DE3916350A1 - Einrichtung zur automatischen ueberpruefung der kraftuebertragung von mechanischen verbindungs- bzw. befestigungselementen mit einem elektrischen oder optischen drucksenor - Google Patents

Description

Einrichtung zur automatischen Überprüfung der Kraftübertra­ gung von mechanischen Verbindungs- bzw. Befestigungselementen mit einem elektrischen oder optischen Drucksensor.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur automatischen Überprüfung der Kraftübertragung von mechanischen Verbin­ dungs- bzw. Befestigungselementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei technischen Anlagen, insbesondere bei mit Über- oder Un­ terdruck arbeitenden Anlagen und vor allem bei solchen, bei denen die Gefahr besteht, daß giftige oder explosive Gase oder Flüssigkeiten austreten können, ist es oft notwendig, durch zuverlässig wirkende Sicherungsvorrichtungen zu prüfen, ob z.B. ein Flansch - evtl. abhängig von den Innen-/Außen­ druckverhältnissen - wirklich mit ausreichender Anpreßkraft an jeder Auflagestelle am Gegenflanschstück aufliegt.

Neben eventuell automatischen Dichtigkeitsprüfungen über Druckverlust, wobei eine Gefahr allerdings leicht zu spät erkannt wird, bieten sich elektrische Sicherungskreise zur automatischen Prüfung der Anpreßkraft an.

Möglichkeiten, diesem Problem beizukommen, bestehen von Fall zu Fall darin, elektrische Sicherungskontakte z.B. in Form von Mikroschaltern, Drucksensoren, Weggebern oder Näherungs­ schaltern vorzusehen, die an bestimmten Kraftkonzentrations­ stellen in der zu überwachenden technischen Anlage, z.B. an einen Flansch angebracht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß diese als ein einfaches, leicht herzustellendes und zuverlässiges Norm­ bauteil insbesondere auch für explosionsgefährdete Anlagen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen bzw. Weiterbildungen der Erfin­ dung sind Gegenstand zusätzlicher Ansprüche.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß die Einrichtung im wesentlichen aus einem einfachen, leicht herzustellenden und zuverlässigen Normbau­ teil vorzugsweise in Form einer Beilegescheibe besteht, die an die verwendeten bzw. vorhandenen Gewindeschrauben- oder Kraft­ übertragungsbolzen bezüglich Schaft-Durchmesser und Mindest­ kraftübertragungswert angepaßt und mit beispielsweise zwei elektrischen oder faseroptischen Anschlüssen für den Druck­ sensor versehen und zur Überprüfung des Kraftübertragungszu­ standes und dessen Nachweis an ein Überwachungsgerät an­ schließbar ist.

Von besonderem Vorteil ist es, die Einrichtung so auszuge­ stalten, daß der Drucksensor aus einem Schaltglied für Licht­ wellenleiter gebildet ist, welches im zu überprüfenden Kraft­ übertragungsbereich bzw. an der Schaltgrenze der Kraftüber­ tragung die Transmission für Licht ändert, d.h. im ausreichen­ den Maße erhöht oder erniedrigt. Damit ist die Einrichtung zur automatischen Überprüfung der Kraftübertragung von Be­ festigungs- bzw. Verbindungsteilen wie Bolzen, Gewindeschrau­ ben, Klammern und dergl. aufgrund der Verwendung von Licht­ leitfasern anstatt von elektrischen Kontakten, insbesondere auch für expolsionsgefährdete Anlagen bzw. Räume geeignet.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besteht der Drucksensor aus einem Material, dessen elektrische Leitungs­ impedanz (ohmsch, kapazitiv, induktiv) sich gegenüber Gleich- oder Wechselströmen im gewünschten Drucküberwachungsbereich möglichst stark ändert. Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, daß man auch Wechselbeanspruchungen der Einrichtung messen bzw. feststellen kann.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß mehrere Drucksensoren in Reihe oder parallel geschaltet an ein Über­ wachungsgerät angeschlossen werden, wobei dieses Abfragegerät erkennt, ob bei mindestens einem der angeschlossenen Sensoren die Kraftübertragung geringer oder höher als der bauteilspezi­ fische Grenzwert ist.

Die Überwachungs- bzw. Abfrageanlage besteht im Falle der Ver­ wendung einer elektrischen Drucksensoreinrichtung zweckmäßig aus einer Gleich- oder Wechselstromquelle und einem Relais (evtl. mit Gleichrichter und Verstärker), wobei das Relais einen Sicherheits- oder Warnkontakt schalten kann.

Im Falle der Verwendung einer optischen Drucksensoreinrich­ tung besteht die Überwachungs- bzw. Abfrageanlage zweckmäßig aus einem oder mehreren optischen Strahlungssendern, beispiels­ weise einer Glühlampe oder einer Lumineszenz- oder Laserdiode, welche Licht in die Lichtleitfaser senden. Am Lichtwellenlei­ terausgang sind in der Überwachungs- bzw. Abfrageanlage dann dem Eingang entsprechend ein oder mehrere Lichtempfänger, beispielsweise ein Fotowiderstand oder eine Fotodiode bzw. Fototransistor, vorgesehen. Gegebenenfalls kann die Anlage ausgangsseitig noch mit optischen und/oder elektrischen Fil­ tern (Modulation) und einem Verstärker ausgerüstet sein, wel­ cher ein Sicherheits- bzw. Warnrelais schaltet oder ein Warn­ signal weiterleitet.

Anhand von in den Figuren der Zeichnung schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Einrichtung mit Überwachungsgerät,

Fig. 2 eine Einrichtung mit elektrischem Drucksensor, und die

Fig. 3 und 4 eine Einrichtung mit optischem Drucksensor.

Die in Fig. 1 teilweise in perspektivischer Ansicht darge­ stellte Einrichtung besteht im wesentlichen aus einem Norm­ bauteil in Form einer Beilegescheibe 1 für ein nicht darge­ stelltes Verbindungs- bzw. Befestigungselement. Dieses Ele­ ment kann beispielsweise eine Gewindeschraube, ein Bolzen oder eine Klammer sein. Die Beilegescheibe 1 ist mit einem opti­ schen oder elektrischen Drucksensor 2 ausgerüstet, dessen mit Pfeilen 11 angedeuteter Kraftübertragungszustand über elektri­ sche oder optische Anschlüsse 8 jederzeit durch ein Nachweis- bzw. Überwachungsgerät 12 abgefragt werden kann, insbesondere dahingehend, ob die Kraftübertragung über oder unter einem be­ stimmten, z.B. durch den Bolzen- oder Schraubendurchmesser gegebenen, Sicherheitsgrenzwert liegt. Die Beilegescheibe 1 besteht dabei zweckmäßig aus zwei kongruenten Scheibenteilen 3, zwischen denen der Drucksensor 2 angeordnet ist.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Drucksensor 2 als elektrischer Tastaturkontakt ausgebildet, indem zwischen die innen mit einer Isolierfolie 4 versehenen Scheibenteile 3 der Beilegescheibe 1 zwei durch einen elasti­ schen Isolator 5 voneinander getrennte Unterbrecherkontakt­ teile 6 eingefügt sind. Als Verbindungs- bzw. Befestigungs­ element 7 wird in diesem Beispiel eine Gewindeschraube ver­ wendet, die z.B. zum Verbinden der den elektrischen Drucksen­ sor 2 enthaltenden Beilegescheibe 1 mit einem Metallteil 13 einer tecnnischen Anlage dient.

Bei dem in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispie­ len besteht der Drucksensor 2 aus einem Schaltglied für Licht­ wellenleiter 8, welches im zu überprüfenden Kraftübertragungs­ bereich die Transmission für Licht in Abhängigkeit von der übertragenen Kraft ändert. Diese Transmissionsänderung läßt sich beispielsweise entweder durch mechanische Verbiegung der Lichtleitfaser 8 oder durch Änderung der Lichteinkopplung in eine solche Faser 8 bewirken. Eine Änderung der Lichttransmis­ sion durch Verbiegen der Lichtleitfaser 8 läßt sich z.B. ent­ weder durch eine spezielle Formgebung einer Preßform 9, in welche die Faser eingelegt, eingeklemmt oder eingegossen wird, oder durch inhomogene Einlagerungen von Material unterschied­ licher Elastizität oder von Hohlräumen erreichen. Im Beispiel nach Fig. 3 sind zwei Hartmaterialkeile 10 vorgesehen, die in eine Preßform 9 aus elastischem Material eingegossen sind, die auch die Faser 8, und zwar zwischen den Keilen 10 angeordnet, mit einschließt. Wesentlich in diesem Beispiel ist nicht die spezielle Keilform der Hartmaterialteile 10, sondern deren Vor­ handensein als inhomogene Einlagerung oder Material unterschied­ licher Elastizität. Denn durch diese Maßnahme wird erreicht, daß sich die Lichtleitfaser 8 bei Kraftbelastung derart mecha­ nisch verbiegt oder mit weiteren optischen Teilen (z.B. Koppel­ fasern) in Berührung gebracht oder von diesen entfernt werden kann, daß das Maß der Kraftübertragung entweder an der verän­ derten Transmission evtl. nur bestimmter Ausbreitungsmoden, am optischen Empfänger oder an der veränderten Überkopplung zu einer Meßsondenfaser bestimmt werden kann. Besonders im letzten Fall ist auch eine monotone Kraftübertragungserfassung (Messung) einzelner Sensoren bei Verwendung nur eines opti­ schen Senders möglich, wenn eine durchgehende Lichtleitfaser durch mehrere Sensoren verwendet wird und zusätzlich Meßfasern von allen Sensoren zu einem Überwachungsempfänger - evtl. mit selbsttätiger Meßstellenumschaltung - vorgesehen sind.

Die spezielle Keilform der Hartmaterialteile 10 nach Fig. 3 ist für das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel wesent­ lich, weil sich mit dieser Keilform der Teile 10 und deren spezieller Anordnung ein Schneidwerkzeug realisieren läßt, und zwar zum Auftrennen der in die Preßform 9 eingefügten Lichtleitfaser 8. Denn mit dieser Anordnung der Hartmaterial­ keile 10 in der Preßform 9 läßt sich in einfacher Weise und billig ein optischer Drucksensor 2 herstellen, indem eine ge­ eignete Lichtleitfaser 8, z.B. eine auf wenige µm Axialver­ schiebung empfindliche Monomode-Faser, zwischen diese Hart­ materialkeile 10 in die Preßform 9 eingefügt ist. Bei einer ersten starken Kraftbelastung in Pfeilrichtung 11, die zweck­ mäßig noch in der Fertigung vorgenommen wird, schert die Fa­ ser 8 an einer Sollbruchstelle 14 ab, und damit wird selbst­ justierend das den optischen Drucksensor 2 bildende Lichtleit­ faserschaltglied hergestellt. Die Hartmaterialkeile 10 bilden dabei unter Einwirkung der in Pfeilrichtung 11 ausgeübten Kraft das Schneidwerkzeug zum Auftrennen bzw. Abscheren der Lichtleitfaser 8.

Andererseits kann es aber auch zweckmäßig sein, die einmalige Abscherung der Faser 8 nicht in der Fertigung vorzunehmen, sondern diese einmalige Abscherung als Schaltvorgang bei Kraftübertragung im Einsatzfall anzuwenden. Das Sensorteil muß danach dann allerdings ausgewechselt werden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbei­ spiele beschränkt. Beispielsweise kann es zweckmäßig bzw. von Vorteil sein, daß die Lichtleitfasern erst am Einsatzort in die Drucksensoren mit praktisch beliebigen Zwischenlängen eingelegt oder eingefädelt und erst während der ersten Kraft­ beaufschlagung im Sensorteil mechanisch fixiert (geklemmt) werden.

Claims (10)

1. Einrichtung zur automatischen Überprüfung der Kraftübertra­ gung von mechanischen Verbindungs- bzw. Befestigungselementen in technischen Anlagen, insbesondere über- oder Unterdruckan­ lagen, mit einem Drucksensor zum Messen der Kraftübertragung und einem damit verbundenen Nachweis- bzw. Überwachungsgerät, dadurch gekennzeichnet, daß ein Norm­ bauteil für das Verbindungs- bzw. Befestigungselement in Form einer Beilegescheibe (1) mit einem elektrischen oder optischen Drucksensor (2) ausgerüstet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Beilegescheibe (1) aus zwei kon­ gruenten Scheibenteilen (3) besteht, zwischen denen der Drucksensor (2) angeordnet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drucksensor als elektri­ scher Tastaturkontakt ausgebildet ist, indem zwischen die in­ nen mit einer Isolierfolie (4) versehenen Scheibenteile (3) der Beilegescheibe (1) mindestens zwei durch einen elastischen Isolator (5) voneinander getrennte Unterbrecherkontaktteile (6) eingefügt sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drucksensor (2) aus einem Material besteht, dessen elektrische Leitungsimpedanz sich gegenüber Gleich- oder Wechselströmen im vorgegebenen Druck­ überwachungsbereich stark ändert.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Drucksensor (2) aus einem Schaltglied für Lichtwellenleiter (8) besteht, welches im zu überprüfenden Kraftübertragungsbereich die Transmission für Licht in Abhängigkeit von der übertragenen Kraft ändert.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß das den Druck­ sensor (2) bildende Schaltglied aus einer Lichtleitfaser (8) besteht, die aufgetrennt in eine so ausgebildete Preßform (9) eingelegt oder eingegossen ist, daß bei Kraftübertragung die aufgetrennten Faserenden einer Axialversetzung unterliegen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 oder 6, da­ dadurch gekennzeichnet, daß das den Drucksensor (2) bildende Schaltglied aus einer auf geringe Axialversetzungen empfindlichen Lichtleitfaser (8) besteht, die in eine geeignete Preßform (9) eingelegt oder eingegossen ist, in der eine Schereinrichtung bildend zwei Hartmaterial­ keile (10) so angeordnet sind, daß die Lichtleitfaser (8) nach einer einmaligen Kraftüberlastung an einer Sollbruch­ stelle abschert und damit selbstjustierend das Schaltglied herstellt.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5, da­ durch gekennzeichnet, daß eine den Druck­ sensor (2) bildende Lichtleitfaser (8) in eine geeignete Preßform (9) eingelegt oder eingegossen ist, welche bei Kraft­ belastung die Lichtleitfaser (8) derartig verbiegt oder deren Lage gegenüber in der Preßform (9) zusätzlich vorgesehenen optischen Sonden verändert, daß diese Lageänderung eine re­ gistierbare Änderung der Transmission oder der Überkopplung des Lichtes als Maß der Kraftübertragung zur Folge hat.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Drucksensor (2) bildenden Lichtleitfasern (8) mit beliebigen Zwischenlängen erst am Einsatzort in den Drucksensor einge­ legt oder eingefädelt und während der ersten Kraftbeaufschla­ gung im Drucksensor (2) mechanisch fixiert sind.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Drucksensoren (2) in Reihe oder parallel geschaltet mit dem Nachweis- bzw. Überwachungsgerät (12) verbunden sind.