DE4126450A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung kurzzeitiger verformungen im (my)m-bereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung kurzzeitiger Verformungen im µm-Bereich bei dynamischen Beanspruchungen unterliegenden Funktionselementen, wie beispiels­ weise Druckstoß beaufschlagten Rohren, Behälterwänden und dergl., welche aus Stahl bestehen oder wenigstens im Bereich einer Meßstelle eine eisenhaltige Oberfläche auf­ weisen, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

In der Meßtechnik ist es bisher bekannt, Verformungen im µm-Bereich mit Dehnungsmeß­ streifen oder Piezo-Aufnehmern zu messen.

Die Verwendung von Dehnungsmeßstreifen hat den Nachteil, daß diese an das Funktions­ element angeklebt werden müssen und später nur unter Zerstörung entfernt werden kön­ nen. Sie sind somit nicht flexibel handhabbar. Überdies muß stets ein Ruhestrom fließen, um eine Widerstandsänderung zu erzeugen. Ein derartiger Ruhestrom ist jedoch für viele Anwendungszwecke nicht akzeptabel, insbesondere wenn Batterie-versorgte Meßeinrich­ tungen verwendet werden.

Ungünstig an der Verwendung eines Piezo-Aufnehmers ist nicht nur der hohe mechani­ sche Aufwand, der für den Schutz des empfindlichen Kristalls gegen Zerstörung erforder­ lich ist. Hinzu kommt die Hochohmigkeit derartiger Piezo-Aufnehmer und der elektronische Aufwand für hochohmige Ladungsverstärker ist außerordentlich groß. Hinzu kommt ferner, daß hochohmige Meßleitungen die Empfindlichkeit der Ladungsverstärker gegen Stör­ spannungen vergrößern. Überdies wird für ein brauchbares Meßergebnis eine hohe Kraft benötigt.

Angesichts der zuvor beschriebenen Nachteile vorbekannter Meßprinzipien besteht daher ein Bedürfnis nach Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art, mit dem bzw. der die zuvor geschilderten Nachteile nicht auftreten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mes­ sung kurzzeitiger Verformungen im µm-Bereich bei dynamischen Beanspruchungen unter­ liegenden Funktionselementen, wie beispielsweise Druckstoß beaufschlagte Rohre, Behäl­ terwände und dergl., die aus Stahl bestehen oder wenigstens im Bereich einer Meßstelle eine eisenhaltige Oberfläche aufweisen, zu schaffen, die ohne Beeinträchtigung des Funk­ tionselements flexibel einsetzbar ist und eine einfache und zuverlässige Meßergebnisaus­ wertung ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Patentanspruch 1 bzw. Patentanspruch 6 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bevorzugte weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweils nachgeordneten Pa­ tentansprüchen zu entnehmen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird demgemäß in vorteilhafter Weise ein elek­ tromagnetischer Meßaufnehmer in beabstandeter Lage über der Meßstelle derart gehalten, daß sich diesem die zu messenden Verformungen als induzierte Spannung mitteilen, wo­ bei die induzierte Spannung zur optischen Bestimmung der Größe der Verformung gespei­ chert wird.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens sind vorteilhaft ein elektromagnetischer Meßaufnehmer, ein an dem Funktionselement lösbar anbringbarer Halter, durch den der Meßaufnehmer beabstandet über der Meßstelle befestigbar ist, und eine Einrichtung zur Speicherung und optischen Darstellung der indu­ zierten Spannung vorgesehen.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind außeror­ dentlich flexibel einsetzbar, ohne daß Eingriffe an dem Funktionselement, wie beispiels­ weise Bohrungen, vorgenommen werden müssen. Die vorteilhaft vorgesehene lösbare Anbringbarkeit des Halters kann durch übliche Maßnahmen, wie Spannklammern, Spann­ bänder und dergl., in einfacher Weise vorgenommen werden.

Von Vorteil ist zudem, daß das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne weiteres an individuelle Meßanwendungsfälle angepaßt werden kann.

Günstig ist weiterhin, daß der verwendete elektromagnetische Meßaufnehmer durch seine Niederohmigkeit nicht störspannungsempfindlich ist und auch keinen Ruhestrom benötigt, weshalb das Verfahren und die Vorrichtung auch für netzunabhängigen Betrieb eingesetzt werden können.

Die Vorrichtung läßt sich aufgrund ihres einfachen Aufbaus leicht und preiswert herstellen und vorteilhaft für verschiedene Meßfälle problemlos einsetzen und anpassen.

Günstig ist ferner die außerordentlich einfache Auswertung des Meßergebnisses. Der magnetische Meßaufnehmer erzeugt zwar keine statischen Meßergebnisse, ist aber auf­ grund seines Meßprinzips gerade für auftretende impulsförmige Verformungen außeror­ dentlich gut geeignet, wobei durch die Speicherung der induzierten Spannung eine Regi­ strierung von außerordentlich kurzzeitigen Verformungsvorgängen sowie deren quantitative Auswertung ermöglicht wird.

Nach einer bevorzugten weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird aus dem gespeicherten zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung der Spitzenwert er­ mittelt und optisch angezeigt. Hierdurch läßt sich in einfacher Weise nicht nur unmittelbar der zeitliche Verlauf der Verformung, sondern, was in den meisten Meßfällen von beson­ derem Interesse ist, der maximale Verformungswert direkt erfassen und wiedergeben. Vorrichtungsseitig sind für eine derartige weitere Ausgestaltung der Erfindung ein Spitzen­ wertspeicher sowie eine digitale Anzeige vorgesehen, durch die der Spitzenwert der indu­ zierten Spannung proportional in µm wiedergebbar ist, wobei vorzugsweise zwischen dem Spitzenwertspeicher und der Digitalanzeige ein A/D-Wandler und ein Mikroprozessor ge­ schaltet sind.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers einstellbar, wobei verfahrensseitig die Steilheit des Anstiegs der induzier­ ten Spannung durch Nachmagnetisierung in einem bestimmten Bereich und weiterhin bevorzugt der Wert der Steilheit zusätzlich durch einen externen Spannungsteiler entspre­ chend der Anwendung eingestellt wird. Überdies ist nach einer weiteren bevorzugten Aus­ gestaltung vorgesehen, daß temperaturbedingte Magnetflußänderungen durch Anschluß eines temperaturabhängigen Widerstands am Ausgang der Meßaufnehmerspule kompen­ siert werden.

Von Vorteil für die Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung ist es nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ferner, wenn der Halter eine Einstell­ einrichtung für den Abstand des Meßaufnehmers aufweist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind dem anschließenden Be­ schreibungsteil zu entnehmen, in dem die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefüg­ ten Zeichnungen näher erläutert wird. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßaufnehmers in An­ ordnung an einer metallischen Wand; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Meßverfahrens an einem druckstoßbeauf­ schlagten Stahlrohr.

In Fig. 1 ist schematisch ein elektromagnetischer Meßaufnehmer 10 in seiner Meßanord­ nung an einer Stahlwand 11 gezeigt. Die Stahlwand 11 kann die Wand eines Funktions­ elements, wie beispielsweise eines Rohres oder eines Behälters, bilden, das bzw. der kurzzeitigen Verformungen aufgrund von Druckstößen oder dergl. unterliegt, wobei der Pfeil A die Richtung der Ausbreitung von Druckstoßwellen angibt. Statt aus Stahl kann die Wand auch aus einem Material bestehen, das keinen Einfluß auf ein elektromagnetisches Feld hat, sofern nur im Bereich der vorgesehenen Meßstelle eine eisenhaltige Oberfläche, beispielsweise in Form einer dünnen eisenhaltigen Beschichtung, vorgesehen ist.

Der elektromagnetische Meßaufnehmer 10 ist an einem Arm 12 eines nicht magnetischen Halters 13 befestigt. Der Halter 13 besteht aus einem Grundteil 14. das an dem Funk­ tionselement bzw. der Wand 11 anliegend befestigt ist. Die Befestigung erfolgt in vorteil­ hafter Weise über ein schematisch dargestelltes Spannband 15 oder eine andere geeigne­ te Spanneinrichtung, um den Halter 13 ohne Eingriff in die Wand 11 im Bereich der Meß­ stelle lösbar anzubringen, wobei, wie in Fig. 2 gezeigt, die Anbringung im Bedarfsfall über eine elastische Zwischenschicht 27 erfolgt.

Der Arm 12 des Halters 13 erstreckt sich parallel zur Wand 11 und mündet dann in einem um 90° zur Meßstelle abgewinkelten Arm 16. Das untere Ende des Arms 16 ist von der Meßstelle unter Bildung eines Luftspaltes beabstandet. Die Größe des Luftspaltes ist grö­ ßer als die von Luftspalten, die zwischen Polschuhen 17 und 18 des elektromagnetischen Meßaufnehmers 10 und der Oberfläche der Wand 11 existieren. Die Größenordnung der letztgenannten Luftspalte liegt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bei etwa 0,06 mm. Sie kann jedoch abhängig von der jeweiligen Anwendung, insbesondere abhän­ gig von der Größe der zu messenden Verformung, entsprechend angepaßt werden.

Der elektromagnetische Meßaufnehmer 10 ist in Ausrichtung auf die Wand 11 unterhalb des Arms 12 in nicht dargestellter Weise befestigt, wobei zwischen den Polschuhen 17 und 18 schematisch ein Permanentmagnet 19 aus Alnico dargestellt ist, und wobei die Polschuhe 17 und 18 von Spulen 20 und 21 umgeben sind, welche beispielsweise je aus einem Kunststoffkörper mit 300 Windungen Kupferlackdraht bestehen. Von den Spulen 20 und 21 führen in nicht dargestellter Weise Leitungsdrähte zu einem in Fig. 2 gezeigten Spitzenwertspeicher 22.

Mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung konnten vorteilhaft impulsförmige Verformun­ gen von nur 0,5 ms Dauer gemessen werden. Dabei ergab sich eine Empfindlichkeit von 0,475 V/0,001 mm, d. h. 3,8 Vs bei 0,008 mm Dehnung.

In Fig. 2 ist schematisch der Einsatz des magnetischen Meßaufnehmers 10 an einem druckstoßbeaufschlagten Stahlrohr 11′ gezeigt. Der Spitzenwert aus dem Spitzenwertspei­ cher 22 wird anschließend in einem Analog/Digital-Wandler 23 umgewandelt, in einem Mikroprozessor 24 umgerechnet und in einer digitalen Anzeige 25 dargestellt. Mit 26 ist eine Dateneingabestelle bezeichnet, die gespeicherte Daten, wie Materialkoeffizient, In­ nen- und Außendurchmesser des Rohres etc. in den Mikroprozessor zur rohrsystemkon­ formen Auswertung eingegeben werden können.

Die Erfindung kann ersichtlich mit außerordentlich geringem Aufbau und vorteilhaft netzu­ nabhängig ohne Beeinträchtigung der Meßstelle oder deren Umgebung durch Meß- oder Befestigungslöcher eingesetzt werden. Das gewonnene Meßergebnis ist unempfindlich gegen äußere Einflüsse, wie Regen, Öl und mechanische Beanspruchungen, und die Auswertelektronik kann relativ klein bauend und zuverlässig realisiert werden.

Durch die Messung wird es möglich, Rückschlüsse auf das Materialverhalten und die Grö­ ße der auftretenden Druckstöße zu gewinnen. Hierdurch lassen sich bei den jeweiligen Systemen mit Druckstoß beaufschlagten Wänden, die kurzzeitigen Verformungen im µm- Bereich unterliegen, zuverlässig Rückschlüsse auf Materialeigenschaften einerseits und Druckstoßverhältnisse andererseits erzielen.

Claims (13)

1. Verfahren zur Messung kurzzeitiger Verformungen im µm-Bereich bei dynamischen Beanspruchungen unterliegenden Funktionselementen, wie beispielsweise Druck­ stoß beaufschlagten Rohren, Behälterwänden und dergl., die aus Stahl bestehen oder wenigstens im Bereich einer Meßstelle eine eisenhaltige Oberfläche aufwei­ sen, wobei ein elektromagnetischer Meßaufnehmer beabstandet über der Meßstelle derart gehalten wird, daß sich diesem die zu messende Verformung als induzierte Spannung mitteilt, und wobei die induzierte Spannung zur optischen Bestimmung der Größe der Verfor­ mung gespeichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zeitliche Verlauf der induzierten Spannung gespeichert, daraus der Spitzenwert ermittelt und dieser op­ tisch angezeigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit des Anstiegs der induzierten Spannung durch Nachmagnetisierung in einen bestimmten Bereich eingestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der Steilheit zusätzlich durch einen externen Spannungsteiler entsprechend der Anwendung eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß temperaturbedingte Magnetflußänderungen durch Anschluß eines temperatur­ abhängigen Widerstandes am Ausgang der Meßaufnehmerspule kompensiert wer­ den.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem elektromagnetischen Meßaufnehmer (10), einem an dem Funktionselement (11, 11′) lösbar anbringbarem Halter (13), durch den der Meßaufnehmer (10) beabstandet über der Meßstelle befestigbar ist, und aus einer Einrichtung (22, 25) zur Speicherung und optischen Darstellung der induzier­ ten Spannung.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speichereinrich­ tung als Spitzenwertspeicher (22) ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Darstell­ einrichtung als digitale Anzeige (25) ausgebildet ist, durch die der Spitzenwert der induzierten Spannung proportional in µm wiedergebbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spit­ zenwertspeicher (22) und der digitalen Anzeige (25) ein Analog/Digital-Wandler (23) und ein Mikroprozessor (24) geschaltet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfindlichkeit des Meßaufnehmers (10) einstellbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (13) eine Einstelleinrichtung für den Abstand des Meßaufnehmers (10) auf­ weist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (13) einen sich parallel zu dem Meßbereich erstreckenden Arm (12) auf­ weist, an dem der Meßaufnehmer (10) befestigt ist und an dessen Ende ein um 90° zur Meßstelle abgewinkelter Arm (16) angeformt ist, der von der Meßstelle beab­ standet endet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (13) über eine elastische Zwischenschicht (27) an dem Funktionselement (11, 11′) befestigbar ist.