DE102008005672A1

DE102008005672A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erfassen von Strukturveränderungen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102008005672A1
Application number: DE200810005672
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Becker; Jordi Sabater; Peter Sollberger
Original assignee: HOCHSCHULE LUZERN; EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-24
Also published as: WO2009092582A1; DE102008005672B4; DE102008005672B9

Abstract

Eine Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements ist im Hinblick auf das Ermöglichen einer Erfassung von Strukturveränderungen bei laufendem Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen derart ausgebildet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfass2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) erfassbar ist. Ferner wird ein entsprechendes Verfahren bei laufendem Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Strukturveränderungen an einem Bauteil mittels mindestens eines Erfassungselements. Die Erfindung betrifft des weiteren ein entsprechendes Verfahren zum Erfassen von Strukturveränderungen an einem Bauteil mittels mindestens eines Erfassungselements.
Vorrichtungen und Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen werden insbesondere im Bereich der Überwachung mechanischer Bauteile oder Komponenten eingesetzt, um Veränderungen an der Struktur von Bauteilen zu erfassen. Solche Veränderungen an der Struktur von Bauteilen deuten auf Verschleißerscheinungen hin, z. B. Dehnungen, Rissbildungen oder andere Schäden, welche durch mechanische Belastungen hervorgerufen werden. Diese Verschleißerscheinungen können zur teilweisen oder vollständigen Zerstörung des Bauteils führen, beispielsweise durch Bruch.
Derzeit werden solche Strukturveränderungen an einem Bauteil durch Erfassungselemente detektiert. Als Erfassungselemente werden beispielsweise Dehnmessstreifen oder Fasergittersensoren eingesetzt. Mit dieser Art von Erfassungselementen ist eine Echtzeitüberwachung eines Bauteils möglich. Jedoch ist die Verbindung der Erfassungselemente mit dem Bauteil, beispielsweise durch Klebung, und die Energieversorgung des Erfassungselementen problematisch, da dadurch der Einsatz dieser Erfassungsgeräte lediglich auf sehr limitierte Messumgebungen beschränkt ist. Ferner ist bei Strukturbauteilen von Luftfahrzeugen mit dem Aufbringen von Sensoren häufig ein aerodynamischer Störeffekt verbunden. Des weiteren sind NDT/NDI-Verfahren (Non Destructive Testing/Non Destructive Inspection) zur Erfassung von Strukturveränderungen bekannt. Diese Verfahren sind jedoch nicht während des Einsatzes des Bauteils einsetzbar, da sie keine Erfassung der entsprechenden Daten während des laufenden Betriebs ermöglichen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei denen eine Erfassung von Strukturveränderungen bei laufenden Betrieb in einer Vielzahl von Messumgebungen ermöglich ist.
Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist die in Rede stehende Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen derart ausgestaltet und weitergebildet, dass am Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte am Bauteil erfassbar ist.
Des weiteren wird die voranstehende Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Danach ist das in Rede stehende Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen derart ausgestaltet und weitergebildet, dass am Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte am Bauteil erfasst wird.
In erfindungsgemäßer Weise ist zunächst erkannt worden, dass in Abkehr zu der bisherigen Praxis eine Verbesserung der Einsetzbarkeit von Erfassungselementen nicht allein dadurch erreicht wird, dass bekannten Erfassungselemente modifiziert werden. Zwar können durch eine Verbesserung von beispielsweise der Klebetechnik oder eine Minimierung der benötigten Energie Verbessungen der Einsetzbarkeit der Erfassungselemente erreicht werden, jedoch ist mit derartigen Maßnahmen eine generelle Verbreiterung der Einsatzumgebungen kaum möglich. Erfindungsgemäß ist daher erkannt worden, dass die Veränderung der Strukturveränderung als eine direkte Erfassung der Veränderungen der räumliche Lage von Teilen der Struktur erfassbar ist.
Dies ist auf überraschend einfache und in technischer Hinsicht besonders raffinierte Weise dadurch erreicht, dass dem Bauteil mindestens zwei Sensorpunkte zugeordnet sind. Über die Veränderung der räumlichen Beziehung der Sensorpunkte zueinander und/oder zu/-m Erfassungselement/-en lassen sich Rückschlüsse auf die Veränderung der Struktur des Bauteils ziehen. Hierzu können die Anordnung und Anzahl der Sensorpunkte auf die Art der Oberfläche des Bauteils abgestimmt werden. Je nach Bauteil und/oder Einsatz könnten die Sensorpunkte gleichförmig oder unregelmäßig auf dem Bauteil angeordnet sein. Die Lage und/oder die Lagebeziehung der Sensorpunkte zueinander und/oder zu/-m Erfassungselement/-en könnten vorzugsweise bei der Inbetriebnahme des Bauteils oder beim Einfügen der Sensorpunkte erfasst und/oder kalibriert und/oder gespeichert werden. Hierzu könnten entsprechend der Form des Bauteils geeignete Koordinatensysteme gewählt werden. Mittels einer solchen Kalibrierung könnte ein Modell gebildet werden, das als Grundlage der Erfassung der Veränderung der räumlichen Lage der Sensorpunkte dienen könnte. Hierzu könnte räumliche Anordnung der Sensorpunkte im Modell zum Zeitpunkt der Kalibrierung mit der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte bei einem späteren Betriebspunkt abgeglichen werden.
Da die Sensorpunkte in vorteilhafter Weise fest mit der Struktur des Bauteils verbunden sein können, bedeutet eine Veränderung der räumlichen Anordnung der Sensorpunkte zueinander und/oder in Bezug zu einem oder mehreren Erfassungselement/-en eine Veränderung der Struktur des Bauteils. Eine solche Veränderung kann beispielsweise eine Dehnung, eine Rissbildung aber auch eine Stauchung also Überlastungen allgemein der Oberfläche oder des Bauteils selbst sein. Besonders unter Berücksichtigung der Veränderung der Position und/oder der Information, welche Sensorpunkte betroffen sind, sind die Strukturveränderungen im Bauteil gut lokalisierbar. Es könnten zusätzlich oder alternativ zur räumlichen Lage der Sensorpunkte weitere Parameter zur Strukturveränderungen herangezogen werden. Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dem gemäß eine Überwachung des Bauteils ohne den Einsatz von Sensoren im klassischen Sinn.
Im Hinblick auf eine besonders bevorzugte Ausgestaltung könnte die räumliche Lage der Sensorpunkte mittels des Erfassungselements periodisch erfassbar sein. Eine solche periodische Erfassung würde es je nach Wahl der Abtastzeit ermöglichen, eine Veränderungen der Struktur während des laufenden Betriebs zeitnah zu erfassen. Hierdurch könnte die Betriebssicherheit des Bauteils gewährleistet werden, da die Strukturveränderungen schon beim Auftreten der Veränderungen erfasst, ausgewertet werden und gegebenenfalls Gegenmaßnahmen getroffen werden können. Zusätzlich oder alternativ könnte die räumliche Lage der Sensorpunkte auf beispielsweise manuellen Abruf oder in unregelmäßigen Abständen erfassbar sein. Insbesondere ein manueller Abruf würde eine besondere Flexibilität bedeuten.
Im Rahmen einer einfachen Ausgestaltung könnte das Erfassungselement im Sensorpunkt integriert sein. Hierdurch könnte ein autonomes System von Sensorpunkten geschaffen werden. Die Sensorpunkte könnten hierbei derart auf der Oberfläche angeordnet sind, dass die Oberfläche im hinreichenden Maße auf Überlastungen in jedwede Richtung überwacht werden könnte. Zwischen den einzelnen Sensorpunkten könnten in besonders vorteilhafter Weise in verschiedenen Variationen Kommunikationskanäle ausgebildet sein, über die Informationen zwischen Sensorpunkten ausgetauscht werden könnten. Die Sensorpunkte würden dann jeweils die räumliche Lage der jeweils anderen Sensorpunkte überwachen und Veränderungen detektieren.
In besonders vorteilhafter Weise könnte das Erfassungselement mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfassen. Die Frequenz dieses Hochfrequenzsenders und -empfängers könnte in vorteilhafter Weise aus dem ISM-Band – Industrial Scientific and Medical Band – ausgewählt sein. In weiter vorteilhafter Weise könnte die Frequenz und die Modulationsart des zwischen dem Hochfrequenzsender und -empfänger übermittelten Signals an den gewählten Kommunikationsstandart angepasst sein. Es könnten jedoch auch andere Frequenzbereiche als Hochfrequenz gewählt werden.
Zusätzlich oder alternativ könnte der Sensorpunkt mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfassen. Die Frequenz dieses Hochfrequenzsenders und -empfängers könnte in vorteilhafter Weise aus dem ISM-Band – Industrial Scientific and Medical Band – ausgewählt sein. In weiter vorteilhafter Weise könnte die Hochfrequenz und die Modulationsart des zwischen dem Hochfrequenzsender und -empfänger übermittelten Signals an den gewählten Kommunikationsstandart angepasst sein. Es könnten jedoch auch andere Frequenzbereiche als Hochfrequenz gewählt werden. In Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz und/oder den erwarteten Überlastungserscheinungen könnten die Sensorpunkte in einer Distanz von mehreren Zentimetern bis zu mehreren Dezimetern angeordnet sein. Es wäre jedoch auch jedweder anderer Abstand möglich. Im Hinblick auf eine besonders einfache Ausgestaltung könnte die Distanz zwischen mindestens zwei Sensorpunkten und/oder dem Erfassungselement erfassbar sein. Die Distanzmessung könnte somit alleinig zwischen den Sensorpunkten oder alleinig zwischen den Sensorpunkten und dem Erfassungselement oder sowohl zwischen den Sensorpunkten und dem Erfassungselement erfolgen. Hierbei könnten unterschiedliche Verfahren zur Distanzmessung verwendet werden. Beispielsweise könnte die Signaldämpfung, welche durch das Fortschreiten der Signalwelle entsteht, auf Basis des mit den Kalibrierungsdaten erstellten Modells berechnet werden. Dann könnte basierend auf der Signalstärke des empfangenden Signals – Received Signal Strength (RSS) – ein Vergleich mit den Kalibrierungsdaten erfolgen und die Änderungen der Dämpfung errechnet werden. Durch die Änderung der Struktur durch eine Überlastung ändert/ändern sich auch der oder die Kommunikationskanäle und deren entsprechende Dämpfung. Diese Änderung können detektiert werden, wodurch Rückschlüsse auf die Strukturänderungen gezogen werden können.
Ein weiteres Verfahren zur zuverlässigen Messung könnte in der Zeitdomäne durch die Verwendung des Two-Way-Ranging(TWT)-Verfahrens erfolgen, wobei die Time-of-Flight (ToF) der Kommunikationsnachrichten gemessen wird. Wenn mehr als eine Empfangsantenne verwendet wird, können Änderungen in der Position des Senders detektiert werden, auch wenn die ToF gleich bleibt, da sich die Phase des Signals in den Antennen verändert. Dieses Verfahren ist als Angle-of-Arrival (AoA) bekannt. Zur wiederum genaueren Messung könnte das Time-Differences-of-Arrival-(TDoA)-Verfahren verwendet werden. Mittels dieser Verfahren könnten somit auf besonders einfache Weise die Größe und/oder die Position der Überlastung erfasst werden.
In besonders bevorzugter Weise könnte durch die Sensorpunkte und/oder das Erfassungselement ein Wireless Network, beispielsweise ein WLAN – Wireless Lokal Area Network – gebildet sein. Die Sensorpunkte und/oder das Erfassungselement könnten somit als Wireless-Knoten ausgebildet sein. Hierdurch wäre eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung und Kommunikation zwischen den Sensorpunkte und/oder dem Erfassungselement möglich. Zudem wäre die Erfassung der räumlichen Lage der Sensorpunkte mittels bekannter Techniken, beispielsweise der Ortung von Mobiltelefonen, ermöglicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit den entsprechenden Verfahrensschritten, die sich aus dem Betreiben der obig beschriebenen Vorrichtung ergeben, ergänzt werden.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturänderungen zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturänderungen anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
1a in einer schematischen Ansicht, ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bei intakter Oberfläche, wobei das Bauteil als Flugzeugrumpf ausgestaltet ist,
1b ein entsprechende Koordinatensystem zur Modellbildung des Aufführungsbeispiels der 1a,
2a in einer schematischen Ansicht, das Ausführungsbeispiel der 1 bei überlasteter Oberfläche, wobei das Bauteil als Flugzeugrumpf ausgestaltet ist, und
2b ein entsprechende Koordinatensystem zur Modellbildung des Aufführungsbeispiels der 2a.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen ist in 1a gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Bauteil als Flugzeugrumpf 1 ausgestaltet, wobei Erfassungselemente vorgesehen sind.
Erfindungsgemäß sind am Flugzeugrumpf 1 eine Vielzahl von Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' angeordnet. Mittels des Erfassungselements ist die räumliche Lage der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' am Flugzeugrumpf 1 erfassbar, wobei in diesem Ausführungsbeispiel die Erfassungselemente in den Sensorpunkt 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' integriert sind und somit das Erfassungselement und der Sensorpunkt eine Einheit bildet.
Die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' sind im Bezug auf Position und Anzahl derart am Flugzeugrumpf 1 angeordnet, dass relevante Strukturveränderungen A erfassbar sind. Hierzu wird zunächst eine Kalibrierung der Vorrichtung im Grundzustand vorgenommen, in der noch keine Überlastungen am Flugzeugrumpf 1 aufgetreten ist und der Flugzeugrumpf 1 demnach intakt ist. Aufgrund der Form des Flugzeugrumpfs 1 wird zur Erfassung der räumlichen Position ein zylindrisches Koordinatensystem r, θ, z verwendet. Dieses ist in 1b und 2b gezeigt.
Mittels der durch die Kalibrierung erhaltenden Daten wird ein Modell gewonnen, das als Referenz für die während des Betriebs gewonnen Daten dient.
Während des Flugs wird die räumliche Lage der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' periodisch erfasst, um möglicherweise auftretende Überlastungserscheinungen möglichst zeitnah zu erfassen. Hierzu umfassen die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' einen Hochfrequenzsender und -empfänger, einen Prozessor, der als Mikroprozessor ausgestaltet ist, und ein Leistungsmodul. Die Kommunikationskanäle zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' sind als Strichverbindungen dargestellt.
Um eine in 2a gezeigte Strukturveränderung A im Flugzeugrumpf 1 zu erfassen, wird die Distanz zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' mittels des AoA-Verfahrens erfasst. Hierzu wird durch die veränderte Phase des zwischen den Sensorpunkten 2a, 2b, 2c, 2d, 2e an die Empfängerantennen übermittelten Signals die veränderte Position der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e ermittelt, wodurch die Strukturveränderung A detektiert wird und die Position und Größe ermittelt werden kann.
Die Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' bilden in diesem Ausführungsbeispiel ein Wireless Network, so dass ein Online-Monitoring durch die Kommunikationseinheit des Flugzeugs erfolgt.
Die in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Vorrichtung wird mittels eines ebenfalls erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Strukturveränderungen A an einem Bauteil 1 mittels mindestens eines Erfassungselements betrieben, wobei am Bauteil 1 mindestens zwei Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' angeordnet sind und das mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2' am Bauteil 1 erfasst wird.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die allgemeine Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') mittels des Erfassungselements periodisch erfassbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement im Sensorpunkt (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassungselement mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorpunkt (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') mindestens einen Hochfrequenzsender und/oder Hochfrequenzempfänger und/oder einen Prozessor und/oder ein Leistungsmodul umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Distanz zwischen mindestens zwei Sensorpunkten (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') und/oder dem Erfassungselement erfassbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') und/oder das Erfassungselement ein Wireless Network, beispielsweise ein WLAN – Wireless Lokal Area Network – oder ein Bordkommunikationsnetz eines Luftfahrzeugs bilden.
Verfahren zur Erfassung von Strukturveränderungen (A) an einem Bauteil (1) mittels mindestens eines Erfassungselements, dadurch gekennzeichnet, dass am Bauteil (1) mindestens zwei Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') angeordnet sind und dass mittels des Erfassungselements die räumliche Lage der Sensorpunkte (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2') am Bauteil (1) erfasst wird.