CH617770A5

CH617770A5 -

Info

Publication number: CH617770A5
Application number: CH960677A
Authority: CH
Inventors: Richard K Harris; Charles William Bill Jewsbury; Dale W Shoup
Original assignee: Slope Indicator Co
Priority date: 1977-02-17
Filing date: 1977-08-04
Publication date: 1980-06-13
Also published as: JPS5812525B2; US4074565A; IT1086128B; JPS53102069A; CA1067311A; GB1538812A

Description

Die Erfindung betrifft ein Vibrationsdraht-Spannungsmessgerät mit einem in einem Gehäuse angeordneten, gespannten Draht und Mitteln zur Verbindung des Gehäuses mit einem zu messenden Gegenstand. 30

Spannungsmessgeräte der verschiedensten Konstruktionen werden benutzt, um die Grösse und Verteilung von Spannungen oder Spannungsbelastungen zu bestimmen, die an irgendwelchen Konstruktionen oder auch Bauten auftreten. Von den bekannten Arten sind besonders Vibrationsdraht- 35 Spannungsmessgeräte und elektrische Widerstandsspan-nungsmessgeräte zu erwähnen. Die zuletzt genannten Vorrichtungen sind gewöhnlich sehr dünn und können, falls sie für Oberflächenspannungsmessungen benutzt werden, mittels Klebstoff oder Zement unmittelbar auf der zu messenden 40 Fläche befestigt werden, so dass sie ein sehr niedriges, wenig vorspringendes Profil zeigen. Trotzdem sind derartige Widerstandsmesser mit störenden Nachteilen verbunden. Die Einrichtungskosten sind gewöhnlich ziemlich hoch; sie zeigen z. T. erhebliche Schwankungen und Fehlergrössen, so dass 45 ihre Verwendung eigentlich auf kurzzeitige Einsätze zu beschränken ist; sie unterliegen der Korrosion und sind empfindlich gegen Leitungsdrahtstörungen. Andererseits sind Vibrationsdraht-Spannungsmesser allgemein frei von Leitungsdraht-Problemen; sie zeigen in den gegenwärtig üblichen 50 Konstruktionen auch keine Nullpunktschwankung oder Abdriften des Messbereiches, sondern eine über verhältnismässig lange Zeit reichende hohe Genauigkeit. Die bekannten Vorrichtungen haben jedoch nach dem Einbau ein hohes Profil, so dass das akustisch schwingende Element aufgrund der 55 gegebenen Grösse der Teile nicht etwa eng benachbart, sondern in einem unerwünscht grossen Abstand von der zu messenden Fläche entfernt liegt. Auch erfordern die Vibrationsdrahtmesser in ihrer jetzigen Konstruktion ausserordentliche Sorgfalt beim Einbau mit Bezug auf ihre Ausrichtung gQ und die Halterungen.

In den letzten Jahrzehnten hat die Benutzung von Vibrationsdraht-Spannungsmessern, oft auch akustische Spannungsmesser genannt, weite Verbreitung gefunden. Sie werden als Messgeräte für Fernablesung benutzt, um z. B. verschiedene fi5 physikalische Grössen an irgendwelchen Metallkonstruktionen, natürlichem Gestein oder Betonbauten zu messen und zu überwachen. Die zu messenden Parameter sind z. B. Oberflächen* und innere Spannungen, Biegungen, Versetzungen, Flüssigkeitsniveaus, Winkeländerungen und Temperaturen. Als eine Art von Messwert-Umsetzer werden Vibrationsdrahtmesser bevorzugt für derartige Zwecke eingesetzt, da sie von den verfügbaren, verschiedenartigen Spannungsmessern allgemein die zuverlässigsten und am genauesten Messenden sind. Da sie auf einem mechanischen Messprinzip beruhen, sind Vibrationsdrahtmesser im Gegensatz zu den elektrischen Widerstandsmessern unempfindlich gegen Schwankungen im elektrischen Strom, der Spannung, dem Widerstand oder der Kapazität. Mittels eines induktiven Aufnahmesystems werden an einem Vibrationsdrahtmesser Signale aufgenommen, die als elektrische Signale mit spezifischen Frequenzen über weite Strecken übertragen werden können, ohne dass die Signalfrequenz mit anderen Einflüssen interferiert oder beeinträchtigt wird. Den Vibrationsdraht-Spannungsmessern fehlte bislang jedoch die kompakte Bauweise, so dass der Draht in enger, unmittelbarer Nachbarschaft zur Messfläche liegen würde.

Ein Vibrationsdraht-Spannungsmesser weist notwendig einen dünnen Draht auf, der an seinen Enden unter einer vorbestimmten Spannung befestigt ist. Die Endverankerungen des Drahtes werden an dem unter Belastung stehenden Objekt befestigt, so dass sie sich voneinander entfernen oder aneinander anzunähern suchen, wenn auf dem Gegenstand eine veränderliche Kraft einwirkt. Der Draht liegt gewöhnlich in einem merklichen Abstand von der Messfläche. Wenn irgendein mit dem Messgerät versehenes Objekt untersucht werden soll, wird der gespannte Draht «gezupft», d. h. mittels eines elektromagnetischen Impulses künstlich in Schwingungen versetzt. Die Resonanzfrequenz des schwingenden Drahtes wird durch einen elektromagnetischen Fühler oder Empfänger aufgenommen, der unmittelbar neben dem Draht angeordnet ist. Ein von dem Fühler erzeugtes elektrisches Signal wird gewöhnlich über eine gewisse Entfernung geleitet und einer örtlich getrennt liegenden Ableseeinrichtung zugeführt, in der das Signal verstärkt und weiter behandelt wird, so dass es eine Form erhält, in der es z. B.

eine Frequenzzähleinrichtung betätigen kann, die auch eine Digitalanzeige enthält.

In den meisten, falls nicht in allen festen Einrichtungen sind die Zupf- oder Erregervorrichtung und die Aufnahmevorrichtung in dauerhafter Verbindung mit der Messvorrich-tung. Zuleitungs- und Rückkopplungsleiter führen von dem Messgerät nach einer Zentralstelle, in der ein Beobachter oder Ingenieur die Ablesevorrichtung bei der Ausführung seiner Messarbeiten benutzt. Die Abstände zwischen Messeinrichtungen und der Überwachungs- oder Ablesestation können gross sein, z. B. mehrere hundert Meter. In anderen Fällen, in denen die Messeinrichtungen leicht zugänglich sind, kann ein Beobachter von Hand die Erreger- und Fühlervorrichtung an den Messgeräten anbringen und seine Ablesung an Ort und Stelle vornehmen.

In dem Bemühen, Vibrations-Spannungsmessgeräte zu bauen, die eine über lange Zeit konstante Empfindlichkeit haben und unempfindlich gegen Wasser sind, zeigen die bisherigen Messer Grössen und Formen, die an sich als übermässig umfangreich, kostspielig und kompliziert im Aufbau erscheinen. Handelsübliche Drahtmessgeräte weisen Längen von 10—35 cm auf und springen von dem Objekt, an dem sie angeordnet sind, etwa 2,5 bis 10 cm vor, da die an der Oberfläche anzuordnenden Vibrationsdrahtmessgeräte auf Pfosten oder Trägerblöcke gesetzt werden, die an den Enden des Messgerätes sitzen. Gewöhnlich werden ältere Drahtmesser in der Weise angeordnet, dass sie mit einer Führungsoder Richtplatte verbunden werden, die eine vorbestimmte Ausrichtung herstellt und aufrecht erhält und die Pfosten oder Blöcke hält, während sie befestigt werden.

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Die Erfindung bezweckt, ein Vibrationsdraht-Spannungsmessgerät zu schaffen, das aufgrund seiner baulichen Ausgestaltung ohne besondere Pfosten oder Trägerblöcke und Ausrichtplatten auf dem zu überwachenden Objekt angeordnet werden kann. Diese Aufgabe wird für ein Vibrationsdraht- 5 Spannungsmessgerät der eingangs erwähnten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Massnahmen gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen gekennzeichnet. 10

Ein Vibrationsdraht-Spannungsmessgerät nach der Erfindung zeichnet sich demnach durch eine aussergewöhnlich geringe Höhe aus und kann in 5 bis 10 Min fest eingebaut werden, wobei mit einfacher und schneller Haftschweissung gearbeitet werden kann. Damit wird eine wesentliche Ver- 15 besserung gegenüber den bisher üblichen Geräten dieser Art erzielt, die auf besonderen Pfosten oder Halterungen angeordnet werden müssen, wobei bereits die Befestigung von etwaigen Pfosten oder Halterungen gewöhnlich pro Messgerät 15 bis 30 Min erfordert. Aber auch bei sorgfältiger Mon- 20 tage dieser bekannten Geräte können die damit vorgenommenen Spannungsmessungen ungenau sein, da sie von einem Schwingungsdraht abgeleitet werden, der merklich von der zu messenden Fläche abgesetzt liegt.

Dagegen gestattet die Erfindung, Messungen in einem 25 äusserst geringen Abstand über der Trägerfläche des Objektes vorzunehmen, so dass nicht nur die Anordnung des Messgerätes am Objekt, sondern auch die Messgenauigkeit verbessert wird. Aufgrund der besonderen Gestaltung können Geräteserien mit im wesentlichen gleichen Drahtspan- 30 nungs- oder Frequenzcharakteristiken hergestellt werden, die überdies die anfängliche Drahtspannung während des Einbaus und für eine lange Zeit danach beibehalten. Dies ist besonders wichtig, wenn an grösseren Objekten eine ganze Reihe von Messgeräten angeordnet wird, um das Auftreten von 35 Spannungen in verschiedenen Teilen zu überwachen und zu vergleichen.

Ein besonderer Vorzug des Gerätes ist, dass es auf dem zu beobachtenden Objekt angeordnet werden kann, ohne dass Richtplatten oder besonders geübte Arbeitskräfte und Über- 4Q wachungspersonal benötigt werden.

Weitere Vorzüge und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen die Erfindung beispielsweise erläutert und dargestellt ist. Es zeigen: 45

Fig. 1 eine Seitenansicht eines erfindungsgemässen Vibra-tionsdraht-Spannungsmessers ;

Fig. 2 eine vergrösserte schaubildliche Ansicht eines Messgerätes nach Fig. 1 im eingebauten Zustand an einer Messstelle, wobei Einzelteile aus Erläuterungsgründen weggebro- J0 chen gezeichnet worden sind;

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie 3—3 der Fig. 1; Fig. 4 eine Teilansicht des Messgerätes von unten; Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein Ende eines erfindungsgemässen Messgerätes in einem Zwischenzustand wäh- 55 rend der Herstellung;

Fig. 6 eine der Fig. 5 ähnliche Darstellung während eines späteren Zeitpunktes des Herstellungsganges, und Fig. 7 eine Ansicht vom linken Ende der Fig. 6.

In den Fig. 1 und 3 ist ein erfindungsgemässer Vibra- 60 tionsdraht-Spannungsmesser 10 auf einer Messfläche 12 eines die Messfläche aufweisenden Objektes 14 angeordnet, das ein Teil einer Stahlkonstruktion oder eines Bauwerks sein kann und an dem Spannungskräfte angreifen, die bestimmt werden sollen. 65

Das Gerät 10 weist ein längliches, rohrförmiges Element 16 auf. Beiderseits des rohrförmigen Elementes 16 erstrecken sich nach den Seiten Befestigungsflanschen 18, 18, die Teile eines Blechstreifens 17 sind und zur Befestigung des Geräts am Objekt dienen. Wie Fig. 2 zeigt, werden die Flanschen 18 an der zu messenden Fläche 12 vorzugsweise mittels einer nicht gezeigten Punktschweissvorrichtung befestigt, mit der beiderseits des Rohres 16 an den Flanschen 18, 18 eine Reihe von Schweisspunkten 20 erzeugt wird.

Der Metallblechstreifen 17 ist über seine ganze Länge an dem Rohr 16 durch eine fortlaufende Reihe von Schweisspunkten 24 befestigt, siehe Fig. 4. In einem Ausführungsbeispiel ist eine befriedigende Verbindung zwischen dem Rohr 16 und dem Blech 17 mittels etwa 12 Heftschweissstel-len pro cm erzielt worden. Bei richtiger Anordnung wird durch den Streifen 17 das Rohr 16 versteift, so dass irgendwelchen, unter üblichen Bedingungen auftretenden Neigungen des Rohres, sich zu verbiegen, Widerstand geleistet wird.

Das Rohr 16 umschliesst den Draht 22, der sich über die ganze Länge des Rohres und darüber hinaus erstreckt. Bei der Herstellung des Gerätes 10 wird das Rohr 16 zunächst an dem Blechstreifen 17 in der beschriebenen Weise befestigt. Danach wird der Draht 22 in das Rohr eingeführt, so dass er an den Enden des Rohres 16 hervorsteht, wobei er auch durch eine Buchse 26 an jedem Ende hindurchgeführt wird. Jede Buchse 26 ist in dieser Stufe der Herstellung so bemessen,

dass sie ein Drahtende lose aufnimmt und in das Rohrende eingeschoben werden kann, siehe Fig. 5. Der Draht wird nicht an seinen Enden erfasst, wenn er gespannt wird.

Als Draht 22 wird gewöhnlich ein wärmebehandelter,

hohe Zugspannungsfestigkeit aufweisender Stahldraht benutzt. Vorzugsweise wird seine Drehzahl so gewählt, dass sie verhältnismässig gut zu derjenigen irgendeines Bauteiles passt, an welchem das Messgerät angeordnet werden soll.

Während der Draht ungespannt ist, wird ein erstes Ende des Rohres 16 mit der Buchse 26 und dem Draht 22 zwischen gegenüberliegende, konkave Ausnehmungen einer Pressform gelegt. Wenn die Form schliesst, werden das Rohrende und die Buchse darin zusammengequetscht und eingeschnürt, so dass sie die bei 29 in Fig. 2 gezeigte Verjüngung aufweisen. Dadurch treten das Rohr und die Buchse in feste, innige Greifberührung mit dem durch sie hindurchführenden Drahtende, wobei die Buchse 26 den Draht 22 koaxial zum Rohr 16 zentriert. Überschiessendes Rohrmaterial bildet die Grate 31 an den Seiten des zusammengedrückten Rohrendes. Sodann wird das andere oder zweite Ende des Rohres in die Ausnehmungen der Pressform gesteckt und in gleicher Weise eingeschnürt, wodurch der Draht 22 unter Spannung gesetzt wird. Die dabei erreichte Spannung kann leicht elektronisch überprüft und überwacht werden. Gewöhnlich ergibt sich,

dass die Spannung im Draht 22 nach diesem Vorgang einer Eigenfrequenz von etwa 2.200 Hz oder geringfügig weniger entspricht. Falls die Spannung zu gering ist, wird das Messgerät noch einmal in die Form gesetzt und geringfügig einwärts von der ersten Einschnürung zur Erhöhung der Spannung eingezwängt. Eine gelegentlich auftretende übermässige Spannung wird dadurch entlastet, dass das Ende des Messgerätes scharf angeschlagen wird. Dadurch wird das Gerät in Längsrichtung geringfügig zusammengedrückt.

Vorzugsweise sind das Grundblech 17 und das Rohr 16 aus einer ausreichend ziehfähigen, rostfreien Stahllegierung, so dass das Messgerät korrosionsbeständig ist. Andererseits ist es wegen der Festigkeit und Stabilität vorteilhaft, dass der Draht 22 aus einem wärmebehandelten Stahl mit hoher Zugfestigkeit hergestellt ist. Da die freiliegenden Enden des Drahtes 22 bei bestimmten Verwendungsbereichen korrodierenden Einflüssen von Wasser oder salzhaltiger Luft oder dergleichen ausgesetzt sein können, empfiehlt es sich, kleine Kappen aus Epoxyd-Harz-Material, siehe Fig. 4, aufzusetzen. Damit werden nicht nur die Drahtenden geschützt, sondern, falls nötig,

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auch die Enden 29 des zusammengedrückten Rohres und die darin angeordneten Buchsen 26 abgedichtet.

Die Befestigung des Gerätes 10 an einer Messfläche 12 durch Punkt- oder Heftschweissung, wie in Fig. 2 ersichtlich, führt dazu, dass das Gerät unbeweglich angeordnet ist. Es kann auch kein «Kriechen» auftreten, wie es oft der Fall ist, wenn ein Messgerät an einer Messfläche durch eine Klebverbindung befestigt wird.

Die vorstehenden Ausführungen zeigen, dass das erfin-dungsgemässe Vibrationsdraht-Spannungsmessgerät eine grosse Zahl von Vorzügen verkörpert, von denen insbesondere zu erwähnen sind:

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

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

Bei der Herstellung empfiehlt es sich, die eingeschnürten Rohrenden zwischen ein gegenüberliegend angeordnetes Paar Schweisselektroden 28, 28 zu setzen und Strom anzulegen, um Punktschweissungen 30 zu erzeugen. Irgendwelcher, aus den Enden 29 vorspringender überschüssiger Draht 22 kann abgeschnitten werden.

Wenn das Gerät 10 an einer Fläche montiert werden soll, wird es auf den gewählten Ort gesetzt, z. B. eine Messfläche 12 eines metallischen Gegenstandes 14. Mittels eines üblichen Punktschweissgerätes werden die geerdeten Flanschen 18, 18 an dem Objekt 14 durch eine Vielzahl von Punktschweissungen 20, Fig. 2, befestigt. Das Gerät kann dann auf Spannungen ansprechen, die entweder durch Zug oder Druck an dem Gegenstand 14 auftreten, an dem das Gerät angeordnet ist.

Eine übliche Einrichtung 40 zum Anschlagen des Gerätes 10 ist über dessen Mittelabschnitt angeordnet. Durch Erregung einer elektromagnetischen Anschlagspule 42 in dem Anto

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schlaggerät 40 wird der gespannte Draht 22 «gezupft» oder angeschlagen, d. h. zu mechanischen Schwingungen angeregt. Die Frequenz der derart ausgelösten Schwingung wird durch eine induktive Aufnahmespule 44 eines Spulen-Magnetfühlers abgetastet, durch den die mechanische Schwingung des Drahtes in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der Strom zur Erregung der Spule 42 und das induzierte Signal werden über ein Kabel 46 geführt. In einer Ableseeinheit wird das induzierte Signal zur Wiedergabe und Beobachtung aufbereitet, und zwar entweder für die Sichtbeobachtung, z. B. unter Verwendung eines Digital-Zählwerkes, oder zum Abhören. Die Anschlagvorrichtung 40 kann ständig an dem Gerät 10 angeordnet sein, wenn dieses z. B. in Beton oder einer ähnlichen Masse eingebettet oder an einer abgelegenen und praktisch unzugänglichen Stelle angeordnet ist. Statt dessen kann die Anschlagvorrichtung auch ohne dauernde Verbindung mit dem Messgerät sein und z. B. bei leicht zugänglich angeordneten Geräten jeweils von Hand angelegt werden, wenn Messungen gewünscht werden.

Nachstehend werden für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen akustischen Vibrationsdraht-Spannungsmessers die wesentlichen Daten angegeben:

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Draht 17,

Rohr 16,

Grundblech 17,

Anfängl. Drahtspannung Gewicht des Gerätes ca. Empfindlichkeit, etwa Raum zwischen Messfläche und Draht in Ruhe, etwa Abstand zwischen Messfläche und Höhe des Fühlers-Anschlägers, etwa

Stärke 0,254 mm Länge 67,3 mm Durchmesser 1,586 mm Breite 7,62 mm Dicke 0,178 mm Länge 63,5 mm entspr. 2200 Hz ± 100 Hz 1,2 g 10-6:1

0,762 mm 15,875 mm

M

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Vibrationsdraht-Spannungsmessgerät mit einem in einem Gehäuse angeordneten, gespannten Draht und Mitteln zur Verbindung des Gehäuses mit einem zu messenden Gegenstand, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem längli- 5 chen, metallischen Grundblech (17) ein Metallrohr (16) mit seiner einen Seite (24) über seine gesamte Länge festge-schweisst ist und dass sich ein Vibrationsdraht (22) koaxial durch das Rohr und berührungsfrei zu dessen Innenwand erstreckt, wobei das Rohr an beiden Enden (29) durch Ein- io schnürung das entsprechende Drahtende einspannend erfasst und den Draht damit in einer vorbestimmten Spannung hält.
2. Messgerät nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Achse des Drahtes (22) von der Bodenseite des Bodenbleches (17) 0,8—3,2 mm beträgt. 15
3. Messgerät nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Enden des Drahtes (16) von einer Buchse (26) umschlossen sind, die in dem betreffenden Rohrende angeordnet ist, wobei das Rohrende mit der Buchse zur Fassung des Drahtes zusammengedrückt ist. 20
4. Messgerät nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zusammengedrückte Rohrende (29) und die darin angeordnete Buchse (26) miteinander verschweisst sind.

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