DE19727242C1 - Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen und Verwendung eines derartigen Meßaufnehmers zur betriebsbegleitenden Messung von Dehnungen an hochbeanspruchten Anlagenteilen in Kraftwerken - Google Patents

Description

Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen und Verwen­ dung eines derartigen Meßaufnehmers zur betriebsbegleitenden Messung von Dehnungen an hochbeanspruchten Anlagenteilen in Kraftwerken

Aus der EP-B-0 354 386 ist ein Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen mit mechanisch-elektrischer Meßgrößenum­ formung bekannt, bei dem als verstellbare Kapazität ein Meß­ kondensator mit zwei parallel zueinander verstellbaren Elek­ trodenstrukturen vorgesehen ist. Die kammförmig ausgebildet­ gen und ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen bestehen jeweils aus mehreren ebenen, parallel im Abstand zueinander angeordneten Elektroden, die paarweise einander zugeordnet sind. Durch eine stark unsymmetrische Anordnung der Elektro­ denstrukturen wird eine kapazitive Entkopplung erreicht, so daß die Gesamtkapazität des Meßkondensators sich aus einer Parallelschaltung von Elektrodenpaaren ergibt, die jeweils durch einander zugeordnete Elektroden gebildet sind. Als Meß­ größe dient die durch den variablen Elektrodenabstand der Elektrodenpaare hervorgerufene Kapazitätsänderung. Die Meß­ aufnehmer werden insbesondere bei der berührungslosen Messung von Drehmomenten an rotierenden Wellen eingesetzt. Mit als Mikrostrukturen ausgebildeten Elektrodenstrukturen können beispielsweise Torsionen von wenigen Mikrometern erfaßt wer­ den.

Bei einem in der EP-B-0 354 386 dargestellten Ausführungsbei­ spiel wird die Doppelkammstruktur der Kondensatoranordnung isoliert in einem metallischen Gehäuserahmen befestigt, der die zu messende Verschiebung als Parallelführung in eine ent­ sprechende Abstandsänderung der Elektrodenpaare umwandelt. Um die Kräfte für die elastische Verformung der durch ein Vier­ gelenk gebildeten Parallelführung gering zu halten, ist der Gehäuserahmen mit entsprechenden Schwachstellen ausgeführt.

Aus der DE 195 01 494 A1 ist eine Anordnung zum Messen des von einer Brennkraftmaschine an ein angeflanschtes Getriebe abgegebenen Drehmomentes an einer zwischen Abtriebswellenzap­ fen und Getriebseingangsglied achssenkrechten Mitnehmerschei­ be bekannt. Zur Messung der durch die Drehmomentbelastung verursachten elastischen Verformung ist an der Mitnehmer­ scheibe ein Meßaufnehmer angebracht, der ein als Parallelfüh­ rung mit vier elastisch verformbaren Gelenken ausgebildetes Gelenkviereck zur Aufnahme und Übertragung der Verformungen sowie einen auf dem Gelenkviereck angeordneten Sensor zur Messung der Verformungen umfaßt.

Beim Betrieb von Anlagen im Kraftwerksbereich treten beson­ ders in Rohrleitungen hohe Temperaturen und Drücke auf. Die Lebensdauer wird zusätzlich von gelegentlich auftretenden Druckstößen in den Leitungssystemen beeinflußt. Durch be­ triebsbegleitende Messung der Dehnung an diesen hochbean­ spruchten Anlagenteilen können Alterungs- und Ermüdungseff­ fekte rechtzeitig erkannt werden. Unter dem Begriff "Dehnung" wird hierbei die durch Normalspannungen hervorgerufene auf die ursprüngliche Länge l einer Meßstrecke an einem Meßobjekt bezogene Längenänderung Δl verstanden, d. h. die Dehnung ε = Δl/l. Mit dem aus der EP-0-354 386 bekannten Meßaufnehmer können üblicherweise Dehnungen von ±5 Promille gemessen wer­ den. Demgegenüber können bei der betriebsbegleitenden Messung der Dehnung an hochbeanspruchten Anlagenteilen von Kraftwer­ ken Dehnungen von bis zu ±5 Promille auftreten. Bei derartig großen Dehnungen würden sich die Elektrodenpaare der kammför­ mig ausgebildeten Elektrodenstrukturen entweder berühren oder es würde bei einer entsprechenden Vergrößerung des Elektro­ denabstandes im asymptotischen Kennlinienbereich eine zu ge­ ringe Auflösung geliefert.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zu­ grunde, einen für die betriebsbegleitende Messung der Dehnung an hochbeanspruchten Anlagenteilen von Kraftwerken geeigneten Meßaufnehmer zu schaffen, bei welchem die Kennlinie des Sen­ sors im hochauflösenden Bereich genutzt werden kann.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Kennli­ nie eines Sensors mit kapazitivem Wandler bei Dehnungen von bis zu ±5 Promille nur dann im hochauflösenden Bereich ge­ nutzt werden kann, wenn es gelingt, den Meßweg des Kondensa­ tors entsprechend zu reduzieren, beispielsweise um den Faktor 5 bis 6. Verwendet man nun auf der Grundlage dieser Erkennt­ nis zusätzlich zu dem beispielsweise aus der EP-B-0 354 386 bekannten Gelenkviereck ein weiteres Gelenkviereck, so können diese beiden Gelenkvierecke derart miteinander gekoppelt wer­ den, daß die Längen - oder Abstandsänderungen des Meßobjektes in Meßrichtung und in verkleinertem Maßstab auf den Sensor übertragen werden. Die Anwendung einer derartigen Kombination zweier Gelenkvierecke ist dabei jedoch nicht nur auf Sensoren mit kapazitiven Wandlern beschränkt. Eine Übertragung von Längen- oder Abstandsänderungen in verkleinertem Maßstab kann auch beim Einsatz von Sensoren mit induktivem Wandlern oder bei den konventionellen Dehnungsmeßstreifen entsprechende Vorteile bringen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Meßaufneh­ mers sind in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 2 ermöglicht eine besonders einfache und übersichtlich aufgebaute Kombination der beiden Gelenkvierecke, bei welcher jeweils vier Gelenke auf einer geraden Linien angeordnet sind. Ein Auftreten von Spannungen in den Gelenkvierecken bei der Übertragung von Längen- oder Abstandsänderungen auf den Sensor kann hierdurch sicher ver­ mieden werden. Außerdem bestimmt das Verhältnis der Längen der Schwingen des ersten und des zweiten Gelenkvierecks auf einfache Weise den Maßstab, mit welchem die Längen- oder Ab­ standsänderungen des Meßobjektes auf den Sensor übertragen werden.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 3 ermöglicht durch die ein­ stückige Ausbildung der kombinierten Gelenkvierecke auch bei Bewegungen im Mikrometerbereich eine absolut reproduzierbare Übertragung dieser Bewegungen auf den Sensor. Außerdem können durch die Ausbildung der Gelenke als Schwachstellen die Kräf­ te für die elastische Verformung der Gelenkvierecke gering gehalten werden.

Die Weiterbildungen nach den Ansprüchen 4 und 5 betreffen den Einsatz eines Sensors mit kapazitivem Wandler, der bei­ spielsweise aus der eingangs erwähnten EP-B-0 354 386 bekannt ist. Derartige Sensoren, die sich beispielsweise bei der Mes­ sung von Drehmomenten an rotierenden Wellen bewährt haben, ermöglichen eine hochpräzise Erfassung von Längen- oder Ab­ standsänderungen im Bereich von wenigen Mikrometern.

Gemäß Anspruch 6 sind erfindungsgemäß ausgestaltete Meßauf­ nehmer vorzüglich für die betriebsbegleitende Messung von Dehnungen an hochbeanspruchten Anlagenteilen, insbesondere Rohren, in Kraftwerken geeignet. Durch derartige beispiels­ weise an Heißdampfrohren oder Natriumleitungen vorgenommenen betriebsbegleitenden Dehnungsmessungen können Alterungs- und Ermüdungseffekte rechtzeitig erkannt werden. Derartige Über­ wachungssysteme führen somit zu einer weiteren Steigerung der Sicherheit im Kraftwerksbereich.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 in stark vereinfachter schematischer Darstellung eine Draufsicht auf einen Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsän­ derungen, der einen Sensor mit kapazitivem Wandler und zwei gekoppelte Gelenkvierecke umfaßt,

Fig. 2 bei dem Meßaufnehmer gemäß Fig. 1 das Prinzip der Übertragung einer Längenänderung auf den Meßkondensator des Sensors,

Fig. 3 die beiden gekoppelten Gelenkvierecke des Meßaufneh­ mers gemäß Fig. 1 in einstückiger Ausgestaltung,

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen für die Dehnungsmessung an Rohren vorgesehenen Meßaufnehmer und

Fig. 5 den Meßaufnehmer gemäß Fig. 4 mit den für die An­ bringung an einem Rohr gesehenen Befestigungsmitteln.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter Darstellung einen Meß­ aufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen, der ein erstes als Parallelführung mit vier elastisch verformbaren Gelenken GE1 ausgebildetes Gelenkviereck GV1, ein zweites als Paral­ lelführung mit vier elastisch verformbaren Gelenken GE2 aus­ gebildetes Gelenkviereck GV2 und einen auf dem zweiten Ge­ lenkviereck GV2 angeordneten Sensor S umfaßt, wobei von den kammförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Elektroden­ strukturen ES dieses Sensors hier nur ein Elektrodenpaar mit dem Elektrodenabstand d1 dargestellt ist.

Das erste Gelenkviereck GV1 besitzt zwei Koppeln KO1 und zwei Schwingen SW1, die durch die schematisch dargestellten, ela­ stisch verformbaren Gelenke GE1 miteinander verbunden sind. Dabei sind nach Art eines Parallelogramms die beiden sich ge­ genüberliegenden Koppeln KO1 und die sich gegenüberliegenden Schwingen SW1 jeweils parallel und gleich lang. Bei der Draufsicht gemäß Fig. 1 ist die rechts dargestellte Koppel KO1 mit Hilfe von zwei Befestigungsteilen BT1 als Gestell im Sinne eines Getriebes festgelegt. Die Befestigungsteile BT1 sind dabei mit dem in der Zeichnung nicht näher dargestellten Meßobjekt verbunden. Die dem Gestell gegenüberliegende Koppel KO1 nimmt in Meßrichtung Längen- oder Abstandsänderungen des Meßobjekts auf, wobei gemäß Fig. 2 die Meßrichtung mit MR und die Längen- oder Abstandsänderung mit Δl bezeichnet sind.

Das zweite Gelenkviereck GV2 besitzt zwei Koppeln KO2 und zwei Schwingen SW2, die durch die schematisch dargestellten, elastisch verformbaren Gelenke GE2 miteinander verbunden sind. Dabei sind auch hier nach Art eines Parallelogramms die beiden sich gegenüberliegenden Koppeln KO2 und die beiden sich gegenüberliegenden Schwingen SW2 jeweils parallel und gleich lang. Die beiden Schwingen SW2 sind dabei durch ver­ kürzte Abschnitte der zugeordneten Schwingen SW1 gebildet, wobei gemäß Fig. 2 die Länge der Schwingen SW1 mit ls1 be­ zeichnet ist, während die Länge der Schwingen SW2 mit ls2 be­ zeichnet ist. In den Fig. 1 und 2 ist außerdem zu erken­ nen, daß sämtliche Koppeln KO1 und KO2 der beiden Gelenkvier­ ecke GV1 und GV2 parallel und gleich lang sind.

Die vorstehend erwähnte Längen- oder Abstandsänderung Δl des Meßobjekts wird in Meßrichtung MR und in verkleinertem Maß­ stab M als Meßhub h auf die Elektrodenstrukturen ES des Sen­ sors S wie übertragen. Gemäß Fig. 2 ist der Elektrodenab­ stand der auf den Koppeln KO2 befetigten Elektrodenstrukturen ES nach Übertragung des Meßhubes h mit d2 bezeichnet, wobei h = d1 - d2 ist. Der Maßstab M der Übertragung ergibt sich da­ bei aus dem Verhältnis der Längen der Schwingen SW2 und SW1 zu M = ls2 : ls1. Der Meßhub h beträgt somit h = ls2/ls1 × Δl.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der in den Fig. 1 und 2 nur schematisch dargestellten Gelenkvierecke GV1 und GV2 als einstückiges gemeinsames Teil. Es ist zu erkennen, daß die elastisch verformbaren Gelenke GE1 des ersten Gelenkvierecks GV1 und die elastisch verformbaren Gelenke GE2 des zweiten Gelenkvierecks GV2 jeweils durch Schwachstellen zwischen den Koppeln KO1 und den Schwingen SW1 bzw. zwischen den Koppeln KO2 und den Schwingen SW2 gebildet sind. Die beiden Koppeln KO2 des zweiten Gelenkvierecks GV2 sind zur Aufnahme der Elektrodenstrukturen ES des Sensors S (vergleiche Fig. 1 und 2) vorgesehen und daher etwas breiter bemessen als die übrigen Getriebeglieder der beiden Viergelenke GV1 und GV2. Die Befestigung der Elektrodenstrukturen auf den Koppeln KO2 erfolgt beispielsweise durch Kleben mit einem wärmebeständi­ gen Klebstoff oder durch Hartlöten, wobei im Falle des Hart­ lötens eine Verwendung einer elektrisch isolierenden Zwi­ schenschicht aus Keramik oder dergleichen erforderlich ist.

Das in Fig. 3 dargestellte Gebilde wird beispielsweise durch Drahterodieren aus einer Platte herausgebildet. Durch diese einstückige Ausbildung ist eine sehr hohe Reproduzierbarkeit der Verstellungen in Meßrichtung MR (vergleiche Fig. 2) der beiden als Parallelführungen wirkenden Gelenkvierecke GV1 und GV2 gewährleistet.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf einen für die Dehnungsmes­ sung an Heißdampfrohren entwickelten Meßaufnehmer. Abweichend von dem in Fig. 3 etwas vereinfacht dargestellten Gebilde sind hier die beiden Koppeln KO1 des ersten Gelenkvierecks GV1 durch Halteglieder HG1 und HG2 ergänzt, welche die anhand der Fig. 5 noch näher zu erläuternde Anbringung des Meßauf­ nehmers an einem Heißdampfrohr ermöglichen. Die beiden Hal­ teglieder HG1 und HG2 sind dabei vorzugsweise zusammen mit den übrigen Getriebegliedern der beiden Gelenkvierecke GV1 und GV2 aus einer Platte einstückig herausgebildet. Das in der Darstellung gemäß in Fig. 4 an der linken Koppel KO1 vorgesehene Halteglied HG1 ist leicht T-förmig ausgebildet, während das an der gegenüberliegenden Koppel KO1 vorgesehene Halteglied HG2 eine L-Form aufweist. Durch diese Formgebung der beiden Halteglieder HG1 und HG2 können Dehnungen der Heißdampfrohre ohne seitlichen Versatz auf einer in Meßrich­ tung MR verlaufenden Linie gemessen werden. Die Meßrichtung MR verläuft dabei in Umfangsrichtung oder in Axialrichtung der Heißdampfrohre, wobei für die Ermittlung von Alterungs- und Ermüdungseffekten vorzugsweise ein Meßaufnehmer für die Umfangsrichtung und ein zweiter Meßaufnehmer für die Axial­ richtung eingesetzt wird.

In Fig. 4 sind ferner die auf die Koppeln KO2 aufgeklebten, kammförmig ausgebildeten und ineinandergreifenden Elektroden­ strukturen ES zu erkennen. Kapazitätsänderungen des durch die Elektrodenstrukturen ES gebildeten Meßkondensators werden über eine nicht dargestellte Auswerteelektronik ermittelt und in einen der zu ermittelnden Dehnung entsprechenden Meßwert umgewandelt. Die Auswerteelektronik ist dabei über zwei Durchführungen DF mit den Elektrodenstrukturen ES verbunden, wobei diese Durchführungen DF elektrisch isoliert durch Halteglied HG2 und durch die zugeordnete Koppel KO1 hindurch­ geführt sind.

Fig. 5 zeigt die tatsächliche Anbringung des in Fig. 4 dar­ gestellten Meßaufnehmers an einem Heißdampfrohr. Hierzu sind zwei Befestigungsglieder BG1 und BG2 vorgesehen, deren Füße FU aus dünnem und an die Rundung der Heißdampfrohre angepaß­ tem Blech bestehen. Die Befestigungsglieder BG1 und BG2 sind dabei mit Hilfe von Befestigungsschrauben BS mit den zugeord­ neten Haltegliedern HG1 bzw. HG2 lösbar verbunden. Die Füße FU sind jeweils mit Hilfe mehrerer Punktschweißungen PS fest mit dem entsprechenden Heißdampfrohr verbunden. Fig. 5 zeigt ferner noch einen Niederhalter NH, welcher auf der dem Befe­ stigungsglied BG2 gegenüberliegenden Seite mit Hilfe einer Befestigungsschraube BS am Halteglied HG2 lösbar befestigt ist. Dieser ebenfalls über einen Fuß FU mittels Punktschwei­ ßungen PS am Heißdampfrohr befestigte Niederhalter NH hat le­ diglich die Aufgabe ein Aufstellen des Meßaufnehmers zu ver­ hindern und damit die Sicherheit der Befestigung des Meßauf­ nehmers am Heißdampfrohr zu erhöhen. Auf die Messung von Deh­ nungen in Meßrichtung MR hat der Niederhalter NH keinen Ein­ fluß.

Claims (6)

1. Meßaufnehmer für Längen- oder Abstandsänderungen (Δl), mit

• 1. einem ersten als Parallelführung mit vier elastisch ver­ formbaren Gelenken (GE1) ausgebildeten Gelenkviereck (GV1) zur Aufnahme und Übertragung der Längen- oder Abstandsände­ rungen (Al) eines Meßobjekts,
• 2. einem zweiten als Parallelführung mit vier elastisch verformbaren Gelenken (GE2) ausgebildeten Gelenkviereck (GV2),
• 3. einem auf dem zweiten Gelenkviereck (GV2) angeordneten Sensor (S) zur Messung von Längen- oder Abstandsänderungen, wobei
• 4. das erste Gelenkviereck (GV1) und das zweite Gelenkvier­ eck (GV2) derart miteinander gekoppelt sind, daß die Längen- oder Abstandsänderungen des Meßobjektes in Meßrichtung (MR) und in verkleinertem Maßstab (M) auf den Sensor (S) übertra­ gen werden.

2. Meßaufnehmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingen (SW2) des zweiten Gelenkvierecks (GV2) durch verkürzte Abschnitte der zugeordneten Schwingen (SW1) des ersten Gelenkvierecks ((GV1) gebildet sind und daß die Koppeln (KO1) des ersten Gelenkvierecks (GV1) und die Koppeln (KO2) des zweiten Gelenkvierecks (GV2) parallel und gleich lang sind.

3. Meßaufnehmer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Gelenkviereck (GV1) und das zweite Gelenkvier­ eck (GV2) als einstückiges gemeinsames Teil ausgebildet sind, wobei die Gelenke (GE1) des ersten Gelenkvierecks (GV1) und die Gelenke (GE2) des zweiten Gelenkvierecks (GV2) jeweils durch Schwachstellen zwischen den Koppeln (KO1, KO2) und den zugeordneten Schwingen (SW1, SW2) gebildet sind.

4. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem zweiten Gelenkviereck (GV2) ein Sensor (S) mit kapazitivem Wandler angeordnet ist.

5. Meßaufnehmer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (S) zwei kammförmig ausgebildete und ineinan­ dergreifende Elektrodenstrukturen (ES) umfaßt, wobei jeweils eine Elektrodenstruktur (ES) auf einer zugeordneten Koppel (KO2) des zweiten Gelenkviereckes (GV2) befestigt ist.

6. Verwendung eines Meßaufnehmers nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur betriebsbegleitenden Messung von Dehnungen an hoch­ beanspruchten Anlagenteilen, insbesondere Rohren, in Kraft­ werken.