DE2162010B2

DE2162010B2 - Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen

Info

Publication number: DE2162010B2
Application number: DE2162010A
Authority: DE
Inventors: Gerard Marseille Bouches Du Rhone Fleury (Frankreich)
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1970-12-23
Filing date: 1971-12-14
Publication date: 1974-03-07
Also published as: FR2119182A5; US3744300A; GB1374107A; DE2162010C3; DE2162010A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetz- te» Strukturen, bestehend aus einem mit nachgeschaltetem Verstärker und Filter versehenen Meßwertgeber, von welchem über wenigstens zwei parallele Kanäle eine mit einer vorgeschalteten Blockiereinrichtung versehene Integrationseinrichtung gespeist ist.

Die Erfindung dient zur dauernden Überwachung des Zustandes von Schäden bei einfachen oder komplexen Strukturen, welche oszillierenden und variablen Belastungen — beispielsweise Vibrationen — ausgesetzt sind. Sie ist insbesondere zur Messung von Schäden auf Grund von Ermüdungserscheinungen bei Helikopterflügelblättern geeignet.

Die Widerstandsfähigkeit einer Struktur verringert sich bekanntlich, sobald dieselbe über einen bestimmten Grenzwert hinaus dynamischen Belastungen mit insbesondere veränderlichen Vorzeichen ausgesetzt ist. Durch Überlagerung derartiger Beanspruchungen kann eine derartige Struktur bis zu einem Punkt beschädigt werden, bei welchem ihre Widerstandsfähigkeit Null oder vernachlässigbar klein wird, so daß während der Benutzung die Gefahr des Auftretens von Brüchen besteht.

Eine Feststellung der dynamischen Belastungen muß insbesondere bei Helikopterfiügelblättern durch-

<t

xeführt werden, weil derartige Strukturen sehr starken sondere bei wechselnden Belastungen der Fall, bei Belastungen ausgesetzt sind. Dabei werden in der welchen die Frequenz und die Spitzenwerte in nicht Regel empirische Abhängigkeiten oder Extrapolatio- genau festgelegter Weise veränderlich sind,
nen unter Bezugnahme auf ähnliche Elemente ver- Es ist demzufolge eine Meßverrichtung bereits vorgewendet, um an Hand der Bestimmung der Wider- 5 schlagen worden (s. deutsche Offenlegungsschrift Standsfähigkeit gegenüber Ermüdungserscheinungen 1 958 257), bei welcher die den entsprechenden Beaneine Wahl der Abmessungen einer bestimmten Struktur spruchungen entsprechenden Spannungswerte über vornehmen zu können. drei parallele Kanäle geleitet werden, welche jeweils

Bei Elementen, bei welchen ein während des Fluges eine Schwellwertschaltung mit einem verschiedenen auftretender Bruch die Sicherheit des Fluggerätes in io Schwellwert und nachgeschaltete Integrationskreise Frage stellt, ist demzufolge eine Schätzung der Wider- aufweisen. Mit Hilfe einer derartigen Meßvorrichtung Standsfähigkeit während des Betriebes notwendig. Bei kann somit eine Integrierung der auftretenden dynaderartigen Elementen werden Versuchsstücke im mischen Belastungen mit einer der Anzahl von paralle-Origina !maßstab Bruchversuchen ausgesetzt, um expe- len Kanälen entsprechenden Anzahl von verschiedenen rimentell ihre Widerstandsfähigkeit festzustellen. So- 15 Schwellwerten vorgenommen werden. Obwohl eine bald die festgestellte Ermüdungsfestigkeit zufrieden- derartige Meßvorrichtung bereits einen erheblichen stellend ist, müssen dann zusätzliche Messungen der Fortschritt bei der Bestimmung der Ermüdungser-Beanspruchungen während des Fluges vorgenommen scheinungen von Strukturen darstellt, so weist sie werden. trotzdem den Nachteil auf, daß die Integrierung der

Die Kenntnis der Ermüdungs- und Widerstands- 20 Beanspruchungen nur im Bereich der Schwellwerte fähigkeit derartiger Elemente zusammen mit den auf- genaue Meßresultate liefert, während erhebliche tretenden Beanspruchungen während kritischer Fiug- Überschreitungen dieser Schwellwerte im wesentlichen bedingungen ermöglicht die Berechnung der Lebens- unberücksichtigt bleiben.

dauer, d. h. der Dauer des Betriebes, nach welchem die Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden

einzelnen Elemente notgedrungenermaßen ausgewech- »5 Erfindung, eine Meßeinrichtung zur Schätzung der seit werden müssen. Summe der an einem Element aufgetretenen Schaden

Trotz derartiger, der Feststellung der Flugbean- zu schaffen, bei welchen neben der tatsächlichen Anspruchungen des Fluggerätes dienenden Vorsichts- zahl der Arbeitszyklen jeweils die genaue Amplitude maßnahmen kann jedoch nicht allen wirklich auftreten- der während eines Zyklus auftretenden Belastungen beden Überbelastungen Rechnung getragen werde:,. So 30 rücksichtigt wird.

können Unterschiede bei der Verwendung des Mate- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch ge-

rials entsprechend ihrer Empfindlichkeit und dem löst, daß der erste Kanal ein erstes Signal ergibt, dessen Aibeitsbereich schlecht festgelegt werden. Demzufolge Momentanwert gemäß der Wöhler-Formel umgekehrt ist die Dauer des möglichen Funktionierens von der- proportional zur Anzahl der Zyklen im Verhältnis zum artigen Elementen von Fluggeräten — insbesondere 35 Gesamtschaden der zu untersuchenden Struktur bei bei Helikopterflügelblättern — nur unter Einschluß einer Belastung entsprechend dem Spitzen-zu-Spitzenvon nicht vemachlässigbaren empirischen Regeln wert der Amplitude der Belastung ist, während ein möglich, wobei die einzelnen Faktoren jedoch von den zweites Signal bei Amplituden von Belastungssignalen Versuchsbedingungen abhängen. kleiner als die Amplitude bei Dauerbelastung auftritt,

Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bereits ver- 40 ferner, daß der zweite Kanal ein drittes Signal abschiedene Einrichtungen untersucht worden. Es sind gibt, welches proportional zur Frequenz des Belastungsz. B. Anzeige- und Meßeinrichtungen bekannt (s. bei- signals ist, und daß das erste und dritte Signal der beispielsweise die britische Patentschrift 585 039), welche den Kanäle einem Multiplikationskreis zugeführt sind, das Überschreiten bestimmter Flugparameter anzeigen. dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Auf diese Weise kann festgestellt werden, welche EIe- 45 Signal gesteuerten Blockierkreis einem Integrationsmente des Fluggerätes Beanspruchungen ausgesetzt speicher zugeführt ist.

worden sind, die ihre normale Belastungsgrenze über- Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei Verschreiten. Es ist ferner bekannt (s. USA.-Patentschrift wendung einer relativ einfachen Schaltung jeweils die 3 136 154 und britische Patentschrift 716 572), inner- genaue Amplitude der verschiedenen dynamischen halb eines Flugzeuges Meßstäbe mit geeichter mechani- 50 Belastungen berücksichtigt wird, so daß das Endresulscher Festigkeit einzubauen, welche durch ihr Brechen tat der Messungen sehr viel genauer ist.
die Größe der Ermüdungserscheinungen des Flug- Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sei

körpers — im allgemeinen des Flügels — anzeigen. erinnert, daß nach den Arbeiten von Wo hler der Es wurden ferner Meßvorrichtungen bekannt (s. bei- Bruch eines Elementes, welches einer progressiv aiispielsweise USA.-Patentschrift 3 455 148 und Zeit- 55 steigenden maximalen Belastung σ ausgesetzt ist, durch schrift »Luftfahrttechnik-Raumfahrttechnik«, Bd. 15, eine immer kleiner und kleiner werdende Anzahl N von Nr. 10 [1969]), mit welchen an bestimmten Teilen des Belastungen bestimmt werden kann, wobei die durch Fluggerätes die auftretenden Beschleunigungen bei N und σ festgelegte Kurve eine hyperbolische Form Vibrationen und Überbelastungen bei kurzzeitigen aufweist.

Vibrationen bestimmt werden können. Derartige Vor- 60 Von einem bestimmten, dem asymptotischen Wert richtungen ergeben somit eine Anzeige für kurzzeitige der erwähnten hyperbolischen Kurve entsprechenden Überbelastungen, weichen die betreffenden Elemente Minimalwert σ₀, welcher die Ermüdungsgrenze bzw. ausgesetzt worden sind. Sie können jedoch keine direkte Dauerbelastungsgrenze darstellt, bewirkt ein n-faches Anzeige der tatsächlich aufgetretenen Schäden auf Auftreten einer Belastung an dem Element einen Grund von Ermüdungserscheinungen geben Demzu- _{6s Schad den man durch das} Verhältnis -%■ schätzen folge kann der Zeitpunkt nicht genau angegeben wer- N

den, an welchem ein Austausch des entsprechenden kann, wobei ein Bruch wahrscheinlich wird, sobald überbelasteten Elementes notwendig ist. Dies ist insbe- dieses Verhältnis gleich 1 wird.

Nach der klassischen Hypothese von P a 1 m g r e n-M i η e r existiert ein kumulativer Effekt des Schadens, sobald dasselbe Stück eine Anzahl von Zyklen /I₁, W₂,

zur ■. «._&~

wahrscheinliche Bruch —
lieh, wenn folgende Gleichung

„„ _Momentan_SPannun_g A E₂ die ,/auftreten. Man erh,t demzufo.ge:

ist.

^_{1 (1)}

_{Unter Einschluß der} Hypothese von Palmg ren_>0 Miner kann demzufolge der Schaden durch d.e folgende Gleichung angegeben werden:

In diesem Zusammenhang sei bemerkt daß es bereits bekannt ist (s. britische Patentschrift 785165), 15 eine Summierung dieser Art auf mechanische Weise durchzuführen. Die Größe der Deformation e.ner Struktur wird ^ ^t ^mer^lu^W fflhrt welche «J
ten Werte mit den

j,

₌ £j!l + ."1 ... = Ä fjf, ·

₍₇₎

ten Wer

durch verschiedene

Ein

Ein mathemati
Kurven von W ο hie r fuhrt zu

inverte Zahl y

Gesamtschadens angibt.

~7

-1 / α
I/ TZ~

_{und Vorhandenseins des den} _BloMet. _{2o kreis steuernden ζννείΐεη} Signals wird das Momentan_die für produkt der zwei Spannungen Δ E₁ und Δ E₂ nur berücksichtigt, wenn die auftretende Belastung größer -experimentellen als die Dalerbelastungsgrenze ist.

t· _dje ^^ _{Stfuktur ausgesetz}ten Belastungen

ie r fuhrt zu^ ™™°η _{σ die kdne is}^_chronen vibrationen sind, hängt der Wert D

^{W Ö h} ^l VA ί zSer^ für di Aufteten eines ebenfalls von der Zeit ab, während welcher diese Beinverte Zahl von N Zyklen tür aas Auur l_astUngen aufgetreten sind und welche Variationen in

_{ejnem o(Jer an(]eren sinn bis zur Erre}ichung des maxi-

1 malen Belastungswertes aufgetreten sind. In der 1 .it

_ηΛ 3o hängt jedoch die Ermüdung einzig und allein von dem Unterschied zwischen den zwei maximalen Werten der Belastung ab. Um diesen Nachteil zu beseitigen, weist der erste Kanal vorzugsweise einen

iinii die Werte A und B spezifische Spitzendetektor für den Maximalwert des variablen KoefSenT^ ΰ£ίnien Materials uSd , die 35 Signalsauf, während zusätzlich bei der Einspeicherung rrS£ de Belastung Dies führt zu dem Verhältnis der Spitzenamplitude ein viertes S_lgnal kurzer Dauer Große der Belastung, ui „_{ber dncn driUcn Kanal geleitet wirdi} welcher oen

Blockierkreis so ansteuert, daß innerhalb des Integrationskreises nur während des kurzen konstanten Zeitintervalls ein Probenwert dieser Amplitude hindurchgeleitet wird.

Der Meßwertgeber besteht vorzugsweise aus Dehnungsmeßstreifen, welche in Form einer Wheatstone-

1 h keS Schaden mehr auftritt. Brücke zusammengeschaltet sind. Die Gleichstrom-

niö^einesBeispielsseiangegeben^aßDuralumi- 45 komponente und die Belastungssignale geringer Fre-S Konosion die Koeffizienten A = 0,483 quenz des Ausgangssignals dieses Meßwertgebers vver-A iS fld Glichung den vorzugsweise mit Hilfe eines kapazitiven Filters

eliminiert.

Das Belastungssignal ist im allgemeinen nicht symmetrisch, so daß die Amplitude der Belastung von jedem Zyklus der Belastung in Form von Spitzen-

ist zu-Spitzenwerten direkt gemessen werden muß. Zu

\v1esich in dem Folgenden noch zeigen wird, diesem Zweck sind in dem entsprechenden Spitzenkann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei Ein- wertdetektor zwei parallele Äste vorgesehen, welche jef "hrune der Wöhler-Funktion die Berechnung der 55 weils mit einem Kondensator versehen sind, wobei dif 7ahl V genau durchgeführt werden, welche der momen- Ladung dieser beiden Kondensatoren über zwei ent tanen AmoHtude der Belastung der zu untersuchenden gegengesetzt geschaltete Dioden erfolgt. Jeder Konden Struktur entspricht. ^{sator stellt einen} Speicher für einen Amplitudenwer

Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung liefert dar. Mit Hilfe eines Kippkreises werden Impulse er ein erster Kanal eine Momentanspannung Δ E₁, die 60 zeugt, welche die Ladung dieser beiden Kondensatorei mit HiUe eines Verstärkers mit geeigneter Funktions- bei jedem periodischen Nulldurchgang des Wechsel W d WöhlrFormel ent stromes löschen.

^{Das über den dritten Kanal} g^{eleitetc vierte Si}^^a kann von einer monostabilen Kippstufe nder einer

Ps E.perroszillator ausgelöst werden, indem das Gesamt (5) signal differenziert wird, um für jeden Maximal- ode

Minimalwert des Eingangssignal einen Nulldurchgan des abgeleiteten Signals abzugeben. Unter Verwendun

v<r 1 ist — d h sobald die Belastung kleiner iVX? n.uerbelastunesgrenze ist -. kann die Formel vnn W ?h 1 fr S S angewendet werden, weil im

1 h keS Schaden mehr auftritt. ^iö^ilibn^

Konosion die Koeffizienten A 0,483 aifweSwas zur folgenden Gleichung

₁ —

JV

1 ist

37
23,3-10-

(x — !)²

mit HiUe eines Verstärkers mit geeigneter Fun charakteristik dem Wert der Wöhler-Formel entcht

\fZAl

\ V _ 1

I' -V — 1

^865

7 8

der einzelnen Nulldurchgänge werden dann Impulse V₂ ein dritter Kanal V₃ vorgesehen. Dieser Kanal V₃

erzeugt, mit welchen nach Unterdrückung von jedem besteht aus einem Impulskreis 15, welcher ein eine rala-

zweiten Impuls die Kippstufe gesteuert wird. tiv kurze Zeitdauer andauerndes Signal abgibt, das die

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der öffnung eines elektronischen Schalters während des

Erfindung ist der Integrationsspeicher ein elektroly- 5 entsprechenden Zeitintervalls bewirkt,

tischer Zähler, in welchem Gas freigesetzt wird, wel- Die Speisung der verschiedenen Kreise wird mit

ches in einem Behälter gesammelt wird, der von Null Hilfe von Quecksilberbatterieii langer Lebensdauer

bis Eins bezeichnete Markierungen aufweist, so daß erreicht, welche innerhalb einer Stromversorgungsein-

die Notwendigkeit eines Austausches der belasteten heit 17 angeordnet sind. Die Stromversorgungseinheit

Struktur sehr einfach abgelesen werden kann. io 17 führt über einen Schalter 18 und einen Spannungs-

Die Erfindung soll nunmehr an Hand eines Ausfüh- regulierkreis 16 zu den verschiedenen Verwendungs-

rungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, punkten. Die Pfeile 16a zeigen dabei an, daß Verbin-

wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es düngen mit allen verschiedenen Punkten der Einrich-

zeigt tung vorgesehen sind.

F i g. 1 ein schematisches Blockdiagramm der er- 15 Obwohl ein Großteil der Elemente bekannt ist, erfindungsgemäßen Meßeinrichtung, scheint es doch wichtig, daß die folgenden Angaben

F i g. 2 ein detailliertes Schaltdiagramm zur Feststel- gemacht sind:

lung der Spitzenwerte, Der Meßwertgeber 1 besteht aus vier Dehnungs-

F i g. 3 a, 3b und 4 Kurvenverläufe von Signalen und meßstreifen, welche in Form einer Wheatstone-Brücke

F i g. 5 ein Schema eines Sendekreises für die Steue- 20 angeordnet sind. Diese Brücke, welche Druck- und

rung des Eingangs des Integrators. Zugkräfte angibt, besteht aus zwei aktiven und zwei

Gemäß F i g. 1 gibt der Meßwertgeber 1 ein Meß- Temperaturkompensationselementen. Die Speisung der signal entsprechend den auftretenden statischen und Brücke erfolgt entlang einer Diagonalen, während der dynamischen Belastungen ab, welche einem Elemente Abgriff des Meßsignals an der anderen Diagonalen erausgesetzt sind. Das Meßsignal gelangt über einen 25 folgt.

linearen Verstärker 2 und wird innerhalb eines Filter- Der Linearvefstärker 2 ermöglicht die Anhebung kreises3 von dem statischenTeil getrennt. Anschließend des Signalpegels, damit die Behandlung des Meßdarauf erfolgt über einen Anpassungsverstärker 4 die signals in den folgenden Sufen bei genügend hohen Zufuhr zu drei verschiedenen Kanälen V₁, V₂ und V₃, Spannungswerten erfolgen kann, welche zu einer gemeinsamen Ausgangsschaltung T 30 Der Filterkreis 3 zur Unterdrückung der statischen führen. Signalanteile besteht im wesentlichen aus einem

Der erste Kanal V_x enthält hintereinander einen Kondensator.

eine geringe DämpfungaufweisendenSpitzenwertdetek- Der Anpassungsverstärker 4 ist ähnlich wie der

tor 5, welcher den Spitzen-zu-Spitzen-Abstand ab- Linearverstärker 2 ausgebildet und ermöglicht eine

wechselnder Signalhalbwellen feststellt. Anschließend 35 Anpassung der Impedanz gegenüber den daran an-

daran ist ein an sich bekannter Funktionsverstärker 6 schließenden Elementen 5, 9 und 15, die parallel zum

vorgesehen, der — wie dies im folgenden noch beschrie- Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 angeordnet

ben sein soll - den Faktor . 1E₁ = ~ ergibt. Schließ- ^sin _{Def Spitzenwertdetektor} 5 _{ist m F} j _g. _{2 genauso}

lieh ist ein Linearverstärker 7 vorgesehen, der den End- 4° dargestellt. Die dynamische Komponente des Signals

pegel des Ausgangssignals dieses ersten KaPaIsF₁ ist, so wie dies in F i g. 3 a dargestellt ist, im allgemeinen

festlegt. nicht symmetrisch, solange keine isochronen Vibratio-

Der zweite Kanal K₂ besteht aus einer Bregenzungs- nen auftreten. Der Spitzenwertdetektor 5 dient zur

schaltung 9, welche mit einem Frequenz-Spannungs- Messung der Amplitude zwischen den Spitzenwerten

Wandler 10 verbunden ist. Diese beiden Elemente 9. 45 des oszillierenden Meßsignals. Gemäß dem Schalt-

,. ,_ , j r- 1. 1 r ^d" schema von F i g. 2 wird das in F i g. 3a dargestellte

10 ermöglichen die Festlegung des Faktors J E₂ = ^₇. _dynamische Meßsignal am Ausgang des Anpassungs-

Ein Linearverstärker 11 legt den Endpegel dieses Aus- Verstärkers 4 einem Klemmenpunkt X zugeführt und

gangssignals dieses zweiten Kanals K₂ fest. über die drei Äste Xl, Xl, A'3 verteilt. Entlang den

Die den beiden Werten Δ E₁ und Δ Ε« entsprechenden 50 Ästen Xl und X2 trennen Dioden D1 und Dl die posi-

Signale werden einem Multiplikationskreis 12 züge- tiven und negativen Halbwellen A, B, C, D,...,

führt, welcher das erste Element der Ausgangsschaltung um einen Kondensator Cl negativ und einen Konden-

T darstellt. Das sich ergebende Signal gemäß dem Pro- sator Cl positiv zu laden. Entlang dem Ast A'3 inver-

dukt Δ E₁ und Δ E₂ wird über einen Blockierkreis 13 tiert ein Verstärker Λ 1 das von dem Anpassungsver-

geleitet, der Signale mit Werten von .v kleiner oder 55 stärker4 abgegebene Meßsignal. Das von Al abgege-

gleich 1 sperrt, bei welchen Werten die aufgetretenen bene Signal wird einem Umpulstransformator TPl

Ermüdungsschäden nämlich Null sind. Von diesem zugeführt, der nur aufsteigende und abfallende

Blockierkreis 13 wird das Ausgangssignal einem Inte- Flanken durchläßt, wodurch gemäß F i g. 3 b eine

grationsspeicher 14 zugeführt. Reihe von Impulsen /1, Il erzeugt wird.

Zur Steuerung des Blockierkreises 13 dient ein Ver- 60 Am Ausgang des Impulstransformators TPl unter-

gleichskreis8, welcher ein zumSpitzen-zu-SpitzenwertA- drückt eine Diode D3 die negativen Impulse. Die posi-

des Spitzenwertdetektors 5 proportionales Signal mit tiven Impulse werden mittels einer Zenerdiode DZl

einem Vergleichssignal ν vergleicht, um festzustellen, normiert, welche den Steuereingang eines Thyristors

ob die Amplitude χ kleiner oder gleich 1 ist. THi schützt. Dieser Thyristor THl ist in Form einer

Damit der Integrationsspeicher 14 eine Information 65 Kippschaltung über einen Kondensator C4 miteinem

abgibt, die unabhängig von der Dauer der aufeinander- Thyristor THl verbunden. Diese Kippschaltung wird

folgenden Änderungen bzw. der dazwischenliegenden von positiven Impulsen — wie /1 — gesteuert, welche

Veränderungen ist, ist parallel zu den Kanälen K₁ und von der Diode D3 abgegeben und durch die' Zener-

diode DZl normiert sind. Die Steuerung erfolgt beim /1 bei Null und erreicht zum Zeitpunkt IA den Wert

Nulldurchgang des zu analysierenden Meßsignals, und VA entsprechend einem Maximum der Halbwelle A.

zwar sobald dasselbe ansteigt, — d.h., sobald eine Dieser Wert erhält sich auf Grund der Speicherwirkung

positive Halbwelle auftritt. Bei Auftreten einer Span- des Kondensators Cl auf dieser Größe. Anschließend

nung unter gleichzeitiger Abwesenheit von Impulsen 5 daran wird der Wert erhöht, bis er zum Zeitpunkt iB

am Steuereingang des Thyristors THl gibt ein Uni- des Maximums der zweiten Halbwelle B den Wert

junktionstransistor UJTl nach einem durch den VA + VB erreicht. Daraufhin hält sich dieser Wert bis

Kreis RIC3 vorgegebenen kurzen Zeitintervall, d. h. zum Zeitpunkt /3 auf dieser Größe,

nach beispielsweise 100 μϊεο einem Impuls ab. Dieser Falls VA + VB den Schv/ellwert V überschreitet,

Impuls steuert den Steuereingang des Thyristors THl, io wird die gesamte Energie dem Integrationsspei-

der demzufolge leitend wird, wodurch der Unijunk- eher 14 zugeführt. Diese Energie hängt von dem Zeit-

tionsthyristor UJTl über die Diode D4 blockiert wird. intervall ti bis /3 und der Geschwindigkeit der Ver-

Der Thyristor THl wird dann ebenfalls wie die Tran- änderung der Halbwellensignale ab. Wenn die Bean-

sistoren TFl und TFl blockiert, deren Steuereingänge spruchungen der zu untersuchenden Struktur iso-

parallei zueinander angeordnet sind. Sobald ein positi- 15 chrone Vibrationen sind, deren Amplitude einzig und

ver Impuls — wie Il — den Thyristor THl leitend allein variiert, dann zeigt der Integrationsspeicher 14

macht, wird der Thyristor THl blockiert. Die Basen genau den Zustand der Ermüdung der beobachteten

der Transistoren TFl und TFl werden an Masse ge- Struktur an. Wenn hingegen die Belastungen nicht

legt, wodurch diese Transistoren leitend werden. Die isochron sind, wäre die Anzeige dieses Ermü-

Kondensatoren Cl und Cl entladen sich dann voll- 20 dungszustands ungenau, weil sie nur den Wert VA ~ VB

kommen. Die Diode D 4, deren Kathode zu diesem Zeit- berücksichtigt.

punkt positiv ist, leitet nicht, so daß sich derKonden- Um diesen Nachteil zu vermeiden, wir·¹ der Zeit-

sator C3 aufladen kann. Nach einem kurzen Zeit- punkt lB verwendet, um einen Impulskreis 15 auszu-

intervall — d. h. ungefähr ΙΟΟμβεΰ — entblockiert lösen, der einen Impuls konstanter kurzer Dauer ab-

der Unijunktionstransistor UJTl den Thyristor THl, 25 gibt, welcher zur momentanen Entblockierune des

welcher wiederum den Thyristor THl erneut blockiert, Eingangs des Integrationsspeichers 14 diem D^mzu-

so daß die Basen der Transistoren TFl und TFl positiv folge gelangt in den Integrationszähler 14 nur ein

werden. Die Transistoren verlieren somit ihre Leit- Impuls G von kurzer konstanter Dauer, dessen Ampli-

fähigkeit. tude genau VA 4- VB beträgt

Der Zyklus ist demzufolge beendet, und die beiden 30 Bei Verwendung eines elektrolytisch arbeitenden

Kondensatoren Cl und Cl sind erneut entleert und Integrationsspeichers 14 ergibt sich eine sehr hohe

isoliert und können erneut zwei aufeinanderfolgende Funkticnsdauer und eine sehr kleine Bauweise der er-

Haltewellen mit positiven und negativen Vorzeichen findungsgemäßen Einrichtung

speichern. Die Spannungen der Kondensatoren werden Um Größenanordnungen anzugeben sei erwähnt,

einem Differentialverstärker ADl zugeführt, dessen 35 daß die Dauer der Impulse G in der Größenordnung

Ausgang genauso w.e der Spitzenyerstärker 5 mit dem von 0,01 Sekunden, d. h. 10 000 Mikrosekunden liegen

Funkt-onsverstakrer 6 und dem Vergle.chskreis 8 ver- kann, was ungefähr einem Fünftel der kürzesten HaIb-

w^1St' K-i · -ci-iM,.· or ^{welle ents}Pncht. Der in Fig. 5 dargestellte Impuls-

Wenn man beispielsweise ein Flugelblatt eines Heh- kreis 15 bildet derartige Impulse. Von dem in F i g. 2

kopters berücksichtigt, be! welchem die kürzesten 40 dargestellten Punkt A" werden die Meßsignale einem

V.brati^nshalbwellen erne minimale Dauer von 0,05 Trennverstärker 19 zugeführt, welcher dem Linearver-

Sekunden - d. h. 50000 Mikrosekunden aufweist —, stärker 2 sehr ähnlich ist Die Auseansssi-nale werden

während die mittlere Dauerdieser Halbwellen 0,30Se- daraufhin in einem ?p]£Ä£T£Ä

künden, - d^h. 300 000 M.krosekunden - betragt, welcher gemäß jedem Maximum und Minimum der

dan:, ist die Dauer der durch den Kreis AlCl fest- 45 Halbwellen des Ursprungssignals einen Nulldurchgang

gelegten Impulsein der GrößenordnungvonlOOMikro- eines abgeleiteten S?pffä^.™ImSSSÄ

Sekunden vernachlässigbar. Die Ladungspotentiale mator TPl — ähnlich α τ t * tdi

der Kondensatoren Cl und Cl entsprechen dem- tratform'ert die F^ge dieser Zut™1 ί LrTn

zufolge den Amplituden der Halbwellen A, B ... Spitzenwerte d™ ni \ ¹⁰¹P¹¹¹Se *}-")< ^dere£

Zum ZeitpunkWl entleert der Umpuls Il die Kon- ,_o dSSS^£,?JSSST IFS^ T J

densatoren Cl und Cl. Danach speichert der Konden- ' spricht όΓθ?_ΟΗ_ε η^^ ?

sator Cl den Spitzenwert der positiven Halbwelle A. demrt daß^u™S CT

Zum Zeitpunkt il wird der Impuls Il durch die Diode stufe Il eichen _wXl

D3 blockiert. Der Spitzenwert der darauffolgenden anter üTue? abdbt t

Halbwelle B wird dann in dem Kondensator Cl ein- 55 krdses 13 steuert ίί' R> ΐ ^ ?

gespeichert. Zu diesem Zeitpunkt sieht der Differential- ^SefSS^J¹⁰⁰¹??¹"^{818 ka}™ ^

verstärker ADl an seinen Klemmen den Spitzen-zu- das sSal des VeShT'^ 'I^an seinenEingangen

Spitzenwert AB des Signals. Das verstärkte Signal wird fen K?pstufe 21 efhäk '''^ ^ ^ ^raOnOStabl"

dann dem Vergleichskreis 8 und dem Funktionsver- Der FiinWtmnc,,»^*- Ί <■ ,- .^

stärkerö zugeführt. Zum Zeitpunkt/3 stellt der Im- 60 über^ ei nebeSS A *£ "^l^{hCht die SteuerUn}«

puls /3 die durch die Kondensatoren Cl und Cl ge- cine AwaSTnn ί ™ Potentiometern, um

bildeten Speicher zurück, wodurch die Speicherung ^gZSS abzugeben welche der Em-

des Spitzen-zu-Spitzensignals AB gelöscht wird. Der f_unK^ entsDricht^P τ h^ ^ein" beliebigen Tranfer-

Spitzen-zu-Spitzenwert des Signalt CD entsprechend 5SiSSJf ?■ ^^ri^nden Fall wird

der folgenden Periode kann demzufolge nunmehr ein- 6₅ tio^^^T^***??*¹*™⁰¹¹¹"'*?

^un\^gesetzt' ^zwar beispeilsweise in einem besonderen

s Verstärkers ABl ist in der
F i s. 4 dargei,., Das Signa, beginn, zu» Ze.tpun«

seinem Ausgang ein Signal der Spannung gleich gemäß der Wöhler-Funktion abgibt:

(.ν - I)²

23,3 · 10-²

Dieses Signal wird dem Eingang des Linearverstärkers 7 zugeführt, der die Amplitude des Signals vor dem Zuführen zu dem Multiplikationskreis 12 steuert.

Entlang dem Kanal Vl ist die Begrenzungsschaltung9 vorgesehen, deren Eingang mit dem Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 verbunden ist. Dabei handelt es sich um einen Funktionsverstärker, welcher dem Linearverstärker 2 sehr ähnlich ist, jedoch als Begrenzer ausgebildet ist. Demzufolge werden Signale konstanter Ausgangsspannung abgegeben, deren Frequenz der Frequenz der Signale des Meßwertgebers 1 entspricht.

Der Spannungspegel kann auf einen beliebigen

beispielsweise auf ~ eingestellt werden.

Die Signale konstanter Größe und proportional ?.n σ₀ werden dem Eingang des Frequenz-Spannungs-Wandlers 10 zugeführt, der ein Frequenzdiskriminator sein kann, welcher an seinem Ausgang mit geringer Impedanz eine Gleichspannung abgibt, die proportional zur Frequenz des Eingangssignals ist.

Der Linearverstärker 11 ist ebenfalls ein Verstärker, der den Verstärkern 2 und 7 entspricht. Er ermöglicht die Steuerung der Amplitude des Signals des Frequenz-Spannungs-Wandlers 10 vor der Zufuhr zu dem Multiplikationskreis 12.

Der Multiplikationskreis 12 kann beispielsweise ein Kreis sein, welcher an seinen Eingängen auf der einen Seite die von dem Linearverstärker 7 abgegebenen Signale proportional zu AE₁ = g (x) und auf der anderen Seite Signalen des Linearverstärkers 11 proportional zu A E₂ = -^- erhält. Der Multiplikationskreis 12

gibt an seinem Ausgang Signale proportional zu dem Produkt AE₁-AE₂ ab. Das dem Produkt AE₁-A E₂ proportionale Signal wird über dem Blockierkreis 13 dem Integrationsspeicher 14 zugeführt.
Der Integrationsspeicher 14 besteht aus einem elektrolytischen Miniaturzähler, welcher eine vertikale Säule aufweist, die gegenüber einer Skala abgelesen werden kann. Dieser Integrationsspeicher 14 integriert automatisch alle Schadensignale und speichert sie ein.

ίο Der Vergleichskreis 8 besteht aus einem Differentialverstärker. Er empfängt an seinen Eingängen auf der einen Seite die dem Spitzenwertdetektor 5 abgegebenen und zu χ proportionalen Signale, während auf der anderen Seite eine Vergleichsspannung ν proportional zu einem Einheitswert zugeführt wird. Diese Vergleichsspannung ν wird ebenfalls über ein Potentiometer dem Funktionsverstärker 6 zugeführt, welcher die Variable je — 1 erzeugt. Der Vergleichskreis 8 gibt an seinem Ausgang ein kontinuierliches Signal ab, das die Öffnung des Blockierkreises 13 steuert, sobald χ ^. 1 ist. In diesem Fall tritt nämlich kein Schaden an der zu überwachenden Struktur auf. Demzufolge erhält der Integrationsspeicher 14 kein Signal, was bedeutet, daß der Schalter innerhalb des Blockierkreises 13 geöffnet ist.

Der Blockierkreis 13 wird gleichzeitig und unabhängig von einen Vergleichskreis 8 und der Kippstufe 21 gesteuert. Er öffnet und schließt die Verbindung, welche den Multiplikationskreis 12 mit dem Integrationsspeicher 14 verbindet. Er kann jedoch ebenfalls durch einen beliebigen elektrisch steuerbaren Schalter ersetzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle komplexen Strukturen untersucht werden, welche unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere zur Prüfung von Zellen oder beweglichen Strukturen von Flugkörpern — beispielsweise Helikopterflügelblättern — geeignet.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche :

1. Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen, bestehend aus einem mit nachgeschaltetem Verstärker und Filter versehenen Meßwertgeber, von welchem über wenigstens zwei parallele Kanäle eine mit einer vorgeschalteten Blockiereinrichtung versehene Integrationsei nrichtung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (K₁) ein erstes Signal ergibt, dessen Momentanwert gemäß der Wöhler-Formel umgekehrt proportional zur Anzahl der Zyklen im Verhältnis 7um Gesamtschaden der zu untersuchenden Struktur bei einer Belastung entsprechend dem Spitzen-zu-Spitzenwert der Amplitude der Belastung ist, während ein zweites Signal bei Amplituden von Belastungssignalen kleiner als die Amplitude bei Dauerbelastungen auftritt, ferner daß der zweite Kanal (K₂) ein drittes Signal abgibt, welches proportional zur Frequenz des Belastungssignals ist, und daß das erste und dritte Signal der beiden Kanäle (K₁, K₂) einem Multiplikationskreis (12) zugeführt sind, dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Signal gesteuerten Blockierkreis (13) einem Integrationsspeicher (14) zugeführt ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Kanal (K₃) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe kurzzeitige Impulse konstanter Dauer in Form eines vierten Signal» dem Blockierkreis (13) zuführbar sind, demzufolge der Integrationsspeicher (14) nur während kurzer Zeiträume Eingangssignale erhält.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Belastungen entsprechende Signal von einem in Form einer Wheatstone-Brücke ausgelegten Meßwertgeber (1) abgegeben ist, welcher über einen linearen Verstärker (2), einen im wesentlichen kapazitiven FiI-terkeis (3) und einen Anpassungskreis (4) die einzelnen Kanäle speist.

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (K₁) einen Spitzenwertdetektor (5) aufweist, welcher ein gleichgerichtetes Signal proportional zum Spitzen-zu-Spitzenwert von zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen abgibt, und daß ein Funktionsverstärker (6) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals des Spitzenwertdetektors (5) das erste Signa! bildet.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (5) zwei ausgangsseitig mit einem Differential verstärker (AD₁) verbundene Kondensatoren (C₁, C₂) aufweist, welchen das Meßsignal über zwei entgegengesetzt gepolte Dioden (Di, D₂) zugeführt ist, und daß zusätzlich ein Kippkreis (FZZ₁, JYZ₂, WF₁) vorgesehen ist, über welchen die beiden Kondensatoren (C₁, C₂) entladbar sind (F i g. 2).

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal zusätzlich einem invertierenden Verstärker (/I₁) zugeführt ist, welcher über einen Impulstransformator (TPl) und eine in Durchlaßrichtung angeordnete Diode (D3) mit dem Kippkreis (TH₁, TH₂, UJT₁) verbunden ist, an dessen Eingang zusätzlich eine .nit Masse verbundene Zenerdiode (DZl) vorgesehen ist.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (K₂) eine Begrenzungsschaltung (9) aufweist, welche das Signal auf einen Wert proportional zur Dauerbelastung des Materials beschränkt, und daß auf der Ausgangsseite dieser Begrenzungsschaltung (9) ein Frequenz-Spannungswandler (10) ίο angeordnet ist.

8. Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichgerichtete Signal des Spitzenwertdetektors (5) einem Vergleichskreis (8) zugeführt ist, welchem ebenfalls ein Vergleichssignal entsprechend der Dauerbelastbarkeit zugeführt ist, und daß das das zweite Signal bildende, dem Blokkierkreis (13) zugeführte Ausgangssignal des Vergleichskreises (8) auftritt, sobald das gleichgerichtete Signal kleiner als die Vergleichsspannung ist.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kanal (K₃) einen Impulskreis (15) aufweist, welcher aus einer Serienschaltung mit einem Trennverstärker (19), einem Spezialverstärker (20), einem Über-

-t; trager (FP₂), einer Diode (D5) und einer monostabilen Kippstufe (21) besteht (F i g. 5).

10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockierkreis (13) einen elektronischen Schalter aufweist, welcher über ein Und-Gatter gesteuert ist, dessen Eingängen das zweite und vierte Signal zugeführt sind.

11. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationsspeicher (14) ein zwischen Null und Eins geeichter elektrolytischer Zähler ist, welchermit einer visuellen Anzeige versehen ist.