Messtechnik… von gestern?

Bewährtes bleibt erhalten! Das gilt für Bauwerke ebenso wie für Messtechniken. Das Structural Health Monitoring (SMH) von Bauwerken entwickelt sich immer weiter hin zur quasi-verteilten Sensortechnik mit Glasfasern. Trotzdem bleiben punktuell installierte analoge und digitale Sensoren weiterhin relevant: Dann nämlich, wenn die Lokation der zu erfassenden Störung bekannt ist und wir sie in situ messen.  

In situ Instrumentierung

Punktuelle Instrumentierungen passen sich oft nicht in moderne Überwachungskonzepte ein. Vor allem dann, wenn im Vorfeld unbekannt ist, wo tatsächlich Störungen und Belastungsgrenzen auftreten werden. Es ist daher wenig sinnvoll, Sensoren auf Verdacht zu verteilen. Wenn eine Störung weit entfernt vom Ort des Sensoren auftritt, kommt sie nur anteilig – oder gar nicht – dort an. Trotzdem wird diese Sensor-Ausstattung noch immer bei Ausschreibungen von bedeutenden Bauwerken verlangt.

Praxisnahe FE-Modelle sind an dieser Stelle eine Option. Aber der Einsatz von faseroptischen Dehnungs- und Temperaturkabeln ist vorzuziehen: Sie ersetzen theoretische FE-Modelle und beschreiben die statische Realität. Damit sind Prognosen bezogen auf Materialeigenschaften und Belastungszustände möglich.   

Die gute Nachricht: Solange Sie wissen, wo Sie ein Messsignal erzeugen wollen und das Ergebnis Ihren Ansprüchen genügt, sind konventionelle Technologien in der Regel die erste Wahl. Daran wird sich auch in Zukunft nichts ändern.

Jürgen F. Glötzl

Die drei Klassen von Mess-Systemen

Ready to MonitoringPreview HandmessystemeGlasfaser-Messssysteme
elektromechanische Sensorenelektromechanische SensorenFaser-Bragg-Gitter
kapazitive Sensorenpneumatische* AufnehmerFabry-Pérot-Interferrometer
Schwingsaiten Messaufnehmerhydraulische* AufnehmerBrillouin Dehnungskabel
elektronische Spannungsteilerhydrostatische KonzepteRaman Temperaturkabel
WiderstandselementeSchwingsaiten-SystemeInterrogatormessung
Micromechanische Elemente MEMSMechanische Micro Elemente MEMSReflektionsdeformeter
* mit entsprechenden Wandlern elektronische Erfassung möglich

Funktionsweise der Elektromechanischen Sensorik

Wenn wir von Elektromechanischen Sensoren im Besonderen sprechen, beinhaltet das die gesamte Bandbreite von Produkten des Structural Health Monitoring. Sie werden in gruppiert in: Extensometer, Dehnungsaufnehmer, Fissurometer, Druck- und Spannungssensoren, sowie Inklinometer, Deformeter, Wegaufnehmer und Setzungs- oder Kraftmessgeber.

Elektromechanische Sensoren und Sensorsysteme stellen ein analoges Spannungs-Signal als Rohwert zur Verfügung, das in Millivolt (mV) gemessen wird. Es wird dann in die entsprechende physikalische Größe umgerechnet. Der Nullpunkt (PV-Wert) und der Messbereich müssen in diesem Kontext berücksichtigt werden. Sie verändern sich über die Zeit. Um also trotz der linearen Langzeitdrift eine Langzeitstabilität herzustellen, wird die Langzeitdrift rechnerisch kompensiert.

Datenlogger und moderne Messanlagen sind ein besonderes Steckenpferd der GGB®. Wir bieten sie unter dem Schirm „GeoWatch®“ an – und setzen sie regelmäßig in Projekten ein. Unter anderem kommen sie bei dem massiven Städtebauprojekt Stuttgart 21 zum Einsatz. Das heißt: sie erfüllen die hohen Standards der Deutschen Bahn.

GGB mbH

Wer überwacht den Wächter?

Auch andere Faktoren müssen rechnerisch kompensiert werden. Etwa Unterschiede im Bereich der elektrischen Versorgung: die wirken sich auf elektrische Messgeräte aus. Sie unterliegen daher einer Messmittelüberwachung.

Spannungssensoren mit mV Ausgangssignal sind weiterhin empfindlich für Spannungsinduktionen aus Magnetfeldern und Überspannungen. Diese treten entweder im freien Feld auf, in Hochspannungsbereichen wie etwa entlang von Bahngleisen, oder im Umfeld von Maschinen. Wenn diese Einflüsse die Messergebnisse verfälschen, ist es für Gutachter schwierig, sie zu identifizieren. Das führt zum falschen Eindruck, dass elektromechanische Sensorsysteme schlecht funktionieren würden.

Trouble Shooter der Baumesstechnik

In diesem fälschlichen Eindruck steckt jedoch auch ein Kern Wahrheit. Wenn man sich aufgrund von Wirtschaftlichkeit für Billigangebote ohne Qualitätsbewertung und technischen Hintergrund entscheidet und die Sensorik dann fehlerhaft installiert wird, „funktioniert der Mist nicht“. Wir werden oft zurate gezogen, wenn ungenügende Sensorik gerettet werden muss. Die Branche kennt uns daher als Trouble Shooter. Unsere speziell ausgebildete TaskForce steht jederzeit für Sie in den Startlöchern.

Ablauf Problembehebung

Im Ablauf sieht das folgendermaßen aus: Zuerst analysieren wir die Lage und skizzieren Korrekturmaßnahmen. Allerdings nur dann, wenn wir Zugang zu den Messeinrichtungen haben – oder Reparaturen überhaupt noch möglich sind. Wenn Dokumentation fehlt oder Kabel mangelhaft beschriftet sind, liegt eine unprofessionelle Installation vor. Im nächsten Schritt erkennen wir dann Unwegsamkeiten, um sie entweder hardwaretechnisch zu filtern oder sie mithilfe von Kompensationsrechnungen in der Software auszumerzen. Gerade der Überspannungsschutz erfordert Maßnahmen für den Einsatz spezieller Überspannungsmodule. Diese erhöhen den Kaufpreis eines Sensors und der gesamten Messanlage.

bei der Installation

Die Wahl des richtigen Kabels ist gerade im offenen Gelände grundlegend. Nagetiere, Überdehnungen, Brüche oder Abschirmungen machen dem Sensor vielfach zu schaffen – und das geht schnell ins Geld. Da die Wahrscheinlichkeit dieser unerwünschten Einflüsse größer wird, je länger das Anschlusskabel bis zur nächsten Sammelstelle ist, benutzen viele Planer heutzutage Digitalcontroller mit BUS-Systemen und Analog/Digital-Wandlern.

Die Alternative sind batteriebetriebene Funklösungen in einem Erfassungsnetzwerk mit kurzen Anschlusskabeln und einem Accesspoint zur Erfassung der einzelnen Knoten. Diese Sensoren organisieren sich selbst, indem sie Nachbarsensoren als Repeater für den Accesspoint nutzen.

Oder: der Bauherr stellt einfach sicher, dass freie, ‚ungestörte‘ Funkstrecken vorliegen. Das ist jedoch oft schlichtweg nicht machbar.

Qualität der Messmittelüberwachung

Diese Lösungen haben alle einen wesentlichen Nachteil, wenn es um die Qualitätssicherung von Messeinheiten (Messmittelüberwachung) geht.

Es ist generell nicht sinnvoll, Spannungssensoren über große Strecken (über 200m) zu betreiben. Das erfordert im Vorfeld ein effizientes Verlege- und Verdrahtungskonzept, das den störungsfreien Betrieb einer Installation optimiert und auf lange Zeit ermöglicht. Wenn dies nicht geschieht, kann eine 4-20 mA Schaltung vorgesetzt werden, um den Spannungsverlust bezogen auf die Kabellänge (durch schwankenden Leistungswiderstand) zu reduzieren.

Da dann nur noch Ströme in mA gemessen werden, bleiben die äußerlich permanenten Einflüsse unberücksichtigt. Allerdings: Diese Vorschalteinheit zur Wandlung des Signals ist teuer und stellt ein erhöhtes Ausfallrisiko durch zusätzlich empfindliche elektronische Bauteile dar – die nach erfolgtem Einbau nicht mehr reparabel sind, sofern der Sensor nicht mehr zugänglich ist.

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