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Die
vorliegende Anmeldung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Messen von Materialermüdung,
um eine elektronische Aufzeichnung von Spannung und Dehnung, die
von einer Struktur erfahren werden, zu erzeugen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen
betreffen Vorrichtungen, welche strukturell bedeutsame Ereignisse überwachen
und aufzeichnen, so dass die strukturelle Unversehrtheit von Komponenten
bestimmt werden kann.
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Technische
Komponenten versagen selten durch ein einzelnes Aufbringen einer
Last. Normalerweise wird der Widerstand von statischer Materialmasse
gegen eine aufgebrachte Last ziemlich gut verstanden und Komponenten
sind so entworfen, dass sie Entwurfsbelastungen beinhalten. Zusätzlich beinhalten
die meisten Entwürfe
Sicherheitsfaktoren, um unvorhergesehene Ereignisse einschließlich einer
Unterschätzung
der Größe der aufgebrachten Last
und Überschätzung der
Materialstärke
zu berücksichtigen.
Die überwiegende
Mehrzahl von technischen Komponenten versagt daher durch eine Kombination
von progressiven Versagensmechanismen, welche eine Fähigkeit
eines strukturellen Materials beeinträchtigen, elastisch aufgebrachten
Spannungen zu widerstehen. In der großen Mehrzahl von Fällen, die
eine progressive Verschlechterung von strukturellen Materialien
betreffen, wird häufig
der Ausdruck Ermüdung
verwendet.
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Ermüdung kann
als eine strukturelle Verschlechterung eines Materials unter variierender
Last definiert werden, welche niemals eine Größe erreicht, die ein Versagen
in einer einzelnen Anwendung verursachen würde. Es ist eine progressive
Erscheinung; die zum Erreichen des Ermü dungs-Versagens-Zustandes benötigte Zeit
ist direkt von der Größe und Anzahl
von lokalen Spannungs-Dehnungs-Oszillationen
und strukturell bedeutsamen Ereignissen abhängig. Es gibt viele verschiedene
einer Ermüdung
zugeordnete Mechanismen, aber alle weisen eine Beziehung zu der
Art der aufgebrachten Last auf.
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Es
ist allgemein anerkannt, dass der Ermüdungsprozess aus zwei unterschiedlichen
Phasen besteht. Die erste ist Ermüdungsrissbildung. Dies ist die
Periode, während
welcher ein Material zyklisch einer Spannung unterworfen wird und
als ein scheinbares Kontinuum reagiert, d.h., dass es kein makroskopisches
Anzeichen gibt, dass die Beaufschlagung mit Spannung einen Schaden
an der Gleichförmigkeit
des Materials bewirkt. In der Realität ist es jedoch bekannt, dass,
falls die Spannungs-Dehnungszyklen oberhalb einer Schwellwertgröße sind,
Mikromechanismen zu der Erzeugung von makroskopischen Unstetigkeiten
in der Materialstruktur beitragen; diese wachsen häufig, so
dass sie zu Ermüdungsrissen werden.
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Die
zweite Phase des Ermüdungsprozesses ist
ein Voranschreiten des Ermüdungsrisses.
Dies ist die Periode, während
welcher Risse hinsichtlich ihrer Größe bei variierenden Raten in
Abhängigkeit
von der Art der Last, dem Material, durch welches der Riss wächst und
der Umgebung, welcher der Riss ausgesetzt ist, wachsen. Schließlich wird,
wenn der Riss eine kritische Größe erreicht,
die Komponente in einer relativ kurzen Zeitperiode versagen.
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Die
Steuerung einer strukturellen Unversehrtheit ist eine Erweiterung
einer Qualitätssicherung,
die auf Strukturen während
ihrer effektiven Lebenszeiten angewandt wird. Die zugrundeliegende Prüfung, gegen
welche eine Struktur beurteilt wird, ist, ob sie für den Anwendungszweck
geeignet ist, d.h., obwohl ein bestimmter Grad an Schaden und/oder
vergrößerten Lasten
toleriert werden kann, muss eine Struktur kontinuierlich oder periodisch
hinsichtlich ihrer Fähigkeit
bewertet werden, die Aufgabe, für
welche sie entworfen wurde, sicher auszuführen.
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Das
Voranschreiten eines Ermüdungsrisses ist
aufgrund der makroskopischen Natur von Rissen relativ einfach zu überwachen
(daher die große
Zahl an verfügbaren,
handelsüblichen
Rissinspektionsinstrumenten). Sobald ein Riss/Defekt erfasst wurde, kann
er relativ genau gemessen und eine lineare elastische Bruchmechanikanalyse
angewandt werden, um die Zeit zu erfassen, bis der Riss sich zu
einer kritischen Größe entwickelt.
Dies wird unter Verwendung einer allgemeinen Fließ- und Bruchanalyse bestimmt.
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Demgegenüber ist
kein Instrument verfügbar,
das den Schadensanteil, der während
der Ermüdungsrissanfangsphase
aufgetreten ist, direkt messen kann. Stattdessen vertraut die Industrie
auf periodische Untersuchungen auf Risse auf der Grundlage von analytischen
und numerischen Vorhersagemodellen. Diese sind, wie alle Simulationen,
empfindlich gegenüber
dem Geschick und der Erfahrung von Unversehrtheitsbewertungs-Ingenieuren,
und eine darauffolgende Entdeckung von Rissen ist abhängig von
dem Geschick des Prüfers
und dem Leistungsvermögen
des Prüfverfahrens.
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Das
Fehlen einer Überwachung
eines Ermüdungsrissbeginns
ist ein tatsächlicher
Nachteil für eine
Unversehrtheitsbewertung, insbesondere, wenn man bedenkt, dass in
bestimmten hochgradig oberflächenbearbeiteten
strukturellen Komponenten (beispielsweise Wellen, Spindeln, Lagergehäusen, Rotorblättern usw.)
eine Gesamtermüdungslebensdauer
oft bis zu 90 % Ermüdungsrissbeginn
und 10 % Ermüdungsrissvoranschreiten
umfassen kann.
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Für den Fall
von Flugzeugrümpfen
ist es bekannt, elektrische Dehnungsmessgeräte vorzusehen, um Dehnungsvariationen
zu messen, die vom Flugzeug erfahren werden. Die von einer Anzahl
von Dehnungsmessgeräten
an verschiedenen Positionen an einem Flugzeug erzeugten Signale
werden dann einer zentralen Aufzeichnungsvorrichtung zugeführt, wo
die Signale digitalisiert werden und eine Darstellung der Signale
auf einem Magnetband aufgezeichnet werden. In der US-A-4336595 wurde
erkannt, dass die Verzögerung,
die zwischen dem Erhalten der Dehnungsdaten und ihrer nachfolgenden
Interpretation auftrat, unerwünscht
war und daher wurde vorgeschlagen, dass erfasste Signale eher in
einem Computer an Bord des Flugzeuges automatisch verarbeitet werden
sollten, als dass sie einfach nur aufgezeichnet werden.
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Ein
weiteres Beispiel eines eingebauten Überwachungssystem ist in der
US 5,531,122 offenbart.
Diese offenbart ein Überwachungssystem
für Lastkraftwagen,
in welchem die Öldämpferbeine
in Stoßdämpfern überwacht
werden. Obwohl jedoch die US-A-4,336,595 und US-A-5,531,122 Beispiele
eines Überwachungssystems
sind, ist weder das System der US-A-4,336,595 noch das in der US-A-5,531,122
beschriebene zur Verwendung zur Überwachung
einer Vielzahl verschiedener Strukturen geeignet.
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Ein
Beispiel eines Geräts
zur automatischen Verarbeitung von Spannungsmessungen ist in der
EP 0 856 817 offenbart.
Diese offenbart ein Gerät, das
mit externen Dehnungsmessgeräten über Dehnungsmessgerätanschlüsse verbunden
werden kann. Werte von den externen Dehnungsmessgeräten werden
dann automatisch unter Verwendung einer Rain-Flow-Analyse verarbeitet,
um einen Wertesatz zu erhalten, der eine Ermüdung anzeigt.
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Die
US-A-4,179,940 offenbart ein System zum Überwachen von Änderungen
einer Dehnungslast bei metallischen strukturellen Bauteilen, die
einer zyklischen Belastung ausgesetzt sind. In einer bevorzugten
Ausführungsform
umfasst das System ein Dehnungsmessgerät, das unter einem Flicken
angebracht ist, welches eine umgebende Atmosphäre während der Überwachung des strukturellen
Bauteils ausschließt.
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Die
US-A-6,076,405 offenbart eine akustische Rotorüberwachung, welche eingebettete
und versteckte Ermüdungsrisse
in entfernt nicht-erreichbaren Geräten wie beispielsweise Hubschrauberrotor-Systemkomponenten
erfassen kann. Das System ist ein autonomes, sich selbst mit Energie
versorgendes Messinstrument. Die Rotorüberwachung richtet sich auf
das Einbetten eines auf akustischer Emission basierenden intelligenten
Sensors direkt im Rotorsystem, um die Hochfrequenzspannungswellen
zu messen, welche anzeigen, dass ein struktureller Riss vorangeschritten
ist.
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In Übereinstimmung
mit einem erfindungsgemäßen Aspekt
ist eine Vorrichtung zum Erfassen von Spannungen, die von einer
Struktur erfahren werden, vorgesehen, umfassend:
ein Gehäuse, das
dazu ausgebildet ist, an einer Struktur angebracht zu werden;
und
ein
Dehnungsmessgerät
im Gehäuse,
das betriebsbereit ist, wenn das Gehäuse an einer Struktur angebracht
ist, um die von der Struktur erfahrenen Spannungen zu erfassen und
elektrische Signale zu erzeugen, die die Spannungen anzeigen;
gekennzeichnet
durch:
ein Aufzeichnungsmittel im Gehäuse, das betriebsbereit ist,
um Daten, die von den Signalen abgeleitet werden, aufzuzeichnen,
um eine Aufzeichnung von Spannungen, die von der Struktur, an welcher
das Gehäuse
(16) angebracht ist, zu unterschiedlichen Zeiten in einer
Zeitperiode erfahren werden, zu bilden; und
ein Ausgabemittel,
das betrieben werden kann, um Daten auszugeben, die die Aufzeichnung
darstellen.
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Erfindungsgemäße Ausführungsformen
stellen Geräte
bereit, die nicht nur einen In-Situ-Belastungsdetektor umfassen,
sondern auch ein Mittel, das im Wesentlichen an derselben Position
wie der Belastungsdetektor angeordnet ist, um Daten davon aufzuzeichnen
1 zu speichern. Dies bedeutet, dass hochzuverlässige Aufzeichnungen der Signale
für eine
zukünftige
Analyse gemacht werden können.
Indem der Abstand und die Länge
der Verdrahtung zwischen dem Spannungserfassungsgerät und dem
Datenspeichergerät
minimiert werden, ist es möglich, eine
Signalverschlechterung zu reduzieren, indem Temperatur-, elektrische-
und elektromagnetische Störungen
von der Übertragung
eines Signals zwischen dem Dehnungsmessgerät und dem Datenspeichersystem
eliminiert werden. Indem die Fehlerquellen eliminiert werden, kann
eine verbesserte Aufzeichnung der Spannungen, die von einer Struktur erfahren
werden, erhalten werden.
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Die
Anmelder haben ferner verstanden, dass durch Bereitstellen einer
Vorrichtung zum Lesen und Aufzeichnen von Spannungen während der
gesamten Lebensdauer einer Komponente oder Struktur ein Mittel bereitgestellt
ist, durch welches eine Ermüdung in
dem Gerät
oder der Struktur überwacht
werden kann, insbesondere während
der Rissanfangsphase. Um Spannungen über die gesamte Lebensdauer
einer Struktur zu messen und aufzuzeichnen, muss auch ei ne Energiequelle,
welche eine hinreichende Energie zur Überwachung und Aufzeichnung
für die gesamte
Lebensdauer der Struktur bereitstellt, ebenfalls bereitgestellt
werden. Dies kann erreicht werden, indem entweder eine erneuerbare
Energiequelle, beispielsweise ein Solar-Kollektor, bereitgestellt wird, oder,
alternativ das Messmittel und das Aufzeichnungsmittel in einer Weise
angeordnet werden, welche einen Energieverbrauch minimiert, so dass eine
Quelle für
nicht-erneuerbare Energie, wie beispielsweise eine Batterie, die
Vorrichtung für
im wesentlichen die Lebensdauer der überwachten Struktur mit Energie
versorgen kann.
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Weitere
Aspekte und erfindungsgemäße Ausführungsformen
werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und Figuren
offenbar werden, worin:
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1 ein
schematisches Diagramm einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Spannungsüberwachungsgerätes in Übereinstimmung
mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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3 ein
Querschnitt eines Spannungsüberwachungsgerätes in Übereinstimmung
mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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4 ein
Blockdiagramm der Verarbeitungseinheit von 3 ist;
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5 ein
Flussdiagramm der Verarbeitung des Prozessors der 4 ist;
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6 ein
Flussdiagramm der Verarbeitung eines Prozessors in Übereinstimmung
mit einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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7 ein
Blockdiagramm der Verarbeitungseinheit einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist;
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8 ein
Flussdiagramm der Verarbeitung des Prozessors von 7 ist;
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9 eine
perspektivische Ansicht einer fünften
erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist, die dazu angeordnet ist, Spannungen, die auf eine Brücke ausgeübt werden,
zu messen; und
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10 eine
perspektivische Ansicht einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist, die dazu angeordnet ist, Spannungen zu messen, die auf eine
Tauchausrüstung
ausgeübt
werden.
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Ein Spannungsüberwachungsgerät 1 in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist angeordnet, Spannungen und Dehnungen, die auf einen Bohrstrang 2 als
einen Teil einer Öl-
und Gasbohrausrüstung
(in 1 nicht gezeigt) ausgeübt werden, der dazu verwendet
wird, eine Bohrspitze zum Schneiden durch Stein zu drehen, zu überwachen.
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In Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist das Spannungsüberwachungsgerät 1 an
der Oberfläche
des Bohrstrangs 2 angebracht, dessen Spannungen zu überwachen sind.
Der Bohrstrang 2 und das Spannungsüberwachungsgerät 1 werden
dann von einer harten Verblendung 3 abgedeckt, welche bewirkt,
das Spannungsüberwa chungsgerät 1 vor
Beschädigung
zu schützen,
während
der Bohrstrang 2 verwendet wird.
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Sobald
das Spannungsüberwachungsgerät 1 in
Position ist, überwacht
das Spannungsüberwachungsgerät 1 kontinuierlich
die auf den Bohrstrang 2 ausgeübten Spannungen und Dehnungen
und zeichnet diese auf. Daten, die bedeutsame strukturelle Ereignisse
anzeigen, die von dem Spannungsüberwachungsgerät erfasst
werden, werden im Speicher (nicht in 1 gezeigt)
des Spannungsüberwachungsgerätes 1 aufgezeichnet.
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Periodisch,
wenn der Bohrstrang zur Oberfläche
zurückgeholt
wird, wird das Spannungsüberwachungsgerät 1 von
einem Datenleser 4 abgefragt, welcher dazu angeordnet ist,
Daten von dem Speicher des Spannungsüberwachungsgerätes 1 mittels einer
Funkverbindung 5 in den Datenleser 4 herunterzuladen.
Auf diese Weise kann daher auf Daten, die von dem Spannungsüberwachungsgerät 1 aufgezeichnet
wurden, zugegriffen werden, ohne dass das Spannungsüberwachungsgerät 1 vom
Bohrstrang 2 entfernt wird noch die harte Verblendung 3,
die das Spannungsüberwachungsgerät 1 schützt, entfernt wird.
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Wenn
Daten vom Speicher des Spannungsüberwachungsgerätes 1 in
den Datenleser 4 kopiert wurden, können diese Daten weiter von
dem Datenleser 4 durch eine zweite Funkverbindung 7 an
einen Computer 6 übertragen
werden, wo die Daten, die vom Spannungsüberwachungsgerät 1 aufgezeichnet wurden,
einer weiteren Analyse ausgesetzt werden können.
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Indem
ein Spannungsüberwachungsgerät 1 bereitgestellt
ist, das dazu angeordnet ist, kontinuierlich die von einem Bohrstrang 2 erfahrenen
Spannungen zu überwachen,
ist ein Mittel bereitgestellt, um die Überwachung eines Ermüdungsrissbeginns
zu überwachen.
Insbesondere ist in Über einstimmung mit
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform,
wo ein Spannungsüberwachungsgerät 1 bereitgestellt ist,
um Spannungen eines unter der Erde verwendeten Bohrstrangs 2 zu überwachen,
indem ein Speicher vorgesehen ist, der eine Aufzeichnung von Spannungen
speichert, ein Mittel bereitgestellt ist, um eine Aufzeichnung von
Spannung während
der Verwendung des Bohrstrangs 2 zu erhalten, obwohl die
Daten aufgrund von Kommunikationsschwierigkeiten mit dem Spannungsüberwachungsgerät l, wenn
der Bohrstrang unter der Erde ist, nur periodisch vom Datenleser 4 erhalten
werden können.
Indem Bohrstränge
von der Verwendung auf der Grundlage von überwachten Spannungen zurückgenommen
werden, kann daher ein Bohrlochversagen eines Bohrstrangs während einer
Bohroperation vermieden werden.
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Die
physikalische Struktur eines Spannungsüberwachungsgerätes 1 in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird nun unter Bezugnahme auf 2 und 3 beschrieben,
worin 2 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Spannungsüberwachungsgerätes in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist und 3 ein Querschnitt eines Spannungsüberwachungsgerätes 1 ist.
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In Übereinstimmung
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfasst das Spannungsüberwachungsgerät 1 eine
rechteckige Platte 10 von 60 × 80 mm, welche eine rechteckige Öffnung 11 von
10 × 20
mm in ihrer Mitte aufweist. In dieser Ausführungsform umfasst die rechteckige
Platte eine 15 mm dicke Messingplatte. Es wird jedoch verstanden,
dass in anderen Ausführungsformen
jegliches geeignete Material, beispielsweise Plastik, Aluminium,
usw., welches relativ stark ist und geformt werden kann, verwendet
werden könnte.
Diese rechteckige Platte 10 ist durch Epoxidharz mit der
Oberfläche
des Bohrstranges 2 verbunden. An den vier Ecken der rechteckigen
Platte 10 sind Schraublöcher 12 angeordnet, um
Schrauben 14 zum Befestigen der Abdeckung 16 an
die rechteckige Platte 10 aufzunehmen.
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In
dieser Ausführungsform
umfasst die Abdeckung 16 eine 60 × 80 mm rechteckige Abdeckung,
die aus starrem Plastik gefertigt ist, und in ihrer Oberfläche eine
Kalotte von halbovaler Form aufweist, die sich zu einem Abstand
von 24 mm von der oberen Oberfläche
der rechteckigen Platte 10 in ihrer Mitte erhebt und dadurch
eine Kavität 20 zwischen der
Kalotte der Abdeckung 16 und der oberen Oberfläche der
rechteckigen Platte 10 definiert. Die vier Ecken der Abdeckung 16,
die nicht von der Kalotte besetzt sind, erstrecken sich, um Flansche
zu bilden, wobei in jedem ein weiteres Schraubenloch 12 vorgesehen
ist, durch welches die Schrauben 14 hindurchtreten, um
die Position der Abdeckung 16 relativ zur Platte 10 zu
fixieren. Indem die rechteckige Platte 10 mit der Oberfläche eines
Bohrstrangs 2 verbunden wird und dann die Abdeckung 16 an
die Platte 10 mittels Einsetzens von Schrauben 14 durch
die Schraubenlöcher 12 abgeriegelt
werden, ist ein Mittel bereitgestellt, die Abdeckung 16 an
dem Bohrstrang 2 zu fixieren, ohne Bohrlöcher in
den Bohrstrang 2 selbst zu bohren und auf diese Weise die
strukturelle Unversehrtheit des Bohrstrangs 2 zu beeinträchtigen.
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In
dem Loch 11 der rechteckigen Platte 10 sind ein
erstes 22 und ein zweites 24 elektronisches Dehnungsmessgerät bereitgestellt,
die herkömmliche
elektronische Dehnungsmessgeräte
in Rosettenanordnung umfassen, von denen jedes dazu angeordnet ist,
eine Spannung in drei Richtungen auf der Grundlage einer Widerstandsänderung
zu messen, die aufgrund einer Streckung von Drähten in den Rosetten entsteht.
Das erste Dehnungsmessgerät 22 ist mit
der Oberfläche
des Bohrstrangs 2 verbunden, so dass sich der elektrische
Widerstand des ersten Dehnungsmessgerätes 22 in Übereinstimmung
mit Spannungen und Dehnungen, die auf den Bohrstrang 2 ausgeübt werden, ändert. Das
zweite Dehnungsmessgerät 24 ist
in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
dazu angeordnet, Umgebungsänderungen
zu messen, wie beispielsweise Temperaturänderungen, welche zu Wertabweichungen
von den beiden Dehnungsmessgeräten 22, 24 führen. Das
zweite Dehnungsmessgerät 24 ist
daher nicht an der Oberfläche
einer lasttragenden Struktur fixiert, sondern ist stattdessen an
einer nicht-lasttragenden Folie 25 fixiert, die aus einem
Material besteht, das dem Material entspricht, aus welchem der Bohrstrang 2 gefertigt
ist. Daher können
Variationen des elektrischen Widerstandes, die allein von Umweltfaktoren
und nicht von ausgeübter
Spannung herrühren, bestimmt
werden, weil die Folie 25 sich in einer zu dem Material
des Bohrstrangs 2 ähnlichen
Weise expandieren und kontrahieren wird. Indem die Abweichungen
der Spannungswerte des zweiten Spannungsmessgerätes 24 von den Werten
des ersten Spannungsmessgerätes 22 subtrahiert
werden, kann eine Aufzeichnung der Spannungen und Dehnungen, die
von dem Bohrstrang 2 lediglich durch aufgebrachte Lasten
erfahren werden, erhalten werden. Die Bereitstellung eines zweiten
Dehnungssensors 24 als ein Dummy-Messinstrument ermöglicht es,
dass die Widerstandsvariation, die von Umweltfaktoren herrührt, ermittelt
wird, ohne dass eine bedeutende Verarbeitungsleistung erforderlich
ist und erfordert daher relativ kleine Beträge von elektrischer Energie,
die bereitzustellen ist.
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Sowohl
das erste 22 als auch das zweite 24 Dehnungsmessgerät sind mittels
Drähten 32, 34 an einer
Verarbeitungseinheit 30 angebracht, die in der Kavität 20 vorgesehen
ist, welche durch die Kalotte der Abdeckung 16 und die
obere Oberfläche
der rechteckigen Platte 10 definiert ist. In dieser Ausführungsform
erstrecken sich diese Drähte 32, 34 in
einem Abstand von etwa 20 mm von den Dehnungsmessgeräten 22, 24 zur
Verarbeitungseinheit 30.
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Die
Bereitstellung einer Verarbeitungseinheit 30 in einem Gehäuse, das
durch die Abdeckung 16 und die rechteckige Platte 10 definiert
ist, stellt auch ein Mittel bereit, durch welches Daten, die von
den Dehnungsmessgeräten 22, 24 erhalten
werden, im wesentlichen in situ aufgezeichnet werden können. Dies
ermöglicht
es, dass das Spannungsüberwachungsgerät 1 eingesetzt
werden kann, Spannungen zu messen, die von Strukturen, wie beispielsweise dem
Bohrstrang 2, welche sich drehen oder sich bewegen, erfahren
werden, weil keine bedeutsame relative Bewegung der Verarbeitungseinheit 30 relativ zu
den Dehnungsmessgeräten 22, 24 auftreten
wird.
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Die
Drähte 32, 34 sind
dazu angeordnet, Strom von den Dehnungsmessgeräten 22, 24 zur Verarbeitungseinheit 30 zu übertragen.
Für jedes
der Dehnungsmessgeräte 22, 24 können die
kleinen Widerstandsvariationen in jedem der drei Schaltkreise, die
eine Verdrahtung umfassen, die senkrecht zu den drei Richtungen,
in welchen eine Spannung zu überwachen
ist, und von Stromvariationen in den Schaltkreisen bestimmt werden.
Die Schaltkreise, in denen ein Strom gemessen wird, umfassen die
Messverdrahtung der Dehnungsmessgeräte 22, 24 und
der Drähte 32, 34,
die die Dehnungsmessgeräte 22, 24 mit
der Verarbeitungseinheit 30 verbinden. Der Widerstand in
diesen Schaltkreisen variiert in dem Falle der Drähte des
ersten Dehnungsmessgerätes 22 aufgrund
von Umgebungsfaktoren, wie beispielsweise Temperaturänderungen
und aufgrund einer Streckung aufgrund der Anwendung von Last auf
den Bohrstrang 2. In dem Falle des zweiten Dehnungsmessgerätes 24 rührt die
Widerstandsvariation in den Drähten
des zweiten Dehnungsmessgerätes 24 allein
von Umweltfaktoren her, da dieses nicht mit einer lasttragenden
Oberfläche
verbunden ist. Diese Widerstandsmessungen können dann in Messungen von
Dehnung, die von dem Bohrstrang 2 erfahren werden, umgewandelt
werden, wie ausführlich
später beschrieben
wird.
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Die
Anmelder haben verstanden, dass, weil die zur Bestimmung von Spannungsmessungen
verwendeten Widerstandsvariationen klein sind, Widerstandsvariationen
der Verdrahtung 32, 34, die die Dehnungsmessgeräte 22, 24 mit
einer Verarbeitungseinheit 30 verbinden, eine bedeutsame
Fehlerursache bei Spannungswerten, die von einem Dehnungsmessgerät erhalten
werden, sein können.
Insbesondere können,
weil die Spannungsmessung durch ein elektrisches Dehnungsmessgerät 22, 24 nur
sehr kleine Widerstandsänderungen
an den Dehnungsmessgeräten 22, 24 bewirkt,
wie beispielsweise Änderungen
von etwa 20 mΩ in
einem Widerstandsdehnungsmessgerät
von 120 Ω,
vergleichbare Widerstandsänderungen
auch als ein Ergebnis von thermischer Ausdehnung oder Schwingung
der Verdrahtung 32, 34, die das Dehnungsmessgerät 22, 24 mit
einer Verarbeitungseinheit verbindet, erzeugt werden. Um diese Fehler
zu minimieren, sind daher diese Längen der Drähte 32, 34,
die die Dehnungsmessgeräte 22, 24 mit
der Verarbeitungseinheit 30 verbinden, so kurz wie möglich gemacht,
um die Fehler zu minimieren, bevor die von den Dehnungsmessgeräten 22, 24 erzeugten
Signale von der Verarbeitungseinheit 30 verstärkt werden.
Diese Drähte 32, 34 sind
ferner in der Kavität 20,
die durch die Kalotte der Abdeckung 16 definiert ist, enthalten
und daher zu einem gewissen Grad von Änderungen der äußeren Umweltbedingungen
durch die Abdeckung 16 und die harte Verblendung 3 abgeschirmt.
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4 ist
ein Blockdiagramm der Verarbeitungseinheit 30, die durch
die kurzen Längen
der Drähte 32 bzw. 34 mit
dem ersten Dehnungssensor 22 und dem zweiten Dehnungssensor 24 verbunden ist.
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In
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfasst die Verarbeitungseinheit 30 einen Multiplexer 40,
der mit den Drähten 32 und 34 verbunden ist,
die mit den ersten 22 und zweiten 24 Dehnungssensoren
verbunden sind. Die Verarbeitungseinheit 30 umfasst auch
einen Analog-Digital-Konverter 42, der
mit dem Multiplexer 40 verbunden ist, einen Prozessor 44,
einen Speicher 46, eine Batterie 48, eine Uhr 50,
einen temporären
Datenspeicher 52 und einen Receiver/Transmitter 54.
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Zusätzlich dazu,
dass der Prozessor 44 mit dem Analog-Digital-Konverter 42 verbunden
ist, ist der Prozessor 44 auch mit dem Speicher 46,
der Batterie 48 zur Versorgung der Verarbeitungseinheit 30 mit
Energie, der Uhr 50, dem temporären Datenspeicher 52 und
dem Receiver/Transmitter 54 verbunden.
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Der
Multiplexer 40 ist angeordnet, Signale von dem ersten Dehnungssensor 22 und
dem zweiten Dehnungssensor 24 simultan zu empfangen. Der Multiplexer 40 konvertiert
die von dem ersten 22 und zweiten 24 Dehnungssensor
empfangenen simultanen Werte in sechs getrennte Signale hinein,
welche Strommessungen in jedem der drei Schaltkreise von beiden
der Dehnungssensoren 22, 24 sind, welche dann
an einen mit dem Multiplexer verbundenen Analog-Digital-Konverter 42 übertragen
werden. Der Analog-Digital-Konverter 42 konvertiert
die vom Multiplexer 40 ausgegebenen analogen Signale in
digitale Signale, welche dann einem Prozessor 44 übertragen
werden, der mit dem Analog-Digital-Konverter 42 verbunden
ist.
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Der
Prozessor 44 ist dazu angeordnet, vom Analog-Digital-Konverter 42 ausgegebene
Signale vor der Speicherung im Datenspeicher 52 zu verstärken. Der
Prozessor 44 ist auch dazu angeordnet, von Daten im temporären Datenspeicher 52 und
Signalen, die von dem Analog-Digital-Konverter 42 empfangen
und verstärkt
wurden, zu bestimmen, ob ein strukturell bedeutsames Ereignis aufgetreten
ist. Wie ausführlich
später
beschrieben wird, werden, wenn bestimmt wurde, dass solch ein Ereignis
eingetreten ist, Daten, die das Ereignis und die Zeit, zu welcher es
eingetreten ist, anzeigen, im Speicher 46 gespeichert.
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Der
Datenspeicher 52 in dieser Ausführungsform ist dazu angeordnet,
Daten zu speichern, die vom Prozessor verwendet werden, um zu bestimmen,
ob ein signifikantes strukturelles Ereignis eingetreten ist. Als
solches ist der Datenspeicher 52 dazu angeordnet, Daten
für kurze
Zeitperioden zu speichern, während
die Bedeutung der Daten untersucht werden kann. Demgegenüber ist
der Speicher 46 ein Langzeitdatenspeicher, der dazu vorgesehen
ist, eine langfristige Aufzeichnung von bedeutsamen strukturellen
Ereignissen bereitzustellen, welche von der Struktur erfahren werden,
an welcher das Spannungsüberwachungsgerät angebracht
ist. Der Speicher 46 in dieser Ausführungsform umfasst ein Flash-RAM,
welche es ermöglicht,
dass Daten vom Speicher 46 ausgelesen werden, ohne dass
die Verarbeitung des Speichers beeinträchtigt wird.
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Der
Transmitter/Receiver 54 ist dazu angeordnet, Funkbotschaften
von einem Datenleser 4 zu empfangen. Wenn dies geschieht, überträgt der Transmitter/Receiver 54 ein
Signal an den Prozessor 44, welches dann bewirkt, dass
der Prozessor 44 auf Daten vom Speicher 46 zugreift,
welche dann als ein Funksignal von dem Transmitter/Receiver 54 an
den Datenleser 4 übertragen
werden. Auf diese Weise kann der Inhalt des Speichers 46 in
den Speicher eines Datenlesers 4 für eine nachfolgende Analyse
kopiert werden.
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Die
Verarbeitung von Signalen durch den Prozessor 44 auf einer
Verarbeitungseinheit 30 in Übereinstimmung mit die ser erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird nun mit Bezugnahme auf 5 beschrieben.
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5 ist
ein Flussdiagramm der Verarbeitung eines Prozessors 44 in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Periodisch, beispielsweise alle 1,5 Millisekunden, verarbeitet der
Prozessor 44 von dem Analog-Digital-Konverter 42 erhaltene
Signale. Die Signale von dem Analog-Digital-Konverter 42 in
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
umfassen vier Signale, drei Signale von dem ersten Dehnungssensor,
entsprechend den Dehnungswerten in drei Richtungen von dem Dehnungssensor 22,
und ein Signal, das einem Wert vom zweiten Dehnungssensor 24 entspricht. Wenn
der Prozessor 44 diese vier Signale vom Analog-Digital-Konverter 42 erhält, verstärkt der
Prozessor 44 anfänglich
(s1) diese Signale digital um einen Faktor von 5000.
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Der
Prozessor 44 subtrahiert dann (s2) von den verstärkten Signalen
für die
drei Richtungen, für welche
Werte vom ersten Dehnungssensor 22 erhalten wurden, den
vom zweiten Dehnungssensor 24 erhaltenen Wert.
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Da
nur der erste Dehnungssensor 22 mit der Oberfläche des
Bohrstrangs 2 verbunden ist, ist nur der erste Dehnungssensor 22 von
Spannungen und Dehnungen, die auf den Bohrstrang 2 ausgeübt werden,
betroffen. Jede Variation des Werts vom zweiten Dehnungssensor 24 tritt
daher nur aufgrund von Umweltfaktoren auf, wie beispielsweise Variationen
der Temperatur, welchen das Spannungsüberwachungsgerät 1 ausgesetzt
ist. Durch Subtrahieren der Werte vom zweiten Dehnungssensor 24 von
den Werten des ersten Dehnungssensors 22 wird daher ein
Satz von drei Werten für
die Spannungen erhalten, welche auf den Bohrstrang 2 in
drei unterschiedlichen Richtungen ausgeübt werden, welcher nicht durch
Umweltfaktoren beeinflusst ist.
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Nachdem
die Werte für
den ersten Dehnungssensor 22 durch Subtrahieren entsprechender Werte
vom zweiten Dehnungssensor 24 modifiziert wurden, bestimmt
der Prozessor 44 dann (s3), ob für jeden der drei Werte die
Differenz zwischen jedem Wert und einem entsprechenden zuvor gespeicherten
Wert im Datenspeicher 52 einen Geräuschschwellwert überschreitet.
Wenn die Werte des Dehnungssensors 22, die zur Berücksichtigung
von Umweltfaktoren modifiziert wurden, alle im Wesentlichen identisch
zu den zuvor im Datenspeicher 52 gespeicherten Werten sind,
zeigt dies an, dass die auf den Bohrstrang 2 ausgeübten Spannungen
sich nicht wesentlich seit der vorhergehenden Zeit, zu der eine
Bestimmung der Spannung durchgeführt
wurde, geändert
haben. Indem die Werte vom Dehnungssensor in dieser Weise gefiltert
werden, werden kleinere Fehler, die beispielsweise aufgrund von
Schwingung in den Drähten 32, 34 entstehen,
nicht als Ereignisse aufgezeichnet, die den Bohrstrang 2 betreffen.
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Wenn
alle Werte vom ersten Dehnungssensor im Wesentlichen den zuvor im
Datenspeicher 52 gespeicherten entsprechen, wird dann vom
Prozessor 44 keine weitere Handlung durchgeführt, bis
das nächste
Signal vom Analog-Digital-Konverter 42 empfangen
wird.
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Falls
jedoch die Werte vom Dehnungssensor 22 um einen Betrag
variieren, der größer ist
als der Schwellwertbetrag, wird der neue Satz von Werten dann (s4)
im Datenspeicher 52 gespeichert, zusammen mit Daten, die
die Zeit anzeigen, die von der Uhr 50 für die Zeit angezeigt werden,
zu welcher der Prozessor 44 die Werte vom Dehnungssensor 22 erhalten
hat, wobei die Werte überschrieben
werden, die dem Wert entsprechen, der vor dem Wert vor dem letzten
Wert im Datenspeicher 52 gespeichert wurde. Auf diese Weise
hat der Datenspeicher 52 daher darin drei Sätze von Werten
vom ersten Dehnungssensor 22 gespeichert, die verstärkt und
zur Berücksichtigung
von Umweltfaktoren für
drei aufeinanderfolgende Werte modifiziert sind, welche voneinander um
einen Betrag abweichen, der größer als
ein Geräuschschwellwert
ist, wobei jeder der drei Sätze
von Werten drei Werte umfasst, die eine Spannung in drei unterschiedlichen
Richtungen im Bohrstrang 2 anzeigen.
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Der
Prozessor 44 bestimmt dann (s5), ob die im Datenspeicher 52 gespeicherten
Daten anzeigen, dass die auf den Bohrstrang 2 ausgeübte Spannung entweder
ein Maximum oder ein Minimum erreicht hat (s5). Dies wird erreicht,
indem der Prozessor 44 für jeden der Werte, die Spannungsmessungen
in einer bestimmten Richtung entsprechen, bestimmt wird, ob der
Wert, der dem mittleren der drei im Datenspeicher 52 gespeicherten
Werte entspricht, für eine
bestimmte Richtung größer oder
kleiner als die beiden anderen Werte für eine Spannung in dieser Richtung
ist. Falls dies der Fall ist, speichert der Prozessor 44 dann
(s6) die Daten, die dem mittleren Wert entsprechen, der die drei
Werte für
die in den drei Richtungen durch den ersten Dehnungssensor 22 erfassten
Spannungen und die Zeitdaten umfasst, die der Zeit auf der Uhr 50 entsprechen,
zu der die Werte gemessen wurden, im Speicher 46. Die Verarbeitung
des Prozessors 44 endet dann, bis das nächste Signal, das vom Prozessor 44 vom
Analog-Digital-Konverter
empfangen wird, verarbeitet wird.
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Auf
diese Weise werden daher Daten, welche die auf einen Bohrstrang 2 ausgeübte Dehnung anzeigen,
welche eine Maximumstauchung oder -streckung anzeigen, im Speicher 46 zusammen
mit der Zeit, zu welcher solche Streckung und Stauchung aufgetreten
sind, aufgezeichnet. Wenn diese Daten unter Verwendung eines Datenlesers 4 ausgelesen werden,
können
die Daten dann auf herkömmliche Weise
durch Rain-Flow- oder Range-Pair-Analyse verarbeitet werden, um Belastungsabfolgen
zu identifizieren, welche vom Bohrstrang 2 erfahren werden, von
welchen die von Bohrstrang 2 erfahrene Ermüdung bestimmt
werden kann. Wenn die von den Werten berechnete Ermüdung einen
Schwellwert überschritten
hat, kann der Bohrstrang 2 von einer Verwendung zurückgezogen
werden, um sicherzustellen, dass ein Bohrlochversagen nicht als
ein Ergebnis eines strukturellen Versagens des Bohrstrangs 2 auftritt.
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Eine
zweite erfindungsgemäße Ausführungsform
wird nun mit Bezug auf 6 beschrieben. In der ersten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
wurde ein Spannungsüberwachungsgerät beschrieben,
die dazu angeordnet ist, Maximum- und Minimumspannungen aufzuzeichnen,
die auf eine Vorrichtung ausgeübt
werden, mit welchem das Überwachungsgerät 1 verbunden
war. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist, zusätzlich
zum Aufzeichnen bedeutsamer struktureller Ereignisse, die Perioden
von Maximum- und Minimumspannung umfassen, das Überwachungsgerät 1 in Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform
dazu angeordnet, auch Daten aufzuzeichnen, die Ruheperioden anzeigen,
wenn keine äußere strukturelle
Spannung auf das Gerät
aufgebracht wird, mit welchem es verbunden ist.
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Das
Spannungsüberwachungsgerät 1 in
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist identisch zu dem in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebenen, außer, dass
der Prozessor 44 dazu ausgebildet ist, vom Analog-Digital-Konverter 42 empfangene
Daten auf eine Weise zu verarbeiten, die nun mit Bezugnahme auf 6 beschrieben
wird.
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6 ist
ein Flussdiagramm des Prozessors 44 in Übereinstimmung mit der zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Die Verarbeitung des Prozessors 44 in Übereinstimmung mit dieser zweiten
erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist identisch mit der, die in Bezug auf die erste Ausführungsform
beschrieben worden ist, welche hier nicht wiederholt wird, außer, wenn
(s3) der Prozessor bestimmt, dass die Werte vom ersten Dehnungssensor 22,
die durch Subtrahieren von entsprechenden Werten vom zweiten Dehnungssensor 24 modifiziert sind,
dazu bestimmt sind, im Wesentlichen den im Datenspeicher 52 entsprechenden
Werten zu entsprechen.
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In
dieser Ausführungsform
bestimmt (s7) der Prozessor 44 dann (s7), wenn dies auftritt,
ob eine Ruheperiode auftritt, indem die aktuelle Zeit auf der Uhr 50 mit
der Zeit verglichen wird, die mit der letzten aufgezeichneten Messung
von im Speicher 46 aufgezeichneter Spannung verbunden ist.
Falls die Zeitdifferenz zwischen der Wert auf der Uhr 50 und
dem zuletzt im Speicher 46 aufgezeichneten Wert oberhalb eines
vorbestimmten Schwellwertes ist, zeigt dies an, dass keine Variation
von struktureller Spannung in dem Gerät, an welches das Spannungsüberwachungsgerät 1 befestigt
ist, für
eine Zeitperiode aufgetreten ist, die größer ist als dieser vorbestimmte Schwellwert.
Daten, die die Länge
der Ruheperiode anzeigen, werden dann im Datenspeicher 52 gespeichert
(s8).
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Nachdem
entweder Daten im Datenspeicher 52 gespeichert wurden (s8)
oder nachdem der Prozessor 44 bestimmt hat, dass keine
Ruheperiode auftritt 57, kommt die Verarbeitung des Prozessors 44 dann
zu einem Ende.
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Wenn
eine Spannungsvariation erfasst wird, für die bestimmt wird, dass sie
einem Umkehrpunkt entspricht (s5), speichert der Prozessor 44 Daten,
die diesem Wert entsprechen, und Daten, die die Länge der
vorangegangenen im Datenspeicher 52 aufgezeichneten Ruheperiode
entsprechen, im Speicher. Die Ruheperioden-Daten im Datenspeicher 52 werden
dann auf Null gesetzt.
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Zusätzlich dazu,
dass im Speicher 46 Daten gespeichert wurden, die die Maximum-
und Minimumspannungen identifizieren, die auf das Gerät ausgeübt werden,
mit welchem das Spannungsüberwachungsgerät 1 verbunden
ist, hat daher der Speicher 46 auf diese Weise auch Daten
darin abgespeichert, die die Zeitperioden und Zeiten eines Auftretens
von Perioden identifizieren, in welchen keine Spannungsvariation
auftritt. Diese Daten können dann
aus dem Speicher 46 auf dieselbe Weise ausgelesen werden,
wie sie auch in Bezug auf die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
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Eine
dritte erfindungsgemäße Ausführungsform
wird nun beschrieben. In den vorangegangenen zwei erfindungsgemäßen Ausführungsformen
wurde ein Spannungsüberwachungsgerät 1 beschrieben, welches
dazu angeordnet ist, Daten aufzuzeichnen, die Maximum- und Minimumspannungen
anzeigen, die auf ein Gerät
oder eine Komponente, an welcher das Spannungsüberwachungsgerät 1 befestigt
ist, ausgeübt
werden. Obwohl eine nützliche
Aufzeichnung der auf das Gerät
oder die Komponente ausgeübten
Spannungen bereitgestellt ist, können,
für einige
Anwendungen, insbesondere, wo eine Spannung oft variiert oder wo
eine Spannung über
eine lange Zeitperiode zu überwachen
ist, Probleme mit dem Erfordernis auftreten, große Datenmengen zu speichern.
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In Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform,
zusätzlich
zur Verarbeitung und Aufzeichnung von Daten, wie in der ersten Ausführungsform
beschrieben wurde, werden in dieser Ausführungsform die im Speicher 46 des
Spannungsüberwachungsgerätes 1 gespeicherten
Daten periodisch selbst verarbeitet, wobei die Ergebnisse der Verarbeitung
gespeichert werden, während
es erlaubt ist, dass die aktuellen durch das Spannungsüberwachungsgerät 1 erhaltenen
Daten im Speicher 46 dann überschrieben werden.
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Die
Anmelder der vorliegenden Erfindung haben verstanden, dass für eine strukturelle
Langzeitüberwachung
von Geräten
und Komponenten Änderungen
in den Komponenten und Geräten,
die von Ermüdung
herrühren,
Variationen in der Weise bewirken, auf welche eine Komponente oder
ein Gerät
auf aufgebrachte Belastungen reagiert. Insbesondere können Langzeitvariationen
in der Art und Weise, auf welche ein Teil eines Gerätes oder
einer Komponente mit Spannungen beansprucht wird, die Erzeugung von
Rissen in einem Bereich des Gerätes
oder der Komponente anzeigen, der entfernt von dem Bereich ist,
wo die Spannung gemessen wird.
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Der
Prozessor 44 in Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform
bestimmt so in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform,
nachdem eine voreingestellte Periode von Messungen im Speicher 46 gespeichert
wurde, ein Durchschnittsverhältnis
der Werte für
die drei Richtungen, in welchen eine Spannung durch den Weg-Rosetten-Dehnungssensor 22 überwacht
wird. Diese berechneten Verhältnisse
werden dann im Speicher 46 gespeichert. Der Prozessor 44 fährt dann
fort, um die zuvor aufgezeichneten Messungen von Maximum- und Minimumspannung
zu überschreiben,
welche im Speicher 46 für
eine entsprechende voreingestellte Zeitperiode gespeichert waren,
und dann werden weitere Verhältnisdaten
aufgezeichnet. Dieser Zyklus wird wiederholt, wobei die Verhältnisdaten
im Speicher 46 akkumuliert werden. Wenn Daten vom Speicher 46 ausgelesen
werden, kann die Art und Weise, in welcher das Verhältnis von der
durch den Dehnungssensor 22 gemessenen Dehnungen in den
drei Richtungen über
die Zeit variiert, dann bestimmt werden, so dass die Erzeugung von
Fehlstellen und Rissen in dem Gerät oder der Komponente, an welcher
das Spannungsüberwachungsgerät 1 angebracht
ist, berechnet werden können.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform wurde
eine Vorrichtung beschrieben, in welcher beschrieben wurde, dass
Verhältnisse
von verschiedenen Durchschnittsverhältnissen von in drei Richtungen
gemessener Spannung für
jede Zeitperiode aufgezeichnet wurden, für welche Maximum- und Minimumspannungswerte
gespeichert wurden. Es wird verstanden, dass die Speicheranforderungen
zum Speichern von Daten weiter reduziert werden könnten, indem
im Speicher 46 nur Daten für Durchschnittsverhältnisse
für Zeitperioden
gespeichert werden, wo das Durchschnittsverhältnis von einem voreingestellten
Schwellwert von dem Verhältnis
für die
vorangegangene Zeitperiode abweicht. Auf diese Weise müssten daher
weniger Daten im Speicher 46 gespeichert werden, während Tendenzen
in der Art und Weise, auf welche eine überwachte Komponente oder ein überwachtes
Gerät auf
aufgebrachte Spannung reagiert, bestimmt werden könnten.
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Obwohl
in dieser Ausführungsform
mit Bezug auf die Verarbeitung von Werten von Spannung zum Erhalten
von Daten, die Verhältnisse
von in verschiedenen Richtungen erfahrenen Durchschnittsspannungen
genommen wurde, würde
es auch verstanden, dass Daten erzeugt werden könnten, die die Art und Weise,
in welcher eine Größe von erfassten Spannungen über die
Zeit variiert, um eine Aufzeichnung der Art und Weise bereit zu
stellen, auf welche die Komponente oder das Gerät, woran das aufgezeichnete
Spannungsüberwachungsgerät 1 befestigt ist,
sich hinsichtlich ihrer Reaktionen auf eine aufgebrachte Last unterscheiden.
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Eine
vierte erfindungsgemäße Ausführungsform
wird nun mit Bezug auf die 7 und 8 beschrieben. 7 ist
ein Blockdiagramm einer Verarbeitungseinheit 30 in Übereinstimmung
mit dieser Ausführungsform.
Diese erfindungsgemäße Ausführungsform
ist identisch zu der in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebene, außer, dass,
statt, dass die erste Verarbeitungseinheit 30 mit einem
ersten 22 und zweiten 24 Dehnungssensor verbunden ist,
wo der erste 22 und zweite 24 Dehnungssensor beide
Rosettendehnungssensoren sind, in dieser Ausführungsform die Verarbeitungseinheit 30 mit
einem linearen Dehnungssensor 60 und mit einem Temperatursensor 62 verbunden
ist. Die Verarbeitungseinheit 30 in Übereinstimmung mit dieser Ausführungsform
ist auch dahingehend modifiziert, dass keine Uhr bereitgestellt
ist und der Prozessor 44 durch einen alternativen Prozessor 65 ersetzt
ist, der dazu angeordnet ist, die Signale von linearen Dehnungssensor 60 und
Temperatursensor 62 zu verwenden.
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In
dieser Ausführungsform
ist eine Spannungsüberwachungseinheit
bereitgestellt, um eine Spannung zu überwachen, die von einer Komponente
oder Struktur in einer einzelnen Richtung erfahren wird. Indem ein
linearer Dehnungssensor 60 bereitgestellt wird, der dazu
angeordnet ist, eine Dehnung in einer einzelnen Richtung zu messen,
können
die Verarbeitungsanforderungen der Verarbeitungseinheit 30 reduziert
werden, weil nur eine Dehnungsmessung verarbeitet wird.
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8 ist
ein Flussdiagramm der Verarbeitung des Prozessors 65 in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Wie in Bezug zur ersten Ausführungsform
werden Signale, die vom Dehnungssensor 60 und dem Temperatursensor 62 durch
den Multiplexer 40 empfangen werden, zum Analog-Digital-Konverter 42 übertragen, bevor
sie an den Prozessor 65 ausgegeben werden. Das Signal vom
linearen Dehnungssensor 60 wird dann (s11) durch den Prozessor 65 auf
eine ähnliche Weise
wie die in Bezug auf die erste Ausführungsform beschriebene verstärkt. Der
Prozessor 65 modifiziert dann (s12) das verstärkte Sig nal,
um Temperaturvariationen, wie sie durch den Temperatursensor 62 angezeigt
werden, zu berücksichtigen.
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Das
modifizierte Signal wird dann (s13) mit im Datenspeicher 52 gespeicherten
Daten verglichen. In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform ist der Datenspeicher
nur dazu angeordnet, Daten zu speichern, die drei vorangehenden
Werten entsprechen, die vom linearen Dehnungssensor 60 erhalten
wurden, wobei sie durch den Prozessor 65 verstärkt und
modifiziert wurden, sowie einen Wert für den letzten Umkehrpunktwert,
der im Speicher 46 gespeichert ist. Wenn der letzte Wert
mit den im Datenspeicher gespeicherten verglichen wird, bestimmt der
Prozessor 65 anfänglich,
ob der gegenwärtig
vom linearen Dehnungssensor 60 erhaltene Wert von dem letzten
im Datenspeicher 52 abgespeicherten Wert um einen größeren Betrag
als dem Geräuschschwellwert
abweicht. Falls dies der Fall ist, überschreibt (s14) der Prozessor 65 den
Wert, der vor dem vorletzten im Datenspeicher 52 gespeicherten Wert
gespeichert wurde.
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Der
Prozessor 65 bestimmt dann, ob ein Umkehrpunkt erreicht
wurde (s15). Dies wird berechnet, indem bestimmt wird, ob der mittlere
der im Datenspeicher 52 gespeicherten Wert größer als
oder kleiner als beide der anderen zwei Werte ist. Falls dies der
Fall ist, wird dann dieser mittlere Wert mit dem im Datenspeicher 52 gespeicherten
vorangehenden Umkehrpunktwert verglichen und ein Zyklusmittel und
-bereich, die der Differenz zwischen dem mittleren Wert und dem
im Datenspeicher 52 gespeicherten Umkehrpunktwert bzw.
dem Durchschnittswert zwischen dem mittleren Wert und dem im Datenspeicher 52 gespeicherten
Umkehrpunktwert entsprechen, werden berechnet und im Speicher 46 gespeichert
(s16). Der mittlere Wert des Datenspeichers 52 wird dann
verwendet, den Wert für
den letzten im Datenspeicher 52 gespeicherten Umkehrpunkt
zu überschreiben.
Die Verarbeitung des Prozessors 65 kommt dann zu einem
Ende, bis das nächste
Signal vom Analog-Digital-Konverter 42 empfangen
wird.
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Im
Gegensatz zur vorangehenden erfindungsgemäßen Ausführungsform zeichnet diese Ausführungsform
im Speicher 64 nur Daten auf, die den Mittelwert und Bereich
von zyklischer Stauchung und Streckung anzeigen, wie sie vom linearen
Dehnungssensor 60 gemessen werden. Die Menge von in der
Verarbeitungseinheit 30 gespeicherten Daten kann daher
reduziert werden. Weil ferner in dieser Ausführungsform die Verarbeitungseinheit 30 keine Uhr
mit Leistung versorgen muss, ist die Lebensdauer der Einheit, wie
sie durch die Batterie 48 vorgegeben ist, vergrößert.
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Eine
fünfte
erfindungsgemäße Ausführungsform
wird nun beschrieben. 9 ist ein schematisches Diagramm
einer fünften
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Diese erfindungsgemäße Ausführungsform
umfasst eine Spannungsüberwachungseinheit 100,
die zur Befestigung an einer Brücke 102 eingerichtet
ist. Die Spannungsüberwachungseinheit 100 in Übereinstimmung
mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
wird mit einer Solarzelle 104 verbunden und durch diese
mit Energie versorgt. Die Spannungsüberwachungseinheit 100 ist
dazu eingerichtet, auf die Brücke 102 ausgeübte Spannungen zu überwachen
und mittels eines Funksignals ihre Werte an eine Datenregistriereinrichtung 106,
die an einem leicht zugänglichen
Bereich der Brücke
bereitgestellt ist, periodisch zu übertragen. Die Datenregistriereinrichtung 106 sieht
eine Backupspeichereinrichtung zum Speichern der durch die Spannungsüberwachungseinheit 100 erzeugten
Daten vor. Wenn die Brücke überprüft wird,
können
Daten von der Datenregistriereinrichtung 106 in einen tragbaren
Computer (in 9 nicht gezeigt) heruntergeladen
werden.
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Auf
diese Weise können
so auf eine Brücke 102 ausgeübte Spannungen
leicht gemessen werden. Insbesondere können Spannungen, die auf Bereiche
einer Brücke 102 ausgeübt werden,
welche nicht leicht zugänglich
sind, leicht gemessen werden. Das Vorsehen einer Solarzelle 104 ermöglicht es
der Spannungsüberwachungseinheit 100,
dass sie sich selbst mit Energie versorgt und ermöglicht es
dabei, dass die Spannungsüberwachungseinheit 100 eine Lebensdauer
von etwa derselben Dauer wie die erwartete Lebensdauer der Brücke 102,
an welche sie angebracht ist, aufweist. Daher ist die Spannungsüberwachungseinheit 100 in
der Lage, auf die Brücke 102 ausgeübte Spannungen
während
der gesamten Lebensdauer der Brücke 102 aufzuzeichnen.
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10 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
In dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist eine Spannungsüberwachungseinheit 200 bereitgestellt,
die an einem Tauchergerät 202 angebracht
ist. Die Spannungsüberwachungseinheit 202 überwacht
die auf das Tauchergerät 202 ausgeübten Spannungen.
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In
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Spannungsüberwachungseinheit 200 mit einem
Datenanschluss 204 verbunden, mit welchem eine Datenregistriereinrichtung 206 über eine Schnittstelle 208 und
eine Schnittstellenleitung 210 verbunden werden kann. Wenn
die Schnittstelle 208 der Datenregistriereinrichtung 206 in
den Datenanschluss 204 eingesteckt wird, bewirkt dies,
dass Daten im Speicher der Spannungsüberwachungseinheit 200 in
den Speicher der Datenregistriereinrichtung 206 kopiert
werden. Weil in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform eine direkte Kommunikationsverbindung
zwischen der Spannungsüberwachungseinheit 200 durch
die Schnittstelle 201 und die Schnittstellenleitung 210 bereitgestellt
ist, ist kein Transmitter/Receiver in der Spannungsüberwachungs einheit 200 erforderlich.
Ferner kann die zum Kopieren von Daten in den Speicher der Datenregistriereinrichtung 206 erforderliche
Leistung eher durch die Datenregistriereinrichtung 206 selbst
bereitgestellt werden als durch die Spannungsüberwachungseinheit 200,
wodurch die Batterielebensdauer der Spannungsüberwachungseinheit 200 verlängert wird.
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In
dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform
ist die Spannungsüberwachungseinheit 200 in dieser
Ausführungsform
dazu eingerichtet, Spannungen in dem Tauchergerät 202 alle zwei Sekunden
periodisch zu bestimmen, weil die Spannungen, die beim Tauchen ausgeübt werden,
im allgemeinen sehr geringfügig
variieren, anders als wenn eine Belastung in einer Tiefe auftritt.
Auf diese Weise sind die erzeugte Datenmenge und die für die Spannungsüberwachungseinheit 200 erforderliche
Energie so minimiert.
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Im
allgemeinen wird es verstanden, dass die Häufigkeit eines Erhaltens von
Messungen von Spannungen, die auf eine Struktur ausgeübt werden, ausgewählt werden
kann, so dass sie für
die Struktur, welche überwacht
wird, geeignet ist. Für
Strukturen, wie beispielsweise einen rotierender Bohrstrang, welcher
bei einer relativ hohen Geschwindigkeit rotiert wird und daher häufigen großen Spannungsvariationen
ausgesetzt wird, wird eine höhere
Messhäufigkeit
im Vergleich zu einer Anwendung verwendet, wo eine Spannung im Wesentlichen
konstant ist und sehr selten über
die Zeit variiert.
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Obwohl
in den vorangegangenen Ausführungsformen
Bezug auf elektrische Dehnungsmessgeräte genommen wurde, die angeordnet
sind, eine Dehnung auf der Grundlage einer Widerstandsvariation
zu messen, wird es verstanden, dass andere Typen von Dehnungsmessgeräten verwendet
werden könnten.
Insbesondere könnte
die vorliegende Erfindung auf Dehnungsmessgeräte angewandt werden, die Spannungs-
und Dehnungsvariationen unter Verwendung optischer Fasern messen.
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Obwohl
in den vorangegangenen Ausführungsformen
Bezug auf Spannungsüberwachungseinheiten
genommen wurde, welche Daten speichern und dann entweder periodisch
Kopien der gespeicherten Daten für
eine Analyse übertragen
oder Daten auf Anforderung übertragen,
wird es verstanden, dass eine Spannungsüberwachungseinheit bereitgestellt
werden könnte,
die dazu angeordnet ist, Daten kontinuierlich zu übertragen,
während
eine Spannung überwacht
wird.
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In
den vorangegangenen Ausführungsformen
wurden Daten, die im Speicher einer Spannungsüberwachungseinheit gespeichert
wurden, in Bezug auf Daten beschrieben, die Maxima und Minima von
ausgeübter
Spannung oder Zeiten und Dauern von Ruheperioden anzeigen; es wird
verstanden, dass im allgemeinen jeder geeignete Algorithmus zum
Auswählen
dieser Werte bereitgestellt werden könnte, die durch eine Spannungsüberwachungseinheit
erhalten werden, die im Speicher der Spannungsüberwachungseinheit als eine
Langzeitaufzeichnung der Spannungen gespeichert sind, welche von
einer strukturellen Komponente erfahren werden, an welcher die Einheit
angebracht ist.
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Es
wird ferner verstanden, wie in Bezug auf die dritte Ausführungsform
beschrieben wurde, dass solche aufgezeichneten Werte ferner periodisch
verarbeitet werden könnten,
um Daten zu erzeugen, die Tendenzen auf die Art und Weise identifizieren,
in welcher eine Komponente oder ein Gerät auf aufgebrachte Spannungen
reagiert.
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In
einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
könnte
der Datenspeicher 52 dazu eingerichtet sein, für jede der
Richtungen, in welchen die Dehnungssensoren 22, 24 Deh nungen
erfassen, Werte von Null bis 255, die die relativen Werte für Dehnung in
jeder Richtung anzeigen, relativ zu gespeicherten Offsets zu speichern.
Auf diese Weise könnten,
indem nur die Werte und Offsets gespeichert werden, Dehnungswerte
unter Verwendung von relativ wenig Speicher gespeichert werden.
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In
einigen erfindungsgemäßen Ausführungsformen
könnte
eine Eingabeschnittstelle bereitgestellt sein, um die Eingabe von
Daten zu ermöglichen,
welche das Material der überwachten
Struktur identifizieren. Diese Daten könnten dann vom Prozessor 44 verwendet
werden, um den Schwellwert zu ändern,
der verwendet wird, um Variationen von Spannung und Dehnung herauszufiltern,
die Variationen unter dem Schwellwert ergeben, welche die strukturelle
Unversehrtheit einer Struktur des Materials in jedem Fall beeinflussen
werden. Auf diese Weise kann das Überwachungsgerät geeignet
sein, Strukturen von verschiedenen Materialien zu überwachen.
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Obwohl
in den vorangegangenen Ausführungsformen
Bezug auf die Daten genommen wurde, die zu einem Leser oder einer
Datenregistriereinrichtung mittels einer Funkverbindung übertragen
werden, wird es verstanden, dass jegliches geeignete Übertragungsmittel
verwendet werden könnte.
Beispielsweise könnten
daher elektromagnetische Umgebungssensoren oder Infrarotübertragung
verwendet werden. Alternativ könnte,
wo eine direkte Verbindung zwischen einem Spannungsüberwachungsgerät und einer
Datenregistriereinrichtung bereitgestellt ist, entweder ein elektrisches
Signal oder ein über
ein optisches Faserkabel gesendetes Lichtsignal verwendet werden,
um im Speicher der Spannungsüberwachungseinheit
gespeicherte Daten zu übertragen.
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In
den vorangegangenen Ausführungsformen
wurde Bezug auf eine Vorrichtung genommen, in welcher eine Spannungsüberwachungseinrichtung bereitgestellt
ist, die von einem Computer zum Analysieren von aufgezeichneten
Messungen von Spannung und Dehnung getrennt ist. Es wird verstanden, das
Mittel zum Analysieren von Daten als ein Teil des Spannungsüberwachungsgerätes selbst
bereitgestellt werden könnte,
so könnten
beispielsweise graphische oder numerische Ausgaben von aufgezeichneter
Spannung, die beispielsweise die Größe und Anzahl von Stauchungen
und Streckungen, die von einer Struktur erfahren werden, anzeigen,
von den aufgezeichneten Messungen von Spannung berechnet werden
und auf einer Flüssigkristallanzeige
angezeigt werden, die als ein Teil des Spannungsüberwachungsgerätes aufgenommen
ist. Alternativ könnte
ein Warngerät,
wie beispielsweise ein Alarm in der Form eines blinkenden Lichts,
als ein Teil der Spannungsüberwachungseinheit
bereitgestellt sein, wobei die Einheit dazu eingerichtet ist, anzuzeigen,
wann ein vorbestimmter Betrag an Ermüdung durch eine Struktur erfahren
wurde.
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Obwohl
in den oben beschriebenen Ausführungsformen
beschrieben wurde, dass die Dehnungssensoren 22, 24 dazu
eingerichtet sind, Spannungsvariationen zu erfassen, wo beide Dehnungssensoren 22, 24 in
demselben Loch 11 einer Platte 10 vorgesehen sind,
wird es verstanden, dass der Sensor 24, der eine Spannung
in einer Folie 25 erfasst, in der durch das Gehäuse 16 definierten
Hohlraum 20 bereitgestellt werden könnte. Alternativ könnte hier
der Sensor in einem separaten Loch vorgesehen sein, das nicht mit
dem Loch kommuniziert, das den anderen Sensor enthält.