DE102010025474A1

DE102010025474A1 - Messvorrichtung für die Messung von Kräften in Strukturbauteilen

Info

Publication number: DE102010025474A1
Application number: DE102010025474A
Authority: DE
Inventors: Martin Kluge; Fabian Sedelmeier; Thomas Becker
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US9046449B2; US20140007702A1; WO2012000662A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung (10) für die Messung von Kräften in Strukturbauteilen (100), aufweisend einen Messfühler (20), der derart ausgeführt ist, dass er kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Strukturbauteil (100) verbunden ist sowie in Abhängigkeit von Kraftübertragungen im Strukturbauteil (100) Messsignale erzeugt, die Messvorrichtung weiter aufweisend ein auf den Messfühler (20) aufgesetztes Messgehäuse (30), das Kontaktiermittel (32) für die Kontaktierung des Messfühlers (20) am Strukturbauteil (100) für den Empfang der vom Messfühler (20) erzeugten Messsignale und Weiterverarbeitungsmittel (34) für die Weiterverarbeitung der empfangenen Messsignale aufweist, wobei das Messgehäuse (30) Verbindungsmittel (36) aufweist, die ausgeführt sind zur Positionierung und zur lösbaren Befestigung des Messgehäuses (30) am Strukturbauteil (10), und wobei durch die lösbare Befestigung mit den Verbindungsmitteln (36) die Kontaktierungsmittel (32) des Messgehäuses (30) mit dem Messfühler (20) für den Empfang der Messsignale in Kontakt treten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung für die Messung von Kräften in Strukturbauteilen.
Derartige Messvorrichtungen sind beispielsweise bekannt bei der Messung von Kräften in Strukturbauteilen von Hochauftriebssystemen eines Flugzeuges. Dort werden sie zum Beispiel eingesetzt, um bei der Übertragung von Kräften auf Stellklappen sicherzustellen, dass die maximal zulässigen Kräfte nicht überschritten werden. Die bekannten Sensoren sind üblicherweise direkt in oder an den Gelenken der Kraft übertragenden Strukturteile angeordnet, welche diese mit weiteren Bauteilen gelenkig verbinden. Nachteilige bei den bekannten Messvorrichtungen ist zum einen die komplizierte Anordnung innerhalb des Gelenks und die damit einhergehende schwere Zugänglichkeit der Messvorrichtung hinsichtlich ihrer Anbringung. Darüber hinaus müssen die bekannten Messvorrichtungen zum Teil mit Strom versorgt werden und darüber hinaus die erzeugten Messsignale an weiterverarbeitende Elemente wie beispielsweise eine Kontrolleinheit versendet werden. Hierfür sind bei den bekannten Messvorrichtungen Anschlüsse notwendig, welche mechanisch mit den Messvorrichtungen verbunden werden und von dort in Form von Kabeln zu Kontrolleinheiten verlaufen. Aufgrund dieser Anordnung sind bekannte Messvorrichtungen nur schwer und mit großem Aufwand austauschbar. Insbesondere bei der Verwendung von Messvorrichtungen in Flugzeugen ist jedoch der hohe Austauschaufwand mit einem hohen Zeitaufwand und damit auch mit hohen Kosten bei der Wartung des Flugzeuges verbunden. Auch die Anordnung der Messvorrichtung innerhalb des Gelenkes hat zum Nachteil, dass ein Austausch sehr zeitaufwendig ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die voranstehend beschriebenen Nachteile bekannter Messvorrichtungen zu lösen.
Voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung für die Messung von Kräften in Strukturbauteilen weist dabei einen Messfühler auf, der derart ausgeführt ist, dass er kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Strukturbauteil verbindbar ist sowie in Abhängigkeit von Kraftübertragungen im Strukturbauteil Messsignale erzeugt. Weiter ist ein auf den Messfühler aufgesetztes Messgehäuse vorgesehen, welches Kontaktiermittel für die Kontaktierung des Messfühlers am Strukturbauteil, um die vom Messfühler erzeugten Messsignale zu empfangen, und Weiterverarbeitungsmittel für die Weiterverarbeitung der empfangenen Messsignale aufweist. Das Messgehäuse weist Verbindungsmittel auf, welche ausgeführt sind, um zur Positionierung und zur lösbaren Befestigung des Messgehäuses am Strukturbauteil zu dienen. Durch diese lösbare Befestigung mit den Verbindungsmitteln treten die Kontaktierungsmittel des Messgehäuses mit dem Messfühler für den Empfang der Messsignale in Kontakt.
Zusammengefasst kann gesagt werden, dass eine erfindungsgemäße Messvorrichtung zwei voneinander separierte Teile, nämlich einen Messfühler und ein Messgehäuse aufweist. Diese Trennung von Messfühler zur Erzeugung der Messsignale einerseits und Messgehäuse zur Aufnahme sämtlicher weiterverarbeitenden Mittel sowie zur Aufnahme von Kontaktierungsmittel andererseits, hat mehrere entscheidende Vorteile. So kann zum einen der Messfühler exakt an den Einsatzort angepasst werden. Solche Messfühler sind beispielsweise direkt an Kraft übertragenden Strukturbauteilen, wie beispielsweise Schub- oder Zugstangen anordenbar. Beispielsweise umschließt der Messfühler eine solche Stange vollständig. Da ein solcher Messfühler aufgrund der nicht im Messfühler angeordneten Weiterverarbeitungsmittel sehr einfach und kostengünstig ausgeführt sein kann, ist auch das Vorsehen mehrerer Messfühler nebeneinander entlang der axialen Erstreckung einer Schub- oder Zugstange denkbar. Die komplexe Technik und damit der kostenaufwendigere Teil ist im Messgehäuse angeordnet. Dieses Messgehäuse kann aufgrund der separaten Ausgestaltung vom Messfühler auch in relativ einfacher Weise vom Messfühler entfernt werden und durch ein anderes, beispielsweise ein neues Messgehäuse mit neuen Weiterverarbeitungsmitteln ersetzt werden. Das Messgehäuse bildet damit eine so genannte ”line replaceable unit” (abgekürzt LRU), welche als Blackbox, also ohne Zugriff von Außen auf die Kontaktierungsmittel und die Weiterverarbeitungsmittel, vom Wartungspersonal angebracht werden kann. Dabei ist entscheidend, dass das Messgehäuse in Korrelation zur lösbaren Befestigung mit den Verbindungsmitteln sozusagen automatisch mit dem Messfühler Kontakt aufnimmt. Mit anderen Worten erzeugt die lösbare Befestigung mit den Verbindungsmitteln die Kontaktierung mit Hilfe der Kontaktierungsmittel für den Empfang der Messsignale. Das Wartungspersonal, welches ein Messgehäuse auf den Messfühler aufsetzt, muss demnach im Gegensatz zu den bekannten Messvorrichtungen nicht mehr aufwendig die Kontaktierung selbst durchführen sowie sicherstellen, dass diese auch funktioniert, da eben diese Kontaktierung automatisch erfolgt. Die Weiterleitung der Messsignale aus dem Messgehäuse heraus kann aufgrund der definierten Ausmaße des Messgehäuses, der Ausführung als Blackbox und der Möglichkeit der Anordnung der Messvorrichtung in leichter zugänglichen Bereichen deutlich einfacher und kostengünstiger gestaltet werden.
Unter der Ausführung des Messfühlers, dass dieser kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Strukturbauteil verbindbar ist, sind diverse Verbindungen denkbar. So ist es beispielsweise möglich, dass der Messfühler direkt auf das Strukturbauteil, beispielsweise mittels eines galvanischen Verfahrens oder eines Aufdampfverfahrens, aufgebracht wird. In einem solchen Fall kann auf eine Klebefläche und einen dazwischen liegenden Polymerfilm vollständig verzichtet werden. Die mit solchen Klebefilmen hergehende unzureichende mechanische Verbindung zwischen Strukturbauteil und Messfühler und die damit einhergehende Unzuverlässigkeit hinsichtlich der Korrelation der erzeugten Messsignale des Messfühlers mit den tatsächlichen Kraftverhältnissen im Strukturbauteil, kann auf diese Weise reduziert, bzw. sogar vermieden werden. Eine weitere Möglichkeit ist das einstückige Ausbilden des Messfühlers mit dem Strukturbauteil. Dies erfolgt zum Beispiel durch ein Einlaminieren des Messfühlers im Strukturbauteil, insbesondere wenn dieses aus Laminatstrukturen mit Glasfasern und Kohlefasern besteht.
Die Weiterverarbeitung mittels der Weiterverarbeitungsmittel des Messgehäuses ist in erster Linie dazu ausgelegt, die Messsignale zu empfangen und diese für die Verwendung, beispielsweise in einer Flugsteuerung oder in der Kontrolle der Stellklappen eines Hochauftriebssystems zu verwenden. So sind beispielsweise Weiterverarbeitungsmittel denkbar, welche Analogdigitalwandler aufweisen, Signalverstärker oder Empfangs- und Weiterleitungsschnittstellen. Jedoch sind unter den Weiterverarbeitungsmitteln auch solche zu verstehen, welche die Messung unterstützen, wie beispielsweise Batterien oder Kondensatoren zum zur Verfügung stellen von Energie. Die Weiterverarbeitungsmittel können demnach eine Vielzahl von Einzelbauteilen enthalten.
Bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung kann es vorteilhaft sein, wenn die Kontaktierungsmittel für eine drahtlose Übertragung der Messsignale vom Messfühler zum Messgehäuse ausgebildet sind. Solche drahtlose Übertragungen haben insbesondere den Vorteil, dass mechanische Defekte der Kontaktierungsmittel aufgrund des Nichtvorhandenseins mechanischer Komponenten ausgeschlossen sind. Die drahtlose Übertragung kann beispielsweise kapazitiv oder auch induktiv folgen. Bei kapazitiver Übertragung bildet der Messfühler einen Teil des Kondensators, während im Kontaktierungsmittel der zweite Teil des Kondensators vorgesehen ist. Je nach Kraftsituation im Strukturbauteil und den damit im Messfühler erzeugten Messsignalen wird über die kapazitive Kopplung durch die Kontaktierungsmittel das Messsignal an die Weiterverarbeitungsmittel im Messgehäuse übertragen. Bei induktiver Übertragung wird in ähnlicher Weise das Phänomen der Induktivität für die Übertragung der Messsignale mittels der Kontaktierungsmittel auf die Weiterverarbeitungsmittel des Messgehäuses ausgenützt. Dabei wir die Verbindung vorteilhafter Weise im Nahfeld, z. B. ISM-Bänder im Bereich von 13,56 MHz oder Frequenzen kleiner als 135 kHz, hergestellt. Auch eine Kontaktierung mittels eines ACAs (anisotropic conductive adhesive) ist möglich. Dabei wäre beispielsweise unter Druckeinwirkung durch die Verbindungsmittel eine anisotrope Leitfähigkeit erzielt. Somit würde die Korrosion der Kontaktflächen vermieden sein.
Alternativ oder parallel zur drahtlosen Übertragung kann es auch vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung die Kontaktierungsmittel für eine berührende Übertragung der Messsignale vom Messfühler zum Messgehäuse ausgebildet sind. Eine solche berührende Übertragung kann beispielsweise durch mechanische Komponenten, wie eine Kontaktierung mit einem Dorn oder mit einem Federstift ausgeführt sein. Ein Dorn kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass er bei der Erzeugung der lösbaren Verbindung mit den Verbindungsmitteln zwischen dem Messgehäuse und dem Messfühler in den Messfühler eingedrückt wird. Dabei kann der Dorn Schutz- oder Isolierschichten des Messfühlers durchstoßen und direkt zum Messfühlermaterial, als das Material, welches die Messsignale erzeugt, vorstoßen. Durch das lösbare Befestigen mit den Verbindungsmitteln gelangt der Dorn also in Kontakt mit dem Messfühlermaterial des Messfühlers und erzeugt damit den Kontakt zur Möglichkeit des Empfangs der Messsignale durch die Weiterverarbeitungsmittel im Messgehäuse. Auch die Verwendung von Federstiften oder anderweitig gelagerten mechanischen Elementen, welche in Korrelation zur lösbaren Befestigung mit den Verbindungsmitteln einen Kontakt mit dem Messfühler, insbesondere mit dessen Messfühlermaterial aufbauen, ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.
In einigen Einsatzsituationen kann es vorteilhaft sein, wenn die Messvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der Messfühler dafür ausgebildet ist, einstückig mit dem Strukturbauteil geformt zu werden. Insbesondere bei Strukturbauteilen, welche aus Glasfaser- und/oder Kohlefaserkomponenten, z. B. GFK oder CFK Strukturbauteile bestehen, kann in relativ einfacher Weise eine einstückige Ausbildung erzielt werden, indem der Messfühler zumindest teilweise im Produktionsprozess des Strukturbauteils mit eingebunden ist. Bei der Verwendung von fließfähigen Verbindungsmitteln, wie beispielsweise Gießharzen, kann der Messfühler in eine Form des Strukturbauteils mit eingelegt werden und beim anschließenden Gieß- bzw. Laminiervorgang kraft- und formschlüssig mit dem Strukturbauteil verbunden werden. Neben der einfachen Handhabung dieser Produktionsweise sind weitere Vorteile zu beachten. So ist auf diese Weise ein idealer Kraft- und Formschluss zwischen Messfühler und Strukturbauteil gegeben, da der Messfühler sozusagen Teil des Strukturbauteils geworden ist. Die Zuverlässigkeit einer solchen kraft- und formschlüssigen Verbindung ist im Hinblick auf die Wiedergabe der tatsächlichen Kraftverhältnisse im Strukturbauteil durch die erzeugten Messsignale außerordentlich hoch. Darüber hinaus ist eine derartige einstückige Ausgestaltung von Vorteil, da der Messfühler sich geschützt im Strukturbauteil befindet. Äußere Beeinflussungen durch Witterung oder Verschleiß des Strukturbauteils kommen erst verzögert oder überhaupt nicht beim Messfühler an, wodurch dieser in seiner Funktionalität auch im Dauereinsatz im Wesentlichen konstant bleibt. Bei einer derartigen Ausgestaltung kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn zur Übertragung der Messsignale auf die Weiterverarbeitungsmittel des Messgehäuses eine berührungslose Kontaktierung, beispielsweise eine Funkübertragung, durch die Kontaktierungsmittel im Messgehäuse hergestellt wird. Auf diese Weise muss die äußerste Schicht des Strukturbauteils nicht verletzt werden.
Alternativ oder auch in Kombination mit dem einstückigen Ausbilden des Messfühlers können auch einzelne Bereiche oder Schichten des Messfühlers oder auch der gesamte Messfühler derart ausgebildet sein, dass sie auf dem Strukturbauteil abgeschieden werden. Solche Abscheidungsprozesse können beispielsweise durch das Aufdampfen von Materialien und den damit resultierenden feinen Schichten auf der Oberfläche des Strukturbauteils erzeugt werden. Das Aufdampfen kann auch mit chemischen Reaktionen einhergehen, so dass neben der formschlüssigen Verbindung durch das Aufdampfen auch eine kraftschlüssige Verbindung beispielsweise durch chemische Bindungen zusätzlich zu Adhäsionskräften entsteht. Nach oder während des Aufdampfprozesses oder zwischen verschiedenen Aufdampfprozessen für verschiedene Schichten des Messfühlers kann ein Mikrostrukturierungsvorgang stattfinden, welcher vorteilhafte Strukturen in dem Messfühler, insbesondere im Messfühlermaterial erzeugt. Bei mehrschichtigen Messfühlern, welche eine Schicht aus Messfühlermaterial, zum Beispiel piezoelektrischen Materialien aufweisen, können auf diese Weise mehrschichtige Aufbauten erzielt werden, in welchen die Messfühlermaterialschicht eine Struktur aufweist, welche an die erwartete Kraftsituation im Strukturbauteil dahingehend angepasst ist, dass sie in idealer Weise Messsignale erzeugt, welche mit der realen Kraftsituation im Strukturbauteil weitestgehend korrelieren. Zum Beispiel sind Mikrostrukturen in Form von Kammstrukturen oder fadenartigen Bereichen denkbar, welche entlang der erwarteten Hauptkraftrichtung verlaufen.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung kann einen Messfühler aufweisen, welcher großflächig ausgeführt ist, um eine größere Fläche des Strukturbauteils abzudecken als das Messgehäuse selbst. Insbesondere bei der Verwendung von Aufdampfprozessen oder beim einstückigen Ausführen des Messfühlers mit dem Strukturbauteil kann eine großflächige Ausgestaltung des Messfühlers relativ einfach gewährleistet werden. Beim Aufdampfprozess wird einfach eine größere Fläche des Strukturbauteils bedampft und die notwendigen Schichten zur Erzeugung des Messfühlers damit auf einer größeren Fläche aufgebracht. Auch das Einlaminieren kann in ähnlicher Weise großflächig erfolgen. Die Zusatzkosten für die Großflächigkeit des Messfühlers sind dabei relativ gering im Vergleich zu der teureren Elektronik, welche im Messgehäuse angeordnet ist. Auf diese Weise können auch komplexere Strukturen von Strukturbauteilen, wie zum Beispiel im Wesentlichen zylindrische Zug- oder Druckstäbe großflächig mit Messfühlern ausgestattet werden, während das Messgehäuse am dafür am geometrisch geeignetsten Platz angeordnet werden kann. Unter großflächig ist dabei auch zu verstehen, dass eine Mehrzahl von Messfühlern direkt nebeneinander oder beabstandet voneinander vorgesehen werden kann, um somit eine große Fläche mit Messfühlern am Strukturbauteil zu erhalten. Dies hat weiter den Vorteil, dass das Messgehäuse im Laufe des Strukturbauteillebens, zum Beispiel bei definierten Wartungsintervallen von einem Messfühler auf einen anderen aufgesetzt werden können. So wird Verschleiß durch die Messung, insbesondere im Bereich der Kontaktierungsmittel dahingehend ausgeglichen, dass unter Verwendung eines einzigen Messgehäuses eine Mehrzahl von Messfühlern über die Lebensdauer des Strukturbauteils verwendet werden kann. Auch kann ein solches Strukturbauteil modular verwendet werden, da das Messgehäuse je nach tatsächlichem Einsatzort und nach tatsächlicher Einsatzsituation an unterschiedlichen Orten angebracht werden kann. Der je nach Einsatzsituation wechselnde ideale geometrische Ort des Messgehäuses kann somit mit einem einzigen Bauteil für alle Einsatzsituationen gewährleistet werden.
Es kann vorteilhaft sein, wenn der Messfühler einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung zur Erzeugung des Messsignals mit wenigstens einem piezoelektrischen Element ausgestattet ist. Die Verwendung von piezoelektrischen Elementen als piezoelektrisches Material für die Ausbildung des Messfühlers hat den Vorteil, dass in sehr einfacher Weise und vor allem unabhängig von äußeren Energiequellen Messsignale in Form von elektrisch messbaren Paramteränderungen erzeugt werden können. Ein weiterer Vorteil ist die kostengünstige Einsetzbarkeit von piezoelektrischen Elementen, welche darüber hinaus auch in einfacher Weise kraft- und/oder formschlüssig mit dem Strukturbauteil verbindbar sind. So sind die piezoelektrischen Elemente vorteilhafterweise aus einem Material, welches einen Aufdampfprozess für die Messfühlermaterialschicht ermöglicht. Dabei kann die gesamte Schicht des Messfühlermaterials aus piezoelektrischem Material gefertigt sein und vorteilhafter Weise das Strukturbauteil im gesamten Bereich des Messfühlers umgeben.
Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, wenn die Weiterverarbeitungsmittel eine Funkeinrichtung zum Versenden der vom Messfühler empfangenen Signale aufweist. Die Weiterverarbeitungsmittel mit einer Funkeinrichtung haben den Vorteil, dass ein derartiges Messgehäuse überhaupt nicht mehr mit Kabeln versehen werden muss, um die Messsignale, bzw. die weiterverarbeiteten Signale, an die notwendige Stelle, beispielsweise eine Kontrolleinheit oder eine zentrale Rechnereinheit zu versenden. Als Funkübertragungen können sowohl so genannte ”near field communication” (NFC) oder andere Nahbereichfunksysteme wie beispielsweise Bluetooth-Funksysteme verwendet werden. Jedoch sind auch andere Funksysteme, beispielsweise im Hochfrequenzbereich denkbar, wobei darauf zu achten ist, dass die Funksignale andere, sensible Kontrollelemente, insbesondere bei der Verwendung bei Strukturbauteilen für Flugzeuge die Flugsteuerung, nicht negativ beeinflussen. Der auf diese Weise möglich Verzicht auf mechanische Verbindungen zur Messvorrichtung erhöht die Variabilität im Einsatz der erfindungsgemäßen Messvorrichtung noch weiter.
Um die Weiterverarbeitungsmittel noch weiter zu verbessern, kann es vorteilhaft sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung diese mit wenigstens einer Platine ausgestattet sind. Diese Platine kann unterschiedliche elektronische Bauteile aufweisen und damit zusammenfassen. So sind Signalverstärker für die Verstärkung des empfangenen Messsignals denkbar, wie auch Analog/Digitalwandler (A/D Wandler), welche die empfangenen analogen Messsignale für die Verarbeitung in nachfolgenden Kontrolleinheiten in Digitalsignale umwandeln. Auch das Vorsehen einer Batterie zur Stromversorgung der im Messgehäuse angeordneten elektronischen Bauteile ist denkbar. Das Messgehäuse kann auf seiner Platine jedoch auch deutlich weitergehende Funktionen erfüllen, zum Beispiel kann eine Auswerteeinheit; eine Vorverarbeitung der Signale oder sogar direkt eine Kontrolleinheit für die Steuerung von nachfolgenden Strukturelementen, wie beispielsweise Stellklappen, vorgesehen sein. Weiter kann das Weiterverarbeitungsmittel, insbesondere die Platine, eine Schnittstelle für die Weiterleitung der Signale aufweisen. Diese Schnittstelle kann neben der bereits erläuterten Funkverbindung auch eine mechanische Schnittstelle sein, welche beispielsweise in Form von Steckverbindungen über Schnappraststecker ausgeformt ist. Durch die Anordnung einer definierten Schnittstelle im Messgehäuse kann diese deutlich einfacher und vor allem in normierter Weise ausgebildet werden. Dies führt einerseits zu einer Leichteren Nutzbarkeit der Schnittstelle und andererseits zu einer sichereren Verbindung mit an der Schnittstelle angebrachten Signalkabeln.
Insbesondere beim Dauereinsatz erfindungsgemäßer Messvorrichtungen kann es vorteilhaft sein, wenn das Messgehäuse gegen das Eindringen von festen oder flüssigen Komponenten mit Dichtmitteln abgedichtet ist. Solche Dichtmittel können beispielsweise in Form von O-Ringen, Flachdichtungen aus Kunststoff oder Metalldichtungen ausgeführt sein. Sie bringen den Vorteil mit sich, dass auch im Dauereinsatz schädigende Stoffe in Form von Feststoffen oder Flüssigkeiten nicht in das Messgehäuse eindringen können und die darin beinhalteten elektronischen Bauteile, insbesondere die Kontaktierungsmittel und die Weiterverarbeitungsmittel negativ beeinflussen. Das Messgehäuse weist für diese Dichtmittel Aufnahmebereiche auf, so dass die Dichtmittel ihre Dichtwirkung in idealer Weise ausüben können. Diese Aufnahmebereiche können Nuten, Vertiefungen oder auch Abstufungen sein, welche hinsichtlich ihrer Oberfläche an die Ausbildung einer Dichtlinie angepasst sind.
Ebenfalls kann es vorteilhaft sein, wenn das Messgehäuse einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in Form einer Manschette ausgeführt ist, welche das Strukturbauteil umgreifen kann. Das Vorsehen einer umgreifenden Manschette hat den Vorteil, dass das Strukturbauteil vollkommen unabhängig von der Manschette des Messgehäuses ist. Vielmehr ist die Manschette an die Form des Strukturbauteils, beispielsweise an eine Zug- oder Schubstange angepasst. Die Befestigung des Messgehäuses am Strukturbauteil erfolgt beim Vorsehen einer Manschette, beispielsweise durch Erhöhung der Reibung zwischen Manschette und Strukturbauteil, also sozusagen durch ein Anpressen der Manschette an das Strukturbauteil. Dieses Anpressen kann großflächig, also im gesamten Kontaktbereich zwischen Strukturbauteil und Messgehäuse erfolgen, jedoch sind auch einzelne Bereiche, beispielsweise unter der Verwendung von Madenschrauben denkbar, welche unter einer erhöhten Reibung, also durch eine Pressung, die lösbare Befestigung der Manschette und damit des Messgehäuses am Strukturbauteil erzielen. Ein weiterer Vorteil der Ausbildung als Manschette ist, dass keine Anpassung des Strukturbauteils an die Befestigung der Manschette notwenig ist. Insbesondere sind keine Bohrungen oder Gewinde notwendig, welche die Kraftverläufe im Strukturbauteil negativ beeinflussen würden. Damit ist auch ein Nachrüsten bereits existierender Bauteile möglich, ohne dass diese neukonstruiert und vor allem neu für den Einsatz zugelassen werden müssten. Insbesondere bei der Verwendung der Messvorrichtung für Hochauftriebssysteme von Flugzeugen ist dies von großem Vorteil, da insbesondere die Zulassung neuer Bauteile zeit- und kostenintensiv ist.
Insbesondere bei der Verwendung einer Manschette als Messgehäuse, jedoch auch in anderen Varianten einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung, kann es sinnvoll sein, wenn die Verbindungsmittel des Messgehäuses ein Scharnier zum Öffnen und Schließen der Manschette aufweisen. Die Verwendung eines Scharniers hat den Vorteil, dass es sich hierbei um ein sehr einfaches Verbindungsmittel handelt, welches insbesondere keine lösbaren oder losen Teile beinhaltet. Vielmehr ist es so, dass das Wartungspersonal beim Anlegen des Messgehäuses am Strukturbauteil um den Messfühler eine reduzierte Teilezahl zur Verfügung hat, da das Scharnier fest mit dem Messgehäuse bzw. den einzelnen Segmenten eines Messgehäuses verbunden ist. Darüber hinaus erschließt sich die Funktionsweise eines Scharniers intuitiv und es legt die Relativbewegung einzelner Segmente eines Messgehäuses zueinander sehr stark fest. Fehlmontagen, welche zu ungenügenden Messergebnissen oder zu sonstigen Fehlfunktionen der Messvorrichtung führen können, werden auf diese Weise so gut wie ausgeschlossen.
In einigen Ausführungsformen kann es vorteilhaft sein, wenn die Messvorrichtung ein Messgehäuse aufweist, das sich aus mehreren Segmenten zusammensetzt. Das Vorsehen mehrerer Segmente für das Messgehäuse hat den Vorteil, dass auch komplette Geometrien von Strukturbauteilen mit einem Messgehäuse versehen werden können. Insbesondere bei Umschließen des Strukturbauteils, beispielsweise mittels einer als Manschette geformten Messgehäuses, kann die segmentweise Ausgestaltung Vorteile mit sich bringen. Im einfachsten Fall, insbesondere beim Verwenden eines Scharniers zwischen zwei Segmenten eines Messgehäuses, wird das Messgehäuse über das Scharnier segmentweise aufgeklappt, um das Strukturbauteil in Form einer Schub- oder Zugstange herumgelegt und mittels des Scharniers wieder zugeklappt. Nach dem Verschließen dienen weitere Verbindungsmittel, wie beispielsweise eine Schraube oder Madenschrauben zur Erhöhung einer Flächenpressung zwischen Messgehäuse und Strukturbauteil, so dass das Messgehäuse lösbarer auf dem Strukturbauteil befestigt wird.
Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung kann dahingehend ausgebildet sein, dass das Verbindungsmittel wenigstens eine Schraubverbindung aufweist, welche so ausgeführt ist, dass einzelne Segmente des Messgehäuses derart miteinander verbunden werden können, dass das Messgehäuse mit dem Strukturbauteil mittels Flächenpressung befestigt wird. Diese Schraubverbindung kann dahingehend verstanden werden, dass sie eine Verbindung der beiden Segmente untereinander erzielt, so dass, beispielsweise bei der Ausbildung als Manschette, das Messgehäuse einen zentralen Öffnungsdurchmesser hat, welcher sich durch das Anziehen einer solchen Verbindungsschraube reduziert. Dieses Reduzieren schrumpft sozusagen über die Schraube das Messgehäuse auf das Strukturbauteil auf. Die damit erzielte Flächenpressung dient der lösbaren Befestigung des Messgehäuses am Strukturbauteil. Die Reduktion des zentralen Öffnungsdurchmessers kann jedoch auch in Form von Madenschrauben erfolgen, welche Bereiche des Messgehäuses plastisch oder elastisch verformen und damit die gewünschte Pressung zwischen Messgehäuse und Strukturbauteil erzeugen.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn eine erfindungsgemäße Messvorrichtung einzelne Segmente des Messgehäuses aufweist, welche mit Kontaktflächen versehen sind. Diese Kontaktflächen dienen dazu, Messsignale oder Weiterverarbeitungssignale zwischen den einzelnen Segmenten des Messgehäuses zu übertragen. Die segmentweise Ausgestaltung des Messgehäuses dient somit dazu, einzelne Segmente mit unterschiedlichen Funktionalitäten, also mit unterschiedlichen elektronischen Bauteilen auszustatten. Dies hat neben der einfacheren Montierbarkeit des Messgehäuses den weiteren Vorteil, dass bei Fehlern im elektronischen Bauteil in einem Segment des Messgehäuses nur dieses eine Segment ausgetauscht werden muss. So kann beispielsweise beim Ausfall der Batterie im Messgehäuse oder einfach beim Leerwerden dieser Batterie das entsprechende Segment vom Rest des Messgehäuses entfernt und ausgetauscht werden.
Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn das Innere des Messgehäuses von außen in einfacher Weise zugänglich ist. Dies kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass das Messgehäuse einen verschließbaren Deckel aufweist. Dabei ist wiederum darauf zu achten, dass Dichtmittel vorgesehen sind, welche ein Eindringen von Feststoffen oder Flüssigkeiten in das Innere des Messgehäuses über den Deckel oder Spalte zwischen Deckel und Rest des Messgehäuses, vermieden werden. Dieser Deckel kann beispielsweise so gestaltet sein, dass er ausschließlich bei nicht angelegtem Messgehäuse geöffnet werden kann. Im angelegten Zustand, also im Zustand, in welchem das Messgehäuse am Strukturbauteil um den Messfühler befestigt ist, kann beispielsweise der Deckel in einem unzugänglichen Bereich liegen. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass einerseits eine leichte Montage der elektronischen Bauteile im Messgehäuse stattfinden können, diese jedoch nicht unabsichtlich von nicht ausgebildetem Wartungspersonal bei angelegtem Messgehäuse beeinträchtigt werden können.
Wie bereits zu den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung angeklungen ist, kann eine erfindungsgemäße Messvorrichtung besonders gut bei Verstellmechanismen von Stellklappen einer Hochauftriebsvorrichtung eines Flugzeuges zum Einsatz kommen. Solche Hochauftriebssysteme besitzen üblicherweise einen Hauptflügel, welcher hauptsächlich die an der Hochauftriebsvorrichtung angreifenden Luftlasten aufnimmt und damit den Großteil des Auftriebs erzeugt. Jedoch sind in bestimmten Flugsituationen von Flugzeugen besondere Anforderungen an das Hochauftriebssystem zu stellen. So ist zum Beispiel im Reiseflug ein möglichst geringer Luftwiderstand erwünscht um den Treibstoffverbrauch des Flugzeuges zu minimieren. Für Start und Landung ist jedoch eine möglichst große Auftriebskraft erwünscht. Für diese Fälle sind Stellklappen, welche teilweise auch als Landeklappen bezeichnet werden, an der Hochauftriebsvorrichtung vorhanden, welche relativ zum Hauptflügel bewegt werden können. Diese Bewegung, also das Verstellen der Stellklappen erfolgt üblicherweise über Aktuatoren, welche von Hydrauliksystemen angesteuert werden. Diese Aktuatoren können zum Beispiel Hebelkinematiken aufweisen, die die Hauptlasten von der Stellklappe einer Hochauftriebsvorrichtung übertragen, wobei jedoch zumindest ein aktives Hebelelement vorgesehen sein muss, über welches die Stellkraft auf die Stellklappe übertragen wird. Eine erfindungsgemäße Messvorrichtung kann nun vorteilhafter Weise an diesen aktiven Hebelelement oder auch an anderen Elementen der Hebelkinematik angebracht sein. Dort kann es in Kommunikationsverbindung mit der Hydrauliksteuerung des Aktuators und/oder mit der Flugsteuerung selbst treten. Auf diese Weise können Überlastsituationen im Aktuator verhindert oder zumindest deren Dauer minimiert werden. Dies führt zu verlängerten Einsatzzeiten des Strukturbauteils einerseits und zur erhöhten Sicherheit andererseits. So kann beispielsweise nach einer vorgeschriebenen Anzahl von gemessenen Maximalbelastungen ein Wechsel des überwachten Strukturbauteils vorgesehen werden um einem etwaigen Versagen zuvor zu kommen.
Die Erfindung wird näher beschrieben anhand der beigefügten Zeichnungsfiguren. Die verwendeten Begriffe ”links”, ”rechts”, ”oben” und ”unten” beziehen sich dabei auf die Zeichnungsfiguren mit einer Ausrichtung mit normal lesbaren Bezugszeichen. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch eine schichtweise aufgebaute Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messfühlers.
2 ein Strukturbauteil mit mehreren Messfühlern und angelegtem Messgehäuse.
3 den Querschnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
4 Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung.
5 Querschnitt durch einen Teil eines Messgehäuses einer Ausführungsform eines Messgehäuses mit Deckel.
6 Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines Messgehäuses mit einem Dorn als Kontaktierungsmittel.
7 Querschnitt durch die Ausführungsform gemäß 6 im lösbar befestigten Zustand.
8 Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform mit drahtlosen Kontaktierungsmitteln im lösbar befestigten Zustand.
9 isometrische Darstellung eines Messgehäuses mit Manschettenausbildung und Scharnier.
10 Querschnitt durch eine innere Ausführungsform eines Verbindungsmittels.
11 Querschnitt durch eine äußere Ausführungsform eines Verbindungsmittels.
12 Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform mit Verbindungsmitteln aus dem Inneren des Messgehäuses.
13 Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform mit Verbindungsmitteln vom Äußeren des Messgehäuses.
14 schematischer Querschnitt durch eine Hochauftriebsvorrichtung mit angebrachter Messvorrichtung.
In 1 ist schematisch der Schichtaufbau eines Messfühlers 20 dargestellt. Dieser Messfühler 20 ist aus unterschiedlichen Schichten aufgebaut, wobei von unten beginnend als erstes das Strukturbauteil 100 zu sehen ist. Darauf aufgesetzt ist ein Haftvermittler 22, welchem eine Isolationsschicht 24 folgt. Darauf aufgesetzt ist eine Schicht aus Messfühlermaterial 26 sowie eine Kontaktschicht 28. Nach oben abgeschlossen wird der Schichtaufbau durch eine Passivierung 29. Die beiden unteren Schichten, also der Haftvermittler 22 und die Isolationsschicht 24, dienen zur kraftschlüssigen Verbindung des Messfühlers 20 mit dem Strukturbauteil 100. Die Schicht mit dem Messfühlermaterial 26 dient zur Erzeugung der Messsignale und ist in diesem Fall aus piezoelektrischem Material gefertigt. Die Kontaktschicht 28 dient für die Kontaktierungsmittel des Messgehäuses 30 und überträgt die erzeugten Messsignale des Messfühlermaterials 26 an die Kontaktierungsmittel 32 des Messgehäuses 30, welches in dieser Figur noch nicht dargestellt ist. Nach oben abschließend befindet sich die Schicht der Passivierung 29, welche den Messfühler 20 abschließt und vor negativen Umwelteinflüssen schützt. Die Schichten dieses Aufbaus wurden durch ein Aufdampfverfahren nacheinander auf das Strukturbauteil 100 aufgebracht.
2 zeigt eine isometrische Darstellung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Strukturbauteil 100 ist als Zug- und Druckstab ausgeführt, welcher eine im Wesentlichen zylindrische Ausprägung besitzt. Der Zug/Druckstab als Strukturbauteil 100 ist in diesem Fall mit vier Messfühlern 20 versehen, welche bei einer geringen Axialerstreckung des Messfühlers 20 entlang des Strukturbauteils 100 dieses in Umfangsrichtung vollständig umgeben. Die Messfühler 20 liegen als in Form von Bändern um das Strukturbauteil 100 herum. Von den vier Messfühlern 20 sind drei Messfühler 20 zu erkennen, da diese nicht mit einem Messgehäuse 30 versehen sind sondern als redundante Messfühler 20 dienen, auf welche das Messgehäuse 30 bei nachfolgenden Wartungsintervallen später aufgesetzt werden kann. Das Messgehäuse 30 ist auf dem vierten und deshalb auch nicht sichtbaren Messfühler 20 aufgesetzt und an dieser Stelle lösbar mit dem Strukturbauteil 100 befestigt. Auf diese Weise sind die Kontaktierungsmittel 32, welche in dieser Figur ebenfalls nicht zu erkennen sind, mit dem Messfühler 20 in Kontakt getreten, um erzeugte Messsignale zu übertragen. Das Messgehäuse 30 kann bei Wartungsintervallen oder bei akutem Ausfall des Kontaktierten Messfühlers 20 gelockert und auf den nächstliegenden Messfühler 20 weitergeschoben und wieder befestigt werden. Ein vollständiges Abnehmen des Messgehäuses 30, welches hier als Manschette ausgebildet ist, ist hierfür nicht erforderlich.
In 3 ist im Querschnitt eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 10 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Messgehäuse 30 aus zwei Segmenten 40 aufgebaut. Diese beiden Segmente 40 sind in ihrer Zusammenschau in Form einer Manschette ausgebildet, welche um das Strukturbauteil 100 herumgelegt werden kann. Ebenfalls im Querschnitt ist zu erkennen, dass das Strukturbauteil 100 in diesem Schnitt vollständig mit einem Messfühler 20 umgeben ist. Um das Messgehäuse 30 lösbar am Strukturbauteil 100 zu befestigen, werden die beiden Segmente 40 um das Strukturbauteil 100 und damit auch um den Messfühler 20 herumgelegt. Im anschließenden Schritt dienen zwei Verbindungsmittel 36 in Form von Schraubverbindungen 38 zur Verbindung der beiden Segmente 40 des Messgehäuses 30. Die beiden Schrauben 38 verschrauben also die beiden Segmente 40 miteinander und reduzieren damit den Innendurchmesser der Öffnung des Messgehäuses 30, durch welchen das Strukturbauteil 100 verläuft. Durch die Reduktion dieses Innendurchmessers entsteht eine Erhöhung der Reibung, insbesondere eine Flächenpressung zwischen den einzelnen Segmenten 40 des Messgehäuses 30 einerseits und dem Strukturbauteil 100 bzw. dem Messfühler 20 andererseits. Durch diese Flächenpressung wird das Messgehäuse 30 lösbar am Strukturbauteil 100 befestigt und gleichzeitig treten Kontaktierungsmittel 32, welche hier noch nicht dargestellt sind, in Kontakt mit dem Messfühler 20 für den Empfang von Messsignalen.
4 zeigt eine alternative Ausführungsform, wobei das Messgehäuse 30 ebenfalls aus zwei Segmenten 40 aufgebaut und in Manschettenform ausgeführt ist. Die beiden Segmente 40 sind mit einem Scharnier 37, welches Teil der Verbindungsmittel 36 ist, miteinander verbunden, so dass die beiden Segmente 40 des Messgehäuses 30 zueinander relativ geklappt werden können. Die Rotationsachse des Scharniers 37 verläuft dabei entlang der Symmetrieachse des zylindrisch ausgebildeten Strukturbauteils 100. Auf diese Weise kann die zentrale Öffnung, welche im Messgehäuse 30 durch die beiden Segmente 40 gebildet wird, über das Scharnier 37 auf der dem Scharnier 37 gegenüberliegenden Seite geöffnet und geschlossen werden.
Die 4 zeigt den geöffneten Zustand des Messgehäuses 30. In diesem Zustand wird das Messgehäuse 30 in Form der Manschette um das Strukturbauteil 100 herumgelegt und anschließend die beiden Segmente über die Rotationsachse des Scharniers 37 aufeinander zu bewegt, so dass sich die beiden Segmente und damit das Messgehäuse 30 vollständig um das Strukturbauteil 100 und damit auch um den Messfühler 20 schließen. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß 3 ist in diesem Fall nur eine einzelne Schraubverbindung 38 notwendig. Diese dient dazu, wiederum den Innendurchmesser der inneren Öffnung des Messgehäuses 30 dahingehend zu reduzieren, dass eine Erhöhung der Reibung, insbesondere Flächenpressung zwischen den einzelnen Segmenten 40 des Messgehäuses 30 und dem Strukturbauteil 100 dahingehend erzeugt wird, dass das Messgehäuse 30 lösbar am Strukturbauteil 100 befestigt wird. Im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 3 ist auf diese Weise die Befestigung noch einfacher, da sowohl die Segmente 40 des Messgehäuses 30 über das Scharnier 37 einander exakt zugeordnet sind und darüber hinaus nur eine einzige Schraubverbindung 38 anzuziehen ist, um die lösbare Befestigung zu erzielen. Neben der einfacheren und schnelleren lösbaren Befestigung des Messgehäuses 30 am Strukturbauteil 100 ist damit auch die richtige Ausrichtung des Messgehäuses 30 im Bezug zum Strukturbauteil 100 und damit auch zum Messfühler 20 sichergestellt.
5 zeigt im Querschnitt einen Teil eines Segments 40 eines Messgehäuses 30. Dieses Messgehäuse 30 ist mit einem Deckel 31 versehen, welcher ebenfalls mit Schraubverbindungen 48 verschlossen werden kann. Ist der Deckel geöffnet, kann das Messgehäuse 30 mit elektronischen Komponenten der Weiterverarbeitungsmittel 34 gefüllt werden und diese elektronischen Komponenten im Inneren des Messgehäuses 30 für ihren Einsatz vorbereitet, insbesondere miteinander verdrahtet werden. Anschließend wird der Deckel 31 auf das Messgehäuse 30 aufgesetzt und mit den Schraubverbindungen 48 befestigt, welche hier jedoch nicht als Verbindungsmittel 36 dienen. Um sicherzustellen, dass dem Inneren des Messgehäuses 30 insbesondere den Weiterverarbeitungsmitteln 34 keine Beschädigungen zugefügt werden können, ist dieses gegen das Eindringen von Feststoffen und Flüssigkeiten mit Hilfe von Dichtmitteln 60 abgedichtet. Die Dichtmittel 60 sind hier Dichtmittel aus elastischem Material, welche sich durch das Aufsetzen des Deckels 31 und das Anziehen des Deckels 31 über die Schraubverbindungen 48 zusammenpressen und damit eine flächenförmige Dichtlinie entlang des Umfangs des Deckels 31 bilden.
6 zeigt in einer Explosionsdarstellung das Aufsetzen eines Messgehäuses 30 auf einem Strukturbauteil 100 und die damit verbundene Kontaktierung des Messfühlers 20 mit Hilfe der Kontaktierungsmittel 32. Bei dieser Ausführungsform ist das Kontaktierungsmittel 32 in Form eines Dorns vorgesehen, welcher an einer Vertiefung im Messgehäuse 30 aufgenommen wird. Die gestrichelte Linie zeigt dabei die Aufnahmerichtung des Dorns 32 im Messgehäuse 30 an. Der Dorn kann dabei in der Vertiefung des Messgehäuses 30 befestigt sein, muss dies jedoch nicht, da er gegen ein Herausfallen im lösbar befestigten Zustand des Messgehäuses 30 am Strukturbauteil 100 gesichert ist. Im Messgehäuse 30 selbst wiederum sind Weiterverarbeitungsmittel 34 vorgesehen, wobei eine Platine 35 der Weiterverarbeitungsmittel 35 mit einem Signalverstärker und einer Vorauswerteeinrichtung versehen ist. Die Weiterverarbeitungsmittel 34 stehen in Signalkontakt mit dem Kontaktierungsmittel 32, was jedoch in dieser schematischen Darstellung nicht näher gezeigt ist und beispielsweise mittels eines Signalkabels erfolgen kann, welches durch eine abgedichtete Öffnung im Messgehäuse 30 zu den Weiterverarbeitungsmitteln 34 geführt ist.
Auf dem Strukturbauteil 100 in 6 ist ein Messfühler 20 aufgedampft. Dieser aufgedampfte Messfühler 20 weist unter einer oberen Passivierungsschicht 29 ein piezoelektrisches Element 50 auf. In dem Zustand, wie in 6 gezeigt ist, also zum Zeitpunkt, zu dem das Messgehäuse 30 noch nicht aufgesetzt ist, ist die Passivierungsschicht 29 noch unbeschädigt und das piezoelektrische Element 50 vollständig geschützt. In diesem Zustand werden aufgrund der unabhängigen Arbeitsweise des piezoelektrischen Materials bereits Messsignale erzeugt, diese jedoch aufgrund der noch nicht erfolgten Kontaktierung noch nicht an die Weiterverarbeitungsmittel 34 weitergeleitet.
7 zeigt die Ausführungsform gemäß 6 nach dem Aufsetzen. In dieser Situation ist der Dorn als Kontaktierungsmittel 32 bereits in der dafür vorgesehenen Vertiefung im Messgehäuse 30 aufgenommen und steht in Kommunikationsverbindung mit den Weiterverarbeitungsmitteln 34, insbesondere mit der Platine 35. Durch das Aufsetzen des Messgehäuses 30 ist der Dorn durch die Passivierungsschicht 29 gedrungen und steht nun im Kontakt mit dem piezoelektrischen Element 50 des Messfühlers 20. Durch das Aufsetzen und lösbare Befestigen des Messgehäuses 30, welches beispielsweise durch eine der Methoden wie sie zu den 3 und 4 beschrieben worden ist, durchgeführt werden kann, ist somit automatisch die Kontaktierung des piezoelektrischen Elements 20 des Messfühlers 20 erfolgt. Dabei können auch mehr als ein Dorn für die Kontaktierungsmittel 32 in Umfangsrichtung um das Strukturbauteil 100 angeordnet sein. Auf diese Weise lassen sich auch unterschiedliche Bereiche des Messfühlers 20 separat Messtechnisch erfassen, so dass auch eine Kraftverteilung innerhalb des Strukturbauteils 100 gemessen werden kann.
In 8 ist eine alternative Ausführungsform hinsichtlich der Kontaktierungsmittel 32 im aufgesetzten und lösbar an dem Strukturbauteil 100 befestigten Zustand zu erkennen. Hierbei handelt es sich um die Übertragung der Messsignale vom Messfühler 20 auf das Messgehäuse 30 und dessen Weiterverarbeitungsmittel 34 durch die Ausnutzung des kapazitiven Effekts. Hier ist das Kontaktierungsmittel 32 fast vollständig vollflächig unterhalb des Messgehäuses 30 angeordnet, so dass dieses einen ersten Teil eines Kondensatorelementes bilden kann. Der Messfühler 20 dient unter anderem dazu, das zweite Teil dieses Kondensators zu bilden, so dass vom piezoelektrischen Element 50 des Messfühlers 20 erzeugte Messsignale aus dem Messfühler 20 über den kapazitive Effekt und das Kontaktierungsmittel 32 auf die Weiterverarbeitungsmittel 34 im Messgehäuse 30 übertragen werden können. Auch in diesem Fall wird durch die Anordnung des Messgehäuses 30 und die lösbare Befestigung am Strukturbauteil 100, wie sie beispielsweise in den 3 und 4 näher erläutert worden ist, die Kontaktierung des piezoelektrischen Elements 50 automatisch erzeugt.
9 zeigt eine isometrische Darstellung einer Manschettenlösung für das Messgehäuse 30. Dieses Messgehäuse 30 ist mit zwei Segmenten 40 ausgestattet, welche über ein Scharnier 37 als Teil der Verbindungsmittel 36 miteinander verbunden sind. Über dieses Scharnier 37 können die beiden Segmente 40 aufeinander zugeklappt werden, so dass sich eine vollständig umschließende Manschette als Messgehäuse 30 ergibt, welche ein in dieser Figur nicht dargestelltes Strukturbauteil 100 umschließen können. Durch das Umschließen kann die lösbare Befestigung am Strukturbauteil 100 dahingehend erzeugt werden, dass durch Löcher 39 Schraubverbindungen 38 gesteckt werden, und auf diese Weise der Innendurchmesser der als Manschette geformten Segmente 40 dahingehend vermindert werden kann, dass sich eine Flächenpressung zwischen den Segmenten 40 und dem Strukturbauteil 100 und damit eine lösbare Befestigung ergibt. Ausführungsformen gemäß 9 sind weiter mit Kontaktflächen 42 an jedem Segment 40 versehen, welche durch das Zusammenklappen der beiden Segmente 40 über das Scharnier 37 miteinander in Kontakt treten. Auf diese Weise können in den beiden Segmenten 40 unterschiedliche Weiterverarbeitungsmittel 34, Beispielsweise eine Platine 35 in dem ersten Segment 40 und eine Stromversorgung in Form einer Batterie im zweiten Segment 40, vorgesehen sein, welche über die Kontaktflächen 42 miteinander kommunizieren und insbesondere Messsignale und/oder Weiterverarbeitungssignale austauschen können.
In den 10 bis 13 sind unterschiedliche Möglichkeiten dargestellt, auf welche Weise die Verbindungsmittel 36 ausgestaltet sein können. So zeigt 10 eine Möglichkeit, die beiden Segmente 40 eines Messgehäuses 30 miteinander zu verbinden, wie es beispielsweise in den 3 und 4 dargestellt ist. Durch diese Verbindung der beiden Segmente 40 wird der Innendurchmesser einer als Manschette geformten Messgehäuses 30 vermindert, so dass über eine Flächenpressung mit dem Strukturbauteil 100 eine lösbare Befestigung erfolgt. Bei der Ausführungsform gemäß 10 ist die Schraubverbindung 38 durch entsprechende Löcher 39 in den beiden Segmenten 40 geführt, wobei in einem der Löcher, nämlich im oberen Segment 40 in 10, ein nicht dargestelltes Gewinde vorgesehen ist, in welches die Schraubverbindung 38 eingreifen kann. Da es sich hierbei um eine Verschraubung aus dem Inneren des Messgehäuses 30 heraus handelt, muss die Öffnung ins Messgehäuse, welche durch das untere Loch für die Schraubverbindung 39 gebildet wird, über Dichtmittel 60 in Form von Ohrringen abgedichtet werden. Auf diese Weise ist auch sichergestellt, dass selbst durch Kapillareffekte keine Flüssigkeit in das Innere des Messgehäuses 30 eindringen kann.
Um die etwaigen Unwägbarkeiten von Dichtmitteln 60 ausschließen zu können, ist eine Alternative in 11 gezeigt. Dort beinhaltet das Segment 40 einen Ausbruch nach außen, welcher vollständig gegen das Innere des Segments 40 abgeschlossen ist und durch welches eine Schraubverbindung 38 dem entsprechenden Loch 39 für die Schraubverbindung 38 zugeführt werden kann. Auch hier ist im oberen Loch 39 des oberen Segments 40 des Messgehäuses 30 wieder ein nicht dargestelltes Gewinde vorgesehen, in welches die Schraubverbindung 38 eingreifen kann. Im Gegensatz zu der Ausführungsform gemäß 10 ist hier über die beiden Löcher 39 für die Schraubverbindung keinerlei Kontakt zum Inneren des Messgehäuses 30 vorhanden, so dass auf ein Dichtmittel 60 bei dieser Ausführungsform verzichtet werden kann.
12 zeigt die Befestigung in Form einer Alternative zu der Reduktion des Innendurchmessers durch aufeinander zu bewegen der einzelnen Segmente gemäß der 10 und 11. Hier wird eine Madenschraube als Schraubverbindung 38 verwendet, welche aus dem Inneren eines Segments 40 durch ein Loch 39 für die Schraubverbindung 38 hindurch gesteckt wird. Diese Schraubverbindung 38 kontaktiert somit das Strukturelement 100 und verklemmt sich mit diesem. Um eine sichere lösbare Befestigung des Messgehäuses 30 am Strukturbauteil 100 sicherstellen zu können, kann es vorteilhaft sein, eine Vielzahl solcher Schraubverbindungen 38 vorzusehen, so dass, ähnlich wie bei Christbaumständern, eine um den vollen Umfang laufende radiale Einspannung und damit eine vollumfänglich umlaufende radiale lösbare Befestigung des Messgehäuses 30 am Strukturbauteil 100 erfolgt. Dabei ist die Anzahl der Schraubverbindungen 38 vorteilhafterweise ungerade, um ein leichteres Zentrieren des Messgehäuses 30 zum Strukturbauteil 100 zu ermöglichen. Ähnlich wie in 10 muss auch hier durch die Öffnung zum Inneren des Messgehäuses 30 ein Dichtmittel 60 in Form von O-Ringen vorgesehen sein, um die Löcher 39 für die Schraubverbindungen 38 abzudichten.
13 zeigt eine Kombination der Lösung aus 12 mit der Lösung aus 11. Hier wurde wieder ein Ausbruch im unteren Segment 40 des Messgehäuses 30 vorgesehen, durch welchen die Schraubverbindung 38 dem zugehörigen Loch 39 zugeführt werden kann, ohne dass ein Kontakt mit dem Inneren des Messgehäuses 30 erfolgen muss. Auf diese Weise kann die Unwägbarkeit des Dichtmittels 60 vollständig ausgeschlossen werden.
Zu den 12 und 13 ist anzumerken, dass die Löcher 39 mit der Schraubverbindung 38 mit entsprechenden Gewinden ausgestattet sind, welche in den beiden Figuren ebenfalls nicht dargestellt sind. Eine weitere Möglichkeit ist es, die in den 12 und 13 dargestellten Verbindungsmittel 36 dahingehend weiterzubilden, dass sie nicht direkt in Kontakt mit dem Strukturbauteil 100 treten können, sondern vielmehr auf Wandflächen der jeweiligen Segmente 40 wirken und damit den Innendurchmesser einer Öffnung im Messgehäuse 30 durch plastische und/oder elastische Verformung dieser Wandflächen reduzieren, wodurch die lösbare Befestigung am Strukturbauteil 100 erzielt wird. Auch bei einer solchen Ausgestaltung kann auf Dichtmittel 60 dahingehend verzichtet werden, da die Schrauben vollständig im Inneren des Messgehäuses 30 angeordnet sind und keinerlei Kontakt zum Außenbereich außerhalb des Messgehäuses 30 besteht.
14 zeigt den Einsatz einer Messvorrichtung 10 an einer Hochauftriebsvorrichtung 200 eines Flugzeuges. Dabei weist die Hochauftriebsvorrichtung 200 einen Hauptflügel 210 auf, welcher im Teilschnitt der 14 nur zum Teil dargestellt ist. Am rechten Ende, also im auf die Flugrichtung bezogenen hinteren Ende ist an der Hochauftriebsvorrichtung 200 eine Stellklappe 220 vorgesehen. Diese Stellklappe 220 kann in verschiedene Positionen relativ zum Hauptflügel 210 bewegt werden. Diese Bewegung übernimmt ein Aktuator 222, welcher am Hauptflügel drehbar gelagert ist und ein Strukturbauteil 100 in Form eines Stabes aufweist, der mit der Stellklappe 220 verbunden ist. Durch die Rotation des Aktuators 222 wird das Strukturbauteil 100 nach hinten bewegt und schiebt die Stellklappe 220 vom Hauptflügel 210 nach hinten weg. Die genaue Bewegung der Stellklappe 220 wird dabei von einer Hebelkinematik vorgegeben, welche ebenfalls die Stellklappe 220 mit dem Hauptflügel 210 verbindet.
Während des Stellvorganges wird also Kraft vom Aktuator 222 ausgeübt und über das Strukturbauteil 100 in Form einer Schubstange übertragen. Das Strukturbauteil 100 wird also bei Ausfahren der Stellklappe 220 auf Druck belastet. Diese Druckbelastung kann von den am Strukturbauteil 100 vorgesehenen Messfühlern 20 erkannt werden und die erzeugten Signale von dem Messgehäuse 30 und den darin angeordneten Weiterverarbeitungsmitteln 34 als Signal weiterverarbeitet werden. Diese Weiterverarbeitung kann zum Beispiel in der Weiterleitung an die Flugsteuerung liegen, welche in Abhängig von den gemessenen Werten, also in Abhängigkeit der tatsächlichen Kraftsituation im Strukturbauteil 100 das Ausfahren der Stellklappe 220 steuert. Dabei ist nun möglich des Ausfahrvorgang derart anzupassen, dass beispielsweise bei hohen Windlasten das Ausfahren langsamer erfolgt oder sogar kurzzeitig gestoppt wird, um eine Überlastung des Strukturbauteils 100 zu verhindern. Damit kann auch die tatsächliche Maximalkraft im Strukturbauteil 100 und damit zusammenhängende etwaige plastische Verformungen von Teilbereichen des Strukturbauteils 100 über die Messung mittels der Messvorrichtung 10 erfasst werden.
Das voranstehend erläuterte gilt selbstverständlich auch für den umgekehrten Fall des Einfahrens der Stellklappe 220, also bei einer Zugbelastung im Strukturbauteil 100.
Dabei sind auch bei der Ausführungsform gemäß 14 am Strukturbauteil 100 mehrere Messfühler 20, in diesem fall drei Messfühler 20, angebracht. So kann das Messgehäuse 30, beispielsweise nach vordefinierten Wartungsintervallen auf einen weitern Messfühler 20 verschoben werden, um möglichem Verschleiß und daraus folgen Fehlmessungen der Messvorrichtung 30 zuvorzukommen.
Weiter können alternativ oder auch zusätzlich eine oder mehrere Messvorrichtungen 10 an der Hebelkinematik für das Bewegen der Stellklappe 220 vorgesehen sein. Da auch dort Relativbewegungen und damit unterschiedliche Kraftsituationen vorkommen, ist auch dort eine Überwachung der tatsächlichen Kraftsituation in den Hebeln möglicherweise vorteilhaft.
Bezugszeichenliste

10: Messvorrichtung
20: Messfühler
22: Haftvermittler
24: Isolationsschicht
26: Messfühlermaterial
28: Kontaktschicht
29: Passivierung
30: Messgehäuse
31: Deckel
32: Kontaktiermittel
34: Weiterverarbeitungsmittel
35: Platine
36: Verbindungsmittel
37: Scharnier
38: Schraubverbindung
39: Löcher für Schraubverbindung
40: Segment des Messgehäuses
42: Kontaktflächen
48: Schraubverbindung
50: piezoelektrisches Element
60: Dichtmittel
100: Strukturbauteil
200: Hochauftriebsvorrichtung
210: Hauptflügel
220: Stellklappe
222: Aktuator für Stellklappe

Claims

Messvorrichtung (10) für die Messung von Kräften in Strukturbauteilen (100), umfassend einen Messfühler (20), der derart ausgeführt ist, dass er kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit dem Strukturbauteil (100) verbunden ist sowie in Abhängigkeit von Kraftübertragungen im Strukturbauteil (100) Messsignale erzeugt, ein auf den Messfühler (20) aufgesetztes Messgehäuse (30), das Kontaktiermittel (32) für die Kontaktierung des Messfühlers (20) am Strukturbauteil (100), um die vom Messfühler (20) erzeugten Messsignale zu empfangen, und Weiterverarbeitungsmittel (34) für die Weiterverarbeitung der empfangenen Messsignale aufweist, wobei das Messgehäuse (30) Verbindungsmittel (36) aufweist, die zur Positionierung und zur lösbaren Befestigung des Messgehäuses (30) am Strukturbauteil (10) ausgeführt wird, wobei durch die lösbare Befestigung mit den Verbindungsmitteln (36) die Kontaktierungsmittel (32) des Messgehäuses (30) mit dem Messfühler (20) für den Empfang der Messsignale in Kontakt treten.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsmittel (32) für eine drahtlose Übertragung der Messsignale vom Messfühler (20) zum Messgehäuse (30) ausgebildet sind.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierungsmittel (32) für eine berührende Übertragung der Messsignale vom Messfühler (20) zum Messgehäuse (30) ausgebildet sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (20) dafür ausgebildet ist einstückig mit dem Strukturbauteil (100) ausgebildet zu werden.
Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (20) dafür ausgebildet ist auf dem Strukturbauteil (100) abgeschieden zu werden.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (20) großflächig ausgeführt ist, um eine größere Fläche des Strukturbauteils (100) abzudecken als das Messgehäuse (30).
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Messfühler (20) zur Erzeugung des Messsignals mit wenigstens einem piezoelektrischem Element (50) ausgestattet ist
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterverarbeitungsmittel (34) eine Funkeinrichtung zum versenden der vom Messfühler (20) empfangenen Signale aufweisen.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Weiterverarbeitungsmittel (34) mit wenigstens einer Platine ausgestattet sind.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgehäuse (30) gegen das Eindringen von festen oder flüssigen Komponenten mit Dichtmitteln (60) abgedichtet ist.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgehäuse (30) in Form einer Manschette ausgeführt ist, welche das Strukturbauteil (100) umgreifen kann.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (36) des Messgehäuses (30) ein Scharnier (37) aufweisen.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgehäuse (30) aus mehreren Segmenten (40) zusammengesetzt ist.
Messvorrichtung (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsmittel (36) wenigstens eine Schraubverbindung (38) aufweist, welche so ausgeführt ist, dass einzelne Segmente (40) des Messgehäuses (30) derart miteinander verbunden werden können, dass das Messgehäuse (30) auf dem Strukturbauteil (100) mittels Flächenpressung befestigt wird.
Messvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Segmente (40) des Messgehäuses (30) mit Kontaktflächen (42) versehen sind, um Messsignale oder Weiterverarbeitungssignale zwischen den einzelnen Segmenten (40) des Messgehäuses (30) zu übertragen.
Messvorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgehäuse (30) einen verschließbaren Deckel (31) aufweist.