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Einrichtung zum Anzeigen des Ansatzes von Rissen oder Brüchen
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Anzeigen des Ansatzes
bzw. Einsetzens von Rissen oder Brüchen in tragenden Bauwerksteilen und mechanischen
Bauteilen.
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Erfahrungen in jüngerer Zeit, sowohl in der Nordsee als auch anderswo,
haben gezeigt, daß fehlern mit katastrophalen ,~ollen bei Ö lturm- und Bohrinselstützen
die Entwicklung von Rissen oder Brüchen beachtlicher Größe in tragenden Bauwerksteilen
bzw.
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mechanischen Bauteilen vorausgegangen sind. Eine regelmaßige Wartung
durch direkte oder indirekte visuelle Methoden ist arbeitsintensiv, zeitaufwendig
und teuer. Diese Probleme werden weiter dann erschwert, wenn ein tragendes Bauwerksteil,
das überprüft werden soll, in Wasser mit Tiefen von bis zu 200 m eintaucht. Beispielsweise
ist vorgeschlagen worden, die Lastbeanspruchungen in solchen Bauwerlesteilen unter
Verwendung von Dehnungsmessern zu messen, die mit mindestens den die Hauptlast tragenden
Elementen der Bauwerksteile verbunden sind; ein wesentlicher Nachteil besteht jedoch
darin, daß eine elektrische Energiequelle für deren Betrieb erforderlich ist. Wenn
elektrische Energie aus einer Quelle bezogen wird, die über der Wasseroberfläche
liegt, besteht eine erhebliche Schwierigkeit darin, einen ausreichenden Schutz gegen
Wassereintritt in die elektrische Verdrahtung, insbes. an der Stelle von Verbindungen,
die über der Wasseroberfläche liegen, zu erzielen. Wenn eine Energiequelle in form
eines Ba tteriesatzes mit der Anordnung in unmittelbarer Nähe von Dehnungsmessern
positioniert wird, wird das Problem insoweit gelöst, als es die Energieeinspeisung
in die Dehnungsmesser betrifft, die Abgabe elektrischer Signale durch die Dehnungsmesser
muß jedoch nach wie vor zur Verstärkung und Sichtanzeige an die Oberfläche geleitet
werden. Ferner hat der Batteriesatz nur eine begrenzte Lebensdauer und muß von Zeit
zu Zeit ausgewechselt werden, wozu Taucher erforderlich sind.
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ShnJiche Probleme treten auf, wenn die Ansätze von Rissen in tragenden
Bauwerksteilen und mechanischen Bauteilen von Flugzeugen angezeigt werden sollen.
Eine visuelle Inspektion ist nur möglich, wenn das Flugzeug außer Betrieb auf dem
Boden steht, und es ist häufig der Fall, daß hohe Belastungen aufnehmende Stellen
am Flugzeug für eine visuelle Inspektion nicht zugänalich sind. Ferner ist es erwünscht,
Mittel vorzusehen, die das Einsetzen eines Risses während des Fluges des Flugzeuges
anzeigen. Jede Anzeigeeinrichtung, die mit elektrischer Energie betrieben wird,
ist nur so zuverlässig wie das elektrische System, und jede fehlerhafte Arbeitsweise
des elektrischen Systems kann zu einer nicht notwendigen Beendigung eines Fluges
führen.
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Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Anzeige
des Ansatzes oderEinsetzens von Rissen oder Brüchen in tragenden Bauwerksteilen
oder mechanischen Bauteilen zu schaffern, und zwar eine Einrichtung, die eine hohe
Zuverlässigkeit dadurch erhält, daß die Notwendigkeit elektrischer Energie für ihren
Betrieb reduziert wird oder entfällt.
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Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß der Erfindung bei einer inrichtung
der gattungsgemäßen Art vorgeschlagen, eine optische aseranordnung mit dem tragenden
Bauwerksteil oder dem mechanischen Bauteil zu verbinden bzw. zu befestigen, und
eine selbstleuchtende Lichtquelle vorzusehen, die am einen Ende der optischen Faseranordnung
so positioniert ist, daß aus der lichtquelle emittiertes Licht längs der optischen
Faseranordnung übertragen wird, so daß eine Anzeige der Unversehrtheit bzw.
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Beschaffenheit des Bauteiles oder Bauwerksteiles durch Emission aus
dem entgegengesetzten Ende der optischen Faser erzielt wird.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das Einsetzen eines Risses an einer beliebigen Stelle des -tragenden
Bauwerksteiles, mit dem die optische Faser befestigt ist, bewirkt, daß die optische
Faser reißt oder bricht, so daß icht aus der sebstleuchtenden Lichtquelle nicht
mehr aus dem entgegengesetzten Ende der Faser emittiert wird und dadurch eine Anzeige
des Ansatzes eines Risses erzielt wird. Das entgegengesetzte Ende der optischen
Faser kann für eine visuelle Betrachtung dienen, ist jedoch vorzugsweise mit einer
lichtempfindlichen Detektoranordnung verbunden, z.B. einer fotoelekrischen Zelle,
die durch emittiertes Licht erregt wird, um ein elektrisches Signal zu erzeugen.
Das elektrische Signal muß einer elektrischen Schaltung zugeführt werden, damit
es verstärkt wird und damit es eine Relais in der Offen-Stellung hält; wenn das
Relais geschlossen ist, wird eine visu-elle oder akustische Warnvorrichtung betätigt.
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Die selbstleuchtende Lichtquelle ist beispielsweise so ausgebildet,
daß sie einen versiegelten, dichten,hohlen Glaskörper besitzt, der einen inneren
Phosphorüberzug aufweist, welcher durch ein innerhalb des hohlen Glaskörpers eingeschlossenes
gasförmiges Radionukleid zur Lumineszenz gebracht wird. Ein Beispiel für eine solche
Lichtquelle ist ein Produkt, das von der Firma Saunders-Roe Developments Limited,
Hayes, England hergestellt und unter der Bezeichnung "BETALIGHT" im Handel erhältlich
ist.
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Die selbstleuchtende Lichtquelle kann auf dem tragenden Bauwerksteil
oder dem mechanischen Bauteil in der Nähe eines Endes der optischen Faser befestigt
sein, die auf dem Bauwerksteil oder Bauteil endet. Andererseits kann die selbstleuchtende
Lichtquelle in der Nähe eines Endes der optischen Faser befestigt sein, das entfernt
von dem Bauteil oder Bauwerksteil angeordnet ist.
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Wenn ein lichtempfindlicher Detektor verwendet wird, um Licht all
entgegengesetzten Ende der optischen Faser anzuzeigen, kann der lichtempfindliche
Detektor auch auf dem Bauwerksteil oder Bauteil in unmittelbarer Nähe eines Endes
der optischen Faser vorgesehen sein, und es kann eine Verbindung zwischen den lichtempfindlichen
Detektor und einem Verstärker hergestellt werden, der entfernt von dem Bauwerksteil
oder Bauteil angeordnet ist, oder aber der lichtempfindliche Detektor kann in der
Nähe eines Endes der optischen Faser befestigt sein, das entfernt von dem Bauwerksteil
oder Bauteil ist.
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Die selbstleuchtende Lichtquelle ist z.e.so ausgelegt sein, daß sie
Licht für mehr als eine optische Faser liefert, die mit dem Bauwerksteil oder dem
mechanischen Bauteil verbunden sind.
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Die optische Faser kann so befestigt sein, daß sie parallel zu einem
die Hauptbelastung aufnehmenden Pfad des Bauwerksteiles oder Bauteiles verläuft,
oder kann um das Bauteil oder Bauwerksteil nach Art einer Spule gewickelt sein.
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en die optische Faser mit einem tragenden Bauwerksteil oder einem
mechanischen Bauteil befestigt ist, das einen Teil eines blturmes, einer Bohrinsel
oder einer entsprechenden Anordnung darstellt, die teilsweise in Wasser eingetaucht
ist, ist die optische faser z.B. mit dem tragenden Bauwerksteil mittels einer Mastix-Verbindung
oder einer ähnlichen Substanz in regelmäßigen Abständen längs des tragenden Bauwerksteiles
befestigt, bevor die Anordnung mit einem Farb- oder Schutzüberzug versehen wird.
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Die aufgetragene rarb- oder Schutzschicht, die für derartige Anordnungen
verwendet und nachträglich aufgebracht wird, ist ausreichend taktil, damit die optische
Faser vollständig überdeckt und effektiv mit der Oberfläche des Bauwerksteiles bzw.
Bauteiles verbunden wird.
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Vorliegende Erfindung betrifft ferner ein tragendes Bauwerksteil oder
ein mechanisches Bauteil, das aus Verbundmaterialien hergestellt ist und das eine
oder mehrere optische Fasern aufweist, die in das Bauwerksteil oder Bauteil eingebettet
sind; die oder jede optische Faser ist mit einem Ende so positioniert, daß durch
eine selbstleuchtende Lichtquelle emittiertes Licht aufgenommen wird, und ein entgegengesetztes
Ende ist so positioniert, daß längs der optischen Faser übertragenes Licht auf die
lichtempfindliche Vorrichtuny so gerichtet wird, daß eine Anzeige der Unversehrtheit
bzw. des Zustandes des Bauteiles oder Bauwerksteiles erhalten wird. Eine spezielle
Ausr"ihrungsforn der Erfindung betrifft ein Verbundhauptrotorblatt für einen Hubschrauber,
bei dem eine Vielzahl von optischen Fasern in das Verbundmaterial eingebettet sind,
bei dem ein Ende einer jeden optischen Faser Licht aus einer oder mehreren selbstleuchtenden
Lichquellen aufnehmen kann, die am Spitzenende des Blattes befestigt sind, und bei
dem ferner ein oder mehrere lichtempfindliche Detektoren so angeordnet sind, daß
sie Licht aus den gegenüberliegenden Enden der optischen Fasern aufnehmen, welche
am oder in der Nähe des Wurzelendes des Blattes enden.
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Bei einer Anwendung auf Flugzeuge kann die Anzeigevorrichtung nach
vorliegender Erfindung so eingesetzt werden, daß sie aile kritischen Bereiche des
Flugzeuges überwacht. Beispielsweise sind bei einer Anwendung auf einen Hubschrauber
optische Fasern und selbstleuchtende Lichtquellen den Hauptrotorblättern, den Schwanzrotorblättern,
den tragenden Bauwerksteilen für die Antriebsmotoren und das Getriebe, sowie hochbeanspruchten
Bereichen der Kabinen- und Schwanzi<onusanordnung zugeordnet, und es wird eine
Warnung eines beginnenden Ansatzes eines Risses oder dergl. in einem dieser Bauwerksteile
oder Bereiche auf einer Sichtanzeige dargestellt, die auf dem Instrumentenbrett
des Piloten vorgesehen ist, oder aber es wird dem Piloten ein akustisches Warnsignal
übermittelt.
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Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeicnnuna anhand
von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine Einrichtung nach der
Erfindung, die Risse in einem tragenden Bauwerksteil anzeigt, Fig. 2, 3, 4 und 5
Einrichtungen nach verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung zur Anzeige der
Risse in einem rohrförmigen tragenden Bauwerksteil, Fig. 6 eine Einrichtung nach
der Erfindung zur Anzeige von Rissen in einem I-Träger, Fig. 7 eine Querschnittsansicht
durch ein Hubschrauber-Hauptrotorblatt, das aus Verbundmaterialen hergestellt ist
und das die Einrichtung nach der Erfindung enthält, und rig. 8 eine Aufsicht auf
das Spitzenende und das Wurzelende des Hauptrotorblattes nach Fig. 7, wobei der
Blattholm aufgeschnitten dargestellt ist, um die in den Blattholm eingebetteten
optischen Fasern zu zeigen.
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Bei der Darstellung nach Fig. 1 weist ein längliches, tragendes Bauwerksteil
ii eine optische Faser 12 auf, die sich parallel zur Längsachse des Bauwerksteiles
11 erstreckt, wobei das Bauwerksteil 11 und die optische Faser 12 mit Hilfe einer
geeigneten Substanz, z.B. Mastix-Kitt (mastic putty) in regelmäßigen Abständen in
Längsrichtung der optischen Faser 12 miteinander verbunden sind, bevor das Bauwerksteil
11 mit einem Farbauftrag versehen wird. Eine selbstleuchtende Lichtquelle 13, die
vorzugsweise einen hohlen Glaskörper mit einem inneren Phosphorüberzug besitzt,
der durch ein gasförmiges, im hohlen Glaskörper dicht eingeschlossenes Radionukleid
zur Lumineszenz gebracht wird, istauf dem tragenden Bauwerksteil 11 in der Nähe
eines Endes der optischen faser 12 so befestigt, daß Licht, das von der selbstleuchtenden
Lichtquelle 13 emittiert wird, auf das
Ende der optischen Faser
12 gerichtet wird. Ein lichtempfindlicher Detektor 14, z.B. eine fotoelektrische
Zelle, ist auf dem tragenden Bauwerksteil 11 in der Nähe des entgegengesetzten Endes
der optischen Faser 12 so befestigt, daß längs der optischen Faser 12 aus der selbstleuchtenden
Lichtquelle 13 übertragenes und von dem entgegengesetzten Ende emittiertes Licht
aufgenommen wird. Der lichtempfindliche Detektor 14 wird durch dieses Licht erregt
und erzeugt ein elektrisches Signal, das einem Verstärker 15 aufgegeben wird. Der
Ausgang aus dem Verstärker 15 wird einer Warnvorrichtung 16 zugeführt; beispielsweise
kann der Ausgang aus dem Verstärker verwendet werden, um ein Relais so zu betreiben,
daß bei Fehlen eines Lichtsignales kein elektrischer Ausgang aus dem Verstärker
auftritt und das Relais ausgelöst wird,um einen Warnmechanismus, z.B. eine akustische
Warnvorrichtung zubetätigen. Diese Ausführungsform ist geeignet zur Anzeige von
Rissen, die quer zum tragenden Bauwerksteil fortschreiten.
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Fig. 2 zeigt einen Teil eines rohrförmigen tragenden Bauwerksteiles
21 mit kreisförmigem Querschnitt, das eine optische Faser 22 aufweist, die mit dem
Umfang der äußeren Oberfläche des Bauwerksteiles 21 verbunden ist und sich um den
Umfang dieses Bauwerksteiles erstreckt. Die Enden der optischen Faser sind so angeordne-t,
daß sie sich geringfügig überlappen, und eine selbstleuchtende Lichtquelle 23 ist
auf dem tragenden Bauwerksteil in der Nähe eines Endes der optischen Faser 22 befestigt,
während ein lichtempfindlicher Detektor 24 auf dem Bauwerksteil 21 in der Nähe des
entgegengesetzten Endes der optischen Faser 22 angebracht ist. Wie bei der Ausführungsform
nach Fig. 1 wird auch hier ein elektrisches Signal aus dem lichtempfindlichen Detektor
24 an einen Verstärker 25 gegeben, und der Ausgang aus dem Verstärker 25 dient zur
Betätigung einer Sicherheitswarnvorrichtung 26. Diese Ausführungsform wird zweckmäßigerweise
eingesetzt, um Risse anzuzeigen, die in Längsrichtung des Bauwerksteiles 21 im wesentlichen
parallel zur Längsachse fortschreiten.
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Fig. 3 zeigt ein rohrförmiges, tragendes Bauwerksteil 31 mit kreieförmigem
Querschnitt, bei dem eine optische naser 32 wende] förmig um den Umfang der äußeren
Oberfläche des Bauwer',steiles 31 bewickelt ist. Ein Ende der optischen aser 32
befindet sich in der Nähe einer selbstleuchtenden Lichtquelle 33 und das entgegengesetzte
Ende in der Nähe eines J ichtempfindlichen Detektors 34. Wie bei den vorausgehenden
Beispielen wird ein elektrisches Signal aus dem lichtempfindlichten Detektor 34
an einen Verstärker 35 gegeben und der Ausgang aus dem Verstärer 35 wird verwendet,
um einen Sicherheitsmecheniemus 3 zu betätigen. Das Hauptanwendungsgebiet dieser
Ausführungsform ist das Anzeigen von Rissen, die etwa parallel zur Längsachse des
Beuwerksteiles 31 fortschreiten; wenn die optische Faser jedoch eng gewickelt ist,
kann sie auch Risse anzeigen, die quer zun Bauwerksteil 31 fortschreiten.
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@io, 4 zeigt eine Ausführungsform ähnlich der nach Fig. 3, wobei eine
einzige optische Faser 42 um den äußeren Umfang eines @ragenden Bauwerksteiles 41
gewickelt ist, so daß sie sich über mindestens einen Teil der Länge erstreckt .
Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 jedoch geht jede Windung der optischen Faser
42 in die nächstbenachbarte Windung in der Weise über, daß ein Teil 43 der Länge
der optischen Faser 42 sich im wesentlichen parallel zur Längsachse des tragenden
Bauwerksteiles 41 erstrackt. Ein Ende der optischen Faser 42 endet wiederum in der
Nähe einer selbstleuchtenden Lichtquelle 44, während das andere Ende der optischen
faser 42 in der Nähe eines lichtempfindlichen Detektors 45 endet. Die Anordnung
der optischen Faser 42 bei dieser Ausführungsform ergibt die Anzeige von Rissen,
die entweder in Querrichtung oder in Längsrichtung des tragenden Bauwerks teiles
41 fortschreiten.
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In Fig. 5 ist ein rohrförmiges tragendes Bauwerksteil 51 mit kreisförmiqem
querschnitt dargestellt, das zwei optische Fasern 52 und 53 aufweist, die um den
Umfang der äußeren Oberfläche de
tragenden Bauwerksteiles 51 qewickels
sind und die voneinander in ihrer Längerichtung versetzt sind. Ein Endteil einer
jeden optischen Faser 52 und 53 ist so abgebagen, daß er in der Nähe einer gemeinsamen
selbstleuchtenden Lichtquelle 54 endet, die auf dem tragenden Bauwerksteil 51 befestigt
ist. Die entgeuengesetzten Enden der optischen Fasern 52 und 53 enden in der @ähe
von individuellen lichtempfindlichen Detekioren 55 und 56. Ein elektrisches Signal
aus dem lichtempfindlichen Detektor 55 wird einem Versärker 57 zugeführt, während
das elektrische signal aus dem lichtempfindlichen Detektor 56 einem Versärker 58
aufgegeben wird.
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Fig. 6 zeigt einen Träger 61 mit I- bzw. H-förmigem Ouersonnitt, mit
einer optiscilen Faser ,2, die sich vcn eine: Ende d es Trägers 61 in Längsrichtung
des Trägers erstreckt und die in der Verbindung zwischen dem Steg des Trägers und
einem seiner Flansche angeordnet ist. Am entgegengesetzten Ende des Trägers 61 verläuft
die optische Faser quer zum Steg und kehrt dann in Längsrichtung des Trägers in
die Verbindung zwiechen dem Steg und dem gegenüberliegende Flansch des Trägers zurück.
Eine selbstleuchtende Lichtquelle 63 ist auf deren Träger 61 in der Nähe eines Endes
der optischen Faser 62 befestigt, und ein lichtempfindlicher Detektor 64 ist gegenüber
dem anderen Ende der optischen Faser 62 angeordnet; ein elektrischer Signalausgang
aus dem lichtempfindlichen Detektor 64 wird einem Verstärer 65 zugeführt.
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Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch ein Hubschrauber-Hauptrotorblatt
71 mit einem die Hauptlast aufnehmenden Hel@ 72 und einer Stromlinienverkleidung
73 für die ablaufende Kante des Blattes. Der Holm 72 ist aus mit Harz impräonierten
Glas- und Kohlenstoffverbundlaminaten hergestellt. Während des Herstellens des Holmes
72 werden beim Auflegen der Glas- und Koh lenstoffverbundlaminate optische Fasern
74 zwischen die Laminate so eingelegt, daß sie sich über die Länge des Holwes vom
Wurzelende 75 bis zum Spitzenende 76 erstrecken.
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Wie in Fig. 8 gezeigt, ist am Spitzenende 76 des Blsttnolmes 72 das
Ende einer jeden optischen Faser 74 so andeordnet, daß Licht aus einer selbst leuchtenden
Lichtquelle 77 aufgenommen wird, während das entgegengesetzte Ende einer jeden optischen
Faser 7 al Wurzelende 75 so angeordnet ist, daß es in der Nähe eines lichtempfindlichen
Detsktors 78 endet. @ede selbstleuchtende Lichtquelle 77 ist vorzugsweise so geformt,
daß sie einen Teil der entsprechenden Form und Oberfläche für das Ende der optischen
Faser ergibt, mit dem sie in anlage kommt, und der übrins äußore oberflächanbereich
der lichtquelle 77 ist versilbert, damit eine Lichtemission verhindert wird.
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Vorzugsweise ist jede optische Faser 74 so angeordnet, daß sie Licht
aus einer individuellen selbstleuchtenden Lichtquelle aufnimmt; es kann jadoch eine
solbstleuchtende Lichtquelle beliebiger gestalt so angeordnet sein, daß sie Licht
an eine Vielzahl von oder alle optischen masern 74 überträgt.
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Es ist auch zweckmäßig, daß die selbstleuchtenden Lichtquellen 77
am spitzenende des Biatthalmes angeordnet sind, wo sie der geringsten Beanspruchung
ausgesctzt sind; die optische Easern können jedoch auch so angeordnet sein, daß
sie am Spitzonende des Bl Blettholmes zu Schleifen nerorrit sind, so da. sie deren
sich selbst zurücklaufen und die selbstleuchtenden Lichtquellen dann am Wurzelende
angenrdnet werden können.
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Eloktrische Siqnale aus den lichtempfindlichen Detektoren 78 können
nach entsprechender Verstärkung verwendet werden, um ein oder mehrere Relais zu
erregen, die bei Fehlen eines Signales abfallen und damit eine Wernvorrichtung erregen.
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bei den vorstehend beschriobenen ausführungsbeispielen wird dann,
wenn ein Riß in einem Abschnitt eines tragenden Bauwerksteiles, mit dem eine optische
Faser verbunden ist, fortschreitet, die optische Faser ebenfalls reißen oder brechen,
so daß
kein Licht von der selbstleuchtenden Lichtquelle zum lichtempfindlichan
detektor übertrsqen wird. Das Fehlen eines elektrischen Signales aus dem lichtempfindlichen
Detekter dient dann dezu, eine entsprechende Warnvorrichtung zu aktivieren.
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Ein wesentlichec Vorteil vorliegender erfindung besteht darin, daß
keine Quelle elektrischer Energie für den Betri@b der Fehleranzeigeeinrichtung nach
der Erfindung erforderlich ist.
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- L e e r s e i t e -