FI107193B - Mittausanturi - Google Patents

Description

107193

Mittausanturi - Mätningsgivare

Keksinnön kohteena on mittausanturi rakenteeseen kohdistuvien kuormitusten, jännitysten ja/tai materiaaliväsymisen mittaamiseksi. Keksintö on sovellettavissa erityi-5 sesti laivan rungon jännitysten ja kuormitusten mittaamiseen.

Laivan runkoon kohdistuvia kuormituksia on mitattava jatkuvasti, jotta huomataan rakenteissa mahdollisesti tapahtuvat muutokset, kuten materiaalin väsyminen, ennen rakenteiden rikkoutumista. Vastaavia mittauksia suoritetaan myös muista rakenteista, kuten muista kulkuneuvoista, silloista ja rakennuksista.

10 Ennestään tunnetaan menetelmiä, joissa laivan runkoon kiinnitetään mittausantureita, jotka mittaavat rakenteen paikallisia muodonmuutoksia. Kuvassa 1 on esitetty laivan rungon pääkansi 10 ylhäältä katsottuna ja tyypillinen mittausanturien 11, 12, 13 ja 14 sijoittelu laivarangon pääkannessa. Mittausantureina käytetään tyypillisesti n. 1-2 metrin pituisia terästankoja, jotka kiinnitetään pysyvästi esim. hitsaamalla lai-15 van rungon pääkanteen siten, että tangon toinen pää on kiinteä ja toinen voi liikkua aksiaalisesti. Liittymäkohtaan on sijoitettu esim. liikeanturi, joka mittaa keskinäistä liikettä. Mittausanturien tangon tulee olla vähintään edellä mainitun pituisia, jotta tankojen suhteellinen liike olisi riittävän suuri (tyypillisesti maks. +/- 5 mm) ja muodonmuutosten mittaus olisi riittävän tarkka.

: ·. 20 Ennestään tunnetuissa menetelmissä mittausantureista saatava heikko signaali johde- . ·. : taan mittausjärjestelmän keskusyksikköön, jossa antureista saadut signaalit vahviste- ' · taan, muunnetaan digitaaliseen muotoon sekä suoritetaan matemaattinen signaalin- • · ... käsittely. Standardeissa on määritelty erilaisia malleja signaalien käsittelemiseksi, jotta kriittiset muodonmuutokset voitaisiin havaita mittaustuloksista mahdollisina- • « · *·* ‘ 25 man luotettavasti. Tällaisia malleja ovat mm. taajuusalueanalyysi ja ns. Rainflow- luokittelu. Rainflow-luokitus on määritelty mm. standardissa ASTM E1049-85 (Reapproved 1990).

• · · • · / . Edellä mainittuihin tekniikan tason mukaisiin mittausantureihin liittyvänä ongelma- » t » ‘ : na on se, että niitä on hankala kalibroida. Suuren mittausanturin irrottaminen laivan : : 30 rungosta on nimittäin hyvin työlästä ja toiseksi suurikokoisen mittausanturin käyt- :: : täytyminen laivarunkoon kiinnitettynä voi olla erilainen kuin kalibrointiolosuhteissa.

... : Näin ollen tarkka ja luotettava kalibrointi on vaikeaa. Samoin vioittuneen mittausan turin vaihto on hankalaa.

2 107 Ί 93

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena on välttää edellä mainittuja, tekniikan tasoon liittyviä ongelmia uuden mittausanturiratkaisun avulla.

Keksinnön eräänä ajatuksena on muodostaa mittausanturi anturiyhteestä ja venymäliuskasta siten, että muodonmuutokset välittyvät anturiyhteessä olevaan joustavaan 5 alueeseen kiinnitettyyn venymäliuskaan. Joustava alue on edullisesti muodosjtettu anturiyhteessä olevalla kaksois-H-avauksella. Lisäksi anturi käsittää edullisesti läm-pötilakalibrointiin tarkoitetun toisen venymäliuskan, joka on kiinnitetty anturiyh|teen osaan, johon ei synny muodonmuutosta. Tällöin mittausanturi saadaan kooltaan pieneksi, mutta kuitenkin tarkaksi, ja sitä voidaan helposti käsitellä esim. kalibroinnin 10 yhteydessä.

Keksinnön mukaiselle mittausanturille rakenteen kuormitusten mittaamiseksi, joka anturi käsittää anturiyhteen, jossa on kaksi jäykkää aluetta mitattavaan rakenteeseen kiinnittämistä varten sekä niiden välissä joustava alue, jolloin mainittuun joustavaan alueeseen on kiinnitetty ensimmäinen venymäliuska rakenteen ja anturiyhteen nauo-15 donmuutosten välittämiseksi venymäliuskaan muodonmuutoksiin verrannollisen;signaalin muodostamista varten, on tunnusomaista se, että joustava alue käsittää kaksi rinnakkaista H-avausta, jolloin mainittu H-avaus käsittää kaksi rinnakkaista avausta sekä niitä yhdistävän avauksen.

Keksinnön edullisia suoritusmuotoja on esitetty epäitsenäisissä patenttivaatimuksis-20 sa.

: ' · · Seuraavassa keksintöä selostetaan tarkemmin oheisten piirustusten avulla, joissa kuva 1 esittää erästä tavanomaista mittausanturien sijoittelua laivarungon kan- « · ... teen, • ♦ · 7 • · · »·» : kuva 2 esittää lohkokaaviona erästä mittausjärjestelmää keksinnön mukaista 25 mittausanturia varten, • · ♦ • · f.'. kuva 3 esittää lohkokaaviona erästä mittausyksikköä keksinnön mukaista mittau- •: * ’ s anturia varten, « · • · · . \,,: kuva 4 esittää vuokaaviota eräästä suoritusmuodosta mittaustietojen siirtämiSek- si, ....: 30 kuva 5a esittää erästä keksinnön mukaista mittausanturia päältä ja kuva 5b esittää erästä keksinnön mukaista mittausanturia sivulta.

107193 3

Kuvaa 1 selostettiin jo edellä tekniikan tason kuvauksen yhteydessä.

Kuva 2 esittää lohkokaaviota eräästä mittausjärjestelmästä keksinnön mukaista mittausanturia varten. Suoritusmuodon mukainen mittausanturi käsittää keskusyksikön 20, joka on liitetty digitaaliseen tietoliikenneväylään 21. Tietoliikenneväylään 21 on 5 edelleen liitetty useita mittausyksiköltä 30, 32 ja 34, jotka on sijoitettu mitattavan rakenteen sopiviin mittauspisteisiin.

Keskusyksikkö voi käsittää esim. PC-pohjaisen tietokoneen, jossa on esim. NT-käyttöjärjestelmä. Tällöin Windows NT -käyttöjärjestelmässä jaettu muisti voi toimia avoimena käyttäjärajapintana, jonka kautta mittaustulokset ovat käyttäjän saa-10 tavilla järjestelmästä ja jota kautta käyttäjä voi ohjata järjestelmää. Tietoliikenneväylä voi olla edullisesti ARCNET (Attached Resource Computer NETwork) -dataverkko. ARCNET-dataverkkoon liittyy ominaisuus, että se on itse uudelleen konfi-guroituva. Tätä hyödynnetään edullisesti siten, että mittausanturin/yksikön lisäys ja poisto voidaan tehdä ilman ohjelmallisia tai muita muutoksia järjestelmään. Kukin 15 mittausanturi/yksikkö tunnistetaan järjestelmässä oman yksilöllisen tunnuksensa perusteella (esim. sarjanumero), jolloin data organisoituu Windows NT:n jaetussa muistissa olevaan käyttäjärajapintaan (datarakenteeseen) yksilöllisen tunnuksen perusteella. ARCNET-dataverkko huolehtii automaattisesti tietoliikennesolmupistei-den tunnuksista aina konfiguroituessaan käynnistyksen yhteydessä. Tällöin keskus-20 yksikön sanomatulkkauksen osana oleva ristikytkentä voi organisoitua automaara-." ‘: sesti ja yhdistää tietoliikennesolmutunnuksen mittausyksikön yksilölliseen tunnuk- seen. Konfigurointia ei siis tarvitakäyttäjätoimenpiteenä.

' · '; Kuva 3 esittää erään suoritusmuodon mukaista mittausyksikköä 30 keksinnön mu- * * kaista mittausanturia varten. Mittausyksikkö 30 käsittää Wheatstone-sillan 302, jos- • » · v : 25 sa muodonmuutosta mittaava ensimmäinen venymäliuska ja lämpötilakompensointia • 4 Φ '·,· : varten oleva toinen venymäliuska on kytketty sarjaan. Toisen osan sillasta muodos tavat kiinteät vastukset.

» · » ·

Wheatstone-sillasta saatava mittaussignaali vahvistetaan instrumentointivahvisti-·;·* mella 304, jonka antosignaali edelleen suodatetaan alipäästösuotimella 306. Mitta- : ·.* 30 ustaajuuskaista on esim. 0-150 Hz, ja taajuuskaista on edullisimmin ohjelmallisesti valittavissa. Vahvistettu ja suodatettu analogiasignaali muunnetaan digitaaliseksi analogia-digitaali (A/D) -muuntimella 308, josta saatavat digitaaliset näytteet ohja- « * · ’ *. taan mikroprosessoriin 310. A/D-muunnin 308 voi myös kuulua prosessoriin 310.

Prosessori 310 tallentaa mittaustuloksia muistiin 314 mittausyksikön sisäisen väylän 35 312 välityksellä. Tämä toistuvasti ohjelmoitava muisti 314 on kapasiteetiltaan esim.

107193 4 4 kB + 32 kB. Muistiin voidaan tallentaa esim. tosiaikainen mittaussignaali viijmei-sen 10 s ajalta. Lisäksi muistiin voidaan tallentaa laskentaparametrit. Väylään! 312 liittyvä tietoliikenneliityntä 316 on edelleen yhteydessä järjestelmän väylään 21, joka välittää tietoja keskusyksikön ja mittausyksikköjen välillä. Mittaustietojen Siirto 5 mittausyksikön muistista 314 keskusyksikköön tapahtuu keskusyksiköstä saatavien käskyjen sekä mittausyksikköön tallennetun ohjelman perusteella. Mittausyksjikkö voi keskusyksikön pyynnöstä esim. siirtää 10 s mittaisen näytehistorian keskuslaitteelle.

Mittausyksikkö lähettää keskuslaitteelle mittauksen näytesignaalia näytetaajuudjella, 10 joka on edullisesti D/A-muuntimen näytteenottotaajuutta alhaisempi. Mittausyksikkö on myös konfiguroitavissa tietoliikenneväylän kautta. Siten voidaan esim. valita, mitä mittausyksikköön ohjelmoituja analyysimenetelmiä suoritetaan. Mittausyksikkö voi myös lähettää määrätyin aikavälein konfigurointiasetuksensa keskuslaitteelle tarkistusta varten. Samoin mittauksen offset voidaan kalibroida ja datan näytteejnot-15 totaajuus voidaan asettaa keskusyksikön ohjaamana. Mittausyksikkö myös edullisesti valvoo omaa toimintaansa. Esim. signaalianalyysiohjelmien kiertoa voidaan valvoa prosessorin laskentakapasiteetin ylikuormituksen estämiseksi.

Prosessori 310 käsittää edullisesti sisäisen, pysyvän ohjelmamuistin, joka voi olla kapasiteetiltaan esim. 128 kB. Tähän ohjelmamuistiin tallennetaan mittausyksikön 20 toimintoihin sekä keskusyksikön ja mittausyksikön väliseen tiedonsiirtoon liittivät .[[[: ohjelmat. Ohjelmamuistiin tallennetaan myös tarvittavat signaalin analysointiajgo- :' ·.. riimit, jotka ovat esim. seuraavat: . ·. : - signaalin keskiarvon laskenta, - signaalin tehollisarvon laskenta, • · ..... 25 -huippuarvon ilmaisut: positiivinen huippuarvo, negatiivinen huippuarvo ja mak- simi huipusta huippuun -arvo, * * * ’ - nollan ylityksien laskenta ja keskimääräinen nollan ylityksien taajuus, - Rainflow-luokitus ja *...· - signaalin taajuusaluespektrin laskenta Fast Fourier Transform (FFT) -menetelmäl- 30 lä.

• · • * * *· '1 Näitä mittausyksikön prosessoriin ohjelmoituja analyysimenetelmiä mittausyksikkö suorittaa edullisimmin reaaliajassa.

' ‘. Edellä mainittujen lohkojen lisäksi mittausyksikkö voi käsittää piirit käyttöjännittei den muodostamiseksi väylältä saatavasta syöttöjännitteestä (ei esitetty kuvassa 3).

5 107193

Kuva 4 esittää vuokaaviota eräästä suoritusmuodosta 400 tietojen siirtämiseksi esi-merkinmukaisen mittausyksikön ja keskusyksikön välillä. Ensiksi mittausyksikössä tarkastetaan, onko keskusyksiköstä vastaanotettu viesti, vaihe 402. Jos viesti on vastaanotettu, se tulkitaan, 404. Tämän jälkeen tarkastetaan, onko mittausyksikkö vas-5 taanottanut uudet konfigurointitiedot, vaihe 406. Jos uudet konfigurointitiedot on vastaanotettu, mittausyksikön konfiguraatio asetetaan uusien tietojen mukaiseksi, 408. Seuraavaksi tarkastetaan, onko mittausyksikkö vastaanottanut käskyn lähettää voimassa olevat konfigurointitiedot keskusyksikölle, 410. Käsky voi olla esim. keskusyksikön mittausyksikölle osoittamassa viestissä tätä tarkoittava bitti/bittijono. 10 Käsky voi tulla myös anturin ajastimelta. Jos ko. käsky on vastaanotettu, konfigurointitiedot lähetetään keskusyksikölle, 412.

Tämän jälkeen tarkastetaan, onko mittausyksikköön vastaanotettu käsky lähettää matemaattisesti laskettu mittausdata keskusyksikölle, vaihe 414. Jos ko. käsky on vastaanotettu, mittausdata lähetetään keskusyksikölle, 416. Seuraavaksi tarkastetaan, 15 onko mittausyksikköön vastaanotettu käsky lähettää signaalihistoria keskusyksikölle, 418. Jos ko. käsky on vastaanotettu, signaalihistoria lähetetään keskusyksikölle, 420. Tämän jälkeen tarkastetaan, onko mittausyksikköön vastaanotettu käsky lähettää Rainflow-luokitus keskusyksikölle, 422. Jos ko. käsky on vastaanotettu, Rainflow-luokitus lähetetään keskusyksikölle, 424. Seuraavaksi tarkastetaan, onko mittausyk-20 sikköön vastaanotettu käsky lähettää FFT-tulokset keskusyksikölle, 426. Jos ko. käsky on vastaanotettu, FFT-tulokset lähetetään keskusyksikölle, 428. Lopuksi tar-kastetaan, onko mittausyksikön signaalinäytebufferissa dataa, vaihe 430. Jos buffe- • " rissa on dataa, data lähetetään keskusyksikölle, 432. Tällöin siirto tapahtuu edulli- V·: sesti näytteenottotaajuutta alemmalla näytetaajuudella. Näiden vaiheiden jälkeen :"; 25 palataan vaiheeseen 402, ja em. vaiheita toistetaan, jolloin keskusyksikön kulloinkin tarvitsemat mittaustiedot tulevat lähetetyiksi keskusyksikölle keskusyksikön käsky-jen mukaisesti. On huomattava, että edellä mainitut käskyt voivat siis tulla paitsi keskusyksiköltä, myös mittausyksikön ajastimelta.

« · · • · ';··* Kuvat 5a ja 5b esittävät erästä keksinnön mukaista mittausanturia 50, joka soveltuu ‘ 30 käytettäväksi mm. edellä mainitun mukaisessa mittausyksikössä. Kuva 5a esittää : * ·. · mittausanturia päältä ja kuva 5b esittää mittausanturia sivulta. Mittausanturi käsittää anturiyhteen 502, jonka päissä on jäykät osat 504 ja 508, ja keskellä joustava osa 506. Jäykät ja joustava osa on erotettu kuvassa katkoviivalla. Anturiyhteen jäykässä '·* osassa on reiät 520 ja 522 anturin kiinnittämiseksi mitattavaan rakennemateriaaliin ': : 35 tai rakennemateriaalissa oleviin kiinnitysosiin.

6 107193

Anturiyhteen joustavassa osassa 506 on kaksi avausta 510 ja 512, jotka ovat muodoltaan H-kiijaimen muotoisia eli muodostavat ns. kaksois-H-avauksen. Avaujksen avulla joustava osa on saatu jäykkää osaa joustavammaksi. Kahden H-muotoisen avauksen väliin on kiinnitetty ensimmäinen venymäliuska-anturi 530, josta esim. 5 Wheatstone-siltaan kytkettynä saadaan joustavan osan muodonmuutokseen verrannollinen signaali. Lisäksi toisen H-avauksen sisään on kiinnitetty toinen venymäliuska-anturi, jonka kiinnitysalustassa ei tapahdu muodonmuutosta. Tämän toisen venymäliuska-anturin tarkoituksena on toimia Wheatstone-sillan referenssivastuk-sena ja kompensoida anturin lämpötilamuutoksista aiheutuvia resistanssimuutöksia 10 ensimmäisessä venymäliuska-anturissa.

Anturiyhteen materiaalin elastinen alue (eli kimmoraja σΕ) valitaan edullisesti suuremmaksi kuin rakennemateriaalin, jotta rakennemateriaalin mitattavat muodonnjiuu-tokset eivät aiheuttaisi pysyviä muutoksia anturiyhteen joustavassa alueessa. Lisjäksi anturiyhteen materiaali on valittu niin, että se kestää väsymättä vaihtokuormaa, ku-15 ten rakennemateriaali. Anturiyhteen kaksois-H-muodon sakarat ovat suorakajide-poikkipintoja, joiden pituus ei ylitä nurjahduspituutta puristuskuormituksessa puris-tuskuormituksen vastatessa rakennemateriaalin deformoitumista koko sen elastisella alueella (σε).

Anturin pulttikiinnitys tapahtuu edullisesti rakennemateriaaliin hitsattuihin asennus -20 paloihin, jolloin mittausanturi on vaihdettavissa ja kalibroitavissa. Mittausanturi |on-kin asennettavissa normaalina tarkkuusasennustyönä. Voimansiirto rakennema(eri- • '· aalista tapahtuu kitkaliitoksella, jossa anturiyhteen kiinnityspinnat on karhennettu : koboltti-karbidipinnoitteella 544 ja 548. Pinnoitteen karbidikiteet tunkeutuvat! ra- •: · kennemateriaaliin hitsattujen kiinnityselementtien vastinpintoihin estäen luistasmi- 25 sen.

• · · • · · ’ · ’ * Jos edellä mainitun kaltainen mittausyksikkö käsittää keksinnön mukaisen anturia ja esimerkinmukaisen signaalinkäsittelyelektroniikan, voidaan yksikkö koteloida edul- • · * lisesti siten, että kotelon pohjaosa käsittää mittausanturin ja kotelon kansiosa käsit-tää signaalinkäsittelyelektroniikan. Lisäksi on edullista käyttää sellaista pohjaosani ja .·] ; 30 kansiosan liitostapaa, että yksikkö saadaan vedenpitäväksi. Mittausyksikössä käyte- ’ j tään edullisesti kiinteää kaapelia, joka voidaan jatkaa tarkoitukseen sopivassa liitos- . rasiassa.

« «

Toinen mahdollisuus on koteloida mittausanturi ja signaalinkäsittelyelektronii^ka erillisiin koteloihin. Tällainen ratkaisu saattaa olla edullinen silloin, kun anturibsa 35 on sijoitettava paikkaan, jossa on räjähdysvaarallinen asennusolosuhde. Tällaisia 7 107193 paikkoja ovat esim. erilaisten säiliöiden sisäpinnat Tällöin mittauselektroniikka on edullista sijoittaa esim. säiliön ulkopuolelle.

Edellä on esitetty eräitä keksinnön mukaisen ratkaisun suoritusmuotoja. Keksinnön mukaista periaatetta voidaan luonnollisesti muunnella patenttivaatimusten määritte-5 lemän suoja-alueen puitteissa esim. toteutuksen yksityiskohtien sekä käyttöalueiden osalta.

Erityisesti on huomattava, että keksintöä voidaan soveltaa laivan rungon kuormi-tusmittauksen lisäksi mitä moninaisimpiin rakenteisiin.

• 4 • · · • · · • · · • · · • · · • · · « • · « • · • « • « · • · · . · · • · 1 • · • « · • « · a « « «

Claims (5)

107193 g

1. Mittausanturi (50) rakenteen kuormitusten mittaamiseksi, joka käsittää anturi-yhteen (502), jossa on kaksi jäykkää aluetta (504, 508) mitattavaan rakenteeseen kiinnittämistä varten sekä niiden välissä joustava alue (506), jolloin mainittuni' 5 joustavaan alueeseen on kiinnitetty ensimmäinen venymäliuska (530) rakenteen ja anturiyhteen muodonmuutosten välittämiseksi venymäliuskaan muodonmuutoksiin verrannollisen signaalin muodostamista varten, tunnettu siitä, että joustava alue käsittää kaksi rinnakkaista H-avausta (510, 512), jolloin mainittu H-avaus käsittää kaksi rinnakkaista avausta sekä niitä yhdistävän avauksen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että mainittu ensimmäinen venymäliuska (530) on kiinnitetty kahden H-avauksen väliin.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että H-avauksen käsittämien kahden rinnakkaisen avauksen väliin on kiinnitetty toinen venymäliuska (532) lämpötilakompensointia varten.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, että anturiyhteen materiaalin elastinen alue / kimmoraja (σΕ) on valittu suuremmaksi kuin rakennemateriaalin.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen mittausanturi, tunnettu siitä, '; · ‘ että jäykkien, mitattavaa rakennemateriaalia vasten tai rakennemateriaalissa olevia i " 20 kiinnityselementtejä vasten olevat pinnat (544, 548) on karhennettu liitoskitkan pa- rantamiseksi. • · · • · · • · · « · · • · « • · · • · « • · • · • · « • · · • 4 ·« « • · t · · • ♦ · 1 • · · 107193