DE19749907C1 - Method and device for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tendon, tensile or compressive element for the building industry - Google Patents

Method and device for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tendon, tensile or compressive element for the building industry

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Martin Laube
Manfred Teutsch
Horst Falkner
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, wobei zumindest in einem bestimmten Punkt der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Elements die magnetische Feldstärke H bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B und/oder der magnetische Fluß B bei einem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H und/oder die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B oder die magnetische Feldstärke H direkt oder indirekt erfaßt wird, wobei für das Material und/oder den Typ des ferromagnetischen Elements ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, in dem für den zumindest einen Punkt die Spannungsabhängigkeit der erfaßten Größe bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluß B oder die magnetische Feldstärke H ermittelt wird und wobei der Wert der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung durch einen Vergleich des Werts der erfaßten Größe und der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ermittelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, welche sich insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.The invention relates to a method for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tendon, tensile or compressive member for construction, wherein at least at a certain point in the magnetization curve of the ferromagnetic element, the magnetic field strength H at a predetermined value for the magnetic flux B and / or the magnetic flux B at a predetermined value for the magnetic field strength H and / or the slope of the magnetization curve at a predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H is detected directly or indirectly, for which Material and / or the type of ferromagnetic element, a calibration process is carried out in which the voltage dependency of the detected variable is determined for the at least one point at the respectively predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H, and the value of the tensile or Drucksp is determined in the ferromagnetic element or its change by comparing the value of the detected size and the associated calibration dependency. Furthermore, the invention relates to a device which is particularly suitable for carrying out this method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbe­ sondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen.The invention relates to a method and an apparatus for determination tensile or compressive stress in a ferromagnetic element, in particular special a tendon, tension or compression member for the building industry.

Im Bauwesen ist der mangelnde Erhaltungszustand bzw. die mangelhafte In­ spektionsmöglichkeit von Spann-, Zug- oder Druckgliedern eine häufige Scha­ densursache. Ausschlaggebend für die Sicherheitsbewertung vorgespannter Be­ tonkonstruktionen bzw. rückverankerter Systeme ist neben dem Zustand der Spannglieder im Wesentlichen die tatsächliche Größe der Spannstahlkräfte. Auch bei der Montage von Spanngliedern bzw. bei der Beaufschlagung von Ankern mit einer Last ist es häufig wünschenswert, die tatsächliche Größe der auf das einzelne Spannglied bzw. das einzelne Druck- oder Zugglied wirkenden Kräfte zu kennen. Insbesondere beim Abspannen eines Bauwerks mittels mehrerer Zugglieder stellt sich häufig die Aufgabe, die Spannkräfte in vorgegebener Weise auf die einzelnen Zugglieder bzw. Spannglieder aufzuteilen. Bisher ließen sich Spannkräfte nur mit aufwendigen, relativ teuren und schwer montierbaren Mess­ aufnehmern messen. Hierzu fanden insbesondere Kraftmessdosen Verwendung, wobei das zu vermessende Spannglied bzw. Zug- oder Druckglied von seiner Verankerung gelöst werden musste und zwischen der Verankerung und dem betreffenden Ende des Spannglieds bzw. Zug- oder Druckglieds die Kraftmess­ dose zu montieren war. Dies ist jedoch mit einem derart hohen Aufwand verbun­ den, dass solche Messungen nur dann vorgenommen wurden, wenn diese wirk­ lich zwingend erforderlich waren.In the building industry, the poor state of conservation or the deficient in Possibility of inspection of tendons, tension or compression members a common Scha cause. Decisive for the safety assessment of prestressed loading clay constructions or anchored systems is next to the state of the Tendons essentially the actual magnitude of prestressing steel forces. Also when installing tendons or when loading anchors with a load it is often desirable to determine the actual size of the on the individual tendon or the individual pressure or tension member acting forces to know. Especially when bracing a structure using several Tension members often have the task of providing the clamping forces in a predetermined manner to be divided between the individual tension members or tendons. So far, Clamping forces only with complex, relatively expensive and difficult to assemble measuring measure sensors. In particular, load cells were used for this, the tendon to be measured or tension or compression member of its  Anchoring had to be solved and between the anchoring and the relevant end of the tendon or tension or compression member the force measuring was to be assembled. However, this is associated with such a high outlay that such measurements were only made when they were effective were absolutely necessary.

Zudem konnten derartige Messaufnehmer bzw. damit verwendete Messverfahren aufgrund externer Einflüsse, wie z. B. Feuchtigkeit oder Stoßbelastung, häufig keine ausreichende Langzeitstabilität der Messergebnisse bieten.In addition, such sensors or measuring methods used due to external influences, e.g. B. moisture or shock, often do not offer sufficient long-term stability of the measurement results.

Aus der DE 27 16 649 A1 ist ein Verfahren zur Messung der an einem ferroma­ gnetischen Körper aufgewandten Axialbelastung sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Schaltungsanordnung bekannt, wobei als Messanord­ nung eine Erregerspule und eine Empfängerspule und ein mit der Empfänger­ spule gekoppeltes Messgerät verwendet wird. Die Erregerspule wird vorzugswei­ se mit einem Strom beaufschlagt, der eine geringe oszillierende Komponente und einen hohen Gleichanteil aufweist. Die in der Empfängerspule induzierte, gemes­ sene Spannung wird als Maß für die Spannung in dem zu erfassenden Körper ausgewertet. Dabei wird die gemessene Spannung mit einer in einem vorher durchgeführten Eichvorgang ermittelten magnetoelastischen Charakteristik ver­ glichen und so die mechanische Spannung in dem Körper ermittelt.DE 27 16 649 A1 describes a method for measuring a ferroma gnetic body applied axial load as well as a to carry out suitable circuit arrangement of the method is known, being as a measuring arrangement an excitation coil and a receiver coil and one with the receiver coil coupled measuring device is used. The excitation coil is preferably two se with a current that has a low oscillating component and has a high DC component. The measured in the receiver coil Its tension is used as a measure of the tension in the body to be sensed evaluated. The measured voltage is compared with one in one performed calibration process determined ver magnetoelastic characteristic equal and so determined the mechanical tension in the body.

Nachteilig bei diesem Verfahren bzw. dieser Vorrichtung ist jedoch die relativ geringe Genauigkeit, so dass dieses Verfahren in der Praxis keine Bedeutung erlangen konnte.The disadvantage of this method or device, however, is the relative low accuracy, so this method is of no importance in practice could attain.

Ein Verfahren mit verbesserter Genauigkeit, das ebenfalls den magnetoelasti­ schen Effekt ausnützt, ist aus der US 3,636,437 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die dritte harmonische Oberwelle der in der Messwicklung induzierten Spannung ausgewertet, da festgestellt wurde, dass die Amplitude dieser Ober­ welle zur Spannung im zu erfassenden Körper linear ist. Als weiterer Vorteil wird die bessere Empfindlichkeit gegenüber dem vorgenannten Verfahren ange­ geben.A method with improved accuracy, which is also the magnetoelasti exploiting the effect is known from US 3,636,437. With this procedure  becomes the third harmonic that is induced in the measuring winding Voltage evaluated because it was found that the amplitude of this upper wave is linear to the tension in the body to be detected. Another advantage the better sensitivity to the above method is indicated give.

Ausgehend von dem erstgenannten, auf dem magnetoelastischen Effekt beruhen­ den Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferro­ magnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, zu schaffen, wobei auf einfache und kostengünstige Weise die Spannungen auch in einzelnen ferromagnetischen Elementen eines komplexen bautechnischen Elements mit hoher Messgenauigkeit erfassbar sind.Based on the former, rely on the magnetoelastic effect The object of the invention is to provide a method and a method Device for determining tensile or compressive stresses in a ferro magnetic element, in particular a tension, tension or compression member for the building industry to create, the in a simple and inexpensive way Tensions even in individual ferromagnetic elements of a complex structural elements with high measurement accuracy can be detected.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 7.The invention solves this problem with the features of patent claims 1 or 7.

Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung gehen von der Tatsache aus, dass praktisch alle auf dem Gebiet des Bauwesens bisher verwendeten Spannglieder oder Druck- bzw. Zugglieder aus einem ferromagneti­ schen Material, insbesondere Stahl verschiedener Legierungen, bestehen und nutzen zur Erfassung der Zug- bzw. Druckbelastung eines derartigen Elements den magnetoelastischen Effekt solch ferromagnetischer Materialien.The method according to the invention and the device according to the invention go from the fact that practically everyone in the field of construction so far used tendons or compression or tension members from a ferromagneti material, in particular steel of various alloys, exist and use to record the tensile or compressive load of such an element the magnetoelastic effect of such ferromagnetic materials.

Erfindungsgemäß wird für jedes bestimmte Material und/oder den Typ eines zu überwachenden bzw. zu vermessenden ferromagnetischen Elements ein Kali­ briervorgang durchgeführt, in dem in einem oder mehreren Punkten der Magneti­ sierungskurve zumindest zwei Werte für eine oder mehrere der folgenden Erfas­ sungsgrößen direkt oder indirekt erfasst werden:
According to the invention, a calibration process is carried out for each specific material and / or the type of a ferromagnetic element to be monitored or measured, in which at least two values for one or more of the following detection variables are recorded directly or indirectly in one or more points of the magnetization curve will:

  • a) Die magnetische Feldstärke H bei dem vorbestimmten Wert für den ma­ gnetischen Fluss B in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve;a) The magnetic field strength H at the predetermined value for the ma magnetic flux B in the respective point of the magnetization curve;
  • b) Der magnetische Fluss B bei dem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve,b) The magnetic flux B at the predetermined value for the magnetic Field strength H at the respective point of the magnetization curve,
  • c) Die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H in dem je­ weiligen Punkt der Magnetisierungskurve;c) The slope of the magnetization curve at a predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H in each point of the magnetization curve;

Die Spannungsabhängigkeit dieser Größen kann dann in diskreter Form abge­ speichert werden. Selbstverständlich können die Messpunkte der Kalibrierabhän­ gigkeit(en) auch durch eine analytische Funktion angenähert und die Parameter der Funktion sowie die Funktion selbst für spätere Auswertungen gespeichert werden.The voltage dependency of these quantities can then be shown in discrete form be saved. Of course, the measuring points of the calibration ability (s) also approximated by an analytical function and the parameters the function as well as the function itself for later evaluations become.

Im eigentlichen Messvorgang wird dann die Werte für die betreffenden Erfas­ sungsgrößen bei dem jeweiligen vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss oder die magnetische Feldstärke direkt oder indirekt erfasst und aus den erfassten Werten und der oder den im Kalibriervorgang bestimmten Spannungsabhängig­ keit der Erfassungsgröße(n) (Kalibrierabhängigkeit(en)) die jeweiligen Weite der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Ände­ rung bezogen auf einen Ausgangswert bestimmt. Der endgültige Wert für die Zug- oder Druckspannung oder deren Änderung wird dann durch Mitteln der wenigstens zwei Einzelwerte berechnet. The values for the relevant data are then recorded in the actual measuring process Solution sizes at the respective predetermined value for the magnetic flux or the magnetic field strength is recorded directly or indirectly and from the recorded Values and the voltage or voltages determined in the calibration process of the acquisition quantity (s) (calibration dependency (s)) the respective width of the Tensile or compressive stress in the ferromagnetic element or its changes tion based on an initial value. The final value for the Tension or compression or its change is then averaged calculated at least two individual values.  

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für den eigentlichen Messvorgang keiner­ lei Montage des ferromagnetischen Elements für das Übertragen der auf das Element wirkenden Kräfte auf einen mechanischen Messaufnehmer erforderlich ist. Es ist lediglich erforderlich, mittels eines geeigneten Sensors die magneti­ schen Eigenschaften des belasteten ferromagnetischen Elements zu ermitteln, um hieraus Rückschlüsse auf die Größe der Belastung zu ziehen.This has the advantage that there is no one for the actual measuring process lei assembly of the ferromagnetic element for transferring the to the Elemental forces required on a mechanical sensor is. It is only necessary to use a suitable sensor to determine the properties of the loaded ferromagnetic element in order to from this draw conclusions about the size of the load.

Das Erfassen der gewünschten Größe bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss oder die Feldstärke kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass die ge­ samte Magnetisierungskurve (bzw. entsprechende elektrische Größen) gemessen und in gewünschter Weise ausgeweitet wird.Detecting the desired size at a predetermined value for the Flow or the field strength can in particular take place in such a way that the ge Entire magnetization curve (or corresponding electrical quantities) measured and expanded as desired.

Erfindungsgemäß wird die Genauigkeit des Messverfahrens dadurch gesteigert, dass zumindest zwei Größen (die selben Größen für unterschiedliche vorbe­ stimmte Werte des Flusses oder der Feldstärke und/oder verschiedene Größen für die selben Werte des Flusses oder der Feldstärke) direkt oder indirekt erfasst und aus jedem Wert der erfassten Größe und einer zugeordneten Kalibrierabhängig­ keit jeweils ein Weit für die Zug- oder Druckspannung im ferromagnetischen Element ermittelt werden. Zum Erhalt des Endergebnisses der Auswertung mit verbesserter Genauigkeit werden die so ermittelten einzelnen Belastungswerte gemittelt.According to the invention, the accuracy of the measuring method is increased by that at least two sizes (the same sizes for different agreed values of flow or field strength and / or different sizes for the same values of the flow or the field strength) directly or indirectly and from each value of the recorded size and an assigned calibration dependent a distance for the tensile or compressive stress in the ferromagnetic Element can be determined. To get the final result of the evaluation with The individual load values determined in this way become improved accuracy averaged.

Als Punkte der Magnetisierungskurve eignen sich im Sinne einer möglichst ein­ fachen Auswertung insbesondere die Schnittpunkte der Magnetisierungspunkte mit den Achsen. Die Schnittpunkte der Magnetisierungskurve mit der Ordinate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch eine magnetische Feldstärke gleich Null (H = 0) und den Wert BR für den ma­ gnetischen Fluss, der allgemein als Remanenz bezeichnet wird. Die Schnitt­ punkte der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke H aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch einen magnetischen Fluss gleich Null (B = 0) und den Wert HC, welcher allgemein als Koerzitivfeld­ stärke bezeichnet wird.In terms of the simplest possible evaluation, the points of the magnetization curve are, in particular, the intersection points of the magnetization points with the axes. The points of intersection of the magnetization curve with the ordinate on which the magnetic flux is plotted are characterized by a magnetic field strength equal to zero (H = 0) and the value B R for the magnetic flux, which is generally referred to as remanence. The points of intersection of the magnetization curve with the abscissa, on which the magnetic field strength H is plotted, are characterized by a magnetic flux equal to zero (B = 0) and the value H C , which is generally referred to as the coercive force.

Diese Punkte bieten den Vorteil, dass die jeweils nicht-erfasste magnetische Größe gleich Null ist und somit eine einfache Auswertung gewährleistet werden kann. These points offer the advantage that the magnetic field is not recorded Size is zero and thus a simple evaluation can be guaranteed can.  

Als weitere, von der mechanischen Spannung abhängige Größen können auf einfache Weise die Permeabilität µr und der maximale magnetische Fluss BS ausgewertet werden. Dabei entspricht die Permeabilität µr der Steigung der Ma­ gnetisierungskurve im Schnittpunkt mit der Abszisse (d. h. im Punkt der Koerzi­ tivfeldstärke HC) und der maximale magnetische Fluss BS dem Wert des magne­ tischen Flusses, der bei der maximal erzeugten Feldstärke (bei der durchgeführ­ ten Messung) erreicht wird. The permeability μ r and the maximum magnetic flux B S can be evaluated in a simple manner as further variables dependent on the mechanical tension. The permeability µ r corresponds to the slope of the magnetization curve at the intersection with the abscissa (ie at the point of the coercive field strength H C ) and the maximum magnetic flux B S corresponds to the value of the magnetic flux, that at the maximum generated field strength (in the case of the th measurement) is reached.

Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alle vier der vorgenannten Kenngrößen der Magnetisierungskurve erfasst und hieraus unter Verwendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element er­ mittelt. Diese vier Werte werden zum Erhalt eines möglichst exakten Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt.According to the preferred embodiment of the method according to the invention all four of the aforementioned parameters of the magnetization curve are recorded and four of them using appropriate calibration dependencies Values for the tensile or compressive stress in the ferromagnetic element averages. These four values are used to obtain the most accurate result possible averaged for tensile or compressive stress.

Die Erfassung wenigstens zweier unterschiedlicher Größen der Magnetisierungs­ kurve bietet den Vorteil, dass ggf. auftretende Mehrdeutigkeiten in einer Kali­ brierabhängigkeit durch das Ausnutzen der Information der jeweils anderen er­ fassten magnetischen Größe bzw. der jeweils anderen Kalibrierabhängigkeit ausgeschaltet werden können. Die zwei verschiedenen zu erfassenden magneti­ schen Größen können ggf. ein und denselben Punkt der Magnetisierungskurve kennzeichnen, wobei jedoch die Verlagerung dieses Punkts bei einer Änderung der mechanischen Spannung bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss bzw. die Feldstärke beobachtet wird. Darüber hinaus kann zusätzlich die Veränderung der Steigung der Tangente in diesem Punkt bei einer Spannungsänderung beob­ achtet werden.The detection of at least two different sizes of magnetization Curve has the advantage that any ambiguities that may occur in a potash Dependence on the brier by exploiting each other's information summed magnetic size or the other calibration dependency can be turned off. The two different magneti to be detected sizes can possibly be one and the same point of the magnetization curve mark, however, the relocation of this point in the event of a change the mechanical stress at a predetermined value for the flow or the field strength is observed. In addition, the change can also observe the slope of the tangent at this point when the voltage changes be respected.

Selbstverständlich können die Größen jedoch auch in unterschiedlichen Punkten der Magnetisierungskurve erfasst werden.Of course, the sizes can also be in different points the magnetization curve can be recorded.

Um Messfehler ausschließen zu können, kann bei drei oder mehreren erfassten magnetischen Größen der Magnetisierungskurve jeweils in Verbindung mit einer zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ein einzelner Wert für die im ferromagneti­ schen Element vorhandenen Zug- oder Druckspannungen ermittelt werden. Falls eine unzulässig hohe Abweichung eines Werts von den verbleibenden übrigen Werten oder vom Durchschnitt sämtlicher Werte festgestellt wird, kann der be­ treffende einzelne Wert bei der Mittelwertbildung außer Betracht bleiben. Hier­ durch lassen sich Messfehler bzw. deren Auswirkungen auf das Endergebnis ausschließen.In order to be able to exclude measurement errors, three or more can be recorded magnetic quantities of the magnetization curve in connection with each assigned calibration dependency a single value for the in the ferromagneti existing tensile or compressive stresses are determined. If an impermissibly high deviation of one value from the remaining others Values or from the average of all values, the be individual values that are not taken into account when averaging. Here  measurement errors and their effects on the end result exclude.

Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zudem die Temperatur des zu erfassenden ferromagnetischen Elements bestimmt und unter Verwendung einer Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vorgenommen. Hierzu muss aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur (für die betreffende erfasste ma­ gnetische Größe) ein Korrekturfaktor ermittelt werden, der den Unterschied zwi­ schen der bei der Bestimmung der Kalibrierabhängigkeiten für die Spannungsab­ hängigkeit herrschenden Temperatur und der bei der aktuellen Erfassung der magnetischen Größe herrschenden Temperatur berücksichtigt.In the preferred embodiment of the method according to the invention also determines the temperature of the ferromagnetic element to be detected and using a calibration dependency for temperature one Temperature compensation of the measurement result made. This must be done the calibration dependency for the temperature (for the measured ma gnetic size) a correction factor can be determined, the difference between the determination of the calibration dependencies for the voltage dependence of the prevailing temperature and the current recording of the magnetic size prevailing temperature is taken into account.

Bei entsprechenden Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich herausgestellt, dass die magnetischen Größen, die Koordinaten be­ stimmter Punkte der Magnetisierungskurve darstellen, wie die Remanenz, die Maximalinduktion und die Koerzitivfeldstärke, praktisch keine Temperaturab­ hängigkeit zeigen und lediglich eine Temperaturkompensation bei der Permeabi­ lität erforderlich ist. Diese lässt sich jedoch auf einfache Weise durchführen, da diese Temperaturabhängigkeit im Wesentlichen linear ist.With corresponding investigations by the inventors of the present application it has been found that the magnetic quantities, the coordinates be represent certain points of the magnetization curve, such as the remanence, the Maximum induction and the coercive force, practically no temperature Show dependency and only a temperature compensation for the permeabi lity is required. However, this can be carried out in a simple manner because this temperature dependence is essentially linear.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen äußerst einfach herzustellen­ den und zu verwendenden Sensor, welcher eine auf einen gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule aufweist, wobei das ferromagnetische Element mit dem Kern gekoppelt wird oder diesen darstellt. Insbesondere die letztgenannte Möglichkeit führt zu hochgenauen Messergebnissen, da keinerlei in ihren Eigenschaften kaum erfassbare magnetische Übergangswiderstände zwi­ schen einem separaten Kern des Sensors und dem zu erfassenden Element die Messgenauigkeit beeinflussen.The device according to the invention comprises an extremely simple to manufacture the sensor to be used and which one on a common core arranged excitation coil for generating a magnetic field and one on the core arranged induction coil, the ferromagnetic Element is coupled to the core or represents it. especially the the latter possibility leads to highly accurate measurement results, since none in their properties hardly detectable magnetic contact resistances between a separate core of the sensor and the element to be detected  Influence measurement accuracy.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, welche die in der Induktionsspule induzierte Spannung Ui und/oder die integrierte induzierte Spannung erfasst und welcher zumindest Informationen über die Erregerstrom­ stärke Ierr zugeführt sind. Selbstverständlich kann die Auswerteeinheit auch die Erregerstromstärke direkt erfassen.The device according to the invention has an evaluation unit which detects the voltage U i induced in the induction coil and / or the integrated induced voltage and which at least provides information about the excitation current I err . Of course, the evaluation unit can also directly record the excitation current.

Die induzierte Spannung Ui kann dabei zur Ermittlung der Permeabilität µr er­ mittelt werden, wobei die Permeabilität dem Spitzenwert der in der Sekundär­ spule induzierten Spannung UiS entspricht.The induced voltage U i can in this case to determine the permeability μ r he be averages, the permeability corresponds to the peak value of the coil in the secondary induced voltage U iS.

Der Erregerstrom Ierr dient als Maß für die magnetische Feldstärke H und die integrierte induzierte Spannung Ui als Maß für die magnetische Induktion B. Demzufolge entspricht der maximale magnetische Fluss oder die Maximalinduk­ tion BS dem Spitzenwert der integrierten induzierten Spannung, die Remanenz BR dem Wert des magnetischen Flusses B beim Nulldurchgang des Erreger­ stroms Ierr und die Koerzitivfeldstärke HC dem Wert des Erregerstroms Irr beim Nulldurchgang der integrierten induzierten Spannung.The excitation current I err serves as a measure of the magnetic field strength H and the integrated induced voltage U i as a measure of the magnetic induction B. Accordingly, the maximum magnetic flux or the maximum induction B S corresponds to the peak value of the integrated induced voltage, the remanence B R the value of the magnetic flux B at the zero crossing of the excitation current I err and the coercive field strength H C the value of the excitation current Irr at the zero crossing of the integrated induced voltage.

In der bevorzugten Ausführungsforn der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Stromquelle zur Beaufschlagung der Erregerspule des Sensors als Wechsel­ stromquelle ausgebildet, welche vorzugsweise einen sinusförmigen Wechsel­ strom mit vorbestimmter (ggf. einstellbarer) Frequenz und geregelter Amplitude erzeugt. Die Regelung der Amplitude des von der Wechselstromquelle erzeugten sinusförmigen Stroms ist insbesondere bei der Erfassung der Maximalinduktion BS im Hinblick auf eine ausreichende Messgenauigkeit von Bedeutung. Die Fre­ quenz des Wechselstroms wird so gewählt, dass die Auswertevorrichtung pro Periode des Wechselstroms noch eine ausreichende Anzahl von Abtastpunkten der auszuwertenden elektrischen Größen aufnehmen kann. In jedem Fall muss die Frequenz so niedrig gewählt werden, dass die Frequenzabhängigkeit der Ma­ gnetisierungskurve noch keine Rolle spielt. Beispielsweise kann die Frequenz im Bereich von 5 bis 50 Hertz gewählt werden.In the preferred embodiment of the device according to the invention, the current source for acting on the excitation coil of the sensor is designed as an alternating current source, which preferably generates a sinusoidal alternating current with a predetermined (optionally adjustable) frequency and regulated amplitude. The regulation of the amplitude of the sinusoidal current generated by the alternating current source is particularly important in the detection of the maximum induction B S with regard to sufficient measuring accuracy. The frequency of the alternating current is selected such that the evaluation device can still record a sufficient number of sampling points of the electrical quantities to be evaluated per period of the alternating current. In any case, the frequency must be chosen so low that the frequency dependence of the magnetization curve does not yet play a role. For example, the frequency can be selected in the range from 5 to 50 Hertz.

In der bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor eine Erregerspule auf, deren Länge größer ist als die Länge der Induktionsspule, wobei sich die Indukti­ onsspule vollständig innerhalb der Erregerspule befindet. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass praktisch der gesamte Fluss, der durch die Erregerspule erzeugt wird, auch die Induktionsspule durchdringt. Somit ergibt sich eine sehr gute Empfindlichkeit des Sensors.In the preferred embodiment, the sensor has an excitation coil, whose length is greater than the length of the induction coil, the Indukti onsspule completely located within the excitation coil. This will Advantage achieved practically the entire flow through the excitation coil is generated, also penetrates the induction coil. So there is a very good sensitivity of the sensor.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.Further embodiments of the invention result from the subclaims chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figu­ ren näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:The invention is based on the Figu shown in the drawing ren explained in more detail. The drawing shows:

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Magnetisierungskurve für einen ferromagnetischen Stahl; Figure 1 is a schematic representation of a magnetization curve for a ferromagnetic steel.

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Messanordnung nach der Erfin­ dung; Figure 2 is a schematic representation of the measuring arrangement according to the inven tion.

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen auf einem ferromagnetischen Element angeordneten Sensor nach der Erfindung;3 shows a longitudinal section of a disposed on a ferromagnetic element sensor according to the invention.

Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Messanordnung nach der Erfindung; Fig. 4 is a schematic block diagram of a measuring arrangement according to the invention;

Fig. 5 eine Darstellung der gemessenen Kalibrierabhängigkeiten von ma­ gnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve eines bestimmten Spannstahls als Funktion der Spannstahlspannung; Figure 5 is a representation of the measured Kalibrierabhängigkeiten of ma-magnetic characteristics of the magnetization curve of a specific prestressing steel as a function of the prestressing steel voltage.

Fig. 6 eine Darstellung gemessener Abhängigkeiten gemäß Fig. 5 für einen anderen Spannstahltyp und FIG. 6 shows a depiction of measured dependencies according to FIG. 5 for another prestressing steel type and

Fig. 7 eine Darstellung gemessener Temperaturabhängigkeiten verschiedener magnetischer Kenngrößen der Magnetisierungskurve des Spannstahls entsprechend Fig. 5. Fig. 7 is a diagram of measured temperature dependency of different magnetic characteristics of the magnetization curve of the prestressing steel according to Fig. 5.

Anhand Fig. 1 sei zunächst der von der Erfindung genutzte magnetoelastische Effekt erläutert. Die Magnetisierungskurve I (dargestellt ohne Neukurve) zeigt das Verhalten eines bestimmten Typs Spannstahl, wenn dieser in ein magneti­ sches Feld gebracht wird und die magnetische Feldstärke zyklisch zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert -HS bzw. HS variiert wird. Der magnetische Fluss B weist dann die in Kurve I dargestellte Hysterese B = f(H) auf. Die Magnetisierungskurve wird dabei insbesondere durch folgende magneti­ sche Kenngrößen charakterisiert: Die Remanenz BR bezeichnet den Wert des magnetischen Flusses im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Ordi­ nate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist; die Koerzitivfeldstärke HC bezeichnet den Wert der magnetischen Feldstärke in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke aufgetragen ist; die Maximalinduktion oder der maximale magnetische Fluss BS bezeichnet den magnetischen Fluss in den Punkten der dem Betrag nach maxi­ malen magnetischen Feldstärke HS; die (relative) Permeabilität µr ist gegeben als maximale Steigung der Magnetisierungskurve, welche in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse auftritt. The magnetoelastic effect used by the invention will first be explained with reference to FIG. 1. The magnetization curve I (shown without a new curve) shows the behavior of a certain type of prestressing steel when it is placed in a magnetic field and the magnetic field strength is varied cyclically between a minimum and a maximum value -H S or H S. The magnetic flux B then has the hysteresis B = f (H) shown in curve I. The magnetization curve is characterized in particular by the following magnetic parameters: the remanence B R denotes the value of the magnetic flux at the intersection of the magnetization curve with the ordinate on which the magnetic flux is plotted; the coercive field strength H C denotes the value of the magnetic field strength at the points of intersection of the magnetization curve with the abscissa on which the magnetic field strength is plotted; the maximum induction or the maximum magnetic flux B S denotes the magnetic flux at the points of the maximum magnetic field strength H S ; the (relative) permeability µ r is given as the maximum slope of the magnetization curve which occurs at the intersection of the magnetization curve with the abscissa.

Während die in Fig. 1 eingezeichnete Magnetisierungskurve I den Zustand des ferromagnetischen Elements im mechanisch unbelasteten Zustand wiederspie­ gelt, zeigt die Magnetisierungskurve II die Magnetisierungskurve bei einer Zug­ belastung des ferromagnetischen Elements. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ändern sich sowohl die Hystereseeigenschaften als auch die absoluten Werte des ma­ gnetischen Flusses sowie die Steigung der Kurve.While the magnetization curve I shown in FIG. 1 reflects the state of the ferromagnetic element in the mechanically unloaded state, the magnetization curve II shows the magnetization curve when the ferromagnetic element is subjected to a tensile load. As can be seen from FIG. 1, both the hysteresis properties and the absolute values of the magnetic flux and the slope of the curve change.

Diesen magnetoelastischen Effekt nutzt die Erfindung zur Erfassung der in einem ferromagnetischen Element erzeugten Zug- oder Druckspannungen, wobei das in Fig. 2 dargestellte Messprinzip Anwendung findet. Auf das zu erfassende ferro­ magnetische Element 1, bei dem es sich beispielsweise um ein Spannglied han­ deln kann, wie es im Spannbetonbau verwendet wird, oder um ein Zug- oder Druckglied eines Erdankers oder dergleichen, wird eine Erregerspule 3 und eine Induktionsspule 5 aufgebracht. Die Erregerspule 3 wird von einer Stromquelle 7 beaufschlagt, die vorzugsweise einen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt. Der in der Erregerspule erzeugte Erregerstrom Ierr wird mittels einer Strommessein­ richtung 9 gemessen. Die in der Induktionsspule 5 induzierte Spannung Ui wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 11 gemessen. Durch eine Auswertung der induzierten Spannung Ui und eine Auswertung des Erregerstroms Ierr lässt sich dann die Magnetisierungskurve für das spezielle ferromagnetische Element erfassen. Hierzu wird die induzierte Spannung Ui integriert, wobei dieses Integral zum magnetischen Fluss B proportional ist. Der Erregerstrom Ierr ist proportional zu der magnetischen Feldstärke, so dass aus diesen Größen die Magnetisierungs­ kurve eindeutig bestimmbar ist. Der Wert der Permeabilität µr entspricht der Steigung im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, d. h. im Punkt (B = 0; H = HC), und ergibt sich damit als Spitzenwert der in der Indukti­ onsspule gemessenen Spannung UiS. The invention uses this magnetoelastic effect to detect the tensile or compressive stresses generated in a ferromagnetic element, the measuring principle shown in FIG. 2 being used. On the ferro-magnetic element 1 to be detected, which can be, for example, a tendon, as used in prestressed concrete construction, or a tension or compression member of an earth anchor or the like, an excitation coil 3 and an induction coil 5 is applied. The excitation coil 3 is acted upon by a current source 7 , which preferably generates a sinusoidal alternating current. The excitation current I err generated in the excitation coil is measured by means of a current measuring device 9 . The voltage U i induced in the induction coil 5 is measured by means of a voltage measuring device 11 . The magnetization curve for the special ferromagnetic element can then be determined by evaluating the induced voltage U i and evaluating the excitation current I err . For this purpose, the induced voltage U i is integrated, this integral being proportional to the magnetic flux B. The excitation current I err is proportional to the magnetic field strength, so that the magnetization curve can be clearly determined from these variables. The value of the permeability μ r corresponds to the slope at the intersection point of the magnetization curve with the abscissa, that is, at the point (B = 0 H = H C), and is thus obtained as the peak value of the onsspule in the Indukti measured voltage U iS.

Fig. 3 zeigt einen äußerst einfach aufgebauten Sensor, der beispielsweise zur Erfassung der mechanischen Zugspannung eines Spannglieds, wie es im Bauwe­ sen verwendet wird, eingesetzt werden kann. Der Sensor 13 besitzt einen Spu­ lenkörper 15 aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise Kunststoff. Der Spulenkörper weist in Umfangsrichtung eine Ausnehmung 17 auf, in welcher die Induktionsspule 5 angeordnet ist. Die Außenseite der Induktionsspule schließt vorzugsweise bündig mit dem übrigen Außenumfang des Spulenkörpers 15 ab. Der Spulenkörper weist an beiden Enden sich nach radial nach außen erstrec­ kende Wandungen 21 auf, die einen Aufnahmeraum 21 zur Aufnahme der Erre­ gerspule 3 definieren. Der Außenumfang der Erregerspule 3 schließt vorzugswei­ se bündig mit den Außenwandungen der Wandungen 21 ab. Der gesamte Sensor ist mit einer Schutzhülle 25 umgeben, die die Erregerspule 3 und die Indukti­ onsspule vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen, wie Feuch­ tigkeit, aggressive Substanzen oder dergleichen, schützen. Fig. 3 shows an extremely simple sensor, which can be used, for example, to detect the mechanical tension of a tendon, as used in Bauwe sen. The sensor 13 has a spool body 15 made of non-magnetic material, for example plastic. The coil body has a recess 17 in the circumferential direction, in which the induction coil 5 is arranged. The outside of the induction coil is preferably flush with the remaining outer circumference of the coil former 15 . The bobbin has at both ends radially outward erstrec kende walls 21 which define a receiving space 21 for receiving the excitation coil 3 . The outer circumference of the excitation coil 3 closes vorzugswei se flush with the outer walls of the walls 21 . The entire sensor is surrounded by a protective sheath 25, which protect the excitation coil 3 and the Indukti onsspule against mechanical damage or environmental influences, such as moisture from aggressive substances or the like.

Der Sensor 13 bzw. der Spulenkörper 15 weist eine axiale Bohrung 27 auf, die zur Aufnahme des zu erfassenden ferromagnetischen Elements, beispielsweise des in Fig. 3 dargestellten Spannstahls, dient.The sensor 13 or the coil former 15 has an axial bore 27 which serves to receive the ferromagnetic element to be detected, for example the prestressing steel shown in FIG. 3.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensor wurde insbesondere dafür Sorge getragen, dass die Induktionsspule kleiner ist als die Erregerspule und vollständig von dieser umschlossen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das von der Erre­ gerspule erzeugte Magnetfeld die Induktionsspule vollständig durchsetzt und demzufolge eine gute Empfindlichkeit des Sensors erreicht wird. Der Sensor lässt sich durch einfaches Aufschieben auf das ferromagnetische Element montieren. Eine Anpassung des Innendurchmessers der axialen Bohrung 27 des Sensors an den Außendurchmesser des ferromagnetischen Elements 1 ist zwar im Sinne einer mechanischen Befestigung des Sensors von Vorteil, für die Genauigkeit der Messungen jedoch nicht erforderlich. In the sensor shown in FIG. 3, particular care was taken to ensure that the induction coil is smaller than the excitation coil and is completely enclosed by it. This has the advantage that the magnetic field generated by the excitation coil completely penetrates the induction coil and consequently a good sensitivity of the sensor is achieved. The sensor can be mounted by simply sliding it onto the ferromagnetic element. Adapting the inside diameter of the axial bore 27 of the sensor to the outside diameter of the ferromagnetic element 1 is advantageous in terms of mechanical fastening of the sensor, but is not necessary for the accuracy of the measurements.

Der in Fig. 3 dargestellte Sensor 13 kann mit der in Fig. 4 dargestellten Mess­ elektronik verwendet werden, die das in Fig. 2 dargestellte Prinzip in vorteilhaf­ ter Weise umsetzt.The sensor 13 shown in FIG. 3 can be used with the measuring electronics shown in FIG. 4, which implements the principle shown in FIG. 2 in an advantageous manner.

Die Messelektronik umfasst die Stromquelle 7, die ihrerseits aus einem Sinusge­ nerator 29 und einem Spannungs-/Stromwandler 31 besteht. Der Sinusgenerator 29 gibt die von ihm erzeugte sinusförmige Wechselspannung an den Spannungs- /Stromwandler 31 ab, der die Erregerspule des Sensors 13 beaufschlagt.The measuring electronics include the current source 7 , which in turn consists of a Sinusge generator 29 and a voltage / current converter 31 . The sine generator 29 outputs the sinusoidal alternating voltage generated by it to the voltage / current converter 31 , which acts on the excitation coil of the sensor 13 .

Wie in Fig. 4 dargestellt, umfasst die Messelektronik des Weiteren Auswerteein­ heit 33, welche mittels eines Analog-Digital-Wandlers 35 den vom Spannungs- /Stromwandler 31 an die Erregerspule abgegebenen Erregerstrom Ierr erfasst und einem ersten Microcontroller 37 zuführt. Dieser kann wiederum im Sinne einer geschlossenen Regelschleife den Spannungs-/Stromwandler 31 und den Sinusge­ nerator 29 so ansteuern, dass sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des Erregerstroms Ierr hochgenau konstant gehalten werden.As shown in FIG. 4, the measuring electronics further comprise evaluation unit 33 , which detects the excitation current I err delivered by the voltage / current converter 31 to the excitation coil by means of an analog-digital converter 35 and feeds it to a first microcontroller 37 . This, in turn, can control the voltage / current converter 31 and the sinus generator 29 in the sense of a closed control loop so that both the frequency and the amplitude of the excitation current I err are kept constant with high precision.

Die in der Induktionsspule 5 induzierte Spannung Ui wird ebenfalls von der Auswerteeinheit 33 erfasst. Die induzierte Spannung Ui wird dabei zum einen über einen steuerbaren elektronischen Schalter 39 wahlweise unmittelbar einem Analog-Digital-Wandler 41 zugeführt oder zunächst mittels eines Integrierers 43 integriert und die integrierte Spannung, welche der magnetischen Induktion B proportional ist, über den steuerbaren elektronischen Schalter 39 dem Analog- Digital-Wandler 41 zugeführt. Das digitale Ausgangssignal des Analog-Digital- Wandlers 41 wird einem zweiten Microcontroller 43 zugeführt.The voltage U i induced in the induction coil 5 is also detected by the evaluation unit 33 . The induced voltage U i is either supplied directly to an analog-to-digital converter 41 via a controllable electronic switch 39 or is first integrated by means of an integrator 43 and the integrated voltage, which is proportional to the magnetic induction B, via the controllable electronic switch 39 fed to the analog-digital converter 41 . The digital output signal of the analog-digital converter 41 is fed to a second microcontroller 43 .

Während der erste Microcontroller 37 im Wesentlichen zur Steuerung und Re­ gelung der Stromquelle 7 und zur Erfassung des Erregerstroms Ierr dient, über­ nimmt der zweite Microcontroller 43 die Ansteuerung des elektronischen Schal­ ters 39 und die Abtastung der induzierten Spannung Ui bzw. der integrierten induzierten Spannung. Des Weiteren sind die beiden Microcontroller 37 bzw. 43 miteinander verbunden, wobei der Microcontroller 43 vom Microcontroller 37 den Momentanwert für den Erregerstrom Ierr erhält und umgekehrt der Micro­ controller 37 vom Microcontroller 43 beispielsweise ein Startsignal für den Messbeginn erhalten kann, woraufhin der Microcontroller 37 durch eine entspre­ chende Ansteuerung der Stromquelle 7 in der Erregerspule 3 den gewünschten Erregerstrom Ierr erzeugt. Zur weiteren Auswertung und ggf. graphischen Dar­ stellung der erfassten Messwerte kann ein übergeordneter Computer (beispiels­ weise PC) 45 vorgesehen sein, welcher die Messdaten vom Microcontroller 43 erhält und seinerseits die Schnittstelle zwischen dem Bediener und der Mess­ elektronik darstellt.While the first microcontroller 37 essentially serves to control and regulate the current source 7 and to detect the excitation current I err , the second microcontroller 43 takes over the control of the electronic switch 39 and the scanning of the induced voltage U i or the integrated induced one Tension. Furthermore, the two microcontrollers 37 and 43 connected together, the microcontroller 43 from the microcontroller 37 the instantaneous value for the excitation current I err receives and Micro can receive controller 37, for example, a start signal for the start of measurement by the microcontroller 43 reversed, whereupon the micro-controller 37 generated by a corresponding control of the current source 7 in the excitation coil 3, the desired excitation current I err . A superordinate computer (for example PC) 45 can be provided for further evaluation and, if necessary, graphical representation of the measured values, which receives the measurement data from the microcontroller 43 and in turn represents the interface between the operator and the measurement electronics.

Die Auswerteeinheit 33 bzw. der Microcontroller 43 kann gleichzeitig den Wi­ derstand Ω der Induktionsspule erfassen und hieraus in Verbindung mit einer gespeicherten Eichkurve hieraus die Temperatur des Sensors bzw. der Indukti­ onswicklung ermitteln. Da diese annähernd die selbe Temperatur wie das um­ schlossene ferromagnetische Element hat, lässt sich somit ohne zusätzlichen Temperatursensor die Temperatur des ferromagnetischen Elements 1 bestimmen und auf diese Weise kann eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vornehmen.The evaluation unit 33 or the microcontroller 43 can simultaneously detect the resistance Ω of the induction coil and, in conjunction with a stored calibration curve, determine the temperature of the sensor or the induction winding from this. Since this has approximately the same temperature as the closed ferromagnetic element, the temperature of the ferromagnetic element 1 can thus be determined without an additional temperature sensor and in this way temperature compensation of the measurement result can be carried out.

Fig. 5 zeigt die für einen bestimmten Spannstahltyp (d. h. eine bestimmte Legie­ rung) ermittelten Kalibrierabhängigkeiten für die magnetischen Kenngrößen der Permeabilität µr, Remanenz BR, Maximalinduktion BS und Koerzitivfeldstärke HC. In der Abszisse sind die Änderungen der magnetischen Kenngrößen in Volt aufgetragen, ausgehend vom unbelasteten Zustand. Fig. 5 shows the prestressing steel for a particular type (ie, a particular alloy coins tion) Kalibrierabhängigkeiten determined for the magnetic characteristics of the permeability μ r, remanence B R, B S maximum induction and coercive force H C. The changes in the magnetic parameters in volts are plotted on the abscissa, starting from the unloaded state.

Grundsätzlich ließe sich bereits aus jeder der vier dargestellten Kalibrierabhän­ gigkeiten und aus der gemessenen elektrischen Größe (für diesen bestimmten Spannstahltyp) die auf das ferromagnetische Element wirkende Zug- bzw. Druckspannung ermitteln (in Fig. 5 wurden lediglich die Kalibrierabhängigkeiten für Zugspannungen ermittelt).In principle, the tensile or compressive stress acting on the ferromagnetic element could already be determined from each of the four calibration dependencies shown and from the electrical quantity measured (for this specific prestressing steel type) (only the calibration dependencies for tensile stresses were determined in FIG. 5).

Zur Steigerung der Messgenauigkeit können jedoch mit der Anordnung gemäß Fig. 4 ohne großen Aufwand sämtliche der magnetischen Kenngrößen ermittelt (bzw. hierzu proportionale elektrische Größen) und hieraus unter Verwendung der betreffenden Eichabhängigkeit jeweils ein Wert für die auf das ferromagneti­ sche Element wirkende Spannung bestimmt werden. Zur Erhöhung der Messge­ nauigkeit kann dann eine Mittelung der vier Spannungswerte erfolgen.To increase the measuring accuracy, however, with the arrangement according to FIG. 4, all of the magnetic parameters can be determined without great effort (or electrical variables proportional to this) and a value for the voltage acting on the ferromagnetic element can be determined using the relevant calibration dependency . The four voltage values can then be averaged to increase the measuring accuracy.

Darüber hinaus können unzulässige Abweichungen von ein oder zwei Messer­ gebnissen durch einen Vergleich mit den übrigen Messergebnissen oder mit dem Mittelwert sämtlicher Messgrößen festgestellt werden und dann die betreffenden Messergebnisse bei der Ermittlung des Endergebnisses durch Mittelwertbildung außer Betracht bleiben.In addition, impermissible deviations from one or two knives results by a comparison with the other measurement results or with the Average of all measured variables are determined and then the relevant ones Measurement results when determining the end result by averaging be disregarded.

Fig. 6 zeigt entsprechende Kalibrierabhängigkeiten für einen anderen Spann­ stahltyp, wobei sich bei drei der vier untersuchten magnetischen Kenngrößen mehrdeutige Kalibrierabhängigkeiten ergeben. Ein derartiges Verhalten tritt ins­ besondere bei warmvergüteten Stählen auf, die einen wesentlich höheren Silizi­ umgehalt aufweisen. Dagegen wies der kaltgezogene Stahl, für den die in Fig. 5 dargestellten Kalibrierabhängigkeiten ermittelt wurden, lediglich einen Silizium­ gehalt von ca. 0,2% auf. Fig. 6 shows corresponding calibration dependencies for another type of prestressing steel, with ambiguous calibration dependencies resulting in three of the four examined magnetic parameters. Such behavior occurs in particular in the case of hot-tempered steels which have a significantly higher silicon content. In contrast, the cold-drawn steel, for which the calibration dependencies shown in FIG. 5 were determined, only had a silicon content of approximately 0.2%.

Durch die Auswertung von zumindest zwei magnetischen Kenngrößen, die einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen, kann diese Mehrdeutigkeit jedoch beseitigt werden. Beispielsweise ergibt sich für die Remanenz BR bei einem Messwert von ca. 0,05 V sowohl eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm2 als auch eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 600 N/mm2. Wird zusätzlich beispielsweise die (ebenfalls mehrdeutige) Permeabilität erfasst, so wird sich für diese beispielsweise eine elektrische Größe von ca. 0,01 V ergeben, was einer­ seits einer Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm2 und andererseits einer Span­ nungstahlspannung von ca. 80 N/mm2 entsprechen kann. Durch einen Vergleich mit den durch Auswertung der Remanenz ermittelten Spannungswerten ergibt sich somit, dass ausschließlich eine Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm2 als korrektes Messergebnis in Frage kommen kann.However, this ambiguity can be eliminated by evaluating at least two magnetic parameters that have a different profile. For example, for the remanence B R with a measured value of approx. 0.05 V, there is both a possible prestressing steel tension of approx. 200 N / mm 2 and a possible prestressing steel tension of approx. 600 N / mm 2 . If, for example, the (also ambiguous) permeability is recorded, an electrical quantity of approx. 0.01 V will result for this, which on the one hand has a prestressing steel tension of approx. 200 N / mm 2 and on the other hand a tensioning steel tension of approx. 80 N / mm 2 can correspond. A comparison with the stress values determined by evaluating the remanence thus shows that only a prestressing steel stress of approximately 200 N / mm 2 can be considered as the correct measurement result.

Fig. 7 zeigt schließlich den Einfluss der Temperatur auf die untersuchten magne­ tischen Kenngrößen. Es wird deutlich, dass lediglich die Permeabilität eine nahe­ zu lineare Temperaturabhängigkeit aufweist, während die Ergebnisse für die übri­ gen magnetischen Kenngrößen praktische keine Temperaturabhängigkeit zeigen bzw. eine möglicherweise vorhandene Temperaturabhängigkeit so gering ist, dass deren Auswirkung im Rahmen der erreichbaren Messgenauigkeit vernach­ lässigbar ist. Fig. 7 finally shows the influence of temperature on the examined magnetic parameters. It becomes clear that only the permeability has a temperature dependency that is close to linear, while the results for the other magnetic parameters show practically no temperature dependency or a possible temperature dependency is so small that its effect is negligible within the range of the measurement accuracy that can be achieved.

Für die Messung in der Praxis ist daher lediglich eine Temperaturkompensation der Messergebnisse für die Permeabilität erforderlich. Hierfür kann, wie in Fig. 7 dargestellt, für jeden Typ eines ferromagnetischen Elements eine entsprechende Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden. In Kenntnis der Temperatur, bei der die spannungsabhängigen Kalibrierabhängigkeiten der Fig. 5 und 6 ermittelt wurden sowie der Temperatur des ferromagnetischen Elements, welche bei­ spielsweise in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt werden kann, kann dann die tatsächlich gemessenen elektrischen Größen um einen Korrekturwert, der sich aus der temperaturabhängigen Kalibrierabhängigkeit ergibt, korrigiert werden. Dieser Wert der elektrischen Größe kann dann in die temperaturabhän­ gige Kalibrierkurve eingesetzt und somit die Zug- oder Druckspannung ermittelt werden.For measurement in practice, therefore, only temperature compensation of the measurement results for permeability is required. For this, as shown in FIG. 7, a corresponding calibration dependency can be recorded for each type of ferromagnetic element. Knowing the temperature at which the voltage-dependent calibration dependencies of FIGS. 5 and 6 were determined and the temperature of the ferromagnetic element, which can be determined in the manner described above, for example, the actually measured electrical quantities can then be corrected by a correction value arises from the temperature-dependent calibration dependency. This value of the electrical quantity can then be inserted into the temperature-dependent calibration curve and the tensile or compressive stress can thus be determined.

Das sehr einfache und mit geringem Aufwand durchzuführende Messverfahren nach der Erfindung ist in der Praxis vielseitig anwendbar. Beispielsweise kann bereits im Werk jedes Zug- oder Druckglied oder Spannglied mit einem entspre­ chenden Sensor ausgerüstet werden, da diese Zusatzkosten für einen derartigen Sensor (vgl. Fig. 3) relativ gering sind. Messungen der auf das betreffende Ele­ ment wirkenden Kräfte bzw. Spannungen können sowohl bei der Montage als auch von Zeit zu Zeit zur Überwachung des betreffenden Elements durchgeführt werden.The very simple measurement method according to the invention, which can be carried out with little effort, is versatile in practice. For example, each tension or compression member or tendon can be equipped with a corresponding sensor in the factory, since these additional costs for such a sensor (see FIG. 3) are relatively low. Measurements of the forces or voltages acting on the element in question can be carried out both during assembly and from time to time to monitor the element in question.

Das Messverfahren bzw. die Vorrichtung weist eine hohe Langzeitstabilität auf und ist praktisch unabhängig von der Konstruktion des zu überwachenden Ele­ ments. Beispielsweise sind im Gegensatz zu Dehnungsmessstreifen auch Mes­ sungen an Litzen und Seilen durchführbar. Für das Aufbringen eines Sensors nach der Erfindung sind keinerlei konstruktive Änderungen an den zu überwa­ chenden Bauelementen erforderlich. Der beschriebene Sensor ist darüber hinaus elektrisch und mechanisch äußerst stabil und widerstandsfähig gegen Staub, Feuchtigkeit und Stoßbelastungen. Eine Kalibrierabhängigkeit muss lediglich für ein bestimmtes Material eines ferromagnetischen Elements durchgeführt werden, wobei sich bei unterschiedlichen Chargen industriell hergestellter Spannstähle desselben Typs praktisch kaum Abweichungen zeigen, so dass lediglich für einen bestimmten Spannstahltyp eine Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden muss.The measuring method and the device have a high long-term stability and is practically independent of the construction of the Ele to be monitored mentions. For example, in contrast to strain gauges, measuring devices are also solutions can be carried out on strands and ropes. For the application of a sensor According to the invention, no constructive changes are to be made to the Appropriate components required. The sensor described is beyond extremely stable electrically and mechanically and resistant to dust, Moisture and shock loads. A calibration dependency need only for a certain material of a ferromagnetic element can be made, with different batches of industrially manufactured prestressing steels of the same type show practically no deviations, so that only for one certain prestressing steel type a calibration dependency can be included got to.

Insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Auswertung mehrerer magnetischer Kenngrößen konnte eine Messunsicherheit von ca. +/-20 N/mm2 erreicht werden, was einer Messgenauigkeit von ca. 1,5% des Messbe­ reichsendwertes entspricht.In particular with the above-described method of evaluating several magnetic parameters, a measurement uncertainty of approx. +/- 20 N / mm 2 could be achieved, which corresponds to a measurement accuracy of approx. 1.5% of the measuring range end value.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem fer­ romagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druck­ glied für das Bauwesen,
  • a) bei dem in einem oder mehreren Punkten der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Elements zumindest zwei Werte für eine oder mehrere der folgenden Erfassungsgrößen direkt oder indirekt erfasst werden:
    • a) magnetische Feldstärke H bei dem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B in dem jeweiligen Punkt der Magnetisie­ rungskurve;
    • b) magnetischer Fluss B bei dem vorbestimmten Wert für die ma­ gnetische Feldstärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisie­ rungskurve,
    • c) Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feld­ stärke H in dem jeweiligen Punkt der Magnetisierungskurve;
  • b) bei dem für das Material und/oder den Typ des ferromagnetischen Elements ein Kalibiriervorgang durchgeführt wird, in dem die Span­ nungsabhängigkeit der einen oder mehreren ausgewählten Erfassungs­ größen bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H zur Verwendung als Kali­ brierabhängigkeiten ermittelt wird,
  • c) bei dem durch einen Vergleich jedes der zumindest zwei erfassten Werte mit der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit jeweils ein Wert für die Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung ermittelt wird und
  • d) bei dem die zumindest zwei ermittelten Zug- oder Druckspan­ nungswerte oder Änderungen der Zug- oder Druckspannungswerte zum Erhalt des Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemit­ telt werden.
1. Method for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tension, tensile or compressive member for the building industry,
  • a) in which at least two values for one or more of the following detection variables are recorded directly or indirectly in one or more points of the magnetization curve of the ferromagnetic element:
    • a) magnetic field strength H at the predetermined value for the magnetic flux B in the respective point of the magnetization curve;
    • b) magnetic flux B at the predetermined value for the magnetic field strength H in the respective point of the magnetization curve,
    • c) slope of the magnetization curve at a predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H in the respective point of the magnetization curve;
  • b) in which a calibration process is carried out for the material and / or the type of the ferromagnetic element in which the voltage dependency of the one or more selected detection variables at the respectively predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H for use as Calibration dependencies is determined,
  • c) in which a value for the tensile or compressive stress in the ferromagnetic element or its change is determined by comparing each of the at least two recorded values with the associated calibration dependency, and
  • d) in which the at least two determined tensile or compressive stress values or changes in the tensile or compressive stress values are averaged to obtain the result for the tensile or compressive stress.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Erfassungsgröße eine der folgenden magnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve ist: Permeabilität, Remanenz, maximaler magneti­ scher Fluss, Koerzitivfeldstärke.2. The method according to claim 1, characterized in that the at least a detection quantity one of the following magnetic characteristics of the Magnetization curve is: permeability, remanence, maximum magneti shear flow, coercive force. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche der genannten vier magnetischen Kenngrößen erfasst und hieraus unter Ver­ wendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung ermittelt und zum Erhalt des Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt werden. 3. The method according to claim 2, characterized in that all of the mentioned four magnetic parameters and derived from this under Ver using corresponding calibration dependencies four values for the Tensile or compressive stress is determined and to obtain the result for the Tensile or compressive stress can be averaged.   4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass bei einer mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit die in den an­ deren Kalibrierabhängigkeiten enthaltene Information zur Auswahl des kor­ rekten Wertes für die Zug- oder Druckspannung aus den mehreren sich aus der mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit ergebenden Werten verwendet wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized indicates that in the case of an ambiguous calibration dependency the in the whose calibration dependencies contain information on the selection of the cor right value for the tensile or compressive stress from the several itself the values resulting from the ambiguous calibration dependency becomes. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ermittelten vier Spannungswerte auf eine unzulässig hohe Abweichung von den verbleibenden drei anderen Werten oder dem Durchschnitt aller vier Werte geprüft und für den Fall des Vorliegens einer unzulässig hohen Ab­ weichung für die Mittelwertbildung unberücksichtigt bleibt.5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that each of the determined four voltage values for an impermissibly high deviation from the remaining three other values, or the average of all four Values checked and in the event of an inadmissibly high Ab softening is not taken into account for averaging. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Temperaturkompensation eine Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit der zumindest einen erfassten magnetichen Größe, insbesondere die Permeabilität, ermittelt wird, und dass zur Be­ stimmung des Wertes der Zug- oder Druckspannung der erfasste Wert für die magnetische Größe um einen Betrag korrigiert wird, der sich aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit unter Verwendung der Isttemperatur bei der Erfassung der magnetischen Größe und derjenigen Temperatur ergibt, bei der die Aufnahme der Kalibrierabhängigkeit für die Spannungsabhängigkeit der erfassten magnetischen Größe erfolgt ist.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized shows that for temperature compensation a calibration dependency for the temperature dependence of the at least one detected magnetic Size, in particular the permeability, is determined, and that for loading the value of the tensile or compressive stress the magnetic quantity is corrected by an amount resulting from the Calibration dependency for the temperature dependency using the actual temperature when recording the magnetic variable and that Temperature at which the inclusion of the calibration dependency for the Voltage dependence of the detected magnetic variable has occurred. 7. Vorrichtung zur Erfassung von Zug- oder Druckspannungen in einem fer­ romagnetischen Element, insbesondere einem Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehen­ den Ansprüche,
  • a) mit einem Sensor (13) zur Erfassung der Zug- oder Druckspannung, welcher eine auf einem gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule (3) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule (S) umfasst, wobei das ferromagnetische Element (1) mit dem Kern koppelbar ist oder diesen darstellt,
  • b) mit einer die Erregerspule (3) mit einem Erregerstrom (Ierr) beauf­ schlagenden Stromquelle (7) und
  • c) mit einer Auswerteeinheit (33), welche die in der Induktionsspule (5) induzierte Spannung (Ui) und/oder die integrierte induziere Spannung erfasst und welcher Informationen über die Erregerstromstärke (Ierr) zugeführt sind,
  • d) wobei die Auswerteeinheit (33) die induzierte Spannung (Ui) und/oder die integriere induzierte Spannung erfasst als Maß für den magneti­ schen Fluss B und die Erregerstromstärke (Ierr) als Maß für die ma­ gnetische Feldstärke H verwendet, und
  • e) wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, dass zur Bestimmung der Zug- oder Druckspannungen in dem ferromagnetischen Element die Verfahrensschritte nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchführbar sind.
7. Device for detecting tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tensile or compressive member for the building industry, for carrying out the method according to one of the preceding claims,
  • a) with a sensor ( 13 ) for detecting the tensile or compressive stress, which comprises an excitation coil ( 3 ) arranged on a common core for generating a magnetic field and an induction coil (S) arranged on the core, the ferromagnetic element ( 1 ) can be coupled to or represents the core,
  • b) with a current source ( 7 ) which strikes the excitation coil ( 3 ) with an excitation current (I err )
  • c) with an evaluation unit ( 33 ) which detects the voltage (U i ) induced in the induction coil ( 5 ) and / or the integrated induced voltage and which information about the excitation current (I err ) is supplied,
  • d) wherein the evaluation unit ( 33 ) detects the induced voltage (U i ) and / or the integrated induced voltage as a measure of the magnetic flux B and the excitation current (I err ) as a measure of the magnetic field strength H, and
  • e) wherein the evaluation unit is designed such that the method steps according to one of the preceding claims can be carried out to determine the tensile or compressive stresses in the ferromagnetic element.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom­ quelle (7) eine Wechselstromquelle ist, vorzugsweise eine Sinus-Wechsel­ stromquelle mit vorbestimmter Frequenz und geregelter Amplitude. 8. The device according to claim 7, characterized in that the current source ( 7 ) is an alternating current source, preferably a sinusoidal alternating current source with a predetermined frequency and controlled amplitude. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerte­ einheit (33) über eine vorbestimmte Anzahl von Perioden des Erregerstroms (Ierr) die induzierte Spannung (Ui) und die integrierte induzierte Spannung und/oder den Erregerstrom (Ierr) abtastet und hieraus die zumindest eine Größe der Magnetisierungskurve ermittelt.9. The device according to claim 8, characterized in that the evaluation unit ( 33 ) over a predetermined number of periods of the excitation current (I err ), the induced voltage (U i ) and the integrated induced voltage and / or the excitation current (I err ) scans and from this the at least one size of the magnetization curve is determined. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (33) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 durchführt.10. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the evaluation unit ( 33 ) carries out the method according to one of claims 1 to 6. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) einen Spulenkörper (15) aus nicht-magnetischem Ma­ terial umfasst, auf welchem die Induktionsspule (5) und die Erregerspule (3) angeordnet sind.11. The device according to one of claims 7 to 10, characterized in that the sensor ( 13 ) comprises a coil body ( 15 ) made of non-magnetic Ma material, on which the induction coil ( 5 ) and the excitation coil ( 3 ) are arranged. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Erregerspule (3) des Sensors (13) größer ist als die Länge der Indukti­ onsspule (5) und dass sich die Induktionsspule (5) vollständig innerhalb der Erregerspule (3) befindet.12. Apparatus according to claim 11, characterized in that the length of the exciting coil (3) of the sensor (13) is greater onsspule than the length of Indukti (5) and that the induction coil (5) is located completely within the excitation coil (3) .
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