DE202016004348U1 - Device for measuring structural changes via a variable path to e.g. building surfaces - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung zur Messung von Strukturveränderungen wie z. B. Dehnungen an z. B. Bauwerken wie Brücken, mit einem an einer Struktur- insbesondere Bauwerksfläche (12) ortsfest befestigbaren Wegsensor (10), einem an der Bauwerksfläche (12) befestigbaren Messstab (22), dessen vom Wegsensor (10) entferntes Ende (24) an der Bauwerksfläche (12) ortsfest befestigbar ist, und einem zwischen dem entfernten Ende (24) des Messstabs (22) und dem Wegsensor (10) zugewandten Ende (28) des Messstabes (22) angeordneten, eine Längsbewegung des Messstabes (22) ermöglichenden reibungsfreien Loslager (30) zum Halten des Messstabes (22), vorzugsweise mit weichen Blattfedern ausgebildet.Device for measuring structural changes such. B. strains on z. B. structures such as bridges, with a structure on a particular structure surface (12) fixedly attachable displacement sensor (10), attachable to the building surface (12) measuring rod (22) whose remote from the displacement sensor (10) end (24) on the Structural surface (12) is fixable fixed, and one between the distal end (24) of the measuring rod (22) and the displacement sensor (10) facing the end (28) of the measuring rod (22) arranged, a longitudinal movement of the measuring rod (22) enabling frictionless movable bearing (30) for holding the measuring rod (22), preferably formed with soft leaf springs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung von Strukturveränderungen (Längenänderungen) über eine variable Messlänge bei gleichbleibenden Sensoreigenschaften.The invention relates to a device for measuring structural changes (changes in length) over a variable measuring length with constant sensor properties.

Brücken sind neben den Belastungen durch Temperatureinwirkungen und Umwelteinflüssen ferner hohen mechanischen Belastungen durch Verkehrslasten ausgesetzt. Es ist daher erforderlich, Brücken regelmäßig zu überprüfen. Dies erfolgt durch Sichtprüfungen, die im Regelfall im Abstand von 3 Jahren durchgeführt werden. Das übliche Vorgehen hat den erheblichen Nachteil, dass Schäden häufig nicht schon zu einem frühen Zeitpunkt festgestellt werden können und eine Instandsetzungsplanung nicht optimal erfolgen kann. Mit einem Monitoring (permanente Überwachung) können Veränderungen frühzeitig erkannt werden. Zum Zweck eines Monitorings werden Sensoren am Bauwerk platziert. Eine wichtige Überwachungsgröße sind dabei Längen- oder Dehnungsänderungen von Bauwerksstrukturen oder Bauwerksteilen über größere Messlängen hinweg. Bei der Verwendung von Wegsensoren tritt das Problem auf, dass bauartbedingt nur sehr begrenzte Messlängen zur Verfügung stehen. Häufig sind aber Wegmessungen mit einer größeren Messlänge erforderlich, um die gewünschten Messergebnisse zu erzielen.Bridges are also exposed to high mechanical loads due to traffic loads in addition to the effects of temperature effects and environmental influences. It is therefore necessary to check bridges regularly. This is done by visual inspections, which are usually carried out at intervals of 3 years. The usual procedure has the considerable disadvantage that damage can often not be detected at an early stage and a repair planning can not be optimal. With a monitoring (permanent monitoring) changes can be detected early. Sensors are placed on the structure for monitoring purposes. An important monitoring parameter are length or expansion changes of building structures or parts of buildings over larger measuring lengths. When using displacement sensors, the problem arises that, due to the design, only very limited measuring lengths are available. Frequently, however, path measurements with a longer gauge length are required to achieve the desired measurement results.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Messlänge vorhandener Wegsensoren zur Messung von Strukturveränderungen zu verlängern, ohne dabei die Sensoreigenschaften (Messgenauigkeit, Auflösung etc.) einzuschränken.The object of the invention is to extend the measuring length of existing displacement sensors for measuring structural changes, without restricting the sensor properties (measurement accuracy, resolution, etc.).

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen wie z. B. Dehnungen, die insbesondere zur Überwachung von Bauwerken wie Brücken geeignet ist, weist einen Wegsensor auf. Der Wegsensor kann z. B. ortsfest an einem Probenkörper, einer Bauwerkfläche, wie einer Brückenunterseite, befestigt werden. Ferner wird an der Bauwerksfläche ein Messstab bzw. ein Verlängerungsstab befestigt. Der Messstab dient zur Verlängerung des Wegsensors. Die Messung selbst erfolgt durch den Wegsensor. Das vom Wegsensor entfernte Ende des Messstabs ist an der Bauwerksfläche ortsfest (unverschieblich) befestigbar, so dass zwischen diesem Ende des Messstabes und der Bauwerksfläche keine Relativbewegung erfolgt. Das gegenüberliegende, dem Wegsensor zugewandte Ende des Messstabs ist von einem Loslager gehalten, so dass eine Längsbewegung des Messstabs in diesem Bereich möglich ist. Bewegungen, in Richtung des Messstabes, wie Verformungen und Ausdehnungen einer Struktur führen zu einer Vergrößerung oder einer Verkleinerung der Entfernung zwischen der unverschieblichen Lagerung des Wegsensors und der unverschieblichen Lagerung des Messstabes. Diese Längenänderung wird durch den Wegsensor erfasst, der am Messstab anliegt.The inventive device for detecting structural changes such. B. strains, which is particularly suitable for monitoring structures such as bridges, has a displacement sensor. The displacement sensor can, for. B. fixed to a specimen, a building surface, such as a bridge underside, are attached. Furthermore, a measuring rod or an extension rod is attached to the building surface. The dipstick serves to extend the displacement sensor. The measurement itself is done by the displacement sensor. The remote from the displacement sensor end of the measuring rod is fixed to the building surface (immovable) fastened, so that there is no relative movement between this end of the measuring rod and the building surface. The opposite, the displacement sensor facing the end of the measuring rod is held by a floating bearing, so that a longitudinal movement of the measuring rod in this area is possible. Movements, in the direction of the measuring rod, such as deformations and expansions of a structure lead to an increase or decrease in the distance between the non-displaceable mounting of the displacement sensor and the non-displaceable mounting of the measuring rod. This change in length is detected by the displacement sensor, which bears against the measuring rod.

Dies könnte beispielsweise dadurch erfolgen, dass das freie Ende des Messstabes in ein Gehäuse des Wegsensors ragt oder an einem Bauteil des Wegsensors anliegt und entsprechend mit einer Messeinrichtung zusammenwirkt. Dies könnte durch optische und/oder elektrische Verfahren, wie sie bei Wegsensoren üblich sind, erfolgen.This could take place, for example, in that the free end of the measuring rod protrudes into a housing of the displacement sensor or rests against a component of the displacement sensor and accordingly cooperates with a measuring device. This could be done by optical and / or electrical methods, as are common in displacement sensors.

In besonders bevorzugter Ausführungsform weist der verwendete Wegsensor ein insbesondere stabförmig ausgebildetes Messelement auf. Dieses Messelement ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass ein Verschieben des Messelements vom Sensor detektiert wird. Das Messelement ist in besonders bevorzugter Ausführungsform in Kontakt mit dem dem Messsensor zugewandten bzw. freien Ende des Messstabs. Auch kann eine insbesondere unmittelbare Verbindung zwischen dem freien Ende und dem Messelement vorgesehen sein. Ein Verschieben des freien Endes des Messstabes, d. h. ein Verschieben der beiden Festpunkte des Wegsensors und des Messstabs zueinander bewirkt somit unmittelbar ein Verschieben des Messelements und somit eine äußerst exakte Messung. Hierbei ist das Messelement des Wegsensors vorzugsweise stabförmig ausgebildet, wobei es sich insbesondere um einen Taststift handelt. Das insbesondere stabförmig ausgebildete Messelement ist in einem Sensorgehäuse verschiebbar angeordnet bzw. gehalten, z. B. geklebt, geschraubt oder dergleichen.In a particularly preferred embodiment, the displacement sensor used has a particular rod-shaped measuring element. This measuring element is preferably designed such that a displacement of the measuring element is detected by the sensor. The measuring element is in a particularly preferred embodiment in contact with the measuring sensor facing or free end of the measuring rod. Also, a particularly direct connection between the free end and the measuring element can be provided. Moving the free end of the measuring rod, d. H. a displacement of the two fixed points of the displacement sensor and the measuring rod to each other thus directly causes a displacement of the measuring element and thus a very accurate measurement. Here, the measuring element of the displacement sensor is preferably formed rod-shaped, which is in particular a stylus. The particular rod-shaped measuring element is slidably disposed or held in a sensor housing, for. B. glued, screwed or the like.

Vorzugsweise ist das insbesondere stabförmig ausgebildete Messelement und der Messstab zueinander koaxial angeordnet. Hierdurch werden Verfälschungen der Messergebnisse vermieden.Preferably, the particular rod-shaped measuring element and the measuring rod is arranged coaxially with each other. As a result, distortions of the measurement results are avoided.

Der Messstab ist vorzugsweise aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten hergestellt. Hierdurch kann der Einfluss von Temperatureinwirkungen verringert werden. Alternativ könnte ein Messstab mit einem bekannten Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, so dass die Temperatureinwirkungen bei den Berechnungen berücksichtigt werden können. Dies setzt allerdings das Vorsehen eines Temperatursensors voraus. Bevorzugt ist es daher, den Messstab aus einem Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten herzustellen. Besonders geeignet ist die Verwendung von Glas oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff.The dipstick is preferably made of a material with a low thermal expansion coefficient. As a result, the influence of temperature effects can be reduced. Alternatively, a dipstick with a known coefficient of thermal expansion could be used, so that the temperature effects can be taken into account in the calculations. However, this requires the provision of a temperature sensor. It is therefore preferred to produce the dipstick from a material with a low coefficient of thermal expansion. Particularly suitable is the use of glass or carbon fiber reinforced plastic.

Insbesondere zur Messung von Wegänderungen der Struktur, wie des Bauwerks, von wenigen tausendstel Millimetern weist der Messstab eine Länge von mehr als 1 m, insbesondere mehr als 1,5 m und besonders bevorzugt 2 m auf. Kürzere und längere Messlängen sind ebenfalls denkbar.In particular for measuring path changes of the structure, such as the structure, of a few thousandths of a millimeter, the measuring rod has a length of more than 1 m, in particular more than 1.5 m and particularly preferably 2 m. Shorter and longer measuring lengths are also conceivable.

Je nach Länge des Messstabes kann es zweckmäßig sein, zwischen dem im Bereich des freien Endes vorgesehenen Loslagers und dem ortsfesten Ende des Messstabes ein weiteres Loslager anzuordnen. Bei den verwendeten Loslagern handelt es sich vorzugsweise um Lager, die eine nahezu reibungsfreie Lagerung in Messrichtung aufweisen, so dass die Messergebnisse durch die Lager nicht verfälscht werden. Bevorzugt ist die Lagerung mit weichen Blattfedern vorgesehen, die auch über einen langen Zeitraum von insbesondere mehreren Jahren eine zuverlässige Messung mit möglichst geringen Verfälschungen gewährleisten.Depending on the length of the measuring rod, it may be expedient to arrange another movable bearing between the movable bearing provided in the region of the free end and the stationary end of the measuring rod. The loose bearings used are preferably bearings which have an almost friction-free bearing in the measuring direction, so that the measurement results are not falsified by the bearings. Preferably, the storage is provided with soft leaf springs, which ensure a reliable measurement with the least possible falsifications over a long period of time, in particular several years.

Des Weiteren ist es bevorzugt, dass der Messstab und der Wegsensor von einer Haube abgedeckt sind. Hierdurch werden Beschädigungen und/oder Beschmutzungen vermieden.Furthermore, it is preferred that the measuring rod and the displacement sensor are covered by a hood. As a result, damage and / or soiling can be avoided.

Die Erfindung kann z. B. an Bauwerks-, Strukturflächen oder Probekörpern angebracht werden und dort statisch und dynamisch sich verändernde z. B. Dehnungen messen. Sie wird insbesondere zur Überwachung von Bauwerken wie Brücken, belastet durch äußere Einwirkungen (z. B. Verkehrslasten), eingesetzt.The invention may, for. B. attached to structural, structural surfaces or specimens and there statically and dynamically changing z. B. Measure strains. It is used in particular for monitoring structures such as bridges loaded by external influences (eg traffic loads).

Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung von Strukturveränderungen über einen variablen Weg auch zur Messung an anderen Probenkörpern, beispielsweise im Labor, eingesetzt werden. Die Vorrichtung ist für jegliche Art von Wegmessung geeignet und nicht auf das vorstehend beschriebene Beispiel betreffend Bauwerke beschränkt.Furthermore, the device according to the invention for measuring structural changes via a variable path can also be used for measurement on other specimens, for example in the laboratory. The device is suitable for any kind of displacement measurement and is not limited to the above-described example concerning structures.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.The invention will be explained in more detail below with reference to a preferred embodiment.

Die Figur zeigt eine schematische Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.The figure shows a schematic side view of a preferred embodiment of the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bauwerksüberwachung weist einen Wegsensor 10 auf. Der Wegsensor 10 ist an einer Bauwerksfläche 12 ortsfest fixiert. Der Sensor 10 weist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein stabförmiges Messelement 14 auf. Das Messelement 14 ist in Richtung eines Pfeils 16 verschiebbar in einem Gehäuse 18 des Sensors gehalten. Der Sensor 10 detektiert somit eine Verschiebung des stabförmigen Messelements 14 in Richtung des Pfeils 16. Die Messdaten werden entweder in einem nicht dargestellten Zwischenspeicher gespeichert oder unmittelbar an eine Datenaufnahmeeinrichtung übertragen. Dies kann über ein Kabel 20, aber beispielsweise auch kabellos mit Hilfe eines Senders erfolgen.The device according to the invention for monitoring the structure has a displacement sensor 10 on. The displacement sensor 10 is on a building surface 12 fixed in place. The sensor 10 has a rod-shaped measuring element in the illustrated embodiment 14 on. The measuring element 14 is in the direction of an arrow 16 slidable in a housing 18 held the sensor. The sensor 10 thus detects a displacement of the rod-shaped measuring element 14 in the direction of the arrow 16 , The measurement data are either stored in a buffer, not shown, or transmitted directly to a data recording device. This can be done via a cable 20 , but also for example wirelessly with the help of a transmitter.

Des Weiteren weist die Vorrichtung einen Messstab (Verlängerungsstab) 22 auf, bei dem es sich vorzugsweise um ein stabförmiges Element aus einem Material mit möglichst geringer Temperaturausdehnung (z. B. Glasstab, kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff etc.) handelt. Der Messstab weist bevorzugt eine Länge von ca. zwei Metern auf. Der Messstab 22 ist an seinem vom Sensor 10 abgewandten Ende 24 mittels eines Fixierelements 26 an der Bauwerksfläche 12 fixiert. Das Ende 24 des Messstabes 22 kann somit gegenüber der Bauwerksfläche 12 nicht verschoben werden.Furthermore, the device has a measuring rod (extension rod) 22 which is preferably a rod-shaped element made of a material with the smallest possible thermal expansion (eg glass rod, carbon fiber reinforced plastic, etc.). The measuring rod preferably has a length of about two meters. The dipstick 22 is at his from the sensor 10 opposite end 24 by means of a fixing element 26 on the building surface 12 fixed. The end 24 of the measuring rod 22 can thus be compared to the building surface 12 not be moved.

Das gegenüberliegende dem Sensor 10 zugewandte Ende 28 des Messstabs 22 ist mit Hilfe eines Loslagers 30 und evtl. eines Zwischenlagers 30 (ebenfalls Loslager) mit der Bauwerksfläche 12 verbunden. Das Loslager 30 ermöglicht durch den Einsatz von weichen Blattfedern eine reibungs- bzw. zwangsfreie axiale Bewegung des Messstabs 22 ohne die radialen Querbewegungen dabei zu beeinträchtigen. Das Ende 28 des Messstabs 22 kann sich somit frei axial verschieben. Eine entsprechende Verschiebung (= Wegänderung zwischen den Festpunkten 10 und 26) erfolgt beispielsweise beim Überfahren einer Brücke durch einen LKW, wenn aufgrund der Lasteinwirkung eine Dehnung an der überwachten Bauwerksstruktur erfolgt.The opposite to the sensor 10 facing the end 28 of the dipstick 22 is with the help of a floating bearing 30 and possibly an intermediate storage 30 (also floating bearing) with the building area 12 connected. The floating bearing 30 allows the use of soft leaf springs a frictionless or force-free axial movement of the dipstick 22 without affecting the radial transverse movements thereby. The end 28 of the dipstick 22 can thus move freely axially. A corresponding shift (= path change between the fixed points 10 and 26 ) takes place, for example, when driving over a bridge by a truck, when due to the load effect is an expansion of the monitored structure structure.

Das freie Ende 28 des Messstabs 22 berührt das stabförmige Messelement 14 bzw. die Enden des Messstabs 22 und des stabförmigen Messelements 14 liegen aneinander an.The free end 28 of the dipstick 22 touches the rod-shaped measuring element 14 or the ends of the dipstick 22 and the rod-shaped measuring element 14 lie against each other.

Das die Messlänge, der durch den Wegsensors 10 überwachten Struktur, mit der o. g. Vorrichtung deutlich und flexibel, ohne Einschränkung der Eigenschaften des verwendeten Wegsensors, verlängert werden kann, stellt den erfindungswesentlichen Vorteil da.That's the gauge length, by the displacement sensor 10 supervised structure, with the above device can be significantly and flexibly, without limiting the properties of the displacement sensor used, can be extended, provides the invention essential advantage there.

Claims (10)

Vorrichtung zur Messung von Strukturveränderungen wie z. B. Dehnungen an z. B. Bauwerken wie Brücken, mit einem an einer Struktur- insbesondere Bauwerksfläche (12) ortsfest befestigbaren Wegsensor (10), einem an der Bauwerksfläche (12) befestigbaren Messstab (22), dessen vom Wegsensor (10) entferntes Ende (24) an der Bauwerksfläche (12) ortsfest befestigbar ist, und einem zwischen dem entfernten Ende (24) des Messstabs (22) und dem Wegsensor (10) zugewandten Ende (28) des Messstabes (22) angeordneten, eine Längsbewegung des Messstabes (22) ermöglichenden reibungsfreien Loslager (30) zum Halten des Messstabes (22), vorzugsweise mit weichen Blattfedern ausgebildet.Device for measuring structural changes such. B. strains on z. B. Structures such as bridges, with a structure on a particular building surface ( 12 ) fixed mountable displacement sensor ( 10 ), one on the building surface ( 12 ) attachable dipstick ( 22 ), of which the distance sensor ( 10 ) remote end ( 24 ) on the building surface ( 12 ) is fixable in a fixed position, and one between the distal end ( 24 ) of the dipstick ( 22 ) and the displacement sensor ( 10 ) facing end ( 28 ) of the measuring rod ( 22 ), a longitudinal movement of the measuring rod ( 22 ) enabling frictionless floating bearings ( 30 ) for holding the measuring rod ( 22 ), preferably formed with soft leaf springs. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zur Wegmessung vorgesehenes Messelement (14) des Wegsensors (10) mit dem zugewandten Ende (28) des Messstabes (22) in Kontakt ist oder mit diesem verbunden ist.Device according to claim 1, characterized in that a measuring element ( 14 ) of the displacement sensor ( 10 ) with the end facing ( 28 ) of the measuring rod ( 22 ) is in contact with or connected to this. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messelement (14) stabförmig ausgebildet ist und/oder in einem Sensorgehäuse (18) verschiebbar gehalten ist.Device according to claim 2, characterized in that the measuring element ( 14 ) is rod-shaped and / or in a sensor housing ( 18 ) is held displaceably. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das vorzugsweise stabförmige Messelement (14) und der Messstab (22) zueinander koaxial angeordnet sind.Apparatus according to claim 2 or 3, characterized in that the preferably rod-shaped measuring element ( 14 ) and the dipstick ( 22 ) are arranged coaxially with each other. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab (22) aus Material mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus Glas oder kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff hergestellt ist.Device according to one of claims 1-4, characterized in that the measuring rod ( 22 ) is made of material with a low coefficient of thermal expansion, in particular of glass or carbon fiber reinforced plastic. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab (22) eine flexible Länge, vorzugsweise mindestens 1,0 m und besonders bevorzugt 2 m aufweist.Device according to one of claims 1-5, characterized in that the measuring rod ( 22 ) has a flexible length, preferably at least 1.0 m and more preferably 2 m. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Loslager (30) und dem entfernten Ende (24) des Messstabes (22) mindestens ein weiteres Loslager angeordnet ist, sofern die Messstablänge größer als 1 m ist.Device according to one of claims 1-6, characterized in that between the movable bearing ( 30 ) and the far end ( 24 ) of the measuring rod ( 22 ) is arranged at least one further floating bearing, provided that the Meßstablänge is greater than 1 m. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass das Loslager (30) und evt. Zwischenlager (30), beide vorzugsweise mit weichen Blattfedern ausgeführt, die eine reibungs- bzw. zwangsfreie axiale Bewegung des Messstabs ermöglichen, ausgebildet sind.Device according to one of claims 1-7, characterized in that the floating bearing ( 30 ) and possibly interim storage ( 30 ), both preferably made with soft leaf springs, which allow a frictionless or force-free axial movement of the measuring rod, are formed. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstab (22) und/oder der Wegsensor (10) von einer Haube abgedeckt sind.Device according to one of claims 1-8, characterized in that the measuring rod ( 22 ) and / or the displacement sensor ( 10 ) are covered by a hood. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wegsensor (22) mit einer Datenaufnahmeeinrichtung mit Kabel oder kabellos verbunden ist.Device according to one of claims 1-9, characterized in that the displacement sensor ( 22 ) is connected to a data recording device with cable or wirelessly.
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