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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Druckbelastbarkeit- und Berstprüfung von Prüflingen mit einem inneren, ersten Volumen, welches von einem zweiten Volumen durch eine Wandung oder eine Membran getrennt ist und die Prüflinge umhauste Sensoren, Mikroschalter oder dergleichen Bauteile mit Minimalvolumen sind, die Prüflinge in eine geschlossene Prüfkammer eingebracht und mit einer steuerbaren Druckerzeugungseinrichtung nebst Druckverlaufsmesseinrichtung verbunden werden, gemäß Oberbegriff des Anspruches 1 bzw. 6.
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Aus der
DE 10 2011 107 539 A1 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Dichtheit eines Bauteiles, umfassend eine elastische Komponente, vorbekannt. Das Bauteil wird mit Druck beaufschlagt. Anschließend wird die resultierende Verformung der elastischen Komponente detektiert sowie im Hinblick auf die Dichtheit ausgewertet.
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Konkret richtet sich die dortige Lehre auf ein Verfahren von solchen Bauteilen oder Baugruppen, die nur ein kleines Volumen besitzen.
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Die Sensorik zur Erfassung der Verformung greift auf optische Mittel zurück. Hier kann es sich um eine Kamera, eine Lichtschranke oder dergleichen Einrichtung handeln.
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Bei dem Verfahren zur Dichtheitsprüfung eines abgeschlossenen Behälters mit einem ersten inneren, abgeschlossenen Volumen, das mit einem ersten gasförmigen Material mit einem ersten Druck gefüllt ist, wobei in einem den Behälter umgebenden zweiten Volumen ein zweiter Druck, der größer als der erste Druck ist, erzeugt wird. Gemäß
DE 10 2014 202 596 A1 wird eine Dichtigkeit dadurch überprüft, dass untersucht wird, ob und inwieweit die zweite Substanz eine Veränderung der Raman-Spektralbande der ersten gasförmigen Substanz bewirkt. Weiterhin wird nach einer vorbestimmten Zeit die Konzentration der sich im ersten Volumen des Behälters befindlichen Moleküle der zweiten gasförmigen Substanz mittels einer Raman-Spektroskopie gemessen. Hierdurch soll auf zerstörungsfreier Weise ein Behälterleck ohne Kontamination der Umgebung in einem Schritt erfassbar werden.
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Die
DE 196 50 257 A1 offenbart ein Verfahren und eine Anordnung zur integralen Dichtheitsprüfung von Behältern und/oder Gehäusen, wonach ein derartiges Prüfobjekt mit einem Testfluid beaufschlagt wird, das gegenüber der Umgebung unter erhöhtem Druck steht. Bei Vorhandensein eines Lecks tritt Fluid aus dem Prüfobjekt aus. Hierdurch wird ein Leck erkannt. Das zu prüfende Objekt wird in eine Testkammer eingebracht und es wird die jeweilige Testgaskonzentration direkt in der Testkammer mittels optischer Gasnachweisverfahren bestimmt.
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Bei der
EP 2 166 348 A1 steht ein Verfahren zur Erfassung einer Beschädigung eines Hochdrucktanks im Mittelpunkt. Konkret geht es hier um die Überprüfung, ob Anzeigen eines Ausfalls eines in einem Wasserstoff-Brennstoffzellenfahrzeug installierten Hochdrucktanks vorliegen. Diesbezüglich wird ein Schallemissionssignal erzeugt, wenn ein mit einem Hochdruckfluid gefüllter Hochdrucktank einem Ausfall, beispielsweise aufgrund von Materialermüdung, unterliegt.
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Ganz allgemein wird bei einer Prüfung von Prüflingen ein flüssiges Prüfmedium, zum Beispiel Öl, nebst Druckübersetzer eingesetzt, um den notwendigen Prüfdruck zu erzeugen. Ebenso besteht die Möglichkeit, ein gasförmiges Prüfmedium, zum Beispiel Stickstoff, zu verwenden, wobei der Prüfdruck sowie das Prüfmedium über einen Gasdruckbehälter bereitstellbar ist.
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Neben fluidführenden Bauteilen, wie zum Beispiel Rohren oder Behälter, werden in vielen Fällen auch Sensoren oder dergleichen Bauelemente einer Druckprüfung im Fertigungsprozess sowie zur Qualitätskontrolle unterzogen.
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Hier erfolgt eine Prüfung der Prüflinge auf Dichtheit oder auf sogenannten Berstdruck.
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Um bei einem Prüfling den Berstdruck zu erzeugen, wird dieser mit dem notwendigen Druck beaufschlagt. Für die Prüfung mit einem Druckübersetzer kommen weiterhin ein Druckaufnehmer und eine Messbox mit Computeranbindung in Sachen Auswertung der Druckwerte zum Einsatz. Der Prüfling wird in bekannter Weise mittels Adaptern mit dem Druckübersetzer und einer Ventilanordnung verbunden. Ein entsprechendes Entlastungsventil nebst Druckaufnehmer ist diesbezüglich vorgesehen.
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Für die notwendige Verbindung zwischen Prüfling und Druckübersetzer werden üblicherweise druckfeste Rohrverbindungen genutzt.
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Bei entsprechend realisierten Prüfaufbauten wird zum Zweck der Ermittlung des Berstdruckes der Druck mit dem Druckaufnehmer aufgenommen und ausgewertet. Bei der Berstprüfung wird der Prüfling solange mit Druck beaufschlagt, bis der Prüfling birst. Nach der Berstung des Prüflinges ist ein Druckabfall zu erkennen. Der Peak dieser Druckkurve ist der sogenannte Berstdruck. Üblicherweise ist neben einem Druckabfall auch ein Aufplatzen des Prüflinges akustisch zu vernehmen oder optisch wahrzunehmen.
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Auf der Basis der oben beschriebenen Methodik eingesetzte Lösungen und Prüfeinrichtungen liefern üblicherweise aussagekräftige Ergebnisse.
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Allerdings ist die gemäß dem bekannten Stand der Technik durchgeführte Prüfung dann wenig aussagefähig, wenn Prüflinge mit außerordentlich geringem Prüfvolumen zu untersuchen sind, insbesondere dann, wenn die Prüflinge so ausgebildet sind, dass eine sogenannte innere Berstung auftritt.
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Es hat sich gezeigt, dass bei Versuchsreihen mit Prüflingen, zum Beispiel umhausten Sensoren mit Membranen, die ein Prüfvolumen begrenzen, bei denen zunächst eine innere Berstung auftritt, kein Druckabfall nachgewiesen werden kann bzw. erkennbar ist.
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Zum Stand der Technik sei noch auf nachstehende Publikationen verwiesen:
- LAPSIEN, Joachim: Dichtheitsprüfung von gekapselten Sensorsystemen mit dem Prüfmedium, CETA Testsysteme GmbH, Hilden. DACH-Jahrestagung, Mai 2019, S. 1-7. URL:
- https://www.ndt.net/article/dgzfp2019/papers/Mi.3.A.3.pdf [abgerufen am 18.10.2022]
- BOCK, Karl: SCHLOSSER, Karl-Heinz: Druck- und Berstproben mit begleitender Schallemissionsprüfung an Flüssiggasbehältern mit erhöhtem Schädigungsgrad. In: DGZfP-Berichtsband 82-CD, Vortrag 13, 14. Kolloquium Schallemission, 2003, Berlin, S. 127-136. URL:
- https://www.dgzfp.de/Portals/24/PDFs/Bbonline/BB_82-CD/cdfs/V13Bock.pdf [abgerufen am 18.10.2022]
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Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes Verfahren zur Druckbelastbarkeit- und Berstprüfung von Prüflingen mit einem inneren ersten Volumen, welches von einem zweiten Volumen durch eine Wandung oder eine Membran getrennt ist, anzugeben, wobei es hier um Prüflinge umhauster Art wie Sensoren, Mikroschalter oder dergleichen Bauteile geht, die ein Minimalvolumen umschließen. Diesbezüglich soll das zu schaffende Verfahren das innere Bersten sicher erkennen, so dass Prüfergebnisse mit hoher Qualität und Aussagefähigkeit zur Verfügung stehen.
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Die Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig mit einer Lehre gemäß Patentanspruch 1 sowie mit einer Anordnung gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 6.
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Um nun erfindungsgemäß eine innere Berstung bei einem Prüfling mit geringen Prüfvolumen zu detektieren, werden erfindungsgemäß neben dem Druckaufnehmer und einer Messeinrichtung für den Druckverlauf akustische Messsysteme auf der Basis hochauflösender Mikrofone in der Prüf- bzw. Berstkammer angeordnet.
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Mittels akustischer Frequenzanalyse unter Verwendung der erwähnten hochauflösenden Mikrofone, ist eine Änderung der Frequenz in der Prüfkammer, das heißt des akustischen Spektrums, zu erkennen.
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Dies wird auch dann erfassbar, wenn eine innere Berstung im Prüfling stattfindet, wenn zum Beispiel eine die Volumina eines Prüflings trennende Membran zerstört wird.
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Weiterhin detektieren die Mikrofone auch die vollständige Berstung des Prüflinges, die im weiteren Verlauf einer Druckerhöhung auftritt.
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Der innere Berstdruck wird nach quasi Übereinanderlegen der Druck- und Frequenzkurve über die Zeitachse ermittelt.
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Die Prüfkammer ist zur optimalen Ermittlung der akustischen Verhältnisse gegen die Umgebung akustisch und mechanisch geschirmt. Insbesondere ist die Prüfkammer innenseitig mit einer akustischen Schirmung durch Dämmmaterialauskleidung versehen.
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Um die Aussagengenauigkeit der zu ermittelnden inneren Berstung weiter zu erhöhen, wird neben dem erwähnten akustischen Messsystem ein Beschleunigungs-Messsystem am Prüfling installiert.
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Diesbezüglich wird ein Beschleunigungssensor mit dem Prüfling verbunden, der die Bewegungsänderung während der Prüfung aufzeichnet.
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Um die Funktion des Beschleunigungssensors nicht zu beeinträchtigen, liegt der Prüfling samt Druckadaption frei in der Prüfkammer, so dass sich ein entsprechender Bewegungsimpuls im Inneren des Prüflings auf die Lage des Prüflings auswirkt.
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Eine optimale Ermittlung des inneren Berstdruckes erfolgt dann
nach Auswertung des Messergebnisses auf der Basis der Signale des Beschleunigungssensors über die Zeitachse und der ermittelten Druckverläufe unter Nutzung einer Druckverlaufsmesseinrichtung.
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Die kurz beschriebene Lösung ermöglicht also das messtechnische Auswerten einer inneren Berstung bei Prüflingen mit sehr geringem Prüfvolumen auch dann, wenn der entstehende Druckabfall messtechnisch nicht bewertet werden kann eben aufgrund der Tatsache, dass das Prüfvolumen nicht ausreichend groß ist.
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Es wird demnach von einem Verfahren zur Druckbelastbarkeits- und Berstprüfung von Prüflingen mit einem inneren, ersten Volumen ausgegangen, welches von einem zweiten Volumen durch eine Wandung oder eine Membran oder dergleichen Mittel getrennt ist. Die Prüflinge können zum Beispiel umhauste Sensoren, Mikroschalter oder dergleichen Bauteile mit Minimalvolumina sein. Die Prüflinge werden in eine geschlossene Prüfkammer eingebracht und mit einer steuerbaren Druckerzeugungseinrichtung nebst Druckverlaufsmesseinrichtung verbunden.
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Erfindungsgemäß wird zur Detektion der bereits erwähnten inneren Berstung der Prüfling mit einem Beschleunigungssensor gekoppelt, um während der über die Zeit erfolgenden Druckbeaufschlagung des Prüflings Bewegungsimpulse zu erfassen.
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Weiterhin ist die Prüfkammer mit geeigneten Mitteln akustisch gegenüber ihrer Umgebung gedämpft und entkoppelt ausgeführt derart, dass mittels einer Mikrofonanordnung in der Prüfkammer akustische Messungen nebst Frequenzanalyse durchführbar sind.
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Auf der Basis der beschriebenen Lehre erfolgt eine Ermittlung von Druckverlaufs- oder Frequenzverlaufskurven, wobei aus ersten Frequenzänderungen während der Druckerhöhung und erkannter Bewegungsimpulse des Prüflinges auf ein internes Bersten, das heißt ein Bersten des inneren Volumens und bei einer zweiten Frequenzänderung und signifikanten Druckabfall auf ein äußeres, endgültiges Bersten, das heißt ein Bersten des zweiten Volumens bzw. des kompletten Prüflings geschlossen wird.
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Der Prüfling ist in der Prüfkammer im Wesentlichen frei beweglich aufgehangen derart, dass sich ein Impuls im Inneren des Prüflinges aufgrund der inneren Berstung auf die jeweilige Lage und Position des gesamten Prüflings auswirkt.
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Der innere Berstdruck wird auf der Basis der Auswertung von Messergebnissen des Beschleunigungssensors in Verbindung mit der Druckverlaufskurve, das heißt der Druckmessung über die Zeit, ermittelt.
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Mittels der Mikrofonanordnung ist eine hochaufgelöste akustische Signalerfassung mit nachfolgender computergestützter Frequenzanalyse realisierbar. Um atypische akustische Signaländerungen bzw. Frequenzänderungen auszuschließen und um eine Verfälschung der Messergebnisse zu vermeiden bzw. zu minimieren, kommen verschiedene Filteralgorithmen zur Anwendung. Denkbar ist hier eine Kalman-Filterung unter Anwendung der bekannten Theorie der adaptiven Zustandsschätzung. Auch kann eine Signalfaltung erfolgen. Ebenso besteht die Möglichkeit unter Nutzung der eingesetzten Computertechnik und bekannter Softwaremodule Lernalgorithmen zu erstellen, die Toleranzen und Streubreiten bei der Herstellung der Prüflinge berücksichtigen.
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Durch eine begleitende Erfassung akustischer Umstände noch ohne Druckbeaufschlagung zum Beispiel im Vorfeld oder im Nachgang zu einer Druckbelastung des Prüflinges, können typische akustische Störereignisse aber auch auf den Beschleunigungssensor wirkende externe Kräfte ermittelt und bei der Auswertung der Messsignale berücksichtigt, das heißt eliminiert werden.
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Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchführung des Verfahrens der Druckbelastbarkeits- und Berstprüfung von Prüflingen mit einem ersten inneren Volumen, welches von einem zweiten Volumen durch eine Wandung oder Membran getrennt ist, wird von einem in einer Prüfkammer befindlichen Prüfling ausgegangen, welcher mit einer Druckerzeugungseinrichtung verbindbar und mit einem fluiden Medium beaufschlagbar ist. Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Anordnung eine Druckverlaufsmesseinrichtung.
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Anordnungsseitig erfindungsgemäß ist der Prüfling in der Prüfkammer freibeweglich aufgehangen. Am Prüfling ist mindestens ein Beschleunigungssensor befindlich.
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In die Prüfkammer ist mindestens ein hochauflösendes Mikrofon eingesetzt, welches mit einer Frequenzanalyseeinrichtung in Verbindung steht, wobei die Prüfkammer akustisch gedämpft und von ihrer Umgebung akustisch entkoppelt ausgeführt ist.
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Darüber hinaus ist eine computergestützte Auswerteeinheit zur Bestimmung von zeitlichen Druckverläufen, zur Bewertung von Frequenzänderungen und zur Erfassung von Änderungen in der Lage oder Position des Prüflinges auf der Basis der vom Beschleunigungssensor an die Auswerteeinheit übermittelten Messsignale vorgesehen.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.
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Gemäß Figur wird ein fluides gasförmiges Medium aus einer Gasvorratsflasche 1 bereitgestellt.
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Das gasförmige fluide Medium gelangt auf einen Druckübersetzer 2.
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Verschiedene Druckmessumformer 3 sind in der Lage, die Druckwerte P in elektrische Signale, zum Beispiel in Spannungssignale U umzuwandeln. Diese Signale werden einer Auswerteeinheit 4 übergeben, die mit einem Personal Computer 5 in Verbindung steht.
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Innerhalb einer Prüf- oder Berstkammer 6, welche akustisch gedämpft und von der Umgebung akustisch entkoppelt ist, befinden sich mehrere hochauflösende Mikrofone 7.
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Eine Adapter- und Prüflingsaufnahme 8 steht mit dem Druckübersetzer druckseitig in Verbindung. Am Adapter bzw. der Prüfungsaufnahme 8 ist der Prüfling 9 im Wesentlichen frei aufgehangen.
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Am Prüfling 9 ist ein Beschleunigungssensor 10 befestigt.
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Die Prüf- und Berstkammer 6 nimmt also die hochauflösenden Mikrofone 7, den Adapter zur Prüflingsaufnahme 8 sowie den Prüfling 9 nebst an diesem befestigten Beschleunigungssensor 10 auf.
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Sobald es im Inneren des mit einer druckseitig beständigen Umhausung versehenen Prüflinges 9 zu einem Bersten kommt, nehmen die Mikrofone 7 das akustische Signal auf und führen dieses zu einer in der Figur nicht gezeigten Frequenzanalyseeinrichtung. Diese kann softwareseitiger Bestandteil des Personal Computers 5 sein. Über eine Ventilanordnung 11 kann der Druck im System abgebaut werden.
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Parallel hierzu nimmt der Beschleunigungssensor 10 Bewegungsänderungsimpulse des Prüflinges 9 auf. Auch diese Messsignale gelangen zu einer Auswerteeinheit, die bevorzugt Bestandteil des Personal Computers 5 ist. Es wird also mit der figürlich als prinzipieller Aufbau gezeigten Anordnung die Möglichkeit geschaffen, eine innere Berstung im Prüfling 9, der nur ein geringes Prüfvolumen aufweist, zu detektieren. Hierfür wird neben einer Messung mittels Druckmessumformer und der akustischen Analyse unter Verwendung hochauflösender Mikrofone mit dem Beschleunigungssensor, der mit dem Prüfling verbunden ist, ermittelt, ob eine Bewegungsänderung während der Prüfung stattfindet.
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Für die Funktion des Beschleunigungssensors 10 liegt der Prüfling 9 samt Adapter frei in der Prüfkammer 6, so dass sich ein Impuls im Inneren des Prüflings 9 auf die Lage des Prüflinges 9 selbst auswirken kann.
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Die Ermittlung des inneren Berstdruckes erfolgt nun nach Auswertung des Messergebnisses des Beschleunigungssensors über die Zeitachse und der gemessenen Druckverlaufskurve. Auch wenn aufgrund des geringen Prüfvolumens ein geringer Druckabfall bei Auftreten einer inneren Berstung messtechnisch nicht ausgewertet werden kann, da das Prüfvolumen nicht ausreichend hoch ist, gelingt es mit der beschriebenen Anordnung und dem hierdurch realisierbaren Verfahren, ein inneres Bersten hochgenau zu bestimmen und einen entsprechenden Berstdruck auszugeben.
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Über eine akustische Frequenzanalyse kann die Frequenzänderung in der Prüfkammer 6 während der inneren Berstung festgestellt und überwacht sowie die kompletten Berstung des gesamten Prüflings 9 detektiert werden.
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Für die Bestimmung des inneren Berstdruckes von Prüflingen 9 mit sehr kleinem Volumen kann einerseits auf die akustische Detektion eines inneren Berstens aber auch auf eine Kombination akustischer Messungen in Verbindung mit der Auswertung der Signale des Beschleunigungssensors zurückgegriffen werden.
