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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Installation und zum Betreiben einer Messanordnung mit einer Vielzahl von DMS-Sensor-Messstellen, die räumlich weit verteilt sind.
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Flugzeuge, Brücken, Kräne oder Bauwerke werden mit einer Vielzahl von DMS-Sensoren bestückt, um komplexe Belastungen zu erfassen.
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Die dabei verwendeten Dehnungsmessstreifen werden an den Bauteilstellen, an denen eine Dehnung gemessen werden soll, befestigt. Die DMS-Sensoren werden nach ihrer Befestigung am Messobjekt mit Messkabeln verbunden, die zum Messverstärker führen. Jede Messstelle muss an einen separaten Messkanal eines Messgeräts angeschlossen werden. Wenn z. B. eine Eisenbahnbrücke mehrere hundert oder sogar über tausend Messstellen aufweist, ist der Gesamtaufwand für die Installation sehr hoch. Nach der Installation der DMS muss jedes Messkabel dem richtigen Messkanal des Messverstärkers zugeordnet werden. Das ist sehr einfach bei wenigen Messstellen und kurzen Messkabeln, denn hier überblickt der Messtechniker den Verlauf des Messkabels von der Messstelle bis zum Eingang des Messverstärkerkanals. Wenn allerdings die Messkabel an einer Eisenbahnbrücke mehrere hundert Meter lang sind, müssen mittels aufwändiger elektrischer Durchgangsprüfungen oder Markierungen die jeweils zugehörigen Kabelenden-Paare ermittelt werden. Schon hierbei können Verwechslungen entstehen, d.h. ein Messkabel kann versehentlich an einen falschen Messkanal angeschlossen werden.
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Solche Messungen werden in der Regel nur einmalig oder in großen Zeitabständen durchgeführt. Nach jeder Messung werden die Messelemente meist wieder entfernt. Daher besteht ein hohes Interesse daran, den Aufwand für die Installation der Messanordnung zu senken.
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Neben der Verwechslung der Messkabel gibt es jedoch noch weitere Fehlerquellen, die bei der Installation solcher Messanlagen zu beachten und zu vermeiden sind.
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Jeder Dehnungsmessstreifen hat bestimmte elektrische Eigenschaften, die sich von Sensor zu Sensor unterscheiden. Diese Eigenschaften werden Parameter genannt. Wenn z. B. ein Dehnungsmessstreifen 4 Parameter hat, so müssen diese 4 Parameter individuell an dem Messverstärkerkanal eingestellt werden, um die optimale Messgenauigkeit zu erreichen. Bei z.B. 500 Messstellen müsste demnach der Messtechniker 2000 Parametereinstellungen manuell vornehmen. Es liegt somit auf der Hand, dass es bei einer so großen Anzahl von Parametereinstellungen leicht zu Fehleinstellungen kommen kann, die das Messergebnis unverwertbar machen.
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Dieses allgemeine Problem ist in der Messtechnik schon seit Jahrzehnten bekannt und meist auch gelöst. Es gibt drei prinzipielle Lösungen:
- Lösung a.
Die Sensoren weisen Speicherchips auf, in denen die individuellen Sensor-Parameter abgespeichert worden sind. Diese sogenannten Transducer Electronic Data Sheets (TEDS) enthalten alle erforderlichen Daten. Der Messverstärker ist so ausgebildet, dass er diese Daten auslesen kann und sich danach selbst auf die optimale Messgenauigkeit einstellen kann. Dieser Vorgang der individuellen Anpassung des Messverstärkerkanals an den Sensor wird Parametrierung genannt. Die TEDS sind entweder im Sensorkabel oder im Sensor-Stecker integriert. TEDS basieren auf dem IEEE 1451.4-Standard, der weltweit verbreitet ist. Der Vorteil eines mit einem TEDS bestückten Sensors besteht also darin, dass der Sensor mit seinen individuellen Eigenschaften von einem Messverstärker automatisch erkannt werden kann und somit die manuelle Eingabe der verschiedenen Sensorparameter am Messverstärker entfällt.
- Lösung b.
Es wird versucht, die Technologie zur Herstellung von Sensoren so zu perfektionieren, sodass alle Sensoren näherungsweise die gleichen Parameter aufweisen. Das ist bei einigen Sensoren möglich, bei anderen Sensoren nicht. Meistens ist es dann nicht möglich, wenn besonders hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit gestellt werden.
- Lösung c.
Die Sensoren werden nach ihrer Herstellung durch verschiedene Prüfschritte klassifiziert und in Gruppen unterteilt, so dass in jeder Gruppe Sensoren mit näherungsweise gleichen Parametern liegen. Diese Lösung ist jedoch für Sensoren mit mehr als zwei Parametern nicht geeignet.
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Die Lösungen b und c erfordern somit keine individuelle Anpassung des einzelnen Sensors an den Messverstärker-Kanal.
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Besonders für genaue Messungen und wenn der Sensor mehrere Parameter aufweist, hat sich der Einsatz von TEDS durchgesetzt.
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Allerdings gibt es auch sehr spezielle und sehr seltene Messaufgaben, für die noch keine praktikablen Lösungen existieren. Z.B. sind DMS-Sensoren kostengünstige Massenartikel, die aus den folgenden Gründen nicht mit einem TEDS gekoppelt werden: Die Herstellungskosten eines TEDS können höher werden als die Herstellungskosten des DMS-Sensors, denn das Speichern der individuellen Sensorparameter auf dem TEDS ist ebenfalls mit Aufwand verbunden.
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Da es also unwirtschaftlich ist, DMS mit TEDS zu bestücken, wird nach kostengünstigen Lösungen gesucht.
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Zum besseren Verständnis der Problematik wird nachfolgend beschrieben, wie solche DMS-Sensoren installiert und verwendet werden.
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Der DMS-Sensor ist ein kleines Blättchen von ca. 10 mm x 10 mm Kantenlänge und einem Gewicht von wenigen Milligramm, das auf ein Messobjekt geklebt wird, z. B. auf eine Blattfeder aus Stahl. Wenn die Blattfeder deformiert wird, verändert sich auch die Materialdehnung an der Oberfläche der Blattfeder. Diese Dehnung wird auf den DMS-Sensor übertragen, der dadurch seinen ohmschen Widerstand ändert. Diese Widerstandsänderung ist proportional der Dehnung. Der ohmsche Widerstand wird mit einem Messverstärker gemessen. Dazu wird der DMS-Sensor mit dem Messverstärker mit einem Messkabel verbunden. Zur Vorbereitung einer genauen Messung muss der DMS-Sensor parametriert werden, was folgendes bedeutet:
- Jeder DMS-Sensor weist verschiedene Parameter auf. Einer der wichtigsten Parameter eines DMS-Sensors ist seine Dehnungsempfindlichkeit, die zahlenmäßig als Dehnungsfaktor ausgedrückt wird. Der Dehnungsfaktor ist das Verhältnis der Widerstandsänderung zur Längenänderung. Es ist aus fertigungstechnischen Gründen nicht möglich, DMS-Sensoren mit absolut gleichem Dehnungsfaktor herzustellen. Der Dehnungsfaktor und andere Parameter werden vom Hersteller ermittelt und auf einem Datenblatt dokumentiert. Dieses Datenblatt ist meist eine DIN-A4-Liste aus Papier, auf der tabellarisch die einzelnen Parameter aufgelistet sind. Der Messtechniker liest die Parameter visuell von der Liste ab und stellt sie manuell am Messverstärkerkanal ein. Da in vielen Fällen weniger als z.B. 10 DMS-Messstellen vorliegen, ist diese manuelle Eingabe der Parameter seit Jahrzehnten üblich. Außerdem ist es bei so einer geringen Anzahl von Messkabeln möglich, jedes Messkabel an den richtigen Verstärkerkanal anzuschließen, ohne dass eine Verwechslung eintritt.
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Bei einer Messsituation mit sehr vielen und räumlich weit verteilten Messstellen ergeben sich aber völlig neuartige Probleme, die bisher nicht zufriedenstellend gelöst werden konnten, mit anderen Worten, es werden immer noch die gleichen Installations-Verfahren wie bei Messungen mit wenigen Messstellen eingesetzt.
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Ein aussagefähiges Messergebnis kann aber nur erwartet werden, wenn tatsächlich alle Kabel korrekt angeschlossen sind und alle Messkanäle fehlerfrei parametriert sind. Bereits ein einzelnes verwechseltes Kabel oder ein versehentlich falsch vom Datenblatt abgelesener Parameter oder ein falsch eingestellter Parameter kann zu einem unbrauchbaren Gesamt-Messergebnis führen.
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Bei der hohen Anzahl von Messstellen und der vielfach höheren Anzahl von abzulesenden und am Messverstärker manuell einzustellenden Parametern steigt die Fehlerquote exponentiell an. Demzufolge steigt auch der Aufwand zur Vermeidung dieser Fehler exponentiell.
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Da aus vorstehend erläuterten Gründen der Einsatz von TEDS nicht infrage kommt, muss bisher mit extremen Kontrollaufwand die Verwechslung von Kabel und die Falscheingabe der Parameter vermieden werden.
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Insofern besteht die Aufgabe der Erfindung darin eine Messtechnik bereitzustellen, mit der die Installation und das Betreiben einer Messanordnung mit räumlich weit verteilten DMS-Messstellen absolut fehlerfrei und mit einem geringen wirtschaftlichen Aufwand durchführbar ist.
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Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren nach dem Patentanspruch gelöst.
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Das Verfahren zur Installation und zum Betreiben einer Messanordnung mit räumlich weit verteilten DMS-Messstellen umfasst nachfolgende Verfahrensschritte:
- a. Installation der DMS auf die Vielzahl der räumlich weit verteilten Messstellen,
- b. Anschließen von Messkabeln an die DMS,
- c. Anschließen je eines Messkabels an je einen Messverstärker-Kanal, wobei die Reihenfolge auch unbeachtet bleiben kann,
- d. Überprüfen, ob alle Messkabel an je einen Messverstärker-Kanal angeschlossen sind,
- e. Prüfen, ob jeder DMS ein plausibles Messsignal abgibt, d.h. an jedem Messverstärkerkanal muss ein plausibles Messsignal anliegen,
- f. Scannen eines Datenpakets von einem zum jeweiligen DMS gehörenden Papier-Datenblatts, das vorzugsweise an der Messstelle angeordnet ist,
- g. Wenn die Bedingung e erfüllt ist, erfolgt ein Einspeisen des Datenpakets in die Messleitung eines ersten DMS, wobei die Einspeisung so erfolgt, dass nur eine einzige DMS-Messstelle das Datenpaket empfangen kann. Damit ist gemeint, dass die von einer Einspeisevorrichtung abgegebenen Signale nicht gleichzeitig von einer zweiten Messstelle empfangbar sind. Die Einspeisung kann z. B. induktiv oder optisch oder auch mechanisch erfolgen, wobei elektromagnetische Signale oder mechanische Schwingungsmuster auf den DMS oder nahe am DMS auf die DMS-Messleitung übertragen werden. Das Datenpaket enthält vorzugsweise folgende Daten:
- Spezifische Daten des DMS, die auf dem Papier-Datenblatt des DMS enthalten sind und die der automatischen Parametrierung des Messverstärkerkanals dienen,
- Ortsbezogene Daten, die eine Zuordnung des DMS zur Lage bzw. Position am Messobjekt ermöglichen.
- h. Wenn der Messverstärker, d. h. der jeweilige Messkanal, alle zur Identifizierung und Parametrierung erforderlichen Signale des Datenpakets empfangen hat, generiert der Messverstärker ein Bestätigungssignal, welches von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden kann. Das Bestätigungssignal wird über die Messleitung gesendet und an der Einspeisestelle des Datenpakets empfangen, d.h. an der jeweiligen Messstelle. Das Bestätigungssignals wird nur gesendet, wenn die Parametrierung des DMS erfolgreich abgeschlossen werden konnte.
- i. Wiederholung der Schritte g und h, bis alle Messverstärkerkanäle parametriert sind.
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Mit diesen Verfahrensschritten a bis i werden die gewünschten Ergebnisse erzielt:
- Somit können die Messkanäle kostengünstige und fehlerfrei parametriert werden, so dass auch bei beliebig großer Anzahl von Messstellen keine Einstell- und Verwechslungsfehler auftreten.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher beschrieben:
- 1 zeigt eine mit einer Vielzahl von DMS-Sensoren bestückte Brücke als Messobjekt.
- 2 zeigt einen Teil des Messverstärkers mit einer Vielzahl von Messleitungen.
- 3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer Messstelle.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messobjekt
- 2
- DMS-Sensor
- 3
- erste Ausschnittsvergrößerung
- 4
- Kabelstränge
- 5
- Messverstärker
- 6
- Messleitungen
- 7
- zweiter Ausschnittvergrößerung
- 8
- Einspeisestelle
- 9
- Hinweis auf eine Einspeisestelle
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Die 1 zeigt eine mit einer Vielzahl von DMS-Sensoren 2 bestückte Stahl-Brücke 1, wobei die erste Ausschnittsvergrößerung 3 zeigt, dass jeder DMS-Sensor 2 mit einem separaten Kabel angeschlossen ist und die Kabel zu Kabelsträngen 4 gebündelt sind. Auf Grund der Vielzahl der DMS-Sensoren 2 wird deutlich, dass der Installationsaufwand für die Messanordnung sehr hoch ist. Die zweite Ausschnittsvergrößerung 7 bezieht sich auf 3.
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2 zeigt einen Teil des Messverstärkers 5 mit einer Vielzahl von Messleitungen 6. Da die beiden Enden jeder Messleitung 6 weit entfernt voneinander sind, kann es augenscheinlich passieren, dass ein Stecker in eine falsche Buchse des Messverstärkers 5 gesteckt wird, ohne dass die Verwechslung der Messleitung 6 bemerkt wird. Dem Messtechniker ist klar, dass dadurch das Gesamt-Messergebnis unbrauchbar wird.
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3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht einer Messstelle mit dem DMS-Sensor 2. Der Pfeil 9 zeigt auf die Einspeisestelle 8, an der mittels einer Einspeisevorrichtung Datenpakete zur Parametrierung an einen Messverstärkerkanal eingespeist werden.
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Nachfolgend wird beschrieben, wie das Verfahren zur Installation und zum Betreiben einer Messanordnung mit räumlich weit verteilten Sensor-Messstellen durchgeführt wird:
- a. Zuerst werden die DMS 2 an dem Messobjekt 1 messtechnisch vorschriftsmäßig angebracht. Damit ist gemeint, dass es für jeden DMS-Typ eine vorgeschriebene Art der Befestigung gibt.
- b. Anschließen von Messkabeln 6 an die befestigten DMS 2.
- c. Anschließen je eines Messkabels 6 an je einen Messverstärker-Kanal, wobei die Reihenfolge unbeachtet bleiben kann. Dieser Schritt ist eine wesentliche Verbesserung, weil damit Fehlanschlüsse vermieden werden.
- d. Überprüfen, ob alle Messkabel 6 an je einen Messverstärker-Kanal angeschlossen sind. Da die Anzahl der DMS-Messstellen 2 bekannt ist, ist automatisch auch die Anzahl der Messkabel 6 bekannt.
- e. Prüfen, ob jede DMS-Messstelle ein plausibles Messsignal abgibt, d.h. an jedem Messverstärkerkanal muss ein plausibles Messsignal anliegen. Damit ist gemeint, dass ein Messtechniker weiß, welche Größe ein Messsignal im Betriebszustand des DMS aufweist.
- f. Scannen eines Datenpakets von einem zum jeweiligen DMS gehörenden Papier-Datenblatts, das vorzugsweise an der Messstelle angeordnet ist,
- g. Wenn die Bedingung e erfüllt ist, erfolgt das Einspeisen des zum jeweiligen DMS 2 gehörenden Datenpakets in die Messleitung des DMS 2, wobei die Einspeisung so erfolgt, dass das Datenpaket nur an der jeweiligen Messstelle empfangen werden kann. Damit ist gemeint, dass die von einer Einspeisevorrichtung abgegebenen Signale nicht auch gleichzeitig von einer anderen Messstelle empfangbar sind. Die Einspeisung des Datenpakets kann z. B. induktiv, elektrisch oder mechanisch erfolgen, wobei elektromagnetische oder elektrische Signale oder mechanische Schwingungsmuster auf den DMS 2 oder nahe am DMS 2 auf die Sensor-Messleitung 6 übertragen werden.
- h. Wenn der Messverstärker, d. h. der jeweilige Messkanal alle zur Identifizierung und Parametrierung erforderlichen Signale des jeweiligen Datenpakets empfangen hat, generiert der Messverstärker ein Bestätigungssignal, welches von einer Empfangsvorrichtung empfangen werden kann. Das Bestätigungssignal wird über die Messleitung gesendet und an der Einspeisestelle empfangen. Das Bestätigungssignals wird nur gesendet, wenn die Parametrierung und Lokalisierung des DMS erfolgreich abgeschlossen sind.
- i. Wiederholung der Schritte g und h, bis alle Messverstärkerkanäle parametriert sind.
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Um die Daten von dem Papier-Datenblatt zu übertragen und in ein Datenpaket umzuwandeln, wird eine optische Scann-Vorrichtung verwendet. Es ist möglich, dass die Scann-Vorrichtung, die Einspeisevorrichtung und die Empfangsvorrichtung eine Baueinheit bilden. Lese- oder Scann-Vorrichtung generiert somit aus den
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Das Datenpaket enthält wenigstens folgende Daten:
- - Spezifische Daten des DMS, die auf dem Papier-Datenblatt des jeweiligen DMS aufgedruckt sind und die der automatischen Parametrierung des Messverstärkerkanals dienen.
- - Ortsbezogene Daten, die eine Zuordnung des DMS zur Lage bzw. Position am Messobjekt ermöglichen,
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Mit diesen Verfahrensschritten werden die gewünschten Ergebnisse gemäß der Aufgabe der Erfindung erreicht.
