DE4009943C2 - Automatische Meß- und Überwachungseinheit für die präzise Ermittlung von Neigungen - unabhängig von der zeitabhängigen Drift und anderer Fehlereinflüsse des verwendeten Neigungssensors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Neigungsmeßvorrichtung für die Bestimmung der Neigung von neigungssensiblen Bauwerken, An­ lagen oder Maschinen mit einer Basis, auf der ein min­ destens einen Neigungsmesser tragender Drehteller in je­ weils um 180° gegeneinander verdrehten Meßlagen positio­ nierbar ist und dem Drehteller eine motorische Drehein­ richtung und eine Meßwerterfassung mit Mikrocomputern zu­ geordnet ist.

Deformationsmessungen an verformungssensiblen Bauwerken, z. B. an Brücken, Großbehältern, Papierproduktionsstraßen oder Kraftwerken, werden meist bis heute mit konventio­ nellen, geodätischen Meßverfahren durchgeführt.

Ein entscheidender Nachteil dieser Verfahren liegt darin, daß wegen der manuellen Durchführung und des damit verbun­ denen hohen Personal- und Kostenaufwandes nur in großen zeitlichen Abständen gemessen werden kann. Außerdem ist bei der Überwachung sogenannter "heißer", Betriebspunkte eine Beobachtung des Objektes ausschließlich während Still­ standszeiten möglich, so daß dynamische, d. h. zeitlich veränderliche Deformationen, verursacht durch z. B. ther­ mische oder vom Betriebszustand abhängige Einflüsse, nicht erfaßt werden können. Umweltbedingte Störungen, wie Vibra­ tionen, hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Dampf usw., beein­ trächtigen die Meßgenauigkeit, insbesondere bei optischen Verfahren. In radioaktiv belasteten Bereichen von Kern­ kraftwerken ist der Zugriff auf die Meßpunkte weiter ein­ geschränkt, meist sogar unmöglich. Repräsentative Meßwerte liefern "dynamische Deformationsmeßanlagen", die eine zeit­ lich dichte Meßfolge entsprechend dem Abtasttheorem nach Shannon liefern.

In einigen Anwendungen werden hydrostatische Systeme (Schlauchwaagen, Thierbach [1]) eingesetzt, die jedoch bei ungünstigen Umgebungsbedingungen nur bedingt verwertbare Meßergebnisse liefern. Mit Hilfe elektronischer Neigungs­ meßgeräte und computergesteuerter Meßwerterfassungsanlagen kann man der Problemlösung erheblich näher kommen.

Nach der DE-PS 40 02 493 ist die den gattungsgemäßen Ober­ begriff bildende Neigungsmeßvorrichtung beschrieben, die unter Berücksichtigung eines Hubmotors sowie einer Kipp­ einrichtung einen erheblichen konstruktiven und somit wirt­ schaftlich nicht vertretbaren nachteiligen Aufwand mit sich bringt. Des weiteren ist in der US-PS 4 779 353 ein Nei­ gungsmesser dargestellt, der einen auf Leitfähigkeitsmes­ sungen beruhenden und somit auf einem anderen Meßprinzip beruhenden Neigungsmesser aufweist.

Deformationsmeßanlagen mit elektronischen Neigungsmeßge­ räten werden in Hagemann [2], Thiemann [3], Pelzer [4], Pfläging [5] u. a. ausführlich beschrieben.

Verschiedene Untersuchungen beschäftigen sich mit der Eignung der unterschiedlichsten auf dem Markt erhältlichen Neigungssensoren (Ingesand [6], Schäfler/Eichholz [7] Caspari/Geiger [8]). Unter den oben genannten Bedingungen haben sich Quarzflex-Servosysteme im Einsatz bewährt (Thiemann [3], Pfläging [5]).

Trotz aller Verbesserung der Neigungsmeßsysteme bezüglich der dynamischen Verträglichkeit durch eine geeignete Sen­ sorwahl und der Temperaturabhängigkeit der Parameter durch Thermostatisierung verbleibt ein wichtiger Fehlereinfluß, der sowohl für die Quarzflex-Servosysteme als auch für je­ den anderen bekannten Neigungssensor verbleibt: Die Lang­ zeitdrift, meist bedingt durch Alterung und Streßerschei­ nungen des Sensorelementes und der Elektronik, kann bisher nur durch begleitende redundante Meßverfahren beherrscht werden. Die bekannten Meßverfahren zur Stützung der Nei­ gungsmeßgeräte sind die schon erwähnten geodätischen Ver­ fahren mit den genannten Nachteilen.

Eine bedingte Alternative zur Korrektur der Langzeitdrift sind die in Pfläging [5], Möhlenbrink [9] genannten mo­ bilen elektronischen Setzlibellen, die durch manuelle Messung in zwei Lagen den Nullpunktfehler weitgehend mi­ nimieren.

Der Einsatz von Setzlibellen ermöglicht vereinfachte Stütz­ messungen zur Korrektur der Neigungsmeßgeräte gegenüber den geodätischen Verfahren, jedoch ist wegen des manuellen Ver­ fahrens eine Fernmessung nicht möglich.

Dieses Problem der automatischen Korrektur der wichtigsten Fehlereinflüsse, insbesondere der Langzeitdrift, unter den genannten Meßbedingungen an schwer oder zeitweise nicht zu­ gänglichen Meßorten, wird mit der Erfindung mit den in An­ sprüchen 1 und 2 genannten Merkmalen gelöst. Wegen des gu­ ten dynamischen Verhaltens werden vom Erfinder Quarzflex- Servo-Beschleunigungssensoren als Neigungssensoren in der automatischen Neigungsüberwachungseinheit eingesetzt.

Grundsätzlich kann aber, unabhängig von der Technologie des verwendeten Sensors, in dem in der Erfindung beschriebenen System jeder andere Neigungssensor verwendet und korrigiert werden.

Beschreibung der Erfindung

Nachfolgend wird die Erfindung näher erläutert, wozu auf die Zeichnungen Bezug genommen wird.

Fig. 1: (1) bis (6), (9);

Fig. 1, 2: (7), (8), (10);

Fig. 2: (11) bis (24).

Die wichtigsten Teile der Erfindung sind der Präzisions- Drehteller (1), der die automatische Messung in zwei Lagen zur Erkennung der Langzeitdrift des Sensors und der Elek­ tronik ermöglicht, sowie der Mikrocomputer (11), mit dessen Hilfe die Steuerung des Systems, Meßwerterfassungen, Kor­ rekturen, Ausgaben, Programm- und Parametereingaben und andere Aufgaben durchgeführt werden. Der Drehteller (1) wird über eine Achse (2) mit der Basislänge (5) und zwei Präzisionslagern (3, 4) geführt. Das Gesamtsystem ist für zwei Sensoren ausgelegt, so daß in zwei Achsen und je zwei Lagen Neigung und Drift ermittelt werden kann. Die wahl­ freie Positionierung des Drehtellers bietet die Möglichkeit zur Kostenminimierung nur einen Sensor für mehrere Achsen zu nutzen, da die Sensoren die Gesamtkosten der Einheit erheblich beeinflussen. In einigen Anwendungen (z. B. Schieflagemessung in Bergbaugebieten, Überwachung von Staumauern u. ä.) ist es nach dem Abtasttheorem zulässig, mit nur einem Sensor zwei oder mehrere Achsen nacheinander zu erfassen. In den Meßlücken werden die ausgegebenen Meß­ werte der gerade nicht erfaßten Achse vom Mikrocomputer "eingefroren" und im Takt der Abtastung aktualisiert. Die­ ser Meßmodus kann mittels eines externen Personalcomputers aus einem Menü gewählt und über die serielle Schnittstelle (18) dem Mikrocomputer (11) vorgegeben werden. Die Positio­ nierung des Drehtellers erfolgt mit zwei Reflexionslicht­ schranken an der Antriebswelle des spielfreien Getriebes (9) für die "Position" (7) sowie an der Achse des Drehtel­ lers für die Erkennung der "Nullmarke" (8).

Diese Lösung der Positionierung ist kostengünstig und ge­ eignet bei geringem Raumangebot der Einheit, wodurch letzt­ lich die universelle Verwendbarkeit der Einheit auch be­ züglich des Platzbedarfs sichergestellt wird. Der Motor (10) dient dem Antrieb des Drehtellers. Über die D/A-Wand­ ler (23, 24) wird der Motor sanft, d. h. verschleißarm, vom Mikrocomputer gesteuert. Die Meßwerte der Sensorsignale und der Sensortemperaturen werden über die Eingangsverstärker (12) und (13), den Kanalumschalter (14) und den A/D-Wandler (15) vom Mikrocomputer eingelesen. Alle notwendigen Para­ meter zur Korrektur der Sensorfehler und zur Kalibrierung werden menügeführt vom PC aus über die serielle Schnitt­ stelle (18) eingegeben.

Ebenso werden die unterschiedlichen Meßmodi eingegeben [z. B. ein- und zweiachsig, festes Korrekturraster oder va­ riables Raster mit Selbstlernfähigkeit, allein arbeitendes ("stand alone") System mit integriertem Meßwertspeicher oder Verbund mit externem Rechnersystem, kundenspezifische Programme u. a.]. Nullpunktfehler ("Offset") und Driften werden innerhalb des vorgegebenen Meßbereiches rechnerisch korrigiert, außerhalb des Bereiches in weiten Grenzen nach dem Kompensationsprinzip über die D/A-Wandler (16, 17), so daß lange Einsatzzeiten über mehrere Jahre auch bei relativ großen Driften des Neigungssensors erreicht werden. Die korrigierten Neigungswerte sowie die Umgebungstemperatur stehen über die D/A-Wandler (20, 21, 22) als analoger Li­ nienstrom zur Verfügung, eine im industriellen und Kraft­ werksbereich weit verbreitete Schnittstelle.

Bei einem digitalen Rechnerverbund werden die Meßergebnisse über die serielle Schnittstelle (18) ausgegeben. Nach der fachgerechten Montage, dem Anlegen der Stromversorgung und der Signalleitungen sowie der automatisch anlaufenden Ini­ tialisierung ist die Neigungsmeßeinheit nach wenigen Minu­ ten betriebsbereit, kalibriert und programmiert, so daß für den Anwender keine komplizierten Vorarbeiten, Wartungen und Stützmessungen erforderlich sind.

Literaturhinweise:

[1] Thierbach, H.:
Hydrostatische Meß-Systeme, Entwicklungen und Anwendungen
Sammlung Wichmann, Neue Folge, Bd. 12
Karlsruhe: Wichmann 1979
[2] Hagemann, M.:
Zur permanenten Erfassung von Verformungen an einer Turbinenanlage, Aufbereitung und Auswertung der Meßdaten
In: Hallermann, L. (Hrsg.): Beiträge zum 2. Internationalen Symposium über Deformationsmessungen mit geodätischen Methoden
Bonn, Sept. 1978
Stuttgart: Wittwer 1981
[3] Thiemann, Kl.-P.:
Der Beschleunigungssensor als Neigungsmesser VFI, Der Versuchs- und Forschungsingenieur Hrsg. Baltz Verlag, München Heft 3/84
[4] Pelzer, H.:
Ingenieurvermessung - Deformationsmessungen - Massenberechnung
Ergebnisse des Arbeitskreises 6 des Deutschen Vereins für Vermessungswesen (DVW) e.V.
Hrsg. Wittwer, Stuttgart 1987
Besonderheiten der Auswertung kontinuierlicher Messungen und Probleme ihrer Interpretation In: Kontinuierliche Messungen in der Ingenieurgeodäsie Veröffentlichungen des geodätischen Instituts der Rhein.-Westf. Hochschule Aachen, Nr. 28
[5] Pfläging, K.:
Erfahrungen über den Einsatz von kontinuierlich arbeitenden Neigungsmeßeinheiten
Das Markscheidewesen, 1988, Heft 1
Verlag Glückauf GmbH, Essen
[6] Ingesand, H.:
Beiträge zur Entwicklung und Untersuchung hochgenauer elektronischer Neigungsmeßsysteme für kontinuierliche Messungen
Deutsche Geodätische Kommission, Reihe C, Nr. 308
München, 1985
[7] Schäfler, R./Eichholz, K.:
Zur Dynamik elektronischer Neigungsmesser (Teile 1 und 2) AVN, Heft 3,4; 1982
[8] Caspari, W./Geiger, A.:
Untersuchungen zur Leistungsfähigkeit elektronischer Neigungsmesser
Schriftenreihe Wissenschaftlicher Studiengang Vermessungswesen der Hochschule der Bundeswehr München
[9] Möhlenbrink, W./Mann, M.:
Vorrichtung zum Aufsetzen von Neigungsmeßgeräten mit Zwangseinpassung
Patentschrift DE 30 19 860 C2, 1982

Claims (2)

1. Neigungsmeßvorrichtung für die Bestimmung der Neigung von neigungssensiblen Bauwerken, Anlagen oder Maschi­ nen mit einer Basis, auf der ein mindestens einen Nei­ gungsmesser tragender Drehteller in jeweils um 180° gegeneinander verdrehten Meßlagen positionierbar ist und dem Drehteller eine motorische Dreheinrichtung und eine Meßwerterfassung mit Mikrocomputern zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehteller (1) über eine Achse (2) mit einer Basislänge (5) und zwei Präzisions-Lagern (3, 4) und einem spielfreien Ge­ triebe (9) mit einem Motor (10) antreibbar ist, und zur Positionierung des Drehtellers (1) Reflexions­ lichtschranken an der Antriebswelle des spielfreien Getriebes (9) für die "Position" (7) sowie an der Achse (2) des Drehtellers (1) für die Erkennung der "Nullmarke" (8) vorgesehen sind.

2. Neigungsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß

• 1. die Meßwerterfassung für den Mikrocomputer (11) über Eingangsverstärker (12, 13) und den Kanal­ umschalter (14) mit dem Analog/Digital-Wandler (15) erfolgt.
• 2. Die Driftkorrektur wird nach dem Kompensations­ prinzip mit den Digital/Analog-Wandlern (16, 17) durchgeführt.
• 3. Über die serielle Schnittstelle (18) werden Para­ meter des Sensors und Programme eingegeben, sowie die aktuellen Meßwerte in Verbindung mit einem externen Rechner ausgegeben.
• 4. Die Meßwerte werden bei einem Feldeinsatz im Speicher (19) zwischengespeichert.
• 5. Über die D/A-Wandler (20, 21, 22) werden die Meß­ werte für Neigung und Umgebungstemperatur als analoger Linienstrom ausgegeben.
• 6. Die Motorsteuerung erfolgt über die D/A-Wandler (23, 24).
• 7. Langzeitdrift und andere Fehler des Neigungs­ sensors werden rechnerisch korrigiert.
• 8. Ein Selbstlernprogramm ermöglicht eine automa­ tische Erkennung und Korrektur der Drift.