PL242201B1

PL242201B1 - Device for measuring relative displacements of object fragments

Info

Publication number: PL242201B1
Application number: PL434152A
Authority: PL
Inventors: Adam Kanciruk
Original assignee: Instytut Mech Gorotworu Polskiej Akademii Nauk
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2023-01-30
Also published as: PL434152A1

Abstract

Urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych fragmentów obiektu, zawierające element sprężysty w postaci struny pomiarowej zamocowanej trwale jednym końcem do korpusu urządzenia, a drugim końcem do ruchomej kotwy przesuwnej względem korpusu połączonego z jego elementem czujnikowym, przy czym kotew nieprzesuwna względem korpusu i kotew przesuwna względem korpusu montowane są do obiektu w miejscach przemieszczających się względem siebie, charakteryzuje się tym, że zawiera dwie struny pomiarowe (4, 5) o identycznych parametrach rozciągnięte wzdłużnie wewnątrz korpusu (1) wzdłuż prostej, przy czym poprzez zacisk (7) kotwy przesuwnej (3) pierwszej struny (4) zamocowany jest jeden koniec drugiej struny (5), a drugi koniec drugiej struny zamocowany jest poprzez zacisk (8) do regulatora (9) wstępnego naciągu strun.A device for measuring relative displacements of object fragments, containing an elastic element in the form of a measuring string permanently attached with one end to the body of the device, and with the other end to a movable anchor sliding in relation to the body connected with its sensor element, the non-moving anchor in relation to the body and the sliding anchor in relation to the body are mounted are to the object in places moving relative to each other, characterized in that it contains two measuring strings (4, 5) with identical parameters stretched longitudinally inside the body (1) along a straight line, and through the clamp (7) of the sliding anchor (3) of the first string (4) one end of the second string (5) is fastened, and the other end of the second string is fastened through the clamp (8) to the adjuster (9) of the initial tension of the strings.

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych fragmentów obiektu, gdzie mierzone przemieszczenia przetwarzane są na zmiany wartości sygnału wyjściowego urządzenia.The subject of the invention is a device for measuring relative displacements of object fragments, where the measured displacements are converted into changes in the value of the output signal of the device.

Znane urządzenia do pomiaru przemieszczeń, na przykład dylatometry, produkowane przez światowe firmy takie jak Geokon, RS Instruments zawierają element sprężysty w postaci struny pomiarowej i wyposażone są w umieszczone na ich końcach zamocowania. Zamocowanie nieruchome jest połączone z korpusem dylatometru, a ruchome jest połączone z jego elementem czujnikowym za pośrednictwem przesuwnego w osi korpusu bolca. Zmiana odległości między zamocowaniami nieruchomym i ruchomym powoduje zmiany wartości sygnału wyjściowego dylatometru. Zainstalowanie dylatometru za pomocą tych zamocowań do obiektu na przykład po dwóch stronach szczeliny pozwala na pomiar zmian jej rozwartości.Known devices for measuring displacements, for example dilatometers, produced by global companies such as Geokon, RS Instruments, contain a spring element in the form of a measuring string and are equipped with fastenings at their ends. The stationary mount is connected to the dilatometer body, and the movable mount is connected to its sensing element by means of a bolt body that is movable in the axis. Changing the distance between fixed and movable mounts causes changes in the dilatometer output signal. Installing the dilatometer using these attachments to the object, for example, on both sides of the gap, allows you to measure changes in its opening.

Struna poprzez jej naciąg jest elementem poddanym permanentnemu odkształceniu. W związku z tym, jej materiał (najczęściej specjalny gatunek stali) doznaje Teologicznej relaksacji naprężenia. Powoduje to spadek częstotliwości drgań własnych struny, a więc i częstotliwości elektrycznego sygnału wyjściowego urządzenia pomiarowego. Ten spadek nakłada się na zmiany częstotliwości sygnału wynikające ze zmian przemieszczenia, powodując błąd relaksacji - zaniżanie jego rzeczywistej wartości w całym zakresie pomiarowym urządzenia tego typu.The string, through its tension, is an element subjected to permanent deformation. Therefore, its material (usually a special grade of steel) undergoes Theological Stress Relaxation. This causes a decrease in the natural frequency of the string, and thus the frequency of the electrical output signal of the measuring device. This decrease is superimposed on changes in the frequency of the signal resulting from changes in displacement, causing the relaxation error - lowering its real value in the entire measuring range of this type of device.

Zgodnie z wynalazkiem urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych zawierające element sprężysty w postaci struny pomiarowej zamocowanej trwale jednym końcem do korpusu urządzenia, a drugim końcem do ruchomej kotwy przesuwnej względem korpusu połączonego z jego elementem czujnikowym, przy czym kotew nieprzesuwna względem korpusu i kotew przesuwna względem korpusu montowane są do obiektu w miejscach przemieszczających się względem siebie, charakteryzuje się tym, że zawiera dwie struny pomiarowe o identycznych parametrach rozciągnięte wzdłużnie wewnątrz korpusu wzdłuż prostej, przy czym poprzez zacisk kotwy przesuwnej pierwszej struny zamocowany jest jeden koniec drugiej struny, a drugi koniec drugiej struny zamocowany jest poprzez zacisk do regulatora wstępnego naciągu strun.According to the invention, a device for measuring relative displacements, containing a spring element in the form of a measuring string permanently attached with one end to the body of the device, and with the other end to a movable anchor sliding in relation to the body connected with its sensor element, the non-moving anchor in relation to the body and the sliding anchor in relation to the body are mounted are to the object in places moving relative to each other, characterized in that it contains two measuring strings with identical parameters, stretched longitudinally inside the body along a straight line, whereby one end of the second string is fastened through the clamp of the sliding anchor of the first string, and the other end of the second string is fastened is through the clamp to the pre-tension adjuster of the strings.

Zastosowanie w urządzeniu pomiarowym dwóch strun pomiarowych funkcjonujących w układzie różnicowym zapewnia znaczną redukcję wpływu błędu relaksacji na ostateczny wynik pomiarowy. Zmiana wielkości mierzonej, czyli przemieszczenia, w kierunku jego zwiększania się powoduje wzrost odkształcenia jednej ze strun przy jednoczesnym spadku odkształcenia drugiej z nich. Wyliczona na podstawie częstotliwości sygnałów wyjściowych urządzenia, równych częstotliwościom drgań własnych jego poszczególnych strun wartość przemieszczenia jest w znaczącym stopniu mniej wrażliwa na błąd relaksacji, niż znane urządzenia zawierające pojedynczą strunę pomiarową.The use of two measuring strings operating in a differential system in the measuring device ensures a significant reduction of the influence of the relaxation error on the final measurement result. A change in the measured quantity, i.e. the displacement, in the direction of its increase causes an increase in the strain of one of the strings and a decrease in the strain of the other string. The displacement value, calculated on the basis of the frequency of the device's output signals, equal to the natural frequencies of its individual strings, is significantly less sensitive to the relaxation error than known devices containing a single measuring string.

Przedmiot wynalazku i jego funkcjonowanie zostanie bliżej objaśniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie urządzenie do pomiarów przemieszczeń względnych zawierające dwie struny działające w układzie różnicowym, fig. 2 przedstawia takie urządzenie w widoku ogólnym, a fig. 3 do fig. 6 przedstawiają przebiegi wartości przemieszczenia w funkcji czasu zmierzone za pomocą urządzenia według wynalazku oraz za pomocą urządzenia porównawczego, wykonanego w tej samej technologii i z identycznych materiałów, ale zawierającego pojedynczą strunę.The subject of the invention and its functioning will be explained in more detail in the example of embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a schematic representation of a device for measuring relative displacements comprising two strings operating in a differential system, Fig. 2 shows such a device in general view, and Fig. 3 to Fig. 6 show the waveforms of the displacement value as a function of time measured with the device according to the invention and with the help of a comparative device made in the same technology and of identical materials, but containing a single string.

Urządzenie według wynalazku stanowi sztywny korpus - obudowę 1 zawierający struny L i P o identycznych parametrach: 4 i 5 oraz ich trzy zaciski: 6, 7 i 8. Z zaciskami 6 i 7 są połączone sztywno kotwy odpowiednio 2 i 3, a z zaciskiem 8 regulator 9 wstępnego naciągu strun L i P 4 i 5. Zacisk 6 jest sztywno połączony z korpusem 1., zaciski 7 i 8 mają możliwość wzdłużnego przemieszczania się w jego wnętrzu. Ze strunami L i P 4 i 5 współpracują dwa elektromagnesy 10 i 11 służące do pobudzania ich do drgań i przekształcania tych drgań na wyjściowe sygnały elektryczne urządzenia.The device according to the invention is a rigid body - housing 1 containing strings L and P with identical parameters: 4 and 5 and their three clamps: 6, 7 and 8. The anchors 2 and 3 are rigidly connected to clamps 6 and 7, respectively, and the regulator to clamp 8 9 of the initial tension of the L and P strings 4 and 5. Clamp 6 is rigidly connected to the body 1, clamps 7 and 8 are able to move longitudinally inside it. Two electromagnets 10 and 11 cooperate with the L and P strings 4 and 5, serving to stimulate them to oscillate and transform these oscillations into electrical output signals of the device.

Zwiększenie odległości h między kotwami 2 i 3 o dodatnią wartość Al powoduje wzrost odkształcenia struny L 4 i spadek odkształcenia struny P 5. Zmiana odkształceń strun L i P pociąga za sobą zmianę ich naprężeń σ.Increasing the distance h between anchors 2 and 3 by a positive value of Al causes an increase in the strain of the string L 4 and a decrease in the strain of the string P 5. A change in the strain of the strings L and P entails a change in their stress σ.

W zależności od naprężenia struna (po odpowiednim pobudzeniu) drga z częstotliwością f według teoretycznie wyprowadzonego równania [Crawford 1973, str. 66]:Depending on the tension, the string (after appropriate stimulation) vibrates with the frequency f according to the theoretically derived equation [Crawford 1973, p. 66]:

⁽¹⁾⁽¹⁾

PL 242201 Β1 gdzie:PL 242201 B1 where:

f- częstotliwość drgań struny [Hz], / - długość czynna struny [m], σ - naprężenie struny [Pa], Y- gęstość materiału struny [kg/m³].f- string vibration frequency [Hz], / - string active length [m], σ - string tension [Pa], Y- string material density [kg/m ³ ].

Z równania (1) można wyznaczyć naprężenie struny:From equation (1) the string tension can be determined:

σ = /² ·4/²χσ = / ² 4/ ² χ

Naprężenie σι. struny L 4 i σρ struny P 5 są więc równe:Stress σι. strings L 4 and σρ strings P 5 are equal to:

(2) ^=Λ²·4/²λ σΡ - Λ² · 4/²Z (3)(2) ^=Λ ² 4/ ² λ σΡ - Λ ² 4/ ² Z (3)

Naprężenia cl i σρStresses cl and σρ

Δ/ 'z -^rl+-T^E (4) (5) są sumą naprężeń wynikających z naprężenia wstępnego strun σο pomniejszonego o naprężenia odpowiednio orl i orp dla każdej ze strun, wynikających z relaksacji ich materiału oraz z naprężenia σΔΐ powstałego na skutek przemieszczenia się kotwy 3 względem kotwy 2 o ΔΙ:Δ/ 'z -^rl+-T ^E (4) (5) are the sum of the stresses resulting from the initial tension of the strings σο minus the stresses orl and orp for each string, respectively, resulting from the relaxation of their material and the stress σΔΐ resulting from displacement anchor 3 relative to anchor 2 by ΔΙ:

σ,^γΕ(6) gdzie I jest długością czynną (pomiędzy zaciskami) każdej ze strun L i P, a E- modułem Younga materiału strun. W ten sposób, dla struny L: równanie (2) ma postać:σ,^γΕ(6) where I is the active length (between terminals) of each of the strings L and P, and E is the Young's modulus of the string material. Thus, for the string L: equation (2) has the following form:

=(7)=(7)

U KL J Łj '' i a dla struny P:U KL J Łj '' and a for the P string:

= //-4/^(θ)= //-4/^(θ)

Po odjęciu stronami równań (7) i (8) otrzymuje się:After subtracting the sides of equations (7) and (8), we get:

2y Ε-σ„. + σ„ = (/,.^! -//)-4//(9) czyli:2y Ε-σ". + σ„ = (/,. ^! -//)-4//(9) that is:

W równaniu (10) nie występuje naprężenie wstępne struny σο. Wartość ΔΙ jest też wolna od wpływu naprężenia relaksacji strun pod warunkiem, że orl i oppsą sobie równe. Naprężenie relaksacji strun jest jednak zależne nie tylko od czasu, ale też i od ich odkształcenia (w przybliżeniu jest to zależność liniowa), co wykazały przeprowadzone dotychczas eksperymenty [Kanciruk 2012, str. 127]. Stąd, całkowita kompensacja wpływu relaksacji strun na wynik pomiarowy urządzenia według wynalazku jest możliwa tylko dla wartości przemieszczenia ΔΙ = 0, czyli gdy kotew ruchoma 3 (fig. 1) urządzenia jest w środku zakresu pomiarowego Δ[. Wraz ze wzrostem bezwzględnej wartości przemieszczenia, błąd jego pomiaru wynikający z relaksacji strun wzrasta.In equation (10) there is no initial stress σο. The value of ΔΙ is also free from the effect of string relaxation stress, provided that orl and opps are equal. However, the relaxation stress of strings depends not only on time, but also on their deformation (approximately a linear relationship), which has been shown by the experiments carried out so far [Kanciruk 2012, p. 127]. Hence, complete compensation of the influence of string relaxation on the measurement result of the device according to the invention is possible only for the displacement value ΔΙ = 0, i.e. when the movable anchor 3 (fig. 1) of the device is in the middle of the measurement range Δ[. As the absolute value of the displacement increases, the measurement error due to string relaxation increases.

W oparciu o powyższe założenia skonstruowano modelowe urządzenie (fig. 2). Jego testy (fig. 4 i 6) potwierdziły redukcję wpływu relaksacji naprężenia strun na wyn ik pomiarowy przemieszczenia, w porównaniu z wpływem tej relaksacji na wynik uzyskany za pomocą urządzenia porównawczego, wykonanego w tej samej technologii i z identycznych materiałów, ale zawierającego pojedynczą strunę (fig. 3 i 5).Based on the above assumptions, a model device was constructed (fig. 2). His tests (fig. 4 and 6) confirmed the reduction of the influence of string tension relaxation on the displacement measurement result, compared to the influence of this relaxation on the result obtained using a comparative device made in the same technology and of identical materials, but containing a single string (fig. 3 and 5).

Fig. 3 (urządzenie porównawcze) i fig. 4 (urządzenie według wynalazku) ilustrują wpływ relaksacji naprężenia strun na wynik pomiarowy przemieszczenia zarejestrowany przez pierwsze 7 dni od momentu wstępnego naprężenia strun. Zadane przemieszczenie ΔΙ = 0. Przemieszczenie pozorne jest wyznaczone na podstawie zmierzonych częstotliwości drgań strun i zbadanych charakterystyk f-ΔΙ urządzeń. Stopień redukcji wpływu relaksacji wynosi ok. 30 : 1.Fig. 3 (comparative device) and Fig. 4 (device according to the invention) illustrate the effect of string tension relaxation on the displacement measurement recorded for the first 7 days after initial string tension. The given displacement ΔΙ = 0. The apparent displacement is determined on the basis of the measured frequencies of string vibrations and the examined f-ΔΙ characteristics of the devices. The degree of reduction of the relaxation effect is approx. 30:1.

Fig. 5 (urządzenie porównawcze) i fig. 6 (urządzenie według wynalazku) ilustrują wpływ relaksacji naprężenia strun na wynik pomiarowy przemieszczenia zarejestrowany przez następne 140 dni. Zadane przemieszczenie ΔΙ =~90 μm. Stopień redukcji wpływu relaksacji wynosi ok. 20 : 1.Fig. 5 (comparative device) and Fig. 6 (device according to the invention) illustrate the effect of string tension relaxation on the displacement measurement recorded over the next 140 days. The given displacement ΔΙ = ~90 μm. The degree of reduction of the relaxation effect is approx. 20:1.

Zgodnie z przewidywaniem, redukcja ta zmniejsza się wraz ze wzrostem mierzonego przemieszczenia, pozostaje jednak znacząca nawet na krańcach zakresu pomiarowego przedmiotowego urządzenia.As expected, this reduction decreases with the increase of the measured displacement, but remains significant even at the ends of the measuring range of the device in question.

Claims

1. A device for measuring relative displacements of object fragments, containing an elastic element in the form of a measuring string permanently attached with one end to the body of the device, and with the other end to a movable sliding anchor in relation to the body connected with its sensing element, the anchor being fixed in relation to the body and the sliding anchor in relation to the body of the body are mounted to the object in places that move relative to each other, characterized in that they contain two measuring strings (4, 5) with identical parameters stretched longitudinally inside the body (1) along a straight line, and through the clamp (7) of the sliding anchor (3) of the first string (4) one end of the second string (5) is fastened, and the other end of the second string is fastened through the clamp (8) to the adjuster (9) of the initial tension of the strings.