EP0110865A2 - Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeugen, Maschinen u. dgl. - Google Patents

Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeugen, Maschinen u. dgl. Download PDF

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EP0110865A2
EP0110865A2 EP83890189A EP83890189A EP0110865A2 EP 0110865 A2 EP0110865 A2 EP 0110865A2 EP 83890189 A EP83890189 A EP 83890189A EP 83890189 A EP83890189 A EP 83890189A EP 0110865 A2 EP0110865 A2 EP 0110865A2
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EP
European Patent Office
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microprocessor
degree
arrangement
damage
analog
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EP83890189A
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EP0110865A3 (de
Inventor
Dieter Prof. Dipl.-Ing. Dr. Fischer
Franz G. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Rammerstorfer
Hermann Dipl.-Ing. Dr. Sattler
Günter Dipl.-Ing. Dr. Gidl
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Voestalpine AG
Original Assignee
Voestalpine AG
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Publication of EP0110865A3 publication Critical patent/EP0110865A3/de
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    • G—PHYSICS
    • G07—CHECKING-DEVICES
    • G07C—TIME OR ATTENDANCE REGISTERS; REGISTERING OR INDICATING THE WORKING OF MACHINES; GENERATING RANDOM NUMBERS; VOTING OR LOTTERY APPARATUS; ARRANGEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS FOR CHECKING NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • G07C3/00—Registering or indicating the condition or the working of machines or other apparatus, other than vehicles

Definitions

  • the invention relates to an arrangement for monitoring the degree of damage caused by material fatigue in buildings, vehicles, machines and the like. With electrical sensors attached to critical points, in particular force, strain or displacement transducers, which have a registration and / or display device are connected.
  • the Wöhler diagram is used in the field of material testing. In this diagram, the value pairs of the stress level and the associated number of breaking load cycles determined in creep tests are shown graphically as a Wöhler curve. Depending on the selected coordinate scales, there are different display modes.
  • a common representation is the semi-logarithmic representation, in which the voltage deflection is plotted on the ordinate axis on a linear scale and the number of load cycles on the abscissa axis is plotted on a logarithmic scale.
  • the Wöhler line can be represented as a falling straight line in the fatigue strength range and as a parallel axis in the fatigue strength range.
  • the limit load cycle number at the transition of the two Branches of the curve are generally clearly recognizable.
  • the so-called damage line can be drawn between the Wöhler line of the fatigue strength area, which is extended parallel to the abscissa in the fatigue strength range (small number of load cycles), with a line of fatigue strength with permanent damage lying between the Wöhler line of the fatigue strength area and the damage line Between the damage line and the abscissa parallel there is a range of fatigue strength without damage.
  • the invention aims to avoid the recurring visual inspection of a plurality of individual surveillance points, and centralized surveillance of entire structures, vehicles, machines and the like. to enable, each a variety in terms of material fatigue can have critical individual components or points, whereby cumulative effects of loads at the individual critical points and mutual interactions of the loads at different points in different directions of a coherent construction are to be taken into account.
  • critical individual components or points whereby cumulative effects of loads at the individual critical points and mutual interactions of the loads at different points in different directions of a coherent construction are to be taken into account.
  • visual inspection of critical points is not possible without destruction or without time-consuming and costly dismantling.
  • the above-mentioned mechanical monitoring with the notched test strip is also only possible in accessible places with sufficient space to attach the damage indicator. With the device presented here, however, localized small critical areas or internal components that are inaccessible without dismantling can also be easily monitored.
  • the invention essentially consists in an arrangement of the type specified at the outset that the registration and / or display device is connected to an evaluation circuit in which a cumulative load signal is formed by processing or linking the signals emitted by the individual sensors , stored and a degree of damage is determined and continuously compared with a predetermined permissible degree of damage, if exceeded, a warning signal is triggered.
  • a counter or a summing memory is expedient in the arrangement for forming and storing the cumulative load signal from measured extreme values of the load intended.
  • each sensor is connected via a preamplifier and a sample / hold circuit to an input of an analog signal multiplexer, the output of which is connected to the input of an analog-digital converter, the output of which communicates with a microprocessor with associated program and working memories that a sequence control circuit equipped with a clock generator is provided in the microprocessor or separately from it and with control or clock inputs of the sample / hold circuits, the analog signal multiplexer, the analog-digital -Converters and possibly the microprocessor is connected and that input devices, for example a keyboard, and output devices, for example a printer or an alphanumeric display device, are connected to the microprocessor via an interface circuit.
  • the Ahtast- / Halt circuit assigned to each sensor ensures that, despite the joint further processing of all sensor signals, the signals occurring at corresponding times are correctly linked to one another can, and by combining the various sensor signals via a multiplexer on a single line, the circuit is significantly simplified because only a single analog-to-digital converter is required for all signals.
  • the signals are processed in the microprocessor according to a predetermined program, with the possibility being given of making changes, entering additional data and calling up individual results or an overall result via an input device.
  • the arrangement is expediently such that in the signal path between the analog-digital converter and the microprocessor, a circuit arrangement having a comparator for extreme value evaluation and a circuit downstream thereof Buffer memories are provided for measured values, the control or clock inputs of which are connected to the sequence control circuit. In this way, the further processing of the signals in the microprocessor is simplified because the extreme values previously determined are supplied to it.
  • FIG. 1 generally shows the course of a mechanical tension over time and measured values of this tension to be recorded; 2a, b and c show some characteristic voltage profiles over time; 3 shows the time course of an electrical signal corresponding to a mechanical load to be processed by the arrangement according to the invention; 4 shows a Wöhler line; 5 shows a fatigue strength diagram according to Haigh, and FIG. 6 shows a preferred embodiment of the arrangement according to the invention.
  • the invention is capable of handling all of these types of stress. Multi-axis loads can also be recorded.
  • FIG. 3 A load which has already been converted into an electrical time-dependent signal by a sensor and which frequently occurs in connection with machines is shown in FIG. 3.
  • the load occurs in the form of vibration packets, between which a pause of 500 ms is assumed in the example shown.
  • the maximum oscillation frequency that can be evaluated by the preferred embodiment of the arrangement according to the invention is in the order of 1 kHz, and 50 oscillations can be evaluated per oscillation packet, the extreme values marked with a point being stored as measured values in the buffer memory.
  • Fig. 4 shows a Wöhler line in double logarithmic representation.
  • the Wehler line is composed approximately of a falling line and a straight line running parallel to the load cycle axis.
  • the acute angle between the ordinate axis and the falling line is arctg a, where a is the Wöhler exponent.
  • Fig. 5 shows the fatigue strength diagram according to Haigh. This is matched to the voltage deflection, which results as an ordinate section above the medium voltage ⁇ m up to the limit line.
  • sensors 1 are attached, which are formed, for example, by strain gauges.
  • Each sensor 1 has its own preamplifier 2, for example an electrometer amplifier, with an associated sample / hold circuit 3 connected.
  • preamplifier 2 for example an electrometer amplifier
  • sample / hold circuit 3 connected to the inputs of a multiplexer 4, from which the measured values temporarily stored in the sample / hold circuits are cyclically queried and successively passed on to an analog-to-digital converter 5.
  • a single analog-to-digital converter is sufficient within certain limits regardless of the number of available measuring points.
  • the analog-digital converter 5 is followed by a circuit arrangement 6 having a comparator for extreme value evaluation, and this is followed by a buffer memory 7 for the measured values.
  • the extreme values now available in digital form from the individual measuring points are fed to a microprocessor 8 for linking and evaluation, which can be in the form of a single-chip microcomputer.
  • a program memory 9 (EPROM) and a working memory 10 (RAM) are assigned to the microprocessor 8.
  • a sequence control circuit 11 supplies the sample / hold circuits 3, the analog signal multiplexer 4, the analog-to-digital converter 5, the circuit arrangement 6 for extreme value evaluation, the buffer memory 7 and the microprocessor 8 with clock signals for an orderly working, whereby among other things also one clear assignment of the processed measured values to the individual measuring points is made possible.
  • the circuit arrangement 6 the digitized signals in the comparator for digital signals with the last measured value compared from the buffer memory 7. If an extreme value is determined, this measured value is stored in the buffer memory.
  • the comparator and the buffer memory process or contain the measured values of all sensors, the sequence control circuit 11 taking over the organization of the memory addressing. In the course of a measurement series, only the extreme values of the measurement signals and the last measured value of the signals are available in the buffer memory 7.
  • the buffer memory 7 is organized as a multiple circulation memory, for example as a quadruple circulation memory, with two independent addressing pointers (addressing location).
  • the data are read in via pointer 1.
  • the microprocessor 8 has access to this buffer memory 7 via pointer 2 and can read out the data for calculation processes. This results in a temporal decoupling of the processes of measured value acquisition and calculation and thereby an increase in the processing speed of the overall system.
  • the operation of the microprocessor 8, and the output of the results takes place via a angromee thereto programmable input / output interface circuit 14, zei g on the one hand via a drive electronics 15, a display device 16, such as a liquid crystal or Leuchtdiodenan- e, and on the other hand
  • a keyboard 18 is connected via driver electronics 17.
  • application-specific parameters can be entered via the keyboard 18.
  • the calculation result of the microprocessor 8, namely the degree of damage to the monitored component, is displayed directly on the display device 16.
  • the vibrations can have a maximum frequency of approximately 1 kHz, the time between two successive oscillation packets being more than approximately 0.5 s.
  • the can Signals from 2 to 4 measuring points can be processed together. It is foreseeable that with the advancement of electronics higher frequencies or shorter times and simultaneously several measuring points can be processed.
  • the arrangement according to the invention makes it possible to forecast the current remaining service life of components and structures in operation for which the load-time history cannot be predicted exactly, ie is not deterministic.
  • Preferred fields of application are bridge components, crane components, structural members of aircraft, ships and Landfahrzeu g en, power plant components, rolling mill drives, etc., with a damage-accumulation factor is calculated from, for example, a measure of the strain in exposed areas or in the vicinity thereof representing signals.
  • a forecast calculation can be made for the remaining life of the component on the assumption that the load history will continue to behave in the future as in a defined time period to be defined.
  • the damage accumulation factor or the current remaining service life can be output continuously or on demand and, if necessary, can be forwarded via wire or radio to a remote monitoring point.

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Abstract

Eine Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung weist an hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung kritischen Stellen eines Bauwerkes, eines Fahrzeuges, einer Maschine od.dgl. angebrachte Sensoren (1) auf, die Messsignale an eine Registrier- und/oder Anzeigevorrichtung (16) liefern, welche mit einer einen Zähler oder einen summierenden Speicher aufweisenden Auswertungsschaltung (6-11) verbunden ist. In der Auswertungsschaltung (6-11) wird durch Verarbeitung und Verknüpfung der Extremwerte der von den einzelnen Sensoren (1) gelieferten Signale ein kumulatives Belastungssignal gebildet, gespeichert und ein Schädigungsgrad bestimmt, der fortlaufend mit einem vorgegebenen zulässigen Schädigungsgrad verglichen wird, bei dessen Überschreitung ein Warnsignal ausgelöst wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeugen, Maschinen u.dgl., mit an kritischen Stellen angebrachten elektrischen Sensoren, insbesondere Kraft-, Dehnungs- oder Wegaufnehmern, die über elektrische Leitungen oder Lichtwellenleiter mit einer Registrier- und/oder Anzeigevorrichtung verbunden sind.
  • Bei Konstruktionen, die einer gelegentlichen, periodischen, deterministischen oder stochastischen Schwell- oder Wechselbeanspruchung ausgesetzt sind, beispielsweise Kräne, Fahr-und Flugzeuge, Brücken, Maschinengestelle u.dgl., kommt es nicht allein darauf an, die größte auftretende Belastung entsprechend einem gewählten Sicherheitsfaktor unterhalb der Bruchfestigkeit der verwendeten Materialien zu halten, sondern es muß auch dem Umstand besondere Beachtung geschenkt werden, daß durch dauernde veränderliche Beanspruchungen Gefügeänderungen der Materialien und damit Materialermüdungen auftreten, wodurch sich die Beanspruchbarkeit der Materialien verändert. In diesem Zusammenhang wird auf dem Gebiet der Materialprüfung das Wöhler-Schaubild herangezogen. In diesem Schaubild sind die bei Zeitstandsversuchen ermittelten Wertepaare Beanspruchungshöhe und zugehörige Bruch-Lastspielzahl als Wöhler-Kurve graphisch dargestellt. Je nach den gewählten Koordinatenmaßstäben ergeben sich hiefür verschiedene Darstellungsweisen. Eine gebräuchliche Darstellungsweise ist die halblogarithmische Darstellung, bei welcher der Spannungsausschlag auf der Ordinatenachse in linearem Maßstab und die Lastspielzahl auf der Abszissenachse in logarithmischem Maßstab aufgetragen ist. Die Wöhler-Linie läßt sich im Zeitfestigkeitsbereich annähernd als fallende Gerade und im Dauerfestigkeitsbereich als Abszissenparallele darstellen. Die Grenzlastspielzahl am Übergang der beiden Kurvenäste ist dabei im allgemeinen deutlich erkennbar. Zwischen der in den Zeitfestigkeitsbereich (kleine Lastspielzahlen) abszissenparallel verlängerten Wöhler-Linie des Dauerfestigkeitsbereiches und der Wchler-Linie des Zeitfestigkeitsbereiches läßt sich die sogenannte Schadenslinie einzeichnen, wobei zwischen der Wöhler-Linie des Zeitfestigkeitsbereiches und der Schadenslinie ein Bereich der Zeitschwingfestigkeit mit bleibender Schädigung liegt und zwischen der Schadenslinie und der Abszissenparallelen ein Bereich der Zeitschwingfestigkeit ohne Schädigung liegt.
  • Die verminderte Tragfähigkeit von Proben oder Bauteilen bei schwingender Belastung im Vergleich zu jener bei ruhender Belastung wird als Ermüdung oder Zerrüttung bezeichnet.
  • Wenngleich Überlegungen angestellt wurden, an kritischen Bauteilen Kraft- oder Wegaufnehmer anzuordnen, deren Signale mit speichernden Meßgeräten zu registrieren und die Aufzeichnungen dann auf einem nicht "vor Ort" stehenden Rechner auszuwerten, ist dieser Weg in vielen Fällen zu umständlich, um praktisch angewendet zu werden. Angewendet wurden auch rein mechanisch arbeitende überwachungsvorrichtungen, deren Kern ein eine scharfe Kerbe aufweisender Teststreifen ist, welcher durch mechanische Kopplung mit dem zu überwachenden Bauteil einer analogen Beanspruchung wie der Bauteil ausgesetzt wird. Die Auswertung muß durch visuelle Beobachtung der einzelnen Überwachungsvorrichtungen in entsprechenden zeitlichen Abständen erfolgen. Die Anwendbarkeit ist stark eingeschränkt (vorwiegend für einachsige Beanspruchung mit gleichbleibender Belastungsrichtung).
  • Die Erfindung zielt darauf ab, die immer wiederkehrende visuelle Inspektion einer Mehrzahl einzelner Üherwachungsstellen zu vermeiden, und eine zentralisierte Überwachung ganzer Bauwerke, Fahrzeuge, Maschinen u.dgl. zu ermöglichen, welche jeweils eine Vielzahl hinsichtlich Materialermüdung kritischer einzelner Bauteile oder Stellen aufweisen können, wobei kumulative Wirkungen von Belastungen an den einzelnen kritischen Stellen und gegenseitige Wechselwirkungen der Belastungen an verschiedenen Stellen in verschiedener Richtung einer zusammenhängenden Konstruktion berücksichtigt werden sollen. Insbesondere ist zu bemerken, daß bei einer Vielzahl von Bauwerken und Konstruktionen die visuelle Inspektion kritischer Stellen zerstörungsfrei oder ohne zeit-und kostspielige Demontagen nicht möglich ist. Die genannte mechanische Überwachung mit dem gekerbten Teststreifen ist ebenfalls nur an zugänglichen Stellen mit ausreichendem Platz zum Anbringen des Schadensindikators möglich. Mit dem hier vorgestellten Gerät können aber auch lokalisierte kleine kritische Bereiche oder innenliegende ohne Demontage unzugängliche Bauteile problemlos überwacht werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe besteht bei einer Anordnung der eingangs angegebenen Art die Erfindung im wesentlichen darin, daß die Registrier- und/oder Anzeigevorrichtung mit einer Auswertungsschaltung verbunden ist, in welcher durch Verarbeitung bzw. Verknüpfung der von den einzelnen Sensoren abgegebenen Signale ein kumulatives Belastungssignal gebildet, gespeichert und ein Schädigungsgrad bestimmt und fortlaufend mit einem vorgegebenen zulässigen Schädigungsgrad verglichen wird, bei dessen Überschreitung ein Warnsignal ausgelöst wird.
  • Durch diese Maßnahmen ist weder eine regelmäßige Inspektion einer Vielzahl von Uberwachungsstellen, noch auch nur eine. regelmäßige Inspektion einer einzelnen Überwachungsstelle erforderlich, da von der Anordnung beim Erreichen eines kritischen Schädigungsgrades selbsttätig Alarm gegeben wird.
  • Zweckmäßig ist in der Anordnung zur Bildung und Speicherung des kumulativen Belastungssignals aus gemessenen Extremwerten der Belastung ein Zähler oder ein summierender Speicher vorgesehen. Durch diese Maßnahmen wird die Anordnung besonders einfach und liefert unmittelbar die gewünschten Ergebnisse, ohne daß erst irgendwelche Aufzeichnungen ausgewertet werden müssen. Eine wichtige Anwendungsmoglichkeit ergibt sich beispielsweise bei Schiffen und Flugzeugen, wobei dank der Erfindung zu jedem Zeitpunkt die gesamte aufgelaufene Belastung an als kritisch erachteten Stellen feststellbar ist. Gegenüber der bisher üblichen Registrierung der Betriebsstunden solcher Verkehrsmittel, welcher Zahlenwert über die tatsächliche mechanische Belastung keine ausreichende Aussage bietet, stellt dies einen bedeutenden technischen Fortschritt und einerseits eine wesentliche Erhöhung der Sicherheit, anderseits eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch gezielten Bauteilaustausch dar.
  • Die eigentliche Schaltungsanordnung der erfindungsgemäßen Anordnung ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß jeder Sensor über einen Vorverstärker und eine Abtast-/Halteschaltung mit je einem Eingang eines Analogsignal-Multiplexers verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Analog-Digital-Wandlers angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Mikroprozessor mit zugeordneten Programm- und Arbeitsspeichern in Verbindung steht, daß eine mit einem Taktgenerator ausgestattete Ablaufsteuerschaltung im Mikroprozessor oder gesondert von diesem vorgesehen ist und mit Steuer- bzw. Takteingängen der Abtast-/Halteschaltungen, des Analogsignal-Multiplexers, des Analog-Digital-Wandlers und gegebenenfalls des Mikroprozessors verbunden ist und daß an den Mikroprozessor über eine Interface-Schaltung Eingabevorrichtungen, beispielsweise eine Tastatur, und Ausgabevorrichtungen, beispielsweise ein Drucker oder eine alphanumerische Anzeigevorrichtung, angeschlossen sind. Durch die jedem Sensor zugeordnete Ahtast-/Halteschaltung wird sichergestellt, daß trotz gemeinsamer Weiterverarbeitung aller Sensorsignale die zu einander entsprechenden Zeitpunkten auftretenden Signale richtig miteinander verknüpft werden können, und durch das Zusammenführen der verschiedenen Sensorsignale über einen Multiplexer auf eine einzige Leitung wird die Schaltung wesentlich vereinfacht, weil für sämtliche Signale nur ein einziger Analog-Digital-Wandler erforderlich ist. Im Mikroprozessor werden die Signale nach einem vorgegebenen Programm verarbeitet, wobei die Möglichkeit gegeben ist, über eine Eingabevorrichtung Änderungen vorzunehmen, zusätzliche Daten einzugeben und Einzelergebnisse oder ein Gesamtergebnis abzurufen.
  • Da das Hauptinteresse darin gelegen ist, die kumulative Belastung zu erfassen und daraus die Schädigung zu bestimmen, ist die Anordnung zweckmäßig so getroffen, daß im Signalweg zwischen dem Analog-Digital-Wandler und dem Mikroprozessor eine einen Vergleicher aufweisende Schaltungsanordnung zur Extremwertauswertung und ein dieser nachgeschalteter Pufferspeicher für Meßwerte vorgesehen sind, deren Steuer- bzw. Takteingänge an die Ablaufsteuerschaltung angeschlossen sind. Auf diese Weise wird die Weiterverarbeitung der Signale im Mikroprozessor vereinfacht, weil diesem die bereits vorher festgestellten Extremwerte zugeführt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 allgemein den Verlauf einer mechanischen Spannung über der Zeit und zu erfassende Meßwerte dieser Spannung; die Fig. 2a, b und c einige charakteristische Spannungsverläufe über der Zeit; Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines von der erfindungsgemäßen Anordnung zu verarbeitenden, einer mechanischen Belastung entsprechenden elektrischen Signals; Fig. 4 eine Wöhler-Linie; Fig. 5 ein Dauerfestigkeits-Schaubild nach Haigh, und Fig. 6 eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung.
  • Fig. 1 zeigt einen willkürlich angenommenen Belastungsverlauf über der Zeit mit eingetragenen Extremwerten Ü und δ min, welche bei der Meßwertverarbeitung für jeweils eine halbe Periode in der erfindungsgemäßen Anordnung von Intersse sind. Nachfolgend ist die Berechnung der Schadenssumme S nach der Schadensakkumulationshypothese von Miner/Palmgren schematisch angedeutet.
  • Figure imgb0001
    Figure imgb0002
    Die Erfindung ist in der Lage, all diese Belastungsformen zu behandeln. Auch mehrachsige Beanspruchungen können erfaßt werden.
  • Eine von einem Sensor bereits in ein elektrisches zeitabhängiges Signal umgewandelte Belastung, wie sie im Zusammenhang mit Maschinen häufig auftritt, ist in Fig. 3 dargestellt. Die Belastung tritt im in Fig. 3 gezeigten Beispiel in Form von Schwingungspaketen auf, zwischen welchen beim gezeichneten Beispiel eine Pause von 500 ms angenommen ist. Die von der bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung auswertbare maximale Schwingungsfrequenz liegt im in Fig. 3 dargestellten Beispiel in der Größenanordnung von 1 kHz und je Schwingungspaket können 50 Schwingungen ausgewertet werden, deren mit einem Punkt gekennzeichnete Extremwerte als Meßwerte im Pufferspeicher abgespeichert werden.
  • Fig. 4 zeigt eine Wöhler-Linie in doppeltlogarithmischer Darstellung. Dabei setzt sich die Wehler-Linie angenähert aus einer fallenden und aus einer zur Lastspielachse parallel verlaufenden Geraden zusammen. Der spitze Winkel zwischen der Ordinatenachse und der fallenden Geraden ist arctg a, wobei a der Wöhler-Exponent ist.
  • Fig. 5 zeigt das Dauerfestigkeits-Schaubild nach Haigh. Dieses ist auf den Spannungsausschlag abgestimmt, der sich als Ordinatenabschnitt über der Mittelspannung δm bis zur Grenzlinie ergibt.
  • In Fig. 6 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung als Blockschaltbild dargestellt. An kritischen Stellen eines zu überwachenden Bauteiles sind Sensoren 1 angebracht, welche beispielsweise von Dehnungsmeßstreifen gebildet sind. Jeder Sensor 1 ist über einen eigenen Vorverstärker 2, beispielsweise einen Elektrometerverstärker, mit einer zugeordneten Abtast-/Halteschaltung 3 verbunden. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel sind drei derartige Meßstellen vorgesehen, die vierte Meßstelle dient zur Temperaturerfassung (zur Temperaturkompensation). Die Ausgänge sämtlicher Abtast-/Halteschaltungen 3 sind an die Eingänge eines Multiplexers 4 angeschlossen, von welchem die in den Abtast-/Halteschaltungen vorübergehend gespeicherten Meßwerte zyklisch abgefragt und aufeinanderfolgend an einen Analog-Digital-Wandler 5 weitergeleitet werden. Wegen der Multiplex-Verarbeitung der anstehenden Daten wird in gewissen Grenzen unabhängig von der Anzahl der vorhandenen Maßstellen mit einem einzigen Analog-Digital-Wandler das Auslangen gefunden. Im Signalweg folgt auf den Analog--Digital-Wandler 5 eine einen Vergleicher aufweisende Schaltungsanordnung 6 zur Extremwertauswertung und dieser ist ein Pufferspeicher 7 für die Meßwerte nachgeschaltet. Die nunmehr in digitaler Form vorliegenden Extremwerte von den einzelnen Meßstellen werden zur Verknüpfung und Auswertung einem Mikroprozessor 8 zugeleitet, welcher als Einchip--Mikrocomputer vorliegen kann. Dem Mikroprozessor 8 ist ein Programmspeicher 9 (EPROM) und ein Arbeitsspeicher 10 (RAM) zugeordnet.
  • Eine Ablaufsteuerschaltung 11 versorgt die Abtast/Halteschaltungen 3, den Analogsignal-Multiplexer 4, den Analog--Digital-Wandler 5, die Schaltungsanordnung 6 zur Extremwertauswertung, den Pufferspeicher 7 und den Mikroprozessor 8 mit Taktsignalen für ein geordnetes Arbeiten, wodurch unter anderem auch eine eindeutige Zuordnung der verarbeiteten Meßwerte zu den einzelnen Meßstellen ermöglicht ist. Ein Stromversorgungsteil 12, der ein Netzgerät und/oder einen Akkumulator enthalten kann, versorgt eine Referenzquelle 13 sowie alle übrigen Baugruppen der Anordnung mit Betriebsspannung.
  • In der Schaltungsanordnung 6 werden die digitalisierten Signale in dem Vergleicher für Digitalsignale mit dem letzten gemessenen Wert aus dem Pufferspeicher 7 verglichen. Bei Feststellung eines Extremwertes wird dieser Meßwert im Pufferspeicher hinterlegt. Der Vergleicher und der Pufferspeicher bearbeiten bzw. enthalten die Meßwerte aller Sensoren, wobei die Ablaufsteuerschaltung 11 die Organisation der Speicheradressierung übernimmt. Im Pufferspeicher 7 stehen im Verlauf einer Meßserie nur die Extremwerte der Meßsignale sowie der zuletzt gemessene Wert der Signale zur Verfügung. Der Pufferspeicher 7 ist als Mehrfach-Umlaufspeicher, beispielsweise als Vierfach-Umlaufspeicher, mit zwei unabhängigen Adressierungszeigern (Adressierungsort) organisiert. Das Einlesen der Daten erfolgt über Zeiger 1. Der Mikroprozessor 8 hat Zugriff zu diesem Pufferspeicher 7 über Zeiger 2 und kann die Daten für Berechnungsvorgänge auslesen. Dadurch entsteht eine zeitliche Entkopplung der Vorgänge Meßwerterfassung und Berechnung und dadurch eine Erhöhung der Verarbeitungsgeschwindigkeit des Gesamtsystems.
  • Die Bedienung des Mikroprozessors 8 und die Ausgabe der Resultate erfolgt über eine daran angschlossene programmierbare Ein-/Ausgabe-Interface-Schaltung 14, an die einerseits über eine Treiberelektronik 15 eine Anzeigevorrichtung 16, beispielsweise eine Flüssigkristall- oder Leuchtdiodenan- zeige, und anderseits über eine Treiberelektronik 17 eine Tastatur 18 angeschlossen sind. Über die Tastatur 18 können unter anderem anwendungsspezifische Parameter eingegeben werden. Auf der Anzeigevorrichtung 16 wird das Berechnungsresultat des Mikroprozessors 8, nämlich der Schädigungsgrad des überwachten Bauteiles, unmittelbar angezeigt.
  • Wenn das auszuwertende Signal aus in Paketen auftretenden Schwingungen besteht, können beim derzeitigen Stand der Elektronik die Schwingungen eine maximale Frequenz von etwa 1 kHz haben, wobei die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schwingungspaketen mehr als etwa 0,5 s beträgt. Hiebei können beim derzeitigen Stand der Elektronik die Signale von 2 bis 4 Meßstellen gemeinsam verarbeitet werden. Es ist abzusehen, daß mit dem Fortschritt der Elektronik höhere Frequenzen bzw. kürzere Zeiten und simultan mehrere Meßstellen verarbeitet werden können.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine Prognose der aktuellen verbleibenden Lebensdauer von in Betrieb stehenden Bauteilen und Konstruktionen, für welche die Last-Zeit-Geschichte nicht genau vorherbestimmbar, also nicht deterministisch ist. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Brückenbauteile, Kranbauteile, Konstruktionselemente von Flugzeugen, Schiffen und Landfahrzeugen, Kraftwerkskomponenten, Walzwerksantriebe usw., wobei aus beispielsweise ein Maß für die Dehnung an gefährdeten Stellen oder in deren Umgebung darstellenden Signalen ein Schadens-Akkumulationsfaktor berechnet wird. Anhand desselben kann eine Prognoserechnung für die noch verbleibende Lebensdauer des Bauteiles unter der Annahme erstellt werden, daß die Belastungsgeschichte sich auch künftig so wie in einem zu definierenden zurückliegenden Zeitbereich weiterhin verhält. Der Schadens-Akkumulationsfaktor oder die aktuell verbleibende Lebensdauer kann kontinuierlich oder auf Abruf ausgegeben und bei Bedarf über Draht oder über Funk an eine entfernte Überwachungsstelle weitergeleitet werden.

Claims (5)

1. Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeuge, Maschinen u.dgl., mit an kritischen Stellen angebrachten Sensoren (1), insbesondere Kraft-, Dehnungs- oder Wegaufnehmern, die über elektrische Leitungen oder Lichtwellenleiter mit einer Registrier- und/oder Anzeigevorrichtung (16) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Registrier- und/oder Anzeigevorrichtung (16) mit einer Auswertungsschaltung (6-11) verbunden ist, in welcher durch Verarbeitung bzw. Verknüpfung der von den einzelnen Sensoren (1) abgegebenen Signale ein kumulatives Belastungssignal gebildet, gespeichert und ein Schädigungsgrad bestimmt und fortlaufend mit einem vorgegebenen zulässigen Schädigungsgrad verglichen wird, bei dessen Überschreitung ein Warnsignal ausgelöst wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung und Speicherung des kumulativen Belastungssignals aus gemessenen Extremwerten der Belastung ein Zähler oder ein summierender Speicher vorgesehen ist.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (1) über einen Vorverstärker (2) und eine Abtast-/Halteschaltung (3) mit je einem Eingang eines Analogsignal-Multiplexers (4) verbunden ist, dessen Ausgang an den Eingang eines Analog-Digital-Wandlers (5) angeschlossen ist, dessen Ausgang mit einem Mikroprozessor (8) mit zugeordneten Programm- und Arbeitsspeichern (9, 10) in Verbindung steht, daß eine mit einem Taktgenerator ausgestattete Ablaufsteuerschaltung (11) im Mikroprozessor oder gesondert von diesem vorgesehen ist und mit Steuer- bzw. Takteingängen der Abtast-/Halteschaltungen (3), des Analogsignal-Multiplexers (4), des Analog-Digital-Wandlers (5) und gegebenenfalls des Mikroprozessors (8) verbunden ist und daß an den Mikroprozessor (8) über eine Interface-Schaltung (14) Eingabevorrichtungen, beispielsweise eine Tastatur (18), und Ausgabevorrichtungen, beispielsweise ein Drucker oder eine alphanumerische Anzeigevorrichtung (16), angeschlossen sind.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Signalweg zwischen dem Analog-Digital-Wandler (5) und dem Mikroprozessor (8) eine einen Vergleicher aufweisende Schaltungsanordnung (6) zur Extremwertauswertung und ein dieser nachgeschalteter Pufferspeicher (7) für Meßwerte vorgesehen sind, deren Steuer- bzw. Takteingänge an die Ablaufsteuerschaltung (11) angeschlossen sind.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pufferspeicher (7) als Mehrfachumlaufspeicher mit zwei unabhängigen Adressierungszeigern organisiert ist, wobei ein Zeiger das Einlesen der Daten und der zweite Zeiger den Zugriff des Mikroprozessors (8) zu den Daten ermöglicht.
EP83890189A 1982-10-29 1983-10-24 Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeugen, Maschinen u. dgl. Withdrawn EP0110865A3 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AT397682A AT387464B (de) 1982-10-29 1982-10-29 Anordnung zur ueberwachung des schaedigungsgrades durch materialermuedung bei bauwerken, fahrzeugen, maschinen u.dgl.
AT3976/82 1982-10-29

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP0110865A2 true EP0110865A2 (de) 1984-06-13
EP0110865A3 EP0110865A3 (de) 1985-11-21

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ID=3557977

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP83890189A Withdrawn EP0110865A3 (de) 1982-10-29 1983-10-24 Anordnung zur Überwachung des Schädigungsgrades durch Materialermüdung bei Bauwerken, Fahrzeugen, Maschinen u. dgl.

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0110865A3 (de)
AT (1) AT387464B (de)

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