AT505033B1 - Verfahren und vorrichtung für herstellung, aufbau und betrieb von dickschichtsensoren, dickschichtleitern und dickschicht - sensorketten - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf Sensoren in Dickschichttechnik zur messtechnischen Überwachung von Tragwerksteilen und Tragwerken wie zum Beispiel Brücken und betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Dickschichtsensoren und Dickschichtleitern sowie eine Dickschichtsensoranordnung mit derartigen Dickschichtsensoren und Dickschichtleitern.

In der bekannten Dickschichttechnik werden passive elektronische Bauteile und Leiterbahnen mittels rheoplastischer Pasten im Siebdruckverfahren auf einem Substrat aufgetragen und in einem Durchlaufofen eingebrannt.

Bekannte, in Dickschichttechnik realisierte Sensoren detektieren Dehnung, Druck, Verdrillung, Beschleunigung, Feuchte.

Die bekannte Dickschichttechnik kann nur auf Substraten angewendet werden, deren Abmessungen in den Durchlaufofen passen. Ist das Substrat zu groß, wird der Dickschichtsensor indirekt aufgebracht, indem die Paste, aus welcher der Sensor bzw. die Leiterbahn hergestellt wird, auf einem kleineren Element aufgetragen und eingebrannt wird. Dieses Element wird dann mit einer Verbindungstechnik, zum Beispiel Kleben; am gewünschten Einsatzort befestigt.

Die bekannten Sensoren für die Überwachung von Tragwerken wie Brücken werden nach der Fertigung angebracht und über eine Verkabelung versorgt und abgefragt. Dazu werden oft eigene Überwachungsschächte vorgesehen.

Diese Techniken haben die Probleme externer Anschlüsse (Korrosion, Kabelbruch...) und sind sehr kostenintensiv im Betrieb, sodass sie nur in Ausnahmefällen für permanentes Monitoring angewendet werden.

Der Erfindung liegen die Aufgaben zugrunde: ...in Dickschichttechnik Sensoren und Leiterbahnen auf für Durchlauföfen zu große Substrate, wie insbesondere Tragwerkskomponenten, direkt aufzubringen, ...die mechanischen und elektrischen Probleme von Verkabelungen zu vermeiden, ...die aufwendigen Verkabelungen der Sensoren zu vermeiden, ...die Kosten einer messtechnischen Überwachung zu senken, ...ein permanentes Monitoring mit robusten, fix angebrachten Sensoren zu erlauben, ...eine Sensorenkette mit den Leitungen für einen Feldbus in Dickschichttechnik auszuführen, und ...mit Hilfe der beschriebenen Sensorkette in Tragwerken die mit Schwingungen verbundenen Wellen zu erfassen.

Die Erfindung löst die gestellten Aufgaben dadurch, dass der Durchlaufofen der bekannten Dickschichttechnik durch eine mobile Vorrichtung zum Durchführen der Phasen des Brennprozesses direkt am nicht in einen Durchlaufofen passenden Objekt, wie zum Beispiel einem Tragwerk, ersetzt wird, sodass eine direkte Dickbeschichtung erreicht wird. Durch diese direkte Dickbeschichtung erzeugte Sensoren können im Inneren einer Struktur wirken, indem sie beispielsweise auf der Bewährung eines Betonteiles angebracht sind oder auf einem Blechstreifen in einen Straßenbelag zur Schwingungsmessung einasphaltiert werden.

Gemäß der Erfindung werden mehrere Dickschichtsensoren über einen durch die Dickschichtleiter gebildeten Feldbus zur Datenkommunikation miteinander verbunden, sodass aufwendige Verkabelungen entfallen können. Der Feldbus ist so konzipierbar, dass die Sensoren keine Adressierungschips tragen, und in der Sensorkette durchgängig die Dickschichttechnik anwendbar ist.

Bei Schienen kann das Gleis als elektrisches Potential verwendet werden, sodass nur eine Leitung zum Sensor ausgeführt werden muss. 3 AT 505 033 B1

Es können Tragwerkselemente genormt mit Sensoren und Busleiterbahnen in direkt angebrachter Dickschichttechnik hergestellt werden.

Sensoren und Leiterbahnen können bereits während des Herstellungsprozesses des Tragwerkelements oder Tragwerks am Objekt angebracht werden, was die Kosten beträchtlich senkt.

Somit ist ein permanentes Monitoring einfach möglich, zufolge dessen mit Aktuatoren aktiv auf die Sensorsignale reagiert werden kann, sodass das Tragwerk zu einem im regelungstechnischen Sinn intelligenten System wird.

Zum Beispiel kann man je nach sensormässig erfasstem Wert die Vorspannung von Spannbetongliedern einer Brücke nach regeln.

Eine wichtige Anwendung sind intelligente Eisenbahnschienen, speziell Weichen, wo an bestimmten Orten wie Tunnelübergängen oder Brücke-Trasse Übergängen ein permanentes Monitoring erwünscht wird. Bei durchgängig verschweißten Schienen besteht die Gefahr eines Schienenabwurfs bei hohen Wärmedehnungen. Diese können nunmehr sensorisch erkannt werden.

Pflanzenbewuchs stört die Bodendynamik des Bahnoberhaus, da er die Beweglichkeit des Schotterbetts reduziert und gefrierbares Wasser einlagert, sodass der Schotter nach Gleise-nentlastung nicht mehr zurückgleitet.

Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die vorliegende Erfindung anhand von Anwendungsbeispielen näher erläutert. Darin zeigen: Fig. 1 bis 3 das direkte Aufbringen der Paste zur Herstellung von Dickschichtsensoren und Dickschichtleitern auf einem Tragwerk; Fig. 4 den Einsatz eines Dickschichtsensors bei einem Anker zur Stabilisierung einer Stützwand; Fig. 5 den Anker gemäß Fig. 4 mit daran angeordneten Dickschichtsensoren; Fig. 6 die Anordnung eines Ausbaubogens für Tunnel- und Hochbau nach dem Stand der Technik; Fig. 7 einen Ausbaubogen mit daran angebrachten Dickschichtsensoren; Fig. 8 die Anwendung eines Dickschichtsensors an einem Ausbaubogen zur Dehnungsmessung; Fig. 9 die Anordnung mehrerer Dickschichtsensoren zur Bildung von Sensorketten; und Fig. 10 die Anordnung der Paste zur Bildung eines Dickschichtsensors auf einer Matrix nach Mohamed Hassan.

Nach Fig. 1 wird die Paste 2, mittels einer Rakel 4 und eines Siebs 3 zur Bildung eines Dickschichtsensors 5 und Dickschichtleitern direkt auf das Tragwerk 1 oder Tragwerkselement aufgetragen. Das Aufbringen der Paste 2 erfolgt beispielsweise im Siebdruckverfahren. Vom Tragwerk 1 wird vorausgesetzt, dass es der Einbrenntemperatur von ca. 800° C standhält. Eine nachträgliche Wärmebehandlung für die Rückbildung von Gefügeumwandlungen ist möglich. Aus Pasten 2 sind Dickschichtsensoren 5, vorzugsweise zur Registrierung von Dehnung, Druck, Verdrillung, Beschleunigung, Feuchte realisierbar. Die Paste 2 kann auch durch eine Klebermischung gebildet sein. Metallgefüllte Klebermischungen erlauben mittlerweile leitende Verbindungen, zum Ersatz von Lötungen. Dielektrika können ebenfalls durch Klebermischungen realisiert werden. Klebermischungen dienen in dieser Erfindung jedoch nicht als Fügetechnik, sondern als Paste 2 im Sinne der Dickschichttechnik, um niedrige Beschichtungstemperaturen zu ermöglichen. Wegen dieser neuen Anwendungen des Klebens sind noch nicht alle bekannten Dickschichtpasten in Kleberform realisierbar.

Fig. 2 zeigt einen I-Träger als Tragwerk 1 mit Dickschichtsensoren 5 und Dickschichtleitern, welche in direkter Dickbeschichtung auf die Oberfläche des Tragwerks 1 aufgebracht wurden. Die Dickschichtleiter bilden einen Feldbus 6 mit voll kontaktierten Leitungsknoten 16. Der I-Träger steht stellvertretend für andere Profile wie z. B. Schienen. Durch den Feldbus 6 sind die einzelnen Dickschichtsensoren 5 von einer SPS oder PC-Karte abfragbar und können zugleich mit Energie versorgt werden. Die Leitungsknotenpunkte 16 müssen nicht, wie nach gegenwärtigem Stand der Technik einen Chip zur Adressierung des Dickschichtsensors 5 4 AT 505 033 B1 tragen, sondern können gemäß der Methode von Mohamed Hassan als gewöhnliche Leitungspunkte ausgeführt werden.

In der Prinzipskizze gemäß Fig. 3 ist das Schema einer Vorrichtung zum direkten Dickbeschichten eines Dickschichtsensors 5 an einem I-Profilträger als Tragwerk 1, bei dem ein bekannter Durchlaufofen nicht einsetzbar wäre, dargestellt. Eine mögliche mobile Vorrichtung zum Erwärmen der Paste 2 kann durch einen Kupferblock 8 gebildet sein, der von einem Föhn oder Brenner 7 auf der Einbrenntemperatur gehalten wird. Die Temperatur des Kupferblocks 8 wird über ein Temperaturmessgerät 9 kontrolliert. Durch Kühlen oder Wechsel bzw. Verschieben des Kupferblocks 8 sind über den Pasten 2 für den Dickschichtsensor 5 verschiedene Temperaturzonen einstellbar. Die Paste 2 wird von Stickstoff als Schutzgas umhüllt (nicht dargestellt). Selbstverständlich ist die Wärmeaufbringung auch über alle anderen bekannten Verfahren möglich, wie elektrische, Infrarot, etc.

In Fig. 4 ist ein üblicher Anker 9 zur Stabilisierung einer Stützwand 13 als verankertes Tragwerk zur Aufnahme des Erddrucks nach dem Stand der Technik dargestellt. Dabei geschieht die Kraftübertragung zwischen Anker 9 und Stützwand 13 über den Ankerkopf 12 und den Ver-presskörper 11. Zum Schutz des Ankers 9 gegen Korrosion wird der Anker 9 mit einem Hüllrohr ummantelt, welches mit einem Korrosionsschutzmittel 14 gefüllt ist. Der Anker muss mit einer bestimmten Kraft P vorgespannt werden. Nach gegenwärtigem Stand der Technik wird die mit der Zeit nachlassende Vorspannung in bestimmten Zeitabständen mit teuren Prüfgeräten kontrolliert. Zur Zeit sind aufwendige Installationen erforderlich, wobei das Ablesen noch manuell erfolgt. Es wäre gewünscht die Vorspannung permanent abfragen zu können. Insbesondere könnte über selbst hemmende Getriebemotoren die Vorspannung konstant gehalten werden.

Fig. 5 beschreibt eine Lösung, um durch Anwendung der Erfindung der direkten Dickbeschichtung den Anker 9 mit Intelligenz zu versehen, indem durch Dickschichtsensoren 5 und Feldbus 6 eine permanente Messung der Vorspannung erlaubt wird.

Gemäß Fig. 5 wird dieses Problem durch erfindungsgemäß direkt auf den Anker 9 aufgebrachte Dehnmessstreifen als Dickschichtsensoren gelöst. In direkter Dickschichttechnik sind Dehnmessstreifen 5 realisiert, und über den Feldbus 6 werden die Sensorsignale eingelesen. Es sind also keine Dehnmessstreifenfolien aufgeklebt. Die Messung erfolgt, indem die geometrischen Abmessungen vor und nach dem Einbau verglichen werden.

Fig. 6 beschreibt eine Anordnung eines Ausbaubogens 15 für den Tunnel- und Hochbau nach dem Stand der Technik. Zur Zeit werden Verschiebungen zufolge des Erddrucks P an derartigen Ausbaubögen 15 nicht direkt am Tragwerk 1 gemessen, sondern indirekt über geodätische Messinstrumente (Theodolit), indem die Abmessung vor und nach dem Einbau verglichen werden.

Die Fig. 7 beschreibt einen einzelnen Ausbaubogen 15 mit direkt aufgebrachten Dickschichtsensoren 5 und einen Feldbus 6. Dabei wird die Verformung des Ausbaubogens 15 zufolge des Erddrucks P über gemäß der Erfindung in direkter Dickschichttechnik realisierte Dickschichtsensoren 5 zur Dehnungsmessung permanent kontrolliert. Die Dickschichtsensoren 5 sind mit einem Feldbus 6 miteinander verbunden.

Fig. 8 beschreibt den Querschnitt des Ausbaubogens 15 mit angebrachten Dickschichtsensoren 5 zur Dehnungsmessung.

Die Lösung gemäß den Fig. 7 und 8 erlaubt auch eine Messung von Schwingungen und der Welle im Tunnelbogen. Der geometrische Schwingungsweg eines Punktes wird mit dem Laservibrometer vermessen und mit dem elektrischen Sensorsignal zur Kalibrierung verglichen.

Fig. 9 beschreibt eine Anordnung mehrerer Dickschichtsensoren 5 zur Bildung von Sensorseg-

Claims (11)

1. 5 AT 505 033 B1 menten. Dabei wird eine Gruppe von Dickschichtsensoren 5 zu einem Segment zusammengefasst, indem sie direkt mit der durchgängig verbundenen Zweidraht-Leitung des Feldbuses 6 kontaktiert sind. Dieses direkte Anschließen der Dickschichtsensoren 5 ohne Adressierungschip erlaubt es, die Leitung durchgängig in Dichschichttechnik ausführen zu können. Um jedes Sensorsignal trotzdem dem zugehörigen Dickschichtsensor 5 zuordnen zu können, enthält jeder Dickschichtsensor 5 zusätzlich einen Schwingkreis mit einer für jeden Dickschichtsensor 5 charakteristischen Frequenz, die dem Messsignal dieses Dickschichtsensors 5 überlagert ist. Die Frequenzen liegen im Kilohertzbereich, um die mit der Frequenz steigenden Leitungsreflexionen einzuschränken. Die Zweidrahtleitung des Feldbus 6 trägt ein Summensignal aller Dickschichtsensoren 5 des Segments, aus dem das zum jeweiligen Dickschichtsensor 5 gehörige Signal im Feldbusknoten 17 herausgefiltert wird. Der Feldbusknoten 17 wertet also die Analogsignale der Dickschichtsensoren 5 aus, digitalisiert sie und trägt eine eigene Adresse. Über seine Adresse ist er an ein herkömmliches Bussystem (CAN Bus,...) anschließbar und kommuniziert mit der Bus-Steuerung. Nach Fig. 10 sind die Dickschichtsensoren 5 (mit Schwingkreis) in Form der Paste 2 auf einer Matrix 19 angebracht, von der aus sie auf das Tragwerk 1 gebrannt werden. Eine Normung solcher Matrizen 19 soll definierte reproduzierbare Pasteneigenschaften sichern. Legende: 1 Tragwerk für Direktbeschichtung 2 Paste 3 Sieb zum Tiefdrücken der Paste 2 4 Rakel 5 Dickschichtsensor 6 Feldbus 7 Brenner 9 Anker 10 Hüllrohr 11 Verpresskörper 12 Ankerkopf 13 Stützwand als verankertes Tragwerken 14 Korrosionsschutzmittel 15 Ausbaubogen als tragendes Tragwerk 16 durchkontaktierter Leitungsknoten 17 Feldbusknoten 18 Standardfeldbussystem (CAN, Sensor Aktorbus,...) 19 Matrix zum Abziehen der Paste eines Dickschichtsensors P= Symbol für Kraft (Fig. 4) oder Erddruck (Fig. 7, 8) Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleitern zur messtechnischen Überwachung von Tragwerken (1), wobei die Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleiter aus einer Paste (2) aufgebaut werden, und die Paste (2) eingebrannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (2) zur Bildung der Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleiter direkt auf die Oberfläche des Tragwerks (1) aufgetragen und direkt am Tragwerk (1) unter Temperaturen bis ca. 900°C mittels einer mobilen Vorrichtung zur Wärmeaufbringung unter Schutzgasatmosphäre eingebrannt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dickschichtsensoren (5) zur Bildung einer Sensorkette direkt auf der Oberfläche des Tragwerks (1) angeordnet und die Dickschichtsensoren (5) über einen durch die Dickschichtleiter gebildeten Feldbus 6 AT 505 033 B1 (6) miteinander verbunden werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (2) durch Zuführung von Wärme aus elektrischer, chemischer oder anderer Energieformen eingebrannt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während des Einbrennens der Paste (2) zeitabhängig verschiedene Temperaturzonen eingestellt werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (2) auf einer Matrix (19) angeordnet und von dieser Matrix (19) aus nach dem Prinzip eines Abziehbildes auf die Oberfläche des Tragwerks (1) eingebrannt wird.
6. 6. Dickschichtsensoranordnung mit Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleitern zur messtechnischen Überwachung von Tragwerken (1), wobei die Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleiter aus einer unter Temperatur ausgehärteten Paste (2) aufgebaut sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleiter direkt an der Oberfläche des Tragwerks (1) angeordnet sind.
7. 7. Dickschichtsensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dickschichtsensoren (5) zur Bildung einer Sensorkette direkt an der Oberfläche des Tragwerks (1) angeordnet sind, und über einen durch die Dickschichtleiter gebildeten Feldbus (6) miteinander verbunden sind.
8. 8. Dickschichtsensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Dickschichtsensor (5) ein Schwingkreis mit unterschiedlicher Resonanzfrequenz enthalten ist.
9. 9. Dickschichtsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Paste (2) zur Bildung der Dickschichtsensoren (5) und Dickschichtleiter durch eine Klebermischung gebildet ist.
10. 10. Dickschichtsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichtsensoren (5) mit am Tragwerk (1) angreifenden Aktuatoren zur Bildung eines Regelkreises verbunden sind.
11. 11. Dickschichtsensoranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickschichtsensoren (5) zur Registrierung von Dehnung, Druck, Verdrillung, Beschleunigung oder Feuchte ausgebildet sind. Hiezu 4 Blatt Zeichnungen