DE3524101A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen rberwachung des verschleisszustandes von materialien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kontinuier­ lichen Überwachung des Verschleißzustandes von Mate­ rialien, die einer mechanischen, thermischen und/oder chemischen Belastung ausgesetzt sind, bei dem in das zu überwachende Material mindestens eine Leitung einge­ bracht und aus der Änderung einer durch die Leitung transmittierten Meßgröße auf den Verschleißzustand ge­ schlossen wird. Das Verfahren ist insbesondere zur Über­ wachung des Verschleißzustandes von Feuerfestausmaue­ rungen, z. B. metallurgischer Gefäße, oder von Brems­ belägen von Fahrzeugen geeignet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht im wesentlichen aus einem in das zu überwachende Mate­ rial einbringbaren Leiter, durch den eine Meßgröße transmittierbar ist und einer Einrichtung zur Erfassung der Änderung der Meßgröße.

Bei Temperaturen über 1000°C unterliegen die Feuerfest­ ausmauerungen metallurgischer Gefäße, wie Konverter, Pfannen und dergleichen, gesteigertem Verschleiß. Eine kontinuierliche Kontrolle des Erreichens der noch zu vertretenden Wandstärke während des Betriebes hat so­ wohl wirtschaftliche als auch sicherheitstechnische Vorteile. Zu diesem Zweck ist ein Verfahren bekannt, bei dem eine Vorrichtung bestehend aus zwei koaxial angeord­ neten elektrischen Leitern mit einem Dielektrikum als Zwischenschicht ähnlich einer Sonde senkrecht zur Ver­ schleißebene in die Ausmauerung eingebracht wird. Er­ reicht der Verschleiß das Leiterende, so tritt eine kontinuierliche Laufzeitänderung eines über den elek­ trischen Leiter gesendeten elektrischen Pulses auf, die auf stetige Änderung bzw. Verkürzung der Leiter­ länge zurückzuführen ist. Der wesentliche Nachteil dieser Vorrichtung resultiert aus der notwendigen Mon­ tage und Abdichtung sowie Anfälligkeit der Anordnung gegen Verschmutzung, aufwendiger Aufbau und der unge­ nügenden Kenntnisse des vorliegenden Abschlußwider­ standes. Die Temperaturabhängigkeit des Dielektrikums ist ein weiterer Faktor, der die Meßergebnisse nachtei­ lig beeinflußt.

Zur Überwachung von Bremsbelegen bei Kraftfahrzeugen ist eine Methode bekannt, bei der in den Bremsbelag Drähte senkrecht zur Verschleißebene eingebracht werden. Wenn der Bremsbelag abgetragen ist, werden die Drähte durch die Bremsscheiben bzw. Trommel kurzgeschlossen und der fließende Strom wird zur Auslösung einer Anzeige bzw. eines Alarms benutzt. Der Nachteil dieses Systems liegt im wesentlichen darin, daß es gegen Feuchtigkeit und Schmutz empfindlich und in der Anbringung sowie Signal­ erfassung aufwendig ist.

Zum Feststellen des Verschleißzustandes mit flüssigen Arbeitsmitteln in Berührung stehenden Maschinenbauteilen oder auch mechanisch beanspruchten Maschinenaggregaten ist bekannt, eine Markierschicht vorzusehen, die Dotier­ stoffe enthält, welche bei fortschreitendem Verschleiß freigesetzt werden und chemisch oder physikalisch nach­ gewiesen werden können. Auch diese Maßnahmen erlauben keine genaue und schnelle Aussage über den Verschleiß­ zustand und sind in der Herstellung aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Verschleißzustand bzw. das Er­ reichen einer noch tolerierbaren Verschleißgrenze ver­ läßlich schnell und ohne größeren Aufwand kontrolliert werden kann. Eine nach diesem Verfahren betriebene Vor­ richtung sollte genaue Meßergebnisse liefern, schmutz- und feuchtigkeitsunempfindlich und in der Anbringung un­ problematisch sein.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus einer plötzlich auftretenden Änderung der Meßgröße durch Unterbrechung der Leitung auf den Verschleißzu­ stand geschlossen wird. Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, das sich gemäß An­ spruch 7 insbesondere zur Überwachung des Verschleiß­ zustandes von Feuerfestausmauerungen oder von Bremsbe­ lägen eignet, sind in den Ansprüchen 2 bis 6 be­ schrieben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der fort­ schreitende Verschleiß eine plötzliche Unterbrechung des Leiters herbeiführt, so daß die transmittierte Meßgröße nicht mehr erfaßbar ist. Die Ansprüche 9 bis 14 be­ treffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in das zu über­ wachende Material eine Sensorleitung gelegt. Bei Feuer­ festausmauerungen kann diese Verlegung vorzugsweise innerhalb der Fugen entlang der einzuhaltenden Wand­ stärke oder durch geeignete Formwahl der Feuerfestbau­ teile geschehen. Die Leitung kann ähnlich einer Sonde punktuell angebracht sein oder linienförmig und gege­ benenfalls, einen gesamten Flächenbereich erfassen, z. B. in Form eines Mäanders. Diese Sensorleitung wird durch einen Sender und entsprechenden Empfänger, z. B. ein Meßgerät, auf Durchgang überprüft. Die Entscheidung, ob die Verschleißgrenze erreicht ist, fällt, wenn eine schnelle Änderung der Meßgröße auftritt, dadurch, daß die Sensorleitung beim Erreichen der kritischen Wand- bzw. Belagstärke unterbrochen wird. Die Sensorleitung muß demzufolge je nach dem vorliegenden Belastungsfall unterbrechen; bei Feuerfestausmauerungen muß sie durch die Temperatur des Schmelzgutes aufschmelzen, bei mecha­ nischer Belastung z. B. zerbrechen, bei chemischer Be­ lastung auflösbar sein und dergleichen. Die Wahl des Materials der Sensorleitung ermöglicht demzufolge eine Anpassung auf das entsprechende Überwachungsproblem. Bei Sensorleitungen, z. B. in thermisch belasteten Materia­ lien, ist die Auswahl der Leitung abhängig von der Tem­ peratur der Schmelze oder der Reaktion. In diesen Fällen gestattet eine langsame Änderung der Leitungseigenschaf­ ten auch Rückschlüsse auf den Zustand des zu überwachen­ den Materials.

Aus der Art der Verlegung der Leitungen können entweder Gesamtaussagen oder linien- bzw. ortsaufgelöste Aus­ sagen über den bereits verschleißten Bereich gewonnen werden. Werden z. B. bei Feuerfestausmauerungen jeweils getrennte Sensorleitungssysteme in verschiedenen Ebenen und bestimmten Abständen voneinander verlegt, so kann der Verschleißvorgang definiert kontrolliert werden.

Die erfindungsgemäßen Sensorleitungssysteme bestehen im wesentlichen aus einem Sender, einem Empfänger, d. h. der Meßwerterfassungseinrichtung, und der Leitung. Hier­ zu sind verschiedene Möglichkeitern denkbar:

Die Leitung kann z. B. aus einem unter Druck oder Unter­ druck stehenden, mit einem Arbeitsmedium, z. B. Gas oder Flüssigkeit, gefüllten Rohr gebildet sein. Eine Kapillare wird hierfür bevorzugt, da die Verlegung wegen des geringen Durchmessers einfacher ist. In diesem Fall besteht der Sender aus einer Druck- bzw. Unterdruckdose und der Empfänger aus einer geeigneten Druckmeßeinrich­ tung. Das Erreichen der kritischen Wandstärke wird dann angezeigt, wenn eine plötzliche Druckänderung in Form eines Druckverlustes oder -ausgleichs beim Unterbrechen der Leitung, z. B. beim Durchschmelzen, auftritt.

Erfindungsgemäß kann als Sensorleistungssystem auch ein elektrisch leitender, mit Widerstandsmeßgeräten verbun­ dener Draht dienen. Beim Erreichen der Verschleißgrenze aufgrund einer schlagartigen Widerstandsänderung, z. B. beim Durchschmelzen des Drahtes, wird das gewünschte Signal erhalten.

Vorzugsweise wird jedoch ein Sensorleitungssystem verwendet, das aus einem Lichtwellenleiter besteht, der einerseits mit einer Lichtquelle, wie LED und der­ gleichen, und andererseits mit einem Photodetektor, wie Photodiode und dergleichen, verbunden ist. Das ge­ wünschte Signal wird erzeugt, wenn sich die Transmission des Lichtwellenleiters plötzlich durch Unterbrechung ändert. Die Verwendung der Lichtwellenleitertechnik vereint für die speziellen Überwachungsaufgaben die größten Vorteile in sich. Die Meßeinrichtung ist ein­ fach und kostengünstig herstellbar. Der extrem dünne Querschnitt konventioneller Lichtwellenleiter ermög­ licht eine einfache Verlegung, ohne daß besondere Änderungen an den zu überwachenden Materialien vorge­ nommen werden müssen. Weitere Vorteile liegen in der Potentialfreiheit, elektromagnetischen Verträglichkeit und galvanischen Trennung von Lichtquelle und Photode­ tektor. Solche Systeme sind ferner unempfindlich gegen­ über elektromagnetischen Störungen aller Art und außer­ dem können z. B. Leitungen aus Quarz oder Saphir bis ca. 2000°C eingesetzt werden.

Die Erfindung wird anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1a), b) und c) verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensorleitungssystems mit anschließender Signalverarbeitung;

Fig. 2 a) und b) linienförmige Verlegung eines er­ findungsgemäßen Sensorleitungssystems in einer Feuerfestausmauerung in Horizontal- und Vertikalschnitt;

Fig. 3 eine weitere Realisierungsform für die Leitungs­ verlegung, bei der eine punktuelle Bestimmung der Verschleißgrenze möglich ist und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform, bei der das Ma­ terial im Bereich einer Fläche auf Verschleiß­ zustand überwacht werden kann.

Gemäß Fig. 1a) wird eine Lichtwellenleiter 1 vorgesehen, der eine geeignete Ummantelung aufweisen kann. Der Lichtwellenleiter 1 wird einerseits von einer Licht­ quelle 2 gespeist, andererseits ist sie mit einem Photo­ detektor 3 verbunden. Das Signal des Photodetektors 3 wird verstärkt und zur Anzeige aufbereitet. Unterbricht die Leitung 1, so ändert sich das Photodetektorsignal schlagartig. Diese Änderung kann z. B. analog angezeigt bzw. registriert werden oder löst durch einen Grenzwert­ melder ein Warnsignal aus.

Bei der in Fig. 1b) dargestellten Ausführungsform be­ steht die Leitung aus einer Kapillare 4, die mit einer Druck- oder Unterdruckdose 5 und einem Druckmessgerät 6 verbunden ist. Das Arbeitsmedium 7 kann ein geeignetes Gas oder eine Flüssigkeit sein.

Ein weiteres Sensorleitungssystem wird in Fig. 1c) ge­ zeigt. Hier dient ein elektrisch leitender Draht 8 als Leiter. Widerstandsmeßeinrichtungen 9 und 10 ermöglichen die Anzeige der Meßwertänderung. Die Signalauswertung kann, wie das Beispiel der Fig. 1b), analog zur Aus­ führungsform gemäß Fig. 1a) erfolgen.

Wie in Fig. 2a) und b) gezeigt, kann die Leitung 11 linienförmig zwischen den Fugen der Feuerfestbauteile 12 verlegt werden. Die Verlegungstiefe bestimmt die zu überwachende Verschleißgrenze. Bei Feuerfestausmauer­ ungen wird die Leitung 11 vorzugsweise radial ange­ bracht und zwar an den Stellen, wo erfahrungsgemäß ein Verschleiß am ehesten auftritt. Dies ist bei diesem speziellen Fall im Bereich der Füllhöhe des Konverters bzw. dort, wo die Schmelze entnommen wird. Mehrere radial verlegte Sensorleitungssysteme, jeweils parallel zuein­ ander, erlauben beim Auftreten einer örtlichen Ver­ schleißerscheinung gleichzeitig eine Ortung des Ver­ schleißes. Wird nun eine z. B. mäanderförmig den ge­ samten Behälter in einer Ebene durchlaufendes Leitungs­ system verwendet, so kann der Verschleißort durch Inspektion bestimmt werden.

In vielen Fällen ist eine punktuelle Erfassung der Ver­ schleißerscheinung ausreichend. Dies kann z. B. bei Bremsbelägen erfolgen. Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform wird die Leitung 13 durch den Bremsbe­ lagträger 14 hindurch und unterhalb des Bremsbelages 15 zurückgeführt. Eine Unterbrechung der Leitung 13 erfolgt, wenn der Bremsbelag 15 verschlissen und die Leitung der mechanischen Reibung oder durch entsprechende Temperaturerhöhung ausgesetzt ist.

Fig. 4 zeigt die mäanderförmige Verlegung eines Sensor­ leitungssystems 16, in einer der Verschleißgrenze ent­ sprechenden Ebene.

Claims (14)

1. Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung des Ver­ schleißzustandes von Materialen, die einer mecha­ nischen, thermischen und/oder chemischen Belastung ausgesetzt sind, bei dem in das zu überwachende Ma­ terial mindestens eine Leitung eingebracht und aus der Änderung einer durch die Leitung transmittierten Meßgröße auf den Verschleißzustand geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer plötzlich auftretenden Änderung der Meßgröße durch Unter­ brechung der Leitung auf den Verschleißzustand ge­ schlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitung ein Lichtwellenleiter verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitung ein unter Druck oder Unterdruck stehendes, mit einem Arbeitsmedium gefülltes Rohr verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Leitung ein elektrischer Leiter verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung zumindest an der höchstbelasteten Stelle lokal, entlang einer geraden oder gebogenen und gegebenenfalls eine Fläche zeilen­ förmig durchlaufenden Linie in das Material einge­ bracht wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Leiter in Abständen voneinander, welche bestimmte Verschleißtiefen de­ finieren, in das Material eingebracht werden.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Überwachung des Verschleißzustandes von Feuerfestausmauerungen oder von Bremsbelägen.

8. Vorrichtung zur kontinuierlichen Überwachung des Ver­ schleißzustandes von Materialien, die einer mecha­ nischen, thermischen und/oder chemischen Belastung ausgesetzt sind, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, mit mindestens einem in das zu überwachende Material einbringbaren Leiter, durch den eine Meßgröße transmittierbar ist und einer Ein­ richtung zur Erfassung der Änderung der Meßgröße, dadurch gekennzeichnet, daß der fortschreitende Verschleiß eine plötzliche Unterbrechung des Leiters (1, 4, 8, 11, 13, 16) herbeiführt, so daß die transmittierte Meßgröße nicht mehr erfaßbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem Lichtwellenleiter (1) be­ steht, der einerseits mit einer Lichtquelle (2) und andererseits mit einem Photodetektor (3) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem mit einem Arbeitsmedium ge­ füllten Rohr (4), vorzugsweise einer Kapillare, be­ steht, das einerseits mit einer Druck- oder Unter­ druckdose (5) und andererseits mit einer Druckmeß­ einrichtung (6) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem elektrisch leitenden Draht (8) besteht, der mit einem Widerstandsmeßgerät (9, 10) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leiter (13) gebogen ist, wobei die Spitze punktförmig die Verschleißgrenze bestimmt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Leiter (11, 16) entlang einer geraden oder gebogenen und gegebenenfalls eine Fläche zeilenweise durchlaufenden Linie, vorzugsweise mäanderförmig, durch das zu überwachende Material ge­ führt ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Feststellung bestimmter Verschleißtiefen mehrere Leiter in bestimmten Ab­ ständen voneinander in das Material eingebracht sind.