PL242201B1

PL242201B1 - Urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych fragmentów obiektu

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.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do pomiaru przemieszczeń względnych fragmentów obiektu, gdzie mierzone przemieszczenia przetwarzane są na zmiany wartości sygnału wyjściowego urządzenia.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

W zależności od naprężenia struna (po odpowiednim pobudzeniu) drga z częstotliwością f według teoretycznie wyprowadzonego równania [Crawford 1973, str. 66]:

⁽¹⁾

PL 242201 Β1 gdzie:

f- częstotliwość drgań struny [Hz], / - długość czynna struny [m], σ - naprężenie struny [Pa], Y- gęstość materiału struny [kg/m³].

Z równania (1) można wyznaczyć naprężenie struny:

σ = /² ·4/²χ

Naprężenie σι. struny L 4 i σρ struny P 5 są więc równe:

(2) ^=Λ²·4/²λ σΡ - Λ² · 4/²Z (3)

Naprężenia cl i 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:

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:

=(7)

U KL J Łj '' i a dla struny P:

= //-4/^(θ)

Po odjęciu stronami równań (7) i (8) otrzymuje się:

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

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.

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).

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. 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.

Zgodnie z przewidywaniem, redukcja ta zmniejsza się wraz ze wzrostem mierzonego przemieszczenia, pozostaje jednak znacząca nawet na krańcach zakresu pomiarowego przedmiotowego urządzenia.

Claims

1. 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, znamienne 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.