DE102008026731A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels zur Verfügung zu stellen, welche mit geringem vorrichtungsseitigem und messtechnischem Aufwand zuverlässige Aussagen über den Verschleißzustand des Zug- oder Kraftübertragungsmittels erlauben, wobei darüber hinaus die Vorrichtung feldtauglich und kompakt ist sowie einen geringen Energiebedarf über lange Zeiträume besitzt. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren der oben genannten Gattung gelöst, bei welchem eine Änderung einer Länge oder eine Dehnung wenigstens eines Wellenleiters, der schleifenförmig und doppelt oder einfach gestreckt mit einem signalreflektierenden Ende über die Länge des Zug- oder Kraftübertragungsmittels an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel integriert ist, dadurch erfasst wird, dass einzelne Impulse, ausgehend von wenigstens einem Schaltkreis, über den Wellenleiter übertragen und in den wenigstens einen Schaltkreis zurückgeführt werden, und aus einer Änderung einer Impulslaufzeit durch den Wellenleiter die Längenänderung oder Dehnung des Wellenleiters ermittelt wird. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der ...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels, insbesondere eines Seils oder eines Riemens.
  • Als Zug- oder Kraftübertragungsmittel können beispielsweise hochfeste Kunstfaserseile eingesetzt werden. Sie erreichen zum Teil höhere Festigkeiten als Stahlseile, bei deutlich geringerem Gewicht. Bisher sind kein Verfahren und keine Vorrichtung bekannt, um den Verschleißzustand eines solchen Zugmittels aus Kunstfasern messtechnisch zu bestimmen.
  • Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 057 055 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen mechanischer Belastungen an einer Rohrleitung bekannt. In dem Verfahren wird eine Längenänderung und/oder eine Länge eines in oder an der Rohrleitung verlegten, mit dieser verbundenen Wellenleiters bestimmt. Hierfür wird ein periodisches Eingangssignal in den Wellenleiter eingekoppelt, ein periodisches Ausgangssignal aus dem Wellenleiter ausgekoppelt, das Eingangssignal und das Ausgangssignal an eine Phasenvergleichsschaltung zum Erzeugen eines Phasendifferenzsignals angelegt, die Eingangsfrequenz des Eingangssignals bis zum Erzeugen eines konstanten Phasendifferenzsignals verändert und das konstante Phasendifferenzsignal überwacht bzw. ein sich veränderndes Phasendifferenzsignal signalisiert.
  • Gemäß dem bekannten technischen Verfahren werden somit zwei periodische Signale im Frequenzbereich hinsichtlich ihrer Phasenverschiebung zueinander bewertet. Da die ermittelte Phasendifferenz keine eineindeutige Information über die Länge des Wellenleiters liefert, muss die Messung bei mindestens zwei verschiedenen Frequenzen erfolgen. Dazu wird ein Signalgenerator benötigt, dessen periodisches Ausgangssignal in der Frequenz variiert werden kann. Diese Form der Messwertbestimmung erfordert einen großen messtechnischen Aufwand, wodurch die verwendete Messtechnik nicht kompakt genug gestaltet werden kann, einen hohen Energieverbrauch besitzt und teuer ist.
  • Ferner sind im Stand der Technik Systeme zur Bauwerksüberwachung beschrieben worden, die auf einer Dehnungsmessung unter Verwendung von Faser-Bragg-Gittern basieren. Bei den bekannten Verfahren wird zur Bestimmung einer Längenänderung bzw. Dehnung ein speziell manipulierter Lichtwellenleiter benötigt. Für elektrische Leiter ist dieses Verfahren nicht anwendbar. Des weiteren kann die Gesamtlänge der Sensorfaser durch Auswertung der sogenannten Bragg-Wellenlänge bzw. deren Verschiebung nicht ermittelt werden. Zudem benötigen solche Systeme zur Temperaturkompensation eine zweite, mechanisch unbelastete Faser. Prinzipbedingt sind Bragg-Gitter-Sensoren empfindlich gegenüber Biegungen der Sensorfaser. Für den Einsatz in textilen Zugmitteln, wie beispielsweise Faserseilen, sind diese daher ungeeignet.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels zur Verfügung zu stellen, welche mit geringem vorrichtungsseitigem und messtechnischem Aufwand zuverlässige Aussagen über den Verschleißzustand des Zug- oder Kraftübertragungsmittels erlauben, wobei darüber hinaus die Vorrichtung feldtauglich und kompakt ist sowie einen geringen Energiebedarf über lange Zeiträume besitzt.
  • Die Aufgabe wird einerseits durch ein Verfahren der oben genannten Gattung gelöst, wobei eine Änderung einer Länge oder eine Dehnung wenigstens eines Wellenleiters, der schleifenförmig und doppelt oder einfach gestreckt mit einem signalreflektierenden Ende über die Länge des Zug- oder Kraftübertragungsmittels an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel integriert ist, dadurch erfasst wird, dass einzelne Impulse ausgehend von wenigstens einem Schaltkreis über den Wellenleiter übertragen, in den wenigstens einen Schaltkreis zurückgeführt werden und aus einer Änderung einer Impulslaufzeit durch den Wellenleiter die Längenänderung oder Dehnung des Wellenleiters ermittelt wird.
  • Erfindungsgemäß reicht ein einziger Wellenleiter aus, um einen jeweiligen Verschleißzustand des Zug- oder Kraftübertragungsmittels zu ermitteln. Es müssen somit keine Referenzfasern, wie beispielsweise Bragg-Gitter wie im Stand der Technik, verwendet werden. Somit kann eine einfache und preiswerte Vorrichtung zum Bestimmen des Verschleißzustandes des Zug- oder Kraftübertragungsmittels zur Verfügung gestellt werden.
  • Wird ein Wellenleiter mit einem das Messsignal reflektierenden Ende gestreckt über die Länge des Zug- oder Kraftübertragungsmittels verwendet, kann das hin- und zurücklaufende Signal mit Hilfe eines optischen oder elektrischen Richtkopplers nach auf der Sensorfaser des Wellenleiters hinlaufenden Sende- und rücklaufenden Empfangsimpulsen aufgeteilt und der Zeitmessung zugeführt werden.
  • Darüber hinaus erfordert das erfindungsgemäße Messverfahren, bei welchem es ausreicht, einen einzelnen Impuls ausgehend von dem Schaltkreis über den Wellenleiter zu dem Schaltkreis zurückzuführen, keine aufwendige und damit teure Messtechnik. Vielmehr kann die Verschleißmessvorrichtung preisgünstig, feldtauglich und kompakt gestaltet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet vollständig im Zeitbereich. Es werden weder periodische Signale noch ein frequenzveränderlicher Signalgenerator benötigt. Dadurch ist es möglich, den Bauelementeaufwand und dadurch die Abmessungen der verwendeten Sensorelektronik auf ein Minimum zu reduzieren. Prinzipbedingt und durch die Verwendung zeitlich sehr kurzer Einzelimpulse als Messsignal ermöglicht die Erfindung eine Bestimmung der Länge oder der Längenänderung des Wellenleiters innerhalb eines sehr kurzen Zeitintervalls. Dadurch ist dieses Verfahren besonders energiesparend und für den autonomen, batteriegestützten Betrieb geeignet.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich zu der Längenänderung oder Dehnung wenigstens eine mechanische Belastung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels erfasst und mit der ermittelten Längenänderung oder Dehnung ausgewertet. Durch die zusätzliche Messung der aktuellen Belastung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels kann ein Spannungs-Dehnungs-Diagramm erstellt werden. Von den somit in Echtzeit gewinnbaren Daten können Rückschlüsse auf den Verschleißzustand bzw. die Ablegereife des Zug- oder Kraftübertragungsmittels gezogen werden.
  • In einer bevorzugten Variante der vorliegenden Erfindung wird an einer dem Wellenleiter zugeordneten Sensorelektronik eine Temperatur erfasst. Dies ermöglicht eine Korrektur der temperaturabhängigen Signallaufzeit innerhalb des Wellenleiters bzw. innerhalb der Wandler bzw. der im Signalpfad liegenden elektronischen Baugruppen des Schaltkreises.
  • Es ist besonders günstig, wenn die gemessenen und/oder ermittelten Werte drahtlos an ein Überwachungssystem übertragen werden. Somit kann ein drahtloser Datenaustausch zu übergeordneten Systemen erfolgen, wo die gemessenen und/oder ermittelten Werte dargestellt oder weiter verarbeitet werden können.
  • Gemäß einem bevorzugten Beispiel der vorliegenden Erfindung wird bei einer festgelegten unzulässigen Längenänderung oder Dehnung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels und/oder bei Erreichen eines festgelegten unzulässigen Temperaturbereiches ein Melde- oder Warnsignal ausgegeben. Dadurch kann das Zug- oder Kraftübertragungsmittel rechtzeitig vor einem potentiellen Gefahrenfall ausgetauscht oder nötigenfalls repariert werden, oder es kann rechtzeitig verhindert werden, dass das Zug- oder Kraftübertragungsmittel mit weiteren hohen Lasten beaufschlagt wird.
  • In einer besonders günstigen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung werden mehrere Messungen der Impulslaufzeit kurz hintereinander durchgeführt und unter Verwendung statistischer Verfahren ein Mittelwert der Impulslaufzeit bestimmt. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung verbessert, indem Messwertschwankungen durch gegebenenfalls auftretende Signal-Jitter kompensiert werden.
  • Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung der oben genannten Gattung gelöst, wobei an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel wenigstens ein Wellenleiter schleifenförmig und doppelt oder einfach gestreckt mit einem signalreflektierenden Ende über die Länge des Zug- oder Kraftübertragungsmittels integriert ist und ein oder beide Enden des Wellenleiters mit wenigstens einem Schaltkreis mit Elementen zur Einzelimpulserzeugung und Impulslaufzeitmessung verbunden sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine online-Überwachung von länglichen, zumindest teilweise aus Fasern ausgebildete Zug- oder Kraftübertragungsmitteln. Da Elemente zur Einzelimpulserzeugung und Impulslaufzeitmessung vorgesehen sind, die sowohl in einem Schaltkreis integriert als auch getrennte Baugruppen einer Elektronik sein können, kann die Messung des Verschleißzustandes des Zug- oder Kraftübertragungsmittels auf einfache Weise mittels eines einzelnen Impulses, der von dem Schaltkreis über den Wellenleiter zu dem Schaltkreis zurückgeführt wird, erfolgen. Entsprechend ist die erforderliche Messtechnik gering und kann daher kompakt gestaltet werden. Da das mit dem Schaltkreis realisierbare Messprinzip nur jeweils kurzfristig Energie benötigt, kann zudem die erfindungsgemäße Vorrichtung neben dem allgemein üblichen Netzbetrieb auch im Batteriebetrieb eingesetzt werden. Damit eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere für den Feldeinsatz.
  • Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn das Zug- oder Kraftübertragungsmittel ein Kunstfaserseil ist. Bei derartigen Kunstfaserseilen war es bisher nicht möglich, eine während des Einsatzes eine geeignete Bestimmung des jeweiligen Verschleißzustandes vorzunehmen. Kunstfaserseile werden jedoch in der Praxis als Zug- oder Kraftübertragungsmittel immer interessanter, da sie sehr hohe Festigkeiten aufweisen.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Wellenleiter ein faserförmig ausgebildeter Lichtwellenleiter aus Glas oder Kunststoff oder ein verdrillter drahtförmiger elektrischer Leiter. Somit können sowohl optische als auch elektrische Messprinzipien erfindungsgemäß verwendet werden. Dabei kann je nach Anwendungsgebiet ein Lichtwellenleiter aus Glas bzw. Kunststoff oder ein elektrischer Wellenleiter, wie beispielsweise eine verdrillte Zweidrahtleitung, zum Einsatz kommen. Werden beispielsweise Lichtwellenleiter aus Glas bzw. Kunststoff als Wellenleiter eingesetzt, liegt deren zulässige Dehnung in der gleichen Größenordnung wie die Arbeitsdehnung von Zug- oder Kraftübertragungsmitteln aus hochfesten Kunstfasern. Entsprechend können die eingesetzten Lichtwellenleiter geeignet auf die zulässigen Dehnungen in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel, dessen Verschleißzustand ermittelt werden soll, abgestimmt werden, wobei die mechanischen Spannungen im Zug- oder Kraftübertragungsmittel nicht zur Zerstörung des Wellenleiters führen.
  • In einer besonders günstigen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist der Wellenleiter zwischen einem tragenden Kern des Zug- oder Kraftübertragungsmittels und einem den Kern umgebenden, stärker dehnbaren Mantel vorgesehen. Somit kann der Wellenleiter geeignet an dem Wellenleiter fixiert werden. Da der Mantel dehnbarer als der Kern und der Wellenleiter ist bzw. eine geringere Steifigkeit als der Kern und der Wellenleiter aufweist, wird der Wellenleiter bei einer hohen, am Zug- oder Kraftübertragungsmittel wirkenden Zugkraft nicht zerstört.
  • Es hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn der Mantel aus einem Geflecht ausgebildet ist. Ein geflochtener Mantel besitzt die vorteilhafte Eigenschaft, dass er sich bei einer Zugbelastung zusammenzieht und somit eine Erhöhung der Haftreibung zwischen dem Wellenleiter und dem Kern des Zug- oder Kraftübertragungsmittels bewirkt. Ist die Haftreibung groß genug, so dass eine Zugkraft auf den Wellenleiter übertragen werden kann, die die Dehnung des Wellenleiters bewirkt, kann eine schlupffreie Verbindung zwischen Wellenleiter und Seilstruktur realisiert werden.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist der Mantel mit Vorspannung geflochten. Somit kann der Wellenleiter einfach zwischen Mantel und Kern fixiert werden. Es erfolgt eine Anpassung der Haftreibung zwischen Kern, Wellenleiter und Mantel, so dass die zur Dehnung des Wellenleiters nötige Zugkraft, übertragen werden kann.
  • Beispielsweise ist der Mantel aus Polyester ausgebildet. Dieses Material eignet sich besonders, um ein Mantelgeflecht mit leichter Vorspannung auszubilden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Kern n-fach geflochten sein oder aus parallel liegenden Fasern ausgebildet sein. Hierdurch kann ein hochfester Kern zur Verfügung gestellt werden, mit welchem hohe Kräfte aufgenommen werden können, so dass der jeweilige Verschleißzustand mittels des Wellenleiters über lange Betriebszeiten des Zug- oder Kraftübertragungsmittels zuverlässig ermittelt werden kann.
  • Es ist besonders von Vorteil, wenn die Vorrichtung einen Temperatursensor aufweist. Der Temperatursensor kann gegebenenfalls in einem Signalwandler des Schaltkreises integriert sein oder in der Nähe der Signalwandler des Schaltkreises vorgesehen werden. Der Temperatursensor ermöglicht eine Korrektur der temperaturabhängigen Signallaufzeit innerhalb der Wandler bzw. der im Signalpfad liegenden elektronischen Baugruppen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es von Vorteil, wenn der Schaltkreis einen Zeitgeber und einen nichtflüchtigen Speicher aufweist. Ein zusätzlicher Zeitgeberschaltkreis, vorzugsweise mit Datumsfunktion, ermöglicht in Verbindung mit dem nichtflüchtigen Speicher, der in einem Mikrocontroller integriert oder als eigenständiger Schaltkreis ausgebildet sein kann, ein Erstellen einer „Belastungsvergangenheit” des Zug- oder Kraftübertragungsmittels. Aus dieser individuellen Signatur des Zug- oder Kraftübertragungsmittels kann die erfindungsgemäße Vorrichtung gegebenenfalls automatisch einen aktuellen Verschleißzustand bzw. einen Austauschzeitpunkt bei einem Erreichen der Ablegereife des überwachten Zug- oder Kraftübertragungsmittels bestimmen bzw. signalisieren.
  • In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist das Zug- oder Kraftübertragungsmittel einen beide Enden des Wellenleiters verbindenden, schlaufenartigen Endverbinder auf, wobei der Schaltkreis innerhalb des schlaufenartigen Endverbinders vorgesehen ist. Somit kann der Schaltkreis geeignet an nicht störender Position am Zug- oder Kraftübertragungsmittel in direkte Verbindung mit dem Wellenleiter gebracht werden.
  • In einer günstigen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel mehrere Wellenleiterschleifen oder mehrere gestreckte Wellenleiter und wenigstens ein Umschalter für die Wellenleiter vorgesehen. Somit können verschiedene Bereiche des Zug- oder Kraftübertragungsmittels gesondert überwacht werden oder es kann durch die Verwendung redundanter Wellenleiter eine höhere Zuverlässigkeit der Überwachung zur Verfügung gestellt werden.
  • In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Schaltkreis einen temperaturkompensierten Quarz als Referenz für die Zeitmessung auf. Somit kann die Genauigkeit der Impulslaufzeitmessung erhöht werden.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau und Funktion werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert, wobei
  • 1 schematisch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels anhand eines allgemeinen Funktionsprinzips zeigt;
  • 2 schematisch eine Integration eines Wellenleiters in einem Zug- oder Kraftübertragungsmittel gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 3 schematisch eine Schnittdarstellung durch ein Zug- oder Kraftübertragungsmittel mit einem daran bzw. darin integrierten Wellenleiter zeigt, wobei in der gezeigten Ausführungsform der Wellenleiter zwischen einem hochfesten Kern und einem Mantelgeflecht vorgesehen ist; und
  • 4 schematisch eine Ausführungsvariante der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei der Schaltkreis innerhalb eines schlaufenartigen Endverbinder an dem zu überwachenden Zug- oder Kraftübertragungsmittel vorgesehen ist.
  • 1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern 2 ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 anhand eines allgemeinen Funktionsprinzips. In dem in 1 gezeigten Beispiel ist das Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 ein Seil aus hochfesten Kunstfasern, welche, wie in 1 angedeutet, n-fach geflochten sein können oder, wie in 2 angedeutet, als parallel liegende Fasern 2 vorgesehen sein können.
  • In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann als Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1, dessen Verschleiß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt wird, ein Riemen oder Zahnriemen verwendet werden. Somit können sowohl positionsfeste als auch bewegte Zug- oder Kraftübertragungsmittel mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung überwacht werden.
  • In oder an dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 ist ein Wellenleiter integriert. In dem Beispiel von 1 ist als Wellenleiter 3 ein Lichtwellenleiter vorgesehen. Der Lichtwellenleiter ist eine Sensorfaser aus Glas oder Kunststoff. In anderen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung kann auch ein Wellenleiter 4 in Form eines elektrischen Leiters eingesetzt werden. Beispielsweise bietet sich hierfür der Einsatz einer verdrillten Zweidrahtleitung an. Ob als Wellenleiter ein Lichtwellenleiter oder ein elektrischer Wellenleiter eingesetzt wird, kann in Abhängigkeit im jeweiligen Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung frei bestimmt werden.
  • Der Wellenleiter 3, bzw. in anderen Ausführungsvarianten der Wellenleiter 4, weist eine Länge l auf und erstreckt sich schleifenförmig und doppelt über die Länge L des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1. Beide Enden 5, 6 des Wellenleiters 3 sind mit einem Schaltkreis 7 verbunden. Ein erstes Ende 5 des Wellenleiters 3 ist mit einem Signalwandler 18 verbunden und ein zweites Ende 6 des Wellenleiters 3 ist mit einem Signalwandler 19 verbunden.
  • In anderen, nicht gezeigten Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, den Wellenleiter 3 oder 4 gestreckt, also nicht in Form einer Leiterschleife, in das Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 einzubringen. Bei dieser Ausführungsvariante sind an dem Ende des Wellenleiters 3, 4 Vorkehrungen zu treffen, dass das gesendete Impulssignal zurückreflektiert werden kann. Beispielsweise können hierfür an der Einkoppelstelle bzw. Anschlussstelle des Wellenleiters 3, 4 sogenannte Richtkoppler eingesetzt werden. Dieses zusätzliche Element, welches sowohl optisch als auch elektrisch arbeiten kann, ermöglicht es, den Signalpfad in Sende- und Empfangsrichtung zu trennen, wobei der hinlaufende Impuls 10 bzw. der Sendeimpuls auf der gleichen Sensorfaser des Wellenleiters 3, 4 übertragen wird, wie der zurücklaufende, am Ende reflektierte Empfangsimpuls.
  • Darüber hinaus ist es gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung möglich, dass an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 mehrere Wellenleiterschleifen oder mehrere gestreckte Wellenleiter und wenigstens ein Umschalter mit einer Sensorelektronik zum Umschalten der Wellenleiter 3, 4 vorgesehen sind.
  • Der Signalwandler 18 erhält durch einen Impulsgenerator 8 wenigstens einen einzelnen Impuls 10, welcher durch den Wellenleiter 3 übertragen wird und über den Signalwandler 19 in den Schaltkreis 7 zurückgeführt wird. Tritt an dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 eine Änderung der Länge L oder eine Dehnung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 auf, ändert sich auch die Länge l des Wellenleiters 3, wodurch sich eine Änderung der Impulslaufzeit t durch den Wellenleiter 3 ergibt. Die Änderung Δt wird in dem Schaltkreis 7 durch eine Zeitmesseinheit 9 erfasst. Die Genauigkeit der Zeitmessung kann erhöht werden, wenn der Schaltkreis 7 einen temperaturkompensierten Quarz als Zeitmessreferenz aufweist.
  • Zudem kann es günstig sein, wenn mehrere Messungen der Impulslaufzeit t kurz hintereinander durchgeführt werden und statistische Verfahren zur Bestimmung der Signallaufzeit eingesetzt werden. Dadurch wird die Genauigkeit der Messung der Impulslaufzeit verbessert, indem Messwertschwankungen durch gegebenenfalls auftretende Signal-Jitter kompensiert werden.
  • Die Zeitmesseinheit 9 und der Impulsgenerator 8 sind direkt mit einer Steuereinheit bzw. einen Mikrocontroller 20 gekoppelt, die einen nichtflüchtigen Speicher 16 sowie eine Messwert- und Signalausgabe aufweist.
  • Die Steuereinheit 20 ist wiederum mit einem Standardmesssystem 21 zur Bestimmung einer Zugkraft am Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1, einem Temperatursensor 14 und einem Zeitgeber 15 gekoppelt. Der Temperatursensor 14 kann gegebenenfalls auch in einem der Signalwandler 18, 19 oder direkt am Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 bzw. dem Wellenleiter 3 integriert sein.
  • Der Zeitgeber 15 kann zudem einen elektronischen Kalender aufweisen.
  • Die Vorrichtung nach 1 arbeitet wie folgt: Mit Hilfe des integrierten Schaltkreises 7 bzw. dem darin enthaltenen Impulsgenerator 8 werden einzelne kurze elektrische Impulse 10 erzeugt. Diese werden über den Signalwandler 18 direkt in den Wellenleiter 3 übertragen und über den Signalwandler 19 zu dem Schaltkreis 7 zurückgeführt. Die Zeitmesseinheit 9 des Schaltkreises 7 bestimmt nun eine Zeitspanne zwischen dem Senden und dem Empfangen des Impulses 10. Die Zeitdifferenz Δt wird an die Steuereinheit bzw. den Mikrocontroller 20 übertragen. Dieser berechnet aufgrund der Kenntnis der elektrischen bzw. optischen Eigenschaften des Wellenleiters 3 und der elektrischen Eigenschaften der Signalwandler 18, 19 die Länge des Wellenleiters 3.
  • Der mit der Steuereinheit 20 gekoppelte und in der Nähe der Signalwandler 18, 19 vorgesehene oder darin direkt integrierte Temperatursensor 14 ermöglicht eine Korrektur der temperaturabhängigen Signallaufzeit t innerhalb der Signaturwandler 18, 19, des Wellenleiters 3 sowie weiterer im Signalpfad liegender elektronischer Baugruppen.
  • Mit dem Standardmesssystem 21 wird darüber hinaus eine Zugkraft bzw. Zugspannung am oder im Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 bestimmt. Hieraus können durch den Schaltkreis 7 oder ein übergeordnetes Überwachungssystem 11 Spannungs-Dehnungs-Diagramme bzw. Teilbereiche daraus ermittelt werden.
  • Der Zeitgeber 15, welcher zusätzlich eine Datumsfunktion aufweisen kann, ermöglicht in Verbindung mit dem nichtflüchtigen Speicher 16, der sowohl in der Steuereinheit 20 integriert oder als eigener Schaltkreis ausgebildet sein kann, das Erstellen einer „Belastungsvergangenheit” des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1. Aus dieser individuellen Signatur des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 kann die erfindungsgemäße Vorrichtung gegebenenfalls automatisch einen aktuellen Verschleißzustand bzw. einen Aus tauschzeitpunkt bei Erreichen der Ablegereife des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 bestimmen bzw. signalisieren.
  • Alle in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendeten Komponenten, mit Ausnahme der optischen Wandler 18, 19, haben einen geringen Energiebedarf. Die erhöhte Leistungsaufnahme der optischen Wandler 18, 19, welche nur bei Verwendung von Lichtwellenleitern 3 als Sensorfaser benötigt werden, kann durch kurze Einschaltdauern reduziert werden. Die erfindungsgemäße Messvorrichtung ist daher besonders gut für den Batteriebetrieb geeignet.
  • Die Steuereinheit bzw. der Mikrocontroller 20 ermöglicht einen Datenaustausch zu übergeordneten Systemen, wie dem hier schematisch dargestellten Überwachungssystem 11. Je nach Anwendungsfall kann der Datenaustausch kabelgebunden oder drahtlos erfolgen.
  • Die elektronischen Baugruppen des Schaltkreises 7 können so kompakt gestaltet werden, dass sie, wie es in 1 oder in 4 gezeigt ist, direkt am Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 befestigt werden können.
  • 2 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1, an welchem dessen Verschleißzustand mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmt werden kann. Das Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 ist in dem in 2 gezeigten Beispiel ein Seil aus hochfesten Kunstfasern 2, welche einen tragenden Kern 12 des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 ausbilden. Um den Kern 12 ist ein Mantel 13 vorgesehen, der stärker als der Kern 12 dehnbar ist. Zwischen dem tragenden Kern 12 und dem den Kern 12 umgebenden Mantel 13 ist der Wellenleiter 3 vorgesehen, welcher in dem in 2 gezeigten Beispiel ein Lichtwellenleiter aus Glas oder Kunststoff ist. In anderen Ausführungsvarianten der Anordnung aus 2 kann anstelle des Wellenleiters 3 auch ein elektrischer Wellenleiter 4 in Form einer verdrillten Zweidrahtleitung vorgesehen werden, welche geschirmt oder nicht geschirmt sein kann.
  • Das Prinzip aus 2 ist schematisch anhand von 3 näher verdeutlicht. So zeigt 3 schematisch in einer geschnittenen Seitenansicht einen Ausschnitt aus dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 mit dem hochfesten Kern 12, dem Mantel 13 und dem Zwischenkern 12 und Mantel 13 schleifenförmig und doppelt über die Länge L des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 vorgesehenen Wellenleiter 3.
  • In dem in 3 gezeigten Beispiel besteht der Mantel 13 aus einem Geflecht. Der Mantel 13 ist dehnbarer als der Kern 12 und der Wellenleiter 3 bzw. weist eine geringere Steifigkeit als der Kern 12 und der Wellenleiter 3 auf. Dies ermöglicht es, dass die Sensorfaser des Wellenleiters 3 nicht auf Dauer oder sofort durch eine erhöhte Zugkraft am Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 zerstört wird.
  • Das Mantelgeflecht des Mantels 13 ist mit leichter Vorspannung geflochten und besteht in dem in 3 gezeigten Beispiel aus Polyester. Auf diese Weise kann die Sensorfaser des Wellenleiters 3 zwischen dem Mantel 13 und dem Kern 12 fixiert werden, das heißt es erfolgt eine Anpassung der Haftreibung zwischen dem Kern 12, dem Wellenleiter 3 und dem Mantel 13, so dass die zur Dehnung des Wellenleiters 3 nötige Zugkraft übertragen werden kann. Es besteht somit eine nahezu schlupffreie Verbindung zwischen dem Wellenleiter 3 und der Seilstruktur des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1.
  • Die mechanischen Spannungen in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 können sehr große Werte erreichen, die die zulässigen Zwangsspannungen des Wellenleiters 3 übersteigen. Wird eine Anordnung gemäß 2 oder 3 verwendet, kann ein Abknicken der Sensorfaser des Wellenleiters 3 an der Ein- bzw. Austrittsstelle aus dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 verhindert werden. Dies wird hier dadurch erreicht, dass die Sensorfaser des Wellenleiters 3 zwischen dem tragenden Seilkern 12 und den umgebenden, stärker dehnenden Mantelgeflecht des Mantels 13 eingebracht ist. Im Bereich der Sensorfaser des Wellenleiters 3 sind dadurch die auftretenden Zwangsspannungen deutlich geringer. Entsprechend wird ein Ausknicken der Sensorfaser des Wellenleiters 3 auf diese Weise verhindert. Der Reibschluss zwischen Seilstruktur und der Sensorfaser des Wellenleiters 3 kann dennoch groß genug gestaltet werden, um eine nahezu schlupffreie Übertragung der Seildehnung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 auf die Sensorfaser des Wellenleiters 3 zu gewährleisten.
  • 4 zeigt schematisch eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 in Form eines hochfesten Kunstfaserseils. In dem gezeigten Beispiel ist an einem Ende des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 ein beide Enden 5, 6 des Wellenleiters 3 verbindender, schlaufenartiger Endverbinder 17 vorgesehen. Innerhalb der Schlaufe 22 des Endverbinders 17 ist der Schaltkreis 7 untergebracht, wobei die Sensorelektronik des Schaltkreises 7 direkt mit den Enden 5, 6 des Wellenleiters 3 verbunden ist. Bei der in 4 gezeigten Ausführungsvariante ist der Wellenleiter 3 ein Lichtwellenleiter, kann aber in anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch ein elektrischer Wellenleiter 4 sein.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung, welche beispielsweise schematisch in den 1 bis 4 dargestellt ist, kann in verschiedensten Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Beispielsweise eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bauwerksüberwachung oder für den Brückenbau, wo beispielsweise Schrägseilbrücken zum Einsatz kommen, bei welchen eine Überwachung der Länge der Tragseile notwendig ist. Bei der Bauwerksüberwachung oder beim Brückenbau ist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine gute Alternative zu den im Stand der Technik beschriebenen Bragg-Sensoren. Im Vergleich zu den Anwendungen mit Bragg-Sensoren weist dagegen die erfindungsgemäße Vorrichtung einen einfacheren Aufbau auf. Ferner sind keine speziell dotierten Fasern mit darin vorgesehenen Gittern, wie im Stand der Technik beschrieben, erfindungsgemäß nötig. Da Glas- und auch Kunststoff-Lichtwellenleiter eine zulässige Dehnung aufweisen, welche in der gleichen Größenordnung wie die Arbeitsdehnung hochfester Kunstseile liegt, können diese bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besonders günstig eingesetzt werden. Dabei sind insbesondere Kunststofflichtwellenleiter bevorzugt einsetzbar, da mit solchen Lichtwellenleitern noch größere Dehnungen als mit Glaslichtwellenleitern messbar sind.
  • Ferner eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung für einen Einsatz im Flugzeugschlepp. Kritisch ist hier ein Bruch der Seil-Sollbruchstelle infolge zu großer Belastung beim Schleppen kurz nach dem Start bei geringer Flughöhe. Wird hier die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt, kann vor dem Bruch der Sollbruchstelle eine Warnung ausgegeben werden, dass sich das Zugseil mehr als vordefiniert längt, was ein Zeichen für eine zu hohe Zugkraft ist. Daraufhin kann der schleppende Pilot die Zugkraft leicht reduzieren. Die Sollbruchstelle bleibt intakt. Entsprechend kann eine gefährliche Flugsituation vermieden werden.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann darüber hinaus besonders günstig bei hohen Aufzügen eingesetzt werden. Bei sehr langen bzw. hohen Aufzügen, z. B. in Wolkenkratzern, sind konventionelle Aufzüge mit Stahlseilen in ihrer Länge entsprechend der Anzahl der zu bedienenden Stockwerke begrenzt. Werden die Stahlseile zu lang, reißen sie bereits aufgrund ihres hohen Eigengewichtes. Dieses Problem kann durch den Einsatz hochfester Kunstfaserseile gelöst werden. Diese tragen höhere Lasten als Stahlseile und sind zudem noch deutlich leichter. Die meisten Kunststoffe neigen jedoch mehr oder weniger zum Kriechen, das heißt sie werden unter ständiger Belastung immer länger und dünner. Wird daher die erfindungsgemäße Verschleißzustandsmessvorrichtung eingesetzt, kann diese Längung der Tragseile gemessen werden und es können anhand vordefinierter Kriterien Warnungen ausgegeben werden.
  • Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 ist der Kranbau. Auch hier sind hochfeste Kunstfaserseile von Interesse, da es bei großen Kränen aufgrund der hohen Masse von Stahlseilen zu ungewollten Schwerpunktverlagerungen des Kranes kommen kann. Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung kann hier zur Überwachung der Seillänge eingesetzt werden. Ein stark gelängtes Seil würde infolge der Kriechneigung, auch wenn es sonst völlig intakt erscheint, bei geringerer Last reißen, da es dünner geworden ist und somit einen geringeren tragenden Seilquerschnitt aufweist.
  • Sowohl beim Aufzugs- als auch beim Kranbau ist eine Messung der Belastung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Erfassung der Dehnung ebenfalls messbar. Da bei großen Lasten beispielsweise Kraftmessdosen sehr teuer sind, hat die Messung der Belastung über die Erfassung einer Dehnung den Vorteil, dass sie aus wirtschaftlicher Sicht günstiger sein kann.
  • Eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die online-Überwachung von Riemen oder Zahnriemen. Da hier die Möglichkeit einer berührungslosen Energiezuführung sowie Messwertausgabe besteht, eignet sich somit die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für den Einsatz an bewegten Zug- oder Kraftübertragungsmitteln.
  • Somit hat die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Messverfahren den Vorteil, dass generell eine online-Überwachung von Zug- oder Kraftübertragungsmitteln, insbesondere Seilen oder Riemen aus hochfesten Kunstfasern, realisierbar ist. Dabei können sowohl kurze als auch lange Strecken von Zug- oder Kraftübertragungsmitteln mit Hilfe von Kunststoff- oder Glaslichtwellenleitern überwacht werden. Es ist sowohl ein Netz- als auch ein Batteriebetrieb möglich. Ferner kann vor kritischen Belastungszuständen erfindungsgemäß gewarnt werden. Darüber hinaus kann aufgrund der „Historie” des Zug- oder Kraftübertragungsmittels ein aktueller Verschleißzustand sowie die Ablegereife des Zug- oder Kraftübertragungsmittels abgeleitet werden.
  • Erfindungsgemäß kann mit Hilfe des in das Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 integrierten Wellenleiters die Länge bzw. Längenänderung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 bestimmt werden. Durch zusätzliche Messung der wirkenden Zugbelastungen kann das Spannungs-Dehnungs-Verhalten bestimmt und anhand für das jeweilige Zug- oder Kraftübertragungsmittel 1 festzulegender Kriterien der Verschleißzustand des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist prinzipbedingt unempfindlich gegenüber einem störenden Einfluss von Biegungen des Zug- oder Kraftübertragungsmittels 1 auf die Messgröße.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 102005057055 A1 [0003]

Claims (20)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern (2) ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderung einer Länge (l) oder eine Dehnung wenigstens eines Wellenleiters (3, 4), der schleifenförmig und doppelt oder einfach gestreckt mit einem signalreflektierenden Ende über die Länge (L) des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel (1) integriert ist, dadurch erfasst wird, dass einzelne Impulse (10) ausgehend von wenigstens einem Schaltkreis (7) über den Wellenleiter (3, 4) übertragen, in den wenigstens einen Schaltkreis (7) zurückgeführt werden und aus einer Änderung einer Impulslaufzeit (t) durch den Wellenleiter (3, 4) die Längenänderung oder Dehnung des Wellenleiters (3, 4) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu der Längenänderung oder Dehnung wenigstens eine mechanische Belastung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) erfasst und mit der ermittelten Längenänderung oder Dehnung ausgewertet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der erfassten Längenänderung oder Dehnung bei bekanntem Spannungs-Dehnungs-Verhalten des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) eine mechanische Belastung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer dem Wellenleiter (3, 4) zugeordneten Elektronik eine Temperatur (T) erfasst wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen und/oder ermittelten Werte drahtlos an ein Überwachungssystem (11) übertragen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer festgelegten unzulässigen Längenänderung oder Dehnung des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) und/oder Erreichen eines festgelegten unzulässigen Temperaturbereiches ein Melde- oder Warnsignal ausgegeben wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Messungen der Impulslaufzeit (t) kurz hintereinander durchgeführt werden und ein Mittelwert der Impulslaufzeit (t) bestimmt wird.
  8. Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines länglichen, zumindest teilweise aus Fasern (2) ausgebildeten Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1), dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel (1) wenigstens ein Wellenleiter (3, 4) schleifenförmig und doppelt oder einfach gestreckt mit einem signalreflektierenden Ende über die Länge (L) des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) integriert ist und ein oder beide Enden (5, 6) des Wellenleiters (3, 4) mit wenigstens einem Schaltkreis (7) mit Elementen zur Einzelimpulserzeugung (8) und Impulslaufzeitmessung (9) verbunden sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug- oder Kraftübertragungsmittel (1) ein Kunstfaserseil ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (3, 4) ein faserförmig ausgebildeter Lichtwellenleiter (3) aus Glas oder Kunststoff oder ein verdrillter, drahtförmiger elektrischer Leiter (4) ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (3, 4) zwischen einem tragenden Kern (12) des Zug- oder Kraftübertragungsmittels (1) und einem den Kern (12) umgebenden, stärker dehnbaren Mantel (13) vorgesehen ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13) aus einem Geflecht ausgebildet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13) mit Vorspannung geflochten ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (13) aus Polyester ausgebildet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (12) n-fach geflochten ist oder aus parallel liegenden Fasern (2) ausgebildet ist.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Temperatursensor (14) aufweist.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (7) einen Zeitgeber (15) und einen nichtflüchtigen Speicher (16) aufweist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Zug- oder Kraftübertragungsmittel (1) einen ein oder beide Enden (5, 6) des Wellenleiters (3, 4) verbindenden, schlaufenartigen Endverbinder (17) aufweist, wobei der Schaltkreis (7) innerhalb des schlaufenartigen Endverbinders (17) vorgesehen ist.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass an oder in dem Zug- oder Kraftübertragungsmittel (1) mehrere Wellenleiterschleifen oder mehrere gestreckte Wellenleiter und wenigstens ein Umschalter für die Wellenleiter vorgesehen sind.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (7) einen temperaturkompensierten Quarz als Referenz für die Zeitmessung aufweist.
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