-
Einrichtung zum Messen der Größe mechanischer Schwingungsausschläge
und Dehnungen mittels Dehnungsmeßstreifen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung
zum Messen der Größe mechanischer Schwingungsausschläge und Dehnungen statisch und
dynamisch beanspruchter Bauteile mittels Dehnungsmeßstreifen.
-
Es ist bekannt, die Messung derartiger Schwingungsausschläge und
Frequenzen sowie die Messung der Größe von Dehnungen mit elektrischen Meßgeräten
auf verschiedene Art und Weise durchzuführen, wobei es sich jedoch als vorteilhaft
erwiesen hat, die Bewegungen oder Dehnungen auf einen Widerstandsdraht zu übertragen,
der fest mit dem Werkstück an der zu untersuchenden Stelle verbunden wird und daher
in gleichem Maße gedehnt wird wie das Werkstück.
-
Es ergibt sich daraus eine Widerstandsänderung im Draht, die ein Maß
für die Bewegung bzw. für die Größe der Dehnung ist (Dehnungsmeßstreifen). Der dünne
Draht des Dehnungsmeßstreifens wird meist wegen der notwendigen Länge in mehrere
nebeneinander angeordnete, parallel verlaufende Teile zerlegt.
-
Dieses Drahtsystem muß am Werkstück isoliert derart befestigt werden,
daß die Drähte im gleichen Maße wie das Werkstück gedehnt werden. Die sich durch
die Dehnung des Drahtes infolge der Dehnung des ihn tragenden Werkstückes ergebende
geringe Widerstandsänderung wird bekanntlicherweise mit einer Brückenschaltung gemessen.
Die Widerstandsänderung ist durch die Querschnittsänderung bei gleichzeitiger Längung
sowie durch die Änderung des spezifischen Widerstandes bedingt. Beides zusammen
ergibt die lineare Abhängigkeit von der Längung. Da aber nur die Längung durch das
Kräftespiel für die Ermittlung der Dehnung von Interesse ist, muß die Längung durch
die Wärme eliminiert werden, was durch einen Ausgleichsstreifen in der Brückenschaltung
erreicht wird. Der Ausgleichsstreifen besteht ebenfalls aus einem Dehnungsmeßstreifen,
der außerhalb der Meßstelle so befestigt werden muß, daß er dem gleichen Wärmeeinfluß
unterliegt wie die Meßstelle, ohne mechanisch beansprucht zu werden.
-
Dieser Ausgleichsmeßstreifen wird als zweiter Widerstand in der Brückenschaltung
verwendet. Damit wird der Temperatureinfluß im Meßgerät selbst ausgeglichen. Da
die Widerstandsänderung der Dehnung proportional ist, kann die Dehnung aus der Widerstandsänderung
auch unmittelbar bestimmt und mit Hilfe der Materialkonstanten (Elastizitätsmodul)
die Beanspruchung einer Meßstelle ermittelt werden.
-
Die Messung wird mittels einer Brückenschaltung durchgeführt, die
mit Gleichstrom oder Trägerfrequenz gespeist wird. Hierbei ist der mechanische Spannungszustand
in dem zu messenden Bauteil durch Anordnung je eines Meßstreifens in der jeweiligen
Richtung zu erfassen. Ein Nachteil dieses mit Gleichstrom oder Trägerfrequenz arbeitenden
Verfahrens ist, daß der Dehnungsstreifen temperaturabhängig und verhältnismäßig
wenig empfindlich ist.
-
Die Verstärkung der Meßergebnisse muß daher sehr groß sein, was wiederum
zur Folge hat, daß die Übertragung der Ergebnisse über Schleifringe Fehler mit sich
bringt, die in das Meßergebnis eingehen.
-
Da sich die Anwendung der Dehnungsmeßstreifen bei statischen und
dynamischen Messungen nicht nur auf die Zug- und Druckbeanspruchungen sowie auf
Biegung, Drehung und zweiachsige Dehnung beschränkt, sondern diese auch an umlaufenden
Bauteilen, z. B. Schaufeln von Verdichtern an Strahltriebwerken od. dgl., angebracht
werden können, müssen die Einflüsse von etwa auftretenden Übergangswiderständen
an den zur Übertragung dienenden Schleifkontakten klein gehalten werden. Es ist
bekannt, aus diesem Grunde Kontaktringe aus Silber oder rostfreiem Stahl mit Silbergraphit-Schleifbürsten
bzw. Schleifringe auf Quecksilberbasis zu verwenden. Um die Wahrscheinlichkeit einer
selbst kurzzeitigen Unterbrechung im Stromübergang oder eines möglichen Übergangswiderstandes
zu verringern, läßt man auf einem Kontaktring mehrere parallel geschaltete Schleifkontakte
laufen.
-
In fast allen bekannten Meßgeräten zur Messung der Größe der Dehnung
bzw. des Schwingungsausschlages liegen ein oder mehrere Dehnungsstreifen in einer
Brückenschaltung.
-
Die Geräte arbeiten z. B. mit einer Trägerfrequenz, wenn ein als
Resonanzverstärker ausgeführter Verstärker verwendet wird, der eine hohe Stufenver-
stärkung
und gute Nullpunktkonstanz besitzt. Der Nachteil des Brückeneingangs ist, daß wegen
der Temperatureffekte Kompensationsstreifen verwendet werden müssen, was bei reinen
Wechselspannungsmessungen Schwierigkeiten bereitet. Geräte dieser Art ermöglichen
es, reine statische Spannung, reine Wechselspannungen und auch statische Spannungen
mit- überiagerter Wechselspannung zu messen. Die Höhe der meßbaren Frequenz der
wechselnden Belastung ist allerdings durch die Trägnfrequenz begrenzt. Arbeitet
man bei dem syenanatçn Gerät nur mit einem der Meßstreifen, so sind--von der Meßbrücke
aus zwei Leitungen zu dem zu untersuchenden Bauteil zu verlegen. Da jedoch Temperaturschwankungen
den Widerstand des Dehnungsmeßstreifens verändern und auch eine Ausdehnung des Materials
bewirken, wird die abgeglichene Brücke verstemmt. so daß diese Anordnung in den
meisten Fällen ungeeignet ist. Es ist deshalb erforderlich, zwei Dehnungsmeßstreifen
zu verwenden, wobei der eine zur Kompensation des Temperatureffektes dient.
-
Deshalb muß dieser Kompensationsstreifen auch auf dem zu untersuchenden
Bauteil aufgeklebt werden, jedoch so, daß er keinen Dehnungen unterliegt. Bei dieser
Anordnung sind vom Meßgerät zu den Dehnungsmeßstreifen mindestens drei Leitungen
zu verlegen. Das bedeutet, daß bei rotierenden Bauteilen für jede Leitung ein Schleifring
angeordnet werden muß. Selbst gut durchkonstruierte Schleifringe bringen jedoch
Fehler infolge der Übergangswiderstände mit sich, die mit der Anzahl der Schleifringe
größer werden.
-
Diesen Mangel beseitigt ein anderes Verfahren dadurch, daß in Reihe
mit einem Dehnungsmeßstreifen und einem kapazitäts- und induktionsarmen Widerstand
eine Gleichstromquelle (z. B. Akkumulator) angeschlossen ist (Potentiometerschaltung.
Die dynamische Beanspruchung des Dehnungsmeßstreifens ändert dessen Widerstand,
so daß an ihm Spannungsschwankungen entstehen, die über einen Blockkondensator einem
Breitbandverstärker zugeführt werden.
-
Obwohl bei diesem Verfahren nur noch jeweils eine Leitung von den
an rotierenden Bauteilen befestigten Dehnungsmeßstreifen über Schleifringe geführt
wird, bildet die vorhandene Spannungsquelle wie beim Trägerfrequenzverfahren ein
zusätzliches Gerät, von dem außerdem Störfaktoren, wie z. B.
-
Spannungsschwankungen, Frequenzänderungen usw., ausgehen können. Außerdem
ist bei der dazu verwendeten Schaltung bei langen Leitungen vom Dehnungsmeßstreifen
bis zum Verstärkereingang die Gefahr von Störeinstreuungen elektrischer oder magnetischer
Felder vorhanden.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die bekannten elektrischen
Schaltungen zur Messung der
Widerstandsänderungen von Dehnungsmeßstreifen so zu verbessern
bzw. zu verändern, daß die Verwendung einer besonderen Spannungsquelle oder Trägerfrequenz
überflüssig ist.
-
Gemäß der Erfindung ist der Dehnungsmeßstreifen als Katodenwiderstand
der Verstärkerröhre gegen Erde geschaltet.
-
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand zweier Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigt Abb. 1 die grundsätzliche Schaltung nach der Erfindung, Abb.
2 die Schaltung zweier Aktiv- und Kompensationsgeber zusammenarbeitender Dehnungsmeßstreifen.
-
Ein am nicht dargestellten Prüfstück befestigter Dehnungsmeßstreifen
1 wandelt die Dehnung des Prüfstückes in eine Widerstandsänderung um und liefert
dadurch, daß er als Katodenwiderstand arbeitet, die Steuerspannung der Röhre 2.
Die Schaltung (Abb. 1) ist geeignet, die durch die wechselnde Belastung im Schwingungsfall
entstandenen Wechselspannungen zu messen. Die eventuell auftretenden Temperatureffekte
verschieben nur den Arbeitspunkt der Röhre. Ist der nachfolgende Verstärker ein
RC-Verstärker, dann kommt der Temperatureffekt nicht zur Auswirkung, weil der Kondensator
3 statische oder quasistatische Spannungsänderungen an der Anode der Röhre 2 abblockt.
-
Nach der in Abb. 2 dargestellten Schaltung mit dem als Aktivgeber
4 und dem als Kompensationsgeber5 ausgebildeten Dehnungsmeßstreifen ist die Arbeitsweise
der Röhre 6, 7 die gleiche wie bei der Schaltung nach Abb. 1, jedoch wird der Temperatureffekt
durch den symmetrischen Aufbau der Schaltung unter Verwendung eines gemeinsamen,
regelbaren Anodenwiderstandes 8 dadurch kompensiert, daß der Kompensationsgeber
5 den gleichen Temperatureinfiüssen ausgesetzt ist wie der Aktivgeber 4 und deshalb
den Arbeitspunkt der Kompensationsröhre7 im gleichen Maße verschiebt. Diese Schaltung
ist geeignet, statische, wechselnde Dehnungen mit überlagerter Wechseldehnung zu
messen.