DE2162010C3 - Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetz-

4. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 45 ten Strukturen, bestehend au^ einem mit nachgeschalbis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal tetem Verstärker und Filter versehenen Meßwertgeber,

von welchem über wenigstens zwei parallele Kanäle eine mit einer vorgeschalteten Blockiereinrichtung ver-

sehene Integrationseinrichtung gespeist ist.
di dd Üb

(K₁) einen Spitzenwertdetektor (5) aufweist, welcher ein gleichgerichtetes Signal proportional zum

Spitzen-zu-Spitzenwert von zwei aufeinanderfolgen- _ .

den Halbwellen abgibt, und daß ein Funktionsver- 50 Die Erfindung dient zur dauernden Überwachung stärker (6) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit des Zustandes von Schäden bei einfachen oder komder Amplitude des Ausgangssignals des Spitzenwertdetektors (5) das erste Signal bildet.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch plexen Strukturen, weiche oszillierenden und variablen Belastungen — beispielsweise Vibrationen — ausgesetzt sind. Sie ist insbesondere zur Messung von Schaden

gekennzeichnet, daß der Spitzenwertdetektor (5) 55 auf Grund von Ermüdungserscheinungen bei Helikopzwei ausgangsseitig mit einem Differentialver- terflügelblättern geeignet.

stärker (AD₁) verbundene Kondensatoren (C₁, C₂) Die Widerstandsfähigkeit einer Struktur verringert

aufweist, welchen das Meßsignal über zwei ent- sich bekanntlich, sobald dieselbe über einen bestimmgegengesetzt gepolte Dioden (D₁, D₂) zugeführt ist, ten Grenzwert hinaus dynamischen Belastungen mit und daß zusätzlich ein Kippkreis (TH₁, TH₁, UJT₁) 60 insbesondere veränderlichen Vorzeichen ausgesetzt vorgesehen ist, über welchen die beiden Kondensa- ist. Durch Überlagerung derartiger Beanspruchungen toren (C₁, C₂) entladbar sind (F i g. 2). kann eine derartige Struktur bis zu einem Punkt be-

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch schädigt werden, bei welchem ihre Widerstandsfähiggekennzeichnet, daß das Meßsignal zusätzlich einem keit Null oder vernachlässigbar klein wird, so daß invertierenden Verstärker (A₁) zugeführt ist, wel- 65 während der Benutzung die Gefahr des Auftretens von eher über einen Impulstransformator (TPi) und Brüchen besteht.

eine in Durchlaßrichtung angeordnete Diode (D3) Eine Feststellung der dynamischen Belastungen

mit dem Kippkreis (TH₁, TH₂, UJT₁) verbunden ist, muß insbesondere bei Helikopterflügelblätlern durch-

geführt werden, weil derartige Strukturen sehr starken Belastungen ausgesetzt sind. Dabei werden in der Regel empirische Abhängigkeiten oder Extrapolatianen unter Bezugnahme auf ähnliche Elemente verwendet, um an Hand der Bestimmung der Wider- siandsfähigkeit gegenüber Ermüdungserscheinungen eine Wahl der Abmessungen einer bestimmten Struktur vornehmen zu können.

Bei Elementen, bei weichen ein während des Fluges auftrerender Bruch die Sicherheit des Fluggerätes in Frage stellt, ist demzufolge eine Schätzung der Wider-Standsfähigkeit während des Betriebes notwendig. Bei derartigen Elementen werden Versuchsstücke im Originalmaßstab Bruchversuchen ausgesetzt, um experimentell ihre Widerstandsfähigkeit festzustellen. Sobald die festgestellte Ermüdungsfestigkeit zufriedenstellend ist, müssen dann zusätzliche Messungen der Beanspruchungen während des Fluges vorgenommen werden.

Die Kenntnis der Ermüdungs- und Widerstandsfähigkeit derartiger Elemente zusammen mit den auftretenden Beanspruchungen während kri'ischer Flugbedingungen ermöglicht die Berechnung der Lebensdauer, d. h. der Dauer des Betriebes, nach welchem die einzelnen Elemente notgedrungenermaßen ausgewechseit werden müssen.

Trotz derartiger, der Feststellung der Flugbeanspruchungen des Fluggerätes dienenden Vorsichtsmaßnahmen kann jedoch nicht allen wirklich auftretenden Überbelastungen Rechnung getragen werden. So können Unterschiede bei der Verwendung des Materials entsprechend ihrer Empfindlichkeit und dem Arbeitsbereich schlecht festgelegt werden. Demzufolge ist die Dauer des möglichen Funktionierens von derartigen Elementen von Fluggeräten — insbesondere bei Helikopterflügelblättern — nur unter Einschluß von nicht vernachlässigbaren empirischen Regeln möglich, wobei die einzelnen Faktoren jedoch von den Versuchsbedingungen abhängen.

U,π diese Nachteile zu vermeiden, sind bereits verschiedene Einrichtungen untersucht worden. Es sind z. B. Anzeige- und Meßeinrichtungen bekannt (s. beispielsweise die britische Patentschrift 585 039). welche das Überschreiten bestimmter Flugparameter anzeigen. Auf diese Weise kann festgestellt werden, welche EIemente des Fluggerätes Beanspruchungen ausgesetzt worden sind, die ihre normale Belastungsgrenze überschreiten. Es ist ferner bekannt (s. USA.-Patentschrift 3 136 154 und britische Patentschrift 716 572), innerhalb eines Flugzeuges Meßstäbe mit geeichter mechanischer Festigkeit einzubauen, welche durch ihr Brechen die Größe der Ermüdungserscheinungen des Flugkörpers — im allgemeinen des Flügels — anzeigen. Es wurden ferner Meßvorrichtungen bekannt (s. beispielsweise USA.-Patentschrift 3 455 148 und Zeitschrift »Luftfahrttechnik-Raumfahrttechnik«, Bd. 15. Nr. 10 [1969]), mit weichen an bestimmten Teilen des Fluggerätes die auftretenden Beschleunigungen bei Vibrationen und Übelbelastungen bei kurzzeitigen Vibrationen bestimmt werden können. Derartige Vorrichtungen ergeben somit eine Anzeige für kurzzeitige Überbelastungen, welchen die betreffenden Elemente ausgesetzt worden sind. Sie können jedoch keinedirekte Anzeige der tatsächlich aufgetretenen Schaden auf Grund von Ermüdungserscheinungen geben Demzu- s₅ folge kann der Zeitpunkt nicht genau angegeben werden, an welchen^ ein Austausch des entsprechenden überbelasteten Elementes notwendig ist. Dies ist insbesondere bei wechselnden Belastungen der FaIU bei weichen die Frequenz und die Spitzenwerte in nicht genau festgelegter Weise veränderlich sind.

Es ist demzufolge eine Meßvorrichtung liereils vorgeschlagen worden (s. deutsche Offenlegungsschnft 1 958 257), bei welcher die den entsprechenden Beanspruchungen entsprechenden Spannungswerte über drei parallele Kanäle geleitet werden, welche jeweils eine Schwellwertschaltung mit einem verschiedenen Schwellwert und nachgescbaltete Integrationskreise aufweisen. Mit Hilfe einer derartigen Meßvorrichtung kann somit eine Integrierung der auftretenden dynamischen Belastungen mit einer der Anzahl von paraJlelen Kanälen entsprechenden Anzahl von verschiedenen Schwellwerten vorgenommen werden. Obwohl eine derartige Meßvorrichtung bereits einen erheblichen Fortschritt bei der Bestimmung der Ermüdungserscheinungen von Strukturen darstellt, so weist sie trotzdem den Nachteil auf, daß die Integrierung der Beanspruchungen nur im Bereich der Schwellwerte genaue Meßresultate liefert, während erhebliche Überschreitungen dieser Schwellwerte im wesentlichen unberücksichtigt bleiben.

Demzufolge ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Meßeinrichtung zur Schätzung der Summe der an einem Element aufgetretenen Schaden zu schaffen, bei welchen neben der tatsächlichen Anzahl der Arbeitszyklen jeweils die genaue Amplitude der während eines Zyklus auftretenden Belastungen beriicksichtigt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der erste Kanal ein erstes Signal ergibt, dessen Momentanwert gemäß der Wöhler-Formel umgekehrt proportional zur Anzahl der Zyklen im Verhältnis zum Gesamtschaden der zu untersuchenden Struktur bei einer Belastung entsprechend dem Spitzen-zu-Spitzenwert der Amplitude der Belastung ist, während ein zweites Signal bei Amplituden "on Belastungssignalen kleiner als die Amplitude bei Dauerb;!astung auftritt, ferner, daß der zweite Kanal ein drittes Signal abgibt, welches proportional zur Frequenz des Belastungssignals ist, und daß das erste und dritte Signal der beiden Kanäle einem Multiplikationskreis zugeführt sind, dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Signal gesteuerten Biockierkreis einem Integrationsspeicher zugeführt ist.

Der Vorteil der Erfindung liegt darin, daß bei Verwendung einer relativ einfachen Schaltung jeweils die genaue Amplitude der verschiedenen dynamischen Belastungen berücksichtigt wird, so daß das Endresultat der Messungen sehr viel genauer ist.

Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sei erinnert, daß nach den Arbeiten von Wo hler der Bruch eines Elementes, welches einer progressiv ansteigenden maximalen Belastung σ ausgesetzt ist, durch eine immer kleiner und kleiner werdende Anzahl N von Belastungen bestimmt werden kann, wobei die durch N und r festgelegte Kurve eine hyperbolische Form aufweist.

Von einem bestimmten, dem asymptotischen Weft der erwähnten hyperbolischen Kurve entsprechenden Minimalwert σ₀, welcher die Ermüdungsgrenze bzw. Dauerbelastungsgrenze darstellt, bewirkt ein /i-faches Auftreten einer Belastung an dem Element einen _{d den d h das Verhältnis} « _schätzen

kann, wobei ein Bruch wahrscheinlich wird, sobald dieses Verhältnis gleich 1 wird.

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Nach der klassischen Hypothese von P a I m g r e n- wobei .v die momentane Gesamtamplitude des Be-M i η e r existiert ein kumulativer Effekt des Schadens, lastungssignals ist. Der zweite Kanal gibt dagegen sobald dasselbe Stück eine Anzahl von Zyklen /;,, /J₂, unter der Form einer Momentanspannung AE₂ die /)₃... mit den Beanspruchungen n,, σ₂, σ_Λ... ausge- Anzahl der Zyklen dn an, welche während des Zeitsetzt ist, von welchen jede einen Bruch bei Auftreten 5 Intervalls dt auftreten. Man erhält demzufolge: von N_x, /V₂, N₃ ... hintereinanderfolgenden Zyklen

zur Folge hat. Die Belastungsgrenze — d.h. der dn = AE_t-dt (6) wahrscheinliche Bruch — erscheint dann wahrscheinlich, wenn folgende Gleichung erfüllt ist: Unter Einschluß der Hypothese von P a I m g r e n-

jo M i η e r kann demzufolge der Schaden durch die

«i_ . «a . «3 _ ^-> " ι ,.χ folgende Gleichung angegeben werden:

ν'Ϊ ~/v,~ ν,'" ~ ²^ ν

In diesem Zusammenhang sei bemerkt, daß es be- Z) = V "' f "* [^" (AE · \E dt

reits bekannt ist (s. britische Patentschrift 785 165), 15 0 N_x N_t JNJ ' '

eine Sümmierung dieser Art auf mechanische Weise 0 0

durchzuführen. Die Größe der Deformation einer (⁷)

Struktur wird dabei verstärkt und einer Klinke zugeführt, welche ein Klinkenrad antreibt. Die festgestell- Auf Grund des Vorhandenseins des den Blockierten Werte mit den Zahlen /V₁, /V₂, N₃ werden dabei ao kreis steuernden zweiten Signals wird das Momentandurch verschiedene Klinkenräder bestimmt, die für produkt der zwei Spannungen AE_x und AE₂ nur beverschiedene Maßstäbe ausgelegt sind. rücksichtigt, wenn die auftretende Belastung größer

Ein mathematischer Ausdruck der experimentellen als die Dauerbelastungsgrenze ist.
Kurven von W ö h 1 e r führt zu der Funktion von Solange die einer Struktur ausgesetzten Belastungen

W ö h I e r, welche für eine vorgegebene Belastung die »5 keine isochronen Vibrationen sind, hängt der Wert D inverte Zahl von N Zyklen für das Auftreten eines ebenfalls von der Zeit ab, während welcher diese Be-Gesamtschadens angibt: lastungen aufgetreten sind und welche Variationen in

eirtVm oder anderen Sinn bis zur Erreichung des maxi-

_!_ ₌ ..:.... malen Belastungswertes aufgetreten sind. In der Tat

N ^B . y\ 30 hängt jedoch die Ermüdung einzig und allein von

l/ A ' dem Unterschied zwischen den zwei maximalen

\ x ~- I Werte.i der Belastung ab. Um diesen Nachteil zu be

seitigen, weist der erste Kanal vorzugsweise einen

In dieser Formel sind die Werte A und B spezifische Spit.'enc etektor für den Maximalwert des variablen Koeffizienten des betreffenden Materials und χ die 35 Signals auf, während zusätzlich bei der Einspeicherung Größe der Belastung. Dies führt zu dem Verhältnis der Spitzenamplitude ein viertes Signal kurzer Dauer

über einen dritten Kanal geleitet wird, welcher den

^σ _. _γ ,3) Blockierkreis so ansteuert, daß innerhalb des Integra

te ' tionskreises nur während des kurzen konstanten Zeit-

40 Intervalls ein Probenwert dieser Amplitude hindurch-Sobald χ < 1 ist — d. h. sobald die Belastung kleiner geleitet wird.

als die Dauerbelastungsgrenze ist —, kann die Formel Der Meßwertgeber besteht vorzugsweise aus Deh-

von W ö h 1 e r nicht mehr angewendet werden, weil im nungsmeßstreifen, weiche in Form einer Wheatstonewesentlichen kein Schaden mehr auftritt. Brücke zusammengeschaltet sind. Die Gleichstrom-

Tn Formeines Beispiels sei angegeben, daß Duralumi- 45 komponente und die Belastungssignale geringer Frenium ohne Korrosion die Koeffizienten /4=0,483 quenz des Ausgangssignals dieses Meßwertgebers wer- und B = I aufweist, was zur folgenden Gleichung den vorzugsweise mit Hilfe eines kapazitiven Filters führt: eliminiert.

1 _ _J _ ι _ i\2 (λ\ ^Das Belastungssignal ist im allgemeinen nicht

~tf ~~ 233· 10 ^{2 5}° ^s>'^mmet"sch, so daß die Amplitude der Belastung

von jedem Zyklus der Belastung in Form von Spitzen-

wobei .r > 1 ist. zu-Spitzenwerten direkt gemessen werden muß. Zu

Wie sich in dem Folgenden noch zeigen wird, diesem Zweck sind in dem entsprechenden Spitzenkann im Rahmen der vorliegenden Erfindung bei Ein- wertdetektor zwei parallele Äste vorgesehen, welche jeführung der Wöhler-Funktion die Berechnung der 55 weils mit einem Kondensator versehen sind, wobei die Zahl W genau durchgeführt werden, welche der momen- Ladung dieser beiden Kondensatoren über zwei enttanen Amplitude der Belastung der zu untersuchenden gegengesetzt geschaltete Dioden erfolgt. Jeder Konden-Struktur entspricht. sator stellt einen Speicher für einen Amplitudenwert

Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung liefert dar. Mit Hilfe eines Kippkreises werden Impulse erein erster Kanal eine Momentanspannung A E_x, die 60 zeugt, welche die Ladung dieser beiden Kondensatoren mit Hilfe eines Verstärkers mit geeigneter Funktions- bei jedem periodischen Nulldurchgang des Wechselcharakteristik dem Wert der Wöhler-Formel ent- stromes löschen.

spricht: Das über den dritten Kanal geleitete vierte Signal

1 _ 1 kann von eine- monostabilen Kippstufe oder einem

^{El =} ~^~ ⁼ ~i ⁶5 SperroszHlator ausgelöst werden, indem das Gesamt-

1/ Λ (5) signal differenziert wird, um für jeden Maximal- oder

'' ~ Minimalwert des Eingangssignals einen Nulldurchgang

des abgeleiteten Signals abzugeben. Unter Verwendung

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der einzelnen Nulldurchgänge werden dann Impulse erzeugt, mit welchen nach Unterdrückung von jedem zweiten Impuls die Kippstufe gesteuert wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist tier Integrationsspeicher ein elektrolytischer Zähler, in welchem Gas freigesetzt wird, welches in einem Behälter gesammelt wird, der von Null bis Eins bezeichnete Markierungen aufweist, so daß die Notwendigkeit eines Austausches der belasteten Struktur sehr einfach abgelesen werden kann.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigt

F i g. I ein schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,

F i g. 2 ein detailliertes Schaltdiagramm zur Feststellung der Spitzenwerte,

F i g. 3a, 3 b und 4 Kurvenverläufe von Signalen und

F i g. 5 ein Schema eines Sendekreises für die Steuerung des Eingangs des Integrators.

Gemäß F i g. 1 gibt der Meßwertgeber 1 ein Meßsignal entsprechend den auftretenden statischen und dynamischen Belastungen ab, welche einem Elemente ausgesetzt sind. Das Meßsignal gelangt über einen as linearen Verstärker 2 und wird innerhalb eines Filterkreises3 von dem statischen Teil getrennt. Anschließend darauf erfolgt über einen Anpassungsverstärker 4 die Zufuhr zu drei verschiedenen Kanälen V₁, V₂ und V₃, welche zu einer gemeinsamen Ausgangsschaltung T fühlen.

Der erste Kanal V₁ enthält hintereinander einen eine geringe Dämpfungaufweisenden Spitzenwertdetektor 5, welcher den Spitzen-zu-Spitzen-Abstand abwechselnder Signalhalbwellen feststellt. Anschließend daran ist ein an sich bekannter Funktionsverstärker 6 vorgesehen, der— wie dies im folgenden noch beschrieben sein soll - den Faktor I E₁ - _N ergibt. Schließlich ist ein Linearverstärker 7 vorgesehen, der den Endpegel des Ausgangssignals dieses ersten Kanals V₁ festlegt.

Der zweite Kanal V₁ besteht aus einer Bregenzungsschaltung 9, welche mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler 10 verbunden ist. Diese beiden Elemente 9,

10 ermöglichen die Festlegung des Faktors !F₂ — _d< .

Ein Linearverstärker 11 legt den Endpegel dieses Ausgangssignals dieses zweiten Kanals V₂ fest.

Die den beiden Werten . 1 E₁ und A E₂ entsprechenden Signale werden einem Multiplikationskreis 12 zugeführt, welcher das erste Element derAusgangsschaltung T darstellt. Das sich ergebende Signal gemäß dem Produkt AE₁ und AE₂ wird über einen Blockierkreis 13 geleitet, der Signale mit Werten von .r kleiner oder gleich 1 sperrt, bei welchen Werten die aufgetretenen Ermüdungsschäden nämlich Null sind. Von diesem Blockierkreis 13 wird das Ausgangssignal einem Integrationsspeicher 14 zugeführt.

Zur Steuerung des Blockierkreises 13 dient ein Vergleichskreis8, welcher ein zumSpitzen-zu-Spitzenwert.v des Spitzenwertdetektors 5 proportionales Signal mit einem Vergleichssignal ν vergleicht, um festzustellen, ob die Amplitude χ kleiner oder gleich 1 ist.

Damit der Integrationsspeicher 14 eine Information abgibt, die unabhängig von der Dauer der aufeinanderfolgenden Änderungen bzw. der dazwischenliegenden Veränderungen ist, ist parallel zu den Kanälen V_x und V₂ ein dritter Kanal V₃ vorgesehen. Dieser Kanal V besteht aus einem lmpulskreis 15, welcher ein eine rala tiv kurze Zeitdauer andauerndes Signal abgibt, das dii Öffnung eines elektronischen Schalters während de entsprechenden Zeitintervalls bewirkt.

Die Speisung der verschiedenen Kreise wird mi Hilfe von Quecksilberbatterien langer Lebensdauei erreicht, welche innerhalb einer Stromversorgungsein heit 17 angeordnet sind. Die Stromversorgungseinhei 17 führt über einen Schalter 18 und einen Spannungs regulierkreis 16 zu den verschiedenen Verwendungs punkten. Die Pfeile 16a zeigen dabei an, daß Verbin durigen mit allen verschiedenen Punkten der Einrichtung vorgesehen sind.

Obwohl ein Großteil der Elemente bekannt ist, erscheint es doch wichtig, daß die folgenden Angaber gemacht sind:

Der Meßwertgeber 1 besteht aus vier Dehnungsmeßstreifen, welche in Form einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind. Diese Brücke, welche Druck- und Zugkräfte angibt, besteht aus zwei aktiven und zwei Temperaturkompensationselementen. Die Speisung dei Brücke erfolgt entlang einer Diagonalen, während det Abgriff des Meßsignals an der anderen Diagonalen erfolgt.

Der Linearverstärker 2 ermöglicht die Anhebu.i^ des Signalpegels, damit die Behandlung des Meßsignals in den folgenden Sufen bei genügend hohen Spannungswerten erfolgen kann.

Der Filterkreis 3 zur Unterdrückung der statischen Signalanteile besteht im wesentlichen aus einem Kondensator.

Der Anpassungsverstärker 4 ist ähnlich wie der Linearverstärker 2 ausgebildet und ermöglicht eine Anpassung der Impedanz gegenüber den daran anschließenden Elementen 5, 9 und 15, die parallel zum Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 angeordnet sind.

Der Spitzenwertdetektor 5 ist in F i g. 2 genauso dargestellt. Die dynamische Komponente des Sigr.als ist, so wie dies in F i g. 3a dargestellt ist, im allgemeinen nicht symmetrisch, solange keine isochronen Vibrationen auftreten. Der Spitzenwertdetektor 5 dient zur Messung der Amplitude zwischen den Spitzenwerten des oszillierenden Meßsignals. Gemäß dem Schaltschema von F i g. 2 wird das in F i g. 3a dargestellte dynamische Meßsignal am Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 einem Klemmenpunkt X zugeführt und über die drei Äste ΛΊ, Xl, Xi verteilt. Entlang den Ästen Xl und Xl trennen Dioden Dl undDl die posiliven und negativen Halbwellen A, B, C, D,... um einen Kondensator Cl negativ und einen Kondensator Cl positiv zu laden. Entlang dem Ast A^ invertiert ein Verstärker/! 1 das von dem Anpassungsverstärker 4 abgegebene Meßsignal. Das von A1 abgegebene Signal wird einem Umpulstransformator 7"Pl zugeführt, der nur aufsteigende und abfallende Flanken durchläßt, wodurch gemäß F i g. 3 b eine Reihe von Impulsen 11, Il erzeugt wird.

Am Ausgang des Impulstransformators TPl unterdrückt eine Diode D3 die negativen Impulse. Die positiven Impulse werden mittels einer Zenerdiode DZl normiert, welche den Steue-eingang eines Thyristors THl schützt. Dieser Thyristor THi ist in Form einer Kippschaltung über einen Kondensator C4 mit einem Thyristor THl verbunden. Diese Kippschaltung wird von positiven Impulsen - wie /1 - gesteuert, welche von der Diode D3 abgegeben und durch die Zener-

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diode DZX normiert sine,'. Die Steuerung erfolgt beim Nulldurchgang des zu analysierenden Meßsignals, und zwar sobald dasselbe ansteigt, —■ d. h., sobald eine positive Halbwelle auftritt. Bei Auftreten einer Spannung unter gleichzeitiger Abwesenheit von Impulsen am Steuereingang des Thyristors TII1 gibt ein Unijunktionstransistor UJTX nach einem durch den Kreis RXd vorgegebenen kurzen Zeitintervall, d. h. nach beispielsweise lOf^see einem Impuls ab. Dieser Impuls steuert deii Steuereingang des Thyristors 77/2, der demzufolge leitend wird, wodurch der Unijunktionsthyristor UJTX über die Diode D4 blockiert wird. Der Thyristor 77/1 wird dann ebenfalls wie die Transistoren 7TI und TFl blockiert, deren Steuereingänge parallel zueinander angeordnet sind. Sobald ein positiver Impuls — wie IX — den Thyristor TIIX leitend macht, wird der Thyristor THl blockiert. Die Basen der Transistoren TFX und TFl werden an Masse gelegt, wodurch diese Transistoren leitend werden. Die Kondensatoren Cl und Cl entladen sich dann vollkommen. Die Diode DA, deren Kathode zu diesem Zeitpunkt positiv ist, leitet nicht, so daß sich der Kondensator Ci aufladen kann. Nach einem kurzen Zeitintervall — d.h. ungefähr 100μ$«: — entblockiert der Unijunktiontransistor UJTX den Thyristor Till, welcher wiederum den ThyristorTHX erneut blockiert, so daß die Basen der Transistoren TFX und TFl positiv werden. Die Transistoren verlieren somit ihre Leitfähigkeit.

Der Zyklus ist demzufolge beendet, und die beiden Kondensatoren CX und Cl sind erneut entleert und isoliert und können erneut zwei aufeinanderfolgende Haltewellen mit positiven und negativen Vorzeichen speichern. Die Spannungen der Kondensatoren werden einem Differentialverstärker ADl zugeführt, dessen Ausgang genauso wie der Spitzenverstärker 5 mit dem Funktionsvcrstäkrer 6 und dem Vergleichskreis 8 verbunden ist.

Wenn man beispielsweise ein Flügelblatt eines Helikopters berücksichtigt, bei welchem die kürzesten Vibrationshalbwellen eine minimale Dauer von 0,05 Sekunden — d.h. 50000 Mikrosekunden aufweist
während die mittlere Dauer dieser Halbwellen 0,30Sekunden, — d.h. 300 000 Mikrosekunden -- beträgt, dann ist die Dauer der durch den Kreis ΛICl festgelegten Impulse in der Größenordnung von lOOMikrosekunden vernachlässigbar. Die Ladungspotentiale der Kondensatoren Cl und Cl entsprechen demzufolge den Amplituden der Halbwellen A.B..

Zum Zeitpunkt /1 entleert der L'mpms IX die Kondensatoren Cl und Cl. Danach speichert der Kondensator Cl den Spitzenwert der positiven Halbwelle A. Zum Zeitpunkt ti wird der Impuls Jl durch die Diode Di blockiert. Der Spitzenwert der darauffolgenden Halbwelle B wird dann in dem Kondensator Cl eingespeichert. Zu diesem Zeitpunkt sieht der Differentialverstärker ADX an seinen Klemmen den Spitzen-zu-Spitzenwert AB des Signals. Das verstärkte Signal wird dann dem Vergleichskreis 8 und dem Funktionsverstärker 6 zugeführt. Zum Zeitpunkt ti stellt der Impuls /3 die durch die Kondensatoren Cl und Cl gebildeten Speicher zurück, wodurch die Speicherung des Spitzen-zu-Spitzensignals AB gelöscht wird. Der Spitzen-zu-Spitzenwert des Signals CD entsprechend der folgenden Periode kann demzufolge nunmehr eingespeichert werden.

Das Ausgangssignal des Verstärkers ADl ist in der F i g. 4 dargestellt. Das Signal beginnt zum Zeitpunkt ι X bei Null und erreicht zum Zeitpunkt IA den Wert VA entsprechend einem Maximum der Halbwolle A. Dieser Wert erhalt sich auf Grund der Speicherwirkung des Kondensators Cl auf dieser Größe. Anschließend daran wird der Wert erhöht, bis er zum Zeitpunkt lB des Maximums der zweiten Halbwolle B den Wert VA ! VB erreicht. Daraufhin hält sich dieser Wert bis zum Zeitpunkt /3 auf dieser Größe.

Falls VA i VB den Schwellwert V überschreitet,

ίο wird die gesamte Energie dem Integrationsspeicher 14 zugeführt. Diese F.nergie hängt von dem Zeitintervall /1 bis /3 und der Geschwindigkeit der Veränderung der Halbwellensignale ab. Wenn die Beanspruchungen der zu untersuchenden Struktur isochrone Vibrationen sind, deren Amplitude einzig und allein variiert, dann zeigt der Integrationsspeicher 14 genau den Zustand der F.rmüdung der beobachteten Struktur an. Wenn hingegen die Belastungen nicht isochron sind, wäre die Anzeige dieses Ermü-

ao dungszustands ungenau, weil sie nurdenWert VA 1 VB berücksichtigt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird der Zeitpunkt iB verwendet, um einen Impulskreis 15 auszulösen, der einen Impuls konstanter kurzer Dauer abgibt, welcher zur momentanen Entblockierung des Eingang? des Integrationsspeichers 14 dient. Demzufolge gelangt in den Integrationszähler 14 nur ein Impuls G von kurzer konstanter Dauer, dessen Amplitude genau VA -f- VB beträgt.

Bei Verwendung eines elektrolytisch arbeitenden Integrationsspeichers 14 ergibt sich eine sehr hohe Funktionsdauer und eine sehr kleine Bauweise der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Um Größenanordnungen anzugeben, sei erwähnt, daß die Dauer der Impulse G in der Größenordnung von O 01 Sekunden, d. h. 10 000 Mikrosekunden liegen kann, was ungefähr einem Fünftel der kürzesten Halbwelle entspricht. Der in F i g. 5 dargestellte Impulskreis 15 bildet derartige Impulse. Von dem in F i g. 2 dargestellten Punkt X werden die Meßsienale einem Trennverstärker 19 zugeführt, welcher dem Linearverstärker 2 sehr ähnlich ist. Die Ausgangssignale werden daraufhin in einem Spezialvcrstärker 20 verstärkt, welcher gemäß jedem Maximum und Minimum der Halbwellen des Ursprungssignals einen Nulldurchgang eines abgeleiteten Signals abgibt. Ein Impulstransformator TPl - ähnlich dem Transformator TPi transformiert die Folge dieser Impulse AX-BX. deren Spitzenwerte den Durchgängen der Impulse A und B

durch entsprechende Maximal- oder Minimalwerte ent spricht. Die Diode DS eliminiert die negativen Impulse derart, daß nur positive Impulse die monostabile Kippstufe 21 erreichen, welche einen Impuls kurzer konstanter Dauer abgibt, der die öffnung des Blockier-

kreises 13 steuert. Der Blockierkreis kann dabei ein Und-Gatter £7aufweisen, welches an seinen Eingängen das Signal des Vergleicherkreises 8 und der monostabilen Kippstufe 21 erhält.

Der Funktionsverstärker 6 ermöglicht die Steuerung

über eine bestimmte Anzahl von Potentiometern, um eine Ausgangsspannung abzugeben, welche der Eingangsspannung entsprechend einer beliebigen Tranferfunktion entspricht. In dem vorliegenden FaU wird mittels dieser Funktionsverstärker 6 die Wohler-Funktion umgesetzt, zwar beispeilsweise in einem besonderen Anwendungsfall wie Duraluminium ohne Korrosion. Die Amplitudensignale χ des Spitzemvertdetektors 5 werden dem Funktionsverstärker 6 zugeführt, der an

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seinem /\usg..ng ein Signal der Spannung gleich gemäß der VVöbler-l iinktion abgibt:

(v 1);
2.1,3 · 10 -

(K)

Dieses Signal wird dem Hingang des l.inearveistärkers 7 zugeführt, der die Amplitude des Signals vor dem Zuführen zu dem Multiplikationskreis 12 steuert.

Hntlang dem Kanal I'2 ist die Begrcnziingssjhaltung9 vorgesehen, deren Hingang mit dem Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 verbunden ist. Dabei handelt es sich um einen Fimktionsvcrstärker, welcher dem Linearvcstärker 2 sehr ähnlich ist, jedoch als Begrenzer ausgebildet ist. Demzufolge werden Signale konstanter Ausgangsspannung abgegeben, deren Frequenz der Frequenz, der Signale des Meßwertgebers 1 entspricht.

Der Spannungspegel kann auf einen beliebigen

Wert beispielsweise auf '' eingestellt werden.

Die Signale konstanter Größe und proportional zu I₁₁ werden dem Hingang des I requcnz-Spannungs-Wandlers 10 zugeführt, der ein Irequcnzdiskriminator »ein kann, welcher an seinem Ausgang mit geringer Impedanz eine Gleichspannung abgibt, die proportional zur Frequenz des f-.ingangssignals ist.

Der Linearverstärker Il ist ebenfalls ein Verstärker, der den Verstärkern 2 und Ί entspricht. F-"r ermöglicht die Steuerung tier Amplitude des Signals des Frequenz-Spannungs-Wandlers IO vor der Zufuhr zu dem Multiplikationskreis 12.

Der Multiplikationskreis 12 kann beispielsweise ein Kreis sein, welcher an seinen Hingängen auf der einen Seit·¹ die von dem l.ineanerstärkcr 7 abgegebenen Signale proportional zu IA", tj (v) und auf der anderen Seite Signalen des Lineareerstärkers 11 proportional

ilf

25

30

nal/u I A\

erhält. Der Multiplikationskreis 12 gibt an seinem Ausgang Signale proportional /.u dem Produkt IA", · I Fi₂ ab. Das dem Produkt I A", · I A₂ proportionale Signal wird über dem ßlockierkreis 13 dem Intcgrationsspcicher 14 zugeführt.

Der Integrationsspeicher 14 besteht aus einem elektrolytischen Minialurzählcr, welciier eine vertikale Säule aufweist, die gegenüber einer Skala abgelesen werden kann. Dieser Integrationsspeicher 14 integriert automatisch alle Schadcnsignalc und speicher» si. .in.

Der Verglcichskreis N besteht aus einem Diffcrei,Haiverstärker. Hr empfängt an seinen Hingängen auf der einen Seite die dem Spitzenwerldetektor 5 abgegebenen und /u .ν proportionalen Signale, während auf der anderen Seile eine Vergleichsspannung ν proportional zu einem F.inhcitswerl zugeführt wird. Diese Vergleichsspannung ν wird ebenfalls über ein Potentiometer dem Funktionsverstärker 6 zugeführt, welcher die Variable ν 1 erzeugt. Der Verglcichskreis 8 gibt an seinem Ausgang ein kontinuierliches Signal ab, das die öffnung des Blockierkreises 13 steuert, sobald λ-<ζ I ist. In diesem Fall tritt nämlich kein Schaden an der zu überwachenden Stn ktur auf. Demzufolge erhält der Integrationsspeicher 14 kein Signal, was bedeutet, daß der Schalter innerhalb des Blockierkrcises 13 geöffnet ist.

Der Blockicrkreis 13 wird gleichzeitig und unabhängig von einen Vergleichskreis 8 und der Kippstufe 21 gesteuert. F.r öffnet und schließt die Verbindung, welche den Multiplikationskreis 12 mit dem Integrationsspeicher 14 verbindet. Fr kann jedoch ebenfalls durch einen beliebigen elektrisch steuerbaren Schalter ersetzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Frfmdiing können alle komplexen Strukturen untersucht werden, welche unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Die vorliegende Frfindung ist jedoch insbesondere zur Prüfung von Zellen oder beweglichen Strukturen von Flugkörpern beispielsweise Hchkopterflügelblät-

tern geeignet.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   I. Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen, bestehend aus einem mit nachgeschaltetem Verstärker und Filter versehenen Meßwertgeber, von welchem über wenigstens zwei parallele Kanäle eine mit einer vorge- "> schalteten Blockiereinrichtung versehene Integrationseinrichtung gespeist ist, d a d u rch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (V₁) ein erstes Signal ergibt, dessen Momentanwert gemäß der Wöhler-Formel umgekehrt proportional zur ij Anzahl der Zyklen im Verhältnis zum Gesamtschaden der zu untersuchenden Struktur bei einer Belastung entsprechend dem Spitzen-zu-Spitzenwert der Amplitude der Belastung ist, während ein zweites Signal bei Amplituden von Belastungssignalen kleiner als diö Amplitude bei Dauerbelastungen auftritt, ferner daß der zweite Kanal (K,) ein drittes Signal abgibt, welches proportional zur Frequenz des Belastungssignals ist, und daß das erste und dritte Signal der beiden Kanäle (K₁, K₂) einem Multiplikationskreis (12) zugeführt sind, dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Signal gesteuerten Blockierkreis (13) einem Integrationsspeicher (14) zugeführt ist.

   2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Kanal (K₃) vorgesehen ist, mit dessen Hilfe kurzzeitige Impulse konstanter Dauer in Form ines vierten Signals dem Blockierkreis (13) zjführbtr sind, demzufolge der Integrationsspeicher (14) nur während kurzer Zeiträume Eingangssignale erhält.

   3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Belastungen entsprechende Signal von einem in Form einer Wheatstone-Brücke ausgelegten Meßwertgeber (1) abgegeben ist, welcher über einen linearen Verstärker (2), einen im wesentlichen kapazitiven FiI-terkeis (3) und einen Anpassungskreis (4) die einzelnen Kanäle speist.

   an dessen Eingang zusätzlich eine mit Masse vet bundene Zenerdiode (DZX) vorgesehen ist.

   7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweit Kanal IV») eine Begrenzungsschaltung (9) »uf weist, weiche das Signal auf einen Wert proporiio nal zur Dauerbelastung des Materials beschränkt und daß auf der Ausgangsseite dieser Begrenzung^ schaltung (9) ein Frequenz-Spannungswandler (10 angeordnet ist.

   8 Meßeinrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, daß das gleichgerichtete Signal de Spitzenwertdetektors (5) einem Vergleichskreis (8 zugeführt ist, welchem ebenfalls ein Vergleichssigna entsprechend der Dauerbelastbarkeit zugeführt ist und daß das das zweite Signal bildende, dem Blök kierkreis (13) zugeführte Ausgangssignal des Ver gleichskreises (8) auftritt, sobald das gleichgerichtet« Signal kleiner als die Vergleichsspannung ist

   9. Meßeinrichtung nach einem uer Ansprüche I und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der drittf Kanal (K₃) einen Impulskreis (15) aufweist, welchei aus einer Serienschaltung mit einem Trennverstär ker (19), einem Spezial verstärker (20), einem Übertrager (TPn), einer Diode (£>5) und einer monostabilen Kippstufe (21) besteht (Fig. 5).

   10. Meßeinrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockierkreis(13] einen elektronischen Schalter aufweist, welcher übei ein Und-Gatter gesteuert ist, dessen Eingängen das zweite und vierte Signa! zugeführt sind.

   11. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dei Integralionsspeicher (14) ein zwischen Null und Eins geeichterelektrolytischer Zähler ist, welcher mil einer visuellen Anzeige versehen ist.