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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messanordnung zum zerstörungsfreien
Detektieren von Beschichtungsfehlern bei einer elektrisch leitfähigen Substratschicht,
die mit mindestens einer elektrisch isolierenden Deckschicht beschichtet
ist.
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Elektrisch
leitfähige
Substratschichten, die beispielsweise aus Metall oder aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
bestehen, werden mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht beschichtet,
um sie beispielsweise gegen Korrosion zu schützen. Die Deckschicht bildet
dabei einen passiven Korrosionsschutz, der verhindert, dass korrosionsfördernde Stoffe
bis zu der Substratschicht gelangen und dort chemische oder elektrochemische
Reaktionen bewirken. Die elektrisch isolierende Deckschicht kann
unterschiedliche Defekte aufweisen, beispielsweise Poren, Risse,
Blasen oder dergleichen. Bleiben diese Beschichtungsdefekte unentdeckt,
kann das darunterliegende elektrisch leitfähige Substrat korrodieren. Sofern
es sich um nichtmetallische Substrate handelt, treten dort elektrochemimsche
Reaktionen auf, die im Kontaktfall mit unedleren Metallen Kontaktkorrosion
auslösen
können.
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Es
werden daher induktive und kapazitive Messverfahren eingesetzt,
die darauf beruhen, dass mit einem steigenden Abstand des Messkopfes
dessen Induktivität
bzw. dessen Kapazität
verändert wird.
Diese Induktivität-
bzw. Kapazitätänderung
wird anschließend
in einen Abstand- bzw. Schichtdickenwert umgerechnet. Zur Erfassung
bzw. Detektion von kleineren Defekten an der Oberfläche der
Beschichtung bzw. der Deckschicht sind derartige herkömmliche
induktive und kapazitive Verfahren allerdings nicht geeignet, selbst
wenn man einen hinreichend kleinen Detektor bzw. Messkopf einsetzt.
Die bei diesen herkömmlichen
Messverfahren eingesetzten Detektorköpfe haben den Nachteil, dass
sie auf der Deckschicht plan anliegen müssen und bereits ein sehr geringes
Verkippen des Messkopfes zu einer drastischen Signaländerung
führt.
Daher sind diese bekannten induktiven und kapazitiven Messverfahren,
selbst wenn sie miniaturisierte Detektorköpfe, beispielsweise mit einer
Größe von ca.
100 μm einsetzen,
nicht anwendbar, um Defekte beispielsweise in der Größenordnung
von einigen Mikrometern zu erfassen.
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Ein
weiteres herkömmliches
Verfahren zur Messung von Schichtdicken verwendet zur Prüfung von
Deckschichten eine Hochspannung. An einer beschädigten Stelle bzw. an einem
Defekt kommt es aufgrund der angelegten Hochspannung zu einem Funkendurchschlag.
Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, dass die elektrisch
leitfähige
Substratschicht beim Anlegen der Hochspannung an die Hochspannungsquelle
elektrisch leitend angeschlossen werden muss. Ein weiterer Nachteil
dieses herkömmlichen
Messverfahrens besteht darin, dass es nicht zerstörungsfrei
arbeitet. Falls in der elektrisch isolierenden Deckschicht eine
Schwachstelle bzw. ein Defekt vorliegt, wird dieser Defekt aufgrund
der Messung noch verstärkt
bzw. die auszumessende isolierende Deckschicht völlig durchbrochen.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
und eine Messanordnung zu schaffen, die es erlauben, selbst kleinste
Beschichtungsfehler in sicherer und zuverlässiger Weise zerstörungsfrei
zu detektieren.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die
Erfindung schafft ein Verfahren zum zerstörungsfreien Detektieren von
Beschichtungsfehlern bei einer elektrisch leitfähigen Substratschicht, die mit
mindestens einer elektrisch isolierenden Deckschicht beschichtet
ist, mit den Schritten:
- a) Einkoppeln eines
Einkoppelsignals in die Substratschicht;
- b) Auskoppeln eines Messsignals aus der Substratschicht über die
Deckschicht; und
- c) Detektieren eines Beschichtungsfehlers, wenn eine Signalparameteränderung
eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals einen einstellbaren
Schwellenwert überschreitet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
arbeitet zerstörungsfrei,
d. h. an einer vorhandenen Schwachstelle der elektrisch isolierenden
Deckschicht bzw. an einem Defekt der Deckschicht wird dieser Beschichtungsfehler
nicht zusätzlich
vergrößert. Dies
bedeutet auch, dass ein unterkritischer Beschichtungsfehler aufgrund
der Messung nicht in einen kritischen Beschichtungsfehler verwandelt
wird.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Messverfahrens besteht
darin, dass kein direkter Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Substratschicht benötigt wird.
Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn die Beschichtung bzw. die
elektrisch isolierende Deckschicht das zu messende Bauteil vollständig umschließt, so dass
eine direkte Kontaktierung der elektrisch leitfähigen Substratschicht nur nach
einer mechanischen Beschädigung
der Deckschicht möglich
ist. Diese mechanische Beschädigung
wäre dann anschließend zu
reparieren.
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Das
erfindungsgemäße Messverfahren
ermöglicht
ein Einkoppeln eines Einkoppelsignals durch die Deckschicht bzw.
die Beschichtung hindurch und daher kann das Einkoppelsignal an
ei ner beliebigen Stelle des Bauteils appliziert werden, ohne die
Beschichtung bzw. die Deckschicht zu beeinträchtigen.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Messsignal mittels flexibler und elektrisch leitfähiger Borsten
ausgekoppelt, die über
die Oberfläche
der isolierenden Deckschicht geführt
werden.
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Dabei
werden die flexiblen, elektrisch leitfähigen Borsten vorzugsweise
mit einer elektrolytischen Flüssigkeit
bzw. einem Hilfselektrolyten befeuchtet.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Einkoppelsignal kapazitiv oder induktiv in die elektrisch
leitfähige
Substratschicht eingekoppelt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Einkoppelsignal durch ein gepulstes Gleichspannungssignal
gebildet.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das Einkoppelsignal durch ein Wechselspannungssignal mit einstellbarer
Frequenz gebildet.
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Bei
diesem Wechselspannungssignal handelt es sich beispielsweise um
ein sinusförmiges Wechselspannungssignal
mit einstellbarer Signalfrequenz.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die Koordinaten eines erfassten Beschichtungsfehlers erfasst.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Art eines Beschichtungsfehlers ermittelt.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird erfasst, ob der Beschichtungsfehler durch ein Loch, das durchgehend
bis hin zur Substratschicht reicht, durch ein Loch in der Deckschicht,
das nicht durchgehend bis zur Substratschicht reicht, oder durch
eine Erhebung der Deckschicht gebildet wird.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird in Abhängigkeit von
der erkannten Art des Beschichtungsfehlers der jeweilige Beschichtungsfehler
anschließend
automatisch repariert.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird zur Reparatur ein erkanntes Loch in der Deckschicht aufgefüllt und
eine erkannte Erhebung in der Deckschicht abgetragen.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
handelt es sich bei der elektrolytischen Flüssigkeit um deionisiertes Wasser.
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Deionisiertes
Wasser hat den Vorteil, dass es einerseits noch eine genügend hohe
Leitfähigkeit aufweist
und andererseits nach einem Verdunsten keine sichtbaren Rückstände auf
der Deckschicht- bzw. der Beschichtung hinterlässt.
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Ein
weiterer Vorteil der Verwendung von deionisiertem Wasser als elektrolytische
Flüssigkeit bzw.
als Hilfselektrolyt besteht darin, dass destilliertes Wasser durch
Wartungstechniker in einfacher Weise benutzt werden kann und ferner
keinerlei Gesundheitsrisiken für
Wartungstechniker birgt.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden die elektrisch leitfähigen,
flexiblen Borsten an einer Bürste angebracht,
die über
eine Oberfläche
der elektrisch isolierenden Deckschicht gestrichen wird.
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Bei
einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
bestehen die elektrisch leitfähigen,
flexiblen Borsten aus elektrisch leitfähigen Polymeren, aus Metallfasern
oder aus Naturborsten, wobei die Naturborsten durch den Hilfselektrolyten,
beispielsweise durch deionisertes Wasser, ihre Leitfähigkeit
erhalten.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird ein zeitlicher Amplitudenverlauf des ausgekoppelten Messsignals erfasst
und ein Beschichtungsfehler dann erkannt, wenn eine Amplitudenänderung
einen einstellbaren Amplitudenschwellenwert überschreitet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung des ausgekoppelten
Messsignals erfasst und ein Beschichtungsfehler dann erkannt, wenn
eine Phasenänderung
einen einstellbaren Phasenschwellenwert überschreitet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird eine Lade- und/oder Entladezeit eines RC-Gliedes mit einem Kondensator,
dessen Kapazität
von der Schichtdicke der Deckschicht beeinflusst wird, erfasst und
ein Beschichtungsfehler wird dann erkannt, wenn eine Lade- und/oder
Entladezeitänderung
einen einstellbaren Zeitdauer-Schwellenwert überschreitet.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist die elektrisch leitfähige
Substratschicht einen kohlefaserverstärkten Kunststoff, Metall oder
ein Halbleitermaterial auf.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist die elektrisch isolierende Deckschicht einen Schutzlack auf.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden in Abhängigkeit
von einer Signalparameterände rung
eine Dicke der Deckschicht und eine Größe eines Beschichtungsfehlers
berechnet.
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Die
Erfindung schafft ferner eine Messanordnung zur zerstörungsfreien
Detektion von Beschichtungsfehlern bei einer elektrisch leitfähigen Substratschicht,
die mit mindestens einer elektrisch isolierenden Deckschicht beschichtet
ist, mit:
- a) einer Signal-Einkoppeleinrichtung
zum Einkoppeln eines Einkoppelsignals in die Substratschicht;
- b) einer Signal-Auskoppeleinrichtung zum Auskoppeln eines Messsignals
aus der Substratschicht über
die Deckschicht; und
- c) einer Auswerteeinheit zum Auswerten des ausgekoppelten Messsignals,
wobei ein Beschichtungsfehler detektiert wird, wenn eine Signalparameteränderung
eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals einen einstellbaren Schwellenwert überschreitet.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
koppelt die Signaleinkoppeleinrichtung das Einkoppelsignal induktiv oder
kapazitiv in die Substratschicht ein.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
koppelt die Signalauskoppeleinrichtung das Messsignal aus der Substratschicht über die
Deckschicht induktiv oder kapazitiv aus.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist die Signalauskoppeleinrichtung flexible und elektrisch leitfähige Borsten
auf.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist die Signal-Auskoppeleinrichtung einen Vorratsbehälter zur
Aufnahme einer elektrolytischen Flüssigkeit auf, die zum Befeuchten
der Borsten vorgesehen ist.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist die elektrolytische Flüssigkeit
destilliertes Wasser oder deionisiertes Wasser auf.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist die Signalauskoppeleinrichtung einen Motor auf, der die Signalauskoppeleinrichtung über die
Oberfläche
der Deckschicht bewegt, um die Deckschicht zum Erkennen von Beschichtungsfehlern
zu scannen.
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Bei
einer Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
werden die räumlichen Koordinaten
der beweglichen Signalauskoppeleinrichtung zusammen mit den Signalparametern
des Messsignals in einem Speicher zu deren Auswertung gespeichert.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist diese einen Mikroprozessor auf.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
weist die Signaleinkoppeleinrichtung einen elektrisch leitfähigen Saugnapf,
einen leitfähigen
Schaumgummi, eine leitfähige
Rolle oder eine leitfähige
Walze auf.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung
wird die Signaleinkoppeleinrichtung zum Zwecke der Messung auf der
zu isolierenden Deckschicht oder auf der elektrisch leitfähigen Substratschicht
angebracht.
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Die
Erfindung schafft ferner ein Computerprogramm mit Programmbefehlen
zur Durchführung eines
Verfahrens zum zerstörungsfreien
Detektieren von Beschichtungsfehlern bei einer elektrisch leitfähigen Substratschicht,
die mit mindestens einer elektrisch isolierenden Deckschicht beschichtet
ist mit den Schritten:
- a) Einkoppeln eines
Einkoppelsignals in die Substratschickt;
- b) Auskoppeln eines Messsignals aus der Substratschicht über die
Deckschicht; und
- c) Detektieren eines Beschichtungsfehlers, wenn eine Signalparameteränderung
eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals einen einstellbaren
Schwellenwert überschreitet.
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Die
Erfindung schafft ferner einen Datenträger, der ein derartiges Computerprogramm
speichert.
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Die
Erfindung schafft ferner einen Datenträger, der die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen
Messergebnisse speichert.
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Im
Weiteren werden bevorzugte Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens und
der erfindungsgemäßen Messanordnung
zum störungsfreien
Detektieren von Beschichtungsfehlern unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
beschrieben.
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Es
zeigen:
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1A, 1B Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Messanordnung
zur zerstörungsfreien
Detektion von Beschichtungsfehlern;
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2 Verschiedene Arten detektierbarer Beschichtungsfehler
zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Messverfahrens;
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3 eine weitere Darstellung einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
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4 ein
weiteres Blockschaltbild zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Messanordnung;
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5 ein
Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Messanordnung;
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7 ein
einfaches Ablaufdiagram einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens
zum zerstörungsfreien
Detektieren von Beschichtungsfehlern;
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8 ein
Diagramm zur Darstellung eines beispielhaften Messergebnisses des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Wie
man in den 1A, 1B erkennen kann,
enthält
eine erfindungsgemäße Messanordnung 1 zum
zerstörungsfreien
Detektieren von Beschichtungsfehlern BF eine Signaleinkoppeleinrichtung 2 und
eine Signalauskoppeleinrichtung 3. Die Messanordnung 1 detektiert
bzw. erfasst Beschichtungsfehler bei einer elektrisch leitfähigen Substratschicht 4,
die mit mindestens einer elektrisch isolierenden Deckschicht 5 beschichtet
ist. Die elektrisch leitfähige
Substratschicht 4 kann aus einem kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff
bestehen. Bei einer alternativen Ausführungsform besteht die elektrisch leitfähige Substratschicht 4 aus
einem Metall oder aus einem Halbleitermaterial. Die elektrisch isolierende
Deckschicht 5 besteht beispielsweise aus einem Schutzlack.
Bei einer möglichen
Ausführungsform
ist dieser Schutzlack ein Korrosionsschutzlack.
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Wie
man in den 1A, 1B erkennen kann,
sind die Signaleinkoppeleinrichtung 2 zum Einkoppeln eines
Einkoppelsignals in die Substratschicht 4 und die Signalauskoppeleinrichtung 3 zum Auskoppeln
eines Messsignals aus der Substratschicht 4 an eine Einheit 6 angeschlossen,
die einerseits zur Generierung des Einkoppelsignals, andererseits
zur Auswertung des von der Signal-Auskoppeleinrichtung 3 gelieferten
Messsignals vorgesehen ist.
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Die
Signal-Einkoppeleinrichtung 2 koppelt das von der Einheit 6 generierte
Einkoppelsignal induktiv oder kapazitiv in die elektrisch leitfähige Substratschicht 4 ein.
Bei der in 1A dargestellten Ausführungsform
folgt eine kapazitive Einkoppelung in die elektrisch leitfähige Substratschicht 4 über die elektrisch
isolierende Deckschicht 5 hinweg. Bei der in 1B dargestellten
Ausführungsform
erfolgt die Einkoppelung des Einkoppelsignals hingegen direkt in
die elektrische Substratschicht 4. Die in 1A dargestellte
Ausführungsform
einer kapazitiven Einkoppelung des Einkoppelsignals über die
Deckschicht 5 hat den Vorteil, dass kein direkter Kontakt mit
der elektrisch leitfähigen
Substratschicht 4 hergestellt werden muss. Dies ist insbesondere
dann von Vorteil, wenn die elektrisch leitfähige Schicht 4 rundherum
mit einer isolierenden Deckschicht 5 umgeben ist und ein
direkter elektrischer Kontakt mit der Substratschicht 4 nicht
ohne Beschädigung
der elektrisch isolierenden Deckschicht 5 hergestellt werden
kann.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
weist die Signaleinkoppeleinrichtung 2 einen elektrisch
leitfähigen
Saugnapf auf, der wie in 1A dargestellt, auf
die elektrisch isolierende Deckschicht 5 aufgesetzt wird
oder wie in 1B dargestellt, direkt an die elektrisch
leitfähige
Schicht 4 angebracht wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist die Signal-Einkoppeleinrichtung 2 beispielsweise
ein leitfähiger
Schaum gummi. Bei einer weiteren Ausführungsform besteht die Signal-Einkoppeleinrichtung 2 aus
einer leitfähigen
Rolle oder aus einer leitfähigen Walze.
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Wie
in den 1A, 1B dargestellt,
weist die dort gezeigte elektrisch isolierende Deckschicht 5 einen
Beschichtungsfehler BF auf. Im dargestellten Beispiel ist der Beschichtungsfehler
BF ein Loch, das durchgehend bis hin zur Substratschicht 4 reicht. Weitere
Arten von Beschichtungsfehlern sind möglich, wie im Zusammenhang
mit 2A, 2B, 3C erläutert. Zum
Erfassen bzw. Detektieren des Beschichtungsfehlers BF durch die
Signalauskoppeleinrichtung 3, wird das in die elektrisch
leitfähige
Substratschicht 4 eingekoppelte Messsignal ausgekoppelt und
anschließend
durch die Auswerteeinheit 6 ausgewertet. Die Auskoppelung
des Messsignals kann wiederum induktiv oder kapazitiv erfolgen.
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Bei
den in 1A, 1B dargestellten Ausführungsformen
weist die Signalauskoppeleinrichtung 3 elektrisch leitfähige, flexible
Borsten 7 auf, die an einer Bürste angebracht sein können. Diese Bürste wird über die
Oberfläche
der elektrisch isolierenden Deckschicht 5 gestrichen, wie
in den 1A, 1B schematisch
dargestellt ist. Das eingekoppelte Messsignal wird mittels der flexiblen
und elektrisch leitfähigen
Borsten 7 ausgekoppelt und der Auswerteinheit 6 zugeführt. Die
Auswerteeinheit 6 wertet das ausgekoppelte Messsignal aus,
wobei ein Beschichtungsfehler BF detektiert wird, wenn eine Signalparameteränderung
mindestens eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals
einen einstellbaren Stellenwert überschreitet.
Wie in 1A, 1B dargestellt,
sind die flexiblen elektrisch leitfähigen Borsten 7 der
Signalauskoppeleinrichtung 3 oder die Oberfläche der
Deckschicht 5 mit einer elektrolytischen Flüssigkeit 8 befeuchtet.
Diese elektrolytische Flüssigkeit 8 bildet
einen Hilfselektrolyt, welcher elektrisch leitfähig ist. Bei einer möglichen
Ausführungsform
wird die elektrolytische Flüssigkeit
durch deionisiertes Wasser oder sogar destilliertes Wasser gebildet.
Eine mögliche
Vor gehensweise besteht darin, die Borsten 7 der Signalauskoppeleinrichtung 3 mit
dem Hilfselektrolyten bzw. der elektrolytischen Flüssigkeit
zu befeuchten und anschließend
die Bürste
bzw. die Signalauskoppeleinrichtung 3 mit den befeuchteten
Borsten 7 über
die Oberfläche
der Deckschicht 5 zu führen.
Sobald eine oder mehrere der Borsten 7 über einen Beschichtungsfehler
bewegt werden, führt
es zu einer Signalparameteränderung
des ausgekoppelten Messsignals, welcher die durch die Auswerteeinheit 6 erfasst wird.
Darüber
hinaus kann bei einer möglichen
Ausführungsform
auf Basis der Signalparameteränderung
auch auf die Art des Beschichtungsfehlers BF geschlossen werden.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
wird ein zeitlicher Amplitudenverlauf des ausgekoppelten Messsignals
erfasst und ein Beschichtungsfehler BF erkannt, wenn eine Amplitudenänderung ΔA einen einstellbaren
Amplitudenschwellenwert überschreitet.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
wird eine Phasenverschiebung zwischen einem Strom- und Spannungssignal
des ausgekoppelten Messsignals durch die Auswerteeinheit 6 erfasst
und ein Beschichtungsfehler BF dann erkannt, wenn eine Phasenänderung Δφ einen einstellbaren
Phasenschwellenwert überschreitet.
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Bei
einer weiteren Ausführungsform
wird eine Lade- und/oder eine Entladezeit eines RC-Gliedes, das
einen Kondensator enthält,
dessen Kapazität
von der Schichtdicke der Deckschicht 5 beeinflusst wird,
durch die Auswerteeinheit 6 erfasst und ein Beschichtungsfehler
BF dann erkannt, wenn eine Lade- und/oder Entladezeitänderung
einen einstellbaren Zeitdauer-Schwellenwert überschreitet.
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Die
Signalparameteränderung
erlaubt es zudem, Art und Ausmaß eines
Beschichtungsfehlers BF zu erkennen. 2A, 2B, 2C zeigen verschiedene
detektierbare Beschichtungsfehlerarten.
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Bei
der in 2A gezeigten Beschichtungsfehlerart
handelt es sich um ein in der Deckschicht 5 vorhandenes
Loch, das durchgehend bis hin zu der elektrisch leitfähigen Substratschicht 4 reicht.
Bei dem in 2A schematisch dargestellten
Loch kann es sich um ein sehr kleines Loch oder um einen Riss handeln,
wobei die räumliche
Ausdehnung eines derartigen Loches bzw. Risses größer oder
kleiner sein kann als der Durchmesser einer Borste 7.
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Bei
dem in
2B dargestellten Beschichtungsfehler
BF handelt es sich um ein Loch in der Deckschicht
5, das
nicht durchgehend bis zur Substratschicht
4 reicht. Ein
derartiger Beschichtungsfehler ist mit dem erfindungsgemäßen Messverfahren ebenfalls
detektierbar, da an der Stelle des Beschichtungsfehlers BF die Kapazität deutlich
erhöht
ist. Das liegt daran, dass der Abstand zwischen der elektrisch leitfähigen Substratschicht
4 der
befeuchteten Borste
7 an der Stelle des Beschichtungsfehlers
geringer ist als an den übrigen
Stellen. Da die Kapazität
C eines Kondensators umgekehrt proportional zum Abstand d seiner
Platten ist, ist somit die Kapazität C an der Stelle des in
2B dargestellten
Beschichtungsfehlers BF deutlich erhöht:
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2C zeigt
eine weitere Beschichtungsfehlerart, bei der die Deckschicht 5 eine
ungewollte Erhöhung
als Beschichtungsfehler aufweist. Bei dem in 2C dargestellten
Beispiel sinkt die Kapazität
C an der Stelle des Beschichtungsfehlers BF ab.
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3A zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Messanordnung 1.
Die Signal-Auskoppeleinrichtung 3 mit
den daran angebrachten leitfähigen
Borsten 7 liest das von der Signal-Einkoppeleinrichtung 2 die elektrisch
leitfähige
Substratschicht 4 eingekoppelte Messsignal zur Auswertung
aus.
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Bei
dem in 3A dargestellte Ausführungsbeispiel
ist die Signal-Auskoppeleinrichtung 3 in einer Bürste integriert,
die eine Vielzahl von befeuchteten Borsten 7 aufweist.
Diese Bürste
kann manuell oder rechnergesteuert über die Oberfläche der
Deckschicht 5 gestrichen werden, um Beschichtungsfehler
BF in der Deckschicht 5 zu entdecken. Sobald eine Signalparameteränderung
eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals einen einstellbaren
Schwellenwert überschreitet,
wird der Beschichtungsfehler BF zusammen mit den Koordinaten des
Beschichtungsfehlers ausgegeben bzw. in einem Speicher 9 abgelegt. 3B zeigt
beispielhaft eine Tabelle verschiedener detektierter Beschichtungsfehler
BF, mit zugehörigen
Koordinaten und weiteren Angaben bzw. Informationen über die
detektierten Beschichtungsfehler. Diese Beschreibungsdaten können beispielsweise
die Art des Beschichtungsfehlers BF angeben, d. h. ob es sich um ein
Loch (L) oder eine Erhebung (E) handelt. Weiterhin können aufgrund
der erfassten Signalparameteränderungen
Angaben über
die Dimensionen des Beschichtungsfehlers errechnet und abgespeichert werden.
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Die
in 3A dargestellte Bürste wird von einem Wartungstechniker
manuell über
eine Deckschicht 5 geführt,
wobei die Koordinaten x, y der Bürste
bei einer möglichen
Ausführungsform über eine
drahtlose Schnittstelle und Triangulation ermittelt werden.
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3A zeigt
ein einfaches Bauteil, nämlich eine
Platte mit einer elektrisch leitfähigen Substratschicht 4 und
einer Deckschicht 5. Die Ausdehnung einer derartigen Platte
sowohl in x, als auch in y-Richtung kann einige Meter umfassen.
Das erfindungsgemäße Messverfahren
ist keineswegs nur auf einfache Platten mit einer flachen Oberfläche beschränkt, sondern
eignet sich auch für
sonstige Oberflächen, insbesondere
zylinderförmige
Hohlkörper.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
weist die in 3A dargestellte Bürste zusätzlich ein
Vorratsbehälter
zur Aufnahme einer elektrolytischen Flüssigkeit zum Befeuchten der
Borsten 7 auf. Die elektrisch leitfähigen, flexiblen Borsten 7 können aus elektrisch
leitfähigen
Polymeren, aus Metallfasern oder aus Naturborsten bestehen. Die
Naturborsten erhalten ihre Leitfähigkeit
durch den Hilfselektrolyten.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messverfahrens
wird ein Beschichtungsfehler BF nicht nur detektiert, sondern anschließend auch
ein erkannter Beschichtungsfehler automatisch repariert.
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Bei
dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel generiert die
Einheit 6 ein Einkoppelsignal, das durch eine Signal-Einkoppeleinrichtung 2,
beispielsweise einen elektrisch leitfähigen Saugnapf, kapazitiv in
die elektrisch leitfähige
Substratschicht 4 über
die Deckschicht 5 eingekoppelt wird. Das kapazitiv eingekoppelte
Messsignal breitet sich in der elektrisch leitfähigen Schicht 4 aus
und wird durch die Auskoppeleinrichtung 3 der Einheit 6 zur
Signalauswertung zugeführt.
Aufgrund einer hinreichend großen
Signalparameteränderung
wird der in 4 schematisch dargestellte Beschichtungsfehler
BF beim Streichen der Borsten 7 über der Beschichtungsfehler
BF erkannt. Bei dem Einkoppelsignal kann es sich beispielsweise
um ein gepulstes Gleichspannungssignal handeln. Bei einer alternativen Ausführungsform
kann es sich bei dem Einkoppelsignal um ein Wechselspannungssignal
mit einstellbarer Frequenz handeln. Bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel
wird die in einer Bürste
integrierte Signal-Auskoppeleinrichtung
durch einen gesteuerten Motor 10 über die Deckschicht 5 zur
Erfassung von Beschichtungsfehlern BF geführt. Ein Motor 10 wird
durch eine Motorsteuerung innerhalb der Einheit 6 angesteuert.
Beispielsweise wird die Bürste meanderförmig über die
gesamte Oberfläche
der Deckschicht 5 geführt,
um Beschichtungsfehler BF zu erkennen. Bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel
ist an der durch den Motor 10 angetriebenen Bürste eine
Reparatureinheit 11 vorgesehen, die einen erkannten Beschichtungsfehler
BF an der detektierten Stelle automatisch repariert. Dabei wird ein
erkanntes Loch in der Deckschicht 5 aufgefüllt und
eine erkannte Erhebung in der Deckschicht 5 durch die Reparatureinheit 11 abgetragen.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Messanordnung 1.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform
wird eine Lade- oder Entladezeit eines RC-Gliedes mit einem Kondensator, dessen
Kapazität
von der Schichtdicke der Deckschicht 5 beeinflusst wird,
erfasst. Ein Beschichtungsfehler BF wird dann erkannt, wenn eine Lade- und/oder Entladezeitänderung
einen einstellbaren Zeitdauerschwellenwert überschreitet. Eine Gleichspannung
von beispielsweise 5 V wird über
einen gesteuerten Schalter 12 an das auszumessende Bauteil
angelegt, welches einen komplexen Widerstand Z aufweist. Durch das
regelmäßige Schalten des
Schalters 12 entsteht ein gepulstes Gleichspannungssignal
zum Auf- und Entladen eines RC-Gliedes. Beispielsweise wird der
Schalter 12 1000mal pro Sekunde ein- und ausgeschaltet.
Ist die Deckschicht 5 unbeschädigt und somit gut isolierend,
ist der komplexe Widerstand Z unendlich groß. Das Zeitverhalten des RC-Gliedes
hängt von
dem Widerstand R1 und der Kapazität C1 ab. Der Widerstand R1
weist beispielweise einen Widerstand von 1 MOhm auf und der Kondensator
C1 eine Kapazität
von 68 pF. Hat die auszumessende Oberfläche einen Beschichtungsfehler
BF, ändert
sich der komplexe widerstand Z. Bei einem durchgängigen Loch wird ein Kurzschluss
zwischen der Signal-Einkoppeleinrichtung und
der Signal-Auskoppeleinrichtung hervorgerufen, so dass der in 5 dargestellte
Kondensator C2 parallel zu dem RC-Glied geschaltet wird. Der Kondensator
C2 weist beispielsweise eine Kapazität von 100 nF auf. Durch die
Parallelschaltung des Kondensators C2 wird die Auflade- und Entladezeit
des RC-Gliedes drastisch erhöht.
Diese Änderung
der Auf- und Entladezeit wird durch einen in der Auswerteeinheit 6 enthaltenen
Mikroprozessor erfasst.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Messanordnung 1.
Dabei wird durch einen in die Einheit 6 enthaltenen Signalgenerator
ein Wechselspannungssignal mit einer einstellbaren Signalfrequenz über eine
Signal-Einkoppeleinrichtung
kapazitiv an das beschichtete Bauteil gekoppelt und anschließend über eine
Signal-Auskoppeleinrichtung
wieder kapazitiv ausgekoppelt und ausgewertet. Die Signaleinkoppeleinrichtung
wird beispielsweise durch einen elektrisch leitfähigen Saugnapf mit einer Kapazität C1 gebildet.
Die Signalauskoppeleinrichtung wird beispielsweise durch einen nassen
Pinsel bzw. eine befeuchtete Bürste
mit einer Kapazität
C2 gebildet. Bei dem Wechselspannungssignal handelt es sich beispielsweise
um einen sinusförmiges
Wechselspannungssignal. Der Messsignalaufnehmer bzw. die Signalauskoppeleinrichtung,
die durch einen nassen Pinsel gebildet sein kann, weist zusammen
mit einer unbeschädigten Oberfläche beispielsweise
eine Kapazität
von etwa 100 pF auf. Wird das beschichtete Baustein beschädigt sinkt
der Widerstand Z, wobei dies zu einem Anstieg der gemessenen Amplitude
des Wechselspannungssignals führt.
Dieser Anstieg wird das durch die Auswerteeinheit 6 erfasst.
Weitere Messvarianten sind möglich.
Beispielsweise stellt die zu untersuchende Oberfläche an dem
unbeschädigten
Zustand, d. h. ohne Beschichtungsfehler einen fast idealen Kondensator
dar, der zwischen einem gemessenen Strom und einem gemessenen Spannungssignal eine
Phasenverschiebung von bis zu 90° liefert. Wenn
nun die Deckschicht lokal defekt ist, führt dies zu einer Reduzierung
der Kapazität
bzw. die Kapazität
entfällt
ganz. Dies kann zu einer Änderung
des Phasenwinkels auf 0 führen.
Diese Phasenwinkeländerung Δφ kann durch
die Auswerteeinheit 6 erfasst werden.
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7 zeigt
ein einfaches Ablaufdiagramm einer möglichen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Messverfahrens.
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Bei
einem ersten Schritt S1 wird ein Einkoppelsignal in die elektrisch
leitfähige
Substratschicht 4 direkt oder indirekt eingekoppelt. Das
Einkoppeln kann beispielsweise kapazitiv oder induktiv erfolgen. Bei
einer möglichen
Ausführungsform
ist das Einkoppelsignal ein gepulstes Gleichspannungssignal. Bei einer
alternativen Ausführungsform
ist das Einkoppelsignal ein Wechselspannungssignal mit einstellbarer
Frequenz.
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In
einem weiteren Schritt S2 wird ein Messsignal aus der Substratschicht 4 über die
Deckschicht 5 ausgekoppelt. Das Auskoppeln des Messsignals kann
seinerseits induktiv oder kapazitiv erfolgen.
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Im
weiteren Schritt S3 erfolgt die Auswertung des ausgekoppelten Messsignals.
Dabei wird ein Beschichtungsfehler in der Deckschicht 5 detektiert, wenn
eine Signalparameteränderung
mindestens eines Signalparameters des ausgekoppelten Messsignals
einen einstellbaren Schwellenwert überschreitet. Dieser einstellbare
Schwellenwert kann beispielsweise die Schichtdicke der Deckschicht 5 berücksichtigen.
Das Auskoppeln des Messsignals im Schritt S2 erfolgt an einer örtlich variablen
Stelle, wobei beispielsweise ein befeuchteter Pinsel bzw. eine Bürste mit
leitfähigen
Borsten über
die Oberfläche der
Deckschicht 5 bewegt wird, um das Messsignal aufzunehmen.
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8 zeigt
schematisch ein Messergebnis der erfindungsgemäßen Messanordnung 1.
Die Dicke der Deckschicht 5 wird beispielsweise als Höhenprofil
gespeichert. Beim dargestellten Beispiel weist die Deckschicht an
der Stelle X1, Y1 eine bis zur Substratschicht 4 reichende
Vertiefung auf.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Messanordnung 1 sind
vielseitig einsetzbar. Beispielsweise können mit der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 Beschichtungsfehler
bei einem kohlenstofffaserverstärktem
Kunststoff, der mit einer Lackschicht beschichtet ist, festgestellt
werden. Derartige kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe werden beispielsweise
im Flugzeugbau oder im Kraftfahrzeugbau eingesetzt. Das erfindungemäße Messverfahren
erlaubt es, zerstörungsfrei, auf beliebig
geformten Oberflächen
Beschichtungsfehler zu detektieren, wobei die eingesetzten Signalspannungen
gering sind. Diese geringen Signalspannungen führen zu keinerlei Gefährdung an
der Wartungstechniker. Andererseits wird auch die zu untersuchende
Deckschicht nicht beschädigt.
Ein direkter leitender elektrischer Kontakt mit der leitfähigen Substratschicht 4 wird
nicht benötigt,
da die Einkopplung induktiv oder kapazitiv erfolgt.
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Bei
einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 wird
nicht die Signal-Auskoppeleinrichtung 3 über die
Deckschicht 5 bewegt, sondern der auszumessende Bauteil
wird über
eine örtlich
fest platzierte Signalauskoppeleinrichtung 3 bewegt.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 erfolgt
die Signalübertragung
von/zu der Auswerteeinheit 6 über die Signaleinkoppel- und
auskoppeleinrichtung über eine
drahtlose Schnittstelle. Darüber
hinaus kann die Auswerteeinheit 6 über ein Netzwerk mit einem
entfernten Server und einer zugehörigen Datenbank verbunden sein.
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Bei
einer weiteren Ausführungsvariante
der erfindungsgemäßen Messanordnung 1 wird
nicht nur ein Signalparameter des aufgenommenen Messsignals ausgewertet,
sondern mehrere Signalparameter, beispielsweise Signalamplitude
und eine Phasenänderung.
Durch Auswertung mehrerer Signalparameter kann die Genauigkeit bei
der Ausmessung der Beschichtungsfehler BF sowohl Art als auch Größe des Beschichtungsfehlers
erhöht
werden.
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Bei
einer möglichen
Ausführungsvariante werden über eine
Benutzerschnittstelle Kennwerte/Sollwerte eingegeben. Beispielsweise
wird eine Solldicke der Deckschicht 5 durch einen Wartungstechniker
eingegeben und daraus der Sollwert eines Signalparameters berechnet.
Ist die Differenz zwischen dem gemessenen Signalparameter und dem erwarteten
Sollwert größer als
ein eingebbarer Schwellenwert wird ein Beschichtungsfehler BF erkannt.
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Die
erfindungsgemäße Messanordnung 1 lässt sich
beispielsweise im Rahmen der Qualitätssicherung einsetzten. Dabei
können
Grenzwerte, beispielsweise Sollwerte vorgegeben und verifiziert
werden, die beispielsweise einen Langzeitschutz gewährleisten.
Dadurch werden insbesondere die Gefahren und Risiken von Korrosionsschäden minimiert.
Derartige Qualitätssicherungsmaßnahmen können spezifiziert
und kontrolliert werden. Darüber hinaus
kann die Messanordnung 1 schon beim Bauteilzulieferer installiert
werden. Das erfindungsgemäße Messverfahren
eignet sich zur Detektion von Beschichtungsfehlern bei beliebigen
elektrisch leitfähigen
Substratschichten 4, die mit einer elektrisch isolierenden
Deckschicht 5 beschichtet sind. Die erfindungsgemäße Messanordnung 1 eignet
sich insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie.
-
- 1
- Messanordnung
- 2
- Signaleinkoppeleinrichtung
- 3
- Signalauskoppeleinrichtung
- 4
- Substratschicht
- 5
- Deckschicht
- 6
- Auswerteeinheit
- 7
- Borsten
- 8
- elektrolytische
Flüssigkeit
- 9
- Speicher
- 10
- Motor
- 11
- Reparatureinheit
- 12
- Schalter
- BF
- Beschichtungsfehler
- C
- Kapazität
- C1–C2
- Kondensator
- Δφ
- Phasenwinkeländerung
- E
- Erhebung
- L
- Loch
- S1
- Einkoppeln
- S2
- Auskoppeln
- S3
- Detektieren