WO1998058231A1 - Vorrichtung zur erfassung von längenänderungen an bauteilen mittels lichtwellenleitern - Google Patents

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Bernard Hodac
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    • G01M11/083—Testing mechanical properties by using an optical fiber in contact with the device under test [DUT]
    • G01M11/086—Details about the embedment of the optical fiber within the DUT
    • G—PHYSICS
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting ⁇ for length changes in components by means of optical waveguides, which are incorporated in each case a connectable to the component casing and biased with respect to the sheath.
  • Optical fibers made of optical fibers are used as sensors for detecting changes in length of components.
  • the transverse contraction that occurs when the optical fibers are stretched causes the light pulses to be attenuated in the optical fibers. This damping is a measure of the stretch.
  • the optical fibers are pre-stressed before the connection to the component. Shrinkage or compression of the component to be monitored then causes a reduction in the preload and can thus also be detected as a change in the light attenuation.
  • a difficulty with the use of these optical fibers is that the required pretension must be made on site when installing the optical fiber. This is particularly difficult if the component to be monitored is a structural part made of concrete and the optical waveguide is to be cast in.
  • the optical waveguide is drawn into a cladding tube and prestressed relative to this cladding tube before it is installed in or on the structural part to be monitored. It is then no longer necessary to preload the optical waveguide on site.
  • the optical fiber is firmly connected to the cladding tube by pressing the cladding tube over at least part of its length.
  • the sheath is a flexible hose made of coiled wire with adjacent turns and that the optical waveguide is connected at least at both ends to the flexible hose and biased against it.
  • a flexible hose made of coiled wire forms a pressure-resistant connection in the longitudinal direction of the optical waveguide between its two ends, which is suitable for absorbing the prestressing force applied to the ends of the optical waveguide.
  • the sleeve which is designed as a flexible hose made of coiled wire, makes it possible to deform the optical waveguide in almost any manner after the pretensioning has been applied, in particular to wind it in order to transport it to the construction site in this position. Even when installed in the component to be monitored, the pre-stressed fiber-optic cable with its sheath can be bent without damage. This makes it possible, for example, to insert the optical waveguide into the prepared reinforcement of a reinforced concrete part and then to insert the concrete in order to concrete the optical waveguide.
  • the flexible hose forming the envelope of the optical waveguide is completely connected to the surrounding concrete, the predetermined prestress being retained.
  • the optical waveguide installed in this way has almost the length changes of the component to be monitored that occur between its ends in positive and negative directions, ie. H. Elongation and compression or shrinkage.
  • the optical waveguide is connected to the sheath only at its two ends or additionally at several intermediate points.
  • the optical waveguide is preferably accommodated in a protective tube which, for example, consists of plastic. This not only facilitates the assembly of the optical waveguide, but also reduces friction as far as possible compared to the flexible hose made of coiled wire.
  • the drawing shows half in a view and a longitudinal section of an optical waveguide 1 serving as a device for detecting changes in length on components, which in the illustrated embodiment consists of a bundle of stranded, preferably twisted stranded optical waveguide fibers.
  • the optical waveguide is accommodated in a protective tube 2 made of plastic and lies in a flexible tube 3 forming an envelope.
  • the flexible tube 3 consists of coiled wire 4, preferably steel wire, the turns of which lie close together.
  • the optical waveguide 1 is supported at its two ends (only one end being shown in the drawing) via a support body 5 connected to the optical waveguide 1, only shown schematically in the drawing, on both ends of the flexible hose 3, after the Optical waveguide 1 a predetermined bias was applied.
  • optically-electronic device 6 With an optically-electronic device 6 indicated only schematically, light pulses are transmitted through the optical waveguide 1 sent, the attenuation occurring when the optical fiber 1 changes in length is detected and evaluated as a measure of the change in length.
  • the prestressed optical waveguide accommodated in the flexible hose 3 made of coiled steel wire 4 can be concreted into a structural part to be monitored, the prestress already specified during manufacture being retained. Changes in length between the two ends of the concreted-in flexible hose 3 cause a change in the length of the prestressed optical waveguide 1.
  • the optical waveguide 1 accommodated in the flexible hose 3 can also be attached differently, for example by laying it in a pipe.
  • the device After installation in the component to be monitored, the device can be set in a simple manner.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung von Längenänderungen von Bauteilen weist einen Lichtwellenleiter (1) auf, der in einem flexiblen Schlauch (3) aus gewendeltem Draht (4) mit aneinanderliegenden Windungen aufgenommen ist. Der Lichtwellenleiter (1) ist nur an seinen beiden Enden mit dem flexiblen Schlauch (3) verbunden und gegenüber diesem vorgespannt. In diesem Zustand kann der Lichtwellenleiter beim Transport und beim Einbau, beispielsweise Einbetonieren, in das zu überwachende Bauteil nahezu beliebig verformt werden, ohne die vorgegebene Vorspannung zu verlieren.

Description

Vorrichtung zur Erfassung von Längenänderungen an Bauteilen mittels Lichtwellenleitern
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung^ von Längenänderungen an Bauteilen mittels Lichtwellenleitern, die in jeweils einer mit dem Bauteil verbindbaren Hülle aufgenommen und gegenüber der Hülle vorgespannt sind.
Aus optischen Fasern bestehende Lichtwellenleiter werden als Meßwertgeber zur Erfassung von Längenänderungen von Bauteilen eingesetzt. Die bei der Dehnung der Lichtwellenleiter auftretende Querkontraktion verursacht eine Dämpfung der Lichtimpulse im Lichtwellenleiter. Diese Dämpfung stellt ein Maß für die Dehnung dar.
Um mit darartigen Lichtwellenleitern nicht nur eine Dehnung des überwachenden Bauteils, sondern auch eine Schrumpfung oder Stauchung erfassen zu können, werden die Lichtwellenleiter vor der Verbindung mit dem Bauteil vorgespannt. Eine Schrumpfung oder Stauchung des zu überwachenden Bauteils verursacht dann eine Verringerung der Vorspannung und ist somit ebenfalls als eine Änderung der Lichtdämpfung erfaßbar. Eine Schwierigkeit beim Einsatz dieser Lichtwellenleiter besteht darin, daß die erforderliche Vorspannung beim Einbau des Lichtwellenleiters vor Ort vorgenommen werden muß. Dies ist insbesondere schwierig, wenn es sich bei dem zu überwachenden Bauteil um ein Bauwerksteil aus Beton handelt und der Lichtwellenleiter eingegossen werden soll.
Deshalb wird bei einer bekannten Vorrichtung der eingangs genannten Gattung (EP 0 264 622 Bl) der Lichtwellenleiter in ein Hüllrohr eingezogen und gegenüber diesem Hüllrohr vorgespannt, bevor der Einbau im oder am zu überwachenden Bauwerksteil erfolgt. Es ist dann nicht mehr erforderlich, den Licht- Wellenleiter vor Ort vorzuspannen. Der Lichtwellenleiter wird durch Verpressen des Hüllrohres mindestens auf einem Teil seiner Länge mit dem Hüllrohr fest verbunden.
Wegen der Verwendung von Hüllrohren müssen diese bekannten Lichtwellenleiter aber beim Transport und insbesondere beim Einbau besonders sorgsam gehandhabt werden. Eine unbeabsichtigte Verbiegung des Hüllrohrs könnte beim Einbau in den meisten Fällen nicht mehr so vollständig rückgängig gemacht werden, daß eine nachteilige Beeinflussung der Vorspannung aus- geschlossen ist. Die Verwendung solcher, in Hüllrohren vorgespannter Lichtwellenleiter hat daher in die Praxis keinen Eingang gefunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein- gangs genannten Gattung so auszubilden, daß eine einfache Handhabung der in einer Hülle vorgespannten Lichtwellenleiter beim Transport und beim Einbau ermöglicht wird, ohne daß hierdurch die vorgegebene Vorspannung beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hülle ein flexibler Schlauch aus gewendeltem Draht mit aneinanderliegenden Windungen ist und daß der Lichtwellenleiter mindestens an seinen beiden Enden mit dem flexiblen Schlauch verbunden und gegenüber diesem vorgespannt ist.
Die Verwendung eines flexiblen Schlauchs aus gewendeltem Draht bildet ähnlich wie bei einem Bowdenzug eine in Längsrichtung des Lichtwellenleiters drucksteife Verbindung zwischen dessen beiden Enden, die geeignet ist, die auf die Enden des Licht- Wellenleiters aufgebrachte Vorspannkraft aufzunehmen.
Wenn der Lichtwellenleiter an seinen beiden Enden mit dem die
Hülle bildenden flexiblen Schlauch verbunden ist, sich im übrigen aber frei gegenüber diesem flexiblen Schlauch bewegen kann, werden nur die über die gesamte Länge des Lichtwellen- leiters aufsummierten Längenänderungen erfaßt, wobei lokale Abweichungen ohne Einfluß auf das Meßergebnis bleiben. Dabei wird der Tatsache Rechnung getragen, daß es bei der Überwachung und kontinuierlichen Vermessung eines Bauwerks zur Beur- teilung seines statischen Zustandes in erster Linie darauf ankommt, Längenänderungen über eine große Längenbasis zu erfassen, beispielsweise über die gesamte Länge oder Breite eines Bauwerks. Bisher war es hierfür erforderlich, den eingesetzten Lichtwellenleiter geradlinig zwischen seinen beiden Endpunkten oder zumindest zwischen mehreren Stützpunkten bei einem gekrümmten Verlauf einzuspannen. Eine Einbettung des Lichtwellenleiters in ein Betonbauteil war auf diese Weise nicht oder nur mit erheblichem Aufwand möglich.
Die als flexibler Schlauch aus gewendeltem Draht ausgeführte Hülle ermöglicht es, den Lichtwellenleiter nach dem Aufbringen der Vorspannung in nahezu beliebiger Weise zu verformen, insbesondere zu wickeln, um ihn in dieser Lage zur Baustelle zu transportieren. Auch beim Einbau in das zu überwachende Bau- werksteil kann der so vorgespannte Lichtwellenleiter mit seiner Hülle ohne Schaden gebogen werden. Dies ermöglicht es beispielsweise, den Lichtwellenleiter in die vorbereitete Bewehrung eines Stahlbetonteils einzulegen und danach den Beton einzubringen, um den Lichtwellenleiter einzubetonieren. Der die Hülle des Lichtwellenleiter bildende flexible Schlauch wird dabei vollständig mit dem umgebenden Beton verbunden, wobei die vorgegebene Vorspannung erhalten bleibt. Der so eingebaute Lichtwellenleiter hat fast die zwischen seinen Enden auftretenden Längenänderungen des zu überwachenden Bau- teils in positiver und negativer Richtung, d. h. Dehnung und Stauchungen bzw. Schrumpfungen.
Es kann vorgesehen werden, daß der Lichtwellenleiter nur an seinen beiden Enden oder zusätzlich an mehreren Zwischenpunk- ten mit der Hülle verbunden ist. Vorzugsweise ist der Lichtwellenleiter in einem Schutzschlauch aufgenommen, der beispielsweise aus Kunststoff besteht. Dadurch wird nicht nur die Montage des Lichtwellenleiters erleichtert, sondern auch eine weitestgehende Reibungsverminderung gegenüber dem flexiblen Schlauch aus gewendeltem Draht erreicht.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, das in der Zeichnung dargestellt ist.
Die Zeichnung zeigt jeweils zur Hälfte in einer Ansicht und einem Längsschnitt einen als Vorrichtung zur Erfassung von Längenänderungen an Bauteilen dienenden Lichtwellenleiter 1, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Bündel von miteinander verseilten, vorzugsweise drehverseilten Lichtwellenleiter-Leitfasern besteht.
Der Lichtwellenleiter ist in einem Schutzschlauch 2 aus Kunststoff aufgenommen und liegt in einem eine Hülle bildenden flexiblen Schlauch 3. Der flexible Schlauch 3 besteht aus gewendeltem Draht 4, vorzugsweise Stahldraht, dessen Windungen dicht aneinanderliegen.
Der Lichtwellenleiter 1 stützt sich an seinen beiden Enden (wobei in der Zeichnung nur ein Ende dargestellt ist) über einen mit dem Lichtwellenleiter 1 verbundenen, in der Zeich- nung nur schematisch dargestellten Stützkörper 5 an beiden Enden des flexiblen Schlauchs 3 ab, nachdem auf den Lichtwellenleiter 1 eine vorgegebene Vorspannung aufgebracht wurde.
Mit einer nur schematisch angedeuteten optisch-elektronischen Einrichtung 6 werden Lichtimpulse durch den Lichtwellenleiter 1 geschickt, deren bei einer Längenänderung des Lichtwellenleiters 1 auftretende Dämpfung erfaßt und als Maß für die Längenänderung ausgewertet wird.
Der vorgespannte, in dem flexiblen Schlauch 3 aus gewendeltem Stahldraht 4 aufgenommene Lichtwellenleiter kann in diesem Zustand in ein zu überwachendes Bauwerksteil einbetoniert werden, wobei die schon bei der Herstellung vorgegebene Vorspannung erhalten bleibt. Längenänderungen zwischen den beiden Enden des einbetonierten flexiblen Schlauches 3 bewirken eine Längenänderung des vorgespannten Lichtwellenleiters 1. Anstelle des nur beispielsweise beschriebenen Einbetonierens kann auch eine andere Anbringung des im flexiblen Schlauch 3 aufgenommenen Lichtwellenleiters 1 erfolgen, beispielsweise die Verlegung in einem Rohr.
Nach dem Einbau in das zu überwachende Bauteil kann die Einstellung der Vorrichtung in einfacher Weise erfolgen.
Da der bei der Herstellung durch die Vorspannung vorgegebene Kalibrierwert sich beim Einbau nicht ändert, ist es nicht erforderlich, durch hierauf spezialisiertes Fachpersonal nach dem Einbau eine Einstellung der Vorspannung vorzunehmen.
Da der flexible Schlauch 3 aus gewendeltem Stahldraht einen sehr wirksamen mechanischen Schutz des Lichtwellenleiters 1 bildet, ist eine Beschädigung beim Einbetonieren weitestgehend ausgeschlossen. Wegen der gerillten Oberfläche des flexiblen Schlauches 3 erfolgt eine innige Verbindung mit dem umgebenden Beton und dadurch ein hervoragender Lasttransfer.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von Längenänderungen an Bauteilen mittels LichtwellenleiternPatentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung von Längenänderungen an Bauteilen mittels Lichtwellenleitern, die in jeweils einer mit dem Bauteil verbindbaren Hülle aufgenommen und gegenüber der Hülle vorgespannt sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Hülle ein flexibler Schlauch (3) aus gewendeltem Draht (4) mit aneinanderliegenden Windungen ist und
daß der Lichtwellenleiter (1) mindestens an seinen beiden Enden mit dem flexiblen Schlauch (3) verbunden und gegenüber diesem vorgespannt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flexible Schlauch (3) aus Stahldraht besteht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) aus einer einzelnen oder einem
Bündel von miteinander verseilten, vorzugsweise drehverseilten Lichtwellen-Leiterfasern besteht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) in einem Schutzschlauch (2) aufgenommen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzschlauch (2) aus Kunststoff besteht. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtwellenleiter (1) zusätzlich an mehreren Zwischenpunkten mit dem flexiblen Schlauch (3) verbunden ist.
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