[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] Die verminderte Tragfähigkeit von Proben oder Bauteilen bei schwingender Belastung
im Vergleich zu jener bei ruhender Belastung wird als Ermüdung oder Zerrüttung bezeichnet.
[0004] 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).
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013]

Die Erfindung ist in der Lage, all diese Belastungsformen zu behandeln. Auch mehrachsige
Beanspruchungen können erfaßt werden.
[0014] 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.
[0015] 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.
[0016] Fig. 5 zeigt das Dauerfestigkeits-Schaubild nach Haigh. Dieses ist auf den Spannungsausschlag
abgestimmt, der sich als Ordinatenabschnitt über der Mittelspannung δ
m bis zur Grenzlinie ergibt.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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- zei
ge, 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.
[0021] 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.
[0022] 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 Landfahrzeu
gen, 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.
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.