Klinometereinrichtung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Klinometereinrichtung zur Messung von Neigungsänderun- gen eines Objektes oder der Bewegung einer über Grund gleitenden Masse.
Ein Klinometer ist ein Messgerät zur Bestimmung der Neigung eines bestimmten Gegenstandes bezüglich einer waagrechten oder einer lotrechten Ebene.
Genaue Neigungsmessungen und insbesondere Mes sungen von Neigungsänderungen sind z. B. vor allem im Hoch-und Tiefbau und auch in der Bodenmechanik sowie in der Schneemechanik und in der Glaziologie von erheblicher Bedeutung. Anhand von Neigungsmessungen bzw. Messungen der Neigungsänderung in der Zeit lassen sich z. B.
Lageveränderungen und einseitige Absenkungen von Bauwerken, die Winkelgeschwindigkeit der Kriechbewegung sowie die Gleitgeschwindigkeit und die relative Gleitgeschwindigkeit von in langsamer Bewegung begrif- fenen Schnee-, Eis-und Erdschichten ermitteln, ohne dass das durch die Messungen erfasste Objekt zerstört werden müsste. Aus diesen Grosse wiederum lassen sich Erkenntnisse über das wahrscheinliche Verhalten dieser Objekte in der Zukunft ableiten, und diesen Erkenntnissen entsprechend lassen sich mit ausreichender Sicherheit Massnahmen treffen, um gegebenenfalls das weitere Verhalten der Objekte zu beeinflussen.
Klinometer lassen sich aber auch auf anderen Gebieten anwenden, wo sich aus einer geringen Anderung einer Neigung bezüglich der Waagrechten oder Lotrechten nützliche Erkenntnisse gewinnen lassen. Z. B. können mit einem Klinometer langsam eintretende Deformationen an ortsfesten Maschinenbauteilen, Neigungsänderungen an Geleisen, an Tunnelwänden erfassen.
Eine bekannte Einrichtung zum Messen der Neigung eines bestimmten Gegenstandes bedient sich eines Lotes, das obernends an dem Gegenstand befestigt ist, während aus der Lage des untern Endes bezüglich eines ortsfesten waagrechten Massstabes die Neigung des Gegenstandes errechnet wird. Diese Einrichtung setzt aber voraus, dass sowohl das obere wie auch das untere Ende des Lotes zugänglich ist. Diese Voraussetzung trifft aber gerade bei interessanten Objekten, z. B. Staudämmen oder hohen Bauwerken oft nicht zu. Andererseits ist es bei einer solchen Einrichtung wünschenswert, das Lot so lange als möglich zu machen, um theoretisch die Genauigkeit der Messung zu erhöhen.
Dies lässt sich aber nicht ohne weiteres erreichen, ganz abgesehen davon, dass mit wachsender Lotlänge auch der Einfluss der Fehlerquellen (Luftbewegung, Erschütterungen, Witterung) beträchtlich wächst, so dass die angestrebte höhere Genauigkeit illusorisch wird.
Es ist daher vorgeschlagen worden, als Bezugsnormal für Neigungsmessungen eine Wasserwaage zu verwenden und die Neigung einer am Objekt ausgebildeten Auflagefläche bezüglich der Wasserwaage etwa mit einem Goniometer zu messen. Diese Einrichtungen geben aber insofern ein unzuverlässiges Resultat, als die Neigung der Auflagefläche nicht unbedingt ein getreues Abbild der Neigung des gesamten Objektes gibt. Deformationen des Objektes werden in der Regel durch die Auflagefläche nicht erfasst.
Es ist somit ein Zweck der Erfindung eine Klinometereinrichtung zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Einrichtungen weitgehend vermeidet.
Zu diesem Zweck besitzt die vorgeschlagene Klinometereinrichtung wenigstens einen langgestreckten, praktisch lotrecht mit dem zu messenden Objekt zu veran kernden oder in die Masse zu steckenden Sondenteil, auf dessen einem Ende ein Messteil in mindestens einer Lage abnehmbar befestigt ist, welcher Messteil eine auf einem bezüglich des Sondenteils verschwenkbaren Hebel montierte Libelle sowie ein Längsmessgerät zur Messung der Hebelauslenkung aufweist.
Weitere Vorteile der erfindungsgemässen Einrichtung sind ohne weiteres aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung ersichtlich.
Es zeigt :
Fig. 1 bis 4 schematisch einige typische Anwendungsbeispiele einer Klinometereinrichtung nach der Erfindung.
Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen Sondenteil mit einem eingesetzten Kupplungsteil,
Fig. 6 in vergrössertem Massstab einen Schnitt durch die Linie 6-6 der Fig. 5,
Fig. 7 einen lotrechten Schnitt durch einen Messteil in einer ersten Ausführungsform,
Fig. 8 einen lotrechten Schnitt durch den Messteil einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 9 eine schematische Draufsicht auf den Messteil der Fig. 8,
Fig. 10 einen lotrechten Schnitt durch den Messteil einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 11 einen Längsteilschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform des Kupplungsteiles und
Fig. 12 in isometrischer Darstellung das obere Ende des Sondenteiles, das sich besonders für den Kupplungsteil der Fig. 11 eignet.
Um verschiedene Anwendungsgebiete der erfindungsgemässen Klinometereinrichtung zu erläutern, sei zunächst auf die Fig. 1 bis 4 hingewiesen.
In Fig. I ist der Einsatz der Klinometereinrichtung zur Erforschung der Schneemechanik dargestellt. In einer Schneeschicht 1 der Mächtigkeit ho über dem Boden 2 ist bei A ein Sondenteil 3 eingerammt und zwar in einer nahezu lotrechten Richtung. Nach einer gewissen Zeit t wird sich der Sondenteil zusammen mit der in langsamer Bewegung befindlichen Schneeschicht 1 an die Stelle Ao verschoben haben. Aus der Neigungsänderung des Sondenteils 3 an der Stelle Ao bezüglich der Stelle A lässt sich nun der Winkel a ermitteln.
Aus den beiden Grossen t und a lässt sich die mittlere Winkelgeschwindigkeit der Kriechbewegung u odeur t dx lés = dt ermitteln ; vermisst man auch noch die Lagen A und Ao dann lässt sich auch noch das Momentanzentrum Z der Kriechbewegung ermitteln.
Ferner ergibt sich aus der Vermessung von A und Ao die Geschwindigkeitskomponente in X-Richtung ux der Schneeschicht 1 an ihrer Oberfläche.
Damit lässt sich auch die Gleitgeschwindigkeit uu über Grund mit der Formel u"= uX-uX Uxi ermitteln, wobei uxl
EMI2.1
Es ist leicht ersichtlich, dass alle diese Grosse stark von der Schneebeschaffenheit und von den herrschenden atmosphärischen Bedingungen abhängen und mithin eine Funktion der Zeit sind. Um diese Funktion zu ermitteln, ist man angewiesen, möglichst Momentanwerte zu errechnen, d. h. den Zeitabschnitt At möglichst kurz zu wählen. Dies bedeutet aber auch, dass möglichst kleine A ru mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen sind.
In Fig. 2 ist schematisch die Anwendung der Klinometereinrichtung zur Erforschung des Verhaltens eines auf einer gekrümmten Gleitfläche 4 abgleitenden Erdkör- pers 5 dargestellt. Wiederum ist nur der Sondenteil 3 in zwei zeitlich aufeinanderfolgenden Zuständen angedeutet.
In Fig. 3 ist der Einsatz der Klinometereinrichtung bei der Uberwachung von Masten oder Türmen angedeutet. Hier ist der Sondenteil 3 mittels Laschen 6 fest an dem durch einen Pfahl 7 dargestellten Objekt verankert.
Der Pfahl 7 ist in den Boden 8 gerammt und führt dieselben Bewegungen wie dieser aus. Da der Sondenteil die Bewegungen des Pfahles zwangsläufig mitmacht, genügt es dessen Verhalten messtechnisch zu erfassen.
In der Fig. 4 ist der Sondenteil 3 über Laschen 6 an einer Stützmauer 9 befestigt, deren Verhalten mit der Klinometereinrichtung erfasst werden soll.
Als besonders zweckmässig hat sich der in den Fig. 5 und 6 dargestellte Aufbau des Sondenteiles 3 erwiesen.
Es besteht aus einem Rohr 10, das am untern Ende mit einer eingeschraubten Spitze 11 abgeschlossen ist und obernends eine bearbeitete Stirnfläche 12 aufweist. Das Rohr 10 hat zweckmässigerweise eine Länge von 120 cm mit einem Laschenabstand, falls solche vorgesehen sind, von etwa 100 cm, damit es einerseits noch handlich genug ist, um an das zu messende Objekt herangebracht zu werden und andererseits lang genug um einen erheblichen Teil des zu messenden Objektes zu erfassen, wenn es einemal daran verankert ist. Als Material für das Rohr 10 kommt ein Werkstoff in Frage, der mechanisch nicht ohne weiteres verformbar ist. Ist das Rohr 10 ausserdem dazu vorgesehen, in der Schneemechanik Verwendung zu finden, sollte sein Werkstoff eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Temperaturverhältnisse in tieferen Schneeschichten nicht zu stören.
Als geeignet haben sich Rohre aus organischem Glas oder aus Hart-PVC erwiesen, während für andere Zwecke ohne weiteres Metallrohre in Frage kommen können.
Auf der Stirnfläche 12 des Rohres liegt ein gesamthaft mit 13 bezeichneter Kupplungsteil auf. Dieser Kupplungsteil 13 besitzt einen sich in das Innere des Rohres 10 erstreckenden Ansatz 14, dessen Länge so bemessen ist, dass er sich über einen erheblichen Teil der Rohrlänge erstreckt. In dem Ansatz 14 ist an zwei Stellen eine Zentriervorrichtung 15 vorgesehen, die ihrerseits aus zwei festen Stiften 16 (Fig. 6) und einem bewegbaren Stift 17 besteht. Diese insgesamt drei Stiften jeder Zentriervorrichtung liegen in einer zur Rohrachse senkrechten Ebene. Der Stift 17 ist mittels einer Feder 18 vorgespannt, die in einer Querbohrung 19 im Ansatz 14 angeordnet ist und einerends gegen einen Verschlussstopfen 20, andernends gegen das eine Ende des Zentrierstiftes 17 aufliegt.
Damit ist Gewähr dafür geboten, dass der Ansatz 14, einmal in das Rohr 10 eingeführt, stets spielfrei in diesem verspannt bleibt.
Am obern Ende des Ansatzes 14 weist der Kupplungsteil 12 eine Scheibe 181 auf, die fest mit dem Ansatz 14 verbunden ist, und somit die Lage des Kupplungsteiles 13 bezüglich der Rohrlänge festlegt. Die Scheiben 181, sowie das obere Ende des Rohres 10 sind mit Marken 191 bzw. 201 versehen, damit beim Einsetzen des Kupplungsteiles auch dieser stets in die gleiche Drehlage bezüglich des Rohres 10 gebracht werden'kann.
Oben ist der Kupplungsteil 13 durch einen Konus 21 abgeschlossen, der in der Art eines Morsekonus dazu bestimmt ist, mit einem entsprechenden Konus am nicht dargestellten Messteil zusammenzuwirken.
Es sei an dieser Stelle ausdrücklich darauf hingewie- sen, dass der Sondenteil nicht rohrförmig zu sein braucht.
Er kann auch aus einem Profil oder gar als Vollstange hergestellt sein. Wenn im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Rohr gewählt wurde, so lediglich deshalb, weil ein Rohr eine leicht im Handel erhältliche Form ist, im Verhältnis zu seiner Festiglceit ein gringes Gewicht hat und in vielen Werkstoffen erhältlich ist.
Auch ist der Kupplungsteil nicht unbedingt erforderlich, sobald auf andere Weise dafür Gewähr besteht, dass der Messteil wiederholt auf den Sondenteil und zwar immer in derselben Lage befestigbar ist. Es bleibt demnach dem Ermessen des Fachmannes freigestellt, jene Massnahmen zu treffen, die im besonderen Fall diese Gewähr bieten.
In Fig. 7 ist ein erstes Ausführungsbeispiel des Messteiles in aufgesetzter Stellung dargestellt. Man erkennt schematisch das Rohr 10 des Sondenteiles sowie den Ansatz 14 des Kupplungsteiles, der an seinem oberen Ende einen Auflageflansch 22 sowie einen Zentrierdorn 23 trägt. Diese beiden Teile 22 und 23 entsprechen funktionell dem Konus 21 der Fig. 5. Der eigentliche Messteil (allgemein mit 25 bezeichnet) besitzt einen Grundbalken 26, der eine auf den Zentrierdorn 23 passende Bohrung 27 aufweist, sowie einen zur Auflage auf den Auflageflansch 22 bestimmten Gegenflansch 28.
Der Grundbalken 26 befindet sich damit in einer eindeutig bestimmten Bezugslage relativ zum Rohr 10.
An dem einen Ende des Balkens 26 ist mittels Gewindestiften oder Nieten 29 eine obernends gegabelte Stütze 30 befestigt, an deren abstehenden Ende ein Vförmiges Lager 31 für einen Schwenkzapfen 32 ausgebildet ist. Der Schwenkzapfen 32 selbst besitzt die Form eines beiderends abgesetzten Zylinders und greift mit seinem dickeren Mittelabschnitt 33 zwischen die Gabelung der Stütze 30 und ist damit gegen eine Axialverschiebung gesichert. Der Schwenkzapfen 32 ist mit einem Schwenkhebel 34 fest verstiftet. Dieser Schwenkhebel 34 verläuft im wesentlichen parallel zum Grundbalken 26 und ist etwa gleich lang wie dieser.
Der Schwenkhebel 34 ruht mit seinem freien Ende über ein Auflageplättchen 35 auf der Messspitze 36 eines Gewindespindelmikrometers 37, dessen Schaft 38 durch das rechte Ende des Grundbalkens 26 hindurchgeführt und daselbst eingespannt ist.
Wenn nun durch Drehung der Mikrometertrommel 39 bzw. des Kopfes 39a die Spitze 36 in lotrechter Richtung verschoben wird, hat dies eine Verschwenkung des Hebels 34 zur Folge. Das Ausmass dieser Verschwenkung ist an den Skalen bzw. an dem Nonius 40 der Mikrometertrommel ablesbar, und mit Hilfe des Abstandes der Schwenkachse des Zapfens 32 vom Auflagepunkt der Spitze 36 auf das Auflageplättchen 35 lässt sich daraus der Schwenkwinkel errechnen. Damit der Schwenkbalken 34 nach einer von den Teilen der Klinometereinrichtung unabhängigen Bezugsrichtung ausrich- ten lässt, ist an diesem mittels einer Schutzhülse 37 eine Libelle 38 befestigt, deren Blase 39 durch ein Schlitz 40 in der Hülse 37 sichtbar ist.
Das Libellenrohr trägt wie üblich eine Graduierung 41, mit deren Hilfe sich die Lage der Blase 39 immer wieder herstellen lässt, d. h. dass die Libelle 38 und mit ihr der Schwenkhebel 34 mit grösster Genauigkeit in die Horizontale gebracht werden kann.
Es sei nun angenommen, dass der Abstand zwischen der Schwenkachse des Zapfens 32 und dem Auflagepunkt der Spitze 36 100 mm, d. h. 10-t m betrage. Die Ablesung an der Mikrometertrommel erfolge in 0,001 mm, d. h. in 10-6 m. Einem Verschwenkungsmass von 0,002 mm (abgelesen an der Mikrometertrommel) entspricht ein Verschwenkwinkel a, für den folgende Gleichung gilt : 10-1 tga = 2 10-6 oder tgx = = 2-10-5 was für a einem Wert von etwa 4,3" entspricht, d. h. einem extrem kleinen Winkel.
Damit der Messteil 25 bezüglich des Sondenteils 10 in jene Lage verdreht werden kann, in der die Libelle 38 die grösste Neigung erfasst, d. h. dass die Libelle 38 in die lotrechte Ebene durch die Fallinie zu liegen kommt, ist im rechten Winkel zur Libelle 38 eine zweite, mit 42 bezeichnete Libelle an dem Schwenkhebel 34 befestigt.
Man wird daher praktisch so vorgehen, dass zunächst der Messteil 25 in dem Sondenteil 3 (Rohr 10) verdreht wird, bis die Libelle 42 Nivellierung anzeigt. Anschliessend wird die Mikrometerschraube betätigt, bis auch die Libelle 38 Nivellierung anzeigt. Die Ablesung an der Mikrometerschraube wird dann von der vorhergehenden Ablesung subtrahiert. Diese Differenz ergibt dann auf rechnerischem Wege die Änderung der Neigung des Sondenteiles in der Zeit zwischen den beiden Ablesungen.
Es versteht sich, dass sich auch absolute Neigungsmessungen durchführen lassen. Es bedingt dies indessen, dass der Wert der Mikrometerablesung bei horizontal aufliegendem Grundbalken 26 und nivellierter Libelle 38 bekannt sein muss.
Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbei- spiel liegt der Schwenkbalken 34 durch sein Eigengewicht auf der Messspitze 36 auf. Dies hat gewisse Nachteile im praktischen Gebrauch. Um diese Nachteile zu beheben kann die Ausführungsform nach Fig. 8 und 9 vorgesehen werden.
Man erkennt hier wiederum das Sondenrohr 10, die Auflagescheibe 181 und den Konus 21. Auf diesem Konus ist mittels eines Gegenkonus 43 ein vertikaler Schaft 44 des Messteiles aufgesetzt. Obernends dieses Schaftes 44 sind zwei seitlich abstehende, parallel verlaufende konsolenartige Träger 45 vorgesehen, zwischen denen ein T-förmiger Schwenkhebel 46 um einen Schwenkzapfen 47 schwenkbar gelagert ist. Auf dem Joch 48 des Schwenkhebels 46 ist wiederum eine Libelle 38 sowie eine zweite Libelle 42 befestigt.
Während das untere Ende des Schenkels des T-förmigen Schwenkhebels 46 über ein Auflageplättchen 35 wiederum auf der Messspitze 36 des Mikrometers 37 aufliegt, wird die dazu notwendige Anpresskraft durch einen Federbolzen 49 erzeugt, der oberhalb des Schwenkzapfens 47 auf das Joch wirkt und verschiebbar gegen die Wirkung einer Druckfeder 51 in einer zwischen den Konsolen 45 am Schaft 44 befestigten Hülse 50 gelagert ist.
Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist dieselbe wie jene der Fig. 7. Der Unterschied besteht darin, dass die Mikrometerspindel horizontal angeordnet ist, und dementsprechend leichter ablesbar, und dass der Schwenkhebel fest gelagert ist und nicht wie etwa in der Ausführungsform gemäss Fig. 7 aus seinen Schwenklagern heraushebbar ist. Allerdings gestattet diese Ausfüh- rungsform nicht eine raumsparende Auslegung wie jene der Fig. 7, es sei denn auf Kosten des Abstandes zwischen Schwenkachse und Berührungspunkt der Messspitze.
In der Fig. 10 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die einerseits einfacher ist und andererseits grosse Anforderungen an Messgenauigkeit zu erfüllen vermag.
Man erkennt wiederum den vertikalen Schaft 44 des Messteiles, in dessen unteren Bereich der Mikrometer 37 eingespannt ist. Am oberen Ende des Schaftes 44 sind mittels Gewindebolzen oder Nieten 52 wiederum zwei seitlich abstehende, in einem Abstand voneinander, parallel verlaufende Konsolen 45 befestigt. Am abstehenden Ende dieser Konsolen ist mittels des Schwenkzapfens 47 ein in Form eines Winkelhebels 53 ausgeführter
Schwenkhebel gelagert. Auf dem lotrecht nach unten sich erstreckenden Schenkel 54 dieses Winkelhebels ist die Auflagefläche 36 für die Messspitze 35 des Mikrometers befestigt, während der waagrecht verlaufende Schenkel 55 die Libelle 38 trägt.
Die Anpresskraft des Schenkels 54 auf die Messspitze 36 wird hier durch eine Zugfeder 56 erzeugt, die einerends am Schaft 44 und andernends am Schenkel 54 befestigt ist.
Die Wirkungsweise ist wiederum analog wie bei den bisherigen Ausführungsformen. Zu erwähnen ist noch, dass bei dieser Ausführungsform die zweite Libelle 42 nicht vorgesehen ist. Dies aus dem Grund, weil es auch andere Mittel gibt, um die Libelle 38 nach der lotrechten Ebene durch die Fallinie auszurichten.
Auf ein solches Mittel sei im Zusammenhang mit den Fig. 11 und 12 hingewiesen.
In Fig. 11 ist in vertikalem Längsschnitt das obere Ende des Sondenrohres 10 dargestellt, in das, analog wie in Fig. 5, der Ansatz 14 des Kupplungsteiles eingesetzt ist. Dieser Ansatz trägt wiederum zwei Zentriervorrichtungen 15, die etwa denjenigen der Fig. 6 entsprechen.
Die axiale Bezugslage sowie die Verdrehungslage des Messteiles bezüglich des Sondenrohres ist hier durch einen seitlich vom Ansatz 14 abstehenden und in diesen verschraubten Anschlagstift 57 gegeben, der in eine von zwei Kerben 48 eingreift, die an der Stirnseite des Rohres 10 ausgebildet sind (Fig. 12).
Wie in Fig. 12 dargestellt, schliessen die Kerben 58 bezüglich der Rohrachse einen Zentriwinkel von 90 ein, d. h. dass der Kupplungsteil 31 (Fig. 5) und mit ihm der Messteil 25 (Fig. 7) bei dieser Ausführungsform in zwei genau 90 zueinander verdrehten Lagen auf das Sondenrohr aufsetzbar ist.
Man wird also bei der Erstellung der Klinometereinrichtung zunächst den Messteil bzw. den Mikrometer derart einstellen, dass die Libelle 38 genau rechtwinklig zum Schaft 44 (Fig. 10) und damit zum Ansatz 14 verläuft. Sodann wird unter Beibehaltung dieser Einstellung der Messteil auf den Sondenteil zentriert und dabei in die eine Kerbe eingerastet. Darauf wird das Sondenrohr vor seiner definitiven Verankerung mitsamt dem aufgesetzten Messteil verdreht, bis die Libelle einspielt.
Wird nun der Messteil soweit verdreht, bis der Anschlagstift 57 in die zweite Kerbe einrastet, befindet sich die Libelle zwangsläufig in der für die Messung gewünschten Richtung.
Der Fachmann kann aus dem Vorstehenden entnehmen, dass für die klinometrische Erfassung eines Objektes eine grössere Anzahl von Sondenteilen erforderlich ist, die jeweils mit einem einzigen Messteil ausgemessen werden. Diese Sondenteile können bei Bauwerken schon während des Baues an bestimmten Stellen vorgesehen und eingebaut werden und bedürfen später praktisch keinerlei Wartung mehr. Auch sind sie infolge ihres einfachen Aufbaus gegen Witterungseinflüsse verhältnismassig widerstandsfähig. Der Messteil dagegen ist nur während der eigentlichen Messungen erforderlich und kann zur Betreuung einer grossen Anzahl von Sondenteilen herangezogen werden. Als empfindlicher Messteil kann er auch den Witterungseinflüssen entzogen werden, und so seine Genauigkeit über lange Zeiten beibehalten.
Das Längenmessgerät des Messteiles braucht nicht ein Gewindemikrometer zu sein. Man kann ebensogut eine Messuhr oder einen Komparator mit entsprechender
Teilung vorsehen, wobei dann allerdings weitere Mittel vorgesehen sein müssten, um den Schwenkhebel zu verschwenken. In diesem Falle könnte man diese Schwenkbewegung über eine separate Feingewindespindel erzeugen oder über ein mit dem Schwenkhebel verbundenes Schneckengetriebe oder schliesslich durch einen verschiebbaren Keil geringer Steigung.