DE4316046C1 - Optoelektronisches Neigungsmeßsystem - Google Patents
Optoelektronisches NeigungsmeßsystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Neigungs
meßsystem, bestehend aus einem Verformungspendel mit
einer Sendeeinheit und untereinanderliegend, gestellfest
angeordnet, einer Empfangseinheit, die zum Zusammenwir
ken mittels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels
bestimmt sind.
Eine Neigungsmeßvorrichtung zur dynamischen Messung von
Winkelabweichungen gegenüber der Vertikalen ist durch
die DE/OS 31 15 838 bekannt.
Hierbei ist in einem elastischen Stab eine unbelastete
optische Faser eingeschlossen, deren eingespannten Ende
eine Lichtquelle zugeordnet ist und deren freies
Faserende das von der Lichtquelle ausgehende, entlang
der Faser übertragene Licht einen Lichtpunkt auf einer
lichtempfindlichen Dedektorfläche erzeugt.
Diese Lösung beseitigt die Nachteile ebenfalls vorbe
kannter Neigungsmesser, indem flexible Stäbe oder Stan
gen, bei denen das freie Ende durch ein Gewicht belastet
ist, welches bei Schiefstellung die Biegung der Stäbe
bewirkt, durch die optische Faser ersetzt werden.
Damit werden die mangelhafte Empfindlichkeit durch die
große Masse der, den Neigungswinkel durch Verbiegen an
zeigenden, Teile beseitigt.
Allen bekannten Lösungen haftet jedoch der Nachteil an,
daß insbesondere Verkippungsfehler bei der Auswertung
der Neigungswinkel durch die Biegung der Stäbe, Auslen
kung der Pendel, oder auch der optischen Faser auftre
ten.
Im weiteren ist besonders bei dynamischen Messungen ein
längeres Nachschwingen der elastischen Elemente zu ver
zeichnen und damit eine sofortige exakte Zuordnung der
Auslenkung zu der tatsächlichen Neigung nicht gewähr
leistet.
Besonders geringe Auslenkungen um die Nullpunktlage,
d. h. die Messung kleiner dynamischer Neigungen, sind
negativ beeinflußt.
Eine weitere Vorrichtung zur vergrößerten Anzeige klei
ner Neigungen ist durch die DE-PS 9 71 903 bekannt gewor
den. Diese arbeitet nach dem Prinzip einer Pendelwaage,
welche dadurch gekennzeichnet ist, daß an einem Nei
gungskörper mittels mindestens zweier Schwingen ein
Schwingkörper angehängt ist.
Diese Schwingen können, wie in vorbenannter Patent
schrift beschrieben, starr ausgeführt sein oder auch aus
unstarren Bändern oder Drähten bestehen.
Die Schwingen sind sowohl am Neigungskörper, wie auch am
Schwingkörper, in Gelenken derart geführt, daß ein Ge
lenkviereck gebildet wird.
Bei Auslenkung des Neigungskörpers wird der Schwingkör
per nicht parallel zu diesem verschoben, sondern um
einen, selbst auch auswandernden, Momentanpol gedreht.
Damit haften dir Vorrichtung die bereits beschriebe
nen Nachteile eines Pendels in gleicher Weise an. Die
auftretenden Verkippungen lassen eine Verwendung in
Zusammenwirken mit einem optoelektronischen Meß- und
Auswertesystem nicht zu.
Eine exakte Messung dynamischer Neigungen ist besonders
durch die Instabilität der Konstruktion, auch bei Anord
nung mehrerer Schwingenpaaren in unterschiedlichen Ebe
nen nicht zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein
Meßsystem zu entwickeln, das zweidimensional einwirkende
statische und dynamische Neigungsänderungen gegenüber
der Vertikalen in proportionale zweidimensionale Ver
schiebungen umwandelt und diese optoelektronisch erfaßt
und auswertet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das
Verformungspendel als doppeltes Parallelfedergelenksy
stem mit integrierter optoelektronischer Sendeeinheit
ausgebildet ist, senkrecht zu einer X-Y-Ebene aus einem
oberen Parallelfedergelenk und einem unteren Parallelfe
dergelenk besteht, mittels einem Basiselement gestell
fest so angeordnet ist, daß eine Pendelmasse parallel zu
der X-Y-Ebene gegenüber einer optoelektronischen Emp
fangseinheit frei bewegbar ist, die Lichtaustrittsfläche
der Sendeeinheit und das Bündel der Lichteintrittsflä
chen der Empfangseinheit sich in einem definierten Ab
stand zueinander befinden und die optoelektronische
Sende- und Empfangseinheit über ein Leitungssystem mit
einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind.
Das erfindungsgemäße optoelektronische Neigungsmeßsystem
hat den wesentlichen Vorteil, daß durch die Ausbildung
des Verformungspendels als doppeltes Parallelfederge
lenksystem die zweidimensional einwirkenden statischen
oder dynamischen Neigungsänderungen nach Größe und Rich
tung exakt gemessen werden können.
Dies erfolgt durch Umwandlung der Neigungskomponenten in
proportionale zweidimensionale Verschiebungen.
Das senkrecht zur X-Y-Ebene obere Parallelfedergelenk
übernimmt dabei zum Beispiel ausschließlich die Umwand
lung der in X-Richtung wirkenden, das untere Parallelfe
dergelenk entsprechend ausschließlich die Umwandlung der
in Y-Richtung wirkenden Neigungskomponenten.
Die Ausbildung des Verformungspendels als doppeltes
Parallelfedergelenksystem mit zwei untereinander ange
ordneten Parallelfedergelenken gewährleistet durch die
parallel geführte Verschiebung des optoelektronischen
Senders zum Empfänger, daß Verkippungsfehler durch die
einwirkenden Neigungen vermieden werden.
Die Blattfedern des oberen und unteren Parallelfederge
lenkes sind in Querschnittsgeometrie und Querschnitts
fläche so gewählt, daß die durch die jeweiligen Paral
lelfedergelenke den Neigungskomponenten in X- bzw. Y-
Richtung entgegenwirkenden Widerstandsmomente in ihrer
Größe identisch, in ihrer Richtung aber orthogonal ent
gegengerichtet sind. Ein mechanisches Übersprechen der
Verschiebungen in X-Y-Richtung wird damit ausgeschlos
sen.
Die Dimensionierung der Blattfederquerschnitte und die
Länge der Blattfedern bestimmt gleichzeitig die Größe
der Widerstandsmomente und damit die Steifigkeit des
Systems.
Auf diese Weise ist eine einfache Zuordnung zu unter
schiedlichsten Meßbereichen gegeben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Ein
spannstelle des oberen Parallelfedergelenkes durch das
gestellfest auf einer Trägerplatte angeordnete Basis
element gebildet, das untere Parallelfedergelenk trägt
als Einspannstelle die Pendelmasse und zwischen beiden
Parallelfedergelenken ist ein Koppelelement als gemein
same Einspannstelle angeordnet.
Das obere Parallelfedergelenk hat gegenüber dem unteren
Parallelfedergelenk unterschiedliche Belastungen auf
zunehmen, so daß vorteilhaft die Blattfedern des oberen
Parallelfedergelenkes eine geringere Länge und/oder
größere Federquerschnitte aufweisen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht
vor, die Sendeeinheit in dem gestellfesten Basiselement
auf der Trägerplatte anzuordnen. Die Empfangseinheit ist
ebenfalls auf der Trägerplatte, senkrecht zur X-Y-Ebene
positionierbar, angeordnet.
Durch Zuordnung der Empfangseinheit zur Pendelmasse ist
der definierte Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche
der Sendeeinheit und dem Bündel der Lichteintrittsflä
chen der Empfangseinheit einstellbar.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Empfangseinheit
sieht eine Vertiefung vor, welche, der Geometrie der
Pendelmasse entsprechend, geradlinige Begrenzungsflächen
aufweist. Das doppelte Parallelfedergelenksystem ragt
mit der Pendelmasse in diese Vertiefung hinein, wobei
die Freiräume zwischen Pendelmasse und den Begrenzungs
flächen der Vertiefung so gewählt sind, daß die durch
die Neigungen erzeugten Verschiebungen der Pendelmasse
begrenzt werden und diese Anordnung als Überlastsiche
rung das Meßsystem schützt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
ist zwischen Pendelmasse und Empfangseinheit ein Dämp
fungssystem angeordnet, welches vorteilhaft als Wirbel
strombremse ausgebildet ist.
Ein Nachschwingen der Pendelmasse, insbesondere durch
dynamisch aufgeprägte Neigungsänderungen, wird damit
weitgehend ausgeschaltet, so daß die jeweils anstehenden
Neigungen bzw. Neigungsänderungen exakt gemessen werden
können.
Das doppelte Parallelfedergelenksystem mit der Sendeein
heit und die Empfangseinheit, gestellfest auf der Trä
gerplatte angeordnet, sind in einem Gehäusegrundkörper
senkrecht zu dessen Bodenfläche fixiert. Diese dient
dabei als Bezugsfläche zu den in ihrer Neigung zu mes
senden Körpern. Die Anordnung des gesamten Meßsystems in
dem hermetisch gegen Umwelteinflüsse abdichtbaren Gehäu
se ist durch die Empfindlichkeit der optoelektronischen
Sende- und Empfangseinheit eine vorteilhafte Ausfüh
rungsform.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in der Sen
deeinheit eine lichterzeugende Sendediode angeordnet, an
welche ein Lichtwellenleiter angekoppelt ist. Dieser ist
innerhalb der Parallelfedergelenke zu der Pendelmasse
geführt und in dieser mit seiner Lichtaustrittsfläche
festgelegt.
Von der Lichtaustrittsfläche dieses Lichtwellenleiters
wird ein divergierendes Lichtstrahlenbündel ausgesandt,
das eine Lichtfläche auf die Lichteintrittsflächen der
in der Empfangseinheit angeordneten Lichtwellenleiter
projiziert.
Diese Lichtwellenleiter sind zu Empfangsdioden bzw. auch
einer oder mehreren Referenzdioden geführt, welche die
optischen in elektrische Signale umwandeln.
Ein wesentlicher positiver Effekt einer vorteilhaften
Ausführungsform besteht darin, daß durch entsprechende
Gestaltung des senderseitigen Lichtwellenleiters die
Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche Geraden
darstellen, die zu den X- bzw. Y-Achsen parallel ver
laufen und zu den Lichteintrittsflächen der zu den Em
pfangsdioden führende Lichtwellenleiter mittig angeord
net sind.
Die rechteckigen Lichteintrittsflächen sind in gleichen
Abständen auf den Diagonalen eines Quadrates angeordnet,
die zu der X- bzw. Y-Achsen parallel und, im Ruhezustand
des Meßsystems, mit diesen deckungsgleich sind.
Die Grenzflächen der Lichteintrittsflächen weisen dabei
einen gleichen und entsprechend ihrer Zuordnung zu den
X- bzw. Y-Achsen einen konstanten Abstand auf.
Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß die durch
Neigung erzeugte Verschiebung der projizierten Licht
fläche in X und/oder Y-Richtung und damit Änderung der
Lichtintensität auf den Empfangsdioden absolut linear
ist.
Gleichzeitig kann der mechanisch begrenzte Meßbereich
optimal ausgewertet werden.
Von der projizierten Lichtfläche, unabhängig von deren
Verschiebung, ständig überdeckt, kann vorzugsweise die
Lichteintrittsfläche eines/oder mehrerer Lichtwellenlei
ter die zu einer oder mehrerer Referenzdioden führen
angeordnet sein. Letztere gewährleisten die Kompensation
von unerwünschten äußeren Einflüssen wie Temperaturände
rungen und Spannungsschwankungen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist die elektronische Auswerteeinheit im her
metisch gegen Umwelteinflüsse abgeschlossenen Gehäuse
integriert, wodurch eine kompakte Bauform realisiert
ist. Die Anschlußleitungen werden durch eine Kabelver
schraubung zugeleitet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind in der
elektronischen Auswerteeinheit Bauelemente zur Signal
verarbeitung angeordnet.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der elektronischen
Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verarbeitung
zweier Einzelsignale der Kanäle X und Y. Durch Impedanz
wandler erfolgt die Anpassung der hochohmigen Empfangs
dioden an nachfolgende Verstärkerstufen. Nachgeordnet
erfolgt durch Differenzglieder die Differenzbildung der
Eingangssignale wodurch, den Kraftkomponenten X und Y
proportionale, Analogsignale entstehen. In der Pegelan
passung werden diese Signale zu anwendergerechten Aus
gangssignalen X, Y verstärkt.
Die über Referenzdioden gewonnenen belastungsunabhängi
gen Signale werden dem Sendediodentreiber und den Diffe
renzgliedern zugeführt und zur temperaturabhängigen
Regelung der Verstärkung und des Sendestromes und zur
Kompensation sonstiger äußerer Einflußfaktoren verwen
det.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der elektroni
schen Auswerteeinheit gewährleistet die analoge Verar
beitung jeweils eines Differenzsignales der Kanäle X und
Y durch entsprechend geschaltete Empfangsdioden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni
schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß aus den Einzel
signalen der Empfangsdioden der Kanäle X und Y jeweils
ein Differenz- und Summensignal gebildet wird und diese
Quotientenblöcken aufgeschaltet werden. Durch mathemati
sche Verknüpfung beider Signale erfolgt eine Quotien
tenbildung. Störende Einflußfaktoren sind als konstante
Größen sowohl im Differenz- als auch im Summensignal
enthalten und heben sich somit nach der Quotientenbil
dung auf. Die separate Bereitstellung und Verarbeitung
eines Referenzsignals kann hierbei entfallen. Über Ver
stärkerstufen und Pegelanpassungen werden die anwender
spezifischen Ausgangssignale X, Y bereitgestellt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der elektroni
schen Auswerteeinheit gewährleistet, daß die analogen
Einzelsignale der Empfangsdioden in jeweils einer A-D-
Wandlerstufe in zwei digitale Signale der Kanäle X und Y
umgesetzt werden.
Diese belastungsabhängigen Signale werden in einem Mi
krorechner weiterverarbeitet, wobei wahlweise eine Dif
ferenzbildung oder eine Quotientenbildung erfolgen kann.
Zur Kompensation belastungsunabhängiger äußerer Einflüs
se ist ein Sensor zur Signalerfassung und -auswertung
angeordnet, wobei dessen Ausgangssignale ebenfalls dem
Mikrorechner zugeführt werden.
Durch mathematische oder logische Verknüpfung mit den
belastungsabhängigen Signalen der Empfangsdioden werden,
von äußeren unerwünschten Einflüssen freie, digitale
Ausgangssignale X, Y bereitgestellt.
Durch eine nachgeschaltete D-A-Wandlerstufe ist es eben
falls möglich anwenderspezifische Analogsignale zur Ver
fügung zu stellen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung gewährleistet
die externe Anordnung der gesamten elektronischen Aus
werteeinheit. Der Sende- und Empfangseinheit werden
spannungslos Lichtwellenleiter zugeführt.
Der Vorteil dieser rein optischen, von elektrischen
Signalen freien, Anordnung besteht insbesondere in einen
problemlosen Einsatz des erfindungsgemäßen optoelektro
nischen Neigungsmeßsystems in explosionsgefährdeten
Bereichen sowie in Bereichen mit starken elektrischen,
magnetischen und elektromagnetischen Feldern. Darüber
hinaus ist der Einsatz unter extremen Temperaturbedin
gungen gegeben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfin
dung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in
der, unter Bezugnahme auf die Zeichnung, Ausführungsbei
spiele näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbei
spiels eines erfindungsgemäßen optoelektroni
schen Neigungsmeßsystems im Gehäuse bei abge
nommenen Deckel;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung I-I gemäß Fig. 1;
Fig. 3 eine Ansicht der Lichteintrittsflächen der
empfängerseitigen Lichtwellenleiter mit proji
zierter Lichtfläche der Sendeeinheit in der X-
Y-Ebene in einem vergrößerten Ausschnitt ge
mäß Fig. 2;
Fig. 4 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung
zweier Einzelsignale pro Kanal;
Fig. 5 ein Blockschaltbild zur analogen Verarbeitung
eines Differenzsignals pro Kanal;
Fig. 6 ein Blockschaltbild zur Quotientenbildung bei
der Signalverarbeitung;
Fig. 7 ein Blockschaltbild zur digitalen Signalaufbe
reitung;
Die Fig. 1 zeigt in Prinzipdarstellung ein Ausführungs
beispiel eines optoelektronischen Neigungsmeßsystems im
Gehäuse bei abgenommenem Deckel.
Das insgesamt mit 1 bezeichnete doppelte Parallelfeder
gelenksystem besteht aus den, senkrecht zu der X-Y-Ebe
ne, untereinander angeordneten oberen Parallelfederge
lenk 2 und unteren Parallelfedergelenk 3.
Das doppelte Parallelfedergelenksystem 1 ist gestellfest
auf der Trägerplatte 8 dadurch befestigt, daß die Blatt
federn 4, 5 des oberen Parallelfedergelenkes 2 mit dem
als Einspannstelle dienenden Basiselement 9 fest ver
bunden sind. Das Basiselement 9 seinerseits ist auf der
Trägerplatte 8 fest angeordnet und so ausgebildet, daß
das doppelte Parallelfedergelenk 1 insgesamt weiter
keine Berührungskontakte aufweist.
Das untere Parallelfedergelenk 3 trägt als Einspannstel
le die Pendelmasse 10, an welcher die Blattfedern 6, 7
durch Kleben fest angeordnet sind.
Die Blattfedern 4, 5 des oberen Parallelfedergelenkes 2
und die Blattfedern 6, 7 des unteren Parallelfedergelen
kes 3 sind fest an dem Koppelelement 11, welches dabei
als gemeinsame Einspannstelle dient, angeklebt.
Die Blattfedern sind aus Bandfedermaterial gefertigt.
Die Anpassung des Meßsystems an anwenderorientierte
Meßbereiche ist dabei auf einfachste Weise, durch die
Auswahl entsprechender Abmessungen, realisierbar.
Die Blattfedern 4 bis 7 sind dabei in Querschnittsgeome
trie und Querschnittsfläche so hergestellt, daß ihre
Längsausdehnung extrem groß zu der Dicke gewählt ist.
Die durch die jeweiligen Parallelfedergelenke den Nei
gungskomponenten in X- bzw. Y-Richtung entgegenwirkenden
Widerstandsmomente sind dabei in ihrer Größe identisch,
in ihrer Richtung aber orthogonal entgegengerichtet.
Ein mechanisches Übersprechen der Verschiebungen in X-Y-
Richtung wird damit ausgeschlossen.
Die konstruktiv bedingt, an den Parallelfedergelenken 2
und 3 angreifenden unterschiedlichen Masseanteile werden
durch Differenzen in Blattfederlänge und/oder Dicke kom
pensiert.
Die einwirkenden zweidimensionalen statischen und dyna
mischen Neigungen bewirken eine parallele Verschiebung
der Pendelmasse 10 zur X-Y-Ebene.
Das obere Parallelfedergelenk 2 übernimmt dabei aus
schließlich die Umwandlungen der in X-Richtung wirken
den, das untere Parallelfedergelenk 3 entsprechend aus
schließlich die Umwandlung der in Y-Richtung wirkenden
Neigungskomponenten.
Die Sendeeinheit 13 ist in das Basiselement 9, gestell
fest zur Trägerplatte 8, eingefügt. Die Empfangseinheit
14, ist ebenfalls auf der Trägerplatte, jedoch senkrecht
zur X-Y-Ebene positionierbar, mittels Befestigungsele
menten angeordnet.
Sendeeinheit 13 und Empfangseinheit 14 liegen auf glei
cher Achse, wobei durch Zuordnung der Empfangseinheit 14
zur Pendelmasse 10 der definierte funktionsbedingte
Abstand 18 zwischen der Lichtaustrittsfläche 20 der Sen
deeinheit 13 und dem Bündel der Lichteintrittsflächen 21
der Empfangseinheit 14 eingestellt wird.
Die Empfangseinheit 14 weist eine Vertiefung 19 auf,
welche entsprechend der Geometrie der Pendelmasse 10
quadratisch ausgeführt ist.
Das doppelte Parallelfedergelenksystem 1 ragt mit der
Pendelmasse 10 in die Vertiefung 19 hinein. Die Freiräu
me zwischen der Pendelmasse 10 und den Begrenzungsflä
chen der Vertiefung 19 sind dabei so gewählt, daß bei
Erreichen der vorbestimmten maximalen Neigung die Pen
delmasse 10 anliegt und somit das Meßsystem gegen Über
lastung geschützt wird.
Zwischen der Pendelmasse 10 und der Empfangseinheit 14
ist ein Dämpfungssystem vorgesehen, welches als Wirbel
strombremse wirkt. Die Pendelmasse 10 ist hierzu aus
Nichteisenmetall gefertigt und wirkt mit Magneten 12
zusammen, die in die Grundfläche der Vertiefung 19 der
Empfangseinheit 14 eingelassen sind.
Insbesondere bei dynamisch aufgeprägten Neigungsänderun
gen wird damit ein Nachschwingen der Pendelmasse 10
weitgehend verhindert.
Die Montageeinheit, bestehend aus Trägerplatte 8, darauf
gestellfest angeordneten Parallelfedergelenksystem 1 mit
Sendeeinheit 13 und der Empfangseinheit 14 sind in dem
Gehäusegrundkörper 15 senkrecht zu dessen Bodenfläche
fixiert.
Der Gehäusegrundkörper 15 mit zwischenliegender Dichtung
17 und Gehäusedeckel 16 schirmen das empfindliche opto
elektronische Meßsystem hermetisch gegen Umwelteinflüsse
ab.
In der Sendeeinheit, im Basiselement 9 eingesetzt, ist
in der Aufnahie 25 die lichtemittierende Sendediode 42
angeordnet, an welche der Lichtwellenleiter 22 angekop
pelt und durch eine Vergußmasse fixiert ist.
Die Lichtaustrittsfläche 20 dieses Lichtwellenleiters
22, der ein divergierendes Lichtstrahlenbündel aussen
det, ist dabei so gewählt, daß die Begrenzungslinien der
auf die Sendeeinheit projizierten Lichtfläche 30 Geraden
eines Quadrates darstellen.
Die Empfangseinheit 14 ist ebenfalls gestellfest auf der
Trägerplatte 8 unter der Sendeeinheit 13, aber axial zu
dieser positionierbar, angeordnet.
In der Empfangseinheit 14 sind Lichtwellenleiter 23
durch eine Vergußmasse fixiert. Sie führen zu den Emp
fangsdioden 43, 44, 45, 46, welche in Aufnahmen 26 ge
halten sind.
In gleicher Weise führt ein Lichtwellenleiter 24 zu
einer in der Aufnahme 27 gehaltenen Referenzdiode 35.
Die Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht
wellenleiter sind rechteckig ausgeführt und auf den
Diagonalen eines Quadrates in gleichem Abstand zuein
ander angeordnet.
Die Lichteintrittsflächen 31, 32 befinden sich dabei auf
der zur X-Achse parallelen, die Lichteintrittsflächen
43, 44 auf der zur Y-Achse parallelen Diagonale, wobei
im Ruhezustand des Meßsystems die Diagonalen und die X-
bzw. Y-Achse deckungsgleich sind.
Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 31 und
32 weisen dabei einen gleichen und zur X-Achse konstan
ten Abstand auf.
Die Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen 33 und
34 sind zur Y-Achse entsprechend ausgeführt.
Diese geometrischen Verhältnisse bewirken, daß der durch
eine Neigung erzeugten parallelen Verschiebung der Pen
delmasse 10 in X- und/oder Y-Richtung, stets absolut
identische Flächenanteile der kommunizierenden Lichtein
trittsflächen 31, 32 bzw. 33, 34 der projizierten Licht
flächenänderung zugeordnet sind.
Die meßbare Änderung der Lichtintensität ist damit zu
der Verschiebung absolut linear.
Die Anordnung der Begrenzungslinien der projizierten
Lichtfläche 30, mittig zu den Lichteintrittsflächen 31,
32, 33, 34 dient einer optimalen Auswertung des mecha
nisch begrenzten Meßbereiches, ist für die Meßgenauig
keit des Systems dabei jedoch nicht relevant.
Zentral zu den Lichteintrittsflächen 31 bis 34 und somit
von der projizierten Lichtfläche 30, unabhängig von
deren Verschiebung, ständig überdeckt, ist die Lichtein
trittsfläche 35 des zu der Referenzdiode 47 führenden
Lichtwellenleiters 24 angeordnet. Die Erfassung und
Kompensation unerwünschter äußerer Einflüsse, wie Tempe
raturänderungen oder Spannungsschwankungen, ist somit
belastungsunabhängig.
Die Empfindlichkeit des optoelektronischen Meßsystems
bedingt die Anordnung in einem Gehäuse. Der Gehäuse
grundkörper 15 ist durch die Dichtung 17 zum Gehäusedec
kel 16 hermetisch gegen Umwelteinflüsse abgeschirmt.
Die Zuführung der elektrischen Leitungen zu der inte
grierten elektronischen Auswerteeinheit 40 erfolgt dabei
über eine Kabelverschraubung.
Die elektronische Auswerteeinheit 40 in Verbindung mit
der Sendeeinheit 13 und Empfangseinheit 14 hat die Auf
gabe, die optischen Signaländerungen, welche die zu
messende Neigung durch mechanische Verformung des dop
pelten Parallelfedergelenksystems und damit der Ver
schiebung der Pendelmasse hervorruft, zu erzeugen, zu
erfassen und auszuwerten.
Je nach Art der Aufbereitung der belastungsabhängigen
optischen Signale kann unterschieden werden, in eine
analoge Verarbeitung zweier Einzelsignale je Kanal X, Y
gemäß Fig. 4; in eine analoge Verarbeitung eines Dif
ferenzsignals je Kanal X, Y gemäß Fig. 5; in eine Quo
tientenbildung je Kanal X, Y gemäß Fig. 6 und in eine
digitale Signalaufbereitung unter Einsatz eines Mikro
rechners gemäß Fig. 7.
Als ein Ausführungsbeispiel soll die in Fig. 6 darge
stellte Signalverarbeitung durch einen Quotientenblock
je Kanal X und Y näher beschrieben werden.
Der Sendediodentreiber 41 betreibt die lichtemittierende
Sendediode 42, die Licht einer bestimmten Wellenlänge,
Leuchtdichte und Leuchtdichteverteilung erzeugt, welches
als divergierendes Lichtstrahlenbündel die Lichtfläche
30 projiziert.
Durch Verschiebung der projizierten Lichtfläche 30 er
zeugte Änderung der Lichtintensität auf den Empfangs
dioden 43, 44 bzw. 45, 46 werden Einzelsignale der Kanäle
X und Y gewonnen und jeweils einem Differenzblock 54 und
Summenblock 55 zugeleitet.
Durch mathematische Verknüpfung der Differenz- und Sum
mensignale im Quotientenblock 56 erfolgt eine Quotien
tenbildung der Einzelsignale.
Störende Einflußfaktoren, wie Temperatur- und Spannungs
schwankungen, durch Trübung verursachte Lichtabschwä
chung oder Alterungen der vorgelagerten elektronischen
Bauelemente, sind als konstante Größen sowohl im Diffe
renz- als auch im Summensignal enthalten und heben sich
somit nach der Quotientenbildung auf.
Die separate Bereitstellung und Verarbeitung eines Refe
renzsignals kann deshalb entfallen.
Über Verstärkerblöcke 57 und Pegelanpassungen 53 werden
anwenderspezifische Signale bereitgestellt.
Die Ausgangssignale X, Y, 63, 64 der Kanäle X, Y, 48,
49 sind dabei den Verschiebungen der Pendelmasse 10 in
X- und / oder Y-Richtung und somit den Neigungen der
Meßanordnung gegenüber der Vertikalen proportional.
Claims (21)
1. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem bestehend aus
einem Verformungspendel mit einer Sendeeinheit und
einer Empfangseinheit, die zum Zusammenwirken mit
tels eines divergierenden Lichtstrahlenbündels be
stimmt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Ver
formungspendel als doppeltes Parallelfedergelenksy
stem (1) mit integrierter optoelektronischer Sende
einheit (13) ausgebildet ist, senkrecht zu einer X-
Y-Ebene aus einem oberen Parallelfedergelenk (2)
und einem unteren Parallelfedergelenk (3) besteht,
mittels einem Basiselement (9) gestellfest so an
geordnet ist, daß eine Pendelmasse (10) parallel zu
der X-Y-Ebene gegenüber einer optoelektronischen
Empfangseinheit (14) frei bewegbar ist, die Licht
austrittsfläche (2) der Sendeeinheit (13) und das
Bündel der Lichteintrittsflächen (21) der Empfangs
einheit (14) sich in einem definierten Abstand (18)
zueinander befinden und die optoelektronische Sen
de- und Empfangseinheit (13, 14) über ein Leitungs
system mit einer elektronischen Auswerteeinheit
(40) verbunden sind.
2. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß das obere Parallel
federgelenk (2) aus den Blattfedern (4, 5) besteht,
deren eine Einspannstelle das gestellfest auf einer
Trägerplatte (8) angeordnete Basiselement (9) dar
stellt, das untere Parallelfedergelenk (3) aus den
Blattfedern (6, 7) besteht, als Einspannstelle die
Pendelmasse (10) trägt und zwischen Parallelfe
dergelenk (2) und (3) ein Koppelelement (11) als
gemeinsame Einspannstelle angeordnet ist.
3. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blattfe
dern (4, 5) des oberen Parallelfedergelenkes (2)
vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsgeometrie
mit Längsausdehnung in Y-Richtung und die Blattfe
dern (6, 7) des unteren Parallelfedergelenkes (3)
vorzugsweise eine rechteckige Querschnittsgeometrie
mit Längsausdehnung in X-Richtung aufweisen.
4. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Blattfedern (4, 5) des Parallelfedergelenkes (2)
gegenüber den Blattfedern (6, 7) des Parallelfeder
gelenkes (3) vorzugsweise eine geringere Länge auf
weisen und/oder deren Federquerschnitte größer ge
wählt sind.
5. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sendeeinheit (13), vorzugsweise gestellfest in dem
Basiselement (9), und die Empfangseinheit (14),
senkrecht zur X-Y-Ebene positionierbar, auf der
Trägerplatte (8) angeordnet sind und der definierte
Abstand (18) zwischen der Lichtaustrittsfläche (20)
und dem Bündel der Lichteintrittsflächen (21) durch
Zuordnung der Empfangseinheit (14) zur Pendelmasse
(10) einstellbar ist.
6. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Empfangseinheit (14) eine Vertiefung (19) mit vor
zugsweise geradlinigen Begrenzungsflächen aufweist,
in welche das doppelte Parallelfedergelenksystem
(1) mit der Pendelmasse (10) hineinragt.
7. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Pen
delmasse (10) und Empfangseinheit (14) vorzugsweise
ein Dämpfungssystem angeordnet ist.
8. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungs
system vorzugsweise so ausgebildet ist, daß die
Pendelmasse (10) aus Nichteisenmetall besteht und
auf der Grundfläche der Vertiefung (19) Magnete
(12) eingelassen sind.
9. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die
Trägerplatte (8), mit doppelten Parallelfederge
lenksystem (1), Sendeeinheit (13) und Empfangsein
heit (14) in einem Gehäusegrundkörper (15) senk
recht zur Bodenfläche fixiert sind.
10. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Sendeeinheit (13) vorzugsweise ein Lichtwellen
leiter (22) an die in der Aufnahme (25) gehaltenen
Sendediode (42) angekoppelt, innerhalb der Paral
lelfedergelenke (2, 3) zu der Pendelmasse (10) ge
führt und mit seiner Lichtaustrittsfläche (20) in
dieser festgelegt ist.
11. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in
der Empfangseinheit (14) vorzugsweise Lichtwellen
leiter (23) von Lichteintrittsflächen (31, 32, 33,
34) zu den in Aufnahmen (26) gehaltenen Empfangs
dioden (43, 44, 45, 46) geführt und dabei vorzugs
weise durch eine Vergußmasse fixiert sind.
12. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht
wellenleiter in X-Richtung (31, 32) und die Licht
eintrittsflächen der empfängerseitigen Lichtwellen
leiter in Y-Richtung (33, 34) vorzugsweise in glei
chem Abstand zum Schnittpunkt der X-Y-Achsen ange
ordnet sind.
13. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die
Lichteintrittsflächen der empfängerseitigen Licht
wellenleiter (31, 32, 33, 34) vorzugsweise recht
eckig ausgeführt sind, die zur X-Achse parallelen
Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen (31,
32) einen in Y-Richtung und die zur Y-Achse paral
lelen Begrenzungslinien der Lichteintrittsflächen
(33, 34) einen in X-Richtung gleichen und konstan
ten Abstand aufweisen.
14. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die
Begrenzungslinien der projizierten Lichtfläche der
Sendeeinheit (30) vorzugsweise zu den X- und Y-Ach
sen parallel verlaufen und dabei zu den Lichtein
trittsflächen (31, 32, 33, 34) mittig angeordnet
sind.
15. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß von
der projizierten Lichtfläche der Sendeeinheit (30)
überdeckt, vorzugsweise eine Lichteintrittsfläche
eines empfängerseitigen Lichtwellenleiters (35)
einer Referenzdiode (47) angeordnet ist, deren
Lichtwellenleiter (24) innerhalb der Empfangsein
heit (14) mittels Vergußmasse fixiert zur Aufnahme
der Referenzdiode (27) geführt ist.
16. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektronische Auswerteeinheit (40) vorzugsweise in
dem mit einer Kabelverschraubung versehenen Gehäu
segrundkörper (15) angeordnet ist und dieser durch
den Gehäusedeckel (16) mit zwischenliegender Dich
tung (17) durch Befestigungselemente verschließbar
ist.
17. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß in
der elektronischen Auswerteeinheit (40) ein Sende
diodentreiber (41) vorgesehen ist, einem Kanal X
(48) vorzugsweise analoge Einzelsignale der Em
pfangsdioden (43, 44) zugeführt werden und einem Ka
nal Y (49) vorzugsweise analoge Einzelsignale der
Empfangsdioden (45, 46) zugeführt werden, den Emp
fangsdioden (43, 44, 45, 46) jeweils Impedanzwand
ler (50) nachgeschaltet sind, ein Signal der Refe
renzdiode (47) über eine Pegelanpassung (53) den
Differenzgliedern (51) und dem Sendediodentreiber
(41) zugeführt wird, wobei dem Kanal X (48) und dem
Kanal Y (49) über die Differenzglieder (51) und
Pegelanpassung (52) die Ausgangssignale X, Y (63,
64) abgenommen werden.
18. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kanal X (48)
von den Empfangsdioden (43, 44) und dem Kanal Y
(49) von den Empfangsdioden (45, 46) vorzugsweise
ein Differenzsignal zugeführt wird.
19. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
17, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Kanal X
(48) zugeordneten analogen Einzelsignale der Emp
fangsdioden (43, 44) und die dem Kanal Y (49) zu
geordneten analogen Einzelsignale der Empfangsdio
den (45, 46) vorzugsweise jeweils einem Differenz
block (54) und einem Summenblock (55) zugeführt,
die gebildeten Differenz- und Summensignale Quo
tientenblöcken (56) aufgeschaltet werden und über
Verstärkerblöcke (57) und Pegelanpassungen (52) die
Ausgangssignale X, Y (63, 64) abgenommen werden.
20. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach Anspruch
17, dadurch gekennzeichnet, daß die analogen Ein
zelsignale der Empfangsdioden (43, 44, 45, 46) vor
zugsweise in jeweils einer A-D-Wandlerstufe (58) in
je zwei digitale Signale der Kanäle X (48) und Y
(49) umgesetzt, diese Signale und ein Signal des
Temperatursensors (59) einem Mikrorechner (60) mit
zugeordnetem Speicher (61) zugeführt werden und dem
Mikrorechner (60) digitale Ausgangssignale X, Y
(65, 66) oder einer zwischengeschalteten D-A-Wand
lerstufe (62) analoge Ausgangssignale X, Y (67, 68)
abgenommen werden.
21. Optoelektronisches Neigungsmeßsystem nach einem der
Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die
elektronische Auswerteeinheit (40), die Sendediode
(42), die Empfangsdioden (43, 44, 45, 46) und die
Referenzdiode (47) extern zum Gehäuse angeordnet
sind und die Verbindung zu der Sendeeinheit (13)
und der Empfangseinheit (14) über ein Leitungssy
stem aus Lichtwellenleitern erfolgt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934316046 DE4316046C1 (de) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Optoelektronisches Neigungsmeßsystem |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19934316046 DE4316046C1 (de) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Optoelektronisches Neigungsmeßsystem |
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Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4316046C1 true DE4316046C1 (de) | 1994-07-21 |
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ID=6488016
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19934316046 Expired - Fee Related DE4316046C1 (de) | 1993-05-13 | 1993-05-13 | Optoelektronisches Neigungsmeßsystem |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4316046C1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1541978A1 (de) * | 2003-12-11 | 2005-06-15 | Mettler-Toledo GmbH | Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Ausrichtung einer Messvorrichtung und Messvorrichtung |
EP1571425A3 (de) * | 2004-02-25 | 2006-02-01 | MTS Sensortechnologie GmbH Co. KG | Magnetostriktiver Streckensensor |
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DE971903C (de) * | 1949-11-10 | 1959-04-09 | Zeiss Carl Fa | Vorrichtung zur vergroesserten Anzeige kleiner Neigungen und Vorrichtung zur Stabilisierung der Visierlinien von Fernrohren |
-
1993
- 1993-05-13 DE DE19934316046 patent/DE4316046C1/de not_active Expired - Fee Related
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US7325321B2 (en) | 2003-12-11 | 2008-02-05 | Mettler-Toledo Ag | Method and device for monitoring the alignment of a measuring instrument, and measuring instrument |
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D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
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