Datenerfassung bei Sprengversuchen und ExplosionstestsHochgeschwindigkeits-Datenerfassungssystem zur Messung von Sprengdruck, Stoßwellen, Impulsen und Schwingungen bei Sprengversuchen.

Was ist eine Explosionsprüfung und warum ist sie wichtig?

Bei der Sprengprüfung, auch Explosionsprüfung genannt, handelt es sich um die kontrollierte Messung der drucktechnischen, thermischen und mechanischen Auswirkungen, die durch eine Detonation oder eine andere schnelle Freisetzung von Energie entstehen. Es deckt ein breites Spektrum an Größenordnungen und Versuchsanordnungen ab: von einer wenige Gramm schweren Sprengstoffprobe, die in einem Labor-Stoßrohr gezündet wird, über eine Sprengung in Originalgröße in einem Tagebau bis hin zu einem Schießversuch auf einem Militärgelände oder einer Sprenglastprüfung an einer Gebäudefassade oder einer Fahrzeugverkleidung. In jedem Fall ist das Ziel dasselbe: ein heftiges, schnell ablaufendes physikalisches Ereignis in genaue, verwertbare Daten umzuwandeln.

Warum diese Daten wichtig sind, hängt von der jeweiligen Branche ab, doch es steht stets viel auf dem Spiel:

• Bergbau. Die Sprengplanung wirkt sich unmittelbar auf die Zerkleinerungsqualität, das Risiko von Sprenggesteinsauswurf sowie das Ausmaß aus, in dem Bodenvibrationen und Luftüberdruck nahegelegene Bauwerke oder Ortschaften erreichen. Durch die Messung der tatsächlichen Sprengleistung – und nicht nur durch deren Modellierung – optimieren Bergwerksbetreiber die Sprengplanung, validieren neue Sprengstoffrezepturen und weisen die Einhaltung der gesetzlichen Grenzwerte für Luftdruckwellen und Vibrationen nach.

• Tiefbau. Explosionssichere Konstruktionen für Fassaden, Explosionsschutzwände, Brücken und andere kritische Infrastrukturen müssen unter realen Belastungsbedingungen geprüft werden, bevor ein Entwurf endgültig festgelegt, zertifiziert oder versichert wird. Explosionsversuche dienen der empirischen Überprüfung, ob ein Bauwerk tatsächlich so funktioniert, wie es die Konstruktionsberechnungen vorhersagen.

• Verteidigung. Die Auswirkungen von Waffen und improvisierten Sprengsätzen (IED), die Schutzleistung von Fahrzeugen, Schutzausrüstung sowie die Grenzwerte für die Exposition des Personals gegenüber Explosionsüberdruck werden durch instrumentierte Explosionsversuche ermittelt – Daten, die direkt in Entscheidungen zum Schutz der Streitkräfte und zur Sicherheit einfließen.

In all diesen Bereichen spielen Sprengversuche zudem eine Rolle, die leicht übersehen wird: Sie liefern die realen Messdaten, mit denen die numerischen Modelle und Simulationsmodelle validiert werden, auf die sich Testprogramme zunehmend stützen. Eine Simulation ist nur so zuverlässig wie die physikalischen Testdaten, anhand derer sie kalibriert wurde – weshalb die Genauigkeit des zugrunde liegenden Messsystems ebenso wichtig ist wie der Test selbst.

Erfassen Sie den gesamten Druck-Zeit-Verlauf, vom Anstieg bis zur negativen Phase

Eine Detonation oder Explosion erzeugt ein charakteristisches Druck-Zeit-Muster: einen nahezu augenblicklichen Sprung auf den Spitzendruck beim Eintreffen der Stoßfront, einen Abfall zurück auf den Umgebungsdruck und typischerweise eine negative Phase (unterhalb des Umgebungsdrucks), bevor sich der Druck wieder einpendelt.

Um aus diesem Signaturmuster aussagekräftige Daten zu gewinnen – sei es für die Forschung und Entwicklung im Bereich Sprengstoffe, die Validierung von Konstruktionsentwürfen oder die Bewertung der Exposition von Personal –, ist eine Messkette erforderlich, die keinen Teil davon verzerrt oder abschneidet.

Die Systeme von Dewesoft sind auf diese Anforderung ausgerichtet:

• Abtastraten von bis zu 15 MHz pro Kanal auf SIRIUS XHS-Hardware zur Datenerfassung Die Anstiegszeiten liegen deutlich unter einer Mikrosekunde, sodass die tatsächliche Spitzenamplitude erfasst wird und nicht nur eine abgerundete Annäherung.

• Breite, lückenlose Erfassung erfasst die gesamte positive und negative Phase der Welle, nicht nur den anfänglichen Ausschlag, sodass der Impuls (der über die Zeit integrierte Druck) genau berechnet werden kann.

• Integrierte Mathematikkanäle in DewesoftX Berechnen Sie den Spitzendruck, die Ankunftszeit, die Dauer der positiven Phase und den Impuls direkt aus der Rohwellenform, ohne diese in ein separates Analyseprogramm exportieren zu müssen.

• Mehrpunkt-Arrays – Mehrere Drucksensoren, die entlang einer Linie oder in einem Raster angeordnet sind – ermöglichen es Ingenieuren, die Ausbreitung der Stoßwelle zu verfolgen und die Wellengeschwindigkeit sowie die Dämpfung in Abhängigkeit von der Entfernung zu bestimmen, was eine Standardanforderung bei der Charakterisierung von Sprengstoffen und der Erforschung von Explosionsbelastungen darstellt.

Ganz gleich, ob es darum geht, ein Simulationsmodell anhand realer Detonationsdaten zu validieren oder sicherzustellen, dass eine Sprengung in der Produktion die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte für den Luftüberdruck einhält – die zugrunde liegende Anforderung ist dieselbe: ein Messsystem, das das Ereignis so erfasst, wie es tatsächlich stattgefunden hat.

Direkte, rauscharme Kompatibilität mit Druckwellensensoren

Der Strahldruck wird in der Regel mit einer von zwei Sensortechnologien gemessen, und die Dewesoft-Hardware ist so konzipiert, dass sie mit beiden Technologien ohne zusätzliche Signalaufbereitung kompatibel ist:

• ICP®/IEPE-Piezo-Drucksensoren (Quarz- oder Turmalin-Elemente, Freifeld-Stiftsonden oder Reflexionsdruckmessgeräte) erfordern eine Konstantstrom-Anregungsquelle. Die Dewesoft SIRIUS XHS-Module liefern bis zu 20 mA integrierte IEPE-Stromversorgung und erfüllen damit die Anforderungen vieler Hochfrequenz-Explosionssensoren an eine höhere Stromaufnahme, ohne dass ein externer ICP-Verstärker im Signalweg erforderlich ist.

• Piezoresistive Drucksensoren, die häufig für länger andauernde oder gleichstromgekoppelte Messungen verwendet werden, bei denen die Ladungsleckage des piezoelektrischen Sensors ein Hindernis darstellen würde, werden über die Spannungs- und Brückeneingangsmodule von Dewesoft angeschlossen.

Da die Signalintegrität nicht nur vom Sensor selbst abhängt, spielen einige Details in der gesamten Messkette eine wichtige Rolle – und das gesamte Team für Technik und Anwendungsunterstützung von Dewesoft kann Ihnen dabei helfen, diese für einen bestimmten Prüfplan festzulegen:

• Koaxialkabel mit geringer Kapazität um den Hochfrequenzbereich über die Kabelstrecken vom Sensor zum Aufzeichnungssystem zu erhalten, die eine Länge von mehreren zehn bis mehreren hundert Metern haben können oder sich auf einem Bergwerksgelände befinden.

• Anpassung von Resonanzfrequenz und Anstiegszeit zwischen dem Sensor und der erwarteten Impulsdauer, sodass das Sensorelement selbst nicht zum begrenzenden Faktor bei der Messung wird.

• Schutz vor Hitze und Lichtblitzen bei Sensoren, die nahe am Detonationsort angebracht sind, wo die Strahlungswärme und der Blitz des Feuerballs die Messwerte beeinflussen können, noch bevor die mechanische Druckwelle überhaupt eintrifft – ein gut dokumentierter Ausfallmodus, insbesondere bei piezoresistiven Elementen.

Dank dieser direkten Kompatibilität kann ein Testingenieur PCB-, Kistler- oder andere IEPE/ICP- und piezoresistive Druckmessumformer, die bereits für einen bestimmten Standard oder Messbereich qualifiziert sind, direkt an ein Dewesoft-System anschließen, anstatt die Signalkette rund um das Datenerfassungssystem neu zu konzipieren.

Eine einzige Softwareplattform – von der Sensorkonfiguration bis zum Abschlussbericht

DewesoftX ist im Lieferumfang jedes Dewesoft-Datenerfassungssystems enthalten und deckt den gesamten Arbeitsablauf eines Sprengversuchs ab, von der anfänglichen Sensorkonfiguration bis hin zur abschließenden Berichterstellung:

• Einrichtung von Sensor und TEDS mit integrierten IEPE/ICP- und Brückensensor-Bibliotheken, sodass die Empfindlichkeit und die Einheiten der Drucksensoren bereits vor der ersten Messung korrekt konfiguriert sind.

• Flexible Auslösung, einschließlich Pre-Trigger-Pufferung, Pegel- und Steigungstrigger sowie externer Triggereingänge (von einem Drahtbruch, einem Zündbefehl oder einem Zeitsignal), sodass das System bereits scharfgeschaltet ist und aufzeichnet, bevor das Ereignis eintritt.

• Echtzeit-Visualisierung jedes Kanals während der Einrichtung und der Testdurchführung, sodass der Zustand der Sensoren und die Signalpegel vor einem Live-Test überprüft werden können – und nicht erst im Nachhinein anhand der Daten festgestellt werden müssen. Da die Anzeige in Echtzeit aktualisiert wird, können Ingenieure zudem eingehende Wellenformen überprüfen, während eine Langzeitaufzeichnung noch läuft, ohne auf deren Abschluss warten zu müssen.

• Zeitsynchronisation über ein weitläufiges Testgelände hinweg, einschließlich IRIG-, GPS- und PTP-Synchronisation (IEEE 1588), sorgt dafür, dass mehrere Datenerfassungsgeräte über ein großes Sprenggelände oder ein großes Testgelände hinweg auf denselben Takt abgestimmt bleiben – dies ist wichtig, wenn Sensorarrays oder Kamerastationen über Hunderte von Metern verteilt oder auf unabhängige Aufzeichnungsgeräte aufgeteilt sind.

• Redundante, ausfallsichere lokale Aufzeichnung. Da ein Sprengversuch in der Regel nicht wiederholt werden kann, werden die Daten bereits bei ihrer Erfassung in einen integrierten, nichtflüchtigen Speicher geschrieben und nicht nur im Arbeitsspeicher gehalten, sodass ein Systemausfall nach der Sprengung den einzigen Datensatz, den der Versuch erzeugt hat, nicht gefährdet.

• Integrierte Mathematik, darunter Spitzenwert-Erkennung, Impuls- (Integral-)Berechnung, FFT und Ordnungsanalyse, Filterung sowie kanalübergreifender Vergleich, sodass die Analyse nach dem Test in derselben Software erfolgt, in der die Daten aufgezeichnet wurden.

• Automatisierte Berichterstellung um verarbeitete Ergebnisse, Diagramme und Videos in ein strukturiertes Berichtsformat zu exportieren, das für die interne Überprüfung, die Übergabe an Kunden oder die Einreichung bei Aufsichtsbehörden geeignet ist.

Da DewesoftX auf jeder Dewesoft-Hardwarekonfiguration – vom kompakten Feldgerät bis hin zum vollständigen System mit mehreren Gehäusen – auf dieselbe Weise läuft, können Ingenieure, die sich die Software anhand eines Testprogramms aneignen, denselben Arbeitsablauf auch beim nächsten Projekt anwenden, unabhängig davon, wie sich der Messumfang ändert.

Speziell entwickelt für Sprengprogramme im Bergbau, im Tiefbau und im Verteidigungsbereich

Spreng- und Explosionsprüfungen decken ein breites Anwendungsspektrum ab, wobei für jeden Anwendungsbereich unterschiedliche Messanforderungen gelten:

• Bergbau: Die Validierung von Sprengplänen, die Entwicklung von Sprengstoffen und die Überwachung der Einhaltung von Vorschriften erfordern genaue Messungen des Luftüberdrucks und der Bodenvibrationen. Dewesoft unterstützt Mehrpunkt-Sensorarrays für Produktionssprengungen und die Forschung und Entwicklung im Bereich Sprengstoffe – von Detonationsdruckmessungen bis hin zur Überwachung von Vibrationen und Luftdruckgrenzwerten an nahegelegenen Bauwerken.

• Bauingenieurwesen: Explosionssichere Bauwerke wie Fassaden, Sprengschutzwände, Brücken und kritische Infrastrukturen erfordern die gleichzeitige Messung von Druck, Impuls, Dehnung, Verschiebung und Beschleunigung. Dewesoft vereint diese Signale in einem synchronisierten Datenerfassungssystem zur direkten Analyse von Explosionsbelastungen und der Reaktion der Konstruktion.

• Verteidigung: Von Schockrohren und der Charakterisierung von Sprengkörpern bis hin zu Tests zum Schutz von Fahrzeugen und Personal – Verteidigungsanwendungen erfordern hohe Abtastraten, zahlreiche synchronisierte Kanäle, Hochgeschwindigkeitsvideo und robuste Feldhardware. Dewesoft-Systeme lassen sich von Laborexperimenten bis hin zu Feldtests im Originalmaßstab skalieren und unterstützen den Fernbetrieb für sicherere Tests.

Bei all diesen Anwendungen besteht die Herausforderung darin, schnelle Explosionsereignisse mit hoher Amplitude und deren Auswirkungen über alle Messkanäle hinweg präzise zu erfassen.