schwimmerkammer bewegliche Schwimmer mit seiner Polachse immer zum
Zentrum der sphärischen
Schwimmerkammer hin, in dem sich das Sensorelement befindet.
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Die
dritte bevorzugte Ausführungsform
unterscheidet sich von der zweiten dadurch, dass in der beschriebenen
sphärischen
Schwimmerkammer kein scheibenförmiger,
sondern ein ringförmiger
Schwimmer angeordnet ist, der so dimensioniert ist, dass das Zentrum
des Ringes mit dem Zentrum der sphärischen Schwimmerkammer übereinstimmt.
Der Schwenkpunkt des ringförmigen
Schwimmers liegt damit im Zentrum der sphärischen Schwimmerkammer, in
der sich in aller Regel wiederum das Sensorelement befindet. Als
Magnet wird in diesem Fall ein Ringmagnet verwendet, der in den
ringförmigen Schwimmer
eingearbeitet ist und dessen Polrichtung lotrecht zur Hauptebene
des ringförmigen
Schwimmers verläuft
und somit auch immer durch das Zentrum der sphärischen Schwimmerkammer und
damit durch das Sensorelement hindurch verläuft.
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Es
handelt sich hier also um einen Magneten, der auf einer sphärischen
Fläche
mit Radius Null um das Sensorelement herum verschwenkbar ist.
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c) Ausführungsbeispiele
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Eine
Ausführungsform
gemäß der Erfindung ist
im Folgenden beispielhaft anhand der Figuren näher beschrieben: Es zeigen
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1: die geometrischen Bewegungsmöglichkeiten
der beiden Wirkelemente relativ zueinander,
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2: eine erste Bauform des Neigungssensors,
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3:
eine redundante Version gegenüber 2,
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4: eine zweite Bauform des Neigungssensors
und
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5: eine dritte Bauform des Neigungssensors.
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Die 1a bis
d zeigen die möglichen
Relativbewegungen der Wirkelemente 8, 9 zueinander:
In 1a ist
das Sensorelement 9 als stillstehend angenommen. Das flächige Sensorelement 8 ist
in der Lage, in den beiden Richtungen der Hauptebene seiner flächigen Erstreckung,
den Messrichtungen X und Y, die Veränderungen der magnetischen
Flussdichte zu messen, und gegebenenfalls auch in der zu dieser
X-Y-Messebene lotrechten Z-Richtung.
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Falls
das Sensorelement 9 an einem Bauteil befestigt ist, dessen
Drehlage im Raum detektiert werden soll, stellt sich der gegenüber dem
Sensorelement 9 beweglich, nämlich schwenkbar, gelagerte Magnet 8 entsprechend
der Schwerkraft ein, sodass er sich in der in 1a in
der Mitte dargestellten Ausgangslage genau auf der durch die Mitte
des Sensorelementes 9 verlaufenden orthogonalen Mittelachse 20 befindet,
wenn das Sensorelement 9 horizontal ausgerichtet ist. Die
Mittelachse 20' des
Magneten 8 fällt
dann mit der Mittelachse 20 des Sensorelementes 9 zusammen.
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Verschwenkt
der Magnet 8 dagegen um die Mitte des Sensorelementes 9 herum,
was bei gleich bleibendem Radius eine sphärische Fläche 21 ist, so ergibt
sich die in 1a rechter Teil dargestellte
Situation, jedoch weist die Polachse 15 des Magneten 8 immer
auf die Mitte des Sensorelementes 9.
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Erst
wenn der Schwenkpunkt 10' des
Magneten 8 nicht im Mittelpunkt des Sensorelementes 9 liegen
würde,
sondern beispielsweise dazu versetzt auf einem anderen Punkt der
Mittelachse 20 des Sensorelementes 9, wäre dies
nicht mehr gegeben, wodurch sich das Messergebnis verschlechtern
würde.
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Diese
Variante ist in 1c dargestellt, in der der Schwenkpunkt 10', um den der
Magnet 8 schwenkt, zwar auf der Mittelachse 20 des
Sensorelementes 9 liegt, aber nicht im Sensorelement 9,
sondern davon beabstandet.
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Liegt
dabei das feststehende Sensorelement 9 auf der vom Schwenkpunkt 10' abgewandten
Außenseite
der zentrischen Fläche 21,
entlang welcher sich der Magnet 8 bewegen kann, so bewirken
bereits kleine Auslenkungen des Magneten 8 eine starke
Veränderung
der Flussdichte im Bereich des Sensorelementes 9, weshalb
diese Konstellation vor allem zum Detektieren von geringen Auslenkungen aus
der Normallage geeignet ist.
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Dies
gilt erst recht, wenn der Schwenkpunkt 10' des Magneten 8 nicht
einmal auf der Mittelachse 20 des Sensorelementes liegen
würde.
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Im
Gegensatz dazu kann die Lösung
gemäß 1a einen
sehr großen
Messbereich, also auch große
Auslenkungen aus der Normallage, bewältigen.
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Die
Darstellung der 1a ist rotationssymmetrisch
zur Z-Achse, also zur Mittelachse 20 des Sensorelementes 9.
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Die
vorstehenden Aussagen sind auf die im Folgenden beschriebenen Konstellationen
der 1b bis 1d analog
anzuwenden:
In 1b sind die beiden Wirkelemente 8, 9 in
ihrer Position gegenüber
der 1a getauscht, sodass der Magnet 8 als
feststehendes Bauteil angenommen wird, der mit seiner Polachse 15 auf
das in der Ausgangslage befindliche Sensorelement 9 weist. Die
Mittelachse 20 des Sensorelementes 9 dagegen weist
unabhängig
von der Position, die es momentan auf der sphärischen Fläche 21' um den Magneten 8 einnimmt,
zur Mitte des Magneten.
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Analog
dazu zeigt 1d eine Abwandlung der Situation
gemäß 1b,
bei der sich wiederum der stillstehend angenommene Magnet 8 auf
der Außenseite
der sphärischen
Fläche 21' befindet, entlang
welcher das Sensorelement 9 beweglich ist. Der Schwenkpunkt 10 des
Sensorelementes liegt dabei wiederum auf der Mittelachse 20' des Magneten 8.
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Für die im
folgenden dargestellten konkreten Ausführungsformen gilt allesamt,
dass als Längsschnitte,
also in den 2a, b, 3, 4a,
b, 5a, b dargestellten Lösungen rotationssymmetrische,
um die in den Figuren mittige vertikale Achse, also die Mittelachse 20 des
Sensorelementes 9 bzw. in 3, die Mittelachse
zwischen den beiden Sensorelementen, sind.
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In
den 2 bis 4 sind
die beweglichen Wirkelemente 8, 9 jeweils in der
Normallage dargestellt, in 5 mittels
Umfangslinien zusätzlich
in einer ausgelenkten Lage.
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Die
Lösung
gemäß 2 entspricht der geometrischen Situation
der 1b:
Obwohl hier in der Regel ebenfalls das
Sensorelement 9 mit seinem umgebenden Gehäuseteil 2' an demjenigen
Bauteil befestigt werden wird, dessen Neigung detektiert werden
soll, so ist doch der Magnet 8 durch die umgebende Schwimmerkammer 4 in Position
gehalten und bei Auslenkung des Magneten 8 relativ zum
Sensorelement 9 vollzieht das Sensorelement 9 eine
Schwenkbewegung um den Mittelpunkt des in Position bleibenden Magneten 8.
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Sowohl
bei der Bauform gemäß 2a als auch 2b nimmt – in der
Aufsicht gemäß 2c betracht,
also auf die mittige vertikale Achse der 2a, b
gesehen – der
Schwimmer 5, in dem der Magnet 8 aufgenommen ist,
fast den vollständigen Durchmesser
des Inneren der Schwimmerkammer 4 ein.
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Dabei
ist der eigentliche Schwimmer 5 ebenfalls kreisförmig wie
in dieser Ansicht das Innere der Schwimmerkammer 4, jedoch
mit noch deutlich geringerem Durchmesser. Er könnte jedoch auch jede andere
Umfangsform besitzen.
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Allerdings
ragen vom eigentlichen Schwimmer 5 Spitzen 17 weiter
nach außen
und der Durchmesser des Schwimmers gemessen an den Spitzen entspricht
dem Innendurchmesser der Schwimmerkammer 4 an der Stelle
des größten Durchmessers, jedoch
ist durch die geringe Kontaktfläche
zwischen den Spitzen 17 und der Schwimmerkammer 4 die Reibung
dazwischen auf ein Minimum beschränkt.
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Wie
die 2a bis 2c zeigen,
verläuft die
Polachse 15 des zentral im Schwimmer 5 eingesetzten
Magneten 8 lotrecht zur Hauptebene des flächigen Schwimmers 5 und
damit dem Flüssigkeitsspiegel.
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Die
Schwimmerkammer 4 ist bis zu diesem Punkt des größten Durchmessers
mit einem Fluid 7 gefüllt
und das Gewicht des Schwimmers 5 ist so dimensioniert,
dass der etwa zur Hälfte
in das Fluizid eingetauchte Schwimmer mit seinen nach außen ragenden
Spitzen 17 in der Ausgangslage in der Seitenansicht der 2a den
Durchmesser durch die Schwimmerkammer 4 bildet.
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Das
restliche Innere der Schwimmerkammer 4 ist entweder von
einem Gasvolumen 16 gefüllt
oder von einer leichteren Flüssigkeit
als das untere Fluid 7.
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Bei
der Lösung
gemäß 2a ist
die Schwimmerkammer 4 in der Seitenansicht betrachtet kreisförmig, also
dreidimensional betrachtet kugelförmig, und das Gehäuse 2 an
einer Stelle, dem untersten Punkt, nach außen erweitert um ein Gehäuseteil 2', in dem sich
das Sensorelement 9 befindet, meist angeordnet auf einer
Platine 12, die bei ausreichender Größe die Auswerteelektronik für die Signale
des Sensorelementes 9 enthalten kann.
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Von
dort führt
ein Kabel 13 aus dem Gehäuseteil 2', welches Teil
des gesamten Gehäuses 2 des Neigungssensors
ist, heraus, meist radial von der kugelförmigen Schwimmerkammer 4 wegführend.
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Die
Bauform der 2b unterscheidet sich von derjenigen
der 2a dadurch, dass die in 2a kugelförmige Schwimmerkammer 4 in 2b oben
und unten abgeplattet ist, so dass der passgenau im mittigen, größten Durchmesser schwimmend
angeordnete Schwimmer 5 nicht beliebig verschwenkt werden
kann, sondern nur um einen begrenzten Schwenk-Winkel.
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An
einer der abgeflachten Seiten, hier der Unterseite, ist ein in diesem
Fall separater Gehäuseteil 2', in dem sich
das Sensorelement 9 befindet, angeordnet, im Gegensatz
zu der einstückigen
Ausführungsform
des Gehäuses 2,
welches auch den Gehäuseteil 2' für das Sensorelement 9 mit
umfasst, der 2a.
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Allerdings
ist bei der Lösung
gemäß 2b die
Platine 12, auf der das Sensorelement 9, meist
in Form eines Chips, angeordnet ist, deutlich größer gewählt, da hierfür zumindest
die Erstreckung der abgeflachten Seite der Schwimmerkammer 4 zur
Verfügung
steht.
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Dadurch
kann auf der sehr viel größeren Platine 12 – von der
wiederum ein Kabel 13 aus dem Gehäuseteil 2' nach außen führt – in der
Regel ohne Probleme die gesamte Auswerteelektronik für die Signale
des Sensorelementes 9 angeordnet werden.
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Die
Bauform der 3 ist eine redundante Bauform
und unterscheidet sich von derjenigen der 2 dadurch,
dass an beiden Abflachungen der Schwimmerkammer 4 Gehäuseteile 2' mit darin aufgenommenen
Sensorelementen 9 angeordnet sind.
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Zusätzlich können hier
auf einer Platine 12 und damit in einem Gehäuseteil 2' nicht nur ein
Sensorelement 9 angeordnet sein, sondern zwei nebeneinander,
die somit symmetrisch beidseits der Mittelachse des Magneten 8 in
seiner Ausgangslage angeordnet sind, so dass in der Ausgangslage
auch die Mittelachsen der Sensorelemente 9 zwar parallel, aber
leicht seitlich versetzt zur Mittelachse des Magneten 8 liegen.
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Die 4 und 5 zeigen
dagegen Lösungen mit
einer sphärischen
Schwimmerkammer 4:
Diese entspricht der geometrischen
Anordnung gemäß 1a:
Dabei
besitzt – noch
analog zur Lösung
gemäß 2a – die Schwimmerkammer 4 eine
Außenwand 4a,
die ganz oder zumindest teilweise kugelförmig geformt ist und hier auf
einer Seite, der Oberseite, abgeflacht ist, so dass etwa 1/4 bis
1/3 der Kugel fehlt.
-
Zusätzlich besitzt
hier die Schwimmerkammer 4 eine Innenwand 4b,
die ebenfalls wenigstens teilweise eine Kugelform besitzt, hier
zur Hälfte
eine Kugelform, an die sich ein zylindrischer Abschnitt mit gleichem
Durchmesser anschließt.
-
Der
sphärische,
hier halbkugelförmige,
Teil der Innenwand 4b verläuft dabei konzentrisch zur
Außenwand 4a,
wodurch eine, in Teilbereichen kreisförmig gekrümmte, also sphärische,
Schwimmerkammer 4 gebildet wird, in der ein kreisscheibenförmiger Schwimmer 5 liegt,
der hinsichtlich Durchmesser und Dicke so dimensioniert ist, dass
er gerade mit den Umfangskanten seiner Außenfläche an dem Inneren der Außenwand 4a anliegt
und mit der Mitte seiner nach innen weisenden Hauptfläche an der
Außenseite
der Innenwand 4b.
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Durch
diese ohnehin sehr reduzierten Kontaktflächen kann auf zusätzliche
Fortsätze
wie die Spitzen 17 bei den Lösungen gemäß 2 meist verzichtet
werden.
-
In
dem von der Innenwand 4b umschlossenen Innenraum ist – vorzugsweise
im Krümmungsmittelpunkt
von Innenwand 4b und Außenwand 4a – das Sensorelement 9 angeordnet,
welches sich wiederum auf einer Platine 12 befindet, von
der ein Kabel 13 durch die Abflachung der Kugelform der
Außenwand 4a und
die Öffnung
in der Innenwand 4b nach außen geführt ist, also hier nach oben
geführt ist.
-
Die
Reibung der Kanten der Außenfläche des
Schwimmers 5 an der Außenwand 4a kann
weiter minimiert werden, indem als Fluid ein Ferrofluid 24 verwendet
wird, welches sich an dem magnetischen Schwimmer 5 anlagert,
wenn hier vorzugsweise der gesamte Schwimmer 5 aus dem
Magneten 8 besteht.
-
Durch
das an den Außenkanten
angelagerte Ferrofluid 24 wird die Reibung gegenüber der
Außenwand 4a weiter
reduziert.
-
Bei
dieser Lösung
gemäß 4a,
bei der sich die sphärische
Schwimmerkammer 4 mit der Öffnung nach oben befindet,
ist die Schwimmerkammer 4 vollständig mit einer Flüssigkeit
gefüllt
und der Magnet 8 muss kein Schwimmer sein, also sein spezifisches
Gewicht muss keineswegs geringer als das des umgebenden Fluids 7 sein,
im Gegensatz zur Lösung
gemäß 4b,
bei der die Öffnung
der sphärischen
Schwimmerkammer 4 nach unten weist:
Dort ist die Schwimmerkammer 4 nicht
vollständig, sondern
nur größtenteils
mit einem Fluid 7 gefüllt
und der Schwimmer 5 darin angeordnet.
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Der
Schwimmer 5 ist wie bei 4a kreisscheibenförmig und
so dimensioniert und die Füllhöhe des Fluids 7 so
bemessen, dass auch hier der Schwimmer 5 mit seinen Außenkanten
an der Außenwand 4a und
mit der Mitte seiner nach innen gerichteten Hauptfläche an der
Innenwand 4b anliegt oder fast anliegt.
-
Ob
die sphärische
Schwimmerkammer 4 ganz oder nur zum Teil mit Fluid 7 gefüllt ist
und dementsprechend der Magnet 8 als Schwimmer 5 oder nicht
als Schwimmer ausgebildet ist – eine
bei allen Figuren mögliche
Variante –,
hängt jedoch
nicht davon ab, ob die Öffnung
der sphärischen
Schwimmerkammer 4 nach oben oder nach unten gerichtet ist.
-
Während somit
in jeder Schwenkstellung des Magneten 8 in den 4 – und
auch bei den Lösungen
gemäß der 2 und 3 – Magnet 8 und Sensorelement 9 entlang
der Mittelachse 20 bzw. 20' eines dieser beiden Wirkelemente
von einander entfernt waren, zeigt 5 eine
Lösung,
bei der bei einer sphärischen
Schwimmerkammer 4 der Mittelpunkt des Magneten 8 mit
dem Mittelpunkt des Sensorelementes 9 übereinstimmt.
-
Zu
diesem Zweck ist die sphärische
Schwimmerkammer 4 – bei
der in diesem Fall nur die Außenwand 4a kugelförmig ist
bzw. einen Teil der Kugelform besitzen muss – wiederum nur bis zur halben Höhe mit einem
Fluid 7 gefüllt
und der Magnet 8 in einem Schwimmer 5 angeordnet,
der auf dem Fluid 7 schwimmt und nur teilweise in das Fluid 7 eintaucht.
-
Allerdings
ist der Schwimmer 5 ringförmig ausgebildet und auch der
darin aufgenommene Magnet 8 ein Ringmagnet und beide gemeinsam
erstrecken sich um den Innenraum 25, der von der Innenwand 4b gebildet
wird, herum.
-
In
dem Innenraum 25 befindet sich im Zentrum der sphärischen
Außenwand 4a das
Sensorelement 9, wiederum auf eher Platine 12.
-
Während bei
der Bauform gemäß 5a der Innenraum 25 zylindrisch
ist, besitzt er in 5b einen kugelförmigen Endbereich
im Zentrum der sphärischen
Außenwand 4a,
von dem aus nur ein schmaler Verbindungskanal radial aus dem Gehäuse 2 der Schwimmerkammer 4 herausführt.
-
In
den 5a und 5b ist
neben der Normallage des ringförmigen
Schwimmers 5 auch eine ausgelenkte Lage mit Umfangslinie
dargestellt.
-
- 1
- Neigungssensor
- 2,
2'
- Gehäuse
- 3
- Sensorkammer
- 4
- Schwimmerkammer
- 4a
- Außenwand
- 4b
- Innenwand
- 5
- Schwimmer
- 6
- Trennwand,
Schwebekörper
- 7
- Fluid
- 7a
- Fluidspiegel
- 8
- Magnet,
Winkelelement
- 9
- Sensorelement,
Winkelelement
- 10,
10'
- Schwenkpunkt
- 11
- Messebene
- 12
- Platine
- 13
- Kabel
- 15
- Pol-Achse
- 16
- Gas-Volumen
- 17
- Spitze
- 18
- Schwallwand
- 19
- Multi-Hall-IC
- 20,
20'
- Mittelachse
- 21,
20'
- sphärische Fläche
- 22a,
b,
- Schwenkachse
- 23
- Verguss
- 24
- Ferrofluid
- 25
- Innenraum
- x,
y
- Messrichtung
- z
- dritte
Raumrichtung