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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Prüfen des elektrischen Kontakts in einem Carbonfaser-Bauteil.
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Carbonfaser-Bauteile vereinigen gute mechanische Eigenschaften mit einem geringen Gewicht, weswegen sie bei der Herstellung von technischen Gegenständen, wie beispielsweise Fahrzeugen und Flugzeugen, zunehmend eingesetzt werden. In einer Reihe von Anwendungsfällen ist es gewünscht, einen elektrischen Strom in das Carbonfaser-Bauteil einzuleiten. Allerdings ist nicht ganz einfach zu ermitteln, ob ein Kontaktelement, das mechanisch in Kontakt mit dem Carbonfaser-Bauteil steht auch den gewünschten elektrischen Kontakt herstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Anordnung vorzustellen, mit der ein elektrischer Kontakt in einem Carbonfaser-Bauteil zuverlässig überprüft werden kann. Ausgehend vom genannten Stand der Technik wird die Aufgabe gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen finden sich in den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist an das Carbonfaser-Bauteil ein elektrisches Kontaktelement angeschlossen. Eine Stromquelle ist in einen elektrischen Stromkreis eingebunden, der sich über das elektrische Kontaktelement und einen Leitungsbereich in dem Carbonfaser-Bauteil erstreckt. Schließlich umfasst die Anordnung einen Wärmesensor für den Übergangsbereich zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem Carbonfaser-Bauteil und/oder für den Leitungsbereich in dem Carbonfaser-Bauteil.
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Zunächst werden einige Begriffe erläutert. Als Carbonfaser-Bauteile werden Verbundwerkstoffbauteile bezeichnet, in denen zumindest anteilig Carbonfasern enthalten sind. Die Carbonfasern können in sogenannten CFK-Bauteilen eingebettet sein in ein Trägermaterial, wie beispielsweise ein Epoxidharz. Unter den Begriff fallen beispielsweise auch glasfaserverstärkte Bauteile, die mit Carbonfasern ergänzt sind. Das Trägermaterial ist regelmäßig ein elektrischer Isolator. Dem Trägermaterial kann durch Zugabe von elektrisch leitfähigen Partikeln wie beispielsweise Nanoröhrchen eine elektrische Leitfähigkeit vermittelt werden. Der Leitungsbereich bezeichnet den Bereich des Carbonfaser-Bauteils, durch den der elektrische Strom fließt. Normalerweise bewegt der elektrische Strom sich im Wesentlichen geradlinig zwischen zwei Kontaktstellen.
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Die Erfindung hat erkannt, dass eine klassische Widerstandsmessung häufig irreführende Aussagen über den elektrischen Kontakt zwischen dem Kontaktelement und dem Carbonfaser-Bauteil liefert. Dies liegt daran, dass der elektrische Strom, der für die Widerstandsmessung durch das Carbonfaser-Bauteil geleitet wird, nacheinander mehrere Bereiche durchquert, in denen ein erhöhter Widerstand auftreten kann. Diese Bereiche umfassen die Übergangsbereiche zwischen Kontaktelementen und dem Carbonfaser-Bauteil sowie auch den Leitungsbereich innerhalb des Carbonfaser-Bauteils selbst. Eine klassische Widerstandsmessung ermittelt lediglich den Gesamtwiderstand, zeigt jedoch nicht wo der erhöhte Widerstand genau auftritt.
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Die Erfindung schlägt deswegen vor, einen elektrischen Strom zwischen dem Kontaktelement und dem Carbonfaser-Bauteil zu übertragen, der hinreichend stark ist, um eine Erwärmung in den Bereichen erhöhten Widerstands zu bewirken. Mit dem Wärmesensor wird die Erwärmung detektiert, die sowohl im Übergangsbereich von dem Kontaktelement zu dem Carbonfaser-Bauteil als auch innerhalb des Leitungsbereichs des Carbonfaser-Bauteils auftreten kann. Es kann also die Qualität der Kontaktstelle ebenso ermittelt werden wie die Qualität des Carbonfaser-Bauteils oder der Carbonfasern selbst sowie deren Zustand unter Belastung, nach einer Reparatur oder bei einer normalen Überwachung.
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Die Schädigung des Trägermaterials, die eintritt, wenn ein fehlerhaftes Kontaktelement oder ein fehlerhafter Leitungsbereich über einen längeren Zeitraum mit einer hohen Stromstärke belastet wird, ist unerwünscht. Um zu vermeiden, dass schon durch die erfindungsgemäße Prüfung Schäden verursacht werden, kann die Stromquelle dazu ausgelegt sein, einen Stromstoß von begrenzter Dauer abzugeben. Mit einem kurzen Stromstoß tritt bei erhöhtem Widerstand eine Erwärmung des Übergangsbereichs bzw. des Leitungsbereichs auf, diese ist jedoch nicht so stark, dass das Trägermaterial geschädigt wird. Ein fehlerhaftes Kontaktelement kann ausgetauscht werden, ohne dass Reparaturen an dem Carbonfaser-Bauteil erforderlich sind. Bei Fehlern im Leitungsbereich kann das Carbonfaser-Bauteil gezielt im Fehlerbereich repariert werden. Die Aussagekraft der Überprüfung kann erhöht werden, wenn die Stromquelle dazu ausgelegt ist, eine Folge von mehreren Stromstößen abzugeben. Die Stromstöße können beispielsweise eine Dauer zwischen 0,1 s und 3 s haben. Die Stromstärke, die bei der erfindungsgemäßen Prüfung durch das Carbonfaser-Bauteil geleitet wird, hängt stark vom konkreten Anwendungsfall ab. Bei kleinen Carbonfaser-Bauteilen, die im normalen Betrieb kaum mit elektrischen Strömen belastet sind, reichen für die Überprüfung kleine Stromstärken aus. Bei Carbonfaser-Bauteilen, die im normalen Betrieb mit hohen Strömen belastet sind, sind wesentlich höhere Stromstärken für die Überprüfung erforderlich. Bei der Ermittlung der richtigen Stromstärke für die Überprüfung geht man zweckmäßigerweise so vor, dass man zunächst einen elektrischen Widerstand festgelegt, der innerhalb des Carbonfaser-Bauteils nicht überschritten werden darf. Die elektrische Stromstärke sollte so bemessen werden, dass die Temperaturerhöhung bei Unterschreitung dieses Widerstands oberhalb eines vorgegebenen Schwellwerts liegt. Der Schwellwert kann beispielsweise 0,5°C betragen. Temperaturänderungen in dieser Größenordnung lassen sich mit standardmäßigen Wärmesensoren zuverlässig ermitteln.
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Die Stromquelle kann auch dazu ausgelegt sein, einen im Wesentlichen konstanten elektrischen Strom zu erzeugen, der auch im normalen Betrieb durch das Carbonfaser-Bauteil fließt, und diesen mit einem oder mehreren Stromstößen zu überlagern. Dies lässt Rückschlüsse darauf zu, ob das Carbonfaser-Bauteil noch ausreichend Reserven gegenüber den im normalen Betrieb auftretenden Belastungen hat. Die Stromstärke während des Stromstoßes sollte um wenigstens 20% höher sein als der im Wesentlichen konstante elektrische Strom.
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Der Wärmesensor kann einen Fühler umfassen, der mit dem Übergangsbereich zwischen dem elektrischen Kontaktelement und dem Carbonfaser-Bauteil und/oder dem Leitungsbereich in Kontakt gebracht wird. Bevorzugt ist aber eine berührungslose Messung, bei der der Wärmesensor auf die von dem Übergangsbereich/Leitungsbereich abgegebene Wärmestrahlung reagiert. Beispielsweise kann der Wärmesensor eine Wärmebildkamera, insbesondere eine Thermokamera sein.
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Die Carbonfasern sind in dem Carbonfaser-Bauteil in einer Ebene ausgerichtet. Ein Kontaktelement, das aus einer zu dieser Ebene senkrechten Richtung herangeführt wird, würde folglich nur die Umfangsfläche in der Carbonfasern berühren. Der Übergangswiderstand bei einer solchen Berührung ist jedoch erheblich höher als der Übergangswiderstand bei einem Kontakt zu einer Endfläche der Carbonfaser. Die Endfläche einer Carbonfaser wird gebildet, indem diese in zwei Teile getrennt wird. Im Rahmen der Erfindung ist deswegen vorzugsweise vorgesehen, dass das elektrische Kontaktelement in Kontakt mit den Endflächen der Carbonfasern steht.
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Wird die Carbonfaser senkrecht zu Ihrer Längsrichtung durchtrennt, entspricht die Endfläche der Querschnittsfläche der Carbonfaser. Bei einem Schnitt der schräg zur Längsrichtung der Carbonfaser ausgerichtet ist, hat die Endfläche einen Flächeninhalt, der größer ist als die Querschnittsfläche der Carbonfaser. Vorzugsweise ist der Übergangsbereich zu dem Carbonfaser-Bauteil so gestaltet, dass das Kontaktelement an einer Endfläche anliegt, die größer ist als die Querschnittsfläche der Carbonfaser. Dies kann erreicht werden, indem die Schnittfläche, über die der Kontakt erfolgt, schräg zu der Ebene der Carbonfasern ausgerichtet ist. Beispielsweise kann das elektrische Kontaktelement in einer Bohrung des Carbonfaser-Bauteils angeordnet sein, wobei die Bohrung die Ebene schneidet, in der die Carbonfasern ausgerichtet sind. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Bohrung eine Konusbohrung. Die Außenform des Kontaktelements ist an die Bohrungen angepasst, so dass ein vollflächiger Kontakt entsteht. In einer alternativen Ausführungsform stehen sich zwei Flächen des Carbonfaser-Bauteils keilförmig gegenüber und das Kontaktelement hat eine an die Flächen angepasste Keilform.
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Ein erhöhter Widerstand innerhalb des Carbonfaser-Bauteils kann sich daraus ergeben, dass es zu einem Faserbruch, einem Riss oder einer Delamination gekommen ist. In einem solchen Fall gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder ist der elektrische Kontakt vollkommen verloren gegangen. Es fließt dann kein Strom und für den Wärmesensor zeigt sich eine kalte Stelle. Ist noch ein Restkontakt erhalten geblieben, kommt es zu einer Temperaturerhöhung, die der Wärmesensor bemerkt. Fließt im normalen Betrieb des Carbonfaser-Bauteils ein elektrischer Strom durch die fehlerhafte Kontaktstelle, käme es zu einer Erhitzung, die möglicherweise eine Schädigung des Trägermaterials und einen vollständigen Ausfall des Kontakts zur Folge hätte. Es ist wichtig, solche sich anbahnenden Fehler frühzeitig zu entdecken, was beispielsweise mit der erfindungsgemäßen Anordnung geschehen kann.
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Der elektrische Stromkreis erstreckt sich von der Stromquelle über das Kontaktelement durch den Leitungsbereich des Carbonfaser-Bauteils zurück zu der Stromquelle. Für die konkrete Ausgestaltung des Stromkreises gibt es mehrere Möglichkeiten. Beispielsweise kann das Carbonfaser-Bauteil mit zwei Kontaktelementen versehen sein, so dass sich der elektrische Stromkreis von dem ersten Kontaktelement über den Leitungsbereich des Carbonfaser-Bauteils zu dem zweiten Kontaktelement und zurück zur Stromquelle erstreckt.
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Möglich ist auch, dass der eine Pol der Stromquelle auf andere Weise an das Carbonfaser-Bauteil angeschlossen ist. Der Stromkreis ist dann von dem Kontaktelement über den Leitungsbereich des Carbonfaser-Bauteils zurück zu der Stromquelle geschlossen. Bei dieser Gestaltung können auch mehrere Kontaktelemente parallel zueinander geprüft werden. Der Stromkreis ist dann parallel durch die mehreren Kontaktelemente hindurch und den Leitungsbereich des Carbonfaser-Bauteils geschlossen.
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Im Rahmen der Erfindung kann eine Auswerteeinheit vorgesehen sein, in der die elektrischen Zustände des Carbonfaser-Bauteils mit den thermischen Zuständen des Carbonfaser-Bauteils zusammengeführt werden. Vorzugsweise sind die Zustände einer Zeitskala zugeordnet, anhand derer die zueinander zugehörigen thermischen und elektrischen Zustände ermittelt werden können. Die erfindungsgemäße Anordnung kann insbesondere dazu dienen, eine Mehrzahl von gleichartigen Carbonfaser-Bauteilen zu überprüfen. Es kann dazu in einem Speicher eine Soll-Verteilung der thermischen Zustände innerhalb des Carbonfaser-Bauteils hinterlegt sein, die zu einer bestimmten Folge von elektrischen Zuständen gehört. Wird ein Carbonfaser-Bauteil mit der entsprechenden Folge von elektrischen Zuständen geprüft, kann ein Vergleich mit der Soll-Verteilung durchgeführt werden und ermittelt werden, ob es eine Abweichung gibt. Ist dies der Fall, deutet dies auf einen Fehler in dem überprüften Carbonfaser-Bauteil hin.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Prüfen des elektrischen Kontakts in einem Carbonfaser-Bauteil. Bei dem Verfahren wird ein elektrischer Strom über ein Kontaktelement in das Carbonfaser-Bauteil eingeleitet. Mit einem Wärmesensor wird die Wärmeentwicklung im Übergangsbereich zwischen dem Kontaktelement und dem Carbonfaser-Bauteil und/oder im Leitungsbereich des Carbonfaser-Bauteils ermittelt. Das Verfahren kann mit weiteren Merkmalen fortgebildet werden, die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Anordnung beschrieben sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand vorteilhafter Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
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1: eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2: eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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3: eine schematische Darstellung eines Signalverlaufs;
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4: eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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5: eine schematische Darstellung einer Carbonfaser in einem Carbonfaser-Bauteil; und
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6 eine Ansicht von oben auf ein Carbonfaser-Bauteil.
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In einem Carbonfaser-Bauteil 14 in 1 sind schematisch einige Carbonfasern 15 angedeutet, die sich in der Ebene des Bauteils 14 erstrecken. Die Carbonfasern 15 sind in der schematischen Darstellung der 1 alle mit gleicher Ausrichtung gezeigt, tatsächlich erstrecken sich die Carbonfasern 15 in der Ebene in unterschiedlichen Richtungen. Die Carbonfasern 15 sind eingebettet in ein Trägermaterial wie beispielsweise Epoxidharz.
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In dem Carbonfaser-Bauteil 14 ist eine Konusbohrung 16 ausgebildet, in die ein konusförmiges Kontaktelement 17 aus einem elektrisch leitfähigen Material eingesetzt ist. Das Kontaktelement 17 besteht vorzugsweise aus einem Material wie Nickel 36, das einen vergleichbar niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat wie das Carbonfaser-Bauteil 14. Mit seiner Konusfläche liegt das Kontaktelement 17 an den Endflächen der Carbonfasern 15 an, wobei die Endflächen aufgrund des schrägen Schnitts größer sind als die Querschnittsfläche der Carbonfasern.
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Das Kontaktelement 17 umfasst einen elektrischen Anschluss 18, der über ein Kabel 19 mit einer Stromquelle 20 verbunden ist. Der andere Pol der Stromquelle 20 ist über einen elektrischen Anschluss 21 leitend mit dem Carbonfaser-Bauteil 14 verbunden. Der Strom fließt also von dem elektrischen Anschluss 21 durch die Carbonfasern 15 des Carbonfaser-Bauteils 14 in Richtung des Kontaktelements 17. Im Übergangsbereich 22 zwischen dem Carbonfaser-Bauteil 14 und dem Kontaktelement 17 geht der Strom von den Endflächen der Carbonfasern 15 in das Kontaktelement 17 über, so dass der Stromkreis geschlossen ist.
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Ist der elektrische Kontakt zwischen dem Kontaktelement 17 und den Endflächen der Carbonfasern 15 einwandfrei, werden auch größere Stromstärken ohne erhöhten Widerstand übertragen. Liegt allerdings eine Endfläche nicht flächig, sondern nur zu einem kleinen Teil an dem Kontaktelement 17 an, können zwar kleine Stromstärken übertragen werden. Bei größeren Stromstärken erhitzt sich jedoch die Carbonfaser 15 und das umliegende Trägermaterial wird geschädigt, was häufig zur Folge hat, dass der elektrische Kontakt vollständig verloren geht.
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Die Stromquelle 20 ist dazu ausgelegt, einen Stromstoß von größerer Stromstärke durch den Stromkreis zu leiten, so dass es bei einem mangelhaften Kontakt zwar zu einer Erwärmung im Übergangsbereich, nicht jedoch zu einer Schädigung des Trägermaterials kommt.
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Mit einer Infrarot(IR)-Kamera 23, die auf den Übergangsbereich 22 und den Leitungsbereich 26 gerichtet ist, wird die abgegebene Wärmestrahlung aufgenommen. Mit einer Auswerteeinheit 24 werden die Signale von der IR-Kamera 23 ausgewertet und ermittelt, ob sich nach dem Einleiten des Stromstoßes eine Erwärmung des Übergangsbereichs 22 bzw. des Leitungsbereichs 26 gibt. Ist dies nicht der Fall, sind das betreffende Kontaktelement 17 und der Leitungsbereich 26 in Ordnung. Tritt eine Erwärmung auf, wird ermittelt, ob diese von dem Übergangsbereich 22 oder dem Leitungsbereich 26 ausgeht. Zeigt sich im Leitungsbereich 26 keine Temperaturerhöhung, ist dieser fehlerfrei und es reicht aus, das Kontaktelement 17 auszutauschen.
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In der Ausführungsform der 2 hat das Carbonfaser-Bauteil zwei Kontaktelemente 171, 172, deren elektrische Anschlüsse 18 mit den beiden Polen der Stromquelle 20 verbunden sind. Der Stromkreis ist also von dem ersten Kontaktelement 171 durch den Leitungsbereich 26 des Carbonfaser-Bauteils 14 zu dem zweiten Kontaktelement 172 geschlossen.
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Die Stromquelle 20 wird über eine Steuereinheit 25 angesteuert, so dass sie eine Folge von Stromstößen abgibt. Eine IR-Kamera 23 ist so angeordnet, dass sie Wärmestrahlung aus den Übergangsbereichen 22 beider Kontaktelemente 171, 172 sowie aus dem Leitungsbereich 26 aufzeichnet. Mit einer Auswerteeinheit 24 wird das Bild der IR-Kamera 23 ausgewertet und eine Zuordnung der betreffenden Bildpunkte zu den Übergangsbereichen 22 vorgenommen.
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Die grafische Darstellung, die von der Auswerteeinheit 24 ausgegeben wird, kann beispielsweise so aussehen, wie in 3 dargestellt. Dort zeigt die oberste Kurve den Verlauf der Stromstärke. Die Wärmeentwicklung T1 im Übergangsbereich 22 des ersten Kontaktelements 171 ist in der mittleren Kurve dargestellt und die Wärmeentwicklung T2 im Übergangsbereich 22 des zweiten Kontaktelement 172 in der unteren Kurve. Man sieht, dass beim ersten Kontaktelement 171 mit jedem Stromstoß eine deutliche Erhöhung der Temperatur T1 einhergeht. Der elektrische Kontakt zwischen dem ersten Kontaktelement 171 und dem Carbonfaser-Bauteil 14 ist also fehlerhaft. Beim zweiten Kontaktelement 172 kommt es lediglich zu einer ganz leichten Erhöhung der Temperatur T2, die eine normale Folge des Stromstoßes ist. Das zweite Kontaktelement 172 hat also einen guten elektrischen Kontakt zu dem Carbonfaser-Bauteil 14.
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In der Auswerteeinheit 24 können Sollwerte für die Temperaturzustände des Carbonfaser-Bauteils 14 hinterlegt sein. Die Auswerteeinheit 24 kann einen automatischen Vergleich mit dem Sollwerten durchführen und so ermitteln, ob das Carbonfaser-Bauteil 14 fehlerfrei ist.
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Ein drittes Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt. Dort ist wieder ein Pol der Stromquelle 20 über einen elektrischen Anschluss 21 direkt mit dem Carbonfaser-Bauteil 14 verbunden. Der andere Pol der Stromquelle 20 ist in Parallelschaltung mit drei Kontaktelementen 17 verbunden, die in drei Konusbohrungen 16 des Carbonfaser-Bauteils 14 eingesetzt sind. Für jedes der Kontaktelemente 17 ist eine eigene IR-Kamera 23 vorgesehen, so dass keine Auswertung erforderlich ist, welche Bildpunkte zu welchem Kontaktelement 17 gehören. Wird in einer IR-Kamera 23 eine mit dem Stromstoß korrelierende Wärmeentwicklung festgestellt, kann unmittelbar gefolgert werden, dass das zugehörige Kontaktelement 17 fehlerhaft ist.
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In 5 ist schematisch eine Carbonfaser 15 gezeigt, die in einem elektrisch isolierenden Trägermaterial eingebunden ist und die sich zwischen zwei Kontaktelementen 171, 172 erstreckt. In einer grafischen Auswertung, die von der erfindungsgemäßen Anordnung vorgenommen wird, sind drei Isothermen 27 als gestrichelte Linien dargestellt. Etwa in der Mitte zwischen den beiden Kontaktstellen 171, 172 ist die Temperatur in der Carbonfaser 15 deutlich erhöht, was sich daraus ergibt, dass die Isothermen 27 dort einen größeren Abstand zu der Carbonfaser 15 haben. Es fließt also noch Strom durch die Carbonfaser 15. Die erhöhte Temperatur deutet aber auf einen beginnenden Faserbruch hin, der aufgrund von Materialfehlern, Verarbeitungsfehlern oder Überlast verursacht sein kann. Der Fehler in der Phase ist so geringfügig, dass er mit optischen Mitteln nicht erkannt werden kann.
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Die 6 zeigt eine Ansicht von oben auf ein Carbonfaser-Bauteil 14, das in der Mitte durch einen Riss geschädigt ist. Die Isothermen 27 erstrecken sich um den Riss herum und ergeben dadurch ein charakteristisches Bild, das von dem Sollzustand abweicht. Durch einen Vergleich mit dem Sollzustand der Isothermen 27 kann der Fehler automatisch ermittelt werden.
