DE2658324C2

DE2658324C2 - Verfahren zur Messung von statischen Betriebsbeanspruchungen an Bauteilen des schweren Maschinen- oder Apparatebaues

Info

Publication number: DE2658324C2
Application number: DE19762658324
Authority: DE
Inventors: Wolfgang 4330 Mülheim Böhm; Helmut Dr.-Ing. 4100 Duisburg Wolf
Original assignee: Kraftwerk Union AG
Current assignee: Kraftwerk Union AG
Priority date: 1976-12-22
Filing date: 1976-12-22
Publication date: 1982-05-27
Also published as: DE2658324A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von statischen Betriebsbeanspruchungen an Bauteilen des schweren Maschinen- oder Apparatebaues gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Bei einem derartigen bekannten Verfahren werden Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen eingesetzt, die an dem auszumessenden Bauteil angeschweißt werden. Sie bestehen aus einem äußeren Metallröhrchen mit Befestigungsflansch, einem aktiven Meßdraht und einem passiven Meßdraht, wobei die Meßdrähte untereinander und gegenüber dem Metallröhrchen isoliert sind. Die beiden in dem Metallröhrchen angeordneten Meßdrähte bilden dabei die Halbbrücke einer Wheatstoneschen Brückenschaltung, so daß bei einer lastfreien Erwärmung theoretisch kein Meßsignal auftreten dürfte. Versuche haben jedoch ergeben, daß Verspannungen infolge unterschiedlicher Temperatur-Koeffizienten bei einer Temperatur von 530⁰C lineare Dehnungsanzeigen von etwa -I- 6000 μπι/m hervorrufen. Um eine Kompensation dieser scheinbaren Dehnung zu erreichen, wird bei dem bekannten Verfahren in die Brückenschaltung ein Kompensationswiderstand eingeschaltet. Die Größe dieses Kompensationswiderstandes wird dabei rein rechnerisch bestimmt, wobei u. a. der Wäremausdehnungskoeffizient des Bauteilwerkstoffes zugrundegelegt wird. Diese rechnerische Vorherbestimmung führt jedoch insbesondere bei Temperaturen über 300⁰C noch nicht zu befriedigenden Ergebnissen.

Aus der Literatursielle Rohrbach »Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen«, 1967, Seiten 131 bis 134, ist es auch bereits bekannt, Dehnungsmeßstreifen auf das auszumessende Bauteil aufzukleben und zur Kompensation der scheinbaren Dehnung einen zweiten Meßstreifen, den sogenannten Kompensations-Meßstreifen zu verwenden. Diesen Kompensations-Meßstreifen, der die gleiche Temperaturabhängigkeit wie der aktive Meßstreifen besitzen soll, klebt man auf ein Stück gleichartiges Material, das stets die gleiche Temperatur hat, jedoch keine mechanische Dehnung erfährt Den aktiven Meßstreifen und den Kompensations-Meßstreifen legt man dann derart in benachbarte Zweige einer Wheatstoneschen Brücke, daß lediglich die mechanische Dehnung des aktiven Meßstreifens angezeigt wird. Genaue Meßergebnisse können bei einem derartigen Vorgehen jedoch ebenfalls nicht erzielt werden, da die Dehnungen des

ίο Bauteils über den Klebstoff übertragen werden und insbesondere bei hohen Temperaturen durch das sogenannte Kriechen des Klebstoffes erhebliche Verfälschungen auftreten können. Außerdem dürfte es durch herstellungsbedingte Unterschiede der Nennwiderstände kaum möglich sein, das Temperaturverhalten des Kompensations-Meßstreifens genau auf das Temperaturverhalten des aktiven Meßstreifens abzustimmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch eine genaue Vorherbestimmung des Kompensationswiderstandes einen Ausgleich der scheinbaren Dehnung zu erreichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs aufgeführten Merkmale gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wurde ein Weg gefunden, wie der Kompensationswiderstand vor dem Aufbringen der H albbrücken-Dehnungsmeßstreifen auf Jas auszumessende Bauteil experimentell genau bestimmt werden kann, was einer Kalibrierung der scheinbaren Dehnung gleichkommt. Die auch bei Temperaturen über 500⁰C erreichbare hohe Genauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dabei auf die gleichartige Befestigung des Halbbrücken-Dehnungs-

J5 meßstreifens auf dem Probekörper und auf dem auszumessenden Bauteil und insbesondere auch auf die Verwendung eines Probekörpers der gleichen Werkstoffcharge wie das auszumessende Bauteil zurückzuführen.

Zur näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die Zeichnung verwiesen, in der die Fig. la und Ib einen Längs- und einen Querschnitt durch einen Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen bekannter Bauart und F i g. 2 das Schaltbild der Dehnungsmeßstreifen-Gesamtschaltung in Form einer Wheatstoneschen Brücke zeigen.

Wie aus Fig. la und Ib zu ersehen ist, besteht der Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen aus einem äußeren Metallröhrchen 1 mit einem Befesrgungsflansch 2, der

so auf das Bauteil 3 bzw. den Probekörper aufgeschweißt wird. Im Innern des Metallröhrchens 1 ist der aktive Meßdraht 4 angeordnet, der als U-förmige, im Bereich der Dehnungsübertragung verjüngte Drahtschleife ausgebildet ist. Ferner ist ein passiver Meßdraht 5 in Form einer Wendel vorgesehen. Aktiver Meßdraht 4 und passiver Meßdraht 5 sind untereinander und gegenüber dem Metallröhrchen 1 beispielsweise durch hochkomprimiertes Magnesium-Oxydpulver 6 isoliert. Die Meßdrähte 4 und 5 bestehen üblicherweise aus einer Platin-Wolfram-Legierung und das Metailröhrchen 1 aus rostfreiem Stahl. An den Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen ist eine nicht näher dargestellte stahlummantelte Meßleitung angeschlossen. Dabei sind Verbindungsstelle und Meßleitung vollkommen gekapselt und daher weitgehend gegen Einflüsse von äußeren Medien geschützt.

Die im Metallröhrchen 1 eingebrachte Meßschleife 4 und Wendel 5 bilden die Halbbrücke einer Wheatstone-

sehen Brückenschaltung, wie das aus F i g. 2 zu ersehen ist.

Der im Hochtemperaturbereich 10 liegende Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen wird durch den linken Brückenzweig mit dem aktiven Meßdraht 4 als Widerstand R_a und dem passiven Meßdraht in Form der Wendel 5 als Widerstand R_p repräsentiert. Die Brückenabgleichwiderstände im rechten Zweig sind mit Rc bezeichnet Mit diesen Brückenwiderständen R₃, R_p und Rg allein dürfte bei der lastfreien Erwärmung am Meßgerät 12 kein Meßsignal auftreten, infolge unterschiedlicher Temperatur-Koeffizienten ergeben sich jedoch Verspannungen z. B. durch das Metallröhrchen und damit lineare Dehnungsanzeigen, die werkstoffspezifisch sind und sich von Fall zu Fall ändern.

Dabei ist es jedoch möglich, das Temperaturverhalten des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens durch Zuschalten eines Kompensationswiderstandes /?7~Caußerhalb der wärmebeeinflußten Zone 10 in den BrückenzweigdesHalbbrücken-Dehnungsmeßstreifenszubeein- flüssen. Ein etwa gleichgroßer Balance-Widerstand Rb, der keinen Einfluß auf die Messung hat, wird im gegenüberliegenden Brückenzweig zur Vermeidung größerer Unsymmetrie angeordnet. Die Größe des Kompensationswiderstandes RTC ist allein abhängig von der Differenz der Ausdehnungs-Koeffizienten von Dehnungsmeßstreifen und auszumessendem Bauteil bei lastfreier Dehnung. Das bedeutet, daß für jedes Bauteil der Kompensationswiderstand RTC neu bestimmt werden muß, was — schon aus diesem Grunde — nur 'u experimentell möglich ist.

Die Ermittlung des Kompensationswiderstandcs RTC erfolgt mittels eines Probekörpers, auf dem der zu eichende Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen befestigt wird. Voraussetzung ist dabei, daß Probenwerkstoff und Ji Bauteilwerkstoff aus der gleichen Charge sind. Dies ist unbedingt erforderlich, da die Ausdehnungs-Koeffizienten gleich bezeichneter Werkstoffe unterschiedlicher Chargen zi>m Teil größere Streuungen aufweisen können, als dies im allgemeinen angenommen wird. Eine weitere wesentliche Voraussetzung ist, daß beide Messungen, nämlich die auf dem Probekörper und die auf dem auszumessenden Bauteil, in gleicher Weise erfolgen und somit äußere Störeinflüsse weitgehend ausgeschaltet werden. Um dies zu erreichen, ist vorgesehen, daß der Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen auch auf den Probekörper aufgeschweißt wird, wodurch sich Temperaturgänge des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens ergeben, die bei dem Probekörper und bei dem auszumessenden Bauteil kaum voneinander abweichen.

Nach der beschriebenen Ermittlung des Kompensationswiderstandes RTC wird der Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen von dem Probekörper abgelöst und mit dem auszumessenden Bauteil 3 verschweißt. Die zu messenden statischen Betriebsbeanspruchungen können dann unter Zugrundelegung des zuvor am Probekörper bestimmten Kompensationswiderstandes RTCmw. hoher Genauigkeit ermittelt werden.

Beim Ablösen des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens vom Probekörper ist darauf zu achten, daß der Befestigungsflansch 2 nicht beschädigt wird. Derartige Beschädigungen können beispielsweise durch ein vorsichtiges Ablösen mit Hilfe von Skalpellklingen vermieden werden.

Der auf die vorstehend beschriebene Weise ermittelte und in die Meßbrücke eingeschaltete Kompensationswiderstand RTC verursacht allerdings eine Verminderung des Empfindlichkeitsfaktors des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens. Bei geeigneter Gestaltung des Probekörpers kann jedoch dieser Empfindlichkeitsfaktor ohne größere zusätzliche Schwierigkeiten gleichzeitig ,nit der Ermittlung des Kompensationswiderstanaes RTC überprüft werden. Da dieser Empfindlichkeitsfaktor jedoch auch von der Temperatur abhängig ist, kann wahrend der Bestimmung des Kompensationswiderstandes ftrC'gieichzeitigder Empfindlichkeitsfaktoi· als Funktion der Temperatur in einer gesonderten, nicht näher dargestellten Prüfvorrichtung mitbestimmt werden.

Bei dem beschriebenen Verfahren können darüber hinaus gleichzeitig weitere Einflüsse wie Drift, Hysterese oder Kriechen des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens ermittelt werden sowie gleichzeitig der Druckeinfluß, der bei de;· Untersuchung des auszumessenden Bauteils 3 eine große Rolle spielen kann Eine Hauptursache für diese erhöhte Druckabhängigkeit ist dabei in der wendelförmigen Anordnung des passiven Meßelementes 5 zu sehen.

Mit dem beschriebenen. Verfahren ist es also auf relativ einfache Weise und vor allem mit einer für die Reproduzierbarkeit der im Originalversuch zu ermittelnden Werte erforderlichen Genauigkeit möglich, für jeden Werkstoff die temperaturbeeinflußten Kenngrößen des jeweiligen Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens zu ermitteln.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Messung von statischen Betriebsbeanspruchungen an Bauteilen des schweren Maschinen- oder Apparatebaues mit Hilfe eines an dem auszumessenden Bauteil anschweißbaren Halbbrükken-Dehnungsmeßstreifens, dessen Widerstandsverlauf als Funktion der Temperatur durch einen in die zugehörige Brückenschaltung eingeschalteten K.ompensationswiderstand temperaturkompensiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß man
a) den Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen mit einem Probekörper der gleichen Werkstoffcharge wie das auszumessende Bauteil ablösbar verschweißt,

durch lastfreie Erwärmung des Probekörpers die für einen Ausgleich der scheinbaren Dehnung des Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifens erforderliche Größe des Kompensationswiderstandes bestimmt,

den abgelösten Halbbrücken-Dehnungsmeßstreifen mit dem auszumessenden Bauteil verschweißt und

die zu messenden statischen Betriebsbeanspruchungen unter Zugrundelegung des im Verfahrensschritt b) bestimmten Kompensationswiderstandes ermittelt.

b)