DD209904A1

DD209904A1 - STAN GENE TRAIN METER

Info

Publication number: DD209904A1
Application number: DD24258382A
Authority: DD
Inventors: Hans Harwardt
Original assignee: Adw Ddr
Priority date: 1982-08-18
Filing date: 1982-08-18
Publication date: 1984-05-23

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.The invention relates to a Strainmeter with small geometric dimensions for use in geophysics, water management, mining and construction, with the help of small changes in distance can be measured. A stress meter is described which is fully transportable, easily installable in any spatial direction and has a measuring sensitivity which is equivalent to the known stationary beam meters. The length standard is arranged in a tube and connected via a hysteresis-elastic element to a feedback magnification system whose feedback factor can be varied continuously or in steps. For a preferred embodiment, the length of the strain gage is 1 m and the maximum sensitivity is equal to 3x10 -11 / mm. The Stangenstrainmeter is used for the measurement of ground deformations in a large amplitude u.Frequenzbereich, preferably in problems for which the use of the Stationsstrainmeter is impossible or too expensive.

Description

Erfinder: Dr. Harwardt, HansInventor: Dr. Harwardt, Hans

Titel der Erfindung: StangenstrainmeterTitle of the invention: bar tracker

Field of application of the invention

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.The invention relates to a Strainmeter with small geometric dimensions for use in geophysics, water management, mining and construction, with the help of which distance changes can be measured with high sensitivity.

Characteristic of the known technical solutions

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.Strainmeter measure changes in distance of two measuring points in a solid body, hereinafter referred to as DUT, by comparison with a length standard whose length corresponds to the distance between the two measuring points.

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 sieknown technical solutions in the form of Stationsstrainmeter have as a length standard on a long rod, which consists of several firmly interconnected sections and which is suspended in a holder by means of wires / Latynina, L. A. Analysis of the work of a rod endorniograph; Publication of the Institute of Earth Physics of the USSR Academy of Sciences No. 4218 - 72 Dep., Moscow 1971, 60 p., Russ./. To shield short-periodic temperature fluctuations are the Stationsstrainmeter with a housing, eg. B. in the form of masonry surrounded. Such strains have the disadvantage that they

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. aare permanently installed and therefore not transportable. This is a major shortcoming for making measurements where conversion of the strain gauge is desired. Furthermore, measuring directions that deviate from the horizontal or vertical, for economic reasons hardly feasible. In addition, problems often arise in connection with the complicated and trouble-prone suspension of the rod. To increase the measuring sensitivity, use the station's main meters 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 a mechanical magnification lever. However, the magnification is limited to relatively small values due to the occurrence of instabilities. The connection between the length standard and the enlargement lever is usually made by a wire with a low coefficient of thermal expansion, the ends of which are screwed to the corresponding parts. The disadvantage here is that significant mechanical stresses can occur in the wire through the screw, which lead to Meßwertverfälschungen

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 There are also known technical solutions that have a short rod and small geometric dimensions as length standard. Housing, enlargement lever and connecting part correspond to the versions as with the station suspension meters. However, all known technical solutions do not reach - due to the short length standard - the sensitivity of the station's main line. They are therefore not suitable for the investigation of many problems. As an example, be a stress meter

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/.for the measurement at joints, whose measuring sensitivity is more than an order of magnitude lower than that of the station mainmeters / Beavan, J. et al., Observation of strain enhancement across a fissure, German Geodetic Commission at the Bavarian Academy of Sciences, Series S, issue no. 231, Munich 1979, pp. 47-58 /.

Object of the invention

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, dieThe object of the invention is to have available a strain gauge which allows the measurement of very small changes in distance, allows a slight change of measuring location and can be used for any direction of motion. The invention thus pursues the goal, the

Einsatzmöglichkeiten des Strainmeters zu erweitern, z. B. an Meßorten zu registrieren, wo der Einsatz der bekannten Stationsstrainmeter unmöglich oder zu aufwendig ist.Possible applications of Strainmeters to expand, z. B. to register at sites where the use of the known Stationsstrainmeter is impossible or too expensive.

Explanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to describe a rod trajectory, which avoids the disadvantages of known devices and thus is fully portable, can be installed easily in any spatial directions and has a Stationsstrainmetern equivalent iVleßempf indl ability.

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 aufweistAccording to the invention, the length standard is arranged in a tube to solve this problem, wherein each one end of the tube and length standard are fixed to each other and connected to a housing coupling. The other end of the length standard is mitbels a spring suspended so that a transmission of the change in distance of the two measuring points only in the measuring direction. but not perpendicular thereto, is given. The arrangement described allows the realization of small geometric dimensions of the strain gauge and its easy installation for any spatial directions. The tube is part of a pressure-tight housing in which in addition to the length standard, the connecting part, the enlargement lever and parts of the feedback device and the measuring electronics are arranged and having elements for evacuation, for coupling with the Meßpfeilern and the electronic part and locking

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- The connecting part has an elastic element with a low expansion hysteresis, the ends of which are coupled stress-free with the length standard and the enlargement lever. The object of the element, preferably in the form of a thin wire or thread, is to ensure small, reproducible, voltage-proportional changes in length in conjunction with the feedback device. The elastic element further allows small relative movements between length standard and lever system ,, as they occur during transport of the strain gauge, without endangering the measuring system and also acts as a predetermined breaking point when mechanical overloading occurs during incorrect operation. The connection

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dungsteil ist mit einer bekannten Vorrichtung zur Kompensation der thermischen Längenänderun g des Längennormals ausgerüstet.Forming part is equipped with a known device for compensating the thermal Längenänderun g of the length standard.

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..The magnification lever is connected to a known feedback device whose feedback factor is variable continuously or in stages. The feedback is made so that preferably the frequency range containing the natural frequencies of the mechanical part of the strain gage and all higher frequencies is suppressed. This results in a stable operation of the Strainmeters up to very high lever magnification. The variability of the feedback factor ensures in conjunction with Meßwertfilterungen optimal adaptation of the transfer function of the Strainmeters to the prob prob. An additional positive effect of the device according to the invention is achieved in that the lowest natural frequency of the mechanical part of the Strainmeters is increased, so that the measuring range of the Strainmeters widens towards higher frequencies. The application of the feedback device further provides a simple calibration option for the measuring sensitivity of the 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.There are two excellent dynamic states in the rod beam meter described above in the static condition. The first state is that of transport characterized by heavy, continuous loads in all directions. In this state, their relative movement is so restricted by a rigid connection between the length standard and the enlargement lever that, in connection with the connecting part, even greater transport shocks can not destroy the rod center line. In the second state, the measurement state, the strain gauge is on prepared iVleßpf ei ler, which are firmly connected to the DUT · · attached, the lock released and the NuIlage the measuring system regulated .. For all measuring points, the measuring pillars are aligned with a gauge, that always the same, reproducible geometric coupling ratios are given.

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embodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

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.According to the drawing, the relative movement of the two Meßpfeiler 21 and 21a on Längennormal 1 and connecting part, consisting of sleeve 2 and wire 3, transmitted to the zoom lever 4. The length standard 1 extends in a tube 13a. Length standard 1 and connecting part 2, 3 are dimensioned in a known manner so that the best possible compensation of the thermal change in length is given. The length standard 1 is suspended at its free end on a leaf spring 11 which is dimensioned so that in all possible positions of the rod trainer a movement of the length standard 1 is given only in the direction of measurement and the reaction to this movement remains low. The tube 13a is part of the pressure-tight housing 13, which surrounds the measuring chamber 12, with the electrical feedthroughs 14 for the electronic part, the valve 15 for the connection of a vacuum pump, not shown, the Transportarretierung 16 and the housing couplings 17 and 17a for attachment to the coupling surfaces 22 and 22a of the Meßpfeiler 21 and 21a .. When installing the Stangenstrainmeters is to ensure that the wire 3 is always under tension. The wire 3 has a low expansion hysteresis. To achieve a high long-term stability of a low-stress connection of the elements 17 with 1 .. 1 with 2, 2 with 3 and 3 with 4 is of particular importance. These elements are glued to it. It is also advisable to set the voltage for the wire 3 and the length changes associated with the feedback small, in order to keep creeping low.

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-The magnification lever 4 is fixedly connected to the encoder pin 5 of an inductive displacement transducer and coil δ of the feedback system, and it is rotatably mounted by means of cross spring joints 7 on the frame 10 which carries the encoder coil 8 and the magnet 9 of the feedback system. Encoder coil 8 and feedback coil δ are connected via an electronic part, which consists of the measuring device M, a filter

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 nachgeführtter F and a matching unit A, connected. To change the feedback factor, the amplitude of the current supplied to the feedback coil 6 is changed by means of the adaptation element A. The calibration of the measuring sensitivity is carried out by measuring the current in the feedback coil 6 and the displacement of the encoder pin δ in the transmitter coil 8. The calibration should take place as quickly as possible in order to keep the measured values from being corrupted by the ground track. For setting the zero point of the encoder pin 5 and to avoid exceeding the measuring range, the encoder coil S is tracked in a known manner by means of a fine drive 18 in a slide guide 19 the encoder pin 5

Die iVleßpfeiler 21 und 21a sind fest im Meßobjekt 20 verankert. The iVleßpfeiler 21 and 21 a are firmly anchored in the DUT 20.

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:It is often useful, as shown in the drawing, to move the anchor points in the DUT in order to Meßwertstörungen by surface effects such. As cracks, eliminate or reduce. The exact alignment of the coupling surfaces 22 and 22a is done with a gauge, and the 'coupling to the Meßpfeilern 21 and 21 a is given by the casting resin, fillings 23 and 23 a. For a preferred embodiment of a bar tracker according to the invention the essential data are given:

Meßρunktabstand: 1 mMeasuring point distance: 1 m

Masse des Stangenstrainmeters: 10 kg Eigenfrequenz des Meßsystems (ohne Rückkopplung): 10 Hz Faktor der Hebelvergrößerung: 100Mass of the bar trainer: 10 kg Natural frequency of the measuring system (without feedback): 10 Hz Lever magnification factor: 100

Rückkopplungsfaktor: - 30Feedback factor: - 30

induktive Wegmeßeinrichtung vom VEB Meßelektronik "Otto Schön" Dresden mit induktivem Geber 5, 8 (Typ IWT 202) und Meßeinrichtung M (Typ UM 111)inductive distance measuring device from VEB measuring electronics "Otto Schön" Dresden with inductive encoder 5, 8 (type IWT 202) and measuring device M (type UM 111)

maximale Meßempfindlichkeit: ^" 3 . 10~ — ^r mmmaximum sensitivity: ^ "3 · 10 ~ - ^r mm

Claims

LTi-UUW S ₇

invention claim

Stangenstrainmeter with arranged in a housing length standard, connecting part and enlargement lever and means for coupling the housing with the Meßpfeilern characterized in that the length standard extends in a tube, wherein one end of the tube and Längennormal are firmly connected to each other and with a housing coupling, and the connecting part comprises a resilient element with a low expansion hysteresis, the ends of which are coupled stress-free to the length standard and the enlargement lever, and the enlarging lever is connected to a feedback device.

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