DE3608274C2 - - Google Patents

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DE3608274C2
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    • G01C9/18Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels by using liquids
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    • GPHYSICS
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    • G01C9/00Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
    • G01C9/02Details
    • G01C9/06Electric or photoelectric indication or reading means

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung einer Neigung oder einer Beschleunigung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Aus der US-PS 44 22 243 ist ein Sensor zum Messen einer Neigung oder einer Beschleunigung bekannt, bei der ein auf seiner Oberseite gewölbter Raum teilweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, so daß sich an dem jeweils höchsten Punkt eine Luftblase ausbildet. Es sind vier Meßelektroden und eine Gegenelektrode vorgesehen, wobei die elektrostatischen Kapazitäten zwischen jeder der Meßelektrode und der gemeinsamen Elektrode gemessen werden. Aus den Meßergebnissen wird sodann die Neigung bzw. die Beschleunigung des Körpers, auf den der Sensor aufgesetzt ist, bestimmt.
Aus der US-PS 27 13 727 ist weiter ein Neigungssensor bekannt, der mit einer gewölbten gemeinsamen Gegenelek­ trode versehen ist.
Bei der aus der US-PS 44 22 243 bekannten Ausbildung ist die sich ändernde Breite des die Flüssigkeit auf­ nehmenden Raumes ungleichmäßig. Dies beeinträchtigt die Linearität des Sensors. Nachteilig ist weiter, daß die elektrostatische Kapazität zwischen den Meßelektroden und der Gegenelektrode durch die Verlagerung der Blase bestimmt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der eine bes­ sere Linearität zeigt, wobei die elektrostatische Kapa­ zität nicht durch die Blase, sondern durch das von dem Raum aufgenommene Fluid bestimmt wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausge­ staltungen der Erfindung an.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsge­ mäßen Sensors,
Fig. 2 ein elektrisches Blockschaltbild des in Fig. 1 gezeigten Sensors, und
Fig. 3 und Fig. 4 erläuternde Darstellungen, die die Arbeitsweise des in Fig. 1 gezeigten Sensors verdeutlichen.
Ein Sensorgehäuse 10 besteht aus einer ebenen Platte 11 und einer Abdeckung 12. Die Abdeckung 12 hat eine geschlossene obere Fläche und sitzt unten auf der Plat­ te 11 auf. Das Sensorgehäuse 10 nimmt eine Meßeinrich­ tung 13 und eine elektrostatische Kapazitätsmeßeinrich­ tung 14 auf.
Die Meßeinrichtung 13 besteht aus einer Zentralelektro­ de 15, vier Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d, die der gemeinsamen Elektrode 15 gegenüberliegend angeord­ net sind, einem zwischen der Zentralelektrode 15 und den Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d angeordneten magnetischen Fluid 17 und einem Isolationselement 18 zum Halten der gemeinsamen Elektrode 15 und der Meß­ elektrode 16 a, 16 b, 16 c und 16 d. Die gemeinsame Elektro­ de 15 ist kugelabschnittförmig ausgebildet. Das Isola­ tionselement 18 hat einen kugelabschnittförmigen Ab­ schnitt 18 a, dessen Krümmungsradius größer ist als der der Zentralelektrode 15, und einen ringförmig vorste­ henden Abschnitt 18 b, von dem der kugelabschnittförmige Abschnitt 18 a nach innen ragt. Ein Flanschabschnitt 18 c ragt von dem kugelförmigen Abschnitt 18 a nach außen.
Das Isolationselement 18, das mit seiner konkaven Flä­ che nach oben weist, ist horizontal in der Abdeckung 12 angeordnet. An seinem Flanschabschnitt 18 c ist das Isolationselement an der Innenwand des Behälters 12 befestigt. Die gemeinsame Elektrode 15, deren konkave Fläche nach oben weist, ist an dem vorstehenden Ab­ schnitt 18 b des Isolationselements 18 befestigt, so daß ein geschlossener kugelförmiger Raum 19 zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und dem kugelförmigen Ab­ schnitt 18 a des Isolationselements 18 ausgebildet wird. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d sind auf der Oberfläche der konvexen Seite des Isolationselements 18 angeordnet, so daß sie der gemeinsamen Elektrode 15 gegenüberliegen. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d sind, wie Fig. 4 zeigt, radial in vier Sektoren aufgeteilt und elektrisch jeweils voneinander unabhän­ gig. Jede der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ist so ausgeformt, daß sie der konvexen Fläche des Isola­ tionselements 18 entspricht. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d sind in Form und Größe übereinstim­ mend. Die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d und die gemeinsame Elektrode 15 sind so aufgebaut, daß die elektrostatische Kapazität zwischen benachbarten Elek­ troden 16 a, 16 b, 16 c, 16 d und der gemeinsamen Elektrode 15 gleich ist, wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal ausgerichtet ist. Das magnetische Fluid 17 ist in den sphärischen Raum 19 eingebracht und bewegt sich in den kugelmantelförmigen Raum 19, wenn die Meßeinrichtung 13 geneigt wird. Bei horizontaler Ausrichtung, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verbleibt das magnetische Fluid in dem Bereich der Mitte des kugelmantelförmigen Raums 19. Die elektrostatische Kapazität zwischen jeder der Meßelek­ troden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d und der gemeinsamen Elek­ trode 15 wird gleich.
Das magnetische Fluid 17 ist ein kolloides Fluid, in dem magnetische Partikel verteilt sind. Das magnetische Fluid 17 ist inherent und verhält sich so, als wenn das Fluid selbst magnetisch wäre, die Viskosität ist so gewählt, daß das Fluid sich entsprechend der Neigung bewegt.
Die Änderung der elektrostatischen Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektro­ den 16 a, 16 b, 16 c und 16 d wird durch die elektrosta­ tische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 gemessen. Diese elektrostatische Kapazitätsmeßeinrichtung 14 ist inner­ halb des Sensorgehäuses 10 angeordnet unter Verwendung von Schaltelementen 21 auf einer innerhalb des Sensor­ gehäuses 10 befestigten gedruckten Schaltung 20. Über eine Leitung 22 der elektrostatischen Kapazitätsmeßein­ richtung 14 werden jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d zugehörige Signale ausgegeben.
In Fig. 2 wird die gemeinsame Elektrode 15 mit einer gestrichelten Linie wiedergegeben, die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d sind voll ausgezogen dargestellt. Die gemeinsame Elektrode 15 ist mit einem Signalgenera­ tor 23 verbunden. Der Signalgenerator 23 beaufschlagt die gemeinsame Elektrode 15 mit einem vorgegebenen Wechselspannungssignal. Jede der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ist mit Meßwiderständen Ra, Rb, Rc und Rd, die jeweils einseitig geerdet sind, verbunden. Die der elektrostatischen Kapazität zwischen jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d und der gemeinsamen Elektrode 15 entsprechende Wechselspannung wird als Spannung über den Meßwiderständen Ra, Rb, Rc bzw. Rd gemessen. Die Meßwiderstände Ra, Rb, Rc und Rd sind über AC/DC-Wandler 25 a, 25 b, 25 c und 25 d über Verstär­ ker 24 a, 24 b, 24 c bzw. 24 d verbunden. Gleichstromsi­ gnale Va, Vb, Vc und Vd, die der elektrostatischen Kapazität der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ent­ sprechen, liegen daher an den Ausgangsanschlüssen 26 a, 26 b, 26 c, 26 d der AC/DC-Wandler 25 a, 25 b, 25 c bzw. 25 d an. Die Ausgangsanschlüsse 26 a, 26 b, 26 c und 26 d sind mit der Leitung 22 verbunden.
Wenn die Meßeinrichtung 13 horizontal ausgerichtet ist, wie dies in Fig. 1 gezeigt ist, verbleibt das magneti­ sche Fluid 17 in dem Zentrum des kugelförmigen Raums 19. In diesem Zustand bedeckt das magnetische Fluid 17 gleichmäßig die Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist. Die Werte der elektro­ statischen Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c bzw. 16 d werden gleich, die Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd stimmen überein.
Wenn die Meßeinrichtung 13 dagegen bei einer Neigung des Sensorgehäuses 10 geneigt wird, bewegt sich das magnetische Fluid 17 in eine zu der Achse des Sensors geneigte Stellung, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist. Dies führt zu einer Änderung des Bedeckungsverhältnisses des magnetischen Fluids 17 bezüglich jeder Meßelektrode 16 a, 16 b, 16 c bzw. 16 d. Entsprechend verändert sich die elektrostatische Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d entsprechend dem Bedeckungsverhältnis des ma­ gnetischen Fluids 17, die Werte der Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd verändern sich entsprechend. Anhand der Änderung der Spannungssignale Va, Vb, Vc und Vd können die Neigungsrichtungen sowie der Neigungswinkel konti­ nuierlich festgestellt werden.
Die Meßelektrode muß nicht unbedingt in vier gleiche Teile aufgeteilt sein. Wenn beispielsweise lediglich die Neigung zur Vertikalen oder zur Horizontalen fest­ zustellen ist, brauchen lediglich zwei Elektroden ver­ wendet zu werden.
In den leeren Bereich des kugelförmigen Raums 19 kann ein anderes Fluid 35 eingefüllt werden, das sich nicht mit dem magnetischen Fluid 17 mischt. Dieses Fluid 35 wirkt dämpfend auf das magnetische Fluid 17 ein. Auch bei Fahrzeugen, in denen der Sensor unter Vibration eingesetzt wird, ist es möglich, das magnetische Fluid 17 von Fehlbewegungen freizuhalten, wodurch eine bes­ sere Messung ermöglicht wird.
Das in dem kugelmantelförmigen Raum 19 eingefüllte Fluid 17 muß nicht notwendigerweise ein magnetisches Fluid sein. Jedes Fluid, dessen Viskosität so gewählt ist, daß es eine Bewegung entsprechend der Neigung durchführt, und das zu einer Änderung der elektro­ statischen Kapazität zwischen den Elektroden führt, kann an Stelle des magnetischen Fluids verwendet wer­ den.
Der in Fig. 1 gezeigte Sensor kann auch zur Messung von Beschleunigungsmessungen verwendet werden. In dem in Fig. 1 gezeigten Zustand ist der Sensor keiner Be­ schleunigung unterworfen, das magnetische Fluid 17 liegt daher im Mittelbereich des kugelmantelförmigen Raumes 19. Die elektrostatische Kapazität zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d ist daher gleich. Bei Vorliegen einer Beschleunigung bewegt sich das magnetische Fluid 17 in die der Beschleunigung entgegengesetzten Rich­ tung, wobei das Ausmaß der Verlagerung dem Ausmaß der Beschleunigung entspricht. Die elektrostatische Kapazi­ tät zwischen der gemeinsamen Elektrode 15 und jeder der Meßelektroden 16 a, 16 b, 16 c und 16 d verändert sich daher entsprechend der Richtung und dem Ausmaß der Beschleunigung. Basierend auf den Spannungssignalen Va, Vb, Vc und Vd der elektrostatischen Kapazitätsmeßein­ richtung 14 können daher Richtung und Ausmaß der Be­ schleunigung bestimmt werden.

Claims (2)

1. Sensor zum Messen einer Neigung oder einer Be­ schleunigung, mit einem Gehäuse (10), einem in dem Gehäuse ausgebildeten, einseitig von einer gemeinsamen Gegenelektrode (15) begrenzten, eine Flüssigkeit (17) aufnehmenden Raum (19), einer Mehrzahl von der Gegen­ elektrode (15) gegenüberliegend angeordneten Meßelek­ troden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d) und einer Meßeinrichtung (14) zum Messen der Änderung der elektrostatischen Kapa­ zität zwischen den Meßelektroden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d) und der Gegenelektrode (15) bei einer Verlagerung der Flüssigkeit (17) in dem Raum (19), dadurch gekennzeich­ net, daß
  • - die Gegenelektrode (15) kugelabschnittförmig mit nach oben weisender konkaver Fläche den Raum (19) nach oben abgrenzend ausgebildet ist,
  • - ein mit größerem Radius kugelabschnittförmiges, mit nach oben weisender konkaver Fläche den Raum (19) nach unten abgrenzendes Isolationselement (18) vorgese­ hen ist, und
  • - die Meßelektroden (16 a, 16 b, 16 c, 16 d) auf die nach unten weisende konvexe Fläche des Isolationsele­ ments (18) aufgesetzt sind.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Flüssigkeit (17) magnetische Partikel ver­ teilt sind.
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