CH660522A5

CH660522A5 - Elektronische nivelliervorrichtung.

Info

Publication number: CH660522A5
Application number: CH3078/83A
Authority: CH
Inventors: Klas Rudolf Wiklund; Lars Axel Ericsson
Original assignee: Geotronics Ab
Priority date: 1981-10-02
Filing date: 1982-10-01
Publication date: 1987-04-30
Also published as: SE8302479L; WO1983001304A1; SE8302479D0; JPH0475446B2; DE3249101T1; US4521973A; DE3249101C2; JPS58501639A; SE432153B

Description

so Die Erfindung betrifft eine Nivelliervorrichtung zur Feststellung der Abweichung der Lage einer Ebene von einer Bezugslage, mit einem schwerkraftnivellierten, leitenden Bezugselement, das eine horizontale Bezugsfläche festlegt, mit mindestens zwei starr angeordneten, leitenden Fühlelek-55 troden, die gemeinsam die Ebene festlegen und nahe der Bezugsfläche dieser gegenüberstehend angebracht sind, weiterhin mit einem dielektrischen Fluid zwischen der Bezugsfläche und den Fühlelektroden, wobei das Bezugselement, die beiden Fühlelektroden und das dielektrische Fluid mit-60 einander zwei Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten sich bei Abweichungen der Lage der Ebene von der Parallelität zwischen der Bezugsfläche und einer die Fühlelektroden verbindenden Linie gegensinnig ändern, und mit einer Schaltung zur Detektierung von Änderungen der Kapazität der 65 beiden Kondensatoren.

Theodoliten und andere Vermessungsinstrumente enthalten Vorrichtungen zur Korrektur oder Kompensation eines ungenauen Aufbaus des Vermessungsinstruments, der

3

660 522

beispielsweise durch unkontrollierte Bewegungen des Stativs und der Alhidade, d.h. der drehbaren Grundplatte des Instruments, bedingt sein können. Bekannte Korrektur- oder Kompensationsvorrichtungen haben verschiedene Nachteile, wie etwa einen erheblichen Platzbedarf sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung, so dass sie für eine Montage auf oder nahe der vertikalen Drehachse der Grundplatte nicht geeignet sind. Weiter haben die bekannten Vorrichtungen eine unerwünschte Hysterese, die zu Stabilitätsproblemen führt, oder sie sind nicht hinreichend empfindlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nivelliervorrichtung der einleitend angegebenen Gattung zu schaffen, die für den Einbau in einen Theodoliten oder ein anderes Vermessungsinstrument geeignet ist, das eine vertikale Drehachse für die Grundplatte hat und mit deren Hilfe die drehbare Grundplatte exakt nivelliert werden kann, so dass die Drehachse exakt vertikal ist und/oder mit dessen Hilfe eine Anzeige der Winkelabweichung der Grundplatte von der Nivellierposition erhalten werden kann.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Soll die Nivelliervorrichtung nach der Erfindung zum Nivellieren beispielsweise der Alhidade oder drehbaren Grundplatte eines Theodoliten benutzt werden, so kann diese Nivellierung selbsttätig oder von Hand erfolgen. Im ersteren Fall wird das Ausgangssignal der Vorrichtung zur Steuerung der Nivelliermotoren benutzt, die die Lage der Grundplatte verändern, bis das Ausgangssignal der Vorrichtung zu Null geworden ist. Im letzteren Fall stellt der Benutzer die Lage der Grundplatte von Hand nach, bis das Ausgangssignal zu Null geworden ist.

In der Zeichnung ist eine Vorrichtung nach der Erfindung in beispielsweise gewählter Ausführungsform schematisch vereinfacht dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 2 durch eine Nivellierzelle, die einen Teil der Vorrichtung nach der Erfindung bildet;

Fig. 2 eine Aufsicht auf die Nivellierzelle nach Fig. 1 ;

Fig. 3 ein Blockschaltbild mit einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 4 ein vereinfachtes Schaltbild eines Teils der Fig. 3 ;

Fig. 5 ein äquivalentes Schaltbild entsprechend der Fig. 4;

Fig. 6 eine andere Elektrodenanordnung für die Nivellierzelle;

Fig. 7 ein äquivalentes Schaltbild einer Vorrichtung mit einer Elektrodenanordnung gemäss Fig. 6;

Fig. 8 eine weitere Art der Anordnung der Elektroden ;

Fig. 9 ein äquivalentes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 10 und 11 eine perspektivische Darstellung und einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Nivellierzelle als Bestandteil der Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine erste Ausführungsform der mechanischen Konstruktion der Nivellierzelle. Ein als Schale 1 ausgebildeter Behälter aus elektrisch isolierendem Werkstoff mit einem nach aussen weisenden, zu dem Boden der Schale 1 parallelen Rand enthält als Bezugselement eine leitende Flüssigkeit 2 wie etwa Quecksilber. Die Aussen-f läche der Schale 1 ist mit einem leitenden Überzug 3 versehen.

Über der Schale 1 befindet sich eine plane starre Platte 4 aus elektrisch isolierendem Werkstoff. Die Platte 4 ist mit einem leitenden Muster 5' versehen, das etwa denselben Durchmesser wie der Boden der Schale 1 hat. Vorzugsweise befindet sich das Muster 5' an der Unterseite der Platte, d.h.

der der Flüssigkeit 2 zugekehrten Seite der Platte. Die obere Seite der Platte 4 kann ebenso mit einem leitenden Überzug 5" versehen sein. Dieser Überzug kann geerdet sein ; ein Teil des leitenden Musters 5' kann jedoch auch auf dieser Seite angebracht sein.

Der Raum zwischen der Flüssigkeit 2 und der Platte 4 ist mit einem dielektrischen Fluid gefüllt, bei dem es sich um Luft oder ein inertes Gas handeln kann. Um jedoch Oberflächenwellen der Flüssigkeit, die von Erschütterungen des mit der Nivellierzelle ausgestatteten Instruments herrühren können, zu unterdrücken, wird bevorzugt, diesen Raum mit einer dämpfenden dielektrischen Flüssigkeit zu füllen. Wenn die leitende Flüssigkeit Quecksilber ist, kann ein gegenüber Quecksilber inertes Silikonöl mit einer Viskosität, die die Bildung von Quecksilbertröpfchen verhindert, benutzt werden.

Wenn das dielektrische Fluid Luft oder ein inertes Gas ist. hat die Wärmeausdehnung der Flüssigkeit 2 keinen nennenswerten nachteiligen Effekt auf die mechanische Stabilität der Vorrichtung. Die Schale 1 kann dann aus nachgiebigem oder starrem Werkstoff bestehen. Wenn anderseits das dielektrische Fluid eine dämpfende Flüssigkeit ist, besteht die Schale 1 bevorzugt aus einem weichen oder elastischen Werkstoff, der die Wärmedehnungen der leitenden Flüssigkeit aufnehmen kann. Es ist jedoch auch möglich, die Schale 1 aus einem starren Werkstoff herzustellen und eine getrennte Ausdehnungskammer, die mit der Schale 1 kommuniziert, vorzusehen.

Über der Platte 4 befindet sich ein Deckel 6 aus einem leitenden Werkstoff oder aus einem nichtleitenden Werkstoff mit einem leitenden Überzug. Der Deckel 6 hat die Form einer umgekehrten Schale ähnlich der Schale 1.

Die Schale 1, die Platte 4 und der Deckel 6 sind mittels dreier Schrauben zusammengespannt, die in gleichen Abständen am Umfang der Zelle angeordnet sind. Die Zelle ist auf oder nahe der vertikalen Drehachse des nicht dargestellten Theodoliten oder eines anderen Vermessungsinstruments angebracht und mit der nicht dargestellten Grundplatte oder Alhidade über drei Lappen 7, 8 und 9 verbunden.

Obwohl die Schale 1 gemäss der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform bevorzugt kreisförmig ist, sind auch andere Formen möglich. Wesentlich ist jedoch, dass die Schale in der Aufsicht symmetrisch zu waagerechten Achsen ist, die sich in den Richtungen erstrecken, in denen eine Abweichung von der nivellierten Position festgestellt werden soll. In allen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen wird eine Abweichung von der nivellierten Position in zwei zueinander orthogonalen Richtungen festgestelt, jedoch ist dies nicht im Sinne einer Beschränkung zu verstehen, sondern eine Lageabweichung kann auch in mehr als zwei Richtungen oder in zwei nicht orthogonalen Richtungen festgestellt werden. Im Fall von zwei orthogonalen Richtungen kann die Schale 1 kreisförmige, elliptische, rechteckige, achteckige oder ähnliche Gestalt haben.

In der Mitte des Bodens der Schale 1 ist ein leitender Durchführungszapfen 10 in einer isolierenden Lagerung 11 angeordnet. Um einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Flüssigkeit 2 und dem Zapfen 10 zu erzielen, ist der Boden der Schale 1 mit einer leitenden Beschichtung 10' versehen, mit der der Zapfen 10 verbunden ist. Der Zapfen 10 muss daher nicht sehr weit in die Flüssigkeit 2 hineinreichen. Hierdurch wird die Bewegung der Flüssigkeit 2 zufolge einer Bewegung des die Nivellierzelle enthaltenden Instrumentes beim Einrichten gering gehalten. Der Zapfen 10 befindet sich vorzugsweise genau in der Mitte der Beschichtung 10'.

Ein Blockschaltbild der hier vorgeschlagenen Vorrichtung mit einer Zelle nach den Fig. 1 und 2 ist in Fig. 3 wiedergegeben. Das leitende Muster 5' auf der Platte 4 ist in fünf Teile A, B, C, D und E unterteilt, von denen die vier Teile A, B, C

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

660522

4

und D Dreieckteile sind, die zwei sich nahe dem Mittelpunkt der Platte 4 schneidende Seiten und eine längs eines Kreisbogens in der Nähe des Umfangs der Platte verlaufende dritte Seite haben. Die vier Teile A, B, C, D sind in gleichen Abständen angeordnet und bilden ein Muster, das zu zwei orthogonalen Achsen X und Y symmetrisch ist, die sich in der Mitte der Platte 4 schneiden.

Die Teile A bis E des leitenden Musters 5' dienen jeweils als eine Platte oder Elektrode eines Kondensators, dessen andere Platte oder Elektrode aus der leitenden Flüssigkeit 2 besteht. Festzuhalten ist, dass es für eine befriedigende Arbeitsweise nicht notwendig ist, dass die Teile oder Elektroden A bis D kongruent sind. Die einzigen wesentlichen Bedingungen, die erfüllt sein müssen, bestehen darin, dass das Produkt der Kapazität jedes Kondensators und der an ihn angelegten Spannung für je zwei auf derselben Achse X oder Y liegende Kondensatoren gleich sein muss, wenn die durch die Achsen definierte Ebene parallel zu der schwerkraftnivellierten Bezugsfläche ist, die durch die leitende Flüssigkeit 2 definiert ist, und dass die Teile oder Elektroden A, B und C, D auf jeder Achse X und Y symmetrisch zu der anderen Achse Y bzw. X sind, so dass Rückwirkungen der Achsen vermieden werden können.

Das fünfte Teil oder die fünfte Elektrode E hat die Form eines Kreuzes, dessen Ränder symmetrisch zwischen benachbarten geraden Seiten der Teile A bis D liegen.

Der leitende Überzug 3 der Schale 1 und der Deckel 6 sind geerdet.

Zu der Vorrichtung gehört weiterhin eine Wechselspannungsquelle mit zwei Transformatoren 12 und 13. Die Primärwicklung des Transformators 12 wird mit einer Wechselspannung v(0°) versorgt. Eine Mittenanzapfung der Sekundärwicklung ist geerdet, während die jeweiligen Wicklungsenden mit den Elektroden A bzw. B verbunden sind. Die Primärwicklung des Transformators 13 wird mit einer Wechselspannung v(90°) versorgt, die in bezug auf die Spannung v(0°) eine Phasenverschiebung von 90° hat. Die Sekundärwicklung hat ebenfalls eine geerdete Mittenanzapfung und ihre Wicklungsenden sind mit den Elektroden C bzw. D verbunden.

Der Zapfen 10 verbindet die leitende Flüssigkeit 2 mit dem negativen oder invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 14, dessen positiver oder nichtinvertierender Eingang geerdet ist.

Der Verstärker 14 ist mit einem Rückkopplungskondensator geschaltet, der ein getrennter Kondensator sein kann. Vorzugsweise ist jedoch statt dessen der Ausgang des Verstärkers mit der Elektrode E verbunden, da dann eine Temperaturkompensation erzielt werden kann, wie nachfolgend noch genauer beschrieben werden wird.

Der Ausgang des Verstärkers 14 ist mit einem ersten Phasendetektor 15 verbunden, der das Ausgangssignal während derjenigen Phasenintervalle der Wechselspannung v(0°) erfasst, während derer die der Flüssigkeit 2 über die zwischen ihr und den Elektroden A und B gebildeten Kondensatoren zugeführten Spannungen Änderungen des Ausgangssignals in der gleichen Richtung bewirken, wobei in der Mitte des gleichen Phasenintervalls die der Flüssigkeit 2 über die zwischen ihr und den anderen Elektroden C und D gebildeten Kondensatoren zugeführten Spannungen einen Nulldurchgang haben. Dasselbe gilt für einen zweiten Phasendetektor 17 zur Feststellung von Abweichungen von der nivellierten Lage, wenn die zu den Elektroden C und D gehörigen Kapazitäten verschieden werden. Um die oben erwähnten Messintervalle festzulegen, wird dem Phasendetektor 15 eine Rechteckspannung mit derselben Phasenlage wie die an dem Transformator 12 anliegende Spannung v(0°) und dem Phasendetektor 17 eine Rechteckspannung mit derselben Phasenlage wie die an dem Transformator 13 anliegende Spannung v(90°) zugeführt.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 15 während einer Halbwelle wird in einem Verstärker 16 verstärkt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers hat eine bestimmte Beziehung zu der Winkelabweichung der Platte 4 längs einer durch die Flächenschwerpunkte der Elektroden A und B (X-Achse) gezogenen Linie gegenüber der Horizontalen oder der Nivellierlage.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 17 während einer Halbwelle wird in einem Verstärker 18 verstärkt. Das Ausgangssignal dieses Verstärkers steht in einer bestimmten Beziehung zu der Winkelablage der Platte 4 längs einer durch die Flächenschwerpunkte der Elektroden C und D gezogenen Linie (Y-Achse) gegenüber der Horizontalen oder N ivellierposition.

Das Ausgangsignal des Verstärkers 14 kann auch in anderer Weise detektiert werden, zum Beispiel nur während vorgegebener Phasenlagen oder zu bestimmten Phasenwinkeln abgefühlt werden.

Fig. 4 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild und Fig. 5 ein äquivalentes Schaltbild zu Fig. 3 für denjenigen Teil der Vorrichtung, der die Elektroden A, B und E und den Operationsverstärker 14 umfasst, also für denjenigen Teil, der die Winkelabweichung um die X-Achse liefert. Die angelegten Wechselspannungen haben die gleiche Amplitude, jedoch eine gegenseitige Phasenverschiebung von 180° und werden den Elektroden A und B zugeführt.

Wenn die Zelle genau nivelliert ist, sind die Kapazitäten der durch die Elektroden A bzw. B und die Flüssigkeit 2 gebildeten Kondensatoren Ca bzw. Cb gleich gross. Wenn die Vorrichtung um die Y-Achse verkippt ist, so dass die Platte 4 mit den Elektroden A, B und E nicht mehr parallel zu der Flüssigkeitsoberfläche ist, ändern sich die Kapazitäten der Kondensatoren Ca und Cb in gegensinniger Richtung. Zwischen der Flüssigkeit und dem geerdeten Anschluss tritt eine Wechselspannung auf. Diese Wechselspannung wird dem phaseninvertierenden Eingang des Verstärkers 14 zugeführt und wird vom Ausgang dieses Verstärkes rückgekoppelt über den Kondensator Ce, der zwischen der Elektrode E und der Flüssigkeit gebildet ist. Durch diese Massnahme wird die Flüssigkeit 2 wieder auf ein Potential gebracht, das zumindest annähernd gleich 0V ist.

Festzuhalten ist, dass für je zwei zusammengehörende Elektroden das Produkt aus der angelegten Spannung und der Kapazität des zugehörigen Kondensators gleich gross sein muss. Dies bedeutet, dass dann, wenn an eine von zwei zusammengehörigen Elektroden eine Spannung angelegt wird, die doppelt so gross ist wie die an der anderen Elektrode anliegende Spannung, die Fläche der ersten Elektrode halb so gross sein muss wie die Fläche der zweiten Elektrode. Es ist also ohne weiteres möglich, zusammenwirkende Elektroden unterschiedlicher Grösse vorzusehen.

Da mit der hier vorgeschlagenen Vorrichtung nur kleine Winkelabweichungen von der Nivellierposition detektiert werden, sind die Kapazitäten Ca, Cb, Ce proportional zu der Fläche A der Elektroden, dividiert durch den Abstand d zwischen den Elektroden und der Flüssigkeitsoberfläche, d.h. proportional zu A/d. Berechnungen haben gezeigt, dass eine Temperaturkompensation der Vorrichtung erreicht werden kann, wenn die Elektroden A, B, C, D auf der Oberseite der Platte 4 (vgl. Fig. 1) und das Muster E auf der Unterseite der Platte 4 angeordnet werden und die Dicke der Platte 4 etwa gleich dem Abstand zwischen der Platte 4 und der Oberfläche der Flüssigkeit 2 ist. Dies gilt für alle in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen.

In der in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Ausführungsform wird das Potential der Flüssigkeit 2 unmittelbar abge5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

660 522

fühlt. Da Potentialabweichungen von einem Mittelwert in bestimmten Phasenpositionen die am meisten interessierende Grösse darstellen, kann der Abgriff auch kapazitiv erfolgen. Dies ist in der Ausführungsform gemäss den Fig. 6 und 7 der Fall. Fig. 6 zeigt das Muster auf der Platte 4 und Fig. 7 zeigt ein äquivalentes Schaltbild der Vorrichtung mit Ausnahme der auf den Versträrker 14 folgenden Schaltungsteile einschliesslich der Phasendetektoren 15 und 17 (vgl. Fig. 3). Im Gegensatz zu Fig. 5 zeigt Fig. 7 das äquivalente Schaltbild sowohl für die X-Achse als auch für die Y-Achse, d.h., das Schaltbild enthält sämtliche Kondensatoren Ca-, Cb\ Co und Cd\

Wie in Fig. 3 ist das leitende Muster in Quadranten unterteilt. In der Mitte des Musters ist ein kreisförmiger Teil F angeordnet. Dieser kreisförmige Teil ist mit dem phaseninvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 14 verbunden ; der delektierende Kondensator Cf besteht zwischen dem Teil F und der Flüssigkeit 2. Der Rückkopplungskondensator Ce* wird aus dem Teil E' des Musters gebildet, der aus einem den kreisförmigen Teil E' umgebenden Ring besteht. Von dem Ring aus erstrecken sich vier in gleichmäs-sigen Abständen angeordnete Arme radial nach aussen zum Umfang.

Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform ist das Muster in Quadranten I, II, III, IV unterteilt, die durch zwei zueinander orthogonale Durchmesserlinien durch die Arme des Elektrodenmusters definiert sind.

Wie aus Fig. 7 hervorgeht, ist die geerdete Anzapfung der Sekundärwicklung des Transformators 12 gegenüber der elektrischen Mitte der Wicklung derart versetzt, dass die Spannung über den einen Wicklungsabschnitt der Sekundärwicklung doppelt so gross ist wie die Spannung über den anderen Wicklungsabschnitt. Um dasselbe Ergebnis wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 zu erzielen, muss die Fläche der Elektrode A', die mit dem äusseren Anschluss des die Spannung 2u liefernden Wicklungsabschnittes verbunden ist, halb so gross sein wie die Elektrode B', die mit dem Anschluss des die Spannung u liefernden Wicklungsabschnittes verbunden ist. Wie aus Fig. 6 ersichtlich, sind die Elektroden A' und C' halb so breit wie die Elektroden B' und D'.

In den Fig. 6 und 7 ist eine Möglichkeit zur Kompensation einer mechanisch fehlerhaften Ausrichtung der Nivellierzelle gezeigt. Diese Kompensation wird durch Elektrodensegmente A", B", C", D" erzielt, diezwischen jedem Arm des Elektrodensegmentes E' und den benachbarten Rändern der Elektrodensegmente A' bis D' angeordnet sind. Die Elektrodensegmente A" auf gegenüberliegenden Seiten der Elektrode A' sind ausserhalb des Musters miteinander verbunden, ebenso die Elektrodensegmente B" zu beiden Seiten der Elektrode B' usw. Vorzugsweise sind die Elektrodensegmente A" bis D" in demselben Abstand von der Flüssigkeitsoberfläche wie der Teil E' angeordnet.

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, wird die Kompensation mittels eines Potentiometers 20 erzielt, das parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators 12 liegt, wobei die Elektrodensegmente A", B" mit dem Potentiometerschleifer verbunden sind, sowie mittels eines Potentiometers 21, das parallel zu der Sekundärwicklung des Transformators 13 liegt, wobei die Elektrodensegmente C" und D" mit dem Potentiometerschleifer verbunden sind.

Um zu verhindern, dass die grosse Kapazität zwischen der Flüssigkeit 2 und dem Überzug 3 einen merklichen Einfluss auf die Auswerteschaltung hat und um gleichzeitig den Überzug «zu erden», um eine Abschirmwirkung zu erreichen, kann der Überzug 3 über eine sogenannte boot-strap-Schaltung 19 mit demselben Potential wie die Flüssigkeit verbunden werden. In Fig. 7 ist diese bootstrap-Schal-

tung in Form eines Verstärkers mit dem Verstärkungsfaktor

1 gezeichnet.

In Fig. 7 ist auch die Kapazität Cs zwischen der Flüssigkeit

2 und der Abschirmung 6 symbolisch dargestellt. Diese Kapazität sollte so klein als möglich sein, lässt sich jedoch nicht vollständig vermeiden.

In Fig. 7 ist die Flüssigkeit 2 nicht unmittelbar mit dem phaseninvertierenden Eingang des Verstärkers 14 verbunden. Statt dessen werden die Potentialveränderungen kapazitiv über den Kondensator Cf abgefühlt.

In den Fig. 8 und 9 ist eine weitere Ausführungsform der hier vorgeschlagenen Vorrichtung dargestellt. Diese Ausführungsform des leitenden Musters und der Schaltung ist gegenwärtig die vorteilhafteste. In dieser Ausführungsform werden die Einrichtungen zur Detektierung einer Winkelabweichung um die X-Achse und die Y-Achse getrennt und abwechselnd mit Spannung versorgt. Es ist ein einziger Transformator 22 vorgesehen, dessen Sekundärwicklung eine geerdete Mittelanzapfung hat. Der eine Anschluss der Sekundärwicklung ist mit dem einen Anschluss von zwei Schaltern 23, 24 verbunden, der andere Anschluss der Wicklung ist mit zwei Schaltern 25, 26 verbunden. Die Schalter 23 bis 26 werden durch einen Betätiger SW wiederholt und gemeinsam betätigt, so dass die Schalter 23,25 geöffnet sind, wenn die Schalter 24, 26 geschlossen sind und umgekehrt. Die Periodendauer des Schaltzyklus ist wesentlich länger als die Periodendauer der an der Primärwicklung des Transfor-mators 22 anliegenden Wechselspannung. Somit sind in der einen Schaltstellung die Kondensatoren Ca, Cb wirksam, so dass die Vorrichtung Winkelabweichungen von der Nivellierlage längs der X-Achse (also um die Y-Achse) feststellt.

Das leitende Muster auf der Platte 4 ist in Fig. 8 dargestellt. In dieser Ausführungsform sind Korrekturelektroden a', b', c', d' auf gegenüberliegenden Seiten jeder Elektrode a, b, c, d angeordnet und miteinander durch leitende, gebogene Streifen verbunden, die radial innerhalb der zugehörigen Elektrode a-d verlaufen. Wie in der in den Fig. 6 und 7 dargestellten Ausführungsform sind die Korrekturelektroden a', b' mit dem Schleifer eines Potentiometers 20 verbunden, der parallel zu den Elektroden a und b liegt, während die Korrekturelektroden c', d' mit dem Schleifereines Potentiometers 21 verbunden sind, das parallel zu den Elektroden c und d liegt.

Die Flüssigkeit 2 ist unmittelbar leitend (galvanisch) mit einer Pufferstufe verbunden, die aus einem Verstärker 27 mit dem Verstärkungsfaktor 1 und einem hohen Eingangswiderstand besteht. Der Ausgang des Verstärkers 27 ist mit dem phaseninvertierenden Eingang des Operationsverstäkers 14 verbunden, dessen Ausgang mit der Elektrode e verbunden ist, die eine symmetrische Kreuzform hat. Der Ausgang des Verstärkers 14 ist weiterhin mit einem Phasendetektor 28 verbunden. DerTransformator 22 hat eine weitere Sekundärwicklung 29, deren einer Anschluss geerdet ist und deren anderer Anschluss mit dem Eingang des Phasendetektors 28 verbunden ist. Der Phasendetektor 28 stellt die Grösse des Ausgangssignals des Verstärkers 14 während einer Halbwelle der Versorgungsspannung fest. Ein Umschalter 30, der gemeinsam (im Synchronismus) mit den Schaltern 23 bis 26 betätigt wird, ist mit seinem beweglichen Schaltkontakt mit dem Ausgang des Phasendetektors 28 verbunden. Seine feststehenden Kontakte sind jeweils mit einer mittelwertbii-denden Schaltung 31 bzw. 32 verbunden. Jede dieser Schaltungen errechnet den Mittelwert des Eingangssignals über die Zeitdauer dessen Anliegens. Eine sehr einfache Ausführungsform einer mittelwertbildenden Schaltung besteht in einem Tiefpassfilter, das rasche Signaländerungen ausfiltert. An der einen Schaltung 31 liegt ein Signal an, wenn die Elektroden c und d mit der Versorgungsspannung verbunden s

io

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

660522

6

sind. Das Ausgangssignal dieser Schaltung bezieht sich ausschliesslich auf die Winkelabweichung längs der Y-Achse (also um die X-Achse).

Der anderen Schaltung 32 wird ein Signal zugeführt, wenn die Elektroden a und b mit der Versorgungsspannung verbunden sind. Das Ausgangssignal dieser Schaltung bezieht sich ausschliesslich auf die Winkelabweichung längs der X-Achse (also um die Y-Achse).

Der Überzug 3 kann mit der Flüssigkeit in der in Fig. 7 gezeigten Weise verbunden sein. Der Überzug kann auch mit dem Ausgang des Verstärkers 27 verbunden werden. In diesem Fall ist eine äussere Abschirmung (zum Beispiel eine geerdete Abschirmung - nicht dargestellt) ausserhalb des Überzuges 3 angeordnet und umschliesst den gesamten mechanischen Teil in einer solchen Entfernung, dass die Kapazität gegenüber der Abschirmung klein ist. Wenn jedoch eine äussere Abschirmung um die mechanischen Teile herum angeordnet ist, kann der elektrisch leitende Überzug 3 auch völlig entfallen.

Die Fig. 10 und 11 zeigen eine zweite Ausführungsform der mechanischen Konstruktion der Nivellierzelle.

In dieser Ausführungsform ist die leitende Flüssigkeit in der Schale 3 in Fig. 1 durch eine horizontale leitende Platte 33 ersetzt, die an ihrem Umfang einen nach unten weisenden Ringflansch hat. Die Platte 33 ist an drei Fäden 34,35,36 aufgehängt, von denen jeder mit seinem einen Ende mit dem unteren Ende des Ringflansches und mit seinem anderen Ende mit der Grundplatte (nicht dargestellt) des zu nivellierenden Instrumentes verbunden ist und somit auch mit der Platte 37, die der Platte 4 in Fig. 1 entspricht. Vorzugsweise sind die Fäden schräg angeordnet wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt, um eine erhöhte Stabilität der Vorrichtung zu gewährleisten. Die drei Fäden sind symmetrisch über den Umfang der Platte verteilt angeordnet. Die Anzahl und Anbringung der Fäden kann jedoch auch anders als in den Fig. 10 und 11 gewählt werden.

Die Platte 37 trägt ein gedrucktes leitendes Muster Ai, Bi, Ci, Di. Zur Erzielung einer Temperaturkompensation ist der Teil Ei des Musters, der die Elektrode des Rückkopplungskondensators des Operationsverstärkers 14 bildet, auf der Unterseite der Platte 37 angeordnet, während die Teile Ai bis Di des Musters, die die Elektroden bilden, an denen die Versorgungswechselspannungen anliegen, auf der Oberseite der Platte 37 vorgesehen sind. Das leitende Muster und seine Verbindung mit der elektrischen Schaltung kann wie in den Fig. 3 bis 9 gezeigt ausgeführt sein. Zur Herstellung einer galvanischen Verbindung der Platte 33 mit dem phaseninvertierenden Eingang des Verstärkers 14 kann wenigstens einer der Fäden 34 bis 36 leitend sein und ist dann mit seinem oberen

Ende mit dem Verstärkereingang verbunden. Auf der Unterseite der Platte 33 und umgeben von deren Ringflansch ist eine Magnetanordnung 38 befestigt. Diese Magnetanordnung ist zum Mittelpunkt in der Weise symmetrisch, dass s gleichnamige Pole dem Ringflansch zugewandt sind. Der Zweck dieser Magnetanordnung besteht in der Unterdrük-kung von Wirbelströmen, die entstehen, wenn die Platte 33 sich relativ zu der Platte 37 bewegt. Ausserdem wirkt die Magnetanordnung als Beschwerung und hat damit einen staio bilisierenden Effekt auf die Nivellierzelle.

Die vollständige, in den Fig. 10 und 11 dargestellte Zelle kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das zumindest mit einem Überzug aus einem leitenden Werkstoff versehen ist, der geerdet ist. Es ist festzuhalten, dass die in den Fig. 10 und 15 11 gezeigte Zelle auch in umgekehrter Lage eingebaut werden kann, ohne ihre Wirkungsweise zu verändern. In diesem Fall sind die Fäden, an denen die Platte 33 aufgehängt ist, entfernt von der Platte 33 oberhalb derselben befestigt.

Eine Reihe weiterer Ausgestaltungen des vorliegenden 20 Vorschlages ist möglich. Beispielsweise kann anstelle der in den dargestellten Ausführungsformen angelegten sinusförmigen Spannung eine aus Pulsen bestehende Spannung angelegt werden. Die Pulse können gleichzeitig und mit unterschiedlichen Polaritäten an die jeweils zusammengehörigen 25 zwei Elektroden, die von Teilen des leitenden Musters gebildet werden, angelegt werden.

Die Form des Musters kann ebenfalls abgewandelt werden. Beispielsweise kann der Kondensator CFaus einem Ringmusterteil bestehen, der das in Fig. 3 gezeigte Muster 30 umschliesst.

Das leitende Muster muss auch nicht auf einer planen Fläche aufgebracht werden. Es kann auf einer leicht nach oben gewölbten Schale vorgesehen werden.

Gemäss den zeichnerisch veranschaulichten Ausführungs-35 beispielen ist eine einzige elektrische Schaltung, die den Operationsverstärker 14 enthält, mit der Nivellierzelle verbunden. Alternativ kann auch ein getrennter Operationsverstärker für jede Messrichtung vorgesehen sein, jedoch muss das leitende Muster dann getrennte Teile E für die unter-40 schiedlichen Richtungen haben, damit getrennte Rückkopplungskondensatoren Ce zur Verfügung stehen.

Sofern in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 2 das Potential der leitenden Flüssigkeit statt über die Durchführung 10, 11 durch den Boden der Schale 3 direkt abge-45 nommen werden soll, kann das leitende Muster 5 auf der Platte 4 in Fig. 6 verwendet werden. In der Mitte der Platte kann ein Zapfen befestigt und elektrisch mit dem Teil F des Musters verbunden sein. Der Zapfen erstreckt sich von der Platte nach unten in die Flüssigkeit 2.

B

5 Blatt Zeichnungen

Claims

660522

PATENTANSPRÜCHE

1. Nivelliervorrichtung zur Feststellung der Abweichung der Lage einer Ebene von einer Bezugslage, mit einem schwerkraftnivellierten, leitenden Bezugselement, das eine horizontale Bezugsfläche festlegt, mit mindestens zwei starr angeordneten, leitenden Fühlelektroden, die gemeinsam die Ebene festlegen und nahe der Bezugsfläche dieser gegenüberstehend angebracht sind, weiterhin mit einem dielektrischen Fluid zwischen der Bezugsfläche und den Fühlelektroden, wobei das Bezugselement, die beiden Fühlelektroden und das dielektrische Fluid miteinander zwei Kondensatoren bilden, deren Kapazitäten sich bei Abweichungen der Lage der Ebene von der Parallelität zwischen der Bezugsfläche und einer die Fühlelektroden verbindenden Linie gegensinnig ändern, und mit einer Schaltung zur Detektierung von Änderungen der Kapazität der beiden Kondensatoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung eine Wechselspannungsquelle enthält, die mit den beiden Kondensatoren (A, B; C, D) verbunden ist und den Kondensatoren gegenphasige Wechselspannungen derart zuführt, dass das Produkt aus Kapazität und anliegender Spannung für beide Kondensatoren dann gleich gross ist, wenn die Bezugsfläche und die Linie parallel sind, und dass die Schaltung einen invertierenden Verstärker mit einem Rückkopplungskondensator hat, dessen Eingang mit dem Bezugselement verbunden ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugselement (2) und die Fühlelektroden ( A-D) von einer geerdeten, leitenden Abschirmung (3,6) umschlossen sind, und dass die Wechselspannungen einerseits über die Abschirmung und anderseits über die betreffenden Fühlelektroden zugeführt werden.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Elektrode (E), die gegenüber dem Bezugselement (2) angeordnet und in bezug auf die Fühlelektroden (A-D) unbeweglich ist und dass die zusätzliche Elektrode (E) mit dem Ausgang des Verstärkers (14) verbunden ist und zusammen mit dem Bezugselement als Rückkopplungskondensator für eine kapazitive Rückkopplung des Verstärkerausgangssignals dient.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche Elektrode (E) in einem Abstand vom Bezugselement (2) angeordnet ist, der kleiner als der Abstand zwischen dem Bezugselement und den Elektroden (A-D) ist und vorzugsweise die Hälfte dieses Abstandes beträgt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (A-E) auf einer elektrisch isolierenden Platte (4) angeordnet sind, dass die Fühlelektroden (A-D) auf der dem Bezugselement (2) abgewandten Seite der Platte angeordnet sind und dass die zusätzliche Elektrode (E) auf der dem Bezugselement zugewandten Seite der Platte angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugselement eine leitende Flüssigkeit (2) in einer Schale ( 1 ) mit kreisförmigem Umriss ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite der Schale ( 1 ) mit einem leitenden Überzug (3) versehen ist, der über eine bootstrap-Schaltung (19) mit der leitenden Flüssigkeit (2) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bezugselement (33) ein fester ebener Körper ist, der eine schwerkraftnivellierende Aufhängung hat, die eine Anzahl von Fäden (34,35,36) umfasst, die am Umfang des planen Körpers in Abständen befestigt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf der von den Fühlelektroden gewandten Seite des planen Körpers (33) eine Magnetanordnung (38) angebracht ist, die symmetrisch zu einer Achse des planen Körpers ist und Wirbelströmen in dem planen Körper entge-5 genwirkt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Paare von Fühlelektroden (A, B; C, D) vorgesehen sind, von denen jedes Paar auf einer von zwei Linien (X, Y) liegt, die in den io Ebenen liegen und zwischen sich einen Winkel einschliessen.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Verstärkers ( 14) über eine weitere Elektrode (F) kapazitiv mit dem Bezugselement (2) gekoppelt ist.

15 12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einem Paar von Fühlelektroden (A', B') Hilfselektroden (A", B") zugeordnet sind, die symmetrisch und benachbart zu den Fühlelektroden angeordnet sowie mit dem Schleifer eines 20 Potentiometers (20) verbunden sind, das parallel zu den Elektroden dieses Paares liegt.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle so ausgebildet ist, dass sie eine erste und eine zweite Span-2s nung sequentiell und wiederholt liefert, und dass die Detektorschaltung die Ausgangssignale des Verstärkers getrennt für jedes Paar von Fühlelektroden während der Intervalle misst, während derer die Spannungen an dem entsprechenden Elektrodenpaar anliegen.

30 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 12 mit zwei Paaren von Fühlelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Fühlelektroden anliegenden Wechselspannungen für die verschiedenen Paare unterschiedliche Phase haben und dass für jedes Paar ein Detektor ( 15, 17) mit dem 35 Ausgang des Verstärkers während eines vorgegebenen Phasenintervalls der an diesem Paar anliegenden Spannung verbunden ist, wobei in der Mitte dieses Intervalls die an dem anderen Elektrodenpaar anliegende Spannung einen Nulldurchgang hat.

40 15. Vorrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch eine Verarbeitungsschaltung (31,32; 16, 18), die für jedes Paar von Fühlelektroden den Mittelwert des von diesen gelieferten Signals während einer Zeit bildet, die wesentlich länger als die Periodendauer der ersten und der zweiten 45 Wechselspannung ist.