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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dehnungsmessvorrichtung
mit zumindest einem verformbaren Element, das zwischen zumindest
zwei Montageklötzchen
gelegt wird, die eine Befestigungsfläche definieren, um auf einer
zu messenden Struktur befestigt zu werden, mit Mitteln, dem verformbaren
Element eine Vorspannung zu erteilen, Mitteln zur Messung der durch
das verformbare Element erlittenen Beanspruchung sowie Mitteln der
Signalverarbeitung.
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Die
Dehnungsmessungen bestehen darin, die Verformungen einer Struktur
unter der Einwirkung von Beanspruchungen zu erfassen, die auf angelegte
Kräfte,
auf die Relaxation von Restspannungen und/oder auf thermische Ausdehnungen
zurückzuführen sind.
Die Messung der Streckung oder Kontraktion einer Oberfläche dieser
Struktur entlang einer bekannten Richtung erfolgt gewöhnlich mittels
eines verformbaren Elements, das vorgespannt oder nicht vorgespannt
ist, zum Beispiel einer elastischen Lamelle, die mit ihren Enden
an zwei Befestigungspunkten der zu messenden Oberfläche befestigt
ist. Durch die Verschiebung der Enden des verformbaren Elements,
die für
die Verschiebung der beiden Befestigungspunkte der zu messenden
Oberfläche
repräsentativ
ist, wird der Krümmungsradius
des verformbaren Elements modifiziert. Um eine Dehnungsmessvorrichtung
zu realisieren, werden diesem verformbaren Element Mittel beigeordnet,
mit denen die Beanspruchungen gemessen werden können, die es erleidet. Diese
Mittel zur Messung bestehen zum Beispiel aus einem Vibrationssensor,
der die Vibrationseigenfrequenz des verformbaren Elements misst,
das mit einem Organ für
die Anregung der Vibrationen verbunden ist, aus einem berührungslosen
Sensor, der die Durchbiegung dieses verformbaren Elements misst,
aus einer oder mehreren Dehnungsmesssonden, die auf eine oder beide
Seiten dieses verformbaren Elements aufgeklebt sind, usw.
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In
der amerikanischen Patentschrift US-A-5 353 645 ist die Verformungsmessvorrichtung
in einer Bohrung einer zu kontrollierenden Struktur untergebracht und
umfasst ein verformbares Element, das sich durch diese Bohrung erstreckt
und an einem seiner Enden an einen Druck- oder Kraftaufnehmer und
an seinem anderen Ende an die benannte Struktur angekoppelt ist.
Dieser Aufnehmer kann in einem Kontaktstück angeordnet sein, das so
auf die Struktur aufgeschraubt ist, dass das verformbare Element
einer Beanspruchung ausgesetzt wird. Allerdings kann diese Art des
Aufbaus einer Beanspruchung nur auf der zu kontrollierenden Struktur
realisiert werden und ist weder reproduzierbar noch steuerbar.
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Das
amerikanische Patent US-A-4 314 481 beschreibt eine Zugmessvorrichtung,
in der ein Flansch eingesetzt wird, der mittels einer Befestigungsschraube
auf einem zu kontrollierenden Stück
befestigt wird und mit einem piezoelektrischen Sensor verbunden
ist, der direkt unter einem der Auflagepunkte des Flanschs auf dem
Stück angeordnet
ist. Dieser piezoelektrische Sensor besteht aus zwei piezoelektrischen
Rundscheiben, die übereinander
gelegt und scherempfindlich sind. Um funktionieren zu können, wird
diese Vorrichtung mittels der Befestigungsschraube einer Beanspruchung
ausgesetzt. In diesem Falle ist die Vorspannung direkt an das Anzugsmoment
der Befestigungsschraube gebunden und liefert nicht die gleichen
Wirkungen wie die an ein verformbares Element angelegte Vorspannung.
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In
der Veröffentlichung
FR-A-2 701 317 ist das in Gestalt einer Biegung verformbare Element
eine omegaförmig
gefaltete Lamelle. Diese besondere Gestalt verlangt Faltbereiche,
die schwer reproduzierbar sind. Deshalb sind die mechanischen Eigenschaften
solcher Lamellen zwischen einzelnen Exemplaren unterschiedlich.
Die direkte Befestigung der Enden der Lamelle auf der zu messenden
Oberfläche
kann heikel sein und ermöglicht
es nicht, Voreinstellungen zu bewahren. Mit einer Lamelle dieser
speziellen Gestalt lässt
sich die Vorspannung nicht beherrschen. Ausserdem ermöglicht es
diese Auslegung nicht, eine einteilig integrierte Dehnungsmessvorrichtung
zu realisieren, sondern verlangt einen mehr oder weniger handwerklichen
Aufbau aus mehreren Einzelteilen, weshalb die Realisierung kompliziert
und teuer ist.
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In
der Veröffentlichung
WO-A-00/57149 wird eine Dehnungsmessvorrichtung in Gestalt eines
integrierten Bausatzes vorgeschlagen, der aber noch bestimmte Nachteile
aufweist. Die Art und Weise der Befestigung des verformbaren Elements
in den Montageklötzchen
ruft ein verhältnismässig grosses
Kraftmoment hervor, wodurch es erforderlich wird, diese Montageklötzchen mittels
einer Schraube von verhältnismässig grossem
Durchmesser auf der zu messenden Oberfläche zu befestigen, also in
der unter Beanspruchung stehenden Struktur nicht zu vernachlässigende
Gewinde schneiden zu müssen.
Durch dieses Kraftmoment wird eine Befestigung der Montageklötzchen durch
einfaches Kleben ausgeschlossen. Aus diesem Grunde werden für diese
Vorrichtung Unterlegkissen vorgesehen, die unter den Montageklötzchen angebracht
werden, die Befestigungsschrauben der Montageklötzchen aufnehmen und auf die
zu messende Oberfläche
aufgeklebt werden können.
Allerdings wird dadurch die Klebefläche beträchtlich vergrössert. Bei
diesem Montagetyp wird das verformbare Element von der zu messenden
Oberfläche
weggeführt,
was eine Empfindlichkeit gegenüber
störenden
Verformungen und einen grossen Eichfehler in der Biegung verursacht.
Die Art und Weise der Befestigung des verformbaren Elements ist
statisch überbestimmt,
weist aber eine ziemlich schwache mechanische Empfindlichkeit und
eine hohe Temperaturempfindlichkeit auf, was seine Kompensation
sehr erschwert. Diese Vorrichtung umfasst ein Organ für die Einstellung
der Vorspannung. Allerdings ist die Einstellung der Vorspannung,
die die Eigenschaften des Dehnungsmessers definiert, erst nach dessen
Befestigung auf der zu messenden Oberfläche oder auf einem beliebigen
Träger
möglich
und daher nicht reproduzierbar. Ausserdem erlaubt es keine der Vorrichtungen,
diese Einstellung nach einem Abbau und/oder während eines Transports zu bewahren.
Schliesslich kann bei dieser Auslegung nur ein elementarer elektronischer
Aufbereitungskreis in die Vorrichtung integriert werden, und seine
Montage bleibt ziemlich kompliziert.
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Die
in der Veröffentlichung
WO-A-99/41565 beschriebene Dehnungsmessvorrichtung betrifft im Wesentlichen
eine seriell mit geringsten Kosten gefertigte Vorrichtung, die dafür bestimmt
ist, auf eine zu messende Oberfläche
aufgeklebt zu werden, wobei sehr grosse Ausdehnungen dieser Oberfläche, insbe sondere
Wärmeausdehnungen,
angenommen werden. Das vorgespannte, verformbare Element wird während des
Transports durch Mittel blockiert, die keine Regelung der Vorspannung
gewährleisten.
Eine Regelung der Vorspannung kann nur durch eine an die Vorrichtung
angefügte
Fremdvorrichtung erfolgen. Allerdings ist diese Regelung nicht zuverlässig genug
und verlangt eine Nacheichung an Ort und Stelle. Die Beanspruchungen
lassen sich nur sehr genähert
ins Gleichgewicht bringen, da die unter Zug wirksame Ausgleichsfeder
nicht regelbar ist. Die Beanspruchungen können nur in einer Richtung
korrigiert werden, wobei das verformbare Element auf einfache Unterlagen
aufgelegt werden muss. Die Folgen sind eine heikle Feineinstellung
und eine Positionierung der Vorrichtung, die gegenüber Stössen und
Veränderungen
im Arbeitszyklus empfindlich ist. Die Linearität und die Hysterese werden
stark von der Qualität
der Unterlagen beeinflusst und sind daher sehr schwer zu beherrschen.
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Dehnungsmessungen
lassen sich in einer Vielzahl von Anwendungen wie Sicherheits-,
Regel- und/oder Steueranlagen nutzen, um
- • die an
einer Struktur anliegenden Beanspruchungen zu messen,
- • die
Verformungen eines Bauwerks oder einer Struktur unter Funktions-
oder zufälligen
Belastungen zu überwachen,
- • das
Antriebs- oder Bremsmoment in einem Fahrzeug zu messen,
- • Wägungen zu
realisieren,
- • Überlasten
zu kontrollieren.
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In
Anbetracht ihrer Nachteile gestatten es die derzeit in den Dehnungsmessvorrichtungen
genutzten Verfahren nicht, ihren Einsatz in diesen Anwendungen zu
verallgemeinern.
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Die
vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu beheben,
indem sie eine miniaturisierte und integrierte Dehnungsmessvorrichtung
einfacher, wirtschaftlicher Auslegung vorschlägt, die zu geringsten Kosten
in Serie gefertigt werden kann, deren Einstellungen zuverlässig, reproduzierbar
und unverstellbar sind, die schnell und ohne einen spezialisierten
Techniker an einer Struktur angebracht werden kann, ohne diese Struktur
zu modifizieren.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine Dehnungsmessvorrichtung
der im Oberbegriff angedeuteten Art, die dadurch gekennzeichnet
ist, dass die Mittel, um die Vorspannung aufzubauen, sich zwischen
zumindest zwei Montageklötzchen
erstrecken und so eingerichtet sind, dass sie diese beiden Montageklötzchen einander
in Translation nähern
und dem verformbaren Element eine präzise Vorspannungskrümmung erteilen, wobei
diese Mittel für
den Aufbau der Vorspannung auch so eingerichtet sind, dass sie eine
relative Translationsbewegung dieser beiden Montageklötzchen erlauben,
solange das verformbare Element vorgespannt ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Mittel für
den Aufbau einer Vorspannung zumindest in ihrer Translation frei
in einem der Montageklötzchen
montiert und zumindest in ihrer Translation an das andere Montageklötzchen gebunden.
Diese Mittel für
den Aufbau einer Vorspannung können
zumindest eine Vorspannungsstange umfassen, von der zumindest der
in Translation mit dem Montageklötzchen
verbundene Abschnitt mit einem Gewinde versehen ist und mit zumindest
einer Mutter zusammenwirkt, um das Montageklötzchen zu verschieben, sowie
zumindest ein Ausgleichsorgan, das dafür eingerichtet ist, eine Rückstellkraft
zwischen der Vorspannungsstange und einem der Montageklötzchen auszuüben.
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In
einer Ausführungsvariante
können
die Mittel für
den Aufbau der Vorspannung zumindest in Translation mit beiden Montageklötzchen verbunden
sein. Diese Mittel für
den Aufbau der Vorspannung können dann
zumindest eine Vorspannungsstange umfassen, von der zumindest die
in Translation mit den Montageklötzchen
verbundenen Abschnitte mit Gewinden in entgegengesetzten Richtungen
versehen sind, wobei zumindest zwei Muttern dafür eingerichtet sind, um diese
mit Gewinde versehenen Abschnitte der Vorspannungsstange aufzunehmen,
und zumindest ein Ausgleichsorgan dafür eingerichtet ist, eine Rückstellkraft
zwischen den Montageklötzchen
auszuüben.
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Je
nach den gewählten
Ausführungsformen
kann die Mutter in das entsprechende Montageklötzchen integriert oder daran
angesetzt sein. Sie kann auch aus einer im Montageklötzchen vorgesehenen
Gewindebohrung bestehen. Man kann auch eine zusätzliche, an das Ende des mit
Gewinde versehenen Abschnitts der Vorspannungsstange angesetzte
Mutter vorsehen, die eine feststellbare Gegenmutter bildet. Die
Vorspannungsstange kann aus der Gruppe ausgewählt werden, die zumindest Schrauben,
Bolzen und Dübel
umfasst, während
das Ausgleichsorgan aus der Gruppe ausgewählt werden kann, die zumindest
die Federn, Federscheiben, Elastomerkissen und Blattfedern umfasst.
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In
bestimmten Fällen
kann die Dehnungsmessvorrichtung ein einziges verformbares Element
umfassen, das im Wesentlichen parallel zur Befestigungsfläche von
zwei Montageklötzchen
zwischen diesen Klötzchen
angeordnet und dafür
eingerichtet ist, sich in einer Ebene im Wesentlichen senkrecht
zu dieser Oberfläche
zu verformen. In diesem Falle können
die Mittel für
den Aufbau der Vorspannung zwei Vorspannungsstangen oder eine Vorspannungsstange
und eine Führungsstange
umfassen, die parallel und symmetrisch zu der Mittelebene angeordnet
sind, die durch dieses verformbare Element verläuft.
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In
anderen Fällen
können
diese Mittel für
den Aufbau der Vorspannung eine einzige Vorspannungsstange umfassen,
die in der Mittelebene angeordnet ist, die durch das verformbare
Element verläuft,
wobei dieses verformbare Element dann eine mittige Aussparung umfassen
kann, deren Querabmessungen die der Vorspannungsstange übersteigen.
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In
noch anderen Fällen
kann die Messvorrichtung zwei verformbare Elemente umfassen, die
zwischen zwei gleichen Montageklötzchen,
symmetrisch zu einer Mittelebene der Vorrichtung und im Wesentlichen senkrecht
zur Befestigungsfläche
dieser Klötzchen
angeordnet und so eingerichtet sind, dass sie sich in einer im Wesentlichen
zu dieser Fläche
parallelen Ebene verformen. In diesem Falle umfassen die Mittel
für den
Aufbau der Vorspannung eine einzige Vorspannungsstange, die in dieser
Mittelebene angeordnet ist.
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Um
Verformungen in mindestens zwei Richtungen zu messen, kann die Dehnungsmessvorrichtung zumindest
zwei und vorzugsweise drei getrennte Montageklötzchen sowie ein gemeinsames
Montageklötzchen
aufweisen.
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In
einer der Ausführungsvarianten
weist die Dehnungsmessvorrichtung zumindest ein verformbares Element
auf, das sich zwischen diesem gemeinsamen Montageklötzchen und
jedem der getrennten Montageklötzchen
erstreckt, wobei die verformbaren Elemente gegeneinander um einen
Winkel α versetzt
sind, der einen Wert besitzt, der aus der Gruppe ausgewählt ist,
die zumindest 30°,
45°, 60°, 90° und 120° umfasst.
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In
einer anderen Ausführungsvariante
weist die Dehnungsmessvorrichtung zumindest ein verformbares Element
auf, das sich zwischen jedem Paar getrennter Montageklötzchen erstreckt,
wobei diese verformbaren Elemente im Wesentlichen im Dreieck angeordnet
sind.
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Das
verformbare Element besteht vorzugsweise aus einer elastischen Lamelle,
die aus einem Werkstoff gefertigt ist, der aus der Gruppe gewählt ist,
der zumindest die rostfreien, strukturell gehärteten oder nicht gehärteten Stähle, die
Titanlegierungen und die Kupfer-Beryllium-Legierungen umfasst. Das
verformbare Element und die Montageklötzchen können vorteilhaft aus einem
einzigen Stück
in einem Werkstoff bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient dem der
zu messenden Struktur ähnlich
ist, wobei dieser Werkstoff aus der obigen Gruppe ausgewählt ist,
die ferner die Aluminiumlegierungen mit einer hohen Streckgrenze
umfasst. In diesem Fall wird das verformbare Element maschinell
so gefertigt oder ausgeschnitten, dass ihm eine Anfangskrümmung in
der Richtung seiner Vorspannungskrümmung erteilt wird.
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Je
nach den erhofften Ergebnissen kann das verformbare Element mit
zumindest einem seiner Enden in einem der Montageklötzchen mittels
zumindest einer der Techniken montiert werden, die aus der Gruppe ausgewählt wird,
die zumindest das Einspannen, das Verschachteln, die Verschraubung,
das Nieten, das Kleben und das Schweissen bzw. Löten umfasst. Das Montageklötzchen kann
einen Montagebereich aufweisen, der dafür bestimmt ist, das Ende des
verformbaren Elements aufzunehmen, wobei dieser Montagebereich vorteilhaft
bezüglich
der Befestigungsfläche
des Montageklötzchens
so geneigt ist, dass dem verformbaren Element eine Anfangskrümmung in
der Richtung seiner Vorspannungskrümmung erteilt wird.
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Je
nach den Anwendungen sind die Montageklötzchen vorteilhafterweise dafür bestimmt,
auf der zu messenden Struktur mit zumindest einer der Techniken
befestigt zu werden, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die zumindest die
Verschraubung, das Nieten, das Kleben und das Schweissen bzw. Löten umfasst.
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Je
nach der eingesetzten Technik werden die Mittel für die Messung
der durch das verformbare Element erlittenen Beanspruchung aus der
Gruppe ausgewählt,
die zumindest die Widerstands-Dehnungsmesssonden, die piezoelektrischen
Sensoren, die Vibrationsaufnehmer und die berührungsfreien Näherungssensoren
umfasst.
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Bevorzugtermassen
werden vier Dehnungsmesssonden verwendet und als Wheatstonesche
Brücke geschaltet.
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Die
Dehnungsmessvorrichtung weist vorzugsweise ein Schutzgehäuse auf,
das zumindest teilweise die Montageklötzchen und das oder die verformbaren
Elemente verdeckt, wobei dieses Gehäuse je nach der Umgebung dicht
sein kann.
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Die
Mittel für
die Signalverarbeitung weisen zumindest einen elektronischen Aufbereitungsschaltkreis auf,
wobei dieser Schaltkreis in das Gehäuse integriert, daran angesetzt
oder davon entfernt und über
Kommunikationsmittel damit verbunden sein kann. Diese Mittel der
Verarbeitung können
ferner dafür
eingerichtet sein, die Innentemperatur der Vorrichtung zu messen
und die Signalwerte in Abhängigkeit
von dieser Temperatur zu korrigieren.
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Die
vorliegende Erfindung und ihre Vorteile werden besser aus der folgenden
Beschreibung von nicht einschränkenden
Ausführungsbeispielen
hervorgehen, die auf die beigefügten
Zeichnungen Bezug nimmt, in denen
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1 eine
längsgeschnittene
Ansicht einer ersten Ausführungsform
der erfindungsgemässen,
einseitig wirkenden Dehnungsmessvorrichtung ist,
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2A, 2B und 2C quergeschnittene
Ansichten der Vorrichtung von 1 entlang
der Schnittlinien AA, BB und CC sind,
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3 eine
der 1 ähnliche
Ansicht einer zweiten Ausführungsform
der Vorrichtung der Erfindung ist,
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4 bis 6 geschnittene
Draufsichten von drei weiteren Ausführungsformen der Vorrichtung
der Erfindung sind,
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7 eine
schematische Profilansicht der Vorrichtung der Erfindung ist,
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8 eine
schematische Ansicht der elektrischen Anordnung der in der Vorrichtung
der Erfindung eingesetzten Dehnungsmesssonden ist,
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9A, 9B und 9C drei
Einbaubeispiele der Dehnungsmesssonden der 8 sind und
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10 und 11 in
Draufsicht zwei Beispiele einer erfindungsgemässen, zweiseitig wirkenden Dehnungsmessvorrichtung
darstellen.
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Die
mechanische Auslegung der erfindungsgemässen, einseitig wirkenden Dehnungsmessvorrichtung 10–14 kann
je nach der gewünschten
Präzision
und je nach dem gewünschten
Umfang der Messungen mehrere Ausführungsformen annehmen. In allen
Ausführungsformen
weist die Dehnungsmessvorrichtung 10–14 ein oder zwei
vorgespannte, verformbare Elemente 20–24 auf, die sich
zwischen zumindest zwei Montageklötzchen 30, 40 erstrecken,
die ein integrierender Bestandteil des oder der (nicht gezeigten)
verformbaren Elemente sein oder, wie veranschaulicht, angesetzte
Stücke
bilden können.
Zumindest eines der Enden jedes verformbaren Elements 20–24 ist
in einem der Montageklötzchen 30, 40 befestigt.
Diese Montageklötzchen 30, 40 definieren
durch ihre Unterseite eine Befestigungsfläche, die es ihnen ermöglicht,
durch Befestigungsschrauben 50 und/oder durch Kleben auf
einer Oberfläche
einer zu messenden Struktur 1 befestigt zu werden. Die
von der zu messenden Struktur 1 erlittenen Zug- oder Druckbeanspruchungen
verursachen differentielle Verschiebungen der Montageklötzchen 30, 40.
Durch diese Verschiebungen werden das oder die verformbaren Elemente 20–24 verformt,
indem sein/ihr Krümmungsradius
vergrössert
oder verkleinert wird. Man zeichnet die Verformung jedes verformbaren
Elements 20–24 mit
Messorganen 60 wie Widerstands-Dehnungsmesssonden auf, die auf eine
oder beide der Seiten jedes verformbaren Elements aufgeklebt werden, mit
einem Verschiebungssensor, der seine Durchbiegung aufzeichnet, mit
einem piezoelektrischen Sensor, der, wie genauer weiter unten ausgeführt werden
wird, in zumindest einem der Montageklötzchen angeordnet ist, um die
Veränderung
der Reaktionskraft jedes verformbaren Elements aufzuzeichnen, usw.
Man kann ebenso eine Vibration des oder der verformbaren Elemente
anregen und mittels eines Vibrationssensors seine bzw. ihre Eigenfrequenz
messen. Die durch diese Messorgane 60 gelieferten Signale
werden mit Verarbeitungsorganen 70 analysiert, die integriert,
angesetzt oder entfernt angeordnet sind.
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Die
einseitig wirkende Dehnungsmessvorrichtung 10–14 der
Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die Mittel 80 für den Aufbau
der Vorspannung, die sich zwischen den beiden Montageklötzchen 30, 40 erstrecken
und dafür
eingerichtet sind, diese beiden Montageklötzchen einander zu nähern und dem
oder den verformbaren Elementen 20–24 eine präzise, regelbare
Vorspannungskrümmung
zu erteilen. Diese Mittel 80 für den Aufbau der Vorspannung
sind ebenfalls dafür
eingerichtet, eine Relativbewegung zwischen den beiden Montageklötzchen 30, 40 zu
erlauben, wenn das oder die verformbaren Elemente 20–24 vorgespannt
sind.
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Genauer
auf 5 und 6 Bezug nehmend, unterscheidet
sich die einseitig wirkende Dehnungsmessvorrichtung 13, 14 vom
Stande der Technik weiter dadurch, dass sie zwei verformbare Elemente 23, 24 aufweist,
die bezüglich
einer Mittelebene symmetrisch und im Wesentlichen senkrecht zur
Befestigungsoberfläche
der Klötzchen,
also auch zu der zu messenden Struktur 1, angeordnet sind,
damit sie sich in einer zu dieser Oberfläche parallelen Ebene verformen.
In den anderen Ausführungsformen,
auf die in 1 bis 4 Bezug
genommen wird, weist die Dehnungsmessvorrichtung 10–12 umgekehrt
ein zentrales verformbares Element 20–22 auf, das im Wesentlichen
parallel zu der Befestigungsfläche
der Klötzchen
angeordnet ist, damit es sich in einer zu dieser Oberfläche senkrechten
Ebene verformt.
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Auf
die 10 und 11 Bezug
nehmend, unterscheiden sich die Dehnungsmessvorrichtungen 15 und 16 schliesslich
vom Stande der Technik insbesondere dadurch, dass sie in einem einzigen
Teil mehrere einseitig wirkende Messvorrichtungen zusammenführen, wodurch
es ermöglicht
wird, die Verformungen in zumindest zwei Richtungen zu messen.
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In
den veranschaulichten Beispielen bestehen das oder die verformbaren
Elemente 20–24 aus
zumindest einer elastischen Lamelle, die aus strukturell gehärtetem oder
nicht gehärtetem
rostfreiem Stahl, einer Titan-, Kupfer- oder Berylliumlegierung
usw. hergestellt ist und eventuell zusammen mit den Montageklötzchen 30, 40 ein
einziges Teil bildet. Die Mittel 80 für den Aufbau einer Vorspannung
bestehen aus zumindest einer Vorspannungsstange 81, die
an ihrem einen Ende mit zumindest einem Kopf 82 und an
ihrem anderen Ende mit einem mit Gewinde versehenen Abschnitt 83 versehen
ist, der einer Mutter 84 zugeordnet ist und mit einem Ausgleichsorgan 85 zusammenwirkt.
Diese Vorspannungsstange 81 kann ein Bolzen, eine Schraube,
ein Dübel,
eine Stange mit zwei entgegengesetzten Gewinden sein, die Schraube 84 kann integriert
oder angesetzt sein oder aus einem Gewinde in einem der Montageklötzchen 30, 40 bestehen,
und das Ausgleichsorgan 85 kann je nach seiner Lage eine
Druck- oder Zugfeder, ein Stapel von Federscheiben, ein Elastomerkissen,
eine oder mehrere Blattfedern oder ein beliebiges, gleichwertiges
federndes Organ sein, dessen Steifigkeit je nach den Bedürfnissen
gewählt
und/oder angepasst werden kann. Der aus der Vorspannungsstange 81 und
der Mutter 84 gebildete Bausatz kann auch durch eine Achse
ersetzt werden, die mit einem Exzenter, einem Nocken, Einschnitten
oder einem beliebigen, gleichwertigen Organ verbunden ist, das es
ermöglicht,
ein Montageklötzchen
bezüglich
des anderen in präziser
und reproduzierbarer Weise zu verschieben. Wenn die Messorgane 60 aus
piezoelektrischen Sensoren bestehen, können diese unter dem Kopf 82 der
Vorspannungsstange 81, unter dem Ausgleichsorgan 85 oder
unter der Mutter 84 angeordnet werden.
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Eine
erste Ausführungsform
der Dehnungsmessvorrichtung 10 wird in den 1 und 2 veranschaulicht, wobei 1 eine
längsgeschnittene
Ansicht dieser Vorrichtung in einer Schnittebene ist, die durch
eine Vorspannungsstange 81 verläuft, und 2A bis 2C quergeschnittene
Ansichten in Schnittebenen sind, die durch eine Befestigungsschraube 50 des
Montageklötzchens 30 auf
der zu messenden Struktur 1, durch das verformbare Element 20 bzw.
durch die Befestigungsschrauben 51 des verformbaren Elements 20 im Montageklötzchen 40 verlaufen.
In diesem Beispiel hat das verformbare Element 20 eine
im Wesentlichen rechteckige Gestalt. Jedes Ende dieses verformbaren
Elements 20, das durch die Schmalseiten des Rechtecks gebildet
wird, ist in einen Schlitz 31, 41 eingespannt,
der im entsprechenden Montageklötzchen 30, 40 vorgesehen
ist, und darin mit zwei Befestigungsschrauben 51 befestigt.
Diese Schlitze 31, 41 sind bezüglich der Befestigungsfläche der
Klötzchen
geneigt, um diesem verformbaren Element 20 eine Anfangskrümmung in
der Richtung seiner Vorspannungskrümmung zu erteilen. Die Befestigung
der Enden des verformbaren Elements 20 kann auch durch
ein beliebiges anderes Mittel wie eine Laserverschweissung, einen
Elektronenbeschuss, ein direktes Anziehen der beiden Befestigungsschrauben
usw. erhalten werden. Gegebenenfalls erlauben es diese anderen Befestigungsmittel,
die maschinell teuer herzustellenden Schlitze 31, 41 in
den Montageklötzchen
wegzulassen. In allen Fällen
weisen die Montageklötzchen 30, 40 einen
Montagebereich auf, der bezüglich
ihrer Befestigungsfläche
geneigt ist, um dem verformbaren Element 20 eine Anfangskrümmung in
der Richtung seiner Vorspannungskrümmung zu verleihen.
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Die
Mittel 80 für
den Aufbau der Vorspannung am verformbaren Element 20 weisen
zwei Vorspannungsstangen 81 auf, die zum verformbaren Element 20 parallel
und symmetrisch angeordnet sind, um so die Beanspruchungen gleichförmig zu
verteilen und dem verformbaren Element 20 eine Verformung
durch Knicken in einer einzigen Richtung zu erteilen, wobei diese
Richtung im Voraus durch die Anfangskrümmung definiert werden kann,
die ihm bei seiner Montage in die Montageklötzchen 30, 40 erteilt
worden ist. Jede Vorspannungsstange 81 quert das Montageklötzchen 30,
das in der Nähe
ihres Kopfes 82 angeordnet ist, frei in einer glatten Bohrung 32 und
wird in ein Gewinde 42 eingeschraubt, das im anderen Montageklötzchen 40 vorgesehen
ist, wobei dieses Gewinde 42 die Mutter 84 darstellt.
Eine Gegenmutter 86 ist am Ende der Vorspannungsstange 81 vorgesehen,
um jede Gefahr einer Lösung
der Verschraubung und somit eines Verlustes der Einstellung der
Vorspannung zu vermeiden. Um die Herstellungskosten zu verringern,
kann jede Vorspannungsstange 81 die Montageklötzchen 30 und 40 frei
in glatten Bohrungen 32 und 42 durchqueren, um
in die die Mutter 84 bildende Mutter 86 eingeschraubt
zu werden, die zum Beispiel in einem Sitz angebracht ist, der im
Montageklötzchen 40 vorgesehen
ist und ihre Verdrehung verhindert.
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Die
eine der beiden Vorspannungsstangen 81 kann durch eine
einfache, glatte Führungsstange
ersetzt werden. In Gegenwart von zwei Vorspannungsstangen 81 wird
die Realisierung vereinfacht, indem identische Teile eingesetzt
werden können.
Diese Ausführung
ermöglicht
es, die Vorspannungskrümmung
jedes verformbaren Elements 20 präzise einzustellen und diese
Einstellung reproduzierbar zu machen, weil der Mittenabstand zwischen
den beiden Montageklötzchen 30, 40 gemessen
und leicht reproduziert werden kann. Ausserdem ermöglichen
es die Vorspannungsstangen 81, die beiden Montageklötzchen 30, 40 mechanisch zu
verbinden und damit jede Gefahr einer Verstellung zu vermeiden.
Ausserdem ermöglicht
es diese Ausführung,
die auf die Befestigungspunkte der Montageklötzchen 30, 40 an
der zu messenden Struktur 1 wirkenden Beanspruchungen ins
Gleichgewicht zu bringen, indem sie die Wechselwirkungen mit dieser
Struktur sehr schwach machen und es ermöglichen, die Einstellung der
Vorspannung während
eines Transports oder eines Auseinanderbaus der Dehnungsmessvorrichtung 10 zu
bewahren. Ein Ausgleichsorgan 85 ist koaxial in einem dafür vorgesehenen
Sitz 33 auf jeder Vorspannungsstange 81 zwischen
ihrem Kopf 82 und dem Befestigungsklötzchen 30 angeordnet.
Es erlaubt eine Relativbewegung der beiden Montageklötzchen 30, 40,
damit sie den Verformungen der zu messenden Struktur 1 folgen
können.
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Die
Mittel 70 für
die Verarbeitung der von den Messorganen 60 ausgesendeten
Signale bestehen aus einem elektronischen Aufbereitungsschaltkreis,
der direkt über
dem verformbaren Element 20 und den Montageklötzchen 30, 40 angebracht
ist. Durch ihn können
die Kreise für
die Spannungsregelung, die Verstärkungsregelung,
die Offsetverstellung und die thermische Kompensation integriert
werden, ohne Widerstände für den Temperaturausgleich
auf dem verformbaren Element 20 vorzusehen. Allerdings
können
solche Temperaturausgleichswiderstände in Anordnungen, die dem
Fachmann vollkommen bekannt sind, hinzugefügt werden, um die Genauigkeit
der thermischen Kompensation zu verbessern.
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Diese
Dehnungsmessvorrichtung 10 ist in einem Schutzgehäuse 90 untergebracht,
das je nach der Umgebung, in die es gebracht wird, dicht oder nicht
dicht sein kann. Im veranschaulichten Beispiel ist das Schutzgehäuse 90 nicht
dicht und weist einen Deckel 91, der den oberen Abschnitt
und die seitlichen Abschnitte der Dehnungsmessvorrichtung 10 überdeckt,
sowie eine Platte 92 auf, die zwischen den beiden Montageklötzchen 30, 40 angeordnet
ist. Das Schutzgehäuse 90 bleibt
an seinen Enden offen, um eine Schicht von Leiterdrähten 71 durchzulassen,
mit denen die Dehnungsmesssonden elektrisch versorgt, der elektronische Aufbereitungsschaltkreis 70 mit
einem Apparat für
das Auslesen der Signale und/oder zum Beispiel einer (nicht dargestellten)
rechnergesteuerten Verwaltungseinheit verbunden werden kann. Der
Deckel 91 kann durch Aufstecken, Einrasten oder Anformen
fest mit den Montageklötzchen 30, 40 verbunden
werden. Die Platte 92 kann als ein Anschlag dienen, um
zu vermeiden, dass das verformbare Element 20 durch ein übermässiges Festziehen
der Mittel 80 für
den Aufbau der Vorspannung Schaden nimmt.
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Der
Zusammenbau und die Einstellung der Dehnungsmessvorrichtung 10 erfolgen
auf folgende Weise. Das verformbare Element 20 wird durch
Einklemmen seiner Enden in die Schlitze 31, 41 an
den Montageklötzchen 30, 40 montiert,
dann durch die vier Befestigungsschrauben 51 gemeinsam
befestigt. Die Neigung der Schlitze 31, 41 bewirkt
eine elastische Verformung des verformbaren Elements 20,
das eine Anfangskrümmung
annimmt. Die Vorspannungsstangen 81 mit ihrem Ausgleichsorgan 85 werden
mit dem Montageklötzchen 30 in
Eingriff gebracht, dann in das Montageklötzchen 40 eingeschraubt.
Eine Drehung der Vorspannungsstangen 81 mit Hilfe eines
Werkzeugs, das der im Kopf 82 vorgesehenen Prägung angepasst
ist, bewirkt ein Zusammendrücken
der Ausgleichsorgane 85 und eine Annäherung der Montageklötzchen 30, 40,
was zu einer Verbiegung und einer Erhöhung des Krümmungsradius des verformbaren
Elements 20 führt
und so seine Vorspannung hervorruft. Durch das Vorhandensein der
Ausgleichsorgane 85 wird die Einstellung verfeinert. Durch
ihre Reaktion können
die durch das verformbare Element 20 auf die Montageklötzchen 30, 40 ausgeübten waagerechten
Beanspruchungen ins Gleichgewicht gebracht werden. Durch die Führung der
Montageklötzchen 30, 40 in
den Vorspannungsstangen 81 werden die diesen Klötzchen erteilten,
durch das Abknicken des verformbaren Elements 20 verursachten
Momente ins Gleichgewicht gebracht. Diese Führung erteilt dem verformbaren
Element 20 eine Verformung in einer einzigen Richtung und
bewirkt, dass sich seine beiden Befestigungspunkte, d.h. die beiden
Montageklötzchen 30, 40,
um einen bestimmten Betrag näher kommen.
Eine Kenntnis dieses Betrages ermöglicht die Reproduzierbarkeit
der Einstellung der Vorspannung des verformbaren Elements 20.
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Nachdem
die Dehnungsmessvorrichtung 10 voreingestellt worden ist,
kann man sie auf die Oberfläche einer
zu messenden Struktur 1 aufkleben und/oder aufschrauben,
um die Verformungen dieser Struktur zu messen, oder zuerst auf ein
Eichelement, um die elektrischen Eigenschaften der Messorgane 60 zu
eichen und einzustellen. Die Ausgleichsorgane 85, die sich
den waagerechten Beanspruchungen des verformbaren Elements 20 entgegenstellen,
verringern die Beanspruchungen an seinen Befestigungspunkten in
den Montageklötzchen 30, 40.
Trotzdem wird durch die Elastizität dieser Ausgleichsorgane 85 ein
Funktionieren der Dehnungsmessvorrichtung 10 ermöglicht,
ohne dass die Vorspannungsstangen 81 herausgezogen werden
müssten.
Die spezielle Anordnung dieser Vorspannungsstangen 81 ermöglicht es,
Befestigungsschrauben 50 von verringertem Querschnitt oder
eine einfache Verklebung zu verwenden, ohne ein Kriechen der Dehnungsmessvorrichtung 10 befürchten zu
müssen.
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Diese
erste Ausführungsform,
die eine statisch überbestimmte
Montage des verformbaren Elements 20 verwendet, ermöglicht es,
eine hohe Empfindlichkeit, eine gute Messgenauigkeit und eine gute
Reproduzierbarkeit der Vorspannung zu erhalten. Hingegen beschränkt sie
den Umfang der Messung, kompliziert deutlich die Montage und kann
hohe thermische Driften aufweisen. Eine statisch überbestimmte
Montage erlaubt nämlich
keinen Freiheitsgrad für
Ausdehnungen und bewirkt daher erhöhte thermische Spannungen.
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Eine
zweite Ausführungsform
einer Dehnungsmessvorrichtung 11 wird in 3 dargestellt,
die eine längsgeschnittene
Ansicht in einer Schnittebene ist, die durch die Befestigungsschrauben 50 der
Vorrichtung auf der zu messenden Struktur 1 verläuft. In
dieser Variante ist das verformbare Element 21 nur von
einer Seite in einen Schlitz 41 des Montageklötzchens 40 eingespannt
und bildet einen „Ausleger" genannten Balken.
Das andere Ende wird durch eine Nase 34 im anderen Montageklötzchen 30 von
oben her gehalten. Wie im vorangehenden Beispiel ist der Schlitz 41 gegenüber der
Befestigungsfläche
der Klötzchen
geneigt, um dem verformbaren Element 21 eine Anfangskrümmung in
der Richtung seiner Vorspannungskrümmung zu erteilen. Diese Montage
ist isostatisch und ermöglicht
bei gleicher Platzbeanspruchung einen grösseren Messumfang und eine
geringere Empfindlichkeit gegenüber
thermischen Veränderungen,
da sie einen grösseren
Freiheitsgrad bietet. Das Schutzgehäuse 90 weist an seinen
Enden zwei Wände 93 auf,
die im Wesentlichen die zwischen den Montageklötzchen 30, 40 und
dem Deckel 91 gelassenen Öffnungen verschliessen. Eine
dieser Wände 93 an
den Enden lässt
die Schicht von Leiterdrähten 71 des
elektronischen Aufbereitungs-Schaltkreises 70 durch.
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Drei
weitere Ausführungsformen
werden in den 4 bis 6 dargestellt,
in denen die Dehnungsmessvorrichtung 12, 13, 14 nur
eine einzige Vorspannungsstange 71 umfasst, die in der
Mittelebene der Vorrichtung angeordnet ist. Diese 4 bis 6 sind
Draufsichten in einer Schnittebene, die durch diese Vorspannungsstange 81 verläuft, und
zeigen drei Ausführungsbeispiele
des verformbaren Elements 22, 23, 24.
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In
der dritten Ausführungsform,
die auf 4 Bezug nimmt, weist die Dehnungsmessvorrichtung 12 ein
verformbares Element 22 von im Wesentlichen rechteckiger
Gestalt auf, das grösser
als die voraufgehenden 20, 21 ist. Dieses verformbare
Element 22 weist eine mittige Aussparung 22' auf, die einen
grösseren Durchmesser
als die Vorspannungsstange 81 hat, um sie durchzulassen,
wenn das Element vorgespannt ist. Die Enden dieses verformbaren
Elements 22 bilden eine grössere Verankerung in den Montageklötzchen 30, 40 und
gewährleisten
eine Verformung des verformbaren Elements 22 in einer einzigen
Richtung, wobei diese Richtung im Voraus durch eine Anfangskrümmung definiert
werden kann, die diesem verformbaren Element 22 während seiner
Montage erteilt wird. Da dieser Aufbau in der Waagerechten im Gleichgewicht
ist, wird nur eine Vorspannungsstange 81 gebraucht. Durch
die mittige Aussparung 22' wird
der Querschnitt des verformbaren Elements 22 verringert
und eine übertriebene
Vergrösserung
der waagerechten Beanspruchungen in seinen Befestigungspunkten vermieden.
Die Gestalt dieses verformbaren Elements 22 kann Vorteile
für den Einbau
der (in dieser Figur nicht gezeigten) Dehnungsmesssonden 60 aufweisen.
Seine Befestigung in den Montageklötzchen 30, 40 kann
nach der überbestimmten
Montage von 1 oder der isostatischen Montage der 3 erfolgen.
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In
der vierten Ausführungsform
weist unter Bezugnahme auf 5 die Dehnungsmessvorrichtung 13 zwei
identische verformbare Elemente 23 auf, die zu beiden Seiten
der Vorspannungsstange 81 symmetrisch zur Mittelebene der
Dehungsmessvorrichtung 13 montiert sind. Wie im vorangehenden
Beispiel besteht das Ziel dieser Ausführungsform darin, die Reaktionskräfte der
verformbaren Elemente 23 in den Montageklötzchen 30, 40 ins
Gleichgewicht zu bringen. In dieser Ausführung sind die verformbaren
Elemente 23 auf ihrem Feld montiert, und ihre Enden sind
in Schlitze 31, 41 eingespannt, die in den Montageklötzchen 30, 40 vorgesehen
und bezüglich
der Mittelebene geneigt sind, um den verformbaren Elementen 23 eine
Anfangskrümmung
in der Richtung ihrer Vorspannungskrümmung zu verleihen. Bei dieser
Montage bringen sich die Reaktionsmomente der beiden verformbaren
Elemente 23 mit senkrechten Achsen, die die Montageklötzchen 30, 40 in
einer waagerechten Ebene zu drehen suchen, gegenseitig ins Gleichgewicht.
Das Ausgleichsorgan 85 gleicht in gleicher Weise die waagerechten
Reaktionen aus, und die Summe der auf die zu messende Struktur 1 wirkenden
Reaktionen ist null, wenn sich die Dehnungsmessvorrichtung 13 in
ihrer Ausgangslage befindet. Die axiale Führung der Vorspannungsstange 81 in
den Montageklötzchen 30, 40 wird
wegen der vollkommenen Montagesymmetrie, die es ermöglicht,
die Beanspruchungen ins Gleichgewicht zu bringen, unnütz. Die einzige
auf die zu messende Struktur ausgeübte Belastung ist die Differenz
zwischen der Reaktion der verformbaren Elemente 23 und
des Ausgleichsorgans 85, die bei einer gegebenen Arbeitsposition
vorhanden ist.
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In
der fünften
Ausführungsform
unterscheidet sich unter Bezugnahme auf 6 die Dehnungsmessvorrichtung 14 von
der vorangehenden dadurch, dass die beiden Montageklötzchen 30, 40 und
die beiden verformbaren Elemente 24 aus einem einzigen
Flachstück
geringer Dicke bestehen. Diese Variante ist vom wirtschaftlichen
Standpunkt her vorteilhaft, wenn man die Verringerung der Anzahl
von Teilen und die Leichtigkeit der Montage berücksichtigt, aber auch vom mechanischen
Standpunkt her, wenn man den Wegfall der bei jedem Zusammenbau unvermeidlichen
Nichtlinearitäten
berücksichtigt.
Ausserdem kann sie zu geringsten Kosten realisiert werden, indem
dieses Stück
durch Ausschneiden von Walzblech oder geschliffenem Blech mit allen
bekannten Mitteln wie Drahtfunkenerosion, Wasserstrahlschneiden,
Schneiden mit einem Schneidwerkzeug usw. gewonnen wird. Um dieses
Stück herzustellen,
wird bevorzugt ein Werkstoff gewählt,
dessen Ausdehnungskoeffizient dem der zu messenden Struktur 1 ähnlich ist,
zum Beispiel ein rostfreier Stahl, ein Stahl mit hoher Streckgrenze
vom Typ Z200 C12, ein strukturgehärteter Stahl, Titanlegierungen,
Legierungen von Kupfer und Beryllium, Aluminiumlegierungen mit hoher
Streckgrenze usw. In dieser Ausführungsform
werden die verformbaren Elemente 24 gekrümmt geformt
oder ausgeschnitten, um ihnen eine Anfangskrümmung in der Richtung ihrer
Vorspannungskrümmung
zu verleihen.
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Die
Verformung des oder der verformbaren Elemente 20–24 ist
für alle
Ausführungsformen
der erfindungsgemässen
Dehnungsmessvorrichtung 10–14 ähnlich.
Unter Bezugnahme auf das Schema von 7 weist
jedes verformbare Element 20–24 eine konvexe Seite
A und eine konkave Seite B auf. Die konvexe Seite A weist positive
Zugspannungen im mittleren Bereich und negative Druckspannungen
in den eingespannten Bereichen auf. Auf der konkaven Seite B sind
die Vorzeichen der Spannungen umgekehrt. Mehrere Installationen
der Messorgane 60 sind dann möglich. Nur die als Vollbrücken oder
Wheatstone-Brücken
bekannten Schaltungen mit vier Dehnungsmesssonden 61, 62,
die die stärksten
und am wenigsten gestörten
Signale liefern, werden vorgestellt. Die vier Dehnungsmesssonden 61, 62 sind nach
dem Schema der 8 geschaltet. Die Signale der
beiden einander gegenüber
liegenden Dehnungsmesssonden 61, 62 addieren sich,
die Signale der beiden benachbarten Dehnungsmesssonden 61, 62 schwächen einander,
so dass Kombinationen interessanter Signale gewonnen werden können, indem
die Lage der Dehnungsmesssonden 61, 62 variiert
wird. In den Ausführungen
der 1 bis 4 sind die vier Sonden 61, 62 über die
eine oder über
beide Seiten des verformbaren Elements 20–22 verteilt,
in den Ausführungen
der 5 und 6 sind die vier Sonden 61, 62 jeweils
zu zweit über
die eine oder die beiden Seiten jedes verformbaren Elements 23, 24 verteilt.
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9A bis 9C veranschaulichen
drei mögliche
Anordnungen der Dehnungsmesssonden 61, 62. In 9A sind
die vier Dehnungsmesssonden 61, 62 auf einer einzigen
Seite des verformbaren Elements, A oder B, angeordnet. Sie sind
nebeneinander im Quadrat angeordnet und jeweils zueinander umgekehrt.
Es handelt sich um eine als „Zugbrücke" bekannte Anordnung.
Die beiden längs
ausgerichteten Dehnungsmesssonden 61 nehmen die Hauptverformung
auf, die beiden quer ausgerichteten Dehnungsmesssonden 62 verzeichnen
eine Kontraktion umgekehrten Vorzeichens, die „Poisson-Effekt" genannt wird. Das
Signal ist gegenüber
dem einer einzigen Dehnungsmesssonde 61, 62 mit
dem Faktor 2,6 multipliziert. Diese Anordnung verlangt drei kleine
Dehnungsmesssonden 61, 62 und ist bei Dehnungsmesssonden,
die in Dünnschichten
eingelassen sind, besonders vorteilhaft.
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In 9B werden
die Dehnungsmesssonden 61, 62, jeweils zu zweit
längs ausgerichtet,
in der Mitte jeder Seite A und B des verformbaren Elements 20–24 angeklebt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, ein stärkeres Signal zu liefern und
den Einsatz grösserer
Dehnungsmesssonden zu ermöglichen.
Ihre Platzierung ist aber komplizierter.
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In 9C werden
die vier Dehnungsmesssonden 61, 62 auf nur einer
Seite des verformbaren Elements 20–24, A oder B, angeordnet.
Sie sind als Rechteck ausgelegt und längs ausgerichtet. Diese Anordnung erweist
sich als die interessanteste, da sie es ermöglicht, ein Signal zu erfassen,
das fast ebenso stark wie mit der Anordnung der 9B ist,
dabei aber nur verlangt, eine einzige Seite des verformbaren Elements 20–24 zu
bestücken,
indem der Vorzeichenwechsel der Beanspruchungen nahe den Enden des
verformbaren Elements 20–24 ausgenutzt wird.
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In
den in 1 bis 7 dargestellten Dehnungsmessvorrichtungen 10–14 ist
die Anordnung der Dehnungsmesssonden 61, 62 in Übereinstimmung
mit den 8 und 9 dergestalt,
dass das oder die verformbaren Elemente 20 –24 nur
gegenüber
linearen Verformungen der zu messenden Struktur 1 empfindlich
sind, d.h. gegenüber
Verformungen, die in der Längsachse
jedes verformbaren Elements 20–24 ausgerichtet sind. Das
bedeutet, dass die Richtung der zu messenden Verformungen im Voraus
bekannt sein muss.
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In
den Dehnungsmessvorrichtungen 13 und 14 der 5 und 6 können die
Dehnungsmesssonden 61, 62 leicht so angeordnet
werden, dass die verformbaren Elemente 23 und 24 gegenüber Verdrehungen (Scherbeanspruchungen)
empfindlich sind. Zu diesem Zweck kann man unter Bezugnahme auf 9C die beiden
mittleren Dehnungsmesssonden 61 in zwei benachbarten Armen
der Wheatstone-Brücke
und die beiden Dehnungsmesssonden 62 von den Enden in den übrigen beiden
Armen der Brücke
anschliessen.
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Unter
der Annahme, dass die Richtung der zu messenden Verformungen nicht
bekannt ist, muss die Dehnungsmessvorrichtung in der Lage sein,
zweiseitig wirkende Verformungen, die in einer Ebene liegen, mit Hilfe
von zwei oder drei verformbaren Elementen zu erfassen, die in unterschiedlichen
Richtungen ausgerichtet sind. Es muss nämlich möglich sein, drei Unbekannte
zu bestimmen: die beiden Hauptdehnungen und ihren Ausrichtungswinkel
in einer gleichen Ebene.
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Die
originelle Auslegung der erfindungsgemässen Dehnungsmessvorrichtung 10–14 ermöglicht es, eine
einfache und wirtschaftliche Lösung
beizubringen, indem zwei oder drei ähnliche Vorrichtungen zu einer einzigen
kombiniert werden. 10 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel
einer zweiseitig wirkenden Dehnungsmessvorrichtung 15,
in der drei Dehnungsmessvorrichtungen 14 von 6 kombiniert
sind. Die drei Dehnungsmessvorrichtungen 14 sind um ein
gemeinsames, in der Mitte angeordnetes Montageklötzchen 40 herum zusammengefügt. Die
drei anderen Montageklötzchen 30 sind
in gleichen Abständen
mit mittleren Montageklötzchen 40 angeordnet
und gegeneinander um einen Winkel α versetzt, der im Wesentlichen
120° beträgt, so dass
360° überdeckt
werden. Andere Konfigurationen sind möglich. Bevorzugt werden Werte
des Winkels α gewählt, die
für die
Berechnungen bequem sind, zum Beispiel 45°, wobei die Vorrichtung dann
90° überdeckt,
oder 60°,
wobei die Vorrichtung dann 120° überdeckt.
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11 veranschaulicht
ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer zweiseitig wirkenden Dehnungsmessvorrichtung 16,
die ebenfalls drei Montageklötzchen 30 umfasst,
die in gleichen Abständen
von einem Klötzchen 40 in
der Mitte und gegeneinander um einen im Wesentlichen 120° betragenden
Winkel versetzt angeordnet sind, so dass 360° überdeckt werden. Der Unterschied
liegt in den verformbaren Elementen 24, von denen drei
vorhanden sind, die sich zwischen jeweils zwei Montageklötzchen 30 erstrecken,
um im Wesentlichen ein Dreieck oder ein Delta zu bilden.
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Indem
eine zweiseitig wirkende Dehnungsmessvorrichtung 15, 16 durch
Einsatz der Technologie verwirklicht wird, die in der Vorrichtung 14 verwendet
wurde, kann in einfacher Weise und zu geringsten Kosten als ein
einziges ausgeschnittenes Stück
der Bausatz hergestellt werden, der aus den Montageklötzchen 30, 40 und
den verformbaren Elementen 24 gebildet wird. Die verformbaren
Elemente 24 werden bevorzugt mit einer leichten Krümmung geformt
oder ausgeschnitten, um ihnen eine Anfangskrümmung in der Richtung ihrer Vorspannungskrümmung zu
verleihen. Sie werden unabhängig
oder paarweise mit Hilfe einer oder zweier Vorspannungsstangen 81 vorgespannt,
jede in eine Mutter 84 eingeschraubt, die aufgesetzt und
in einer Aussparung 43 untergebracht ist, die im mittleren
Montageklötzchen 40 vorgesehen
ist. Diese Vorspannung ist selbstverständlich wie in allen vorstehend
beschriebenen Ausführungsvarianten
reproduzierbar und unverstellbar. In der Dehnungsmessvorrichtung 16 muss
das gemeinsame, mittlere Montageklötzchen 40 nicht auf
der zu messenden Struktur 1 aufgeklebt oder befestigt werden.
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Jedes
verformbare Element 24 ist mit Dehnungsmesssonden 61, 62 ausgerüstet und
funktioniert als einseitig wirkender Sensor. Man nutzt dann die
dem Fachmann wohlbekannten Eigenschaften des Mohrschen Kreises,
um die Moduln und die Hauptrichtungen der Verformungen der zu messenden
Struktur 1 zu bestimmen. Man kann die Deformationsmatrix
in der Richtung der verformbaren Elemente 24 in einem Punkt
rekonstituieren. In dieser besonderen Ausführungsform werden drei verschiedene
Signale erzeugt, die später
oder unmittelbar mit dem elektronischen Aufbereitungsschaltkreis
verarbeitet werden können,
der dann die für
die Signalverarbeitung erforderlichen Berechnungen in sich vereint.
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Jedes
verformbare Element 24 kann vier Dehnungsmesssonden 61, 62 aufnehmen,
die so positioniert und verdrahtet sind, dass sie für Längsverformungen
empfindlich sind, und zumindest eines der verformbaren Elemente 24 kann
vier Dehnungsmesssonden 61, 62 aufnehmen, die
so positioniert und verdrahtet sind, dass sie für Scherverformung empfindlich
sind. In diesem Falle ist es möglich,
nur zwei Messvorrichtungen 14 einzusetzen, die im rechten
Winkel angeordnet sind, aber nur für die Dehnungsmessvorrichtung 15.
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Es
geht klar aus der vorliegenden Beschreibung hervor, dass die Erfindung
die gestellten Ziele zu erreichen erlaubt. Die besondere Auslegung
der Dehnungsmessvorrichtung 10–16 ermöglicht dank
der Optimierung bestimmter Eigenschaften eine sehr einfache Realisierung
und Nutzung:
- • Die Auslegung dieser Messvorrichtung 10–16 auf
der zu messenden Struktur 1 ist sehr rasch und wirtschaftlich
und verlangt nicht die Mitwirkung eines spezialisierten Technikers.
- • Die
Auslegung verlangt keinerlei Modifikation der zu messenden Struktur 1.
- • Die
Steifigkeit der Messvorrichtung 10–16 ist gegenüber derjenigen
der zu messenden Struktur 1 sehr gering und hat daher auf
diese Struktur keinerlei Einfluss.
- • Das
Gleichgewicht der Beanspruchungen an den Befestigungspunkten ermöglicht es,
die Messvorrichtung 10–16 lediglich
mit Hilfe kleiner Befestigungsschrauben 50 oder eines einfachen
Klebens auf der zu messenden Struktur anzubringen.
- • Die
Messvorrichtung 10–16 kann
im Fall von strengen Umweltbedingungen ganz dicht gestaltet werden.
- • Der
elektronische Aufbereitungsschaltkreis 70 kann integriert
werden.
- • Zahlreiche
Eigenschaften können
vor Einsatz dieser Messvorrichtung 10–16 programmiert werden,
so das Verhältnis
zwischen der gemessenen Verformung und dem elektrischen Ausgangssignal
und die Kompensation der Ausdehnung des verformbaren Elements 20–24.
- • Bestimmte
Eigenschaften können
aus der Entfernung umprogrammiert werden, ohne mechanisch an der Messvorrichtung 10–16 einzugreifen,
zum Beispiel der Wert der Versetzung, eine genaue Nacheichung an Ort
und Stelle usw.
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Selbstverständlich ist
die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt,
sondern erstreckt sich auf alle für den Fachmann offensichtlichen
Abwandlungen und Varianten, bleibt dabei aber innerhalb des Schutzumfangs,
wie er in den beigefügten
Ansprüchen
definiert wird.
