7. előadás: Mozgásvizsgálatok folyamatos módszerei

Átírás

1 7. előadás: Mozgásvizsgálatok folyamatos módszerei Az elmúlt évtizedekben a különböző objektumok mozgásvizsgálatára a geodéziai és fotogrammetriai módszerek mellett vagy azok helyett széles körben alkalmaznak folyamatos vagy folyamatosnak tekinthető mérési módszereket. Ezeket a módszereket általában az objektumba beépített műszerek segítségével valósítják meg. Esetenként sor kerül geodéziai és fotogrammetriai mérések folyamatossá tételére is. Folyamatos méréseket a következő esetekben célszerű alkalmazni: a) A vizsgált szerkezet viszonylag gyorsan mozog, így a szabad szemmel történő irányzás nem lehetséges. Erre az esetre példaként a hidak dinamikus terhelési próbáját említjük. b) A szerkezet nagyszámú pontjának a mozgását egyidejűleg kívánjuk nagy pontossággal megállapítani, s várhatóan a hagyományos mérések időszükséglete alatt a szerkezet nem marad mozdulatlan. Példaként hozzuk fel a napsugárzásnak kitett fémszerkezetek mozgásvizsgálatát. c) Igen sok alkalommal, egymást követő viszonylag kis időközökkel kell elvégezni a szerkezet mozgásvizsgálatát. Példa lehet erre a karcsú, magas építmények hőmérsékletváltozás és szélteher hatására bekövetkező mozgásainak vizsgálata. A felsorol esetekben mint írtuk célszerű a szerkezetbe folyamatos mérést lehetővé tevő berendezéseket beépíteni. Természetesen azonban a folyamatos mérést lehetővé tevő műszerek elhelyezése előtt szükséges a műszaki és gazdaságossági vizsgálatokat is elvégezni. Ilyen vizsgálatok elvégzése hazánkban különösen indokolt azért, mivel a folyamatos mérések bizonyos fajtái esetében egyáltalán nem, vagy csak igen kevés gyakorlati tapasztalattal rendelkezünk. A folyamatos mérések alapelve Folyamatos mérések végzésekor a vizsgált szerkezeten mérőhelyeket létesítünk oly módon, hogy a mérőhelyeken elhelyezett műszerek segítségével rögzíteni tudjuk bizonyos kiválasztott fizikai mennyiségeknek (például távolságoknak, hajlásszögeknek) a mozgás hatására bekövetkező változásait. A folyamatos mérésre szolgáló műszerek esetenként közvetlenül, szabad szemmel is leolvashatóak, azonban célszerűségi szempontból a mérési eredményeket általában átalakítjuk elektromos jellé. Az elektromos jeleket azután kábelen egy központi mérőhelyre továbbítjuk, ahol azok további feldolgozásra kerülnek. Tekintettel arra, hogy valamely vizsgált szerkezeten több mérőhelyet is kialakítanak, szükséges egy mérőhelyváltó, amely biztosítja, hogy a központi mérőhelyre egyidejűleg csak egyetlen mérőhelyről érkezzék elektromos jel. A mérőhelyváltó néhány mérőhelytől (például 10) viszonylag sok mérőhelyig (például 100) lehet kézi működtetésű, azonban készítenek automatikus vagy programozható mérőhelyváltókat is. Ez utóbbiakkal biztosítható valamennyi mérőhelynek vagy a mérőhelyek egyes csoportjainak program szerinti mérése. A mérőhelyekről érkező jel általában kis szintű jel, ezért szükséges annak erősítése. Az erősítés lehet egyen- vagy váltakozó áramú, mindenképpen kívánatos azonban a 0 frekvenciájú jel átvitele is. Az erősítőből kilépő jelet vagy valamilyen kijelző készülékre viszik, vagy egyéb úton regisztrálják. A kijelzés általában 4-6 számjegy kijelzésére alkalmas digitális készüléken 7-1

2 Óravázlat a Építésirányítás, mozgásvizsgálatok előadásaihoz történik. A kijelzésnek ez a módja főleg sok mérőhely esetén meglehetősen célszerűtlen. A mérőjelek regisztrálása többféle módon történhet. A regisztrálás célszerű módjának megválasztásában a vizsgálat célja és a későbbi feldolgozás módja alapvető jelentőségű. A regisztrálás legszemléletesebb módja a rajzolószerkezettel történő regisztrálás. Ennek a regisztrálási módnak az a hátránya, hogy a mérési eredmények további számítógépes feldolgozását gyakorlatilag kizárja. (A számítógépi feldolgozás ilyen esetekben csak nagy időráfordítással, a pontosság csökkenésével lehetséges.) Így ezt az - analóg jellegű regisztrálást csupán akkor célszerű alkalmazni, ha az eredmények grafikus ábrázolása a vizsgálat során elegendő. A regisztrálás egyéb módjai a mérési eredményeket számszerűen, továbbá gépi feldolgozásra alkalmas módon (például mágnesszalagon) rögzítik. Lehetséges a mérési eredmények sornyomtatóval történő kinyomtatása, s adathordozóra történő egyidejű rögzítése is. Az adathordozóra történő rögzítés feltétlenül szükséges, ha a mérési eredményeket matematikai módszerrel (például szűréssel) még feldolgozzuk. A folyamatos mozgásmérések most ismertetett elvét sematikusan az 1. ábra szemlélteti. 1. ábra: A folyamatos mozgásmérések elve A folyamatos vizsgálat alapelveiről szólva megemlítjük, hogy a szerkezeten elhelyezett mérőhelyek különböző fizikai mennyiségek változásának a mérésére alkalmasak. 7-

3 A mérőhelyek típusai Folyamatos mozgásvizsgálatokkor a mérendő fizikai mennyiségek és a méréshez felhasznált műszerek a következők: Mérendő fizikai mennyiség Felhasznált műszer Hossz induktív adó helyzetérzékelő dióda Nyúlás rezgőhúr elvén alapuló adó nyúlásmérő bélyeg inga Hajlás elektromos libella szabad folyadékfelszín észlelésen alapuló adó A hosszak folyamatos mérése A hosszak folyamatos mérése induktív adókkal vagy helyzetérzékelő diódákkal történik. Az induktív adók különböző típusait alakították ki. Az induktív adók mérendő hosszat induktivitássá alakítják át. Egy tekercs induktivitása a menetszámnak és a mágneses vezetőképességnek a függvénye: L=N Λ ahol L a tekercs induktivitása, N a menetszám, Λ a mágneses vezetőképesség. A mágneses vezetőképesség állandó keresztmetszetű homogén mágneses tér esetén a következő: A Λ=µ l ahol µ= µ 0 µ r a mágneses permeabilitás, µ 0 =4π 10-7 Vs/Am µ r = a relativitás permeabilitás, A = a mágneses vezető keresztmetszete, l = mágneses vezető hossza. Ha a mágneses vezetőképesség képletét Λ= µg Alakban írjuk fel, ahol µ a permeabilitás, G pedig az elrendezés geometriájától függő tényező, akkor a L=N Λ képlet a következő formát ölti: 7-3

4 Óravázlat a Építésirányítás, mozgásvizsgálatok előadásaihoz L=N µg Ennek megfelelően egy tekercs induktivitása változhat, ha a) a menetszám, b) a geometria, c) a permeabilitás változik. Teljesen hasonlóan a kölcsönös induktivitás (M) változása is a fenti három tényező valamelyikének változására vezethető vissza. Az induktív adók következésképpen olyan kialakításban készülnek, hogy a mérendő mennyiség mely legtöbbször elmozdulás a fenti három tényező valamelyikét változtassa. A lehetséges elvi elrendezések közül leggyakrabban a differenciál transzformátort és a vasmagos, nyitott mágneses körű különbségi induktív adót használják. A továbbiakban részletesebben a nyitott mágneses körű, vasmagos mérőátalakítóval foglalkozunk. Egyszerű kialakítása a /a. ábrán látható: egy tekercsből és a tekercs tengelyében elmozduló vasmagból áll. A működés elvi alapja az, hogy a tekercs induktivitása a vasmag helyzetének a függvénye. Ezt a függvényt ábrázoltuk a /b. ábrán. Látható, hogy az induktivitásnak maximuma van akkor, amikor a vasmag teljesen kitölti a tekercs belső terét. Ha a vasmagot a tekercsből valamilyen irányban elkezdjük eltávolítani, az induktivitás csökken mégpedig a helyzet függvényében nemlineárisan egészen addig, amíg a vasmagot teljesen eltávolítva, el nem éri a légmagos tekercs L 0 induktivitásának értékét. A függvény jól közelíthető az max 0 x k ( ) l L = ( L L ) e + L tapasztalati képlettel, 0 ahol x a tekercs középpontjának a vasmag középpontjától való távolsága, l a tekercs hossza (amivel a vasmag hossza első közelítésben megegyezik), k az átalakítóra jellemző állandó, melynek értéke a szokásos kialakításokban

5 . ábra: A tekercs induktivitása a vasmag helyzetének a függvényében Ez az egyszerű átalakító csak kis tartományban a függvény inflexiós pontjának környékén tekinthető lineárisnak. A lineárisnak tekinthető tartomány növelése érdekében több tekercs különböző kapcsolású elrendezéseit használják fel. A mérési tartomány növelése elképzelhető oly módon is, hogy a karakterisztikus görbe egyenletét meghatározzuk, s annak segítségével számolunk. A karakterisztikus görbét szokás polinommal vagy Fourier-sorral közelíteni. A különböző induktív adók mérési tartománya 0,5 mm-00 mm között változhat. A mérési pontosság a mért érték szorosára tehető. A helyzetérzékelő diódák alapja egy félvezetőblokk (szilícium), amelyre igen vékony (~ 15 nm) aranyréteget visznek fel (3. ábra). A szilíciumblokkot kismértékben mesterségesen beszennyezik, s így elérik, hogy a szennyező anyag idegen atomjai elektronfelesleget teremtenek a félvezetőben. Ha a dióda feszültségmentes, akkor a szabad elektronok részben behatolnak az aranyrétegbe, s így a félvezető blokkban létrejön egy viszonylagosan elektronszegény zóna. Ha a diódára megfelelő módon előfeszültséget kapcsolnak, azzal elérhető, hogy az elektronszegény zóna mérete megnövekszik, s ez a zóna lehetetlenné teszi, hogy áram folyjék keresztül a diódán. Ha viszont fény éri az aranyrétegen keresztül a félvezető-blokkot, akkor az elektronszegény zónából elektronok szabadulnak ki, megindulnak a pozitív pólus felé, azaz ismét áram halad keresztül a diódán. A dióda jobb és bal szélén jelentkező I 1 és I áramerősségre igaz - Kirchoff. törvénye értelmében a következő összefüggés: U= I 1 R 1 =I R Ahol R 1 és R a megfelelő ellenállások, U a feszültség. 7-5

6 Óravázlat a Építésirányítás, mozgásvizsgálatok előadásaihoz Legyen x a síknak tekintett fénysáv távolsága a dióda szimmetria-tengelyétől. Levezethető, hogy x értéke az I 1 és I áramerősségtől a következőképpen függ: x = 1 I I 1 1 I + I Így az áramerősségek mérésével meghatározható q fénysugár helyzete a dióda szimmetria-tengelyéhez képest. 3. ábra: A helyzetérzékelő diódák félvezetőblokkja Az x mérésére a Wheatstone-híd elvén alapuló, a 4. ábrán bemutatott elrendezés is szolgálhat. A Wheatstone-híd árammentessége U D =0 esetén igaz a következő összefüggés: R 1 = R R R Amiből levezethető x értéke: 1 R4 R3 x = R + R Ilyen módon is meghatározható a fénysugár helyzete a dióda szimmetriatengelyéhez képest. Gyakorlati mérésekkor akár az áramerősséget mérjük, akár a Wheatstone-híd elvét alkalmazzuk szükséges megfelelő erősítés. 7-6

7 4. ábra: Az x mérésére alkalmazott, a Wheatstone-híd elvén alapuló elrendezés A helyzetérzékelő diódák mérési tartománya nem haladja meg a 10 cm-t. A diódák feloldóképessége a mérési tartomány néhány ezreléke, a feloldóképesség alsó határa, mm. A helyzetérzékelő diódák szállíthatók, áthelyezhetők. Az adatok regisztrálása különbözőképpen oldható meg. Irodalom: - Detrekői Á.-Ódor K.: Ipari geodézia II. rész. Műegyetemi kiadó, Budapest, (S ) 7-7