DE2734739C2 - Vibrationsdraht-Spannungsmesser - Google Patents

Description

Ein Vibrationsdraht-Spannungsmesser weist notwendig einen dünnen Draht auf, der an seinen Enden unter

Die Erfindung betrifft einen Vibrationsdraht-Span- einer vorbestimmten Spannung befestigt ist. Die Endnungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentan- Verankerungen des Drahtes werden an dem unter BeIaspruchs 1. 50 stung stehenden Objekt befestigt, so daß sie sich vonein-

Spannungsmesser der verschiedensten Konstruktio- ander entfernen oder aneinander anzunähern suchen, nen werden benutzt, um die Größe und Verteilung von wenn auf dem Gegenstand eine veränderliche Kraft ein-Spannungen oder Spannungsbelastungen zu bestim- wirkt. Der Draht liegt gewöhnlich in einem merklichen men, die an irgendwelchen Konstruktionen oder auch Abstand von der Meßfläche. Wenn irgendein mit dem Bauten auftreten. Von den bekannten Arten sind beson- 55 Meßgerät versehenes Objekt untersucht werden soll, ders Vibrationsdraht-Spannungsmesser und elektrische wird der gespannte Draht »gezupft«, d. h, mittels eines Widerstandsspannungsmesser zu erwähnen. Die zuletzt elektro-magnetischen Impulses künstlich in Schwingungenannten Vorrichtungen sind gewöhnlich sehr dünn gen versetzt Die Resonanzfrequenz des schwingenden und können, falls sie für Oberflächenspannungsmessun- Drahtes wird durch einen elektro-magnetischen Fühler gen benutzt werden, mittels Klebstoff oder Zement un- 60 oder Empfänger aufgenommen, der unmittelbar neben mittelbar auf der zu messenden Fläche befestigt werden, dem Draht angeordnet ist Ein von dem Fühler erzeugso daß sie ein sehr niedriges, wenig vorspringendes Pro- tes elektrisches Signal wird gewöhnlich über eine gewisfil zeigen. se Entfernung geleitet und einer örtlich getrennt liegen-

Trotzdem sind derartige Widerstandsmesser mit stö- den Ableseeinrichtung zugeführt, in der das Signal verrenden Nachteilen verbunden. Die Einrichtungskosten 65 stärkt und weiter behandelt wird, so daß es eine Form sind gewöhnlich ziemlich hoch; sie zeigen z. T. erhebli- erhält, in der es z. B. eine Frequenzzähleinrichtung betäche Schwankungen und Fehlergrößen, so daß ihre Ver- tigen kann, die auch eine Digitalanzeige enthält, wendung eigentlich auf kurzzeitige Einsätze zu be- In den meisten, falls nicht in allen festen Einrichtun-

gen sind die Zupf- oder Erregervorrichtung und die Aufnahmevorrichtung in dauerhafter Verbindung mit der Meßvorrichtung. Zuleitungs- und Rückkopplungsleiter führen von dem Meßgerät nach einer Zentralstelle, in der ein Beobachter oder Ingenieur die Ablesevorrichtung bei der Ausführung seiner Meßarbeiten benutzt Die Abstände zwischen Meßeinrichtungen und der Überwachungs- oder Ablesestation können groß sein, z. B. Hunderte von Metern. In anderen Fällen, in denen die Meßeinrichtungen leicht zugänglich sind, kann ein Beobachter von Hand die Erreger- und Fühlervorrichtung an den Meßgeräten anbringen und seine Ablesung an Ort und Stelle vornehmen.

In dem Bemühen, Vibrationsdraht-Spannungsmesser zu bauen, die eine lange Zeit konstante Empfindlichkeit haben und unempfindlich gegen Wasser sind, zeigen die bisherigen Meßgeräte Größen und Formen, die an sich als übemiäßig umfangreich, kostspielig und kompliziert im Aufbau erscheinen. Handelsübliche Crahtmesser weisen Längen von etwa 10 bis 35 cm auf und springen von dem Objekt, an dem sie angeordnet sind, etwa 2,5 bis 10 cm vor, da die an der Oberfläche anzuordnenden Vibrationsdrahtmesser auf Pfosten oder Trägerblöcke gesetzt werden, die an den Enden des Meßgerätes sitzen. Gewöhnlich werden ältere Drahtmesser in der Weise angeordnet, daß sie mit einer Führungs- oder Richtplatte verbunden werden, die eine vorbestimmte Ausrichtung herstellt und aufrechterhält und die Pfosten oder Blöcke hält, während sie befestigt werden.

Aus der US-PS 3052 116 ist ein Vibrationsdraht-Spannungsmesser bekannt, bei dem sich der Draht in einem Metallrohr koaxial und berührungsfrei zu dessen Innenwandung erstreckt und an den Rohrenden mit einer vorbestimmten Spannung festgeklemmt wird. Die Klemmung des Drahtes erfolgt dabei mittels Schrauben. Das Rohr wird mit einem zu messenden Gegenstand über Flansche verbunden, die in Vertiefungen des zu messenden Materials eingesetzt werden.

Diese bekannte Einrichtung ist relativ groß und aufwendig. Vor jedem Meßvorgang ist die Spannung des Drahtes einzustellen. Der Draht weist weiterhin einen relativ großen Abstand von dem zu messenden Gegenstand auf.

Bei Einbau von Meß vorrichtungen unter Verwendung von Endhalterungen ist der unter Spannung stehende Draht gewöhnlich in einem abgedichteten Rohr eingeschlossen, um ihn gegen die Witterung zu schützen. Die Rohrenden sind allgemein in den Trägern fest eingeklemmt oder befestigt. Aufgrund dieser Anordnung muß der Draht notwendig in einem merklichen Abstand über der Oberfläche des Objektes liegen, an dem er befestigt ist. Falls die Meßfläche unter dem Draht einer Biegung unterworfen wird, könnet; deshalb die Spannungsmessungen ungenau sein, da sie an einem Draht vorgenommen werden, der in einer Achse schwingt, die merklich von der zu messenden Fläche abgesetzt liegt. Auch können Verschwenkungen oder Biegungen der Träger oder Halterungen zusätzliche Ungenauigkeiten verursachen und Hysteresewirkungen verstärken. ec

Bei Meßgeräten, die an der Oberfläche von Gebäudeelementen, wie Trägern oder Pfeiler angeordnet werden, werden die Endpfosten oder andere Haltevorrichtungen gewöhnlich durch Schweißung oder Bolzen im richtigen Abstand und richtiger Ausrichtung befestigt, so daß die Meßvorrichtung nachfolgend auf dieser Basis angeordnet werden kann. Die Befestigung der Pfosten oder Halterungen erfordert gewhönlich 15 bis 30 min für jedes Meßgerät Dabei ist erhebliche Sorgfalt und Übung nötig, so daß die Anbringung entsprechend zeitraubend und kostspielig ist

Bei auf Pfosten oder Pflöcken angeordneten Messern ist es allgemein üblich, die endgültige Spannung des Drahtes vorzunehmen, nachdem dieser und das umschließende Rohr in den Pfciten oder Blöcken angeordnet worden ist Eine Voreinstellung der Drahtspannung scheint bei solchen Meßvorrichtungen praktisch nicht vor dem Einbau vorgenommen zu werden. Das bedeutet daß im Feldbetrieb für jedes Gerät die anfängliche Drahtspannung und Frequenz bestimmt werden müssen, vielfach unter sehr abträglichen oder sehr schwierigen Bedingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vibrationsdraht-Spannungsmesser anzugeben, der keine Pfosten oder Trägerblöcke benötigt die Verwendung von Ausrichtplatten überflüssig macht zeitsparend montierbar ist und eine außergewöhnlich geringe Höhe mit geringem Abstand des Drahtes von der Meßfläche aufweist und keinen Vorabgleich fordert

Diese Aufgabe wird bei einem Vibrationsdraht-Spannungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Anspruchs gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung benötigt keine Pfosten oder Trägerblöcke oder Ausrichtplatten, durch die Schwierigkeiten vermieden werden, die sich aus Fehlausrichtungen ergeben könnten. Der Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach der Erfindung zeichnet sich durch außergewöhnlich geringe Höhe aus und kann in 5 bis 10 min fest eingebaut werden, wobei mit einfacher und schneller Heftschweißung gearbeitet werden kann.

Der Draht ist nur wenige Viooo cm von der Meßfläche abgesetzt. Dadurch wird die Verwendung von Endstützen überflüssig und die Genauigkeit in der Spannungsmessung wesentlich verbessert Das erfindungsgemäße Vibrationsdraht-Meßgerät kann im vorbereiteten Zustand an die Meßstelle gesandt werden, wobei die Geräte im wesentlichen gleiche Drahtspannungs-, d. h. Frequenzcharakteristiken aufweisen und überdies die anfängliche Drahtspannung während des Einbaus und für eine lange Zeit danach beibehalten wird. Das Meßgerät ist einfach herzustellen und kann mit Bezug auf die Drahtspannung in engen Toleranzen gefertigt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführugnsbeispiels näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Seitenansicht des Vibrationsdraht-Spannungsmessers,

F i g. 2 eine vergrößerte schaubildliche Ansicht des Vibrationsdraht-Spannungsmessers nach F i g. 1 im eingebauten Zustand an einer Meßstelle, wobei Einzelteile aus Erläuterungsgründen weggebrochen gezeichnet worden sind,

F i g. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 der F i g. 1,

Fig.4 eine Teilansicht des Vibrationsdraht-Spannungsmessers von unten,

F i g. 5 einen Längsschnitt durch ein Ende des Vibrationsdraht-Spannungsmessers in einem Zwischenzustand während der Herstellung,

F i g. 6 eine der F i g. 5 ähnliche Darstellung während eines späteren Zeitpunktes des Herstellungsganges und F i fe. 7 eine Ansicht vom linken Ende der F i g. 6.

In den F i g. 1 und 3 ist der Vibrationsdraht-Spannungsmesser 10 auf einer Meßfläche 12 eines die Meßfläche aufweisenden Objektes 14 angeordnet, das ein Teil einer Stahlkonstruktion oder eines Bauwerks sein

kann und an dem Spannungskräfte angreifen, die bestimmt werden sollen.

Der Vibrationsdraht-Spannungsmesser 10 weist ein Metallrohr 16 auf. Beiderseits des Metallrohres 16 erstrecken sich nach den Seiten Befestigungsflansche 18, 18, die Teile eines Grundblocks 17 sind und zur Befestigung des Geräts am Objekt 14 dienen. Wie F i g. 2 zeigt, werden die Flansche 18 an der zu messenden Fläche 12 vorzugsweise mittels einer nicht gezeigten Punktschweißvorrichtung befestigt, mit der beiderseits des Rohres 16 an den Flanschen 18, 18 eine Reihe von Schweißpunkten 20 erzeugt wird.

Das Grundblech 17 ist über seine ganze Länge an dem Metallrohr 16 durch eine fortlaufende Reihe von Schweißpunkten 24 befestigt, siehe Fig.4. In einem Ausführungsbeispiei ist eine befriedigende Verbindung zwischen dem Metallrohr 16 und dem Grundblech 17 mittels etwa 12 Heftschweißstellen pro cm erzielt worden. Bei richtiger Anordnung wird durch das Grundblech 17 das Metallrohr 16 versteift, so daß irgendwelchen, unter üblichen Bedingungen auftretenden Neigungen des Metallrohres, sich zu verbiegen, Widerstand geleistet wird.

Das Metallrohr 16 umschließt den Draht 22, der sich über die ganze Länge des Metallrohres und darüber hinaus erstreckt Bei der Herstellung des Vibrationsdraht-Spannungsmessers 10 wird das Metallrohr 16 zunächst an dem Grundblech 17 in der beschriebenen Weise befestigt Danach wird der Draht 22 in das Metallrohr eingeführt, so daß er an den Enden des Metallrohres 16 hervorsteht, wobei er auch durch eine Buchse 26 an jedem Ende hindurchgeführt wird. Jede Buchse 26 ist in dieser Stufe der Herstellung so bemessen, daß sie ein Drahtende lose aufnimmt und in das Rohrende eingeschoben werden kann, siehe F i g. 5. Der Draht wird nicht an seinen Enden erfaßt, wenn er gespannt wird.

Als Draht 22 wird gewöhnlich ein wärmebehandelter, hohe Zugspannungsfestigkeit aufweisender Stahldraht benutzt Vorzugsweise wird sein Dehnungs- und Kontraktionskoeffizient so gwählt, daß er verhältnismäßig gut zu demjenigen irgendeines Bauteiles paßt, an welchem das Meßgerät angeordnet werden soll.

Während der Draht ungespannt ist wird ein .erstes Ende des Metallrohres 16 mit der Buchse 26 und dem Draht 22 zwischen gegenüberliegende, konkave Ausnehmungen einer Preßform gelegt Wenn die Form schließt werden das Rohrende und die Buchse darin zusammengequetscht und eingeschnürt so daß sie die bei 29 in Fig.2 gezeigte Verjüngung aufweisen. Dadurch treten das Metallrohr und die Buchse in feste, innige Greifberührung mit dem durch sie hindurchführenden Drahtende, wobei die Buchse 26 den Draht 22 koaxial zum Metallrohr 16 zentriert Überschießendes Rohrmaterial bildet die Grate 31 an den Seiten des zusammengedrückten Rohrendes. Sodann wird das andere oder zweite Ende des Metallrohres in die Ausnehmungen der Preßform gesteckt und in gleicher Weise eingeschnürt wodurch der Draht 22 unter Spannung gesetzt wird. Die dabei erreichte Spannung kann leicht elektronisch überprüft und überwacht werden. Gewöhnlich ergibt sich, daß die Spannung im Draht 22 nach diesem Vorgang einer Eigenfrequenz von etwa 2200 Hz oder geringfügig weniger entspricht Falls die Spannung zu gering ist wird das Meßgerät noch einmal in die Form gesetzt und geringfügig einwärts von der ersten Einschnürung zur Erhöhung der Spannung eingezwängt Eine gelegentlich auftretende übermäßige Spannung wird dadurch entlastet daß das Ende des Meßgeräts scharf angeschlagen wird. Dadurch wird das Gerät in Längsrichtung geringfügig zusammengedrückt

Vorzugsweise sind das Grundblech 17 und das Metallrohr 16 aus einer ausreichend ziehfähigen, rostfreien Stahllegierung, so daß das Meßgerät korrosionsbeständig ist Andererseits ist es wegen der Festigkeit und Stabilität vorteilhaft, daß der Draht 22 aus einem wärmebehandelten Stahl mit hoher Zugfestigkeit hergestellt ist Da die freiliegenden Enden des Drahtes 22 bei

ίο bestimmten Verwendungsbereichen korrodierenden Einflüssen von Wasser oder salzhaltiger Luft oder dergleichen ausgesetzt sein können, empfiehlt es sich, kleine Kappen aus Epoxyd-Harz-Material, siehe Fig.4, aufzusetzen. Damit werden nicht nur die Drahtenden geschützt, sondern, falls nötig, auch die Enden 29 des zusammengedrückten Melalirühres und die darin angeordneten Buchsen 26 abgedichtet

Die Befestigung des Vibrationsdraht-Spannungsmessers 10 an einer Meßfläche 12 durch Punkt- oder Heft- schweißung, wie in F i g. 2 ersichtlich, führt dazu, daß das Gerät unbeweglich angeordnet ist. Es kann auch kein »Kriechen« auftreten, wie es oft der Fall ist, wenn ein Meßgerät an einer Meßfläche durch eine Klebverbindung befestigt wird.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, daß das Vibrationsdraht-Spannungsmeßgerät eine große Zahl von Vorzügen verkörpert, von denen insbesondere zu erwähnen sind:

ein niedriges Profil, das durch Abschirmung leicht geschützt werden kann,

Anordnung in inniger Verbindung mit der Meßfläche, einfache und trotzdem wasserdichte Konstruktion, Einfachheit und Wirtschaftlichkeit der Herstellung, Stabilität der Drahtspannung, daher über lange Zeit verwendungsfähig, und trotzdem alle Vorzüge von Vibrationsdrahtmessern üblicher Konstruktionen, die einen größeren

Raum einnehmen.

Bei der Herstellung empfiehlt es sich, die eingeschnürten Rohrenden zwischen ein gegenüberliegend angeordnetes Paar Schweißelektroden 28,28 zu setzen und Strom anzulegen, um Punktschweißungen 30 zu erzeugen. Irgendwelcher, aus den Enden 29 vorspringender überschüssiger Draht 22 kann abgeschnitten werden. Wenn der Vibrationsdraht-Spannungsmesser 10 an einer Fläche montiert werden soll, wird es auf den gewählten Ort gesetzt z. B. eine Meßfläche 12 eines metallischen Gegenstandes 14. Mitiels eines üblichen Punktschweißgerätes werden die geerdeten Flanschen 18,18 an dem Objekt 14 durch eine Vielzahl von Punktschwei- Bungen 20, Fig.2, befestigt Das Gerät kann dann auf Spannungen ansprechen, die entweder durch Zug oder Druck an dem Gegenstand 14 auftreten, an dem das Gerät angeordnet ist

Eine übliche Einrichtung 40 zum Anschlagen des Vi-

brationsdraht-Spannungsmessers 10 ist über dessen Mittelabschnitt angeordnet Durch Erregung einer elektro-magnetischen Anschlagspule 42 in dem Anschlaggerät 40 wird der gespannte Draht 22 »gezupft« oder angeschlagen, d. h. zu mechanischen Schwingungen ange- regt Die Frequenz der derart ausgelösten Schwingung wird durch eine induktive Aufnahmespule 44 eines Spulen-Magnet-Fühlers abgetastet durch den die mechanische Schwingung des Drahtes in ein elektrisches Signal

umgewandelt wird. Der Strom zur Erregung der Spule 42 und das induzierte Signal werden über ein Kabel 46 geführt. In einer Ableseeinheit wird das induzierte Signal zur Wiedergabe und Beobachtung aufbereitet, und zwar entweder für die Sichtbeobachtung, z. B. unter Verwendung eines Digital-Zählwerkes, oder zum Abhören. Die Anschlagvorrichtung 40 kann ständig an dem Vibrationsdraht-Spannungsmesser 10 angeordnet sein, wenn dieses z. B. in Beton oder einer ähnlichen Masse eingebettet oder an einer abgelegenen und praktisch unzugänglichen Stelle angeordnet ist. Statt dessen kann die Anschlagvorrichtung auch ohne dauernde Verbindung mit dem Meßgerät sein und z. B. bei leicht zugänglich angeordneten Geräten jeweils von Hand angelegt werden, wenn Messungen gewünscht werden.

Nachstehend werden für ein Ausführungsbeispiel des akustischen Vibrationsdraht-Spannungsmessers die wesentlichen Daten angegeben:

Draht 17, Stärke	0,254 mm
Metallrohr 16, Länge	67,3 mm
Metallrohr 16, Durchmesser	1,586 mm
Grundblech 17, Breite	7,62 mm
Grundblech 17, Dicke	0,178 mm
Grundblech 17, Länge	63,5 mm
Anfängl. Drahtspannung
entspr.	2200 Hz± 100 Hz
Gewicht d. Vibrationsdraht-
Spannungsmessers ca.	1.2 g
Empfindlichkeit, etwa	ΙΟ-«:1
Raum zwischen Meßfläche
und Draht in Ruhe, etwa	0,762 mm
Abstand zw'schen Meßfläche
und Höhe des Fühler-An
schlägers, etwa	15,875 mm
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

1 2 schränken ist; sie unterliegen der Korrosion und sind Patentansprüche: empfindlich gegen Leitungsdrahtstörungen. Andererseits sind Vibrationsdraht-Spannungsmesser allgemein

1. Vibrationsdraht-Spannungsmesser mit in einem frei von Leitungsdraht-Problemen; sie zeigen in den ge-Metallrohr koaxial und berührungsfrei zu dessen In- 5 genwärtig üblichen Konstruktionen auch keine NuIlnenwandung an den Rohrenden mit einer vorbe- punktschwankung oder Abdriften des Meßbereiches, stimmten Spannung festgeklemmtem Draht und mit sondern eine über verhältnismäßig lange Zeit reichende Mitteln zur Verbindung des Metallrohres mit einem hohe Genauigkeit Die bekannten Vorrichtungen haben zu messenden Gegenstand, dadurch gekenn- jedoch nach dem Einbau ein hohes Profil, so daß das zeichnet, daß das Metallrohr (16) auf einem io akustisch schwingende Element aufgrund der gegebelänglichen metallischen Grundblech (17) mit seiner nen Größe der Teile nicht etwa eng benachart, sondern einen Seite (24) über seine gesamte Länge festge- in einem unerwünscht großen Abstand von der zu messchweißt ist und daß das Metallrohr an beiden Enden senden Fläche entfernt liegt Auch erfordern die Vibra-(29) das entsprechende Drahtende durch Einschnü- tionsdrahtmesser in ihrer jetzigen Konstruktion außerrung einspannend erfaßt 15 ordentliche Sorgfalt beim Einbau mit Bezug auf ihre

2. Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach An- Ausrichtung und die Halterungen.

spruch I, dedurch gekennzeichnet, daß das Grund- In den letzten Jahrzehnten hat die Benutzung von

blech (17) und das Metallrohr (16), die durch Schwei- Vibrationsdraht-Sparnungsmessem, oft auch akusti-

ßung fest miteinander verbunden sind, einen Elasti- sehe Spannungsmesser genannt, weite Verbreitung ge-

zitätsmodul haben, der demjenigen des zu messen- 20 funden. Sie werden als Meßgeräte für Fernablesung be-

den Gegenstandes (14), mit dem das Gerät fest ver- nutzt, um z. B. verschiedene physikalische Größen an

bunden ist, vergleichbar ist irgendwelchen Metallkonstruktionen, natürlichem Ge-

3. Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach An- stein oder Betonbauten zu messen und zu überwachen, spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Die zu messenden Parameter sind z. B. Oberflächen-Abstand der Achse des Drahtes (22) und der Boden- 25 und innere Spannungen, Biegungen, Versetzungen, seite des Grundbleches (17) zwischen 0,8—3,2 mm Flüssigkeitsniveaus, Winkeländerungen und Temperabeträgt türen. Als eine Art von Meßwert-Umsetzer werden Vi-

4. Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach einem brationsdrahtmesser bevorzugt für derartige Zwecke der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- eingesetzt, da sie von den verfügbaren, verschiedenartizeichnet, daß die Enden des Drahtes (16) von einer 30 gen Spannungsmessern allgemein die zuverlässigsten Buchse (26) umschlossen sind, die in dem betreffen- und am genauesten messenden sind. Da sie auf einem den Rohrende angeordnet ist, wobei das Rohrende mechanischen Meßprinzip beruhen, sind Vibrationsmit der Buchse zur Erfassung des Drahtes zusam- drahtmesser im Gegensatz zu den elektrischen Widermengedrückt ist Standsmessern unempfindlich gegen Schwankungen im

5. Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach An- 35 elektrischen Strom, der Spannung, dem Widerstand spruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zusam- oder der Kapazität Mittels eines induktiven Aufnahmemengedrückte Rohrende (29) und die darin angeord- systems werden an einem Vibrationsdrahtmesser Signanete Buchse (26) miteinander verschweißt sind. Ie aufgenommen, die als elektrische Signale mit spezifi-

6. Vibrationsdraht-Spannungsmesser nach einem sehen Frequenzen über weite Strecken übertragen werder vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- 40 den können, ohne daß die Signalfrequenz mit anderen zeichnet, daß das Metallrohr (16) länger als das Einflüssen interferiert oder beeinträchtigt wird. Den Vi-Grundblech (17) ist und die Rohrenden (29) über die brationsdraht-Spannungsmessern fehlte bislang jedoch zugehörigen Enden des Grundbleches hinausragen. die kompakte Bauweise, so daß der Draht in enger,

unmittelbarer Nachbarschaft zur Meßfläche liegen wür-

45 de.