PL233099B1

PL233099B1 - Device for measuring relative displacements with a springy element in the form of a measuring string

Info

Publication number: PL233099B1
Application number: PL423008A
Authority: PL
Inventors: Elżbieta Włosińska
Original assignee: Instytut Mech Gorotworu Polskiej Akademii Nauk; Instytut Mechaniki Górotworu Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2019-09-30
Also published as: PL423008A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych zawierające element sprężysty w postaci struny pomiarowej. Element ten przetwarza wartość mierzonego przemieszczenia na wartość częstotliwości jego drgań poprzecznych.The subject of the invention is a device for measuring relative displacements containing an elastic element in the form of a measuring string. This element converts the value of the measured displacement into the value of the frequency of its transverse vibrations.

Konstrukcja dotychczas znanych urządzeń do pomiarów przemieszczeń względnych zawierających jako wspomniany element sprężysty strunę pomiarową (o nazwach handlowych: tensometr strunowy, dylatometr strunowy) zakłada:The design of the previously known devices for measuring relative displacements containing as the aforementioned elastic element a measuring string (with trade names: string strain gauge, string dilatometer) assumes:

- bezpośrednie zamocowanie struny do zakotwień przyrządu usytuowanych po obu stronach szczeliny lub uszkodzenia (typowe rozwiązanie dla tensometru strunowego), albo- direct attachment of the string to the tool anchors located on both sides of the slot or damage (typical for a string strain gauge), or

- zamocowanie struny za pośrednictwem dodatkowych elementów sprężystych lub przekładni mechanicznych (typowe rozwiązanie dla dylatometru strunowego).- the string is attached by means of additional elastic elements or mechanical gears (a typical solution for a string dilatometer).

W pierwszym przypadku uzyskuje się przyrząd o stosunkowo niewielkim zakresie pomiarowym wynikającym z właściwości sprężystych struny. Mianowicie naprężenie struny, a więc i jej odkształcenie musi być wyższe niż pewna minimalna wartość, aby uzyskać jej prawidłowe drgania. Z drugiej strony maksymalne naprężenia struny nie mogą przekraczać jej wytrzymałości na rozciąganie, w praktyce są jeszcze niższe ze względu na zjawisko nadmiernej relaksacji naprężonego materiału struny. Związek między częstotliwością drgań struny, a jej odkształceniem opisuje teoretyczny wzór:In the first case, a device with a relatively small measuring range is obtained, resulting from the elastic properties of the string. Namely, the tension of the string, and thus its deformation, must be higher than a certain minimum value in order to obtain its correct vibration. On the other hand, the maximum stress of the string must not exceed its tensile strength, in practice they are even lower due to the phenomenon of excessive relaxation of the taut material of the string. The relationship between the frequency of a string's vibration and its deformation is described by the theoretical formula:

(1) gdzie:(1) where:

f - częstotliwość [Hz] l - długość czynna struny (poza jej zamocowaniami) [m]f - frequency [Hz] l - active string length (apart from its attachments) [m]

E - moduł Younga [Pa] ε - odkształcenie [m/m] γ - gęstość materiału struny [kg/m³]E - Young's modulus [Pa] ε - strain [m / m] γ - string material density [kg / m ³ ]

Zakładając, że zmiany długości struny są niewielkie w stosunku do jej długości (dwa rzędy wielkości i mniej) przemieszczenie D jednego końca struny względem drugiego opisuje zależność:Assuming that the changes in string length are small in relation to its length (two orders of magnitude and less), the displacement D of one string end relative to the other describes the relationship:

D = ε*1(2)D = ε * 1 (2)

Zatem przez pomiar częstotliwości drgań struny możliwe jest wyznaczenie przemieszczenia D jednego końca struny względem drugiego:Thus, by measuring the frequency of vibration of a string, it is possible to determine the displacement D of one string end relative to the other:

D = _/(3)D = _ / (3)

Biorąc pod uwagę, że takie parametry struny jak jej długość, gęstość i moduł sprężystości są praktycznie stałe, wzór powyższy można zredukować do następującego:Given that string parameters such as string length, density and modulus of elasticity are practically constant, the above formula can be reduced to the following:

D = k- f²(4) w którym stała k charakteryzuje konkretną strunę pomiarową.D = k- f ² (4) where the constant k characterizes a specific measurement string.

Baza tensometru, a więc odległość między jego zakotwieniami nie jest zwykle równa długości czynnej struny, ze względu na jej zamocowania i inne szczegóły konstrukcyjne konkretnego tensometru strunowego. Stąd tensometr charakteryzuje się inną stałą k_r, która jest wyznaczana na podstawie jego wzorcowania.The base of the strain gauge, i.e. the distance between its anchors, is usually not equal to the length of the active string, due to its attachments and other design details of a specific string strain gauge. Hence, the strain gauge is characterized by a different constant k _r , which is determined on the basis of its calibration.

D = k1· f² (5)D = k1f ² (5)

W drugim przypadku dla rozszerzenia zakresu pomiarowego strunowego urządzenia do pomiaru przemieszczeń względnych, struna rozciągana jest za pośrednictwem dodatkowego elementu sprężystego (np. sprężyny śrubowej) lub przekładni mechanicznej (np. dźwigniowej). Powoduje to zwiększenie złożoności przyrządu i niebezpieczeństwo pogorszenia jego właściwości metrologicznych.In the second case, in order to extend the measuring range of the string device for measuring relative displacements, the string is stretched by means of an additional elastic element (e.g. a coil spring) or a mechanical transmission (e.g. a lever). This increases the complexity of the device and the risk of deterioration of its metrological properties.

Teoretyczny wzór (1), opisujący z bardzo dobrym przybliżeniem zachowanie strun pomiarowych, na podstawie przeprowadzonych eksperymentów okazał się - również z dobrym przybliżeniem - słusznym dla drutu uformowanego faliście.The theoretical formula (1), describing the behavior of the measuring strings with a very good approximation, on the basis of the experiments carried out, turned out to be - also with a good approximation - correct for the wire formed with a wave.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych zawierające element sprężysty w postaci struny pomiarowej zamocowany końcami do zakotwień umieszczonychAccording to the invention, a device for measuring relative displacements comprising an elastic element in the form of a measuring string attached with its ends to the anchorages placed

PL 233 099 Β1 po obu stronach badanej szczeliny, charakteryzuje się tym, że jego pomiarowym elementem sprężystym jest drut ukształtowany faliście.PL 233 099 Β1 on both sides of the tested gap is characterized by the fact that its measuring elastic element is a wave-shaped wire.

Faliste ukształtowanie sprężystego drutu zapewnia jego większą podatność na odkształcenia wzdłużne w porównaniu z taką samą podatnością prostej struny, przez co zakres pomiarowy przyrządu zbudowany w oparciu o element tego typu jest większy niż przyrządu zbudowanego w oparciu o strunę. Rozszerzenie zakresu pomiarowego za pomocą dodatkowych elementów jest więc w tym przypadku zbędne.The wavy shape of the resilient wire makes it more susceptible to longitudinal deformation compared to the same flexibility of a straight string, so that the measuring range of a device based on an element of this type is greater than that of a device based on a string. The extension of the measuring range with additional elements is therefore unnecessary in this case.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym schematycznie urządzenie do pomiarów przemieszczeń względnych z elementem sprężystym w postaci drutu ukształtowanego faliście.The subject of the invention will be explained in more detail in an embodiment in the drawing which schematically shows a device for measuring relative displacements with an elastic element in the form of a wave-shaped wire.

Urządzenie według wynalazku ma budowę typową dla wspomnianych tensometrów strunowych, w których struna pomiarowa zamocowana jest końcami 4 i 5 bezpośrednio do zakotwień 2 i 3 i umieszczona w obudowie 7. Drugie końce zakotwień usytuowane są w konstrukcji zawierającej szczelinę dylatacyjną 1 lub uszkodzenie w postaci pęknięcia, po obu stronach tego pęknięcia. Strunę pomiarową stanowi prosty drut 6 uformowany faliście. Z drutem tym współpracuje elektromagnes 8. Pomiar przemieszczenia względnego polega na wykonaniu sekwencji następujących działań:The device according to the invention has a structure typical of the aforementioned string strain gauges, in which the measuring string is attached with its ends 4 and 5 directly to the anchors 2 and 3 and placed in the housing 7. The other ends of the anchorages are located in the structure containing the expansion gap 1 or damage in the form of a crack, on both sides of this crack. The measuring string is a straight wire 6 formed in a wave. The electromagnet 8 cooperates with this wire. The measurement of the relative displacement consists in performing the sequence of the following actions:

Na końcówki elektromagnesu 8 umieszczonego w przybliżeniu w połowie długości drutu 6 podaje się elektryczny impuls, co powoduje wzbudzenie drgań poprzecznych, sinusoidalnych, ekspotencjalnie gasnących drutu w odpowiedzi na przetworzony przez elektromagnes impuls elektryczny na impuls mechaniczny, który oddziałuje na drut. W uzwojeniu elektromagnesu generuje się elektryczny sygnał przemienny o częstotliwości równej częstotliwości drgań mechanicznych drutu. Pomiar częstotliwości ww. sygnału dokonywany jest przez dołączony do wyjścia 9 przedmiotowego urządzenia specjalny elektroniczny miernik.An electric pulse is applied to the ends of the electromagnet 8 placed approximately halfway along the length of the wire 6, which causes the excitation of transverse, sinusoidal, exponential vibrations of the wire in response to an electrical impulse processed by the electromagnet on a mechanical impulse which acts on the wire. In the winding of the electromagnet, an alternating electric signal is generated with a frequency equal to the frequency of mechanical vibrations of the wire. Frequency measurement of the above-mentioned The signal is performed by a special electronic meter connected to the output 9 of the device in question.

Na podstawie zmierzonej częstotliwości f i znanej charakterystyki określonej w procesie wzorcowania stałą k_A przedmiotowego urządzenia wyznacza się wartości mierzonego przemieszczenia.Based on the measured frequency f and the known characteristic determined in the calibration process, the constant k _A of the device in question, the values of the measured displacement are determined.

D = fci f² D = fci f ²

Claims

Patent claim

A device for measuring relative displacements with an elastic element in the form of a measuring string attached with its ends to the anchors placed on both sides of the tested gap, characterized in that the elastic element (6) is a wave-shaped wire.