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Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen von unsichtbaren strukturellen
Fehlern in Keramikformteilen Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Feststellen von Strukturfehlern in Keramikformteilen.
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In Verbindung mit katalytischen Reaktoren zum Umwandeln der schädlichen
Komponenten von aus Verbrennungsmotoren ausgestoßenen Auspuffgasen in ungefährliche
Substanzen sind die katalytischen Materialien in diesen Reaktoren gewöhnlich in
Form von dünnen Überzugsschichten auf einer Vielzahl von Trägerkörpern oder Trägern
verteilt. Die Träger
sind aus Grunden-einer guten chemischen Stabilität
und Wärmestandfestigkeit typischerweise aus gesinterten Keramiken hergestellt und
weisen eine komplizierte Form auf, so daß jeder Träger die größtmögliche Oberfläche
aufweist, über welche die Uberzugsschichten ausgebildet werden können. Beispielsweise
besteht ein solcher Träger aus einem äußeren Schutzgehäuse und einer Vielzahl von
inneren, verschlungen angeordneten Trennwänden um dazwischen eine Vielzahl von Durchgangskanälen
für die Auspuffgase zu bilden.
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Bei der Massenherstellung solcher Keramikformteile ist es unvermeidlich,
daß eine gewisse Anzahl von fertigen Teilen bestimmte Fehler, wie z. B. Sprdnge,
lokale Abtrennungen von inneren Trennwinden entweder von ihren benachbarten Wänden
oder von dem äußeren Gehäuse und lokale Mißbildungen in der Anordnung dieser Trennwände,
aufweist. Es ist unmöglich, all -diese schadhaften Teile nur durch visuelle Überwachung
auszusortieren. Die Unterscheidung zwischen brauchbaren und schadhaften Teilen wird
gewöhnlich durch ein manuelles Verfahren vorgenosmen, das darin besteht, jedes Teil
mit einem bestimmten Werkzeug leicht anzuschlagen und dabei sorgfältig den beim
Anschlagen erzeugten Klang abzuhören, um durch den Tonwechsel im Klang das Vorhandensein
von unsichtbaren Fehlern in diesem Teil festzustellen. Dieses Untersuchungsverfahren
erfordert speziell ausgebildete und erfahrene Prüfer und
leidet
dennoch an der Ungleichheit der Bewertungskriterien unter den einzelnen Prüfen.
Außerdem ist die Effektivität dieses Verfahrens sehr gering, da zur Untersuchung
eines einzigen Stückes über eine Minute benötigt wird.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zum genauen und wirkungsvollen Feststellen von unsichtbaren Strukturfehlern in einem
Keramikformteil zu finden eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Auffindung
einer geeigneten Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches auf den Unterschied
in der Resonanzfrequenz zwischen defekten und nichtdefekten Keramikteilen aufbaut,
wird ein Keramikformteil einer mechanischen Schwingung in vorbestimmten Richtungen
unterworfen, wobei die Frequenz dieser Schwingung in einem vorbestimmten Bereich
kontinuierlich verändert wird, und dabei geprüft wird, ob das schwingende Teil einen
Hauptresonanzton bei einer innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegenden Frequenz
abgibt oder nicht.
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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
umfaßt einen Schwingungsgenerator, der von einem stetig veränderlichen Frequenzoszillator
gesteuert wird, ein Mikrophon, das so angeordnet ist, daß es den durch die
Resonanz
des Teiles auf dem Schwingungsgenerator erzeugten Ton auffkngt, und schließlich
eine Anzeigevorrichtung, etwa in Form einer Lampe, welche anzeigt, daß das Mikrophon
den Resonanzton auffängt.
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Die Vorrichtung kann weiterhin mindestens ein zwischen dem Mikrophon
und der Anzeigevorrichtung angeordnetes elektrisches Filter enthalten, um Frequenzen
innerhalb eines Teiles eines vorbestimmten Frequenzbereiches herauszunehmen, welcher
Bereich die Resonanzfrequenzen von nicht schadhaften Teilen und die verschiedenen
Resonanzfrequenzen von schadhaften Teilen umfaßt.
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Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung sollen in der nachfolgenden
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen verdeutlicht werden, in welchen Fig. 1 eine Schrägansicht eines Exemplars
eines Keramikformteils; Fig. 2 ausschnittsweise eine vergrößerte Draufsicht desselben
Teils; Fig. 3 ein Schaubild mit der Darstellung eines Modells der Resonenzcharakteristiken
eines Teils nach Fig. 1;
Fig. 4 ein ähnliches Schaubild, das Abwandlungen
in der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit vom Grad der Defekte in demselben Teil zeigt;
Fig. 5 ein Schaubild, das ein Schwingungssystem als Modell des Teils nach Fig. 1
zeigt; Fig. 6 ein Diagramm, in welchem Variationen in den Hauptresonanzfrequenzen
des Systems der Fig. 4 unter Berücksichtigung der Veränderungen an der Stelle, an
welcher ein Wechsel in der Federkonstanten des Systems auftritt, und des Grades
eines solchen Wechsels gezeigt sind; Fig. 7 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung; und Fig. 8 ein Blockdiagramm
eines Anzeigegeräte, welches in der Vorrichtung nach Fig. 7 verwendet wird, zeigen.
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Das Keramikformteil 10 nach Fig. 1 ist ein Beispiel für einen konventionellen
Trägerkörper für den Katalysator, welcher in katalytischen Reaktoren benutzt wird,
wie sie im Auspuffsystem von Brennkraftmaschinen vorgesehen sind. Dieses Teil 10
besteht
aus einem röhrenförmigen äußeren Gehäuse 12 und einer Anordnung einer Vielzahl von
gewellten Platten 14 und flachen Platten 16; die übereinanderliegend im Gehäuse
12 angeordnet sind. Alle diese Platten 14 und 16 sind sowohl mit den benachbarten
Platten als auch mit dem Gehäuse 12 fest verbunden. Auf diese Weise hat der Trägerkörper
10 einen bienenwabenähnlichen Aufbau und weist eine Vielzahl von Kanälen 18 auf,
von denen jeder vom anderen durch die Platten 14 und 16 abgetrennt ist. Alle Oberflächen
dieser Platten 14 und 16 sind für eine Beschichtung mit einem katalytischen Material
vorgesehen, welches die Kanäle 18 durchlässig bleiben läßt, so daß das Auspuffgas
noch hindurchströmen kann.
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Das Gehäuse 12 und die inneren Platten 14 und 16 werden zunächst
getrennt geformt und - dann erst zusammengefügt, wobei die Gesamtanordnung gebrannt
oder gesintert wird, um so einen harten und starren Trägerkörper 10 zu erhalten.
Beispiele für unsichtbare strukturelle oder körperliche Fehler, die während dieses
Herstellungsverfahrens entstehen können, sind Sprünge im Gehäuse 12 und/oder in
den inneren Platten 14 und 16, lokale Abtrennungen einer Platte 14 oder 16 von den
benachbarten Platten und Unregelmäßigkeiten in der Anordnung der inneren Platten
14 und 16, wie z. B. Abweichungen bei den linearen Verbindungsplatten mit einer
der gewellten Platten 14a, wie dies in Fig. 2 mit dem Bezugezeichen 22 dargestellt
ist, welches eine Stelle bezeichnet, die von der Normal stelle 20 dieser Verbindungen
abweicht.
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Im Rahmen der Erfindung wurde nachgewiesen, daß jeder dieser unsichtbaren
Fehler in Kerairjikformtellen die natürliche Frequenz dieses Teils im Vergleich
zu einem gleichen, aber nicht schadhaften Teil abweichen läßt und daß das Auftreten
einer solchen Abweichung dadurch nachgewiesen werden kann, daß man das Teil einer
mechanischen Schwingung über einen bestimmten Frequenzbereich unterwirft und die
Frequenz prüft, bei der das schwingende Teil einen Ton von verhältnismäßig hohem
Niveau erzeugt, welcher einer Hauptresonanz zuordenbar ist.
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Wenn das Keramikformteil, wie es durch den Trägerkörper 10 in Fig.
1 dargestellt ist, einer mechanischen Schwingung unterworfen wird, deren Frequenz
innerhalb eines gewissen Bereiches stetig geändert wird, erzeugt dieses Keramikteil
Resonanztöne bei Frequenzen, welche kennzeichnend für die Struktur dieses Teils
sind. Diese Resonanztöne werden bei einigen verschiedenen Frequenzen erzeugt bzw.
haben verschiedene Höhen, während der Hauptresonanzton von bestimmter Höhe bei einer
spezifischen Frequenz erzeugt wird, wenn eine Kraft zur Anregung einer Schwingung
an einer bestimmten geeigneten Stelle und in ähnlich bestimmten Richtungen auf das
Teil ausgeübt wird. Das Schaubild nach Fig. 3 zeigt ein typisches Schema solcher
Resonanztöne. Unter einer Vielzahl von Resonanztönen f1 ... f5 ist nur der bei gezeigte
von einem bestimmt hohen Niveau P1, während die Niveaus der anderen unterhalb des
Niveaus P2 liegen, welches deutlich niedriger ist als das vorerwähnte Niveau P1.
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Wenn dasselbe Teil einen gewissen strukturellen Fehler aufweist,
ergibt dieselbe Schwingung einen Anstieg des Hauptresonanztons, der dem Ton f4 in
Fig. 3 entspricht, jedoch bei einer anderen Frequenz, die gewöhnlich niedriger liegt
als die Hauptresonanzfrequenz eines nicht schadhaften Teils. Tatsächlich zeigt die
Resonanzfrequenz eine bestimmte Streuung über einen verhältnismäßig engen Bereich
bei einer Vielzahl von nicht schadhaften Teilen, jedoch ist der Grad der Abweichungen
in der Resonanzfrequenz, welche bei schadhaften Teilen auftritt, merklich groß,
verglichen mit dem Grad der Streuung bei den nicht schadhaften Teilen. Fig. 4 zeigt
Abweichungen in der Frequenz, bei der der Hauptresonanzton bei vier Proben derselben
Konstruktion erzeugt wird, von denen zwei schadhaft sind, was durch eine sorgfältige
Untersuchung vor dem Schwingungstest festgestellt wurde. Die mit A1 und A2 gekennzeichneten
Hauptresonanztöne werden bei den zwei nicht schadhaften Proben beobachtet, während
eine leicht schadhafte und die andere, weit mehr Defektstellen aufweisende Probe
zwar ähnliche Resonanztöne, aber bei deutlich niedrigeren Frequenzen erzeugen, welche
mit B1 bzw. B2 bezeichnet sind.
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Das Keramikformteil 10 der Fig. 1 wird als ein Schwingungssystem
betrachtet und durch ein in Fig. 5 gezeigtes Modell dargestellt, welches aus n Massen,
m1, m2 ... mhs die durch (n-l) Kopplungsfedern verbunden sind, deren Federkonstanten
durch k1, k2. ... kn,l 1 dargestellt werden. Ein struktureller
Fehler
in dem Formteil 10, wie z. B. Abweichungen oder Versetzungen der Verbindungsstellen
mit den Platten 14a und 16, was mit dem Bezugszeichen 22 in Fig. 2 bezeichnet ist,
soll als Änderung im Wert einer der Federkonstanten k1 ... kn 1 argesehen werden,
welche Anderung sich als Abweichung in der Schwingungsfrequenz darstellt, bei der
die Hauptresonanz auftritt.
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Es wurde nun gefunden, daß das Ausmaß der Abweichung in der Hauptresonanzfrequenz,
welches z. B. durch das Vorhandensein von fehlgelagerten Verbindungsstellen oder
von nicht korrekt angeordneten Platten 14a verursacht wird, in Beziehung gebracht
werden kann zur Lage der fehlerhaft angeordneten Verbindungsstelle 22. Im Diagramm
der Fig. 6 stellt die Abszisse die Lage der nicht korrekt angeordneten, also der
fehlgelagerten Platten 14a in Abhängigkeit von der Plattenzahl dar, welche in der
in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform von oben nach unten numeriert
sein sollen. Die Ordinate stellt das Verhältnis der veränderten Federkonstante zur
Ausgangsfederkonstante bei einer der in Fig. 5 gezeigten Kopplungsfedern dar. Die
Kurven dieses Diagramms wurden erhalten, indem vier Gruppen von Punkten verbunden
wurden, welche nacheinander bestimmte Frequenzverhältnisse wiedergeben, d. h. das
Verhältnis der Hauptresonanzfrequenz in einem schadhaften Teil zu der in einem nicht
schadhaften Teil. Es ist somit eine grobe Abschätzung über die Lage der fehlerhaft
angeordneten Verbindungsstelle 22 durch das Messen
der Hauptresonanzfrequenz
möglich, während angenommen wird, daß die Anderung in der Federkonstanten als eine
beinahe konstante Größe bezüglich desselben Schaden- oder Fehlstellen-Typs in Erscheinung
tritt.
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Das Blockdiagramm der Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Vorrichtung
zum Untersuchen von Keramikteilen derselben Konstruktion und zum Aussondern der
schadhaften Teile von den nicht schadhaften bzw. brauchbaren Teilen. Ein erster
Teil dieser Vorrichtung wird von einem Schwingungserreger 24 gebildet, welcher die
Keramikteile 10 einer kontrollierten und reproduzierbaren mechanischen Schwingung
unterwirft, wie er etwa durch eine konventionelle Schwingungsmaschine des Rütteltisch-Typs
dargestellt wird, sowie von einem variablen Frequenzsender 26, der ständig variierende
alternierende Ausgangssignale erzeugt, und einem Verstärker 28 zur Verstärkung des
aus dem Frequenzsender (Oszillator) 26 kommenden, an den Erreger 24 weitergegebenen
Signale gebildet, so daß die Schwingungsfrequenz des Erregers 24 gemäß dem Ausgang
des Oszillators 26 veränderbar ist. Der restliche Teil dieser Vorrichtung besteht
aus einem Mikrophon 30, das so angeordnet ist, daß es die Resonanztöne des schwingenden
Keramikteils 10 auffangen kann, und aus einer Anzeigevorrichtung 32, der die elektrischen
Ausgangssignale des Mikrophons 30 über einen Verstärker 34 aufgegeben werden. Das
Mikrophon 30 ist so konstruiert bzw. angeordnet, daß es nicht auf Tonhöhen unterhalb
eines bestimmten Niveaus, wie es durch das Niveau P2 in
Fig. 3
dargestellt ist, anspricht. Gemäß einem Alternativvorschlag weist der Verstärker
34 einen Dämpfungsschaltkreis zum grundsätzlichen Eliminieren von Signalen auf,
deren Höhen unterhalb eines solchen Niveaus liegen. Die Anzeigevorrichtung 32 empfängt
deshalb ein Signal vom Mikrophon 30 nur dann, wenn das Keramikteil 10 einen Hauptresonanzton
erzeugt.
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Die Anzeigevorrichtung 32 kann in verschiedener Weise ausgebildet
sein. Fig. 8 zeigt ein Blockdiagramm dieser Anzeigevorrichtung 32 nur als Beispiel.
Diese Vorrichtung 32 weist ein Hochpaßfilter 34, ein Bandpaßfilter 36 und ein Tiefpaßfilter
38 auf, von denen jedes an ein Eingangstor 40 angeschlossen ist, dem das Signal
aus dem Verstärker 34 aufgegeben wird. Diese drei Filter 34, 36 und 38 sind an drei
Anzeigelampen 42, 44 bzw. 46 angeschlossen. Die Grenzfrequenzen dieser drei Filter
34, 36 und 38 werden nacheinander in Übereinstimmung mit den zuvor festgestellten
Hauptresonanzfrequenzen sowohl der schadhaften als auch der nicht schadhaften Keramikteile
10 festgelegt. Wenn z. B. die Hauptresonanzfrequenz eines Keramikteils 10 variiert,
wie dies in Fig. 4 dargestellt ist, wird die Grenzfrequenz dieser Filter 34, 36,
38 auf 5 kHz für das Hochpaßfilter 34, auf 5 kHz und 3 kHz für das Bandpaßfilter
36 und auf 3 kHz für das Tiefpaßfilter 38 eingestellt. In diesem Fall tastet der
Oszillator 26 einen Frequenzbereich ab, der diese Grenzfrequenzen vollständig überdeckt,
z. B. zwischen 1 und 10 kHz. Wenn das einer Schwingung unterworfene Keramikteil
10 fehlerfrei ist, wie dies durch
das Symbol A1 oder A2 in Fig.
4 dargestellt ist, wird der Hauptresonanzton des Keramikteils 10 bei einer Frequenz
oberhalb 5 kHz erzeugt, wie dies aus Fig. 4 ersichtlich ist, und demzufolge leuchtet
nur die Lampe 42 allein auf. Wenn das Keramikteil 10 nur gering schadhaft ist, wie
dies durch B1 in Fig. 4 dargestellt ist, leuchtet die zweite Lampe 44 allein auf.
Mit einem erkennbar schadhaften Teil, welches dem Symbol B2 entspricht, leuchtet
nur die dritte Lampe 46 allein auf. Dadurch kann jedes Keramikteil 10 auf einfache
Weise überprüft werden und sehr genau entschieden werden, ob es brauchbar oder schadhaft
ist.
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Eine zufriedenstellend große Anzahl von Teilen kann mit einer einzigen
Vorrichtung nach der Erfindung begutachtet werden, da die Untersuchung eines einzelnen
Teils nur wenige Sekunden dauert, wenn der Frequenzbereich der Schwingung zwischen
1 und 10 kHz (dieser Bereich genügt gewöhnlich für die Untersuchung der meisten
Arten von Keramikformteilen) und der Frequenzhub bei einer Rate zwischen 8 und 20
kHz/sec gehalten wird, wie diese üblicherweise angewandt werden. Es ist offensichtlich,
daß das vorstehena beschriebene Verfahren keinen erfahrenen Prüfer mehr benötigt.
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Wenn es genügt, die untersuchten Teile in zwei Gruppen einzuteilen,
d. h. in brauchbare und schadhafte Teile, kann die Anzeigevorrichtung 32 entweder
nur aus einer Kombination
des Hochpaßfilters 34 und der ersten
Anzeigelampe 42 oder einer anderen Kombination des Tiefpaßfilters 38 und der dritten
Lampe 46 bestehen. Die Unterscheidung zwischen brauchbaren und schadhaften Teilen
kann durch Beobachten, ob die einzelne Lampe 42 oder 46 aufleuchtet oder nicht,
vorgenommen werden. Die Lampen 42, 44 und 46 können durch jede andere Art von bekannten
Anzeigeinstrumenten, wie z. B. Summer oder Skalenanzeigegeräten ersetzt werden.
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Die bloße Unterscheidung zwischen brauchbaren und schadhaften Erzeugnissen
kann alternativ auch durch Einengung des Frequenzbereichs der Schwingung geschehen.
Z. B. wird der Erreger 24 nur über einen Frequenzbereich, der nur die Hauptresonanzfrequenzen
der brauchbaren Teile, also etwa einen Bereich von 5 bis 10 kHz im Falle der Fig.
4 überdeckt, in Schwingung versetzt. In diesem Falle wird das untersuchte Teil als
brauchbar bewertet, wenn ein Signal an der Anzeigevorrichtung 32 erhalten wird,
andererseits als schadhaft bewertet, wenn kein solches Signal erhalten wird. Demgemäß
braucht die Anzeigevorrichtung 32 auch kein Filter zu enthalten: sie kann nur aus
einem einfachen Anzeigeinstrument, wie z. B. einer Lampe, einem Summer oder einem
Skalenanzeigeinstrument bestehen. Andererseits kann der Frequenzbereich der Schwingung
auf einen Bereich, welcher nur die Hauptresonanzfrequenzen der schadhaften Teile
überdeckt, beschränkt werden, wie z. B. einem Bereich von 0.1 bis 3 kHz im Fall
der Fig. 4. Die Unterscheidung wird in der umgekehrten Weise zu der oben erfolgten
Erklärung vorgenommen.