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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Beispielsweise
ist der Mantel aus Polyester ausgebildet. Dieses Material eignet
sich besonders, um ein Mantelgeflecht mit leichter Vorspannung auszubilden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, deren Aufbau
und Funktion werden im Folgenden anhand der Figuren der Zeichnung näher
erläutert, wobei
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1 schematisch
eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zum Bestimmen eines Verschleißzustandes eines
Zug- oder Kraftübertragungsmittels anhand eines allgemeinen
Funktionsprinzips zeigt;
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2 schematisch
eine Integration eines Wellenleiters in einem Zug- oder Kraftübertragungsmittel
gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Zeitgeber 15 kann zudem einen elektronischen Kalender aufweisen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005057055
A1 [0003]