DE9105659U1 - Capacitive liquid tilt sensor - Google Patents

Description

Dr. Gerit Kampfrath/ Dr. Hans-Hermann Seidel
Neuhauser Weg 114
D-8960 KemptenDr. Gerit Kampfrath/ Dr. Hans-Hermann Seidel
Neuhauser Weg 114
D-8960 Kempten

Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor Capacitive liquid tilt sensor

Stand der TechnikState of the art

Zur Feststellung der Winkeldifferenz zwischen Lotrichtung und einem Gegenstand, wie z.B. bei Kränen, Brücken, Türme, Halden, Aufschüttungen. Fahrzeugen, Schiffen, Türen und Klappen werden Neigungssensoren verwendet. Am häufigsten werden dazu Pendelneigungssensoren und kapazitive Flüssigkeitsneigungssensoren benutzt. Pendelneigungssensoren sind mechanisch empfindlich und oft für einen robusten Feldeinsatz nicht geeignet. Kapazitive Flüssigkeitsneigungssensoren sind mechanisch wesentlich robuster. Dabei werden die Platten zweier Kondensatoren (Differentialkondensator) teilweise von einem flüssigen Dielektrikum bedeckt. Durch eine Auslenkung aus der Gleichgewichtslage ergibt sich eine winkelproportionale Kapazitätsänderung. Die Kapazitätsänderung wird mit einer nachgeschalteten Auswerteelektronik weiterverarbeitet.Inclination sensors are used to determine the angle difference between the vertical direction and an object, such as cranes, bridges, towers, dumps, embankments, vehicles, ships, doors and flaps. Pendulum inclination sensors and capacitive liquid inclination sensors are most commonly used for this purpose. Pendulum inclination sensors are mechanically sensitive and often not suitable for robust field use. Capacitive liquid inclination sensors are mechanically much more robust. The plates of two capacitors (differential capacitor) are partially covered by a liquid dielectric. A deflection from the equilibrium position results in a change in capacitance proportional to the angle. The change in capacitance is further processed using downstream evaluation electronics.

Kapazitive Flüssigkeitsneigungssensoren üblicher Bauart besitzen eine nicht vernachlässigbare Querempfindlichkeit gegenüber Auslenkungen senkrecht zur Meßebene. Darüber hinaus entstehen bei starken Stoßen Torbulenzen in der dielektrischen Flüssigkeit, die sich in Meßsignalstörungen äußern. Weiterhin sind die Beschaffenheit der Oberflächen und die Fügestellen im Inneren des Sensors, die mit der dielektrischen Flüssigkeit in Kontakt stehen, sehr kritisch. Geringe Abweichungen bewirken eine Veränderung der Kennlinie des Sensors. Ebenfalls sind eine parallele Führung der gegenüberstehenden Kondensatorplatten schwer zu realisieren, so daß auch hieraus Meßfehler und erhöhte Temperaturabhängigkeiten entstehen.Capacitive liquid inclination sensors of the usual design have a non-negligible cross-sensitivity to deflections perpendicular to the measuring plane. In addition, strong impacts cause turbulence in the dielectric liquid, which manifests itself in measurement signal interference. Furthermore, the nature of the surfaces and the joints inside the sensor that are in contact with the dielectric liquid are very critical. Small deviations cause a change in the sensor's characteristic curve. It is also difficult to achieve parallel guidance of the opposing capacitor plates, which also leads to measurement errors and increased temperature dependence.

AufgabeTask

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen kapazitiven FlUssigkeitsneigungssensor zu schaffen, der eine geringe Querempfindlichkeit besitzt, unempfindlich gegen Stöße ist und einen verbesserten Temperaturgang besitzt.The invention specified in claim 1 is based on the object of creating a capacitive liquid inclination sensor which has a low cross-sensitivity, is insensitive to shocks and has an improved temperature response.

VorteileAdvantages

Mit der Erfindung wird erreicht, daß der kapazitive Flüssigkeitsneigungssensor eine geringe Querempfindlichkeit aufweist, die Funktionssicherheit auch bei Erschütterungen aufrechterhalten bleibt und eine verbesserte Linaerität des winkelproportionalen Signals besteht und geringe Exemplarstreuungen auftreten. Gleichzeitig ist es möglich, auch große Neigungswinkel zu erfassen.The invention ensures that the capacitive liquid inclination sensor has a low cross-sensitivity, that functional reliability is maintained even in the event of vibrations, that the angle-proportional signal has improved linearity and that there is little variation between specimens. At the same time, it is also possible to detect large inclination angles.

Wetterbildung der ErfindungWeather formation of the invention

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben. Die Weiterbildung nach Anspruch 2 bietet die Möglichkeit, einen Neigungssensor für größere Neigungswinkel zu schaffen.Advantageous embodiments of the invention are specified in claims 2 to 5. The development according to claim 2 offers the possibility of creating an inclination sensor for larger angles of inclination.

Für einen Neigungssensor mit sehr großem Meßbereich ist die Ausgestaltung nach Anspruch 3 geeignet.The design according to claim 3 is suitable for an inclination sensor with a very large measuring range.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 4 ermöglicht einen kostengüstigen und besonders robusten Neigungssensor.The embodiment according to claim 4 enables a cost-effective and particularly robust inclination sensor.

Die Weiterbildung nach Anspruch 5 beinhaltet eine besonders vorteilhafte elektronische Weiterverarbeitung des Meßsignals.The further development according to claim 5 includes a particularly advantageous electronic further processing of the measurement signal.

Darstellung der ErfindungDescription of the invention

Vier Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figur 1 bis 6 erläutert. Es zeigen:Four embodiments of the invention are explained using Figures 1 to 6. They show:

Fig. 1 den kapazitiven Flüssigkeitsneigungssensor als erstes Ausführungsbeispiel in Vorderansicht, Fig. 1 shows the capacitive liquid inclination sensor as a first embodiment in front view,

Fig. 2 die Aufsicht des kapazitiven Flüssigkeitsneigungssensors,Fig. 2 the top view of the capacitive liquid tilt sensor,

Fig. 3 den kapazitiven Flüssigkeitsneigungssensor in der Seitenansicht mit den elekrischen Verbindungen der Meß- und Gegenelektroden,Fig. 3 the capacitive liquid inclination sensor in side view with the electrical connections of the measuring and counter electrodes,

Fig. 4 die Aufsicht des kapazitiven Flüssigkeitssensors mit gegenüberliegender massiven Elektrode als zweites Ausführungsbeispiel,Fig. 4 the top view of the capacitive liquid sensor with opposite solid electrode as a second embodiment,

Fig. 5 die Vorderansicht des kapazitiven Neigungssensors mit ringförmigen Meß- und Gegenelektroden als drittes Ausführungsbeispiel undFig. 5 the front view of the capacitive inclination sensor with ring-shaped measuring and counter electrodes as a third embodiment and

Fig. 6 die Vorderansicht des kapazitiven Neigungssensors mit einer zweiten, um 90 Grad versetzten Anordnung von ringförmigen Meß- und Gegenelektroden als viertes Ausfuhrungsbeispiel.Fig. 6 shows the front view of the capacitive inclination sensor with a second arrangement of ring-shaped measuring and counter electrodes offset by 90 degrees as a fourth embodiment.

In Fig. 1 ist mit 8 die elektrisch isolierende Trägerplatte bezeichnet, auf der sich die streifenförmigen Meß- und Gegenelektroden 10 befinden. Die Meß- und Gegenelektroden 10 sind zu beiten Seiten der Trägerplatte 10 symmetrisch angeordnet und bilden die Struktur von zwei Meßkondensatoren. Die streifenförmigen Meßelektroden sind elektrisch am Punkt 1 bzw. 4 verbunden, die streifenförmigen Gegenelektroden am Punkt 2 bzw. 3. Mit 9 ist die dielektrische Flüssigkeit bezeichnet.In Fig. 1, 8 denotes the electrically insulating carrier plate on which the strip-shaped measuring and counter electrodes 10 are located. The measuring and counter electrodes 10 are arranged symmetrically on both sides of the carrier plate 10 and form the structure of two measuring capacitors. The strip-shaped measuring electrodes are electrically connected at point 1 and 4, respectively, and the strip-shaped counter electrodes at point 2 and 3, respectively. 9 denotes the dielectric liquid.

— 2 ——2—

91 05 559.91 05 559.

In Fig. 2 ist mit 12 der Rahmen bezeichnet, der eine zweite elektrisch isoliernde Trägerplatte 8' auf einem bestimmten, parallelen Abstand zur Trägerplatte 8 hält und einen Hohlraum bildet, der zum Teil mit einer dielektrischen Flüssigkeit 9 gefüllt ist. Die Strukturen derstreifenförmigen Meß- und Gegenelektroden 10' entsprechen denen der Strukturen 10.In Fig. 2, 12 denotes the frame which holds a second electrically insulating carrier plate 8' at a certain, parallel distance from the carrier plate 8 and forms a cavity which is partially filled with a dielectric liquid 9. The structures of the strip-shaped measuring and counter electrodes 10' correspond to those of the structures 10.

In Fig. 3 ist in der Seitenansicht die elektrische Verschaltung der Meß- und Gegenelektroden 10 und 10' dargestellt. Die Punkte 1 und 2' sind am Punkt 5 elektrisch zusammengführt, die Punkte 4 und 3' am Punkt 7 und die Punkte 2. 3, &Ggr; und 4' am Punkt 6, so daß sich jeweils eine Meßelektrode und eine Gegenelektrode gegenüberstehen. Die Punkte 5, 6 und 7 bilden die Anschlüsse eines Differentialkondensators C1/ C2. Wird der Neigungssensor um einen bestimmten Winkel aus seiner Lage ausgelenkt, entsteht am Differentialkondendator eine winkelproportionale Änderung der Kapazität. Die Gestaltung der Meß- und Gegenelektroden bewirkt, daß gegenüber bekannten Flüssigkeitsneigungssensoren eine geringere Temperaturdrift, eine größere Stoßfestigkeit und vor allem eine geringere Querneigungsempfindlichkeit auftritt. Bei Querneigungen bis 60 Grad beträgt dwer Meßfehler weniger als 0,5 Grad. Die Linearität der Kennlinie ist ebenfalls größer als bei bekannten Flüssigkeitsneigungssensoren,In Fig. 3, the electrical connection of the measuring and counter electrodes 10 and 10' is shown in side view. Points 1 and 2' are electrically connected at point 5, points 4 and 3' at point 7 and points 2, 3, Γ and 4' at point 6, so that a measuring electrode and a counter electrode are opposite each other. Points 5, 6 and 7 form the connections of a differential capacitor C1/C2. If the inclination sensor is deflected by a certain angle from its position, a change in capacitance proportional to the angle occurs at the differential capacitor. The design of the measuring and counter electrodes means that, compared to known liquid inclination sensors, there is less temperature drift, greater shock resistance and, above all, less sensitivity to transverse inclination. For transverse inclinations of up to 60 degrees, the measurement error is less than 0.5 degrees. The linearity of the characteristic curve is also greater than with known liquid inclination sensors,

In Fig. 4 ist ein kapazitiver Flüssigkeitsneigungssensor mit nur einer Trägerplatte 8 mit streifenförmigen Meß- und Gegenelektroden 10 dargestellt. Die Trägerplatte 8' trägt eine ganzflächige, unstrukturierte Elektrode 14, die entweder ohne elektrischen Anschluß als Elektrode mit schwebenden Potential bleibt oder über den elektrischen Anschluß 13 mit dem Massepotential verbunden ist. Vorteilhafterweise kann der Rahmen 12 und die Trägerplatte 8' aus einem Materialstück gefertigt werden, was einen besonders robusten Neigungssensor ergibt.Fig. 4 shows a capacitive liquid inclination sensor with only one carrier plate 8 with strip-shaped measuring and counter electrodes 10. The carrier plate 8' carries a full-surface, unstructured electrode 14, which either remains without an electrical connection as an electrode with floating potential or is connected to the ground potential via the electrical connection 13. The frame 12 and the carrier plate 8' can advantageously be made from one piece of material, which results in a particularly robust inclination sensor.

Fig. 5 zeigt die Trägerplatte 8 als Rundscheibe und die streifenförmigen Meß- und Gegenelektroden 10 als Ringsegmente. Alle anderen Merkmale entsprechen denen der Fig. 1 bis Fig. 3. Mit dieser Anordnung können größere Neigungswinkel erfaßt werden.Fig. 5 shows the carrier plate 8 as a round disk and the strip-shaped measuring and counter electrodes 10 as ring segments. All other features correspond to those of Fig. 1 to Fig. 3. With this arrangement, larger angles of inclination can be measured.

Fig. 6 zeigt auf der Trägerplatte 8 die Meß- und Gegenelektroden 10 als Ringsegmente wie in Fig. 5. Die Trägerplatte 8 trägt noch zusätzlich eine um 90 Grad versetzte Anordnung der Meß- und Gegenelektroden 11 eines zweiten Differentilakondensators. Alle anderen Merkmale entsprechen denen der Fig. 1 bis Fig. 5. Mit dieser Anordnung können Neigungwinkel über 360 Grad erfaßt werden.Fig. 6 shows the measuring and counter electrodes 10 on the carrier plate 8 as ring segments as in Fig. 5. The carrier plate 8 also carries an arrangement of the measuring and counter electrodes 11 of a second differential capacitor offset by 90 degrees. All other features correspond to those of Fig. 1 to Fig. 5. With this arrangement, inclination angles of over 360 degrees can be recorded.

91 05 559.91 05 559.

Claims (5)

AnsprücheExpectations 1. Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor, bestehend aus zwei sich gegenüberstehenden Trägerplatten mit einer Differentialkondensator-bildenden Elektrodenstruktur und Rahmen, die einen teilweise mit einer dielektrischen Flüssigkeit gefüllten Hohlraum bilden, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der elektrisch isolierenden Trägerplatte (8) alternierend steifenförmige Meß- und Gegenelektroden (10) nebeneinander befinden und die gegenüberliegende gleichartige Trägerplatte (10') so angeordnet ist, daß sich jeweils eine streifenförmige Meßelektrode und Gegenelektrode gegenüber befinden.1. Capacitive liquid inclination sensor, consisting of two opposing support plates with a differential capacitor-forming electrode structure and frame, which form a cavity partially filled with a dielectric liquid, characterized in that on the electrically insulating support plate (8) there are alternating strip-shaped measuring and counter electrodes (10) next to each other and the opposite, similar support plate (10') is arranged in such a way that a strip-shaped measuring electrode and counter electrode are located opposite each other. 2. Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die streifenförmigen Meß- und Gegenelektroden (10) als Ringsegmente ausgebildet sind. 2. Capacitive liquid inclination sensor according to claim 1, characterized in that the strip-shaped measuring and counter electrodes (10) are designed as ring segments. 3. Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine zweite, um einen Winkel versetzte Anordnung von Meß- und Gegenelektroden (11) als Ringsegmente auf der Trägerplatte (8) befindet und die Elektrodenstruktur für einen zweiten Differentialkondensator bildet.3. Capacitive liquid inclination sensor according to claim 1 and 2, characterized in that a second arrangement of measuring and counter electrodes (11) offset by an angle is located as ring segments on the carrier plate (8) and forms the electrode structure for a second differential capacitor. 4. Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 3, dadaurch gekennzeichnet, daß sich auf der gegenüberliegenden Trägerplatte (8') eine ganzflächige, unstrukturierte Elektrode (14) befindet, die entweder Über einen elektrischen Anschluß (13) mit Massepotential verbunden ist oder ohne Anschluß ein schwebendes Potential trägt.4. Capacitive liquid inclination sensor according to claims 1 to 3, characterized in that a full-surface, unstructured electrode (14) is located on the opposite carrier plate (8'), which is either connected to ground potential via an electrical connection (13) or carries a floating potential without a connection. 5. Kapazitiver FlUssigkeitsneigungssensor nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Gegenelektroden (10, 10') Bestandteil eines Relaxationsoszillators sind und über elektrische Anschlüsse (5, 6, 7) mit einem elektronischen Schaltkreis verbunden sind.5. Capacitive liquid inclination sensor according to claims 1 to 4, characterized in that the measuring and counter electrodes (10, 10') are part of a relaxation oscillator and are connected to an electronic circuit via electrical connections (5, 6, 7). 91 05 559.91 05 559.