DD209904A1 - Stangenstrainmeter - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strainmeter mit kleinen geometrischen Abmessungen fuer den Einsatz in der Geophysik, Wasserwirtschaft, im Bergbau und Bauwesen,mit dessen Hilfe kleine Abstandsaenderungen gemessen werden koennen. Es wird ein Strainmeter beschrieben, das voll transportabel ist, sich leicht in beliebige Raumrichtungen installieren laesst und eine den bekannten Stationsstrainmetern gleichwertige Messempfindlichkeit aufweist. Das Laengennormal ist in einem Rohr angeordnet und ueber ein hysteresearmes elastisches Element mit einem rueckgekoppelten Vergroesserungssystem verbunden,dessen Rueckkopplungsfaktor kontinuierlich oder in Stufen veraenderbar ist.Fuer ein bevorzugtes Ausfuehrungsbeispiel ist die Laenge des Strainmeters 1m und die maximale Messempfindlichkeit betraegt < gleich 3x10 hoch -11 1/mm. Das Stangenstrainmeter wird angewendet zur Messung von Bodendeformationen in einem grosen Amplituden-u.Frequenzbereich,vorzugsweise bei Problemstellungen, fuer die der Einsatz der Stationsstrainmeter unmoeglich oder zu aufwendig ist.

Description

Erfinder: Dr. Harwardt, Hans

Titel der Erfindung: Stangenstrainmeter

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Strainmeter mit kleinen geometrischen Abmessungen für den Einsatz in der Geophysik, Wasserwirtschaft, im Bergbau und Bauwesen, mit dessen Hilfe Abstandsänderungen mit hoher Meßempfindlichkeit gemessen werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Strainmeter messen Abstandsänderungen zweier Meßpunkte in einem festen Körper, im folgenden Meßobjekt genannt, durch Vergleich mit einem Längennormal, dessen Länge dem Abstand der beiden Meßpunkte entspricht.

üie bekannten technischen Lösungen in Form der Stationsstrainmeter weisen als Längennormal eine lange Stange auf, die aus mehreren fest miteinander verbundenen Teilstücken besteht und die in einer Halterung mittels Drähten aufgehängt ist /Latynina, L. A. Analyse der Arbeit eines Stangendeforniographen; Veröffentlichung des Instituts für Physik der Erde der Akademie der Wissenschaften der UdSSR Nr. 4218 - 72 Dep., Moskau 1971, 60 S., russ./. Zur Abschirmung kurzperiodischer Temperaturschwankungen sind die Stationsstrainmeter mit einem Gehäuse, z. B. in Form eines Mauerwerkes, umgeben. Solche Strainmeter haben den sNachteil, daß sie

fest installiert sind und daher nicht transportabel sind. Das ist ein großer Mangel für die Durchführung von Messungen, bei denen eine Umsetzung des Strainmeters gewünscht wird. Weiterhin sind Meßrichtungen, die von der Horizontalen oder Vertikalen abweichen, aus ökonomischen Gründen kaum realisierbar. Darüber hinaus ergeben sich oft Probleme in Verbindung mit der komplizierten und störanfälligen Aufhängung der Stange. Zur Erhöhung der Meßempfindlichkeit verwenden die Stationsstrainmeter u. a

einen mechanischen Vergrößerungshebel. Die Vergrößerung ist infolge des Auftretens von Instabilitäten jedoch auf relativ kleine Werte beschränkt. Die Verbindung zwischen Längennormal und Vergrößerungshebel erfolgt üblicherweise durch einen Draht mit geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten, dessen Enden mit den entsprechenden Teilen verschraubt sind. Nachteilig hierbei ist, daß durch die Verschraubung erhebliche mechanische Spannungen im Draht auftreten können, die zu Meßwertverfälschungen führen

Es sind weiterhin technische Lösungen bekannt, die als Längennormal eine kurze Stange und kleine geometrische Abmessungen aufweisen. Gehäuse, Vergrößerungshebel und Verbindungsteil entsprechen den Ausführungen wie bei den Stationsstrainmetern. Alle bekannten technischen Lösungen erreichen jedoch nicht - auf Grund des kurzen Längennormals - die Meßempfindlichkeit der Stationsstrainmeter. Sie sind daher für die Untersuchung vieler Problemstellungen nicht verwendbar. Als Beispiel sei ein Strainmeter

für die Messung an Klüften genannt, dessen Meßempfindlichkeit um mehr als eine Größenordnung geringer als die der Stationsstrainmeter ist /Beavan , J. u. a. Observation of strain enhancement across a fissure, Deutsche Geodätische Kommission bei der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, Reihe S, Heft Nr. 231, München 1979, S. 47 - 58/.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung ist es, ein Strainmeter zur Verfügung zu haben, das die Messung sehr kleiner Abstandsänderungen ermöglicht, einen leichten Meßortwechsel erlaubt und für beliebige Vießrichtungen einsetzbar ist. Die Erfindung verfolgt damit das Ziel, die

Einsatzmöglichkeiten des Strainmeters zu erweitern, z. B. an Meßorten zu registrieren, wo der Einsatz der bekannten Stationsstrainmeter unmöglich oder zu aufwendig ist.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Stangenstrainmeter zu beschreiben, das die Nachteile bekannter Geräte vermeidet und damit voll transportabel ist, sich leicht in beliebige Raumrichtungen installieren läßt und eine den Stationsstrainmetern gleichwertige iVleßempf indl ichkeit aufweist.

Erfindungsgemäß ist zur Lösung dieser Aufgabe das Längennormal in einem Rohr angeordnet, wobei jeweils ein Ende von Rohr und Längennormal fest miteinander und mit einer Gehäusekopplung verbunden sind. Das andere Ende des Längennormals ist mitbels einer Feder so aufgehängt, daß eine Übertragung der Abstandsänderung der beiden Meßpunkte nur in Meßrichtung,. jedoch nicht senkrecht hierzu, gegeben ist. Die beschriebene Anordnung erlaubt die Realisierung geringer geometrischer Abmessungen des Strainmeters sowie dessen leichte Aufstellung für beliebige Raumrichtungen. Das Rohr ist Teil eines druckdichten Gehäuses, in dem außer dem Längennormal das Verbindungsteil, der Vergrößerungshebel sowie Teile der Rückkopplungseinrichtung und der Meßelektronik angeordnet sind und das Elemente zur Evakuierung, zur Kopplung mit den Meßpfeilern und dem Elektronikteil und zur Arretierung aufweist

Das Verbindungsteil weist ein elastisches Element mit geringer Dehnungshysterese auf, dessen Enden spannungsfrei mit dem Längennormal und dem Vergrößerungshebel gekoppelt sind. Aufgabe des Elementes, vorzugsweise in Form eines dünnen Drahtes oder Fadens, ist es, in Verbindung mit der Rückkopplungseinrichtung kleine, reproduzierbare, spannungsproportionale Längenänderungen zu gevvährleisten. Das elastische Element erlaubt weiterhin kleine Relativbewegungen zwischen Längennormal und Hebelsystem,, wie sie beim Transport des Strainmeters auftreten, ohne Gefährdung des Meßsystems und fungiert darüber hinaus als Sollbruchstelle, wenn bei fehlerhafter Bedienung eine mechanische Überlastung eintritt. Das Verbin-

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dungsteil ist mit einer bekannten Vorrichtung zur Kompensation der thermischen Längenänderun g des Längennormals ausgerüstet.

Der Vergrößerungshebel ist mit einer bekannten Rückkopplungseinrichtung verbunden, dessen Rückkopplungsfaktor kontinuierlich oder in Stufen veränderbar ist. Die Rückkopplung wird so vorgenommen, daß vorzugsweise der Frequenzbereich, der die Eigenfrequenzen des mechanischen Teiles des Strainmeters und alle höheren Frequenzen enthält, unterdrückt wird. Damit ergibt sich eine stabile Arbeitsweise des Strainmeters bis zu sehr hohen Hebelvergrößerungen. Die Veränderbarkeit des Rückkopplungsfaktors gewährleistet in Verbindung mit Meßwertfilterungen eine optimale Anpassung der Übertragungsfunktion des Strainmeters an das Meß prob lern. Ein zusätzlicher positiver Effekt des erfindungsgemäßen Gerätes wird dadurch erzielt, daß die niedrigste Eigenfrequenz des mechanischen Teiles des Strainmeters erhöht wird, so daß der Meßbereich des Strainmeters sich nach höheren Frequenzen hin erweitert. Die Anwendung der Rückkopplungseinrichtung ergibt weiterhin eine einfache Kalibriermöglichkeit für die Meßempfindlichkeit des Strainmeters..

Bei dem oben im statischen Zustand beschriebenen Stangenstrainmeter sind,zwei ausgezeichnete dynamische Zustände vorhanden. Der erste Zustand ist der des Transportes, der durch starke, andauernde Belastungen in allen Richtungen gekennzeichnet ist. In diesem Zustand ist durch eine starre Verbindung zwischen Längennormal und Vergrößerungshebel ihre Relativbewegung so eingeengt, daß in Zusammenhang mit dem Verbindungsteil auch stärkere Transporterschütterungen das Stangenstrainmeter nicht zerstören können. Im zweiten Zustand, dem Meßzustand, ist das Strainmeter auf vorbereitete iVleßpf e i ler, die fest mit dem Meßobjekt verbunden sind.· befestigt, die Arretierung gelöst und die NuIlage des Meßsystems einreguliert.. Für alle Meßpunkte sind die Meßpfeiler mit einer Lehre so ausgerichtet, daß stets gleiche, reproduzierbare geometrische AnkopplungsVerhältnisse gegeben sind.

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Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Gemäß der Zeichnung wird die Relativbewegung der beiden Meßpfeiler 21 und 21a über Längennormal 1 und Verbindungsteil, bestehend aus Hülse 2 und Draht 3, auf den Vergrößerungshebel 4 übertragen. Das Längennormal 1 erstreckt sich in einem Rohr 13a. Längennormal 1 und Verbindungsteil 2, 3 werden in bekannter Weise so dimensioniert, daß eine möglichst gute Kompensation der thermischen Längenänderung gegeben ist. Das Längennormal 1 ist an seinem freien Ende an einer Blattfeder 11 aufgehängt, die so dimensioniert ist, daß in allen möglichen Lagen des Stangenstrainmeters eine Bewegung des Längennormals 1 nur in Meßrichtung gegeben ist und die Rückwirkung auf diese Bewegung gering bleibt. Das Rohr 13a ist Teil des druckdichten Gehäuses 13, das den Meßraum 12 umgibt, mit den elektrischen Durchführungen 14 für den Elektronikteil, dem Ventil 15 für den Anschluß einer nicht dargestellten Vakuumpumpe, der Transportarretierung 16 und den Gehäusekopplungen 17 und 17a zur Befestigung mit den Ankopplungsflachen 22 und 22a der Meßpfeiler 21 und 21a.. Bei der Aufstellung des Stangenstrainmeters ist darauf zu achten, daß der Draht 3 immer unter Zugspannung steht. Der Draht 3 weist eine geringe Dehnungshysterese auf. Zur Erzielung einer hohen Langzeitstabilität-kommt einer spannungsarmen Verbindung der Elemente 17 mit 1.. 1 mit 2, 2 mit 3 und 3 mit 4 besondere Bedeutung zu. Dazu sind diese Elemente geklebt. Es ist weiterhin empfehlenswert, die Spannung für den Draht 3 und die mit der Rückkopplung verbundenen Längenänderungen klein zu wählen, um Kriecherscheinungen gering zu halten.

Der Vergrößerungshebel 4 ist mit dem Geberstift 5 eines induktiven Wegaufnehmers und Spule δ des Rückkopplungssystems fest verbunden, und er ist mittels Kreuzfedergelenke 7 drehbar am Gestell 10 befestigt, das die Geberspule 8 und den Magnet 9 des Rückkopplungssystems trägt. Geberspule 8 und Rückkopplungsspule δ sind über ein Elektronikteil, das aus der Meßeinrichtung M, einem FiI-

ter F und einem Anpassungsgiied A besteht, verbunden. Zur Änderung des Rückkopplungsfaktors wird mittels des Anpassungsgliedes A die Amplitude des der Rückkopplungsspule 6 zugeführten Stromes geändert. Die Kalibrierung der Meßempfindlichkeit wird vorgenommen durch Messung des Stroms in der Rückkopplungsspule 6 und der von ihm bewirkten Auslenkung des Geberstiftes δ in der Geberspule 8. Die Kalibrierung soll möglichst schnell erfolgen, um eine Verfälschung der Meßwerte durch den Bodenstrain gering zu halten. Zur Nullpunktseinstellung des Geberstiftes 5 und zur Vermeidung von Meßbereichsüberschreitungen wird die Geberspule S in bekannter Weise mittels eines Feintriebes 18 in einer Schlittenführung 19 dem Geberstift 5 nachgeführt

Die iVleßpfeiler 21 und 21a sind fest im Meßobjekt 20 verankert.

Es ist oft zweckmäßig, wie in der Zeichnung dargestellt, die Verankerungsstellen in das Meßobjekt hinein zu verlegen, um Meßwertstörungen durch Oberflächeneffekte, wie z. B. Rißbildungen, zu beseitigen oder zu vermindern. Die genaue Ausrichtung der Ankopplungsflachen 22 und 22a erfolgt mit einer Lehre, und die' Kopplung zu den Meßpfeilern 21 und 21a ist durch die Gießharz-, füllungen 23 und 23a gegeben. Für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stangenstrainmeters werden die wesentlichen Daten angegeben:

Meßρunktabstand: 1 m

Masse des Stangenstrainmeters: 10 kg Eigenfrequenz des Meßsystems (ohne Rückkopplung): 10 Hz Faktor der Hebelvergrößerung: 100

Rückkopplungsfaktor: - 30

induktive Wegmeßeinrichtung vom VEB Meßelektronik "Otto Schön" Dresden mit induktivem Geber 5, 8 (Typ IWT 202) und Meßeinrichtung M (Typ UM 111)

maximale Meßempfindlichkeit: ^" 3 . 10~ — ^r mm

Claims (1)

1. LTi-UUW S ₇

   Erfindungsanspruch

   Stangenstrainmeter mit in einem Gehäuse angeordneten Längennormal, Verbindungsteil und Vergrößerungshebel und Mitteln zur Kopplung des Gehäuses mit den Meßpfeilern gekennzeichnet dadurch, daß sich das Längennormal in einem Rohr erstreckt, wobei jeweils ein Ende von Rohr und Längennormal fest miteinander und mit einer Gehäusekopplung verbunden sind, und das Verbindungsteil ein elastisches Element mit geringer Dehnungshysterese aufweist, dessen Enden spannungsfrei mit dem Längennormal und dem Vergroßerungshebel gekoppelt sind und der Vergroßerungshebel mit einer Rückkopplungseinrichtung verbunden ist.

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