DE3990869C2 - Neigungswinkeldetektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Neigungswinkeldetektor zur elektrischen Erfassung des Neigungswinkels eines Meßobjekts gegenüber der Horizontalen oder der Richtung der Schwerkraft.

Aus der US-PS 46 28 612 ist ein temperaturkompensierter Neigungsmesser bekannt, der ein Blasenrohr mit fünf dazugehörigen Elektroden für vier Kapazitäten hat. Bei Änderungen der Neigung dieses Blasenrohres ergeben sich Änderungen von einzelnen Kapazitätswerten, nämlich weil die im Blasenrohr enthaltene Flüssigkeit und die sich dabei bewegende Blase unterschiedliche Dielektrizitätskonstant haben.

Eine der Kapazitäten, die im Bereich der Flüssigkeit und der Blase angeordnet ist, hat die Eigenschaft, daß ihr Kapazitätswert unabhängig ist von der Bewegung der Blase. Eine der Kapazitäten liegt außerhalb des Bewegungsbereiches der Blase. Aus der Differenz- und Quotientenbildung aller vier Kapazitätswerte wird jeweils die augenblickliche Neigungslage ermittelt.

Ein aus der JP-PS-61-40505 bekannter Neigungswinkeldetektor hat ebenfalls ein Blasenrohr. Es sind an diesem zwei optoelektrische Sensoren symmetrisch zur Null-Lage der Blase außerhalb des Bereichs derselben angebracht. Die Blase wird mit Licht bestrahlt und das von den beiden Sensoren zu erhaltende elektrische Signal ausgewertet. Bei Neigungslage geben diese beiden Sensoren ein voneinander unterschiedliches Signal ab. Der Signalunterschied wird dazu benutzt, den Neigungswinkel quantitativ zu ermitteln und auf einem linearen Display anzuzeigen. Dieser bekannte Detektor arbeitet mit einer für das Licht dispersiven Flüssigkeit. Bei Durchgang des Lichts durch diese Flüssigkeit wird dieses geschwächt, wodurch bei Neigung sich ergebende unterschiedliche Weglängen des Lichts in der Flüssigkeit zu den voneinander unterschiedlichen Signalen der Sensoren führen.

Es ist außerdem ein Neigungswinkeldetektor mit einem Blasenrohr mit transparentem Behälter bekannt, wobei dieser Behälter in seinem oberen Teil eine sphärisch konkave Innenfläche besitzt. In diesem transparenten Behälter sind ein Gas und eine transparente Flüssigkeit dicht eingeschlossen. Es ist ferner eine lichtemittierende Einheit vorgesehen, die von oben oder von unten Licht in Richtung auf das Blasenrohr aussendet, ferner ein Lichtempfangselement zur Positionserfassung in Form eines viergeteilten Kreises zur Umwandlung des von dem Blasenrohr durchgelassenen Lichts in ein elektrisches Signal sowie eine Verarbeitungseinheit zur Berechnung des Neigungswinkels auf der Basis dieses elektrischen Signals. Das von der lichtemittierenden Einheit ausgesendete und von dem Blasenrohr durchgelassene Licht wird, wie in Fig. 5 oder 6 dargestellt, von dem Lichtempfangselement aufgenommen. Es ermittelt dabei eine Änderung der Lichtmengenverteilung aufgrund der von dem Neigungswinkel abhängigen relativen Lageänderung des von der Blase auf dem Lichtempfangselement a erzeugten Schattens b von dem Lichtempfangselement a als eine Änderung einer elektrischen Größe. Die auf diese Weise ermittelte Änderung wird in der Verarbeitungseinheit einer Berechnung unterzogen und dadurch der Neigungswinkel photoelektrisch gemessen.

Der vorangehend beschriebene bekannte Neigungswinkeldetektor hat jedoch den Nachteil, daß sie Meßergebnisse unvermeidlich große Fehler enthalten, die auf Änderungen des Blasendurchmessers, der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit ausgesendeten Lichts, der Umwandlungsempfindlichkeit des Lichtempfangselements und dgl. zurückzuführen sind, die durch Temperaturänderung und dgl. verursacht werden.

Da der Blasenschatten kreisförmig ist, ergibt sich weiter der Nachteil, daß die Empfindlichkeit mit wachsendem Neigungswinkel abnimmt und damit der Meßbereich eng begrenzt ist. Es sind deshalb Korrekturen und dgl. erforderlich, um den korrekten Neigungswinkel zu gewinnen.

Der Grund für die Verringerung der Empfindlichkeit mit größer wachsendem Neigungswinkel abnimmt, besteht darin, daß das Ausgangssignal des Lichtempfangselements der auf das Element auftreffenden Lichtmenge proportional ist, die ihrerseits der bestrahlten Fläche proportional ist. Zur Erfassung der Neigung beispielsweise in X-Richtung erhält man eine Flächendifferenz M zwischen den beiden bestrahlten Bereichen des durch die Y-Achse geteilten Lichtempfangselements. Diese Flächendifferenz M ist gegeben durch

Hierin bedeuten:
R: Krümmungsradius des Blasenrohrs,
R_x: Neigungswinkel in X-Richtung und
r: Radius des Blasenschattens.

Die Empfindlichkeit G, mit der die Neidung erfaßt wird, ist proportional zu der Größe, die sich durch Differenzieren der Flächendifferenz nach dem Neigungswinkel R_X ergibt:

Die Empfindlichkeit G für die Erfassung des Neigungswinkel läßt sich graphisch in der in Fig. 13 gezeigten Weise veranschaulichen.

Mit anderen Worten, wenn R_x=0 ist, erhält man G=4Rr, d. h. ein Maximum. Wenn der Neigungswinkel größer wird, wird G kleiner, und wenn R_X=r/R ist, wird G=0.

Die Tatsache, daß die Empfindlichkeit sich ändert, bedeutet, daß der Meßwert einen Fehler beinhaltet, falls keine Empfindlichkeitkorrektur durchgeführt wird. Wenn G=0 ist, ergibt sich deshalb keine Änderung in dem Ausgangssignal, selbst wenn eine Neigung gegeben ist, so daß praktisch keine Messung durchführen läßt.

Die vorangehenden Betrachtungen gelten entsprechend auch für die Neigung in Y-Richtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen derart aufgebauten Neigungswinkeldetektor anzugeben, daß dieser auch dann eine hohe Meßgenauigkeit besitzt, wenn durch von Temperaturänderungen verursachte Änderungen in dem Blasendurchmesser, in der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit ausgesendeten Lichts und in der photoelektrischen Umwandlungsempfindlichkeit des Lichtempfangselements auftreten.

Der Neigungswinkeldetektor soll so ausgebildet sein, daß bei wachsendem Neigungswinkel keine Empfindlichkeitsänderung eintritt, so daß die Beschränkung auf einen engen Meßbereich aufgehoben ist und die Notwendigkeit einer Korrektur zur Gewinnung des korrekten Neigungswinkels entfällt.

Diese Aufgabe wird mit einem Detektor mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst.

Die Erfindung ist ein Neigungswinkeldetektor mit einem Blasenrohr mit einem transparenten Behälter, dessen oberer Teil eine sphärische konkave Innenfläche besitzt und in dem ein Glas und eine transparente Flüssigkeit dicht verschlossen sind, mit einer lichtemittierenden Einheit zur Aussendung von Licht auf das Blasenrohr, von dessen Ober- oder Unterseite aus mit einem Lichtempfangselement von dem Blasenrohr durchgelassenes Licht in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, sowie mit einer Verarbeitungseinheit zur Berechnung des Neigungswinkels auf der Basis des genannten elektrischen Signals. Das Lichtempfangselement umfaßt zur Positionserfassung eine Lichtempfangseinheit, die in dem Bewegungsbereich eines Blasenschattens angeordnet ist, sowie eine Referenz-Lichtempfangseinheit, die außerhalb dieses Bewegungsbereichs angeordnet ist. Diese beiden Lichtempfangseinheiten sind eng benachbart angeordnet.

Die Lichtempfangseinheit zur Positionserfassung besteht aus vier rechteckigen Lichtempfangsteilen, die so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen in Richtung des zu erfassenden Neigungswinkels verlaufenden Längsmittellinien zusammenfallen und daß die Breiten dieser rechtwinkligen Lichtempfangsteile untereinander gleich und kleiner sind als der Durchmesser des Blasenschattens.

Die erfindungsgemäße Anordnung liefert selbst dann hohe Meßgenauigkeit, wenn aufgrund von Temperaturänderungen oder dgl. Änderungen in dem Blasendurchmesser, der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit ausgesendeten Lichts und der photoelektrischen Umwandlungsempfindlichkeit der Lichtempfangseinheit auftreten.

Da bei dieser Anordnung eine hohe Erfassungsintensität beibehalten werden kann und gleichzeitig selbst bei Änderungen in dem Blasendurchmesser, der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit ausgesendeten Lichts und der photoelektrischen Umwandlungsempfindlichkeit aufgrund von Temperaturänderungen und dgl. keine Empfindlichkeitsänderungen auftreten, ist der Meßbereich nicht eng begrenzt, und es ist nicht notwendig, Korrekturen oder dgl. durchzuführen, um den Neigungswinkel korrekt zu ermitteln.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Blasen-Neigungswinkeldetektor in der Seitenansicht;

Fig. 2 zeigt eine zweidimensionale Anordnung eines Lichtempfangselements des Blasen-Neigungswinkeldetektors;

Fig. 3 zeigt die relative Position des Lichtempfangselements und des Blasenschattens des Detektors nach Fig. 2;

Fig. 4 zeigt eine Empfindlichkeitskennlinie für den Detektor.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Blasenrohr bezeichnet, das aus einem transparenten Behälter 3 besteht, dessen oberer Teil eine spärisch konkave Innenfläche 2 besitzt. In dem Behälter 3 ist eine transparente Flüssigkeit mit einer Blase 4 dicht verschlossen.

Unter dem Blasenrohr 1 ist eine lichtemittierende Einheit 6 angeordnet, die aus einer Lichtquelle 7, z. B. einer Leuchtdiode, und einer Linse besteht, die den unteren Teil des Blasenrohrs 1 mit von der Lichtquelle 7 ausgehenden und durch eine Schlitzblende 8 verlaufenden parallelen Lichtstrahlen beleuchtet.

Über dem Blasenrohr 1 befindet sich ein Lichtempfangselement 10, das beispielsweise als Photodiode ausgebildet ist. Dieses Lichtempfangselement 10 wandelt das von dem Blasenrohr 1 durchgelassene Licht in ein elektrisches Signal um und dient zur Erfassung eines zweidimensionalen Neigungswinkels, d. h. des Neigungswinkels in X- und Y-Richtung. Es besteht aus einer in dem Bewegungsbereich des Blasenschattens 11 angeordneten Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung und einer als Referenz dienenden Lichtempfangseinheit 13, die außerhalb des Bewegungsbereichs des Blasenschattens 11 in enger Nachbarschaft der Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung angeordnet ist.

Die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung weist vier Lichtempfangsteile auf.

Mit 18 ist eine Verarbeitungseinheit bezeichnet, der die Ausgangssignale der beiden Lichtempfangseinheiten 12 und 13 als Eingangssignale zugeführt werden und die aus diesen Signalen die zu ermittelnden Neigungswinkel errechnet.

Das Licht der Lichtquelle 7, das von dem Blasenrohr 1 durchgelassen wird, bildet auf den Lichtempfangsteilen 19, 20, 21, 22, die zusammen die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung bilden, einen Blasenschatten 11.

Das Lichtempfangselement 10 wandelt wie in Fig. 1 gezeigt, das von dem Blasenrohr 1 durchgelassene Licht in ein elektrisches Signal um und dient zur Erfassung eines zweidimensionalen Neigungswinkels, d. h. des Neigungswinkels in X- und Y-Richtung. Es besteht aus der Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung, die in dem Bewegungsbereich des Blasenschattens 11 angeordnet ist, und der Referenz-Lichtempfangseinheit 13, die außerhalb des Bewegungsbereichs des Blasenschattens 11 angeordnet ist, wie dies in Fig. 3 erkennbar ist.

Die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung besteht aus zwei rechteckigen Lichtempfangsteilen 19 und 20, die so angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Längsmittellinien, die in X-Richtung verlaufen, zusammenfallen, sowie aus zwei rechteckigen Lichtempfangsteilen 21 und 22, die so angeordnet sind, daß ihre in Y-Richtung verlaufenden Längsmittellinien zusammenfallen.

Die rechteckigen Lichtempfangsteile 19, 20, 21 und 22 haben untereinander gleiche Abmessungen. Ihre Breite ist kleiner als der Durchmesser des Blasenschattens 11.

Sowohl die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung als auch die Referenz-Lichtempfangseinheit 13 sind in der in Fig. 1 dargestellten Weise mit der Verarbeitungseinheit 18 verbunden, die den Neigungswinkel berechnet.

So bildet das Licht der Lichtquelle 7, das von dem Blasenrohr 1 durchgelassen wird, den Blasenschatten 11 auf den vier Lichtempfangsteilen 19, 20, 21 und 22, die zusammen die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung bilden. Gleichzeitig fällt Licht auf die Referenz-Lichtempfangseinheit 13. Diejenigen elektrischen Ausgangssignale der beiden Lichtempfangseinheiten 12 und 13, die zur Bestrahlungsfläche, zur Bestrahlungsintensität usw. proportional sind, werden der Verarbeitungseinheit 18 als Eingangssignale zugeführt. Das Ausgangssignal der Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung dient zur Gewinnung der Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen der X-Richtung, d. h. der Ausgangssignale der rechteckigen Lichtempfangsteile 19 und 20, sowie einer Differenz zwischen den beiden Ausgangssignalen der Y-Richtung, d. h. der Ausgangssignale der rechteckigen Lichtempfangsteile 21 und 22. Jeder der so gewonnenen Differenzen wird durch den Wert des Ausgangssignals der Referenz-Lichtempfangseinheit 13 dividiert. Die Ergebnisse der Division sind Werte, die nicht nur zur Position des Blasenschattens 11 proportional sind, d. h. die unabhängig von Fehlerfaktoren wie Schwankungen im Durchmesser des Blasenschattens 11, Beleuchtungsintensität und dgl., zur Neigung proportional sind. Wenn deshalb zuvor eine Proportionalitätskonstante gewonnen wird, kann man den korrekten Neigungswinkel durch die umgekehrte Operation auf der Basis der Divisionsergebnisse gewinnen.

Es sei hier erwähnt, daß die Messung der Neigung in X-Richtung folgendermaßen betrachtet werden kann: Wenn auf dem Lichtempfangselement 10 ein Blasenschatten 11 abgebildet wird, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, sind die Ausgangssignale der rechteckigen Lichtempfangsteile 19, 20, 21 und 22, die zusammen die Lichtempfangseinheit 12 zur Positionserfassung bilden, den Flächen S₁₉, S₂₀, S₂₁ bzw. S₂₂ proportional, auf die das Licht der Lichtquelle 7 fällt, das von dem Blasenrohr 1 durchgelassen wird. Man erhält die bestrahlten Flächen S₁₉ und S₂₀ durch folgende Gleichungen:

Hierin bedeuten D und L die Breite bzw. die Länge der rechteckigen Lichtempfangsteile 19 und 20, r der Radius des Blasenschattens 11, R der Krümmungsradius der Innenflächen des oberen Teils des Blasenrohrs 1 und R_X und R_Y die Neigungskomponenten in X- bzw. in Y-Richtung. Der Zustand, in welchem die Zentren der rechteckigen Lichtempfangsteile 19, 20, 21 und 22 und des Zentrum des Blasenschattens 11 zusammenfallen, d. h. wenn das Zentrum O′ des Blasenschattens 11 mit dem Ursprung O des X- und Y-Achsensystems zusammenfällt, als "horizontal" definiert ist.

Falls der Koeffizient, der sich durch die Berücksichtigung der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit 6 ausgestrahlten Lichts, der photoelektrischen Umwandlungsfaktoren der Lichtempfangseinheiten 12 und 13 pro Flächeneinheit usw. ergibt, mit K, die Ausgangssignale V₁₉, V₂₀ und V₁₃ der Lichtempfangsteile 19 und 20 bzw. der Lichtempfangseinheit 13 mit K₁₉, K₂₀ bzw. K₁₃ bezeichnet werden erhält man den folgenden Wert T_X:

Der Wert T_X ist also dem Neigungwinkel R_X proportional, und man erhält aus Gleichung (1) folgende Gleichung:

Auf diese Weise gewinnt man den Neigungswinkel R_X in X-Richtung.

Der Wert T_X ergibt sich also aus den Ausgangssignalen V₁₉, V₂₀ und V₁₃ der Lichtempfangsteile 19 und 20 und der Lichtempfangseinheit 13 und enthält den Koeffizienten K nicht mehr, in dem der Radius r des Blasenschattens 11, der photoelektrische Umwandlungsfaktor usw. enthalten sind, die durch die Temperatur beeinflußt werden, wie Gleichung (1) zeigt. Wenn man R_X nach Gleichung (2) berechnet, gewinnt man den korrekten Neigungswinkel in X-Richtung, der nicht von der Temperatur, der Intensität des von der lichtemittierenden Einheit 6 ausgestrahlten Lichts und der photoelektrischen Umwandlungsempfindlichkeit abhängt.

Man erkennt leicht, daß der Neigungswinkel R_Y in Y-Richtung in entsprechender Weise gewonnen werden kann.

Mit anderen Worten, wenn die Ausgangssignale V₂₁ und V₂₂ der Lichtempfangsteile 21 und 22 mit V₂₁=KS₂₁ bzw. V2₂₂=KS₂₂ bezeichnet werden, erhält man den Wert T_Y nach folgender Gleichung

Somit ist der Wert T_Y mit dem Neigungswinkel R_Y mit dem Neigungswinkel R_Y proportional und man erhält aus Gleichung (3) folgende Gleichung

Als nächstes sei die Empfindlichkeit in Abhängigkeit von dem Neigungswinkel betrachtet. Aus Gleichung (1) läßt sich die Empfindlichkeit folgendermaßen ausdrücken.

Mit anderen Worten die Empfindlichkeit ist über den gesamten Meßbereich konstant, wie dies durch die strichpunktierte Linie in Fig. 4 dargestellt ist. Es ist dementsprechend nicht erforderlich, zur Gewinnung des korrekten Neigungswinkels eine Korrektur anzubringen. Infolgedessen wird der Meßbereich vergrößert.

Für die Neigung in Y-Richtung gilt entsprechendes.

Es sei erwähnt, daß die Reihenfolge der Subtraktion und Division zur Gewinnung von T_X und T_Y beliebig ist, d. h. es ist gleichgültig, welche Rechenoperation zuerst durchgeführt wird. Die Berechnung kann entweder analog oder digital erfolgen.

Da der Wert K konstant gemacht werden kann, indem die Anordnung so gesteuert wird, daß der Wert V₁₃ konstant wird, kann die Division auch entfallen.

Man erkennt leicht, daß die Referenz-Lichtempfangseinheit 13 jede beliebige Gestalt haben kann und in beliebiger Anzahl und an beliebiger Position angeordnet sein kann, solange nur sichergestellt ist, daß die Beleuchtungsintensität und die photoelektrische Umwandlungsempfindlichkeit erfaßt werden kann.

Die vorangehende Beschreibung zeigt, ist der erfindungsgemäße Neigungswinkeldetektor in der Lage, den Neigungswinkel eines Meßobjekts gegenüber der Horizontalen oder der Richtung der Schwerkraft erfassen. Er eignet sich somit für zahlreiche Anwendungen, wie Überwachungen und dgl.

Claims (1)

1. Neigungswinkeldetektor in Form einer Dosenlibelle
   mit einem Blasenrohr (1) mit einem transparenten Behälter (3), dessen oberer Teil eine sphärische konkave Innenfläche besitzt und in dem ein Gas und eine transparente Flüssigkeit dicht verschlossen sind,
   mit einer lichtemittierenden Einheit (6) zur Aussendung von Licht auf das Blasenrohr (1) von dessen Ober- oder Unterseite aus,
   mit einem Lichtempfangselement (10) zur Umwandlung des von dem Blasenrohr (1) durchgelassenen Lichts in ein elektrisches Signal,
   mit einer vom Lichtempfangselement (10) umfaßten, zur Positionserfassung vorgesehenen Lichtempfangseinheit (12), die in dem Bewegungsbereich des von der Blase (4) erzeugten Blasenschattens (11) angeordnet ist und
   die aus zwei rechteckigen Lichtempfangsteilen (19, 20) besteht, deren Längsmittellinien in X-Richtung zusammenfallen, sowie aus zwei rechteckigen Lichtempfangsteilen (21, 22), deren Längsmittellinien in Y-Richtung zusammenfallen, wobei die Breiten dieser rechteckigen Lichtempfangsteile (19, 20 und 21, 22) untereinander gleich und kleiner sind als der Durchmesser dieses Blasenschattens (11), mit einer vom Lichtempfangselement (10) umfaßten Referenz-Lichtempfangseinheit (13), die außerhalb dieses Bewegungsbereichs des Blasenschattens angeordnet ist, sowie mit einer Verarbeitungseinheit (18) zur Berechnung des Neigungswinkels auf der Basis des genannten elektrischen Signals.