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

2




Temperatur

Geltungsbereich

VDI/VDE 2635 Blatt 2

120°C 350°C 1000°C

Geltungsbereich

VDI/VDE 2635 Blatt 1

20°C

Übergangsbereich

Temperaturbereiche – Bauformen (widerstandsbasierter Dehnungsmessstreifen)

3



Vorlesung Hochtemperatur-Dehnungsmessstreifen Chemnitz, 25.10.2017 4




d

A

dA

l

dl

R

dR

A

lR

l

dl

R

dR 21

0

kR

R

21k

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

HT-DMSLeiter

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

5

A

l

R




0

mech

DMS

kR

R

1. mechanische Dehnungdes Bauteils:

Messergebnis

2. thermische Dehnungdes Bauteils:

Messfehler

3. Temperaturänderungam DMS:

4. Temperaturänderungan der Zuleitung:

Messfehler

Messfehler

Kompensation durch Anpassung(nur sehr eingeschränkt möglich)

Kompensation durch Dreileiter-schaltung (gut möglich)

T R

DMS

0

DMS

R

R

T R

L

0

L

R

R

T)-( th

DMS

th

B

0

kR

RDMS

6




0 100 200 300 400 500 600 700 800

0

5000

10000

15000

20000

25000

Arbeitsbereich

700 - 850 °C

Th

erm

isc

he

s A

us

ga

ng

ss

ign

al

in µ

m/m

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

-1500

-1250

-1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

Arbeitsbereich

10 - 50 °C

Th

erm

isc

he

s A

us

ga

ng

ss

ign

al

in µ

m/m

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

7




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

8




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

9




Schematischer Aufbau von Hochtemperatur-Röhrchen-DMS

Viertelbrückenausführung fürdynamische Messungen

Halbbrückenausführung für dynamische und statische Messungen

10




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

VerbindungsmuffeSensorkabelSensor MI-Kabel

KHCD-5-200

KHCS-10-120

11




Aufbau des Hochtemperatur-DMSKHCD-5-200 von KYOWA

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

20

40

60

80

100

Drahtstärke

in µm

x in mm

SensorVerbindungsmuffemit Thermoelement

Sensorkabel MI-Kabel

12




Verbindungsmuffemit Thermoelement(angeschliffen)

Sensorkabel(Metallrohr und MgO-Pulver entfernt)

MI-Kabel(Querschnitt)

Details des Hochtemperatur-DMSKHCD-5-200 von KYOWA

13




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

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

R1= 10 kW

C = 10 µF

C = 2.2 µF

C = 1 µF

Üb

ert

rag

un

gs

fak

tor

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

14

Bridge-box

HT-DMS

RE R E

R E C

R 1 U M

BUGleich-

spannung

Kabel zum MeßgerätKabel zum Sensor




0 50 100 150 200 250 300

-100

0

100

200

300

400

500 Temperaturgang des Nullpunktes

Messwert ohne RC-Glied

Messwert mit RC-Glied

Me

ss

we

rt i

n µ

m/m

Zeit in µs

Wirkprinzip des RC-Netzwerkes für Viertelbrücken-HT-DMS

15




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

16

RLC

LC

Zuleitung

DummyR

Sensor

RDMS

R

LeiterR

LeiterR

RTC

R

RLeiter

RTC

M

BalR

RBal

u

Brückenadapter

ER

uB

E




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

Dummy

DMS

0 100 200 300 400 500

-4000

0

4000

8000

12000

16000

20000

Th

erm

isch

es A

usg

an

gssig

na

l in

µm

/m

Temperatur in °C

17




Dummy

DMS

DMS – Dummy(Halbbrücke)

0 100 200 300 400 500

-4000

0

4000

8000

12000

16000

20000

Th

erm

isch

es A

usg

an

gssig

na

l in

µm

/m

Temperatur in °C


18




0 100 200 300 400 500

-4000

0

4000

8000

12000

16000

20000

Th

erm

ische

s A

usg

an

gssig

na

l in

µm

/m

Temperatur in °C

Dummy

DMS

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

DMS – Dummy(Halbbrücke)





DMS (Viertelbrücke)für dynamische Messungen

DMS (Halbbrücke)für statische Messungen

Messverstärker fürVollbrückenschaltung

Messverstärker fürVollbrückenschaltung

20




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)

DMS

23




Elektrodendurchmesser

Flanschblech

Schmelzzone

Wärmeeinflusszone

Grundmaterial

24




fehlerhafte Punktschweißverbindungen




Anwendungsbeispiele, Beanspruchungsanalyse von Abgasanlagen




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

Lastfall

A d

a

Messstelle

C

uf

b

FB

c




0 100 200 300 400 500

-1,8

-1,6

-1,4

-1,2

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

Längsdehnung

Querdehnung

Bru

ck

en

au

sg

an

gs

sig

na

l in

mV

/V

Zeit in sec

0

100

200

300

400

500

Te

mp

era

tur in

°C

Temperatur




10 11 12 13 14 15-2,0x10

-4

-1,5x10-4

-1,0x10-4

-5,0x10-5

0,0

5,0x10-5

1,0x10-4

1,5x10-4

2,0x10-4

Längsdehnung Querdehnung

Te

mp

era

tur

in °

C

De

hn

un

g

Zeit in sec

460

465

470

475

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

100

200

300

400

500

600

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

N/m

m²

Spannungs-Dehnungs-Diagramm 20MoCrS4 bei 500°C




10 mm

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

-0,1

0,0

0,1

0,2

UM/U

B in

mV

/V

Zeit in s

Messergebnis

Brückenausgangsspannung UM/UB bei

zyklischer Vorgabe einer Prüfdehnung εp

Auswertung

Empfindlichkeit (k-Faktor) als Funktion

der Temperatur

)(4

)( TU

UTk

B

M

P

)(4

)( TU

U

kT

B

Ms

B

M

U

U




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

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

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

Ga

ge

Fa

cto

r

temperature [degC]




Vielen Dank für die Aufmerksamkeit

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