Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Messung von mechanischen Spannungen an elastisch verformbaren Flächen, insbesondere Membranen, die mindestens ein zu Schwingungen anregbares, biegesteifes sensitives Element enthalten, das eine zugspannungsabhängige Frequenz erzeugt.The invention relates to a method and an arrangement for measuringmechanical stresses on elastically deformable surfaces, in particularMembranes that have at least one flexurally rigid that can be excited to vibratecontain sensitive element that generates a tension-dependent frequency.
Es ist bekannt, die Zugkräfte über die Deformation elastischer Körper zu bestimmen. Die durch die zu messende Kraft bewirkte Deformation wird indirekt über induktive oder kapazitive Weg-, Dehnmeßstreifen-, magnetoelastische oder piezoelektrische Aufnehmer elektrisch gemessen. Die Meßgröße wird dabei amplitudenanalog abgebildet.It is known to increase tensile forces via the deformation of elastic bodiesdetermine. The deformation caused by the force to be measured is indirectly viainductive or capacitive displacement, strain gauge, magnetoelastic orPiezoelectric transducers measured electrically. The measurand becomesmapped to amplitude.
Aus der DE-OS 195 48 656 sind ein Verfahren und eine Einrichtung zur Messung von Zugkräften bekannt, nach denen ein eingespannter biegesteifer Festkörper zu Schwingungen angeregt wird, als sensitives Element dient und gleichzeitig Träger eines Schwingungsaufnehmers ist. Über die Einspannungen erfolgt die direkte Einleitung der zu messenden Zugkraft in das schwingende und den Schwingungsaufnehmer tragende Element. Die Frequenz des Schwingungsaufnehmersignals ist abhängig von der wirkenden Zugkraft und wird entsprechend für die Zugkraftmessung ausgewertet. Nachteilig ist, daß der Sensor direkt im Lastpfad liegt.DE-OS 195 48 656 describes a method and a device for measurementknown from tensile forces, according to which a clamped rigid rigid bodyis excited to vibrate, serves as a sensitive element and at the same timeCarrier of a vibration sensor. This is done via the clampsdirect introduction of the tensile force to be measured into the vibrating andElement supporting vibration sensor. The frequency of theVibration pick-up signal depends on the acting tensile force and becomes correspondingevaluated for the tensile force measurement. The disadvantage is that the sensor directly in theLoad path lies.
Nach dem DUBBEL, Taschenbuch für den Maschinenbau, 19. Auflage, Springerverlag, Seite W13 sind zur indirekten Messung einer Zugspannung Dehnungsmeßgeräte bekannt. Dehnungsmeßstreifen bestehen aus einem mäanderförmigen Meßgitter in einer dünnen Trägerfolie und wandeln Dehnungen in Widerstandsänderungen um, die mit einer Wheatstone-Brückenschaltung gemessen werden. Der Dehnungsmeßstreifen wird direkt auf der zu messenden Oberfläche befestigt. Spannungen können aus den Dehnungswerten nur mit Hilfe des elastischen Gesetzes berechnet werden.After the DUBBEL, paperback for mechanical engineering, 19th edition,Springerverlag, page W13 are for indirect tension measurementStrain gauges known. Strain gauges consist of ameandering measuring grid in a thin carrier film and convert strains intoChanges in resistance around measured with a Wheatstone bridge circuitbecome. The strain gauge is placed directly on the surface to be measuredattached. Stresses can only be determined from the elongation values with the help of theelastic law can be calculated.
In der DE-OS 197 37 985 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Spannung eines Antriebsriemens beschrieben, wobei die Riemenspannung über eine Messung der Eigenfrequenz eines zum Schwingen angeregten Riementeils bestimmt wird. Zur Messung der Riemenspannung umgreift ein U-förmiger Meßkopf die kraftübertragenden Seiten des zu Schwingungen anregbaren Riementeils, dessen Eigenfrequenz ein Maß für die Riemenspannung ist. Die Schwingungsanregung des Riementeils erfolgt durch einen Getriebemotor mit einem an der Welle befestigtem radial stehendem Federdraht. Diese Lösung ist nicht zur Spannungsmessung an Membranen geeignet.DE-OS 197 37 985 describes a method and a device for measurementdescribed the tension of a drive belt, the belt tensionby measuring the natural frequency of an excited oneBelt part is determined. Reaches around to measure the belt tensionU-shaped measuring head the force-transmitting sides of the vibratableBelt part, the natural frequency of which is a measure of the belt tension. TheVibration excitation of the belt part is carried out by a geared motora radially standing spring wire attached to the shaft. This solution isnot suitable for voltage measurement on membranes.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine robuste Anordnung zur direkten Messung von mechanischen Spannungen an elastisch verformbaren Flächen, insbesondere Membranen, mit zu Schwingungen anregbaren, biegesteifen, sensitiven Elementen ohne Umrechnung von einer Dehnung auf eine Spannung vorzuschlagen, die weitgehend unabhängig von der Kenntnis des Materialverhaltens und ohne Eingriff in die zu vermessende Struktur sind und eine einfache meßtechnische Auswertung als ein zugspannungsabhängiges frequenzanaloges Signal sowohl im mobilen als auch im Langzeiteinsatz ermöglichen.The object of the invention is a method and a robust arrangement fordirect measurement of mechanical stresses on elastically deformableSurfaces, in particular membranes, with vibrations that can be excitedrigid, sensitive elements without conversion from stretching to onePropose tension that is largely independent of knowledge of theMaterial behavior and without interference in the structure to be measured and onesimple metrological evaluation as a tension dependentenable frequency-analog signal in both mobile and long-term use.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren zur Messung von Spannungen an elastisch verformbaren Flächen, insbesondere Membranen die zu messende Fläche punktuell zu Kippschwingungen in der Art einer reinen Drehschwingung mit der Achse in der Ebene der zu messenden Fläche angeregt wird und damit deren wirkende Spannung ein zur Auslenkung proportionales Rückstellmoment erzeugt, das als Schwingung gemessen und ausgewertet wird.According to the invention the object is achieved in that in the method forMeasurement of stresses on elastically deformable surfaces, in particularMembranes punctuate the surface to be measured in a tilting mannera pure torsional vibration with the axis in the plane of the measuredSurface is excited and thus its effective tension to deflectionproportional restoring torque generated which is measured as vibration andis evaluated.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur Messung von Spannungen an elastisch verformbaren Flächen, insbesondere Membranen, enthält mindestens ein schwingfähiges, biegesteifes Element mit mindestens einer Grundplatte, mindestens einen Schwingungserreger und Meßwertgeber auf und/oder unter der zu messenden Fläche sowie eine externe Meßwertverarbeitung.The arrangement according to the invention for measuring tensions on elasticdeformable surfaces, in particular membranes, contains at least oneoscillatable, rigid element with at least one base plate,at least one vibration exciter and sensor on and / or under themeasuring area as well as an external measurement processing.
Erfindungsgemäß wird die Erregungskraft durch magnetische Anziehung oder durch seismische Massen erzeugt.According to the excitation force by magnetic attraction orgenerated by seismic masses.
In Ausgestaltung der Erfindung werden zur Erregung dynamische Wandler mit seismischen Massen, Piezoaktoren oder Motoren mit Unwucht verwendet.In an embodiment of the invention, dynamic transducers are used for excitationseismic masses, piezo actuators or motors with unbalance are used.
In weiterer Ausgestaltung ist die Grundplatte für uniaxiale Sensoren rechteckig und für multiaxiale kreisförmig.In a further embodiment, the base plate for uniaxial sensors is rectangularand circular for multiaxial.
Es ist zweckmäßig, daß für uniaxiale Sensoren zwei gleiche Grundplatten, möglichst langgestreckt, verwendet werden.It is advisable to use two identical base plates for uniaxial sensors,stretched out as far as possible.
Erfindungsgemäß kann die Schwingungserregung durch einen harmonischen Frequenzgenerator, eine Impulserregung oder einen Unterbrecher erfolgen. Nach der Erfindung baut die Meßwertverarbeitung auf einer Resonanzmessung, auf einer Auswertung einer Impulsantwort oder auf einer Unterbrecherimpuls-/Frequenzzählung auf.According to the invention, the vibration can be excited by a harmonicFrequency generator, pulse excitation or an interrupter.According to the invention, the measured value processing is based on a resonance measurement,on an evaluation of an impulse response or on a breaker impulse/ Frequency count on.
In Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein schwingfähiges, biegesteifes Element durch ein Vakuum oder durch ein Magnetfeld an der zu messenden Fläche gehalten.In an embodiment of the invention, at least one is capable of oscillation and is rigidElement by a vacuum or by a magnetic field on the one to be measuredArea kept.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, daß mindestens ein schwingfähiges, biegesteifes Element durch eine Klebeverbindung an der zu messenden Fläche gehalten wird.According to the invention, it is also possible that at least one vibratable,rigid element due to an adhesive connection on the surface to be measuredis held.
Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using two exemplary embodiments.
Die zugehörigen Zeichnungen zeigen:The associated drawings show:
Fig. 1a Vorderansicht eines uniaxialen Sensors mit TangentialkompensationFig. 1a front view of a uniaxial sensor with tangential compensation
Fig. 1b Seitenansicht des uniaxialen SensorsFig. 1b side view of the uniaxial sensor
Fig. 1c Draufsicht des uniaxialen SensorsFig. 1c top view of the uniaxial sensor
Fig. 2a Draufsicht eines dynamischen Wandlers mit seismischer MasseFig. 2a top view of a dynamic transducer with seismic mass
Fig. 2b Seitenansicht des dynamischen Wandlers mit seismischer MasseFig. 2b side view of the dynamic transducer with seismic mass
Fig. 2c Wandlerschaltung zur Erregung in drei verschiedenen SchwingachsenFig. 2c converter circuit for excitation in three different vibration axes
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine ungestörte Membran mit Kippschwingungen in Form einer reinen Drehschwingung mit der Achse in der Membranebene erregt. Dadurch wird der Einfluß der Membranmasse sowie der Einspannbedingungen bzw. der Lagerung der Membran minimiert.According to the method of the invention, an undisturbed membrane is addedTilting vibrations in the form of a pure torsional vibration with the axis in theMembrane level excited. As a result, the influence of the membrane mass and theClamping conditions and the storage of the membrane minimized.
Ein biegesteifes Element wird um eine Achse in der Membranebene gedreht. Die wirkende Spannung in der Membran erzeugt ein zur Auslenkung proportionales Rückstellmoment. Wird der Grundplatte als biegesteifes Element Drehträgheit verliehen, ist das System schwingungsfähig. Die Frequenz ist direkt von der Vorspannung abhängig.A rigid element is rotated about an axis in the membrane plane. TheActing tension in the membrane produces a deflection proportional to the deflectionRestoring moment. Is the base plate as a rigid element torsional inertiaawarded, the system is oscillatory. The frequency is straight from thatPreload dependent.
Die Erfindung ermöglicht viele verschiedene Ausführungen. So sind jeweils mehrere Varianten und deren Kombinationen möglich, die entsprechend den konkreten Bedingungen auszuwählen sind:
Als Befestigungsvarianten sind sowohl ein- als auch beidseitige Befestigungen, z. B. mittels Vakuum, Kleben oder Magneten möglich.Fastening variants include both one-sided and two-sided fastenings,z. B. possible by means of vacuum, gluing or magnets.
Erregungsmethoden können harmonische Erregungen mit Frequenzgeneratoren, Impulserregungen oder mittels Unterbrecher sein.Excitation methods can create harmonic excitations with frequency generators,Impulse excitation or by means of an interrupter.
Die Erregungskraft kann durch magnetische Anziehung, z. B. bei einem symmetrischen Uniaxialsensor, oder durch seismische Massen mittels dynamischer Wandler, Piezoaktuatoren oder Motor mit Unwucht erzeugt werden.The excitement can be achieved by magnetic attraction, e.g. B. at onesymmetrical uniaxial sensor, or by seismic masses using dynamicTransducers, piezo actuators or motor with unbalance are generated.
Als Erregungsrichtungen sind die tangentiale mit Kompensation als 2-Platten-Variante und die normale mit Phasensteuerung für den Erregersatz als Multiaxialsensor möglich.The excitation directions are the tangential with compensation as2-plate version and the normal one with phase control for the pathogen replacement asMulti-axial sensor possible.
Zur Messung und Auswertung der Schwingungen eignen sich Resonanzmessungen/Eigenfrequenzbestimmung, z. B. über Scheinwiderstandsmessungen, Auswertung der Impulsantwort, Frequenzzählung und Unterbrecherimpulszählung. Bei geringen Anforderungen reicht häufig ein Multimeter mit Frequenzmeßbereich.Suitable for measuring and evaluating the vibrationsResonance measurements / natural frequency determination, e.g. B. via impedance measurements,Evaluation of the impulse response, frequency count and interrupt pulse count.A multimeter is often sufficient for low requirementsFrequency measuring.
Nachfolgend werden eine Ausführung als uniaxialer (Fig. 1a, 1b, 1c) und eine als multiaxialer (Fig. 2a, 2b, 2c) Sensor erläutert.An embodiment as a uniaxial (FIGS. 1a, 1b, 1c) and as a multiaxial (FIGS. 2a, 2b, 2c) sensor are explained below.
Der uniaxiale Sensor mit Tangentialkompensation besteht nach denFig. 1a-1c aus zwei gleichen symmetrischen Schwingern mit rechteckigen Grundplatten2a;2b, die direkt auf der Oberfläche der Membrane1 an der zu messenden Stelle angeordnet sind. Die Längsseiten der Schwinger2a;2b weisen eine schmale parallele Trennfuge10 auf, die deren Schwingachse bildet. Die Membranspannungs-Meßrichtung11 verläuft quer zur Trennfuge10. Um die erforderliche Stabilität zu erreichen, sind die Schwingsysteme mit den Elektromagneten6a;6b an einem Seitenflansch8a;8b mit Querstegen7a;7b angeordnet, die starr mit den Bodenplatten2a;2b verbunden sind. Die Anschlußkabel9a;9b der Elektromagneten6a;6b sind mit der nicht dargestellten Elektronik verbunden.According toFIGS. 1a-1c, the uniaxial sensor with tangential compensation consists of two identical symmetrical oscillators with rectangular base plates2 a;2 b, which are arranged directly on the surface of the membrane1 at the point to be measured. The long sides of the transducers2 a;2 b have a narrow parallel parting line10 , which forms the axis of oscillation. The membrane tension measuring direction11 runs transversely to the parting line10 . In order to achieve the required stability, the vibration systems with the electromagnet6 a;6 b on a side flange8 a;8 b with cross bars7 a;7 b arranged rigidly with the base plates2 a;2 b are connected. The connecting cable9 a;9 b of the electromagnet6 a;6 b are connected to the electronics, not shown.
Die Elektromagneten6a;6b sind gleichpolig abstoßend geschaltet, so daß bei Einspeisung von Wechselstrom eine gegensinnige Schwingung der beiden Teilsysteme erzeugt wird. Dadurch bleibt für kleine Ausschläge der gemeinsame Schwerpunkt konstant, insbesondere bewegt der sich nicht tangential zur Membranebene. Dies vermeidet Rückwirkungen der Einspannbedingungen auf das Meßergebnis.The electromagnet6 a;6 b are repulsed with the same poles, so that when alternating current is fed in, an opposite vibration of the two subsystems is generated. As a result, the common center of gravity remains constant for small deflections, in particular it does not move tangentially to the membrane plane. This avoids repercussions of the clamping conditions on the measurement result.
Der Sensor kann bei Verwendung eines Unterbrecherkontaktes auch selbsterregend ausgeführt werden. Große Länge längs der Trennfuge10 und kleine Breite der Fläche der Grundplatten2a;2b machen den Sensor unempfindlich gegen die Spannungskomponente längs der Trennfuge10.The sensor can also be designed to be self-exciting if an interrupter contact is used. Large length along the parting line10 and small width of the surface of the base plates2 a;2 b make the sensor insensitive to the stress component along the parting line10 .
Als weiteres Ausführungsbeispiel ist in denFig. 2a-2c ein Multiaxialer Sensor dargestellt. Auf einer kreisrunden Grundplatte2 sind drei seismische Schwinger3a;3b: 3c um je 120° versetzt angeordnet, die dynamische Wandler mit seismischen Massen darstellen. Die Wandler sind Elektromagneten, die auf seismische Massen wirken, die so (weich) aufgehängt sind, daß sie vertikal zur Plattenebene überkritisch schwingen. Die Grundplatte2 wirkt als Drehschwinger um Achsen in der Plattenebene. Welche Achse angeregt wird, hängt von der Beschaltung der Wandler ab. Die Wandler enthalten je eine Wicklung4a;4b;4c, die zur Erregung dreier verschiedener Schwingungsachsen entsprechend beschaltet werden können. InFig. 2c sind die sich ergebenden Achsen der Drehschwingung5 des Sensors eingezeichnet. Die Resonanzfrequenzen für die drei Achsorientierungen lassen nach geeigneter Eichung auf den vollständigen Membranspannungszustand schließen. Die Eichung muß mit biaxialen Spannungszuständen erfolgen, da die Frequenz unabhängig von der Lage der Schwingachse immer von allen Komponenten des Spannungszustandes abhängt.As a further exemplary embodiment, a multiaxial sensor is shown inFIGS. 2a-2c. On a circular base plate2 are three seismic transducers3 a;3 b: 3c, each offset by 120 °, which represent dynamic transducers with seismic masses. The transducers are electromagnets that act on seismic masses that are suspended so (softly) that they vibrate supercritically vertically to the plate level. The base plate2 acts as a rotary oscillator about axes in the plate plane. Which axis is excited depends on the wiring of the transducers. The converters each contain a winding4 a;4 b;4 c, which can be wired accordingly to excite three different vibration axes. The resulting axes of the torsional vibration5 of the sensor are shown inFIG. 2c. The resonance frequencies for the three axis orientations indicate the complete membrane tension state after suitable calibration. The calibration must be carried out with biaxial stress states, since the frequency always depends on all components of the stress state, regardless of the position of the oscillation axis.
Die Verarbeitung der mit den Sensoren gewonnenen Signale erfolgt mit für den jeweiligen Einsatzfall geeigneten bekannten elektronischen Schaltungen. Die Signalverarbeitung kann auch in größerer Entfernung vom Meßort erfolgen. Um mit der erfindungsgemäßen Anordnung eine hohe Meßgenauigkeit zu erreichen, sind nachfolgende Grundsätze einer Eichung zu berücksichtigen.The signals obtained with the sensors are processed for theknown electronic circuits suitable for each application. TheSignal processing can also take place at a greater distance from the measurement location.In order to achieve a high measuring accuracy with the arrangement according to the inventionthe following principles of calibration must be taken into account.
Der Uniaxialsensor ist bei langgestreckten Grundplatten direkt auswertbar, solange die Membran nicht zu biegesteif ist. Ansonsten wird eine Eichung an einachsigen Zugversuchen durchgeführt. Die Fehlerbestimmung erfolgt nach biaxialen Versuchen.The uniaxial sensor can be evaluated directly on elongated base plates,as long as the membrane is not too rigid. Otherwise a calibration is carried outuniaxial tensile tests carried out. The error is determined after biaxialTo attempt.
Ein Multiaxialsensor mit Kreisplatte wird nach biaxialen Zugversuchen mit mindestens 3 verschiedenen Hauptspannungsrichtungen geeicht.A multiaxial sensor with a circular plate is used after biaxial tensile testsat least 3 different main stress directions calibrated.
Die Erfindung eignet sich zur Bestimmung von Zugspannungen flexiblen vorgespannten Flächen, insbesondere von in vielen Bereichen angewandten vorgespannten textilen Membranen. Eine Anwendung zur Spannungsmessung in Seilen, z. B. bei der inneren Abspannung in Luftschiffen, ist auch möglich. Die erfindungsgemäße Anordnung kann für Versuchsanordnungen und für Langzeitmessungen sowohl mobil als auch stationär eingesetzt werden.The invention is suitable for flexible determination of tensile stressesprestressed surfaces, especially those used in many areasprestressed textile membranes. An application for voltage measurement inRopes, e.g. B. in the inner bracing in airships, is also possible.The arrangement according to the invention can be used for experimental arrangements and forLong-term measurements can be used both mobile and stationary.
Die Erfindung weist entscheidende Vorteile auf.The invention has decisive advantages.
Die Messung ist unabhängig von der Kenntnis des Materialverhaltens. Die Biegesteifigkeit der Membran erzeugt nur einen geringen Anteil am Rückstellelement. Die Massenbelegung der Membran trägt im Vergleich zu den Sensormassen nur in geringem Maße zur kinetischen Energie bei. Die Befestigung des Sensors verfälscht die lokale Spannungsverteilung nur wenig.The measurement is independent of the knowledge of the material behavior. TheBending stiffness of the membrane produces only a small proportion of the restoring element.The mass occupancy of the membrane in comparison to the sensor masses onlyto a small extent to the kinetic energy. The attachment of the sensorfalsifies the local voltage distribution only slightly.
Die Messung ist unabhängig von den Einspannbedingungen der Struktur. Sowohl die normale als auch die tangentiale Bewegung des Sensors in seinem Schwerpunkt sind nur gering. Die Hauptenergie liegt in der Drehschwingung. Ein wesentlicher Vorteil ist, daß der Sensor nicht Bestandteil des Lastpfades ist und somit ohne Modifikation der Struktur aufgebracht werden kann.Bezugszeichenaufstellung1 Membran
2 kreisförmige Grundplatte
2a,2b rechteckige Grundplatte
3a,3b,3c seismische Schwinger
4a,4b,4c Wandlerwicklungen
5 Achse der Drehschwingungen
6a,6b Elektromagneten
7a,7b Quersteg
8a,8b Seitenflansch
9a,9b Anschlußkabel
10 Trennfuge
11 Membranspannungs-Meßrichtung
The measurement is independent of the clamping conditions of the structure. Both the normal and the tangential movement of the sensor in its center of gravity are only slight. The main energy lies in the torsional vibration. A major advantage is that the sensor is not part of the load path and can therefore be applied without modifying the structure.Reference numeral1 membrane
2 circular base plates
2 a,2 b rectangular base plate
3 a,3 b,3 c seismic transducers
4 a,4 b,4 c transformer windings
5 axis of torsional vibrations
6 a,6 b electromagnets
7 a,7 b crossbar
8 a,8 b side flange
9 a,9 b connection cable
10 parting line
11 Diaphragm tension measuring direction
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8141 | Disposal/no request for examination | ||
| 8127 | New person/name/address of the applicant | Owner name:CL CARGOLIFTER GMBH & CO. KGAA, 14057 BERLIN, DE |