DE102021211044A1

DE102021211044A1 - Verbindungsbolzen und Verfahren zum Überwachen einer Verbindung

Info

Publication number: DE102021211044A1
Application number: DE102021211044.4A
Authority: DE
Inventors: Malte Fredebohm
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2023-03-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Verbindungsbolzen (1), eingerichtet zum Überwachen einer durch den Verbindungsbolzen (1) hergestellten Verbindung, wobei der Verbindungsbolzen (1) eine sich entlang einer Längsachse des Verbindungsbolzens (1) erstreckende Ausnehmung (2) aufweist, in der sich eine Glasfaser (3) erstreckt, die an dem Verbindungsbolzen (1) befestigt ist, wobei die Glasfaser (3) mindestens ein innerhalb der Ausnehmung (2) liegendes Faser-Bragg-Gitter (4) aufweist und die Glasfaser (3) an zumindest einem Ende optisch kontaktierbar ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein System mit dem Verbindungsbolzen sowie auf die Herstellung des Verbindungsbolzens und auf ein Verfahren zum Überwachen einer Verbindung.

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus. Sie betrifft einen Verbindungsbolzen, der eingerichtet ist zum Überwachen einer durch den Verbindungsbolzen hergestellten Verbindung. Sie bezieht sich auch auf ein System mit einem Verbindungsbolzen sowie auf eine Herstellung eines Verbindungsbolzens und auf ein Verfahren zum Überwachen einer Verbindung. Sie ist mit besonderem Vorteil in Großanlagen, insbesondere in Windenergieanlagen einsetzbar.
Zum Beispiel bei technischen Großanlagen wie Windenergieanlagen (WEA) spielen hoch belastete Schraubverbindungen eine elementare Rolle. Oftmals werden tragende Komponenten über Flanschverbindungen miteinander verschraubt. Beispiele hierfür sind im Falle einer WEA die Verbindungen Blatt zu Nabe, Nabe zu Hauptwelle, Gondel zu Turmelement, Turmelement zu Turmelement, sowie Turmelement zu Fundament. Bei Gittermasttürmen sind darüber hinaus die Eckstiele mit den Diagonalen über kraftschlüssige Schraubverbindungen realisiert. Aus der gängigen Konstruktionslehre ist bekannt, dass die Vorspannkräfte in den Schrauben maßgeblich für die Flächenpressung in Flanschverbindungen und damit - insbesondere bei Zugbelastungen - für den Halt der Flanschverbindung sind. Die Vorspannkraft in der Schraube wirkt in diesem Fall der Zugbelastung entgegen: Ein auseinanderklaffen der beiden Flanschseiten ist unbedingt zu vermeiden.
Bei wiederkehrenden Prüfungen an WEA ist neben den anlagenspezifischen Dokumenten und der Funktionsweise der WEA auch die Standsicherheit zu überprüfen. Im Falle von Schraubverbindung ist eine Sicht- bzw. Lockerheitsprüfung vorgeschrieben. In der Praxis werden hier oftmals stichprobenartige Drehmomentprüfungen der Schraubverbindungen durchgeführt, wobei eine elektrische, pneumatische oder hydraulische Montageeinheit mit Drehmomentsteuerung auf die Schraubverbindung gesetzt wird und die Schraube auf das vom Hersteller vorgesehene Drehmoment angezogen wird. Bewegt sich die Schraube bzw. Schraubenmutter bei vorgegebenem Drehmoment, so war zuvor nicht die nötige Vorspannkraft vorhanden. Erreicht die Drehmomentsteuerung den Sollwert, ohne dass sich der Schraubensitz verändert, so hat die geprüfte Schraube mindestens das Solldrehmoment. Aus Berichten von Sachverständigen ist bekannt, dass es regelmäßig zu einem Unterschreiten der vorgegebenen Drehmomente und damit der Schraubenvorspannkräfte kommt.
Zum Beispiel bei Offshore Windenergieanlagen (OWEA), kommt erschwerend hinzu, dass diese aufgrund ihrer räumlichen Abgeschiedenheit schlecht für eine Inspektion erreicht werden können.
Andere durch Bolzen hergestellte Verbindungen, auch in anderen Anwendungsgebieten in denen eine Überwachung von Verbindungen wünschenswert ist, wie zum Beispiel in der Architektur oder der Luft- und Raumfahrt, sind von derselben Problematik betroffen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Überwachung von durch Bolzen hergestellten Verbindungen zu ermöglichen und/oder allgemein eine Anlagensicherheit zu erhöhen.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verbindungsbolzen nach Anspruch 1. Ebenfalls gelöst wird die Aufgabe durch ein System nach Anspruch 8 sowie durch eine Herstellung eines Verbindungsbolzens nach Anspruch 12 oder ein Verfahren nach Anspruch 13. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Der erfindungsgemäße Verbindungsbolzen ist eingerichtet zum Überwachen einer durch den Verbindungsbolzen hergestellten Verbindung, wobei der Verbindungsbolzen eine sich entlang einer Längsachse des Verbindungsbolzens erstreckende Ausnehmung aufweist, in der sich eine Glasfaser erstreckt, die an dem Verbindungsbolzen befestigt ist. Die Glasfaser weist mindestens ein innerhalb der Ausnehmung liegendes Faser-Bragg-Gitter (FBG) auf und ist an zumindest einem Ende optisch kontaktierbar.
Für die Verwendung des Verbindungsbolzens kann ein optisches Signal in die Glasfaser eingeleitet werden. Dieses eingeleitete optische Signal wird durch das mindestens eine innerhalb der Ausnehmung liegende Faser-Bragg-Gitter modifiziert. Ein entsprechend modifiziertes optisches Signal - zum Beispiel ein reflektiertes Signal - wird wiederum empfangen, wobei eine Veränderung des modifizierten optischen Signals erfasst wird. Die Veränderung des modifizierten optischen Signals erlaubt Rückschlüsse auf Veränderungen im Bolzen, also insbesondere Dehnungen oder Spannungen. Hieraus können wiederum Rückschlüsse auf die durch den Bolzen hergestellte Verbindung gezogen werden.
Der Verbindungsbolzen kann beispielsweise kalibriert werden, indem z.B. vor Inbetriebnahme überprüft wird, wie sich das Signal bei einer bestimmten Last verändert. Alternativ oder zusätzlich können analytische Methoden für die Identifikation und/oder Bewertung einer Last herangezogen werden. Hierfür können beispielsweise Simulationen und/oder analytische Berechnungsmodelle verwendet werden.
Ein Vorteil von glasfaser-basierten FBG besteht darin, dass sie typischerweise keinem altersbedingten Drift unterliegen. Sofern sie nicht mechanisch zerstört werden, können sie über Jahrzehnte hinweg Messergebnisse gleicher Güte liefern.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bereitstellung der beschriebenen FBG-Sensorik für viele verschiedene Bolzentypen, insbesondere verschiedene Schraubentypen, möglich ist. Beispielsweise kann es sich bei dem Verbindungsbolzen um ein Schraubelement mit einem Außengewinde handeln, insbesondere um einen Gewindestift oder um eine Zylinder-, Linsen- oder Senkkopfschraube.
Die Ausnehmung mit der Glasfaser kann beispielsweise zentrisch oder nicht-zentrisch in dem Bolzen angeordnet sein.
Vorteilhafterweise benötigt der beschriebene FBG-Glasfasersensor nur sehr wenig Bauraum und kann beispielsweise in Bohrungen im Submillimeterbereich appliziert werden. Somit können FBG-Sensoren sowohl in kleine Schrauben (Größe M3), als auch in große Schraubverbindungen, wie für Flanschverbindungen an WEA, eingesetzt werden. Dabei ist es im Rahmen der Erfindung beispielsweise möglich, dass der Einfluss der benötigten Bohrung in der Schraube so klein bleibt, dass er bei Festigkeitsberechnungen vernachlässigbar ist. Beispielsweise werden Kleinstbohrungen im Submillimeterbereich vorgenommen. Um eine höhere Bohrtiefe bei größeren Schraubendurchmessern zu erreichen, können auch größere Bohrungsdurchmesser von 1 mm oder mehr zum Einsatz kommen.
Bei dem Verbindungsbolzen kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Ausnehmung, insbesondere ein Durchmesser der Ausnehmung, höchstens 10 % oder höchstens 5 % oder höchstens 3 % eines Querschnitts des Verbindungsbolzens, insbesondere Durchmessers des Verbindungsbolzens, beträgt.
In einer möglichen Ausführung weist die Ausnehmung einen Querschnitt, insbesondere Durchmesser, von 1 mm oder weniger auf.
In einer möglichen Ausführung des Verbindungsbolzens weist die Glasfaser mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Faser-Bragg-Gitter auf, die jeweils innerhalb der Ausnehmung liegen. Die mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier FBG weisen vorzugsweise voneinander verschiedenen Bragg-Wellenlängen auf. Für die Verwendung eines solchen Verbindungsbolzens kann beispielsweise breitbandiges Licht durch die Glasfaser gesendet werden. Am ersten FBG, auf welches das einfallende Licht trifft, wird ein Teil des Lichtspektrums reflektiert, während der Rest weiter durch die Glasfaser geleitet wird und den möglichen weiteren, nachfolgenden FBG zur Verfügung steht. Der von jedem FBG reflektierte Teil des Lichtspektrums kann mit einem Detektor erfasst und in Korrelation mit einer möglichen im Bolzen und also im FBG vorherherrschenden Dehnung gebracht werden. Auf diese Weise können in möglichen Ausführungen mehrere FBG hintereinander in einer Glasfaser bereitgestellt und vorteilhaft genutzt werden. Durch das Einbetten mehrerer FBG kann die lokale Einleitung parasitärer Kräfte in die Bolzenverbindung näher bestimmt werden. Zum Beispiel können Rückschlüsse auf eine Kraftverteilung in der Bolzenverbindung möglich sein. Dies erlaubt eine weitere Verfeinerung der Berechnungsmodelle zur Bestimmung von Dehnungen / Spannungen und schließlich zur Bewertung der hergestellten (Schraub-)Verbindung.
Die Glasfaser kann zum Beispiel innerhalb der Ausnehmung stoffschlüssig befestigt sein. Dies kann zum Beispiel mittels eines Harzes und/oder mittels eines Klebstoffes und/oder durch Schweißen realisiert sein. Ebenfalls ist es angedacht, dass die Verbindung zwischen Bolzen und Glasfaser unter Verwendung von additiver Fertigung realisiert ist. Eine Herstellung des hierin beschriebenen Verbindungsbolzens kann beispielsweise erfolgen, indem die Ausnehmung gebohrt wird oder indem der Verbindungsbolzen mit der Ausnehmung additiv gefertigt wird, wobei die Glasfaser in die Ausnehmung eingeführt wird und stoffschlüssig mit dem Verbindungsbolzen verbunden wird.
Die Ausnehmung kann zu einer oberen und/oder zu einer unteren Stirnseite des Verbindungsbolzens hin geöffnet sein. Das Glasfaserkabel kann an der oberen und/oder an der unteren Stirnseite des Bolzens herausgeführt sein und z.B. an der oberen und/oder der unteren Stirnseite des Bolzens kontaktiert werden.
In möglichen Ausführungen des Verbindungsbolzen umfasst dieser mindestens eine weitere sich entlang der Längsachse erstreckende Ausnehmung, in der sich jeweils eine weitere Glasfaser erstreckt, die an dem Verbindungsbolzen befestigt ist. Die weitere(n) Glasfaser(n) weisen jeweils mindestens ein innerhalb der jeweiligen weiteren Ausnehmung liegendes weiteres Faser-Bragg-Gitter auf, und ist an zumindest einem Ende optisch kontaktierbar. Für die weitere(n) Glasfaser(n) gilt alles hierin zur ersten Glasfaser gesagte. Durch die weitere(n) Glasfaser(n) keine eine verbesserte räumliche Auflösung der wirkenden Spannungen, Dehnungen oder Kräfte ermöglicht werden. Eine der Glasfasern kann zentrisch angeordnet sein und die weitere(n) Glasfaser(n) nicht-zentrisch. Es können auch alle Glasfasern nicht-zentrisch angeordnet sein.
Ein erfindungsgemäßes System umfasst ein erstes Element, ein zweites Element und mindestens einen Verbindungsbolzen der hierin beschriebenen Art. Das erste Element und das zweite Element sind mittels des mindestens einen Verbindungsbolzens miteinander verbunden sind, wobei das System weiterhin eine Erfassungsvorrichtung umfasst, die optisch mit der Glasfaser gekoppelt ist. Die Erfassungsvorrichtung ist dafür eingerichtet, ein optisches Signal in die Glasfaser einzuleiten und ein durch das mindestens eine innerhalb der Ausnehmung liegende Faser-Bragg-Gitter modifiziertes, insbesondere reflektiertes, optisches Signal zu empfangen.
Das System, also z.B. eine Verarbeitungseinheit, die z.B. Teil der Erfassungsvorrichtung sein kann oder diese enthalten kann, kann dafür eingerichtet sein, insbesondere unter Verwendung der erwähnten Berechnungsmodelle, Kräfte und/oder Dehnungen und/oder Spannungen zu detektieren und/oder zu erkennen und/oder zu bewerten.
Das System kann insbesondere mehrere Bolzen enthalten, die jeweils Bolzen im Sinne der Erfindung sind. Durch eine Ausstattung einer repräsentativen Anzahl vom Bolzen mit FBG können die Sicherheit der Maschine erhöht und die Ausfallkosten reduziert werden.
Beispielsweise kann das System in einer möglichen Ausführung mindestens zwei Glasfasern umfassen, wobei die mindestens zwei Glasfasern innerhalb desselben Verbindungsbolzens angeordnet sind und/oder wobei die mindestens zwei Glasfasern innerhalb mindestens zweier verschiedener Verbindungsbolzen angeordnet sind, die jeweils das erste Element und das zweite Element miteinander verbinden.
Bei dem System kann es sich zum Beispiel um eine Großanlage oder eine Komponente einer Großanlage handeln. Insbesondere kann es sich um eine Windenergieanlage oder um eine Windenergieanlagenkomponente handeln.
Bei dem System kann zum Beispiel zumindest eines des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters im Scherungsbereich einer Flanschverbindung angeordnet sein.
Bei dem System kann beispielsweise innerhalb einer WEA zumindest eine der Verbindungen zwischen Blatt und Nabe, zwischen Nabe und Hauptwelle, zwischen Gondel und Turmelement, zwischen Turmelement und Turmelement, zwischen Turmelement und Fundament, zwischen Eckstiel und Diagonale auf erfindungsgemäße Weise ausgeführt sein.
Bei dem hierin beschriebenen Verfahren zum Überwachen einer Verbindung kann zum Beispiel eine Schraubverbindung einer Windenergieanlage überwacht werden.
Bei dem hierin beschriebenen Verfahren zum Überwachen einer Verbindung können zwei Komponenten mittels eines Verbindungsbolzens gemäß dieser Offenbarung miteinander verbunden werden. Ein optisches Signal kann in die Glasfaser eingeleitet werden und ein durch das mindestens eine innerhalb der Ausnehmung liegende Faser-Bragg-Gitter modifiziertes optisches Signal kann empfangen werden. Eine Veränderung des modifizierten optischen Signals kann erfasst werden.
Beispielsweise unter Verwendung der Berechnungsmodelle können Dehnungen, Kräfte oder Spannungen auf Grundlage der Veränderung des modifizierten optischen Signals identifiziert werden. Schließlich kann basierend darauf eine Bewertung der hergestellten (Schraub-)Verbindung vorgenommen werden.
Bei dem hierin beschriebenen Verfahren zum Überwachen einer Verbindung kann zum Beispiel eine Verbindung, insbesondere Schraubverbindung, einer Windenergieanlage überwacht werden. In anderen Ausführungen des Verfahrens kann beispielsweise eine Verbindung, insbesondere Schraubverbindung in einem Bauwerk oder in einem Fluggerät überwacht werden. Auch die Überwachung von z.B. genieteten Verbindungen ist beispielsweise möglich.
Bei dem Verfahren können zum Beispiel mindestens zwei Glasfasern innerhalb desselben Verbindungsbolzens und/oder innerhalb mindestens zweier verschiedener Verbindungsbolzen bereitgestellt werden, wobei die durch die in den verschiedenen Glasfasern angeordneten Faser-Bragg-Gitter modifizierten optischen Signale erfasst werden und Veränderungen der modifizierten optischen Signale der mindestens zwei Glasfasern miteinander verglichen werden.
Dies erlaubt einerseits beispielsweise eine räumliche Auflösung von Spannungen, Dehnungen oder Kräften. Andererseits kann der Vergleich dazu dienen, Umwelteinflüsse wie z.B. Temperatur herauszufiltern.
In einer Ausführung des Verfahrens wird eine Temperatur am Verbindungsbolzen oder in der Nähe des Verbindungsbolzens erfasst. Dadurch kann eine Temperaturabhängigkeit der Veränderung des modifizierten optischen Signals oder der modifizierten optischen Signale erkannt werden.
Durch die mögliche zusätzlich eingebettete Temperaturmessung und/oder durch die Berücksichtigung von Temperaturkoeffizienten der Komponenten der Vorrichtung können beispielsweise thermische Einflüsse auf die Messung eliminiert werden.
In einer möglichen Ausführung des Verfahrens wird eine Verbindung in einer Großanlage, insbesondere Windenergieanlage, überwacht und die Großanlage, insbesondere Windenergieanlage, wird beim Überschreiten vorbestimmter Parameter, die die Veränderung des modifizierten optischen Signals oder der modifizierten optischen Signale betreffen, abgeschaltet. Dadurch kann beispielsweise erreicht werden, dass die Windenergieanlage aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird, wenn sich aus den mittels der FBG erfassten Daten ergibt, dass die überwachte Verbindung möglicherweise keine ausreichende Stabilität mehr aufweist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft näher erläutert. In den Figuren zeigen:

1 eine durch einen Verbindungbolzen hergestellte Verbindung zweier Elemente, wobei der Verbindungsbolzen eine Glasfaser mit einem Faser-Bragg-Gitter aufweist,
2a-d die Funktionsweise eines Faser-Bragg-Gitters,
3 den Aufbau eines Glasfaserkabels,
4 einen als Sechskantschraube ausgeführten Verbindungsbolzen,
5 einen als Schlüsselschraube ausgeführten Verbindungsbolzen,
6a-b Verbindungsbolzen mit einer Glasfasereinführung an einer unteren Stirnseite,
7a-b als Gewindestifte ausgeführte Verbindungsbolzen,
8a-b einen Verbindungsbolzen mit zwei Glasfaserkabeln,
9 einen Verbindungsbolzen mit drei Glasfaserkabeln, und
10 ein System, in dem durch Verbindungsbolzen hergestellte Verbindungen überwacht werden.

1 zeigt eine Anordnung, in der ein erstes Element 11 und ein zweites Element 12 mittels eines Verbindungsbolzens 1 miteinander verbunden sind. Der Verbindungsbolzen 1 ist als Schraube ausgeführt, die unten von einer Mutter gehalten wird. Der Verbindungsbolzen 1 ist eingerichtet zum Überwachen der durch den Verbindungsbolzen 1 hergestellten Verbindung. Der Verbindungsbolzen 1 weist eine sich entlang seiner Längsachse erstreckende Ausnehmung 2 aufweist, in der sich eine Glasfaser 3 erstreckt. Die Glasfaser 3 ist in der Ausnehmung 2 stoffschlüssig mittels eines Harzes 5 an dem Verbindungsbolzen 1 befestigt. Die Glasfaser 3 weist mehrere Faser-Bragg-Gitter 4, 4', 4" auf, die innerhalb der Ausnehmung 2 liegen. Eines der Faser-Bragg-Gitter 4' ist im Scherungsbereich der hergestellten Flanschverbindung angeordnet. Die Glasfaser 3 ragt an der Oberseite aus der Ausnehmung 2 heraus und setzt sich innerhalb einer Schutzhülle 8 fort. Die Glasfaser 3 ist an ihrem oberen Ende optisch kontaktierbar, so dass ein optisches Signal in die Glasfaser 3 einleitbar ist. Durch die innerhalb der Ausnehmung 2 liegenden Faser-Bragg-Gitter 4, 4', 4" wird das optische Signal modifiziert, indem es teilweise transmittiert und teilweise reflektiert wird (siehe hierzu 2a-d und die dazugehörigen Erläuterungen). Das modifizierte optische Signal, nämlich der von jedem Faser-Bragg-Gitter 4, 4', 4" reflektierte Anteil, ist am oberen Ende der Glasfaser 3 wiederum empfangbar. Spannungen oder Dehnungen des Verbindungsbolzens 1 bewirken eine mechanische Veränderung der Faser-Bragg-Gitter 4, 4', 4" und resultieren in einer Veränderung des modifizierten optischen Signals. Wenn Veränderungen des modifizierten rückgestreuten optischen Signals festgestellt werden, deutet dies also auf mechanische Veränderungen innerhalb des Verbindungsbolzens 1 hin, die wiederum mit Veränderungen der durch den Bolzen 1 geschaffenen Verbindung in Zusammenhang stehen können. Mit Hilfe von Berechnungsmodellen können zum Beispiel solche Veränderungen identifiziert werden, die auf eine Lockerung der durch den Verbindungsbolzen 1 geschaffenen Verbindung hindeuten. Auf diese Weise kann mit Hilfe des Verbindungsbolzens 1 die durch ihn bewirkte Verbindung überwacht werden.
2a-d zeigen Aufbau und Funktionsweise des Faser-Bragg-Gitters 4. Wie in 2a gezeigt, erstreckt sich die Glasfaser 3 im Inneren des Verbindungsbolzens 1. Das Faser-Bragg-Gitter 4 wird durch eine stufenartige Modifikation des Brechungsindex n der Glasfaser 3 realisiert, wobei über einen Abschnitt der Glasfaser 1 eine im Abstand Λ mehrmals wiederkehrende stufenartige Veränderung des Brechungsindex um Δn gegeben ist. Dem Faser-Bragg-Gitter 4 ist eine Bragg-Wellenlänge λ_Bragg zugeordnet. Wird breitbandiges Licht, z.B. mit der in 2b dargestellten Intensitätsverteilung I_in, in die Glasfaser 3 geleitet, wird dieses Licht am Faser-Bragg-Gitter reflektiert (2c) bzw. transmittiert (2d), wobei das Licht um die Bragg-Wellenlänge λ_Bragg reflektiert wird und ein verbleibender Teil transmittiert wird. Mit anderen Worten hängt das Intensitätsspektrum des modifizierten, d.h. transmittierten und reflektieren Lichts, von dem innerhalb der Faser bereitgestellten variierenden Brechungsindex ab. Dehnungen, Spannungen oder Kräfte, die auf den Verbindungsbolzen 1 wirken, führen z.B. zu einer Veränderung des Bragg-Gitters, indem etwa abschnittsweise die wiederkehrende stufenartige Veränderung des Brechungsindex mit Abstand Λ gestört wird. Diese schlagen sich in dem reflektierten Spektrum nieder, indem dieses sich zum Beispiel zu längeren oder kürzeren Wellenlängen verschiebt. Wie aus 2b-d ebenfalls deutlich wird, ist der Einfluss des Bragg-Gitters auf das Spektrum auf den Bereich um die jeweilige Bragg-Wellenlänge beschränkt. Das heißt, dass der transmittierte Teil, der das Bragg-Gitter passiert, hinter diesem Bragg-Gitter zur Verfügung steht. Dort können, wie im Rahmen dieser Offenbarung beispielhaft vorgesehen, weitere Bragg-Gitter mit einer jeweils anderen Bragg-Wellenlänge angeordnet werden. So können entlang der Längsrichtung des Verbindungsbolzens räumlich aufgelöst Spannungen oder Dehnungen erfasst werden. Aufgrund der Beschränkung der Reflexion auf den Bereich um die jeweilige Bragg-Wellenlänge können beispielsweise unter Ausschöpfung des zur Verfügung stehenden Spektrums des einfallenden Lichts (z.B. sichtbares Licht) eine größere Anzahl Bragg-Gitter mit jeweils voneinander verschiedener Bragg-Wellenlänge hintereinander angeordnet werden, z.B. 2, 3, 4 oder auch 10 oder mehr Bragg-Gitter.
3 illustriert den Aufbau eines Glasfaserkabels. Rechts im Bild ragt die Glasfaser 3 hervor, die in die Ausnehmung 2 des Verbindungsbolzens 1 eingeführt und darin befestigt werden kann. Das oder die Faser-Bragg-Gitter 4 können in einem nicht-ummantelten Bereich z.B. eingebrannt sein. In dem ummantelten Abschnitt, der außerhalb der Ausnehmung 2 des Verbindungsbolzens 1 angeordnet werden soll, sorgt ein Mantel 6 dafür, dass das eingestrahlte Licht die Glasfaser 3 nicht verlässt. Der Mantel 6 kann einen Außendurchmesser von z.B. 100 - 200 µm aufweisen. Ebenfalls in dem ummantelten Abschnitt, der außerhalb der Ausnehmung 2 des Verbindungsbolzens 1 angeordnet werden soll, sind Kunststofffasern 7 und eine Schutzhülle 8 angeordnet, die dem mechanischen Schutz und einer Erhöhung der Zugfestigkeit dienen.
4 zeigt einen als Sechskantschraube ausgeführten Verbindungsbolzen 1. Es handelt sich um eine metrische 10 mm-Schraube mit Sechskantgriff, in die die Glasfaser 1 vom Schraubenkopf („obere Stirnseite“) aus in eine zentrische Bohrung 2 eingeführt ist. Außerhalb der Sechskantschraube erstreckt sich die Glasfaser innerhalb einer Schutzhülle 8 und endet schließlich in einer Kupplung 9. Dabei handelt es sich um eine Glasfaserkupplung mit Schnellverschluss. Auf diese Weise ist es möglich, den als Sechskantschraube ausgeführten Verbindungsbolzen 1 wie eine herkömmliche Sechskantschraube zu montieren. Eine Erfassungsvorrichtung kann nach der Montage des Verbindungsbolzens 1 durch Klicken an die durch das Faser-Bragg-Gitter realisierte Sensorik angeschlossen werden. Die Verwendung anderer Kupplungssysteme ist ebenfalls denkbar.
5 zeigt einen als Schlüsselschraube ausgeführten Verbindungsbolzen 1, in den die Glasfaser 3 mit dem Faser-Bragg-Gitter 4 eingebracht ist. Es wird hierdurch verdeutlicht, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf Maschinenschrauben begrenzt ist, sondern ebenso für z.B. Holzanwendungen anwendbar ist. Damit kann beispielsweise eine Überwachung von Verbindungen in bspw. Holzbrücken oder Holztürmen ermöglicht werden.
6a und 6b zeigen Verbindungsbolzen 1 mit einer Glasfasereinführung an einer unteren Stirnseite. Die Verbindungsbolzen 1, die etwa als Schlitz-Kreuzschlitz-, Torx- oder Inbusschrauben ausgeführt sind, ermöglichen kein Einführen der Glasfaser 3 mit der daran angeordneten Sensorik über den Schraubenkopf (also über die „obere Stirnseite“ des Verbindungsbolzens 1). Bei solchen Verbindungsbolzen 1 wird vorteilhaft eine kompakte Kupplung 9 verwendet, die sich durch eine Durchgangsbohrung, in die der Verbindungsbolzen einzuführen ist, und durch eine zu verwendende Gegenmutter hindurchführen lässt. Nicht zuletzt durch die anhand von 6a und 6b illustrierte Möglichkeit, die Glasfasereinführung auch an der unteren Stirnseite anzuordnen, werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung deutlich, die sich unter anderem, aber nicht darauf limitiert, auf Gewindestifte, Zylinder-, Linsen- oder Senkkopfschrauben beziehen kann.
7a-b zeigen als Gewindestifte ausgeführte Verbindungsbolzen 1. 7a zeigt allgemein den Verbindungsbolzen 1 mit daraus hervorragendem Glasfaserkabel. Die Schutzhülle 8 und die Kupplung 9 sind sichtbar. 7b illustriert eine mögliche Verwendung, wobei der Gewindestift in ein erstes Element 11 in Form eines Fundaments eingegossen ist. Ein zweites Element 12 in Form eines Turms einer Windenergieanlage wird mittels eines Flansches, der zum Beispiel Abmessungen von 4-6 m haben kann, unter Zuhilfenahme einer Mutter auf dem Fundament verschraubt. So können durch die hier vorgeschlagenen Gewindestifte dauerhafte Messungen an Turm-Fundament-Verbindungen durchgeführt werden und die Standsicherheit der WEA erhöht werden.
8a und 8b zeigen eine Ausführung des Verbindungsbolzens 1, wobei zwei Ausnehmungen 2, 2' vorhanden sind, in die jeweils ein Glasfaserkabel 3, 3' eingeführt ist, das am oberen Ende (nicht gezeigt) optisch kontaktierbar ist. 8a zeigt einen vertikalen Schnitt, der verdeutlicht, dass ein erstes Glasfaserkabel 3 zwei Faser-Bragg-Gitter 4, 4' (mit voneinander verschiedener Bragg-Wellenlänge) aufweist und ein zweites Glasfaserkabel 3' zwei weitere Faser-Bragg-Gitter 4'', 4''' (mit voneinander verschiedener Bragg-Wellenlänge) aufweist. Durch die mehreren Glasfasern 3, 3' mit den mehreren Faser-Bragg-Gittern 4, 4' lässt sich eine erhöhte räumliche Auflösung von beobachteten Spannungen und Dehnungen erreichen. 8b zeigt einen horizontalen Schnitt A-A, der in 8a eingezeichnet ist. Ein Durchmesser der Ausnehmungen 2, 2' beträgt jeweils weniger als 1 mm und damit weniger als 5 % eines Durchmessers des Verbindungsbolzens 1.
9 zeigt eine weitere Ausführung eines Verbindungsbolzens 1 im Schnitt aus 8b. Dieser Verbindungsbolzen enthält drei Glasfasern 3, 3', 3", die wieder jeweils ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter haben. Die Herstellung des Verbindungsbolzens 1 kann erfolgen, indem die Glasfasern 3, 3', 3" z.B. mittels eines Harzes 5 und/oder mittels eines Klebstoffes und/oder durch Schweißen stoffschlüssig in den Ausnehmungen befestigt werden. Die Ausnehmungen können gebohrt sein oder der Verbindungsbolzen 1 kann additiv mit der Ausnehmung 2 gefertigt werden.
10 zeigt ein System 10, in dem eine Verbindung zwischen zwei Elementen 11, 12 dauerhaft überwacht wird. In dem System 10 sind ein erstes Element 11 und ein zweites Element 12 mit Hilfe zweier Verbindungsbolzen 1, 1' verbunden, wobei es sich bei den Elementen 11, 12 um Elemente einer Großanlage, nämlich einer Windenergieanlage, handelt. Jeder Verbindungsbolzen 1, 1' enthält eine Glasfaser 3, 3' mit jeweils drei Faser-Bragg-Gittern 4, 4', 4", 4''', 4'''', 4'''''. Die Glasfasern 3, 3'ragen am oberen Ende aus den Verbindungsbolzen heraus und erstrecken sich innerhalb von Schutzhüllen 8, 8' weiter. Eine Erfassungsvorrichtung 13 ist mit beiden Glasfasern 3, 3' optisch gekoppelt. Die Erfassungsvorrichtung 13 ist dafür eingerichtet, ein optisches Signal in die Glasfasern 3, 3' einzuleiten und durch die mehreren Bragg-Gitter 4, 4', 4'', 4''', 4'''', 4''''' reflektierte optische Signale zu empfangen. Dabei werden innerhalb der Erfassungsvorrichtung 13 insbesondere Veränderungen der reflektierten optischen Signale erkannt, die auf mechanische Veränderungen in der durch die Verbindungsbolzen 1 hergestellten Verbindung hindeuten können.
Mittels der Erfassungsvorrichtung 13 werden dabei die Signale beider Glasfasern 3, 3' erfasst und miteinander verglichen. Durch den Abgleich können möglicherweise die Verbindung beeinträchtigende Veränderungen, insbesondere asymmetrische Veränderungen, erkannt werden. Durch Umwelteinflüsse verursachte Veränderungen, die sich in beiden Verbindungsbolzen 1, 1' und also beiden Glasfasern 3, 3' gleichermaßen niederschlagen können als solche erkannt und entsprechend behandelt werden. Zusätzlich ist die Erfassungsvorrichtung 13 mit einem Thermometer 14 verbunden, das eine Temperatur in der Nähe der Verbindungsbolzen 1, 1' misst und zusätzliche, die Umwelt betreffende Informationen liefert. So kann eine Temperaturabhängigkeit der Veränderung der reflektierten optischen Signale erkannt und entsprechend behandelt werden.
Werden innerhalb der Erfassungsvorrichtung 13 Veränderungen der reflektierten optischen Signale erkannt, die vorbestimmte Parameter überschreiten, wird die Windenergieanlage automatisch abgeschaltet. Werden also beispielsweise Signalveränderungen detektiert, die nicht mit einer erkannten Temperaturänderung korrelieren und/oder die einen vorbestimmten Wert überschreiten und/oder die für die beiden Verbindungsbolzen 1 deutlich voneinander abweichen, so kann dies auf eine Schwächung der Verbindung hindeuten. Die Erfassungsvorrichtung 13 gleicht die empfangenen Signale mit gespeicherten Berechnungsmodellen ab und sendet ein Signal zum Abschalten der Windenergieanlage, wenn aus dem Abgleich des Signals mit dem Berechnungsmodell erkannt wird, dass die Verbindung beeinträchtigt ist.
In solchen Systemen können ein oder mehrere Verbindungsbolzen 1 gemäß sämtlichen vorangehend beschriebenen Ausführungen verwendet werden. Insbesondere können ein oder mehrere Verbindungsbolzen mit jeweils ein oder mehreren Glasfasern, die wiederum jeweils ein oder mehrere Faser-Bragg-Gitter aufweisen, verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1": Verbindungsbolzen
2, 2': Ausnehmung
3, 3', 3": Glasfaser
4, 4', 4'', 4''': Faser-Bragg-Gitter
5: Harz
6: Mantel
7: Kunststoff-Fasern
8: Schutzhülle
9: Kupplung
10: System
11: Erstes Element
12: Zweites Element
13: Erfassungsvorrichtung
14: Thermometer

Claims

Verbindungsbolzen (1), eingerichtet zum Überwachen einer durch den Verbindungsbolzen (1) hergestellten Verbindung, wobei der Verbindungsbolzen (1) eine sich entlang einer Längsachse des Verbindungsbolzens (1) erstreckende Ausnehmung (2) aufweist, in der sich eine Glasfaser (3) erstreckt, die an dem Verbindungsbolzen (1) befestigt ist, wobei die Glasfaser (3) mindestens ein innerhalb der Ausnehmung (2) liegendes Faser-Bragg-Gitter (4) aufweist und die Glasfaser (3) an zumindest einem Ende optisch kontaktierbar ist.
Verbindungsbolzen (1) nach Anspruch 1, wobei es sich um ein Schraubelement mit einem Außengewinde handelt, insbesondere um einen Gewindestift oder um eine Zylinder-, Linsen- oder Senkkopfschraube.
Verbindungsbolzen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Querschnitt der Ausnehmung, insbesondere ein Durchmesser der Ausnehmung, höchstens 10 % oder höchstens 5 % oder höchstens 3 % eines Querschnitts des Verbindungsbolzens, insbesondere Durchmessers des Verbindungsbolzens, beträgt.
Verbindungsbolzen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausnehmung einen Querschnitt, insbesondere Durchmesser, von 1 mm oder weniger aufweist.
Verbindungsbolzen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Glasfaser mindestens zwei oder mindestens drei oder mindestens vier Faser-Bragg-Gitter (4) mit voneinander verschiedenen Bragg-Wellenlängen aufweist, die jeweils innerhalb der Ausnehmung (2) liegen.
Verbindungsbolzen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Glasfaser (3) innerhalb der Ausnehmung (2) stoffschlüssig befestigt ist, insbesondere mittels eines Harzes (5) und/oder mittels eines Klebstoffes und/oder durch Schweißen.
Verbindungsbolzen (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mindestens eine weitere sich entlang der Längsachse erstreckende Ausnehmung (2') aufweisend, in der sich eine weitere Glasfaser (3') erstreckt, die an dem Verbindungsbolzen (1) befestigt ist, wobei die weitere Glasfaser (3') mindestens ein innerhalb der weiteren Ausnehmung (2') liegendes weiteres Faser-Bragg-Gitter (4') aufweist, und die weitere Glasfaser (3') an zumindest einem Ende optisch kontaktierbar ist.
System (10), umfassend ein erstes Element (11), ein zweites Element (12) und mindestens einen Verbindungsbolzen (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Element (11) und das zweite Element (12) mittels des mindestens einen Verbindungsbolzens (1) miteinander verbunden sind, wobei das System weiterhin eine Erfassungsvorrichtung (13) umfasst, die optisch mit der Glasfaser (3) gekoppelt ist, wobei die Erfassungsvorrichtung (13) dafür eingerichtet ist, ein optisches Signal in die Glasfaser (3) einzuleiten und ein durch das mindestens eine innerhalb der Ausnehmung (2) liegende Faser-Bragg-Gitter (4) modifiziertes, insbesondere reflektiertes, optisches Signal zu empfangen.
System (10) gemäß Anspruch 8, mindestens zwei Glasfasern (3, 3', 3") umfassend, wobei die mindestens zwei Glasfasern (3, 3', 3") innerhalb desselben Verbindungsbolzens (1) angeordnet sind und/oder wobei die mindestens zwei Glasfasern (3, 3', 3") innerhalb mindestens zweier verschiedener Verbindungsbolzen (1, 1') angeordnet sind, die jeweils das erste Element (11) und das zweite Element (12) miteinander verbinden.
System (10) gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei es sich um eine Großanlage oder eine Komponente einer Großanlage handelt, insbesondere um eine Windenergieanlage oder um eine Windenergieanlagenkomponente.
System (10) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10 wobei zumindest eines des mindestens einen Faser-Bragg-Gitters (4) im Scherungsbereich einer Flanschverbindung angeordnet ist.
Herstellung eines Verbindungsbolzens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausnehmung (2) gebohrt wird oder wobei der Verbindungsbolzen (1) mit der Ausnehmung (2) additiv gefertigt wird, wobei die Glasfaser (3) in die Ausnehmung (2) eingeführt wird und stoffschlüssig mit dem Verbindungsbolzen (1) verbunden wird.
Verfahren zum Überwachen einer Verbindung, insbesondere einer Schraubverbindung einer Windenergieanlage, wobei zwei Komponenten mittels eines Verbindungsbolzens (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 miteinander verbunden werden, wobei ein optisches Signal in die Glasfaser (3) eingeleitet wird und ein durch das mindestens eine innerhalb der Ausnehmung (2) liegende Faser-Bragg-Gitter (4) modifiziertes optisches Signal empfangen wird und eine Veränderung des modifizierten optischen Signals erfasst wird.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei mindestens zwei Glasfasern (3, 3', 3") innerhalb desselben Verbindungsbolzens (1) und/oder innerhalb mindestens zweier verschiedener Verbindungsbolzen (1, 1') bereitgestellt werden, wobei die durch die in den verschiedenen Glasfasern (3, 3', 3") angeordneten Faser-Bragg-Gitter (4) modifizierten optischen Signale erfasst werden und Veränderungen der modifizierten optischen Signale der mindestens zwei Glasfasern (3, 3', 3") miteinander verglichen werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei eine Temperatur am Verbindungsbolzen (1) oder in der Nähe des Verbindungsbolzens (1) erfasst wird, zum Erkennen einer Temperaturabhängigkeit der Veränderung des modifizierten optischen Signals oder der modifizierten optischen Signale.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei eine Verbindung in einer Windenergieanlage überwacht wird und wobei die Windenergieanlage beim Überschreiten vorbestimmter Parameter, die die Veränderung des modifizierten optischen Signals oder der modifizierten optischen Signale betreffen, abgeschaltet wird.