DE3606836A1

DE3606836A1 - Wellenleiter-sensor fuer zugkraefte und messeinrichtung hierzu

Info

Publication number: DE3606836A1
Application number: DE19863606836
Authority: DE
Inventors: Friedrich Karl Dr Levacher; Helmut Dr Federmann
Original assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Current assignee: Felten and Guilleaume Energietechnik AG
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1986-03-03
Publication date: 1987-09-10

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenleiter-Sensor für Zugkräfte, bei dem als Wellenleiter ein Hochfrequenz-Koaxialkabel eingesetzt ist. Er wird in die zu überwachenden Bauteile eingebettet und ermöglicht eine elektrische Überwachung der Bauteile auf eine mechanische Beanspruchung, wie Zug, Bruch oder Biegung. Die Erfindung betrifft weiter eine Meßeinrichtung hierzu.

Es ist bereits bekannt, einen Lichtwellenleiter (LWL) als Sensor in einen zugfesten Draht aus einer faserverstärkten Harzstruktur einzubetten, um diesen Draht auf Zug, Bruch oder Biegung zu überwachen (DE-OS 33 05 234). Dazu ist der Lichtwellenleiter von einer Kunststoffschicht umschlossen, die eine inhomogene Struktur hat, Lichtwellenleiter, Zwischenschicht und Draht sind über ihre ganze Länge mechanisch fest miteinander verbunden, und der Lichtwellenleiter besitzt an seinen beiden Enden Anschlüsse für ein Licht-Durchgangsprüfgerät. Die Zwischenschicht zwischen dem LWL und der zugfesten Umhüllung besteht aus Kunststoff oder Kunstharz, dem ein definiert feingekörntes Pulver aus Glas, Quarz, Korund oder Schmirgel zugesetzt ist. Bei einer weiteren Ausführungsform kann diese Zwischenschicht auch aus harzdurchtränkten Glasfasern bestehen, die um den LWL gewickelt sind. Zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Sensors wurde bereits vorgeschlagen, daß als inhomogene Zwischenschicht um den LWL mindestens eine Wendel eines Metalldrahtes oder eines Glasfadens gewickelt ist.

Da bei einer Dehnung des gespannten zugfesten Drahtes dessen Querschnitt abnimmt, treten in diesem Fall Querkräfte auf, die von der inhomogenen Zwischenschicht auf den Lichtwellenleiter übertragen werden und dort Mikrokrümmung hervorrufen. Diese bewirken einen Dämpfungsanstieg, der gemessen und als Maß für die Dehnung benutzt wird.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Sensor für Zugkräfte zu schaffen, bei dem statt des Lichtwellenleiters ein anderer Leiter eingesetzt wird, und eine Meßeinrichtung hierzu anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Lösung besteht im wesentlichen darin, daß zum einen als Wellenleiter-Sensor ein Hochfrequenz-Koaxialkabel eingesetzt wird, wozu aus der Vielzahl der bekannten und möglichen HF-Koaxialkabelkonstruktionen die für den Sensorzweck günstigste Konstruktion angegeben ist, und daß zum anderen das Sensorkabel einen Anschluß für eine Meßeinrichtung für den Gleichstromwiderstand (Gleichstrommeßbrücke) oder den Wellenwiderstand (Impulsreflektometer) hat.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß man nunmehr statt eines optischen einen elektrischen Sensor für Zugkräfte (einen mechanisch-elektrischen Sensor) hat.

Die Unteransprüche betreffen eine bevorzugte Ausführung des Sensorkabels und die Drahtwendeln des Außenleiters, weiter zur Meßeinrichtung die Einbettung des Sensorkabels in dem zu überwachenden Bauteil und die Gleichstrommeßbrücke.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen in Schrägansicht

Fig. 1a ein mechanisch-elektrisches Sensorkabel mit einem Außenleiter aus mehreren Drahtwendeln aus Cu und einem Mantel aus Polyurethan,

Fig. 1b ein ebensolches Kabel mit einem Außenleiter aus Cu- Drahtgeflecht und einem Mantel aus glasfaserverstärktem Polyesterharz,

Fig. 2 eine Anordnung von zwei Sensorkabeln und einem Kompensationskabel in einem zu überwachenden Betonträger, und

Fig. 3 die Schaltung der Gleichstrommeßbrücke samt Sensor- und Kompensationskabel.

Bezeichnet sind mit
S Sensorkabel, mechanisch-elektrisch
K Kompensationskabel, gleich dem Sensorkabel, zur Ausschaltung des Temperaturgangs
B Betonträger, mittels Sensorkabel überwacht
1 Innenleiter, massiv Cu
2 Isolierung, zylindrisch und flexibel, Zell-Polyethylen
3 Außenleiter:
3 a Cu-Drahtwendeln
3 b Cu-Drahtgeflecht
4 Mantel:
4 a aus Polyurethan
4 b aus glasfaserverstärktem Polyesterharz
5 Anschluß des Sensorkabels, Koaxialkabelanschluß
6 Gleichstrommeßbrücke
7 Kanal im Betonträger für Kompensationskabel
8 Ring für Kompensationskabel.

Um als Sensorkabel geeignet zu sein, muß das Koaxialkabel, wie die Fig. 1a und 1b zeigen, zum einen aus folgenden, an sich bekannten Teilen aufgebaut sein: Innenleiter 1 massiv, Isolierung 2 zylindrisch und aus Kunststoff, Außenleiter 3 aus mehreren Drahtwendeln 3 a im Parallel- oder Kreuzschlag oder aus Drahtgeflecht 3 b und Mantel 4 aus Kunststoff; und zum anderen muß es an dem aus dem zu überwachenden Bauteil herausgeführten Ende einen Anschluß 5 für eine Meßeinrichtung für den Gleichstromwiderstand (Gleichstrommeßbrücke 6) oder den Wellenwiderstand (Impulsreflektometer) haben, wogegen es am anderen Ende kurzgeschlossen ist (Gleichstrommessung Fig. 3) bzw. mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen ist (Impulsreflexionsmessung). Bevorzugt bestehen Innen- und Außenleiter 1 und 3 aus Kupfer, die Isolierung 2 aus Zell-Polyethylen und der Mantel 4 aus Polyurethan 4 a oder aus faserverstärktem Kunststoff 4 b, vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyesterharz.

Auf eine Längenänderung (bei Dehnung oder Stauchung) reagiert das Sensorkabel auf mehrerlei Weise: Eine Dehnung, verbunden mit einer Querschnittsabnahme, führt zu einer Zunahme des Gleichstromwiderstandes von Innen- und Außenleiter (bei Geflechtaußenleitern kann es Ausnahmen geben) und zu einer Abnahme des Wellenwiderstandes. Ebenso wirkt eine Deformation des Kabels in Radialrichtung. Umgekehrt führt eine Stauchung, verbunden mit einer Querschnittsvergrößerung, zu einer Abnahme des Gleichstromwiderstandes und Zunahme des Wellenwiderstandes. Im Impulsreflektogramm sind die Änderungen als örtliche Abweichungen vom normalen Kurvenverlauf erkennbar. Bei einem Kabelriß nimmt der elektrische Widerstand den Wert unendlich an und das Reflektogramm bricht am Fehlerort ab.

Es ist daher möglich, mit dem Sensorkabel durch mechanische Beanspruchung hervorgerufene lokale oder integrale Änderungen am Kabel durch Änderungen seines Gleichstromwiderstandes oder seines Wellenwiderstandes zu erkennen und zu messen. Um damit ein Bauteil überwachen zu können, muß wie Fig. 2 zeigt, das Sensorkabel S ohne Lose kraftschlüssig in diesem Bauteil B, hier ein Betonträger, eingebettet sein.

Zur Messung des Gleichstromwiderstandes wird, wie Fig. 3 zeigt, das Sensorkabel S am einen Ende an den Meßzweig einer Gleichstrommeßbrücke 6 angeschlossen und am anderen Ende kurzgeschlossen. Zur Ausschaltung des Temperaturgangs ist an den Vergleichszweig der Brücke ein dem Sensorkabel gleiches Kompensationskabel K angeschlossen, das in der gleichen Umgebung wie das Sensorkabel ohne mechanische Belastung angeordnet ist. Dazu ist das Kompensationskabel K entweder lose in einen parallel zu dem Sensorkabel S verlaufenden Kanal 7 oder ein Rohr gelegt (Fig. 2), oder es ist mechanisch unbelastet auf einen in der Umgebung des Sensorkabels angeordneten Ring 8 gewickelt (Fig. 3).

Im unbelasteten Zustand des Sensorkabels muß die Brücke 6 am Indikatorinstrument U spannungsfrei sein. Treten durch eine Dehnung oder Stauchung des Kabels Widerstandsänderungen auf, sind diese durch Nullabgleich am Abgleichwiderstand x der Brücke zu ermitteln. Bei Leiterbruch nimmt x den Wert unendlich an. In der vorgegebenen Schaltung zeigt der Abgleichwiderstand x immer die Größe der Widerstandsänderung des Kabels an.

Damit die Änderung des Gleichstromwiderstandes als Indikator für eine Längenänderung des koaxial aufgebauten Sensorkabels S wirksam und eindeutig zum Tragen kommt, muß der Innenleiter 1 des Kabels massiv sein. Ein aus mehreren Einzeldrähten verseilter Innenleiter ist für die Indikation kleiner Längenänderungen nicht geeignet, da die Verseilung einen Teil der Längsdehnung aufnimmt und damit eine Änderung des Leiterquerschnittes unterbindet.

Die Messung des Wellenwiderstandes kann mit einem handelsüblichen Impulsreflektometer erfolgen. Damit lassen sich örtliche mechanische Änderungen am Sensorkabel und damit an dem zu überwachenden Bauteil feststellen.

Würde man ein Koaxialkabel einsetzen, das zu einem massiven Innenleiter (mit Durchmesser d) einen massiven rohrförmigen Außenleiter (mit lichter Weite D) hat, würde man (in einer vereinfachenden Betrachtungsweise) keine Änderung des für den Wellenwiderstand entscheidenden Durchmesserverhältnisses D/d und damit des Wellenwiderstandes erhalten. Anders werden die Verhältnisse wenn der Außenleiter wie beim Sensorkabel aus mehreren Drahtwendeln oder aus Drahtgeflecht besteht. Sobald die Schläglänge s der Drähte der Wendeln 3 a oder des Geflechtes 3 b des Außenleiters größer als das 2,2-fache des Durchmessers der darunterliegenden Isolierung 2 ist, schnüren sich die Drähte bei einer Dehnung des Kabels stärker ein als der zum Vergleich herangezogene massive Außenleiter. Dadurch kommt es zu einer Abnahme des Wellenwiderstandes, die für eine Fehlerortsmessung verwendet werden kann. Da die Einschnürung des Außenleiters mit wachsender Schlaglänge zunimmt, kann mittels einer Vorgabe der Schlaglänge die Empfindlichkeit des Sensorkabels gegenüber lokalen Längenänderungen beeinflußt werden.

Claims

1. Wellenleiter-Sensor für Zugkräfte, bei dem als Wellenleiter ein Hochfrequenz-Koaxialkabel eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß das Koaxialkabel als Sensorkabel (S) aus folgenden, an sich bekannten Teilen aufgebaut ist: Innenleiter (1) massiv, Isolierung (2) zylindrisch und aus Kunststoff, Außenleiter (3) aus mehreren Drahtwendeln (3 a) im Parallel- oder Kreuzschlag oder aus Drahtgeflecht (3 b) und Mantel (4) aus Kunststoff, und
daß das Sensorkabel an dem aus dem zu überwachenden Bauteil herausgeführten Ende einen Anschluß (5) für eine Meßeinrichtung für den Gleichstromwiderstand (Gleichstrommeßbrücke (6)) oder den Wellenwiderstand (Impulsreflektometer) hat, und an dem anderen Ende abgeschlossen ist.

2. Sensorkabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Innen- und Außenleiter (1 und 3) aus Kupfer, die Isolierung (2) aus Zell-Polyethylen und der Mantel (4) aus Polyurethan (4 a) oder aus faserverstärktem Kunststoff (4 b), vorzugsweise aus glasfaserverstärktem Polyesterharz, bestehen.

3. Sensorkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlaglänge (s) der Drähte der Wendeln (3 a) oder des Geflechtes (3 b) des Außenleiters größer als das 2,2-fache des Durchmessers der darunterliegenden Isolierung (2) ist.

4. Meßeinrichtung zu einem Sensorkabel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorkabel (S) in dem zu überwachenden Bauteil (B) ohne Lose kraftschlüssig eingebettet ist.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorkabel (S) am einen Ende an den Meßzweig einer Gleichstrommeßbrücke (6) angeschlossen und am anderen Ende kurzgeschlossen ist, und daß an den Vergleichszweig der Brücke ein dem Sensorkabel gleiches Kompensationskabel (K) angeschlossen ist, das zur Ausschaltung des Temperaturgangs dient und das in der gleichen Umgebung wie das Sensorkabel ohne mechanische Belastung angeordnet ist.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Kompensationskabel (K) lose in einem parallel zum Sensorkabel (S) verlaufenden Kanal (7) oder Rohr liegt, oder daß es mechanisch unbelastet auf einen in der Umgebung des Sensorkabels angeordneten Ring (8) gewickelt ist.