DE4322800A1 - Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druckspannungen und Vorrichtung und Verfahren zum Messen eines Schneeprofils - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von Druck- und Zugspannungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie z. B. aus der US-PS 29 27 459 bekannt ist. Diese Vorrichtung ist zum Messen von Spannungen im Erdreich oder in Gestein gedacht und wird in ein Bohrloch abgesenkt. Die Meßgeber messen lineare Formänderungen. Die Ankopplung an die Umgebung sowie die mechanischen bzw. hydrauli­ schen Druckvorrichtungen sind kompliziert aufgebaut.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, Zug- und Druckspannungen im Inne­ ren von Materialien oder Werkstücken genauer zu messen. Dies wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 bis 12 gekennzeichnet.

Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, auch relativ kleine Druck- und Zugspannungen zu messen, die Vorrichtung wiederzuverwenden und insbesondere die Zug- und Druckspannung in Schichten zu messen.

Mit dieser Vorrichtung (Spannungsmeßsonde) können in einem festen Medium die auftretenden mechanischen Wegänderungen meßtechnisch erfaßt und mit dem Auswertegerät die daraus resultierenden Spannungs­ änderungen bestimmt werden. Die Sonde kann sowohl während der Herstellung, z. B. eines Werkstückes, wie auch nachträglich mittels einer Bohrung eingebracht werden. Anschließend werden die Meßeinrichtungen an die Bohrlochwandung angedrückt.

Es ist besonders vorteilhaft, wenn z. B. vier Geber an den Orten A, B, C, D in einer Meßebene angeordnet sind, da dann die Geber doppelt in x- und y-Richtung messen und falls ein Geber ausfällt, der andere noch ein Meßergebnis liefert. Es kann jedoch von Vorteil sein, die gesamte Vorrichtung billiger zu bauen und in jeder Meßebene nur zwei Geber vorzusehen. Auf der gegenüberliegenden Seite müssen jedoch die Druck­ vorrichtung und Meßfühler vorhanden sein, um die resultierende Kraft aufzunehmen.

Es ist vorteilhaft, wenn zur Führung der Meßfühler und Abdichtung gegen Feuchtigkeit zwischen den Meßfühlern Dichtungsringe aus Kunst­ stoff oder Gummi vorgesehen sind, so haben die Meßfühler gleichen Abstand voneinander und damit auch die Meßebenen. Es kann vorteilhaft sein, diese Abstandshalter auch auf der Innenseite vorzusehen, um die gesamte Vorrichtung zu stabilisieren.

Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, daß alle Meßfühler einer Meßebene gleichmäßig mit Druck beaufschlagt werden. Es kann jedoch genügen, daß die Meßfühler nur mit einem gewissen Druck an dem Material anliegen, damit Zug- und Druckspannungen auf die Meßfühler und damit auf die Geber übertragen werden.

Es kann vorteilhaft sein, daß sich der Druck nach dem Einbau nicht mehr ändert, was die Vergleichbarkeit der Meßergebnisse der Meßebenen verbessert (Anspruch 8). In jedem Fall sollte aber gewährleistet sein, daß ein Mindestdruck bestehen bleibt, da sonst Zugspannungen bzw. eine Druckentlastung nicht mehr gemessen werden können.

Es kann gemäß Anspruch 7 vorteilhaft sein, daß nur eine Druckvor­ richtung für alle Meßebenen vorgesehen ist.

Am einfachsten wird der Druck hydraulisch auf die Meßfühler auszuüben sein, es sind jedoch auch mechanische oder elektrische Lösungen denk­ bar, wobei eine mechanische unter Umständen die billigste sein wird.

Im allgemeinen sollten die Meßebenen parallel angeordnet sein, es können jedoch auch oben oder unten senkrecht zu den normalen Meß­ ebenen eine oder mehrere Meßvorrichtungen vorgesehen sein, die die Druck- und Zugspannungen in z-Richtung messen.

Es ist vorteilhaft, die gesamte Vorrichtung mit einer elastischen Hülle zu versehen, damit die Vorrichtung vor Feuchtigkeit geschützt ist. (In den Figuren nicht dargestellt).

Für gewisse Anwendungen ist es weiterhin von Vorteil, wenn eine Tem­ peraturmeßeinrichtung mit entsprechenden Übertragungsmitteln für das Meßergebnis vorhanden ist.

Es ist alternativ bevorzugt, eine elastische, schlauchartige Meßhaut als Mittel zum Ankoppeln der Geber an das Material oder Werkstück zu verwenden. Die Geber sind dann an der Innenwand der Meßhaut an­ geordnet. Die Meßhaut, die vorzugsweise einstückig alle Meßebenen umfaßt, kann mit Fluid auf einen bestimmten Druck befüllt werden, so daß sich deren Außenwandung an das Material anlegt. Die Geber in den einzelnen Meßebenen erstrecken sich vorzugsweise über den gesamten Umfang der Meßebene.

Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung insbesondere zur Messung eines Schneeprofils sowie ein Verfahren zur Messung eines Schneeprofils. Unter Schneeprofil wird in diesem Zusammenhang eine diagrammartige Aufnahme des Schneeschichthärtewertes über die Schnee­ höhe einer Schneedecke verstanden. Es ist bekannt, ein Schneeprofil mittels einer Rammsonde zu erstellen. Eine Rammsonde wird sukzessive in den Schnee eingerammt, indem man ein Fallgewicht von einer gewis­ sen Höhe darauf fallen läßt. Die festgestellte Eindringtiefe ist ein Maß für die Härte des Schnees ins Bereich der Sondenspitze. Die Wegauflö­ sung hängt von der Masse des Fallgewichts ab und kann nicht beliebig verkleinert werden, da sonst der Meßvorgang unakzeptabel lang wird (ca. 10 bis 15 Minuten), der mindestens eine Bedienperson einer Lawinen­ gefahr ausgesetzt ist. Es ist nicht möglich, mit einer Rammsonde eine Genauigkeit von unter 2 cm zu erzielen. Mit der Rammsonde kann ein Schneeprofil nur in der vertikalen Richtung ermittelt werden.

Zur Beurteilung der Lawinengefährdung ist die Kenntnis von, z. B. ver­ eisten Grenzschichten innerhalb der Schneedecke von entscheidender Bedeutung. Die Dicke solcher Grenzschichten liegt im Bereich von wenigen Millimetern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist daher die Messung der Schnee­ härte in verschiedenen Tiefenlagen in kurzer Zeit und mit hoher Weg­ auflösung.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Vorrichtung sind in den Unteransprü­ chen 17 bis 30 beschrieben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 31.

Mit der Vorrichtung zum Messen eines Schneeprofis (Schneeprofimeß­ sonde) ist es möglich, relativ gefahrlos die Härte in verschiedenen Schneeschichten eines Schneedeckenaufbaus zu messen. Die Vorrichtung kann von einer Person alleine bedient werden. Das Verfahren zum Messen eines Schneeprofils kann innerhalb nur 1 Minute ausgeführt werden, so daß eine Bedienperson nur kurzzeitig der Gefahr eines Lawinenabgangs ausgesetzt ist. Die Schneeprofilmeßsonde kann senkrecht zur Schneeoberfläche in die Schneedecke eingerammt werden, so daß das tatsächliche Schneeprofil unmittelbar gemessen werden kann.

Die Vorrichtung weist eine Vielzahl von elastisch verformbaren Fühlern auf, die mit Verformungsdetektoren versehen sind zum Ermitteln der Verformung der Fühler. Es ist eine Einrichtung bereitgestellt, mit der die Fühler von einer Ruheposition, bei der die Fühler keinen Druck auf die Schneeschicht ausüben, in eine Meßposition versetzt werden, wobei die Fühler um einen vorgegebenen Weg versetzt werden und sich durch Andruck auf die Schneeschicht verformen. Aus der Verformung der Fühler resultiert ein Meßsignal von den Verformungsdetektoren. Die Meßsignale werden in einer weiteren Einrichtung ausgewertet und es wird ein Schneehärtewert für jeden Fühler ausgegeben. Die Fühler sind an oder in einem zylindrischen länglichen Gehäuse angeordnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein Fühler in jeder Meßebene. Die Fühler sind vorzugsweise plättchenförmig und mit Ab­ stand voneinander aufeinander geschichtet. Die plättchenförmigen Fühler sind dann alle in einer Meßrichtung entlang des zylindrischen Gehäuses orientiert.

Es ist bevorzugt, die Fühler durch eine Vorschubeinrichtung in die Meßposition zu versetzen, jedoch ist dazu auch eine Schwenkvorrichtung geeignet.

Im Falle der Vorschubeinrichtung ist als Schubmechanismus ein ellipsen- oder nockenförmiger Zylinder bevorzugt, der sich im wesentlichen über die Länge des Gehäuses erstreckt und mit dem jeder Fühler in Eingriff ist. Durch Drehen des ellipsen- oder nockenförmigen Zylinders um etwa einen rechten Winkel werden die Fühler zwischen einer Ruheposition und einer Meßposition verschoben.

Im Falle der Schwenkeinrichtung sind die Fühler vorteilhafterweise an einer gemeinsamen Schwenkachse befestigt.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung ist die Versetzeinrichtung ein Drucksack, der im Inneren des Gehäuses angeord­ net ist und der an der Innenseite der Fühler anliegt. Wenn der Druck­ sack mit Fluid gefüllt wird, werden durch die Expansion des Drucksacks die Fühler in die Meßposition versetzt.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist das Gehäuse entlang dessen Längsachse eine längliche Öffnung auf. Die Fühler befin­ den sich in Ruheposition im Gehäuse und treten in der Meßposition durch die Öffnung aus dem Gehäuse hervor. Bevorzugterweise sind die Fühler in Ruheposition bündig mit der Außenfläche des zylindrischen Gehäuses, so daß sie über den gesamten Versetzweg in die Schneeschicht eindringen. Es ist ferner bevorzugt, daß die Meßfühler die zu messende Schneeschicht im wesentlichen lückenlos erfassen. Das heißt, die jeweils benachbarten Fühler liegen von der zu messenden Schneeschicht gesehen aneinander an.

Zur Gleitlagerung der Fühler ist bevorzugt, eine Führung aus selbst­ schmierendem Kunststoff zu verwenden.

Zur Erfassung der Verformung der Fühler zwischen Ruheposition und Meßposition werden vorzugsweise Dehnungsmeßstreifen (DMS) verwendet. Die DMS sind vorzugsweise an einer Oberfläche des Fühlers angebracht, die senkrecht zur Oberfläche ist, die mit dem Schnee in Berührung kommt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Versetzeinrichtung von einem elektrischen Antrieb betätigt. Dieser Antrieb kann mit einer Steuervorrichtung gekoppelt sein, mit dem der Meßvorgang des Ver­ setzens der Fühler und des Ermittelns der Verformung automatisch ausgeführt werden. Die Einrichtung zum Ansteuern der Verformungs­ detektoren und zum Erfassen der Meßsignale befindet sich vorzugsweise innerhalb des zylindrischen Gehäuses. Jedoch können diese Elemente oder Teile davon auch außerhalb des Gehäuses angeordnet sein.

Eine Vorrichtung zum Auswerten der Meßsignale und zum Ausgeben von Schneeschichthärtewerten ist vorzugsweise außerhalb des zylindrischen Gehäuses angeordnet und mit der Einrichtung zum Ansteuern und Erfassen gekoppelt.

Es wird weiterhin bevorzugt, daß an jedem Fühler ein Temperatursensor angeordnet ist, mit dem gleichzeitig mit der Erfassung der Schneeschicht­ härte ein Temperaturprofil gemessen werden kann.

Bevorzugterweise hat die Vorrichtung eine Wegauflösung von unter 3 mm. Noch bevorzugter ist eine Wegauflösung von unter 1 mm.

In einem bevorzugten Verfahren zur Messung eines Schneeprofils wird zuerst ein länglicher Hohlraum, der sich über die abzumessende Schnee­ höhe erstreckt, geschaffen, was zum Beispiel durch Einrammen eines zylindrischen Körpers in den Schnee erreicht wird. Dann wird eine Vielzahl von elastisch verformbaren Fühlern entlang der Tiefe des Hohl­ raums eingebracht. Die Vielzahl von Fühlern wird parallel gegen die Innenwand des Schneehohlraums angedrückt, wobei sie sich entsprechend der Härte der ihnen gegenüberliegenden Schneeschicht verformen. Die Fühler sind mit Verformungsdetektoren versehen, die ein Meßsignal liefern, das erfaßt wird. Die Meßsignale von den Verformungsdetektoren werden ausgewertet und es wird ein Schneehärtewert für jeden Fühler ausgegeben.

Es ist bevorzugt, daß sich der längliche Hohlraum im wesentlichen senkrecht zu Grenzflächen des Schnees erstreckt.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen­ den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 die Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druck­ spannungen in einer Bohrung;

Fig. 2 eine Meßebene mit vier Gebern;

Fig. 3 einen Ausschnitt einer Meßebene;

Fig. 4 eine mögliche Spannungsverteilung der Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druckspannungen;

Fig. 5 eine Querschnittansicht eines alternativen Ausführungs­ beispiels der Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druckspannungen in einer Bohrung;

Fig. 6 eine Rammsonde nach dem Stand der Technik zur Bestimmung des Rammwiderstandes von Schnee;

Fig. 7 eine Teilschnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung zur Messung eines Schneeprofils;

Fig. 8 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 7 im Ruhezustand;

Fig. 9 eine Querschnittsansicht des Ausführungsbeispiels von Fig. 7 im Meßzustand in Schnee;

Fig. 10 eine mit der Vorrichtung von Fig. 7 erstellte Schnee­ profilaufnahme.

Die Beschreibung betrifft zunächst die Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druckspannungen.

Die Konstruktion der Meßsonde ist variabel gehalten, um mit möglichst geringen Änderungen in der Sondenkonfiguration verschiedene Meßmög­ lichkeiten zu realisieren.

Fig. 1 zeigt die Meßsonde 1 und schematisch die Meßebenen 7, die senkrecht zur Achse der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Spannungs­ sonde) liegen.

Die Meßsonde mißt nun die Formänderungen an den Punkten A, B, C, D, an denen die Meßfühler an das zu prüfende Material bzw. Werkstück stoßen (Fig. 2).

Die Erfassung erfolgt somit schichtweise über die gesamte Sondenlänge. Die Meßebenen können je nach Aufgabenstellung variabel und in axialen Abständen von mindestens 1 mm angeordnet werden. Die Meßsonde ist für hohe und tiefe Temperaturen geeignet und kann sowohl für Kurz- als auch Langzeitmessungen eingesetzt werden.

Das Andrücken der Meßfühler an die Bohrlochwand erfolgt mechanisch, hydraulisch oder elektrisch. Unter Umständen kann über den Andruck ausgewählt werden, ob eine Bohrlocherweiterung (Zug) oder eine Bohr­ lochverengung (Druck) erfaßt werden soll. Im Normalfall wird man einen gewissen Andruck wählen, damit Zug- und Druckspannung gemeinsam mit der Meßsonde erfaßt werden können. Das Meßprinzip beruht auf der Verwendung von Dehnungsmeßstreifen, könnte aber auch mittels Aus­ lenkung von Membranen o. ä. dafür geeigneten Drucksensoren bestehen.

Die Dehnungsmeßstreifen sind in bekannter Technik auf ein Trägermate­ rial aufgebracht, z. B. aufgedampft, mit aufgebondeten Zuleitungen und der eventuell vorhandenen Temperaturmeßstelle.

Die Ausbildung der Meßeinrichtung in der Meßebene 7 geht im Prinzip aus Fig. 3 hervor, wobei der Meßfühler 2, der Meßgeber 6, z. B. der Dehnungsmeßstreifen und die Druckeinrichtung 4a, 4b, 4c auf einer Kraftlinie und in der Meßebene liegen. Über die Teleskoparme 4a, 4b wird der Anpreßdruck, z. B. mittels Luft- oder Öldruck, oder eine mecha­ nische Kraft der Druckvorrichtung 4c über den Meßfühler 2 auf das Material 3 aufgebracht. Die Geber 6 sind auf der Meßeinrichtung fest angebracht, wobei der Dehnungsmeßstreifen von der Wand 3 über den Meßfühler 2 mit Druck beaufschlagt wird und die Druckänderungen messen kann.

Die Meßeinrichtung 4a, 4b sollte bis zum Meßfühler 2 den gleichen Querschnitt aufweisen; der Geber kann dann auf einer verbreiterten, aber dünneren Fläche 10, wie in Fig. 3 schematisch gezeigt, aufgebracht werden.

Die Meßeinrichtung 2, 6, 4a, 4b muß dabei relativ starr sein, da bei flexibler Ausbildung der Geber 6 unter Umständen ein zu großes Meßsi­ gnal zeigen wurde.

Die Meßfühler 2 müssen hart sein, können deformierbar sein, aber nicht elastisch.

Bei mechanischer Ausbildung der Druckvorrichtung 4c kann ebenfalls ein Teleskoparm 4a, 4b verwendet werden. In diesem Fall könnte z. B. in dem Teleskopteil 4b ein Kleber enthalten sein, der bei mechanischer Druckausübung durch die Druckvorrichtung 4c, z. B. durch einen Stöpsel mit konischer Spitze oder überhaupt Konus, zwischen der Umrandung des Teleskoparmes 4b heraustritt, aushärten kann und so die Lage der Meßfühler und Druckübertragungsteile 4a, 4b unter einem gewissen Druck fixiert. Lösbar wäre die Einrichtung dann z. B. durch Herausziehen des Stöpsels und Einleiten von Warmluft, so daß der Kleber flüssig wird, und durch Wackeln die Teleskoparme gelockert werden, und die Meß­ sonde aus der Bohrung herausgezogen werden kann.

Die Meßfühler können auch über ein Gestänge analog zu einem Regen­ schirm nach außen gepreßt werden, wobei die "Regenschirm-Zentral­ stange" im Zentrum der Meßdose zu liegen kommt. Diese Konstruktion kann für alle Ebenen verwendet werden.

Bei einer elektrischen Lösung könnte z. B. der Teleskoparm 4a, 4b durch eine Gewindestange ersetzt werden, wobei ein Elektromotor 4c über die Gewindestange den Meßfühler an das Material anpressen bzw. entlasten kann. Durch Abstellen des Motors bleibt dann die Meßeinrichtung starr fixiert und der Anpreßdruck erhalten.

Im Falle einer hydraulischen Lösung kann z. B. auf die Teleskoparme 4a, 4b über eine Hülle 8, die sich im Inneren der Meßdose erstreckt, eine Druckvorrichtung Druck auf alle Teleskoparmenden 4b ausüben. Durch Abschalten der Druckvorrichtung bleibt dann der Druck erhalten.

Die Meßeinrichtungen sollten in der Meßebene und diese parallel an­ geordnet sein, damit die Meßergebnisse vergleichbar sind und insbesonde­ re Druckprofile über die Tiefe erstellt werden können. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß, wie in Fig. 3 angedeutet, die Meßeinrichtungen auf einer dünnen Ringfolie 9 gelagert sind. Es kann dabei bei einer preiswerten Einrichtung vorgesehen sein, nur zwei Meßeinrichtungen zu verwenden, dann muß jedoch auf den gegenüberliegenden Seiten die Druckvorrichtung ebenfalls vorhanden sein, wie auch die Meßfühler, damit sich die Meßfühler 2 an gegenüberliegenden Punkten abstützen können, z. B. an den Orten A-B und C-D.

Für sehr geringe Kräfte kann es vorgesehen sein, daß die Dehnungsmeß­ streifen auf einer Metallfolie oder Folie aus anderem Material aufge­ bracht sind, die selbst zum Teil an der Wandung anliegt. Es können dann z. B. nur zwei Meßfühler an den Orten A und C mit den ent­ sprechenden Dehnungsmeßstreifen angeordnet sein. An diesen Orten sollten die Meßfühler jedoch durch eine Druckvorrichtung an die Wan­ dung gedrückt werden, damit definierte Kräfte in x- und y-Richtung übertragen werden. Die auf die Folie und/oder die Meßfühler über­ tragenen Kräfte können dann mittels der Dehnungsmeßstreifen, die z. B. auf die Folie aufgeklebt sind, erfaßt werden.

Zwischen den Meßebenen 7 sind, wie in Fig. 1 angedeutet, Abstands­ halterungen 5 vorgesehen, die gewährleisten, daß die Meßfühler vonein­ ander gleichbleibenden Abstand einhalten. Vorteilhafterweise werden die Abstandshalter auch auf der Innenseite, z. B. am inneren Rand 9a der Folie 9, vorgesehen, damit die Kraftlinien zu den Meßfühlern 2 in den Meßebenen 7 auch tatsächlich parallel liegen.

Die Verformung des Materials bzw. des Werkstücks werden mittels der Meßfühler erfaßt. Aus den Meßergebnissen werden dann die Zug- und Druckspannungen ermittelt und die Spannungsverteilung über die Tiefe des Bohrloches ermittelt.

Die Meßsignalverarbeitung erfolgt interaktiv in einem Anzeige- und Auswertegerät und kann dort mittels graphischer Darstellung und rech­ nerischer Verknüpfung der jeweiligen Meßpunkte erfolgen. Die Meßdaten können zugleich über eine Standardschnittstelle ausgegeben und/oder auf einem Standarddatenträger abgespeichert werden.

Vorteilhafterweise kann auch am Ausgang der Meßsignale ein Vorver­ stärker angeordnet sein, ebenso eine Langzeitbatterie, um z. B. die Meßsi­ gnale telegraphisch zu verschicken.

Zusätzlich können mit der Spannungssonde die in den jeweiligen Meß­ ebenen herrschenden Temperaturen erfaßt werden.

Fig. 4 zeigt eine mögliche Spannungsverteilung einer erfindungsgemäßen Meßsonde.

Die Spannungsmeßsonde kann z. B. für Spannungsänderungen in Schnee­ decken verwendet werden, um Zugspannungen im Schneedeckenaufbau zu erfassen und damit Lawinengefahr zu erkennen. Die Meßergebnisse können z. B. über Ultraschall oder Mikrowellen oder elektrisch übertragen werden und von der entsprechenden Berg- oder Talstation empfangen und dort ausgewertet werden. Die Meßsonde kann z. B. in die vorhande­ ne Schneedecke eingepreßt werden. Sobald Schnee auf die vorhandene Schneeschicht fällt, wird auf die Meßsonde von allen Seiten Druck ausgeübt, so daß sie Zug- und Druckänderungen erfassen kann. Man kann auch die Meßsonde in einigem Abstand über dem Boden vor Schneebeginn an einem flexiblen Faden aufhängen, so daß die Meßsonde einige Zentimeter über dem Erdboden hängt und die Meßsonde in der Grundschneeschicht zu liegen kommt. Sobald die Grundschneeschicht durch darüber gefallenen Schnee zusammengepreßt wird, kann die Span­ nungssonde, da sie nachgiebig aufgehängt ist, mit nach unten gepreßt werden. Die Zug- und Druckspannungen werden auf diese Weise nicht verfälscht. Es werden dann die Zug- und Druckänderungen der untersten Schicht erfaßt, was besonders für abgehende Grundschneelawinen wichtig ist. Wenn sich die Druckverhältnisse z. B. durch Lockerwerden der Haf­ tung auf dem Untergrund ändern und die Schneeschicht zu schieben anfängt, können derartige Formänderungen übermittelt, und die Lawinen­ gefahr angezeigt werden.

Die zusätzliche Temperaturerfassung mittels der Spannungssonde wäre dann eine günstige Ergänzung.

Die Meßsonde kann selbstverständlich auch in Beton oder Metallteilen, z. B. bei Brücken, Hochhäusern oder anderen Bauwerken im Mauerwerk oder in Putzen eingesetzt werden; oder z. B. auch Holzbauwerken, wo die Alterung des Holzes dann entsprechende Zug- und Druckänderungen ergibt. Ebenso ist die Anwendung im Maschinenbau, z. B. in Motoren, denkbar.

Bei Bergwänden kann die Meßsonde im Boden, im Geröll oder im Gestein Spannungszustände durch Bergverschiebungen, Muren oder Ge­ steinsverwitterung anzeigen, und so vor drohenden Gefahren warnen.

Es ist auch denkbar, daß die Sonde für kurzfristige Überwachungsmessun­ gen eingesetzt wird. So kann eine an einer bestimmten Stelle vorbereite­ te Bohrung in einem Bauwerk vorhanden sein, in die dann die Sonde zu einer bestimmten Jahreszeit oder vor einer größeren Witterungsumbil­ dung, z. B. einem vom Wetterdienst vorhergesagten Orkan, eingesetzt wird. So könnte auch ein Brückenbauwerk an exponierter Stelle bei anhalten­ den Niederschlägen mit der Sonde versehen werden, um auftretende Spannungen zu überwachen und gegebenenfalls Alarm zu geben, wenn ein vorgegebener Wert der Spannung über- oder unterschritten wird.

Fig. 5 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der Spannungsmeßsonde im Querschnitt. Hierbei wird durch Zuführen eines Fluids, wie Luft oder Öl, über eine Zuleitung 19 in den Zwischenraum 20 eine Meßhaut 16 gegen das Medium 3 gedrückt, wobei gewährleistet wird, daß sich ein angelegter Druck nicht ändert. Die Meßhaut 16 ist flexibel und trägt an deren Innenseite die Geber 17 für die Vielzahl von Meßebenen.

Nach dem Einsetzen der Sonde auftretende Verformungen des Mediums, z. B. als Vergrößerung oder Verkleinerung des Hohlraums auf Grund einer Temperatur- oder Feuchtigkeitsschwankung, bewirken eine Verfor­ mung der Meßhaut 16 und damit zusammenhängend der Geber 17. Die daraus resultierenden Meßsignale werden entsprechend ausgewertet. Die Geber 17 sind vorzugsweise flächige Dehnungsmeßstreifen. Die daraus resultierenden Meßsignale werden entsprechend ausgewertet.

Um die gesamte Sonde zu stabilisieren, ist ein Trägerrohr 21 aus Kunst­ stoff oder Metall vorgesehen. Dieses dient zusätzlich zur Befestigung und Abdichtung der Meßhaut über die Länge der Sonde und zur Aufnahme einer Ansteuerelektronik 12 für die Geber. Die Sondenspitze 22 dient ebenfalls zur Befestigung der Meßhaut, sowie als Schutz der Meßhaut beim Einführen in das Medium vor Beschädigung, da die nicht unter Druck stehende Meßhaut 16 mit den Gebern 17 dann an dem Träger­ rohr 21 anliegt und dessen Umfangsabmessung dann kleiner als die der Sondenspitze 22 ist.

In einem externen Gehäuse, das vorzugsweise nicht in das Medium 3 eindringt, sind eine Stromversorgung 22 und eine Auswerteelektronik 23 untergebracht. Dieses Gehäuse ist von der Sonde abkoppelbar.

Die Beschreibung betrifft nun die Vorrichtung zum Messen eines Schnee­ profils.

Fig. 6 zeigt eine Rammsonde nach dem Stand der Technik zur Bestim­ mung des Rammwiderstandes einer Schneedecke. Dabei läßt man ein Fallgewicht mit vorbestimmter Masse und aus vorbestimmter Fallhöhe auf die Rammsonde fallen. Es wird dann die Eindringtiefe der Sonde gemes­ sen. Die Genauigkeit der Rammsonde ist stark von der Masse des Fall­ gewichts und dessen Fallhöhe abhängig. Die Genauigkeit ist ferner von der Beschaffenheit des Schneeschichtprofiis beeinflußt, was besonders nachteilig ist. Weiterhin ist auch die Zeit zur Ermittlung des Schnee­ profils von der Beschaffenheit des Schneeschichtaufbaus beeinflußt.

Fig. 7 zeigt in Teilschnittansicht ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zum Messen eines Schneeprofils. Die Schneeprofilmeßsonde wird über ihre ganze Länge in die Schneedecke 3 eingerammt. Die Schneeprofilmeßsonde ist in eine Vielzahl von Meßebenen unterteilt, die jede jeweils einen Meßfühler 2 aufweist. Durch Betätigen eines Exzenters oder eines ellipsen- oder nockenförmigen Zylinders 4d werden die Fühler 2 von der Ruheposition in die Meßposition versetzt. Der Zylinder 4d wird dabei von einem am Oberteil der Sonde angeordneten Motorantrieb 13 betätigt. Es kann jedoch auch einfach ein Knebel verwendet werden. Die Fühler sind in einer Führung 5 aus selbstschmierendem Kunststoff gefährt, die zugleich als Abstandhalterung zwischen den Fühlern in den benachbarten Meßebenen dient.

Fig. 7 zeigt die Schneeprofilmeßsonde mit deren Fühlern in Meßposition. Jeder Fühler ist mit einem Verformungsdetektor 6 versehen, mit dem die Verformung des jeweiligen Fühlers in dessen Meßebene beim Eindringen in die dem Fühler dargebotenen Meßschicht erfaßt wird. Bei den Ver­ formungsdetektoren handelt es sich vorzugsweise um Dehnungsmeßstrei­ fen.

Die Fühler sind derart angeordnet, daß Grenzschichten in der Schnee­ decke von bis auf ein Millimeter Dicke von der Sonde erfaßt werden. Die Ortung solcher Grenzschichten ist bei der Beurteilung der Lawinen­ gefährdung von besonderer Bedeutung.

Die Ansteuer- und Erfassungselektronik 12 für die Verformungsdetektoren befindet sich im Inneren des Zylinders 4d. Eine Stromversorgung und Anzeige- und Steuerschaltungen sind in einem separaten Gehäuse 23 außerhalb des Sondengehäuses 1 an dem Ende der Sonde angeordnet, das nicht in den Schnee eingerammt ist. Die Schaltungen im Gehäuse 23 sind mit der Ansteuer- und Erfassungselektronik 12 im Zylinder 4d elektrisch auf geeignete Weise gekoppelt. Es werden dabei Steckverbinder bevorzugt, so daß das Gehäuse 23 leicht von der Sonde gelöst werden kann.

Die Länge des Sondengehäuses 1 wird vorzugsweise auf etwa 1 m gewählt, um die Handhabung zu erleichtern. Um tiefere Schneeprofile zu messen, wird nach Abnahme des Gehäuses 23 ein Verlängerungsrohr (nicht gezeigt) an das freie Ende des Sondengehäuses 1 montiert. Das Verlängerungsrohr hat vorzugsweise die gleiche Länge und den gleichen Querschnitt wie das Sondengehäuse 4d. Nach Montage des Verlänge­ rungsrohrs wird die Sonde um dessen Länge weiter in den Schnee eingerammt und eine erneute Messung durchgeführt. Auf diese Weise können Schneeprofile in beliebiger Tiefe aufgenommen werden.

Fig. 8 zeigt einen Querschnitt durch eine Meßebene der Schneeprofil­ meßsonde. Der Fühler 2 ist dabei in seiner Ruheposition. Die Außen­ fläche des Fühlers ist dabei bündig mit der äußeren Oberfläche des Sondengehäuses 1. An dem Fühler sind ein DMS 6 als Verformungs­ detektor und ein Temperatursensor 18 angeordnet.

An der dem Schnee abgewandten Seite des Fühlers ist ein Führungs­ zapfen 24 angeordnet, der mit dem ellipsenförmigen Zylinder 4d in Eingriff ist. Der Eingriff erfolgt dabei über schlitzartige Ausnehmungen im Zylinder 4d, die sich über etwa 900 erstrecken. Der Führungszapfen 4d weist eine Bohrung auf, durch die Verbindungskabel 25 zwischen dem Verformungsdetektor 6 und dem Temperatursensor 18 des Fühlers 2 und Sowohl der Zylinder 4d als auch die Fühler 2 sind in Schichten aus einem selbstschmierenden Kunststoff 5 gelagert. Die Mittelachse des Zylinders 4d und die Achse des Sondengehäuses 1 sind parallel gegenein­ ander versetzt. Die dem Schnee abgewandte Seite des Fühlers 2 weist eine geeignete Kurvengestalt auf, um optimal am elliptischen Zylinder 4d zwischen der Meß- und Ruheposition zu gleiten.

Fig. 9 zeigt einen Querschnitt (z. B. A-A von Fig. 6) durch eine Meß­ ebene der Schneeprofilmeßsonde. Das Sondengehäuse 1 ist in eine Schneedecke 3 eingerammt und die Fühler befinden sich in ihrer Meßpo­ sition, dringen also einen gewissen Weg in die ihnen dargebotene Schneeschicht ein. Der Verschiebeweg wird dabei von der Gestalt des ellipsenförmigen Zylinders 4d bestimmt. Durch den Druck, der auf den Fühler 2 einerseits vom Zylinder 4d und andererseits von der Schnee­ schicht 3 ausgeübt wird, verformt sich der Fühler 2, was von dem DMS 6 an dem Fühler erfaßt wird. Die Ansteuer- und Erfassungsschaltung 12 weist vorzugsweise eine Wheatstone-Brücke für jeden Fühler 2 auf. Zur Erhöhung der Genauigkeit der Anordnung können zwei DMS an gegen­ überliegenden Seiten des Fühlers 2 angeordnet sein. Durch geeignete Verschaltung in der Wheatstone-Brücke können dadurch stärkere Meßsi­ gnale erzielt werden.

Fig. 10 zeigt eine Schneeprofil-Aufnahme, wie sie mit der erfindungs­ gemaßen Vorrichtung erzielt werden kann. Dabei ist neben der Schnee­ schichthärte auch die Temperatur in den verschiedenen Schneeschichten aufgezeichnet. Die Auswerteelektronik kann so programmiert sein, daß sie besondere Schneeprofile bzw. besonders harte und/oder dünne Schichten selbständig erkennt und dies dem Bediener anzeigt. Das gemessene Schneeprofil kann entweder sofort auf einer Anzeigevorrichtung, die mit der Sonde gekoppelt ist, angezeigt werden, oder auf Datenträger zur späteren Auswertung aufgezeichnet werden. Die gemessenen Daten können auch per Funk an eine Zentralstation übertragen werden Die elektrischen Bauelemente und Baugruppen in der Schneeprofilmeß­ sonde sind z. B. mittels Vergießen mit z. B. Elektro-Vaseline gegen Feuch­ tigkeit geschützt. Auch die Kunststofführung 5 schützt das Innere der Sonde gegen das Eindringen von Feuchtigkeit. Als Kunststoff wird für die Führung 5 vorzugsweise Teflon (Wz) verwendet. Das Gehäuse 1 der Sonde weist an dessen unterem Ende eine geeignet geformte Spitze auf, so daß die Sonde leicht in die Schneedecke eingerammt werden kann.

Claims (31)

1. Vorrichtung zum Bestimmen von Zug- und Druckspannungen mit im Inneren von Materialien oder Werkstücken (3) in verschiede­ nen Tiefenlagen befindlichen Meßebenen (7) mit Meßeinrichtun­ gen (1), die in den Meßebenen (7) Meßwertgeber (6) enthalten, und Mitteln (2, 4a-c, 6) zum Ankoppeln der Meßwertgeber (6) an das Material oder Werkstück, wobei diese Mittel mit einer Druckvorrichtung versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Meßwertgeber (6) jeder Meßeinrichtung (1) zur Mes­ sung der linearen Formänderung in verschiedenen Richtun­ gen angeordnet sind, und daß
• - die Mittel zum Ankoppeln der Meßwertgeber (6) an der am Material oder am Werkstück (3) anliegenden Seite einen Meßfühler (2) und an der nicht am Material oder am Werkstück anliegenden Seite die Druckvorrichtung (4a, 4b, 4c) aufweist, und der jeweilige Meßwertgeber (6) da­ zwischen angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei vorzugsweise vier Meßwertgeber (2, 4a-c, 6) in einer Meßebene (7) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßwertgeber (6) Dehnungsmeßstreifen sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeich­ net, daß auch mindestens eine Meßeinrichtung (1) senkrecht zu den Meßebenen (7) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeich­ net, daß Abstandshalter (5) z. B. aus Kunststoff, z. B. Teflon, oder Gummi, zwischen den Meßfühlern und/oder zwischen den Meßebenen (7) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckvorrichtung (4c) zur gleichmäßigen Druckbeaufschlagung aller Meßfühler (2) einer Meßebene über die Druckübertra­ gungsteile (4a, 4b) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß für alle Meßebenen (7) eine gemeinsame Druckvorrichtung (4c) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Druckvorrichtung (4a-c) derart ausgebildet ist, daß nach dem Einbau der Vorrichtung der Anpreßdruck konstant gehalten wird.

9. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeich­ net, daß die Vorrichtung mit einer elastischen Hülle gegen Schmutz und Feuchtigkeit versehen ist.

10. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-9, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Auswerteeinrichtung vorgesehen ist, zur Ermittlung der Druck- und Zugänderungen aus den von den Gebern (6) ermittelten Meßergebnissen.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-10, dadurch gekennzeich­ net, daß Temperatursensoren und zugehörige Erfassungs- und Übertragungsmittel, z. B. drahtlose mittels Ultraschall oder Mi­ krowellen oder elektrische, vorgesehen sind.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1-11, gekennzeichnet durch die Verwendung in Schnee bzw. Schneeschichten, bzw. auf Berghängen, die dazu prädestiniert sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Ankoppeln eine schlauchartige, flexible Meßhaut (16) aufweisen, die mit einem Fluid bei einem vorbestimmten Druck befüllbar ist; und daß die Meßwertgeber (17) an der Innenwand der Meßhaut (16) angeordnet sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßwertgeber (17) in die verschiedenen Meßebenen (7) über im wesentlichen den ganzen Umfang der Meßhaut (16) erstrecken.

15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Meßhaut (16) einstückig im wesent­ lichen über die Länge der Vorrichtung erstreckt.

16. Vorrichtung zur Messung eines Schneeprofils durch Ermitteln der Schneeschichthärte in verschiedenen Tiefenlagen,
gekennzeichnet durch
eine Vielzahl von elastisch verformbaren Fühlern (2) mit Ver­ formungsdetektoren (6) zum Ermitteln der Verformung der Fühler;
eine Einrichtung (4d) zum parallelen Versetzen der Fühler von einer Ruheposition (Fig. 7) zu einer Meßposition (Fig. 8) um einen vorgegebenen Weg;
ein zylindrisches längliches Gehäuse (1) zur Aufnahme der Fühler; und
eine Einrichtung (12) zum Ansteuern der Verformungsdetektoren und zum Erfassen von Meßsignalen für jeden Fühler.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum parallelen Versetzen der Fühler (2) eine Schwenkeinrichtung ist, mit der die Fühler (2) von der Ruhepo­ sition zur Meßposition um einen vorgegebenen Winkel schwenk­ bar sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler mit einer gemeinsamen Schwenkachse fest verbunden sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum parallelen Versetzen der Fühler (2) eine Vor­ schubeinrichtung (4d) ist, mit der die Fühler (2) aus der Ruhe­ position zur Meßposition um eine vorgegebene Strecke ver­ schiebbar sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühler (2) plättchenförmig sind und mit Abstand voneinander längs einer gemeinsamen Fläche geschich­ tet sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Gehäuse entlang seiner Längsachse eine längliche Öffnung aufweist, wobei sich die Fühler (2) in der Ruheposition im Gehäuse befinden und in der Meßposition aus dem Gehäuse durch die Öffnung herausragen.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorschubeinrichtung einen im wesentlichen parallel zur Gehäuseachse drehbar gelagerten ellipsen- oder nockenförmigen Zylinder (4d) aufweist, mit dem jeder Fühler in Eingriff ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Versetzeinrichtung ein Drucksack ist, der im Inneren des Gehäuses angeordnet ist und an dem einwärti­ gen Rand der Fühler anliegt.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 23, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Fühler (2) in einer Führung aus einem selbstschmierenden Kunststoff (5) gelagert sind.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsdetektoren (6) Dehnungs­ meßstreifen sind.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Fühler (2) entlang der Länge des Gehäuses so gewählt ist, so daß eine Meßauflösung von unter 3 mm erreicht ist.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 26, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Öffnung mit einem Verschluß versehen ist, welcher zwischen einer die Öffnung freigebenden und letzte­ re verschließenden Lage bewegbar ist.

28. Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Versetzeinrichtung (4d) von einem elektrischen Antrieb (13) betätigbar ist.

29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 28, gekennzeich­ net durch eine Einrichtung (23) zum Auswerten der Meßsignale und zum Ausgeben von Schneeschichthärtewerten, wobei die Einrichtung (23) außerhalb des Gehäuses (1) angeordnet ist und mit der Einrichtung (12) zum Ansteuern und Erfassen gekoppelt ist.

30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Fühler (2) einen Temperatursensor (18) aufweist.

31. Verfahren zur Messung eines Schneeprofils, wobei ein länglicher Hohlraum geschaffen wird, der sich durch die Schneedecke erstreckt,
dadurch gekennzeichnet,
daß sich der längliche Hohlraum im wesentlichen senkrecht zu Grenzflächen der Schneedecke erstreckt und daß das Verfahren folgende Schritte aufweist:

• a) Einbringen einer Vielzahl von elastisch verformbaren Füh­ lern (2) längs des Hohlraums;
• b) paralleles Andrücken der Vielzahl von Fühlern gegen die Wand des Schneehohlraums;
• c) Ermitteln der Verformung der Fühler aus einem Meßsignal von Verformungsdetektoren (6);
• d) Auswerten der Meßsignale von den Verformungsdetektoren (6) und Ausgeben eines Schneehärtewertes für jeden Fühler (2).