DE10341585B4

DE10341585B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion eines Behälters

Info

Publication number: DE10341585B4
Application number: DE10341585A
Authority: DE
Inventors: Dieter Michael Tomczyk; Stephan Dr. Großwig; Andrea Graupner
Original assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH; Geso-Gesellschaft fur Sensorik Geotechnischen Umweltschutz und Mathematische Modellierung Mbh Jena
Current assignee: GESO GES fur SENSORIK GEOTECH; Geso-Gesellschaft fur Sensorik Geotechnischen Umweltschutz und Mathematische Modellierung Mbh Jena
Priority date: 2003-05-20
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: DE10341585A1

Abstract

Verfahren zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion (10) eines Behälters (15),
mittels einer faseroptischen Deformations- oder Dehnungsmessanordnung, gebildet aus einer Gesamtheit von über die Stützkonstruktion an einzelnen Messpunkten (20) oder Messabschnitten angeordneten faseroptischen Deformations- oder Dehnungssensoren (21) in Verbindung mit einer Messeinheit (22), einer Temperaturmesseinheit (23) und einer Auswerteeinheit (25), wobei
– eine permanente oder zyklische Messwertabfrage über an den Messpunkten gemessene Dehnungen oder Stauchungen erfolgt,
– eine zeitgleiche, auf einem vorgegebenen statischen Modell der Stützkonstruktion beruhende In-situ-Auswertung über zulässige und gemessene mechanische Spannungszustände als Funktion des Füllstandes, insbesondere zulässige und gemessene Spannungen in der Auswerteeinheit ausgeführt wird,
– die Temperaturmessungen durch ein um oder entlang jeden faseroptischen Dehnungssensor (21) gelegtes Temperatursensorkabel (23d) ausgeführt werden und
– in der Auswerteeinheit als Resultat der ausgeführten Temperaturmessungen eine Separation lastbedingter Verformungen der Stützkonstruktion von temperaturbedingten Verformungen der Stützkonstruktion erfolgt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion eines Behälters nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 6.
Behälter, insbesondere kugelförmige Druckbehälter, werden oft auf Stützkonstruktionen gelagert, die aus einzelnen am Behälter befestigten und in einem Fundament verankerten Tragteilen bestehen. Die Stabilität der Stützen und damit der gesamten Stützkonstruktion bzw. die Standsicherheit der gesamten Anlage aus Stützkonstruktion und Behälter ist bei Fertigstellung der Anlage in zeitlich regelmäßig wiederkehrenden gesetzlich vorgeschriebenen Prüfungen nachzuweisen. Dabei müssen als ausschlaggebende Kriterien die realen Belastungen der Stützen und der Fundamentkonstruktion untersucht werden, um ein Versagen der Stützkonstruktion durch Knicken oder Kippen zu vermeiden. Eine Beurteilung des Zustandes der Stützen (d.h. insbesondere deren Wanddicken, Korrosionszustand und auftretende Verformungen) erfolgt bislang unter Verwendung von Ultraschall-Wanddickenmessungen, bzw. Dehnungsmeßstreifen, mit denen mit denen die Wanddicke bzw. die Verformungen nachgewiesen und bestimmt werden. Mit Hilfe der Ultraschall-Wanddickenmessungen ist es möglich, Stützen zu bestimmen, die infolge korrosionsbedingter Wanddickenminderungen in ihrer Tragfähigkeit eingeschränkt sind. Eine Veränderung der Spannungsverhältnisse in den Stützen, die sich z.B. durch Fundamentversetzungen oder Lageränderungen ergeben können, sind mit diesem Meßverfahren nicht festzustellen.

Aus der DE 101 10 606 A1 ist ein Verfahren zur kontrollierten Nutzungsdauerverlängerung von Tragwerken, insbesondere Brücken offenbart. Bei der dortigen Lösung wird von einer experimentellen Tragsicherheitsbewertung ausgegangen, wobei der Tragwerkszustand im Verlauf der weiteren Nutzung auf objektiver Grundlage zu bewerten ist. Hierfür werden einerseits Kurzzeitversuche als Funktion von Belastung und anderen Umwelteinwirkungen durchgeführt. Andererseits erfolgt eine Langzeitbeobachtung. Während der Langzeitbeobachtung soll mit Hilfe eines geeigneten Monitoring-Systems ein Vergleich aktuell gemessener Istwerte mit Grenz- oder Sollwerten erfolgen, so daß eine laufende Zustandsbewertung gewährleistet ist. Dabei gilt es auch, das Belastungsformänderungs-Verhalten in Abhängigkeit von der Temperatur und anderen Einflüssen mittels statischer Analyse zu bestimmen.

Bei der Vorrichtung zur Bestimmung der Biegebeanspruchung von Bauteilen nach DE 199 05 687 A1 ist in der Biegezugzone und in der Biegedruckzone eines Bolzens jeweils ein Lichtwellenleiter befindlich. Beide Lichtwellenleiter sind über Koppler mit einer Lichtquelle und einer Auswerteschaltung verbunden. In der Auswerteschaltung werden die bei einer Biegebeanspruchung des Bolzens auftretenden entgegengesetzten Längenänderungen der beiden Lichtwellenleiter nach dem Prinzip der Interferometrie ermittelt.

Aus der DE 30 15 391 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung von physikalischen Zustandsänderungen in Bauteilen vorbekannt. Die dortige Lösung besteht darin, daß in den zu überwachenden Zonen der Bauteile Lichtleitfasern so befestigt oder eingelagert werden, daß die Anfänge und Enden der Lichtleitfasern zugänglich sind und die Möglichkeit besteht, optische Eigenschaften der Fasern laufend oder in Zeitabständen zu beobachten.

Für einen Spannungsnachweis werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik vorzugsweise in örtlich begrenzten Bereichen auf der Oberfläche der Stützen Dehnungsmeßstreifen an zweckmäßig ausgewählten Meßpunkten appliziert. Eine solche Methode weist eine Reihe von Nachteilen auf.

Im Allgemeinen wird der Dehnungsmeßstreifen mittels einer Klebverbindung dauerhaft auf der Stützenoberfläche befestigt und zeitweise für Messungen genutzt. Ansonsten verbleibt der Dehnungsmeßstreifen permanent an der Anlage. Um die Klebverbindung vor Witterungs- und sonstigen Umwelteinflüssen zu schützen, muß der Dehnungsmeßstreifen durch geeignete Maßnahmen, z.B. Verkleidungen, geschützt werden. Trotzdem ist eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der Dehnungsmeßstreifen auch während der erforderlichen Messung nicht mit Sicherheit zu vermeiden.

In Verbindung damit wirkt sich auch die relativ kleine Meßbasis von etwa 2 bis 3 Zentimeter Länge der Dehnungsmeßstreifen nachteilig aus. Die relative Genauigkeit einer registrierten Verformung ist in erster Näherung proportional zur Größe der Meßbasis. Dehnungsmeßstreifen weisen konstruktionsbedingt eine Meßbasis auf, die nicht größer als maximal etwa 5 bis 10 Zentimeter ausgeführt werden kann. Sie ist durch die Länge des Meßstreifens begrenzt. Um Dehnungen und Spannungen in der Stützkonstruktion mit einer ausreichenden Sensitivität registrieren und messen zu können, müssen viele kleine Dehnungsmeßstreifen an der Konstruktion befestigt und entsprechend aufwändig vor Witterungseinflüssen geschützt werden. Dadurch ist allein die Befestigung derartiger Meßstreifen kostenaufwändig und kompliziert.

Durch die Dehnungsmeßstreifen wird eine Dehnung (oder Stauchung) an dem Meßpunkt auf elektrischem Wege nachgewiesen, indem sich ein Parameter (z.B. Stromstärke, Spannung oder Impedanz) im Material des Dehnungsmeßstreifens ändert. Das bedeutet, daß die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen elektrisch aktiv ist und demzufolge gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert sein muß. Weiterer Aufwand resultiert hier aus der notwendigen Verstärkung der sehr kleinen elektrischen Signale.

Vor diesem Hintergrund ergibt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion eines Behälters anzugeben, das die genannten Nachteile weitgehend vermeidet. Dehnungen, Stauchungen und sonstige Verformungen sollen dadurch schnell, genau und in hoher Auflösung registriert werden. Weiterhin soll das Verfahren auch in explosionsgefährdeten oder anderweitig gefährlichen Bereichen einsetzbar sein. Eine In-situ-Auswertung der auftretenden Belastungen in der Stützkonstruktion soll darüber hinaus ermöglicht werden. In Verbindung mit einer hohen Witterungsbeständigkeit soll die Befestigung der entsprechenden Meßsensorik kostengünstig und in einfacher Weise ermöglicht werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion eines Behälters gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst, wobei die Unteransprüche Weiterbildungen des Hauptanspruches enthalten.

Grundgedanke des Verfahrens ist es, mittels einer faseroptischen Deformations- oder Dehnungsmeßanordnung, die aus einer Gesamtheit über die Stützkonstruktion an einzelnen Meßpunkten angeordneten faseroptischen Sensoren besteht, Dehnungen und Stauchungen an einzelnen Meßpunkten zu messen und in Verbindung mit einer Meßeinheit, einer Temperaturmeßeinheit und einer Auswerteeinheit mechanische Spannungen an der Stützkonstruktion nachzuweisen, zu messen und zu überwachen.

In Verbindung damit erfolgt eine permanente Meßwertabfrage über die gemessenen Dehnungen und Stauchungen. Zeitgleich dazu wird in einer Auswerteeinheit eine auf einem vorgegebenen statischen Modell der Stützkonstruktion und den gemessenen Dehnungen/Stauchungen beruhende insitu-Auswertung über zulässige und gemessene mechanische Spannungszustände, insbesondere zulässige und gemessene Druckspannungen in der Stützkonstruktion ausgeführt. Es erfolgen Temperaturmessungen in der Nähe jedes faseroptischen Dehnungssensors. Als Resultat der ausgeführten Temperaturmessungen erfolgt sodann in der Auswerteeinheit eine Separation lastbedingter Verformungen von temperaturbedingten Verformungen der Stützkonstruktion.

Die aus dem Stand der Technik bekannten Dehnungsmeßstreifen werden somit im Rahmen des hier beschriebenen Verfahrens durch faseroptische Dehnungssensoren ersetzt, die an zweckmäßig ausgewählten Meßpunkten der Stützkonstruktion befestigt sind. Anschließend erfolgt eine fortlaufende Messung der Verformungen auf optischem Wege, indem die veränderte Lichtausbreitung innerhalb der faseroptischen Dehnungssensoren gegenüber einem Ausgangszustand ausgewertet wird. Um temperaturbedingte Verformungen von lastbedingten Verformungen zu separieren, werden gleichzeitig Temperaturmessungen ausgeführt und die aus den Temperaturänderungen resultierenden Verformungen absepariert. In der Auswerteeinheit werden aus den gemessenen Verformungen die daraus resultierenden mechanischen Spannungen errechnet. Dazu wird ein der Stützkonstruktion entsprechendes statisches Modell zugrunde gelegt, wobei die gemessenen Resultate als Eingangsgrößen in das Modell eingehen und das reale Belastungsprofil der Stützkonstruktion aus dem Modell ausgegeben wird. Das Verfahren kann während des normalen Betriebs des Behälters oder bei wiederkehrenden Prüfungen ausgeführt werden und die Errechnung des Belastungsprofils geschieht zeitgleich mit der laufenden Messung, so daß das errechnete Belastungsprofil das momentan vorliegende Belastungsprofil in Echtzeit wiedergibt.

„In-situ" bedeutet im folgenden, daß die Belastungsprüfung der Stützkonstruktion zum einen kontinuierlich während des Befüllen und/oder Entleerens der Anlage aus Behälter und Stützkonstruktion erfolgt. Zum anderen wird damit die mit der Messung zeitgleich erfolgende Umsetzung der gemessenen Verformungen (Dehnungen, Stauchungen) in real vorliegende mechanische Spannungen auf der Grundlage einer Auswertung der Meßergebnisse unter Verwendung eines statischen Modells der Stützkonstruktion beschrieben. Damit setzt sich dieses Verfahren von den konventionellen Verfahren zur Belastungsprüfung an derartigen Stützkonstruktionen ab, bei denen eine Messung während des normalen Betriebes aus den oben genannten Gründen nur bedingt möglich ist. Die faseroptische Dehnungsmeßanordnung bietet den Vorteil, daß auf elektrisch aktive Komponenten vollkommen verzichtet wird. Sie ist deshalb auch in gefährdeten Bereichen während des Betriebs mit explosionsgefährdeten Stoffen problemlos einsetzbar. Die faseroptische Dehnungsmeßsensorik erlaubt darüber hinaus eine beträchtlich vergrößerte Meßbasis durch die Gestaltung der faseroptischen Dehnungssensoren. Sie ist unempfindlich gegenüber Witterungseinflüssen und benötigt auch aus diesem Grund keine aufwändige Abschirmung und Verstärkung.

Zur Ausführung des Verfahrens werden an jeder Stütze der Stützkonstruktion eine Gruppe faseroptischer Dehnungsensoren gleichmäßig um den Umfang der betreffenden Stütze verteilt herum angeordnet, wobei die Längsachse jedes faseroptischen Dehnungssensors im wesentlichen parallel zur Längsachse der Stütze orientiert wird. Die gleichmäßig verteilte Anordnung der faseroptischen Dehnungssensoren berücksichtigt die Freiheitsgrade der möglichen Verformungen einer Stütze und ermöglicht es, jede auftretende Verformung in jeder beliebigen Richtung zu detektieren. Die zur Längsrichtung der Stütze parallele Ausrichtung jedes faseroptischen Dehnungssensors berücksichtigt den Umstand, daß die größten Dehnungen bzw. Stauchungen der Stütze unter der Last des Behälters und unter der vorherrschenden Konstruktion der Stützkonstruktion in der Längsrichtung der Stützen zu erwarten sind und dort vorwiegend auftreten, während Verformungen senkrecht zu dieser Richtung in erster Näherung zu vernachlässigen sind.

Die faseroptischen Dehnungssensoren werden dabei zweckmäßigerweise in Sensoraufnehmern befestigt, die form- und/oder kraftschlüssig mit der jeweiligen Stütze verbunden sind. Die Befestigung der eigentlichen faseroptischen Dehnungssensoren in den Sensoraufnehmern kann temporär erfolgen, d.h. während eines begrenzten und vorübergehenden Zeitraums, im Allgemeinen während eines Meßzeitraumes. Die faseroptischen Dehnungssensoren als der eigentlich sensitive Teil der Dehnungsmeßanordnung sind demnach jederzeit in die Stützkonstruktion einzufügen oder zu entfernen und verbleiben somit nur dann an der Stützkonstruktion, wenn eine Messung erfolgt oder notwendig ist.

An der jeweiligen Stütze wird in der Nähe des jeweiligen faseroptischen Dehnungsensors eine Temperaturmessung zweckmäßigerweise mittels eines Verfahrens einer verteilten faseroptischen Temperaturmessung ausgeführt. Bei diesem Verfahren wird das temperaturabhängige Ramanspektrum einer lichtleitenden Faser analysiert, die sich in unmittelbarer Nähe zum faseroptischen Dehnungssensor befindet. Der Vorteil bei diesem Temperaturmeßverfahren besteht darin, daß auch die Temperaturmeßsensorik vollkommen elektrisch passiv ausgeführt ist.

Die permanente Meßwertabfrage und die zeitgleiche in-situ-Auswertung werden mit einer Analyseeinheit ausgeführt, wobei die durch die faseroptischen Dehnungssensoren bestimmten Dehnungsgrößen in mechanische Spannungen für jede einzelne Stütze und/oder die gesamte Stützkonstruktion auf der Grundlage eines statischen Modells umgerechnet werden.

Eine Vorrichtung zum Ausführen des beschriebenen Verfahrens enthält eine Anordnung einer Gruppe gleichmäßig über einen Umfang jeweils einzelner Stützen einer Stützkonstruktion eines Behälters verteilter faseroptischer Sensoreinheiten mit einer im wesentlichen parallel zur Längsachse der jeweiligen Stütze gerichteten Längsachse. Eine ferne Meßeinheit ist kommunikativ mit jeweils einzelnen Stützen zugeordneten Gruppen verbunden. Eine faseroptische Temperaturmeßeinheit ist in unmittelbarer Nähe zu mindestens einer der faseroptischen Sensoreinheiten an der jeweiligen Stütze angeordnet. Eine ferne Auswerteeinheit steht in kommunikativer Verbindung mit der Meßeinheit und der Temperaturmeßeinheit und enthält einen Speicher, ein Meß- und Steuerprogramm und ein Auswerteprogramm.

Die Sensoreinheit besteht aus einem form- und/oder kraftschlüssig mit der jeweiligen Stütze verbundenen Sensoraufnehmer und einem in den Sensoraufnehmer temporär befestigten faseroptischen Dehnungssensor. Während der Sensoraufnehmer permanent an der Stütze verbleibt und somit eine stets vorhandene Befestigungsmöglichkeit für einen bedarfsweise anzubringenden faseroptischen Dehnungssensor bietet, wird der Dehnungssensor als das eigentlich sensitive Glied der Sensoreinheit nur vorübergehend an dem entsprechenden Meßpunkt befestigt und kann ansonsten anderweitig eingesetzt oder gelagert werden. Der Sensoraufnehmer selbst ist mit der Stütze, z.B. mittels Schweißnähten verbunden und kann darüber hinaus teilweise verkleidet sein.

Die ferne Meßeinheit enthält mindestens eine lichtemittierende Diode, einen optischen Koppler, eine Interferometeranordnung und eine Lichtleiterverbindung zu einem mit den jeweiligen Gruppen der Sensoreinheiten verbundenen optischen Schalter. Die lichtemittierende Diode bildet eine niedrigkohärente Lichtquelle dar, der optische Koppler dient zur Einkopplung des Lichtes in den Strahlengang des Lichtleiters, die Interferometeranordnung der Detektion der optischen Weglänge und der optische Schalter zu einem Umleiten des Lichtes auf die jeweiligen Sensoreinheiten, bzw. die jeweiligen faseroptischen Dehnungssensoren.

Die Temperaturmeßeinheit enthält mindestens einen Taktgenerator, eine Laserquelle und eine Auswerteeinheit in Verbindung mit einem Temperatursensorkabel. Der Taktgenerator sendet getaktete Laserimpulse von der Laserquelle in einzelne Temperatursensorkabel und gibt ein Zeitmaß für die jeweils rücklaufenden aus den Temperatursensorkabel stammenden reflektierten Lichtsignale vor. Aus den Laufzeitunterschieden zwischen ausgesandtem und reflektiertem Lichtsignal ordnet die Auswerteeinheit das reflektierte Lasersignal einem Ort eines spezifischen Temperatursensorkabels zu und ermittelt somit den Ort der Temperaturmessung. Zweckmäßigerweise ist je ein Temperatursensorkabel schlaufenartig um je einen faseroptischen Dehnungssensor gelegt, befindet sich also in unmittelbarer Nähe der entsprechenden Sensoreinheit oder kann auch einen Bestandteil der Sensoreinheit bilden.

Die Analyseeinheit ist in Form eines Personal Computers oder dergleichen Einrichtung ausgeführt und enthält ein intern gespeichertes statisches Modell der Stützkonstruktion, ein Auswerteprogramm zum Errechnen mechanischer Spannungen in der Stützkonstruktion auf der Grundlage gemessener Dehnungen und Stauchungen und ein Meß- und Steuerprogramm zur Steuerung der Meßeinheit und der Temperaturmeßeinheit.

Das Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 11b.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Behälters mit einer Stützkonstruktion, versehen mit einer beispielhaften Ausführungsform der Meßanordnung,
2 eine schematische Schnittdarstellung einer einzelnen Stütze mit einer um den Stützenumfang verteilten Anordnung von Sensoreinheiten,
3 eine schematische Darstellung einer an der Stütze befestigten Sensoreinheit in einer Seitenansicht,
4 eine schematische Darstellung einer an der Stütze befestigten Anordnung aus Sensoraufnehmer und faseroptischem Dehnungssensor,
5 eine Abbildung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung aus 4 mit einer teilweise entfernten Verkleidung,
6 eine Abbildung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung aus 4 mit einer Verkleidung in der Umgebung des Sensoraufnehmers,
7 eine Abbildung eines Ausführungsbeispiels einer Anordnung aus 4 mit einer Ansicht eines Sensoraufnehmers von unten,
8 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Meßanordnung, umfassend eine Gesamtheit faseroptischer Dehnungssensoren in Verbindung mit einer Meßeinheit, eine Temperaturmeßeinheit und eine Auswerteeinheit,
9 eine Darstellung einer Stütze mit einer Gruppe von Sensoranordnungen mit gemessenen Dehnungen in einem Koordinatensystem,
10a eine beispielhafte Darstellung fortlaufend aufgezeichneter, zeitlich veränderlicher Meßwerte an einer Stütze,
10b ein beispielhaftes Polardiagramm mit einer gemessenen Spannungsverteilung an einer ersten Stützkonstruktion,
11a eine beispielhafte Darstellung des Einflusses unterschiedlicher Berechnungsmodelle zur Berechnung eines Ausnutzungsgrades einer Stützkonstruktion in Abhängigkeit von einem Füllvolumen eines Behälters und
11b ein weiteres beispielhaftes Polardiagramm mit einer gemessenen Spannungsverteilung an einer weiteren Stützkonstruktion.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte Meßanordnung. Auf einer Stützkonstruktion 10, die aus einer Gesamtheit von Stützen 11 besteht, welche auf einer Reihe von Fundamenten 12 aufgesetzt sind, lagert ein Kugelbehälter 15.
Dieser ruft durch sein Eigengewicht und das Gewicht seiner Füllung Verformungen in den einzelnen Stützen der Stützkonstruktion und an den einzelnen Fundamenten hervor. Innerhalb der gegebenen Statik der Stützkonstruktion werden in den Stützen mechanische Spannungen hervorgerufen, wobei sowohl die Verformungen, als auch die Spannungen zu messen, bzw. zu berechnen sind. Aus den gewonnenen Resultaten werden Aussagen über die Tragfähigkeit und Stabilität der Stützkonstruktion gewonnen.
Zu diesem Zweck weist jede Stütze mindestens einen, vorteilhafterweise aber mehrere Meßpunkte 20 auf, an denen jeweils ein faseroptischer Dehnungssensor 21 angeordnet ist. Mehrere solcher Dehnungssensoren, die sich an einer einzelnen Stütze 11 befinden, bilden eine Gruppe von faseroptischen Dehnungsensoren, die gemeinsam die Verformungen der betreffenden Stütze registrieren. Eine oder auch mehrere derartiger Gruppen werden von einer Meßeinheit 22 gesteuert. In der Praxis ist der Auswerteeinheit ein optischer Schalter vorgelagert, der es gestattet, mit einer einzigen Auswerteeinheit durch entsprechende Umschaltung eine Vielzahl von Sensoren nacheinander zu vermessen. Für eine Temperaturmessung an jeder Stütze ist jedem faseroptischen Dehnungsensor 21 eine Temperaturmeßeinheit 23 zugeordnet, wobei das sensorische Element der Temperaturmeßeinheit durch ein Temperatursensorkabel 23d ausgebildet ist. Wie der schematischen Darstellung aus 1 zu entnehmen ist, befindet sich je ein Temperatursensorkabel 23d in unmittelbarer Nähe zu einem entsprechenden faseroptischen Dehnungsensor 21.
Über Zuleitungskabel erfolgt eine Verbindung der faseroptischen Dehnungssensoren mit den Meßeinheiten 22. Die Meßeinheiten weisen Verbindungen zu einer zentralen Auswerteeinheit oder Analyseeinheit 25 auf, die alle von den faseroptischen Dehnungssensoren 21 einlaufenden und durch die Meßeinheiten umgesetzten Meßsignale, bzw. die von den Temperaturmeßeinheiten einlaufenden Meßsignale registriert und auswertet. Während die Meßsensoriken 21 und 23d unmittelbar mit den Stützen 11 in Verbindung stehen, kann die Verbindung zwischen den Meßeinheiten 22 bzw. den Temperaturmeßeinheiten 23 zu den Sensoren 21 bzw. 23d, einerseits, bzw. zwischen den Meßeinheiten 22 und der Temperaturmeßeinheit 23 und der Auswerteeinheit andererseits bis zu einigen Kilometern betragen. Mindestens die Auswerteeinheit 25 kann somit in einer fernen und zentralen Meßwarte lokalisiert sein. Die Signalübertragung zwischen den Meßeinheiten 22 und den faseroptischen Dehnungssensoren 21, bzw. zwischen den Temperaturmeßeinheiten 23 und den Temperatursensorkabeln 23 erfolgt mittels lichtleitender Verbindungskabel und ist somit elektrisch vollständig passiv. Damit kann die gesamte Anordnung aus den Einheiten 23 und den Meßsensoriken 21 und 23d in explosionsgefährdeten Räumen ohne weiteres eingesetzt werden, während die elektronisch erfolgende Datenverarbeitung in der Auswerteeinheit außerhalb des gefährlichen Bereiches abläuft. Unter diesen Umständen ist es zweckmäßig, in einer zentralen Meßwarte die Einheiten 22 und 23 neben der zentralen Auswerteeinheit zusammenzufassen und die entsprechenden Sensoriken 21 und 23d mittels Lichtleitkabeln zu steuern und zu kontrollieren.
2 zeigt eine beispielhafte Anordnung faseroptischer Meßsensoriken an einer Stütze 11 in einer Schnittdarstellung und einer Ansicht von oben. In 3 ist eine der Anordnungen in einer Seitenansicht dargestellt.
Die Stütze 11 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem zylinderförmigen metallischen Stützenkern 11b, der den eigentlich tragenden Teil der Stütze bildet und einer zusätzlich vorhandenen Verkleidung 11a, die beispielsweise eine Feuerschutzverkleidung sein kann, die aus einem Feuerschutzbeton ausgeführt sein kann. An der Stütze 11 sind die faseroptischen Dehnungssensoren 21 mittels Sensoraufnehmern 30 befestigt, die wiederum mittels geschweißter Heftstellen 30b mit der Stütze 11, bzw. dem Stützenkern l1b kraftschlüssig verbunden sind. Der faseroptische Sensor 21 und der Sensoraufnehmer 30 bilden eine Sensoreinheit 40. Aus den 2 und 3 ist die Lage der Sensoreinheit in Bezug auf die Stütze 11 zu entnehmen.
2 zeigt eine beispielhafte Anordnung aus drei Sensoreinheiten 40 jeweils in einem Winkelabstand von 120°, die über den Umfang der Stütze 11 somit gleichmäßig verteilt sind. Wie zusätzlich aus 3 ersichtlich ist, wird die Längsachse der Sensoreinheit 40 im wesentlichen durch den faseroptischen Dehnungssensor 21 gebildet. Dieser ist parallel zur Längsachse der Stütze 11 gerichtet. Die zwischen den Sensoraufnehmern 30 aufgespannte Länge der faseroptischen Dehnungsensoren 21 bildet die Meßbasis L der Sensoreinheit 40. Im Gegensatz zu der Meßbasis von einigen Zentimetern für den Fall der herkömmlichen Dehnmeßstreifen ist die Meßbasis für den faseroptischen Dehnungssensor 21 etwa 100 mal größer und liegt in der Größenordnung von 1 bis 2 Metern und mehr, wodurch sich die relative Meßgenauigkeit beträchtlich verbessert. Mit faseroptischen Dehnungssensoren der bekannten Bauart werden Meßauflösungen von etwa 2 μm erreicht. Der Dynamikbereich erstreckt sich von -0.5% bei Stauchung und +1% bei Streckung.
4 zeigt in Verbindung mit den 5, 6 und 7 ein Beispiel einer Befestigung der faseroptischen Dehnungssensoren 21 in der Sensoreinheit 40. Wie aus 4 zu entnehmen ist, ist die Sensoraufnahme 30 kraftschlüssig mit der Stütze 11, insbesondere mit dem Stützenkern 11b vorzugsweise über Schweißnähte 30b verbunden. Der Sensoraufnehmer 30 weist eine Führung und Arretierung 30a auf, in die eine Kopplungsvorrichtung 21b des eingefügten faseroptischen Dehnungssensors 21 rastend und verschiebungssicher eingesetzt ist. Die 4 zeigt dazu beispielhaft einen unteren Abschnitt einer Sensoreinheit 40. In einer dazu vergleichbaren Weise ist auch das dazu gehörende obere Ende der Sensoreinheit, d.h. ein oberer Sensoraufnehmer und eine obere Kopplungsvorrichtung am anderen Ende des faseroptischen Dehnungssensors ausgeführt.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Führung und Arretierung 30a nach unten geöffnet und ermöglicht ein Einführen eines Zuführungskabels 21a für ein Verbinden des faseroptischen Dehnungssensors 21 mit einer fernen Meßeinheit entsprechend der vorher bereits erfolgten Beschreibungen. Während der Sensoraufnehmer 30 an der Stütze 11 permanent verbleibt, kann der faseroptische Dehnungssensor aus der Führung und Arretierung 30 jederzeit entnommen bzw. in diese eingesetzt werden. Der eigentlich sensitive Bestandteil der Sensoreinheit 40 ist somit austauschbar gestaltet, verbleibt demnach nicht permanent an dem Meßpunkt der Stütze und kann somit auch an anderen Stützkonstruktionen verwendet oder in geschützten Räumen gelagert werden, wenn keine Messung ausgeführt wird.
Bei einer derartigen Ausführungsform sind die Meßpunkte stets eindeutig auch dann identifizierbar, wenn die gesamte Meßanordnung von den Stützen entfernt wird. Weist die Stütze eine Isolation 11a auf, beispielsweise eine Verkleidung aus Feuerschutzbeton oder einem vergleichbaren Material, wird zu einer nachträglichen Befestigung der Sensoraufnahmen die Verkleidung 11a an den gewählten Stellen entfernt, der Sensoraufnehmer an den Stützekern 11b geschweißt und der Bereich um den so befestigten Sensoraufnehmer 30 danach wieder mit einer Verkleidung 11c nachträglich verfüllt. Für alle zeitweise auszuführenden Messungen wird dann auf die vorhandenen Sensoraufnehmer 30 für eine Befestigung der faseroptischen Dehnungssensoren zurückgegriffen.
Die 5 und 6 zeigen konkrete derartige Ausführungsformen. 5 zeigt eine Stütze 11, deren Feuerschutzverkleidung 11a selektiv an einem bestimmten Bereich entfernt wurde. Der metallische Rohr-Stützenkern 11b liegt somit frei. An diesem Abschnitt wird der Sensoraufnehmer 30 mittels verschweißter Heftstellen 30b befestigt. Anschließend wird der freigelegte Abschnitt mit einer neuen Feuerschutzverkleidung 11c abgedeckt. Der Sensoraufnehmer 30 fixiert den faseroptischen Dehnungssensor 21 in der vorhergehend beschriebenen Weise.
7 verdeutlicht an einer Detaildarstellung eine bereits in Verbindung mit 4 beschriebene Ausführungsform eines Sensoraufnehmers 30. Die in 7 dargestellte Ausführungsform weist eine Arretierung und Führung 30a auf, in welcher die Kopplungsvorrichtung 21b verschiebungssicher gehalten wird. Zu erkennen ist vor allem das von unten in den Sensoraufnehmer hinein führende Zuführungskabel 21a und der daran anschließende faseroptische Dehnungssensor 21 im oberen Bildteil.
Im Folgenden werden beispielhaft Durchführung und Ausführung einer Messung beschrieben. 8 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild der vorhergehend beschriebenen Anordnung. Die faseroptischen Dehnungssensoren 21 weisen eine Meß- und eine Referenzfaser 21c und 21d auf, die von der Meßeinheit 22 mit Strahlungsenergie versorgt werden, und reflektierte Lichtstrahlung über das Zuführungskabel 21a an die Meßeinheit 22 abgeben. In der Meßeinheit 22 wird durch eine lichtemittierende Diode 22a gering kohärentes Licht mit einer üblichen Leistung von etwa 0.2 mW, einer Wellenlänge von 1300 nm und einer Kohärenzlänge in der Größenordnung von 30 μm über einen optischen Koppler 22b in eine Monomodefaser eingekoppelt und anschließend in die unterschiedlichen optischen Wege für Meß- bzw. Referenzfaser 21c und 21d geteilt. Beide Fasern weisen verspiegelte, das Licht reflektierende Stirnflächen auf. Hierbei ist die Referenzfaser so ausgebildet, daß diese nicht gestreckt oder gestaucht wird und ihre optische Weglänge beibehält. Das reflektierte Licht aus Referenz- und Meßfaser enthält dann Informationen über den Unterschied der optischen Weglängen zwischen Meßfaser 21c und Referenzfaser 21d, die ein Maß für eine Dehnung oder Stauchung der Meßfaser im Vergleich zur unbeeinflußten Referenzfaser ist.
In der Meßeinheit wird ein veränderter optische Weglängenunterschied in einer Interferometeranordnung 22c über die Detektion von Interferenzmaxima mittels einer Photodiode bestimmt und als ein so bestimmter Verformungswert an die Auswerteeinheit übermittelt. Üblicherweise ist die Interferometeranordnung als ein Allfaser-Michelson-Interferometer in Tandem-Ausführung ausgebildet. Ein derartiges System aus Meß- und Referenzfaser mit der entsprechenden Meßeinheit ist in jedem Fall nullpunktstabil, unempfindlich gegenüber Korrosion, Feuchtigkeit, Schwingungen und elektromagnetischen Feldern und arbeitet darüber hinaus temperaturkompensiert, da thermische Veränderungen in der Faserlänge gleichermaßen Meß- und Referenzfaser betreffen. Wie beschrieben, enthält die Anordnung aus Meß- und Referenzfaser und die Lichtzuleitung 21a keinerlei elektronische Bauelemente, wobei ein optischer Schalter 22e das Licht den einzelnen faseroptischen Dehnungssensoren einer Sensorengruppe an einer Stütze oder auch mehreren Sensorengruppen zuführt.
In Verbindung damit wird die Temperatur der Stützen fortlaufend bestimmt. Dazu kommt ein Verfahren einer verteilten faseroptischen Temperaturmessung zur Anwendung, das auf der an sich bekannten OTDR-Methode basiert. OTDR steht für „Optical-Time-Domain-Reflectometry" und bezeichnet eine zeitaufgelöste Analyse des aus einem Temperatursensorkabel reflektierten Lichtes. Die Temperaturmeßeinheit weist neben dem Temperatursensorkabel 23d einen Taktgenerator 23a, eine Laserquelle 23b und eine Auswerteeinheit 23c auf. Dabei erzeugt die Laserquelle in Verbindung mit dem Taktgenerator Laserlichtimpulse, die in das Temperatursensorkabel eingekoppelt werden. Das Rückstreuspektrum aus dem Temperatursensorkabel enthält Informationen über die mittlere Temperatur des Längenabschnittes, aus dem das rückgestreute Licht während eines Zeitfensters stammt. In der Auswerteeinheit 23c wird die spektroskopische Auswertung des rückgestreuten Lichtsignals mit einer Laufzeitmessung des Laserimpulses im Lichtwellenleiter zwischen Laserquelle und Temperatursensorkabel verknüpft. In Analogie zum Radarprinzip werden somit Temperaturwerte verschiedener Längenabschnitte, d.h. verschiedener Temperatursensorkabel an verschiedenen Meßpunkten der Stützkonstruktion nacheinander abgefragt.
Die Temperaturmeßeinheit 23 und die Meßeinheit 22 übertragen die entsprechenden Meßwerte an eine Auswerteeinheit 25. Diese enthält einen Speicher 25b mit einem Auswerteprogramm 25b zum Errechnen mechanischer Spannungen der Stützkonstruktion auf der Grundlage der gemessenen Dehnungen und Stauchungen und ein Meß- und Steuerprogramm 25c zur Steuerung der Temperaturmeßeinheit und der Meßeinheit. Natürlich verfügt die Auswerteeinheit über Mittel zum Anzeigen der gemessenen und errechneten Resultate, insbesondere Displays der bekannten Art. Die Auswerteeinheit kann durch einen mobilen oder stationären PC ausgebildet sein.
Zusätzlich zu den beschriebenen Vorrichtungen weist die gesamte Meßanordnung Mittel zu einer Füllstandsmessung des Behälters auf. Die Resultate der Füllstandsmessung werden ebenfalls an die Auswerteeinheit geleitet.
Die Messung erfolgt zweckmäßigerweise permanent während eines Befüllbzw. Entleerprozesses des Behälters nach einem vorab festgelegten Ablauf. Die ermittelte Messgröße ist die Dehnung der faseroptischen Dehnungssensoren innerhalb der Gruppen der Sensoreneinheiten an den einzelnen Stützen in der vorhergehend beschriebenen Sensorachse. Diese Dehnung setzt sich aus Dehnungen infolge der Auflast (Eigengewicht und Gewicht aus der Behälterfüllung) und Dehnungen infolge Temperaturänderungen in der Stütze im zeitlichen Verlauf zusammen. Die Temperaturdehnung ist zunächst zu eliminieren. Bei Messungen auf der Oberfläche von Feuerschutzverkleidungen ist zu berücksichtigen, daß sich die Temperatur auf der Meßoberfläche von der realen Temperatur im eigentlichen Stützenmaterial unterscheidet. Der Temperaturverlauf an der Stütze erfolgt zeitversetzt zum Temperaturverlauf auf der Feuerschutzverkleidung. Weiterhin ist der Betrag der Temperaturänderung auf der Oberfläche der Feuerschutzverkleidung größer als im Stützenmaterial im Kern der Stütze. Der gemessene Dehnungsverlauf in Abhängigkeit vom aktuellen Füllstand weist dadurch eine Verschiebung der Knickpunkte (Übergänge zwischen Halte- und Befüllungsphasen) und Anstiegsänderungen auf.
9 zeigt in einem Diagramm grundlegende Meßgrößen an einer Stütze 11 in einer beispielhaften Anordnung aus einer Gruppe von drei Sensoreinheiten 40. Die temperaturkompensierten Dehnungswerte aus der Gruppe der faseroptischen Dehnungssensoren werden anschließend in ein festgelegtes Koordinatensystem (X,Y,Z) transformiert. Dabei wird für jede Stütze 11 jeweils eine resultierende Dehnung in Richtung einer Normalkraft der Stützen δL_N sowie in Richtung der Biegemomente M_x und M_y (δL_Mx und δL_My) bestimmt, wobei der Radius R der betreffenden Stütze und die radiale Abmessung des Sensoraufnehmers d der jeweiligen Sensoreinheit in die Berechnung eingeht. Aus den transformierten Dehnungsgrößen δL_N, δL_Mx und δL_My werden unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Ultraschall-Wanddickenmessung die resultierenden Druckspannungen in den Stützen ermittelt. Diese setzen sich aus der Spannung infolge des Eigengewichtes des aufliegenden Behälters und der Dehnungsspannung infolge der Behälterfüllung zusammen. Zur Beurteilung der Standsicherheit einer vermessenen Stützkonstruktion mit einem gegebenen Behälter wird die aus der Dehnungsmessung ermittelte Druckspannung mit einer Sollspannung verglichen. In die Berechnung der Sollspannungen, die zum Vergleich herangezogen werden, gehen neben den Materialkonstanten ebenfalls die Ergebnisse der Ultraschall-Wanddickenmessung ein.
Die Grundlage bildet hierfür die gegebene Statik des Behälters sowie der Stützkonstruktion. In die Berechnung gehen die tatsächlich bestimmten Wanddicken der Stützen und der jeweilige Füllgrad des Behälters ein. Bei der erfindungsgemäßen In-situ-Auswertung wird der Füllzustand aus den Meßwerten eines nicht bildlich dargestellten Füllstandsmessers innerhalb des Behälters über eine Schnittstelle in den Berechnungsalgorithmus eingelesen.
Bei einer zeitgleich während der Messung erfolgenden In-situ-Auswertung werden die realen Druckspannungen und die dazu gehörenden Sollspannungen sowie ein ermittelter Toleranzbereich als Funktion des Füllzustands quasi in Echtzeit ermittelt und miteinander verglichen. Kritische Belastungszustände werden somit sofort erfaßt und das Belastungsregime kann umgehend angepaßt werden. Es bietet sich hier die Möglichkeit, mittels einer hochpräzisen Hebetechnik die Stützen auszurichten und die Änderung des Belastungszustandes umgehend zu überprüfen.
Die 10a und 10b zeigen beispielhafte Resultate des vorhergehend beschriebenen Verfahrens bei einer Messung an einem Kugelbehälter mit einem lichten Durchmesser von D = 17.9 m. 10a zeigt in einem Diagramm einen zeitlichen Verlauf einer Stützentemperatur T, einer mittleren Verformung an einer beispielhaften Stütze und eines Füllstandes im Behälter. In diesem Beispiel wurden jeweils 3 Sensoreinheiten 40 in einem Winkelabstand zu je 120° an jeder Stütze bei einer Stützkonstruktion von insgesamt achtzehn Stützen installiert. Die aktive Meßbasis L der faseroptischen Dehnungssensoren betrug 2 m. Die Messung und Auswertung erfolgte in situ während einer Befüllung des Behälters mit Flüssigammoniak. Zunächst wurde der Kugelbehälter im wesentlichen kontinuierlich auf 92% des Gesamtvolumens gefüllt. Bei einem Füllvolumen von 65% und einem Füllvolumen von 85% wurde an den Punkten A und B jeweils eine Haltephase von etwa 1 Stunde im Befüllprozeß eingelegt. Die Befüllung des Behälters mit 92% Füllvolumen wurde anschließend über einen Zeitraum von 12 Stunden während des Zeitraums C konstant gehalten. Danach folgte eine Entleerung E bis auf ein Füllvolumen von 75%. Anschließend folgte ein erneutes Füllen in einem Zeitraum F auf ein Füllvolumen von 95% gefolgt von einer Entleerungsphase auf einen Füllzustand von 85%.
In 10a ist der Tagesgang der Temperatur während der Meßperiode, das Füllregime und beispielhaft der gemessene Verformungsverlauf in Richtung der Normalkraft für eine ausgewählte Stütze mit bzw. ohne Temperaturkompensation aus einer derartigen in-situ-Auswertung gezeigt. Der Einfluß einer Temperaturkompensation wird aus der Darstellung in 10a besonders deutlich.
Aus den Druckspannungen können die Druckspannungen nach einem, z. B. als „ω"-Verfahren bekannten statischen Berechnungsverfahren für jede einzelne Stütze bestimmt werden. Diese ermittelten Druckspannungen werden mit einer Sollspannung verglichen, die als die Spannung definiert ist, bei der alle Stützen gleichmäßig belastet sind. Unterschiedliche Sollspan nungen ergeben sich hierbei durch unterschiedliche Wanddicken der Stützen, z.B. bei auftretenden Korrosionen. Ebenfalls wird ein Toleranzbereich festgelegt. 10b zeigt in einem Polardiagramm beispielhaft eine so ermittelte Druckspannung, eine Sollspannung und einen Toleranzbereich für einen Befüllungsgrad von 75% für jede der achtzehn Stützen der beispielhaften Stützkonstruktion an. Dabei wird die unterschiedliche Verteilung der Lasten über den Umfang der achtzehn Stützen in der Stützkonstruktion deutlich. Beispielsweise ist ersichtlich, daß die Stützen mit der Nummer 2 bzw. 15 in dem Polardiagramm deutlich höhere Lasten aufnehmen, während die Stützen mit den Nummern 7, 16 und 18 deutlich kleinere Lasten im Vergleich zur jeweiligen Sollspannung aufnehmen. Für jede der hier beispielhaft vermessenen achtzehn Stützen ermöglicht das hier beschriebene Verfahren eine in-situ-Überwachung der Verformungen und mechanischen Spannungen an jeder einzelnen Stütze in ihrem zeitlichen Verlauf und ein rechtzeitiges Erkennen kritischer Belastungssituationen.
Die 11a und 11b zeigen weitere beispielhafte Resultate des hier beschriebenen Meßverfahrens. Der in diesem zweiten Beispiel vermessene Kugelbehälter mit einer Stützkonstruktion aus zwölf Stützen weist ein Volumen von 1000 m³ und einen Innendurchmesser von 12.4 m auf. Der Kugelbehälter besitzt beispielhaft eine etwa 40mm dicke Brandschutzisolierung. Die Meßanordnung erfolgte wie bei dem in Bezug auf die 10a und 10b genannten Ausführungsbeispiel mit einer Gruppe von jeweils drei gleichmäßig um den Stützenumfang verteilten Sensoreinheiten. Die Auswertung der gemessenen Verformungen erfolgte wie in Verbindung mit 9 beschrieben.
Im Rahmen dieses Ausführungsbeispiels wurde die Berechnung der Druckspannungen anstelle des als „ω"-Verfahren bekannten Verfahrens mittels eines nach DIN 18800 standardisierten Ersatzstabverfahrens nach der „Theorie der II. Ordnung" ausgeführt. Das diesem Verfahren zugrunde liegende Sicherheitskonzept unterscheidet sich von dem in der Stammstatik geführten Nachweisen knickgefährdeter Druckglieder. Beim Vergleich der beiden Nachweisverfahren anhand einer theoretischen Ausnutzung (Verhältnis von theoretischer Sollspannung zur Streckgrenze des Stützen materials) wurde in diesem Beispiel für den Lastfall einer Wasserfüllung mit einem Füllgrad von 100% mit dem „ω"-Verfahren ein Ausnutzungsgrad von 0.95 und mit der „Theorie der II. Ordnung" von 1.03 ermittelt. Bei einer Berücksichtigung einer Kugelverformung im Lastfall „Prüfdruck" (hier entspricht der Prüfdruck vorschriftsmgemäß dem 1.3 fachen des Betriebsdruckes) ergibt sich nach der Theorie der II. Ordnung ein Ausnutzungsgrad von 1.13. Es kann somit der Fall eintreten, daß Sicherheitsgrenzwerte erreicht, bzw. überschritten werden, wobei bei einer meßtechnischen Begleitung des Befüllprozesses und der Druckprüfung und eine gleichzeitige in-situ-Auswertung die tatsächliche Belastung der Stützen ermittelt werden kann und sofort nachweisbar ist, ob eine Lastverteilung stattgefunden hat und es somit an einzelnen Stützen eher zum Erreichen und Überschreiten der Sicherheitsgrenze kommt. 11b verdeutlicht beispielhaft eine Lastverteilung über die Stützkonstruktion von 12 Stützen für dieses Anwendungsbeispiel.

10: Stützkonstruktion
11: Stütze
11a: Verkleidung
11b: Stützenkern
11c: neue Verfüllung
12: Fundament
15: Behälter
20: Meßpunkt
21: faseroptischer Dehnungssensor
21a: lichtleitendes Zuführungskabel
21b: Kopplungsvorrichtung
21c: Meßfaser
21d: Referenzfaser
22: Meßeinheit
22a: lichtemittierende Diode
22b: optischer Koppler
22c: Interferometeranordnung
22d: Photodiode
22e: optischer Schalter
23: Temperaturmeßeinheit
23a: Taktgenerator
23b: Laserquelle
23c: Auswerteeinheit
23d: Temperatursensorkabel
25: Auswerteeinheit
30: Sensoraufnehmer
30b: Schweißnaht, Heftstelle
40: Sensoreinheit

Claims

Verfahren zur Belastungsprüfung an einer Stützkonstruktion (10) eines Behälters (15), mittels einer faseroptischen Deformations- oder Dehnungsmessanordnung, gebildet aus einer Gesamtheit von über die Stützkonstruktion an einzelnen Messpunkten (20) oder Messabschnitten angeordneten faseroptischen Deformations- oder Dehnungssensoren (21) in Verbindung mit einer Messeinheit (22), einer Temperaturmesseinheit (23) und einer Auswerteeinheit (25), wobei – eine permanente oder zyklische Messwertabfrage über an den Messpunkten gemessene Dehnungen oder Stauchungen erfolgt, – eine zeitgleiche, auf einem vorgegebenen statischen Modell der Stützkonstruktion beruhende In-situ-Auswertung über zulässige und gemessene mechanische Spannungszustände als Funktion des Füllstandes, insbesondere zulässige und gemessene Spannungen in der Auswerteeinheit ausgeführt wird, – die Temperaturmessungen durch ein um oder entlang jeden faseroptischen Dehnungssensor (21) gelegtes Temperatursensorkabel (23d) ausgeführt werden und – in der Auswerteeinheit als Resultat der ausgeführten Temperaturmessungen eine Separation lastbedingter Verformungen der Stützkonstruktion von temperaturbedingten Verformungen der Stützkonstruktion erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an jeweils einer Stütze (11) aus der Stützkonstruktion (10) mindestens ein, vorzugsweise eine Gruppe faseroptischer Dehnungssensoren (21) gleichmäßig über einen Umfang der Stütze verteilt angeordnet werden, wobei die Längsachse jedes faseroptischen Dehnungssensors im wesentlichen parallel zur Längsachse der Stütze ausgerichtet wird und die Messungen während des Füllvorgangs des Behälters bei gleichzeitiger Bestimmung des jeweiligen Füllstands durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Dehnungssensoren (21) form- und/oder kraftschlüssig mit dem an der jeweiligen Stütze (11) verbundenen Sensoraufnehmer (30) vorzugsweise temporär, ausschließlich während eines begrenzten Messzeitraumes in Kontakt gebracht werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der jeweiligen Stütze in einer Nähe des jeweiligen faseroptischen Dehnungssensors (21) die Temperaturmessung mittels eines Verfahrens einer verteilten faseroptischen Temperaturmessung ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permanente Messwertabfrage und die zeitgleiche In-situ-Auswertung in der Auswerteeinheit (25) ausgeführt werden, wobei durch die faseroptischen Dehnungssensoren gemessene Dehnungsgrößen in mechanische Spannungen für jede einzelne Stütze und/oder die gesamte Stützkonstruktion auf der Grundlage eines statischen Modells umgerechnet werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – eine Anordnung einer Gruppe gleichmäßig über den Umfang jeweils einzelner Stützen (11) einer Stützkonstruktion (10) eines Behälters (15) verteilter faseroptischer Sensoreinheiten (40) mit einer im wesentlichen parallel zur Längsachse der jeweiligen Stütze gerichteten Achse, – mindestens eine, über Lichtleiter kommunikativ mit jeweils einzelnen Stützen zugeordneten Gruppen von faseroptischen Sensoreinheiten verbundene ferne Messeinheit (22), – eine Anordnung eines um oder entlang jeder faseroptischer Sensoreinheit gelegten Temperatursensorkabels (23d) sowie eine Temperaturmesseinheit (23) – eine ferne Auswerteeinheit in kommunikativer Verbindung mit der mindestens einen Messeinheit und der Temperaturmesseinheit mit einem Speicher (25a), einem Mess- und Steuerprogramm (25b) und einem Auswerteprogramm (25c).
Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Sensoreinheit (40) mit einem form- und/oder kraftschlüssig mit der jeweiligen Stütze (11) verbundenen Sensoraufnehmer (30) und einem in dem Sensoraufnehmer lösbar befestigten faseroptischen Dehnungssensor (21).
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch mindestens einen mit der Stütze (11) stoffschlüssig (30b) verbundenen und/oder teilweise verkleideten Sensoraufnehmer (30).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch mindestens eine lichtemittierende Diode (22a), einen optischen Koppler (22b), eine Interferometeranordnung (22c) und eine Lichtleiterverbindung (22d) zu einem mit den jeweiligen Gruppen der Sensoreinheiten (40) verbundenen optischen Schalter (22e) enthaltende ferne Messeinheit (22).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch eine mindestens einen Taktgenerator (23a), eine Laserquelle (23b) und eine Auswerteeinheit (23c) in Verbindung mit einem Temperatursensorkabel (23d), enthaltende Temperaturmesseinheit (23).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinheit (25) in Form eines Personal-Computers oder dergleichen Einrichtung mit einem intern gespeicherten statischen Modell der Stützkonstruktion (10), einem Auswerteprogramm (25a) zum Errechnen mechanischer Spannungen in der Stützkonstruktion auf der Grundlage gemessener Dehnungen und/oder Stauchungen, einem Mess- und Steuerprogramm (25b) zur Steuerung der Messeinheit (22) und der Temperaturmesseinheit (23).