DE3215100A1

DE3215100A1 - Messeinrichtung zur erfassung mehrachsiger dehnungs- oder druckzustaende

Info

Publication number: DE3215100A1
Application number: DE19823215100
Authority: DE
Inventors: Werner Dr. 8551 Hemhofen Laumann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1982-04-23
Filing date: 1982-04-23
Publication date: 1983-11-03
Also published as: DE3215100C2

Description

Meßeinrichtung zur Erfassung mehrachsiger Dehnungs-
oder Druckzustände Die Erfindung bezieht sich auf eine Meßeinrichtung zur Erfassung mehrachsiger Dehnungs- oder Druckzustände eines insbesondere auf Tieftemperatur gekühlsten Bauteils, die mindestens eine dreiteilige Dehnungsmeßstreifen-Rosette enthält Dehnungsmeßstreifen dienen insbesondere bei Meßaufgaben zur Analyse von Dehnungs- und Spannungszuständen als sogenannte Meßwertaufnehmer. Einzelheiten der Meßtechnik mit Dehnungsmeßstreifen sind beispielsweise in der Zeitschrift "Messen und Prüfen/ Automatik", Jahrgang 1975, Seiten 183 bis 188, 258 bis 264, 337 bis 343 und 348, 459 bis 462, 513 bis 520, 567 bis 576 sowie Jahrgang 1976, Seiten 120 bis 128, 195 bis 201, 352 bis 357, 429 bis 431 und 488 bis 495 näher beschrieben. Um mehrachsige Dehnungszustände erfassen zu können, werden insbesondere sogenannte Dehnungsmeßstreifen- Rosetten vorgesehen (vgl. insbesondere die genannte Zeitschrift, Mai 1975, Seite 185). Hierbei handelt es sich um etwa kreisscheibenförmige Meßwertaufnehmer, die in ihren drei gleichgroßen Kreissektoren jeweils einen Dehnungsmeßstreifen enthalten.
Derartige dreiteilige Dehnungsmeßstreifen-Rosetten werden insbesondere auch für Bauteile vorgesehen, die auf Ti>.ftemperatur gekühlt sind (vgl. die genannte Zeitschrift, Jahrgang 1975, Seite 171). Hierzu wird zur Erfassung mehrachsiger Spannungszustände im allgemeinen die Dehnungsmeßstreifen-Rosette direkt auf das zu untersuchende Bauteil aufgebracht, insbesondere aufgeklebt.
Bei dieser Vorgehensweise treten Jedoch Schwierigkeiten auf. So erfordert insbesondere bei unter mechanischem Druck warm auszuhärtenden Klebern das Aufbringen direkt auf dem zu untersuchenden Bauteil einen verhältnismäßig großen Aufwand. Außerdem muß die vorgesehene Meßstelle entsprechend vorbereitet sein. Ferner muß die bei Betriebslast aufzunehmende Dehnung einen Mindestwert aufweisen, welcher durch die maximal mögliche elektrische Verstärkung der zu einer Meßkette geschalteten Dehnungsmeßstreifen der Rosette bestimmt wird. Hierbei kann eine für die elektrische Signalerfassung zu schwache Dehnung nicht registriert werden. Darüber hinaus ist eine Vorprüfung der Funktionsfähigkeit des Meßwertaufnehmers insbesondere bei großen Apparaturen, die auf Tieftemperatur zu kühlen sind, kaum möglich; d.h.
redundante Meßeinrichtungen werden gegebenenfalls erforderlich. Daneben sind vielfach die Wände großer Apparaturen nur von außen zugänglich, so daß aufgrund der direkten Anbringung der Meßwertaufnehmer auf nur einer Wandseite eine Biegekompensation nicht möglich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die bekannte Meßeinrichtung so auszugestalten, daß mit ihr mehrachsige Dehnungs- bzw. Spannungszustände auch an großen, nicht vorprüfbaren Apparaturen, die im Tieftemperaturbereich arbeiten, erfaßt werden konnen.
Die genannten Schwierigkeiten sollen dabei zumindest weitgehend ausgeräumt sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgem§ß dadurch gelöst, daß ein als scheibenförmiger Dehntransformator ausgebildetes Trägerelement vorgesehen ist, das an seinem Außenrand mit dem zu untersuchenden Bauteil kraft schlüssig zu verbinden ist und das einen als Membran vorbestimmter Dicke ausgebildeten, kreisförmigen zentralen Bereich aufweist, auf dem beidseitig Je eine Dehnungsmeßstreifen-Rosette aufgebracht ist und der nach außen hin in einen ringscheibenförmigen, weitgehend biege- und längsstreifen Bereich übergeht, dessen mittlere Dicke mindestens 10 mal größer als die mittlere Dicke des zentralen Membranbereiches ist und der durch mindestens sechs radial verlaufende Schlitze unterteilt ist.
Die mit dieser Ausgestaltung der Meßeinrichtung verbundenen Vorteile znnd insbesondere darin zu sehen, daß das mit den Dehnungsstreifen-Rosetten bestückte Trägerelement in Jedem Fall als Einzelbauteil vorliegt und man deshalb die Funktionsfähigkeit des mehrachsigen Dehnungsgebers vorab überprüfen kann.
Dies ist besonders für den Tieftemperatureinsatz von Bedeutung. Da das Trägerelement als Dehntransformator ausgebildet ist, lassen sich mit ihm mehrachsige Dehnungszustände erfassen, wobei gegenüber einem Meßwertaufnehmer mit direkt aufgeklebter Dehnungsstreifen-Rosette ein mechanisch verstärktes Signal erhalten wird. Der Verstärkungsfaktor ist dabei nur von der Geometrie des Trägerelementes abhängig und somit weitgehend störungsunabhängig.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Meßeinrichtung nach der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 und 2 ein axialer Schnitt bzw eine Aufsicht auf eine Meßeinrichtung nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.
Die in den Fig. 1 und 2 gezeigte, allgemein mit 2 bezeichnete Meßeinrichtung läßt sich insbesondere zur Erfassung ebener Spannungszustände an einer ausgewählten Stelle des Gehäuses 3 eines supraleitenden Magneten einsetzen, wie er beispielsweise für das sogenannte Large-Coil-Tåsk (LCT)-Projekt zur Entwicklung eines Fusionsreaktors mit toroidalem Magnetfeld vorgesehen ist (vgl.z.B. Kerntechnik, 20. Jahrgang, 1978, Nr. 6, Seiten 274 bis 281). Das Gehäuse dieses Magneten befindet sich im Betriebsfalle auf Tiefsttemperatur von z.B. 4,2 K. Die Meßeinrichtung 2 enthält ein im wesentlichen scheibenförmig ausgebildetes Trägerelement 4, das z.B. aus Chrom-Nickel-Stahl oder Messing besteht. Vorteilhaft ist das Trägerelement 4 aus dem Material des zu untersuchenden Bauteils 3 gefertigt, um so größere Dehnungsunterschiede bei der Abkühlung auf die Betriebstemperatur des Gehäuses zu vermeiden. Dieses Trägerelement 4 ist in seinem kreisförmigen, zentralen Bereich 5 des Radius' r tailliert gestaltet. D.h., dieser Bereich hat eine mittlere Dicke d, die wesentlich geringer als die mittlere Dicke D eines ihn umschließenden ,ringscheibenförmigen Bereiches 6 des Trägerelementes 4 ist. Vorteilhaft ist die Dicke d des zentralen Bereiches 5 des Trägerelementes mindestens 10 mal, beispielsweise etwa 50 mal kleiner als die Dicke D des ringscheibenförmigen Bereiches 6. Die Dicke d liegt dabei aus mechanischen Gründen im allgemeinen zwischen 0,5 und 2 mm. Der zentrale Bereich 5 des Trägerelementes stellt somit eine Membran des Trägerelementes 4 dar. Auf den beiden Seiten dieser Membran ist 3e eine Dehnungsmeßstreifen-Rosette 7 bzw. 8 aufgebracht, insbesondere in bekannter Weise aufgekl~bt. Bei diesen Dehnungsmeßstreiven-Rosetten handelt es sich um bekannte Ausführungsformen (vgl. z.B. "Messen und Prüfen/Automatik", Jahrgang 1975, Seite 326).
Wie aus der Aufsicht der Fig. 2 auf die die Dehnungsmeßstreifen-Rosette 8 enthaltende Seite des Trägerelementes 4 hervorgeht, ist der ringscheibenförmige Bereich 6 des Trägerelementes durch radial verlaufende Schlitze 10 bis 15 in sechs gleiche Kreisringscheibensegmente unterteilt. Das Trägerelement 4 wird somit nur durch seinen Membranbereich 5 zusammengehalten. Die Dehnun^me3streifen-Rosetten 8 bzw. 7 sind dabei auf dem zentralen Membranbereich 5 so ausgerichtet, daß die drei Hauptwirkungsrichtungen ihrer drei Dehnungsmeßstreifen 17 bis 19 ungestört bleiben. Gemäß dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel liegt dabei jeder der drei Dehnungsmeßstreifen 17 bis 19 der Rosette 8 in einem zwischen zwei der Radialschlitze 10 bis 15 befindlichen Kreissgtr. Hierdurch fällt die Wirkrichtung des Dehnungsmeßstreifens mit der Symmetrieachse von zwei sich gegenüberliegenden Kreissektoren, z.B. den Kreissektoren zwischen den Radialschlitzen 10 und 11 bzw. 13 und 14 für den Dehnungsmeßstreifen 17, zusammen.
Die heßeinrichtung 2 ist an ihrem Außenrand kraftschlüssig mit dem zu untersuchenden Teil des Gehäuses 3 zu verbinden, so daß die Dehnung dieses Gehäuseteils auf die Dehnungsmeßstreifen-Rosetten 7 und 8 übertragen wird. Hierzu ist gemäß der Darstellung nach Fig. 1 der Außenrand des Trägerelementes 4 zumindest auf der dem zu untersuchenden Gehäuseteil 3 zugewandten Seite derart hohlzylinderförmig gestaltet, daß er gegenüber der entsprechenden Flachseite des ringscheibenförmigen Bereiches 6 als ringförmiger Tel 21 etwas hervorsteht. An dem zu untersuchenden Teil des Gehäuses 3 ist ebenfalls ein Ring 23 starr angebracht, beispielsweise angeschweißt, dessen Außenradius R so gewählt ist, daß das Trägerelement 4 an seinem überstehenden Randteil 21 kraftschlüssig um diesen Ring 23 angeordnet werden kann. Um eine notwendige, spielfreie Montage der Meßeinrichtung zu gewährleisten, und hierbei eventuell vorhandenes Spiel unbekannter Größe, das das Meßsignal verfälschen würde, zu vermeiden, kann das Trägerelement 4 z.B. thermisch auf diesen Aufnahmering 23 aufgeschrumpft werden. Der Außenradius R des Ringes 23 kann daneben vorteilhaft geringfügig größer gewählt werden, als der entsprechende Innenradius des Rardteiles 21 des Trägerelementes 4 im unmontierten Zustand. Das Übermaß des Radius R beträgt dabei zweckmäßig etwa 5 bis 20 0. Dann läßt sich das Trägerelement unter leichter Durchwölbung seines Membranbereiches 5 über den Aufnahmering 23 schieben. Um Jedoch diese Durchwölbung wieder aufzuheben, ist zwischen dem Trägerelement 4 und dem Aufnahmering 23 eine ebene Einlegeplatte 25 mit einem Radius, der etwas kleiner als der Außenradius R des Aufnahmeringes 23 ist, vorgesehen. Wird dann das Trägerelement an den einzelnen Kreissektoren seines ringscheibenförmigen Bereiches 6 mittels Schrauben auf das auf Dehnung zu untersuchende Bauteil aufgeschraubt, so legt sich das Trägerelement 4 unter geringer radialer Dehnung plan an die Einlegescheibe 25 an. Die radiale Denung kann so bemessen werden, daß neben Zugdehnungen auch reine, d.h. biegemomentunabhängige Durckdehnungen gemessen werden können. In Fig. 1 sind nur zwei Schrauben 26 und 27 der sechs erfordnrlichen Schrauben ersichtlich, während in der Aufsicht nach Fig. 2 die Bohrungen 28 bis 33 in den einzelnen Kreissektoren dargestellt sind, durch welche die Schrauben hindurchzustecken sind.
Um eine Dehnungsbehinderung des zu untersuchenden Bereiches des Gehäuses 3 zu vermeiden, weist der Aufnahmering 23 ebenfalls Schlitze auf. Diese in den Figuren nicht ersichtlichen Schlitze sind so angebracht, daß sie mit den Schlitzen 10 bis 15 des Trägerelementes 4 zur Deckung zu bringen sind.
Die Dehnung des von dem Aufnahmering 23 umfaßten Bereiches des Gehäuses 3 läßt sich so auf das Trägerelement 4 der Meßeinrichtung 2 übertragen. Das Trägerelement enthält aufgrund der angedeuteten taillierten Formgebung eine geschwächte Steifigkeit in seinem Membranbereich 5, während der ihn umgebende kreisringförmige Bereich 6 eine verhältnismäßig hohe Biege- und Längssteifig1!it in radialer Richtung aufweist. Eine auftretende Dehnung im Bereich des Ringes 23 wird dann fast ausschließlich auf diesen geschwächten Membranbereich übertragen. Dies bedeutet, daß das Meßsignal im Verhältnis des Außenradius R des Aufnahmeringes 23 zu dem Radius r des zentralen Membranbereiches 5 mechanisch transformiert wird.
Das in dem Membranbereich taillierte Trägerelement kann deshalb als mechanischer Dehntransformator angesehen werden. Das Schlitzen des kreisringscheiben- förmigen Bereiches 6 des Trägerelementes 4 und das entsprechende Schlitzen des Aufnahmeringes 23 gewährleisten dabei, daß eine Behinderung der Dehnung des zu untersuchenden Bereiches des Gehäuses 3 praktisch ausgeschlossen ist.
Da das mit den Dehnungsmeßstreifen-Rosetten 7 und 8 bestückte Trägerelement 4 in jedem Fall als Einzelbauteil vorliegt, kann man die Funktionsfähigkeit der mehrachsigen Meßeinrichtung 2 vorab überprüfen.
Dies ist insbesondere für den Tieftemperatureinsatz von Vorteil. Zur Erleichterung dieser Vorprüfung steht der Randbereich des Trägerelementes 4 auch auf der dem Aufnahmering 23 gegenüberliegenden Seite hervor und ist als konischer Aufnahmering 35 ausgestaltet, welcher bei einem entsprechenden, konisch ausgebildeten Gegenstück eine Vorprüfung der Meßeinrichtung ermöglicht.
Neben der beschriebenen Funktionsweise der Meßeinrichtung nach der Erfindung zur Erfassung von Dehnungszuständen lassen sich mit ihr ebenso auch Spannungszustände ermitteln. Hierzu kann z.B. eine entsprechende Meßeinrichtung innerhalb eines mit dem zu untersuchenden Bauteil starr verbundenen Aufnahmeringes angeordnet werden. Die Erfassung von Spannungszuständen ist auch mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung möglich, indem man eine ausreichend vorgedehnte Meßeinrichtung auf den Aufnahmering aufsetzt. Die Vordehnung kann dabei auf thermischem Wege erfolgen.
8 Patentansprüche 2 Figuren

Claims

Patentanspitche (¼Ä)Meßeinrichtung zur Erfassung mehrachsiger Dehnungs-oder Druckzustände eines insbesondere auf Tieftemperatur gektihlten Bauteils, die mindestens eine dreiteilige Deungsmeßstreifen-Rosette en+9t, d a -d u r c h g e k e n n z e 4 c h n e t , daß ein als scheibenförmiger Dehntransformator ausgebildetes Trägerelement (4) vorgesehen ist, das an seinem Außenrand (21) mit dem zu untersuchenden Bauteil (3) kraftschlUssig zu verbinden ist und das einen als Membran vorbestimmter Dicke (d) ausgebildeten, kreisförmigen zentralen Bereich (5) aufweist, auf dem beidseitig je eine Dehnungsmeßstreifen-Rosette (7 bzw. 8) sufgebracht ist und der nach außen hin in einen ringscheibenförmigen, weitgehend biege- und Längsßtreifen Bereich (6) übergeht, dessen mittlere Dicke (D) mindestens 10 mal größer als die mittlere Dicke (d) des zentralen Membranbereiches (5) ist und der durch mindestens sechs radial verlaufende Schlitze (10 bis 15) unterteilt ist.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägerelement (4) einen Uberstehenden ringförmigen Randteil (21) aufweist, an dem es kraftschiUssig um einen entsprechenden, an dem zu untersuchenden Bauteil starr angebrachten Aufnahmering (23) anzuordnen ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der ringförmige Randteil (21) des Trägerelementes (4) einen Innenradius hat, der ein geringes Untermaß bezüglich des Außenradius (R) des mit dem zu untersuchenden Bauteil (3) verbundenen Aufnahmeringes (23) aufweist.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, g e k e n n -z e i c h n e t durch ein Untermaß des Innendurchmessers des ringförmigen Randteils (21) des Trägerelementes (4) zwischen 0,5 und 20 go.
5. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t , daß das Trägerelement (4) an seinen durch die Schlitze (10 bis 15) ausgebildeten Kreisringsegmenten des kreisringförmigen Bereiches (6) mit dem zu untersuchenden Bauteil (3) zu verschrauben ist.
6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zwischen dem Trägerelement (4) und dem Aufnahmering (23) eine ebene, kreisscheibenförmige Platte (25) angeordnet ist.
7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Trägerelement (4) auf den Aufnahmering (23) aufzuschrumpfen ist.
8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, K e k e n n z e i c h n e t durch einen Aufnahmering (23), der den Schlitzen (10 bis 15) des ringscheibenförmigen Bereiches (6) des Trägerelementes (4) entsprechend geschlitzt ist.