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Die Schwingsaite ist eine Art Sensor zur Messung absoluter Dehnungsänderungen. Ihr Prinzip ist die Variation der Grundschwingungsfrequenz (oft im hörbaren Spektrum ) einer gespannten Saite, die nach einem bestimmten Gesetz von der Spannung abhängt. Eine Verlängerung oder eine Verkürzung führt zu einer Veränderung der Spannung des Stranges und damit der Grundfrequenz. Ein solcher Sensor umfasst einen Elektromagneten, der es ermöglicht, sowohl den Oszillator anzuregen als auch als Mikrofon zur Frequenzbestimmung zu wirken.
Das physikalische Phänomen des schwingenden Drahtes bezieht sich auf drei physikalische Größen:
Der Schwingseilsensor ermöglicht es, die Spannung der Saite durch Messung ihrer Grundfrequenz zu bestimmen ( erster Schwingungsmodus ). Seine Anfangslänge wird während seiner Herstellung bestimmt. Aus der Spannung der Saite leiten wir ihre Dehnung ab. Dieses physikalische Prinzip ermöglicht es daher, die Verformung der Struktur zu messen, an der der Sensor an seinen beiden Enden befestigt ist.
Der Oszillator ist ein Stahldraht des Klaviers Drahtart , gestreckt zwischen zwei festen Punkten, die die Tasten des Sensors sind. Eine in der Mitte des Drahtes platzierte Spule dient zunächst als Erregungs-Elektromagnet: Indem er den Draht durch eine punktuelle Biegung aus seiner Gleichgewichtslage bewegt, versetzt er den Draht in Schwingung; dann werden die Schwingungen gedämpft und der Draht als bewegter Leiter in einem Magnetfeld von einem induzierten Wechselstrom durchflossen. Die Frequenz ν dieses Stroms wird von einem Impulszähler erhalten.
Nun ist die Oszillationsfrequenz wo
Die Elastizität des Stahldrahtes ermöglicht es , seine Spannung auf seine relative Dehnung in Beziehung ε .
oder
Wir können daher schreiben, indem wir die Dehnung gegenüber der Länge L des Drahtes vernachlässigen , dass die Schwingungsfrequenz praktisch proportional zur Quadratwurzel der Dehnung ist, was ein besonders empfindliches Maß für diese letzte Größe ergibt: mit . So :
wo ist die Frequenz der Sehne vor der Verformung („Nullpunkt“ der Messung).
Die Messung der Resonanzfrequenz erfolgt mittels einer elektromagnetischen Spule. Dieselbe Spule wird verwendet, um die Saite durch einen elektrischen Impuls anzuregen und so die Messung zu ermöglichen.
Häufig enthält der Sensor einen zweiten Schwingdraht, der nicht mit der Struktur verbunden ist, um den Temperatureinfluss auf die Messung zu berücksichtigen (siehe unten).
Schwingseilsensoren bleiben bei geeigneter Wahl ihrer Länge für den zu untersuchenden Dehnungsbereich mindestens ein Jahr, manchmal sogar mehrere Jahre zuverlässig. Zudem ist der Dehnungsnullpunkt bemerkenswert stabil, d.h. schwingende Saiten zeichnen sich durch eine gute Genauigkeit aus .
Diese Sensoren werden häufig zur Instrumentierung verwendet: Tatsächlich bieten sie eine längere Lebensdauer und messtechnische Stabilität als Dehnungsmessstreifen und sind kostengünstiger als Komparatoren. Die Frequenz des Signals ist nicht sehr empfindlich gegenüber Faktoren wie beeinflussenden Umgebungsfeuchtigkeit oder die Länge der Verdrahtung; Kabellängen lassen sich leicht zusammennähen und Datenlogger sind im Prinzip sehr einfach.
Andererseits hängt die Konstante, die die Dehnung auf die Frequenz bezieht, stark von der Umgebungstemperatur ab: Der Draht dehnt sich aus und auch sein Titer variiert. Aus diesem Grund sind Schwingseile oft mit integrierten Temperatursensoren ausgestattet , die eine Kompensation der Messung ermöglichen.
Die Vorteile dieses Sensortyps sind für diese Anwendungsbereiche zahlreich:
Es ist auch möglich, über Flachbuchsen auf eine Oberfläche aufgebrachte Kräfte zu messen . In der Hydrologie wird das Prinzip bei Piezometern , Porendrucksonden und Niveausonden verwendet .
Das Phänomen des vibrierenden Drahtes wird auch verwendet, um die Spannung der Streben und deren Dämpfung zu überprüfen . Dann ist es eine Frage des Messschwingungs Harmonischen des Halteseiles unter dem Einfluss von Verkehr oder auf einem Impuls- oder verzögerter Typ Anregung unter Verwendung von Beschleunigungsmessern.
Der in den Beton einzubettende Dehnungsmessstreifen ermöglicht die Messung der durch Spannungsschwankungen verursachten Verformungen. Es ermöglicht die Berechnung der Spannungen bei bekanntem Verformungsmodul nach Korrekturen für Temperatur-, Kriech- und Eigenreaktionen des Betons.
Die wichtigsten mit diesen Dehnungsmessstreifen instrumentierten Betonstrukturen sind:
Sie können vor dem Gießen des Frischbetons eingebaut werden oder vorher in einen kleinen Betonblock gelegt werden, der in den Frischbeton eingebracht wird. Es ist auch möglich, die Lehren oder den kleinen Block in ein vorgebohrtes Loch zu spritzen.
Der Dehnungsmessstreifen besteht aus einem Stahldraht, der mit einem Niedermodul-Zinnlot an zwei Stahlköpfe geschweißt ist. Der Abstand zwischen den runden Flanschen der Köpfe bestimmt die Messbasis. Ein kleiner Seitenblock in der Mitte der Röhre enthält die Wartungs- und Hör-Elektromagnete. Auch ein elektrischer Widerstand von einer der elektromagnetischen Spulen kann die Temperatur liefern.
Vibrationsdrahtstärken werden mit einer tragbaren Station oder einem Datenlogger abgelesen. Sie kann je nach Hersteller im "gedämpften" oder "gewarteten" Modus durchgeführt werden.
Die Verformungen zwischen den Befestigungsköpfen an den Enden des Sensors führen zu Variationen in der Länge und Frequenz der Schwingung der Saite. Die Frequenz-Dehnungs-Beziehung charakterisiert jeden DMS-Typ und ermöglicht die Berechnung der Einheitsdehnungen aus dem Dehnungsfaktor K.
Der vom Italiener Pietro Cardani (1858-1924) entworfene Schwingdrahtsensor wurde 1899 vom Amerikaner Edward McGarvey patentiert. Dieses Gerät wurde enorm zur Überwachung von Wasserkraftwerken eingesetzt, beispielsweise auf Initiative von Davidenkoff in Russland (1928) oder von André Coyne an den Staudämmen Bromme und Marèges (1930).