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Vorrichtung zur Dauerüberwachung eines Anlagenteile
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sowie Überwachungsverfahren mit einer solchen Vorrichtung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dauerüberwachung eines Teiles einer in Betrieb
befindlichen Anlage, die mindestens ein an einer vorbestimmten Stelle angeordnetes,
achallaufneheendes Fühlerelement und eine elektronische Einrichtung zur Auswertung
eines an dem Fühlerelement abgenommenen Signals, insbesondere durch Vergleich mit
dem ii störungsfreien Betriebszustand des Anlagenteils abgenommenen Signal, enthält.
Die Erfindung betrifft ferner ein Überwachungsverfahren mit einer solchen Vorrichtung.
Aus der DE-OS 26 22 120 sind eine entsprechende Vorrichtung und ein solches Verfahren
bekannt.
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Aus Sicherheitsgründen muß vielfach das Eintreten unerwUnschter Veränderungen
in Teilen von Anlagen wie z.B. von Bauwerken in Fabrikations- oder Kraftwerksanlagen,
von
Kesseln, von Behältern, insbesondere Druckbehältern, oder auch von Rohren und Gestängen
ermittelt werden. Bei derartigen unerwUnschten Veränderungen kann es sich insbesondere
um Sprünge, Versetzungen, Anrisse, Risse, Ablösungen an z.B. Klebestellen oder auch
um Lockerungen von kraft- und formschlüssigen Verbindungen handeln.
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Zur Überwachung von solchen Anlagenteilen sind verschiedene Verfahren
und entsprechende Vorrichtungen bekannt. So werden z.B. bei bewegten Anlagenteilen
sowie Anlagenteilen mit strömenden Medien Änderungen des Klang- und Geräuschspektrums,
insbesondere des Leistungsdichtespektrums von Unwucht-, Reibungs-, Strdmungs- und
Stoßgeräuschen überwacht (vgl.
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DE-ASen 14 98 056,20 10 226 und 23 27 015).
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Zur Überwachung von überwiegend ruhenden Anlagenteilen wird das Auftreten
von Schall- und Ultraschallspektren, wie sie bei irreversiblen Veränderungen in
Festkörpern hervorgerufen werden, ausgewertet. Ein entsprechendes Verfahren ist
z.B. die sogenannte Schallemissionsanalyse, die insbesondere zur Prüfung von Reaktorkomponenten
eingesetzt wird (vgl. "Zeitschrift für Werkstofftechnik", Band 4, 1973, Nr. 6, Seiten
306 bis 314 und "Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte", Band 8, 1979, Nr.
2, Seiten 86 bis 91).bei diesem Verfahren wird von der Tatsache ausgegangen, daß
beim Eintreten von Werkstoffschäden bzw. bei der Veränderung vorhandener Werkstoff-Fehler
oder -Schäden kurze Schallimpulse emittiert werden, deren Frequenzbereich bis weit
in das Ultraschallgebiet reicht.
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Als Ursache dieser Emission sind beispielsweise Versetzungsbewegungen
bei plastischer Verformung,
Rißbildungen oder Rißfortpflanzungen
und Reibevorgänge im Rißgrund anzusehen.
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Bei diesen Uberwachungsverfahren von Anlagenteilen treten Jedoch die
mit unerwUnschton Veränderungen verbundenen emittierten Schall- und Ultraschallspektren
nur kurzzeitig und impulsiäßig auf. rur ihre Erkennbarkeit ist deshalb entweder
ein hoher Störabstand oder aber eine sehr aufwendige Signal verarbeitung erforderlich.
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Auch bei dem aus der DE-OS 26 22 120 bekannten Verfahren lassen sich
die Betriebs zustände von Teilen einer im Betrieb beflndlichen Anlage, beispielsweise
eines Kraftwerkes, dadurch überwachen, daß akustische Spektren von entsprechenden,
an ausgewählen Stellen der Anlage angeordneten FUhlerelementen kontinuierlich aufgenommen
werden. Die Spektren werden dann mit Hilfe einer elektronischen Einrichtung ausgewertet,
wobei durch Vergleich mit vorgegebenen, frequenzabhängigen Grenzwerten entschienen
werden kann, ob ein Störungsfall vorliegt.
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Mit diesen bekannten Verfahren lassen sich im wesentlichen aber nur
die Veränderungen an den ein Dauergeräusch erzeugenden Grenzbereichen, z.B. von
Zahnkränzen, Pumpenschaufeln, Lagern oder Rohrleitungen erfassen. Veränderungen
im Material selbst können im allgemeinen nur erkannt werden, wenn sie an vorbestimmten,
von der Lage der Fühlerelemente abhängigen Stellen auftreten oder eine beträchtliche
Größe erreicht haben.
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Bei Großanlagen wie Fabrikations- oder Kraftwerksanlagen muß man ferner
damit rechnen, daß der Stör-
pegel erheblich über dem von beginnenden
Schäden ausgelösten Geräuschimpulspegel liegt. Notwendigerweise sind dabei die Störgeräusche
verhältnismäßig stark autokorreliert.
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Darüber hinaus muß gegebenenfalls angenommen werden, daß die Störgeräusche
und Erschütterungen auch die Auslösung der Schäden beeinflussen, so daß die emittierten
Schadensgeräusche merkliche Kreuzkorrelation mit den Störgeräuschen aufweisen.
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Da den allgemein verwendeten nutzsignaloptimierten Filter- und Signalverarbeitungsverfahren
andere statistische Modelle des Nutz- und des Störsignals zugrundeliegen als für
den vorliegenden Anwendungsfall, ist mit einer wesentlichen Verbesserung des Nutz/Stör-Abstandes
nicht zu rechnen. Außerdem muß auch die thermodynamisch, d.h. energetisch statistisch
gesetzte Grenze für die zuverlässige Trennung des gewünschten Signals von dem unerwünschen
Signal beachtet werden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs genannte Vorrichtung
zur Dauerüberwachung von Teilen einer in Betrieb befindlichen Anlage so zu verbessern,
daß mit ihr eine sichere Früherkennung des Eintretens von unerwünschten Änderungen
an der Anlage möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
ein Erregerelement an oder in dem zu Uberwachenden Anlagenteil zur Erzeugung von
akustischen Schwingungen mindestens eines vorbestimmten Wellentyps und daß mindestens
ein in einer vorbestimmten Lage bezüglich des Erregerelementes angeordnetes
Fühlerelement
zur Auskopplung des Signals der mit dem Erregerelement eingekoppelten Schwingungen
vorgesehen sind.
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Die mit dieser Gestaltung der Uberwachungsvorrichtung erreichten Vorteile
bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe des Erregerelementes akustische Schwingungen
auf den zu überwachenden Anlagenteil übertragen werden können, die von Störspektren
deutlich und mit hohem Störabstand zu unterscheiden und mit Hilfe iner verhältnismäßig
einfachen elektronischen Einrichtung auszuwerten sind. Es können so schon geringfügige
Änderungen der eingekoppelten Schwingungen und damit eventuelle auftretende Schwaden
in dem zu überwachenden Anlagenteil entsprechend früh und leicht erkannt werden.
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Bei einem Dauerüberwachungsverfahren mit einer solchen Vorrichtung
wird vorteilhaft die Änderung der Amplitudenverhältnisse und/oder der Phasendifferenz
zwischen dem mit dem Erregerelement in den zu überwachenden Anlagenteil eingekoppelten
Signal und dem mit dem Fühlerelement empfangenen Signal überwacht.
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Gemäß einem weiteren Überwachungsverfahren mit der Vorrichtung nach
der Erfindung werden vorteilhaft die Nachhallzeiten und/oder Echolaufzeiten vorbestimmter
Wellentypen bestimmt.
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Ein weiteres Verfahren zur Dauerüberwachung mit einer Vorrichtung
nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Auftreten und/oder die Änderung
des Amplitudenverhältnisses oder der Phasendifferenz von harmonischen Oberschwingungen
der Frequenz der
mit dem Erregerelement eingekoppelten Schwingungen
überwacht werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung
und der Uberwachungsverfahren mit dieser Vorrichtung gehen aus den restlichen Unteransprüchen
hervor Die Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen
werden nachfolgend anhand der Zeichnung und anhand von Beispielen von Überwachungsverfahren
noch weiter erläutert. In der Figur der Zeichnung ist eine Dauerüberwachungsvorrichtung
nach der Erfindung schematisch veranschaulicht.
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In der Figur ist als Längsschnitt ein Teil einer zu überwachenden
Anlage, beispielsweise eines Reaktordruckbehälters, nur angedeutet und allgemein
mit 2 bezeichnet. An der Oberfläche dieses Anlagenteils ist an einer vorbestimmten
Stelle ein Erregerelement 3, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, angebracht.
Dieses Element ist über Anschlüsse 4 mit einer in der Figur nicht näher ausgeführten
elektrischen Versorgungseinrichtung 5 verbunden und wird von dieser so angesteuert,
daß es in Schwingungen versetzt wird. Die Schwingungen werden an der Oberfläche
des Anlagenteils 2 in diesen so eingekoppelt, daß sich ein beträchtlicher Leistungsanteil
in Richtung großer Ausdehnung des Anlagenteils ausbreitet. Dies bedeutet, daß z.B.
bei dem Behälter eine Welle eingekoppelt wird, die sich schräg oder senkrecht zur
Oberflächennormalen ausbreitet. Zur Anbringung des Erregerelementes 3 können deshalb
bei der Konstruktion des Anlagenteils 2 besondere
Stellen vorgesehen
und vorbereitet werden, z.B.
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Bohrungen, kleine Konsolen oder Schrägungen. Gemäß dem Ausfuhrungsbeispiel
nach der Figur werden die Schwingungen der dem Anlagenteil 2 zugewandten Flachseite
6 des Erregerelementes 3 mechanisch auf den Anlagenteil 2 an einer Schrägung 7 übertragen.
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Die Schwingungen der Flachseite 6, die durch einen Dopp.lpfeil 8 veranschaulicht
sind, können in ihrer Amplitude oder Frequenz geändert werden, um so z.B. eine genaue
Ortung einer Schadensstelle in dem Anlagenteil 2 oder auch in der Überwachungsvorrichtung
zu ermöglichen. Die sich in dem Anlagenteil ausbreitenden Wellen sind durch einzelne
Wellenfronten 9 angedeutet.
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An einer vorbestimmten Stelle des zu überwachenden Anlagenteiles 2,
beispielsweise an einem Absatz 11, befindet sich ein Fühlerelement 12, das ebenfalls
ein piezoelektrisches Element sein kann und mit dem ein Signal der mit dem Erregerelement
3 eingekoppelten Wellen 9 empfangen wird. Das zu verwendende FUhlerelement 12 kann,
muß aber nicht eine ausgesprochene Richtwirkung haben. Das von ihm aufgenommene
Signal kann aus Schwingungskomponenten bestehen, die von gradliniger oder geführter
Ausbreitung, Einfach- oder Mehrfachreflexion, Einfach- oder Mehrfachbeugung, -brechung
oder -streuung herrühren.
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Die Auskopplung dieser Schwingungen kann dabei für die schräg einfallenden
Wellen vorgesehen sein. Da Jedoch Wellentypumwandlungen zwischen dem Erregerelement
und dem Fühlerelement 12 in dem Anlagenteil möglich sind, ist eine Schrägauskopplung
gegebenenfalls nicht erforderlich.
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Das an dem Fühlerelement 12 erzeugte Signal wird über elektrische
Anschlußleitungen 13 einer in der Figur ebenfalls nicht näher ausgeführten elektronischen
Einrichtung 14 zugeleitet, in der das Signal ausgewertet wird. Die prinzipielle
Arbeitsweise entsprechender Einrichtungen ist allgemein bekannt (vgl. z.B.
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journal of the Acoustical Society of American, Vol. 61, No. 3, März
1977, Seiten 859 bis 871).
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Bei der in der Figur angedeuteten Überwachungsvorrichtung wurdennur
ein einziges Erregerelement 3 und ein Fühlerelement 12 angenommen. Eine Uberwachungsvorrichtung
nach der Erfindung kann Jedoch Je nach Bedarf, z.B. entsprechend der Größe des zu
berwachenden Anlagenteiles oder entsprechend einer geforderten Empfindlichkeit,
ein oder auch mehrere Erregerelemente und Fühlerelemente umfassen. Dabei wird der
Abstand der Fühlerelemente von dem Jeweiligen Erregerelement, ihre örtliche Anordnung
und die Richtungsempfindlichkeit im allgemeinen den Sicherheitserfordernissen angepaßt.
So ist z.B. eine matrixartige oder reihenweise Anordnung von FUhlerelementen möglich,
deren Hauptempfangsrichtung zu einem bestimmten zu überwachenden Bereich des Anlagenteiles
hinweist.
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Die Fühlerelemente können Je nach Ausführung und Anordnung gleichzeitig
nur auf einen Wellentyp oder auf mehrere ansprechen. Durch Anordnung beispielsweise
an Knotenstellen von Wellen, die aus verschiedenen Richtungen einfallen und/oder
von Wellen verschiedenen Wellentyps läßt sich die Empfindlichkeit der Uberwachungsvorrichtung
beträchtlich steigern.
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Außerdem können auch mehrere Fühlerelemente miteinander oder mit Erregerelementen
so schaltungstechnisch verbunden werden, daß durch Auswertung der Änderung von Phasen-
und Amplitudenbeziehungen die Empfindlichkeit und Richtwirkung gesteigert werden.
Auch kann man Erregerelement mit definierter Amplituden- und Phasenbeziehung zusammenschalten,
um die Ausbreitungsrichtung und den Strahlöffnungswinkel zu verändern. Ferner IäBt
sich auch eine Zusammenschaltung mehrerer Fühlerelemente vorsehen, um so durch Auswertung
der Phasen- und Amplitudenbeziehungen die Empfangsrichtung und die Richtwirkung
zu verändern. Mit Hilfe von Mehrkomponenten-Fühlern ist daneben auch eine Analyse
von Polarisationsänderungen möglich.
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Die Erreger- und Fühlerelemente laasen sich auch so ausführen, daß
sie ihre Funktion wechseln können.
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Außerdem ist auch eine Zu- oder Abschaltung von Erreger- und Fühlerelementen
möglich, um so eine Schadensstelle in einem Anlagenteil oder in der Überwachungsvorrichtung
genau orten zu können.
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Die Erreger- und Fühlerelemente der Überwachungsvorrichtung nach der
Erfindung können sowohl im Reflexions- wie im Transmissionsverfahren arbeiten.
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Zur Überwachung eines Anlagenteiles mit einer Vorrichtung nach der
Erfindung können insbesondere die nachstehend aufgeführten Verfahren angewandt werden.
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Verfahren I Es werden Änderungen von Laufzeiten wie Nachhallzeiten
oder Echolaufzeiten eines vorbestimmten Wellen-
types, beispielsweise
von Oberflächenwellen oder Longitudinalwellen, oder auch von mehreren Wellentypen
nach Schwingungsanregung des zu r {Iberwachenden Teiles der Anlage mit den oder
dem Erregerelement überwacht. Zusätzlich kann sowohl das Abklingen vom eingeschwungenen
Zustand des Anlagenteiles wie auch das Abklingen vom impulserregten Zustand zur
Ermittlung von Veränderungen herangezogen werden. Die Erregung kann dabei breitbandig,schmalbandig
oder mit Schwingungen diskreter Frequenzen erfolgen.
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Verfahren II Statt des Abklingverhaltens des angeregten, zu überwachenden
Anlagenteiles gemäß Verfahren I kann auch in entsprechender Weise dessen Einschwingverhalten
beobachtet werden.
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Verfahren III Ferner ist auch eine Bestimmung von Änderungen des Amplitudenverhältnisses
bzw. der Phasendifferenz zwischen dem ein- und dem ausgekoppelten Signal oder mehreren
ein- oder ausgekoppelten Signalen möglich. Dabei kann die Erregung ebenfalls breitbandig
oder schmalbandig oder mit diskreten Frequenzen erfolgen. Die Signaldauer kann dabei
gegenüber allen Einschwingvorgängen lang oder auch kurz gewählt werden, d.h. es
können Langzeit- bzw.
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Kurzzeit-Signale oder Impulssignale vorgesehen sein.
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Verfahren IV Auch Änderungen von Phasendifferenzen oder Amplitudenverhältnissen
von harmonischen Oberschwingungen der Frequenzen des eingegebenen Signals oder auch
mehrerer dieser Signale können bestimmt werden. Solche Oberschwingungen treten im
allgemeinen nur im Falle von Schäden auf, während das eingekoppelte Signal keine
harmonischen Oberschwingungen aufweist. Bei diesem Verfahren können vorteilhaft
Langzeitsignale oder Impuls signale vorgesehen werden. Außerdem können dabei auch
erregerseitig modulierte Schwingungen eingekoppelt werden, um die Empfindlichkeit
der Vorrichtung zu steigern.
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Verfahren V Abweichend von den Verfahren III und IV ist auch eine
Bestimmung der Änderung von Phasendifferenzen oder Amplitudenverhältnissen von Mischprodukten
mehrerer Signale möglich. Die mit einer entsprechenden Vorrichtung zu ermittelnden
Schadensstellen sind nämlich im Übertragungsweg als Gebiete mit stark nichtlinearer
Spannungs-Dehnungscharakteristik wirksam.
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Die genannten Überwachungsverfahren I bis V können entweder einzeln
oder auch in Kombination miteinander angewandt werden. Bei diesen Verfahren sind
ferner die nachfolgend beschriebenen Verfahrensvarianten anwendbar.
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So kann z.B. bei den Verfahren I und II die Erregung oder die Signalauswertung
zugleich oder nacheinander mit verschiedenen diskreten Frequenzen,
mit
Rauschen in verschiedenen Frequenzbereichen oder durch ein sogenanntes pseudo-statistisches
Rauschen mit besonderen Phasen- oder Amplituden-Beziehungen bzw. mit Leistungsdichte-Beziehungen
erfolgen.
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Bei den Verfahren III bis V kann eine Frequenzvariationsmethode angewandt
werden, d.h. die Sende-und Empfangsfrequenzen können kontinuierlich oder in Schritten
geändert werden. Dabei kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit mit bandbreitekomprimierten
Impulsen gearbeitet werden. Außerdem kann dabei die durch Signallaufzeiten im Anlagenteil
bedingte Differenz zwischen den Signalfrequenzen am Erregerelement und am Fühlerelement
zur Erzeugung eines Zwischenfrequenzsignales herangezogen werden, das sich wiederum
zum Nachweis von Schäden eignet.
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Zur Auswertung der an dem oder den Fühlerelementen registrierten Signale
können bei den genannten Verfahren I bis V die in den folgenden Beispielen erläuterten
Verfahrensschritte durchgeführt werden.
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BeisPiel 1 Die an den Fühlerelementen registrierten Signale sowie
Referenzsignale können direkt oder nach Vorverarbeitung gespeichert werden. Die
Bestimmung der Veränderung in dem zu überwachenden Anlagenteil kann dabei so erfolgen,
daß die abgenommenen Signale direkt, d.h. on line, oder nach Speicherung mit Signalen
verglichen werden, die für die ungestörte, schadensfreie Anlage gespeichert wurden.
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Auch für die ungestörte, schadensfreie Anlage können sich Änderungen
der an den Fühlerelementen abgenommenen Signale ergeben, beispielsweise als Folge
von veränderten Druck- und Temperaturbedingungen. Dies läßt sich berücksichtigen,
inden man eine Serie von Empfangssignalen unter verschiedenen Druck- und Temperaturbedingungen
für die ungestörte, schadensfreie Anlage speichert. Während der Überwachung werden
dann aus dieser Serie dieJenigen Signale zum Vergleich herangezogen, bei deren Aufnahme
weitgehend ähnliche Druck- bzw. Temperaturbedingungen herrschen wie im akuten Fall.
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Beisil 2 Es werden nacheinander an den Fühlerelementen abgenommene
Signale miteinander verglichen. Hiermit lassen sich vorteilhaft schnell eintretende
Veränderungen von langsam eintretenden unterscheiden.
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Außerdem können auf diese Weise durch langsame Temperaturänderungen
oder durch. langsame änderungen mechanischer Spannungen im elastischen Bereich verursachte
Änderungen des Empfangssignals gegen schnelle Änderungen und eintretende Schäden
abgegrenzt werden.
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Beispiel 3 Bei Auftreten einer Signalveränderung, die auf einen Schaden
schließen läßt, kann der Schadensort durch programmiertes Umschalten, Zu- und Abschalten
von Erregerelementen und Fuhlerelementen oder durch Ubergang zu einem anderen der
genannten Verfahren I bis V eiilgegrenzt werden.
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Bei3niel 4 Die Tatsache und die Art der Veränderung kann zur Übersicht
auf einer bildlichen oder schematischen Darstellung des betreffenden Anlagenteiles
wiedergegeben werden.
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BeisDiol 5 Als Entscheidungshilfe für die entweder automatisch oder
durch Personal zu veranlassenden Maßnahmen kann beispielsweise die Darstellung einer
Ortskurve von Phasen- und Amplitudenbeziehungen in Abhängigkeit von der Frequenz
bzw. ein Ortskurvenvergleich vor und nach Eintreten der Veränderung dienen.
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Beispiel 6 Als Entscheidungshilfe kann auch die Zeigerdarstellung
der Phasen- und Amplitudenbeziehungen zwischen verschiedenen Auskopplungs- und Einkopplungsstellen
vor und nach Eintreten der Veränderung dienen.
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15 Patentansprüche 1 Figur