DE19531858A1

DE19531858A1 - Messverfahren für Abspannseile

Info

Publication number: DE19531858A1
Application number: DE1995131858
Authority: DE
Inventors: Herwig Dr Ing Stoehr
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1995-08-30
Filing date: 1995-08-30
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: DE19531858B4

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung und Kontrolle mechanischer Eigenschaften von Seilen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bisher sind grundsätzlich folgende Prüf- und Meßmethoden bzw. -verfahren in der Praxis zur Abspannseilprüfung in Anwendung:

a) Die Zugkraft im Seil läßt sich durch eine sogenannte Seilwaage ermitteln. Das Seil wird an zwei Punkten unterstützt (fixiert) und dazwischen belastet, so daß es sich durchbiegt. Aus der Belastungskraft und der Auslenkung kann man auf die Zugkraft schließen. Das Verfahren funktioniert nur bei relativ dünnen Seilen (max. 25 mm Durchmesser) mit nicht allzuhoher Spannung. Pardunen von hohen Funkmasten sind in der Regel dicker (bis etwa 85 mm) und haben sehr hohe Zugkräfte (bis 100 000 kp), so daß hier eine solche Methode ungeeignet ist.
b) Zur Ermittlung von Schadenstellen entlang eines Seils wird die Pardune mit einer Gondel befahren und in der Regel auf Sicht geprüft. Dabei kann das Seil auch mit einem magnetinduktiven Verfahren auf Veränderungen im Inneren geprüft werden; dabei wird an den verdächtigen Stellen des Seils ein Magnetfeld induziert und der magnetische Fluß bzw. die Feldstärke beobachtet. An einer Schadenstelle weicht der Meßwert von dem Wert des intakten Seils ab, Fehlstellen lassen sich auf diese Weise orten. Wegen der notwendigen Befahrung der Seile ist diese Methode ziemlich teuer und wird selten praktiziert.
c) Ein Verfahren, das sich die Schwingungseigenschaften gespannter Seile zunutze macht, besteht darin, bei mehreren identischen Seilen diese an einem Ende anzuschlagen und den Rücklauf des Schlagimpulses abzuwarten. Bei sehr langen Seilen läßt sich die Rücklaufzeit mit einer Stoppuhr messen. Durch Vergleich der Werte der identischen Seile kann eine größere Abweichung in einem Seil festgestellt werden. Die Methode ist zwangsläufig sehr grob, Absolutwerte liefert sie natürlich nicht. Sie kann jedoch bei geeigneter Anordnung mehrerer gleicher Seile als Schnellprüf-Verfahren genutzt werden. Diese einfache Methode entspricht der zum Prüfen von Gläsern oder Porzellan: Durch leichtes Anschlagen kann eine Verkäuferin schnell feststellen, ob bei mehreren Tassen oder Gläsern eine fehlerhafte dabei ist.

Ein Beitrag in der Zeitschrift GEO Nr. 2, Februar 1995, Seiten 149 und 150, zeigt das Prüfen von Brücken mit Hilfe eines Mikrowellen-Sensors.

Bei Bauwerken, wie zum Beispiel Brücken, handelt es sich um komplexe dreidimensionale Objekte, in denen sich andere Arten von Wellen ausbreiten, als in eindimensionalen Wellenleitern wie sie die Seile darstellen. Das gezielte Einleiten bestimmter Wellentypen (Biegewellen mit und ohne Dispersion, Longitudinalwellen oder sogar Torsionswellen) ist bei komplexen Bauwerken nicht möglich. Es breitet sich immer ein Gemisch mehrerer Wellenarten aus. Somit lassen sich mit dieser Methode nur globale Aussagen über den Zustand von Brücken machen. Einzelne technische Parameter sind mit den in GEO beschriebenen Untersuchungen aus physikalischen Gründen nicht zu gewinnen. Aus dem Artikel geht auch hervor, daß die vorgenommenen Messungen von Resonanzfrequenzen bestenfalls eine Aussage darüber zulassen, ob sich an dem Bauwerk überhaupt irgendwelche Veränderungen ergeben haben, nähere Aussagen über die Änderungen sind nicht möglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, akustische Meßverfahren für die Messung und Prüfung mechanischer Eigenschaften von Seilen, insbesondere von Abspannseilen an Stahlgittermasten und anderen Bauwerken mit Stahlseilen zu schaffen und anzuwenden, die ohne Aus- und Einbau der Seile eine eindeutige Diagnose sowohl im Kurz als auch im Langzeitbereich ermöglichen.

Die Lösung der Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 charakterisiert.

Weitere Lösungen und/oder Verbesserungen sind in den Kennzeichen der Patentansprüche 2-9 angegeben.

Diese hier vorgeschlagenen Meßverfahren, bei denen die Pardune im eingebauten und auch sonst unveränderten Zustand verbleibt, führt zu großen Zeit- und Kosteneinsparungen. Mit Hilfe der akustischen Meßtechnik und der vorhandenen modernen digitalen Meß- und Aufzeichnungstechniken werden Struktur- und Materialuntersuchungen auf der Basis akustischer Wellenausbreitung vorgenommen. Die Pardunen (meist Stahlseile) der Masten sind gute akustische Wellenleiter; eine gezielte Anregung mit Körperschallwellen und eine spezifische Auswertung der Wellenparameter ist dadurch möglich und führt zu Aussagen über verschiedene mechanische Zustandsgrößen der Seile, zum Beispiel Zugkraft und innere Dämpfung. Mit Laufzeit- und Korrelations messungen lassen sich Fehlerstellen lokalisieren. Die grundsätzlichen akustischen Meßmethoden sind zwar im Prinzip bekannt, wurden jedoch hier erstmals auf Pardunen angewendet.

Das einfachste der möglichen Verfahren ist der Vergleich gemessener Daten zu unterschiedlichen Zeitpunkten, zum Beispiel nach Fertigstellung eines Mastes und dann in regelmäßigen Abständen, etwa im Jahresrhythmus. Durch die ausgezeichneten Speicher- und Auswertemöglichkeiten der DAT- und Computertechnik kann der mechanische "Steckbrief" eines Seils problemlos gespeichert und jederzeit mit neuen Daten verglichen werden. Eine Veränderung des leicht meßbaren Eigenfrequenzspektrums läßt bereits Schlüsse auf eine Änderung der Seilzugkraft zu, die bei der Verwendung herkömmlicher Methoden nur mit großem Aufwand festgestellt werden kann. Auch frequenzabhängige Dämpfungsgrößen lassen sich leicht vergleichen.

Liegen keine Vergleichsdaten vor, kann die Zugkraft der Pardune auch direkt aus den gemessenen Eigenfrequenzen und den stets bekannten technischen Daten des Seils bestimmt werden. Temperatureinflüsse werden rechnerisch kompensiert; Feuchte oder Windlast spielen praktisch keine Rolle.

Die Messung der frequenzabhängigen Dämpfung läßt Rückschlüsse auf Veränderungen im Innern der Pardune zu. Eine deutliche Zunahme der Dämpfung bei hohen Frequenzen deutet zum Beispiel auf Korrosion (Rost) hin.

Lokale Schäden im Seil führen zu Impedanzsprüngen an diesen Stellen und können durch gezielte Impulsanregung und Messung der Reflexionen bzw. der Echolaufzeiten ermittelt werden. Die verwendeten Impulse werden dazu so berechnet und geformt, daß der Einfluß der Dispersion weitgehend kompensiert wird. Korrelationsmeßtechniken lassen sogar die Verwendung von herkömmlichen Impulsen (Hammerschläge) und von kontinuierlichen Anregungssignalen, zum Beispiel bandbegrenztes Rauschen zu.

Alle sogenannten Meßverfahren lassen sich anwenden, ohne die jeweilige Pardune in irgendeiner Form zu verändern oder auszubauen. Es werden für die Zeit der Messung lediglich Körperschallaufnehmer mit Schellen oder Magneten am Seil befestigt; die Einleitung der Wellen bzw. Impulse geschieht durch Hammerschläge oder bekannte elektromagnetische Schwingerreger.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung erklärt.

In der Zeichnung bedeuten

Fig. 1 Mast mit 3 Abspannebenen, 9 Pardunen;

Fig. 2 Messung und Registrierung des Eigenfrequenzspektrums eines gespannten Seils bei Anregung mit Hammerschlägen;

Fig. 3 Messung des Eigenfrequenzspektrums bei Anregung mit einem elektrodynamischen Schwingerreger; der Generator erzeugt je nach Bedarf reine Töne (Sinus) oder bandbegrenztes Rauschen;

Fig. 4 Eigenfrequenzspektrum eines gespannten Seils (schematisch);

Fig. 5 Messung der Halbwertsbreite einer Resonanzkurve und

Fig. 6 die Abklingzeit T einer Schwingung; diese ist die Zeit, in der die Schwingungsamplitude um 60 dB (1/1000) abgesunken ist.

In den Figuren und der Beschreibung bedeuten:

1 Mast mit Antenne
2 Pardune
3 Seil
4 Hammer
5 FFT-Analysator (Fast Fourier Transform)
6 Beschleunigungs- bzw. Körperschallaufnehmer
7 Beschleunigungs- bzw. Körperschallaufnehmer
8 Schwingerreger
9 Leistungsverstärker
10 Tonfrequenz-Generator.

In Fig. 1 ist ein Antennenmast 1 mit drei Abspannebenen und neun Pardunen 2 dargestellt, deren mechanische Eigenschaften von Zeit zu Zeit überprüft bzw. kontrolliert werden müssen, um eventuelle Schäden oder Ermüdungen frühzeitig erkennen zu können.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, ein Seil 3 bzw. eine Pardune 2 mit akustischen Meßverfahren zu untersuchen. Dabei ist es unerheblich, ob es sich um eine Seil 3 aus Stahl oder aus einem anderen Material, zum Beispiel Kunststoff handelt. Einzige Bedingung ist, daß das Seil 3 mechanische Wellen (Körperschall) leitet oder (im einfachsten Fall) zu Schwingungen erregt werden kann. Diese Bedingung ist in allen praktisch vorkommenden Fällen erfüllt.

Je nach Art der Anregung, Aufbau und Dicke des Seils 3 und gewünschtem Meßfrequenzbereich können verschiedene Wellentypen zur Untersuchung verwendet werden.

Biegewellen lassen sich leicht über ein großes Frequenzband (ab ca. 20 Hz bis zu mehreren kHz) anregen. Die Anregung geschieht entweder mit einem elektrodynamischen Schwingerreger 8 gezielt bei einzelnen reinen Tönen oder mit Rauschsignalen beliebiger Bandbreite oder mit einem Hammer 4. Je nach Wahl des Hammerkopfes (Stahl, Kunststoff, Gummi) lassen sich hohe, mittlere oder tiefe Frequenzen hervorheben. Das Eigenfrequenzspektrum kann leicht mit einem FFT-Analysator 5 registriert werden. Die Biege Eigenfrequenzen folgen nicht in regelmäßigen (harmonischen) Abständen nach den Verhältnissen 1 : 2 : 3 usw., sondern die Abstände zweier Resonanzen werden mit zunehmender Frequenz größer (Dispersion). Mit wachsender Frequenz macht sich die Biegesteifigkeit des Seils 3 immer mehr bemerkbar.

Transversalwellen sind ebenfalls leicht anzuregen, treten jedoch in ihrer reinen Form nur im untersten Frequenzbereich auf. Bei üblichen Abspannseilen mit mehr als 100 m Länge erstreckt sich dieser Bereich auf etwa 0 bis 25 Hz. Darüber macht sich die Biegesteife bemerkbar, aus den reinen Transversalwellen werden Biegewellen. Reine Transversalwellen eignen sich jedoch sehr gut zur Messung der Seil-Zugkraft.

Torsionswellen haben den Vorteil, daß sie nicht der Dispersion unterliegen. Sie können daher ebenfalls gut zu Messungen verwendet werden. Der nutzbare Frequenzbereich liegt bei ca. 0 bis 20 Hz.

Longitudinalwellen (Dehnwellen) unterliegen ebenfalls nicht der Dispersion (harmonische Eigenfrequenzfolge) und können über einen sehr großen Frequenzbereich (2 bis ca. 2000 Hz) für Messungen verwendet werden. Ihre Anregung muß jedoch exakt in Seilrichtung erfolgen.

Um zum Beispiel zu guten und aussagefähigen Daten und kostengünstigen Kontrollen zu kommen, werden Vergleichsmessungen durchgeführt.

Das in diesem Zusammenhang einfachste Verfahren ist der Vergleich von Meßdaten eines Seils 3 zu verschiedenen Zeitpunkten.

a) Kontrolle der Zugkraft durch Messung der Eigenfrequenzen

Das Seil 3 wird mit einem Hammer 4 oder einem elektrodynamischen Schwingerreger 8 zu Schwingungen (Körperschallwellen) angeregt. Mit einem handelsüblichen Beschleunigungsaufnehmer 6 (piezoelektrisch, piezoresistiv, magnetisch, kapazitiv, optisch (Laser-Vibrometer)) werden die Schwingungen in elektrische Signale umgewandelt und an einen Analysator oder an ein anderes frequenzselektives Meßgerät gegeben. Um die Messung vor Ort möglichst einfach zu gestalten, können die Signale auch mit einem Digital- Magnetbandgerät oder einem anderen (digitalen) Speicher registriert und später an einem anderen Ort analysiert werden. Als Analysegerät kommt vorzugsweise ein moderner FFT-Analysator 5 in Frage. Das von diesem Gerät ermittelte Eigenfrequenzspektrum wird als Diagramm und/oder Frequenzliste gespeichert (zum Beispiel auf Diskette) und kann jederzeit auf Papier ausgegeben werden. Mit modernen FFT-Analysatoren lassen sich die Eigenfrequenzen sehr präzise (mehrere Kommastellen) messen (Fig. 2, 3 und 4).

Alternativ zu dieser Meßmethode können die Resonanzfrequenzen auch selektiv gemessen werden. Die Schwingungsanregung des Seils 3 erfolgt dann mit einem elektro-dynamischen Schwingerreger (Shaker), der über einen Leistungsverstärker von einem Tonfrequenzgenerator angesteuert wird. Das Signal des Beschleunigungsaufnehmers 6 kann nach entsprechender Verstärkung von einem Voltmeter gemessen werden. Bei Erreichen einer Eigenfrequenz zeigt das Voltmeter maximalen Ausschlag. Bei präziser Einstellung kann auch hierdurch der Wert der Eigenfrequenz sehr genau bestimmt werden. Das Verfahren dauert länger als die Messung mit einem FFT-Analysator, jedoch ist die Geräteausstattung erheblich billiger.

Mit einem gemessenen und gespeicherten Eigenfrequenzspektrum liegt gleichsam ein akustischer "Fingerabdruck" des Seils vor. Die Lage der Resonanzen wird bestimmt durch die Parameter Seillänge, Seilmasse (pro Meter) und die Zugkraft zur Zeit der Messung. Da die Seillänge von der Temperatur abhängig ist, muß diese mitgemessen werden. Soll nun zu einem späteren Zeitpunkt kontrolliert werden, ob sich die Zugkraft verändert hat, muß wieder das Eigenfrequenzspektrum registriert werden. Liegen die Resonanzen an den gleichen Stellen, bedeutet dies, daß die Zugkraft gleich geblieben ist. Haben sich die Resonanzen zu niedrigeren Frequenzen verschoben, kann zweifelsfrei auf ein Nachlassen der Zugkraft geschlossen werden. Umgekehrt bedeutet eine Frequenzverschiebung zu höheren Werten eine Zunahme der Zugkraft. Voraussetzung ist dabei, daß entweder bei beiden Messungen die Temperatur gleich war oder der Temperaturunterschied rechnerisch kompensiert wird, was ohne großen Aufwand möglich ist. Der Einfluß der Temperatur auf die Seillänge wird vom Hersteller angegeben. Die relative Veränderung der Zugspannung läßt sich aus der Verschiebung der Eigenfrequenzen leicht ermitteln. Ist f_n,1 die n-te Eigenfrequenz bei der ersten Messung, und f_n,2 die gleiche Resonanz der späteren Messung, so läßt sich daraus das Verhältnis der beiden Zugkräfte F₁ und F₂ zu den verschiedenen Zeitpunkten bestimmen durch

f₁²/f₂² = F₁/F₂

Daraus ergibt sich die prozentuale Änderung der Zugspannung zwischen den beiden Meßzeitpunkten ohne die Absolutwerte von F₁ und F₂ kennen zu müssen. Bei vielen Kontrollen dürfte diese Aussage genügen, um eine Entscheidung über eventuelle Wartungsmaßnahmen treffen zu können.

b) Kontrolle der Dämpfung des Seils

Schwingungen und Wellen im Seil 3 unterliegen, physikalisch bedingt, einer Dämpfung, das heißt sie klingen mehr oder weniger schnell ab. Dieser Abklingvorgang wird im wesentlichen bestimmt durch das Seilmaterial und den Aufbau des Seils. Eine Veränderung, wie zum Beispiel Rost bewirkt auch eine Veränderung der Dämpfung. In einem Seil, das im Inneren verrostet ist, klingen die Wellen schneller ab als in einem einwandfreien Seil.

Die Messung der Dämpfung (Verlustfaktor) mit Hilfe von Schwingungen ist ein aus der Materialprüfung bekanntes Verfahren zur Bestimmung der dynamisch-elastischen Eigenschaften (DIN 53 440). Die Versuche werden dort an kleinen streifen- oder stabförmigen Probekörpern vorgenommen. Prinzipiell gibt es zwei Methoden, die Dämpfung zu bestimmen: Die Messung der Halbwertsbreite Δf der Resonanzkurve bei einer oder mehreren Eigenfrequenzen (Fig. 5) und die Ermittlung der Abklingzeit T (Fig. 6).

Zur Ermittlung der Halbwertsbreite wird die Probe bei einer Eigenfrequenz angeregt, so daß die Schwingungsamplitude ein Maximum erreicht. Dann wird die Frequenz nach unten und nach oben so verstimmt, daß die Amplitude jeweils 3 dB unter dem Maximum liegt. An diesen Punkten werden die Frequenzen f_u und f_o abgelesen; die Differenz ergibt die Halbwertsbreite (Fig. 5)

f_o - f_u = Δf.

Sie ist ein Maß für den Verlustfaktor d (Dämpfung)

d = Δf/f_n

f_n ist die Eigenfrequenz, bei der die Messung vorgenommen wurde.

Zur Ermittlung der Halbwertsbreite wird das Seil 3 mit einem Schwingerreger 8 mit Verstärker 9 und Tongenerator 10 angeregt und die Schwingungsamplitude mit Körperschallaufnehmer 7 und nicht dargestelltem Pegelmeßgerät oder Voltmeter gemessen.

Die Abklingzeit T (Fig. 6) ist die Zeit, nach der die Schwingungsamplitude auf 1/1000, das heißt um 60 dB abgeklungen ist. Die Definition ist-der Nachhallzeit in der Raumakustik entnommen. Der Verlustfaktor errechnet sich aus

d = 2,2/Tf_n

Die Nachhallzeit kann mit einem modernen Akustik- bzw. FFT- Analysator oder nach alter Methode mit einem Pegelschreiber gemessen werden (Fig. 6). Steht ein zeitgemäßes Nachhall- Meßgerät zur Verfügung, kann auf die Erregung des Seils 3 mit einem elektrodynamischen Shaker mit Verstärker 9 und Tongenerator 10 verzichtet werden. Es genügt eine Impulsanregung mit einem Hammer 4.

Diese Meßverfahren lassen sich auch auf ein langes, gespanntes Seil 3 übertragen; in erster Linie ist dabei aber die Abklingzeitmethode von Interesse, da diese Zeiten relativ lang sind und gut gemessen werden können. Je nach gewählter Meßfrequenz liegen die Werte von T bei etwa 30 s für sehr tiefe Eigenfrequenzen und bei ca. 1 s für hohe Resonanzen. Die Dämpfung ist von der Frequenz abhängig, sie wächst mit steigender Frequenz.

Vergleicht man die Verlustfaktoren, die sich bei Messungen zu verschiedenen Zeitpunkten ergeben haben, lassen sich aus etwaigen Differenzen von d Rückschlüsse auf Veränderungen des Seils, zum Beispiel auf Rost im Seilinneren ziehen. Es bietet sich daher an, die Dämpfung eines Seils 3 im einwandfreien Zustand (zum Beispiel nach Einbau) bei mehreren Resonanzfrequenzen zu messen und die gespeicherten Werte d_n mit den Messungen zu einem späteren Zeitpunkt zu vergleichen. Sind die Werte gestiegen, deutet das auf Veränderungen im Seil 3 hin. Die Absolutwerte des Verlustfaktors, die sich bei den oben beschriebenen Messungen ja ergeben, sind von untergeordneter Bedeutung. Entscheidend ist wieder die Abweichung zwischen den beiden Meßzeitpunkten.

Im nachfolgenden wird die Messung der Zugkraft (Absolutwert) beschrieben.

Die direkte Ermittlung der Zugkraft in einem Seil 3 basiert ebenfalls auf der Messung von Eigenfrequenzen. Wie schon weiter oben erwähnt, sind diese Frequenzen von der Länge, der Masse, der Zugkraft im Seil und gegebenenfalls von der Biegesteifigkeit abhängig. Wählt man für die Messungen nur tiefe Frequenzen (etwa bis 25 Hz), spielt die Biegesteife keine Rolle, man kann auf die Theorie reiner Transversalwellen zurückgreifen. Messung und Auswertung werden relativ einfach. Wird das Seil 3 zu Biegewellen angeregt (bei höheren Frequenzen), werden die Resonanzen auch von der Biegesteife (das heißt vom Elastizitäts-Modul und vom axialen Flächen-Trägheitsmoment) mitbestimmt. Prinzipiell lassen sich auch mit solchen dispersiven Wellen Messungen durchführen, der anschließende Rechenaufwand bei der Auswertung ist jedoch größer, ist durch die Computertechnik jedoch ohne Probleme möglich.

Die mechanischen Daten einer Pardune 2 sind sehr genau bekannt (Länge, Radius, Masse, innerer Aufbau, Temperaturkoeffizient). Die Resonanzfrequenzen f_n bei reinen Transversalwellen sind gegeben durch

Dabei ist L die Seillänge, F_o die Zugkraft und ρ_o die Masse des Seils pro Längeneinheit. Da Masse und Länge gegeben sind und die Resonanzfrequenzen sehr genau gemessen werden können, läßt sich die Zugkraft aus diesen Daten bestimmen:

Setzt man L in m, ρ_o in kg/m und f_n in Hz (das heißt 1/s) ein, erhält man die Zugkraft in N (Newton). n ist die Ordnungszahl der Eigenfrequenzen (n = 1, 2, 3 . . .).

Da sich in einem gespannten Seil sehr viele Eigenfrequenzen messen lassen, hat man die Möglichkeit, die Zugkraft mit mehreren Resonanzen zu bestimmen und anschließend einen Mittelwert zu bilden, was die Meßsicherheit deutlich erhöht. Zwar muß die Auswertung aller Resonanzfrequenzen theoretisch auf den gleichen Wert der Zugkraft führen, Meßunsicherheiten sind aber prinzipiell immer vorhanden und können durch die Mittelwertbildung minimiert werden.

Die obige Gleichung für F_o gilt prinzipiell für gespannte Seile im Bereich der unteren Eigenfrequenzen. Gegebenenfalls müssen entsprechend den äußeren Bedingungen noch Korrekturwerte eingeführt werden. Um zum Beispiel den Einfluß der Temperatur zu eliminieren, empfiehlt es sich, mit dem gegebenen Temperaturkoeffizienten die Seillänge auf einen Bezugswert (zum Beispiel bei 20°C) zu normieren. Eine weitere Abweichung von dieser einfachen Lösung ergibt sich dadurch, daß die Pardunen nicht horizontal, sondern unter einem Winkel verlaufen. (Ein Ende am Boden, das andere am Mast in teilweise beträchtlicher Höhe). Dieser schräge Verlauf hat zur Folge, daß die Zugkraft entlang des Seils nicht konstant ist. Sie nimmt mit der Höhe zu und hat am oberen Ende ihren größten Wert, denn das Eigengewicht des Seils addiert sich zur vorgegebenen Zugkraft; dies hat Einfluß auf die Eigenfrequenzen. Der Effekt ist gering und kann bei den üblicherweise stark gespannten Seilen im allgemeinen vernachlässigt werden. Bei schlaffen Seilen mit großer Masse ist er jedoch bei der Auswertung rechnerisch zu berücksichtigen.

Das Meßverfahren liefert also den tatsächlichen Wert der Zugkraft, ohne daß ein Vergleich mit anderen Seilen oder Meßwerten erforderlich wird. Voraussetzung ist lediglich die Kenntnis der mechanischen Seildaten. Diese Daten sind bei Pardunen 2 jedoch sehr genau bekannt, da die Seile einerseits genormt sind und andererseits die Länge für jede Pardune vor der Fertigung exakt festgelegt wird.

Im weiteren wird die Messung von Seilen 3 oder Pardunen 2 mittels Impulsanregung und Laufzeitmessungen beschrieben.

Regt man ein Seil 3 an einem Ende mit einem kurzen Impuls an (Hammerschlag, Schwingerreger mit Impulsgenerator), so wandert dieser Impuls über das Seil 3, wird am anderen Ende reflektiert, kommt zurück, wird am Anfang wieder reflektiert usw. bis er wegen der unvermeidlichen Dämpfung abgeklungen ist. Die Impulse lassen sich mit einem Oszilloskop beobachten, die Laufzeiten können gemessen werden. Reflexionen treten aber nicht nur an den Seilenden auf, sondern an allen Stellen, die eine Veränderung vom gleichmäßigen Verlauf darstellen. Das können zum Beispiel Stellen mit starkem Rost oder Drahtbrüchen sein. Auch Zusatzmassen (zum Beispiel die häufig verwendeten rot weißen Flugsicherungskörper) verursachen Reflexionen. Ist ein Seil 3 vollkommen homogen und frei von Zusatzmassen, ergeben sich nur Rückwürfe an dem beiden Enden in Zeitabständen, die durch die Länge des Seils 3 und die Wellen-Ausbreitungsgeschwindigkeit gegeben sind. Jede andere Reflexionsstelle kann also im Zeit-Diagramm auf einem Oszilloskop erkannt und wegen der Möglichkeit der Zeitmessung auch lokalisiert werden.

Da die Anregung mit einem Hammer 4 sehr breitbandig ist und zu Biegewellen und somit zur Dispersion führt (hohe Frequenzen laufen schneller als tiefe), wird der Impuls während der Ausbreitung entlang des Seils 3 verzerrt. Die reflektierten Impulse sind nur noch schwer zu erkennen (abhängig von der Seillänge). Eine erhebliche Verbesserung der Meßmethode ergibt sich durch Verwendung speziell geformter Impulse:
Entweder Impulse, die nur eine Schwingfrequenz enthalten. Sie werden als kurzer Ausschnitt aus einem kontinuierlichen Sinussignal mit einer Hüllkurve geformt, so daß weiche Ein- und Ausschaltvorgänge entstehen (Gauß-Impuls). Solche Signale lassen sich mit modernen Funktionsgeneratoren erzeugen.

Oder Impulse, die die Dispersion spiegelbildlich enthalten, also gerade so vorverzerrt sind, daß sich die Verzerrungen bei der Ausbreitung im Seil kompensieren. Solche Signale lassen sich per Rechenprogramm erzeugen und an einen sogenannten "Arbitrary-Waveform-Generator" als Software weitergeben, der sie dann als elektrisches Signal aussenden kann.

Die Verwendung dispersionsfreier reiner Transversalwellen ist nicht möglich, da diese nur bei sehr niedrigen Frequenzen, also großen Wellenlängen im Seil auftreten. Um aber möglichst kleine Störstellen im Seil registrieren zu können, sind hohe Frequenzen der Impulse erforderlich. Gut geeignet sind für derartige Messungen Longitudinalwellen (Dehnwellen), die auch bei sehr hohen Frequenzen nicht der Dispersion unterliegen, also keine Impulsform-Verzerrungen erfahren. Wie bereits oben erwähnt, ist die Anregung reiner Dehnwellen in einem gespannten Seil schwierig, es treten praktisch immer auch andere Wellentypen gleichzeitig auf. Bei magnetischen Stahlseilen lassen sich Longitudinalwellen mit einer elektrischen Spule erzeugen, die das Seil umgibt. Ein Stromfluß durch die Spule bewirkt ein Magnetfeld und damit eine Kraft in Seilrichtung. Die Spule muß aufklappbar sein, damit sie um das Seil gelegt werden kann, ohne dieses vorher auszubauen. Der Signalstrom durch die Spule kommt von einem Verstärker, der mit einem Impuls- oder Funktionsgenerator angesteuert wird. Besteht das Seil aus nichtmagnetischem Material (zum Beispiel Nylon), muß vorher ein Stück magnetisches Material (Stahl) um das Seil gelegt werden.

Alle vorher beschriebenen Meßverfahren zeichnen sich dadurch aus, daß die Pardunen 2 oder Seile 3 zur Kontrolle nicht ausgebaut werden müssen. Bei der herkömmlichen Prüfung der Zugkraft mit einem mechanischen Meßgerät muß das Seil am unteren Ende zweimal aus- und wieder eingebaut werden; einmal zum Einbau der Meßdose und ein zweites Mal, um den ursprünglichen Zustand wieder herzustellen. Dies ist erstens mit erheblichem Zeitaufwand und zweitens mit hohen Kosten verbunden.

Wählt man dagegen die einfachste beschriebene akustische Methode (Vergleichsmessung), ergeben sie pro Seil sehr niedrige Kosten.

Die hier beschriebenen akustischen Meßverfahren eignen sich natürlich nicht nur für Pardunen von Funk- oder anderen Masten, sondern speziell für alle gespannten Seile beliebiger Dicke und Länge.

Claims

1. Verfahren zur Messung und Kontrolle mechanischer Eigenschaften von Seilen, insbesondere von Abspannseilen (Pardunen) an Stahlgittermasten für Antennen und anderen Bauwerken, dadurch gekennzeichnet,
daß mittels eines Schwingungserregers (8) oder Übertragers akustische Wellen in das im Arbeits- bzw. Betriebszustand zu prüfende oder kontrollierende Seil (3) bzw. in eine Pardune (2) eingeleitet werden,
daß Schwingungsparameter wie Eigenfrequenz, Resonanzen, Abklingzeiten, Halbwertbreiten bei festen Frequenzen und Laufzeiten darauffolgend mittels Meßgeräten (5) ermittelt werden, und
daß daraus mittels Rechengeräten Prüf- bzw. Kontrollergebnisse errechnet werden.

2. Verfahren zur Messung und Kontrolle mechanischer Eigenschaften von Seilen, insbesondere von Abspannseilen (Pardunen) an Stahlgittermasten für Antennen und anderen Bauwerken, dadurch gekennzeichnet,
daß von Meßgeräten (5) ermittelte Schwingungsparameter in einem Datenspeicher gespeichert werden,
daß sie mit anderen bereits früher ermittelten Schwingungsparametern verglichen und/oder mit einem Micro-Prozessor zu Prüfungsergebnissen und Protokollen verarbeitet werden.

3. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die akustischen Wellen als Biegewellen mit großem Frequenzband mittels Schwingungserreger (8) in das Seil (3) bzw. die Pardune (2) selektiv bei einzelnen reinen Tönen, mit Rauschsignalen beliebiger Bandbreite oder mittels Hammer (4) eingespeist werden, und
daß das Eigenfrequenzspektrum des Seils (3) bzw. der Pardune (2) mit einem Fast Fourier Transform Analysator (5) registriert wird.

4. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die akustischen Wellen als Transversalwellen in das Seil (3) bzw. die Pardunen (2), insbesondere zur Messung der Zugkraft eingespeist werden.

5. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die akustischen Wellen als Torsionswellen im Bereich von 0,1-20 Hz in das Seil (3) bzw. die Pardune (2) eingespeist werden.

6. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die akustischen Wellen als Longitudinalwellen im Bereich von 2-2000 Hz in das Seil (3) bzw. die Pardune (2) eingespeist werden.

7. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwingungsanregung bei selektiver Messung der Resonanzfrequenzen mit einem elektrodynamischen Schwingerreger erfolgt, der über einen Leistungsverstärker (9) von einem Tonfrequenzgenerator gespeist und gesteuert wird.

8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet,
daß in einem gespannten Seil (3) bzw. einer Pardune (2) viele Eigenfrequenzen zur Bestimmung der Zugkraft gemessen werden und daß anschließend zur Minimierung der Meßungenauigkeiten daraus eine Mittelwertbildung von einem Rechengerät vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet,
daß der Datenspeicher, der die Schwingungsparameter enthält und das Rechengerät als Stand-alone-Gerät ausgebildet sind oder im Meßgerät integriert sind.