Messen mit elektrischen Dehnungsmessstreifen bei hohen Temperaturen. Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 1

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1 Messen mit elektrischen Dehnungsmessstreifen bei hohen Temperaturen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 1

2 Gliederung 1. Die Wirkungsweise elektrischer Dehnungsmessstreifen und der Einfluss von Temperaturänderungen auf das Messergebnis 2. Hochtemperatur-DMS Anwendungsbereiche und Ausführungen 3. Aufbau und Eigenschaften von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS 4. Messstellenpräparation und Anschluss der DMS an Messverstärker 5. Anwendungsbeispiele 6. Praktikumsversuch Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 2

3 HT-DMS Leiter R A ρ l R( ρ,l,a) =ρ l A dr R = dl l da A + dρ ρ da A = 2ν dl l dρ ρ = β ρ dl l dr R dl = ( 1+ 2 ) = exp1 ( + 2ν+β ρ ) ϕ 1 ( 1+ 2ν+β ρ)ε l ν +β ρ R R 0 R R 0 = k ε k = 1+ 2ν + β ρ CuNi: k~2,1 FeCrAl: k~1,6 NiCr: k~2 PtW: k~4 geometrischer Anteil 1,6 stofflicher Anteil 0-2,4 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 3

4 Die Messaufgabe besteht darin, die mechanische Dehnung infolge äußerer Kräfte aus der Widerstandsänderung von DMS + Anschlussleitung auszuwerten. Einflussgrößen auf die Widerstandsänderung: 1. mechanische Dehnung des Bauteils: R R 0 DMS = k ε mech Messergebnis 2. thermische Dehnung des Bauteils: 3. Temperaturänderung am DMS: R R 0 R DMS R R 0 DMS = k( α = α th B - α R DMS th DMS T ) T Messfehler Kompensation durch Anpassung (nur eingeschränkt möglich) Messfehler 4. Temperaturänderung an der Zuleitung: R R 0 L = α R L T Messfehler Kompensation durch Dreileiterschaltung (gut möglich) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 4

5 Temperaturselbstkompensation bei Folien-DMS für Raumtemperatur und Röhrchen-DMS für hohe Temperatur Thermisches Ausgangssignal in µm/m Arbeitsbereich C Thermisches Ausgangssignal in µm/m Arbeitsbereich C Temperatur in C Temperatur in C Thermisches Ausgangssignal eines Folien-DMS aus Konstantan, der für den Temperaturbereich C eingestellt ist Kompensation gut möglich Thermisches Ausgangssignal eines Viertelbrücken- Hochtemperatur-DMS aus NiCr, der für den Temperaturbereich C eingestellt ist Kompensation eingeschränkt möglich Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 5

6 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 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 6

7 Hochtemperatur-DMS unterschiedlicher Konstruktion und Hersteller 800 C 250 C 950 C Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 7

8 Schematischer Aufbau von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS Viertelbrückenausführung für dynamische Messungen Halbbrückenausführung für dynamische und statische Messungen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 8

9 KHCS Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe MI-Kabel KHCD Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen von KYOWA für den Temperaturbereich bis 800 bzw. 950 C Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 9

10 Aufbau des Hochtemperatur-DMS KHCD von KYOWA Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe mit Thermoelement MI-Kabel Drahtstärke in µm x in mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 10

11 Sensorkabel (Metallrohr und MgO-Pulver entfernt) Verbindungsmuffe mit Thermoelement (angeschliffen) MI-Kabel (Querschnitt) Details des Hochtemperatur-DMS KHCD von KYOWA Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 11

12 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 aktor 0,8 0,6 0,4 R 1 = 10 kω C = 10 µf C = 2.2 µf C = 1 µf 0,2 R 1 = 10 kω, C 1 = 1 µf R 1 = 10 kω, C 2 = 2.2 µf R 1 = 10 kω, C 3 = 10 µf f G1 = 16 Hz f G2 = 7.23 Hz f G3 = 1.6 Hz 0,0 1E-3 0,01 0, Frequenz in Hz Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 12

13 Wirkprinzip des RC-Netzwerkes für Viertelbrücken-HT-DMS 500 Tem peraturgang des Nullpunktes M esswert ohne RC-Glied Messwert mit RC-Glied 400 Messwert in µm/m Zeit in µs Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 13

14 Anschluss des Hochtemperatur-DMS KHCS über einen Brückenadapter zur Messung von statischen Dehnungen. Sensor Zuleitung Brückenadapter R Leiter R TC R DMS R Leiter R LC R Bal R E LC R R R Dummy Leiter TC Bal R TC R u M 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 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 14

15 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m Dummy DMS Temperatur in C Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 15

16 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m Dummy DMS Temperatur in C DMS Dummy (Halbbrücke) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 16

17 Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m Dummy DMS DMS 0,8 *Dummy (Halbbrücke + Widerstandsnetzwerk) Temperatur in C DMS Dummy (Halbbrücke) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 17

18 Präparation von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS, Punktschweißgerät Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 18

19 Empfehlung von KYOWA Empfehlung nach VDI/VDE/GESA 2635 Reihenfolge der Punkschweißverbindungen zur vorspannungsarmen Befestigung von Röhrchen-DMS Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 19

20 Zugentlastungsschleife minimaler Biegeradius im MI-Kabel: r min ~2,5mm Mindestabstand von der Verbindungsmuffe: a min ~5mm DMS Sensorkabel (Biegung in der Ebene der Bauteiloberfläche vermeiden) Befestigung, Zugentlastung und Biegung des Sensor- und MI-Kabels Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 20

21 Elektrodendurchmesser Flanschblech Schmelzzone Wärmeeinflusszone Grundmaterial Punktschweißverbindung im Querschnitt Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 21

22 fehlerhafte Punktschweißverbindungen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 22

23 Berechnung der Dehnungsübertragung in den Sensordraht Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 23

24 sensor-wire x mm 5 mm ε/ε 0 1,0 0,9 spot weld 1,2,3,4,5,6 spot weld 2,3,4,5,6 0,8 spot weld 3,4,5,6 spot weld 4,5,6 0,7 spot weld 5,6 spot weld 6 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 ε/ε 0 1,0 0,9 spot weld 1 spot weld 1,2 0,8 spot weld 1,2,3 spot weld 1,2,3,4 0,7 spot weld 1,2,3,4,5 spot weld 1,2,3,4,5,6 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0, x in mm x in mm Berechnung der Dehnungsübertragung in den Sensordraht Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 24

25 Anwendungsbeispiele, Beanspruchungsanalyse von Abgasanlagen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 25

26 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 26

27 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 27

28 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 28

29 20mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 29

30 Analyse der Belastung an einem Versuchsstand zur Prüfung von PKW-Abgasanlagen Lastfall A d F Messstelle C B uf c 10 mm a b Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 30

31 DMS längs DMS quer 10 mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 31

32 0, ,2 Bruckenausgang gssignal in mv/v 0,0-0,2-0,4 Temperatur -0,6 Längsdehnung -0,8 Querdehnung -1,0-1,2-1,4 10 mm Temperatur r in C -1,6-1, Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 32

33 2,0x10-4 Längsdehnung Querdehnung Temperatur 480 1,5x10-4 1,0x Deh hnung 5,0x10-5 0,0-5,0x mm 470 Tempera atur in C -1,0x ,5x ,0x Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 33

34 Dehnungsmessung im Hochtemperatur-Zugversuch 10 mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 34

35 10 mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 35

36 Proben für Hochtemperatur-Zugversuch (20MoCrS4) Folien-DMS zur Kontrolle der effektiven Empfindlichkeit bei Raumtemperatur und elastischen Deformationen 10 mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 36

37 Spannungs-Dehnungs-Diagramm 20MoCrS4 bei 500 C 600 W egaufnehmer (angepasst) 500 Spannung in N/mm² Hochtemperatur-DMS 1 Hochtemperatur-DMS 2 10 mm 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 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 37

38 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% Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 38

39 Praktikumsversuch Hochtemperatur-DMS (Kalibrierversuch) 1. Temperaturgang des Nullpunktes ε S (T) Messung der Brückenverstimmung im lastfreien Zustand als Funktion der Temperatur ε s (T) 4 = k RT U U M B (T) 2. Temperaturabhängigkeit der Dehnungsempfindlichkeit k(t) Messung der Brückenverstimmung bei definierter Belastung ε P als Funktion der Temperatur k(t) = 4 ε P U U M B (T) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 39

40 Kalibriervorrichtung zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der Dehnungsempfindlichkeit (k- Faktor) bei Hochtemperatur-DMS Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 40

41 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 41

42 Belastungsvorgang in einer Temperaturstufe (500 C) 0,6 0,5 Vorlast Brückenverstimmu ung in mv/v 0,4 0,3 0,2 0,1 Endlast Laständerung 0, Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 42

43 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 43

44 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 44

45 KHCD (KYOWA) HBWANV (HITEC BLH) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 45

46 Messung 1 Messung 2 Herstellerangabe (für α th =16,2 ppm/k) ε s in µm/m Temperatur in C Temperaturgang, des Halbbrücken-HT-DMS KHCM auf Bauteilmaterial: X30WCrV9.3 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 46

47 2,0 1,5 k-faktor 1,0 Messung 1 Messung 2 Herstellerangabe 0,5 0, Temperatur C Temperaturabhängigkeit des k-faktors des Halbbrücken-HT-DMS KHCM (B150), KYOWA Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 47

48 Ergänzung: Kapazitiver Aufnehmer zur Dehnungsmessung bei hohen Temperaturen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 48

49 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 49

50 Damit Ihnen das nicht passiert! Sicherheit und Zuverlässigkeit durch experimentelle Struktur- und Beanspruchungsanalyse mit elektrischen Dehnungsmessstreifen auch bei hohen Temperaturen. Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 50