DE202011004622U1

DE202011004622U1 - Schraube

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Publication number: DE202011004622U1
Application number: DE202011004622U
Authority: DE
Original assignee: Infap 81377 GmbH; INFAP GmbH
Current assignee: Infap 81377 GmbH; INFAP GmbH
Priority date: 2011-03-30
Filing date: 2011-03-30
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2021-03-31

Abstract

Schraube (11) mit einem zylindrischen Stiftabschnitt (12), welcher über zumindest einen Abschnitt mit einem Gewinde (14) versehen ist, und einem Kopfabschnitt (13), welcher an dem Stiftabschnitt (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (11) mit einer Bohrung (15) versehen ist, welche sich durch den Kopfabschnitt (13) und zumindest einen Teil des Stiftabschnitts (12) erstreckt, wobei in der Bohrung (15) eine optische Messeinrichtung (1), welche zumindest einen Lichtwellenleiter (2) aufweist, welcher zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (3, 3', 3'', 3''') umfasst, angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Schrauben werden üblicherweise zur lösbaren Verbindung zweier Elemente verwendet. Je nach Materialbeschaffenheit, Größe und Gewicht der zu verbindenden Elemente können Sie dabei unterschiedlichste Formen und Größen aufweisen.
Sind die verbundenden Elemente starken Belastungen ausgesetzt, dann können auch an ihrer Verbindungsstelle oder ihren Verbindungsstellen unerwünscht starke Kräfte oder Spannungen auftreten, die dann zum Bruch oder sonstigen Versagen der Verbindung führen können.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsmöglichkeit bereitzustellen, die einen Sicherungsmechanismus für derartige Probleme umfasst.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mittels einer Schraube mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Erfindungsgemäß wird eine Schraube mit einem zylindrischen Stiftabschnitt, welcher über zumindest einen Abschnitt mit einem Gewinde versehen ist, und einem Kopfabschnitt bereitgestellt, welcher dem Stiftabschnitt angeordnet ist, wobei die Schraube mit einer Bohrung versehen ist, welche sich durch den Kopfabschnitt und zumindest einen Teil des Stiftabschnitts erstreckt, wobei in der Bohrung eine optische Messeinrichtung, welche zumindest einen Lichtwellenleiter aufweist, welcher zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor umfasst, angeordnet ist. Mittels der optischen Messeinrichtung, welche direkt in der Bohrung der Schraube zur Verbindung zweier Elemente angeordnet ist, können zuverlässig direkt an der Verbindungsstelle auftretende Kräfte, wie beispielsweise Temperatur und Dehnung, überwacht, erfasst und entsprechend ausgewertet werden. Ist beispielsweise ein zulässiger Grenzwert überschritten, so dass eine Bruchstelle oder Materialermüdung an der Verbindungsstelle befürchtet werden muss, kann die Schraube frühzeitig – bevor es zu einem Ausfall kommt – durch eine neue Schraube ersetzt werden. Optische Messeinrichtungen, die Lichtwellenleiter mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren einsetzen, weisen darüber hinaus eine besonders hohe Genauigkeit und Zuverlässigkeit über lange Zeiträume zur Messung von Temperatur und Dehnung auf, so dass die Verbindungsstelle mittels der erfindungsgemäßen Schraube hinsichtlich dieser Daten sehr zuverlässig überwacht werden kann.
Vorteilhafterweise beinhaltet die Schraube, welche die Verbindung herstellt, ihre Überwachungseinrichtung also selbst. Die erfindungsgemäße Schraube hat also eine Doppelfunktion. Es entfällt die Notwendigkeit, einen separaten Sensor extern anzubringen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Lichtwellenleiter zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors, von einem Mantelelement umgeben, wobei das Mantelelement ein kapillarartig ausgebildetes Element ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Mantelelement aus Glas hergestellt ist. Dies hat den Vorteil, dass es sich hierbei einerseits um ein besonders hartes Material und andererseits um das gleiche Material wie das Material des zumindest einen Lichtwellenleiters handelt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Mantelelement aus Glas darüber hinaus mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn das Mantelelement mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann das Mantelelement auch aus einem anderen Material wie beispielsweise aus einem Kunststoff wie PEEK, aus Keramik, Stahl oder Edelstahl hergestellt sein. Wichtig ist jedoch, dass das Material des Mantelelements eine ausreichende Härte aufweist.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist eine elastische Masse, insbesondere temperaturfestes Silikon, in dem kapillarartig ausgebildeten Element vorgesehen, welche einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des zumindest einen Lichtwellenleiters einem inneren Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements zumindest teilweise ausfüllt. Wenn das kapillarartig ausgebildete Element mit der elastischen Masse darin über die entsprechende Sensorstelle geschoben wird, wird einerseits ein Eindringen von anderen Materialien, wie beispielsweise Epoxidharz oder ein anderer Kleber, in die Glaskapillare verhindert bzw. der Faser-Bragg-Gitter-Sensor wird vor dem Krafteinfluss des Klebers bzw. des Harzes abgeschirmt. Nach einem Aushärteprozess ist das elastische Material, wie beispielsweise Silikon, jedoch immer noch flexibel, um Zug- und Druckkräfte an den Faser-Bragg-Gitter-Sensor zuzulassen.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform füllt die elastische Masse den Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des Lichtwellenleiters und dem inneren Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements aus Glas im Wesentlichen vollständig aus.
Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn die elastische Masse eine Eintrittsöffnung des kapillarartig ausgebildeten Elements, in welche der zumindest eine Lichtwellenleiter eingeführt ist, und eine Austrittsöffnung des kapillarartig ausgebildeten Elements, aus welcher der zumindest eine Lichtwellenleiter aus dem kapillarartig ausgebildeten Element austritt, verschließt, insbesondere abdichtet.
Hierdurch wird effektiv ein Eindringen von anderen Materialien in die Glaskapillare verhindert, die den Lichtwellenleiter bzw. die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren beschädigen oder negativ beeinflussen könnten.
Vorzugsweise ist der zumindest eine Lichtwellenleiter eine DTG-(Draw Tower Grating)-Faser.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Lichtwellenleiter an seinem äußeren Umfang mit einer Beschichtung versehen, insbesondere mit einer Ormocer-Beschichtung oder mit einer Polyimidbeschichtung.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist der Lichtwellenleiter einen ersten beschichtungsfreien Abschnitt und einen zweiten beschichtungsfreien Abschnitt auf. Der erste beschichtungsfreie Abschnitt und der zweite beschichtungsfreie Abschnitt sind besonders vorteilhaft, um eine Fixierung der optischen Messeinrichtung in der Schraube zu verbessern, da ein Kleber, wie beispielsweise Epoxidharz, der zur Fixierung verwendet werden kann, an den beschichtungsfreien Abschnitten besonders gut haftet.
Vorzugsweise sind der erste beschichtungsfreie Abschnitt und der zweite beschichtungsfreie Abschnitt beidseitig des Mantelelements vorgesehen.
Besonders bevorzugt ist auch, wenn die Bohrung zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit einem Klebemittel verfüllt ist. Das Klebemittel, insbesondere im Falle von der Verwendung von Epoxidharz als Klebemittel, fixiert die optische Messeinrichtung zuverlässig in der Schraube.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, wenn die Bohrung an ihrer Oberfläche chemisch geätzt ist.
Vorzugsweise ist das Klebemittel Epoxidharz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Schraube aus Stahl, insbesondere aus hochfestem Stahl, hergestellt, wodurch einerseits eine zuverlässige und feste Verbindung von zwei zu verbindenden Elementen sichergestellt wird, und andererseits die optische Messeinrichtung sich in einem durch die Schraube gebildeten Stahlgehäuse aufgenommen wird.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an dem Kopfabschnitt eine Kabelverschraubung vorgesehen. Die Kabelverschraubung verbindet den Lichtwellenleiter dicht mit der als Gehäuse wirkenden Schraube und schützt den aus der Schraube austretenden Lichtwellenleiter vorteilhaft vor mechanischen Einflüssen, Staub und Feuchtigkeit.
Vorzugsweise wirkt die Schraube sowohl als Verbindungselement zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element als auch zur Aufnahme der optischen Messeinrichtung. Gemäß einer Ausführungsform weist die Schraube ein Teilgewinde mit einer Länge von mindestens 10 mm und einer Gesamtlänge des Stiftabschnitts von mindestens 80 mm auf (M10 × 80); besonders bevorzugt weist das Teilgewinde eine Länge von 20 mm und einer Gesamtlänge des Stiftabschnitts der Schraube von 80 mm (M20 × 85) auf.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht durch eine optische Messeinrichtung gemäß einer Ausführungsform; und
2 eine schematische Schnittansicht durch eine Schraube gemäß einer Ausführungsform.
1 ist eine schematische Schnittansicht durch einen Teil einer optischen Messeinrichtung 1 gemäß einer Ausführungsform, welche einen Lichtwellenleiter 2 aufweist. Der Lichtwellenleiter 2 ist aus einer Glasfaser mit einem hier nicht im Einzelnen dargestellten Faserkern und Fasermantel aufgebaut. In dem Lichtwellenleiter 2 ist eine Vielzahl von Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, deren Anordnung hier schematisch durch die Bezugszeichen 3, 3', 3'', 3''' angedeutet ist, über einen Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2 hintereinander angeordnet vorgesehen, welche zur Temperatur- oder Dehnungsmessung dienen, die wie im Folgenden beschrieben erfolgt. Die Faser-Bragg-Gitter sind als optisch wirksame Strukturen im Kern von Glasfasern zu verstehen, die durch eine im Wesentlichen periodische Modulation des Brechnungsindex entlang der Faser charakterisiert sind. Insbesondere sind Faser-Bragg-Gitter in den Kern der Lichtwellenleiter mittels Laser eingebrachte Frequenzfilter. Sensoren mit Faser-Bragg-Gittern können jeweils unterschiedliche spezifische Schwerpunktswellenlängen – die so genannten Bragg-Wellenlängen – aufweisen, welche sich mit Temperatur und Dehnung ändern. Dabei ändert das Faser-Bragg-Gitter seine optischen Eigenschaften unter mechanischen und/oder Temperatureinflüssen wie folgt. Wirken äußere Kräfte/und oder Temperaturänderungen auf das Faser-Bragg-Gitter, so ändert sich die Reflexionswellenlänge des Gitters. Die Änderung der Reflexionswellenlänge stellt also ein Maß für Dehnungen und Temperaturen dar. Eine Temperaturänderung ΔT hat dementsprechend sowohl eine Brechzahländerung als auch eine Längenänderung eines Faser-Bragg-Gitters zur Folge, was einerseits eine Änderung der Wellenlänge des im Lichtwellenleiter geführten Lichts bewirkt und andererseits eine Änderung des Gitterabstandes mit sich bringt. Beide Effekte führen also zu einer Wellenlängenänderung des reflektierten Peaks.
An dem Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2, in welchem die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''' angeordnet sind, ist ein Mantelelement 4 vorgesehen, welches den Längenabschnitt des Lichtwellenleiters 2 mit den Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''' umgibt. Das Mantelelement 4 ist ein kapillarartig ausgebildetes Element 5 aus Glas, welches mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist. Zwischen einem äußeren Umfang 6 des Lichtwellenleiters 2 und dem inneren Umfang 7 des kapillarartig ausgebildeten Elements 5 ist eine elastische Masse 8 vorgesehen, die in der Ausführungsform aus Silikon besteht. Das kapillarartig ausgebildete Element 5 aus Glas bildet zusammen mit der elastischen Masse 8 aus Silikon einen wirksamen Schutz für den Lichtwellenleiter 2 bzw. die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3'''. Insbesondere dichtet die elastische Masse 8 eine Eintrittsöffnung 9, durch welche der Lichtwellenleiter 2 in das kapillarartig ausgebildete Element 5 eingeführt wird, und eine Austrittsöffnung 10, durch welche der Lichtwellenleiter 2 aus dem kapillarartig ausgebildeten Element 5 austritt, ab, so dass hier keine anderen Materialien, wie beispielsweise Kleber bzw. Epoxidharz, der ansonsten in die Eintrittsöffnung 9 und die Austrittsöffnung 10 eintreten und das Messergebnis negativ beeinträchtigen würde, eindringen können.
2 ist eine schematische Schnittansicht durch eine Schraube 11 gemäß einer Ausführungsform, welche einen Stiftabschnitt 12 mit einem Gewinde 14 und einen Kopfabschnitt 13 aufweist. Die Schraube 11 dient zur Verbindung eines ersten und eines zweiten Elements, welche hier nicht dargestellt sind, und ist als sogenannter „Industrial Fiber Screw (Schrauben) Sensor” (IFSS) ausgebildet, hier als IFSS-2085, was bedeutet, dass die Schraube 11 eine Gewindelänge von 20 mm und eine Stiftabschnittslänge von 85 mm aufweist. Der Kopfabschnitt 13 ist in der Ausführungsform als Sechskantkopf ausgebildet. Weiterhin ist das Material der Schraube 11 ein hochfester Stahl. Der Kopfabschnitt 13 und ein Teil des Stiftabschnitts 12 sind mit einer Bohrung 15 versehen, die als Sackloch ausgeführt ist und eine Länge von 10 mm sowie einen Durchmesser von 2 mm aufweist. In die Bohrung 14 ist ein Lichtwellenleiter 2 mit Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''' einer optischen Messeinrichtung 1 eingeführt, um an der durch die Schraube 11 fixierte Verbindungsstelle auftretende Kräfte, wie beispielsweise Dehnung, direkt zu messen. Zum Schutz der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''', welche sich in der Ausführungsform über eine Länge von 10 mm erstrecken, ist ein Mantelelement 4 in Form eines kapillarartig ausgebildeten Elements 5 aus Glas auf dem Lichtwellenleiter 2 im Bereich der Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''' angeordnet. Das Mantelelement 4 weist eine Länge von 20 mm auf und ist mit einer Polyimidbeschichtung versehen. Wie bereits im Zusammenhang mit der in 1 dargestellten Ausführungsform beschrieben, ist zwischen einem äußeren Umfang 6 des Lichtwellenleiters 2 und dem inneren Umfang 7 des kapillarartig ausgebildeten Elements 5 eine elastische Masse 8 aus Silikon vorgesehen. Das Mantelelement 4 bildet zusammen mit der elastischen Masse 8 einen wirksamen Schutz für den Lichtwellenleiter 2 bzw. die Faser-Bragg-Gitter-Sensoren 3, 3', 3'', 3''', da die elastische Masse 8 die Eintrittsöffnung 9 und eine Austrittsöffnung 10 abdichtet. Hierdurch wird verhindert, dass ein Kleber, in dieser Ausführungsform Epoxidharzkleber 20, welcher zur Fixierung des Lichtwellenleiters 2 in der Bohrung 15 dient, in die Eintrittsöffnung 9 und die Austrittsöffnung 10 eintritt, in welchem Fall das Messergebnis negativ beeinträchtigt würde. Um eine besonders gute Haftwirkung des Epoxidharzklebers 20 an dem Lichtwellenleiter 2, welcher mit einer Omocer-Beschichtung beschichtet ist, zu erzielen, weist der Lichtwellenleiter 2 beidseitig des Mantelelements 4 einen ersten beschichtungsfreien Abschnitt 16 und einen zweiten beschichtungsfreien Abschnitt 16' auf. Jeder beschichtungsfreie Abschnitt 16, 16' erstreckt sich in der Ausführungsform über eine Länge von 10 mm. Weiterhin ist an dem Kopfabschnitt 13 im Bereich einer Öffnung 17, durch welche der Lichtwellenleiter 2 aus der Schraube 11 austritt, eine Kabelverschraubung 18 zum Schutz des Lichtwellenleiters 2 bzw. eines stahlarmierten Lichtwellenleiteranschlusses 19 mit FC/APC-Stecker (nicht dargestellt) vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: optische Messeinrichtung
2: Lichtwellenleiter
3, 3', 3'', 3''': Faser-Bragg-Gitter-Sensoren
4: Mantelelement
5: kapillarartig ausgebildetes Element
6: äußerer Umfang des Lichtwellenleiters
7: innerer Umfang des kapillarartig ausgebildeten Elements
8: elastische Masse
9: Eintrittsöffnung
10: Austrittsöffnung
11: Schraube
12: Stiftabschnitt
13: Kopfabschnitt
14: Gewinde
15: Bohrung
16, 16': erster und zweiter beschichtungsfreier Abschnitt
17: Öffnung
18: Kabelverschraubung
19: stahlarmierter Lichtwellenleiteranschluss
20: Epoxidharzkleber

Claims

Schraube (11) mit einem zylindrischen Stiftabschnitt (12), welcher über zumindest einen Abschnitt mit einem Gewinde (14) versehen ist, und einem Kopfabschnitt (13), welcher an dem Stiftabschnitt (12) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (11) mit einer Bohrung (15) versehen ist, welche sich durch den Kopfabschnitt (13) und zumindest einen Teil des Stiftabschnitts (12) erstreckt, wobei in der Bohrung (15) eine optische Messeinrichtung (1), welche zumindest einen Lichtwellenleiter (2) aufweist, welcher zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensor (3, 3', 3'', 3''') umfasst, angeordnet ist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) zumindest teilweise, insbesondere im Bereich des zumindest einen Faser-Bragg-Gitter-Sensors (3, 3', 3'', 3'''), von einem Mantelelement (4) umgeben ist, wobei das Mantelelement (4) ein kapillarartig ausgebildetes Element (5) ist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelelement (4) aus Glas hergestellt ist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelelement (4) mit einer Polyimidbeschichtung versehen ist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mantelelement (4) aus einem Kunststoff, insbesondere aus PEEK, aus einer Keramik, oder aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl, hergestellt ist.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine elastische Masse (8), insbesondere Silikon, in dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) aus Glas vorgesehen ist, welche einen Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang des zumindest einen Lichtwellenleiters (6) und dem inneren Umfang (7) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5) aus Glas zumindest teilweise ausfüllt.
Schraube (11) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Masse (8) den Zwischenraum zwischen dem äußeren Umfang (6) des Lichtwellenleiters (2) und dem inneren Umfang (7) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5) aus Glas im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Schraube (11) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Masse (8) eine Eintrittsöffnung (9) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5), in welche der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) eingeführt ist, und eine Austrittsöffnung (10) des kapillarartig ausgebildeten Elements (5), aus welcher der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) aus dem kapillarartig ausgebildeten Element (5) austritt, verschließt, insbesondere abdichtet.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) eine DTG-Faser ist.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Lichtwellenleiter (2) an seinem äußeren Umfang mit einer Beschichtung, insbesondere mit einer Ormocer-Beschichtung oder mit einer Polyimidbeschichtung, versehen.
Schraube (11) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtwellenleiter (2) einen ersten beschichtungsfreien Abschnitt (16) und einen zweiten beschichtungsfreien Abschnitt (16') aufweist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste beschichtungsfreie Abschnitt (16) und der zweite beschichtungsfreie Abschnitt (16') beidseitig des Mantelelements (4) vorgesehen sind.
Schraube gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (15) zumindest teilweise, insbesondere vollständig, mit einem Klebemittel verfüllt ist.
Schraube gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (15) an ihrer Oberfläche chemisch geätzt ist.
Schraube (11) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Klebemittel Epoxidharzkleber (20) ist.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (11) aus Metall, insbesondere Stahl, hergestellt ist.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Kopfabschnitt (13) eine Kabelverschraubung (18) vorgesehen ist.
Schraube (11) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (11) sowohl als Verbindungselement zwischen einem ersten Element und einem zweiten Element als auch zur Aufnahme der optischen Messeinrichtung (1) wirkt.