DE2906170C2 - Extensometer für die Fels- und Bodenmechanik - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Extensometer zur Messung und Überwachung von vertikalen Bewegungen in der Fels- und Bodenmechanik, bestehend aus wenigstens zwei an unterschiedlichen Positionen im Boden verankerten Stahlstangen und einer deren Relativbewegung am Stangenkopf abgreifenden Meßeinrichtung.

In Gesteins- und Bodenschichten spielt die Messung der vertikalen (axialen) und horizontalen (radialen) Verschiebungen und Verlagerungen eine große Rolle. Hierbei kommt es aber in aller Regel nicht auf die Messung von Absolutwerten, sondern auf die Rglativwerte von Verschiebungsbewegungen an. Zu- Feststellung dieser Bewegung bedient man sich mehrerer in die

to Gesteins- oder Bodenschichten eingelassener Stahlstangen oder Spanndrähte, die durch Betoninjektionen an unterschiedlichen Positionen im Boden verankert sind und der Schichtbewegung folgen. Die Relativbewegungen bzw. Relativwege werden durch die Stahlstangen

zum Extensometerkopf übertragen und können dort mit einer Meßuhr mechanisch abgetastet und abgelesen werden. Befindet sich der Extensometerkopf an unzugänglicher Steüe, z. B. am Felshang oder gar unter Wasser, so ist eine Fernmessung notwendig, die mit elektrischen Meßgeräten möglich ist (US-PS 38 28 435). In diesem Fall muß auch die Meßwertübertragung auf elektrischem Weg erfolgen. Diese Geräte sind empfindliche und teuer, insbesondere wenn Unterwassermessungen vorzunehmen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Extensometer der eingangs genannten Art, insbesondere für die Fernmessung, so auszubilden, daß keine elektrischen Bauteile notwendig sind.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich aus durch eine dem Kopf jeder Stahlstange zugeordnete, deren Weg in einen hydrostatischen Druck umformende Abgriffeinrichtung und eine diesen Druck durch den Kompensationsdruck eines Fluids feststellende Meßeinrichtung, wobei die Abgriffeinrichtung eine mit dem

Kopf der Stahlstange verbundene Kolben-Zylindereinheit und die Meßeinrichtung einen Fluidkreislauf mit einer frei ausmündenden Druckleitung und einer dazu parallelen Ablaufleitung aufweist, und daß zwischen der Kolben-Zylindereinheit einerseits und der Ausmündung der Druckleitung bzw. der Ablaufleitung andererseits ein Membranventil angeordnet ist, dessen Membran auf der einen Seite von dem Druck des Zylinders beaufschlagt ist, während sie mit der anderen Seite zugleich die Ausmündung der Druckleitung und die Eintrittsöffnung der Ablaufleitung verschließt.

Das Membranventil arbeitet also nach Art eines Überströmventils, indem die Membran normalerweise die Ausmündung der Druckleitung und die Eintrittsöffnung der Ablaufleitung aufgrund des auf ihrer anderen Seite anstehenden Drucks der Kolben-Zylindereinheit verschlossen hält. Wird nun über die Druckleitung der Kompensationsdruck aufgegeben, so hebt sich in dem Augenblick, wo der Kompensationsdruck cjen Belastungsdruck schwach übersteigt, die Membran von der Ausmündung der Druckleitung ab und gibt sogleich die Eintrittsöffnung der Ablaufleitung frei, so daß das Fluid aus dem Meßkreislauf überströmen und ablaufen kann. Der in diesem Augenblick erreichte Druck im Meßkreislauf kann in herkömmlicher Weise durch

M Manometer od. dgl. festgestellt werden und gibt somit ein Maß für die Stellung des Kolbens im Zylinder bzw. den Weg der Stahlstange.

Die Meßeinrichtung arbeitet also auf hydromechanischem Weg und kann sich infolgedessen einfachster mechanischer Bauteile bedienen, die zudem — selbst bei Unterwasserbetrieb — unempfindlich sind. Auch die Fernübertragung der Meßwerte bereitet dabei keine Probleme. Zur Meßwertübertragung können Kunst-

stoffleitungen eingesetzt werden, die gegenüber elektrischen Kabeln höhere Zug- und Scherfestigkeit und eine höhere Bruchdehnung besitzen, so daß es auch bei schwierigen Geländeverhältnissen und Beanspruchungen der Leitungen nicht zu Störungen kommen kann.

Es ist zwar insbesondere bei der Messung von Drehmomenten (DE-PS 11 73 673) und der Bewegung bzw. Verformung von Bauteilen (G 3-PS 4 78 094) bekannt, den Weg eines Stellgliedes bzw. des Bauteils in einen Druck umzuwandeln, diesen durch ein Fluid zu kompensieren und den Kompensationsdruck zu messen, doch konnten diese bekannten Verfahren die Entwicklung auf dem Gebiet der Extensometer bisher nicht fördern.

Mit Vorteil besteht die Kolben-Zylindereinheit aus einem am Kopf der Stahlstange befestigten Kolben und einem mit diesem über einen elastischen Balg verbundenen Zylinder, dessen Kopf eine Bohrung aufweist, die den Zylinderraum mit der einen Seite der Membran verbindet. Dadurch ist es möglich, den diesseits der Membran liegenden Raum klein zu halten, so daß der Liefergrad des Zyünders nicht so hoch sein muß.

Mit Vorteil ist weiterhin vorgesehen, daß die Druckleitung und die Ablaufleitung der Meßeinrichtung in einem Meßkopf parallel zueinander angeordnet sind, die Druckleitung direkt, die Ablaufleitung hingegen in einem offenen Ringkanal an einer Stirnseite des Meßkopfs ausmünden, und daß zwischen dieser Stirnseite des Meßkopfes und der Membran eine Ventilscheibe angeordnet ist, die eine mit der Ausmündung der Druckleitung fluchtende Bohrung und wenigstens zwei weitere den Ringkanal mit eier Membran verbindende Bohrungen aufweist.

Mit dieser Ausbildung wird der Vorteil erreicht, daß auch bei nicht absolut symmetrischer Auswölbung der Membran stets sichergestellt ist, daß das zur Kompensationsmessung verwendete Fluid, wenn es die Membran nur angehoben hat, durch eine der Bohrungen zur Ablaufleitung gelangt. Dabei mündet vorzugsweise die Druckleitung im Zentrum des Ringkanals aus.

Eine besonders günstige Bauform ergibt sich dann, wenn der Zylinder mit seinem Kopf, das Membranventil, der Ventilkörper und der Meßkopf zu einer starren Einheit zusammengefügt sind, während der Zylinder über den elastischen Balg mit dem Kolben und der Meßkopf über Kunststoffleitungen mit einer Druckmittelquelle und einem Druckmeßgerät verbunden sind. Eine solche Einheit läßt sich auf dem Kopf der Extensometer-Slahlstange leicht montieren und an die Meßeinrichtung anschließen.

Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben. Das Extensometer weist zwei oder mehr im Boden an unterschiedlichen Positionen verankerte Stahlstangen auf, die — da bekannt — nicht dargestellt sind. Die zu messende Relativbewegung der Stangen ist mit dem Doppelpfeil 15 angedeutet. Ferner weist das Extensometer eine Abgriffeinrichtung 1, die den mittels Doppelpfeil 15 angedeuteten Weg einer Extensometer-Stahlstange in einen hydrostatischen Druck umformt, und eine Meßeinrichtung 2 auf, mittels welcher der von der Abgriffeinrichtung 1 erzeugte Druck kompensiert und gemessen wird.

Die Meßeinrichtung 2 weist vor Ort einen Meßkopf 3 auf, in welchem eine Druckleitung 11 und — parallel hierzu — eine Ablaufleitung 12 für ein Druckmittel

ίο angeordnet sind. Die Druckleitung 11 ist über einen Kunststoffschlauch oder dgl. mit einer fern von der Meßstelle angeordneten Druckluftquelle 19 unter Zwischenschaltung eines Druckminderers 18 und eines Mengenreglers 17 verbunden. Ferner sitzt in der Druckleitung ein Manometer 16 zum Ablesen des in dem Fluidkreislauf herrschenden Drucks. Die Ablaufleitung 12 kann in die freie Atmosphäre münden, sofern es sich bei dem Meßfluid beispielsweise um Druckluft handelt.

Die Druckleitung 11 mündet unmittelbar an der planen Stirnseite des Meßkopfs 3 aus, während die Ablaufleitung 12 an dieser Stirnseite eine Eintrittsöffnung in Form eines Ringkanals 5 besitzt. Die Abgriffeinrichtung 1 besteht aus einem den axialen Weg 15 der Extensometerstange aufnehmenden Kolben 14, der über einen elastischen Balg 13 mit einem Zylinder 10 verbunden ist und in diesen eintaucht. Der Zylinder 10 weist einen Kopf 20 mit einer zentralen Bohrung 9 auf, die an der Stirnseite des Zylinderkopfs 20 frei ausmündet. Zwischen dem Zylinderkopf 20 und dem Meßkopf 3 ist ein Membranventil angeordnet, das aus einer Membran 8 und einem Ventilkörper 7 besteht. Der Ventilkörper 7 weist eine zentrale Bohrung 21, die mit der Druckleitung 11 fluchtet, und wenigstens zwei weitere Bohrungen 22, die mit dem Ringkanal 5 in Verbindung stehen auf. Die Membran 8 verschließt üblicherweise die ihr zugeordneten Öffnungen der Bohrungen 21, 22. Der Ventilkörper 7 ist mit dem Meßkopf 3 über eine äußere Ringdichtung 4 und eine weitere zwischen der Druckleitung 11 und der ihr zugeordneten Bohrung 21 angeordneten Dichtung 6 dicht verbunden. Im übrigen ist der Meßkopf 3 zusammen mit dem Membranventil und dem Zylinder

10 bzw. dem Zylinderkopf 20 zu einer baulichen Einheit zusammengefügt.

Die Membran, die, wie gesagt, die Austrittsöffnungen der Bohrungen 21, 22 üblicherweise verschließt, wird dann, wenn der am Manometer abzulesende Kompensationsdruck 16 den Druck im Zylinder 10 geringfügig überschreitet, von den Austrittsöffnungen der Bohrungen 21,22 abgehoben, so daß das über die Druckleitung

11 und die Bohrung 21 zuströmende Druckmittel über die Bohrungen 22, den Ringkanal 5 und die Ablaufleitung 12 abströmen kann.

Der Kolben 10 und der Balg 13 können auch durch einen Federbalg ersetzt sein, der durch geeignete Mittel gegen Ausknicken gestützt ist und dessen Stirnseite mit dem Extensometerkopf zusammenwirkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Extensometer zur Messung und Überwachung von vertikalen Bewegungen in der Fels- und Bodenmechanik, bestehend aus wenigstens zwei an unterschiedlichen Positionen im Boden verankerten Stahlstangen und einer deren Relativbewegung am Stangenkopf abgreifenden Meßeinrichtung, gekennzeichnet durch eine dem Kopf jeder Stahlstange zugeordnete, deren Weg (15) in einen hydrostatischen Druck umformende Abgriffeinrichtung (1) und eine diesen Druck durch den Kompensationsdruck eines Fluids feststellende Meßeinrichtung (2), wobei die Abgriffeinrichtung (1) eine mit dem Kopf der Stahlstange verbundene Kolben-Zylindereinheit (14, 10) und die Meßeinrichtung (2) einen Fluidkreislauf (16—19) mit einer frei ausmündenden Druckleitung (11) und einer dazu parallelen Ablaufleitung (12) aufweist, und daß zwischen der Kolben-Zylindereinheit einerseits und der Ausmündung der Druckleitung bzw. der Ablaufleitung andererseits ein Membranventil (7,8) angeordnet ist, dessen Membran (8) auf der einen Seite von dem Druck des Zylinders (10) beaufschlagt ist, während sie mit der anderen Seite zugleich die Ausmündung der Druckleitung (11) und die Eintrittsöffnung der Ablaufleitung (12) verschließt.

2. Extensometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylindereinheit (14, 10) aus einem am Kopf der Stahlstange befestigten Kolben (14) und einem mit diesem über einen elastischen Balg (13) verbundenen Zylinder (10) besteht, dessen Kopf (20) eine Bohrung (9) aufweist, die den Zylinderraum mit der einen Seite der Membran (8) verbindet.

3. Extensometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (11) und die Ablaufleitung (1?) der Meßeinrichtung (2) in einem Meßkopf (3) parallel zueinander angeordnet sind, die Druckleitung (11) direkt, die Ablaufleitung (12) hingegen in einem offenen Ringkanal (5) an einer Stirnseite des Meßkopfes (3) ausmünden und daß zwischen dieser Stirnseite des Meßkopfs (3) und der Membran (8) eine Ventilscheibe (7) angeordnet ist, die eine mit der Ausmündung der Druckleitung fluchtende Bohrung (21) und wenigstens zwei weitere den Ringkanal (5) mit der Membran verbindende Bohrungen (22) aufweist.

4. Extensometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung (11) im Zentrum des Ringkanals (5) ausmündet.

5. Extensometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (10) mit seinem Kopf (20), das Membranventil (8), die Ventilscheibe (7) und der Meßkopf (3) zu einer starren Einheit zusammengefügt sind, und daß der Zylinder (10) über den elastischen Balg (13) mit dem Kolben (14) und der Meßkopf (3) über Kunststoffleitungen mit einer Druckmittelquelle (19) und einem Druckmeßgerät (13) verbunden sind.