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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet des Maschinenbaus und ist mit besonderem Vorteil beim Bau von Prüf- und Messeinrichtungen einsetzbar.
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Eine der Aufgaben bei der Qualitätssicherung von Bauteilen besteht darin, die Erosionsbeständigkeit von Oberflächen bei der Beanspruchung durch Partikeleinschlag zu messen. Beispielsweise sind Beschichtungssysteme für Bauteile, die Umwelteinflüssen ausgesetzt sind, bezüglich ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Regenerosion oder dem Einschlag anderer Partikel zu prüfen.
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Dabei wird einerseits die Veränderung der Oberflächen bestimmt, andererseits ist es notwendig, die Stärke der Beanspruchung durch die Menge der einschlagenden Partikel/Tropfen, die Position der Einschläge und die jeweils übertragene Energie bzw. den Impuls zu bestimmen. Diese Belastungen sollten während eines Messvorgangs bestimmt werden können.
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Hierzu werden bisher rechnerische Modelle in Form von Simulationen genutzt. Es ist grundsätzlich denkbar, die Einschlagereignisse durch Hochgeschwindigkeitsaufnahmen zu verfolgen und auszuwerten. Dies ist jedoch mit hohem Investitions- und Rechenaufwand verbunden und nur mit eingeschränkter Genauigkeit durchführbar. Zudem ergibt sich das Problem, dass üblicherweise ein zu vermessender Probenkörper durch eine Partikelwolke bewegt wird, so dass hohe Geschwindigkeiten und/oder Beschleunigungen des Probenkörpers berücksichtigt werden müssen. Dies schränkt die Auswahl an zur Verfügung stehenden Erfassungssystemen stark ein.
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Um Niederschlag auf Basis von Partikeleinschlägen zu erfassen, gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten. Aus
US 2012 / 0 272 726 A1 ist beispielsweise ein einfacher mechanischer Niederschlagssensor bekannt und in
DE 10 2006 010 328 A1 wird die Verwendung eines piezoelektrischen Sensors zur Erfassung des Niederschlags beschrieben. Ebenfalls finden auf dem Gebiet der Meteorologie Systeme, wie sie in den Druckschriften „Measuring drop size distribution and kinetic energy of rainfall using a force transducer“ (
A. W. Jayawardena, R. B. Rezaur; Hydrol. Processes, 14: 37-49, 2000),
WO 2013/ 147 605 A2 und
US 2009/0326835 A1 beschrieben sind, Anwendung, um genauere Daten über die Verteilung und die Energie von Regen- und Hageleinschlägen zu erfassen. Mit der Erfassung von, und der Erosion durch niederschlagsbedingten Partikeleinschlägen an Bauteilen, wie Flugzeugflügeln oder Rotorblättern von Windenergieanlagen, beschäftigen sich zum Beispiel die Druckschriften „Investigation of the impact of rain and particle erosion on rotor blade aerodynamics with an erosion test facility to enhancing the rotor blade performance and durability“ (J
. Liersch, J. Michael; J. Phys.: Conf. Ser. 524 012023, 2014),
DE 40 25 564 C1 ,
GB 2 547 635 A und
DE 100 22 129 A1 . Die beschriebenen Methoden, den Verschleiß durch Partikeleinschläge in Versuchen zu bestimmen oder abzuschätzen, sind jedoch mit hohem technischem Aufwand verbunden oder erlauben nicht, Position und Impuls der einzelnen Einschläge zu erfassen.
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Vor dem Hintergrund des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein System zur Erfassung von Partikeleinschlägen zu schaffen, das einfach aufgebaut ist, mit vertretbarem Aufwand betrieben werden kann und die Erfassung von Impulsen einzelner Partikel sowie deren Einschlagort erlaubt.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Die Patentansprüche 2 bis 7 zeigen mögliche Implementierungen des Systems auf.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf ein System zur Erfassung von Partikeleinschlägen an einem Probenkörper mit einer Haltevorrichtung zur Halterung des Probenkörpers und mit wenigstens zwei an der Haltevorrichtung angeordneten Sensoren, die mit zwei voneinander beabstandeten Bereichen des Probenkörpers starr verbindbar oder verbunden sind und die dazu eingerichtet sind, einen durch Partikel auf den Probenkörper übertragenen Impuls zu erfassen.
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Ein Probenkörper kann beispielsweise durch einen Teil eines Rotorblatts einer Windenergieanlage gebildet sein, der in der Haltevorrichtung gehalten wird und durch die Bewegung der Haltevorrichtung durch eine Partikelwolke bewegt wird. Oft wird der vordere Kantenbereich eines Rotorblatts als Probenkörper separiert und vermessen, da dieser Bereich eines Rotorblatts bei Betrieb der Windenergieanlage bei Regen- oder Schneewetter besonderen Beanspruchungen ausgesetzt ist.
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An der Haltevorrichtung sind zwei Sensoren angeordnet, die mit zwei voneinander beabstandeten Bereichen des Probenkörpers starr verbunden sind. Unter einer starren Verbindung des Probenkörpers mit einem Sensor wird eine Verbindung verstanden, die einen auf den Probenkörper wirkenden Impuls durch einen Partikeleinschlag möglichst verlustfrei und mit geringer Dämpfung zu dem Sensor weiterleitet. Beispielsweise kann der Sensor mit einem bestimmten Druck gegen den Probenkörper oder gegen einen mit dem Probenkörper verbundenen oder gegen diesen gepressten Klemmkörper gedrückt werden. Sind die Materialien des Probenkörpers und/oder des Klemmkörpers ausreichend hart, so wird der Impuls mit geringem Verlust zu dem Sensor transportiert, so dass ein Impuls, der durch ein auf den Probenkörper auftreffendes Partikel auf diesen übertragen wird, durch den Sensor nachgewiesen werden kann. Da die beiden Sensoren mit verschiedenen Bereichen des Probenkörpers verbunden sind, wird ein Impuls je nach dem Ort, an dem er den Probenkörper durch einen Partikeleinschlag erreicht, mit einem Laufzeitunterschied, der vom Ort des Einschlags am Probenkörper abhängt, zu den beiden Sensoren transportiert. Auf diese Weise kann unter Berücksichtigung der Laufzeitunterschiede in einer Datenverarbeitungseinrichtung nicht nur die Stärke des Impulses, sondern auch der Ort des Partikeleinschlags an der Probe bestimmt werden.
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Das System sollte vorteilhaft so ausgelegt sein, dass es die Impulse von einschlagenden Partikeln mit hoher Geschwindigkeit erfasst und auswertet, so dass eine Impulserfassung im Bereich von hundert bis einigen hundert Kilohertz möglich ist.
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Die Erfindung kann vorteilhaft dadurch ausgestaltet werden, dass die Haltevorrichtung mit zwei voneinander beabstandeten Bereichen des Probenkörpers, insbesondere mit zwei einander gegenüberliegenden Enden des Probenkörpers, jeweils separat starr verbindbar oder verbunden ist, wobei die wenigstens zwei Sensoren dazu eingerichtet sind, zwischen der Haltevorrichtung und den mit dieser verbundenen Bereichen des Probenkörpers oder zwischen der Haltevorrichtung und je einem mit einem Bereich des Probenkörpers starr verbundenen Klemmkörper eingeklemmt zu werden.
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Dadurch, dass die Sensoren zwischen der Haltevorrichtung und dem Probenkörper eingeklemmt, also kraftschlüssig mit einer gewissen Vorspannung gehalten und gegen den Probenkörper gepresst sind, können sie effektiv den auf den Probenkörper durch einen Partikeleinschlag wirkenden Impuls erfassen. Durch die Kraft, die als Klemmkraft zwischen dem Probenkörper und der Haltevorrichtung wirkt, kann beispielsweise an dem Sensor ein Arbeitspunkt in Form einer mechanischen Vorspannung eingestellt werden.
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Vorteilhaft können die Sensoren als Piezo-Sensoren ausgebildet werden, die mit hoher Frequenz und hoher Empfindlichkeit Impulse in messbare Ladungsverschiebungen umwandeln können und somit als Impulssensoren gut geeignet sind.
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Dabei kann vorteilhaft weiter vorgesehen sein, dass die Sensoren Scherkraft-sensoren sind. Zu diesem Zweck können die Sensoren derart an der Haltevorrichtung angeordnet und orientiert sein, dass ein entgegen der Bewegungsrichtung des Probenkörpers auf diesen wirkender Impuls bei der Übertragung zur Haltevorrichtung an den Sensoren eine impulsförmige Scherbelastung hervorruft. Die Richtung, in der die Sensoren an der Haltevorrichtung zwischen dieser und dem Probenkörper eingeklemmt sind, kann zu diesem Zweck senkrecht zur Bewegungsrichtung des Probenkörpers während der Messung verlaufen.
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Durch die Verwendung von Schersensoren werden Störanfälligkeiten der Sensorik beseitigt oder vermindert, die auf den hohen Beschleunigungen und Beschleunigungskräften basieren, denen der Probenkörper und die Haltevorrichtung während des Messvorgangs durch die Bewegung des Probenkörpers relativ zu den Partikeln ausgesetzt sind. Die gemessenen Scherkräfte werden von solchen Beschleunigungskräften nur gering beeinflusst.
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Das System kann weiter dadurch implementiert werden, dass die Haltevorrichtung einen Abstandshalter aufweist, dessen Länge der Länge des Probenkörpers entspricht, sowie zwei an den Enden des Abstandshalters befestigte Seitenteile, zwischen denen der Probenkörper, insbesondere unter Zwischenfügung von wenigstens zwei Sensoren, gehalten wird. Durch den Abstandshalter wird ein Aufnahmebereich für den Probenkörper definiert, in dem dieser zwischen den am Abstandshalter befestigten Seitenteilen gehalten wird. Die Seitenteile können beispielsweise an dem Abstandshalter seitlich befestigt sein und über diesen auf einer Seite hinausragen, so dass der Probenkörper zwischen den auskragenden Seitenteilen befestigt, insbesondere eingeklemmt werden kann. Zwischen dem Probenkörper und den Seitenteilen kann jeweils auf einer Seite ein Sensor kraft- und insbesondere auch formschlüssig gehalten oder eingeklemmt sein. Dabei müssen die Sensoren nicht notwendigerweise unmittelbaren Kontakt mit dem Probenkörper haben, sondern es kann zwischen den Sensoren und dem Probenkörper auch jeweils ein Klemmkörper eingefügt sein, der so ausgestaltet ist, dass er einen von dem Probenkörper ausgehenden Impuls an den jeweiligen Sensor weiterleitet.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass der Abstandshalter eine im Querschnitt dreieckig prismatische Form aufweist, die sich mit dem Abstand vom Probenkörper verjüngt.
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Der Abstandshalter kann so gestaltet sein, dass er zusammen mit einem in der Haltevorrichtung gehaltenen Probenkörper eine Form aufweist, die bei einer Relativbewegung gegenüber einer Partikelwolke ein definiertes und möglichst einfaches Strömungsverhalten erzeugt. Beispielsweise kann der Abstandshalter gemeinsam mit der Probe ein Tragflächenprofil bilden, das demjenigen eines Rotorblatts einer Windenergieanlage ähnelt.
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Es kann in einer Ausführungsform auch vorgesehen sein, dass zwischen den Seitenteilen ein Druckaufnehmer in Form eines Balkens vorgesehen ist, an dessen Stirnseiten jeweils ein Scherkraftsensor angeordnet ist, der einerseits mit dem Druckaufnehmer und/oder dem auf diesem gelagerten Probenkörper und andererseits mit je einem Seitenteil verbunden ist. Der Impuls kann von dem Probenkörper bei einer derartigen Ausgestaltung entweder unmittelbar auf die Sensoren geleitet werden oder zuerst zu dem Druckaufnehmer geleitet und von dort auf die Sensoren übertragen werden.
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Wünschenswert ist dabei die Auswertung der Impulse, die vom Probenkörper unmittelbar zu den Sensoren geleitet werden. Die gegebenenfalls auf dem Weg über den Druckaufnehmer zu den Sensoren gelangenden Impulse können aufgrund der verlängerten Laufzeit und der geringeren Signalstärke durch einen Filter ausgefiltert werden.
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Eine weitere Ausgestaltung des Systems kann beispielsweise vorsehen, dass der Basiskörper, in Form eines Basisteils, derart antreibbar ist, insbesondere auf einer Kreisbahn, dass ein in der Haltevorrichtung befestigter Probenkörper durch eine Ansammlung von Partikeln, insbesondere Wassertropfen, bewegbar ist. Üblicherweise wird der Probenkörper mit einer definierten Geschwindigkeit durch eine Partikelwolke bewegt, da die Wechselwirkung der Partikel mit dem Probenkörper auf diese Weise am besten definierbar ist. Die Bewegungsbahn des Probenkörpers bei einer solchen Bewegung kann eine Kreisbahn sein, da sich auf diese Weise durch den rotierenden Antrieb eine gleichmäßige Geschwindigkeit mit einer ortsfesten Messeinrichtung erreichen lässt.
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Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Haltevorrichtung an einem rotierend gelagerten Basisteil, insbesondere einer Scheibe oder einem ein- oder mehrarmigen Träger, befestigt ist. Mittels eines rotierend angetriebenen Basisteils lässt sich eine konstante Geschwindigkeit des Probenkörpers mit der Haltevorrichtung realisieren. Die Geschwindigkeit lässt sich beispielsweise über den Stromverbrauch eines Antriebsmotors regeln, während der Probenkörper durch eine definierte Partikeldichte hindurchbewegt wird.
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Da die zu erfassenden Impulse von Partikeln, die auf den Probenkörper treffen, relativ klein sind, sind auch die Ladungsverschiebungen, die einzeln durch die Sensoren erfasst werden, klein. Es kann daher ein Ladungsverstärker zur Erzeugung verarbeitbarer Signale aus den Ladungsverschiebungen vorgesehen sein, der vorteilhaft auf dem rotierenden Basisteil gelagert werden sollte, da eine Kontaktierung eines feststehenden Ladungsverstärkers mit den rotierenden Sensoren über Schleifringe nicht ausreichend zuverlässig realisierbar ist. Auch die Auswerteelektronik, die an den Ladungsverstärker angeschlossen ist, kann ganz oder teilweise auf dem rotierenden Basisteil angeordnet sein. Es kann dann beispielsweise eine Stromversorgung der Elemente, die mit dem Basisteil rotieren, über Schleifringe realisiert werden.
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Eine rotierende Scheibe oder ein mehrarmiger Träger können deshalb vorgesehen werden, weil dies die Möglichkeit schafft, Ausgleichsmassen zur Beseitigung von Unwuchten an geeigneten Stellen des Basisteils zu befestigen, um einen gleichmäßigen Rotationslauf des Basisteils und der Messeinrichtung zu gewährleisten.
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Die Erfindung bezieht sich außer auf ein System der oben genannten Art auch auf ein Verfahren zur Erfassung von Partikeleinschlägen an einem Probenkörper mittels eines derartigen Systems, wobei die Stärke eines Impulses gemessen wird, der auf die Sensoren wirkt, und die gemessene Stärke sowie der Zeitpunkt des Impulses erfasst wird.
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Zu diesem Zweck sind ausreichend sensible Sensoren vorzusehen, beispielsweise Piezo-Sensoren, die als Scherkraftsensoren eingesetzt werden. Zudem sind die eingesetzten Sensoren so auszuwählen, dass sie Signale mit hoher Frequenz verarbeiten können, um die Erfassung dicht aufeinander folgender Partikeleinschläge zu erlauben.
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Zudem kann vorgesehen sein, dass der Laufzeitunterschied gemessen wird, der sich ausgehend vom Auftreffen eines Partikels auf einen Probenkörper zwischen den Nachweiszeitpunkten in den beiden Sensoren ergibt, und dass aus dem Laufzeitunterschied der Aufprallort des Partikels an dem Probenkörper ermittelt wird. Auf diese Weise kann den einzelnen Einschlägen jeweils ein Einschlagort des Partikels am Probenkörper zugeordnet werden, so dass eine Abnutzung oder Beschädigung des Probenkörpers in verschiedenen Bereichen auch genau den dort aufgetretenen Belastungen durch den Partikeleinschlag zugeordnet werden kann.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen in Figuren einer Zeichnung gezeigt und nachfolgend erläutert. Dabei zeigt
- 1 in perspektivischer Darstellung ein Messsystem mit einer Haltevorrichtung und einem Probenkörper, die an einer rotierenden Scheibe montiert sind,
- 2 ein Messsystem wie in 1 vor Montage des zweiten Seitenteils,
- 3 ein Messsystem wie in den 1 und 2, wobei nur der Abstandshalter und ein Seitenteil mit einem Sensor dargestellt sind,
- 4 die Anordnung aus 3 ohne den Sensor,
- 5 in einer schematischen Darstellung einen balkenförmigen Druckaufnehmer mit einem Probenkörper und Klemmkörpern an beiden Seiten,
- 6 in einer Explosionsdarstellung einen Druckaufnehmer und einen Probenkörper,
- 7 in einer Explosionsdarstellung verschiedene Teile des Messsystems sowie
- 8 in einer schematischen Darstellung die signalverarbeitenden Teile des Messsystems.
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1 zeigt ein Messsystem mit einer Haltevorrichtung, die an einem Basisteil 1 in Form einer in Richtung des Pfeils 2 rotierenden Scheibe montiert ist. Ein Probenkörper 3 in Form einer im Wesentlichen zylindrischen Halbschale ist in einer Haltevorrichtung montiert und wird mit einer steuerbaren Geschwindigkeit in Richtung des Pfeils 2 durch eine Partikelwolke 4, beispielsweise in Form von Wassertropfen, bewegt.
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Das Ziel einer Messung besteht darin, einerseits die Veränderung der Oberfläche des Probenkörpers 3 nach einer Erosion durch Wechselwirkung mit der Partikelwolke zu erfassen und andererseits die Partikeleinschläge einzeln zu erfassen, bezüglich ihrer Stärke zu registrieren und jeweils den Ort des Einschlags zu erfassen. Danach kann der durch Oberflächenerosion erfolgte Verschleiß den Partikeleinschlägen zugeordnet werden.
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Die Haltevorrichtung 5 weist einen Abstandshalter 6 auf, der einen dreieckig prismatischen Querschnitt hat. Dies ist besonders gut in 2 zu erkennen, wo eines der beiden Seitenteile 7, 8 der Haltevorrichtung weggelassen ist. Aus 2 ist besonders gut ersichtlich, dass der Abstandshalter 6 den in der Haltevorrichtung gehaltenen Probenkörper 3 zu einem aerodynamisch günstigen Profil ergänzt, das etwa die Form eines Tragflächenprofils aufweist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass die Strömungsbedingungen, die sich bei der Bewegung des Probenkörpers in Richtung des Pfeils 2 einstellen, in etwa denen entsprechen, die an der Vorderkante eines Rotorblatts einer Windenergieanlage herrschen, damit für den Probenkörper die Beanspruchung simuliert werden kann, denen er bei Positionierung an einer solchen Stelle eines Rotorblatts ausgesetzt ist.
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Aus 2 ist ersichtlich, dass die beiden Seitenteile 7, 8 einerseits an dem Abstandshalter 6 befestigt sind und andererseits zwischen ihren über den Abstandshalter 6 hinausragenden Enden den Probenkörper 3 halten.
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3 zeigt ein Seitenteil 8, das durch Weglassen des Probenkörpers gut erkennbar ist und an dessen dem Probenkörper zugewandter Seite der Scherkraftsensor 14 angeordnet ist.
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In 4 ist gegenüber der Darstellung in 3 der Scherkraftsensor 14 weggelassen.
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Der Probenkörper ist dazu, wie genauer aus 5 ersichtlich ist, auf einen Druckaufnehmer 9 aufgelegt und mit diesem durch zwei jeweils seitlich angeschraubte Klemmkörper 10, 11 zusammengehalten. Die aus dem Druckaufnehmer, dem Probenkörper und den Klemmkörpern 10, 11 bestehende Einheit wird zwischen den Seitenteilen 7, 8 eingeklemmt.
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6 zeigt in einer Explosionsdarstellung, dass der Probenkörper 3 unter Zwischenlage von Spannschalen 12, 13 in Form von Teilzylinderkörpern auf den Druckaufnehmer 9 montiert ist. Dabei ist mittels Schrauben der Abstand zwischen den Spannschalen 12, 13 und dem Druckaufnehmer 9 einstellbar, so dass in jedem Fall der Kontakt zwischen den Spannschalen 12, 13 und dem Probenkörper 3 gewährleistet ist. Die beiden Klemmkörper 10, 11 sind der Übersichtlichkeit halber in der Darstellung der 6 weggelassen.
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In 7 ist eine Explosionsdarstellung der Haltevorrichtung mit deren einzelnen Teilen gezeigt, wobei der Abstandshalter mit 6, die beiden Seitenteile mit 7 und 8, der Druckaufnehmer mit 9, die beiden Klemmkörper mit 10 und 11 und der Probenkörper mit 3 bezeichnet ist. Die Scheibe, an der die Messvorrichtung mit der Haltevorrichtung befestigt ist, ist mit 1 bezeichnet. In 7 sind zudem die beiden Piezo-Sensoren in Form von Scherkraftsensoren 14, 15 eingezeichnet, die zwischen den Klemmkörpern 10, 11 und den Seitenteilen 7, 8 kraftschlüssig gehalten und eingeklemmt sind.
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In 8 ist schematisch der Probenkörper 3 dargestellt, wobei an seinen beiden Enden die Scherkraftsensoren 14, 15 eingezeichnet sind, die in Abhängigkeit von den Partikeleinschlägen elektrische Ladungsverschiebungen erzeugen, welche als elektrische Signale abgegriffen werden können. Jedem der Sensoren 14, 15 ist ein Ladungsverstärker 16, 17 zugeordnet, wobei die Ladungsverstärker in das rotierende System integriert sind, d. h. entweder an der Haltevorrichtung oder auf der Scheibe 1 mit rotieren. Dies ist deshalb vorteilhaft, weil die Ladungsverstärker auf diese Weise unmittelbar mittels einer elektrischen Leitung mit den Sensoren verbunden werden können und keine Signalübertragung der kleinen elektrischen Signale von den Sensoren 14, 15 vom rotierenden System in ein stehendes System notwendig wird. Für größere elektrische Signale ist eine solche Übertragung mittels einer Schleifringanordnung auf ein stehendes System möglich, dies ist jedoch bei der geringen Größe der Signale im vorliegenden Fall unvorteilhaft.
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Von den Ladungsverstärkern 16, 17 werden die elektrischen Signale in eine Datenverarbeitungsrichtung 18 geleitet, die die Signale bezüglich der Zeit ihres Eintreffens registriert. Hierzu ist eine Zeitbasis 19 mit der Datenverarbeitungseinrichtung 18 verbunden.
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Es werden zudem die Laufzeitunterschiede einzelner Impulse zu den Sensoren 14, 15 registriert, und aus diesen kann jedem mechanischen Impuls bei einem Partikeleinschlag ein Impulsort des Einschlags auf dem Probenkörper zugeordnet werden. Dieser Einschlagort wird zusammen mit dem Zeitpunkt des Einschlags und der Stärke des Impulses registriert und gespeichert. Dies ist durch das symbolische Diagramm 20 repräsentiert, das den zeitlichen Verlauf und die Stärke der elektrischen Impulse als in der Datenverarbeitungseinrichtung 18 gespeicherte Informationen darstellt.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung 18 selbst kann entweder auf dem rotierenden System montiert oder auch ortsfest vorgesehen sein, wenn die durch die Ladungsverstärker 16, 17 verstärkten Signale in geeigneter Form auf das stehende System übertragen werden, beispielsweise mittels einer Schleifringverbindung oder einer Funkverbindung.
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Das dargestellte System ermöglicht einerseits die individuelle Registrierung einzelner Partikeleinschläge einschließlich der Stärke und des Ortes des Einschlags und somit eine genauere Zuordnung von Erosionsbelastungen eines Probenkörpers zu den Folgen der Erosion in Form der Veränderung der Oberfläche des Probenkörpers.
