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

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

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

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

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

Temperaturselbstkompensation bei Folien-DMS für Raumtemperatur und Röhrchen-DMS für hohe Temperatur 750 25000 Thermisches Ausgangssignal in µm/m 500 250 0-250 -500-750 -1000-1250 Arbeitsbereich 10-50 C -1500-100 -50 0 50 100 150 200 250 Thermisches Ausgangssignal in µm/m 20000 15000 10000 5000 0 Arbeitsbereich 700-850 C 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperatur in C Temperatur in C Thermisches Ausgangssignal eines Folien-DMS aus Konstantan, der für den Temperaturbereich 10-50 C eingestellt ist Kompensation gut möglich Thermisches Ausgangssignal eines Viertelbrücken- Hochtemperatur-DMS aus NiCr, der für den Temperaturbereich 700-850 C eingestellt ist Kompensation eingeschränkt möglich Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 5

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

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

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

KHCS-10-120 Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe MI-Kabel KHCD-5-200 Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen von KYOWA für den Temperaturbereich bis 800 bzw. 950 C Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 9

Aufbau des Hochtemperatur-DMS KHCD-5-200 von KYOWA Sensor Sensorkabel Verbindungsmuffe mit Thermoelement MI-Kabel Drahtstärke in µm 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 x in mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 10

Sensorkabel (Metallrohr und MgO-Pulver entfernt) Verbindungsmuffe mit Thermoelement (angeschliffen) MI-Kabel (Querschnitt) Details des Hochtemperatur-DMS KHCD-5-200 von KYOWA Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 11

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 0,1 1 10 100 1000 10000 Frequenz in Hz Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 12

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 300 200 100 0-100 0 50 100 150 200 250 300 Zeit in µs Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 13

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

Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m 20000 16000 12000 8000 4000 0-4000 Dummy DMS 0 100 200 300 400 500 Temperatur in C Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 15

Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m 20000 16000 12000 8000 4000 0-4000 Dummy DMS 0 100 200 300 400 500 Temperatur in C DMS Dummy (Halbbrücke) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 16

Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes R TC, R LC, R Bal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy Thermisches Ausgangs ssignal in µm/m 20000 16000 12000 8000 4000 0-4000 Dummy DMS DMS 0,8 *Dummy (Halbbrücke + Widerstandsnetzwerk) 0 100 200 300 400 500 Temperatur in C DMS Dummy (Halbbrücke) Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 17

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

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

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

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

fehlerhafte Punktschweißverbindungen Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 22

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

sensor-wire x 0.8 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 5 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 0,0 0 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 x in mm x in mm Berechnung der Dehnungsübertragung in den Sensordraht Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 24

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

Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 26

20mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 29

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

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

0,4 500 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 400 300 200 100 Temperatur r in C -1,6-1,8 0 0 100 200 300 400 500 Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 32

2,0x10-4 Längsdehnung Querdehnung Temperatur 480 1,5x10-4 1,0x10-4 475 Deh hnung 5,0x10-5 0,0-5,0x10-5 10 mm 470 Tempera atur in C -1,0x10-4 465-1,5x10-4 -2,0x10-4 460 10 11 12 13 14 15 Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 33

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

10 mm Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 35

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

Spannungs-Dehnungs-Diagramm 20MoCrS4 bei 500 C 600 W egaufnehmer (angepasst) 500 Spannung in N/mm² 400 300 200 Hochtemperatur-DMS 1 Hochtemperatur-DMS 2 10 mm maximale Dehnung HT-DMS 5% (Herstellerangabe) 100 0 0,00 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

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

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

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

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 0,0 80 100 120 140 160 Zeit in sec Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 42

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

1000 500 Messung 1 Messung 2 Herstellerangabe (für α th =16,2 ppm/k) ε s in µm/m 0-500 -1000-1500 0 100 200 300 400 500 600 Temperatur in C Temperaturgang, des Halbbrücken-HT-DMS KHCM auf Bauteilmaterial: X30WCrV9.3 Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 46

2,0 1,5 k-faktor 1,0 Messung 1 Messung 2 Herstellerangabe 0,5 0,0 0 100 200 300 400 500 600 Temperatur C Temperaturabhängigkeit des k-faktors des Halbbrücken-HT-DMS KHCM (B150), KYOWA Experimentelle Kontinuumsmechanik Vorlesung M. Stockmann 47

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

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