DE19749907C1

DE19749907C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen

Info

Publication number: DE19749907C1
Application number: DE1997149907
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Wichmann; Martin Laube; Manfred Teutsch; Horst Falkner
Original assignee: Suspa Spannbeton GmbH
Current assignee: Suspa Spannbeton GmbH
Priority date: 1997-11-11
Filing date: 1997-11-11
Publication date: 1999-10-14
Anticipated expiration: 2017-11-12
Also published as: WO1999024803A1; AU1868399A; EP1047924A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, wobei zumindest in einem bestimmten Punkt der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Elements die magnetische Feldstärke H bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B und/oder der magnetische Fluß B bei einem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H und/oder die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B oder die magnetische Feldstärke H direkt oder indirekt erfaßt wird, wobei für das Material und/oder den Typ des ferromagnetischen Elements ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, in dem für den zumindest einen Punkt die Spannungsabhängigkeit der erfaßten Größe bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B oder die magnetische Feldstärke H ermittelt wird und wobei der Wert der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung durch einen Vergleich des Werts der erfaßten Größe und der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ermittelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, welche sich insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbe sondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen.

Im Bauwesen ist der mangelnde Erhaltungszustand bzw. die mangelhafte In spektionsmöglichkeit von Spann-, Zug- oder Druckgliedern eine häufige Scha densursache. Ausschlaggebend für die Sicherheitsbewertung vorgespannter Be tonkonstruktionen bzw. rückverankerter Systeme ist neben dem Zustand der Spannglieder im Wesentlichen die tatsächliche Größe der Spannstahlkräfte. Auch bei der Montage von Spanngliedern bzw. bei der Beaufschlagung von Ankern mit einer Last ist es häufig wünschenswert, die tatsächliche Größe der auf das einzelne Spannglied bzw. das einzelne Druck- oder Zugglied wirkenden Kräfte zu kennen. Insbesondere beim Abspannen eines Bauwerks mittels mehrerer Zugglieder stellt sich häufig die Aufgabe, die Spannkräfte in vorgegebener Weise auf die einzelnen Zugglieder bzw. Spannglieder aufzuteilen. Bisher ließen sich Spannkräfte nur mit aufwendigen, relativ teuren und schwer montierbaren Mess aufnehmern messen. Hierzu fanden insbesondere Kraftmessdosen Verwendung, wobei das zu vermessende Spannglied bzw. Zug- oder Druckglied von seiner Verankerung gelöst werden musste und zwischen der Verankerung und dem betreffenden Ende des Spannglieds bzw. Zug- oder Druckglieds die Kraftmess dose zu montieren war. Dies ist jedoch mit einem derart hohen Aufwand verbun den, dass solche Messungen nur dann vorgenommen wurden, wenn diese wirk lich zwingend erforderlich waren.

Zudem konnten derartige Messaufnehmer bzw. damit verwendete Messverfahren aufgrund externer Einflüsse, wie z. B. Feuchtigkeit oder Stoßbelastung, häufig keine ausreichende Langzeitstabilität der Messergebnisse bieten.

Aus der DE 27 16 649 A1 ist ein Verfahren zur Messung der an einem ferroma gnetischen Körper aufgewandten Axialbelastung sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung bekannt, wobei als Messanord nung eine Erregerspule und eine Empfängerspule und ein mit der Empfänger spule gekoppeltes Messgerät verwendet wird. Die Erregerspule wird vorzugswei se mit einem Strom beaufschlagt, der eine geringe oszillierende Komponente und einen hohen Gleichanteil aufweist. Die in der Empfängerspule induzierte, gemes sene Spannung wird als Maß für die Spannung in dem zu erfassenden Körper ausgewertet. Dabei wird die gemessene Spannung mit einer in einem vorher durchgeführten Eichvorgang ermittelten magnetoelastischen Charakteristik ver glichen und so die mechanische Spannung in dem Körper ermittelt.

Nachteilig bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist jedoch die relativ geringe Genauigkeit, so dass dieses Verfahren in der Praxis keine Bedeutung erlangen konnte.

Ein Verfahren mit verbesserter Genauigkeit, das ebenfalls den magnetoelasti schen Effekt ausnützt, ist aus der US 3,636,437 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die dritte harmonische Oberwelle der in der Messwicklung induzierten Spannung ausgewertet, da festgestellt wurde, dass die Amplitude dieser Ober welle zur Spannung im zu erfassenden Körper linear ist. Als weiterer Vorteil wird die bessere Empfindlichkeit gegenüber dem vorgenannten Verfahren ange geben.

Ausgehend von dem erstgenannten, auf dem magnetoelastischen Effekt beruhen den Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferro magnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, zu schaffen, wobei auf einfache und kostengünstige Weise die Spannungen auch in einzelnen ferromagnetischen Elementen eines komplexen bautechnischen Elements mit hoher Messgenauigkeit erfassbar sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung gehen von der Tatsache aus, dass praktisch alle auf dem Gebiet des Bauwesens bisher verwendeten Spannglieder oder Druck- bzw. Zugglieder aus einem ferromagneti schen Material, insbesondere Stahl verschiedener Legierungen, bestehen und nutzen zur Erfassung der Zug- bzw. Druckbelastung eines derartigen Elements den magnetoelastischen Effekt solch ferromagnetischer Materialien.

Erfindungsgemäß wird für jedes bestimmte Material und/oder den Typ eines zu überwachenden bzw. zu vermessenden ferromagnetischen Elements ein Kali briervorgang durchgeführt, in dem in einem oder mehreren Punkten der Magneti sierungskurve zumindest zwei Werte für eine oder mehrere der folgenden Erfas sungsgrößen direkt oder indirekt erfasst werden:

a) Die magnetische Feldstärke H bei dem vorbestimmten Wert für den ma gnetischen Fluss B in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve;
b) Der magnetische Fluss B bei dem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve,
c) Die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H in dem je weiligen Punkt der Magnetisierungskurve;

Die Spannungsabhängigkeit dieser Größen kann dann in diskreter Form abge speichert werden. Selbstverständlich können die Messpunkte der Kalibrierabhän gigkeit(en) auch durch eine analytische Funktion angenähert und die Parameter der Funktion sowie die Funktion selbst für spätere Auswertungen gespeichert werden.

Im eigentlichen Messvorgang wird dann die Werte für die betreffenden Erfas sungsgrößen bei dem jeweiligen vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss oder die magnetische Feldstärke direkt oder indirekt erfasst und aus den erfassten Werten und der oder den im Kalibriervorgang bestimmten Spannungsabhängig keit der Erfassungsgröße(n) (Kalibrierabhängigkeit(en)) die jeweiligen Weite der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Ände rung bezogen auf einen Ausgangswert bestimmt. Der endgültige Wert für die Zug- oder Druckspannung oder deren Änderung wird dann durch Mitteln der wenigstens zwei Einzelwerte berechnet.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für den eigentlichen Messvorgang keiner lei Montage des ferromagnetischen Elements für das Übertragen der auf das Element wirkenden Kräfte auf einen mechanischen Messaufnehmer erforderlich ist. Es ist lediglich erforderlich, mittels eines geeigneten Sensors die magneti schen Eigenschaften des belasteten ferromagnetischen Elements zu ermitteln, um hieraus Rückschlüsse auf die Größe der Belastung zu ziehen.

Das Erfassen der gewünschten Größe bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss oder die Feldstärke kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass die ge samte Magnetisierungskurve (bzw. entsprechende elektrische Größen) gemessen und in gewünschter Weise ausgeweitet wird.

Erfindungsgemäß wird die Genauigkeit des Messverfahrens dadurch gesteigert, dass zumindest zwei Größen (die selben Größen für unterschiedliche vorbe stimmte Werte des Flusses oder der Feldstärke und/oder verschiedene Größen für die selben Werte des Flusses oder der Feldstärke) direkt oder indirekt erfasst und aus jedem Wert der erfassten Größe und einer zugeordneten Kalibrierabhängig keit jeweils ein Weit für die Zug- oder Druckspannung im ferromagnetischen Element ermittelt werden. Zum Erhalt des Endergebnisses der Auswertung mit verbesserter Genauigkeit werden die so ermittelten einzelnen Belastungswerte gemittelt.

Als Punkte der Magnetisierungskurve eignen sich im Sinne einer möglichst ein fachen Auswertung insbesondere die Schnittpunkte der Magnetisierungspunkte mit den Achsen. Die Schnittpunkte der Magnetisierungskurve mit der Ordinate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch eine magnetische Feldstärke gleich Null (H = 0) und den Wert B_R für den ma gnetischen Fluss, der allgemein als Remanenz bezeichnet wird. Die Schnitt punkte der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke H aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch einen magnetischen Fluss gleich Null (B = 0) und den Wert H_C, welcher allgemein als Koerzitivfeld stärke bezeichnet wird.

Diese Punkte bieten den Vorteil, dass die jeweils nicht-erfasste magnetische Größe gleich Null ist und somit eine einfache Auswertung gewährleistet werden kann.

Als weitere, von der mechanischen Spannung abhängige Größen können auf einfache Weise die Permeabilität µ_r und der maximale magnetische Fluss B_S ausgewertet werden. Dabei entspricht die Permeabilität µ_r der Steigung der Ma gnetisierungskurve im Schnittpunkt mit der Abszisse (d. h. im Punkt der Koerzi tivfeldstärke H_C) und der maximale magnetische Fluss B_S dem Wert des magne tischen Flusses, der bei der maximal erzeugten Feldstärke (bei der durchgeführ ten Messung) erreicht wird.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle vier der vorgenannten Kenngrößen der Magnetisierungskurve erfasst und hieraus unter Verwendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element er mittelt. Diese vier Werte werden zum Erhalt eines möglichst exakten Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt.

Die Erfassung wenigstens zweier unterschiedlicher Größen der Magnetisierungs kurve bietet den Vorteil, dass ggf. auftretende Mehrdeutigkeiten in einer Kali brierabhängigkeit durch das Ausnutzen der Information der jeweils anderen er fassten magnetischen Größe bzw. der jeweils anderen Kalibrierabhängigkeit ausgeschaltet werden können. Die zwei verschiedenen zu erfassenden magneti schen Größen können ggf. ein und denselben Punkt der Magnetisierungskurve kennzeichnen, wobei jedoch die Verlagerung dieses Punkts bei einer Änderung der mechanischen Spannung bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss bzw. die Feldstärke beobachtet wird. Darüber hinaus kann zusätzlich die Veränderung der Steigung der Tangente in diesem Punkt bei einer Spannungsänderung beob achtet werden.

Selbstverständlich können die Größen jedoch auch in unterschiedlichen Punkten der Magnetisierungskurve erfasst werden.

Um Messfehler ausschließen zu können, kann bei drei oder mehreren erfassten magnetischen Größen der Magnetisierungskurve jeweils in Verbindung mit einer zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ein einzelner Wert für die im ferromagneti schen Element vorhandenen Zug- oder Druckspannungen ermittelt werden. Falls eine unzulässig hohe Abweichung eines Werts von den verbleibenden übrigen Werten oder vom Durchschnitt sämtlicher Werte festgestellt wird, kann der be treffende einzelne Wert bei der Mittelwertbildung außer Betracht bleiben. Hier durch lassen sich Messfehler bzw. deren Auswirkungen auf das Endergebnis ausschließen.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zudem die Temperatur des zu erfassenden ferromagnetischen Elements bestimmt und unter Verwendung einer Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vorgenommen. Hierzu muss aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur (für die betreffende erfasste ma gnetische Größe) ein Korrekturfaktor ermittelt werden, der den Unterschied zwi schen der bei der Bestimmung der Kalibrierabhängigkeiten für die Spannungsab hängigkeit herrschenden Temperatur und der bei der aktuellen Erfassung der magnetischen Größe herrschenden Temperatur berücksichtigt.

Bei entsprechenden Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich herausgestellt, dass die magnetischen Größen, die Koordinaten be stimmter Punkte der Magnetisierungskurve darstellen, wie die Remanenz, die Maximalinduktion und die Koerzitivfeldstärke, praktisch keine Temperaturab hängigkeit zeigen und lediglich eine Temperaturkompensation bei der Permeabi lität erforderlich ist. Diese lässt sich jedoch auf einfache Weise durchführen, da diese Temperaturabhängigkeit im Wesentlichen linear ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen äußerst einfach herzustellen den und zu verwendenden Sensor, welcher eine auf einen gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule aufweist, wobei das ferromagnetische Element mit dem Kern gekoppelt wird oder diesen darstellt. Insbesondere die letztgenannte Möglichkeit führt zu hochgenauen Messergebnissen, da keinerlei in ihren Eigenschaften kaum erfassbare magnetische Übergangswiderstände zwi schen einem separaten Kern des Sensors und dem zu erfassenden Element die Messgenauigkeit beeinflussen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, welche die in der Induktionsspule induzierte Spannung U_i und/oder die integrierte induzierte Spannung erfasst und welcher zumindest Informationen über die Erregerstrom stärke I_err zugeführt sind. Selbstverständlich kann die Auswerteeinheit auch die Erregerstromstärke direkt erfassen.

Die induzierte Spannung U_i kann dabei zur Ermittlung der Permeabilität µ_r er mittelt werden, wobei die Permeabilität dem Spitzenwert der in der Sekundär spule induzierten Spannung U_iS entspricht.

Der Erregerstrom I_err dient als Maß für die magnetische Feldstärke H und die integrierte induzierte Spannung U_i als Maß für die magnetische Induktion B. Demzufolge entspricht der maximale magnetische Fluss oder die Maximalinduk tion B_S dem Spitzenwert der integrierten induzierten Spannung, die Remanenz B_R dem Wert des magnetischen Flusses B beim Nulldurchgang des Erreger stroms I_err und die Koerzitivfeldstärke H_C dem Wert des Erregerstroms Irr beim Nulldurchgang der integrierten induzierten Spannung.

In der bevorzugten Ausführungsforn der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Stromquelle zur Beaufschlagung der Erregerspule des Sensors als Wechsel stromquelle ausgebildet, welche vorzugsweise einen sinusförmigen Wechsel strom mit vorbestimmter (ggf. einstellbarer) Frequenz und geregelter Amplitude erzeugt. Die Regelung der Amplitude des von der Wechselstromquelle erzeugten sinusförmigen Stroms ist insbesondere bei der Erfassung der Maximalinduktion B_S im Hinblick auf eine ausreichende Messgenauigkeit von Bedeutung. Die Fre quenz des Wechselstroms wird so gewählt, dass die Auswertevorrichtung pro Periode des Wechselstroms noch eine ausreichende Anzahl von Abtastpunkten der auszuwertenden elektrischen Größen aufnehmen kann. In jedem Fall muss die Frequenz so niedrig gewählt werden, dass die Frequenzabhängigkeit der Ma gnetisierungskurve noch keine Rolle spielt. Beispielsweise kann die Frequenz im Bereich von 5 bis 50 Hertz gewählt werden.

In der bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor eine Erregerspule auf, deren Länge größer ist als die Länge der Induktionsspule, wobei sich die Indukti onsspule vollständig innerhalb der Erregerspule befindet. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass praktisch der gesamte Fluss, der durch die Erregerspule erzeugt wird, auch die Induktionsspule durchdringt. Somit ergibt sich eine sehr gute Empfindlichkeit des Sensors.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figu ren näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Magnetisierungskurve für einen ferromagnetischen Stahl;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Messanordnung nach der Erfin dung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen auf einem ferromagnetischen Element angeordneten Sensor nach der Erfindung;

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Messanordnung nach der Erfindung;

Fig. 5 eine Darstellung der gemessenen Kalibrierabhängigkeiten von ma gnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve eines bestimmten Spannstahls als Funktion der Spannstahlspannung;

Fig. 6 eine Darstellung gemessener Abhängigkeiten gemäß Fig. 5 für einen anderen Spannstahltyp und

Fig. 7 eine Darstellung gemessener Temperaturabhängigkeiten verschiedener magnetischer Kenngrößen der Magnetisierungskurve des Spannstahls entsprechend Fig. 5.

Anhand Fig. 1 sei zunächst der von der Erfindung genutzte magnetoelastische Effekt erläutert. Die Magnetisierungskurve I (dargestellt ohne Neukurve) zeigt das Verhalten eines bestimmten Typs Spannstahl, wenn dieser in ein magneti sches Feld gebracht wird und die magnetische Feldstärke zyklisch zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert -H_S bzw. H_S variiert wird. Der magnetische Fluss B weist dann die in Kurve I dargestellte Hysterese B = f(H) auf. Die Magnetisierungskurve wird dabei insbesondere durch folgende magneti sche Kenngrößen charakterisiert: Die Remanenz B_R bezeichnet den Wert des magnetischen Flusses im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Ordi nate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist; die Koerzitivfeldstärke H_C bezeichnet den Wert der magnetischen Feldstärke in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke aufgetragen ist; die Maximalinduktion oder der maximale magnetische Fluss B_S bezeichnet den magnetischen Fluss in den Punkten der dem Betrag nach maxi malen magnetischen Feldstärke H_S; die (relative) Permeabilität µ_r ist gegeben als maximale Steigung der Magnetisierungskurve, welche in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse auftritt.

Während die in Fig. 1 eingezeichnete Magnetisierungskurve I den Zustand des ferromagnetischen Elements im mechanisch unbelasteten Zustand wiederspie gelt, zeigt die Magnetisierungskurve II die Magnetisierungskurve bei einer Zug belastung des ferromagnetischen Elements. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ändern sich sowohl die Hystereseeigenschaften als auch die absoluten Werte des ma gnetischen Flusses sowie die Steigung der Kurve.

Diesen magnetoelastischen Effekt nutzt die Erfindung zur Erfassung der in einem ferromagnetischen Element erzeugten Zug- oder Druckspannungen, wobei das in Fig. 2 dargestellte Messprinzip Anwendung findet. Auf das zu erfassende ferro magnetische Element 1, bei dem es sich beispielsweise um ein Spannglied han deln kann, wie es im Spannbetonbau verwendet wird, oder um ein Zug- oder Druckglied eines Erdankers oder dergleichen, wird eine Erregerspule 3 und eine Induktionsspule 5 aufgebracht. Die Erregerspule 3 wird von einer Stromquelle 7 beaufschlagt, die vorzugsweise einen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt. Der in der Erregerspule erzeugte Erregerstrom I_err wird mittels einer Strommessein richtung 9 gemessen. Die in der Induktionsspule 5 induzierte Spannung U_i wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 11 gemessen. Durch eine Auswertung der induzierten Spannung U_i und eine Auswertung des Erregerstroms I_err lässt sich dann die Magnetisierungskurve für das spezielle ferromagnetische Element erfassen. Hierzu wird die induzierte Spannung U_i integriert, wobei dieses Integral zum magnetischen Fluss B proportional ist. Der Erregerstrom I_err ist proportional zu der magnetischen Feldstärke, so dass aus diesen Größen die Magnetisierungs kurve eindeutig bestimmbar ist. Der Wert der Permeabilität µ_r entspricht der Steigung im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, d. h. im Punkt (B = 0; H = H_C), und ergibt sich damit als Spitzenwert der in der Indukti onsspule gemessenen Spannung U_iS.

Fig. 3 zeigt einen äußerst einfach aufgebauten Sensor, der beispielsweise zur Erfassung der mechanischen Zugspannung eines Spannglieds, wie es im Bauwe sen verwendet wird, eingesetzt werden kann. Der Sensor 13 besitzt einen Spu lenkörper 15 aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise Kunststoff. Der Spulenkörper weist in Umfangsrichtung eine Ausnehmung 17 auf, in welcher die Induktionsspule 5 angeordnet ist. Die Außenseite der Induktionsspule schließt vorzugsweise bündig mit dem übrigen Außenumfang des Spulenkörpers 15 ab. Der Spulenkörper weist an beiden Enden sich nach radial nach außen erstrec kende Wandungen 21 auf, die einen Aufnahmeraum 21 zur Aufnahme der Erre gerspule 3 definieren. Der Außenumfang der Erregerspule 3 schließt vorzugswei se bündig mit den Außenwandungen der Wandungen 21 ab. Der gesamte Sensor ist mit einer Schutzhülle 25 umgeben, die die Erregerspule 3 und die Indukti onsspule vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen, wie Feuch tigkeit, aggressive Substanzen oder dergleichen, schützen.

Der Sensor 13 bzw. der Spulenkörper 15 weist eine axiale Bohrung 27 auf, die zur Aufnahme des zu erfassenden ferromagnetischen Elements, beispielsweise des in Fig. 3 dargestellten Spannstahls, dient.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensor wurde insbesondere dafür Sorge getragen, dass die Induktionsspule kleiner ist als die Erregerspule und vollständig von dieser umschlossen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das von der Erre gerspule erzeugte Magnetfeld die Induktionsspule vollständig durchsetzt und demzufolge eine gute Empfindlichkeit des Sensors erreicht wird. Der Sensor lässt sich durch einfaches Aufschieben auf das ferromagnetische Element montieren. Eine Anpassung des Innendurchmessers der axialen Bohrung 27 des Sensors an den Außendurchmesser des ferromagnetischen Elements 1 ist zwar im Sinne einer mechanischen Befestigung des Sensors von Vorteil, für die Genauigkeit der Messungen jedoch nicht erforderlich.

Der in Fig. 3 dargestellte Sensor 13 kann mit der in Fig. 4 dargestellten Mess elektronik verwendet werden, die das in Fig. 2 dargestellte Prinzip in vorteilhaf ter Weise umsetzt.

Die Messelektronik umfasst die Stromquelle 7, die ihrerseits aus einem Sinusge nerator 29 und einem Spannungs-/Stromwandler 31 besteht. Der Sinusgenerator 29 gibt die von ihm erzeugte sinusförmige Wechselspannung an den Spannungs- /Stromwandler 31 ab, der die Erregerspule des Sensors 13 beaufschlagt.

Wie in Fig. 4 dargestellt, umfasst die Messelektronik des Weiteren Auswerteein heit 33, welche mittels eines Analog-Digital-Wandlers 35 den vom Spannungs- /Stromwandler 31 an die Erregerspule abgegebenen Erregerstrom I_err erfasst und einem ersten Microcontroller 37 zuführt. Dieser kann wiederum im Sinne einer geschlossenen Regelschleife den Spannungs-/Stromwandler 31 und den Sinusge nerator 29 so ansteuern, dass sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des Erregerstroms I_err hochgenau konstant gehalten werden.

Die in der Induktionsspule 5 induzierte Spannung U_i wird ebenfalls von der Auswerteeinheit 33 erfasst. Die induzierte Spannung U_i wird dabei zum einen über einen steuerbaren elektronischen Schalter 39 wahlweise unmittelbar einem Analog-Digital-Wandler 41 zugeführt oder zunächst mittels eines Integrierers 43 integriert und die integrierte Spannung, welche der magnetischen Induktion B proportional ist, über den steuerbaren elektronischen Schalter 39 dem Analog- Digital-Wandler 41 zugeführt. Das digitale Ausgangssignal des Analog-Digital- Wandlers 41 wird einem zweiten Microcontroller 43 zugeführt.

Während der erste Microcontroller 37 im Wesentlichen zur Steuerung und Re gelung der Stromquelle 7 und zur Erfassung des Erregerstroms I_err dient, über nimmt der zweite Microcontroller 43 die Ansteuerung des elektronischen Schal ters 39 und die Abtastung der induzierten Spannung U_i bzw. der integrierten induzierten Spannung. Des Weiteren sind die beiden Microcontroller 37 bzw. 43 miteinander verbunden, wobei der Microcontroller 43 vom Microcontroller 37 den Momentanwert für den Erregerstrom I_err erhält und umgekehrt der Micro controller 37 vom Microcontroller 43 beispielsweise ein Startsignal für den Messbeginn erhalten kann, woraufhin der Microcontroller 37 durch eine entspre chende Ansteuerung der Stromquelle 7 in der Erregerspule 3 den gewünschten Erregerstrom I_err erzeugt. Zur weiteren Auswertung und ggf. graphischen Dar stellung der erfassten Messwerte kann ein übergeordneter Computer (beispiels weise PC) 45 vorgesehen sein, welcher die Messdaten vom Microcontroller 43 erhält und seinerseits die Schnittstelle zwischen dem Bediener und der Mess elektronik darstellt.

Die Auswerteeinheit 33 bzw. der Microcontroller 43 kann gleichzeitig den Wi derstand Ω der Induktionsspule erfassen und hieraus in Verbindung mit einer gespeicherten Eichkurve hieraus die Temperatur des Sensors bzw. der Indukti onswicklung ermitteln. Da diese annähernd die selbe Temperatur wie das um schlossene ferromagnetische Element hat, lässt sich somit ohne zusätzlichen Temperatursensor die Temperatur des ferromagnetischen Elements 1 bestimmen und auf diese Weise kann eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vornehmen.

Fig. 5 zeigt die für einen bestimmten Spannstahltyp (d. h. eine bestimmte Legie rung) ermittelten Kalibrierabhängigkeiten für die magnetischen Kenngrößen der Permeabilität µ_r, Remanenz B_R, Maximalinduktion B_S und Koerzitivfeldstärke H_C. In der Abszisse sind die Änderungen der magnetischen Kenngrößen in Volt aufgetragen, ausgehend vom unbelasteten Zustand.

Grundsätzlich ließe sich bereits aus jeder der vier dargestellten Kalibrierabhän gigkeiten und aus der gemessenen elektrischen Größe (für diesen bestimmten Spannstahltyp) die auf das ferromagnetische Element wirkende Zug- bzw. Druckspannung ermitteln (in Fig. 5 wurden lediglich die Kalibrierabhängigkeiten für Zugspannungen ermittelt).

Zur Steigerung der Messgenauigkeit können jedoch mit der Anordnung gemäß Fig. 4 ohne großen Aufwand sämtliche der magnetischen Kenngrößen ermittelt (bzw. hierzu proportionale elektrische Größen) und hieraus unter Verwendung der betreffenden Eichabhängigkeit jeweils ein Wert für die auf das ferromagneti sche Element wirkende Spannung bestimmt werden. Zur Erhöhung der Messge nauigkeit kann dann eine Mittelung der vier Spannungswerte erfolgen.

Darüber hinaus können unzulässige Abweichungen von ein oder zwei Messer gebnissen durch einen Vergleich mit den übrigen Messergebnissen oder mit dem Mittelwert sämtlicher Messgrößen festgestellt werden und dann die betreffenden Messergebnisse bei der Ermittlung des Endergebnisses durch Mittelwertbildung außer Betracht bleiben.

Fig. 6 zeigt entsprechende Kalibrierabhängigkeiten für einen anderen Spann stahltyp, wobei sich bei drei der vier untersuchten magnetischen Kenngrößen mehrdeutige Kalibrierabhängigkeiten ergeben. Ein derartiges Verhalten tritt ins besondere bei warmvergüteten Stählen auf, die einen wesentlich höheren Silizi umgehalt aufweisen. Dagegen wies der kaltgezogene Stahl, für den die in Fig. 5 dargestellten Kalibrierabhängigkeiten ermittelt wurden, lediglich einen Silizium gehalt von ca. 0,2% auf.

Durch die Auswertung von zumindest zwei magnetischen Kenngrößen, die einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen, kann diese Mehrdeutigkeit jedoch beseitigt werden. Beispielsweise ergibt sich für die Remanenz B_R bei einem Messwert von ca. 0,05 V sowohl eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm² als auch eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 600 N/mm². Wird zusätzlich beispielsweise die (ebenfalls mehrdeutige) Permeabilität erfasst, so wird sich für diese beispielsweise eine elektrische Größe von ca. 0,01 V ergeben, was einer seits einer Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm² und andererseits einer Span nungstahlspannung von ca. 80 N/mm² entsprechen kann. Durch einen Vergleich mit den durch Auswertung der Remanenz ermittelten Spannungswerten ergibt sich somit, dass ausschließlich eine Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm² als korrektes Messergebnis in Frage kommen kann.

Fig. 7 zeigt schließlich den Einfluss der Temperatur auf die untersuchten magne tischen Kenngrößen. Es wird deutlich, dass lediglich die Permeabilität eine nahe zu lineare Temperaturabhängigkeit aufweist, während die Ergebnisse für die übri gen magnetischen Kenngrößen praktische keine Temperaturabhängigkeit zeigen bzw. eine möglicherweise vorhandene Temperaturabhängigkeit so gering ist, dass deren Auswirkung im Rahmen der erreichbaren Messgenauigkeit vernach lässigbar ist.

Für die Messung in der Praxis ist daher lediglich eine Temperaturkompensation der Messergebnisse für die Permeabilität erforderlich. Hierfür kann, wie in Fig. 7 dargestellt, für jeden Typ eines ferromagnetischen Elements eine entsprechende Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden. In Kenntnis der Temperatur, bei der die spannungsabhängigen Kalibrierabhängigkeiten der Fig. 5 und 6 ermittelt wurden sowie der Temperatur des ferromagnetischen Elements, welche bei spielsweise in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt werden kann, kann dann die tatsächlich gemessenen elektrischen Größen um einen Korrekturwert, der sich aus der temperaturabhängigen Kalibrierabhängigkeit ergibt, korrigiert werden. Dieser Wert der elektrischen Größe kann dann in die temperaturabhän gige Kalibrierkurve eingesetzt und somit die Zug- oder Druckspannung ermittelt werden.

Das sehr einfache und mit geringem Aufwand durchzuführende Messverfahren nach der Erfindung ist in der Praxis vielseitig anwendbar. Beispielsweise kann bereits im Werk jedes Zug- oder Druckglied oder Spannglied mit einem entspre chenden Sensor ausgerüstet werden, da diese Zusatzkosten für einen derartigen Sensor (vgl. Fig. 3) relativ gering sind. Messungen der auf das betreffende Ele ment wirkenden Kräfte bzw. Spannungen können sowohl bei der Montage als auch von Zeit zu Zeit zur Überwachung des betreffenden Elements durchgeführt werden.

Das Messverfahren bzw. die Vorrichtung weist eine hohe Langzeitstabilität auf und ist praktisch unabhängig von der Konstruktion des zu überwachenden Ele ments. Beispielsweise sind im Gegensatz zu Dehnungsmessstreifen auch Mes sungen an Litzen und Seilen durchführbar. Für das Aufbringen eines Sensors nach der Erfindung sind keinerlei konstruktive Änderungen an den zu überwa chenden Bauelementen erforderlich. Der beschriebene Sensor ist darüber hinaus elektrisch und mechanisch äußerst stabil und widerstandsfähig gegen Staub, Feuchtigkeit und Stoßbelastungen. Eine Kalibrierabhängigkeit muss lediglich für ein bestimmtes Material eines ferromagnetischen Elements durchgeführt werden, wobei sich bei unterschiedlichen Chargen industriell hergestellter Spannstähle desselben Typs praktisch kaum Abweichungen zeigen, so dass lediglich für einen bestimmten Spannstahltyp eine Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden muss.

Insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Auswertung mehrerer magnetischer Kenngrößen konnte eine Messunsicherheit von ca. +/-20 N/mm² erreicht werden, was einer Messgenauigkeit von ca. 1,5% des Messbe reichsendwertes entspricht.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem fer romagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druck glied für das Bauwesen,

a) bei dem in einem oder mehreren Punkten der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Elements zumindest zwei Werte für eine oder mehrere der folgenden Erfassungsgrößen direkt oder indirekt erfasst werden:
- a) magnetische Feldstärke H bei dem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B in dem jeweiligen Punkt der Magnetisie rungskurve;
- b) magnetischer Fluss B bei dem vorbestimmten Wert für die ma gnetische Feldstärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisie rungskurve,
- c) Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feld stärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve;
b) bei dem für das Material und/oder den Typ des ferromagnetischen Elements ein Kalibiriervorgang durchgeführt wird, in dem die Span nungsabhängigkeit der einen oder mehreren ausgewählten Erfassungs größen bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H zur Verwendung als Kali brierabhängigkeiten ermittelt wird,
c) bei dem durch einen Vergleich jedes der zumindest zwei erfassten Werte mit der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit jeweils ein Wert für die Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung ermittelt wird und
d) bei dem die zumindest zwei ermittelten Zug- oder Druckspan nungswerte oder Änderungen der Zug- oder Druckspannungswerte zum Erhalt des Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemit telt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erfassungsgröße eine der folgenden magnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve ist: Permeabilität, Remanenz, maximaler magneti scher Fluss, Koerzitivfeldstärke.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche der genannten vier magnetischen Kenngrößen erfasst und hieraus unter Ver wendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung ermittelt und zum Erhalt des Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass bei einer mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit die in den an deren Kalibrierabhängigkeiten enthaltene Information zur Auswahl des kor rekten Wertes für die Zug- oder Druckspannung aus den mehreren sich aus der mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit ergebenden Werten verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ermittelten vier Spannungswerte auf eine unzulässig hohe Abweichung von den verbleibenden drei anderen Werten oder dem Durchschnitt aller vier Werte geprüft und für den Fall des Vorliegens einer unzulässig hohen Ab weichung für die Mittelwertbildung unberücksichtigt bleibt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zur Temperaturkompensation eine Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit der zumindest einen erfassten magnetichen Größe, insbesondere die Permeabilität, ermittelt wird, und dass zur Be stimmung des Wertes der Zug- oder Druckspannung der erfasste Wert für die magnetische Größe um einen Betrag korrigiert wird, der sich aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit unter Verwendung der Isttemperatur bei der Erfassung der magnetischen Größe und derjenigen Temperatur ergibt, bei der die Aufnahme der Kalibrierabhängigkeit für die Spannungsabhängigkeit der erfassten magnetischen Größe erfolgt ist.

7. Vorrichtung zur Erfassung von Zug- oder Druckspannungen in einem fer romagnetischen Element, insbesondere einem Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehen den Ansprüche,

a) mit einem Sensor (13) zur Erfassung der Zug- oder Druckspannung, welcher eine auf einem gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule (3) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule (S) umfasst, wobei das ferromagnetische Element (1) mit dem Kern koppelbar ist oder diesen darstellt,
b) mit einer die Erregerspule (3) mit einem Erregerstrom (I_err) beauf schlagenden Stromquelle (7) und
c) mit einer Auswerteeinheit (33), welche die in der Induktionsspule (5) induzierte Spannung (U_i) und/oder die integrierte induziere Spannung erfasst und welcher Informationen über die Erregerstromstärke (I_err) zugeführt sind,
d) wobei die Auswerteeinheit (33) die induzierte Spannung (U_i) und/oder die integriere induzierte Spannung erfasst als Maß für den magneti schen Fluss B und die Erregerstromstärke (I_err) als Maß für die ma gnetische Feldstärke H verwendet, und
e) wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass zur Bestimmung der Zug- oder Druckspannungen in dem ferromagnetischen Element die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom quelle (7) eine Wechselstromquelle ist, vorzugsweise eine Sinus-Wechsel stromquelle mit vorbestimmter Frequenz und geregelter Amplitude.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte einheit (33) über eine vorbestimmte Anzahl von Perioden des Erregerstroms (I_err) die induzierte Spannung (U_i) und die integrierte induzierte Spannung und/oder den Erregerstrom (I_err) abtastet und hieraus die zumindest eine Größe der Magnetisierungskurve ermittelt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (33) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) einen Spulenkörper (15) aus nicht-magnetischem Ma terial umfasst, auf welchem die Induktionsspule (5) und die Erregerspule (3) angeordnet sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Erregerspule (3) des Sensors (13) größer ist als die Länge der Indukti onsspule (5) und dass sich die Induktionsspule (5) vollständig innerhalb der Erregerspule (3) befindet.