DE4419228B4

DE4419228B4 - Vorrichtung zur Dehnungsmessung

Info

Publication number: DE4419228B4
Application number: DE19944419228
Authority: DE
Inventors: Gottfried Schüren
Original assignee: Bayer Technology Services GmbH
Current assignee: Bayer AG
Priority date: 1994-06-01
Filing date: 1994-06-01
Publication date: 2005-02-10
Anticipated expiration: 2014-06-02
Also published as: DE4419228A1

Abstract

Vorrichtung zur Dehnungsmessung, bestehend im wesentlichen aus einem kapazitiven Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägertrequenzmeßverstärker mit Amplitudenmodulation und gegebenenfalls einer dezentralen Meßwertverarbeitung, wobei der Trägerfrequenzmeßverstärker aus einem Generator (10), einem Leistungsverstärker (11), einem Phasenschieber (9), einem Übertrager (12), einer Meßbrücke (1, 2), die einen Referenzkondensator (2) und den Dehnungsmeßgeber (1) beinhaltet, einem Meßverstärker (3) mit Filter (4), einem Trennverstärker (5), einem phasengesteuerten Gleichrichter (6), einem Tiefpaßfilter (7) und einem Ausgangsverstärker (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1 bis 10 kHz erzeugt wird, die in zwei Signalformen vorliegt, einer Sinusspannung, die im Leistungsverstärker (11) verstärkt wird und den Übertrager (12) speist, und einer Dreieckspannung, die zum Phasenschieber (9) geleitet wird, welcher den Gleichrichter (6) schaltet, wobei die Meßbrücke (1, 2) vom Übertrager (12) mit der Sinusspannung versorgt und über veränderliche Induktivitäten im Übertrager (12) abgeglichen wird, die Meßspannung von der Meßbrücke (1, 2) im Meßverstärker (3) verstärkt und...

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 gegebenenfalls 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 Hochtemperatur-Dehnungsmessung, z.B. mit Hilfe eines kapazitiven Meßgebers durchgeführt. Ausgehend von diesem für den praktischen Einsatz untauglichen Labormeßverfahren mit einem kapazitiven Meßgeber sind neuere Meßgeräte zur Dehnungsmessung entwickelt worden, die mit einem solchen Meßgeber arbeiten.

Der kapazitive Dehnungsmeßgeber, auch speziell Hochtemperatur-Dehnungsmeßstreifen (kurz HT-DMS) genannt, ist meßtechnisch gesehen ein durch Verformungskräfte 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 bereitzustellen, die die genannten Nachteile nicht aufweist, insbesondere kompakt aufgebaut 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 Dehnungsmessung, insbesondere an heißgehenden Anlageteilen, bestehend im wesentlichen aus einem kapazitiven Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägerfrequenzmeßverstärker und gegebenenfalls einer insbesondere dezentralen Meßwertverarbeitung, 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 phasengesteuerten 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 Meßbrücke 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 Trägerquenz befreit und über den Tießpaßfilter dem Ausgangsverstärker zugeführt wird.

Als kapazitiver Dehnungsmeßgeber wird ein im Prinzip bekannter Hochtemperatur-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-Meßstreifen bei niedrigen Tempeaturen 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 Stabilitätsmerkmale, insbesondere bezüglich Drift und Verstärkung.

Bevorzugt werden erfindungsgemäß mehrere Dehnungsmeßgeber mit Meßverstärker mit einer Auswerteeinheit kombiniert z.B. mit einem Datenlogger, mit Linienschreiber oder mit einem gesonderten Datenverarbeitungssystem. Zur Durchführung dynamischer Messungen ist es möglich, Transientenrekorder, Bandgeräte, Schnellschreiber oder ein Oszilloskop zur Datenerfassung einzusetzen.

Die erfindungsgemäße Dehnungsmeßvorrichtung ermöglicht eine Lebensdauerüberwachung 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
1 ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Trägerfrequenzmeßverstärkers für Hochtemperatur-Dehnungsmeßstreifen.
2 den prinzipiellen Aufbau der Referenzkapazität.
Ein Übertrager 12 mit binär-gestuftem, induktivem Abgleich speist die Wheatstone'sche Brücke mit der Trägerfrequenz des Generators 10. Die Wheatston'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 versorgten 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 empfindlichesten 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 herkömmliche Meßgeräte von 12 bis 14 bit Auflösung ausreichend sind. In den Ausgangsverstärker 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 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 ausschließliche Verwendung metallischer und keramischer Werkstoffe beim Referenzkondensator. Der Referenzkondensator 2 ist so kompakt gebaut, daß er in das Verstärkergehäuse integriert werden kann. Der Abgleich des Referenzkondensators 2 auf einen genauen Kapazitätswert und auf den Temperaturgang erfolgt z.B. mechanisch 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 Kraftwerkskomponenten 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 8 000 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

Vorrichtung zur Dehnungsmessung, bestehend im wesentlichen aus einem kapazitiven Dehnungsmeßgeber, einem kompakten Trägertrequenzmeßverstärker mit Amplitudenmodulation und gegebenenfalls einer dezentralen Meßwertverarbeitung, wobei der Trägerfrequenzmeßverstärker aus einem Generator (10), einem Leistungsverstärker (11), einem Phasenschieber (9), einem Übertrager (12), einer Meßbrücke (1, 2), die einen Referenzkondensator (2) und den Dehnungsmeßgeber (1) beinhaltet, einem Meßverstärker (3) mit Filter (4), einem Trennverstärker (5), einem phasengesteuerten Gleichrichter (6), einem Tiefpaßfilter (7) und einem Ausgangsverstärker (8) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1 bis 10 kHz erzeugt wird, die in zwei Signalformen vorliegt, einer Sinusspannung, die im Leistungsverstärker (11) verstärkt wird und den Übertrager (12) speist, und einer Dreieckspannung, die zum Phasenschieber (9) geleitet wird, welcher den Gleichrichter (6) schaltet, wobei die Meßbrücke (1, 2) vom Übertrager (12) mit der Sinusspannung versorgt und über veränderliche Induktivitäten im Übertrager (12) abgeglichen 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 Gleichrichter (6) von der Trägerfrequenz befreit und über den Tiefpaßfilter (7) dem Ausgangsverstärker (8) zugeführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1,4 bis 1,8 KHz erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Generator (10) eine Trägerfrequenz von 1,6 KHz erzeugt wird.
Vorrichtung nach einem Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungsmessung an Anlageteilen mit einer Temperatur bis zu 800°C erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflösung der Dehnungsmessung etwa 0,2 μm/m beträgt.