Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung von Hochtemperatur ...€¦ · 1. Temperaturbereiche,...

Fakultät Maschinenbau

Professur Festkörpermechanik

Aufbau, Wirkungsweise und Anwendung von

Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen

Technische Universität Chemnitz

Fakultät für Maschinenbau und Verfahrenstechnik

Institut für Mechanik

PD Dr.-Ing. habil. M. Stockmann

AUFBAU, WIRKUNGSWEISE UND ANWENDUNG VON HOCHTEMPERATUR-

DEHNUNGSMESSSTREIFEN

Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz, 25.10.2017

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

Temperatur

Geltungsbereich

VDI/VDE 2635 Blatt 2

120°C 350°C 1000°C

Geltungsbereich

VDI/VDE 2635 Blatt 1

Übergangsbereich

Temperaturbereiche – Bauformen (widerstandsbasierter Dehnungsmessstreifen)

Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz, 25.10.2017 4

geometrischer Anteil » 1,6 stofflicher Anteil » 0 - 2,4

HT-DMSLeiter

CuNi: k~2,1FeCrAl: k~1,6NiCr: k~2PtW: k~4

1. mechanische Dehnungdes Bauteils:

Messergebnis

2. thermische Dehnungdes Bauteils:

Messfehler

3. Temperaturänderungam DMS:

4. Temperaturänderungan der Zuleitung:

Messfehler

Kompensation durch Anpassung(nur sehr eingeschränkt möglich)

Kompensation durch Dreileiter-schaltung (gut möglich)

T)-( th

0 100 200 300 400 500 600 700 800

Arbeitsbereich

700 - 850 °C

Temperatur in °C

Thermisches Ausgangssignal eines Viertelbrücken-Hochtemperatur-DMS aus NiCr, der für den Temperaturbereich 700-850 °C eingestellt ist

-100 -50 0 50 100 150 200 250

Arbeitsbereich

10 - 50 °C

Temperatur in °C

Thermisches Ausgangssignal eines Folien-DMS aus Konstantan, der für den Temperaturbereich 10-50 °C eingestellt ist

Temperaturselbstkompensation beiFolien-DMS für Raumtemperatur und Röhrchen-DMS für hohe Temperatur

Kompensation gut möglich Kompensation nur sehr eingeschränkt möglich

Maschinenbau: Beanspruchungsanalyse an Anlagen und Werkzeugenzur Massivumformung (Warmwalzen usw.)

Typische Anwendungsbereiche fürHochtemperatur Dehnungsmessstreifen

Fahrzeugbau: Beanspruchungsanalyse an Motoren, Turbinen und den zugehörigen Abgasanlagen

Materialprüfung: Parameterbestimmung für Stoffgesetze zur Beschrei-bung des Materialverhaltens bei hohen Temperaturen

Kraftwerk: Überwachung von Rohrleitungen und Druckbehältern

Luft- und Entwicklung und Monitoring hitzebelasteter

Raumfahrt: Abschirmungen und Antriebe

Hochtemperatur-DMS unterschiedlicher Konstruktion und Hersteller

Bauform InstallationMaximale

Einsatztemperatur

Metallfolien-DMSKleben

Punktschweißen)1400°C

Freigitter-DMS

Keramikzement

Flammspritzen

Punktschweißen)1

ca. 1000°C

Röhrchen DMS Punktschweißen ca. 1000°C

Kapazitive DMS Punktschweißen ca. 700°C

Optische DMS

FBG, Quarzglasfaser

Kleben

Punktschweißen)1ca. 300°C

)1 vorinstalliert auf Metallblättchen

Schematischer Aufbau von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS

Viertelbrückenausführung fürdynamische Messungen

Halbbrückenausführung für dynamische und statische Messungen

Hochtemperatur Dehnungsmessstreifen von KYOWAfür den Temperaturbereich bis 800 bzw. 950°C

VerbindungsmuffeSensorkabelSensor MI-Kabel

KHCD-5-200

KHCS-10-120

Aufbau des Hochtemperatur-DMSKHCD-5-200 von KYOWA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

Drahtstärke

in µm

x in mm

SensorVerbindungsmuffemit Thermoelement

Sensorkabel MI-Kabel

Verbindungsmuffemit Thermoelement(angeschliffen)

Sensorkabel(Metallrohr und MgO-Pulver entfernt)

MI-Kabel(Querschnitt)

Details des Hochtemperatur-DMSKHCD-5-200 von KYOWA

Anschluss des Hochtemperatur-DMS KHCD über ein RC-Glied zur Messung von dynamischen Dehnungen.

1E-3 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

R1= 10 kW

C = 10 µF

C = 2.2 µF

C = 1 µF

Frequenz in Hz

R1 = 10 kW, C1 = 1 µF fG1 = 16 Hz

R1 = 10 kW, C2 = 2.2 µF fG2 = 7.23 Hz

R1 = 10 kW, C3 = 10 µF fG3 = 1.6 Hz

Bridge-box

HT-DMS

RE R E

R 1 U M

BUGleich-

spannung

Kabel zum MeßgerätKabel zum Sensor

0 50 100 150 200 250 300

500 Temperaturgang des Nullpunktes

Messwert ohne RC-Glied

Messwert mit RC-Glied

Zeit in µs

Wirkprinzip des RC-Netzwerkes für Viertelbrücken-HT-DMS

Anschluss des Hochtemperatur-DMS KHCS über einen Brückenadapter zur Messung von statischen Dehnungen.

RDMS: SensorwiderstandRDummy: DummywiderstandRLeiter: Leitungswiderstand

RTC, RLC, RBal Kompensations- und Abgleichwiderstände zur Anpassung an den Ausdehnungskoeffizienten des Bauteils

Zuleitung

DummyR

Sensor

LeiterR

RLeiter

Brückenadapter

Wirkprinzip des Widerstandsnetzwerkes RTC, RLC, Rbal für Halbbrücken-HT-DMS mit integriertem Dummy

0 100 200 300 400 500

Temperatur in °C

DMS – Dummy(Halbbrücke)

0 100 200 300 400 500

Temperatur in °C

0 100 200 300 400 500

Temperatur in °C

DMS – 0,8 *Dummy(Halbbrücke + Widerstandsnetzwerk)

DMS – Dummy(Halbbrücke)

DMS (Viertelbrücke)für dynamische Messungen

DMS (Halbbrücke)für statische Messungen

Messverstärker fürVollbrückenschaltung

Präparation von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS, Punktschweißgerät

Reihenfolge der Punkschweißverbindungen zur vorspannungsarmenBefestigung von Röhrchen-DMS

Empfehlung von KYOWA

Empfehlung nach VDI/VDE/GESA 2635

Zugentlastungs-schleife

minimaler Biegeradius im MI-Kabel: rmin~2,5mm

Mindestabstand von der Verbindungsmuffe: amin~5mm

Sensorkabel (Biegung in der Ebene der Bauteiloberfläche vermeiden)

Elektrodendurchmesser

Flanschblech

Schmelzzone

Wärmeeinflusszone

Grundmaterial

fehlerhafte Punktschweißverbindungen

Anwendungsbeispiele, Beanspruchungsanalyse von Abgasanlagen

Analyse der Belastung an einem Versuchsstand zur Prüfung vonVerbindungsschellen für PKW-Abgasanlagen

Lastfall

Messstelle

0 100 200 300 400 500

Längsdehnung

Querdehnung

Zeit in sec

tur in

Temperatur

10 11 12 13 14 15-2,0x10

-1,5x10-4

-1,0x10-4

-5,0x10-5

5,0x10-5

1,0x10-4

1,5x10-4

2,0x10-4

Längsdehnung Querdehnung

Zeit in sec

480 Temperatur

Dehnungsmessung im Hochtemperatur-Zugversuch

Proben für Hochtemperatur-Zugversuch (20MoCrS4)

Folien-DMSzur Kontrolle der effektiven

Empfindlichkeit bei Raum-temperatur und elastischenDeformationen

Hochtemperatur-Röhrchen DMSKHCD (KYOWA)

zur Messung der Dehnungbei Versuchstemperatur 500°C

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

maximale Dehnung HT-DMS 5%

(Herstellerangabe)

Wegaufnehmer (angepasst)

Hochtemperatur-DMS 1

Hochtemperatur-DMS 2

Dehnung

Spannung in

Spannungs-Dehnungs-Diagramm 20MoCrS4 bei 500°C

Zustand der Hochtemperatur-Röhrchen-DMS nach Überlastung

ε ~ 20%

Maximale Dehnbarkeit (VDI/VDE 2635 Bl. 1): εmax = 5% Herstellerangabe (KYOWA) wird bestätigt

Funktionsbereich des Widerstandsdrahtes: εBruch ~10%

Kalibriervorrichtung zur Bestimmung der Temperaturabhängigkeit der

Dehnungsempfindlichkeit (k- Faktor) bei Hochtemperatur-DMS

KHCD (KYOWA) HBWANV (HITEC BLH)

0 20 40 60 80 100-0,2

Zeit in s

Messergebnis

Brückenausgangsspannung UM/UB bei

zyklischer Vorgabe einer Prüfdehnung εp

Auswertung

Empfindlichkeit (k-Faktor) als Funktion

der Temperatur

-100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

GF(T) =1,55404-5,875E-4 T+1,72777E-7 T2

GF(T) =1,42055-2,3379E-4 T-5,71365E-8 T2

KHCR Aver. Values Test Stockmann

KHCR Values from Data Sheat KYOWA

temperature [degC]

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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