-
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil und ein System zum Überwachen der Integrität einer Struktur oder eines Strukturbauteils. mit mindestens einem länglichen Luftkanal, der mit einer Vakuumquelle und einer Einrichtung zum Erfassen des Luftdrucks und/oder eines Luftvolumenstroms im Luftkanal verbindbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Überwachen der Integrität einer Struktur oder eines Strukturbauteils.
-
Derartige Systeme und Verfahren zum Überwachen des Zustandes von Strukturbauteilen (auch ”SHM” genannt – Structural Health Monitoring) sind bekannt. Mit Hilfe permanent applizierter bzw. integrierter Strukturzustandssensoren kann eine kontinuierliche und automatische Überwachung von Strukturbauteilen erfolgen. Spannungen, Dehnungen und Schäden in Form von Rissen, Brüchen, Ablösungen, Delaminationen oder Korrosionsschäden werden dabei zur Gewährleistung der strukturellen Integrität detektiert. Ein SHM-System beinhaltet im Wesentlichen einen Sensor und ein Gerät bzw. eine Einrichtung zum Erfassen. Speichern und Verarbeiten von Sensordaten, inklusive dazugehöriger Verbindungselemente. Die Anforderungen an ein SHM-System sind dabei hohe Zuverlässigkeit beim Auffinden von Schäden, Beständigkeit gegenüber Temperaturschwankungen. Umwelteinflüssen und mechanischer Belastung, die Eignung zur Integration in einen bestehenden Produktionsprozess, die Wartungsfreundlichkeit und die Fähigkeit zur Selbstdiagnose. Weiterhin ist die Möglichkeit einer Reparatur von Wichtigkeit.
-
Eine besonders leicht nachrüstbare Möglichkeit zum Überwachen von Strukturbauteilen – z. B. für Flugzeugstrukturen – ist beispielsweise ein an eine Oberfläche eines zu überwachenden Strukturbauteils applizierbarer „Comparative Vacuum Monitoring”-Sensor (im folgenden auch CVM-Sensor genannt). Ein solcher beispielsweise in
DE 10 2004 057 290 A1 beschriebener Sensor besteht aus einem elastischen, gummi- oder silikonartigen Material und weist eine flache, plattenartige Form auf. Eine Oberfläche des Sensors weist rillenförmige Vertiefungen (auch Galerien genannt) auf, die in einem relativ geringen Abstand und parallel zueinander verlaufen und sich in der Sensorebene erstrecken. Der Sensor wird mit der diese Vertiefungen aufweisenden Oberfläche auf die zu überwachende Fläche des Strukturbauteils aufgebracht, wodurch die Vertiefungen abgedeckt werden und parallele Kanäle bilden.
-
Die Kanäle werden alternierend jeweils entweder mit der Umgebung der Struktur oder mit einer Vakuumquelle verbunden, so dass jeder mit Vakuum beaufschlagte Kanal jeweils benachbart zu einer mit Umgebungsluftdruck beaufschlagten Vertiefung angeordnet ist und umgekehrt. Der Differenzdruck zwischen den durch einen Verteiler zusammengefassten und mit der Vakuumquelle verbundenen Vertiefungen und den ebenso durch einen Verteiler zusammengefassten und Umgebungsluftdruck aufweisenden Vertiefungen wird entweder stetig wäherend der Belastung (z. B. im Flug) gemessen (Online) oder bei Bedarf im entlasteten Zustand am Boden (Offline). Verläuft nun in dem unter dem Sensor befindlichen Strukturbauteil ein Riss, werden bei ausreichender Rissbreite alle auf dem Riss angeordneten Kanäle miteinander verbunden. In die mit Vakuum beaufschlagten Kanäle dringt Luft von den jeweils benachbarten und mit der Umgebung verbundenen Kanälen. Bei fortlaufender Überwachung des Volumenstroms zwischen den Galerien kann das Zusammenbrechen des Vakuums in einem oder mehreren Kanälen registriert werden und durch entsprechende Sensorikdaten verarbeitende Gerate als Strukturschaden interpretiert werden.
-
CVM-Sensoren sind durch ihre Bauart und Applikation auf zu überwachende Strukturoberflächen anfällig für mechanische und chemische Einflüsse. Werden solche CVM-Sensoren beispielsweise zum Überwachen einer Flugzeugstruktur eingesetzt, kann es bei den regelmäßigen Wartungsarbeiten passieren, dass einer Oder mehrere oberflächlich applizierte Sensoren beschädigt werden, wenn sich ein Fluggerätemechaniker in der Struktur bewegt. Weiterhin ist es nicht auszuschließen, dass gerade bei der Verwendung in einem Passagierflugzeug schädigende chemische Substanzen auf die Sensoren einwirken, sodass die dauerhafte Zuverlässigkeit der Schadenserkennung nicht mehr gewährleistet werden kann. Weiterhin ist das vollständige Überwachen großer Strukturen stets mit zusätzlichem Gewicht verbunden, da auf die zu überwachenden Strukturbauteile Sensoren aufgeklebt werden müssen. Die korrekte Platzierung der Sensoren kann je nach ZU überwachender Struktur aufwändig sein und – beim Beispiel des Flugzeugs – eine exakt identische Positionierung auf der Strukturoberfläche mehrerer Flugzeuge gleicher Bauart durch überwiegend manuelles Applizieren ist praktisch nicht möglich. Weiterhin ist die Haltbarkeit des Sensormaterials und des Klebstoffs hinsichtlich der Alterung im Hinblick auf die notwendige Lebensdauer beispielsweise einer Flugzeugstruktur (> 30 Jahre) kritisch, speziell unter schwierigen Bedingungen bei wiederholtem Kontakt mit Öl, Kerosin und Hydraulikflüssigkeit. Ferner ist beim nachträglichen Anbringen von Sensoren an ein fertiges Produkt oder zu einem sehr späten Zeitpunkt der Fertigung (z. B. bei der Endmontage eines Flugzeugs) mit einer geringen Akzeptanz zu rechnen, da im Bereich der Endmontage die Vorgänge hochgradig zeitkritisch und die optimierten Abläufe dort logistisch sehr komplex sind.
-
DE 694 19 608 T2 offenbart ein grundsätzliches Verfahren zur Strukturüberwachung mittels Vakuumsensoren, bei dem die Vakuumsensoren als Hohlräume in Bauteilen oder mittels eines separat aufzubringenden Sensorwerkstoffs realisiert werden.
-
In
DE 10 2004 054 615 A1 wird eine konzentrische Anordnung einer zu überwachenden Fluidleitung und eines an der Außenseite zur Fluidleitung beabstandeten Elements offenbart, wobei der Anwendungszweck und die Merkmale auf die Funktionsüberwachung eines Leitungselements beschränkt sind.
-
DE 30 49 628 A1 offenbart ein Verfahren zur Integritätsüberwachung eines Maschinenteils, welches eine erste Bohrung mit einem druckbeaufschlagten Fluid und eine Entlüftungsbohrung aufweist. Ein sich durch beide Bohrungen erstreckender Riss führt zum Druckabfall in der ersten Bohrung, der zur Detektion des Risses verwendet werden kann.
-
DE 10 2005 012 816 A1 und
DE 102 57 259 A1 zeigen Strukturbauteile mit Hohlräumen, die in Strangpress- oder Extrusionsverfahren hergestellt werden und keine Integrationsüberwachung aufweisen.
-
Die Aufgabe der Erfindung ist daher, einen oder mehrere der genannten Nachteile zu vermindern oder gänzlich zu eliminieren. Die Aufgabe der Erfindung ist besonders, ein System, ein Verfahren und einen Sensor vorzuschlagen, mit denen zuverlässig Beschädigungen von Strukturbauteilen detektiert werden können. Der Sensor sollte dabei vor chemischen und mechanischen Einwirkungen geschützt sein und eine Lebensdauer aufweisen, die mindestens so groß wie die Lebensdauer der zu überwachenden Struktur ist. Weiterhin sollte auf einfache Art und Weise die exakte Anordnung des Sensors zur zu überwachenden Struktur sichergestellt sein.
-
Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass der Luftkanal als Hohlraum in die zu überwachende Struktur bzw. das zu überwachende Strukturbauteil integriert ist. Einer oder mehrere direkt in die Struktur eingebettete Luftkanäle, die zusammen mit dem in beinhaltenden Bauteil den Sensor bildet, weist einige Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Zunächst ist ein solcher Luftkanal deutlich besser vor äußeren Einflüssen geschützt, als dies bei einem herkömmlichen CVM-Sensor der Fall ist. Ein Abreißen oder Durchtrennen des Sensors ist nicht möglich, denn der Sensor besteht im Fehlen von Material innerhalb eines die Struktur begründenden Bauteils. Mechanisch ist der Luftkanal nur durch Zerstören des betreffenden Strukturbauteils beschädigbar.
-
Das Gewicht des Sensors ist im Vergleich zum Stand der Technik deutlich vorteilhafter, denn das Gewicht der Struktur sinkt durch die Luftkanäle und ist demnach sogar geringer als bei einer nicht überwachten, herkömmlichen Struktur. Gegebenenfalls kann man den Profilquerschnitt so modifizieren, dass das durch den Hohlraum „eingesparte” Material an einer anderen Stelle des Querschnitts hinzugefügt wird um den Tragfähigkeitsverlust durch den Hohlraum auszugleichen. Selbst in dem Fall bleibt eine Gewichtsersparnis gegenüber der konventionellen Lösung, denn die Notwendigkeit des Aufbringens externer Sensoren entfällt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäße System in Flugzeugen eingesetzt werden soll.
-
Da weiterhin der Sensor frühzeitig während der Fertigung in das Halbzeug integriert wird, können unter anderem die Sensoren in allen Strukturbauteilen exakt gleich positioniert werden. Die zu erwartende Lebensdauer des Sensors in Form eines Luftkanals entspricht mindestens der Lebensdauer der zu überwachenden Struktur, da es sich um das identische Bauteil handelt.
-
Weiterhin kann durch das Einbringen mehrerer Luftkanäle eine Redundanz erzielt werden. Dies führt dazu, dass bei Verstopfung eines Kanals ein oder mehr weitere Kanäle zum Überwachen der Struktur zur Verfügung stehen.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Systems, Verfahrens und Strukturbauteils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. In den Figuren werden gleiche Objekte durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es zeigen:
-
1: eine schematische Schnittansicht eines Strukturbauteils,
-
2: eine schematische Ansicht eines Strukturbauteils mit angeschlossenen Leitungen,
-
3: eine schematische Ansicht eines gerissenen Strukturbauteils,
-
4: eine schematische Schnittansicht eines Flugzeugrumpfs mit segmentierten Spanten,
-
5: eine schematische Ansicht verbundener Strukturbauteile mit verbundenen Sensorhohlräumen,
-
6: eine schematische Darstellung der Komponenten des erfindungsgemäßen Systems und
-
7: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Bei relativ großen Strukturen, wie etwa in Flugzeugen, bietet sich das Überwachen der einzelnen Strukturbauteile durch das erfindungsgemäße System an. Die Strukturbauteile werden zuverlässig mit Einrichtungen ausgestattet, die deren Integrität über die gesamte Lebensdauer des Flugzeugs messbar machen. Die Vorteile aus einer derartigen Überwachung liegen für den Betreiber der Struktur in verringertem Aufwand konventioneller Inspektionen sowie eventuell in einer vorteilhafteren Dimensionierung der Struktur, da bei einer überwachten Struktur weniger konservative Annahmen über den Zustand der Struktur getroffen werden müssen. Aus diesem Grunde wird das nachfolgende Ausführungsbeispiel anhand eines exemplarischen Strukturversteifungsbauteils („Stringer”) eines Flugzeugs dargestellt. Das erfindungsgemäße System wird dadurch jedoch nicht auf die ausschließliche Verwendung in Flugzeugen eingeschränkt, sondern kann in allen größeren und kleineren Strukturen eingesetzt werden, die unter statischer und dynamischer Belastung stehen. Beim Beispiel des Flugzeugs bleibend wäre so etwa die gleichartige Überwachung von Spanten besonders empfehlenswert.
-
1 zeigt zur Verdeutlichung der Erfindung exemplarisch ein stark vereinfacht dargestelltes Strukturbauteil 2, wie es in ähnlicher Form zur Längsversteifung von Flugzeugrümpfen verwendet wird. Das im Folgenden daher auch als „Stringer” bezeichnete Strukturbauteil 2 ist mit zwei erfindungsgemäßen Sensorhohlräumen 4 ausgestattet, die sich in Bereichen mit hinreichend großen Materialstärken befinden. Die Sensorhohlräume 4 erstrecken sich über die gesamte in x-Richtung des gezeigten Koordinatensystems verlaufende Länge des Stringers 2 (gekennzeichnet durch gestrichelte Linien 6). Eine der beiden Sensorhohlräume 4 ist dabei zwischen zwei oberen Kanten 8 und 10 des Stringers 2 angeordnet. Der weitere Sensorhohlraum 4 befindet sich zwischen einer unteren Kante 12 und einer unteren Randfläche 14 des Stringers 2. Beide Sensorhohlräume 4 werden mit einer Vakuumquelle und einem Luftvolumenstromsensor und/oder einer Druckaufnehmer verbunden, ähnlich wie bei den vorangehend geschilderten CVM-Sensoren. Dabei können die Sensoren und die Vakuumquelle als ein einziges kompaktes Gerät ausgeführt sein.
-
Tritt am Stringer 2 an einer beliebigen Stelle des Querschnitts 16 ein Schaden in Form eines Risses oder Bruchs ein und wächst durch (oder beschädigt) einen der beiden Sensorhohlräume 4, wird der betroffene Sensorhohlraum 4 pneumatisch mit der Umgebung des Stringers 2 verbunden, so dass sich der Luftdruck in dem Sensorhohlraum 4 dem der Umgebung des Stringers angleicht. Die im Sensorhohlraum 4 befindliche Luft wird zur Vakuumquelle gesogen, wobei gleichzeitig Luft durch die aufgrund des Schadens hervorgerufene Öffnung im Querschnitt 16 in den Sensorhohlraum 4 zum Ausgleichen des Druckgefälles nachströmt. Dadurch entsteht ein stetiger Luftstrom im Sensorhohlraum 4. Durch Überwachen des Luftstroms bzw. Luftdrucks innerhalb der Sensorhohlräume 4 kann demnach ein Schaden festgestellt werden. Zusätzlich ist eine grobe Lokalisierung des eingetretenen Schadens bei Verwendung mehrerer überwachter Sensorhohlräume 4 möglich. Tritt im dargestellten Querschnitt 16 beispielsweise zunächst am oberen Ende ein Riss auf und wächst durch den oberen Sensorhohlraum 4, wird zuerst in diesem Sensorhohlraum 4 das Zusammenbrechen des Vakuums detektiert. Dies spricht für eine Beschädigung an der Oberkante des Stringers 2. Wächst der Riss durch den Stringer 2 nach unten, wird der untere Sensorhohlraum 4 erreicht, wo dann ebenfalls das angelegte Vakuum zusammenbricht. Das Lokalisieren des Auftretens einer Beschädigung wird mit steigender Anzahl und sinnvoller Verteilung der Sensorhohlräume 4 im Querschnitt 16 genauer, so dass ein Riss signifikant vor dem kompletten Versagen des Stringer 2 entdeckt werden kann, d. h. sobald er den ersten Sensorhohlraum 4 trifft.
-
Die Herstellung eines Strukturbauteils ähnlich wie der Stringer 2 könnte durch Extrusions- bzw. Strangpressverfahren erfolgen. Dabei wird ein auf Umformtemperatur erwärmter Block des gewünschten Materials mit einem Stempel durch eine Matrize gepresst. Durch verschieden geformte Dome können dabei Hohlräume erzeugt werden, wie beispielsweise die in 1 gezeigten Sensorhohlräume 4. Gegebenenfalls kommt zur Extrusion ein Brückenwerkzeug zum Einsatz. Beim Einsatz des erfindungsgemäßen Systems zum Überwachen von Strukturen bzw. Strukturbauteilen eines Flugzeugs, wird als Material besonders Aluminium. Titan oder andere leichte und feste Werkstoffe eingesetzt. Alternativ dazu sind alle anderen gängigen Materialien möglich, wie etwa Kunststoffe und Stahl.
-
Zum Überwachen eines Sensorhohlraums 4 ist eine externe Leitung 18 an die Bohrung 6 angeschlossen, wie in 2 beispielhaft an dem unteren Sensorhohlraum 4 des exemplarischen Stringers 2 gezeigt. In einer Durchgangsbohrung 20, die zum Sensorhohlraum 4 gerichtet ist, wird ein Anschlussstück 22 eingesetzt. Die Durchgangsbohrung 20 weist einen größeren Durchmesser auf als der Sensorhohlraum 4, so dass Toleranzen in der Formgebung des Querschnitts 16 des Stringers 2 ausgeglichen werden können und die Durchgangsbohrung 20 zuverlässig mit dem Sensorhohlraum 4 verbunden wird. Zum Abdichten des Anschlussstücks 22 in der Bohrung 20 wird das Anschlussstück 22 verlötet, verschweißt, verklebt und/oder eingepresst. An das Anschlussstück 22 wird schließlich die als Schlauch, Rohr oder dergleichen ausgeführte Leitung 18 angeschlossen. Die nach der Herstellung beiderseitig des Stringers 2 offenen Sensorhohlräume 4 werden bevorzugt direkt nach der Extrusion mittels eines Löt- oder Schweißpunktes verschlossen. Alternativ zu den Löt-/Schweißpunkten kann es auch günstig sein, ein unverschlossenes Standard-Profil zu benutzen, aber dann in der Nähe des Profilendes einen Verschlussstopfen zu setzen, wie weiter nachfolgend auch anhand eines Reparaturverfahrens beschrieben. Dies hat den Vorteil, dass die feinen Sensorhohlräume 4 bei der Nachbehandlung oder beim Einbau des Stringers 2 nicht beschädigt werden. Danach kann der Stringer 2 unbeschadet auf herkömmliche Weise bearbeitet werden.
-
Alternativ dazu können die Sensorhohlräume 4 beiderseitig mit nicht näher dargestellten Buchsen und Steckern ausgestattet werden, so dass die in miteinander zu verbindenden Strukturbauteilen angeordneten Sensorhohlräume 4 beim Zusammenbau der Strukturbauteile kombiniert werden können. Andererseits sind auch endseitig angeordnete und von außen zugängliche Buchsen zum Verbinden mit Leitungen mit entsprechenden Steckern vorteilhaft.
-
Besteht die Notwendigkeit der Reparatur eines Strukturbauteils und der nachträglichen Wiederherstellung der Sensorfunktion eines Sensorhohlraums 4, kann eine in 3 gezeigte Methode dafür verwendet werden. Dies ist besonders dann angebracht, wenn das beschädigte Strukturbauteil nicht ausgetauscht werden muss und eine Reparatur zur Wiederherstellung bzw. zum sicheren Weiterbetrieb ausreicht. Im erneut exemplarisch ausgewählten Stringer 2 befindet sich beispielsweise ein Riss 24, wie in 3 dargestellt. Der Riss 24 hat den ursprünglichen oberen Sensorhohlraum 4 durchtrennt, wodurch sich diese pneumatisch mit der Umgebung des Stringers 2 verbunden hat. Ein Vakuum könnte in diesem Sensorhohlraum 4 nicht mehr aufrechterhalten werden. Zur Wiederherstellung der Sensorfunktionen müssen die in den beiden verbliebenen Abschnitten 26 und 28 liegenden Sensorhohlräume 4 wieder miteinander verbunden werden. Hierzu wird vorgeschlagen, beispielsweise beiderseitig des Risses 24 jeweils eine Durchgangsbohrung 30 unterhalb der Kante 8 zu bohren. In diese Löcher 30, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die ursprünglichen Sensorhohlräume 4, werden Verschlussstopfen 32 gesetzt, die die verbliebenen Bohrungsabschnitte 26 und 28 zum Riss 24 hin abdichten. Ähnlich wie in 2 bereits gezeigt, werden nun Anschlussstücke 22 unterhalb der Kante 8 und auf der Randfläche 14 eingebracht, die sich von der dem Riss 24 abgewandten Seite der Verschlussstopfen 32 befinden. Die in x-Richtung sich gegenüberliegenden Anschlussstopfen 22 werden durch Überbrückungsleitungen 34 miteinander oder mit anderen Oberflächensensoren zur Überwachung des Reparaturbauteils verbunden. Der Riss 24 kann durch herkömmliche Mittel ausgebessert werden, beispielsweise mit einem genieteten Doppler. Die Funktion der Sensoren 4 des beschädigten Stringers 2 ist wiederhergestellt.
-
Zum Verbessern der Fähigkeit, den Defekt einer zu überwachenden Struktur zu lokalisieren, sowie zum Berücksichtigen der Zugänglichkeit zu den überwachten Strukturbauteilen mittels Anschlussstücken 22 kann eine Segmentierung einzelner Strukturbauteile und/oder Strukturbereiche sinnvoll sein. Die Schadenserkennung mit dem erfindungsgemäßen System kann nur zwischen intaktem Sensorhohlraum 4 und beschädigtem Sensorhohlraum 4 unterscheiden. Die Segmentierung ist dahingehend durchzuführen, dass hinsichtlich des Messaufwands eine geringstmögliche Anzahl von Sensorhohlräumen 4 überwacht wird, jedoch zur Bereitstellung einer zumindest groben Lokalisierung von Fehlern in der Struktur eine bestimmte Dichte von überwachten Sensorhohlräume 4 nicht unterschritten wird.
-
Anhand des Beispiels eines Flugzeugrumpfs, wie er in 4 im Querschnitt gezeigt wird, wird die Segmentierung näher erläutert. Der Flugzeugrumpf weist mehrere Spante 36 auf die beispielhaft jeweils aus vier Segmenten 38, 40, 42 und 44 zusammengesetzt sind. Jedes dieser Segmente 38–44 weist eine oder mehrere Sensorhohlräume 4 auf. Zum Bereitstellen der höchstmöglichen Genauigkeit beim Lokalisieren von auftretenden Schäden wird jedes der Segmente 38–44 einzeln überwacht. Der Ausfall eines einzelnen Segments ist demnach detektierbar, wodurch ein Defekt am Spant 36 – wenn auch grob – lokalisiert werden kann. Treten beispielsweise Fehler am Segment 38 oder Segment 44 auf, kann durch Entnahme der betreffenden Kabinenverkleidung der Spant 36 relativ leicht zugänglich gemacht und repariert werden. Zum Verringern des Aufwands ist jedoch auch denkbar, die mehreren Segmente 38–44 eines Spants 36 als Ganzes zu überwachen und die betreffenden Sensorhohlräume 4 ähnlich wie in 3 dargestellt pneumatisch miteinander zu verbinden.
-
Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Systems in einem Passagierflugzeug bietet es sich an, einen Spant 36 in zwei Segmente zu unterteilen. Mit dem ersten Sensorsegment, der eine Zusammenfassung der in 4 gezeigten Segmente 38 und 44 ist, kann der Spant 36 oberhalb eines Kabinenfußbodens überwacht werden, mit dem zweiten Segment, das eine Zusammenfassung der Segmente 40 und 42 darstellt, unterhalb des Kabinenfußbodens. Dies führt im Vergleich zu der Zusammenfassung aller Segmente 38–44 zu einem verringerten Wartungsaufwand, denn es muss entweder nur die Seitenverkleidung in der Passagierkabine oder die Verkleidung bzw. Spantisolierung im Frachtraum gelöst werden, um den Fehler im Spant 36 zu lokalisieren und zu reparieren. Gleichzeitig wird vor dem Hintergrund der Anzahl von Spanten in einem größeren Passagierflugzeug der Messaufwand auf einem relativ niedrigen Niveau gehalten.
-
In 5 wird exemplarisch die Stoßstelle zwischen zwei mit einem geschraubten oder genieteten plattenförmigen Verbindungselement 46 verbundenen Segmenten 38 und 44 eines Spants 36 gezeigt. Die Bohrungen 6 der Segmente 38 und 44 sind mit jeweils einem Anschlussstück 22 nahe an der Stoßstelle ausgerüstet. Die beiden benachbarten bzw. gegenüberliegenden Anschlussstücke 22 sind durch eine Überbrückungsleitung 48 miteinander oder mit einem Oberflächensensor zur Überwachung des Verbindungselementes 46 verbunden. Die zu der Stoßstelle gewandten Enden der Sensorhohlräume 4 sind durch einen Löt- oder Schweißpunkt oder dergleichen verschlossen, so dass ein Ansaugen von Luft aus der Umgebung des Spants 36 verhindert wird. Ebenfalls möglich wären Verschlussstopfen in der Nähe der Enden der Sensorhohlräume 4 statt Löt- oder Schweißpunkten.
-
Wie in 6 schematisch dargestellt, sind beim erfindungsgemäßen System zum Detektieren eines Defekts die Sensorhohlräume 4 mit Druckaufnehmern 50 (oder im folgenden auch gleichermaßen Luftvolumenstromsensoren) verbunden, die abhängig von ihrer Bauart ein dem ermittelten Druck entsprechendes, spezifisches elektrisches Signal 52 ausgeben. Die Druckaufnehmer 50 sind mit einem Gerät – etwa eine Recheneinheit 54 – zum Aufnehmen und/oder Verarbeiten von Sensorikdaten verbunden und lesen das Signal 52 der Druckaufnehmer aus. Die Recheneinheit 54 verfügt bei analogen Signalen 52 zusätzlich über Einrichtungen 56 zum Umwandeln der Signale 52 in für eine Recheneinheit verarbeitbare digitale Daten 58. Bei Verwendung von Druckaufnehmern 50, die bereits digitale Daten 58 von sich aus bereitstellen, sind solche Einrichtungen 56 nicht notwendig. Um zu ermitteln, ob der zu den digitalen Daten 58 gehörige Sensorhohlraum 4 intakt oder defekt ist, werden die digitalen Daten 58 von der Recheneinheit mit einem von den Umgebungsbedingungen abhängigen Schwellwert verglichen und entsprechend interpretiert. Ein Defekt in einem Strukturbauteil verursacht gemäß vorangehender Beschreibung einen zu hohen Druck bzw. einen Luftvolumenstrom in einem durch den Defekt betroffenen Sensorhohlraum 4. Der Druckaufnehmer bzw. Luftvolumenstromsensor 50 misst den Druck bzw. den Luftvolumenstrom und stellt diese Größe als analoges Signal 52 oder digitale Daten 58 der Recheneinheit 54 bereit. Die Recheneinheit 54 vergleicht den in digitale Daten 58 umgewandelten Wert mit einem festgelegten Schwellwert und interpretiert den Sensorhohlraum 4 als defekt, falls der Schwellwert überschritten wird. Falls ein Strukturbauteil mehrere Sensorhohlräume 4 enthält, kann die Recheneinheit bei Kenntnis der Druckwerte aller Sensorhohlräume 4 feststellen, an welchen Stellen des Querschnitts des Strukturbauteils ein Defekt besteht.
-
Die entsprechend interpretierten Druckwerte werden von der Recheneinheit 54 beispielsweise als Schadensdaten 60 gespeichert und/oder an ein Anzeigegerät 62 zum Informieren des Benutzers übermittelt. Aus der Gesamtheit der Schadensdaten 62 einer überwachten Struktur kann ferner ein Wartungs- bzw. Reparaturplan für die Struktur erstellt werden.
-
Spielt das Gewicht des erfindungsgemäßen Systems eine entscheidende Rolle – beispielsweise bei der Überwachung einer Flugzeugstruktur – werden die Komponenten Druck-/Luftvolumenstromaufnehmer 50, Recheneinheit 54, Anzeigegerät 62 und eine Vakuumpumpe 64 zum Evakuieren der Sensorhohlräume 4 bevorzugt nicht fest an die zu überwachende Struktur gekoppelt. Das integrieren dieser Komponenten in ein oder mehrere leicht tragbare mobile Überwachungsgeräte 66 zur Verwendung in vorgeschriebenen Wartungsintervallen ist dann besonders sinnvoll. Wartungspersonal kann während der Wartung das mobile Überwachungsgerät 66 an die Anschlussstücke 22 bzw. die Leitungen 18 in den überwachten Strukturbauteilen anschließen, die zugehörigen Sensorhohlräume 4 evakuieren und gleichzeitig den Druck in den Sensorhohlräume 4 erfassen. Entsprechend delektierte Fehler werden als Schadensdaten 60 gespeichert und/oder auf dem Anzeigegerät angezeigt. Sind alle Sensorhohlräume 4 vermessen worden. können die erfassten Schadensdaten 60 zusammengefasst werden und zum Erstellen eines Reparaturplans dienen.
-
Bevorzugt werden alle genannten Komponenten an ein einzelnes Anschlussstück 22 eines jeweiligen Sensorhohlraums 4 angeschlossen, so dass lediglich eine Leitung 18 vom mobilen Überwachungsgerät 66 zu dem jeweiligen Sensorhohlraum 4 notwendig ist. Das Anschliessen der Vakuumpumpe 64 an ein separates Ende – getrennt von der Einrichtung 50 zum Erfassen des Drucks oder Luftvolumenstroms – des jeweiligen Sensorhohlraums 4 kann in bestimmten Fällen jedoch auch vorteilhaft sein.
-
Schließlich wird das erfindungsgemäße Verfahren in 7 schematisch dargestellt, die in 7 verwendeten Nummerierungen der Verfahrensschritte sind im Folgenden in Klammern angegeben. Zunächst wird ein Ende des Luftkanals 4 mit der Vakuumquelle 64 (Schritt 68) und mit dem Luftstromsensor bzw. Druckaufnehmer verbunden (Schritt 70). Alternativ dazu kämmen zwei getrennte Enden des Luftkanals 4 verwendet werden, wenn sich die Messung auf den Luftdruck beschränkt. Nach Evakuieren des Luftkanals 4 (Schritt 72) erfolgt die Messung des Luftvolumenstroms und/oder des Luftdrucks im Luftkanal 4 (Schritt 74). Eine Recheneinheit 54 wird zum Erfassen und Verarbeiten der den Volumenstrom bzw. Luftdruck repräsentierenden Sensordaten verwendet, so dass in einem weiteren Schritt der ermittelte Luftvolumenstrom und/oder Luftdruck mit einem Schwellwert verglichen werden kann (Schritt 78). Falls der Schwellwert überschritten wird und demnach ein Defekt durch den betreffenden Luftkanal 4 detektiert wird, werden Schadensdaten erzeugt (Schritt 80). Die Schadensdaten können zur weiteren Verwendung gespeichert werden (Schritt 82).
-
Mit dem erfindungsgemäßen System und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Überwachen der Integrität einer Struktur oder eines Strukturbauteils wird eine robuste und zuverlässige Überwachung einer Struktur ermöglicht. Die eingesetzten Sensoren, die durch Luftkanäle in Strukturbauteilen gebildet werden, sind unempfindlich gegen äußere Einflüsse und haben eine hohe Lebensdauer, die der Lebensdauer der zu überwachenden Teile entspricht. Die Erfindung wird besonders anhand des Beispiels von Flugzeugstrukturbauteilen beschrieben, kann jedoch auch in allen anderen Gebieten eingesetzt werden, in denen tragende Strukturen stetig dynamischen und statischen Belastungen ausgesetzt werden.
