DE102007051519A1

DE102007051519A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen in Druckbehältern, insbesondere Autoklaven

Info

Publication number: DE102007051519A1
Application number: DE200710051519
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Schneider; Ernst Prof. Dr. Schlegel
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2007-10-19
Filing date: 2007-10-19
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2027-10-20
Also published as: DE102007051519B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen, insbesondere Masse- und Längenänderungen sowie Druck-, Zug-, Biege- oder Spaltzugfestigkeiten, an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern, insbesondere Sattdampfautoklaven. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellung des mechanischen Kontaktes zwischen einem Messgeber/Fühler mit einem Messobjekt im Inneren des Druckbehälters, b) kontinuierliche oder zyklische Messung mindestens eines Werkstoffkennwertes in situ durch einen außerhalb des Druckbehälters befindlichen Sensors, c) Auswertung der Messergebnisse und Weiterleitung der prozessrelevanten Steuergrößen an Regeleinrichtungen der Vorrichtung. Die Vorrichtung hat mindestens ein Messgestänge innerhalb des Druckbehälters, das mechanischen Kontakt mit dem Messobjekt hat und durch eine Durchführung durch die Wandung des Druckbehälters nach außen geführt wird, wo die zu messende(n) Größe(n) durch mindestens einen geeigneten Sensor aufgenommen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen in Druckbehältern, insbesondere Autoklaven.
Ein Autoklav ist ein gasdicht verschließbarer Druckbehälter. Er wird für verschiedene Anwendungen in unterschiedlichen, jeweils angepassten Ausführungen verwendet.
So genannte dampfgehärtete Baustoffe, zum Beispiel Kalksandstein und Porenbeton, werden in Autoklaven in einer hochgespannten Wasserdampfatmosphäre bei Temperaturen bis über 220°C in einem zyklischen Prozess verfestigt.
Dabei laufen mehrere komplexe Prozesse ab, insbesondere:
physikalische Vorgänge, wie Temperatur-, Längen-, Masse- und Festigkeitsänderungen sowie Auflösung, Keimbildung und Kristallisation der Feststoffe, und chemische Prozesse, wie Konzentrationsänderungen in Lösungen sowie chemische Reaktionen der Rohstoffe.
Ein genereller Nachteil ist, dass sich dieser Verfestigungs- und Reaktionsprozess im geschlossenen Raum des Autoklaven abspielt und sich die dort ablaufenden Vorgänge einer direkten Beobachtung und so auch der Messung von physikalischen Größen, wie insbesondere Längen- und Masseänderungen sowie der Festigkeitsentwicklung am Einsatzgut entziehen.
Aus messtechnischer Sicht bereitet insbesondere die gleichzeitige Anwesenheit von flüssigem Kondensat und Sattdampf bei den oben genannten erhöhten Temperaturen und dem Überdruck ernorme Schwierigkeiten. Wie der Stand der Technik aktuell beweist, existieren und sind für diese extremen atmosphärischen Bedingungen weltweit keine Messeinrichtungen verfügbar oder andere technische Lösungen bekannt geworden. Gleiches ist für entsprechende Sensoren für die jeweiligen Messgrößen zutreffend.
Damit muss der Autoklav hinsichtlich der Erkennung und Erfassung der in ihm ablaufenden Prozesse aus messtechnischer Sicht als ,Black-Box' eingestuft werden.
Für eine gezielte Beeinflussung und Verbesserung dieses Verfestigungsprozesses ist es aber wesentlich, Parameter über den Verlauf einer Autoklavierung messtechnisch erfassen zu können.
In der DE 100 42 627 A1 wird ein Verfahren vorgestellt, bei welchem die Temperatur des Einsatzgutes im Kern und an der Oberfläche gemessen wird und anhand dieser Messung die Energiezufuhr und -abfuhr geregelt wird. Zusätzlich wird vorgeschlagen, auch eine Dampfmengenmessung durchzuführen und in die Regelung mit einzubeziehen. Da bei dem vorgeschlagenen Verfahren jedoch lediglich die Temperatur gemessen wird, können keine Rückschlüsse auf die Festigkeit und andere Materialparameter des Einsatzgutes gezogen werden. Für die Bearbeitung verschiedener Einsatzgüter unterschiedlicher Größe ist das Verfahren ungeeignet, da für jedes Material und dessen Größe erst umfangreiche empirische Erfahrungswerte für die Interpretation der Temperaturmessergebnisse ermittelt werden müssen.
In der DE 195 41 886 A1 wird ein Verfahren zum hydrothermalen Härten und Trocknen von CSH-gebundenen Formkörpern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Dabei wird die Temperatur an der Materialoberfläche mittels eines Temperaturfühlers gemessen und anhand der Messergebnisse die Überhitzung bzw. Kühlung des zuzuführenden Dampfes geregelt. Auch bei diesen Verfahren bzw. der zugehörigen Vorrichtung wird lediglich die Temperatur gemessen, was zu zuvor genannten Unzulänglichkeiten führt.
Bei dem in der DE 198 47 780 C1 vorgestellten Verfahren zur thermischen Behandlung von Kalksandsteinen, Porenbetonsteinen oder ähnlichen Bauelementen wird sowohl der Innendruck im Autoklaven als auch der Temperaturgradient zur Regelung der Wasserdampfeinleitung während der Aufheizphase als Regelgrößen genutzt. Ähnlich wie bei den vorstehend beschriebenen Verfahren bzw. Vorrichtungen werden auch bei dieser Lösung nur indirekte Parameter gemessen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen, insbesondere Masse- und Längenänderungen sowie Druck-, Zug-, Biege- oder Spaltzugfestigkeiten, an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch eins und eine Vorrichtung nach Anspruch fünf. Vorzugsweise Weiterbildungen sind in rückbezogenen Unteransprüchen dargelegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung von Werkstoffkenngrößen an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern ist gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

a) Herstellung des mechanischen Kontaktes zwischen einem Messgeber/Fühler mit einem Messobjekt im Inneren des Druckbehälters,
b) Kontinuierliche oder zyklische Messung mindestens eines Werkstoffkennwertes in situ durch einen außerhalb des Druckbehälters befindlichen Sensor,
c) Auswertung der Messergebnisse und Weiterleitung der prozessrelevanten Steuergrößen an Regeleinrichtungen der Vorrichtung.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird kontinuierlich während der Messung der, das Messergebnis erheblich verfälschende Einfluss des Innendruckes des Druckbehälters kompensiert.
Für die Messung von Härten oder Festigkeiten wird als ein zusätzlicher Verfahrensschritt zwischen den Schritten a) und b) eine definierte Prüfkraft auf das Messobjekt aufgebracht. Damit sind Messungen von Werkstoffkenngrößen wie Härten (z. B. nach Brinell oder Vickers) oder Zug- und Druckfestigkeiten möglich.
Für die Messung von Masse und/oder Masseänderungen wird das Messobjekt auf einer am Messgestänge angehängten Wägeplattform positioniert Bei der Messung von Längen und/oder Längenänderungen wirkt das Messgestänge als Taster am Messobjekt.
Für die Messung von Festigkeiten wird als ein zusätzlicher Verfahrensschritt zwischen den Schritten a) und b) eine definierte Prüfkraft, vorzugsweise in Form einer Zugkraft über das Messgestänge auf das Messobjekt aufgebracht. Damit sind Messungen von Zug- und Druckfestigkeiten, Spaltzugfestigkeiten und Biegefestigkeiten möglich.
Für die Messung von Zugfestigkeiten wird das Messobjekt in einer geeigneten Vorrichtung, beispielsweise von zwei gegenüberliegenden Spannzangen, eingespannt, um die Prüfzugkraft zu übertragen. Bei der Messung von Druckfestigkeiten kann ein Umkehrgehänge eingesetzt werden, welches die über das Messgestänge eingeleitete Zugkraft in eine auf das Messobjekt wirkende Druckkraft umkehrt.
Härtemessungen sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls möglich; hierzu ist es notwendig, einen geeigneten Prüfkörper am Messgeber/Fühler für den Kontakt mit dem Messobjekt anzuordnen. Bei der Messung wird dann eine definierte Kraft über das Messgestänge eingeleitet und die Einpresstiefe gemessen.
Um den Verlauf während der Behandlung des Messobjektes im Druckbehälter darzustellen sind mehrere zeitlich beabstandete Härte- oder Festigkeitsmessungen notwendig. Dafür sind im Inneren mehrere Messobjekte vorhanden, wobei von außen betätigt nach einer Messung das nächste Messobjekt in den Kontaktbereich des Messgebers/Fühlers gebracht wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern, hat mindestens ein Messgestänge, das innerhalb des Druckbehälters mechanischen Kontakt mit dem Messobjekt herstellt. Das Messgestänge wird durch eine Durchführung durch die Wandung des Druckbehälters nach außen geführt, wo mindestens eine zu messende Größe durch mindestens einen geeigneten Sensor aufgenommen wird.
In den Messergebnissen muss der auf den Querschnitt des Messgestänges wirkende Innendruck des Druckbehälters kompensiert werden. Dies kann durch einen Drucksensor im Inneren des Druckbehälters und eine nachträgliche rechnerische Bereinigung der Messergebisse realisiert werden. Dies ist jedoch sehr aufwendig. Zudem zeigte sich in Versuchen, dass die rechnerische Bereinigung sehr ungenau ist.
Daher weist die Vorrichtung in einer besonders bevorzugten Ausführung ein Ausgleichsgestänge auf, das über einen Ausgleichshebel den Innendruck des Druckbehälters in den Messergebnissen kompensiert. Das Ausgleichsgestänge hat den gleichen Querschnitt wie das Messgestänge, so dass der Innendruck des Druckbehälters die gleiche Druckkraft auf beide Gestänge erzeugt. Über einen Ausgleichshebel wird die Kraft umgelenkt und auf das Messgestänge übertragen, so dass die Druckkraft aufgrund des Innendruckes des Druckbehälters kompensiert wird.
Insbesondere für Festigkeitsmessungen ist es vorteilhaft, wenn die Verbindung des Ausgleichshebels mit dem Messgestänge und/oder dem Ausgleichsgestänge lösbar ausgeführt ist, da dann nach dem Aufbringen der Prüfkraft der Ausgleichshebel wieder in eine symmetrische Position gebracht und die Verbindung zwischen Ausgleichshebel und Mess- bzw. Ausgleichsgestänge wieder verbunden werden kann. Alternativ besteht die Möglichkeit, die Lagerung des Ausgleichshebels parallel und/oder orthogonal zu den Gestängen zu gestalten. Die orthogonale Verstellung dient dann der Anpassung der Hebelverhältnisse an das Verhältnis der Querschnitte von Ausgleichs- und Messgestänge. Die parallele Verstellung wird zum Heranjustieren des Messgestänges an das Messobjekt genutzt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Durchführung der/des Messgestänge(s) und des Ausgleichsgestänges durch die Wandung des Druckbehälters mindestens eine Lippendichtung und/oder mindestens eine konzentrische Führung auf. Dabei erwies sich ein Spiel zwischen Lippendichtung und Gestänge zwischen 0,01 mm und 0,02 mm als vorteilhaft. Die Lippe der Dichtung weist in Richtung des Druckbehälters, da sich die Lippe dann durch den Innendruck des Behälters proportional zu diesem an das Gestänge anlegt und somit eine konstante Leckrate gewährleistet. Zudem gewährleistet ein geringer Dampfverlust durch Nassschmierung eine effektive Verringerung der Gleitreibung.
Vorteilhaft weist die Vorrichtung weiterhin eine Vibrationseinrichtung auf. Diese regt die Vorrichtung mit einer mechanischen Schwingung an, wodurch durch Haftreibung entstehende Stip-Slick-Effekte bei der Bewegung der Gestänge vollständig verhindert werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung sind alle Teile der Vorrichtung auf einer Grundplatte und an einem Gestell angeordnet. Dadurch ist eine schnelle Verbindung von Vorrichtung und Druckbehälter möglich, da die Vorrichtung lediglich von den Flanschen des Druckbehälters entfernt werden muss und die Flansche anschließend zu verschließen sind. Dadurch ist die Vorrichtung als portable Messeinrichtung nutzbar.
Die Erfindung ermöglicht das kontinuierliche Messen von verschiedenen Werten, wie Längenänderungen, Massen und Masseänderungen und Festigkeiten. Unter Hinzunahme von geeigneten Messeinrichtungen für Druck und Temperatur können somit erstmals die Vorgänge im Autoklaven komplex analysiert werden.
Eine Anpassung an die verschiedenen Messaufgaben ist durch einen einfachen Austausch des Sensors und der jeweiligen mechanischen Probenaufnahmen bzw. Krafteinleitungselemente möglich.
Vorteilhaft ist das Verfahren und die Vorrichtung unter extremen Bedingungen, wie hoher Über- oder Unterdruck, hohe Temperatur und/oder im Sattdampf einsetzbar.
Vorteilhaft ist der Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung an verschiedensten Druckbehältern bzw. Reaktoren mit anderen Medien als Wasserdampf einsetzbar. Zudem kann die Vorrichtung auch für andere Messungen, zum Beispiel für Massemessungen an Schüttungen oder von Flüssigkeiten in entsprechenden Aufnahmegefäßen in Druckbehältern, benutzt werden.
Die Messergebnisse können nachfolgend mit geeigneter Datenverarbeitungstechnik online erfasst, verarbeitet und ausgewertet werden.
Anhand beigefügter Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine halbseitig geschnittene Darstellung der Messvorrichtung,
2 eine Detaildarstellung der druckfesten mechanischen Durchführung der Gestänge.
Die in 1 gezeigte Messvorrichtung zur Messung von Masse und Masseänderungen besteht aus zwei Gestängen 1 und 2, die mittels Flanschen 11 und 21 an korrespondierenden Öffnungen 12 und 22 in der Wandung 7 eines Autoklaven befestigt werden. Dabei ist das Gestänge 1 das Messgestänge und das Gestänge 2 das Ausgleichsgestänge. Beide Gestänge weisen den gleichen Durchmesser auf. In den Flanschen 11 und 21 befindet sich je eine druckfeste und reibungsarme Durchführung 13 und 23. Die Durchführung ist in 1 nur für das Gestänge 1 dargestellt, da nur dieses geschnitten dargestellt ist; das Ausgleichsgestänge 2 weist jedoch eine gleiche Durchführung auf.
Weiterhin ist an den Flanschen 11 und 21 eine Grundplatte 8 und an dieser ein Gestell 3 befestigt. Das Gestell 3 nimmt einen Ausgleichshebel 4 auf, der an den Enden seiner beiden Arme 4a und 4b mit dem Messgestänge 1 und dem Ausgleichsgestänge 2 spielfrei verbunden ist. Dafür ist über dem Augleichshebel 4 an beiden Gestängen eine Druckfeder 14 vorgesehen.
Der Ausgleichshebel 4 neutralisiert die infolge des Innendruckes auf den Querschnitt des Messgestänges wirkende Kraft, die jegliche Messung stark verfälscht, durch Krafteintrag identischer Größenordnung des Ausgleichsgestänges. Dafür sind beide Hebelarme 4a und 4b des Ausgleichshebels 4 gleich lang. In dem Fall, dass die Gestänge 1 und 2 unterschiedliche Durchmesser aufweisen, müssen die Längen der Hebelarme 4a und 4b des Ausgleichshebels 4 dementsprechend auf Kräftegleichgewicht eingestellt/angepasst werden.
Im oberen Bereich des Gestells 3 ist weiterhin eine, mit dem Messgestänge 1 verbundene, Wägezelle 5 an einer Halterung angeordnet. Zwischen der Wägezelle 5 und der Halterung der Wägezelle 5 ist eine Überlastsicherung angeordnet, die eine Beschädigung der Wägezelle 5 durch eine Überschreitung der Nennlast verhindert.
An dem im Autoklaven befindlichen Ende des Messgestänges 1 ist ein Lasthaken 6 zur Aufnahme des zu härtenden Materials, vorzugsweise auf einer angehängten Wägeplattform, angeordnet.
Bei Messungen von Festigkeiten werden hier die entsprechenden Lasteintragsvorrichtungen wie z. B. Spannzangen bei Zugfestigkeitsmessungen oder ein Umkehrgehänge bei Messungen der Druck-, Biegung- und Spaltzugfestigkeit mit den erforderlichen Lastauflageelementen mechanisch an den Lasthaken 6 angekoppelt.
2 zeigt die Schnittdarstellung einer Durchführung 13 oder 23. Der Flansch 11 hat Befestigungslöcher 131 zur Befestigung in der Wandung (7 in 1) des Autoklaven. Die Durchführung weist zwei metallische Lippendichtungen 132 aus einer Kupfer-Zinn-Zink-Legierung auf. Zwischen den Lippendichtungen 132 befindet sich eine konzentrische Führung, bestehend aus einer Zentrierhülse 133. Die Lippendichtungen 132 besitzen überdruckseitig eine zum Gestänge hin scharf auslaufende konische Geometrie mit einem Winkel von 25° gegenüber dem Gestänge (1 oder 2 in 1) bei einer Länge von 4 mm. Mit zunehmendem Innendruck des Autoklaven legt sich die Lippe der Lippendichtung 132 an das Gestänge 1 oder 2 an und gewährleistet somit eine konstante Leckrate. Zwischen dem Gestänge 1 oder 2 und den jeweiligen Lippendichtungen 13 und 23 ist ein Spiel von 0,01 bis 0,02 mm vorgesehen. Durch geringen Dampfverlust wird eine Nassschmierung der Lippendichtungen 132 gewährleistet, wodurch die axiale Haft- und/oder Gleitreibung an den Durchführungen effektiv minimiert wird.

1: Messgestänge
2: Ausgleichsgestänge
3: Gestell
4: Ausgleichshebel
4a: Arm des Ausgleichshebels
4b: Arm des Ausgleichshebels
5: Wägezelle mit Halterung
6: Lasthaken
7: Wandung
8: Grundplatte
11: Flansch
12: Öffnung
13: Durchführung
131: Befestigungsloch Flansch
132: Lippendichtung
133: Zentnerhülse
14: Druckfeder
15: Überlastsicherung
21: Flansch
22: Öffnung
23: Durchführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10042627 A1 [0009]
- DE 19541886 A1 [0010]
- DE 19847780 C1 [0011]

Claims

Verfahren zur Messung von Werkstoffkenngrößen, insbesondere Masse- und Längenänderungen sowie Druck-, Zug-, Biege- oder Spaltzugfestigkeiten, an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern, insbesondere Sattdampfautoklaven, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung des mechanischen Kontaktes zwischen einem Messgeber/Fühler mit einem Messobjekt im Inneren des Druckbehälters, b) Kontinuierliche oder zyklische Messung mindestens eines Werkstoffkennwertes in situ durch einen außerhalb des Druckbehälters befindlichen Sensor (5), c) Auswertung der Messergebnisse und Weiterleitung der prozessrelevanten Steuergrößen an Regeleinrichtungen der Vorrichtung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass kontinuierlich während der Messung der Einfluss des Innendruckes des Druckbehälters kompensiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Messung von Härten oder Festigkeiten als ein zusätzlicher Verfahrensschritt zwischen den Schritten 1 und 2 eine definierte Prüfkraft auf das Messobjekt aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 3 zur Durchführung von mehreren Messung von Härten oder Festigkeiten in zeitlichem Abstand, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckbehälter mehrere Messobjekte vorhanden sind und nach jeder Messung das nächste Messobjekt in den Kontaktbereich des Messgestänges gebracht wird.
Vorrichtung zur Messung von Werkstoffkenngrößen, insbesondere Masse- und Längenänderungen sowie Druck-, Zug-, Biege- oder Spaltzugfestigkeiten, an Messobjekten, insbesondere von Bau- und Wärmedämmstoffen, während der Behandlung in Druckbehältern, insbesondere in Sattdampfautoklaven, wobei mindestens ein Messgestänge (1) innerhalb des Druckbehälters mechanischen Kontakt mit dem Messobjekt hat und durch eine Durchführung (13) durch die Wandung (7) des Druckbehälters nach außen geführt wird, wo die zu messende(n) Größen) durch mindestens einen geeigneten Sensor (5) aufgenommen werden.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Ausgleichsgestänge (2) aufweist, das über einen Ausgleichshebel (4) den Innendruck des Druckbehälters in den Messergebnissen kompensiert.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (13, 23) der/des Messgestänge(s) (1) und des Ausgleichsgestänges (2) durch die Wandung (7) des Druckbehälters mindestens eine Lippendichtung (132) und/oder mindestens eine konzentrische Führung (133) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spiel zwischen Lippendichtung (132) und Gestänge (1, 2) zwischen 0,01 mm und 0,02 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine Vibrationseinrichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass alle Teile der Vorrichtung an einem Gestell (3) auf einer Grundplatte (8) angeordnet sind.