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Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Prüfen der Biegefestigkeit eines am Mastfuß im Boden verankerten Mastes, bestehend aus einer Krafteinheit, mit deren Hilfe eine Biegelast in den Mast einleitbar und dadurch der Mast mit einem Biegemoment belastbar ist, und einer Meßeinheit mit Lichtquelle und Lichtempfänger, mit deren Hilfe Auslenkungen verschiedener Höhenlagen des Mastes feststellbar sind. Die Biegefestigkeit des Mastes umfaßt im Rahmen der Erfindung allgemein die mechanische Stabilität des Mastes und normalerweise auch dessen Standfestigkeit im Boden., also die Stabilität des Mastfundamentes.
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Eine solche Prüfanlage wird beschrieben in
DE 195 40 319 C1 . Im Bekannten wird eine Vorrichtung zum Prüfen der Biegefestigkeit eines stehend im Boden verankerten Metall-Mastes beschrieben. Auf den Mast wird mit Abstand oberhalb des Bodens ein Biegemoment ausgeübt und mit der dadurch bewirkten Auslenkung des Mastes verglichen. Um das Ergebnis der durch das Biegemoment verursachten Gesamt-Auslenkung des Mastes nicht durch eine Bewegung des unterirdischen Mastteils im Boden zu verfälschen, wird nach
DE 195 40 319 C1 dem Mastfuß unmittelbar am Boden ein zusätzlicher Wegsensor zum Erfassen der Position dieses Mastteils zugeordnet.
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Nach diesem Stand der Technik wird an den jeweils zu prüfenden Höhenlagen des Mastes je eine Skalenplatte bzw. Skala als Lichtempfänger befestigt. Auf die Skala wird mit Hilfe des Lichtsenders ein Lichtstrahl, insbesondere Laserstrahl, gerichtet. Die Position des vom Lichtstrahl erzeugten Licht- bzw. Eichpunktes auf der Skala wird abgelesen und registriert. Daraufhin wird der Mast von einer Seite her, vorzugsweise annähernd quer zur Ebene von Lichtstrahl und Mast, durch die Krafteinheit, z. B. mit einem Druck vorgegebener Größe, belastet. Hierdurch wird ein Biegemoment auf den Mast ausgeübt. Nach Entlastung (Abschaltung der Krafteinheit) wird für jede Höhenlage nachgeprüft, ob und wie weit der vom Lichtstrahl erzeugte Lichtpunkt wieder bis zu dem am Anfang registrierten Eichpunkt zurückkehrt.
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Das Ablesen der Positionen der Lichtpunkte auf der Skala ist zeitraubend, entsprechend arbeitsaufwendig und in der Genauigkeit sehr begrenzt. Die ermittelten Daten können in Tabellen zusammengefaßt und/oder in einen Rechner eingegeben werden. Ein unmittelbarer anschaulicher Vergleich der an den verschiedenen Stellen des Mastes aufgenommenen Daten ist nicht möglich.
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Mit Hilfe einer Lichtquelle und einem Skalenschirm der beschriebenen Paarung kann immer nur eine – im wesentlichen quer zur Richtung des Lichtstrahls verlaufende – Komponente der Auslenkung des jeweils geprüften Mastes erfaßt und registriert werden. Es ist im Bekannten beispielsweise praktisch ausgeschlossen, mit Hilfe der einen Messung eine Auslenkung des Mastes zu bemerken oder gar zu registrieren, welche die in Richtung des Lichtstrahls verläuft. Solche Auslenkungen können aber – unabhängig von der Richtung, in der die Krafteinheit wirkt – vorkommen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Meßergebnisse der verschiedenen Höhenlagen des Mastes auf einem einzigen Lichtempfänger unmittelbar vergleichbar zu vereinigen.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht für die Anlage eingangs genannter Art darin, daß am Mast mit Abstand übereinander mindestens zwei Lichtquellen angebracht und auf einen gemeinsamen, gegenüber dem Boden ortsfesten Lichtempfänger gerichtet sind. Der Lichtempfänger soll dabei – ortsfest gegenüber dem Boden – annähernd vertikal über, zwischen oder unter den Lichtquellen positioniert werden. In der Regel wird – z. B. aus Platzgründen – eine Position oberhalb der Lichtquellen bevorzugt. Einige Verbesserungen und weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ähnlich wie nach oben genannter
DE 195 40 319 C1 kann auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung die nach dem Abschalten der Krafteinheit und Entlastung des Mastes verbleibende Mastauslenkung an mindestens zwei übereinander liegenden Stellen getrennt gemessen werden. Alternativ können auch andere Mastpositionen, ja sogar der gesamte (zeitliche) Verlauf der Mastauslenkung vom Beginn der Belastung bis zum Ende der Entlastung geprüft und registriert werden. Wenn neben einer Messung der Mastauslenkung mit deutlichem Abstand über dem Boden auch eine Messung unmittelbar am Boden vorgenommen wird, kann festgestellt werden, ob die jeweils ermittelte Gesamt-Auslenkung des Mastes allein auf einen Fehler des oberirdischen Mastteils oder – teilweise oder ganz – auf einen Fehler des Mast-Fundaments zurückzuführen ist.
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Um die vorstehenden Ziele im Rahmen der Erfindung zu erreichen, können am Mast mit Abstand übereinander mindestens zwei Lichtquellen angebracht und beide auf ein und denselben relativ zum Boden ortsfest fixierten Lichtempfänger gerichtet werden. Dieser empfängt dann von jeder Lichtquelle ein Lichtsignal, das jeweils momentan beispielsweise als Lichtfleck – mehr oder weniger kleinen Durchmessers – zu erkennen ist. Zur Unterscheidung können die von den einzelnen Lichtquellen ausgesandten Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Farben und/oder mit unterschiedlichem Lichtfleck-Durchmesser erscheinen. Der Lichtempfänger kann im Rahmen der Erfindung die Form eines Schirms (bzw. einer Schirmplatte), insbesondere ausgebildet als durchscheinende Mattscheibe, haben.
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Bei Anwendung der Erfindung mit einer nahe dem Boden und einer deutlich darüber am Mast befestigten Lichtquelle, die beide auf einen annähernd vertikal darüber (bzw. dazwischen oder darunter) ortsfest angeordneten Lichtempfänger gerichtet werden, läßt sich die Qualität des zu prüfenden Mastes bereits mit bloßem Auge abschätzen. Hierzu kann beispielsweise folgendermaßen vorgegangen werden: Zunächst werden die Lichtquellen in der Ruhelage des Mastes (vor dem Aufbringen der Prüflast) auf einen beispielsweise als Schirm ausgebildeten Lichtempfänger, gerichtet. Die Relativposition der von den Lichtquellen auf dem Schirm erzeugten Lichtflecke wird ermittelt und festgehalten. Nach dem Belasten und anschließenden Entlasten des Mastes wird dann nachgesehen, ob sich die Relativposition der von den Lichtquellen auf dem Schirm erzeugten Lichtflecke geändert hat oder nicht. Überraschend kann erfindungsgemäß mit einem Blick – im allgemeinen mit dem bloßen Auge – festgestellt werden, ob der jeweilige Mast in Ordnung ist oder nicht. Hat sich nämlich die Relativposition der Lichtflecke auf dem Schirm nach der Entlastung nicht wesentlich geändert, so kann der Mast als ausreichend stabil eingeschätzt werden. Hat sich dagegen die Relativposition der Lichtflecke deutlich geändert, so muß der Mast näher untersucht werden. Es kommt dabei auf die Relativposition, z. B. dem gegenseitigen Abstand, der Lichtflecke an. Wenn die Lichtflecke – mit unverändertem gegenseitigen Abstand – insgesamt verschoben erscheinen, kann der geprüfte Mast trotzdem als in Ordnung eingestuft werden.
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Die im Rahmen der Erfindung zu erzielenden Meßergebnisse können auch automatisch registriert werden. Hierzu werden gemäß weiterer Erfindung dem Lichtempfänger bzw. Schirm Mittel zum Erfassen der Positionen der von den Lichtquellen erzeugten Lichtflecken zugeordnet. Wenn als Mittel zum Erfassen der auf dem Schirm erzeugten Lichtflecken evtl. auch deren Bewegung während der Be- und Entlastung eine Meßkamera, insbesondere CCD-Kamera, vorgesehen wird, lassen sich die Meßergebnisse sogar on-line aufzeichnen bzw. auf einem Bildschirm wiedergeben. Bevorzugt wird es in diesem Fall, als Lichtempfänger eine Mattscheibe zu verwenden, welcher rückseitig – auf der von der Lichtquelle abgewandten Seite – das Mittel zum (vorzugsweise optischen) Erfassen des jeweiligen momentan durch einen Lichtstrahl erzeugten Lichtfleckens zugeordnet ist.
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Die verwendeten Lichtquellen sollen im Rahmen der Erfindung möglichst scharf gebündelte Lichtstrahlen aussenden. Als Lichtquelle sind daher geeignet, Glühlampen, denen eine Optik zum Bündeln der abgegebenen Strahlung zugeordnet ist, Laser, Leuchtdioden, LED's usw. Wegen seiner energiereichen eng ausblendbaren Strahlen wird der Laser im Rahmen der Erfindung bevorzugt. Ferner wird im Rahmen der Erfindung bevorzugt ein Lichtempfänger verwendet, der aus einer Mattscheibe besteht, welche rückseitig von einer Meßkamera, insbesondere CCD-Kamera, abzutasten ist. Meßkameras dieser Art sind bekannt.
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Für die Registrierung von Meßergebnissen wird der Meßkamera bevorzugt – über Draht oder drahtlos – ein Rechner bzw. Controller nachgeschaltet, der die Koordinaten des auf dem Schirm bzw. der Mattscheibe erzeugten Lichtflecke mit bis herab zu Subpixel-Genauigkeit und in Kamera-Echtzeit berechnet, so daß die aktuellen Projektionsergebnisse an einer Schnittstelle des Anwender-PC's bereitgestellt sowie durch Anwender-Software aufbereitet werden können. Diese hochpräzise Meßtechnik läßt überraschend nicht nur die Aufzeichnung in derjenigen Ebene zu, die quer zu der von Lichtstrahl und Mast aufgespannten Ebene verläuft, sondern ermöglicht es praktisch ohne weiteres Zutun, räumliche Koordinaten, (also 3D-Koordinaten) aufzunehmen. Die Mastauslenkung kann also räumlich – und damit selbst innerhalb der von Mast und Lichtstrahl aufgespannten Ebene selbst – registriert werden.
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Ein Kern der vorliegenden Erfindung besteht darin, die von mindestens zwei Lichtquellen ausgehenden Lichtstrahlen in einem einzigen Lichtempfänger sichtbar zu machen bzw. zu registrieren. Wenn zum Registrieren eine Meßkamera benutzt wird, können die von jeder der Lichtquellen gelieferten Daten getrennt registriert werden, weil die relativ langsamen Bewegungsvorgänge beim Prüfen des Mastes digital nacheinander zu erfassen sind. Beispielsweise kann die Meßkamera im Multiplex-Verfahren zwischen den von den einzelnen Lichtquellen auf dem Schirm erzeugten Lichtflecken hin- und hergeschaltet werden.
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Bei Einsatz je einer Lichtquelle, z. B. je eines Lasers, insbesondere eines gekoppelten Laserpaars bzw. eines Doppellasers, können mit Hilfe des einen Lichtempfängers bzw. Schirms für beide bzw. alle Meßpunkte am Mast die durch das Biegemoment verursachten Auslenkungen sowohl in der horizontalen x-y-Ebene als auch (zugleich) in der vertikalen z-Richtung gemessen und (on-line) registriert sowie beispielsweise auf einem Bildschirm praktisch lückenlos – in sogenannter Echtzeit – dargestellt werden.
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Auch bei Einsatz eines Doppellasers oder dergleichen wird es im Rahmen der Erfindung vorgezogen, einen der Meßpunkte unmittelbar am Mastfuß vorzusehen. Wenn der zu prüfende Mast – im allgemeinen etwa 1 m über dem Boden – eine Revisionstür besitzt, soll der zweite Meßpunkt nicht nur deutlich oberhalb des Mastfußes, sondern auch oberhalb der Revisionstür vorgesehen werden. Zumindest an diesen beiden Meßpunkten sollen gegebenenfalls Lichtquellen angebracht werden, die auf einen einzigen bei der Messung ortsfest (in Bezug auf den Boden) positionierten Lichtempfänger zu richten sind. Bei einer solchen Meßanordnung lassen sich die gegenüber horizontalen Mastauslenkungen relativ kleinen vertikalen Verschiebungen sehr gut (zugleich) ermitteln, speziell wenn der Lichtempfänger angenähert vertikal über den beiden Lichtquellen positioniert wird. Da die vertikalen Bewegungen der beiden Lichtquellen praktisch gleich sind, genügt es, den Lichtempfänger bzw. dessen Software so auszulegen, daß die z-Bewegungen nur der einen Lichtquelle registriert bzw. sichtbar gemacht werden. Wegen der größeren Meßgenauigkeit soll dabei die vertikale Bewegung der Lichtquelle beobachtet werden, die näher am Lichtempfänger steht.
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Anhand der schematischen Darstellung des Ausführungsbeipiels werden Einzelheiten der Erfindung erläutert. Es zeigen
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1 eine Prüfanlage mit zwei Meßpunkten am Mast; und
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2 einen als Schirm bzw. Mattscheibe ausgebildeten Lichtempfänger.
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In 1 wird eine auf einen im Boden 1 verankerten Mast 2 gegebenenfalls Zug oder Druck ausübende Biegelast durch einen Doppelpfeil 3 symbolisiert. Die Biegelast 3 kann durch irgendein Druck- oder Zugmittel in den Mast 2 eingeleitet werden. Sie soll so groß sein, daß am Mast 2 oder dessen Fundament 4 vorhandene Mängel normalerweise – bei Anwendung des nachfolgend beschriebenen Meßverfahrens – offenbar werden.
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Der Mast 2 nach 1 besitzt in einer Höhe von etwa einem Meter über dem Boden ein Revisionsfenster 5. Unterhalb dieses Revisionsfensters 5 wird am Mastfuß 6, in unmittelbarer Nähe des Bodens 1, eine erste (untere) Lichtquelle 7 befestigt. Mit deutlichem Abstand oberhalb der unteren Lichtquelle 7 wird am Mast 2 eine zweite bzw. obere Lichtquelle 8 befestigt. Die untere und obere Lichtquelle 7, 8 können durch eine Verbindung 9 elektrisch und/oder mechanisch gekoppelt werden. Wenn als Lichtquellen Laser benutzt werden, kann die Verbindung 9 einen Doppellaser kennzeichnen.
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Die Lichtquellen 7 und 8 werden mit ihren Lichtstrahlen 10 und 11 auf einen Lichtempfänger 12 gerichtet. Im gezeichneten Ausführungsbeispiel wird angenommen, daß der Lichtempfänger 12 als Mattscheibe ausgebildet ist, deren Rückseite – den Lichtquellen 7, 8 gegenüberliegend – eine Meßkamera 13 zugeordnet ist. Die Meßkamera wird (zusammen mit dem Lichtempfänger 12) von einem Stativ 14 aufgenommen, das eine ortsfeste Lagerung von Meßkamera und Lichtempfänger relativ zum Boden 1 garantiert.
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Der Lichtempfänger 12 soll erfindungsgemäß beispielsweise – wie in der Zeichnung dargestellt – etwa vertikal oberhalb der beiden Lichtquellen 7, 8 angeordnet werden. Jede der beiden Lichtquellen 7, 8 erzeugt dann mit ihrem Lichtstrahl, 10, 11 einen mehr oder weniger großen Lichtfleck 15, 16 auf dem Lichtempfänger 12 nach 2. Wenn die untere Lichtquelle 7 einen größeren Abstand zum Lichtempfänger 12 als die obere Lichtquelle 8 besitzt, kann angenommen werden, daß der Lichtfleck 15 des unteren Lichtstrahls 10 weniger scharf bzw. eng begrenzt wird, als der Lichtfleck 16, den der obere Lichtstrahl 11 erzeugt.
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In 2 werden die beiden Lichtflecke 15 und 16 auf einem Schirm symbolisch dargestellt gedacht. Die Abbildung der Lichtflecke 15 und 16 kann aber auch nach 1 auf elektronischem Wege über einen der Meßkamera 13 nachgeschalteten Controller 17 per Draht 18 oder drahtlos auf den Bildschirm 19 eines PC's oder Laptops übertragen werden. In diesem Falle kann (auf dem Bildschirm 19) wahlweise das in der Zeichnung von 1 dargestellte Bild für die drei Koordinaten der Mastauslenkung aufgezeichnet werden. Auf dem Bildschirm 19 also können drei Kurven aufgezeichnet werden, nämlich eine Kurve 20 betreffend den zeitlichen Ablauf der horizontalen Auslenkung in der x-y-Ebene des Mastes 2 im Bereich der unteren Lichtquelle 7 und eine Kurve 21, die den zeitlichen Ablauf der entsprechenden Auslenkung der oberen Lichtquelle 8 des Mastes 2 in der x-y-Ebene zeigt. Außerdem kann auf dem Bildschirm 19 der zeitliche Ablauf der durch die Biegelast 3 verursachten Auslenkung (Anhebung oder Senkung) des Mastes 2 in Richtung der (vertikalen) z-Achse als Bild 22 dargestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Boden
- 2
- Mast
- 3
- Biegelast
- 4
- Fundament
- 5
- Revisionsfenster
- 6
- Mastfuß
- 7
- untere Lichtquelle
- 8
- obere Lichtquelle
- 9
- Verbindung (7, 8)
- 10
- Lichtstrahl (7)
- 11
- Lichtstrahl (8)
- 12
- Lichtempfänger
- 13
- Meßkamera
- 14
- Stativ
- 15
- Lichtfleck (7)
- 16
- Lichtfleck (8)
- 17
- Controller
- 18
- Leitung
- 19
- Bildschirm
- 20
- zeitlicher x-y-Verlauf von (7)
- 21
- zeitlicher x-y-Verlauf von (8)
- 22
- zeitlicher Verlauf in z-Richtung
