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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Einrichtung zur Erfassung der räumlichen
Verlagerung von Konstruktionsteilen und/oder Strukturen an einem
derartigem Objekt, die ein zu vermessendes Objekt bilden, mit wenigstens
einem dem Objekt zugeordneten optischen Verlagerungsmonitor.
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Beispielsweise müssen extrem sicherheitsrelevante
Konstruktionsteile und deren Strukturen, die starken thermischen
Belastungen ausgesetzt sind, z.B. Rohrverbindungen in Kraftwerken,
im Hinblick auf eine zwangsläufig
mit der Zeit erfolgende Materialermüdung überwacht werden. Bisher wird
dazu vorteilhaft die durch die Wärmeausdehnung
bestimmte Verlagerung, welche bestimmte Strukturen von Konstruktionsteilen z.B.
durch eine Temperaturerhöhung
erfahren, registriert. Bei einer Temperaturerhöhung bis etwa 500°C kann eine
solche Verlagerung bereits beachtliche Ausmaße annehmen. Durch Aufsummieren
der Strukturverlagerungen nach Anzahl und/oder Amplitude kann daraus
der Ermüdungsgrad
festgestellt werden.
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Vom Stand der Technik sind Temperaturmeßsysteme
zum Zwecke einer indirekten Verlagerungserfassung bekannt, wobei
insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient der Materialien
ausgenutzt wird. Direkte Verlagerungsmessungen selbst sind allerdings
bei höheren
Temperaturen problematisch. Beispielsweise können Dehnungsmeßstreifen
auf hochtemperaturführenden
Bauteilen nicht appliziert werden.
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In der Zeitschrift Elektronik 13
(1998), Seiten 82 bis 91 wird ein Überblick über die derzeit bekannten Positions-Erfassungssysteme
gegeben. Es werden dort im Einzelnen Vorund Nachteile unterschiedlicher
physikalischer Prinzipien für
solche Systeme verglichen.
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Aus der
DE 26 17 797 A1 ist eine
Vorrichtung zur optischen Messung der Position und der Bewegung eines
Objektes bekannt. Dabei wird optische Strahlung auf das Objekt eingestrahlt
und dessen Reflexion mit optischen Mitteln ausgewertet. Für die Reflexion
kann eine reflektierende Linse oder aber auch ein Hohlspiegel verwendet
werden. Wesentlich ist, daß immer
die Relativposition zwischen Objekt und Meßposition erfaßt wird, aber
keine Positionsänderungen
auf dem Objekt.
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Weiterhin sind aus der
GB 22 58 043 A , der
US 5 222 304 A und
der
DE 37 25 205 A1 Verlagerungsmonitore
bekannt, bei denen Maschinenteile oder dergleichen mechanisch abgetastet
werden und die mechanische Abtastung innerhalb einer Wandlerkammer
in optische bzw. elektrische Signale umgewandelt werden. Solche
Systeme sind aufwendig, wobei die Genauigkeit teilweise zu wünschen läßt.
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine
Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die insbesondere
zur Anwendung bei hochtemperaturführenden Strukturen von Bauteilen
geeignet ist.
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die Gesamtheit der im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei der Erfindung wird mit einer
Lichtquelle auf einen gekrümmten
Spiegel an der zu vermessenden Stelle optische Strahlung eingestrahlt
und von dort reflektiert, wobei sich die Richtung der reflektierten
Strahlung infolge der Verlagerungen am zu vermessenden Objektes
verändert,
und wobei die reflektierte Strahlung auf wenigstens einen Sensor
zur Erfassung der Richtungsänderung
gegeben wird. Vorzugsweise ist dabei der gekrümmte Spiegel ein Hohlspiegel,
der eine Fokussierung der reflektierten Strahlung auf die Detektorfläche bewirkt
und damit eine hohe Auflösung
ermöglicht.
Bei drehen den Verlagerungsbewegungen, insbesondere Rohren od. dgl.,
bewirkt ein Hohlspiegel eine im Vergleich zu einem Planspiegel wesentlich
verstärkte
optische Ablenkung.
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Bei der Erfindung kann zwischen Lichtquelle
und gekrümmtem
Spiegel ein optisches Linsensystem angeordnet sein. Ebenfalls kann
ein halbdurchlässiger
Spiegel zwischen Lichtquelle und gekrümmtem Spiegel vorhanden sein.
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In besonders vorteilhafter Ausgestaltung
der Erfindung besteht der Sensor zur Erfassung der Richtungsänderung
der reflektierten Strahlung aus einzelnen Sensorelementen, wobei
zur zweidimensionalen Messung der Sensor aus vier Sensorelementen
bestehen kann, die in wenigstens zwei Zeilen angeordnet sind.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich
praxisgerecht insbesondere bei ausgedehnten Rohren mit hohen Temperaturen
anwenden. Verlagerungen durch Wechselbeanspruchungen können dabei
in Richtung der Längsachse
des betreffenden Rohres, d.h. in x-Richtung, senkrecht dazu, d.h.
in y-Richtung, und auch als Drehungen um die Längsachse auftreten. Alle genannten
Verlagerungstypen sind detektierbar und voneinander unterscheidbar.
Dazu können
zwei oder drei optische Einrichtungen mit entsprechenden Elementen
erforderlich sein. Eine entsprechend ausgelegte Anordnung eignet
sich auch zur Schwingungsmessung an Konstruktionsteilen bei hochtemperaturführenden
Kraftwerksstrukturen.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil
der Erfindung ist, daß die
Messung berührungslos
erfolgt und daß aufgrund
der optischen Übertragung
vom Meßort
zum Auswertungsort die an letzterem Ort befindliche Elektronik keinen
hohen Temperaturen ausgesetzt ist. Der Hohlspiegel selbst, der sich
am temperaturführenden
Rohr befindet, ist dagegen temperaturbeständig, d.h. er kann hohen Temperaturen
widerstehen, wogegen die restliche Optik, gegebenenfalls durch Einsatz
einer Kühlvorrichtung,
auf Zimmertemperatur gehalten wird.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile
der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung
von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es
zeigen jeweils in schematischer Darstellung
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1 die
prinzipielle Ausbildung einer erfindungsgemäßen Einrichtung am Beispiel
einer Rohrleitung,
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2 einen
Ausschnitt aus 1 in
Längsrichtung
mit geometrischen Abstraktionen zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen
linearer Rohrbewegung und Strahlablenkung
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3 einen
Ausschnitt aus 1 in
Querrichtung mit geometrischen Abstraktionen zur Erläuterung des
Zusammenhangs zwischen drehender Rohrbewegung und Strahlablenkung
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4 eine
veränderte
Einrichtung unter Einsatz von drei optischen Einrichtungen gemäß 1.
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In 1 ist
eine zu überwachende
Rohrleitung 1 dargestellt, die Teil eines umfangreicheren
Rohrleitungssystems, beispielsweise in einem Kraftwerk od. dgl.,
sein kann. Solche Rohrleitungen führen Fluide mit höheren Temperaturen,
beispielsweise Dampf, und können
dadurch mit großen
Temperaturschwankungen beaufschlagt werden. Solche Temperaturschwankungen
bewirken zwangsläufig
eine Materialermüdung.
Aus Sicherheitsgründen
müssen
derartige Materialermüdungen überwacht
und auch quantitativ erfaßt
werden. Hierzu dient ein Überwachungssystem 10,
das nachfolgend im einzelnen erläutert
wird.
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An dem zu überwachenden Rohr 1 ist
an der Stelle Y eine Halterung 12 angebracht, an deren
Ende sich ein optisches System 15 befindet. Dieses System
besteht aus einer Lichtquelle 16, einem optischen Linsensystem 17,
einem halbdurchlässigen
Spiegel 18 und einem Sensor 20, der weiter unten
noch im einzelnen beschrieben wird.
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An der Stelle X des Rohres 1 ist
ein Hohlspiegel 11 angebracht. Zusammen mit dem an der
Stelle X angebrachten Hohlspiegel 11 bildet die optische
Anordnung 15 ein System, das so dimensioniert werden kann, daß auf dem
Sensor 20 ein möglichst
kleiner Lichtfleck entsteht.
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Als Lichtquelle wird vorteilhafterweise
ein Dauerstrich-Laser,
z.B. ein Diodenlaser, verwendet, wie er vom Stand der Technik bekannt
ist.
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Der Sensor 20 besteht zur
zweidimensionalen Messung aus mindestens vier, in mindestens zwei
Zeilen angeordneten Sensorelementen, beispielsweise aus den Sensorelementen 21 bis 24.
Derartige zweidimensionale Arrays sind ebenfalls vom Stand der Technik
bekannt.
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Zur Auswertung des Sensorsignals
werden zweckmäßigerweise
die Differenzen der vier Sensorelemente 21 bis 24 gewichtet
und auf die Gesamtintensität
bezogen ausgewertet. Damit wird eine Änderung der Gesamtintensität, beispielsweise
durch Verschmutzung oder Alterung des Sensors, unwirksam. Gleichzeitig wird
dadurch das Signal der Sensorflächen 21 bis 24 gemäß ihrer
Intensität
so gewichtet, daß z.B.
unbelichtete Sensorflächen
nicht ausgewertet werden.
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Die weitere Auswertung der so erfaßten Signale
kann analog in einfacher Weise durch in den Figuren nicht dargestellte
Inverter und Addierer bzw. durch Addierer und Subtrahierer erfolgen.
Die Signalverarbeitung kann auch digital durchgeführt werden.
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Mit dem anhand der 1 beschriebenen System wird die Positionsveränderung
des Spiegels 11 an der Stelle X relativ zur Stelle Y zweidimensional
in der X-Y-Ebene registriert, wobei die Y-Achse senkrecht zur Zeichenebene
steht. Damit ist eine Erfassung von Verlagerungen in den Strukturen
der Rohrleitung 1 möglich.
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Durch die Wahl der Brennweiten des
Spiegels 11, des Linsensystems 17 und der Größe sowie
des Abstandes der Sensorelemente 21 bis 24 kann
die Empfindlichkeit des optischen Sensors in weiten Bereichen eingestellt
werden. Insbesondere können
auch kleine Positionsänderungen
durch einen Hohlspiegel mit kleiner Brennweite detektiert werden,
da die Winkelempfindlichkeit indirekt proportional zum Krümmungsradius des
Hohlspiegels ist, wie aus Gleichung (2) folgt.
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Bei einer linearen Verlagerung in
x- bzw. y-Richtung ergibt sich der Zusammenhang zwischen der Strahlablenkung 6 und
der Lage des Hohlspiegels aus 2.
Im folgenden wird zunächst
der Fall der Verschiebung in x-Richtung betrachtet, für die Verschiebung
in y-Richtung gilt entsprechendes.
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Auf der Mantelfläche
100 eines Rohres,
ist ein Hohlspiegel
11 mit dem Krümmungsradius ρ so angeordnet,
daß seine
Mittel senkrechte m senkrecht auf der Mantelfläche
100 steht. Ein
Lichtstrahl s trifft den Spiegel
11 im Punkt X derart,
daß seine
Verlängerung
mit der Mittelsenkrechten m den Winkel γ einschließt. In
2 ist die Lage von A durch den Abstand
x von der Mittelsenkrechten m gekennzeichnet. Der reflektierte Strahl
s' wird aus der
Richtung des einfallenden Strahl s um den Winkel δ abgelenkt.
Aus elementaren geometrischen Überlegungen
folgt:
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Die Winkelempfindlichkeit, definiert
als die Ableitung des Ablenkwinkels δ nach der Lage x des Punktes
A, ergibt sich zu
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In typischen Anwendungen ist beispielsweise ρ = 25 mm.
Für x 0
erhält
man dδ/dx
= 4,6 Grad/mm.
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Bei unendlich großem Krümmungsradius (ρ → ∞) geht
(1) in den Ausdruck für
die Ablenkung durch einen Planspiegel über: δ = π – 2γ (3)
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Aus Gleichung (3) folgt, daß bei einem
Planspiegel bei der hier vorausgesetzten linearen Verlagerung die
Ablenkung 6 nicht von der Größe x abhängt, die die Position des Spiegels 11 kennzeichnet.
Licht wird vielmehr so lange, und zwar unter immer dem gleichen
Winkel, reflektiert, wie der Strahl den Planspiegel trifft. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist also die Ausbildung des Reflektors als Hohlspiegel für das Funktionieren
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
notwendig.
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In einer geometrischen Abstraktion,
die in 3 ausschnittsweise
und schematisch dargestellt ist, ist ein Spiegel 11 mit
dem Krümmungsradius ρ so auf dem
Umfang u eines Rohres angeordnet, daß seine Mittelsenkrechte m
radial bezüglich
des Mittelpunktes M des kreisförmigen
Querschnitts des Rohres verläuft
und mit einer ebenfalls radialen Referenzlinie rref den
Winkel ϕ einschließt.
Es ist auch eine nichtradiale Montage des Spiegels auf dem Umfang
möglich,
bei der die Mittelsenkrechte des Spiegels nicht mit Symmetrielinien
des Bauteiles übereinstimmt.
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Aus der Geometrie läßt sich
der Zusammenhang zwischen dem Ablenkwinkel δ und dem Drehwinkel ϕ,
ableiten: Gegeben sei ein Lichtstrahl s, der mit der Referenzlinie
r
ref den Winkel y einschließt. Der
Zustand des Rohres sei derart, daß der Strahl in einem Punkt
B den Spiegel
11 trifft, und ihn als reflektierter Strahl
s' verläßt. Elementare
trigonometrische Überlegungen
führen
zu dem Ergebnis, daß die
Strahlablenkung δ in
diesem Fall gegeben ist durch
wobei R der Rohrradius ist.
Die Empfindlichkeit ist definiert als
wobei abgekürzt wurde:
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Für
unendlich großen
Krümmungsradius ρ geht (6)
in den entsprechenden Ausdruck für
einen Planspiegel über:
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Der Quotient x aus den Gleichungen
(5) und (7) gibt an, um welchen Faktor im Falle einer drehenden Verlagerung
die Empfindlichkeit durch den Einsatz eines Hohlspiegels im Vergleich
zu einem Planspiegel gesteigert wird.
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Bei einem Rohrradius von R = 100
mm, einem Krümmungsradius ρ = 25 mm, γ = 45° und = 0
ergibt sich beispielsweise χ =
5. Da die Empfindlichkeit der Anordnung mit einem Planspiegel nach
(Gl. 7) 2 beträgt, erhält man in
dem betrachteten Beispiel durch den Einsatz eines Hohlspiegels eine
Strahlablenkung, die dem Zehnfachen der Änderung des Drehwinkels ϕ der
Strukturverlagerung am Rohr 1 entspricht. Damit wird die Bedeutung
der Anwendung eines Hohlspiegels für die Erfindung deutlich.
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In 4 besteht
eine Verlagerungserfassungseinrichtung mit Meßsystemen 10', 10', 10'' aus drei optischen Erfassungssystemen 15, 15', 15'', die jeweils entsprechend 1 ausgelegt sind. Anstelle
der Halterung 12 ist am Punkt Y ein zweiter Hohlspiegel 11' angeordnet,
dessen Position von der optischen Einrichtung 15' ausgewertet
wird. Darüber
hinaus ist diametral gegenüber
dem Hohlspiegel 11' am
Punkt Z ein dritter Hohlspiegel 11'' befestigt,
dessen Lage von der optischen Einrichtung 15'' ausgewertet
wird.
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Durch eine Differenzmessung der von
den optischen Erfassungssystemen 15 und 15' erzeugten Signale
kann die relative Positionsänderung
in Richtung der Längsachse
des Rohres 1 erfaßt
werden, ohne daß eine
auf dem hochtemperaturführenden
Rohr zu befestigende Halterung für
eines der Meßsysteme
benötigt wird.
Gleichermaßen
können
durch die Signale der Erfassungs systeme 15' und 15'' Relativbewegungen
der Strukturen auf dem Umfang des Rohres erfaßt werden.
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Alle Systeme 15, 15' und 15'' können infolge der Auslegung
der Detektoren für
zweidimensionale Messungen neben den Verlagerungen in x-Richtung
auch Verlagerungen des jeweiligen Spiegels in y-Richtung messen.
Dabei kann aufgrund des Signals einer einzelnen Meßeinrichtung
nicht entschieden werden, ob die Verlagerung des Spiegels durch
eine lineare oder durch eine Drehbewegung des Rohres verursacht
wurde. Erst die Kombination der beiden einander gegenüberliegenden
Meßeinrichtungen 15 und 15'' ermöglicht diese Unterscheidung.
Eine lineare Bewegung, z.B. Hub- oder Senkbewegung, hat ein Signal
gleichen Vorzeichens in beiden Systemen zur Folge. Eine Drehbewegung
bewirkt Signale unterschiedlicher Vorzeichen, wobei aus der Vorzeichenlage
auf die Drehrichtung geschlossen werden kann.
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Bei beiden Anordnungen gemäß 1 und 4 befinden sich die einzelnen Hohlspiegel 11, 11' oder 11'' jeweils unmittelbar an dem hochtemperaturbelasteten
Rohr 1. Solche Hohlspiegel, die für hohe Temperaturen ausgelegt
sind, gehören
zum Stand der Technik. Vorteilhaft ist, daß dagegen das eigentliche Meßsystem 15 , 15', bzw. 15'' auf Raumtemperatur bleibt. Während in 1 die Halterung 12 mit
den hochtemperaturführenden
Strukturen verbunden ist, ist die Halterung 13 in 4 davon getrennt und bleibt
kalt.
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Die vorstehend beschriebenen Systeme
lassen sich vorteilhafterweise auch als Meßeinrichtungen in Kernkraftwerken
, bei denen mit Strahlenbelastungen gerechnet werden muß, anwenden.
Für Anwendungen mit
hoher radioaktiver Strahlenbelastung ist eine spezifische Ausführung der
Erfindung in der räumlich
getrennten Anordnung vom optischen System und Lichtsender bzw. Empfänger aufbaubar,
wobei Sender, Empfänger
sowie Auswerteelektronik im abgeschirmten Bereich mit geringer Strahlenbelastung
angeordnet sind. Der Austausch der Lichtsignale erfolgt hier vorteilhafterweise über Lichtwellenleiter.
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In den 1 und 4 sind als zu überwachende
Konstruktionsteile Rohre dargestellt. Ebenso können Träger, Gehäuse oder andere mechanisch
beanspruchte Strukturen mit der beschriebenen Einrichtung überwacht
werden.
wobei abgekürzt wurde:
