DE3685500T2 - Neigungsmesser. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft Neigungsmeßinstrumente (Neigungsmesser) und insbesondere ein Instrument, das veränderliche Kapazität als Funktion des Neigungswinkels aufweist.
• Eine Wasserwage, die ein durchsichtiges Röhrchen, das teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, so daß ein Luftblase in der Flüssigkeit vorhanden ist, ist lange benutzt worden, um Abweichungen von der Horizontalen zu ermitteln. Diese Geräte sind zwar billig, ergeben aber in ihrer einfachsten Form keine genauen Messungen des Neigungswinkels sondern zeigen lediglich die Abweichung einer Bezugsfläche von der Horizontalen an. Für viele Anwendungen sind derartige Anzeigen ausreichend, während bei anderen genaue Messungen des Neigungswinkels erforderlich sind.
• Neigungsmeßinstrumente, die auf dem Blase-in-Flüssigkeit-Prinzip beruhen, bei denen Kondensatoränderungen ausgenutzt werden, die durch eine veränderliche Stellung der Blase verursacht werden, sind eingesetzt worden, um Abweichungen von der Horizontalen zu ermitteln. Eine derartige Vorrichtung hat drei elektrisch isolierte Aluminiumfolienelektroden, die das Röhrchen bedecken, das die Flüssigkeit enthält. Eine Elektrode ist eine Referenzelektrode, die die gesamte Außenseite des Röhrchens mit Ausnahme der Fläche über dem Weg der Blase bedeckt. Die anderen beiden Elektroden, die beide so lang und so breit sind wie die Blase, sind auf beiden Seiten der Röhrchenmitte symmetrisch über dem Weg der Blase angeordnet. Die Flüssigkeit in dem Röhrchen hat eine hohe Dielektrizitätskonstante in Bezug auf die der Luftblase, wodurch ein Kapazitätsunterschied zwischen der Kapazität, die die eine Meßelektrode und die Referenzelektrode erzeugen, und der Kapazität, die die andere Meßelektrode und die Referenzelektrode erzeugen, entsteht, der eine Funktion der Stellung der Blase ist. Diese Vorrichtung weist eine Linearität und eine Genauigkeit auf, die eine Funktion der Lage der Meßelektroden an dem Röhrchen und der Größe der Blase ist, die sich mit der Flüssigkeitstemperatur ändern kann.
• Andere Neigungsanzeigevorrichtungen nach dem Stand der Technik nutzen Schwerkraftpotentiometer. Eine solche Vorrichtung umfaßt Widerstandsdrähte, die axial in einer V-förmigen oder runden Röhre angeordnet sind, die eine leitende Flüssigkeit enthält, die bis zu einem vorgegebenen Pegel über dem niedrigsten Punkt der Röhre steht. Zwei gleiche Endsegmente des Widerstandsdrahtes, die von der leitenden Flüssigkeit bis an beide Enden verlaufen, werden gebildet, wenn die Vorrichtung an eine horizontal liegende Bezugsfläche angelegt wird, wodurch Drahtsegmente gleichen Widerstandes vorhanden sind. Neigung dieser Bezugsfläche aus horizontaler Ausrichtung führt zu Drehung der Röhre, wodurch Drahtsegmente zwischen der leitenden Flüssigkeit und den Enden entstehen, die ungleiche Länge und ungleichen Widerstand haben. Die Genauigkeit dieser Vorrichtungen hängt von den Toleranzen, die hinsichtlich des Widerstandes des Drahtes eingehalten werden, ab, während die Stabilität eine Funktion des Temperaturkoeffizienten des spezifischen Widerstandes des Drahtes und des Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung der Flüssigkeit ist.
• GB-A-2070774 offenbart einen Neigungsmesser mit einem Gehäuse, das einen Fluidbehälter bildet, einer Mehrzahl komplanarer Metall-Sensorplatten, die in dem Fluidbehälter positioniert sind, einem Fluid, das eine vorgewählte Dielektrizitätskonstante aufweist und in dem Fluidbehälter bei einem vorbestimmten Pegel enthalten ist, um so die Metall-Sensorplatten teilweise unterzutauchen, und einem Gas, das den Rest des Behälters füllt und eine kleinere Dielektrizitätskonstante als das Fluid aufweist. Die Sensorplatten sind dem dielektrischem Fluid ausgesetzt, was zu Verunreinigung führen kann.
• Die vorliegende Erfindung, die in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, schafft einen Neigungsmesser, der eine Kammer in einem Metallgehäuse enthält, die teilweise mit Fluid gefüllt ist, das eine hohe relative Dielektrizitätskonstante hat. Zwei komplanare, elektrisch isolierte Metallfolien gleicher Form und Größe, die zwischen zwei Folien aus dielektrischem Material liegen, sind in der Kammer angeordnet, und die restliche Kammer ist mit einem Gas gefüllt, das eine relative Dielektrizitätskonstante hat, die unter der des Fluids liegt. Jede der komplanaren dielektrischen Folien ist eine Sensorplatte eines Kondensators, der mit einem Metallgehäuse gebildet wird. Diese Kondensatoren haben gleiche Kapazität, wenn der von Flüssigkeit bedeckte Bereich des einen dem von Flüssigkeit bedeckten Bereich des anderen gleich ist, was anzeigt, daß der Neigungsmesser in horizontaler Stellung ist. Bei einer Abweichung des Neigungsmessers von der horizontalen Stellung unterscheiden sich die von Flüssigkeit bedeckten Bereiche der beiden Sensorplatten, was ein Kapazitätsdifferential zwischen den beiden Kondensatoren hervorruft. Dieses Kapazitätsdifferential kann genutzt werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den Neigungswinkel anzeigt.
• Somit wird mit der vorliegenden Erfindung ein zuverlässiger Neigungsmesser geschaffen, der aus zwei Kondensatoren mit differentialen Kondensatoränderungen, die zum Neigungswinkel linear sind, besteht.
• Im folgenden wird ein erfindungsgemäßer Neigungsmesser als Beispiel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben, wobei:
• Fig. 1A und 1B Teilschnitte einer Ausführung der vorliegenden Erfindung sind,
• Fig. 2 ein Schnitt entlang der Linie 2-2 in Fig. 1A ist,
• Fig. 3 eine Montagezeichnung der Ausführung von Fig. 1 ist,
• Fig. 4A eine grafische Darstellung des Kondensators ist, der durch bestimmte Bauteile der Ausführung von Fig. 1A und 1B gebildet wird, und
• Fig. 4B der nach dem Zusammenbau des Kondensators von Fig. 4A entstehende elektrische Stromkreis ist.
• In Fig. 1A, 1B, 2 und 3, bei denen entsprechenden Bauteile gleiche Bezugszeichen zugeordnet sind, ist eine Ausführung der vorliegenden Erfindung dargestellt, die allgemein mit 10 bezeichnet ist, und ein Gehäuse 11 enthält, das aus zwei Teilen 12 und 13 gebaut ist, und einen Fluidbehälter 14 darin bildet. Der Fluidbehälter 14 enthält ein Fluid, beispielsweise eine Mischung aus Kohlenwasserstofföl mit hoher dielektrischer Festigkeit und einem Alkohol mit hoher Dielektrizitätskonstante, bis zum Pegel 15 und eine Gasatmosphäre 16, wie beispielsweise Stickstoff, im restlichen Fluidbehälter 14. Eine Verbundscheibe 17 ist mit gleichem Abstand von den Gehäusehälften 12 und 13 im Fluidbehälter 14 angebracht und bildet zwei Fluidkammern. Diese Verbundscheibe 17 kann erzeugt werden, indem eine Folie aus dielektrischem Material, beispielsweise 0,003 Inch (0,0076 mm) starkes Polyester 21, mit Kupfer überzogen wird, und das Kupfer chemisch geätzt wird, so daß es die elektrisch entkoppelten Platten 22 und 23 in der gewünschten Form bildet. Nach dem Ätzen kann eine zweite Polyesterfolie 24 auf die erste Polyesterfolie 21 und die geätzten Kupferelektroden 22 und 23 geklebt werden, so daß das Kupfer zwischen Polyesterfolien angeordnet ist. Die auf diese Weise entstehende Schichtanordnung bedeckt die Platten 22 und 23 auf beiden Seiten vollständig mit den dielektrischen Folien 21 und 24. Löcher 25 und 26 werden durch die Schicht-struktur gebohrt, um Durchgänge für den Ausgleich des Fluid- und Gasdrucks in der Kammer 14 zu schaffen.
• Die Kombination von Metallgehäuse 11, Polyesterfolien 21 und 24 und Kupferelektroden 22 und 23 bildet eine Reihen-Parallel-Kombination von Kondensatoren, wie in Fig. 4A zu sehen ist. Der Fachmann wird erkennen, daß der Kondensator C11A für die Kapazität zwischen der Kupferplatte 22 und der Polyesterfolie 21- Fluid-Grenze steht, und daß der Kondensator C12A für die Kapazität zwischen dieser Grenze und dem Metallgehäuse 11 steht, das als eine Erdelektrode betrachtet werden kann. Die Kondensatoren sind parallel zu der Reihen-Kombination von Kondensator C13A, der für die Kapazität zwischen der Kupferelektrode 22 und der Polyesterfolie 24-Fluid-Grenze steht, und der Kapazität C14A zwischen dieser Grenze und dem Metallgehäuse 11. Auf gleiche Weise stehen die Kondensatoren C11B und C13B für die Kapazität über die Polyesterfolien 21 und 24 im Gasbereich, während die Kondensatoren C12B und C14B für die Kapazität zwischen der Polyesterfolien-Gas-Grenze und dem Metallgehäuse 11 stehen. Dem Fachmann wird klar sein, daß die Kondensatoren C21A - C24A und C21B - C24B auf die gleiche Weise zwischen der Kupferelektrode 23 und dem Metallgehäuse 11 ausgeformt sind.
• Die Kombination von Reihen- und Parallelkondensatoren, die zwischen der Kupferelektrode 22 und dem Metallgehäuse 11 besteht, kann als Einzelkapazität C1 dargestellt werden, während die Kombination von Kondensatoren, die zwischen der Kupferelektrode 23 und dem Metallgehäuse 11 besteht, als Einzelkapazität C2 dargestellt werden kann, wie in Fig. 4B gezeigt. Die Erdung der Kondensatoren, wie sie in Fig. 4B dargestellt ist, steht für das geerdete Metallgehäuse 11. Zugang zu den beiden Kondensatoren C1 und C2 wird über die Leitungen 27 beziehungsweise 28 erreicht, die an die Kupferelektroden 22 und 23 angeschlossen sind, während elektrische Isolierung zwischen den Kondensatoren C1 und C2 durch Anbringung einer Metall-Unterteilung 31 erreicht wird, die sich mit einem Vorsprung zwischen den Kupferelektroden 22 und 23 vom Metallgehäuse 11 auf die Verbundscheibe 17 zu erstreckt.
• Wenn der Sensor entsprechend an eine horizontale Bezugsfläche angelegt wird, sind gleiche Bereiche der Kupferelektroden 22 und 23 vom Fluid 15 bedeckt, und die Kondensatoren C1 und C2 sind gleich. Wenn die Fläche, wie in Fig. 1B dargestellt, um einen Winkel geneigt wird, wird der Sensor um einen gleichen Winkel geneigt. Aufgrund der Schwerkraft bleibt der Fluidspiegel 15 unverändert, die Kupferelektroden 22, 23 jedoch werden gedreht, so daß eine Elektrode, Elektrode 22, wie in Fig. 1B dargestellt, eine größeren vom Fluid 15 bedeckten Bereich hat als die andere. Da die Dielektrizitätskonstante des Fluids 15 größer ist als die des Gases, ist die mit Kupferelektrode 22 im Winkel verbundene Kapazität C1 größer als die Kapazität C2, die mit Kupferelektrode 23 verbunden ist. Dieses Kapazitätsdifferential kann zur Bestimmung des Neigungswinkels genutzt werden.

Claims (13)

1. Neigungsmesser mit einem Gehäuse (12,13), das einen Fluidbehälter (14) bildet, einer Mehrzahl komplanarer Metall- Sensorplatten (22,23), die in dem Fluidbehälter (14) positioniert sind, einem Fluid (15), das eine vorgewählte Dielektrizitätskonstante aufweist und in dem Fluidbehälter bei einem vorbestimmten Pegel enthalten ist, um so die Metall- Sensorplatten teilweise darin unterzutauchen, und einem Gas, das den Rest des Fluidbehälters füllt und eine kleinere Dielektrizitätskonstante als die vorgewählte Dielektrizitätskonstante des Fluides aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12) metallisch ist, und daß die Mehrzahl der Sensorplatten erste und zweite komplanare Metall-Sensorplatten (22,23) umfaßt, die zwischen ersten und zweiten Folien (21,24) aus einem dielektrischen Material positioniert sind.

2. Neigungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß der Behälter (14) durch eine erste und eine zweite metallische Außenwand und einen metallischen Umkreis gebildet wird,

daß die erste Folie (21) aus dielektrischem Material in dem Behälter in einem vorbestimmten Abstand von der ersten metallischen Außenwand positioniert ist, um eine erste Fluidkammer zu bilden, die begrenzt ist durch die erste Folie aus dielektrischem Material, die erste metallische Außenwand und den metallischen Umkreis,

und daß die zweite Folie (24) aus dielektrischem Material in dem Behälter in paralleler Lage zu der ersten Folie aus dielektrischem Material in einem Abstand von der zweiten metallischen Außenwand positioniert ist, der dem vorgewählten Abstand gleich ist, um eine zweite Fluidkammer zu bilden, die begrenzt ist durch die zweite Folie aus dielektrischem Material, die zweite metallische Außenwand und den metallischen Umkreis.

3. Neigungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Metall-Sensorplatte (22,23) einen Trennungsabstand zwischen sich aufweisen, um einen metallfreien Bereich einer vorbestimmten Länge in der Ebene der ersten und der zweiten Sensorplatte (22,23) zu bilden.

4. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite dielektrische Folie (21,24) Löcher (25,26) enthalten, um Passagen für das Fluid (15) und das Gas vorzusehen, um den Gas- und Fluiddruck in dem Behälter (14) auszugleichen.

5. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine metallische Unterteilung (31) umfaßt, die zwischen der ersten und der zweiten Metall- Sensorplatte (22,23) positioniert ist, um eine elektrische Isolierung zwischen diesen vorzusehen.

6. Neigungsmesser nach Anspruch 5 in Verbindung mit den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Unterteilung (31) sich wenigstens entweder von der ersten oder der zweiten metallischen Wand des Behälters (14) zu der Ebene der ersten und zweiten Sensorplatten (22,23) hin erstreckt über eine Strecke, die nicht größer ist als der vorgewählte Abstand, und so positioniert ist, daß eine gedachte geometrische Projektion der metallischen Unterteilung in der Ebene zwischen den ersten und zweiten Sensorplatten liegt, wobei die metallische Unterteilung eine Länge gleich der vorbestimmten Länge des metallfreien Bereichs aufweist.

7. Neigungsmesser nach Anspruch 5 oder 6 in Verbindung mit Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Unterteilung (31) Fluidpassagen (32,33) aufweist, die mit den Löchern (25,26) in der ersten und zweiten dielektrischen Folie (21,24) fluchten.

8. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Sensorplatten (22,23) gänzlich in dem Umkreis der dielektrischen Folien (21,24) enthalten sind.

9. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material aus Polyester-Kunststoff besteht.

10. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas Stickstoff ist.

11. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fluid eine Mischung eines Kohlenwasserstofföles und eines Alkohols umfaßt.

12. Neigungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Metall- Sensorplatte (22,23) an der ersten oder zweiten Folie aus dielektrischem Material (21,24) vorgesehen sind.

13. Neigungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Metall-Sensorplatte (22,23) an der ersten oder zweiten Folie aus dielektrischem Material (21,24) dadurch vorgesehen sind, daß die Folie mit einem einzelnen metallischen Sensor beschichtet wird und dann der beschichtete Sensor geätzt wird, um ihn in die erste und die zweite Sensorplatte aufzuspalten.