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Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen
verbesserten Fühler für einen Analysetester für ein Composit zum
zerstörungsfreien Testen und Analysieren von Materialien.
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Die US-Patentschrift 4,418,574 beschreibt ein kombiniertes gepulstes
Magnet- und Ultraschall-System zum Messen der Wanddicke einer
Metallwand, wie z. B. bei einer Pipeline. Es schließt eine magnetische
Widerstandsspule 16 ein, die nahe der Wand lokalisiert ist, wobei die
Induktivität der gepulsten Spule gemessen wird. Der Abstand der Spule
von der Wand ist genau bestimmt, so daß die Induktivität ein Maß der
Wanddicke ist. Ein Ultraschallwandler 23 ist orthogonal zu der
Magnetimpulsspule angebracht und derart angeordnet, daß die
Ultraschallenergieimpulse entlang den Wegen 28, 29 gerichtet sind. Auf diese
Weise geben die reflektierten Ultraschallimpulse ein Maß für den
Abstand an.
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Die US-Patentschrift 4,449,411 beschreibt ebenfalls einen Fühler für
kombiniertes magnetisches und Ultraschall-Testen eines Objektes. Der
Fühler ist vorgesehen für die Ableitung von jeweils eines ersten und
eines zweiten magnetischen Flußanteils von einer gemeinsamen Quelle
magnetischen Flusses, und zwar zur Verwendung für magnetische und
Ultraschall-Objektprüfung. Der Fühler definiert einen hindurchgehenden
Pfad für die Bewegung eines Testobjekts, wie z. B. eines Rohres, sieht
eine gemeinsame Quelle magnetischen Flusses vor und benutzt Anteile
des Flusses zum Erzeugen eines ersten Magnetfeldes für Sättigung des
Objektes, um Leck-Flußmessungen zu ermöglichen, und zur Erzeugung
eines zweiten Magnetflusses für EMAT-(elektromagnetisch akustischer
Wandler)-Prüfung des Objekts. Ein Magnetflußgenerator ist in
flußaufnehmender Verbindung mit den beiden ersten und zweiten Polstücken
116 und 118, um erste und zweite Magnetflußanteile zu definieren. Ein
Leckfluß-Detektor wirkt mit dem im ersten Flußanteil zusammen. Ein
EMAT-Wandler 152 ist so gehaltert, daß dessen
Wandler-Richtempfindlichkeit mit der Richtung des zweiten Flußanteils ausgerichtet ist.
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Die US-Patentschrift 3,432,748 beschreibt einen Fühler für
elektrisches Messen der Dicke oder zum Erkennen von Mängeln in einem
leitfähigen Körper. Der Fühler hat eine flache Spule 15 und darin ein
piezoelektrisches Element 35, verbunden mit einem nichtleitfähigen
Stab 23. Die Entladung eines Kondensators C2 durch die flache Spule 15
hindurch, erzeugt ein Gegenmagnetfeld auf der flachen Spule, das
wiederum eine mechanische Kraft auf das piezoelektrische Element 35
ausübt, welches ein elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das verstärkt
und gemessen wird.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich spezieller auf einen
verbesserten Fühler für einen Analysetester für Composite zur zerstörungsfreien
Analyse der physikalischen Eigenschaften und Messung der Dicke von
fortschrittlichen Kohlenstoff-Kunstharz-Compositmaterialien. Solche
Kohlenstoff-Kunstharz-Compositmaterialien werden immer häufiger für
Konstruktionen von Flugzeugkomponenten benutzt, wie z. B. für
Flugzeughaut und in anderen substruktuellen Komponenten derselben.
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Das zerstörungsfreie Testen von fortschrittlichen
Fiber-Matrixmaterialien, wie z. B. Kohlenstoff-Kunstharz-Compositmaterialien und
Komponenten ist entwickelt worden, um hohen Grad der Gewährleistung der
Qualität und Strukturintegrität solcher Materialien und Komponenten zu
erreichen. Die einzelnen Faser-Matrixmaterialkomponenten, aus denen
ein solcher Composit besteht, haben oft nicht einheitliche Qualität
und sind in verschiedenen und veränderten Mustern laminiert.
Zusätzlich ist zu erwarten, daß Hersteller gelegentlich menschlich bedingte
Fehler hinsichtlich der Anzahl und des Abstandes von Lagen in dem
Übereinanderlegen/Laminat machen. Kleine Änderungen in Aushärtezyklen
und Ausheizraten können ebenfalls große Auswirkung auf die
mechanischen Eigenschaften haben, jedoch ohne offensichtlichen Einfluß auf
das visuelle Erscheinungsbild der fertiggestellten Teile. Die
Abweichung hinsichtlich der Eigenschaften von Compositmaterialien sind
bei vielfachen Tests im allgemeinen weit größer als dies für die
eingeführte Metalltechnologie als akzeptabel angesehen wird.
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Ausgefeilte und verbesserte Geräte und Verfahren zur zerstörungsfreien
Prüfung sind zu entwickeln, um Überprüfungen möglich zu machen, die
exakte Qualität geprüfter Teile mit größerer Sicherheit gewährleisten.
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Viele einzelne Inspektions-Test- und Analyse-Verfahren sind für solche
Faser-Matrixmaterialien entwickelt worden, z. B. mit akustischer
Emission, strahlengrafisches Testen, Ultraschalltesten, magnetisches
Induktionstesten, elektrisches Leitfähigkeitstesten, Testen durch
Flüssigkeitsdurchdringung, thermisches Infrarottesten und durch
visuelle Überprüfung derselben.
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In Übereinstimmung mit der hier gegebenen Lehre sieht die vorliegende
Erfindung einen verbesserten Fühler für einen Analysetester für
Composite für zerstörungsfreies Prüfen und Analysieren der
physikalischen Eigenschaften und Messen der Dicke des Testmaterials vor. Der
verbesserte Fühler hat ein Fühlergehäuse mit einer im allgemeinen
ebenen/flachen Endfläche, die dazu bestimmt ist, flach gegen die
Oberfläche des Testmaterials positioniert zu werden. Eine magnetische
Induktionsspule ist gegen die Endoberfläche positioniert, deren
zentrale longitudinale Achse sich im wesentlichen senkrecht dazu
erstreckt. Ein piezoelektrisches Element ist konzentrisch zu der
magnetischen Induktionsspule und auch zu der Endoberfläche
positioniert. Eine Wirbelstromspule ist konzentrisch zur magnetischen
Induktionsspule und zu dem piezoelektrischen Element und ebenfalls
gegenüber der Endoberfläche positioniert, wobei die mittlere
longitudinale Achse der Wirbelstromspule sich im wesentlichen senkrecht
dazu erstreckt.
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Mehr ins einzelne gehend ausgeführt, umfaßt die magnetische
Induktionsspule eine ringförmige Spule. Das piezoelektrische Element hat
ein ringförmiges Gehäuse, in dem die ringförmige magnetische
Induktionsspule untergebracht ist. Die Wirbelstromspule ist in dem
ringförmigen
Gehäuse angeordnet. Alle diese Elemente sind am flachen Ende
des Fühlergehäuses positioniert. Das Fühlergehäuse hat darüber hinaus
ein zylindrisch geformtes Gehäuse, in dem die ringförmige magnetische
Induktionsspule, das piezoelektrische Element und die Wirbelstromspule
alle zusammen an dem ebenen Ende derselben angebracht sind.
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Die voranstehenden Aufgabenstellungen und Vorteile der vorliegenden
Erfindung für einen verbesserten Fühler für einen Analysetester für
ein Composit sind für den Fachmann noch leichter verständlich durch
die nachfolgende Detailbeschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels, wobei die Beschreibung in Verbindung mit beigefügten
Figuren erfolgt, in denen gleiche Einzelheiten mit denselben
Bezugszeichen durch alle Ansichten hindurch versehen sind.
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Fig. 1 zeigt eine perspektivische Frontansicht einer
Ausführungsform eines Analysetesters für Composite, wie er in der
US-Patentschrift 4,745,809 vom 24. Mai 1988 beschrieben ist.
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Die Figur zeigt drei verschiedene Fühler, die für
verschiedene Tests und Messungen benutzt werden, die mit dem Gerät
ausgeführt werden.
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Fig. 2 zeigt den Analysetester nach Fig. 1 für Composite. Dieser
hat einen verbesserten Fühler, der nach der Lehre der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist; und
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Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht lediglich des
Fühlers der Fig. 2, wobei Einzelheiten des Aufbaus
desselben dargestellt sind.
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Es sei nunmehr auf die Figuren im einzelnen Bezug genommen. Fig. 1
zeigt eine Ausführungsform eines (CAT)-Analysetestinstrumentes 10 zur
zerstörungsfreien Analyse der physikalischen Eigenschaften und
Dickenmessung eines fortschrittlichen Kohlenstoff-Kunstharzcomposits. Das
CAT-Instrument 10 ist in der Lage, vier verschiedene Arten von
Ultraschall-, Magnet- und Elektro-(Wirbelstrom-)Prüfungen eines Kohlenstoff-
Kunstharzcomposits auszuführen. Es ist integriert aufgebaut in einem
einzigen bequemen transportablen Gehäuse 12. Alle Prüfungen werden
dadurch ausgeführt, daß man Fühler 14, 16 und 18 mit dem Gerät 1ß
mittels Steckerverbindungen 13 verbindet und diese Fühler an
speziellen Stellen der Oberfläche des Materials positioniert.
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Das CAT-Gerät 10 besteht aus vier Systemen mit Analyse/Meß-Kreisen:
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System 1: RELATIVE AMPLITUDE - Ein
Ultraschall-Impulsecho-Schaltkreismodul 20 auf Mikroprozessor-Basis, mißt die Veränderung der Amplitude
eines Ultraschallimpulses, der einen Umlauf (als Echo reflektiert)
durch das Material macht. Diese Messung wird mit dem Fühler 14
ausgeführt.
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System 2: GESCHWINDIGKEIT - Der
Ultraschall-Impulsecho-Schaltkreismodul 20 auf Mikroprozessor-Basis, mißt gleichzeitig die
Ultraschallgeschwindigkeit für das Material (und benutzt ebenfalls den
Fühler (14) während das System 1 die relative Echoamplitude mißt).
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System 3: DICKE - Ein Niederfrequenz-Magnetinduktions-Schaltkreismodul
22 auf Mikroprozessor-Basis mißt die mechanische Dicke des
Kohlenstoffcomposits, und zwar ohne Reaktion mit oder Veränderung von
Eigenschaften des Composits. Ein ferromagnetisches Blatt mit
gleichmäßiger magnetischer Permeabilität ist fest und mit engem Kontakt auf
der gegenüberliegenden Oberfläche des Composits vorgesehen, um diese
Messung auszuführen. Diese Messung wird mit dem Fühler 16 ausgeführt.
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System 4: LEITFÄHIGKEIT - Ein
Hochfrequenz-Wirbelstrom-Schaltkreismodul 24 auf Mikroprozessor-Basis ist dazu vorgesehen, die relative
elektrische Leitfähigkeit oder das relative elektrische Leitvermögen
des Kohlenstoff-Composits zu messen. Die Testfrequenz und ein
Wirbelstrom-Fühler 18 sind so gewählt, daß die "Dickeneffekte" am dünneren
Ende des erwarteten Dickenbereiches der Composite minimalisiert sind.
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Der Magnetinduktionsfühler 16 hat eine magnetische Induktionsspule 17,
die benachbart der äußeren Oberfläche des zu testenden Materials so
angeordnet ist, daß die zentrale Longitudinalachse der Spule im
allgemeinen senkrecht zu der Oberfläche des Materials ausgerichtet ist.
Während der Benutzung dieses Schaltkreises wird ein Element mit
gleichmäßiger magnetischer Permeabilität in engem Kontakt mit der
inneren Oberfläche des zu testenden Materials angebracht. Dies erfolgt
gegenüberliegend der Anbringung des magnetischen Induktionsfühlers 16
auf der äußeren Oberfläche desselben. Dies dient zur Vervollständigung
des magnetischen Kreises mit der magnetischen Induktionsspule 17,
wobei ein Testmaterial dazwischen angeordnet ist. Der magnetische
Induktionsschaltkreis speist dann die magnetische Induktionsspule mit
relativ niedriger Frequenz von angenähert 50 KHz. Bei dieser Anordnung
wirkt das Testmaterial im wesentlichen als Abstandshalter zwischen der
Spule und dem Element und der dazwischenliegende Abstand bestimmt die
Impedanz des Magnetkreises derart, daß eine Messung derselben auch für
die Dicke des Testmaterials repräsentativ ist.
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Die gemessene Dicke wird dann von dem Impulsecho-Schaltkreis für
dessen Messung der Ultraschallgeschwindigkeit in dem Material benutzt.
Dieser Wert kann automatisch mittels des Mikroprozessors oder auch von
Hand eingegeben werden. Der akustische Fühler 14 hat vorzugsweise
einen piezoelektrischen Wandler 15, der anfänglich gepulst wird, um
Ultraschallimpulse zu erzeugen. Dieser wird dann zur Detektion der
Ultraschall-Echoimpulse benutzt. Der Echoimpuls-Schaltkreis speist
vorzugsweise den piezoelektrischen Wandler mit Impulsen mit einer
Frequenz von ungefähr 5 Megahertz. Der Impulsecho-Schaltkreis führt
zwei getrennte Messungen aus, nämlich die Ultraschallgeschwindigkeit
in dem Testmaterial und auch die Dämpfung eines jeden Impulses, der
das Testmaterial zu dessen gegenüberliegenden Oberfläche hin
durchlaufen hat und von dort als Echo zum Fühler zurückreflektiert worden
ist, zu messen.
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Die letzte Messung ist die des Wirbelstrom-Schaltkreises. Für diese
Messung wird der Wirbelstromfühler 18 am selben Ort wie vorangehend
die zwei Fühler angebracht. Der Wirbelstromfühler 18 hat eine
Wirbelstromspule 19, die angrenzend an die Oberfläche des Testmaterials
gebracht wird, und zwar so, daß die zentrale longitudinale Achse der
Spule im allgemeinen senkrecht zur Oberfläche des Materials
ausgerichtet ist. Die Spule wird dann mit relativ hoher Frequenz oberhalb 1
Megahertz gespeist, um ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das
in dem Testmaterial ein elektrisches Wechselfeld induziert. Dies hat
Wirbelströme und ein damit verbundenes magnetisches Wechselfeld. Das
damit verbundene Magnetfeld beeinflußt das magnetische Wechselfeld der
Wirbelstromspule, so daß die sich ergebende Impedanz der
Wirbelstromspule in dem Wirbelstromschaltkreis eine Messung der elektrischen
Leitfähigkeit des Testmaterials ergibt.
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Fig. 2 zeigt den Analysentester 10 der Fig. 1 für ein Composit. Er
hat einen verbesserten Fühler 30, der der Lehre der vorliegenden
Erfindung entsprechend aufgebaut ist. Der verbesserte Fühler 30 ist
mit der Einheit 10 mittels Steckerverbindung 13 verbunden, ähnlich der
Anordnung der Fig. 1. Die einzelnen elektrischen Verbindungen sind
jedoch in einem einzigen Kabel 32 vereinigt, das zu dem verbesserten
Fühler 30 führt.
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Fig. 3 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht des verbesserten
Fühlers 30, wobei Einzelheiten des Aufbaus desselben dargestellt sind.
Der verbesserte Fühler hat ein zylindrisches Fühlergehäuse 34 mit
einer im allgemeinen flachen Endoberfläche 36. Diese dient dazu, daß
das Testmaterial flach gegen diese Oberfläche angelegt wird. Eine
relativ große ringförmige magnetische Induktionsspule 38 ist gegenüber
der Endoberfläche angeordnet, und zwar mit der zentralen
longitudinalen Achse der Spule derart, daß diese sich im wesentlichen senkrecht
dazu erstreckt. Ein piezoelektrisches Element 40 hat ein ringförmiges
Gehäuse und ist konzentrisch in der magnetischen Induktionsspule 38
und ebenfalls an der Endoberfläche 36 angeordnet. Eine ringförmige
Wirbelstromspule 42 ist konzentrisch in dem piezoelektrischen Element
40 ebenfalls an der Endoberfläche 36, mit der zentralen longitudinalen
Achse der Wirbelstromspule sich im wesentlichen senkrecht dazu
erstreckend, angeordnet. In dieser Anordnung sind die magnetische
Induktionsspule 38, das ringförmige Gehäuse des piezoelektrischen
Elements und die Wirbelstromspule 32 alle zusammen konzentrisch in
Bezug zueinander an dem flachen Ende 36 des Fühlergehäuses
positioniert.
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Die Arbeitsweise des verbesserten Fühlers 30 ist gleich derjenigen der
Anordnung der Fig. 1, nämlich daß die magnetische Induktionsspule 38,
das piezoelektrische Element 40 und die Wirbelstromspule 42
aufeinanderfolgend gespeist werden. Wird jedoch nur ein Fühler benutzt, ist
man jeglicher Probleme passender Positionierung der Mehrzahl an
Fühlern enthoben.
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Das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für
einen verbesserten Fühler für einen Analysetester für Composite ist
vorangehend in Einzelheiten beschrieben. Es ist ersichtlich, daß die
Beschreibung und die Lehre der vorliegenden Erfindung viele
alternative Ausführungsformen dem Fachmann nahelegt. Zum Beispiel können
die relativen konzentrischen Anordnungen der Spulen 38 und 42 und das
zylindrische Element 40 in weiteren Ausführungsformen verschieden
sein.