Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung von Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen

Transkript

1 Fakultät Maschinenbau Professur Festkörpermechanik Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung von Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen PD Dr.-Ing. habil. M. Stockmann Technische Universität Chemnitz Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik Institut für Mechanik

2 Gliederung 1. Temperaturbereiche, DMS-Bauformen und Wirkprinzip 2. Einfluss von Temperaturänderungen auf das Messergebnis 3. Hochtemperatur-DMS Anwendungsbereiche und Ausführungen 4. Aufbau und Eigenschaften von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS 5. Messstellenpräparation und Anschluss der DMS an Messverstärker 6. Anwendungsbeispiele 7. Praktikumsversuch Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

3 Temperaturbereiche Bauformen (widerstandsbasierter Dehnungsmessstreifen) Übergangsbereich Geltungsbereich VDI/VDE 2635 Blatt 1 Geltungsbereich VDI/VDE 2635 Blatt 2 20 C 120 C 350 C Temperatur 1000 C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

4 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

5 HT-DMS Leiter R A l R dr dl 1 2 l l A dr R dl l da d A R R R 0 k k 1 2 CuNi: k~2,1 FeCrAl: k~1,6 NiCr: k~2 PtW: k~4 geometrischer Anteil» 1,6 stofflicher Anteil» 0-2,4 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

6 1. mechanische Dehnung des Bauteils: R R 0 DMS k mech Messergebnis 2. thermische Dehnung des Bauteils: R R DMS 0 k( th B - th DMS ) T Messfehler Kompensation durch Anpassung (nur sehr eingeschränkt möglich) 3. Temperaturänderung am DMS: R R 0 DMS R DMS T Messfehler 4. Temperaturänderung an der Zuleitung: R R 0 L R L T Messfehler Kompensation durch Dreileiterschaltung (gut möglich) Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

7 Temperaturselbstkompensation bei Folien-DMS für Raumtemperatur und Röhrchen-DMS für hohe Temperatur Thermisches Ausgangssignal in µm/m Arbeitsbereich C Temperatur in C Thermisches Ausgangssignal in µm/m Arbeitsbereich C Temperatur in C Thermisches Ausgangssignal eines Folien-DMS aus Konstantan, der für den Temperaturbereich C eingestellt ist Thermisches Ausgangssignal eines Viertelbrücken- Hochtemperatur-DMS aus NiCr, der für den Temperaturbereich C eingestellt ist Kompensation gut möglich Kompensation nur sehr eingeschränkt möglich Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

8 Typische Anwendungsbereiche für Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen Fahrzeugbau: Maschinenbau: Kraftwerk: Materialprüfung: Luft- und Raumfahrt: Beanspruchungsanalyse an Motoren, Turbinen und den zugehörigen Abgasanlagen Beanspruchungsanalyse an Anlagen und Werkzeugen zur Massivumformung (Warmwalzen usw.) Überwachung von Rohrleitungen und Druckbehältern Parameterbestimmung für Stoffgesetze zur Beschreibung des Materialverhaltens bei hohen Temperaturen Entwicklung und Monitoring hitzebelasteter Abschirmungen und Antriebe Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

9 Hochtemperatur-DMS unterschiedlicher Konstruktion und Hersteller Bauform Metallfolien-DMS Freigitter-DMS Installation Maximale Einsatztemperatur Kleben Punktschweißen) C Keramikzement Flammspritzen ca C Punktschweißen) 1 Röhrchen DMS Punktschweißen ca C Kapazitive DMS Punktschweißen ca. 700 C Optische DMS FBG, Quarzglasfaser Kleben ) 1 vorinstalliert auf Metallblättchen Punktschweißen) 1 ca. 300 C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

10 Schematischer Aufbau von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS Viertelbrückenausführung für dynamische Messungen Halbbrückenausführung für dynamische und statische Messungen Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

11 KHCS Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe MI-Kabel KHCD Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen von KYOWA für den Temperaturbereich bis 800 bzw. 950 C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

12 Aufbau des Hochtemperatur-DMS KHCD von KYOWA Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe mit Thermoelement MI-Kabel Drahtstärke in µm x in mm Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

13 Sensorkabel (Metallrohr und MgO-Pulver entfernt) Verbindungsmuffe mit Thermoelement (angeschliffen) MI-Kabel (Querschnitt) Details des Hochtemperatur-DMS KHCD von KYOWA Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

14 Anschluss des Hochtemperatur-DMS KHCD über ein RC-Glied zur Messung von dynamischen Dehnungen. HT-DMS Kabel zum Sensor Kabel zum Meßgerät 1,0 R E Bridge-box R E R E C U B R 1 U M Gleichspannung Übertragungsfaktor 0,8 0,6 0,4 R 1 = 10 kw C = 10 µf C = 2.2 µf C = 1 µf 0,2 R 1 = 10 kw, C 1 = 1 µf f G1 = 16 Hz R 1 = 10 kw, C 2 = 2.2 µf f G2 = 7.23 Hz R 1 = 10 kw, C 3 = 10 µf f G3 = 1.6 Hz 0,0 1E-3 0,01 0, Frequenz in Hz Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

15 Wirkprinzip des RC-Netzwerkes für Viertelbrücken-HT-DMS 500 Temperaturgang des Nullpunktes Messwert ohne RC-Glied Messwert mit RC-Glied 400 Messwert in µm/m Zeit in µs Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

16 Anschluss des Hochtemperatur-DMS KHCS über einen Brückenadapter zur Messung von statischen Dehnungen. Sensor Zuleitung Brückenadapter R Leiter R TC R DMS R Dummy R Leiter R Leiter R R TC R LC LC R Bal R Bal u M R E R E u B R DMS: R Dummy: R Leiter: Sensorwiderstand Dummywiderstand Leitungswiderstand R TC, R LC, R Bal Kompensations- und Abgleichwiderstände zur Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten des Bauteils Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

17 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangssignal in µm/m Dummy DMS Temperatur in C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

18 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangssignal in µm/m Dummy DMS DMS Dummy (Halbbrücke) Temperatur in C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

19 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangssignal in µm/m Dummy DMS DMS 0,8 *Dummy (Halbbrücke + Widerstandsnetzwerk) DMS Dummy (Halbbrücke) Temperatur in C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

20 DMS (Viertelbrücke) für dynamische Messungen Messverstärker für Vollbrückenschaltung DMS (Halbbrücke) für statische Messungen Messverstärker für Vollbrückenschaltung Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

21 Präparation von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS, Punktschweißgerät Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

22 Empfehlung von KYOWA Empfehlung nach VDI/VDE/GESA 2635 Reihenfolge der Punkschweißverbindungen zur vorspannungsarmen Befestigung von Röhrchen-DMS Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

23 minimaler Biegeradius im MI-Kabel: r min ~2,5mm Mindestabstand von der Verbindungsmuffe: a min ~5mm Sensorkabel (Biegung in der Ebene der Bauteiloberfläche vermeiden) DMS Zugentlastungsschleife Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

24 Elektrodendurchmesser Flanschblech Schmelzzone Wärmeeinflusszone Grundmaterial Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

25 fehlerhafte Punktschweißverbindungen Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

26 Anwendungsbeispiele, Beanspruchungsanalyse von Abgasanlagen Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

27 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

28 Analyse der Belastung an einem Versuchsstand zur Prüfung von Verbindungsschellen für PKW-Abgasanlagen Lastfall A d F Messstelle C B uf a b c Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

29 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

30 Temperatur in C AUFBAU, WIRKUNGSWEISE UND ANWENDUNG VON HOCHTEMPERATUR- 0, ,2 Bruckenausgangssignal in m V/V 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8-1,0-1,2-1,4 Tem peratur Längsdehnung Q uerdehnung ,6-1, Zeit in sec Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

31 2,0x10-4 Längsdehnung Querdehnung Tem peratur 480 1,5x10-4 1,0x Dehnung 5,0x10-5 0,0-5,0x Temperatur in C -1,0x ,5x ,0x Zeit in sec Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

32 Dehnungsmessung im Hochtemperatur-Zugversuch Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

33 Proben für Hochtemperatur-Zugversuch (20MoCrS4) Folien-DMS zur Kontrolle der effektiven Empfindlichkeit bei Raumtemperatur und elastischen Deformationen Hochtemperatur- Röhrchen DMS KHCD (KYOWA) zur Messung der Dehnung bei Versuchstemperatur 500 C Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

34 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 20MoCrS4 bei 500 C 600 Wegaufnehmer (angepasst) 500 Spannung in N/mm² Hochtemperatur-DMS 1 Hochtemperatur-DMS 2 maximale Dehnung HT-DMS 5% (Herstellerangabe) ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 Dehnung Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

35 Zustand der Hochtemperatur-Röhrchen-DMS nach Überlastung ε ~ 20% 10 mm Maximale Dehnbarkeit (VDI/VDE 2635 Bl. 1): ε max = 5% Herstellerangabe (KYOWA) wird bestätigt Funktionsbereich des Widerstandsdrahtes: ε Bruch ~10% Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

36 Kalibriervorrichtung zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Dehnungsempfindlichkeit (k- Faktor) bei Hochtemperatur-DMS Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

37 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

38 Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

39 KHCD (KYOWA) HBWANV (HITEC BLH) Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

40 U M /U B in mv/v 0,2 0,1 0,0-0,1 U U -0, Auswertung M B Zeit in s Empfindlichkeit (k-faktor) als Funktion der Temperatur Messergebnis Brückenausgangsspannung U M /U B bei zyklischer Vorgabe einer Prüfdehnung ε p 4 U M s ( T ) ( T ) k U 4 U M k( T ) ( T ) U P B B Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

41 1,6 1,5 KHCR Aver. Values Test Stockmann KHCR Values from Data Sheat KYOWA 1,4 Gage Factor 1,3 1,2 GF(T) =1, ,875E-4 T+1,72777E-7 T 2 1,1 GF(T) =1, ,3379E-4 T-5,71365E-8 T 2 1, temperature [degc] Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,

42 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz,