WO1999024803A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von zug- oder druckspannungen in einem ferromagnetischen element, insbesondere einem spann-, zug- oder druckglied für das bauwesen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von zug- oder druckspannungen in einem ferromagnetischen element, insbesondere einem spann-, zug- oder druckglied für das bauwesen Download PDF

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WO1999024803A1
WO1999024803A1 PCT/DE1998/003322 DE9803322W WO9924803A1 WO 1999024803 A1 WO1999024803 A1 WO 1999024803A1 DE 9803322 W DE9803322 W DE 9803322W WO 9924803 A1 WO9924803 A1 WO 9924803A1
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tensile
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compressive stress
calibration
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PCT/DE1998/003322
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Hans-Joachim Wichmann
Martin Laube
Manfred Teutsch
Horst Falkner
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Suspa Spannbeton Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/127—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tendon, tensile or compressive member for the building industry.
  • the invention is therefore based on the object of providing a method and a device for determining tensile or compressive stresses in a ferromagnetic element, in particular a tendon, tensile or compressive member for the building industry, the stress and strain in a simple and cost-effective manner. can also be detected in individual ferromagnetic elements of a complex structural element with high measuring accuracy.
  • the method according to the invention and the device according to the invention are based on the fact that practically all tendons or pressure or tension members used in the field of construction are made of a ferromagnetic material, in particular steel of different alloys, and are used to detect the tension or Pressure load of such an element the magnetoelastic effect of such magnetic materials.
  • a calibration process is carried out for each specific material and / or the type of a ferromagnetic element to be monitored or measured, in which, for at least one point in the magnetization curve, the voltage dependence of the magnetic field strength H at a predetermined value for the magnetic flux B. and / or the voltage dependence of the magnetic flux B at a predetermined value for the magnetic field strength H and / or voltage dependence of the slope of the
  • ERSAT2B T7 (RULE fy Magnetization curve at a predetermined value for the magnetic flux B or the magnetic field strength H is detected directly or indirectly.
  • the voltage dependency of this variable can then be stored in a discrete form.
  • the measuring points of the calibration dependency can also be approximated by an analytical function and the parameters of the function and the function itself can be saved for later evaluations.
  • the relevant size is then directly or indirectly detected at the relevant predetermined value for the magnetic flux or the magnetic field strength and from the detected size and the
  • Calibration process determined the voltage dependence of the value of the tensile or compressive stress in the ferromagnetic element or its change relative to an output value.
  • the detection of the desired size at a predetermined value for the flux or the field strength can in particular take place in such a way that the entire magnetization curve (or corresponding electrical quantities) is measured and evaluated in the desired manner.
  • ERSATZBWrr (RULE 26) the field strength) directly or indirectly and a value for the tensile or compressive stress in the ferromagnetic element is determined from each value of the detected variable and an associated calibration dependency. To obtain the end result of the evaluation with improved accuracy, the individual load values thus determined can be averaged.
  • the points of intersection of the magnetization points with the axes are particularly suitable as points of the magnetization curve.
  • the permeability ⁇ r and the maximum magnetic flux B s can be evaluated in a simple manner as further variables dependent on the mechanical tension.
  • the permeability ⁇ r corresponds to the slope of the magnetization curve at the point of intersection with the abscissa (ie at the point of the coercive field strength Hc) and the maximum magnetic flux B s corresponds to the value of the magnetic flux, that at the maximum generated field strength (in the case of the Measurement) is reached.
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 2 ⁇ ) According to the preferred embodiment of the method according to the invention, all four of the aforementioned parameters of the magnetization curve are recorded and four values for the tensile or compressive stress in the ferromagnetic element are determined from this using corresponding calibration dependencies. These four values are averaged to obtain the most accurate result possible for the tensile or compressive stress.
  • the detection of at least two different sizes of the magnetization curve offers the advantage that any ambiguities that may arise in a calibration dependency can be eliminated by utilizing the information of the other recorded magnetic size or the respective other calibration dependency.
  • the two different magnetic quantities to be recorded can possibly identify one and the same point of the magnetization curve, but the displacement of this point is observed when the mechanical tension changes at a predetermined value for the flux or the field strength.
  • the change in the slope of the tangent at this point can also be observed when the voltage changes.
  • the sizes can also be recorded at different points on the magnetization curve.
  • a single value for the tensile or compressive stresses present in the ferromagnetic element can be determined in connection with an associated calibration dependency in the case of three or more recorded magnetic quantities of the magnetization curve. If an impermissibly high deviation of a value from the remaining remaining values or from the average of all values is determined, the relevant individual value can be disregarded when averaging. Here- measurement errors and their effects on the end result can be excluded.
  • the temperature of the ferromagnetic element to be detected is also determined and a temperature compensation of the measurement result is carried out using a calibration dependency for the temperature.
  • a correction factor must be determined from the calibration dependency for the temperature (for the magnetic variable in question), which takes into account the difference between the temperature prevailing in the determination of the calibration dependencies for the voltage dependency and the temperature prevailing in the current recording of the magnetic variable .
  • the device according to the invention comprises an extremely easy to manufacture and use sensor, which has an excitation coil arranged on a common core for generating a magnetic field and an induction coil arranged on the core, the ferromagnetic
  • Element is coupled to the core or represents it.
  • the last-mentioned possibility leads to highly precise measurement results, since no magnetic transition resistances that are barely detectable in their properties between a separate core of the sensor and the element to be detected Influence measurement accuracy.
  • the device according to the invention has an evaluation unit which detects the voltage Uj induced in the induction coil and / or the integrated induced voltage and which is supplied with at least information about the excitation current intensity I err .
  • the evaluation unit can also directly record the excitation current.
  • the induced voltage Uj can be determined to determine the permeability ⁇ r , the permeability corresponding to the peak value of the voltage U JS induced in the secondary coil.
  • the excitation current I err serves as a measure of the magnetic field strength H and the integrated induced voltage Uj as a measure of the magnetic induction B. Accordingly, the maximum magnetic flux or the maximum induction B s corresponds to the peak value of the integrated induced voltage, the remanence B R to the value of the magnetic flux B at the zero crossing of the excitation current Ie rr and the coercive field strength H c the value of the excitation current I err at the zero crossing of the integrated induced voltage.
  • the current source for acting on the excitation coil of the sensor is designed as an alternating current source, which preferably generates a sinusoidal alternating current with a predetermined (optionally adjustable) frequency and regulated amplitude.
  • the regulation of the amplitude of the sinusoidal current generated by the alternating current source is particularly important when detecting the maximum induction B s with regard to sufficient measuring accuracy.
  • the frequency of the alternating current is chosen such that the evaluation device still has a sufficient number of sampling points per period of the alternating current of the electrical quantities to be evaluated. In any case, the frequency must be chosen so low that the frequency dependence of the magnetization curve does not yet play a role. For example, the frequency can be selected in the range from 5 to 50 Hertz.
  • the senor has an excitation coil, the length of which is greater than the length of the induction coil, the induction coil being located entirely within the excitation coil. This achieves the advantage that practically all of the flux generated by the excitation coil also penetrates the induction coil. This results in a very good sensitivity of the sensor.
  • Figure 1 is a schematic representation of a magnetization curve for a ferromagnetic steel.
  • FIG. 3 shows a longitudinal section through a sensor arranged on a magnetic element according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic block diagram of a measuring arrangement according to the invention
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 20) 5 shows a representation of the measured calibration dependencies of magnetic parameters of the magnetization curve of a specific prestressing steel as a function of the prestressing steel tension;
  • FIG. 6 shows a depiction of the measured dependencies according to FIG. 5 for another type of prestressing steel
  • FIG. 7 shows a representation of measured temperature dependencies of different magnetic parameters of the magnetization curve of the prestressing steel corresponding to FIG. 5.
  • the magnetoelastic effect used by the invention will first be explained with reference to FIG. 1.
  • the magnetization curve I shows the behavior of a certain type of prestressing steel when it is placed in a magnetic field and the magnetic field strength is varied cyclically between a minimum and a maximum value -H s or H s .
  • the magnetization curve is characterized in particular by the following magnetic parameters: the remanence B R denotes the value of the magnetic flux at the intersection of the magnetization curve with the ordinate on which the magnetic flux is plotted; the coercive field strength Hc denotes the value of the magnetic field strength at the points of intersection of the magnetization curve with the abscissa on which the magnetic field strength is plotted; the maximum induction or the maximum magnetic flux B s denotes the magnetic flux in the points of the maximum magnetic field strength H s according to the question; the (relative) permeability ⁇ r is given as the maximum slope of the magnetization curve which occurs at the intersection of the magnetization curve with the abscissa. While the magnetization curve I shown in FIG.
  • the magnetization curve II shows the magnetization curve when the ferromagnetic element is subjected to tensile stress.
  • both the hysteresis properties and the absolute values of the magnetic flux and the slope of the curve change.
  • Fig. 2 shown measuring principle is used.
  • An excitation coil 3 and an induction coil 5 are applied to the ferromagnetic element 1 to be detected, which can be, for example, a tendon, such as is used in prestressed concrete construction, or a tension or compression member of an earth anchor or the like.
  • the excitation coil 3 is acted upon by a current source 7, which preferably generates a sinusoidal alternating current.
  • the excitation current I err generated in the excitation coil is measured by means of a current measuring device 9.
  • the voltage Uj induced in the excitation coil 3 is measured by means of a voltage measuring device 11. By evaluating the induced voltage U; and an evaluation of the excitation current I err can then be used to record the magnetization curve for the special ferromagnetic element.
  • the induced voltage U integrated, this integral being proportional to the magnetic flux B.
  • the excitation current I err is proportional to the magnetic field strength, so that the magnetization curve can be clearly determined from these variables.
  • the value of the permeability ⁇ r corresponds to that
  • Fig. 3 shows an extremely simple sensor, which can be used, for example, to detect the mechanical tension of a tendon, as used in construction.
  • the sensor 13 has a coil former 15 made of non-magnetic material, for example plastic.
  • the coil body has a recess 17 in the circumferential direction, in which the
  • Induction coil 5 is arranged.
  • the outside of the induction coil is preferably flush with the remaining outer circumference of the coil former 15.
  • the coil former has at both ends radially outwardly extending walls 21 which define a receiving space 21 for receiving the excitation coil 3.
  • the outer circumference of the excitation coil 3 is preferably flush with the outer walls of the walls 21.
  • the entire sensor is surrounded by a protective cover 25, which protect the excitation coil 3 and the induction coil against mechanical damage or environmental influences, such as moisture, aggressive substances or the like.
  • the sensor 13 or the coil former 15 has an axial bore 27 which serves to receive the ferromagnetic element to be detected, for example the prestressing steel shown in FIG. 3.
  • the induction coil is smaller than the excitation coil and is completely enclosed by it. This has the advantage that the magnetic field generated by the excitation coil passes completely through the induction coil and consequently a good sensitivity of the sensor is achieved.
  • the sensor can be mounted by simply sliding it onto the ferromagnetic element.
  • Adapting the inside diameter of the axial bore 27 of the sensor to the outside diameter of the ferromagnetic element 1 is advantageous in terms of mechanical fastening of the sensor, but is not necessary for the accuracy of the measurements.
  • the sensor 13 shown in FIG. 3 can be used with the measuring electronics shown in FIG. 4, which advantageously implements the principle shown in FIG. 2.
  • the measuring electronics comprise the current source 7, which in turn consists of a sine generator 29 and a voltage / current converter 31.
  • the sine generator 29 outputs the sinusoidal alternating voltage generated by it to the voltage / current converter 31, which acts on the excitation coil of the sensor 13.
  • the measuring electronics further comprises evaluation unit 33, which detects the excitation current I err delivered by the voltage / current converter 31 to the excitation coil by means of an analog-digital converter 35 and supplies it to a first microcontroller 37.
  • evaluation unit 33 which detects the excitation current I err delivered by the voltage / current converter 31 to the excitation coil by means of an analog-digital converter 35 and supplies it to a first microcontroller 37.
  • This can control the voltage / current converter 31 and the sine generator 29 in the sense of a closed control loop in such a way that both the frequency and the amplitude of the excitation current I err are kept constant with high precision.
  • the voltage U induced in the induction coil 5 is also detected by the evaluation unit 33.
  • the induced voltage U is either directly supplied to an analog-digital converter 41 via a controllable electronic switch 39 or is first integrated by means of an integrator 43 and the integrated voltage, which is proportional to the magnetic induction B, can be seen via the controllable electronics Switch 39 supplied to the analog-digital converter 41.
  • Digital converter 41 is fed to a second microcontroller 43.
  • the second microcontroller 43 takes control of the electronic switch 39 and samples the induced voltage Uj or the integrated induced voltage. Furthermore, the two microcontrollers 37 and 43 are connected to one another, the microcontroller 43 receiving from the microcontroller 37 the instantaneous value for the excitation current I err and, conversely, the microcontroller 37 from the microcontroller 43, for example, being able to receive a start signal for the start of measurement, whereupon the microcontroller 37 receives a corresponding control of the current source 7 in the excitation coil 3 generates the desired excitation current Ie ⁇ -.
  • a superordinate computer (for example PC) 45 can be provided for further expansion and, if necessary, a graphical representation of the measured values, which receives the measurement data from the microcontroller 43 and in turn represents the interface between the operator and the measurement electronics.
  • the evaluation unit 33 or the microcontroller 43 can simultaneously detect the resistance ⁇ of the induction coil and from this, in conjunction with a stored calibration curve, determine the temperature of the sensor or the induction winding. Since this has approximately the same temperature as the enclosed ferromagnetic element, the temperature of the ferromagnetic element 1 can thus be determined without an additional temperature sensor and in this way temperature compensation of the measurement result can be carried out.
  • REPLACEMENT SHEET (RULE 2G)
  • the tensile or compressive stress acting on the ferromagnetic element could already be determined from each of the four calibration dependencies shown and from the measured electrical quantity (for this particular prestressing steel type) (only the calibration dependencies for tensile stresses were determined in FIG. 5).
  • all of the magnetic parameters can be determined without great effort (or electrical variables proportional to them) and a value for the voltage acting on the ferromagnetic element can be determined from this using the relevant calibration dependency become.
  • the four voltage values can then be averaged to increase the measuring accuracy.
  • inadmissible deviations from one or two measurement results can be compared with the other measurement results or with the
  • the mean value of all measured variables are determined and then the relevant measurement results are disregarded when determining the end result by averaging.
  • a corresponding calibration dependency can be recorded for each type of ferromagnetic element. Knowing the temperature at which the voltage-dependent calibration dependencies of FIGS. 5 and 6 were determined and the temperature of the ferromagnetic element, which can be determined in the manner described above, for example, the actually measured electrical quantities can then be corrected by a correction value the temperature-dependent calibration dependency is corrected. This value of the electrical quantity can then be valid calibration curve used and thus the tensile or compressive stress can be determined.
  • each tension or compression member or tendon can be equipped with a corresponding sensor in the factory, since these additional costs for such a sensor (cf. FIG. 3) are relatively low. Measurements of the forces or stresses acting on the element in question can be carried out both during assembly and from time to time to monitor the element in question.
  • the measuring method or the device has a high long-term stability and is practically independent of the construction of the element to be monitored. For example, in contrast to strain gauges, measurements on strands and ropes can also be carried out. No constructive changes to the components to be monitored are required to apply a sensor according to the invention.
  • the sensor described is also extremely stable electrically and mechanically and is resistant to dust, moisture and shock loads.
  • a calibration dependency only has to be carried out for a specific material of a ferromagnetic element, whereby there are practically no deviations for different batches of industrially manufactured prestressing steel of the same type, so that a calibration dependency only has to be included for a specific prestressing steel type.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, wobei zumindest in einem bestimmten Punkt der Magnetisierungskurve des ferromagnetischen Elements die magnetische Feldstärke H bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B und/oder der magnetische Fluss B bei einem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H und/oder die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H direkt oder indirekt erfasst wird, wobei für das Material und/oder den Typ des ferromagnetischen Elements ein Kalibriervorgang durchgeführt wird, in dem für den zumindest einen Punkt die Spannungsabhängigkeit der erfassten Größe bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H ermittelt wird und wobei der Wert der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung durch einen Vergleich des Werts der erfassten Größe und der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ermittelt wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung, welche sich insbesondere zur Durchführung dieses Verfahrens eignet.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen.
Im Bauwesen ist der mangelnde Erhaltungszustand bzw. die mangelhafte Inspektionsmöglichkeit von Spann-, Zug- oder Druckgliedern eine häufige Schadensursache. Ausschlaggebend für die Sicherheitsbewertung vorgespannter Betonkonstruktionen bzw. rückverankerter Systeme ist neben dem Zustand der Spannglieder im Wesentlichen die tatsächliche Größe der Spannstahlkräfte. Auch bei der Montage von Spanngliedern bzw. bei der Beaufschlagung von Ankem mit einer Last ist es häufig wünschenswert, die tatsächliche Größe der auf das einzelne Spannglied bzw. das einzelne Druck- oder Zugglied wirkenden Kräfte zu kennen. Insbesondere beim Abspannen eines Bauwerks mittels mehrerer Zugglieder stellt sich häufig die Aufgabe, die Spannkräfte in vorgegebener Weise auf die einzelnen Zugglieder bzw. Spannglieder aufzuteilen. Bisher ließen sich Spannkräfte nur mit aufwendigen, relativ teuren und schwer montierbaren Mess- aufhehmern messen. Hierzu fanden insbesondere Kraftmessdosen Verwendung, wobei das zu vermessende Spannglied bzw. Zug- oder Druckglied von seiner Verankerung gelöst werden musste und zwischen der Verankerung und dem betreffenden Ende des Spannglieds bzw. Zug- oder Druckglieds die Kraftmessdose zu montieren war. Dies ist jedoch mit einem derart hohen Aufwand verbunden, dass solche Messungen nur dann vorgenommen wurden, wenn diese wirklich zwingend erforderlich waren. Zudem konnten derartige Messaufnehmer bzw. damit verwendete Messverfahren aufgrund externer Einflüsse, wie z.B. Feuchtigkeit oder Stoßbelastung, häufig keine ausreichende Langzeitstabilität der Messergebnisse bieten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für das Bauwesen, zu schaffen, wobei auf einfache und kostengünstige Weise die Span- nungen auch in einzelnen ferromagnetischen Elementen eines komplexen bautechnischen Elements mit hoher Messgenauigkeit erfassbar sind.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 8.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung gehen von der Tatsache aus, dass praktisch alle auf dem Gebiet des Bauwesens bisher verwendeten Spannglieder oder Druck- bzw. Zugglieder aus einem ferromagnetischen Material, insbesondere Stahl verschiedener Legierungen, bestehen und nutzen zur Erfassung der Zug- bzw. Druckbelastung eines derartigen Elements den magnetoelastischen Effekt solch feπomagnetischer Materialien.
Erfindungsgemäß wird für jedes bestimmte Material und/oder den Typ eines zu überwachenden bzw. zu vermessenden ferromagneti sehen Elements ein Kali- briervorgang durchgeführt, in dem für zumindest einen Punkt der Magnetisierungskurve die Spannungsabhängigkeit der magnetischen Feldstärke H bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B und/oder die Spannungsabhängigkeit des magnetischen Flusses B bei einem vorbestimmten Wert für αie magnetische Feldstärke H und/oder Spannungsabhängigkeit der Steigung der
ERSAT2B T7 (REGEL fy Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H direkt oder indirekt erfasst wird. Die Spannungsabhängigkeit dieser Größe kann dann in diskreter Form abgespeichert werden. Selbstverständlich können die Messpunkte der Kalibrierabhängigkeit auch durch eine analytische Funktion angenähert und die Parameter der Funktion sowie die Funktion selbst für spätere Auswertungen gespeichert werden.
Im eigentlichen Messvorgang wird dann die betreffende Größe bei dem betreffenden vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss oder die magnetische Feldstärke direkt oder indirekt erfasst und aus der erfassten Größe und der im
Kalibriervorgang bestimmten Spannungsabhängigkeit der Wert der Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element oder deren Änderung bezogen auf einen Ausgangswert bestimmt.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass für den eigentlichen Messvorgang keinerlei Montage des ferromagnetischen Elements für das Übertragen der auf das Element wirkenden Kräfte auf einen mechanischen Messaufnehmer erforderlich ist. Es ist lediglich erforderlich, mittels eines geeigneten Sensors die magnetischen Eigenschaften des belasteten ferromagnetischen Elements zu ermitteln, um hieraus Rückschlüsse auf die Größe der Belastung zu ziehen.
Das Erfassen der gewünschten Größe bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss oder die Feldstärke kann insbesondere in der Weise erfolgen, dass die gesamte Magnetisierungskurve (bzw. entsprechende elektrische Größen) gemessen und in gewünschter Weise ausgewertet wird.
Zur Steigerung der Genauigkeit des Messverfahrens können mehrere Größen (die selben Größen für unterschiedliche vorbestimmte Werte des Flusses oder der Feldstärke und/oder verschiedene Größen für die selben Werte des Flusses oder
ERSATZBWrr (REGEL 26) der Feldstärke) direkt oder indirekt erfasst und aus jedem Wert der erfassten Größe und einer zugeordneten Kalibrierabhängigkeit jeweils ein Wert für die Zug- oder Druckspannung im ferromagnetischen Element ermittelt werden. Zum Erhalt des Endergebnisses der Auswertung mit verbesserter Genauigkeit können die somit ermittelten einzelnen Belastungswerte gemittelt werden.
Als Punkte der Magnetisierungskurve eignen sich im Sinne einer möglichst einfachen Auswertung insbesondere die Schnittpunkte der Magnetisierungspunkte mit den Achsen. Die Schnittpunkte der Magnetisierungskurve mit der Ordinate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch eine magnetische Feldstärke gleich Null (H = 0) und den Wert BR für den magnetischen Fluss, der allgemein als Remanenz bezeichnet wird. Die Schnittpunkte der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke H aufgetragen ist, sind gekennzeichnet durch einen magnetischen Fluss gleich Null (B = 0) und den Wert Hc, welcher allgmein als Koerzitivfeld- stärke bezeichnet wird.
Diese Punkte bieten den Vorteil, dass die jeweils nicht-erfasste magnetische Größe gleich Null ist und somit eine einfache Auswertung gewährleistet werden kann.
Als weitere, von der mechanischen Spannung abhängige Größen können auf einfache Weise die Permeabilität μr und der maximale magnetische Fluss Bs ausgewertet werden. Dabei entspricht die Permeabilität μr der Steigung der Ma- gnetisierungskurve im Schnittpunkt mit der Abszisse (d.h. im Punkt der Koerzi- tivfeldstärke Hc) und der maximale magnetische Fluss Bs dem Wert des magnetischen Flusses, der bei der maximal erzeugten Feldstärke (bei der durchgeführten Messung) erreicht wird.
ERSATZBLATT (REGEL 2Θ) Nach der bevorzugten Ausführungsform des erfmdungsgemäßen Verfahrens werden alle vier der vorgenannten Kenngrößen der Magnetisierungskurve erfasst und hieraus unter Verwendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung in dem ferromagnetischen Element er- mittelt. Diese vier Werte werden zum Erhalt eines möglichst exakten Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt.
Die Erfassung wenigstens zweier unterschiedlicher Größen der Magnetisierungskurve bietet den Vorteil, dass ggf. auftretende Mehrdeutigkeiten in einer Kali- brierabhängigkeit durch das Ausnutzen der Information der jeweils anderen erfassten magnetischen Größe bzw. der jeweils anderen Kalibrierabhängigkeit ausgeschaltet werden können. Die zwei verschiedenen zu erfassenden magnetischen Größen können ggf. ein und denselben Punkt der Magnetisierungskurve kennzeichnen, wobei jedoch die Verlagerung dieses Punkts bei einer Änderung der mechanischen Spannung bei einem vorbestimmten Wert für den Fluss bzw. die Feldstärke beobachtet wird. Darüber hinaus kann zusätzlich die Veränderung der Steigung der Tangente in diesem Punkt bei einer Spannungsänderung beobachtet werden.
Selbstverständlich können die Größen jedoch auch in unterschiedlichen Punkten der Magnetisierungskurve erfasst werden.
Um Messfehler ausschließen zu können, kann bei drei oder mehreren erfassten magnetischen Größen der Magnetisierungskurve jeweils in Verbindung mit einer zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ein einzelner Wert für die im ferromagnetischen Element vorhandenen Zug- oder Druckspannungen ermittelt werden. Falls eine unzulässig hohe Abweichung eines Werts von den verbleibenden übrigen Werten oder vom Durchschnitt sämtlicher Werte festgestellt wird, kann der betreffende einzelne Wert bei der Mittelwertbildung außer Betracht bleiben. Hier- durch lassen sich Messfehler bzw. deren Auswirkungen auf das Endergebnis ausschließen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zudem die Temperatur des zu erfassenden ferromagnetischen Elements bestimmt und unter Verwendung einer Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vorgenommen. Hierzu muss aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperatur (für die betreffende erfasste magnetische Größe) ein Korrekturfaktor ermittelt werden, der den Unterschied zwi- sehen der bei der Bestimmung der Kalibrierabhängigkeiten für die Spannungsabhängigkeit herrschenden Temperatur und der bei der aktuellen Erfassung der magnetischen Größe herrschenden Temperatur berücksichtigt.
Bei entsprechenden Untersuchungen der Erfinder der vorliegenden Anmeldung hat sich herausgestellt, dass die magnetischen Größen, die Koordinaten bestimmter Punkte der Magnetisierungskurve daisteilen, wie die Remanenz, die Maximalinduktion und die Koerzitivfeldstärke, praktisch keine Temperaturabhängigkeit zeigen und lediglich eine Temperaturkompensation bei der Permeabilität erforderlich ist. Diese lässt sich jedoch auf einfache Weise durchführen, da diese Temperaturabhängigkeit im Wesentlichen linear ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen äußerst einfach herzustellenden und zu verwendenden Sensor, welcher eine auf einen gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule aufweist, wobei das ferromagnetische
Element mit dem Kern gekoppelt wird oder diesen darstellt. Insbesondere die letztgenannte Möglichkeit führt zu hochgenauen Messergebnissen, da keinerlei in ihren Eigenschaften kaum erfassbare magnetische Übergangs widerstände zwischen einem separaten Kern des Sensors und dem zu erfassenden Element die Messgenauigkeit beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Auswerteeinheit auf, welche die in der Induktionsspule induzierte Spannung Uj und/oder die integrierte induzierte Spannung erfasst und welcher zumindest Informationen über die Erregerstromstärke Ierr zugeführt sind. Selbstverständlich kann die Auswerteeinheit auch die Erregerstromstärke direkt erfassen.
Die induzierte Spannung Uj kann dabei zur Ermittlung der Permeabilität μr er- mittelt werden, wobei die Permeabilität dem Spitzen wert der in der Sekundärspule induzierten Spannung UJS entspricht.
Der Erregerstrom Ierr dient als Maß für die magnetische Feldstärke H und die integrierte induzierte Spannung Uj als Maß für die magnetische Induktion B. Demzufolge entspricht der maximale magnetische Fluss oder die Maximalinduktion Bs dem Spitzenwert der integrierten induzierten Spannung, die Remanenz BR dem Wert des magnetischen Flusses B beim Nulldurchgang des Erregerstroms Ierr und die Koerzitivfeldstärke Hc dem Wert des Erregerstroms Ierr beim Nulldurchgang der integrierten induzierten Spannung.
In der bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung ist die Stromquelle zur Beaufschlagung der Erregerspule des Sensors als Wechselstromquelle ausgebildet, welche vorzugsweise einen sinusförmigen Wechselstrom mit vorbestimmter (ggf. einstellbarer) Frequenz und geregelter Amplitude erzeugt. Die Regelung der Amplitude des von der Wechselstromquelle erzeugten sinusförmigen Stroms ist insbesondere bei der Erfassung der Maximalinduktion Bs im Hinblick auf eine ausreichende Messgenauigkeit von Bedeutung. Die Frequenz des Wechselstroms wird so gewählt, dass die Auswertevoπϊchtung pro Periode des Wechselstroms noch eine ausreichende Anzahl von Abtastpunkten der auszuwertenden elektrischen Größen aufnehmen kann. In jedem Fall muss die Frequenz so niedrig gewählt werden, dass die Frequenzabhängigkeit der Ma- gnetisierungskurve noch keine Rolle spielt. Beispielsweise kann die Frequenz im Bereich von 5 bis 50 Hertz gewählt werden.
In der bevorzugten Ausführungsform weist der Sensor eine Erregerspule auf, deren Länge größer ist als die Länge der Induktionsspule, wobei sich die Induktionsspule vollständig innerhalb der Erregerspule befindet. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass praktisch der gesamte Fluss, der durch die Erregerspule erzeugt wird, auch die Induktionsspule durchdringt. Somit ergibt sich eine sehr gute Empfindlichkeit des Sensors.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer Magnetisierungskurve für einen ferromagnetischen Stahl;
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Messanordnung nach der Erfindung;
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen auf einem feιτomagnetischen Element angeordneten Sensor nach der Erfindung;
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagramm einer Messanordnung nach der Erfindung;
ERSATZBLATT (REGEL 20) Fig. 5 eine Darstellung der gemessenen Kalibrierabhängigkeiten von magnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve eines bestimmten Spannstahls als Funktion der Spannstahlspannung;
Fig. 6 eine Darstellung gemessener Abhängigkeiten gemäß Fig. 5 für einen anderen Spannstahltyp und
Fig. 7 eine Darstellung gemessener Temperaturabhängigkeiten verschiedener magnetischer Kenngrößen der Magnetisierungskurve des Spannstahls entsprechend Fig. 5.
Anhand Fig. 1 sei zunächst der von der Erfindung genutzte magnetoelastische Effekt erläutert. Die Magnetisierungskurve I (dargestellt ohne Neukurve) zeigt das Verhalten eines bestimmten Typs Spannstahl, wenn dieser in ein magnetisches Feld gebracht wird und die magnetische Feldstärke zyklisch zwischen einem minimalen und einem maximalen Wert -Hs bzw. Hs variiert wird. Der magnetische Fluss B weist dann die in Kurve I dargestellte Hysterese B = f (H) auf. Die Magnetisierungskurve wird dabei insbesondere durch folgende magneti- sehe Kenngrößen charakterisiert: Die Remanenz BR bezeichnet den Wert des magnetischen Flusses im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Ordinate, auf welcher der magnetische Fluss aufgetragen ist; die Koerzitivfeldstärke Hc bezeichnet den Wert der magnetischen Feldstärke in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, auf welcher die magnetische Feldstärke aufgetragen ist; die Maximalinduktion oder der maximale magnetische Fluss Bs bezeichnet den magnetischen Fluss in den Punkten der dem Befrag nach maximalen magnetischen Feldstärke Hs; die (relative) Permeabilität μr ist gegeben als maximale Steigung der Magnetisierungskurve, welche in den Schnittpunkten der Magnetisierungskurve mit der Abszisse auftritt. Während die in Fig. 1 eingezeichnete Magnetisierungskurve I den Zustand des ferromagnetischen Elements im mechanisch unbelasteten Zustand wiederspiegelt, zeigt die Magnetisierungskurve II die Magnetisierungskurve bei einer Zug- belastung des ferromagnetischen Elements. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ändern sich sowohl die Hystereseeigenschaften als auch die absoluten Werte des magnetischen Flusses sowie die Steigung der Kurve.
Diesen magnetoelastischen Effekt nutzt die Erfindung zur Erfassung der in einem ferromagnetischen Element erzeugten Zug- oder Druckspannungen, wobei das in
Fig. 2 dargestellte Messprinzip Anwendung findet. Auf das zu erfassende ferro- magnetische Element 1, bei dem es sich beispielsweise um ein Spannglied handeln kann, wie es im Spannbetonbau verwendet wird, oder um ein Zug- oder Druckglied eines Erdankers oder dergleichen, wird eine Erregerspule 3 und eine Induktionsspule 5 aufgebracht. Die Erregerspule 3 wird von einer Stromquelle 7 beaufschlagt, die vorzugsweise einen sinusförmigen Wechselstrom erzeugt. Der in der Erregerspule erzeugte Erregerstrom Ierr wird mittels einer Strommesseinrichtung 9 gemessen. Die in der Erregerspule 3 induzierte Spannung Uj wird mittels einer Spannungsmesseinrichtung 1 1 gemessen. Durch eine Auswertung der induzierten Spannung U; und eine Auswertung des Erregerstroms Ierr lässt sich dann die Magnetisierungskurve für das spezielle ferromagnetische Element erfassen. Hierzu wird die induzierte Spannung U; integriert, wobei dieses Integral zum magnetischen Fluss B proportional ist. Der Erregerstrom Ierr ist proportional zu der magnetischen Feldstärke, so dass aus diesen Größen die Magnetisierungs- kurve eindeutig bestimmbar ist. Der Wert der Permeabilität μr entspricht der
Steigung im Schnittpunkt der Magnetisierungskurve mit der Abszisse, d.h. im Punkt (B = 0; H = Hc), und ergibt sich damit als Spitzenwert der in der Induktionsspule gemessenen Spannung UjS . Fig. 3 zeigt einen äußerst einfach aufgebauten Sensor, der beispielsweise zur Erfassung der mechanischen Zugspannung eines Spannglieds, wie es im Bauwesen verwendet wird, eingesetzt werden kann. Der Sensor 13 besitzt einen Spulenkörper 15 aus nicht-magnetischem Material, beispielsweise Kunststoff. Der Spulenkörper weist in Umfangsrichtung eine Ausnehmung 17 auf, in welcher die
Induktionsspule 5 angeordnet ist. Die Außenseite der Induktionsspule schließt vorzugsweise bündig mit dem übrigen Außenumfang des Spulenkörpers 15 ab. Der Spulenkörper weist an beiden Enden sich nach radial nach außen erstrek- kende Wandungen 21 auf, die einen Aufnahmeraum 21 zur Aufnahme der Erre- gerspule 3 definieren. Der Außenumfang der Erregerspule 3 schließt vorzugsweise bündig mit den Außenwandungen der Wandungen 21 ab. Der gesamte Sensor ist mit einer Schutzhülle 25 umgeben, die die Erregerspule 3 und die Induktionsspule vor mechanischen Beschädigungen oder Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, aggressive Substanzen oder dergleichen, schützen.
Der Sensor 13 bzw. der Spulenkörper 15 weist eine axiale Bohrung 27 auf, die zur Aufnahme des zu erfassenden ferromagnetischen Elements, beispielsweise des in Fig. 3 dargestellten Spannstahls, dient.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Sensor wurde insbesondere dafür Sorge getragen, dass die Induktionsspule kleiner ist als die Erregerspule und vollständig von dieser umschlossen ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das von der Erregerspule erzeugte Magnetfeld die Induktionsspule vollständig durchsetzt und demzufolge eine gute Empfindlichkeit des Sensors erreicht wird. Der Sensor lässt sich durch einfaches Aufschieben auf das ferromagnetische Element montieren.
Eine Anpassung des Innendurchmessers der axialen Bohrung 27 des Sensors an den Außendurchmesser des ferromagnetischen Elements 1 ist zwar im Sinne einer mechanischen Befestigung des Sensors von Vorteil, für die Genauigkeit der Messungen jedoch nicht erforderlich. Der in Fig. 3 dargestellte Sensor 13 kann mit der in Fig. 4 dargestellten Messelektronik verwendet werden, die das in Fig. 2 dargestellte Prinzip in vorteilhafter Weise umsetzt.
Die Messelektronik umfasst die Stromquelle 7, die ihrerseits aus einem Sinusgenerator 29 und einem Spannungs-/Stromwandler 31 besteht. Der Sinusgenerator 29 gibt die von ihm erzeugte sinusförmige Wechsel Spannung an den Spannungs- /Stromwandler 31 ab, der die Erregerspule des Sensors 13 beaufschlagt.
Wie in Fig. 4 dargestellt, umfasst die Messelektronik des Weiteren Auswerteeinheit 33, welche mittels eines Analog-Digital-Wandlers 35 den vom Spannungs- /Stromwandler 31 an die Erregerspule abgegebenen Erregerstrom Ierr erfasst und einem ersten Microcontroller 37 zuführt. Dieser kann wiederum im Sinne einer geschlossenen Regelschleife den Spannungs-/Stromwandler 31 und den Sinusgenerator 29 so ansteuern, dass sowohl die Frequenz als auch die Amplitude des Erregerstroms Ierr hochgenau konstant gehalten werden.
Die in der Induktionsspule 5 induzierte Spannung U, wird ebenfalls von der Auswerteeinheit 33 erfasst. Die induzierte Spannung U, wird dabei zum einen über einen steuerbaren elektronischen Schalter 39 wahlweise unmittelbar einem Analog-Digital-Wandler 41 zugeführt oder zunächst mittels eines Integrierers 43 integriert und die integrierte Spannung, welche der magnetischen Induktion B proportional ist, über den steuerbaren elektroni sehen Schalter 39 dem Analog- Digital- Wandler 41 zugeführt. Das digitale Ausgangssignal des Analog-
DigitalWandlers 41 wird einem zweiten Microcontroller 43 zugeführt.
Während der erste Microcontroller 37 im Wesentlichen zur Steuerung und Regelung der Stromquelle 7 und zur Erfassung des Erregerstroms Ierr dient, über- nimmt der zweite Microcontroller 43 die Ansteuerung des elektronischen Schalters 39 und die Abtastung der induzierten Spannung Uj bzw. der integrierten induzierten Spannung. Des Weiteren sind die beiden Microcontroller 37 bzw. 43 miteinander verbunden, wobei der Microcontroller 43 vom Microcontroller 37 den Momentanwert für den Erregerstrom Ierr erhält und umgekehrt der Microcontroller 37 vom Microcontroller 43 beispielsweise ein Startsignal für den Messbeginn erhalten kann, woraufhin der Microcontroller 37 durch eine entsprechende Ansteuerung der Stromquelle 7 in der Erregerspule 3 den gewünschten Erregerstrom Ieπ- erzeugt. Zur weiteren Ausweitung und ggf. graphischen DarStellung der erfassten Messwerte kann ein übergeordneter Computer (beispielsweise PC) 45 vorgesehen sein, welcher die Messdaten vom Microcontroller 43 erhält und seinerseits die Schnittstelle zwischen dem Bediener und der Messelektronik darstellt.
Die Auswerteeinheit 33 bzw. der Microcontroller 43 kann gleichzeitig den Widerstand Ω der Induktionsspule erfassen und hieraus in Verbindung mit einer gespeicherten Eichkurve hieraus die Temperatur des Sensors bzw. der Induktionswicklung ermitteln. Da diese annähernd die selbe Temperatur wie das umschlossene ferromagnetische Element hat, lässt sich somit ohne zusätzlichen Temperatursensor die Temperatur des ferromagnetischen Elements 1 bestimmen und auf diese Weise kann eine Temperaturkompensation des Messergebnisses vornehmen.
Fig. 5 zeigt die für einen bestimmten Spannstahltyp (d.h. eine bestimmte Legie- rung) ermittelten Kalibrierabhängigkeiten für die magnetischen Kenngrößen der
Permeabilität μr, Remanenz BR, Maximalinduktion Bs und Koerzitivfeldstärke Hc. In der Abszisse sind die Änderungen der magnetischen Kenngrößen in Volt aufgetragen, ausgehend vom unbelasteten Zustand.
ERSATZBLATT (REGEL 2G) Grundsätzlich ließe sich bereits aus jeder der vier dargestellten Kalibrierabhängigkeiten und aus der gemessenen elektrischen Größe (für diesen bestimmten Spannstahltyp) die auf das ferromagnetische Element wirkende Zug- bzw. Druckspannung ermitteln (in Fig. 5 wurden lediglich die Kalibrierabhängigkeiten für Zug-spannungen ermittelt).
Zur Steigerung der Messgenauigkeit können jedoch mit der Anordnung gemäß Fig. 4 ohne großen Aufwand sämtliche der magnetischen Kenngrößen ermittelt (bzw. hierzu proportionale elektrische Größen) und hieraus unter Verwendung der betreffenden Eichabhängigkeit jeweils ein Wert für die auf das ferromagneti- sche Element wirkende Spannung bestimmt werden. Zur Erhöhung der Messgenauigkeit kann dann eine Mittelung der vier Spannungs werte erfolgen.
Darüber hinaus können unzulässige Abweichungen von ein oder zwei Messer- gebnissen durch einen Vergleich mit den übrigen Messergebnissen oder mit dem
Mittelwert sämtlicher Messgrößen festgestellt werden und dann die betreffenden Messergebnisse bei der Ermittlung des Endergebnisses durch Mittelwertbildung außer Betracht bleiben.
Fig. 6 zeigt entsprechende Kalibrierabhängigkeiten für einen anderen Spannstahltyp, wobei sich bei drei der vier untersuchten magnetischen Kenngrößen mehrdeutige Kalibrierabhängigkeiten ergeben. Ein derartiges Verhalten tritt insbesondere bei warmvergüteten Stählen auf, die einen wesentlich höheren Siliziumgehalt aufweisen. Dagegen wies der kaltgezogene Stahl, für den die in Fig. 5 dargestellten Kalibrierabhängigkeiten ermittelt wurden, lediglich einen Siliziumgehalt von ca. 0,2 % auf.
Durch die Auswertung von zumindest zwei magnetischen Kenngrößen, die einen unterschiedlichen Verlauf aufweisen, kann diese Mehrdeutigkeit jedoch beseitigt werden. Beispielsweise ergibt sich für die Remanenz BR bei einem Messwert von ca. 0,05 V sowohl eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm2 als auch eine mögliche Spannstahlspannung von ca. 600 N/mm2. Wird zusätzlich beispielsweise die (ebenfalls mehrdeutige) Permeabilität erfasst, so wird sich für diese beispielsweise eine elektrische Größe von ca, 0,01 V ergeben, was einer- seits einer Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm und andererseits einer Spannungstahlspannung von ca. 80 N/mm2 entsprechen kann. Durch einen Vergleich mit den durch Auswertung der Remanenz ermittelten Spannungswerten ergibt sich somit, dass ausschließlich eine Spannstahlspannung von ca. 200 N/mm2 als korrektes Messergebnis in Frage kommen kann.
Fig. 7 zeigt schließlich den Einfluss der Temperatur auf die untersuchten magnetischen Kenngrößen. Es wird deutlich, dass lediglich die Permeabilität eine nahezu lineare Temperturabhängigkeit aufweist, während die Ergebnisse für die übri- gen magnetischen Kenngrößen praktische keine Temperaturabhängigkeit zeigen bzw. eine möglicherweise vorhandene Temperaturabhängigkeit so gering ist, dass deren Auswirkung im Rahmen der erreichbaren Messgenauigkeit vernachlässigbar ist.
Für die Messung in der Praxis ist daher lediglich eine Temperaturkompensation der Messergebnisse für die Permeabilität erforderlich. Hierfür kann, wie in Fig. 7 dargestellt, für jeden Typ eines ferromagnetischen Elements eine entsprechende Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden. In Kenntnis der Temperatur, bei der die spannungsabhängigen Kalibrierabhängigkeiten der Fig. 5 und 6 ermittelt wurden sowie der Temperatur des ferromagnetischen Elements, welche beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Weise ermittelt werden kann, kann dann die tatsächlich gemessenen elektrischen Größen um einen Korrekturwert, der sich aus der temperaturabhängigen Kalibrierabhängigkeit ergibt, korrigiert werden. Dieser Wert der elektrischen Größe kann dann in die temperaturabhän- gige Kalibrierkurve eingesetzt und somit die Zug- oder Druckspannung ermittelt werden.
Das sehr einfache und mit geringem Aufwand durchzuführende Messverfahren nach der Erfindung ist in der Praxis vielseitig anwendbar. Beispielsweise kann bereits im Werk jedes Zug- oder Druckglied oder Spannglied mit einem entsprechenden Sensor ausgerüstet werden, da diese Zusatzkosten für einen derartigen Sensor (vgl. Fig. 3) relativ gering sind. Messungen der auf das betreffende Element wirkenden Kräfte bzw. Spannungen können sowohl bei der Montage als auch von Zeit zu Zeit zur Überwachung des betreffenden Elements durchgeführt werden.
Das Messverfahren bzw. die Vorrichtung weist eine hohe Langzeitstabilität auf und ist praktisch unabhängig von der Konstruktion des zu überwachenden Ele- ments. Beispielsweise sind im Gegensatz zu Dehnungsmessstreifen auch Messungen an Litzen und Seilen durchführbar. Für das Aufbringen eines Sensors nach der Erfindung sind keinerlei konstruktive Änderungen an den zu überwachenden Bauelementen erforderlich. Der beschriebene Sensor ist darüber hinaus elektrisch und mechanisch äußerst stabil und widerstandsfähig gegen Staub, Feuchtigkeit und Stoßbelastungen. Eine Kalibrierabhängigkeit muss lediglich für ein bestimmtes Material eines ferromagnetischen Elements durchgeführt werden, wobei sich bei unterschiedlichen Chargen industriell hergestellter Spannstähle desselben Typs praktisch kaum Abweichungen zeigen, so dass lediglich für einen bestimmten Spannstahltyp eine Kalibrierabhängigkeit aufgenommen werden muss.
Insbesondere mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren der Auswertung mehrerer magnetischer Kenngrößen konnte eine Messunsicherheit von ca. +/- 20 N/mm2 erreicht werden, was einer Messgenauigkeit von ca. 1,5 % des Messbe- reichsendwertes entspricht.
ATZBLATT (REGEL 2C

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Bestimmung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Spann-, Zug- oder Druckglied für des Bauwesens,
dadurch gekennzeichnet,
a) dass zumindest in einem Punkt der Magnetisierungskurve des fenomagnetischen Elements die magnetische Feldstärke H bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B und/oder der magnetische Flusses B bei einem vorbestimmten Wert für die magnetische Feldstärke H und/oder die Steigung der Magnetisierungskurve bei einem vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H direkt oder indirekt erfasst wird,
b) dass für das Material und/oder den Typ des fenomagnetischen Ele- ments ein Kalibiriervorgang durchgeführt wird, in dem für den zumindest einen Punkt die Spannungsabhängigkeit der erfassten Größe bei dem jeweils vorbestimmten Wert für den magnetischen Fluss B oder die magnetische Feldstärke H ermittelt wird, und c) dass der Wert der Zug- oder Druckspannung in dem fenomagnetischen Element oder deren Änderung durch einen Vergleich des Werts der erfassten Größe und der zugeordneten Kalibrierabhängigkeit ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung der tatsächlichen Spannung im ferromagnetischen Element zumindest zwei Größen in einem oder mehreren Punkten der Magnetisierungskurve direkt oder indirekt erfasst werden, dass aus jedem erfassten Wert der magnetischen Größe und einer zugeordneten Kalibrierabhängigkeit jeweils ein Wert für die Zug- oder Druckspannung im fenomagnetischen Element ermittelt wird und dass die zumindest zwei so ermittelten Zug- oder Druckspannungswerte zum Erhalt des Ergebnisses für die Zug- oder Druckspannung gemittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine erfasste magnetische Größe eine der folgenden magnetischen Kenngrößen der Magnetisierungskurve ist: Permeabilität, Remanenz, ma- ximaler magnetischer Fluss, Koerzitivfeldstärke.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche der genannten vier magnetischen Kenngrößen erfasst und hieraus unter Verwendung von entsprechenden Kalibrierabhängigkeiten vier Werte für die Zug- oder Druckspannung ermittelt und zum Erhalt des Ergebnisses für die
Zug- oder Druckspannung gemittelt werden.
5. Verfahren nach einem der Anspiliche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit die in den anderen Kalibrier- abhängigkeiten enthaltene Information zur Auswahl des korrekten Wertes für die Zug- oder Druckspannung aus den mehreren sich aus der mehrdeutigen Kalibrierabhängigkeit ergebenden Werten verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der ermittelten vier Spannungswerte auf eine unzulässig hohe Abweichung von den verbleibenden drei anderen Werten oder dem Durchschnitt aller vier Werte geprüft und für den Fall des Vorliegens einer unzulässig hohen Abweichung für die Mittelwertbildung unberücksichtigt bleibt.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturkompensation eine Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit der zumindest einen erfassten magnetischen Größe, insbesondere die Permeabilität, ermittelt wird, und dass zur Be- Stimmung des Wertes der Zug- oder Druckspannung der erfasste Wert für die magnetische Größe um einen Betrag korrigiert wird, der sich aus der Kalibrierabhängigkeit für die Temperaturabhängigkeit unter Verwendung der Isttemperatur bei der Erfassung der magnetischen Größe und derjenigen Temperatur ergibt, bei der die Aufnahme der Kalibrierabhängigkeit für die Spannungsabhängigkeit der erfassten magnetischen Größe erfolgt ist.
8. Vorrichtung zur Erfassung von Zug- oder Druckspannungen in einem ferromagnetischen Element, insbesondere einem Zug- oder Druckglied für das Bauwesen,
gekennzeichnet durch
a) einen Sensor (13) zur Erfassung der Zug- oder Druckspannung, welcher eine auf einem gemeinsamen Kern angeordnete Erregerspule (3)
^ERSATZBLATT (REGEL S) zur Erzeugung eines magnetischen Feldes und eine auf dem Kern angeordnete Induktionsspule (5) umfasst, wobei das ferromagnetische Element (1) mit dem Kern gekoppelt wird oder diesen darstellt,
b) eine die Erregerspule (3) mit einem Erregerstrom (Ier) beaufschlagenden Stromquelle (7) und
c) eine Auswerteeinheit (33), welche die in der Induktionsspule (5) induzierte Spannung (Uj) und/oder die integrierte induzierte Spannung er- fasst und welcher Informationen über die Erregerstromstärke (Ierr) zugeführt sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle (7) eine Wechselstromquelle ist, vorzugsweise eine Sinus- Wechsel- Stromquelle mit vorbestimmter Frequenz und geregelter Amplitude.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (33) über eine vorbestimmte Anzahl von Perioden des Eπegerstroms
(Ierr) die induzierte Spannung (U,) und die integrierte induzierte Spannung und/oder den Erregerstrom (Ierr) abtastet und hieraus die zumindest ein
Größe der Magnetisierungskurve ermittelt.
11. Vorrichtung nach einem der Anspmche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (33) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 durchführt.
12. Vorrichtung nach einem der Anspmche 8 bis 1 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (13) einen Spulenkörper (15) aus nicht-magnetischem Material umfasst, auf welchem die Induktionsspule (5) und die Eπegerspule
ERSATZBLAπ (REGEL 26) (3) angeordnet sind.
13. Vorrichtung nach Anspmch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Erregerspule (3) des Sensors (13) größer ist als die Länge der Induktionsspule (5) und dass sich die Induktionsspule (5) vollständig innerhalb der Erregerspule (3) befindet.
ERSATZBUTT (REGEL 26)
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