DE2607513B1 - Automatische mess- und ueberwachungseinrichtung fuer die praezise ermittlung relativer hoehenunterschiede verschiedener messpunkte - Google Patents

Description

• M e i ß n e r der VEB-Freiberger-Präzisionsmechanik, die alle nach dem gleichen Prinzip aufgebaut sind, wird als Meßflüssigkeit Wasser verwendet, wobei bei einem neueren Modell der Schlauchwaage nach Dr. M e i ß n e r die Berührung der Wasseroberfläche durch die Meßspitze über ein
• elektronisches System optisch angezeigt wird.
• (Freiburger Forschungshefte C 262 Geophysik 1971).
• b) Bei einem gleichartigen Verfahren (Escher-Wyss-Mitteilungen 1956 September-Dezember S. 31, 32) wird als Meßflüssigkeit Quecksilber verwendet, wobei auch hier die Berührung der Oberfläche durch die Meßspitze elektrisch angezeigt wird.
• c) Bei dem in der UdSSR entwickelten System SGN-27 D (Vermessungstechnik 1973, Heft 6, VEB-Verlag für Bauwesen, Berlin) drückt eine auf der Welle eines Elektromotors befindliche Nocke die Abtastspitze allmählich nach unten, wobei über ein Getriebe eine mit radialen Schlitzen versehene Codescheibe bewegt wird. Diese Codescheibe wird von einer Seite beleuchtet; auf der Gegenseite treffen die durch die Schlitze gehenden Lichtstrahlen auf eine Photodiode, die die so entstehenden Impulse zur Zählung weitergibt. Die Summe der Impulse entsprechen einer bestimmten Höhendifferenz.
• 2. Anzeige der Höhenanderung des Flüssigkeitsspiegels: a) Bei dem sogenannten »Niveaumesser« der Firma Dr. H. Boeckels sind in den Standgefäßen des mit Quecksilber gefüllten Systems eine Reihe verschieden langer Kontaktstifte angebracht Über eine elektrische Einrichtung können die Anzahl der Kontaktstifte, die in das Quecksilber tauchen und damit elektrischen Kontakt geben, angezeigt und damit die Höhendifferenzen ermittelt werden. (H.
• B ö c k e I s, Senkungsmesser, Verm. Techn. Rundschau 1966).
• b) Nach einem System der Firma Siemens (deutsche Patentschrift 14 48 708) erfolgt die Ermittlung der Höhenänderung über einen Meßgeber, der durch einen Schwimmer auf der Flüssigkeitsoberfläche betätigt wird. Die elektrische Ausgangsgröße des Meßgebers kann in einen analogen Wert der Höhendifferenz umgewandelt werden.
• Die sonstigen bekannten Meßvorrichtungen nach dem Prinzip der Schlauchwaage können hier in der Betrachtung ausscheiden, da sie entweder die erforderliche Genauigkeit nicht erreichen oder eine so komplizierte Konstruktion aufweisen, daß eine sinnvolle praktische Arbeit nicht möglich ist Aber auch die oben beschriebenen bekannten Meßgeräte weisen eine Reihe von Nachteilen auf: Die Mikrometereinrichtung der Geräte nach Ziffer I) a+b müssen von Hand bedient und manuell abgelesen werden. Bei ungünstigen Beleuchtungs- und Platzverhältnissen ist dies meist nicht einfach und hängt sehr von der Sorgfalt des Beobachters ab. Eine ausreichende Meßgenauigkeit läßt sich deshalb nicht in allen Fällen erzielen. Für Vermessungen in Kernkraftwerken ist zudem wegen der radioaktiven Strahlung ein Einsatz von manuell zu bedienenden Meßgeräten zum Teil nicht möglich. Hier kommen nur Geräte mit der Möglichkeit zur Fernsteuerung und Fernübertragung der Meßwerte in Betracht Die mit Quecksilber gefüllten Systeme scheiden wegen ihres Gewichtes und der Problematik dieses Materials für bewegliche Meßsysteme ohnehin aus.
• Zudem sind hier im Hinblick auf die benötigte Menge und den hohen Preis für Quecksilber erhebliche zusätzliche finanzielle Aufwendungen nötig. Für das dieser Erfindung zugrunde liegende Schlauchwaagensystem kann dagegen normales Wasser verwendet werden.
• Bei dem System SGN-27 D der UdSSR sind zur Erzeugung der Impulse mehrere mechanische Vorgänge zwischengeschaltet, die zwangsläufig eine gewisse Ungenauigkeit mit sich bringen. Auch der hier verwendete normale Elektromotor hat wegen eines nicht zu vermeidenden Nachlaufes den Nachteil, daß ein präzises Festhalten der Stellung der Meßspitze bei Berührung der Flüssigkeitsoberfläche nicht möglich ist Bei dem Gerät der Firma Dr. Böckels ist zudem die Anzeigegenauigkeit von der Anzahl der verwendeten Kontaktstifte abhängig. Bei dem in der Praxis notwendigen Meßbereich und der erforderlichen Genauigkeit wurden eine Vielzahl (ca. 100) von Kontaktstiften benötigt Wegen der damit verbundenen Probleme scheidet dieses Gerät für die eingangs erwähnten Messungen aus.
• Auch den Systemen mit schwimmergesteuerten Meßwertgebern ist diese Erfindung überlegen, da sich in der Praxis gezeigt hat, daß die mit den Schwimmern verbundenen Anker der Meßwertgeber nicht reibungsfrei in den Spulen geführt werden können und damit häufig unrichtige Ergebnisse entstehen. Auch Kondenswasser auf den Schwimmkörpern kann die Meßwerte verfälschen Ferner kann die Oberflächenspannung des Wassers die Eintauchtiefe des Schwimmers beeinflussen.
• Bei keiner der bisher verwendeten Vorrichtungen kann die Funktion des Gerätes während der Messung überprüft werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin eine Einrichtung anzugeben bei der durch eine mehrfache Meßwertermittlung bzw. -übertragung, aus weitgehend getrennten Verfahren, die Richtigkeit der Ergebnisse laufend überprüft werden können.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst, die hinsichtlich der Anzeige bzw. Ablesung der Höhendifferenz zwei automatisch arbeitende Systeme vorsieht, wobei eine zusätzliche Kontrollmöglichkeit zur Überprüfung der Funktion beider Anzeigesysteme vorgesehen ist Die Abtastung der Flüssigkeitsoberfläche erfolgt durch eine Meßspitze, die mechanisch direkt mit dem Anker eines Weggebers verbunden ist Die Meßspitze wird mittels eines Schrittmotors über eine Mikrometerschraube bis zum Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche angetrieben. Dieser Kontakt wird durch eine entsprechende elektronische Schaltung festgestellt, über die dann automatisch die Stromzufuhr zum Motor unterbrochen wird Durch die Verwendung eines Schrittmotors ist gewährleistet, daß die Stellung des Antriebs bei Abschaltung des Motors erhalten bleibt Die beiden Systeme zur Anzeige bzw. Ablesung stellen sich wie folgt dar: a) Die elektrischen Ausgangsgrößen des Weggebers bei zwei verschiedenen Stellungen der Meßspitzen entsprechen einer analogen Höhendifferenz. Die vom Meßwertgeber gelieferten elektronischen Größen können über ein Anzeigegerät oder über einen Schreiber ausgegeben werden.
• b) Die Impulse des Schrittmotors von einer festgelegten Nullstellung bis zur Berührung der Flüssigkeitsoberfläche werden elektronisch gezählt, die Differenz der Impulse von zwei verschiedenen Stellungen der Meßspitze ergibt über die bekannte lmpulsgröße ein direktes Maß für die Höhendifferenz dieser beiden Stellungen. Die Ausgabe kann über eine Digitalanzeige, über einen Schreiber oder über einen Drucker erfolgen.
• Nach Anzeige bzw. Ablesung wird die Meßspitze durch eine elektronische Steuerung über den Schrittmotor automatisch in Nullstellung zurückgeführt Der gesamte zeitliche Ablauf des Meßvorganges und der Intervallabstand der einzelnen Messungen wird ebenfalls vollautomatisch durch eine entsprechende elektronische Schaltung gesteuert Bei beiden Systemen kann durch eine Differenzschaltung auch die direkte Höhendifferenz von 2 verschiedenen Meßstellen ausgegeben werden. Bei mehreren Meßstellen können diese auch nacheinander über eine abfragende Umschalteinrichtung an eine gemeinsame Anzeige- oder Schreibvorrichtung angeschlossen werden.
• Durch Kühlung der Meßstellen und des Schlauches über ein Doppelmantelsystem können auch Messungen bei erheblichen Temperaturdifferenzen an den verschiedenen Meßstellen erfolgen.
• Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind darin zu sehen, daß mit dieser Meßvorrichtung die relativen Höhendifferenzen zweier oder mehrerer Punkte mit großer Genauigkeit und geringem Zeitaufwand auch an während des Betriebes nicht zugänglichen Stellen einmalig oder als Dauerüberwachung automatisch zu ermitteln sind, wobei die Ergebnisse wahlweise an Anzeigegeräten abgelesen oder durch Schreiber bzw.
• Drucker aufgezeichnet werden können. Bei gleichzeitiger Anwendung beider Anzeige- bzw. Ablesungssysteme ist neben einer unabhängigen Kontrollmöglichkeit auch gewährleistet, daß selbst beim Ausfall eines Systems immer noch eine Messung möglich ist Darüber hinaus ist durch den Einsatz der vor Ort ablesbaren Mikrometerschrauben eine zusätzliche genaue Funktionskontrolle möglich.
• Durch die zwangsläufige Abhängigkeit der beiden Meßwertgebersysteme von der Stellung der Meßspitze ist eine Beeinflussung der Meßgenauigkeit durch Reibung, Spiel od. dgl. unmöglich.
• Mit der Darstellung eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im folgenden näher erläutert: F i g. 1 stellt im einzelnen die Ausbildung des wegabhängigen Gebersystems dar, F i g. 2 zeigt die zugehörige elektrische Schaltung des analogen Meßgebersystems, F i g. 3 zeigt den Funktionsplan für die elektronische Steuerung des motorisch bewegten Meßsystems.
• Bei dem in F i g. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Meßsystem in einem verschließbaren Montagegehäuse 1 untergebracht Die Abtastung der Flüssigkeitsoberfläche 6 des Schlauchwaagensystems erfolgt mit Hilfe der Meßspitze 2, die durch einen Schrittmotor 5 über eine, mit diesem direkt gekuppelte Mikrometerschraube 4 bis zum Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche 6 bewegt wird.
• Die mechanische Kupplung des analogen elektrischen Weggebers 3 erfolgt durch die Verbindungsplatte 7. Die Konsole 8 dient der Höhenfixierung der unbewegten Teile des Abtastsystems 5 und 4 sowie des Weggebers 3.
• Die Libelle 9 wird zur Horizontierung des Gebersystems vor Ort benötigt In Fig.2 sind schematisch zwei Meßgeber gemäß F i g. 1 zur Ermittlung der Höhendifferenz in einem Schlauchwaagensystem dargestellt Die Funktion der beiden Anzeige- bzw. Ablesesysteme (a+b) stellt sich wie folgt dar: Beim System a) wird die Höhenlage der durch einen Schrittmotor 5 bewegten Meßspitze 2 beim Kontakt mit der Flüssigkeitsoberfläche 6 über einen Weggeber 3 in Verbindung mit dem zugehörigen Meßverstärker 10 in einen der Höhenlage proportionalen Strom umgewandelt In der Meßschaltung 11 wird dann die Höhendifferenz zweier Meßgebersysteme gebildet und am Punktdrucker 12 aufgezeichnet Die Impulse des Taktgebers 14 zum Betrieb des Schrittmotors werden über einen Steuerbaustein 13, der in F i g. 3 näher beschrieben wird, durchgeschaltet Fig.3 zeigt den Funktionsplan der elektronischen Steuerung des motorisch bewegten Meßsystems gemäß F i g. 1 Ausgangsbasis ist das Meßstellenumschaltsystem in einem handelsüblichen Mehrfarbenpunktdrucker 15 sowie die Nullage der Meßspitze, die durch den Endlagenkontakt 17 fixiert ist Mit dem »Ein-Befehl« des Punktdruckers 15 über die Logikschaltung 19 werden im Steuerbaustein 20 die Impulse des Taktgebers 14 zur Ansteuerung des Schrittmotors in der gewünschten Drehrichtung freigegeben.
• Bei der Berührung der Meßspitze 2 mit der Flüssigkeitsoberfläche 6 wird die monostabile Kippstufe 18 ausgesteuert und die Bewegung der Meßspitze 2 über den Logikbaustein 19 unterbrochen. Ist der Meßwert durch den Punktdrucker 15 erfaßt, gibt dieser ein Rückmeldesignal ab, das den Speicher 16 setzt und den Rücklauf des Gebersystems durch Drehrichtungsumkehr bis zur Nullage veranlaßt Ist dieser Vorgang durch die Betätigung des Kontaktes 17 beendet, kann ein erneuter Meßvorgang eingeleitet werden.
• Beim System b) wird, wie in F i g. 3 dargestellt, die Höhenlage der Meßspitze 2 zum Flüssigkeitsspiegel 6 des Schlauchwaagensystems durch eine Zusatzeinrichtung auch binär erfaßt Dies erfolgt über eine Logikschaltung 21 so, daß mit dem »Ein-Befehl« aus Baustein 19 gleichzeitig eine Zähleinrichtung 22 angesteuert wird, die die Anzahl der bis zum Kontakt der Meßspitze 2 mit der Flüssigkeitsoberfläche 6 benötigten Impulse des Taktgebers 14 zählt und diese Summe nach Beendigung des Meßvorganges an eine binäre Anzeige oder Druckeinrichtung weitergeleitet.
• Da das Verhältnis Weg der Meßspitze pro Impuls genau bekannt ist, stellt diese Art der Meßwertermittlung nach b) das genauere Verfahren dar.
• An der Mikrometerschraube 4 können zusätzlich die einzelnen Meßergebnisse vor Ort überprüft werden.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Automatische Meß- und Überwachungseinrichtung für die präzise Ermittlung relativer Höhenunterschiede verschiedener Meßpunkte, vorzugsweise an Fundamenten von Turbinen und Reaktoren großer Kraftwerksblöcke sowie für die Ausrichtung großer Maschinenteile wie z. B. Turbinenwellen, welche als sogenannte Schlauchwaage ausgebildet ist, die mindestens zwei an verschiedenen Meßstellen angeordnete, mit einer Schlauchleitung verbundene Gefäße aufweist, bei der die Flüssigkeitsoberfläche jeden Gefäßes mit einer, durch einen Motor bewegten Meßspitze abgetastet und die Bewegung bei der Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche durch eine elektronische Steuereinrichtung unterbrochen wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) Die Bewegung der Meßspitze (2) eines jeden Meßsystems von der Nullage bis zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche (6) wird zur präzisen Erfassung der Null- und Endstellung durch einen Schrittmotor (5) gesteuert.

   b) Die Anzahl der benötigten Steuerimpulse für den Schrittmotor (5) von der Nullage der Meßspitze (2) bis zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche (6) eines jeden Meßsystems wird einer elektronischen Zähleinrichtung (22) zugeführt und in solcher Weise ausgedruckt oder angezeigt, daß die Anzahl der Steuerimpulse dem Weg der Meßspitze (2) entspricht.

   c) Die Meßspitze (2) ist mit dem Anker eines weg-elektrischen Wandlers (3) mechanisch verbunden, dessen analoge elektrische Ausgangsgröße dem Weg der Meßspitze (2) von der Nullage bis zur Berührung mit der Flüssigkeitsoberfläche (6) proportional und einer elektrischen Anzeige- oder Schreibvorrichtung zuführbar ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Meßwertgebern (3) der einzelnen Meßstellen abgegebenen Ausgangsgrößen bzw. die Impulse für die Steuerung der Schrittmotore (5) der einzelnen Meßstellen nach dem Kompensations- oder Differenzprinzip so einer gemeinsamen Anzeige- oder Aufschreibevorrichtung zugeführt werden, daß der angezeigte oder ausgedruckte Wert unmittelbar der Höhendifferenz der einzelnen Meßstellen entspricht, wobei bei mehreren Meßstellen diese der Reihe nach über eine automatische Umschalteinrichtung abgefragt werden können.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels elektronischer Schaltvorrichtungen (14 mit 22) der Ablauf der Messung vom Schaltbefehl »ein« bis zur Anzeige bzw.

   Aufzeichnung vollautomatisch erfolgt, einschließlich Rückführung der Meßspitze (2) in Nullstellung.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen mittels geeigneter Schaltvorrichtungen in einem einstellbaren Zeitabstand automatisch wiederholt werden.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb der Meßspitze (2) durch den Schrittmotor (5) über eine ablesbare Mikrometerschraube (4) als Kontroll- und Justiereinrich- tung des Meßsystems erfolgt.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkopf eines Punktschreibers mittels einer, von einem Schrittmotor angetriebenen Mikrometerspindel so im Skalenbereich bewegt wird, daß die Stellung des Druckkopfes direkt der Höhendifferenz zwischen Meßpunkt und Bezugspunkt entspricht und quasikontinuierlich als Kurvenzug registriert wird.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine automatische Meßeinrichtung für die präzise Ermittlung der relativen Höhenunterschiede verschiedener Meßpunkte gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Für die Bestimmung bzw. Überwachung der relativen Höhen von mehreren Meßpunkten werden derartige Meßeinrichtungen in vielen Bereichen der Geodäsie und Technik eingesetzt.

   Vorzugsweise kommt eine Anwendung zur Bestimmung und Überwachung der Höhen an Fundamenten von Turbinen und Reaktoren großer Kraftwerkseinheiten sowie für die Ausrichtung großer Maschinenteile z. B.

   von Turbinenwellen in Betracht.

   Sie ist als sogenannte Schlauchwaage ausgebildet, wobei das Flüssigkeitsniveau in den durch Schlauchleitungen verbundenen Gefäßen abgetastet wird und analoge oder binäre Meßgrößen, die der Höhendifferenz entsprechen, ausgegeben werden. Die Meßgröße kann durch Fernübertragung auch an einem anderen Ort abgelesen oder aufgezeichnet werden. Die Meßeinrichtung ist sowohl für den mobilen als auch für den stationären Einsatz geeignet.

   Für die genaue Bestimmung der Höhenunterschiede im Bereich großer Maschinenanlagen auf eine Genauigkeit von einigen 1/10 mm wurden bisher überwiegend handelsübliche Feinnivelliere verwendet. Dieses Verfahren ist jedoch während des Betriebes nur bedingt anwendbar, da sich die von den Maschinen ausgehenden Schwingungen auf die Instrumente übertragen können und damit die Funktion der Geräte oder zumindest die Möglichkeit einer genauen Ablesung beeinträchtigen.

   Ferner entstehen durch die in den Maschinenbereichen meist vorhandenen Luftbewegungen Refraktionen, die ebenfalls die Genauigkeit der Meßergebnisse erheblich beeinflussen. Zudem sind die Meßpunkte wegen der vorhandenen Anlagen oft schwer zugänglich, so daß keine Sichtverbindung zum Instrumentenstandort besteht.

   Eine Verbesserung brachte hier der Einsatz von Präzisionsschlauchwaagen, da die Meßflüssigkeit infolge ihrer Trägheit die Schwingungen nicht aufnimmt und das Problem der Refraktion hier nicht gegeben ist. In der Praxis wurden hier bisher im wesentlichen folgende Systeme verwendet: 1. Abtastung der Flüssigkeitsoberfläche mit einer Mikrometervorrichtung: a) Bei einer Reihe von Geräten wie die Schlauchwaagen nach v. Terzaghi, Takahasi und M a r t i n, Metron-Schlauchwaage 55 nach N i e mc z y k und die Schlauchwaage nach Dr.