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Anforderungen an die Hochtemperatur-Dehnungsmesstechnik

29. Oktober 2021
Mithilfe der Dehnungsmesstechnik können auch im Hochtemperaturbereich transiente, statische oder langzeitig auftretende Dehnungen zuverlässig gemessen werden. Damit Ihre Messung sich nicht in Rauch auflöst, sollten die eingesetzten DMS sowie das nötige Zubehör hierfür allerdings mehrere wichtige Voraussetzungen erfüllen.

Anforderungen an die Hochtemperatur-Dehnungsmesstechnik

In der Dehnungsmesstechnik spricht man ab einem Temperaturbereich von ca. 200°C vom Hochtemperaturbereich. Hierzu zählen beispielsweise Anwendungen in der Nähe von Wärmequellen wie Motoren, Auspuffen oder Heizkreisläufe, Rohrleitungen in Kraftwerken oder Messungen an Dampfturbinen und Triebwerken, aber auch Brandversuche oder Schraubenprüfungen.

Bei Hochtemperaturanwendungen bei denen die DMS verklebt werden sollen, sind spezielle Dehnmessstreifen notwendig, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden. Für die Auswahl des richtigen DMS sind zusätzlich das Material des Systems bzw. Bauteils, die Einsatzdauer sowie die zyklische Beanspruchung entscheidend. Dehnungsmessstreifen des Herstellers TML, z.B. QF-Serie (bis 200 °C) und ZF-Serie (bis 300 °C) eignen sich beispielsweise ideal für diese Anwendungen. Die gleichen Anforderungen gelten natürlich auch für den passenden Klebstoff. Ab einer Temperatur von mehr als 300 °C ist das Kleben von DMS nicht mehr sinnvoll. Hier besteht das Risiko, dass der Kleber nicht mehr zuverlässig hält, Lötverbindungen sich lösen oder sich die Verbindung zwischen Träger und Metallfolie in den DMS trennt. Passende Klebstoffe für Temperaturen zwischen 200-300 °C sind beispielsweise NP-50B (bis 300°C), EB-2 (bis 200°C) oder C-1 (bis 200°C). Doch Vorsicht: Klebstoffe für Hochtemperatur-Anwendungen sind in der Regel gemäß Verordnung (EG) Nr. 1907/2006 als Gefahrstoff eingeordnet. Somit sind Kauf und Versand oft nicht ohne größeren Aufwand möglich. Planen Sie ggf. rechtzeitig eine längere Lieferzeit in Ihr Messprojekt ein.

Um die richtige Kombination von Dehnungsmessstreifen und Klebstoff zu ermitteln, sind in einigen Fällen vor dem tatsächlichen Einsatz Vorversuche zur Klebung und Aushärtung oder der Bau einer Applikationshilfe sinnvoll. DMS sind empfindlich und werden bei falscher Anwendung schnell unbrauchbar. Daher empfiehlt es sich, solche Projekte von speziell geschulten Mitarbeitern im Bereich Messtechnik planen und durchführen zu lassen – dies spart in der Regel Zeit und Kosten. Anbieter entsprechender Dienstleistungen sind TÜV Rheinland oder Althen.

Anschweißbare Dehnungsmesstreifen

Ab einer Temperatur von mehr als 300 °C sollte nach Möglichkeit auf anschweißbare Dehnungsmessstreifen, sogenannte Hochtemperatur- bzw. HT-DMS, zurückgegriffen werden. Der große Vorteil dieser HT-DMS ist der erweiterte Temperaturbereich bis kurzfristig 800 °C. Damit sind auch Anwendungen im Bereich der Energietechnik (z.B. Kesseltechnik) und Luft- und Raumfahrt (z.B. Turbinen) möglich. Dehnungsmesstreifen aus der Serie AWH-16 von TML lassen sich gut an konkave/konvexe Bauteilgeometrien anpassen und durch ein Punktschweißgerät befestigen. So können auch Installationen unter widrigen Bedingungen fachgerecht und zügig durchgeführt werden. Einige dieser Hochtemperatur-Dehnungsmesstreifen (z.B. AWMD-5, AWMD-8, AWH-4, AWH-8 und AWHU-8) können direkt in Vollbrückenschaltung an gängige DMS-Messverstärker angeschlossen werden. Althen bietet Ihnen eine große Auswahl an DMS-Messverstärkern für verschiedenste Anwendungsbereiche.

Für das Anschweißen der DMS empfiehlt sich beispielsweise der W50 RC-Spot Welder, ein robustes Schweißgerät für DMS Applikationen mittels Punktschweißverfahren, das sich auch für den Außenbereich eignet.

Messung an zwei Rückschlagklappen mit HT-DMS

Bildunterschrift: Messung an zwei Rückschlagklappen mit HT-DMS Typ AWH-16 (Hersteller TML)
@Bild: TÜV Rheinland


Messung von zyklisch betriebenen Komponenten

Bei der Messung von zyklisch betriebenen Komponenten im Hochtemperaturbereich kommt es meist zu großen Temperaturschwankungen. Hier ist, im Gegensatz zu typischen Folien-DMS Anwendungen, viel mehr Sorgfalt auf die Messgröße „Scheindehnung“ (auch als Temperaturgang bezeichnet) zu legen. Dies ist beispielsweise bei verfahrenstechnischen Apparaten, Rückschlagklappen an Dampfleitungen oder Komponenten von Kraftwerksanlagen der Fall. Auch bei Monitoring-Anwendungen, bei denen aufgrund des Platzmangels oder anderer Einschränkungen keine Druck- oder Kraftaufnehmer in Frage kommen, können Dehnungsmessstreifen zum Einsatz kommen, beispielsweise zur indirekten Messung des Innendrucks oder zur Bestimmung von Zusatzkräften.

Der Hersteller TML liefert im Datenblatt bereits eine mathematische Beschreibung für Standard-Bauteilwerkstoffe. Bei komplexen Bauteil-Legierungen und erhöhten Anforderungen an die Genauigkeit führt z.B. TÜV Rheinland eigene Vorversuche in einer speziellen Klemmvorrichtung zur Bestimmung des Temperaturgangs durch. Da neben dem recht großen Temperaturgang auch der K-Faktor (Empfindlichkeit) temperaturabhängig ist, muss also zum Zwecke der Kompensation bei den Bauteilmessungen auch die Metalltemperatur im Bereich des Sensors miterfasst werden.

Werden HT-DMS bei sehr hohen Temperaturen (> 450 °C, dem sogenannten Zeitstandbereich metallischer Bauteile) und sehr langen Zeiten (z.B. mehrere Monate oder Jahre) eingesetzt, dann wird die „Drift“ des Sensors eine weitere bestimmende Größe, beispielsweise bei der Messung des Zeitstandverhaltens von Kraftwerksrohrleitungen mit Drücken von mehr als 200 bar und Temperaturen über 500 °C. Der Anwender muss entscheiden, wie er experimentell oder analytisch den Einfluss dieser Größe minimiert.

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Autoren: Dr. Ansgar Kranz, Business Development Manager, TÜV Rheinland Werkstoffprüfung GmbH /
Christine Halfen, Marketing Managerin, Althen GmbH, Mess- & Sensortechnik