DE4419228A1 - Vorrichtung zur Dehnungsmessung - Google Patents
Vorrichtung zur DehnungsmessungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung, insbesondere an
heißgehenden Anlageteilen, die die kontinuierliche Überwachung von Anlageteilen
auf Verschleiß ermöglicht. Sie besteht im wesentlichen aus einem kapazitiven
Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägerfrequenzmeßverstärker und gegebe
nenfalls einer insbesondere dezentralen Meßwertverarbeitung.
Beim Betrieb von technischen Anlagen mit hoher Arbeitstemperatur kommt es an
heißgehenden Anlageteilen im Laufe der Betriebszeit zu Materialermüdungen und
Verschleiß der belasteten Teile. Aus sicherheitstechnischen und ökonomischen
Gründen ist man daher an einer technischen Überwachung kritischer Anlagenteile
besonders interessiert.
Es sind Methoden bekannt geworden das Ermüdungsverhalten von Anlageteilen
unter realitätsnahen Bedingungen zu untersuchen. In der Zeitschrift VDI-Berichte
Nr. 514, S. 45-48, wird eine solche Methode beschrieben. Hierbei wird eine Hoch
temperatur-Dehnungsmessung, z. B. mit Hilfe eines kapazitiven Meßgebers durch
geführt. Ausgehend von diesem für den praktischen Einsatz untauglichen Labor
meßverfahren mit einem kapazitiven Meßgeber sind neuere Meßgeräte zur
Dehnungsmessung entwickelt worden, die mit einem solchen Meßgeber arbeiten.
Der kapazitive Dehnungsmeßgeber, auch speziell Hochtemperatur-Dehnungsmeß
streifen (kurz HT-DMS) genannt, ist meßtechnisch gesehen ein durch Ver
formungskräfte veränderbarer Kondensator.
Bislang bekannte Vorrichtungen sind jedoch entweder einkanalige Labormeßplätze,
die für den vor Ort Betrieb in einer Anlage, insbesondere für die automatisierte
Erfassung von Meßdaten ungeeignet sind oder technisch und in der Herstellung
aufwendige Mehrkanalmeßsysteme, die Einschränkungen hinsichtlich ihres
Anwendungsbereiches haben.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Dehnungsmessung bereitzu
stellen, die die genannten Nachteile nicht aufweist, insbesondere kompakt aufge
baut ist, Flexibilität bei der Datenweiterverarbeitung und -erfassung ermöglicht
und betriebssicher sowie über einen längeren Zeitraum störungsfrei auch im
kritischen Bereich von Anlagen, besonders im explosionsgeschützten Bereich
arbeitet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Dehnungs
messung, insbesondere an heißgehenden Anlageteilen, bestehend im wesentlichen
aus einem kapazitiven Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägerfrequenzmeß
verstärker und gegebenenfalls einer insbesondere dezentralen Meßwertverarbei
tung, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfrequenzmeßverstärker aus einem
Generator, einem Leistungsverstärker, einem Phasenschieber, einem Übertrager,
einer Meßbrücke, die einen Referenzkondensator und den Dehnungsmeßgeber
beinhaltet, einem Meßverstärker mit Filter, einem Trennverstärker, einem phasen
gesteuerten Gleichrichter, einem Tiefpaßfilter und einem Ausgangsverstärker
besteht, wobei im Generator eine Trägerfrequenz von 1 bis 10 KHz, bevorzugt von
1,4 bis 1,8 KHz, besonders bevorzugt von 1,6 KHz erzeugt wird, die in zwei
Signalformen vorliegt, einer Sinusspannung, die in einem Leistungsverstärker
verstärkt wird und den Übertrager speist, und einer Dreieckspannung, die zum
Phasenschieber geleitet wird, welcher den Gleichrichter schaltet, wobei die Meß
brücke vom Übertrager mit der Sinusspannung versorgt wird, die Meßspannung
von der Meßbrücke im Meßverstärker verstärkt und anschließend gefiltert und
einem Trennverstärker zugeführt wird, das modulierte Signal im anschließenden
phasengesteuerten Gleichrichter von der Trägerfrequenz befreit und über den
Tießpaßfilter dem Ausgangsverstärker zugeführt wird.
Als kapazitiver Dehnungsmeßgeber wird ein im Prinzip bekannter Hochtempera
tur-Dehnungsmeßstreifen verwendet. Seine Kapazität beträgt üblicherweise von 0,5
bis 1,5 pF. Die Auflösung der Meßeinrichtung beträgt ca. 0,00001 pF entsprechend
einer Auflösung der Verformungsmessung von etwa 0,2 µm/m des Meßverstärkers
im mittleren Teil des Arbeitsbereiches des HT-DMS, d. h. von etwa 0,5 bis 1,5 pF.
Der elektrische Anschluß an die Meßstreifen am Bauteil erfolgt in der heißen
Zone üblicherweise mit je 2 Stück mineralisolierter, metallischer Koaxialkabel, die
weitere Verbindung bis zum Meßverstärker mit Standard-Koaxialkabeln.
Kapazitätsmessungen, aber auch Messungen an Widerstands-Dehnungs-Meß
streifen bei niedrigen Temperaturen erfolgen bei diesen hohen Anforderungen an
die Genauigkeit grundsätzlich mit einem Trägerfrequenz-Meßverstärker, wobei die
Dehnungsmeßstreifen in einer Wheatstone′schen Brücke angeordnet sind. Die
Trägerfrequenz-Meßtechnik hat gewünschte, systemspezifische Stabilitätsmerk
male, insbesondere bezüglich Drift und Verstärkung.
Bevorzugt werden erfindungsgemäß mehrere Dehnungsmeßgeber mit Meßver
stärker mit einer Auswerteeinheit kombiniert z. B. mit einem Datenlogger, mit
Linienschreiber oder mit einem gesonderten Datenverarbeitungssystem. Zur Durch
führung dynamischer Messungen ist es möglich, Transientenrekorder, Bandgeräte,
Schnellschreiber oder ein Oszilloskop zur Datenerfassung einzusetzen.
Die erfindungsgemäße Dehnungsmeßvorrichtung ermöglicht eine Lebensdauerüber
wachung sowie Schwingungsmessungen an Bauteilen einer Anlage, wobei durch
den kompakten Aufbau der Meßverstärker eine Vielzahl von Überwachungs- und
Meßstellen ermöglicht wird. Hierdurch erhält man ein genaueres Bild vom
Arbeitsverhalten und Zustand der Leitungen auch größerer Industrieanlagen wie
z. B. einem Heizkraftwerk.
Die erfindungsgemäße Dehnungsmeßvorrichtung wird anhand des nachstehenden
Ausführungsbeispiels und der Figuren beispielhaft näher erläutert.
In den Figuren zeigen
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Trägerfrequenzmeßverstärkers
für Hochtemperatur-Dehnungsmeßstreifen.
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der Referenzkapazität.
Ein Übertrager 12 mit binär-gestuftem, induktivem Abgleich speist die Wheat
stone′sche Brücke mit der Trägerfrequenz des Generators 10. Die Wheatstone′sche
Brücke ist eine Halbbrücke aus dem HT-DMS 1 und einer Referenzkapazität 2.
Durch die Art der Brückenspeisung und dem von einem Trennverstärker 5 ver
sorgten Vorverstärker 3 ist eine galvanische Trennung von Eingang und Ausgang
des Meßverstärkers gewährleistet.
Durch die Trennung von Eingang und Ausgang am Trennverstärker 5 erreicht
man eine Störunterdrückung, weil man den Eingang des Meßverstärkers am
empfindlichsten Teil, nämlich dem Sensor 1, erden kann.
In den Vorverstärker 3 wurde ein Bandfilter 4 integriert, um Übersteuerungen der
nachfolgenden Meßverstärkerstufen durch Störfrequenzen (z. B. 50 Hz-Brumm)
frühzeitig und wirkungsvoll zu unterbinden.
Durch den binär-gestuften Abgleich erreicht man einen besonders günstigen
Wicklungsaufbau des Übertragers (Wicklungsverhältnis 1, 2, 4, 8 usw); mit nur
wenigen Schaltern (hier zum Beispiel 6 Schalter) kann die Brücke in Stufen von
0,01 pF abgeglichen werden. Daraus ergaben sich die beiden ersten Stellen des
Meßwertes (z. B. 0,84 xxxpF).
Es wurde zum Abgleich ein Abgleichbereich von 0,64 pF bis 1,28 pF vorgesehen.
Andere Abgleichbereiche sind ebenfalls möglich durch Änderungen der Wicklung
(Windungszahl) am Übertrager 12.
Die Gesamtverstärkung und die Ausgangsspannung sind so abgestimmt, daß her
kömmliche Meßgeräte von 12 bis 14 bit Auflösung ausreichend sind. In den Aus
gangsverstärker 8 ist ein Dämpfungsglied 7 integriert (Tiefpaßfilter mit 2 Hz),
andere Werte sind durch Änderung der Kapazität der Tiefpasses 7 möglich.
Der Kapazitätsmeßwert setzt sich zusammen aus
- - 0,64 pF
- - dem Wert entsprechend der Stellung der Abgleichschalter
- - dem Wert der Ausgangsspannung, die registriert werden muß.
Der Meßverstärker weist als Brückenergänzung einen Referenzkondensator 2 von
1,28 pF auf. Ein geeigneter kompakter Referenzkondensator 2 wurde ebenfalls
entwickelt.
Den grundsätzlichen Aufbau des Referenzkondensators 2 zeigt Fig. 2. Der Abstand
der Kondensatorplatten 15 und 16 kann über die Länge der Isolierstücke 13 oder
eines Metalldistanzstückes 14 eingestellt werden. Als geeignete Materialien haben
sich Messing für die Platten 15, 16, Keramik für die Isolierstücke 13 und
Aluminium für das Distanzstück 14 erwiesen. Durch die Wahl dieser Materialien
wird die temperaturabhängige Kapazitätsänderung der Kondensatorplatten 15, 16
(Plattenfläche) mit einer Abstandsänderung der Platten kompensiert. Der
elektrische Kontakt 19 der Platten erfolgt über Gewindestangen 18, isoliert vom
Gehäuse 17.
Für die Langzeitstabilität des Meßverstärkers als wichtig erwies sich die aus
schließliche Verwendung metallischer und keramischer Werkstoffe beim Referenz
kondensator. Der Referenzkondensator 2 ist so kompakt gebaut, daß er in das Ver
stärkergehäuse integriert werden kann. Der Abgleich des Referenzkondensators 2
auf einen genauen Kapazitätswert und auf den Temperaturgang erfolgt z. B. mecha
nisch durch Abschleifen zweier Distanzstücke mit stark voneinander abweichenden
Temperaturkoeffizienten (z. B. Keramik und Aluminium).
Die Kapazität eines verwendeten Referenzkondensators 2 betrug 1,28 pF bei einer
Toleranz von +/- 0,003 pF und einem Temperatureinfluß von +/- 0,00005 pF pro
10°C (gemessen bei 20 bis 60°C). Die Abmessungen des Kondensators betrugen
20 × 20 × 50 mm.
Es wurde ein kompaktes, standardisiertes Aluminium-Druckgußgehäuse für den
Meßverstärker verwendet. Dieses erlaubt die Installation jedes Meßverstärkers in
unmittelbarer Nähe (d. h. bis weniger als 3 m) seines Sensors; die Möglichkeit der
Störeinstrahlung wird dadurch entscheidend vermindert. Die Abmessungen des
Meßverstärkers betrugen z. B. 250 mm × 80 mm × 52 mm.
Die Leistungsfähigkeit des entwickelten Meßverstärkers zeigte sich unter anderem
darin, daß nach einem 3/4 Jahr Betriebszeit mehrere Dehnungsmeßplätze in einer
Wärmekraftanlage der Drift der Meßvorrichtungen noch unterhalb des Bereichs der
Meßgenauigkeit lag und daß die Meßvorrichtungen über den genannten Zeitraum
betriebssicher und störungsfrei arbeiteten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Verformungen an Kraftwerks
komponenten ermöglicht insbesondere die Daten von jeweils bis zu 8 Meßstellen
(z. B. Verformung und Temperatur) mit einem Datenlogger zu erfassen. Die zur
Messung benutzten 2 Typen von Datenloggern können pro Kanal bis zu 8000
Meßwerte speichern. Die Datenlogger sind in der Lage, die Daten in den
gewünschten üblichen Formaten auszugeben (z. B. ASCII-Format). Da jeder HT-
DMS eine individuelle Kennlinie besitzt, ist eine Rechner-unterstützte weitere
Meßdatenverarbeitung bei einer Vielzahl von Meßstellen geboten.
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Dehnungsmessung, bestehend im wesentlichen aus einem
kapazitiven Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägerfrequenzmeßver
stärker und gegebenenfalls einer insbesondere dezentralen Meßwertverar
beitung, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerfrequenzmeßverstärker aus
einem Generator (10), einem Leistungsverstärker (11), einem Phasenschie
ber (9), einem Übertrager (12), einer Meßbrücke (1, 2), die einen Referenz
kondensator (2) und den Dehnungsmeßgeber (1) beinhaltet, einem Meßver
stärker (3) mit Filter (4), einem Trennverstärker (5), einem phasengesteu
erten Gleichrichter (6), einem Tiefpaßfilter (7) und einem Ausgangsver
stärker (8) besteht, wobei im Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1 bis
10 KHz erzeugt wird, die in zwei Signalformen vorliegt, einer Sinusspan
nung, die im Leistungsverstärker (11) verstärkt wird und den Übertra
ger (12) speist, und einer Dreieckspannung, die zum Phasenschieber (9)
geleitet wird, welcher den Gleichrichter (6) schaltet, wobei die Meß
brücke (1, 2) vom Übertrager (12) mit der Sinusspannung versorgt wird,
die Meßspannung von der Meßbrücke (1, 2) im Meßverstärker (3) verstärkt
und anschließend gefiltert und einem Trennverstärker (5) zugeführt wird,
das modulierte Signal im anschließenden phasengesteuerten Gleichrich
ter (6) von der Trägerfrequenz befreit und über den Tiefpaßfilter (7) dem
Ausgangsverstärker (8) zugeführt wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Genera
tor (10) eine Trägerfrequenz von 1,4 bis 1,8 KHz erzeugt wird.
3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß im
Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1,6 KHz erzeugt wird.
4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Dehnungsmessung an Anlageteilen mit einer Temperatur bis zu 800°C
erfolgt.
5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Auflösung der Dehnungsmessung etwa 0,2 µm/m beträgt.
Priority Applications (1)
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DE19944419228 DE4419228B4 (de) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Vorrichtung zur Dehnungsmessung |
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DE19944419228 DE4419228B4 (de) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Vorrichtung zur Dehnungsmessung |
Publications (2)
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DE19944419228 Expired - Fee Related DE4419228B4 (de) | 1994-06-01 | 1994-06-01 | Vorrichtung zur Dehnungsmessung |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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FR2895078A1 (fr) * | 2005-12-20 | 2007-06-22 | Skf Ab | Dispositf de mesure de charge |
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---|---|---|---|---|
DE4324374A1 (de) * | 1993-07-21 | 1993-12-16 | Hoffrichter Medizintechnik | Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Körperdehnungen |
-
1994
- 1994-06-01 DE DE19944419228 patent/DE4419228B4/de not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4324374A1 (de) * | 1993-07-21 | 1993-12-16 | Hoffrichter Medizintechnik | Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Körperdehnungen |
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FR2895078A1 (fr) * | 2005-12-20 | 2007-06-22 | Skf Ab | Dispositf de mesure de charge |
WO2007077308A1 (fr) * | 2005-12-20 | 2007-07-12 | Aktiebolaget Skf | Dispositif de mesure de charge |
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DE4419228B4 (de) | 2005-02-10 |
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