DE102009019774A1

DE102009019774A1 - Verfahren und Vorrichtung zur thermischen Überwachung von Ausfallprozessen

Info

Publication number: DE102009019774A1
Application number: DE200910019774
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Wittler; Bernhard Dr. Wunderle; Seyed Ali Mazloum Nejadari; Ralph Prof. Dr. Schacht; Bernd Prof. Dr. Michel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-11
Anticipated expiration: 2029-05-01
Also published as: DE102009019774B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Gegenstandes 3, bei welchem eine durch die fortschreitende Beschädigung des zu untersuchenden Gegenstandes 3 hervorgerufene Veränderung des Antwortverhaltens einer oder mehrerer temperaturabhängiger Messgrößen auf die Einprägung eines definierten Heizimpulses 10 auf den Gegenstand untersucht wird. Hierbei wird der definierte Heizimpuls 10 durch elektrische Ansteuerung von Mitteln zur Wärmeerzeugung 1, die an oder in dem Gegenstand 3 angeordnet sind, erzeugt und das Antwortverhalten auf das Aufbringen des definierten Heizimpulses an Mitteln zur Temperaturerfassung 2, die an oder in dem Gegenstand 3 angeordnet sind, über mindestens eine durch die Mittel zur Temperaturerfassung 2 erzeugte elektrische Messgröße gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur thermischen Überwachung eines Gegenstandes nach dem jeweiligen Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Verschiedene Gegenstände fallen nach längerer Benutzung aus, wobei die zu erwartende Lebensdauer von den Nutzungsbedingungen des Gegenstandes abhängt. Nach dem momentanen Stand der Technik gibt es verschiedene Methoden um die verbleibende Lebensdauer abzuschätzen oder das Risiko eines Ausfalls zu verringern.
Eine nur in sicherheitsrelevanten Bereichen verwendete Methode ist die so genannte Redundanz. So werden beispielsweise in Flugzeugen wichtige Geräte doppelt verbaut, so dass bei Ausfall eines der Geräte dessen Funktion von dem verbleibenden Gerät übernommen werden kann. Der Nachteil dieser Methode besteht darin das sowohl Kosten als auch Platzbedarf groß sind. Eine weitere Methode ist der Austausch von Komponenten in regelmäßigen Wartungsintervallen. Der Nachteil dieser Methode ist, dass hierdurch der Austausch zu einem durch statistische Methoden ermittelten Zeitpunkt stattfindet. Ist der spezielle Gegenstand stärker belastet als für einen entsprechenden Gegenstand üblich findet der Austausch nicht rechzeitig statt, während ein unterdurchschnittlich stark belasteter Gegenstand unnötig früh ausgetauscht wird, was wiederum unnötige Kosten verursacht. Diese Methode kann verbessert werden in dem man wichtige Belastungsparameter aufzeichnet um damit ein Ausfallrisiko abschätzen zu können. Der Nachteil hiervon ist jedoch das sehr große Datenmengen aufgenommen werden, ohne das dadurch eine fortschreitende Beschädigung direkt nachgewiesen würde. Vielmehr ist die Aufstellung eines Modells für den Einfluss der Belastungsparameter auf die Lebensdauer nötig, welches wiederum fehlerbehaftet ist.
Ein in der Elektronik verwendeter Zugang ist die Messung des elektrischen Widerstandes was jedoch in der Regel nur eine Aussage darüber ermöglicht ob der Gegenstand bereits ausgefallen ist.
Es gibt weitere Verfahren zur Feststellung einer Beschädigung. Ein Beispiel hierfür ist durch die Druckschrift US 5245293 gegeben in welcher ein System zur Überwachung der Stärke einer Klebebindung beschrieben ist, welches das Eindringen von Feuchtigkeit in eine Klebestelle durch eine Veränderung der dielektrischen Eigenschaften des Klebstoffes nachweist, was jedoch den Nachteil hat, das auch andere Schädigungen als eine Feuchtigkeitseindringung vorliegen können, die durch dieses Verfahren nicht korrekt festgestellt würden. Es wäre sogar denkbar, dass manche Arten von Beschädigungen die dielektrischen Eigenschaften in umgekehrter Weise wie das Eindringen von Feuchtigkeit ändern.
Das Verfahren, dass als der Erfindung nächstliegender Stand der Technik angesehen werden kann, ist die Impulsthermographie. Ein Beispiel der Impulsthermographie ist in Druckschrift DE 102 02 326 A1 gegeben. In dem dort offenbarten Verfahren wird die Haftung einer Beschichtung auf einem Substrat untersucht, indem in diese Beschichtung zunächst impulsartig homogen Wärme eingebracht wird und die Beschichtung dann mit einer Thermographie-Flächenkamera abgebildet wird. Durch den von der thermischen Impedanz abhängigen Verlauf der Abkühlung lässt sich hierdurch eine fehlende Haftung der Beschichtung auf dem Substrat erkennen.
Gattungsgemäße Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie durch die Notwendigkeit einer Thermographie-Flächenkamera sehr teuer und aufwendig sind, und somit in der Regel nicht für eine integrierte automatische Überwachung in Frage kommen. Des Weiteren verhindert der Platzbedarf derartiger Verfahren in vielen Gebieten die Anwendung.
Die Aufgabe besteht somit darin ein kostengünstiges, leicht durchzuführendes und Platz sparendes Verfahren für die thermische Überwachung verschiedener Gegenstände, sowie eine entsprechende Vorrichtung, die die Durchführung dieses Verfahrens ermöglicht, zu finden.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem An spruch 1 sowie ein Erzeugnis nach dem Anspruch 10 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur thermischen Überwachung der Beschädigung eines Gegenstandes zunächst ein definierter Heizimpuls, dessen genaue Ausprägung durch Simulationen für jeden zu überwachenden Gegenstand zunächst ermittelt werden kann, durch elektrische Ansteuerung von Mitteln zur Wärmeerzeugung, die am Gegenstand befestigt oder in den Gegenstand integriert sind erzeugt und in Mitteln zur Temperaturerfassung, welche ebenfalls am Gegenstand befestigt oder in den Gegenstand integriert sind, wird das Antwortverhalten über mindestens eine elektrische Messgröße, wobei es sich beispielsweise um eine Spannung, einen Strom oder einen Widerstand handeln kann, gemessen. Die eingeprägte Wärmeleistung wird überwiegend durch transiente Wärmeleitung abgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass Beschädigungen des Gegenstandes, wie beispielsweise Delaminationen, Korrosionen, Risse, Zerrüttungen und/oder Inhomogenitäten seine Wärmeleitung verringern.
Somit wird der durch die Mittel zur Wärmeerzeugung in den Gegenstand eingeprägte Heizimpuls in der Ausbreitung behindert. Dies Verändert den Temperaturverlauf and den Mitteln zur Temperaturerfassung, und kann somit durch allgemein bekannte Mittel zur Messung der elektrischen Messgröße erfasst werden.
Durch die Verwendung einer elektrischen Messgröße ist eine kostengünstige und schnelle Erfassung der Messgröße möglich. Des Weiteren ist das Verfahren unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie beispielsweise der Umgebungstemperatur. Ebenso ist es Vorteilhaft, dass die durch den Heizimpuls eingeprägte Wärmemenge nahezu frei gewählt werden kann, da lediglich die Form des Heizimpulses, nicht aber sein genauer Betrag für die Durchführung des Verfahrens relevant ist, da der Betrag durch Normierung mit der eingeprägten Wärmemenge aus den Messdaten herausgerechnet werden kann. Bei der Wahl der eingeprägten Wärmemenge muss lediglich darauf geachtet werden, dass diese einerseits klein genug ist um den Gegenstand nicht zu beschädigen, und andererseits groß genug, um eine, für die Erzielung einer guten Messgenauigkeit, hinreichend große Änderung der elektrischen Messgröße zu erzielen. Außerdem ist die Menge der aufzunehmenden Daten gering. Insbesondere ist keine aufwendige Aufzeichnung von Belastungsparametern nötig. Somit lassen sich in verschiedensten Bereichen der Technik erhebliche Einsparungen erzielen. Als Beispiele seien hier Elektrotechnik, Automobiltechnik, Werkstoffcharakterisierung und Zuverlässigkeitsprüfung genannt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann statt der elektrischen Messgröße eine von ihr abgeleitete Messgröße, wie beispielsweise die Änderung der Messgröße bei Einprägung der Wärmeleistung oder die Differenz zwischen Maximalwert und Minimalwert der Messgröße bestimmt werden. Auch die Ermittlung der Temperaturdifferenz zwischen dem Zeitpunkt vor dem Heizimpuls und einem durch Simulation optimal gewählten Zeitpunkt nach dem Heizimpuls ist möglich. Der hierdurch erzielte Vorteil ist die deutliche Verringerung der aufzunehmenden Datenmenge, da Anstelle eines Messwertverlaufes nur noch einzelne Werte aufgenommen werden müssen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass das Antwortverhalten der temperaturabhängigen Messgrößen an mehreren Stellen des Gegenstandes gemessen wird und dass diese an verschiedenen Stellen gemessenen Antwortverhalten oder die von diesen abgeleiteten Größen miteinander verglichen werden. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine genauere Messung auch für größere Gegenstände möglich ist. Des Weiteren ist es hierdurch möglich, die Beschädigung zu lokalisieren. Dies ist insbesondere bei Zuverlässigkeitsprüfungen von Gegenständen überaus vorteilhaft, da so Schwachstellen der Gegenstände erkannt werden können, ohne dass hierfür Ultraschalluntersuchungen oder ähnliches nötig sind.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Auswertung der Temperaturmessung in Form eines Vergleichs mit einem Sollwert stattfindet, wobei abhängig von der Abweichung vom Sollwert der baldige Ausfall des Gegenstandes festgestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass der Gegenstand, dessen baldiger Ausfall festgestellt wird, ausgetauscht werden kann, bevor wirtschaftliche Folgeschäden eines Ausfalls entstehen können, wobei der zur Überwachung notwendige Aufwand minimal ist.
Eine alternative vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass der zu mehreren Messzeitpunkten gemessene Beschädigungsgrad aufgezeichnet wird und anhand des zeitlichen Verlaufs dieses Beschädigungsgrades eine Restlebensdauer abgeschätzt wird. Dies hat den Vorteil, dass diese Einschätzung sehr genau ist, da die Ermittlung der von den genauen Nut zungsbedingungen abhängigen Abnutzungsgeschwindigkeit eine genauere Prognose der Restlebensdauer ermöglicht, als das Berechnen der Restlebensdauer ausgehend von einem gemessenen Beschädigungsgrad und einer Abnutzungsgeschwindigkeit die zuvor aufgrund der für diese Art von Gegenstand typische Abnutzungsgeschwindigkeit abgeschätzt wurde.
Eine weitere Vereinfachung lässt sich erzielen, wenn die Wärmeerzeugung durch die Mittel zur Temperaturerfassung geschieht, da hierdurch separate Mittel zur Wärmeerzeugung überflüssig werden.
Des Weiteren vorteilhaft ist es, durch die Feststellung des Beschädigungsgrades des Gegenstandes ein Lebensdauermodell für weitere unter ähnlichen oder identischen Bedingungen benutzte Gegenstände zu erstellen.
Ein Beispiel hierfür wäre, dass man der Beschädigungsgrad eines Chips auf einer Platine gemessen wird, und davon ausgehend den Beschädigungsgrad der anderen Bauteile auf der Platine abschätzt wird, da diese unter ähnlichen Betriebsbedingungen genutzt werden. Es wäre hierbei beispielsweise denkbar, alle für die Auswertung der durch die Mittel zur Temperaturerfassung erzeugten elektrischen Messgröße nötigen Mittel in einen Chip zu integrieren, welcher nun ausschließlich die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Aufgabe hat, wobei der direkt überwachte Gegenstand der Chip selbst ist. Nun kann aus der ermittelten Beschädigung des Chips die Beschädigung der anderen Chips auf derselben Platine abgeschätzt werden. Vorteilhaft hieran ist, dass der zur Überwachung nötige Aufwand geringer ist, da nicht jeder Gegenstand einzeln überwacht wird, sondern je weils eine Gruppe von Gegenständen überwacht wird. Wenn als direkt überwachter Gegenstand ein Gegenstand gewählt wird, der deutlich schneller beschädigt wird als die anderen Gegenstände, so ist eine Abschätzung des Beschädigungsgrades unter Umständen schon dann möglich, wenn sie bei direkter Messung an den anderen Gegenständen noch nicht möglich wäre, was ebenfalls sehr vorteilhaft ist. In dem genannten Beispiel ist es außerdem noch vorteilhaft, dass das Verfahren in einem separaten Chip realisiert wird, der dann ohne weiteren Konstruktionsaufwand in beliebigen Schaltungen verbaut werden kann.
Weiterhin vorteilhaft ist die Ermittlung der thermischen Impedanz aus den Ergebnissen der Messung der temperaturabhängigen Messgrößen. Der Vorteil hiervon ist, dass so ein Wert erhalten wird, dessen Bedeutung ein Fachmann dem Verfahren im Sinne des Oberbegriffes bereits geläufig sind bereits kennt.
Außerdem vorteilhaft ist es, die Temperatur nur zu je einem Zeitpunkt vor und nach der Einprägung der Wärme zu messen, da die zur Auswertung zu verarbeitende Datenmenge hierdurch deutlich reduziert wird. Insbesondere der optimale Messzeitpunkt nach dem Heizimpuls sollte durch Simulation und/oder experimentell ermittelt werden, so dass dieser optimal an den Gegenstand und die erwartete Beschädigung angepasst ist.
Des Weiteren wird nun auf die erfindungsgemäße Vorrichtung eingegangen.
Diese enthält Mittel zur Wärmeerzeugung welche elektrisch betrieben sind, wobei es sich beispielsweise um Dioden, Widerstände oder ähnliches handeln kann, Mittel zur Temperaturermittlung, beispielsweise tempera turabhängige Widerstände, Thermoelemente oder ähnliches, welche mindestens eine temperaturabhängige elektrische Messgröße aufweisen, sowie eine Auswerteelektronik, welche das durch die Messgröße gegebene Messsignal s(t, T) aufzeichnet, wobei die Mittel zur Wärmeerzeugung und die Mittel zur Temperaturermittlung fest an dem zu überwachenden Gegenstand befestigt, oder in diesem integriert sind.
Vorteilhaft an dieser Vorrichtung ist, dass sie die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht und dabei mit kostengünstigen Standartkomponenten realisiert werden kann. Des Weiteren ist vorteilhaft, dass keine Kalibrierung notwenig ist, da lediglich die relative Veränderung des Signals gegenüber dem am unbeschädigten Gegenstand erzeugten Signal relevant ist.
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Gegenstand als elektronisches Bauteil ausgeprägt ist und/oder solche enthält, da so besonders leicht die Spannungsversorgung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sichergestellt werden kann. Des Weiteren ist so eine Integration der Mittel zur Wärmeerzeugung sowie der Mittel zur Temperaturerfassung in den Gegenstand, bei welchem es sich beispielsweise um einen Transistor, Chip, MEMS, IC oder ähnlichem handeln kann, besonders leicht möglich, oft sogar ohne das hierfür bei der Herstellung des Gegenstandes zusätzliche Prozessschritte nötig sind. Es ist außerdem empfehlenswert, die Mittel so zu wählen, dass diese mit einer ohnehin vorliegenden Spannung versorgt werden.
Prinzipiell ist man bei der Wahl der Mittel zur Wärmeerzeugung sehr frei. So ist jedes elektronische Bauteil denkbar, durch welches hinreichend Wärme er zeugt werden kann. Wie viel Wärme benötigt wird ist von den thermischen Eigenschaften des Gegenstandes abhängig. Generell kann gesagt werden, dass ein Gegenstand mit hoher Wärmekapazität und geringer thermischen Impedanz eine stärkere Wärmequelle benötigen wird, als ein Gegenstand welche nur eine geringe Wärmekapazität aufweist und dessen thermische Impedanz sehr hoch ist. Hierbei muss berücksichtigt werden, dass sich die thermische Impedanz des Gegenstandes in der Zeit bis zum Ausfall des Gegenstandes ändert, und dass die Wärmequelle für den kompletten Impedanzbereich, welcher innerhalb der Lebensdauer des Gegenstandes durchlaufen wird, geeignet sein muss. Am sinnvollsten ist, die optimalen Eigenschaften der Wärmequelle durch Simulation zu ermitteln, jedoch ist auch eine experimentelle Ermittlung denkbar.
Wenn eine starke Wärmequelle notwendig ist, kann es sinnvoll sein, mehrere elektronische Bauteile zugleich als Mittel zur Wärmeerzeugung zu verwenden, da ein einzelnes Bauteil eventuell überlasten wäre. Dies kann insbesondere angeraten sein, wenn elektronische Bauteile des Gegenstandes als Wärmequelle verwendet werden welche funktionelle Bestandteile von ihm sind, da es dann nur eine beschränkte Auswahl an möglichen Bauteilen gibt, welche durch den Gegenstand gegeben ist. Kann mit keinem einzelnen Bauteil die nötige Wärme bereitgestellt werden, so ist dies jedoch zumeist mit mehreren Bauteilen in Kombination möglich. Der Vorteil der richtigen Wahl der Mittel zur Wärmeerzeugung ist ein dadurch erreichbarer optimaler Heizimpuls, der eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet. Der Vorteil der Verwendung von funktionellen Bestandteilen des Gegenstands als Mittel zur Wärmeerzeugung besteht in dem Wegfall der durch die Produktion der Mittel zur Wärmeerzeugung anfallenden Kos ten.
Bei der Wahl der Mittel zur Temperaturerfassung sollten ähnliche Überlegungen berücksichtigt werden. Auch hier können die Mittel sehr frei gewählt werden. Wesentlich ist lediglich, dass eine leicht erfassbare und auswertbare temperaturabhängige Messgröße d. h. eine elektrische Messgröße geliefert wird. Jedoch sollte das Mittel natürlich so ausgewählt werden, dass eine möglichst große Messgenauigkeit erzielt wird. Hierfür ist zum einen zu berücksichtigen, wie genau unterschiedliche elektrische Größen bestimmt werden können, und zum anderen wie stark die Temperaturabhängigkeit der entsprechenden elektrischen Messgröße ist. Eine stärkere Temperaturabhängigkeit erleichtert hierbei eine genaue Messung. Hierbei ist natürlich zu berücksichtigen, dass die starke Temperaturabhängigkeit in dem Temperaturbereich vorliegen sollte, in dem die Temperatur ermittelt wird. Monotonie der Temperaturabhängigkeit innerhalb des vorliegenden Temperaturbereiches ist hierbei unbedingt Notwendig, da sonst keine eindeutige Temperaturbestimmung möglich ist. Auch hier ist eine Verwendung von funktionellen Bestandteilen des Gegenstandes oft möglich. Abhängig von der Wahl des Sensors kann es nötig sein dessen Versorgung mit einer Spannung oder einem Strom sicherzustellen.
Es kann in vielen Fällen möglich und sinnvoll sein, das gleiche Bauteil welches als Mittel zur Wärmeerzeugung verwendet wird, auch als Mittel zur Temperaturerfassung zu verwenden. Sollten mehrere Bauteile als Mittel zur Wärmeerzeugung verwendet werden, kann es auch möglich sein, eines dieser Bauteile zugleich als Mittel zur Temperaturerfassung zu verwenden. Vorteilhaft hieran ist das die Wärme nicht erst durch Wärmeleitung vom Mittel zur Wärmeerzeugung zum Mittel zur Temperaturerfassung gelangen muss, wodurch der Aufbau der Vorrichtung und die Messung sowie gegebenenfalls die Auswertung der Messung einfacher wird. Sowohl die Mitteln zur Wärmeerzeugung als auch die Mitteln zur Temperaturerfassung sollten nach objektiven Gesichtspunkten nicht nur ausgewählt, sondern auch platziert werden. So ist es sinnvoll, diese dort zu positionieren, wo zuerst mit Beschädigungen des Gegenstandes zu rechnen ist, da hierdurch die Sensitivität erhöht wird.
Auch bei der Ausgestaltung der Auswerteelektronik sind diverse vorteilhafte Weiterbildungen möglich. Zum einen wird es in vielen Fällen sinnvoll sein die Auswerteelektronik in den Gegenstand zu integrieren. Oft ist es dann auch sinnvoll die Auswerteelektronik so auszugestalten, dass sie extern ausgelesen werden kann. Dies könnte beispielsweise durch einen Computer oder eine Anzeigekonsole geschehen, so dass mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zugleich zentral ausgelesen werden können. Würden so beispielsweise die Steuergeräte für eine komplette Fabrik überwacht, könnte ein Wartungstechniker deren Zustand von einer zentralen Anzeigekonsole ablesen und könnte von dieser Anzeigekonsole aus feststellen, wann und wo ein Ausfall aufgetreten oder zu erwarten ist.
Die Auswerteelektronik kann je nach Anforderungen sehr verschieden ausgestaltet werden. Besonders einfach wäre die Verwendung einer Vergleichsschaltung, welche den Temperaturverlauf mit einem Sollverlauf oder einen daraus abgeleiteten Wert mit einem Sollwert vergleicht. Das Ergebnis der Auswertung wäre das entweder der Ausfall des Gegenstandes festgestellt würde oder nicht.
Auch ist es denkbar, größere Logikschaltungen oder sogar einen Mikroprozessor zu verwenden. Hierdurch könnte beispielsweise anhand des Temperaturverlaufes der Abstand der Beschädigung vom Mittel zur Temperaturerfassung ermittelt werden oder wenn außerdem eine Speichervorrichtung verwendet wird, anhand von mehreren aufgezeichneten Temperaturverläufen bzw. daraus abgeleiteten Werten die verbleibende Restlebensdauer genauer approximiert werden.
Außerdem ist es sinnvoll, eine Steuereinheit zur Steuerung der Mittel zur Wärmeerzeugung in die Auswerteelektronik zu integrieren. Auch das Integrieren eines Zeitgebers zur regelmäßigen Durchführung der Messung kann sehr vorteilhaft sein.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass der Gegenstand, insbesondere bei Ausbildung als elektronisches oder elektromechanisches Bauteil oder Baugruppe auch selbst die Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder Temperaturerfassung bilden oder aufweisen kann.
Außerdem besteht auch die Möglichkeit mehrere auf dem Gegenstand angeordnete Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder Temperaturerfassung zu verwenden, was eine Bestimmung des Ortes der Beschädigung ermöglicht.
Im Folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung genauer erläutert. An diesen werden auch Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
3 weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Diese weist als Mittel zur Wärmeerzeugung ein Heizelement 1 sowie als Mittel zur Temperaturerfassung ein Sensorelement 2 auf, welche an oder in einem Gegenstand 3 angeordnet sind. Des Weiteren weist die dargestellte Vorrichtung eine Auswerte- und Steuerelektronik 4 auf, die über eine Heizstromleitung 5 mit dem Heizelement 1 sowie mit der Sensorversorgungsleitung 6 und der Signalleitung 7 mit dem Sensorelement 2 verbunden ist. In dem Gegenstand 3 ist ein Riss 8 als Beschädigung desselben zu erkennen. Mit der gestrichelten Umrandung um das Heizelement 1 und das Sensorelement 2 herum soll angedeutet werden, dass diese auch als kombiniertes Element 9 zusammengefasst werden können, wobei beispielsweise ein temperaturabhängiger Widerstand als kombiniertes Element 9 dienen kann.
Wird nun von der Auswerte- und Steuerelektronik 4 über die Heizstromleitung 5 ein Strompuls 10 durch das Heizelement 1 geleitet, so wird dieses dabei aufgeheizt und erwärmt dadurch das Sensorelement 2. Dieses gibt ein von der Temperatur abhängiges Messsignal s(t, T) 11 über die Signalleitung 7 an die Auswerte- und Steuerelektronik 4 aus. Ein Riss 8 verringert die Wärmeleitung aus dem Sensorelement 2 heraus, wodurch dieses langsamer abkühlt bzw. wodurch dessen transiente thermische Impedanz Z_th erhöht ist.
Die Auswerte- und Steuerelektronik 4 kann jetzt bei spielsweise ein Signalwert s(t₀, T) vor dem Heizpuls und einen Signalwert s(t₁, T) nach dem Heizpuls aufnehmen, wobei der Zeitpunkt t₁ vorher durch Simulation optimal bestimmt wird.
Aus diesen beiden Werten ermittelt die Auswerte- und Steuerelektronik 4 ggf. die transiente thermische Impedanz. Beträgt diese bei einem intakten Gegenstand 3 beispielsweise 1,25 K/W, während aus Simulationen bekannt ist, dass ein Ausfall des Gegenstandes 3 bei einer transienten thermischen Impedanz von 3 K/W zu erwarten ist, so könnte die Auswerte- und Steuerelektronik 4 beispielsweise bei einer als kritisch angenommenen transienten thermischen Impedanz Z_thkrit von 2,8 K/W den baldigen Ausfall des Gegenstandes 3 melden.
Eine andere Möglichkeit, die sich mit einer noch weniger aufwändigen Auswerte- und Steuerelektronik 4 realisieren lässt, ist, dass die Auswerte- und Steuerelektronik 4 die transiente thermische Impedanz nicht errechnet, sondern zuvor in der Simulation bestimmt wird, welchem Differenzwert s(t₁, T) – s(t₀, T) Z_thkrit entspricht. Die Auswerte- und Steuerelektronik 4 meldet dann bei Überschreitung dieses Differenzwertes den baldigen Ausfall des Gegenstandes 3.
Selbstverständlich ist auch eine deutlich aufwendigere Auswertung des Messsignals 11 möglich. So kann die Auswerte- und Steuerelektronik 4 beispielsweise die transiente thermische Impedanz bestimmen und jeden Tag einmal in eine zur Auswerte- und Steuerelektronik 4 gehörige Speichervorrichtung abspeichern. Dann kann die Auswerte- und Steuerelektronik 4 anhand eines zeitlichen Verlaufs der transienten thermischen Impedanz Z_th(t) die Restlebensdauer approximieren, indem sie beispielsweise eine lineare Funktion oder eine vorher durch Simulation ermittelte Beschädigungsverlaufsfunktion für Z_th(t) annimmt, welche als freien Parameter eine Beschädigungsgeschwindigkeit aufweist, die aus den Messdaten bestimmt wird. Nun kann eine Gleichung Z_th(t_krit) = Z_thkrit aufgestellt werden, und je nach Art der Funktion Z_th(t) analytisch oder numerisch nach einer Zeit t_krit aufgelöst werden. Der Zeitpunkt t_krit gibt dann an, wann das Bauteil ausgewechselt werden sollte.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in 2 abgebildet. Hier ist das kombinierte Element 9 im Chip 12 integriert, wobei mehrere solche kombinierte Elemente 9 im Chip 12 vorgesehen sind. Dieser befindet sich in einer Verkapselung 13, und ist durch eine flächige Lotverbindung 14 mit einem Verbindungselement 15 verlötet, welches mit dem Substrat 16 verbunden ist. Die hier nicht dargestellte Auswerte- und Steuerelektronik 4 kann im Chip 12 integriert sein, oder sich außerhalb der Anordnung befinden.
Die Funktionsweise ist ähnlich der, die in Zusammenhang mit 1 beschrieben wurde. Dadurch, dass mehrere kombinierte Elemente 9 vorhanden sind, kann der Riss lokalisiert werden d. h. es kann festgestellt werden, dass sich der Riss 8 auf der rechten Seite der Lotverbindung befindet, da er auf dieser Seite den Verlauf des Messsignals s(t, T) stärker beeinflusst.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Auch hier ist ein kombiniertes Element 9 in den Chip integriert. Dieser Chip ist als separates Bauelement verbaut, und ist mit ei ner leitfähigen Klebstoffverbindung 17 auf einer Metallisierungslage 18 verklebt, welche auf einem Substrat 16 aufgebracht ist. Die Auswerte- und Steuerelektronik kann ebenfalls im Chip integriert oder außerhalb der Anordnung positioniert sein. Es wäre auch möglich an statt des Chips, welcher als Thermo Test Chip dient, handelsübliche MOSFET, ASIC oder ähnliches zu verwenden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5245293 [0005]
- DE 10202326 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur thermischen Überwachung der Beschädigung eines Gegenstandes, bei welchem eine durch die fortschreitende Beschädigung des zu untersuchenden Gegenstandes hervorgerufene Veränderung des Antwortverhaltens einer oder mehrerer temperaturabhängiger Messgrößen auf die Einprägung eines definierten Heizimpulses auf den Gegenstand untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, dass der definierte Heizimpuls durch elektrische Ansteuerung von Mitteln zur Wärmeerzeugung, die an oder in dem Gegenstand angeordnet sind, erzeugt wird und dass das Antwortverhalten auf das Aufbringen des definierten Heizimpulses an Mitteln zur Temperaturerfassung, die an oder in dem Gegenstand angeordnet sind, über mindestens eine durch die Mittel zur Temperaturerfassung erzeugte elektrische Messgröße gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortverhalten anhand abgeleiteter Größen der Messgröße untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Veränderung des Antwortverhaltens der temperaturabhängigen elektrischen Messgrößen an mehreren Stellen des Gegenstandes gemessen wird, und dass diese an verschiedenen Stellen gemessenen Antwortverhalten oder die von diesen abgeleiteten Größen miteinander verglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Vergleich der Schaden lokalisiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortverhalten der temperaturabhängigen Messgröße mit einem Soll-Antwortverhalten und/oder aus dem Antwortverhalten ermittelte Werte mit Soll-Werten verglichen werden und abhängig von der Abweichung die Beschädigung oder der Grad der Beschädigung des Gegenstandes festgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messungen der temperaturabhängigen Größe zu mehreren verschiedenen Messzeitpunkten durchgeführt werden, und dass aus der Veränderung der Messgröße oder einer abgeleiteten Größe zwischen den verschiedenen Messzeitpunkten Vorhersagen über die voraussichtlich verbleibende Lebensdauer erstellt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Wärmeerzeugung gleichzeitig als Mittel zur Temperaturerfassung ausgebildet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des Antwortverhaltens der temperaturabhängigen Messgröße oder einer daraus abgeleiteten Größe, die Beschädigung, der Grad der Beschädigung oder die Restlebensdauer von anderen Gegenständen, welche in der Nähe des überwachten Gegenstandes angeordnet sind durch ein Lebensdauermodell approximiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Antwortverhalten der temperaturabhängigen elektrischen Messgröße die transiente thermische Impedanz errechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmessung zu je einem Zeitpunkt vor und nach Erzeugung des Heizimpulses durchgeführt wird, wobei die Zeitpunkte der Messung abhängig vom Gegenstand und/oder der Beschädigung im Vorhinein durch Simulation und/oder Messung bestimmt werden.
Vorrichtung zur thermischen Überwachung der Beschädigung eines Gegenstandes, mit Mitteln zur Wärmeerzeugung zum Aufprägen eines definierten Heizimpulses auf den Gegenstand und Mitteln zur Temperaturerfassung zur Erzeugung mindestens einer temperaturabhängigen Messgröße sowie einer Auswerteelektronik zur Auswertung der temperaturabhängigen Messgröße, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Wärmeerzeugung mindestens eine elektrisch betriebene Wärmequelle aufweist und die Mittel zur Temperaturerfassung ausgebildet sind die temperaturabhängige Messgröße als elektrische Messgröße zu erzeugen, und dass sowohl die Mittel zur Temperaturerfassung als auch die Mittel zur Wärmeerzeugung an dem Gegenstand befestigt oder in ihn integriert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand als elektronisches Bauteil, integrierte Schaltung, Halbleitermodul, mikromechanisches Bauteil oder dergleichen ausgebildet ist und/oder solche enthält.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine elektrisch betriebene Wärmequelle als Diode, Widerstand, Transistor, als elektronische und/oder integrierte Schaltung, Kondensator und/oder Induktivität ausgebildet ist oder mindestens eine dieser Komponenten enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Temperaturerfassung als temperaturabhängiger elektronische und/oder integrierte Schaltung, Wider stand, Diode, Thermoelement, Transistor und/oder Kondensator ausgebildet sind oder mindestens eins dieser Bauteile enthält.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, gekennzeichnet dadurch, dass die Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder die Mittel zur Temperaturerfassung funktionelle Bestandteile des zu überwachenden Gegenstands sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, die Mittel zur Wärmeerzeugung gleichzeitig die Mittel zur Temperaturerfassung bilden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik in den zu überwachenden Gegenstand integriert oder an ihm befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik logische Bauelemente zum Auswerten der Temperaturabhängigen Messgröße und/oder davon abgeleiteter Größen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik eine Vergleichsschaltung zum Vergleich des Antwortverhaltens der erfassten elektrischen temperaturabhängigen Messgröße oder eines daraus abgeleiteten Wertes mit einem Sollverhalten bzw Sollwert, eine Steuereinheit zur Ansteuerung der Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder eine Speichervorrichtung zum Speichern der elektrischen temperaturabhängigen Messgröße und/oder daraus abgeleiteter Werte aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik eine Uhr und/oder einen Zeitgeber zur automatischen Durchführung der Messung in festen Zeitabständen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegenstand selbst die Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder Temperaturerfassung bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Mittel zur Wärmeerzeugung und/oder Temperaturerfassung auf oder in dem Gegenstand angeordnet sind