DE2162010A1 - Meßeinrichtung zur Feststellung der Ermüdung von veränderlichen Kräften ausgesetzten Strukturen - Google Patents

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE I>R. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

SOCIETE NATIONALE INDUSTRIELLE AEROSPATIALE, Paris / Prankreich

Meßeinrichtung zur Peststellung der Ermüdung von veränderlichen Kräften ausgesetzten Strukturen

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Feststellung von Ermüdungsschaden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Einrichtung zur dauernden Überwachung des Zustandes von Schaden bei einfachen oder komplexen Strukturen, welche oszillierenden und variablen Belastungen, -beispielsweise Vibrationen- ausgesetzt sind. Sie bezieht sich insbesondere auf die Messung von

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Schäden aufgrund von Ermüdungserscheinungen bei Helikopterflüge Ib lä t tern.

Die Widerstandsfähigkeit einer Struktur verringert sich bekanntlich sobald diese Struktur über einer bestimmten Grenze veränderlichen Belastungen mit insbesondere veränderlichen Vorzeichen ausgesetzt sind. Durch Überlagerung derartiger Beanspruchungen wird schließlich die Struktur bis zu einem Punkt beschädigt, bei welchem ihre Widerstandsfähigkeit Null oder vernachlässigbar klein wird, demzufolge besteht während der Benutzung die Gefahr eines Auftretens von Brüchen.

Die Feststellung von dynamischen Belastungen wird insbesondere bei HetLkopterflügelbläfete_rn häufig durchgeführt, wobei empirische Regeln oder Extrapolationen unter Bezugnahme auf ähnliche Vorrichtungen verwendet werden. Die Berechnung der Ermüdungswiderstandsfähigkeit ermöglicht dabei erst die Wahl der Abmessungen einer bestimmten Struktur. Bei Elementen, bei welchen ein während des Fluges auftretender Bruch die Sicherheit des Fluggerätes in Frage stellt, ist demzufolge ein Verfahren zur Schätzung der Widerstandsfähigkeit während des Betriebes notwendig.

Bei derartigen Elementen werden Versuchsstücke im Originalmaßstab Bruch-Versuchen ausgesetzt, um experimentell ihre Widerstandsfähigkeit festzustellen. Sobald die festgestellte Ermüdungsfestigkeit zufriedenstellend ist, werden zusätzliche Messungen der Beanspruchungen während des Fluges vorgenommen.

Die Kenntnis der Ermüdungs- und Widerstandsfähigkeit derartiger Elemente zusammen mit den auftretenden Beanspruchungen während kritischer Flugbedingungen ermöglicht die

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Berechnung der Lebensdauer, - d.h. der Dauer des Betriebes, nach welchem die einzelnen Elemente notgedrungenermaßen ausgewechselt werden müssen.

Trotz derartiger Vorsichtsmaßnahmen während der Feststellung der Flugbeanspruchungen des Fluggerätes kann man jedoch nicht allen wirklich auftretenden Überbelastungen Rechnung tragen. Ferner 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 Helikopter flügelblättern - nur unter Einschluß von nicht vernachlässigbaren empirischen Regeln möglich, wobei die einzelnen Faktoren jedoch von der tatsächlichen Verwendung des Apparates während der Versuche abhängt.

Um diese Nachteile zu vermeiden, sind bereits verschiedene Einrichtungen untersucht worden. Es wurden z.B. Anzeigeünd Meßeinrichtungen vorgesehen, welche das Überschreiten bestimmter Flugparameter anzeigen, so daß angegeben wird, daß bestimmte Elemente des Fluggerätes Beanspruchungen ausgesetzt worden sind, die ihre normale Belastungsgrenze überschreiten. Es wurden ferner Meßvorrichtungen vorgesehen, welche an bestimmten Teilen des Fluggerätes die auftretenden Beschleunigungen bei Vibrationen und Überbelastungen bei kurzzeitigen Vibrationen festlegen. Derartige Vorrichtungen ergeben somit eine Anzeige für kurzzeitige Überbelastungen, welchendie betreffenden Elementen ausgesetzt worden sind. Sie können jedoch keine direkte Anzeige der tatsächlich aufgetretenden Schäden aufgrund von Ermüdungserscheinungen geben. Demzufolge kann der Zeitpunkt nicht genau angegeben werden, an welchem ein Austausch des

-4-ο η ο ρ ■> α / ρ i α ω

entsprechenden überbelasteten Elementes notwendig ist. Dies ist insbesondere bei wechselnden Belastungen der Fall, bei welchen die Frequenz und die Spitzenwerte in nicht genau festgelegter Weise veränderlich sind.

Demzufolge 1st es Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Meßeinrichtung zur Schätzung der Summe der an einem Element aufgetretenen Schaden zu schaffen, bei welchen die tatsächliche Anzahl der Arbeitszyklen auf der einen Seite und die genaue Amplitude der während eines Zyklus auftretenden Belastungen festgestellt wird.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß ein den momentanen Beanspruchungen entsprechendes Signal über wenigstens zwei parallele Kanäle geleitet wird, von welchem der erste Kanal ein erstes Signal ergibt, dessen Momentanwert entsprechend 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 von BelastungsSignalen kleiner als die Amplitude bei Dauerbelastung auftritt, und von welchen der zweite Kanal ein drittes Signal proportional zur Frequenz des Belastungssignals abgibt, und daß

der

das erste und dritte Signal/beiden Kanäle einem Multiplikationskreis zugeführt sind, dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Signal gesteuerten Blockierkreis einem Integrationsspeicher zugeführt ist.

Zum Verständnis der vorliegenden Erfindung sei erinnert, daß nach den Arbeiten von Wöhler 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

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die durch N und <3Γ festgelegte Kurve eine hyperbolische Form aufweist*

Von einem bestimmten Minimalwert <r , welcher der Ermüdungsgrenze bzw. Dauerbelastungsgrenze gleich dem asymptotischen Wert der erwähnten hyperbolischen Kurve entspricht, bewirkt ein n-faches Auftreten einer Belastung an dem Element einen Schaden, den man durch das Verhältnis τ? schätzen kann, wobei ein Bruch wahrscheinlich wird, sobald dieses Verhältnis gleich 1 wird.

Nach der klassischen Hypothese von Palmgren-Miner existiert ein kumulativer Effekt des Schadens, sobald dasselbe Stück eine Anzahl von Zyklen n,, n_?> n, ... mit den Beanspruchungen σ,* σν>, 6" ... ausgesetzt ist, von welchen jede einen Bruch bei Auftreten von N,, Np, N^ ... hintereinander folgenden Zyklen zur Folge hat. Die Belastungsgrenze - d.h. der wahrscheinliche Bruch - erscheint dann wahrscheinlich:

η,
T

Ein mathematischer Ausdruck dieses Resultats entsprechend der experimentiellen Kurve von Wöhler entspricht demzufolge der Funktion von Wöhler, welche die inverte Zahl von N Zyklen bei einem Gesamtschaden für eine vorgegebene Belastung gibt:

1 =

N B , .

K (2)

In dieser Formel sind die Werte A und B spezifische Koe ffizienten des betreffenden Materials und χ die Größe der

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- 6 Belastung. Dies führt zu dem Verhältnis:

Sobald x^l ist, - d.h. sobald die Belastungen kleiner als die Dauerbelastungsgrenze ist, - kann die Formel von Wöhler nich mehr angewandt werden, weil im wesentlichen kein Schaden mehr auftritt.

. In Form eines Beispiels sei angegeben, daß nur Aluminium " ohne Korrosion die Koeffizienten A = o,48j5 und B = 75· aufweist, was zur folgenden Gleichung führt:

S -
wobei χ >1 ist.

Im Falle der erfindungsgemäßen Vorrichtung liefert ein erster Kanal eine Momentanspannung AE^, die mit Hilfe eines Verstärkers mijt geeigneter Funktionscharakteristik dem Wert der Wühler-Formel entspricht:

N B

A x-1

(5)

wobei χ die momentane Gesamtamplitude des Belastungssignals ist. Der zweite Kanal gibt dagegen unter der Form einer Momentanspannung ΔΕ₂ die Anzahl der Zyklen dn an, welche währaid des Zeitintervalls dt auftreten. Man erhält demzufolge :

dn =' AE₂ «dt (6)

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Unter Einschluß der Hypothese von Palmgren-Miner kann dem zufolge der Schaden durch die folgende Gleichung angegeben werden: .

l ⁺ f "I

Aufgrund des Vorhandenseins der zweiten Signale, welche den Blockierkreis steuern, ist das Momentanprodukt der zwei Spannungen 4 E₁ und Δ Ep nur ein Resultat unter Berücksichtigung, daß die auftretende Belastung größer als die Dauerbelastungsgrenze ist.

Solange die einem Element ausgesetzten Belastungen keine isochronen Vibrationen sind, hängt dieser Wert D ebenfalls von der Zeit ab, während welcher diese Belastungen aufgetreten sind und welche Variationen in einem oder anderen Sinn bis zur Erreichung des maximalen Belastungswertes aufgetreten sind. In der Tat hängt jedoch die Ermüdung einzig und allein von dem Unterschied zwischen den zwei maximalen Werten der Belastung ab. Um diesen Nachteil zu beseitigen, weist der erste Kanal einen Speicher für den Maximalwert des variablen Signals auf, während zusätzlich ein dritter Kanal bei der Einspeicherung der Spitzenamplitude ein viertes Signal kurzer Sauer abgibt, welche über ein Gatter des Eingangsintegrationskreises steuert, so daß innerhalb des.Integrationskreises nur während des kurzen konstanten Zeitintervalls ein Probenwert dieser Amplitude hindurchgeleitet wird.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung besteht der Meßwertgeber vorzugsweise aus Dehnungsmeßstreifen, welche in Form einer Wheatstonebrücke zusammengeschaltet sind.

Die Gleichstromkomponente und die Belastungssignale geringer Frequenz werden vorzugsweise mit Hilfe eines kapazitiven Filter eliminiert.

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Das Belstungssignal ist im allgemeinen nicht symmetrisch, so daß die Amplitude der Belastung von jedem Zyklus der Belastung in Form von Spitzen-Zu-Spitzen-Werten direkt gemessen werden muß. Zu diesem Zweck sind in dem entsprechenden Meßkanal zwei parallele Äste vorgesehen, welche jede mit einer Diode versähen sind, wobei diese beiden Dioden einander entgegengesetzt geschaltet sind. Jeder Kondensator stellt einen Speicher für einen Amplitudenwert dar, während gleichzeitig ein Impulserzeuger Impulse abgibt, welche die Ladung dieser beiden Kondensatoren bei jedem periodischen Nulldurchgang des Wechselstromes löschen.

Das in dem dritten Kanal abgegebene vierte Signal kann von einer monostabilen Kippschaltung und einem Sperroszillator, ausgelöst werden, indem das Gesamtsignal differenziert wird, um für jeden extremen Maximal- oder Minimalwert des Signals einen Nulldurchgang des abgeleiteten Signals abzugeben. Nach jedem Nulldurchgang wird dann mit Hilfe von Impulsen nach Unterdrückung von jedem zweiten Impuls die Kippschaltung ausgelöst.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Integrationsspeicher eine Elektrolyse-Einrichtung . mit einer Freigabe von Gas, das in einem Behälter gesammelt wird, dabei sind von Null bis Eins bezeichnete Markierungen vorgesehen, so daß die Notwendigkeit eines Austauch.es der belasteten Struktur sehr einfach abgelesen werden kann.

Die Erfindung soll nunmehr anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und beschrieben werden, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein Schematisches Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung,

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Fig. 2 ein detailliertes Schaltdiagramm zur Peststellung der Spitzenwerte,

ve»
Pig. 3a, J5b und 4 Kurvenläufe von Signalen, und

Fig. 5 ein Schema eines Sendekreises für die Steuerung des Eingangs des Integrators.

Gemäß Pig. 1 gibt der Meßwertgeber 1 ein Meßsignal entsprechend den auftretenden statischen und dynamischen Belastungen ab, welche einem Element B ausgesetzt sind. Das Meßsignal gelangt über einen linearen Verstärker 2 und wird innerhalb eines Filterkreises > von dem statischen Teil getrennt. Anschließend darauf erfolgt über einen Anpassungsverstärker 4 die Zufuhr zu drei verschiedenen Kanälen V., Vp und V-,, welche zu einer gemeinsamen Ausgangsschaltung T führen.

Der erste Kanal V. enthält hintereinander einen eine geringe Dämpfung aufweisenden Spitzenwertdetektor 5* welcher den Spitzen-Zu-Spitzen-Abstand abwechselnder Signalhalbwellen feststellt. Anschließend daran ist ein an sich bekannter Punktionsverstärker 6 vorgesehen, der - wie dies im folgenden noch beschrieben sein soll, - den Paktor AE₁ = jj ergibt. Schließlich ist ein Linearverstärker 7 vorgesehen, der den Endpegel des Ausgangssignals dieses ersten Kanals V₁ festlegt. ^

Der zweite Kanal V₂ besteht aus einer Begrenzungsschaltung 9, welche mit einem Frequenz-Spannungs-Wandler Io verbunden ist. Diese beiden Elemente 9$ Io ermöglichen die Festlegung des Paktors AE₂ ~ ^. Ein Linearverstärker 11

-lo-

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- Io -

legt den Endpegel dieses Ausgangssignals dieses zweiten Kanals V₂ fest.

Die den beiden WertendE. und ,4E₂ entsprechenden Signale werden einem Multiplikationskreis 12 zugeführt, welcher das erste Element der Ausgangsschaltung T darstellt. Das sich ergebende Signal gemäß dem Produkt ^E₁ und ^E₂ wird über einen Blockierkreis IJ> geleitet, der Signale mit Werten von χ kleiner oder gleich 1 sperrt, bei welchen Werten die aufgetretenden'Ermüdungsschaden nämlich Null sind. Von diesem Blockierkreis Ij5 wird das Ausgangssignal einem Integrationsspeicher 14 zugeführt.

Zur Steuerung des Blockierkreises IJ> dient ein Vergleichs kreis 8, welcher ein zum Spitzen-Zu-Spitzenwert χ des Spitzenversträkers 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 V₁ und V ein dritter Kanal V, vorgesehen. Dieser Kanal V, besteht aus einem Impulskreis 15, welcher ein eine relativ kurze Zeitdauer andauerndes Signal abgibt, das diei öffnung eines elektronischen Schalters während dem entsprechenden Zeitintervall bewirkt.

Die Speisung der verschiedenen Kreise wird mit Hilfe von Quecksilberbatterien langer Lebensdauer erreicht, welche innerhalb einer Stromversorgung 17 angeordnet sind. Die Stromversorgungseinheit 17 führt über einen Schalter 18 und einen Spannungsregulierkreis 16 zu den verschiedenen Verwendungspunkten. Die Pfeile l6a zeigen dabei an, daß

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Verbindungen mit allen verschiedenen Punkten der Einrichtung vorgesehen sind.

Obwohl ein Großteil der Elemente bekannt ist, erscheint es doch wichtig, daß die folgenden Angaben gemacht sindi

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

Der Linearverstärker 2 ermöglicht die Anhebung des Signalpegels j damit die Behandlung des Meßsignals in den folgenden Stufen bei genügend hohen Spannungswerten erfolgen kann.

Der Pilterkreis 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 Spitzenverstärker 5 ist in Fig.' 2 genauso dargestellt. Die dynamische Komponente des Signals ist, so wie dies in Fig. 3a dargestellt ist, im allgemeinen nicht symmetrisch, solange keine isochronen Vibrationen auftreten. Der Spitzenverstärker 5 dient zur Messung der Amplitude zwischen den Spitzenwerten des oszillierenden Meßsignals. Gemäß dem Schaltschema von Fig. 2 wird das in Fig. 3a dargestellte dynamische

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Meßsignal am Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 einem Klemmenpunkt X zugeführt und über die drei Äste Xl, X2, verteilt. Entlang der Äste Xl und X2 trennen Dioden Dl und D2: die positiven und negativen Halbwellen A, B, C, D^ ... um einen Kondensator Cl negativ und einen Kondensator C2 positiv zu laden ..Entlang, des Astes XJ invertiert ein Verstärker Al das von dem Anpassungsverstärker 4 abgegebene. Meßsignal.. Das von Al abgegebene Signal wir dl einem !Impulstransformator TPl zugeführt, der.' mir- aufsteigende.' und abfallende Planken durchläßt, wodurch gemäß; Fig;» 3b eine Reihe von Impulsen. II, 12 erzeugt wird.

Am Ausgang des Impulstensfarmators TPl unterdrückt eine Diode D3 die negativen Impulse. Die positiven Impulse werden mittels einer Zenerdiode DZl normiert, welche den Steuereingang eines Thyristors THl schützt. Dieser Thyristor THl ist in Form einer Kippschaltung über einen Kondensator C4 mit einem Thyristor TH2 verbunden. Diese Kippschaltung wird von positiven Impulsen - wie Il - gesteuert, welche von der Diode Dj5 abgegeben und durch die Zenerdiode DZl namiert sind. 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 THl gibt ein Unijunküonstransistor UJTl nach einem durch den Kreis R1C3 vorgegebenen kurzen Zeitintervall, d.h. nach beispielsweiselOO/u sek einem Impuls ab. Dieser Impuls steuert den Steuereingang des Thyristors TH2, der demzufolge leitend wird, wodurch der Unijunktionsthyristor UJTl über die Diode D4 blockiert wird. Der Thyristor THl wird dann ebenfalls wie die Transistoren TFl und TF2 blockiert, deren Steuereingänge parallel zueinander angeordnet sind. Sobald ein positiver Impuls, - wie Il - den Thyristor THl leitend macht, wird der Thyristor TH2

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blockiert. Die Basen der Transistoren TFl und TF2 werden an Masse gelegt, wodurch diese Transistoren leitend -werden,. Die Kondensatoren Cl und C2 entladen sich dann vollkommen. Die Diode D4, deren Kathode zu diesem Zeitpunkt positiv ist, leitet nicht, so daß sich der Kondensator Cj5 aufladen kann. Nach einem kurzen Zeitintervall, - d.h. ungefähr loo /U see. entblockiert der TJnijunktionstransistor UJTl den Thyristor TH2,welcher wiederum den Thyristor THl erneut blockiert, so daß die Basen der Transistoren TFl und TF2 positiv werden. Die Translatoren verlieren somit ihre Leitfähigkeit.

Der Zyklus ist demzufolge beendet und die beiden Kondensatoren Cl und C2 sind erneut entleert und isoliert und können erneut zwei aufeinanderfolgende Haltewellen mit positiven und negativen "Vorzei-chen speichern. Die Spannungen der Kondensatoren werden einem Differentialverstärker ADl ." zugeführt, dessen Ausgang genauso wie der Spitzenverstärker 5 mit dem Funktionsverstärker 6 und dem Vergleichskreis 8 verbunden ist.

Wenn man beispielsweise ein Flügelblatt eines Helikopters berücksichtigt, bei welchem die kürzesten Vibartionshalbwellen eine minimale Dauer von o,o5 see, - d.h. 50.000 Mikrosenkunden aufweist - , während die mittlere Dauer dieser Halbwellen o,Jo see, - d.h. 300.000 Mikrosenkunden - beträgt, dann ist die Dauer der durch den Kreis RlCl festgelegten Impulse in der Größenordnung von loo Mikrosekunden vernachlässigbar. Die Ladungspotentiale der Kondensatoren Cl und C2 entsprechen demzufolge den Amplituden der Halbwellen A, B ...

Zum Zeitpunkt ti entleert der Umpuls Il die Kondensatoren Cl und C2. Danach speichert der Kondensator C2 den Spitzenwert der positiven Halbwelle A. Zum Zeitpunkt t2 wird der

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Impuls 12 durch die Diode D3 blockiert. Der Spitzenwert der darauffolgenden Halbwelle B wird dann in dem Kondensator Cl eingespeichert. Zu diesem Zeitpunkt sieht der Differential-Verstärker ADl an seinen Klemmen den Spitzen-Zu-Spitzenwert AB des Signals. Das verstärkte Signal xvird dann dem Vergleichskreis 8 und dem Sunktionsverstärker 6 zugeführt. Zum Zeitpunkt t^ stellt der Impuls 13 die durch die Kondensatoren Cl und C2 gebildeten Speicher zurück, wodurch die Speicherung des Spitzen-Zu-Spitzen-Signals 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 Fig. 4 dargestellt. Das Signal beginnt zum Zeitpunkt ti bei Null und erreicht zum Zeitpunkt tA den Viert VA entsprechend einem Maximum der Halbwelle A. Dieser Wert erhält sieh aufgrund der Speicherwirkung des Kondensators C2 auf dieser- Größe. Anschließend daran wird der Wert erhöht, bis er zum Zeitpunkt tB des Maximums der zweiten Halbwelle B den Wert VA + VB erreicht. Daraufhin hält sich dieser Wert bis zum Zeitpunkt t3 auf dieser Größe.

Falls VA + VB den Schwellwert V überschreiteZ₃ dann wird die gesamte Energie dem Integrationsspeicher 14 zugeführt. Diese Energie hängt von dem Zeitintervall ti - t3 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 Ermüdung der beobachteten Struktur an. Wenn hingegen die Belastungen nicht isochron sind> dann >järe die Anzeige dieses Ermüdungszustands ungenau, weil sie nur den Wert VA + VB berücksichtigt.

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

Bei Verwendung eines elektrolytisch arbeitenden. Integrations-Speichers 14 ergibt sich eine sehr hohe 0.£ Punktionsdauer und eine sehr kleine Bauweise der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Um Größenanordnungen anzugeben sei erwähnt, daß die Dauer der Impulse G in der Größenordnung von 0,01 Sekunden, d.h. 10.000 Mikrosekunden - liegen kann, was ungefähr einem Fünftel der kürzesten Halbwelle entspricht. Der in Fig. 5 dargestellte Impulskreis 15 bildet derartige Impulse. Von dem in Fig. 2 dargestellten Punkt X werden die Meßsignale einem Trennverstärker 19 zugeführt, welcher dem Linearverstärker 2 sehr ähnlich ist. Die Ausgangssignale werden daraufhin in einem Spezialverstärker 20 verstärkt, welcher gemäß jedem Maximum und Minimum der Halbwellaides Ursprungssignals einem Nulldurchgang eines abgeleiteten Signals abgibt. Ein Impulstransformator TP2, -ähnlich dem Transformator TPl,-transformiert die Folge dieser Impulse Al - Bl, deren Spitzenwerte den Durchgängen der Impulse A und B durch entsprechende Maximal- oder Minimalwerte entspricht. Die Diode D5 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 Blockierkreises 13 steuert. Der Blockierkreis kann dabei ein Undgatter ET aufweisen, welches an seinen Eingängen das Signal

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des Vergleicherkreises 8 und der monostabilen Kippstufe 21 erhält.

Der Punktionsverstärker 6 ist beispielsweise einer des Typs SPFX der Societe PHILBRIK TRANSCONDUCTOR und ermöglicht die Steuerung über eine bestimmte Anzahl von Potentiometern, um eine Ausgangsspannung abzugeben, welche der Eingangsspannung entsprechend einer beliebigen Tranferfunktion entspricht. In dem vorliegenden Fall wird mittels dieser Funktionsverstärker 6 die Wöhl'er-Funktion umgesetzt, zwar beispielsweise in einem besonderen Anwendungsfall wie Duraluminium ohne Korrosion. Die Amplitudensignale ^c des Spitzen-Verstärkers 5 werden dem Funktionsverstärker 6 zugeführt, der an seinem Ausgang ein Signal der Spannung gleich gemäß der Wöhler-Funktion abgibt:

g (χ) = (8)

23,3.ίο"²

Dieses Signal wird dem Eingang des Linearverstärkers 7 zugeführt, der die Amplitude des Signals vor dem Zuführen zu dem Multiplikationskreis 12 steuert.

Entlang des Kanals V2 ist die Begrenzungsschaltung 9 vorgesehen, deren Eingang mit dem Ausgang des Anpassungsverstärkers 4 verbunden ist. Dabei handelt es sich um einen Funktionsverstärker, welcher dem Linearverstärker 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 Ä_j3. - eingestellt werden. Die Signale konstanter Größe und proportional zu 6_Q werden dem Eingang des

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Frequenz-Spannungs-Wandlers 10 zugeführt, der ein Frequenzdiskriminator sein kann, welcher an seinem Ausgang mit geringer Impedanz eine Gleichspannung abgibt, die proportional zur Frequenz des Eingangssignals ist.

Der Linearverstärker 11 ist ebenfalls ein Verstärker, der den Verstärker 2 und 7 entspricht. Er ermöglicht die Steuerung der Amplitude des Signals des Frequenz-Spannungs-Wandlers 10 vor der Zufuhr zu dem Multiplikationskreis

Der Multiplikationskreis 12 kann beispielsweise ein Kreis des Typs 4450 der Firma PHILBRICK-NEXUS RESEARCH sein, welcher an seinen Eingängen auf der einen Seite die von dem Linearverstärker 7 abgegebenen Signale proportional zu J E₁ = g (x) und auf der anderen Seite Signalen des Linearverstärkers 11 proportional zu Λ E₂ = |tf erhält. Der Multiplikationskreis 12 gibt an seinem Ausgang Signale proportional zu dem Produkt Ae₁ . Δ E₂ ab. Das dem Produkt Δ E₁ . Δέ^ proportionale Signal wird über dem Blockierkreis 13 dem Integrationsspeicher 14 zugeführt.

Der Integrationsspeicher 14 besteht aus einem elektrölytischen Miniaturzähler, beispielsweise des Typs Mercron 204 der Firma INDUSTRIAL INSTRUMENT, welche eine vertikale Säule aufweist, die gegenüber einer Skala abgelesen werden kann. Dieser Integrationsspeicher 14 integriert automatisch alle Schadensignale und speichert sie ein.

Der Vergleichskreis 8 besteht aus einem Differentialverstärker. Er empfängt an seinen Eingängen auf der einen Seite die dem Spitzendetektor 5 abgegebenen und zu % proportionalen Signale, während auf der anderen Seite eine Vergleichsspannung ν proportional zu einem Einheitswert zugeführt wird. Diese Vergleichsspannung ν wird ebenfalls über ein

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Potentiometer dem Funktionsverstärker 6 zugeführt, weicher die Variable χ - 1 erzeugt. Der Vergleichskreis 8 gibt an seinem Ausgang ein kontinuierliches Signal ab, das die öffnung des Blockierkreises 1J> steuert, sobald χ ^ 1 ist. In diesem Fall tritt nämlich kein Schaden an der zu überwachenden Struktur auf. Demzufolge erhält der Integrationsspeicher 14 kein Signal, was beudet, daß der Schalter innerhalb des Blockierkreises IJ geöffnet ist.

Der Blockierkreis 13 wird gleichzeitig und unabhängig von einem Vergleichskreis 8 und^em Kippkreis 21 gesteuert. Er öffnet und schließt die Verbindung, welche den Multiplikationskreis 12 mit dem Integrationsspeicher 14 verbindet. Er kann jedoch ebenfalls durch einen beliebigen elektrisch steuerbaren Schalter ersetzt werden.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können alle komplexen Strukturen untersucht werden, welche unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Die vorliegende Erfindung ist jedoch insbesondere zur Prüfung von Fuselagen oder bewegliche Strukturen von Flugkörpern -beispielsweise Helikopterflügelblättern- geeignet.

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Claims (11)

1. - 19 Patentansprüche

   C 1 Λ Meßeinrichtung zur Peststellung von Ermüdungsschäden an verschiedenen Beanspruchungen ausgesetzten Strukturen/ dadurch gekennzeichnet, daß ein den momentanen Beanspruchungen entsprechendes Signal über wenigstens zwei parallele Kanäle (V^, Vp) geleitet wird, von welchem der erste Kanal (V₁) ein erstes Signal ergibt, dessen Momentanwert entsprechend 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 von Belastungssignalen kleiner als die Amplitude bei Dauerbelastung auftritt, und von welchen der zweite Kanal (V₂) ein drittes Signal proportional zur Frequenz des BelastungsSignaIs abgibt, und daß das erste und dritte Signal der beiden Kanäle (V,, Vp) einem Multiplikationskreis (12) zugeführt sind, dessen Ausgang wiederum über einen von dem zweiten Signal gesteuerten Blockierkreis (15) einem Integrationsspeicher (14) zugeführt ist.
2. 2. Meßeinrichtung nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet, daß ein Spitzenverstärker (5) zur Einspeicherung des Spitzen-Zu-Spitzenwertes des veränderlichen Signals vorgesehen ist und daß ein dritter Kanal (V,) bei der Einspeicherung dieser Amplitude ein viertes Signal kurzer konstanter Dauer abgibt, wodurch der Eingang des Integrations-Speichers (14) derart gesteuert ist, daß demselben nur während dieses kurzen Zeitraumes ein Signal zugeführt ist.
3. 3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2_S dadurch ge - . kennze ichne t , daß das den Belastungen entsprechende

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   Signal von einem in Form einer Wheatstonebrücke ausgelegten Meßwertgeber (1) abgegeben ist, welchem ein linearer Verstärker (2) ein im wesentlichen kapazitiver Pilterkreis (3) und ein Anpassungskreis (4) für die einzelnen Kanäle (V·, V₃) folgen.
4. 4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanal (V₁) einen Spitzenverstärker (5) aufweist, der ein gleichgerichtetes Signal proportional zum Spitzen-Zu-Spitzenwert von zwei aufeinanderfolgenden Halbwellen abgibt, und daß ein Punktionsverstärker (6) vorgesehen ist, welcher in Abhängigkeit der Amplitude des Ausgangssignals des Spitzenverstärkers (5) das erste Signal bildet.
5. 5· Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der zweite Kanal (Vo) eine Begrenzungsschaltung (9) aufweist, welche das Signal auf einen Wert proportional zur Dauerbelastung des Materials beschränkt, und daß hinter dieser Begrenzungsschaltung (9) ein Frequenz-Spannungswandler (10) angeordnet ist.
6. 6. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichgerichtete Signal des Spitzenverstärkers (5) einem Vergleichskreis (8) zugeführt ist, welchem zusätzlich ein Vergleichssignal entsprechend der Dauerbelastbarkeit zugeführt ist, ferner daß der Vergleichskreis (8) das zweite Signal abgibt, sobald das gleichgerichtete Signal kleiner als die Vergleichsspannung ist und daß dieses Signal dem elektronischen Schalter eines Blockierkreises (13) zugeführt ist, welcher ausgangsseitig des Multiplikationskreises (12) angeordnet ist.
7. 7· Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das veränderliche Signal entlang eines

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   dritten Kanals (V^) verstärkt und einem Impulskreis (15) zugeführt ist, welcher jede zweite Spannungshalbwelle unterdrückt, und welcher Impulse mit konstanter Dauer abgibt, die das vierte Signal bilden.
8. 8. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Blockierkreis (13) ein elektronischer Schalter ist, welcher von einem Undgatter ET gesteuert ist, das an den Eingängen das zweite und vierte Signal erhält.
9. 9· Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrationsspeicher (1) ein zwischen Null und Eins geeichter elektrolytischer Zähler ist, welcher mit einer visuellen Anzeige versehen ist.
10. 10. Meßeinrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenverstärker (5) zwei Kondensatoren (C₁, C₂) aufweist, welchen über zwei entgegengesetzt gepolte Dioden (D₁, Dp) das Meßsignal zugeführt ist, ferner daß ein Differentialverstärker (AD₁) vorgesehen ist, dessen beide Eingänge mit den beiden Kondensatoren (C₁, C₂) verbunden sind, und dessen Ausgang ein Signal entsprechend der Summe der absoluten Spannungen der Ladung abgibt, wobei zusätzlich eine Verbindung mit Masse vorgesehen ist, um die beiden Kondensatoren ( C₁, C₂) über einen Kippkreis (TH₁, TH₂, UJT₁) zu entladen .
11. 11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsignal einem invertierenden Verstärker (A₁) zugeführt ist, und daß der Ausgang dieses Verstärkers (A₁) mit einem Impulstransformator (TPl) verbunden ist, der mit dem über eine in positiver Richtung liegende Diode (D3) mit dem Kippkreis (TH₁, TH₂, UJT₁) verbunden ist, wobei zusätzlich eine mit Masse verbundene Zenerdiode (DZl) vorgesehen ist.

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