DE102012002359A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion einer Messkette aus optischen Dehnungssensoren - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überprüfung der Funktion einer Messkette aus optischen Dehnungssensoren, die mit einer Auswerteelektronik signaltechnisch verbunden ist, wobei die Faser-Bragg-Sensoren an einem Großobjekt appliziert sind und das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Prüfvorrichtung, die an das Ende der Messkette angeschlossen wird, wobei die Prüfvorrichtung wenigsten einen Faser-Bragg-Sensor 5 aufweist, der mit einer Dehnungsvorrichtung 2 gekoppelt ist, die die Einstellung einer vorbestimmten Dehnung am Faser-Bragg-Sensor 5 ermöglicht, Feststellen, dass der Faser-Bragg-Prüfsensor 5 von der Auswerteelektronik erkannt wird, erzeugen einer vorbestimmten ersten Dehnung mittels der Dehnungsvorrichtung 2, feststellen, dass die erste Dehnung von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird, erzeugen einer vorbestimmten zweiten Dehnung, die nicht identisch ist mit der ersten Dehnung und feststellen, dass die zweite Dehnung von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Prüfvorrichtung zur Überprüfung der Funktion einer Messkette aus optischen Dehnungssensoren.
- Unter einer Messkette wird nachfolgend eine Vielzahl von Dehnungssensoren verstanden, die miteinander signaltechnisch gekoppelt sind. Es ist bekannt, zur Überwachung der Materialdehnung großer Objekte, wie z. B. Brücken oder Gebäude, an ausgewählten Stellen Dehnungssensoren zu einzusetzen. Auf Grund dem Fachmann bekannter vorteilhafter Eigenschaften werden dafür zunehmend optische Sensoren verwendet, die ein Faser-Bragg-Gitter aufweisen, nachfolgend FBG-Sensoren genannt.
- Bei der Überwachung der Großobjekte müssen oft sehr viele FBG-Sensoren eingesetzt werden, da die Sensoren nur wenige Millimeter groß sind und somit nur Dehnungsänderungen an ihrer ebenso kleinen Applikationsstelle messbar sind. Aus dem Dokument
DE 2009 058 520 A1 ist entnehmbar, dass die Bauwerksüberwachung mit FBG-Sensoren trotz der erreichbaren hohen Messgenauigkeit aufwendig und teuer ist. Die Gesamtkosten setzten sich zusammen aus den Gerätekosten, den Applikationskosten und den Kosten zur Funktionsüberprüfung applizierten FBG-Sensoren am Bauwerk. - In der Dissertation „Entwicklung eines experimentell gestützten Bewertungsverfahrens zur Optimierung und Charakterisierung der Dehnungsübertragung oberflächenapplizierter Faser-Bragg-Gitter-Sensoren”, vorgelegt von Dipl.-Ing. Vivien Gisela Schlüter von der Fakultät V Verkehrs- und Maschinensysteme der Technischen Universität Berlin, 2010 sind die vielfältigen Fehlerquellen für oberflächenapplizierte FBG-Sensoren beschrieben. Es wird festgestellt, dass es kein geprüftes und zertifiziertes Applizierungsverfahren gibt. Das in der Dissertation beschriebene optische Referenzverfahren zur Prüfung einer Applikationsstelle ist jedoch für die Prüfung einer Vielzahl von Applikationsstellen unter rauen Praxisbedingungen nicht geeignet.
- Es besteht daher die Aufgabe, eine Möglichkeit zu schaffen, mit der eine Vielzahl von Applikationsstellen mit FBG-Sensoren, die hintereinander zu einer Messkette verschaltet sind, unkompliziert, schnell und kostengünstig zu überprüfen.
- Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und mit einer Prüfvorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.
- Das Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer, eine Vielzahl von FBG-Sensoren aufweisenden Messkette, deren Anfang mit einer Auswerteelektronik signaltechnisch verbunden ist, wobei die FBG-Sensoren an einem Großobjekt appliziert sind, weist nachfolgende Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Prüfvorrichtung, die an das Ende der Messkette angeschlossen wird, wobei die Prüfvorrichtung wenigsten einen FBG-Sensor aufweist, der mit einer Dehnungsvorrichtung gekoppelt ist, die die Einstellung einer vorbestimmten Dehnung an dem FBG-Sensor der Prüfvorrichtung ermöglicht,
- – feststellen, dass der FBG-Sensor der Prüfvorrichtung von der am Anfang der Messkette angeschlossenen Auswerteelektronik erkannt wird,
- – erzeugen einer vorbestimmten ersten Dehnung mittels der Dehnungsvorrichtung, sodass der FBG-Sensor der Prüfvorrichtung dieser Dehnung ausgesetzt ist,
- – feststellen, dass die Größe der ersten Dehnung von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird,
- – erzeugen einer vorbestimmten zweiten Dehnung, die nicht identisch ist mit der ersten Dehnung und
- – feststellen, dass die Größe der zweiten Dehnung von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird.
- Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass mit sehr wenigen Verfahrensschritten und mit geringem gerätetechnischen Aufwand eine für die Praxis taugliche Funktionsüberprüfung der gesamten Messkette in kurzer Zeit durchgeführt werden kann.
- Nach Anspruch 2 wird wenigstens eine weitere vorbestimmte Dehnung erzeugt und die Größe einer der Dehnungen entspricht der maximal zulässigen Dehnung des FBG-Sensors. Mit diesem Verfahrensschritt wird eine weitere Verbesserung der Aussagegenauigkeit hinsichtlich der Funktionsfähigkeit der Messkette erreicht.
- Nach Anspruch 3 sind zwei FBG-Sensoren in einer Baueinheit vorgesehen, die mit den gleichen vorbestimmten Dehnungen beaufschlagt werden, wobei festgestellt wird, ob die Auswerteelektronik der beiden FBG-Sensoren der Prüfvorrichtung den gleichen Dehnungswert anzeigt. Mit diesem Verfahrensschritt wird eine noch weitere Verbesserung der Aussagegenauigkeit hinsichtlich der Funktionssicherheit der Messkette erreicht.
- Nach Anspruch 4 wird eine Prüfvorrichtung zur Durchführung eines Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 bereitgestellt, wobei die Prüfvorrichtung nachfolgende Merkmale aufweist: einen Verformungskörper mit wenigstens einem daran applizierten FBG-Sensor und eine Betätigungsvorrichtung zur Erzeugung einer definierten Verformung des Verformungskörpers. Bezüglich der konkreten Ausgestaltung eines Verformungskörpers bedarf es keiner weiteren Hinweise, da die Konstruktion von Verformungskörpern aus der Fachliteratur eindeutig entnehmbar ist. Die Betätigungsvorrichtung zur Verformung des Verformungskörpers kann unterschiedlich ausgebildet sein. Es ist z. B. möglich, einen Handgriff mit einem drehbaren Exzenter zu koppeln, der bei Drehung des Handgriffs auf den Verformungskörper einwirkt und diesen je nach Winkelstellung des Handgriffs verformt, sodass unterschiedliche Dehnungen an der Applikationsstelle des FBG-Sensors auftreten. Anstelle des handbetätigten Handgriffs ist weiterhin jede Art aus dem Stand der Technik bekannte Antriebsvorrichtung geeignet, wie z. B. eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Antriebsvorrichtung, die von Hand oder ferngesteuert sein kann.
- Der Vorteil dieser Prüfvorrichtung besteht darin, dass sie mit nur wenigen Bauteilen aufbaubar ist und mittels der vorbestimmten, durch Rastung erzeugten definierten Deformationen des Verformungskörpers immer eine ebenso definierte Dehnung erreichbar ist. Es ist aber dem Fachmann klar, dass die Rastung auch durch eine Klemmung ersetzt werden kann, wenn eine Skale vorgesehen ist, an welcher die Winkelstellung des Griffs erkennbar ist. Um die Funktion des Prüfsensors zu überprüfen, wird dieser direkt an die Auswerteelektronik angeschlossen. Somit kann vor der Funktionsüberprüfung der Messkette mit geringem Aufwand der Prüfsensor selbst geprüft werden.
- Nach Anspruch 5 ist der Verformungskörper mit dem FBG-Sensor von einem Schutzgehäuse umgeben. Als Betätigungsvorrichtung zur Erzeugung einer definierten Verformung des Verformungskörpers ist eine Exzentervorrichtung mit wenigstens zwei definierten Raststellungen vorgesehen, mit der der Verformungskörper definiert verformt wird und dadurch wenigstens zwei definierte Dehnungen einstellbar sind.
- Der Vorteil dieser Ausführungsform der Prüfvorrichtung besteht darin, dass durch das Schutzgehäuse ein gut handhabbares Gerät vorliegt, welches auch bei einem Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig arbeitet.
- Nachfolgend wird anhand eines Beispiels das Verfahren unter Verwendung der Prüfvorrichtung näher beschrieben.
-
1 zeigt eine schematische Seitenansicht der Prüfvorrichtung. - In einem robusten Aluminiumgehäuse
1 ist ein Ende einer blattförmigen Biegefeder2 an einer Einspannstelle3 befestigt. Das andere Ende der Biegefeder2 liegt auf der Außenfläche einer Exzentervorrichtung4 auf, die in Richtung des Doppelpfeils verschwenkbar ist. Die Verschwenkung erfolgt über einen außerhalb des Gehäuses1 angeordneten Drehgriffs (nicht gezeigt). Weiterhin ist noch eine Rastvorrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen, sodass die Verschwenkung in vorbestimmte Positionen erfolgen kann. Auf der Biegefeder2 ist ein FBG-Sensor5 appliziert, der über eine optische Faser6 mit einer optischen Kupplung7 verbunden ist. - Mittels des Drehgriffs sind folgende Belastungsstufen einstellbar:
Stufe 1 = 400 μm/m
Stufe 2 = 800 μm/m
Stufe 3 = 1200 μm/m - Wenn z. B. an einer Brücke die Biegungen der tragenden Elemente bei Belastung gemessen werden sollen, so werden entlang der Brücke eine Vielzahl von hintereinander geschalteter FBG-Sensoren als Messkette appliziert. Das Verfahren dient dazu, mittels der Prüfvorrichtung die Funktion der Messkette im unbelasteten Zustand zu überprüfen, d. h. wenn die Brücke nicht von einem fahrenden Zug belastet wird oder einem starken Wind ausgesetzt ist. Der Messcontainer mit den Interrogatoren und Auswerterechnern zur Erfassung und Verarbeitung der optischen Signale der FBG-Sensoren ist am vorderen Ende der Messkette angeschlossen.
- Die Funktionsüberprüfung der Messkette wird folgendermaßen durchgeführt:
- 1. Die Prüfvorrichtung wird mittels der optischen Kupplung
7 an das hintere Ende der Messkette angeschlossen. - Als Ergebnis muss der Auswerterechner den neu hinzugeschalteten FBG-Sensor des Prüfsensors richtig erkennen.
- 2. Per Sprechfunk wird eine Bedienperson angewiesen, an der Prüfvorrichtung mittels der Betätigungsvorrichtung zur Erzeugung einer definierten Verformung des Verformungskörpers
2 die Laststufe1 einzustellen. Als Ergebnis muss der Auswerterechner die Laststufe1 mit einer Dehnung von 400 μm/m an der Applikationsstelle des FBG-Sensors messen. - 3. Per Sprechfunk wird die Bedienperson angewiesen, die Laststufe
2 einzustellen. Als Ergebnis muss der Auswerterechner die Laststufe2 mit einer Dehnung von 800 μm/m an der Applikationsstelle des FBG-Sensors messen. - 4. Per Sprechfunk wird die Bedienperson angewiesen, die Laststufe
3 einzustellen. Als Ergebnis muss der Auswerterechner die Laststufe3 mit einer Dehnung von 1200 μm/m an der Applikationsstelle des FBG-Sensors messen. - Es ist für den Fachmann klar, dass anstelle einer Bedienperson die Einstellung der verschiedenen Laststufen auch mittels einer drahtgebundenen oder einer drahtlosen Fernsteuerung erfolgen kann.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DE 2009058520 A1 [0003]
Claims (5)
- Verfahren zur Funktionsüberprüfung einer, eine Vielzahl von in Reihe geschalteter FBG-Sensoren (
5 ) aufweisenden Messkette, die mit einer Auswerteelektronik signaltechnisch verbunden ist, wobei die FBG-Sensoren an einem Großobjekt appliziert sind und das Verfahren nachfolgende Schritte aufweist: Schritt 1 Bereitstellen einer Prüfvorrichtung, die an das Ende der Messkette angeschlossen wird, wobei die Prüfvorrichtung wenigsten einen FBG-Sensor (5 ) aufweist, der mit einer Dehnungsvorrichtung (2 ,6 ;4 ) gekoppelt ist, die die Einstellung einer vorbestimmten Dehnung am FBG-Sensor ermöglicht, Schritt 2 Feststellen, dass der FBG-Sensor der Prüfvorrichtung von der Auswerteelektronik erkannt wird, – erzeugen einer vorbestimmten ersten Dehnung mittels der Dehnungsvorrichtung, – feststellen, dass das erste Dehnungssignal von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird, Schritt 3 – erzeugen einer vorbestimmten zweiten Dehnung, die nicht identisch ist mit der ersten Dehnung und – feststellen, dass das zweite Dehnungssignal von der Auswerteelektronik richtig bestimmt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei wenigstens eine weitere vorbestimmte Dehnung erzeugt wird und die Größe einer der Dehnungen der maximal zulässigen Dehnung des FBG-Sensors (
5 ) entspricht. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei FBG-Sensoren (
5 ) in einer Baueinheit vorgesehen sind, die mit den gleichen vorbestimmten Dehnungen beaufschlagt werden, wobei festgestellt wird, dass die Auswerteelektronik bei beiden FBG-Sensoren (5 ) den gleichen Dehnungswert anzeigt. - Prüfvorrichtung zur Durchführung eines Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 an einer eine Vielzahl von FBG-Sensoren aufweisenden Messkette, die mit einer Auswerteelektronik signaltechnisch verbunden ist, wobei die Prüfvorrichtung nachfolgende Merkmale aufweist: – einen Verformungskörper (
2 ) mit wenigstens einem daran applizierten FBG-Sensor (5 ) und – eine Betätigungsvorrichtung zur Erzeugung wenigstens einer definierten Verformung des Verformungskörpers (2 ) an der Applikationsstelle des FBG-Sensors (5 ). - Prüfvorrichtung nach Anspruch 4, wobei der Verformungskörper (
2 ) und der FBG-Sensor (5 ) mit einem Schutzgehäuse (1 ) umgeben sind und eine Exzentervorrichtung (4 ) mit wenigstens zwei definierten Raststellungen vorgesehen ist, mit der der Verformungskörper (2 ) definiert verformt wird und dadurch wenigstens zwei definierte Dehnungen einstellbar sind.
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