DE3920246A1 - Fluessigkeitsneigungssensor mit elektrischem ausgangssignal - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Flüssigkeitsneigungssensor mit elektrischem Ausgangs­ signal, insbesondere zur Erfassung kleiner und kleinster Neigungswinkel.

Flüssigkeitsneigungssensoren mit galvanischem oder mit kapazitivem Abgriff der Meß­ information unterschiedlicher Bauart zählen zum Stand der Technik.

In der EP 02 43 011 A2 und in der DE 25 51 798 C2 werden zwei verschiedene elektronische Neigungsmesser mit galvanischem Abgriff beschrieben. Diese Neigungs­ messer mit galvanischem Abgriff besitzen den Nachteil, daß in der Flüssigkeit chemische Veränderungen durch Gleichstromkomponenten möglich sind. Die Kontakt­ stellen von leitfähiger Flüssigkeit und Stromzuführungselektroden bergen außerdem besondere Grenzschichtprobleme in sich, die einen negativen Einfluß auf die meß­ technischen Parameter bewirken.

Andere Neigungssensoren mit kapazitivem Abgriff, wie z. B. die DE 32 49 101 C2, die DE 36 08 274 C2 und die EP 01 71 961 A1 verwenden eine dielektrische Flüssig­ keit oder gekrümmte Behälterformen. Mit diesen Anordnungen können aufgrund der relativ geringen Kapazitätsänderung pro Neigungswinkeleinheit keine kleinen und klein­ sten Neigungswinkel erfaßt werden. Außerdem sind die Temperaturdrift der Dielektri­ zitätskonstante und der Fertigungsaufwand für definiert gekrümmte Flüssigkeitsbe­ hälter nachteilig.

Mechanische Pendelneigungssensoren, wie in der DE 25 23 446 beschrieben, gestat­ ten zwar auch die Messung kleinster Neigungswinkel, besitzen aber die Nachteile mechanischer Anordnungen wie Hysterese, Stoßempfindlichkeit und komplizierter Aufbau. Weiterhin ist das Meßergebnis derartiger mechanischer Systeme wegen der dabei verwendeten Federelemente von der Größe der Gravitationskraft abhängig, so daß eine Neigungsmessung außerhalb der Erdoberfläche fehlerbehaftet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, kleine und kleinste Neigungswinkel unter Verwendung unkomplizierter Gefäßgeometrien bei großer Auswahlmöglichkeit der gravitationsempfindlichen Flüssigkeit, die sowohl Leitfähigkeit, wie auch dielektrische Eigenschaften besitzen können soll, zu messen, wobei ein galvanischer Kontakt zwischen der Flüssigkeit und den Meßelektroden vermieden werden soll.

Das Meßergebnis soll unabhängig von der Größe der Gravitationskraft nur deren Richtung anzeigen, also auch in großen Höhen oder auf anderen Himmelskörpern fehler­ frei funktionieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich in einem Gefäß ein Gas und eine Flüssigkeit befinden und durch dielektrische Trennwände gegenüber der Elektroden isoliert sind und daß die Elektroden auf den Trennwänden so angeordnet sind, daß sich in deren elektrischen Feldlinienverläufen ein durch unterschiedliche Nei­ gungswinkel veränderliches Flüssigkeitsvolumen der gravitationsempfindlichen Flüssigkeit findet und daß die Elektroden mit den Eingängen einer elektronischen Differential­ impedanzmeßschaltung zum Messen der resistiven und der kapazitiven Widerstände des veränderlichen Flüssigkeitsvolumens verbunden sind, die einen elektrischen Neigungs­ signalausgang besitzt.

Damit die gravitationsempfindliche Flüssigkeit und das Gas auch in einem ungekrümm­ ten zylindrischen Rohr in horizontaler Lage keinen undefinierten instabilen Gleich­ gewichtszustand seiner Lage annimmt, befinden sich an den Zylinderenden spezielle kapillarkraftvergrößernde Teile, die eine kontinuierliche Zunahme der Kapillarwirkung auf die Flüssigkeit zu den Zylinderenden hin bewirken und so in Abhängigkeit der Geo­ metrie dieser kapillarkraftvergrößernden Teile eine exakte Erfassung des Null-Neigungs­ winkels ermöglicht.

Zur einfachen Meßsignalgewinnung kann ein Relaxationsoszillator Verwendung finden, dessen periodendauerbestimmenden Bauelemente durch den komplexen Widerstand des Meßvolumens gebildet werden.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß schon eine geringfügige Flüssigkeitsvolumenänderung im Feldlinienverlauf der Meßelektroden zu einer gut auswertbaren Änderung des resistiven und oder des kapazitiven Wider­ standes führt und da mechanische Hystereseerscheinungen in der Flüssigkeit keine Rolle spielen, können auch kleinste Neigungswinkel im Winkelsekundenbereich und darunter gemessen werden. Ein Flüssigkeitsspiegel ist auch bei unterschiedlich starker Gravitationskraft immer waagerecht, so daß der Neigungswinkel unabhängig vom Meß­ ort, z. B. auch in großer Höhe oder auf anderen Himmelskörpern gemessen werden kann.

Ein weiterer großer Vorteil besteht in der hohen mechanischen Schockbelastbarkeit, da außer der Flüssigkeit keine weiteren beweglichen Teile Verwendung finden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen

Fig. 1 Flüssigkeitsneigungssensor mit elektrischem Ausgangssignal,

Fig. 2 Flüssigkeitsneigungssensor mit zylindrischem Gefäß,

Fig. 3 Flüssigkeitsneigungssensor mit verbundenen Gefäßen,

Fig. 4 Flüssigkeitsneigungssensor mit kapillarkraftvergrößernden kegligen Teilen,

Fig. 5 Flüssigkeitsneigungssensor mit kapillarkraftvergrößernden schrägen Teilen,

Fig. 6 Flüssigkeitsneigungssensor mit zylindrischen Elektroden,

Fig. 7 Flüssigkeitsneigungssensor für zwei Neigungskoordinaten,

Fig. 8 verzahnte Meßelektroden,

Fig. 9 elektrisches Ersatzschaltbild und Teil der Meßsignalgewinnung.

Der Flüssigkeitsneigungssensor besteht aus einem Gefäß 1, in dem sich eine Flüssig­ keit 3 als gravitationsempfindliches Element und ein Gas 2 befindet. Zwischen der Flüssigkeit 3 und den Meßelektroden 5, 6 und 7 befindet sich eine dielektrische Trenn­ wand 4. Diese Trennwand 4 kann, wie in der Fig. 2 bis 6 dargestellt, auch durch ein dielektrisches Gefäß 1 gebildet werden. Die Meßelektroden 5, 6 und 7 sind so angeordnet, daß sich in ihrem Feldlinienverlauf, wie es vereinfacht in der Fig. 9 dar­ gestellt ist, ein vom jeweiligen Neigungswinkel abhängiges Flüssigkeitsvolumen mit resistiv und kapazitiv wirkenden Elementen 16 befindet. Das veränderliche Flüssigkeits­ volumen im Feldlinienverlauf bewirkt auch eine Veränderung der Größen der wirksamen resistiven und kapazitiven Elemente 16, die ihrerseits z. B. in Verbindung mit einem Relaxationsoszillator 17 eine leicht weiterverarbeitbare Periodendaueränderung her­ vorrufen. Eine Veränderung des Flüssigkeitsvolumens führt in jedem Fall zu einer Meß­ signaländerung, unabhängig davon, ob die resistive oder die kapazitive Komponente der Flüssigkeit überwiegt. Die elektrischen Werte der Flüssigkeit 3 sollten aber über die Zeit und die Temperatur möglichst konstant sein und die nichtelektrischen Eigenschaf­ ten, wie Viskosität, chemische Beständigkeit, Grenzschichtverhalten, Oberflächenspan­ nung, Verträglichkeit mit dem Gas 2 und Toxizität sollten ebenfalls der Aufgabe an­ gepaßt sein.

Der Flüssigkeitsneigungssensor in Fig. 2 besteht im wesentlichen aus einem ca. halb gefüllten an beiden Enden geschlossenen Glasrohr 1. Die Meßelektroden 5, 6 und 7 können dabei, wie dargestellt, unterhalb oder oberhalb angeordnet sein oder das Rohr, wie in Fig. 6 dargestellt, ringförmig umschließen. Fig. 3 zeigt einen Neigungssensor, dessen beide Hälften, die über eine Leitung 13 und 14 für die Flüssigkeit und das Gas sowie elektrische Leitungen miteinander in Verbindung stehen, an größeren Kon­ struktionsteilen in entsprechender Entfernung voneinander befestigt werden können, wodurch die Meßempfindlichkeit vergrößert, oder zueinander bewegliche Teile nivelliert werden können.

Fig. 4, 5 und 6 zeigt Flüssigkeitsneigungssensoren zur Erfassung besonders kleiner Neigungswinkeldifferenzen unter Verwendung gerader zylindrischer Rohre. Bei derartigen geraden zylindrischen Rohren 1, 4 befindet sich das Gasvolumen 2 in waagerechter Stellung im labilen Gleichgewicht, so daß deren Position keine genaue Aussage über den wirksamen Neigungswinkel gestattet. Durch spezielle kapillarkraftvergrößernde Teile 15 wird die Oberflächenspannung so beeinflußt, daß das Gasvolumen in waage­ rechter Stellung des Rohres eine definierte Position einnimmt.

Fig. 7 zeigt in der Draufsicht einen zweiachsigen Neigungssensor.

Fig. 8 zeigt eine mögliche kammartige Verzahnung der Meßelektroden 5 und 6 und 7 und 6, was insbesondere bei dünnen Flüssigkeitsschichten zur Meßempfindlichkeits­ steigerung sinnvoll ist.

Claims (11)

1. Flüssigkeitsneigungssensor mit elektrischem Ausgangssignal, insbesondere zur Erfas­ sung kleiner und kleinster Neigungswinkel, dadurch gekennzeichnet, daß sich in einem Gefäß (1) ein Gas (2) und eine Flüssigkeit (3) befindet und durch dielektrische Trenn­ wände (4) gegenüber der Elektroden (5, 6, 7) isoliert sind und daß die Elektroden (5, 6, 7) auf der Trennwand (4) so angeordnet sind, daß sich in deren elektrischen Feldlinien­ verläufen ein durch unterschiedliche Neigungswinkel veränderliches Flüssigkeitsvolu­ men der Flüssigkeit (3) befindet und daß die Elektroden (5, 6, 7) mit den Eingängen (8, 9, 10) einer elektronischen Differentialimpedanzmeßschaltung zum Messen der resis­ tiven und der kapazitiven Widerstände (16) des veränderlichen Flüssigkeitsvolumens verbunden sind, die einen elektrischen Neigungssignalausgang (12) besitzt.

2. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) und die dielektrische Trennwand (4) durch ein dielektrisches Rohr gebildet wird.

3. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vergrößerung der Meßempfindlichkeit das Gefäß (1) in zwei Teile (1.1) und (1.2) aufgeteilt ist, die durch eine Verbindungsleitung (13) für die Flüssigkeit und eine Verbindungsleitung (14) für das Gas miteinander verbunden sind.

4. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Rohr nicht gekrümmt ist und sich an beiden Rohrenden kapillarkraft­ vergrößernde Teile (15) befinden und der freie Querschnitt zum Rohrende hin ab­ nimmt.

5. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kapillarkraftvergrößernden Teile (15) vorzugsweise als Kegel (15.1), als schräger Zylinderschnitt (15.2) oder als Rotationshyperboloid ausgebildet sind.

6. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (5, 6 und 7) das dielektrische Rohr (1) ringförmig außen umschließen.

7. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß (1) vertikalzylindrisch ausgebildet ist und unter einer horizontalen dielektrischen Trenn­ wand (4) die Elektroden (5.1, 6 und 7.1) für die Neigung in x-Richtung und die Elek­ troden (5.2, 6 und 7.2) für die Neigung in y-Richtung angeordnet sind, die mit den jeweils zugehörigen elektronischen Differentialimpedanzmeßschaltungen (11.1 und 11.2) verbunden sind.

8. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektroden (5) bzw. (7) und die Bezugselektrode (6) kammartig ausgebildet und mit Abstand ineinander verzahnt sind.

9. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Differentialimpedanzmeßschaltung (11) im Eingang mindestens einen Relaxationsoszillator (17) besitzt, dessen Ausgangsimpulszeiten (18) eine Funktion der kapazitiven und der resistiven elektrischen Komponenten (16) des neigungsver­ änderlichen Flüssigkeitsvolumens sind.

10. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit eine niedrigviskose, nichtschäumende, chemisch inaktive, langzeitstabile Flüssigkeit mit geringem Temperaturkoeffizient der elektrischen Parameter über einen großen Temperaturbereich verwendet wird.

11. Flüssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gefäß (1) in dem Bereich der Flüssigkeit (3) Strömungshindernisse als Schwin­ gungsdämpfer angeordnet sind.