NO169254B - Anordning for maaling av vibrasjoner i byggverk - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning for måling av effektoverføring i forbindelse med bølgeforplantning, og særlig, men ikke utelukkende, for måling av vibrasjonseffekt som forplanter seg gjennom byggverk.

For å forsøke å beherske vibrasjoner i et byggverk, er det ønskelig å fastlegge de dominerende forplantningsbaner for de vibrasjoner som overføres fra vibrasjonskilder (f.eks. fra maskiner) gjennom byggverket til visse punkter av interesse.

A bare betrakte vibrasjonsamplitudene i byggverket er av liten nytte, da stående bølger kan gi store lokale vibrasjons-amplituder uten vesentlig effektoverføring. Det er derfor hensiktsmessig å innføre et begrep som strukturell bølge-intensitet, definert som effektforplantning pr. breddeenhet av vedkommende tverrsnitt, hvilket kan måles som en vektor-størrelse i hvilket som helst gitt punkt.

I byggeelementer, som f.eks. bjelker, hvor bølgeforplantningen bare finner sted i en dimensjon, er det hensiktsmessig å betrakte den effekt som forplanter seg over elementtverr-snittets samlede areal. Den mekaniske effekt som overføres kan ganske enkelt angis som øyeblikksproduktet av kraft og hastighet på vedkommende sted. Ved å gjenta sådanne intensitetsmålinger på mange steder i byggverket, vil det være mulig å bygge opp et mønster som representerer de forplantningsbaner hvor vesentlig effektoverføring finner sted.

Tidligere undersøkelser har antydet at transversalbølger er den mest fremtredende bevegelsestype når det gjelder over-føring av effekt gjennom byggverk. Intensitetsmålingene kan således i høy grad påvirkes av fysiske faktorer som bestemmes av materialet i vedkommende byggeelementer samt deres omfang og form.

En differansemetode som anvender fire akselerometere, er hensiktsmessig for måling av en-dimensjonal effektforplantning i bjelker. Denne fremgangsmåte søker å oppnå mest mulig almengyldig anvendelse ved å anslå både bøyemoment- og skjærkraft-komponentene ved sådan effektforplantning i en bjelke. Under ideelle forhold vil det dynamiske område for de fire akselerometere som benyttes ved utførelse av differanse-metoden, være uendelig. Instrumenteringstoleransene har imidlertid skadelig innvirkning på måleresultatet, og selv moderate toleranseverdier gir ganske vesentlige målefeil.

I praksis vil målefeilene ved måling i enhver byggekonstruksjon, særlig slike hvor refleksjonsforhold kan forventes, bli nesten fullstendig dominert av falske resultater frembragt av stående bølger. Et målesystems evne til å gi nøyaktige målinger av en foreliggende vandrebølge-komponent i nærvær av eventuelt meget større stående bølger, betegnes som dens dynamiske område. Systemets mottagelighet for disse feil bestemmes av instrumenteringens fasetoleranser, det være seg i omformerne, signaltilstandsforsterkerne eller i signal-behandlingen .

Da bredbåndsundersøkelse av transversalbølgeintensitet ikke er særlig menigsfull, benytter eksisterende smalbåndsystemer filtre, slik som båndpassfiltre eller filtergrupper som kan omkobles innenfor en oktav eller en tredel av en oktav. I henhold til oppfinnelsen er det imidlertid funnet at intensi-tetsmønstrene forandres raskt med varierende frekvens og at selv en tredel av en oktav er for bredt. Fasetilpasning av filtrene er også kritisk, da denne tilpasning bestemmer det dynamiske område og således systemets anvendbarhet. For at et hvilket som helst av de tidligere kjente systemer for måling av bølgeforplantningsintensitet i byggverk skal være i stand til å utføre nøyaktige målinger, er det derfor nødvendig å anvende filtre med meget smal båndbredde og ytterst nøyaktig fasetilpasning mellom kanalene. Disse to fordringer er i høy grad motstridende da filtre som har raskt økende svekning utenfor passbåndet, også oppviser et stort antall singulære punkter i sine overføringsfunksjoner. Dette innebærer at faseforskyvningen omkring passbåndets grensefrekvenser vil være stor, således at problemet med å oppnå nøyaktig fasetilpasning blir enda mer akutt. For at systemet skal være brukbart over et visst frekvensområde, er det da nødvendig enten å gjøre disse filtre avstembare eller å anvende en gruppe filtre med omkoblingsbar frekvens. Med avstembare filtre er imidlertid en tilfredsstillende fasetilpasning praktisk talt umulig, mens bruk av en omstillingsbar filtergrupper øker konstruksjonsproblemene, og vanskeligheten ved å opprettholde samme målebåndbredde resulterer i mer kompliserte filtre ved høye senterfrekvenser.

Et formålet for foreliggende oppfinnelse er derfor å frembringe en anordning for måling av vibrasjonsintensiteten i et punkt på et byggverk, og som overvinner de problemer som foreligger ved tidligere kjente systemer av denne art.

Det er et ytterligere formål for oppfinnelsen å frembringe en anordningen for måling av intensitet og retning for den bølge-effekt som forplanter seg i bygningsbjelker og -plater, selv utenfor laboratorieforhold.

Foreliggende oppfinnelse gjelder således en anordning for måling av vibrasjoner i byggverk, og som omfatter vibrasjons-følere innrettet for å avføle vibrasjonsakselerasjoner på byggverkets overflate samt å frembringe minst to elektriske signaler som representerer hver sin innbyrdes forskjellige vibrasjonsakselerasjon, idet anordningen i henhold til oppfinnelsen har som særtrekk at den videre omfatter: a) utstyr for frekvensomforming av de elektriske signaler fra deres opprinnelige frekvensområde til et bånd med basis i

0-frekvens,

b) utstyr for å frembringe en faseforskyvning på n/2 radianer av minst ett av de elektriske signaler, og c) utstyr for å multiplisere de elektriske signaler med hverandre i innbyrdes fase-kvadratur for derved å

frembringe et utgangssignal for tidsmiddelverdien av den vibrasjonseffekt som forplanter seg gjennom byggverket.

En sådan anordning kan anvendes på en byggeplass for på stedet å bestemme bølgeintensitet i en byggekonstruksjon, idet de utledede måleverdier er direkte tilgjengelig for tolkning uten hjelp fra et eller annet fjerntliggende databehandlingsanlegg og kan utnytttes som bidrag til å redusere skadelige virknin-ger av de vibrasjoner som forplanter seg gjennon byggverket.

Anordningen undersøker intensiteten av effektforplantningen heller enn vibrasjonsamplitude, og er således i stand til å skille mellom standbølgeresonnanser og den faktiske bølge-forplantning.

Fortrinnsvis anvendes signalbehandling i sann tid, da dette er best egnet for bærbare målesystemer.

De signaler som utledes fra vibrasjonsfølerne representerer fortrinnsvis minst to forskjellige rotasjonsakselerasjonssignaler og minst et translasjonsakselerasjonssignal.

Målesignalene behandles fortrinnvis av sum- og differanseforsterkere for å oppnå de ønskede akselerasjonssignaler.

Inngangssignalene til selve intensitetsmåleren kan med fordel undersøkes i par som hensiktsmessig utgjøres av et rotasjons-akselerasjonssignal og et lateralt translasjonsakselerasjonssignal. For hvert par av inngangssignaler til intensitetsmåleren omformes således først de to signaler til et frekvensbånd med 0-frekvensbasis. Derpå faseforskyves et av signalene n/2 radianer samt multipliseres med det annet signal, for å gi et utgangssignal som angir tidsmiddelverdien av effekten.

Frekvensomformingen oppnås fortrinnsvis ved å blande hvert innkommende signal (av frekvens fs) i en modulator med et signal fra en lokal oscillator (av frekvens fQ). De signaler som dannes på denne måte er sum- og differanseprodukter med frekvenser på (fQ + fs) samt (fQ - fs). Lokaloscillatorfre-kvensen velges hensiktsmessig slik at differansefrekvens-leddene faller innenfor passbåndet for et fast filter som modulatorutgangen er koblet til.

Dette arrangement kan hensiktsmessig gjentas for flere inn-gangskanaler som benytter samme oscillatorsignal. Fortrinnsvis er oscillatorsignalets frekvens variabel, og bare et sett faste filtre er da påkrevd for å danne et avstembart system, da avstemningen oppnås ved å variere oscillatorfrekvensen på sådan måte at differanseleddet (fD - fs) alltid faller innenfor vedkommende filters passbånd. De foreliggende konstruk-sjonsproblemer ved tidligere kjente systemer er således i høy grad redusert. I tillegg er den effektive filterbåndbredde uavhengig av inngangssignalets frekvens.

Et mulig problem som foreligger ved dette arrangement er eventuelt nærvær av speilfrekvenser som ville kreve et ytterligere sett inngangsfiltre for å hindre sådanne frekvenser fra å forvrenge signalet til modulatoren. Hvis imidlertid oscilla-torf rekvensen velges lik inngangssignalets frekvens, således at f0 = fs, vil ingen speilfrekvenser bli dannet.

Filtrene er fortrinnsvis lavpassfiltre, og dersom avskjærings-frekvensen er fc, vil målebåndbredden være 2fc. På grunn av de lave frekvenser det her dreier seg om, vil det være mulig å oppnå en steil svekningskurve ved hjelp av en forholdsvis enkel filterkonstruksjon, således at fasetilpasningsproblemene blir mindre, og systemet kan hensiktsmessig utføres likestrøm-koblet.

Modulatoren bør hensiktsmessig utføre en enkel multiplikasjon av de to inngangssignaler, for derved å frembringe bare sum-og differanseproduktene. En modulator som frembringer sum- og differanseprodukter av to inngangsfrekvenser betegnes ofte som en balansert modulator, da ingen av inngangssignalene opptrer på utgangssiden.

Lokaloscillatorens signal er fortrinnsvis sinusformet og fri for alle harmoniske eller andre forstyrrende komponenter.

Modulatorene bør hensiktsmessig ha bred båndbredde, således at faseforskyvninger på grunn av avrullingen ved den høye grensefrekvens er uten betydning ved driftsfrekvensen og minimalt signalgjennomløp foreligger, hvilket vil si at utgangssignalet er lik 0 hvis et hvilket som helst av inngangssignalene antar 0-verdi. Dette sikrer at intet lavfrekvent omformersignal når frem til filtrene, samt god likestrømsstabilitet, således at ingen forskjøvet spenning kan passere gjennom systemet og gi falske avlesninger.

Faseforskyvningen frembringes fortrinnsvis på det lokaloscil-latorsignal som anvendes for en av modulatorene. Faseforskyvning av et frekvensbånd er vanskelig da et nettverk med faseforskyvning på n/2 radianer over et begrenset frekvensbånd krever ytterligere filtrering for å begrense inngangssignal-enes frekvensområde. Hvis imidlertid faseforskyvningen påtrykkes det lokale oscillatorsignal, vil imidlertid fasefor-skyvningsnettverket bare arbeide ved de fastlagte oscillator-frekvenser og ikke kreve noen filtrering. Faseforskyvningen av oscillatorsignalet blir da overført til modulatorprodukt-ene, og systemet kan således utføres med et minimalt antall frekvensavhengige komponenter. Faseforskyningen oppnås fortrinnsvis ved oppdeling av signalet fra en vanlig oscillator i to utgangssignaler i innbyrdes fasekvadratur.

Siden målesystemets 0-frekvensbasis gir en konstant målebåndbredde som er frekvensuavhengig, er det fordelaktig at oscil-latorens avstemning har god frekvensoppløsning, fortrinnsvis med lineær frekvensskala.

Lokaloscillatorens driftsfunksjon er kritisk. Fortrinnsvis bør oscillatorenheten være avstembar over det ønskede frekvensområde med fininnstillbar frekvensoppløsning. Faseforsjellen mellom utgangssignalene bør fortrinnsvis være 90° over det påkrevde frekvensområde, og fortrinnsvis innenfor ±0,1°, mens amplitudeverdiene for begge utganger bør være hovedsakelig konstant.

Filtrene fjerner sum-leddene fra modulatorutgangene og har en regulerende innflytelse på måleanordningens driftsfunksjon, hvor den mest kritiske parameter er den relative fasetilpasning mellom kanalene. Avskjæringsfrekvensene for disse filtre fastlegger målebåndbredden for hele systemet. En verdi på omkring 10 Hz er funnet å være tilfredsstillende.

Begrensningen av frekvensområdet for fasetoleransen (omkring 0,1°) opp til punktet for -20 dB svekning er tilstrekkelig, da virkningen av økende faseforskjell mellom kanalene utover dette punkt ikke er av betydning på grunn av den kraftige svekning av signalene.

Utstyret for å multiplisere de to utgangssignaler med hverandre for å frembringe et utgangssignal for tidsmiddelverdien av den målte effekt, omfatter fortrinnsvis en multiplikator/- middelverdi-enhet. Da det her bare dreier seg om meget lave frekvenser, er den dårlige høyfrekvensfunksjon for en sådan innretning ikke av betydning.

For å oppnå tidsmiddelverdien for multipliseringsresultatet er det fordelaktig å anvende et lavpassfilter, for derved å unngå de problemer som foreligger ved sann integrasjon. Det velges da hensiktsmessig et filter med meget lav avskjærings-frekvens, og hvis filteregenskaper er slike at godtagbare verdier for stigetid og oversving oppnås, samtidig som pulsasjoner på utgangssiden nedsettes til et minimum. Det er ikke nødvendig for filtrene i de to multiplikator/middelverdi-kanaler å være fasetilpasset på noen som helst måte.

Når en anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse benyttes for måling av bølgeforplantningsintensitet i et byggverk, kan målingene utføres som: a. smalbåndsmåling i en dimensjon under anvendelse av

akselerometere med to frihetsgrader,

b. en-dimensjonal endelig differansemåling under anvendelse

av to lineære omformere,

c. to-dimensjonal smalbåndsmåling under anvendelse av akselerometere med tre frihetsgrader, eller d. to-dimensjonal endelig differansemåling under anvendelse

av fire lineære omformere.

Fordringene til en anordning for utførelse av sådanne målinger er at den må gi god basisnøyaktighet, påvirkes i liten grad av forsøkstoleranser, ha almen anvendbarhet og være egnet for å realiseres i form av bærebart elektronisk utstyr med godt dynamikkområde.

Teknikken for å måle en-dimensjonal, smalbåndet effektforplantning ved anvendelse av et akselerometer med to frihetsgrader er basert på det prinsipp at i en avstand fra uregelmessigheter og innflytelsen fra deres avtagende bølgefelter, vil skjærkraft-komponenten og bøyemoment-komponenten av effektforplantningen langs en bjelke være av samme størrelse. Under sådanne forhold vil det således være mulig å beregne tidsmiddelverdien av den totale effektforplantning ut ifra måling av bare en av komponentene. Dette fordrer fortrinnsvis bruk av en eller flere akselerometere som er i stand til å avgi signaler som er proporsjonale med henholdsvis den laterale akselerasjon og rotasjonsakselerasjonen i et punkt på bj eiken.

Fortrinnsvis anvendes en av to egnede vibrasjonsomformertyper, nemlig enten et to-akset akselerometer med to frihetsgrader eller et differensierende akselerometer med samme antall frihetsgrader. Et akselerometer med to frihetsgrader er en innretning som avgir utgangssignaler som er proporsjonale med henholdsvis transversalakselerasjonen og rotasjonsakselerasjonen. Det er mulig å anvende et to-akset akselerometer som et instrument med to frihetsgrader, men ikke alle typer akselerometere med to frihetsgrader er to-akset.

Et to-akset akselerometer med to frihetsgrader består hensiktsmessig av to lineære akselerometere montert på tilstøtende sider av en blokk, som fortrinnsvis er utført i et lett, stivt metallmaterial samt er stivt festet til overflaten av vedkommende byggekonstruksjon. Akselerometeret på oversiden av blokken gir da direkte det laterale akselera-sjonssignal, mens akselerometeret som er montert på blokkens sideflate gir et utgangssignal som er proporsjonalt med rotasjonsverdien i festepunktet. I tillegg til disse signaler avgir denne type akselerometer uønskede signalkomponenter på grunn av tverreksiteringen av de lineære akselerometere.

Et annet akselerometer-arrangement med to frihetsgrader er ment å nedsette virkningene av de lineære akselerometeres tverrfølsomhet, skjønt dette kan hende må oppnås på bekostning av en omfangsrik fysisk konstruksjon. Dette arrangement omfatter fortrinnsvis to lineære akselerometere tilsluttet ytterendene av et stivt T-formet vektarmsystem. Fortrinnsvis er basis for T-formen stivt forbundet med en bjelkelignende konstruksjon, mens T-formens armer er parallelle med bjelke-aksen. De nødvendige lateral- og rotasjonssignaler oppnås ved summering og subtraksjon av de to utgangssignaler. Tverr-følsomhetsleddene for de to akselerometere som eksiteres av rotasjonsbevegelsenes transversalkomponent er uten betydning innenfor de frekvensområder som er av interesse.

Til forskjell fra forholdene ved den to-aksede akselerometer-utførelse kan ikke faseforskjeller som skriver seg fra kvadratur-funksjonen og fasefeil som skriver seg fra akselerometerne og de tilordnede signalformende kanaler, betraktes som like-verdige. I det to-aksede system kan disse to typer fasefeil ganske enkelt adderes før deres virkning tas i betraktning. Ved den differensierende akselerometerutførelse må imidlertid disse fasefeil betraktes hver for seg.

Målinger utført ved hjelp av akselerometere med to frihetsgrader kan ganske lett utnyttes elektronisk. Hvis to-aksede akselerometere anvendes, vil dynamikkområdet være ganske dårlig på grunn av tverrfølsomhetsproblemer og derfor de ikke egnet for bruk i de fleste anvendelser. Hvis imidlertid differensierende akselerometere anvendes kan et godtagbart dynamikkområde oppnås, skjønt den mekaniske konstruksjon må utføres omsorgsfullt for å unngå resonnanser som kan føre til faseforskyvninger.

Ved utnyttelse av lineære omformere benyttes fortrinnsvis enkle endelige differansetilnærmelser ved formulering av en målemetode med to frihetsgrader, da denne metode viser at de påkrevde signaler kan oppnås ved anvendelse av endelige differansetilnærmelser for avgitte signaler fra to lineære akselerometere som er plassert i liten avstand fra hverandre. Et tiltrekkende trekk er at også andre omformertyper, f.eks. av den art som gir signaler som er proporsjonale med lateral hastighet eller forskyvning, med letthet kan utnyttes. De målefeil som innføres ved den endelige differansetilnærmelse kan bekvemt fjernes ved å bruke utledede korreksjoner. Apparaturens adferd tilsvarer da den som foreligger ved to frihetsgrader, bortsett fra dynamikkområdet, som bestemmes av to mulige feilkilder, nemlig omformerens fasefeil og fasefeil-ene i kvadraturfunksjonen. Da sum- og differanseberegningene i høy grad nedsetter den kvadratiske fasefeil, kan et godt dynamikkområde oppnås så sant forholdsvis store verdier av omformeravstand benyttes. Dette bidrar også til å nedsette falske signalreaksjoner på grunn av den dominerende instrumen-terings relative kanaltoleranse. Dette er den mest alminnelig anvendte måleteknikk ved en-dimensjonal effektforplantning, skjønt man må utvise omsorg for å holde de relative fasefeil på et lavt nivå, særlig i omformerne.

Anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan også anvendes for to-dimensjonale smalbåndede intensitetsmålinger i forbindelse med plane bølger, fortrinnsvis på grunnlag av bruk av et akselerometer med tre frihetsgrader. Sådanne akselerometere avgir signaler som er proporsjonale med såvel lateral-akselerasjon som rotasjonsakselerasjon i to retninger vinkel-rett på hverandre og gir således en måling av den totale intensitet i et visst punkt på et byggverk. Dette er analogt med nevnte en-dimensjonale målemetode som utnytter akselerometere med to frihetsgrader.

Anvendelse av enkle endelige differansetilnærmelser ved utnyttelse av akselerometere med tre frihetsgrader gir en teknikk som går ut på å benytte en følergruppe bestående av fire lineære akselerometere. Hensiktsmessige uttrykk kan også utledes for å utføre to-dimensjonale målinger ved hjelp av hastighets- eller forskyvningsomformere, men en nøyaktig korreksjon for de endelige differansetilnærmelser kan da ikke oppnås, da feilene varierer med den innfallende bølgeretning. Dette medfører imidlertid ingen problemer, da en tilnærmet korreksjon kan utføres med en nøyaktighet innenfor praktiske målefeil. Sådanne målinger er derfor mest anvendbare ved to-dimensjonal effektforplantning.

I foreliggende anordning for måling av bølgeintensitet i byggverk benyttes fortrinnsvis omformere for utledning av endelig signaldifferanse, da disse er funnet å gi de beste resultater. Ved målinger i en eller to dimensjoner oppnås da mange potensielle fordeler, slik som f.eks.: i. godt dynamikkområde, og dette er den viktigste egenskap ved enhver intensitetsmåleteknikk. Når denne anordning anvendes i sum/differanse-form gir den aller best

dynamikkområde,

ii. tilpassbarhet, da avstanden mellom omformerne kan varieres slik at optimale resultater kan oppnås under alle gitte forhold. Omformerne kan også lett ombyttes innbyrdes, således at en vurdering av deres bidrag til

målefeil kan gjøres,

iii. god immunitet overfor instrumenteringstoleranser, idet følsomheten for instrumenteringens forsterkning og omformernes avstandstoleranser samt virkningen av

fasefeil på vandrebølgeresultatene er liten,

iv. anordingen tillater hensiktsmessig valg av omformere, idet enten vanlige akselerometere eller hastighets-eller forskyvningsomformere kan benyttes for hensiktsmessig tilpasning til vedkommende byggverk og det

frekvensområdet som er av interesse,

v. enkelhet i bruk, da bare fire omformere er påkrevd for utførelse av to-dimensjonale målinger, og bare to av disse behøver å benyttes ved en-dimensjonale målinger. Omformerne behøver ikke å festes til vedkommende byggverk i fastlagt innbyrdes avstand, men kan tilsluttes med tilnærmet avstand som kan måles nøyaktig senere, bare med den forutsetning at en linje trukket mellom et av omformerparene forløper i rett vinkel med en linje mellom det annet omformerpar, når det gjelder to-dimensjonale målinger, og vi. anordningens anvendelsesområder kan også utvides, idet de elektroniske kretser også kan utføres for benyttelse av differensierende akselerometere, to-aksede akselerometere samt også tre-aksede sådanne instrumenter. Dessuten er både en-dimensjonale og to-dimensjonale målinger mulig uten modifikasjon eller hyppig omkobling mellom signalbaner.

Den største ulempe ved denne anordning er at den bare er fullt ut anvendbar langt fra avtagende nærfeltbølger som frembringes av uregelmessigheter i det byggverk som undersøkes. Denne begrensning er imidlertid ikke alvorlig, og da moderate feil vanligvis kan tolereres, vil målinger være mulig inntil omtrent 1/10 bølgelengde fra en uregelmessighet.

Signalene fra omformerne ledes fortrinnsvis gjennom sum- og differanseforsterkere for å frembringe signaler i form av lateral- og rotasjonsakselerasjonssignaler for tilførsel til det elektroniske intensitetsmålesystem. Fortrinnsvis bør hver forsterkerenhet kunne kobles om med hensyn til sin arbeids-funksjon og ha variabel forsterkning som kan innstilles i trinn. Enhetenes forterkning innstilles hensiktsmessig slik at intensitetsmålekretsene tilføres størst mulig signal uten at disse kretser overbelastes.

Fortrinnsvis er det anordnet organer for å måle toppsignalnivåene på modulatorenes inngangside, for derved raskt å kunne innstille sum/differanseforsterkernes forsterknings-nivå. Da ballistiske forhold ved spoleinstrumenter kan gi problemer, anvendes fortrinnsvis et toppnivåinstrument med lysdioder (LED). Påfølgende LED-dioder er da anordnet for å lyse etter hvert som inngangsspenningen stiger, selv ved tilfeldige signaler.

Det er fordelaktig å begrense målebåndbredden, da det i praktiske byggverk sannsynligvis vil være betydelig effektforplantning ved visse frekvenser, men hovedsakelig stand-bølgebevegelse ved andre frekvenser. Målebåndbredden reduseres derfor fortrinnsvis til å begrense inngangssignalet til et lite frekvensbånd av interesse, hvorved også problemet med dynamikkområdet reduseres, idet uønskede standbølge-signaler filtreres ut.

Eventuelt kan den utledede tidsmiddelverdi av effekten multipliseres med en korreksjonsfaktor for å utligne systematiske feil på grunn av omformernes plassering.

Fortrinnsvis festes hver omformer separat og direkte på vedkommende byggverk, og når det gjelder to-aksede, tre-aksede eller lignende omformere festes hver omformerenhet direkte.

Fortrinnsvis anvendes måleanordningen på et byggverk under normale driftsforhold og det er da ikke nødvendig å påføre byggverket et signal. Under visse forhold kan det imidlertid være ønskelig å påføre et signal, som således anvendes i stedet.

En særlig fordel ved måleanordningen i henhold til oppfinnelsen er at filterantallet er redusert sammenlignet med et hvilket som helst tidligere kjent målesystem av denne art, således at tilpasningsproblemene reduseres.

For en mer fullstendig forståelse av anordningen i henhold til foreliggende oppfinnelse vil nå et eksempel på en utførelse av denne bli nærmere beskrevet under henvisning til de vedføyde tegninger, på hvilke: Fig. 1 er et blokkskjema som viser den grunnleggende virke-måte for tidligere kjente målesystemer for måling av

vandrende vibrasjonseffekt,

fig. 2 er et blokkskjerna som viser den grunnleggende virke-måte for en anordning i henhold til oppfinnelsen, for

måling av bølgeintensitet på et byggverk,

fig. 3 er et blokkskjema som viser måleanordningen i fig. 2

samt vibrasjonsfølere anordnet for å utføre intensitetsmålinger på et byggverk, og

fig. 4 er et blokkskjema over en bølgeintensitetsmåler av

den art som er angitt i fig. 3.

Fig. 1 og 2 anskueliggjør hovedforskjellene mellom tidligere kjente målesystemer og det foreliggende målesystem i henhold til oppfinnelsen. I de tidligere kjente systemer som er vist i fig. 1, utgjøres inngangssignalene 1 og 2 av elektriske signaler som representerer to forskjellige akselerasjonsmodi målt på overflaten av et byggverk under utprøvning, samt føres gjennom et båndpassfilter 3 som enten kan være en omkoblingsbar filterrekke eller avstembare båndpassfiltre. Inngangssignalet 1 filtreres av båndpassfilteret 3 til å danne et utgangssignal 4 som integreres av en integrator 5 og derpå overføres til en multiplikator 7, hvor signalet multipliseres med det filtrerte utgangssignal 6 fra den annen inngang 2. Utgangssignalet 8 fra multiplikatoren føres gjennom en tidsmiddelverdienhet 9, som avgir et utgangssignal 10 som tilsvarer tidsmiddelverdien av den målte effekt.

Arbeidsfunksjonen for målesystemet i henhold til oppfinnelsen vil fremgå av fig. 2. Inngangssignalene 1 og 2 multipliseres hver for seg i multiplikatorer 11 og 12 med rent sinusformede signaler 13 og 14 som avgis fra en oscillator 15 med variabel frekvens. Signalet 13 faseforskyves 90° i forhold til signalet 14 ved hjelp av en faseforskyver 16. De to multi-plikatorutgangssignaler 17 og 18 føres gjennom hvert sitt lavpassfilter 19 og 20, samt multipliseres med hverandre i en multiplikator 21 og gjøres til gjenstand for tidsmiddelverdi-bestemmelse i en middelverdienhet 22, som på sin utgangsside avgir et utgangssignal 23 i samsvar med tidsmiddelverdien av den målte effekt.

En sammenstilling av bølgeintensitetsmåleren med vibrasjons-avfølere/omformere og måleforsterkere for to-dimensjonale målinger er vist i fig. 3. Fire akselerometere 24, 25, 26, 27 er anordnet på overflaten av et byggverk og på sådan måte at den rette linje mellom akselerometerne 24 og 26 er perpendiku-lær på en lignende linje mellom akselerometerne 25 og 27. Den ladning som frembringes av hvert akselerometer omformes til et spenningssignal ved hjelp av ladningsforsterkere 28, 29, 3 0 og 31. Disse signaler forsterkes ytterligere ved hjelp av likestrømskoblede spenningsforsterkere 32, 33, 34 og 35. De forsterkede signaler føres så gjennom sum/differanse-forsterkere 36, 37, 38, 39, 40 for å danne to rotasjonsakselerasjonssignaler 41 (rotasjon 1) og 42 (rotasjon 2) samt et lateralt translasjonsakselerasjonssignal 43 (translasjon). Signalene 41, 42, 43 overføres så til inngangssiden av en intensitets-måler 44 for ved signalbehandling å frembringe tidsmiddel-verdier av den målte effekt.

Det skal nå henvises til fig. 4, hvor oppbygningen av selve bølgeintensitetsmåleren 4 er vist. En toppnivåindikator 45 anvendes for selektivt å måle toppnivåene av inngangssignalene 41, 42, 43, således at overbelastning av måleren unngås. Signalene 41, 42, 43 føres gjennom lineære modulatorer 46, 47, 48 i en modulatorenhet 49, hvor disse signaler multipliseres med spektralrene sinussignaler 50, 51 fra en lokal oscillator-enhet 52. Signalene 50 og 51 avgis fra en variabel oscilla-torkrets 53, idet signalet 51 forsinkes med jt/2 radianer i en faseforskyver 54. Sinussignalet 50 overføres til transla-sjonssignalmodulatoren 42, mens sinussignalet 51, som er faseforskjøvet med n/2, overføres til rotasjonssignalmodu-latorene 46, 48.

Utgangssignalene fra modulatorene 46, 47, 48 overføres gjennom forsterkere 55, 56, 57, som befinner seg i modulatorenheten 49 og har forsterkninger på 0,1, for derved å begrense det påkrevde spenningsutsving på utgangssiden. Utgangssignalene 58, 59, 60 fra modulatorenheten 49 avgis til en filterenhet 61. Hvert av signalene 58, 59, 60 føres gjennom et tilordnet lavpassfilter 62, 63, 64, som fjerner sum-leddene fra signalene 58, 59, 60 og således bare etterlater differanse-leddene. Utgangsignalene fra filtrene 62, 63, 64 forsterkes så av forsterkere 65, 66, 67, som hver har en forsterkning på 4. Utgangssignalene 68, 69, 70 fra filterenheten 61 overføres til en multiplikator/middelverdi-enhet 71, hvor signalene 68 og 69 multipliseres sammen i en analog multiplikator 72, mens signalene 69 og 7 0 på lignende måte multipliseres med hverandre i en multiplikator 73.

Utgangssignalene fra multiplikatorene 72 og 73 føres gjennom forsterkere 74 og 75, som hver har en forsterkning på 0,1, for derved å avgi utgangssignaler 76, 77. Likestrømskomponentene i signalene 76, 77 er proporsjonale med tidsmiddelverdien av effektforplantningen. Den tidsvarierende komponent fjernes ved å føre signalene 7 6 og 77 gjennom meget skarpt avskjærende lavpassfiltre 78 og 79 for meget lave frekvenser. De filtrerte signaler på utgangene 80, 81 forsterkes av forsterkere 82, 83 og anvises derpå digitalt på anvisningsskjermer 84, 85. Forsterkningen i forsterkerne 82, 83 reguleres til å gi den mest hensiktsmessige anvisning av resultatene.

En uregulert lavspenningskilde 86 matet fra vekselstrømsnettet 87 gjennom en likeretterkrets 88 anvendes som effektforskyv-ning til alle enheter. For et målesystem for måling av bølgeintensitet på byggverk og av den art som er vist i fig. 4 kan systemligningene utledes på følgende måte.

For vanlige en-dimensjonale målinger av en vandrebølge langs en jevntykk bjelke, og med vinkelfrekvens ws, vil lateral-forskyvningen være: hvor A er amplitudekoeffisienten, k er bølgetallet og x og t er funksjoner av henholdsvis avstand og tid. Lateral- og rotasjonsakselerasjon oppnådd ved sum- og differanseberegning vil da være:

hvor V2a©r signalet på translasjonsinngangen 43 til målesystemet 44 og V^A er signalet på rotasjonsinngangen 41. Ligningene for V3A, nemlig for signalet på rotasjonsinngangen 42, er da de samme som for V]_A og gjentas derfor ikke. Det konstante faseledd kx i ligningene (2) og (3) kan utelates da de er de samme for begge signaler.

Utgangssignalene 58 (ViB) og 59 (V2b) fra modulatorenheten 49 er gitt ved ligningene:

Vqi og Vq2 er signalene på lokaloscillatorens 52 "referanse"-og "kvadratur"-utganger, henholdsvis 50 og 51, som begge har en toppamplitude på 5 volt og en vinkelfrekvens wQ som ligger nær, men ikke er lik ws.

Utgangssignalene 58, 59 overføres til filterenheten 61. Da wQ er tilnærmet lik ws, vil frekvensforskjellen mellom de to produkter i hver signalbane ikke være stor. Utgangssignalene fra filterenhetene vil derfor få sum-leddene utfiltrert og vil bare inneholde differanse-leddene, nemlig:

De filtrerte signaler ViC og V2C multipliseres nå med hverandre i multiplikatoren 72 og skaleres med en faktor på 0,1 i forsterkeren 74 for å gi VxK (76) » hvor:

Signalet Vxa filtreres så av filteret 78 for å fjerne den tidsvarierende del og gi et utgangssignal VXb (80) hvor:

Dette forsterkes av forsterkeren 82 for å gi et utgangssignal VXC nvor:

Absoluttverdien av effektforplantningen, skalert av de fysiske parametere for byggverket under utprøvning samt av frekvensen, er da gitt ved:

hvor < p > er tidsmiddelverdien av den totale effektforplantning, Mfc er massen pr. lengdeenhet for vedkommende bjelke, E er Youngs modul, I er motstandsmomentet for bjelkens tverrsnitt og (q) angir en kvadraturfunksjon.

Det angitte resultat på skjermen 84 er da gitt ved:

Målesystemet i henhold til oppfinnelsen for måling av bølge-intensitet på byggverk er lett å bruke og har god nøyaktighet. Det kan anvendes for å opprette intensitetskart og ut ifra tallrike målinger på overflaten av et byggverk er verdien av å oppnå frekvensselektive resultater blitt fastlagt.

Selv en liten forandring i målefrekvens kan oppvise betrakte-lig forskjellige mønstere for effektforplantning i vedkommende byggverk, og vesentlige forskjeller i driftsadferd kan påvises for tilsynelatende identiske byggekonstruksjoner. Det er tidligere blitt klart vist at bredbåndsdata er av begrenset verdi, da det med sådanne foreligger manglende korrelasjon med veldefinerte effektforplantningsmønstre.

Foreliggende måleanordning har således mange fordeler fremfor tidligere kjente systemer, hvorav de viktigste er følgende: a. filtrene er fast i frekvens for alle inngangsfrekvenser,

således at avstembare filtre eller omkoblingsbare

filtergrupper kan unngås,

b. tilpasningsproblemene er i høy grad redusert, og c. systemet kan lett avstemmes ved ganske enkelt å variere

oscillatorfrekvensen.

I tillegg kan målesystemet utføres som et lett bærbart instrument for bruk på målestedet.

Noen av systemets arbeidsfunksjoner kan erstattes av digitale kretser, f.eks. de angitte filtre og den lokale oscillator-enhet. Ikke-resonnante omformere kan anvendes for derved å bidra til å nedsette omformernes fasefeil. Strekkmålere er en mulighet for anvendelse, og i fremtiden kan eventuelt også Dopplerhastighetsomformere av lasertype samt optiske intensi-tetforskyvningsomformere anvendes.

Ved passende valg av omformere, kan effekten i forplantende torsjonsvibrasjoner, trykkvibrasjoner samt akustisk intensitet måles ved hjelp av foreliggende anordning.

Claims (11)

1. Anordning for måling av vibrasjoner i byggverk, og som omfatter vibrasjonsfølere innrettet for å avføle vibrasjonsakselerasjoner på byggverkets overflate samt å frembringe minst to elektriske signaler som representerer hver sin innbyrdes forskjellige vibrasjonsakselerasjon, karakterisert ved at anordningen videre omfatter: a) utstyr (15, 19, 20) for frekvensomforming av de elektriske signaler fra deres opprinnelige frekvensområde til et bånd med basis i 0-frekvens, b) utstyr (16) for å frembringe en faseforskyvning på n/2 radianer av minst ett av de elektriske signaler, og c) utstyr (21) for å multiplisere de elektriske signaler med hverandre i innbyrdes fase-kvadratur for derved å frembringe et utgangssignal for tidsmiddelverdien av den vibrasjonseffekt som forplanter seg gjennom byggverket.

2. Måleanordning som angitt i krav 1, karakterisert ved at den videre omfatter utstyr for å frembringe to forskjellige rotasjonsakselerasjonssignaler (41, 42) og et translasjonsakselerasjonssignal (43) ut ifra signalene fra vibrasjonsfølerne (24-27).

3. Måleanordning som angitt i krav 2, karakterisert ved at nevnte utstyr for å frembringe akselerasjonssignalene (41-43) omfatter sum/differanse-forsterkere (36-40).

4. Måleanordning som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte sum/differanseforsterkere (36-40) er innrettet for parvis behandling av signalene fra vibrasjonsfølerne (24-27).

5. Måleanordning som angitt i krav 1 - 4, karakterisert ved at utstyret for frekvensomforming omfatter en variabel lokaloscillator (15, 53) for å avgi forut valgte frekvenssignaler, en modulator (11, 12, 46-48) for å blande hvert av de elektriske målesignaler med det forut valgte frekvenssignal, samt filterorganer (19, 20, 62-64) for å filtrere ut sum-produktene av modulatorblandingen.

6. Måleanordning som angitt i krav 5, karakterisert ved at nevnte filterorganer (19, 20, 62-64) omfatter lavpassfiltre med en avskjærings-frekvens på 10 Hz.

7. Måleanordning som angitt i krav 1 - 6, karakterisert ved at den videre omfatter modulatorer (11, 12, 46-48) for tilførsel av hvert sitt av de elektriske målesignaler (1, 2, 41-43) samt av forut valgte frekvensutgangssignaler (13, 14, 50, 51) i innbyrdes fase-kvadratur for derved å frembringe de påkrevde elektriske signalprodukter i fasekvadratur.

8. Måleanordning som angitt i krav 1 - 7, karakterisert ved at nevnte sum/differanseforsterkere (36-40), for å oppnå de tilsiktede akselerasjons-verdier, er innrettet for utnyttelse av endelige differansetilnærmelser ved behandling av de elektriske målesignaler.

9. Måleanordning som angitt i krav 8, karakterisert ved at sum- og differanse-forsterkerne (36-39) som utgangssignalene fra omformerne (24-27) tilføres, har trinnvis innstillbar forsterkningsregu-lering.

10. Måleanordning som angitt i krav 9, karakterisert ved at den omfatter organer (45) for å måle toppsignalnivåene for de elektriske målesignaler som tilføres inngangssiden av modulatorene (46-48), således at forsterkningen i sum- og differanse-forsterkerne (36-40) kan innstilles til maksimalverdi i forhold til en forut fastlagt overbelastningstilstand.

11. Måleanordning som angitt i krav 1-10, karakterisert ved at den omfatter fire akselerometere som tjener som vibrasjonsfølere (24-27) for påføring i innbyrdes avstand og i korsmønster på vedkommende byggverks overflate.