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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und der Messtechnik und ist mit besonderem Vorteil bei Windenergieanlagen einsetzbar.
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Grundsätzlich sind Messeinrichtungen zur Messung von Dehnungen unter mechanischer Belastung bekannt. Überwiegend werden zu diesem Zweck im Maschinenbau sogenannte Dehnungsmessstreifen eingesetzt, um Verformungswege oder -kräfte zu messen. Bei Windenergieanlagen sind laufende Messungen von Material- und Bauteilverformungen und Kräftemessungen im Betrieb wichtig, da solche Anlagen über längere Zeit unter wechselnden Betriebsbedingungen betrieben werden und sich einerseits Materialeigenschaften durch Belastung, Überlastung oder Alterung ändern können und andererseits auch Betriebsbedingungen durch unvorhergesehene Wetterbedingungen schwierig vorhersehbar sein können. Auch lässt sich das Alterungsverhalten von Windenergieanlagen bei den komplexen Belastungen und den praktisch nicht vorsehbaren Betriebszeiten nur schwierig prognostizieren.
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Aus den genannten Gründen ist es sinnvoll, Kräfte und/oder Materialverformungen an verschiedenen Teilen einer Windenergieanlage regelmäßig oder dauerhaft zu messen. Entsprechende Messeinrichtungen können auch bei bestehenden und bereits in Betrieb befindlichen Windenergieanlagen nachgerüstet werden.
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Es ist denkbar, zu dem genannten Messzweck beispielsweise Dehnungsmessstreifen unmittelbar an einem Element einer Windenergieanlage, beispielsweise am Turm oder einem Rotorblatt, mittels Kleben zu befestigen. Die Montage von Dehnungsmessstreifen an einer Windenergieanlage ist jedoch durch die notwendigen Arbeitsschritte zeitintensiv. Zu den einzelnen Arbeitsschritten gehören erstens die Vorbereitung der Messstelle, zweitens das Aufkleben der Dehnungsmessstreifen, drittens das Verlöten der Dehnungsmessstreifen mit Anschlusskabeln oder -leitungen sowie viertens das Anbringen eines Schutzes für die Dehnungsmessstreifen vor äußeren Umwelteinflüssen. Außer dem Zeitaufwand, der eine zumindest vorübergehende Betriebseinstellung der Windenergieanlage erfordert, sind die genannten Arbeiten wegen der schwierigen Zugänglichkeit an verschiedenen Elementen einer Windenergieanlage schwierig mit der erforderlichen Qualität durchzuführen.
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Aus der
EP 2 473 818 B1 ist eine Messeinrichtung zur Messung von Dehnungen bereits bekannt, wobei dort mehrere Elemente der Messeinrichtung unmittelbar und getrennt voneinander verklebt werden müssen.
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Aus der
DE 103 35 337 A1 ist eine Dehnungsmessvorrichtung mit einem Gehäuse und einer speziell für den Ausgleich thermischer Dehnungen konstruierten Sensorgrundplatte bekannt.
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Auch aus der
WO/97 10486 A1 ist eine Messvorrichtung mit einem Gehäuse bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Messeinrichtung zu schaffen, die eine schnelle, wenig aufwendige und zuverlässige Befestigung an ihrem Einsatzort, insbesondere an einer Windenergieanlage, erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 7 zeigen Implementierungsmöglichkeiten auf. Der Patentanspruch 8 bezieht sich auf die Verwendung einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung, und der Patentanspruch 9 auf eine Windenergieanlage mit einer solchen Messeinrichtung.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Messeinrichtung zur Messung von Materialdehnungen und/oder -stauchungen eines Bauteils unter mechanischer Belastung, insbesondere zur Verwendung an Windenergieanlagen, mit einer Sensorgrundplatte, die zur Befestigung an einem zu überwachenden Bauteil einer Windenergieanlage mittels erster Befestigungsmittel eingerichtet ist, wobei die Sensorgrundplatte mit wenigstens einem Dehnungsmesselement zur Messung ihrer Dehnung verbunden ist, sowie mit einem Gehäuseteil, das mit einer Rahmenplatte verbunden ist, welche mit der Sensorgrundplatte durch zweite Befestigungsmittel verbunden ist, wobei die Sensorgrundplatte in einer Ausnehmung der Rahmenplatte angeordnet ist, wobei mit der Sensorgrundplatte, der Rahmenplatte und dem Gehäuseteil ein Gehäuse gebildet ist und wobei die zweiten Befestigungsmittel mit geringerem Kraftaufwand verformbar sind als die ersten Befestigungsmittel und insbesondere einen niedrigeren Elastizitätsmodul aufweisen als die ersten Befestigungsmittel.
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Unter den Materialdehnungen oder -stauchungen kann in diesem Zusammenhang unmittelbar eine Bewegung verstanden werden, so dass mittels der Messeinrichtung unmittelbar Verformungen oder Wege bzw. Bewegungen gemessen werden können. Mittelbar können damit auch Kräfte erfasst werden. Die Sensorgrundplatte ist dazu mittels starrer erster Befestigungsmittel an dem Bauteil befestigbar oder befestigt, so dass die Bewegungen des Bauteils unmittelbar auf die Sensorgrundplatte übertragen werden. Dehnungen und Stauchungen des Bauteils werden somit unmittelbar in Dehnungen und Stauchungen der Sensorgrundplatte übertragen. Die ersten Befestigungsmittel können dabei durch jede bekannte Fügetechnik gebildet sein, die eine starre Verbindung schafft, wie beispielsweise die Verklebung mittels eines starren Klebers, Verschweißen, Verschrauben oder formschlüssige Befestigung. Bei der Ausrüstung oder Nachrüstung von Elementen einer Windenergieanlage mit einer Messeinrichtung kommt von diesen Befestigungsmitteln in den meisten Fällen eine Verklebung in Frage, da diese kaum Vorbereitung benötigt und bei einer Vielzahl von zu verbindenden Teilen problemlos möglich ist.
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Die Dehnungen und/oder Stauchungen der Sensorgrundplatte werden durch ein oder mehrere Dehnungsmesselemente, beispielsweise Dehnungsmessstreifen, erfasst, die unmittelbar auf die Sensorgrundplatte aufgebracht und mit dieser verbunden sind. Diese Verbindung kann bereits vorbereitet werden, beispielsweise bei der Herstellung der Sensorgrundplatte, um beim Ausrüsten einer Windenergieanlage mit vorbereiteten Teilen arbeiten zu können. Werden Dehnungsmessstreifen verwendet, so können diese in Vorbereitung der Messeinrichtung mit der Sensorgrundplatte verklebt und auch elektrisch mit entsprechenden Anschlussmitteln oder einer Auswerte- oder Sendeelektronik verbunden werden. Die so vorbereitete Sensorgrundplatte oder die gesamte Messeinrichtung kann dann problemlos vor Ort an ein zu vermessendes oder zu überwachendes Bauteil angeklebt werden.
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Da für das Funktionieren der Messeinrichtung wichtig ist, dass mittels der Dehnungsmesselemente die Dehnung des Bauteils gemessen wird und dass aus diesem Grund die Dehnung der Sensorgrundplatte der Dehnung des Bauteils unmittelbar folgt, muss verhindert werden, dass eine Verformung der Sensorgrundplatte auch durch weitere mit dieser verbundene Elemente bewirkt werden kann oder dass durch andere, mit der Sensorgrundplatte verbundene Elemente eine Versteifung der Sensorgrundplatte erfolgt. Ein Gehäuseteil, das zur Vervollständigung der Sensorgrundplatte mit dieser verbunden wird, muss deshalb so angeordnet und mit der Sensorgrundplatte verbunden werden, dass eine Verformung der Sensorgrundplatte unabhängig von einer Verformung des Gehäuseteils möglichst kraftfrei möglich ist. Eine Verbindung zwischen dem Gehäuseteil und der Sensorgrundplatte ist deshalb mit zweiten Befestigungsmitteln auszubilden, die mit geringerem Kraftaufwand verformbar sind als die ersten Befestigungsmittel, so dass die zweiten Befestigungsmittel bei einer Verformung der Sensorgrundplatte nachgeben können und die Verformung der Sensorgrundplatte durch ein möglicherweise starres Gehäuseteil nicht behindert wird.
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Als Implementierung der genannten Messeinrichtung kann vorgesehen sein, dass die ersten und/oder die zweiten Befestigungsmittel jeweils ein Klebermaterial umfassen. Die zweiten Befestigungsmittel können auch durch ein Elastomer, insbesondere einen Kautschukwerkstoff, gebildet sein oder ein solches Material umfassen. Die Verwendung eines Klebermaterials zur Verbindung der Messeinrichtung mit dem Bauteil ist kostengünstig und erlaubt eine schnelle und wenig aufwendige Befestigung. Auch ist hierfür keine besonders einfache oder lange dauernde Zugänglichkeit des Bauteils erforderlich, an dem die Messeinrichtung befestigt werden soll.
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Die Messeinrichtung selbst kann mittels eines weiteren Klebermaterials zusammengefügt werden, das nachgiebiger sein muss als das erste Klebermaterial, mittels dessen die Messeinrichtung an dem Bauteil befestigt ist. Auch durch die Verwendung eines zweiten Klebermaterials im Rahmen der zweiten Befestigungsmittel wird die Montage vereinfacht, wobei das Klebermaterial bei der Verbindung der Sensorgrundplatte mit dem Gehäuseteil auch die Aufgabe einer Abdichtung des so gebildeten Gehäuses erfüllen kann.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass ein erstes Klebermaterial, durch das die ersten Befestigungsmittel gebildet sind, einen Epoxidharzkleber oder einen Zwei-Komponenten-Acrylatkleber enthält. Ein solcher Epoxidharzkleber oder ein Zwei-Komponenten-Acrylatkleber kann eine große Härte und Festigkeit entwickeln, so dass die Sensorgrundplatte starr mit dem Bauteil verbunden wird.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass ein zweites Klebermaterial, durch das die zweiten Befestigungsmittel gebildet sind, einen Silan-modifizierten Polymerwerkstoff, insbesondere MS-Polymer, enthält. Ein solches Silanmodifiziertes Polymer weist eine hohe Elastizität auf, so dass die Sensorgrundplatte verformbar ist, ohne dass das Gehäuseteil ebenfalls verformt werden muss.
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In einer besonderen Ausbildung der Erfindung kann auch allgemeint vorgesehen sein, dass der Elastizitätsmodul der ersten Befestigungsmittel wenigstens 50 %, insbesondere wenigstens 100 %, weiter insbesondere wenigstens 200% höher ist als der Elastizitätsmodul der zweiten Befestigungsmittel. Durch die angegebenen Parameterverhältnisse kann sichergestellt werden, dass das Gehäuseteil einerseits zuverlässig mit der Sensorgrundplatte verbunden ist, andererseits diese Verbindung jedoch so nachgiebig ist, dass die Sensorgrundplatte mit dem Bauteil verformbar ist, ohne dass die Verformbarkeit der Sensorgrundplatte durch das Gehäuseteil eingeschränkt wird.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Sensorgrundplatte mit der Rahmenplatte mittels eines elastischen Klebers oder durch eine Elastomersicke verbunden ist. Die Entkopplung zwischen der Sensorgrundplatte und dem Gehäuseteil findet in diesem Fall bereits in der Ebene der Sensorgrundplatte statt, insofern als die Sensorgrundplatte innerhalb einer Rahmenplatte angeordnet und relativ zu dieser beweglich gehalten ist. Die Sensorgrundplatte und die Rahmenplatte können dabei in derselben Ebene liegen und auch aus demselben Material bestehen. Die Sensorgrundplatte kann dabei innerhalb der Rahmenplatte nach Art einer Sickenhalterung beweglich gehalten werden. Der Gehäuseteil kann dann mit der Rahmenplatte in jeder beliebigen Weise mittels eines nachgiebigen oder nicht nachgiebigen Klebers verbunden oder auch verschraubt oder mittels eines Rastverschlusses verbunden sein.
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Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das Gehäuseteil aus einem Metall, insbesondere Aluminium, gebildet ist. Das Gehäuseteil kann dabei aus einem Aluminiumstrangpressprofil hergestellt werden, das geeignet abgelängt wird, so dass vollvoluminöse Quader aus Aluminium entstehen. Durch Ausfräsen eines Gehäuseinnenraums kann dann ein Hohlraum geschaffen werden, so dass das so gebildete Gehäuseteil problemlos auf eine Sensorgrundplatte oder eine Rahmenplatte aufsetzbar und dort befestigbar ist.
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Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass in dem Gehäuse zusätzlich ein Beschleunigungssensor und/oder ein Temperatursensor angeordnet ist. Durch den Betrieb eines Beschleunigungssensors und/oder eines Temperatursensors können die durch das Dehnungsmesselement oder die Dehnungsmesselemente aufgenommenen Messgrößen angereichert oder kombiniert ausgewertet werden. Damit können beispielsweise an einem Element einer Windenergieanlage, insbesondere an einem Rotorblatt, die wirkenden Beschleunigungen mit den durch diese entstehenden Auslenkungen der Bauteile in Beziehung gesetzt werden. Hierdurch können auch Materialfestigkeiten oder Bauteilstabilitäten genauer erfasst werden.
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Ähnliches gilt, wenn ein Temperatursensor vorgesehen ist, da durch die Messung von Temperaturen oder Temperaturunterschieden beispielsweise thermische Dehnungen der Bauteile ermittelt und entsprechend von durch Kraftwirkungen verursachten Dehnungen rechnerisch getrennt werden können. Auch können Materialparameter, die durch die Dehnungsmessungen ermittelt werden, in ihrer Abhängigkeit von Temperaturen erfasst werden.
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Die durch die verschiedenen Sensoren innerhalb der Messeinrichtung erfassten Messwerte können innerhalb einer elektronischen Verarbeitungseinrichtung, die in dem Gehäuse der Messeinrichtung angeordnet sein kann, vorverarbeitet werden und können beispielsweise im Rahmen eines Datentelegramms gemeinsam oder einzeln an eine weitere Verarbeitungseinrichtung gesendet werden. Dabei kann diese Datensendung bevorzugt durch Funksignale erfolgen.
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Wie bereits erläutert, kann die oben geschilderte Messeinrichtung mit besonderem Vorteil an einem Bauteil einer Windenergieanlage verwendet werden. Die Erfindung kann sich somit zudem auf eine Windenergieanlage mit einem Turm und einem Rotor mit Rotorblättern beziehen, wobei ein Bauteil der Windenergieanlage mittels der Messeinrichtung vermessen wird, wozu eine erfindungsgemäße Messeinrichtung mittels erster Befestigungsmittel an dem Bauteil befestigt ist.
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Mit besonderem Vorteil kann dabei eine Messeinrichtung am Kopf des Turmes vorgesehen sein, wobei zwei Dehnungsmesselemente zur Dehnung in Richtung der Windrichtung sowie senkrecht dazu vorgesehen sein können. Zusätzlich können in diesem Fall zwei Beschleunigungssensoren vorgesehen sein zur Messung der Beschleunigung in Windrichtung sowie senkrecht dazu.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1 eine Windenergieanlage in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 eine Draufsicht auf eine Sensorgrundplatte gemäß der Erfindung,
- 3 eine Ansicht einer Sensorgrundplatte und einer Rahmenplatte,
- 4 eine dreidimensionale Ansicht eines Gehäuseteils,
- 5 eine Seitenansicht einer Messeinrichtung,
- 6 eine Ansicht des Gehäuseinnenraums einer Messeinrichtung sowie
- 7 eine an einem Bauteil einer Windenergieanlage befestigte Messeinrichtung.
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In 1 ist eine Windenergieanlage mit einem Turm 1 dargestellt, der an einem Fundament 6 verankert ist. Der Turm 1 trägt eine Gondel 2, in der ein Getriebe sowie ein Generator zur Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie vorgesehen sein können. Zudem ist ein Rotor mit drei Rotorblättern 3, 4, 5 dargestellt. Mit 7, 7', 7" und 7'" sind Positionen einer Messeinrichtung bezeichnet, an denen diese jeweils an Bauteilen der Windenergieanlage, also beispielsweise am Turm oder an einem Rotorblatt, befestigt sein kann, um das entsprechende Bauteil zu überwachen und dessen Dehnungen/Stauchungen zu erfassen.
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In 2 ist eine Draufsicht auf eine Sensorgrundplatte 8 dargestellt. Diese kann beispielsweise aus einem stabilen Kunststoff oder aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, bestehen. Auf der Sensorgrundplatte 8 können ein oder mehrere Dehnungsmessstreifen 9, 10 befestigt sein, die jeweils Dehnungen und/oder Stauchungen der Sensorgrundplatte 8 erfassen. Die Richtungen, in denen Dehnungen und Stauchungen vorwiegend erfasst werden, sind beispielhaft durch die Pfeile 11, 12 bezeichnet. Die Dehnungsmessstreifen 9, 10 sind jeweils mit symbolisch dargestellten Verbindungsleitern 13 versehen, die mit einer Auswerteelektronik verbunden sein können und die leicht verformbar oder auslenkbar sind, damit eine Kraftübertragung durch sie ausgeschlossen ist. Die Dehnungsmessstreifen 9, 10 können auf der Sensorgrundplatte 8 mittels eines Klebers befestigt sein, der beispielsweise mit dem Kleber identisch sein kann, mit dem die Sensorgrundplatte an dem zu überwachenden Bauteil befestigt ist.
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In 3 ist schematisch eine Sensorgrundplatte 8 dargestellt, die mittels einer nachgiebigen Verbindungsschicht 14, beispielsweise einer Elastomersicke oder eines nachgiebigen Klebers, mit einer Rahmenplatte 15 verbunden ist. Damit werden Kräfte, die auf die Rahmenplatte 15 wirken, nicht auf die Sensorgrundplatte 8 übertragen und umgekehrt. Auf diese Weise ist es möglich, auf die Rahmenplatte 15 ein Gehäuse aufzusetzen und dieses fest und steif mit der Rahmenplatte 15 zu verbinden, wodurch die Rahmenplatte stabilisiert wird, ohne dass die zur Messung notwendigen Verformungen der Sensorgrundplatte 8 behindert oder verringert werden. Als Material für die Verbindung 14 kann das zweite Klebermaterial verwendet werden, das auch im Falle der Verklebung eines Gehäuseteils mit der Sensorgrundplatte verwendet werden kann.
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In 4 ist in perspektivischer Darstellung ein Gehäuseteil 16 in Form eines hohlen Kastens dargestellt, der auf eine Sensorgrundplate 8 aufgesetzt und mit dieser mittels der zweiten Verbindungsmittel, also beispielsweise mittels eines zweiten, nachgiebigen Klebermaterials, verbunden werden kann. Damit werden die Dehnungsmessstreifen 9, 10 vor Umwelteinflüssen und auch vor elektromagnetischen Einflüssen geschützt, sofern das Gehäuseteil 16 beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff besteht. Das Gehäuseteil 16 kann beispielsweise aus formstranggepresstem Aluminium gefertigt werden, wobei zunächst vollvoluminöse Quader gefertigt und diese durch Fräsen in ein Gehäuseteil verarbeitet werden.
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In 5 ist ein Gehäuse mit einem Gehäuseteil 16 gezeigt, das mittels eines zweiten Klebermaterials 17 auf eine Sensorgrundplatte 8 aufgeklebt ist.
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6 zeigt eine Ansicht des Inneren eines Gehäuseteils 16, wobei an einer Gehäusewand 16a ein Temperatursensor 18 angeordnet und befestigt ist. Zudem ist in dem Gehäuseteil 16 ein Beschleunigungssensor 19 angeordnet, der beispielsweise in MEMS-Technologie hergestellt sein kann. Beide Sensoren 18, 19 sind mittels Leitungen mit einer Vorverarbeitungseinheit 20 verbunden, die mittels beweglicher Drähte 13 beispielsweise auch mit den Dehnungsmessstreifen verbunden werden kann. Die Vorverarbeitungseinheit 20 kann die Messdaten der Sensoren 9, 10, 18, 19 vorverarbeiten und mittels Funksignalen an eine weitere, stationäre Verarbeitungseinrichtung senden. Beispielsweise kann sich diese Verarbeitungseinrichtung in einer Leitwarte der Windenergieanlage befinden.
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In 7 ist in einer Seitenansicht eine Messeinrichtung 8, 16 in Form eines quaderförmigen Gehäuses mit einer Sensorgrundplatte 8 dargestellt, wobei zudem ersichtlich ist, dass die Sensorgrundplatte mittels eines ersten Klebers 21 mit einem Bauteil 22 der Windenergieanlage verbunden ist, während das Gehäuseteil 16 in Form eines Deckels mittels eines zweiten Klebermaterials 17 mit der Sensorgrundplatte verbunden ist.
