DE4036262A1 - Elektrische messanordnung zur messung bzw. berechnung des fuellstandes oder anderer mechanischer daten einer elektrisch leitenden fluessigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Meßanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Insbesondere ist als Flüssigkeit im Rahmen dieser Lehre normal leitendes Wasser gemeint, selbstverständlich können aber auch alle anderen leitenden Flüssigkeiten hier angesprochen werden.

Die bekannte elektrische Meßanordnung, von der die Erfindung ausgeht, dient allein der Füllstandsmessung einer Flüssigkeit in einem Behälter. Dazu ist an der Wandung des Behälters ein Meßkopf angeordnet, dessen Lage einem bestimm­ ten Füllstand der Flüssigkeit im Behälter entspricht. Erreicht die Flüssig­ keit diesen Meßkopf, so wird von dem Meßsensor ein Ausgangssignal abgege­ ben, das von der Auswerteschaltung als "Erreichen des Füllstandes" ausge­ wertet wird. Der Meßsensor ist hier zumeist als kapazitiv arbeitender, be­ rührungslos betätigbarer Annäherungsschalter ausgeführt. Es kann sich aber auch um einen Meßsensor handeln, der mit zwei Meßelektroden, die von der elek­ trisch leitenden Flüssigkeit dann überbrückt werden, arbeitet.

In jedem Fall gilt für elektrische Meßanordnungen zur Messung bzw. Berech­ nung des Füllstandes einer in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit, daß vor Erreichen des bestimmten Füllstandes der Meßsensor in der Flüssigkeit nicht eingetaucht ist und daß das Erreichen des Füllstandes gleichzeitig das Erreichen des Meßsensors bedeutet.

Die zuvor erörterte elektrische Meßanordnung zur Messung des Füllstandes erlaubt nur diskrete Füllstandsmessungen. Entsprechend andere mechanische Daten der in einem Behälter befindlichen Flüssigkeit, beispielsweise deren Volumen, sind daher auch nur diskret, also für bestimmte Fixpunkte meßbar bzw. berechenbar. Letztlich werden diese Daten wiederum aus der Messung des Füllstandes abgeleitet, indem ein bestimmter Füllstand bei bekannter Geometrie des Behälters auf ein bestimmtes Volumen der Flüssigkeit im Be­ hälter umgerechnet werden kann.

Die zuvor erläuterte , aus der Praxis bekannte elektrische Meßanordnung hat sich im Prinzip bewährt, sie leidet aber an dem Nachteil der diskreten Mes­ sung. Außerdem wäre es vorteilhaft, umfassendere Messungen wahrnehmen zu können.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Meßanordnung für entsprechende Meßaufgaben anzugeben, die eine kontinuier­ liche Messung des Füllstandes und möglichst vieler mechanischer Daten er­ laubt.

Die zuvor aufgezeigte Aufgabe ist bei einer elektrischen Meßanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Streufeldsensoren sind für sich seit langem für die Messung der elektrolytischen Leitfähigkeit einer Flüssigkeit bekannt (vgl. "messen + prüfen/automatik" Oktober 1976, 554, 563). Für die Theorie und Meß­ technik mit Streufeldsensoren wird daher auf die zuvor genannte Fachlitera­ tur verwiesen. Wesentlich ist, daß ein als Streufeldsensor ausgeführter Meß­ sensor durchaus auch vier oder sechs Meßelektroden aufweisen kann, wenn man berücksichtigt, daß es aus meßtechnischen Gründen zweckmäßig ist, die Strom­ elektroden von den Spannungselektroden für die Potentialmessung zu trennen. Dadurch liegen Polarisationseffekte an den stromdurchflossenen Elektroden außerhalb der eigentlichen Meßstrecke mit den Spannungselektroden.

Erfindungsgemäß wird ein Streufeldsensor untypisch genutzt, nämlich letzt­ lich zur Volumenmessung über den Meßelektroden. Das Streufeld bildet sich dabei über den Meßelektroden kugelförmig bzw. glockenförmig in der Flüssig­ keit aus. Die gemessene elektrische Leitfähigkeit ist direkt abhängig vom Volumen der Flüssigkeit über dem Streufeldsensor, bei gleichbleibender spezifischer Leitfähigkeit der Flüssigkeit läßt sich eine bestimmte ge­ messene Leitfähigkeit leicht in eine bestimmte Füllhöhe der Flüssigkeit im Behälter umrechnen, wenn man die Geometrie des Behälters und die son­ stigen Parameter der Meßanordnung kennt. Ist die Leitfähigkeit der Flüs­ sigkeit nicht bekannt, oder schwankt sie, so kann zur Korrektur ein se­ parater Streufeldsensor als - normaler - Leitfähigkeitssensor eingesetzt werden, um eine Normierung zu ermöglichen.

Wesentlich ist, daß erfindungsgemäß auch Behälter und Flüssigkeit selbst einen Teil der Meßanordnung bilden können. In dieser bevorzugten Variante der Lehre ist die Flüssigkeit in der elektrischen Meßanordnung nur noch Mittel zum Zweck, d. h. ihre Füllhöhe ist nur noch Indiz für ein anderes mechanisches Datum, das die bestimmte Füllhöhe der Flüssigkeit zur Folge hat. So läßt sich die Neigung des Behälters bei entsprechender Gestaltung der elektrischen Meßanordnung messen, es lassen sich aber auch eine Viel­ zahl weiterer mechanischer Einflüsse meßtechnisch erfassen. Das wird ins­ gesamt in den nachgeordneten Ansprüchen umfangreich erläutert.

Bevorzugt ist, daß die Meßelektroden im wesentlichen in einer Ebene liegen. Bei der Messung des Füllstandes einer Flüssigkeit in einem Behälter ist diese Ebene zweckmäßigerweise der Boden des Behälters, die Meßelektroden wären dann also am Boden des Behälters angeordnet. Unterschiedliche Niveaus der Meßelek­ troden erschweren die Auswertung. Sie können sich aber manchmal aus anderen Gründen als empfehlenswert erweisen, so daß es auch zweckmäßig sein kann, die Meßelektroden winklig zueinander anzuordnen, beispielsweise eine Meßelek­ trode am Boden des Behälters und eine Meßelektrode an einer Wandung des Be­ hälters.

Grundsätzlich wäre es auch möglich, in einem Behälter zwei oder noch mehrere Meßsensoren mit jeweils zwei Meßelektroden oder drei Meßelektroden anzuord­ nen, beispielsweise einen Meßsensor am Boden und einen Meßsensor an der Wand rechtwinklig dazu. Dann könnte man bei über 45° reichenden Neigungen von einem Meßsensor auf den anderen Meßsensor umschalten. Bei einem an allen Wandungen mit Meßsensoren bestückten Behälter könnte man eine Drehung des Behälters in jede beliebige Richtung durch Umschalten von einem Meßsensor auf den an­ deren Meßsensor meßtechnisch erfassen.

Es gibt nun viele Möglichkeiten, die Lehre der Erfindung auszugestal­ ten und weiterzubilden, wozu auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten An­ sprüche verwiesen werden darf. In den nachgeordneten Ansprüchen finden sich besondere Ausführungsformen für eine Positionsbestimmung eines beweg­ lichen Körpers in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit. In den nachgeord­ neten Ansprüchen sind auch verschiedene für sich selbstständig erfinderische Verwendungen einer elektrischen Meßanordnung der beschriebenen Art angege­ ben, die aber keine abschließende Auflistung darstellen sollen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispie­ le darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Behälter mit darin befind­ licher Flüssigkeit und einer entsprechenden Meßanordnung,

Fig. 2 ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Meßsensors gemäß der Erfindung,

Fig. 3 in hinsichtlich der Darstellungsart Fig. 1 entsprechender Dar­ stellung eine für eine Neigungsmessung abgeänderte erfindungsge­ mäße Meßanordnung,

Fig. 4 die Meßanordnung aus Fig. 3 mit geneigtem Behälter,

Fig. 5 die Meßanordnung aus Fig. 3 mit in die andere Richtung geneigtem Behälter, etwas anderer Anordnung der Meßelektroden und einer Darstellung des Einflusses unterschiedlich hoher Füllstände der Flüssigkeit für die Meßgenauigkeit,

Fig. 6 in Draufsicht ein Substrat einer in Planartechnik ausgeführten Meßanordnung mit vier Meßsensoren,

Fig. 7 die Meßanordnung aus Fig. 6 in schematischer Darstellung mit der dazu gehörenden Auswerteschaltung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung einer elektrischen Meßanordnung zur Positionsbestimmung eines beweglichen Körpers in einer elek­ trisch leitfähigen Flüssigkeit,

Fig. 9 in Fig. 8 entsprechender Darstellung die Meßanordnung mit dem beweglichen Körper in anderer Position,

Fig. 10 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer entsprechenden elektri­ schen Meßanordnung,

Fig. 11 in einer im Grundsatz Fig. 5 entsprechenden Darstellung ein Aus­ führungsbeispiel mit einer Trennwand im Behälter,

Fig. 12 in einer im Grundsatz Fig. 5 entsprechenden Darstellung ein Aus­ führungsbeispiel mit einer Hilfsflüssigkeit über der Flüssigkeit,

Fig. 13 in einer Fig. 12 entsprechenden Darstellung einen mit Flüssigkeit und Hilfsflüssigkeit vollständig gefüllten Behälter,

Fig. 14 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßan­ ordnung, hier in Verbindung mit einem Verformungskörper zur Neigungsmessung,

Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung zur Linear-Beschleu­ nigungsmessung,

Fig. 16 die Anordnung der Meßsensoren der Meßanordnung aus Fig. 15 in Draufsicht,

Fig. 17 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßan­ ordnung geeignet zur Rotations-Beschleunigungsmessung bzw. zur Drehzahlmessung,

Fig. 18 in Draufsicht den Meßsensor der Meßanordnung aus Fig. 17,

Fig. 19 in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer elektrischen Meßanordnung, geeignet zu einer besonders präzisen Drehzahlmessung, und

Fig. 20 die Meßanordnung aus Fig. 19 bei hoher Drehzahl.

Fig. 1 zeigt zunächst die grundsätzliche Konstruktion einer elektrischen Meßanordnung gemäß der Erfindung zur Messung bzw. Berechnung des Füllstan­ des oder auch anderer mechanischer Daten einer in einem Behälter 1 befind­ lichen, elektrisch leitenden Flüssigkeit 2, bei der es sich insbesondere um normal leitendes Wasser handeln kann. Im übrigen kann dieses System aber auch für alle anderen elektrisch leitenden Flüssigkeiten eingesetzt wer­ den.

Die in Fig. 1 in einer prinzipiellen Darstellung gezeigte elektrische Meß­ anordnung weist einen Meßsensor 3 auf. Einem solchen Meßsensor 3 ist regel­ mäßig eine Auswerteschaltung 4 nachgeschaltet, wie sie im grundsätzlichen Blockschaltbild beispielsweise in Fig. 7 für ein anderes Ausführungsbei­ spiel dargestellt ist. Das ist alles aus dem Stand der Technik bekannt.

Wesentlich ist nun zunächst, daß der Meßsensor 3 als Streufeldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegenden Meßelektro­ den 6a, 6b ausgeführt ist. Im hier dargestellten und bevorzugten Ausführungs­ beispiel, bei dem es um die Messung des Füllstandes der Flüssigkeit im Be­ hälter 1 geht, sind die beiden Meßelektroden 6a, 6b in einer Ebene, näm­ lich am Boden 5 des Behälters 1 angeordnet. Sie haben also praktisch das gleiche Niveau, was die meßtechnische Auswertung vereinfacht. Angedeutet ist das sich in der Flüssigkeit 2 ausbildende Streufeld. Dadurch verändert sich der mit dem Meßsensor 3 gemessene Meßwert signifikant mit der Füllhöhe bzw. dem Füllstand der Flüssigkeit 2. Aus dem Füllstand kann man dann an­ dere mechanische Daten der Flüssigkeit 2, beispielsweise deren Volumen, er­ rechnen. Man kann anhand von Fig. 1 unschwer verstehen, daß die Meßelektro­ den 6a, 6b auch in unterschiedlichen Ebenen liegen können, insbesondere wink­ lig zueinander, beispielsweise eine Meßelektrode 6a am Boden 5 des Behäl­ ters 1 und die andere Meßelektrode 6b an der Seitenwand des Behälters 1. Das kann unter bestimmten meßtechnischen Voraussetzungen ebenfalls zweck­ mäßig sein. Grundsätzlich könnten auch beide Meßelektroden 6a, 6b auf einan­ der gegenüberliegenden Wandungen des Behälters 1 angeordnet sein. Das würde dann andere meßtechnische Möglichkeiten geben.

Um eine möglichst korrekte Erfassung des Füllstandes der Flüssigkeit 2 im Behälter 1 zu ermöglichen, sind im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Meß­ elektroden 6 des Meßsensors 3 nahe an den äußersten Rändern des Bodens 5 angeordnet. Es gilt im übrigen, daß die Darstellung von zwei Meßelektroden 6a, 6b nur eine prinzipielle Darstellung ist, für sich bekannt ist es für Streufeldsensoren ja, aus meßtechnischen Gründen die Stromführung über die Elektroden von der Spannungsmessung zu trennen, also mit Stromelektroden und Spannungselektroden zu arbeiten. In den dargestellten Ausführungsbei­ spielen ist allerdings davon ausgegangen worden, daß nur mit zwei Meßelek­ troden je Meßsensor 3 gearbeitet wird, die anderen Alternativen sind natür­ lich in gleicher Weise realisierbar.

Streufeldsensoren der in Rede stehenden Art können in besonders zweckmäßi­ ger Weise in Planartechnik auf einem Substrat ausgeführt sein. Dazu können auf einem Substrat die elektrisch leitenden, flächigen Strukturen, vor­ zugsweise aufgebracht in Planartechnik, insbesondere in Dünnfilmtechnik, vorgesehen sein, wobei dann an bestimmten Stellen ein gegen die betroffene Flüssigkeit 2 beständiges Dielektrikum als Abdeckung in Planartechnik oder anderer Beschichtungstechnik aufgebracht wird.

Fig. 2 zeigt eine ganz besonders bevorzugte Ausgestaltung eines Meßsensors 3 für eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung, die nämlich dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die eine Meßelektrode 6a eine jedenfalls im wesentlichen geschlossene kreisringförmige Elektrodenfläche und die andere Meßelektrode 6b eine im Mittelpunkt des Kreisringes liegende, kreisförmige Elektrodenfläche bildet und daß die Ränder der beiden Elektrodenflächen einen erheblichen radialen Abstand voneinander aufweisen. Man erkennt hier, daß die Zuleitun­ gen 7 von der Anschlußfläche 8 auf dem hier nur gestrichelt dargestellten Substrat möglichst schmal gemacht werden, um die auftretenden Streufelder möglichst gering zu halten. Bei der dargestellten Anordnung der Meßelektro­ den 6 des Meßsensors 3 ist gewährleistet, daß das insgesamt ausgemessene Streufeld unabhängig von der Neigung des Behälters 1 nach jeder der mög­ lichen Richtungen konstant bleibt. Das ist bei auf eine bestimmte Achse aus­ gerichteten Meßelektroden 6 so nicht sicherzustellen.

Bislang ist eine elektrische Meßanordnung mit im Prinzip einem Meßsensor 3, der ein Streufeld über den Meßelektroden 6 ausbildet, in ihrer meßtechni­ schen Bedeutung erläutert worden. Dazu bleibt vielleicht noch zu erwähnen, daß die maximal meßbare Füllhöhe etwa das 0,8-fache des Abstandes der Meß­ elektroden 6 beträgt, wenn man eine ausreichende Meßgenauigkeit voraussetzt und wenn man die in Fig. 1 dargestellten, weit beabstandeten Meßelektroden 6 einsetzt. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform verringert sich zwar die meßbare maximale Füllhöhe auf ungefähr das 0,5-fache bis 0,4-fache des Durchmessers der Meßelektrode 6a, dafür hat man dann aber den Vorteil der Neigungsunabhängigkeit des Meßwertes.

Wesentlich ist, daß eine elektrische Meßanordnung der zuvor erläuterten Art auch in sich selbst geschlossen als Meßanordnung für sonstige mechanische Daten eingesetzt werden kann. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß der Behälter samt der darin befindlichen Flüssigkeit selbst einen Teil der Meß­ anordnung bilden kann, so daß andere mechanische Daten, beispielsweise die Neigung des Behälters mit darin befindlicher Flüssigkeit, eine Rotation des Behälters, eine Linearbeschleunigung des Behälters und/oder weitere mecha­ nische Daten meßtechnisch erfaßt werden können, jeweils indem das Verhalten der Flüssigkeit im Behälter meßtechnisch erfaßt wird.

Besondere meßtechnische Effekte lassen sich auf der Grundlage der Füll­ standsmessung bei Einsatz mehrerer Meßsensoren 3 insbesondere am Boden 5 des Behälters 1 erzielen. Fig. 3 zeigt dazu, daß der Behälter 1 um eine hier jedenfalls virtuell mittig am Boden 5 befindliche Kippachse 9 kippbar ist und daß beidseits der Kippachse 9 jeweils ein Meßsensor 3 angeordnet ist und die Meßwerte der beiden Meßsensoren 3 in der Auswerteschaltung 4 auswertbar, und zwar insbesondere in einem Differenz-Auswerteverfahren aus­ wertbar sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel gilt, daß die Meß­ sensoren 3 beidseitig der Kippachse 9 im wesentlichen symmetrisch zu dieser angeordnet sind.

Die Kippachse 9 muß nicht körperlich vorhanden sein, sie ist systemimmanent jedenfalls stets auch virtuell vorhanden, auch wenn man den Behälter 1 in Fig. 4 beispielsweise parallel zu sich selbst verlagert. Wesentlich ist, daß im Grundsatz beidseits der "Mitte" jeweils ein Meßsensor 3 angeordnet ist. Man erkennt aus Fig. 3, daß bei ebener Ausrichtung des Behälters 1 auch der Flüssigkeitsspiegel im Behälter 1 im Bereich beider Meßsenso­ ren 3 im gleichen Abstand vom Boden 5 liegt, so daß im Rahmen der Meß- und Auswertegenauigkeit die gemessenen Streufelder identisch sind. In Fig. 4 erkennt man dementgegen, daß sich das Streufeld des Meßsensors 3 rechts wegen der Neigung des Behälters 1 erheblich vergrößert hat, während das Streufeld des links dargestellten Meßsensors 3 durch die Neigung des Be­ hälters 1 eingeschnürt worden ist. Eine Auswertung mit der Auswerteschal­ tung 4 macht also beispielsweise eine Neigungsmessung für den Behälter 1 möglich. Das läßt sich in Lagebestimmungssystemen, in "elektronischen Wasser­ waagen" usw. mit großem Vorteil einsetzen, insbesondere wenn man berücksich­ tigt, daß die Meßsensoren 3 in Planartechnik ausgeführt sein können, also notfalls auch miniaturisierbar sind.

Fig. 5 macht deutlich, daß es bei der anhand der Fig. 3 und 4 erläuterten Neigungsmessung hinsichtlich der Auswertung günstiger ist, wenn die normale Höhe des Füllstandes der Flüssigkeit 2 im Behälter 1 möglichst gering ist. Man erkennt, daß die relative Änderung x/y in Fig. 5 erheblich größer ist als die relative Änderung x′/y′. Je weiter also die außen liegenden Meß­ elektroden 6b von den in der Mitte liegenden Meßelektroden 6a entfernt sind und je geringer die Füllhöhe ist, desto höher ist also die Meßempfindlich­ keit, wenngleich der zur Verfügung stehende Winkel-Meßbereich natürlich entsprechend geringer ist.

Um auftretende, die Messung verfälschende Streufelder zwischen verschiede­ nen Meßsensoren 3 zu vermeiden, empfiehlt es sich, daß die der Kippachse 9 nahen Meßelektroden 6a der beiden Meßsensoren 3 auf gleichem Potential lie­ gen. Der nächste Schritt ist dabei dann die Ausgestaltung gemäß Fig. 5, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die der Kippachse 9 nahen Meßelektro­ den 6a der beiden Meßsensoren 3 in einer einzigen Elektrodenfläche zusammen­ gefaßt sind. Das ist natürlich eine vom Schaltungsaufbau her erhebliche Vereinfachung, wobei man nur darauf achten muß, daß die Elektrodenfläche der die beiden Meßelektroden 6a bildenden Elektrode auf die Kippachse 9, sei sie auch nur virtuell vorhanden, zentriert ist.

An sich sind die Meßanordnungen nach den Fig. 3 bis 5 nur hinsichtlich einer Neigung bzw. Kippung um die Kippachse 9 empfindlich, um eine dazu senkrecht verlaufende Kippachse sind sie nicht neigungsempfindlich oder nur sehr wenig neigungsempfindlich. Will man Neigungen um zueinander senkrecht verlaufende Kippachsen, also letztlich Neigungen in alle Richtungen messen können, so empfiehlt es sich, daß zusätzlich zu dem ersten Paar von Meß­ sensoren 3 ein zweites Paar von Meßsensoren 3 vorgesehen und winklig, vor­ zugsweise um 90°, versetzt gegenüber dem ersten Paar von Meßsensoren 3 auf denselben Mittelpunkt wie das erste Paar von Meßsensoren 3 zentriert an­ geordnet ist. Fig. 6 zeigt eine solche Meßanordnung mit zwei Paaren von Meßsensoren 3, wobei dann ergänzend gilt, daß die dem Mittelpunkt nahen Meßelektroden 6a aller Meßsensoren 3 in einer einzigen Elektrodenfläche zusammengefaßt sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die durch die bogenförmigen Pfeile angedeuteten Winkel jeweils 90°, mit entsprechend abgeänderten Auswertungsprogrammen kann man natürlich auch mit nicht exakt im 90°-Winkel stehenden zwei Paaren von Meßsensoren 3 arbeiten.

Fig. 7 zeigt die Meßanordnung aus Fig. 6 mit dem schematisch angedeuteten Substrat 10 mit den aufgebrachten Meßelektroden 6a, 6b, die in Planartech­ nik hergestellt worden sind, mit einem Generator 11, einer ersten Subtrak­ tionsschaltung 12 für das erste Paar von Meßsensoren 3, einer zweiten Sub­ traktionsschaltung 13 für das zweite Paar von Meßsensoren 3, einer Nullagen- Feststellstufe 14 und einer Und-Schaltung 15. An den durch die Pfeile dar­ gestellten Ausgängen stehen die Neigungs-Meßsignale für die x-Richtung oben, für die y-Richtung unten an. An dem mittleren Ausgang wird ein Signal nur dann abgegeben, wenn sich der Behälter 1 exakt in horizontaler Ausrichtung befindet, also eine Neigung in keine Richtung gegeben ist. Das ist eine Möglichkeit, die entsprechende Auswertung mit der Auswerteschaltung 4 durch­ zuführen.

Fig. 11 zeigt nun ein in mechanischer Hinsicht weiter bevorzugtes Ausfüh­ rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßanordnung, das dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß im Behälter 1 mindestens ein Trennelement 16 angeordnet oder ausgebildet ist, das durch das Trennelement 16 ein bestimmter, er­ höhter Strömungswiderstand für die Flüssigkeit beim Strömen von einer Seite des Trennelementes 16 zur anderen Seite des Trennelementes 16 gegeben ist und daß so eine bestimmte Dämpfung vorgebbar ist. Die Dämpfungskonstante des hier als Neigungssensor verwendeten Behälters 1 läßt sich durch Anzahl und Größe der Öffnungen im Trennelement 16, das hier als Lochblech ausgeführt ist, bestimmen. Eine Alternative könnte auch darin bestehen, das Trennele­ ment 16 als Trennwand mit Öffnungen oder als Doppel-Trennwand mit einem Unterströmkanal auszuführen, den Behälter 1 also gewissermaßen in zwei Teile mit einer Strömungsverbindung kleinen Querschnittes aufzuteilen.

Für meßtechnische Anwendungen empfiehlt es sich im übrigen, daß von der Auswerteschaltung 4 ein akustisches Auswertesignal auslösbar ist, insbe­ sondere, daß je nach dem die Kipprichtung anzeigenden Vorzeichen des Aus­ gangssignals unterschiedliche Auswertesignale auslösbar sind. Insbesondere kann man so beispielsweise bei einer elektronischen Wasserwaage "blind" arbeiten, was für viele Anwendungen von großem Vorteil ist. Im übrigen wären natürlich auch entsprechende optische Signale sinnvoll, wenn das im je­ weiligen Anwendungsfall zweckmäßig erscheint.

Fig. 8 zeigt nun einen weiteren, ähnlichen Anwendungsbereich für eine elek­ trische Meßanordnung der in Rede stehenden Art, wobei hier ein beweglicher Körper 16 in einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 2 mit einem entspre­ chenden Meßsensor 3 hinsichtlich seiner Lage überprüft werden soll. Hier gilt nun, daß der bzw. jeder Meßsensor 3 als Streufeldsensor mit zwei im wesentlichen in einer Ebene in einem bestimmten seitlichen Abstand vonein­ ander liegenden Meßelektroden 6a, 6b ausgeführt ist und daß der Meßsensor 3 nahe der Bewegungsbahn des beweglichen Körpers 16 angeordnet und mit den Elektrodenflächen der Meßelektroden 6 auf den beweglichen Körper 16 aus­ gerichtet ist. Auch hier gilt natürlich, daß der als Streufeldsensor aus­ geführte Meßsensor 3 zweckmäßigerweise in Planartechnik ausgeführt sein kann.

Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 befindet sich beispielsweise ein Drehteil in der Flüssigkeit 2, dessen Drehzahl gemessen werden soll. Dies geschieht mit dem dort dargestellten, als Streufeldsensor ausgeführten Meßsensor 3, dessen Streufeldausbildung durch die vor den Meßelektroden 6 vorbei wandernden Zähne des Körpers 16 jeweils verkleinert wird. Das zeigt Fig. 8 im Vergleich mit Fig. 9 sehr deutlich.

Fig. 10 zeigt eine weitere Anwendung der zuvor erörterten Meßanordnung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß mehrere Meßsensoren 3 entlang der Bewegungs­ bahn des beweglichen Körpers 16 angeordnet sind. Der Körper 16 ist hier ein langgestrecktes Teil, das sich relativ zu den mehreren Meßsensoren 3 be­ wegt. Hier wird also eine Art Positionsmessung vorgenommen, zumindest eine Positionsbestimmung. Entsprechend in einer Richtung hintereinander ange­ ordnete Meßsensoren 3 kann man natürlich auch für andere Einsatzfelder verwenden, was später noch genauer erläutert werden wird.

Generell lassen sich Streufeldsensoren der in Rede stehenden Art, jeden­ falls dann, wenn sie in Planartechnik ausgeführt sind, bei Temperaturen bis zu ca. 600 K betreiben. Man muß dafür natürlich dann schon die passen­ den Werkstoffe wählen. Im übrigen kann man, wie eingangs erläutert worden ist, zum Zwecke der Kalibrierung bzw. Normierung noch einen als reinen Leitfähigkeitssensor eingesetzten Streufeldsensor vorsehen, was allerdings in den Fig. nicht im einzelnen dargestellt ist.

Für die Auswerteschaltung gelten übliche schaltungstechnische Ausgestaltungs­ möglichkeiten. Insbesondere ist es zweckmäßig, daß die Auswerteschaltung 4 als Auswerteelektronik ausgeführt ist und, insbesondere, einen Mikroprozes­ sor aufweist oder in einen Mikroprozessor integriert ist.

Meßtechnisch kann es problematisch sein, daß die elektrisch leitende Flüs­ sigkeit 2 in dem Behälter 1 an der Wandung des Behälters 1 anhaftet. Da­ durch wird die Füllstandsmessung verfälscht. Diesen Adhäsionseffekt kann man dadurch beseitigen, daß man den Behälter 1 oberhalb der elektrisch lei­ tenden Flüssigkeit 2 mit einer elektrisch nicht leitenden Hilfsflüssig­ keit 17 auffüllt. Nur der Bereich der elektrisch leitenden Flüssigkeit 2 ist meßtechnisch wirksam. Der Rand der elektrisch leitenden Flüssigkeit 2 wird aber durch die elektrisch nicht leitende, darüber gefüllte Hilfsflüs­ sigkeit 17 begradigt bzw. von Adhäsionskräften befreit. Natürlich gilt der Begriff "elektrisch leitend" im Vergleich mit dem Begriff "nicht elektrisch leitend" relativ, d. h. daß auch eine nur sehr gering leitende Hilfsflüssig­ keit 17 unter Umständen zur Abdeckung der elektrisch leitenden Flüssigkeit 2 benutzt werden kann.

Während Fig. 12 die zuvor erläuterte Abdeckung mit einer Hilfsflüssigkeit 17 insoweit zeigt, als der Behälter 1 nach wie vor dann nicht vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, zeigt Fig. 13 eine bevorzugte oder jedenfalls manchmal zu bevorzugende Form, bei der der Behälter 1 mit der Flüssigkeit 2 und der Hilfsflüssigkeit 17 komplett gefüllt ist. Das läßt mitunter Stör­ effekte einen geringeren Einfluß haben. Man könnte auch vorsehen, den Be­ hälter 1 oberhalb der Flüssigkeit 2 bzw. der Hilfsflüssigkeit 17 (prak­ tisch) zu evakuieren, so daß sich oberhalb des Flüssigkeitsspiegels nur der Sättigungsdampfdruck der Flüssigkeit 2 bzw. der Hilfsflüssigkeit 17 einstellt. Hier ist ein entsprechend passender Druck im Restvolumen zu wählen.

Zuvor ist schon angesprochen worden, daß mehrere Meßsensoren 3 in einer Richtung hintereinander angeordnet sein können. Eine solche Anordnung würde es erlauben, ein Füllhöhenprofil im Behälter 1 aufzunehmen. Entsprechend empfiehlt sich, daß die Auswerteschaltung 4 dann zur Aufnahme eines solchen Füllhöhenprofils ausgebildet ist. Auch bei nur zwei Meßsensoren oder gar bei einem Meßsensor lassen sich Füllhöhenprofile aufnehmen, allerdings mit ge­ ringerer Meßgenauigkeit.

Fig. 14 zeigt nun einen Einsatz der erfindungsgemäßen Meßanordnung derge­ stalt, daß der Behälter 1 in Verbindung mit einem bei Verformung insbeson­ dere durch Gewichtseinwirkung seine Neigung ändernden Verformungskörper 18 eingesetzt ist. Bei dem Verformungskörper 18 handelt es sich im hier dar­ gestellten Ausführungsbeispiel um einen Biegestab, der beispielsweise in einer Waage der Aufnahme eines zu wiegenden Gewichts dienen kann.

Ordnet man den Behälter 1 der erfindungsgemäßen Meßanordnung am Verformungs­ körper 18 an, so ergibt sich der Neigungswinkel proportional zur in den Ver­ formungskörper 18 eingeleiteten Kraft, beispielsweise Gewichtskraft. Die erfindungsgemäß hier als Neigungssensor eingesetzte Meßanordnung kann eine sehr hohe Empfindlichkeit haben (beispielsweise 1 mV/0,001°). Von besonde­ rer Bedeutung ist bei dieser elektrischen Meßanordnung die Tatsache, daß man mit dieser elektrischen Meßanordnung nicht nur die durch Gewichtsein­ wirkung verursachte Neigung des Behälters 1 meßtechnisch erfassen kann, son­ dern, beispielsweise beim Einsatz in einer Waage, auch feststellen kann, ob sich die unbelastete Waage in der Horizontalen befindet. Bei entsprechender Gestaltung der Auswerteschaltung 4 wäre es beispielsweise denkbar, vor jeder eigentlichen Gewichtsmessung zunächst eine Überprüfung der Ausrichtung der Waage in der Horizontalen vorzunehmen und, bei Abweichungen, eine eigenstän­ dige Kalibrierung durchzuführen.

Die als Neigungssensor einzusetzende Meßanordnung in Verbindung mit einem Verformungskörper 18 kann man auch für Verformungsmessungen als solche, bei­ spielsweise für die Messung von Lageabweichungen bei Werkstücken, Gebäuden oder Brücken einsetzen. Es gibt hier sehr weite Anwendungsfelder.

Fig. 15 macht ein weiteres Anwendungsbeispiel deutlich, bei dem die erfin­ dungsgemäße Meßanordnung zur Linear-Beschleunigungsmessung eingesetzt wird. Bei einer Linear-Beschleunigung in Fig. 15 nach rechts sammelt sich die Flüssigkeit 2 im Behälter 1 folgerichtig an der linken Wandung des Behäl­ ters 1 an, mit der dort zur Messung eines Füllhöhenprofils ausgestalteten Meßanordnung läßt sich ein der Beschleunigung des Behälters 1 entsprechen­ des Meßsignal errechnen. Fig. 16 zeigt die Anordnung der mehreren Meßsenso­ ren 3 in einer Richtung hintereinander. Es versteht sich im übrigen von selbst, daß auch überlagerte Neigungen mit einem solchen System mit gemes­ sen werden können.

Fig. 17 zeigt, daß der Behälter 1 hier als Rotationskörper ausgeführt ist. Durch den Ringpfeil ist die derzeit laufende Rotation des Behälters 1 mit der Welle 19 angedeutet. Durch die Rotations-Beschleunigung wird die Flüs­ sigkeit 2 an die Außenwand gedrängt. Der eingesetzte Meßsensor 3 ist in Fig. 18 dargestellt, man erkennt, daß hier ein relativ einfacher Meßsensor nach Anspruch 7 schon das gewünschte zuverlässige Meßergebnis erbringt. Dieses Meßergebnis kann natürlich auch der Drehzahlmessung dienen.

Die Fig. 19 und 20 zeigen ein besonders gestaltetes Ausführungsbeispiel eines zur Rotations-Beschleunigungsmessung bzw. zur Drehzahlmessung ver­ wendbaren Systems. Hier ist auf der Welle 19 ein Rotationskörper 20 ange­ ordnet, der im Schnitt die Form eines verdoppelten Trapezes hat. Bei der in Fig. 19 dargestellten geringen Drehzahl des Rotationskörpers 20 wird die Flüssigkeit 2 in der dargestellten Lage gehalten, möglicherweise unter­ stützt durch entsprechende Hilfsmittel. Ringförmige Meßelektroden 6a, 6b sind an den spitz zulaufenden Außenwandungen des Rotationskörpers erkenn­ bar. Wird nun die Drehzahl erhöht, was in Fig. 20 durch den ringförmigen Doppelpfeil angedeutet ist, so verändert sich Lage der Flüssigkeit 2 gegenüber den Meßelektroden 6a, 6b in der angedeuteten Weise. Das Ergeb­ nis der Messung der Rotations-Beschleunigung bzw. der Drehzahl mit die­ sem speziellen Rotationskörper 20 ist besonders exakt. Es handelt sich hierbei um einen lageunabhängigen Drehzahlsensor für besonders hohe Dreh­ zahlen.

Es gibt natürlich noch eine Vielzahl anderer Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße elektrische Meßanordnung, wesentlich ist, daß stets das Streufeldprinzip verwendet wird, wobei die Miniaturisierbarkeit durch die Planartechnik ganz besondere Vorteile bietet.

Claims (31)

1. Elektrische Meßanordnung zur Messung bzw. Berechnung des Füllstandes oder anderer mechanischer Daten einer in einem Behälter (1) befindlichen, elektrisch leitenden Flüssigkeit (2), insbesondere von normal leitendem Wasser, mit mindestens einem Meßsensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), dadurch gekennzeichnet, daß der (bzw. jeder) Meßsensor (3) als Streu­ feldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander lie­ genden Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist und daß, vorzugsweise, der Be­ hälter (1) samt der darin befindlichen Flüssigkeit (2) selbst Teil der Meß­ anordnung ist.

2. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektro­ den (6a, 6b) im wesentlichen in einer Ebene liegen.

3. Meßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelektro­ den in unterschiedlichen Ebenen liegen und, insbesondere, winklig zueinan­ der angeordnet sind.

4. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Meßelektrode (6a, 6b) am Boden (5) des Behälters (1) angeordnet ist.

5. Meßanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßelek­ troden (6) nahe der äußersten Ränder des Bodens (5) angeordnet sind.

6. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der als Streufeldsensor ausgeführte Meßsensor (3) in Planartechnik auf einem Substrat ausgeführt ist.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Meßelektrode (6a) eine jedenfalls im wesentlichen geschlosse­ ne kreisringförmige Elektrodenfläche und die andere Meßelektrode (6b) eine im Mittelpunkt des Kreisringes liegende, kreisförmige Elektrodenfläche bildet und daß die Ränder der beiden Elektrodenflächen einen erheblichen radialen Abstand voneinander aufweisen.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) um eine Kippachse (9) kippbar ist, daß beidseits der Kippachse (9) jeweils ein Meßsensor (3) angeordnet ist und daß die Meßwerte der beiden Meßsensoren (3) in der Auswerteschaltung (4) auswertbar, und zwar insbesondere in einem Differenz-Auswerteverfahren auswertbar sind.

9. Meßanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kippachse (9) jedenfalls virtuell mittig am Boden (5) befindlich ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsensoren (3) im wesentlichen symmetrisch zu der Kippachse (9) angeord­ net sind.

11. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kippachse (9) nahen Meßelektroden (6a) der beiden Meßsensoren (3) auf gleichem Potential liegen.

12. Meßanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kipp­ achse (9) nahen Meßelektroden (6a) der beiden Meßsensoren (3) in einer ein­ zigen Elektrodenfläche zusammengefaßt sind.

13. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem ersten Paar von Meßsensoren (3) ein zweites Paar von Meßsensoren (3) vorgesehen und in einem Winkel, vorzugsweise um 90°, versetzt gegenüber dem ersten Paar von Meßsensoren (3) auf denselben Mittelpunkt wie das erste Paar von Meßsensoren (3) zentriert angeordnet ist.

14. Meßanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Mittel­ punkt nahen Meßelektroden (6a) aller Meßsensoren (3) in einer einzigen Elektrodenfläche zusammengefaßt sind.

15. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, insbesondere nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Behälter (1) min­ destens ein Trennelement (16) angeordnet oder ausgebildet ist, daß durch das Trennelement (16) ein bestimmter, erhöhter Strömungswiderstand für die Flüssigkeit beim Strömen von einer Seite des Trennelementes (16) zur ande­ ren Seite des Trennelementes (16) gegeben ist und daß so eine bestimmte Dämpfung vorgebbar ist.

16. Meßanordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trenn­ element (16) als Lochblech, als Trennwand mit Öffnungen oder als Doppel- Trennwand mit Unterströmkanal ausgeführt ist.

17. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß von der Auswerteschaltung (4) ein akustisches Auswertesignal auslösbar ist, insbesondere, daß je nach dem die Kipprichtung anzeigenden Vorzeichen des Ausgangssignals unterschiedliche Auswertesignale auslösbar sind.

18. Elektrische Meßanordnung zur Messung bzw. Berechnung mechanischer Daten beweglicher Körper (16) in einer in einem Behälter (1) befindlichen, elek­ trisch leitenden Flüssigkeit (2), insbesondere in normal leitendem Wasser, mit mindestens einem Meßsensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Meßsensor (3) als Streufeldsensor mit zwei im wesentlichen in einer Ebene in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegen­ den Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist und daß der Meßsensor (3) nahe der Bewegungsbahn des beweglichen Körpers (16) angeordnet und mit den Elek­ trodenfIächen der Meßelektroden (6) auf den beweglichen Körper (16) ausge­ richtet ist.

19. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Meßsensoren (3) in einer Richtung hintereinander, insbesondere entlang der Bewegungsbahn des beweglichen Körpers (16), angeordnet sind.

20. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß dem Meßsensor (3) bzw. den Meßsensoren (3) ein als Leitfähigkeitssen­ sor ausgeführter Meßsensor (3), insbesondere auch in Form eines Streufeld­ sensors, zu Kalibrierungszwecken zugeordnet ist.

21. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) als Auswerteelektronik ausgeführt ist und, ins­ besondere, einen Mikroprozessor aufweist oder in einen Mikroprozessor inte­ griert ist.

22. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) oberhalb der elektrisch leitenden Flüssigkeit (2) mit einer elektrisch nicht leitenden Hilfsflüssigkeit (17) geringeren spezi­ fischen Gewichts aufgefüllt ist.

23. Meßanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Behäl­ ter (1) mit der Flüssigkeit (2) und der Hilfsflüssigkeit (17) komplett ge­ füllt ist.

24. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) oberhalb der Flüssigkeit (2) bzw. der Hilfsflüssig­ keit (17) evakuiert ist.

25. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, insbesondere nach An­ spruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (4) zur Auf­ nahme eines Füllhöhenprofils ausgebildet ist.

26. Meßanordnung nach einem der Ansprüch 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) in Verbindung mit einem bei Verformung insbesondere durch Gewichtseinwirkung seine Neigung jedenfalls bereichsweise ändernden Verformungskörper (18) eingesetzt ist.

27. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) als Rotationskörper ausgeführt oder an einem Rotations­ körper angeordnet, insbesondere seitlich angeordnet ist.

28. Verwendung einer elektrischen Meßanordnung mit einer in einem Behälter (1) befindlichen, elektrisch leitenden Flüssigkeit (2), mit mindestens einem Meß­ sensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), wobei der bzw. jeder Meßsen­ sor (3) als Streufeldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegenden Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist, insbesondere einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 25, zur Neigungsmessung.

29. Verwendung einer elektrischen Meßanordnung mit einer in einem Behälter (1) befindlichen, elktrisch leitenden Flüssigkeit (2), mit mindestens einem Meß­ sensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), wobei der bzw. jeder Meßsen­ sor (3) als Streufeldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegenden Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist, insbesondere einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 25, in Verbindung mit einem bei Verformung, insbesondere durch Gewichtseinwirkung, seine Neigung jeden­ falls bereichsweise ändernden Verformungskörper zur Verformungsmessung oder Lagemessung.

30. Verwendung einer elektrischen Meßanordnung mit einer in einem Behälter (1) befindlichen, elektrisch leitenden Flüssigkeit (2), mit mindestens einem Meß­ sensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), wobei der bzw. jeder Meßsen­ sor (3) als Streufeldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegenden Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist, insbesondere einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 25, zur Linear-Beschleu­ nigungsmessung.

31. Verwendung einer elektrischen Meßanordnung mit einer in einem Behälter (1) befindlichen, elektrisch leitenden Flüssigkeit (2), mit mindestens einem Meß­ sensor (3) und mit einer Auswerteschaltung (4), wobei der bzw. jeder Meßsen­ sor (3) als Streufeldsensor mit zwei in einem bestimmten seitlichen Abstand voneinander liegenden Meßelektroden (6a, 6b) ausgeführt ist, insbesondere einer Meßanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 25, zur Rotations-Beschleu­ nigungsmessung bzw. zur Drehzahlmessung.