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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der US
Provisional Application Ser.No.60/039 622, eingereicht am 13.März 1997,
sowie der US Provisional Application Ser.No. 60/041 958, eingereicht
am 3.April 1997, wobei die gesamten Offenbarungen dieser Anmeldungen
hier einbezogen werden.
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REGIERUNGSUNTERSTÜTZUNG
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Die Erfindung wurde ganz oder teilweise durch
Vertrag Nr.DTRS57-96-C-00108 vom Department of Transportation, Federal
Aviation Administration und durch Vertrag Nr. N00421-97-C-1120 vom Department
of the Navy unterstützt.
Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Das durchschnittliche Alter von verwendeten Flugzeugen
stieg immer weiter. Sowohl der private als auch der Regierungssektor
halten Flugzeuge über
längere
Zeitspannen, bevor sie dieselben ersetzen. Die Entscheidung, Flugzeuge
zu fliegen und zu halten über
ihre ursprünglich
geplante Lebensdauer hinaus hat eine verstärkte Beachtung der Inspektion, Wartung
und Reparatur sowie der mit diesen Punkten verbundenen Kosten erfordert.
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Mit der verlängerten Lebensdauer eines Flugzeugs
ist verbunden eine erhöhte
Beachtung der Aufrechterhaltung einer genauen Bewertung des Zustandes
des Flugzeugs. Eine dieser Punkte bezieht sich auf die Beeinträchtigung
der Struktur des Flugzeugs einschließlich der Rahmen, Stützwände, Rippen,
Holme, Montagemasten und Haut. Diese Strukturen sind der Beeinträchtigung
durch Einflüsse,
wie Korrosion oder Ermüdung,
unterworfen. Die Ermüdung
ist die allmähliche
Beeinträchtigung
und Verschlechterung eines Materials, welches wiederholten Belastungen
ausgesetzt ist.
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Ein allgemeines Verfahren zum Bestimmen des
Zustands der Struktur ist die Überwachung
des Fortschrittes von Rissen. Ein Verfahren ist ein Flüssigkeitseindringtest,
bei dem der Überzug
entfernt und die Struktur bedeckt wird mit einem flüssigen eindringenden
Farbstoff, um zu sehen, welche Risse sich entwickelt haben. Dieses
Verfahren ist geeignet, Risse nachzuweisen, die größer sind
als 0,08 mm (0,003 inch) Tiefe. Bei Anwendung dieses Verfahrens wird
angenommen, dass Risse vorhanden sind, die gerade etwas kleiner
sind als die erfassbaren Risse. Mit dieser Annahme findet die Überwachung
in solchen Intervallen statt, dass ein gerade unter der erfassten
Größe befindlicher
Riss, der mit einer vorausgesagten Geschwindigkeit wächst, entdeckt
wird, bevor ein größerer Schaden
entsteht. Ein Sicherheitsfaktor wird hinzugefügt, so dass das Überwachungsintervall
der Hälfte
dieser Zeitspanne entspricht.
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Bei einem anderen Erfassungsverfahren werden
bekannte Wirbelstromsensoren verwendet, welche diskrete einzelne
Risse erfassen können,
jedoch nicht gut geeignet sind für
die Erfassung von Mikrorissansammlungen.
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EP-A-0 242 947 beschreibt eine Vorrichtung zum
Abtasten von Öffnungen
in Verteilerrohren, welches eine Sondenanordnung zum Anlegen an
die Oberfläche
eines Verteilers, welcher eine Verteilerrohr-Öffnung umfasst, aufweist. Die
Sondenan ordnung enthält
einen federgelagerten Sensor, der vorzugsweise eine Wirbelstromsonde
ist. Ein Mechanismus zum Halten und Positionieren der Sondenanordnung
ist vorgesehen.
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US-A-5 485 084 beschreibt eine Vorrichtung zum
Erfassen von verborgenen Rissen in einer Struktur, welche eine von
Hand gehaltene Sonde enthält, die über die
Oberfläche
der Struktur bewegt wird. Die Sonde ist mit einem Computerterminal
verbunden, an dem außerdem
ein Monitor und eine Tastatur angeschlossen sind. Änderungen
in den Wirbelströmen in
der untersuchten Struktur rufen Impedanzänderungen in den Spulen der
Sonde hervor. Die erhaltenen Spannungswerte erzeugen ein Bild der
untersuchten Struktur sowie irgendwelche darin enthaltene Risse am
Computermonitor.
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US-A-5 278 498 beschreibt eine Wirbelstromsonde
mit flexiblem Kern zum Untersuchen gekrümmter oder unregelmäßiger Oberflächen. Der Kern
besteht aus einem flexiblen Bindemittel, das mit einem magnetischen
Pulver beladen und dann in eine besondere flexible Kernform gebracht
ist, die fortlaufend irregulären
oder gekrümmten
Oberflächen
angepasst werden kann. Die Sonde mit flexiblem Kern ist insbesondere
anwendbar auf mit Kohlefaser verstärkte zusammengesetzte Komponenten mit
konturierten Oberflächen.
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US-A-5 015 951 beschreibt Vorrichtungen und
analytische Verfahren zum Messen der Raumprofile mit komplexer Durchlässigkeit
und Leitfähigkeit
eines Materials durch mehrfache Wellenzahl-Abfragen. Es werden Spulenreihenanordnungen
beschrieben, welche eine Anzahl von unterschiedlichen Grundwellenlängen definieren.
Räumliche
periodische Abfragesignale von der Spulenreihenanordnung werden
um verschiedene Grade in der Materialuntersuchungsanalyse abhängig von
der Wellenzahl geschwächt,
wodurch die Ableitung von zusammengesetzten komplexen Durchlässigkeits/Leitfähigkeits-Profilen
ermöglicht
wird.
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US-A-5 793 206 (veröffentlicht
am 11.8.1998) beschreibt ein Magnetometer mit Mäanderwicklung (MWM), welches
eine Mäanderprimärwicklung
und wenigstens eine Abtastwicklung oder Spule an einer Membran aufweist,
die gegen eine Testfläche
zu pressen ist. Die Membran kann auf einem flexiblen Träger gehalten
sein, welcher in eine Sonde umwandelbar ist. Anschläge in der
Sonde pressen den Träger
gegen die Testfläche,
ermöglichen
jedoch dem Träger
und der Membran, sich der Testfläche
formal anzupassen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Erfassen eines ausgebreiteten
Ermüdungsschadens
(widespread fatigue damage bzw. WFD) an Flugzeugen. Es ist erwünscht, ein
Verfahren zum Überwachen
von Rissen an Strukturteilen einschließlich Hautplatten von Flugzeugen
zu erhalten, um den Zustand des Flugzeugs zu bestimmen. Bei einer
genauen Darstellung des Zustands des Flugzeugs kann seine Verwendung und
Wartung passend eingerichtet werden.
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Gemäß einem Aspekt schafft die
Erfindung ein Verfahren zum Erfassen einer ausgebreiteten Ermüdung in
einer Metallstruktur, welches die folgenden Schritte umfasst: Anordnen
einer Anzahl von Leiterelementen in parallelen Abständen nahe
der Metallstruktur; Einleiten eines elektromagnetischen Feldes durch
die Leiterelemente in die Metallstruktur mit einer vorherrschenden
räumlichen
Wellenlänge;
gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Abtasten eines resultierenden
elektromagnetischen Ansprechens der Struktur auf das eingeleitete
magnetische Feld; Umformen des elektromagnetischen Anspre chens in
eine absolute Leitfähigkeit
der Metallstruktur; und Analysieren des Leitfähigkeitsmusters, um zu bestimmen,
ob eine ausgebreitete Ermüdung
verbunden mit der Ausbildung von Mikrorissen vorhanden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt schafft
die Erfindung eine Vorrichtung zum Erfassen von elektromagnetischen
Eigenschaften innerhalb der Struktur eines Flugzeugs mit einem Sensor,
der eine Primärwicklung
und eine Anordnung von Sekundärwicklungen
aufweist; gekennzeichnet durch: die Primärwicklung, welche eine Reihe
von linearen Leitersätzen
in parallelen Abständen
zur Aufnahme eines Stromes, wenigstens einen Leiter, der mit jedem
parallelen Leitersatz verbunden ist und eine veränderliche Anzahl von Leitern
aufweist, die mit jedem parallelen Leitersatz verbunden sind, um
eine räumliche Magnetwellenform
zu bilden, die von der Primärwicklung
erzeugt wird; die Anordnung von Sekundärwicklungen, wobei wenigstens
eine der Sekundärwicklungen
zwischen parallelen Leitern jedes Paares von benachbarten parallelen
Leitersätzen
der Primärwicklung
angeordnet ist, um ein resultierendes elektromagnetisches Ansprechen
auf die in die Struktur eingeleitete Magnetwellenform abzutasten;
und den am Flugzeug angebrachten Sensor.
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Ein Mäanderwicklungs-Magnetometer (MWM)
mit einer Anzahl von parallelen, in Abständen angeordneten linearen
Leiterelementen wird nahe dem Flugzeug angeordnet. Ein elektromagnetisches Feld
wird an das Flugzeug angelegt und die entsprechende Reaktion wird
abgetastet. Die Reaktion wird umgeformt, um die Leitfähigkeit
der Flugzeugstruktur zu bestimmen.
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Ein Aufzeichnen der Leitfähigkeit
der Flugzeugstruktur erzeugt eine Anzeige, wo Mikrorisse in der
Struktur angeord net sind. Frühe
Anzeigen der Dichte, Raumverteilung und Raumorientierung sowie der
Größe von Mikrorissen
geben dem Benutzer eine Anzeige der WFD. Die Mikrorisse, die unter
Anwendung dieses Verfahrens bestimmt werden, liegen unterhalb derjenigen,
die durch übliche
nicht-zerstörende
Testverfahren (non-destructive testing bzw. NDT techniques), wie
Wirbelstromabtastung, erfasst werden, und sie treten normalerweise
in Mikrorissansammlungen auf.
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Das Verfahren verwendet einen oder
mehrere von verschiedenen Faktoren zum Identifizieren des Einsetzens
von WFD und der Anwesenheit von verteilten Mikrorissen. Diese Faktoren
umfassen:
- 1. Das absolute Leitfähigkeitsbild
der MWM zeigt bestimmte Raumverteilungen mit Bereichen von reduzierter
Leitfähigkeit über eine
bestimmte Länge.
- 2. Die absolute Leitfähigkeit
ist niedriger an der Oberfläche
als am Kern. Oberflächenbeschichtungen müssen berücksichtigt
werden, wenn dieser Faktor untersucht wird.
- 3. Die räumlichen
Veränderungen
der Leitfähigkeit längs der
Oberfläche
und als Funktion der Tiefe von der Oberfläche treten beim Belasten des
Flugzeugs auf. Die Änderungen
können
bei einer möglichen
hohen und niedrigen Zyklusermüdung
von durch Belastung verursachten Schäden der Struktur auftreten.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird das elektromagnetische Feld bei verschiedenen Frequenzen gemessen.
Höhere
Frequenzen werden verwendet, um die Dicke einer beliebigen Oberflächenbeschichtung,
wie Alclad, zu bestimmen.
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Bei einer Ausführungsform wird der MWM-Sensor
am Flugzeug unter Verwendung eines flexiblen Klebstoffs an einer Stelle
angebracht, welche für
das Personal nicht leicht zugänglich
ist. Der Sensor kann für
On-line-Überwachung
der Ermüdung
verwendet werden. Bei der gleichen oder einer anderen Ausführungsform
kann der MWM-Sensor an einer komplexen gekrümmten Form angebracht werden.
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Der Mäanderwicklungsmagnetometer(MWM)-Sensor
kann in eine Reihe oder Anordnung für Oberflächenabbildung mit hoher Auflösung und
geringer Risserfassung ausgeformt werden. Die Modelle berücksichtigen
jedes Quersprechen, so dass die Ausschaltung von Quersprechen zwischen den
Abtastelementen nicht erforderlich ist. Die Gittermethoden kompensieren
automatisch eine Abheb-Änderung
jedes Abtastelements und erfordern daher keine Abheb-Steuerung über die
Aufstandsfläche
der Anordnung.
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Die Gittermessungsanordnung berücksichtigt
die Krümmung
von Gitterlinien (Abhebe- und andere Eigenschaftslinien) sowie nichtlineare Änderungen
in der Empfindlichkeit des Sensoransprechens auf Änderungen
in relevanten Eigenschaften, um die Abheb-Kompensation zu verbessern.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
FIGUREN
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Die obigen und andere Ziele, Merkmale
und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden ausführlicheren
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
hervor, wie sie in den begleitenden Figuren dargestellt sind, in
welchen gleiche Bezugszeichen sich auf die gleichen Teile in allen Figuren
beziehen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstäblich, statt
dessen ist auf die Darstellung der Grundlagen der Erfindung Wert
gelegt. Es zeigt:
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1 eine
Schrägansicht
der Flugzeugstruktur;
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2 eine
schematische Darstellung eines Mäanderwicklungs-Magnetometers
(MWM);
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3A den
MWM-Sensor;
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3B eine „stehende
Welle" des Magnetvektorpotentials
Az, erzeugt vom dominierenden Fourier-Modus,
entsprechend der Fourier-Amplitude A1;
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4 einen
Mäanderwicklungsmagnetometer-Sensor
aus leitendem Material auf einem nicht-leitendem Substrat;
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5A eine
MWM-Sonde bei der Inspektion einer auf dem Land verankerten Turbine;
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5B eine
verbesserte MWM-Sonde;
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6A Leitfähigkeits-Abhebgitter
für Aluminium;
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68 Leitfähigkeits-Abhebgitter
für Ferrostahl;
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7A ein
Verlaufsdiagramm von MWM-Kontinuummodellen;
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7B ein
Verlaufsdiagramm, welches MWM mit Gitterverfahren und bekannte Wirbelstromsensor-Lösungen vergleicht;
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8 eine
grafische Darstellung von MWM-Leitfähigkeitsmessungen als Funktion
des prozentualen Ermüdungslebens
für rostfreien
Stahl und für
2024-Aluminium;
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9 Aufzeichnungen
von Messungen an vier Sanduhrproben aus rostfreiem 304-Stahl bei
3%, 38%, 75% und 88% des gesamten Ermüdungslebens;
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10 Aufzeichnungen
von Messungen an sechs Sanduhrproben aus 2024-Aluminium, ermüdet auf
0%, 10%, 30%, 50%, 70% und 90% des gesamten Ermüdungslebens;
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11A eine
grafische Darstellung von MWM-Messungen von Ermüdungsschäden durch Biegen des Ermüdungsabschnitts
zyklisch bis 90% des geschätzten
Ermüdungslebens,
wobei die längeren
MWM-Wicklungssegmente sowohl parallel als auch senkrecht zum Riss
bei der MWM-Abtaststelle 39 ausgerichtet waren;
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11B eine
zweidimensionale absolute Leitfähigkeits-MWM-Abtastung mit
den Wicklungen senkrecht zur Mikroriss-Orientierung für die Rissbildung in dem in 11A gezeigten Aluminium-Biegeabschnitt;
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11C eine
zweidimensionale absolute MWM-Leitfähigkeitsabtastung
mit den Wicklungen parallel zur Mikrorissorientierung für die Rissbildung in
dem in 11A gezeigten
Aluminium-Biegeabschnitt;
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12 den
vorderen Teil eines Rumpfs;
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13 eine
vergrößerte Darstellung
gemäß 12 der Außenhautplatte C über der Überlappungsverbindung,
die Passagierfenster enthält;
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14 eine
grafische Darstellung der MWM-Mehrfachfrequenz-Vertikalabtastungsdaten der
Platte C;
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15 eine
grafische Darstellung der MWM-Mehrfachfrequenz-Horizontalabtastung
der Platte C;
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16A eine
zweidimensionale Darstellung der absoluten Leitfähigkeit einer Überlappungsverbindung
mit Befestigungsorganen und ohne Ermüdungsrisse;
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16B eine
dreidimensionale Darstellung der in 16A gezeigten
Daten;
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17A eine
Aufzeichnung der MWM-Risserfassungs- und des Vorriss-Ermüdungsschadens für rostfreien
Stahl;
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17B eine
Aufzeichnung der MWM-Risserfassung für einen Aluminiumteil mit einem
Ermüdungsrisswachstum
unter Zugbelastung von einer EDM-Einkerbung; und
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18 einen
alternativen MWM-Sensor.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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In den Figuren, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Teile und Apostrophen Gegenstücke solcher
gleichen Teile bedeuten, ist ein Mäanderwicklungs-Magnetometer(MWM)-Sensor 30 in 1 dargestellt, der erfindungsgemäß an einem
Flugzeug 32 verwendet wird.
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Da das Durchschnittsalter von Flugzeugen ansteigt,
besteht das Bedürfnis
nach einer Vorrichtung und einem Verfahren zur angemessenen Überwachung
der Beeinträchtigung
oder Ermüdung
des Flugzeugs, welche bei höheren
Kosten wirksamere und durchgehende Überwachung ermöglichen,
als es mit vorhandenen Verfahren und Techniken möglich ist.
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Flugzeuge werden wie die meisten
Strukturteile oder Bauteile mit ihrem Alter beeinträchtigt.
Die Beeinträchtigung
kann von verschiedenen Einflüssen stammen,
wie Verwitterungskorrosion oder Ermüdung. Ermüdung wird allgemein definiert
als die allmähliche
Verschlechterung eines Materials, das wiederholten Belastungen unterworfen
wird. Die Belastung kann von verschiedenen Faktoren herrühren, die
durch die Unterdrucksetzung des Rumpfes, Turbulenzen, das Flugzeug
abhebende Luft, die Landebelastungen sowie die Hinzufügung und
Beseitigung von Gewicht, wie Kraftstoff, Passagiere und Ladung, erzeugt
werden. Wie aus 1 ersichtlich, können die
Bauteile, die hier betroffen sind, Rahmen 36, Trennwände 38,
Rippen 40, Holme 42, Tragrohre 44 und
Außenhaut-
oder Oberflächenplatten 46 umfassen.
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Wie oben im Hintergrund der Erfindung
angegeben, war ein früheres
Verfahren einer nicht zerstörenden
Untersuchung zum Erfassen des Zustands des Flugzeugs ein Abtasten
mit eindringender Flüssigkeit
oder mit üblichem
Wirbelstrom. Beide Verfahren erfordern das Entfernen der Farbe vom Flugzeug,
um die Prüfung
durchzuführen.
Das Prüfen
mit eindringender Flüssigkeit
ist in der Lage, Risse von mehr als 0,08 mm (0,003 inch) Tiefe zu
erfassen. Bekannte Wirbelstromverfahren können einzelne Risse gut erfassen,
haben jedoch Schwierigkeiten mit Krümmungen und mit der Erfassung
von Mikrorissansammlungen.
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Für
die Anwendung in dieser Druckschrift werden die Ausdrücke Mikroriss
und Makroriss folgendermaßen
definiert.
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Mikrorisse werden als Risse von weniger
als 0,08 mm (0,003 inch) Tiefe definiert, die sich in Ansammlungen
in Strukturen in Flugzeugaußenhäuten und
in komplexen Strukturteilen, wie Rümpfen oder Motorbefestigungen,
ausbilden. Mikrorisse sind im Allgemeinen nicht durch Prüfung mit
eindringender Flüssigkeit
oder mit üblicher
Wirbelstromprüfung
zu erfassen.
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Makrorisse werden definiert als Risse
von mehr als 0,08 mm (0,03 inch) Tiefe oder mehr als 0,25 mm (0,01
inch) Länge.
Makrorisse sind normalerweise durch Prüfen mit eindringender Flüssigkeit und üblicher
Wirbelstromprüfung
zu erfassen.
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Ermüdungsschäden mit größerer Ausbreitung werden erfindungsgemäß erfasst,
und zwar durch Überwachung
von Mikrorissansammlungen unter Anwendung des Mäanderwicklungs-Magnetometers (MWM).
Das MWM bestimmt die absolute Leitfähigkeit der Flugzeugstruktur
oder des zu prüfenden
Materials (material under test bzw. MUT), wie unten beschrieben.
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Zuerst wird das magnetoquasistatische
Abtastvermögen
bei Verwendung eines Maänderwicklungs-Magnetometers
(MWM) beschrieben. Das MWM kombiniert Wirbelstrom- und induktive
Abtastverfahren zur Messung der magnetischen und Leitfähigkeitseigenschaften
von ferro- und nichtferro Metallen. Das MWM umfasst eine Maänderhauptwindung-
oder Wicklung 50 mit einer oder mehreren Sekundärwindungen
oder Sekundärwicklungen 52,
wie der Mäandersekundärwindung
auf einer Seite der Hauptwindung, wie in 2 dargestellt. Das MWM ist im We sentlichen
ein ebener Transformator, in welchem die Primärwindung mit der Sekundärwindung durch
das benachbarte Material induktiv gekoppelt ist. Verbesserungen
dieser MWM-Windungs-
oder Wicklungsbauweise sind in der US-Patentanmeldung Nr.08/702
276 mit dem Titel „Meandering
Winding Test Circuit (Amended)" beschrieben,
die am 23.August 1996 eingereicht wurde, und in der US-Patentanmeldung
Nr. 60/063 534 mit dem Titel „Absolute Property
Measurement with Air Calibration",
die am 29.Oktober 1997 eingereicht wurde.
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Die Hauptwindung 50 ist
als Rechteckwellenmuster ausgebildet, wie in 2 zu sehen. Die Sekundärwindungen,
die auf entgegengesetzten Seiten der Hauptwindung mäanderförmig angeordnet sind,
sind parallel geschaltet, um die kapazitive Kopplung zu reduzieren
und die Symmetrie aufrecht zu erhalten, wie in 3A dargestellt. Die räumliche Wellenlänge der
Windung wird durch λ bezeichnet, wie
in 3B angegeben. Ein
Strom i1 wird in die Hauptwindung 50 gegeben,
und eine Spannung v2 wird an den Anschlüssen der
Sekundärwindungen 52 gemessen.
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Die Form der MWM-Windungen erzeugt
ein räumliches
periodisches Magnetfeld, wie in 3B gezeigt.
Die räumliche
Periodizität
des Feldes ist eine Schlüsseleigenschaft
des MWM und ist der Hauptgrund dafür, dass es mit solcher Genauigkeit
modelliert werden kann. Die MWM-Kontinuummodelle ermöglichen
eine genaue Bestimmung der Tiefe und der Eigenschaften von Fehlern
in einer Metallstruktur.
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Das MWM ist so ausgeformt, dass das
magnetische Vektorpotential, das von dem Strom in der Hauptwindung
erzeugt wird, genau modelliert werden kann als eine Fourierreihen-Summierung von Sinusoiden
in kartesischen Koordinaten (x, y, z). Der dominierende Modus hat
eine räumliche
Wellenlänge.
Die Ausformung ist ausführlicher
beschrieben in der US-Patentschrift
Nr. 5 453 689 mit dem Titel „Magnetometer
Having Periodic Winding Structure and Material Property Estimator", ausgegeben am 26.September
1995. Der Sensor 30 ist für eine Realzeit-Verfahrenssteuerung,
Qualitätssteuerung
und Inbetriebs-Feldinspektion gut geeignet. Das MWM ist so ausgebildet
und modelliert, dass eine genaue Ansprechvoraussage und auf dem
Modell beruhende Simulationen für
die Sensoroptimierung durchgeführt werden
können
und Realzeit-Eigenschaftsmessungen
mit minimalen Kalibrierungserfordernissen, ohne Interpretation durch
den Benutzer und minimaler Ausbildung der Bedienungsperson möglich sind.
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Auf dem magneto-quasistatischen Gebiet
erzeugt die MWM-Hauptwindung
ein sinusförmiges magnetisches „Stehwellen"-Vektorpotential. Die räumliche
Wellenlänge
dieser Stehwelle wird bestimmt durch die MWM-Hauptwindungsgeometrie und
hängt ab
von der Eingabestrom-Zeitfrequenz. Die fundamentale Fouriermodus-Wellenlänge ist gleich
der physikalischen räumlichen
Wellenlänge der
MWM-Hauptwindung, wie in 3B gezeigt.
Das vom MWM-Sensor erzeugte gleichförmige stehende Wellenfeld hält seine
Form über
eine beträchtliche Aufstandsfläche bei.
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Die MWM-Sensoren können in
verschiedenen Ausführungsformen
hergestellt werden. Diese können
entweder mehrfache Perioden, eine einzige Periode (d. h. nur eine
Periode einer Sinuswelle wird von der felderzeugenden Hauptwindung
hervorgerufen), oder einen Bruchteil einer Periode (z. B. halb) aufweisen.
Während
die Ausführungsformen
in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen für einen
besonderen Größenbereich
beschrieben werden, sollen diese Beschreibungen nicht bedeu ten, dass
besondere Größen auf
besondere Ausführungsformen
eingeschränkt
werden.
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Eine Ausführungsform des Sensors 30 wird durch
Aufbringen und selektives Entfernen eines leitenden Materials auf
einen dünnen
Film eines nichtleitenden Substrats hergestellt, wie in 4 zu sehen. Dieses aufgedruckte
leitfähige
Material wird als Draht betrachtet. Dieses Verfahren der Sensorherstellung
ermöglicht,
dass der Sensor sehr dünn
ist und eine sehr geringe Masse besitzt. Er kann als Anordnung zur
Oberflächenabtastung
durch Bewegung einer Anordnung zur Ausbildung von Bildern geformt sein
(wobei bevorzugte Abtastelemente nur 1 mm auf 3 mm sind und Sensoraufstandsflächen zwischen
3 mm auf 6 mm bis über
1 m auf 1 m umfassen).
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Zwei Dimensionssensor-Anordnungsmatten können verwendet
werden, um große
Bereiche, wie einen Rumpf oder Flügelaußenhäute zu untersuchen.
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5A zeigt
einen MWM-Sensor 54, welcher eine am Boden abgestützte Turbinenschaufel inspiziert.
Diese MWM-Sonde kann flache, konvexe, konkave und verjüngte Oberflächen ohne
das Erfordernis einer Neukalibrierung neuer Krümmungen untersuchen. Eine verbesserte
Version ist in 5B gezeigt. Kalibrierung
und absolute Eigenschaftsmessung unter Anwendung von Luftkalibrierung
werden in der US-Patentanmeldung Nr. 08/702 276 mit dem Titel „Meandering
Winding Test Circuit (Amended)" eingereicht
am 23.August 1996, und in der US-Patentanmeldung Nr. 60/063 534
mit dem Titel „Absolute
Property Measurement with Air Calibration", eingereicht am 29.Oktober 1997, diskutiert.
Während
die dargestellte Sonde nahezu die Größe einer menschlichen Faust
hat, können
auch kleinere Sondenhalter, wie z. B. 56 in 5B,
mit dem dargestellten MWM einer Auf standsfläche von 13 mm × 13 mm
(ein halb inch mal ein halb inch) verwendet werden. Ein MWM mit
6,4 mm × 6,4
mm (ein viertel inch mal ein viertel inch) verwendet eine noch kleinere
Sonde.
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Die Messgitterverfahren zur Eichung
und Eigenschaftsabschätzung
bieten eine einzigartige Möglichkeit
zur Messung absoluter elektrischer Leitfähigkeit ohne Verwendung von
Kalibrierungsmethoden. Die Kalibrierung erfolgt durch Halten der MWM-Sonde
in Luft weg von irgendwelchen leitenden Gegenständen. Der MWM-Sensor ist in
der Lage, innerhalb von weniger als 1% IACS (Internationaler Kupferstandard
= 5,8E7 S/m) absolute Genauigkeit für Leitfähigkeit im Bereich von 0,5%
bis 100% IACS zu messen. Der MWM-Sensor ist in der Lage, auf magnetisierbarem
Material, wie Stahl, ohne Erfordernis einer Neukalibrierung zu messen.
Beispielsweise kann eine Farbschichtdicke auf Stahl ohne Dickenstandards
innerhalb eines Mikrometers gemessen werden.
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Der MWM-Sensor wird von einem Wechselstrom
angetrieben und sein Ansprechen wird durch einen Impedanzanalysator
gemessen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Mehrfrequenz-Impedanzgerät auf Schaltplattenniveau
mit einem Bereich von 250 kHz–2,5
MHz verwendet. Das Ansprechen wird mit den weiter unten beschriebenen Kontinuum-Modellen
verglichen. Das Sensoransprechen, das als Impedanzphase und -größe auftritt, wird
in Materialeigenschaften oder interessierende Bedingungen, wie Leitfähigkeit
und Nähe
oder Leitfähigkeit
und Abheben, umgewandelt.
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Zusätzlich zur Ermöglichung
genauer Bestimmungen von Materialeigenschaften umfasst die MWM-Modellierungs-Software
auch Verfahren zur Kennzeichnung von Betriebsbedingungen, die maximale
Empfindlichkeit und Selektivität
(der Fähigkeit zur
Messung von zwei oder mehr Eigenschaften unabhängig voneinander) ergeben,
ohne umfangreiche Experimente durchzuführen. Die Identifizierung der Betriebsbedingung
wird ausführlicher
in der US-Patentschrift Nr. 5 015 951 mit dem Titel „Apparatus
and Method for Measuring Permeability and Conductivity in Materials
Using Multiple Wavenumber Magnetic Interrogations", ausgegeben am 14.Mai
1991, und in einer US-Patentanmeldung Ser.No. 08/702 276 mit dem
Titel „Meandering
Winding Test Circuit",
eingereicht am 23.August 1996, beschrieben.
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Ein Gittermessungs-Algorithmus ermöglicht die
Integration der Impedanzmessdaten bei mehrfachen Frequenzen, mehrfachen
räumlichen
Windungs-Wellenlängen
und mehrfachem Abheben (durch Bewegen des MWM-Sensors oder Verwenden
eines beweglichen Abtastelements). Diese Integration wird in Verbindung
mit der weiter unten diskutierten Anordnungskalibrierung angewendet.
Messgitter ergeben eine verallgemeinerte und robuste Annäherung an
eine große
Vielzahl von Anwendungen und ermöglichen
eine schnelle Anpassung an neue Anwendungen mit Teilen aus anderem
Material und andere interessierende Eigenschaften. Das Ergebnis ist
ein mehrdimensionaler Identifizierungsalgorithmus, welcher robuste,
reproduzierbare und höchst zuverlässige Mikrorisserfassung
ermöglicht.
Es liefert Realzeit (Schnell)-Messungen, welche durch Tabellendarstellungen
aus gespeicherten Messgittern ermöglicht werden.
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Meßgitter und Tabellen werden
durch Kontinuum-Modelle der MWM erzeugt und werden in einer bevorzugten
Ausführungsform
grafisch dargestellt. Die Messgitter werden verwendet, um die MWM-Impedanzgrößen- und
Phasenmessungen in Materialeigenschaften oder Materialnähe umzuwandeln. Das
Realzeit-Tabellendarstellungsverfahren
ist in der US-Patentanmeldung Ser.No.08/702 276 mit dem Titel „Meandering
Winding Test Circuit",
eingereicht am 23.August 1996, beschrieben.
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Die Gittermessungslösung ermöglicht eine Erfassung
und Unterscheidung von Ansammlungen von Mikrorissen. Die Messgitter
ergeben auch ein einzigartiges Werkzeug für die schnelle Feldkalibrierung
von Abtastanordnungen.
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Um Messgitter zu erzeugen, wird die
Materialleitfähigkeit
(oder eine andere interessierende Eigenschaft) zuerst unter Anwendung
von Kalibrierungsnormen oder Werten aus der Literatur abgeschätzt. (Diese
Schätzung
dient lediglich zur Definierung des allgemeinen interessierenden
Bereiches, in welchem die Modelle arbeiten sollen, um das vorausgesagte
Sensoransprechen zu erzeugen). Die Kontinuum-Modelle des MWM sagen
dann das Sensoransprechen voraus in Werten der Phase und Größe unter
Anwendung der ausgewählten
Bereiche der Leitfähigkeit
und des Abhebens. Diese Gitterart besteht aus Linien konstanten
Abhebens, die sich mit Linien konstanter Leitfähigkeit überschneiden. Diese Gitter werden
außerhalb
der Messanordnung erzeugt und ergeben sodann eine Realzeit-Messmöglichkeit
im Feld (in Bruchteilen einer Sekunde).
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6A zeigt
ein Leitfähigkeits/Abhebgitter 58,
das auch als Messgitter bezeichnet wird. Das Abheben (lift-off) 60 ist
der Abstand zwischen der MWM-Windungsebene und der ersten leitenden Oberfläche (d.
h. der Außenfläche der
Aluminium-Alclad-Beschichtung auf einer Flugzeughaut). Für ein Leitfähigkeits/Abhebgitter
sind die unbekannten interessierenden Eigenschaften die elektrische
Leitfähigkeit 62 der
Haut und das Abheben 60, die gemessen werden müssen, um
unkontrollierte und unbekannte Änderungen
in der Farbdicke, Oberflächenrauheit oder
Sondenanordnung zu kompensieren. Die elektrische Leitfähigkeit
wird verwendet, um die Beziehung zu Ermüdungsschäden herzustellen, wie weiter unten
beschrieben. Das Messgitter 58 wird verwendet, um Messungen
der MWM-Übertragungsinduktanz
in interessierende Eigenschaften, wie Leitfähigkeit und Abheben, umzuwandeln.
Die Größe der Übertragungsinduktanz
V2/jωi1 ist definiert als die Größe der Übertragungsimpedanz
V2/i1 geteilt durch die
Winkelfrequenz ω =
2πf, wobei
f die Eingabestromfrequenz ist. Die Phase der Übertragungsinduktanz ist gleich
der Phase der Übertragungsimpedanz,
um 90° verschoben.
Die Übertragungsimpedanz
ist definiert als die Sekundär(Ausgangs)-Spannung
geteilt durch den Haupt(Eingangs)-Strom. Die Übertragungsinduktanz wird verwendet
an Stelle der Übertragungsimpedanz,
um die Frequenzabhängigkeit
des MWM-Ansprechens in Lust auszuschalten (d. h., wenn keine leitenden
Medien nahe dem Sensor sich befinden). Dies ermöglicht, dass die Analyse des
MWM-Ansprechens
sich leichter auf die Wirkungen der mehrschichtigen leitenden und
magnetischen Medien fokussiert. Andere Messgitter können für andere
Paare von Unbekannten konstruiert werden, wie Alclad-Schichtdicke
und Abheben oder magnetische Permeabilität und Leitfähigkeit.
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Ein Gitter wird für jede Sonde bei jeden Frequenz
für den
interessierenden Eigenschaftsbereich erzeugt. Beispielsweise ist
das Gitter in 6A bestimmt
für alle
Aluminiummaterialien (z. B. 2024, 7075, 7050, 6061 usw.) für eine 13
mm × 13
mm (ein halb Zoll × ein
halb Zoll)-MWM-Sonde für
eine feste Geometrie bei einer Eingangsstromfrequenz von 5 MHz.
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6B zeigt
Messgitter 64 für
Ferrostahl. Es wird bemerkt, dass die Abheblinien für Aluminium aus 6A praktisch senkrecht stehen
auf denjenigen von Ferrostahl.
-
Während
die Messgitter ein unterschiedliches Aussehen für Ferrostahl und Aluminium
haben, arbeitet die für
Aluminiumflugzeuge diskutierte Technik auch bei Stahlschiffen, Stahlöltanks und
anderen Metallgebilden.
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Die Kombination von MWM-Bau- und
Arbeitsmerkmalen mit der Gittermessanordnung ergibt ein wiederholbares
Verfahren zur Erfassung von Mikrorissen und ausgebreiteten Ermüdungsschäden.
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Wie im Ablaufdiagramm der 7A gezeigt, wird jeder Gitterpunkt 68 erzeugt,
indem ein Vorwärts-Modell
der Magnetfeldwechselwirkungen des MWM 70 mit einem mehrschichtigen
Medium 72 verwendet wird. Diese Gitter werden unabhängig vom Rechner
erzeugt und müssen
nicht regeneriert werden. Die MWM-Impedanzmessungen werden unter Verwendung
einer Tabellenaufstellung (dargestellt durch das Messgitter) und
eines Interpolationsalgorithmus in Schätzungen von Eigenschaften,
wie Abheben und elektrische Leitfähigkeit, umgewandelt.
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Die Bauweise des MWM kombiniert mit
analytischen Methoden zum Modellieren von mehrschichtigen Medien
in kartesischen Koordinaten ermöglicht
die verhältnismäßig schnelle
Berechnung von Messgittern unter Verwendung einer Kombination von
analytischen und numerischen Methoden. Diese Methoden ermöglichen
die Erzeugung des in den 6A und 6B gezeigten Gitters auf
einem PC mit 200 MHz in weniger als 20 Minuten im Vergleich zu einigen
Tagen bei Verwendung einer gebrauchsfertigen Elementpackung auf
dem gleichen Computer.
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Um die Gitter zu erzeugen, wird das
zu prüfende
Material als mehrschichtiges Medium 72 verwendet und in
einer analytischen Lösung
mit geschlossener Form durch die Fourier- Amplitude der Oberflächeninduktanzdichte Ln dargestellt.
Die räumlichen
Fouriermoden 74 der Oberflächenstromdichte, die durch
die Windungsgeometrie bestimmt werden, erzeugen entsprechende Magnetvektorpotential-Fouriermoden
mit Amplituden An, wobei n die Moduszahl ist. So ist A1 der
dominante Modus mit der gleichen räumlichen Wellenlänge wie
die Windungsgeometrie. Die Oberflächeninduktanzdichte stellt
die Lösung
der Laplace-Gleichung im mehrschichtigen Medium vollständig dar.
-
Die Kontinuitätsbedingungen, welche die Magnetvektorpotential-Fourieramplituden
auf die tangentialen Magnetfeldintensitäts-Fourieramplituden H1 beziehen, sind ebenfalls erforderlich.
Die MWM-Kontiuummodelle lösen
sodann eine eindimensionale Magnetdiffusionsgleichung längs der y-Achse
in der Windungsebene, um das Magnetvektorpotential und die Oberflächenstromdichteverteilungen
als Funktion von y zu berechnen (siehe 2 wegen der Achsenorientierung). Ein
Teilbereichsverfahren von gewichteten Restwerten wird zu diesem Zweck
verwendet. Dieses Verfahren berücksichtigt die
Windungsgeometrie. Sodann werden die wesentlichen beiden Zugangseinlässe (port
admittances) (Y12, Y11 und Y22) berechnet und das MWM-Ansprechen wird bestimmt
als Größe und Phase
der Übertragungsinduktanz.
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7B zeigt
ein schematisches Diagramm, welches das MWM mit dem Gittermessverfahren
und ein bekanntes Wirbelstrom-Abhebkompensationsverfahren 78 vergleicht.
Das Problem bei bekannten Wirbelstromverfahren besteht darin, dass
empirische Bezugstabellen, welche die Amplitude und Phase eines
Abhebkompensierten Signals auf interessierende Eigenschaften, wie
eine Rissgröße oder
Härte beziehen,
wesensgemäß eingeschränkt sind.
Mit bekannten Wirbelstromverfahren werden nur Signalamplituden 80 erzeugt,
nicht absolute Leitfähigkeiten.
Durch Erzeugung von absoluten Leitfähigkeiten 82 ermöglicht das
MWM- und Gittermessverfahren dem Benutzer, Dekaden von wissenschaftlicher Forschung
zu benutzen, die elektrische Eigenschaften auf „abhängige" Eigenschaften, wie Härte und Festigkeit,
beziehen.
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Ferner ermöglichen Messgitter die unabhängige Messung
von Abheben und Leitfähigkeit,
wobei Abheben der Abstand zwischen der MWM-Windungsebene und der
ersten leitenden Oberfläche
ist (z. B. die Außenfläche der
Aluminium- oder Alclad-Beschichtung
auf einer Flugzeughaut). Lediglich durch Verwendung einer Luftkalibrierung,
wie oben beschrieben, kann das Abheben bis auf den Bruchteil eines
Mikrometers gemessen werden. Für
das rasche Abtasten von Strukturen, wie den unten beschriebenen Überlappungen,
müssen
Abhebmessung und erhaltene Kompensation die Verunreinigung von absoluten
Leitfähigkeitsmessungen
durch unkontrollierte Änderungen
im Abheben, insbesondere für
Ermüdungsschäden und
Rissverteilung ohne Anstrichbeseitigung, vermeiden.
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FRÜHSTUFEN-ERMÜDUNGSMESSUNG: ABSCHNITTS-STUDIEN
-
Die Erfindung wurde anfänglich unter
Anwendung von zerstörenden
Versuchen verifiziert. MWM-Leitfähigkeits/Abhebgitter
sowohl für
rostfreien Stahl als auch für
Aluminium wurden verwendet, um die Beziehung der MWM-Leitfähigkeitsmessungen mit
kumulativen Ermüdungsschäden zu demonstrieren.
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Bei früheren Arbeiten wurden Proben
von rostfreiem Stahl Typ 304 und Aluminium 2024 verschiedenen Abschnitten
ihres Ermüdungslebens
bei einer bekannten wechselnden Belastungshöhe ausgesetzt. Die erhaltenen
elektrischen MWM-Leitfähigkeitsmessungen
für diese
Proben sind in 8 als Funktion
des Ermüdungslebens
dargestellt. Wie in der Figur gezeigt, wurden beträchtliche Änderungen der
Leitfähigkeit
beobachtet. Ein Abschnitt (Coupon) 86 ist in 9 zu sehen.
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Alle hier gezeigten Daten sind für Proben,
die einer zyklischen Belastung unter voller Rückbiegung ausgesetzt wurden.
Für Aluminium
beginnt das MWM wesentliche Verminderungen der Leitfähigkeit bei
etwa 60% des Ermüdungslebens
zu erfassen. Fotomikrogramme haben gezeigt, dass Ansammlungen von
0,03–0,08
mm (1 bis 3 mil) tiefen Mikrorissen sich in dieser Stufe zu bilden
beginnen. Diese Mikroriss-Ansammlungen waren mit einer Flüssigkeitseindringprüfung an
den Aluminiumbiege-Ermüdungsproben
nicht erfassbar.
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Bei rostfreiem Stahl hat das MWM
tatsächlich
Schäden
erfasst, bevor Risse in den Fotomikrogrammen oder durch Flüssigkeitseindringversuche erfassbar
waren. Diese „Vorriss"-Ermüdungserfassung
bei rostfreiem Stahl ergibt ein neues Werkzeug für die Überwachung des Ermüdungslebens
in frühen Stufen.
Das MWM wurde abtastend längs
der Messlänge
der durch Ermüdung
beschädigten
Proben geführt,
um die räumliche
Verteilung (eindimensionale Bilder) des Ermüdungsschadens zu messen. Da
diese Testanordnungen ausgedehnt wurden, ergab sich diese Möglichkeit
zur Erzeugung schneller zweidimensionaler Bilder des Ermüdungsschadens.
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Resultate für rostfreien Stahl 304 und
Aluminium 2024 sind in den 9 und 10 dargestellt. Jede Kurve
steht für
eine andere Probe. Die eindimensionalen MWM-Abtastungen zeigen klar
die Änderung im
kumulativen Ermüdungsschaden.
Im Bereich konstanter Breite längs
der Mitte der Probe sind Bereiche mit dem meisten Ermüdungsschaden
durch die Minima in den elektrischen MWM-Eigenschaftskurven angedeutet.
Dies ist durch die Kurvenform für
die Ermüdungsprobe
von 38% rostfrei em Stahl angegeben, die am Rand des Griffs (9) ausfiel. In diesem Fall
trat die minimale Leitfähigkeit
am Griff auf. Dieser Ausfall könnte
durch eine Kombination von Biege- und Abriebschaden verursacht worden
sein. Andere Daten wurden für
die gleiche Probe bei unterschiedlichen Stufen ihres Ermüdungslebens
genommen. Für
diese kontinuierlich überwachten
Proben beginnt das Leitfähigkeitsminimum
(d. h. der Bereich maximaler Schädigung)
in der Mitte oder am Rand des Messbereichs, bewegt sich aber allgemein
zum Beginn des Übergangsbereiches
zwischen dem Messbereich und dem Griff, wo die Belastungen maximal
sind. So kann das MWM-Inspektionssystem Bereiche höheren kumulativen
Ermüdungsschadens identifizieren
und hat die Möglichkeit,
Stellen unmittelbar bevorstehender Ermüdungsausfälle zu identifizieren.
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Von einem Ende der Aluminium-Sanduhrprobe
zum anderen durchgeführte
Messungen enthüllen auch
ein Muster von Ermüdungsschaden,
das sich nahe dem Sanduhrproben-Übergangsbereich
(oben definiert) sowohl für
die 70%- und die 90%-Proben gemäß 10 fokussieren. Die minimale
Leitfähigkeit
beim 3 cm-Punkt an der Probe, die 90% ihres Ermüdungslebens erreicht, entspricht
genau der Stelle eines sichtbaren Risses. Die Anwesenheit eines
beschädigten
Bereichs in der Nachbarschaft des Risses wird angezeigt durch die
erniedrigte Leitfähigkeit auf
beiden Seiten des Risses, auch wenn der Riss nicht unter der Aufstandsfläche des
Sensor liegt. Eine Abtastung dieser Probe mit höherer Auflösung ist in den 11A bis 11C gezeigt. Mit anderen Worten, die
an Aluminium durch Biegungsermüdung
hervorgerufenen Mikroriss-Ansammlungen erzeugen eine wesentliche
Verminderung der MWM-gemessenen Leitfähigkeit, auch wenn der „Makroriss" nicht unter der
Aufstandsfläche
liegt.
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So kann das MWM Bereiche, die einem
beschleunigten Ermüdungsschaden
unterliegen, frühzeitig
im Ermüdungsleben
eines Teils erfassen, bevor die Ausbildung von Makrorissen mit Flüssigkeitseindringversuchen
erfassbar ist. Ferner hat das MWM die Möglichkeit, Bereiche zu identifizieren,
die besonders verdächtig
sind für
Makrorissbildung.
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ANISOTROPE EIGENSCHAFTSMESSUNG
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Das MWM bietet ferner die einzigartige
Möglichkeit,
gerichtete (anisotrope) Leitfähigkeitsänderungen
zu messen. 11A zeigt
die Ergebnisse von MWM-Abtastungen unter Anwendung einer 13 mm × 13 mm
(ein halb Zoll mal ein halb Zoll)-Aufstandsfläche des MWM-Sensors (statt
der 25,4 × 25,4
bzw. 1 inch × 1
inch-Aufstandsfläche
des Sensors, die für die
Daten in den 9 und 10 verwendet wurde).
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Wenn, wie in der Figur gezeigt, die
längeren MWM-Windungssegmente
senkrecht zum Makroriss oder senkrecht zu der Biegebelastungsachse
gerichtet sind, hat das MWM eine maximale Empfindlichkeit für die Erfassung
des Makrorisses und der Mikroriss-Ansammlungen. Wenn die längeren MWM-Windungssegmente
parallel zur Rissorientierung verlaufen, hat das MWM eine minimale
Empfindlichkeit für den
Makroriss. So sind, wie erwartet, die Mikrorisse, die frühe Stufen
des Ermüdungsschadens
bilden, mit der Biegebelastungsachse ausgerichtet (d. h. senkrecht
zur Mittellinie der Sanduhrprobe).
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11B zeigt
eine zweidimensionale absolute MWM-Leitfähigkeitsabtastung mit den Windungen
senkrecht zur Mikrorissorientierung für eine Rissbildung in dem in 11A gezeigten Aluminiumbiegeabschnitt. 11C ist eine zweidimensionale
absolute MWM-Leitfähigkeitsabtastung
mit den Win dungen parallel zur Mikrorissorientierung für die Rissbildung
in dem in 11A gezeigten
Aluminium-Biegeabschnitt.
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Ähnliche
Messungen an komplizierten Flugzeug-Strukturteilen, wie weiter unten
erläutert,
haben ein ähnliches
Verhalten in früheren
Stufen des Ermüdungsschadens
gezeigt, bevor erfassbare Makrorisse sich gebildet haben.
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FRÜHSTUFEN-ERMÜDUNGSMESSUNG
AN EINEM FLUGZEUG
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Nach der anfänglichen Verifizierung unter Anwendung
zerstörender
Prüfung
von Hundeknochen-Abschnitten wurden weitere Versuche an verschiedenen
Flugzeugen, einschließlich
Verkehrsflugzeugen, durchgeführt.
Die MWM-Messungen wurden bei mehreren Frequenzen von 251 kHz bis
158 MHz durchgeführt.
Die Messungen bei höherer
Frequenz ergaben eine Anzeige der oberflächennahen Eigenschaften. Die
Messungen bei tieferer Frequenz ergaben eine integrierte Messung
der oberflächennahen und
der Kernmaterial-Eigenschaften. Bei 25 kHz betrug die Eindringtiefe
der Felder etwa 250 μm
(10 mils). Bei 1,58 MHz betrug die Eindringtiefe etwa 75 μm (3 mils).
Bei einem Versuch wurde die Rumpfhaut geprüft/überwacht nahe einer Überlappung
bei den „Passagier"-Fenstern. Die Rumpfhaut
hatte eine Dicke von 1016 μm
(40 mils). Eine Alclad-Schicht von etwa 48 μm (1,9 mils) war auf der Oberfläche der
untersuchten Flugzeughaut.
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12 zeigt
einen Vorderteil eines Rumpfes. Die Platte C, welche die Passagierfenster
oberhalb der Überlappung
nahe der Mitte des Flugzeugs enthielt, zeigte beträchtliche
MWM-gemessene Leitfähigkeitsunterschiede.
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Horizontale und vertikale MWM-Abtastungen identifizierten
Bereiche, die später
dazu bestimmt waren, beschleunigte Ermüdungsschäden zu zeigen, und so die wahrscheinlichsten
Rissstellen in der Überlappung
darstellten. Nach Beendigung der MWM-Abtastungen wurde bestätigt, dass
zwei Risse an Befestigungsorganen, die vorher unter Anwendung des
bekannten NDT-Verfahrens in dieser Überlappungsstelle erfasst wurden,
in den Bereichen auftraten, die unter den Fensterkanten lagen und
vom MWM als wahrscheinliche Rissstellen identifiziert wurden. Diese
Beziehung wurde weiter gestützt durch
zwei ähnlich
identifizierte Stellen, wo Reparaturen an diesem Flugzeug aufgetreten
waren. So traten für
alle fünf
dokumentierten Risse oder Reparaturstellen, die bei dieser begrenzten
Studie untersucht wurden, die Risse nahe Befestigungsorganen in
den Bereichen auf, die vom MWM als die wahrscheinlichsten Rissstellen
identifiziert wurden. 12 und 13 zeigen die Ergebnisse
des MWM, die zur Identifizierung dieser ermüdeten Bereiche führten.
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14 zeigt
Mehrfachfrequenz-MWM-Daten, genommen an der Flugzeughautplatte,
die in 13 mit C bezeichnet ist, an
der in 13 dargestellten Stelle. Mehrfachfrequenzdaten,
die beim Biegen von Ermüdungsproben
genommen wurden, zeigten, dass in Bereichen von Mikroriss-Ansammlungen
die Leitfähigkeit
nahe der Oberfläche
der Haut oder Umhüllung
im Vergleich zu den benachbarten Bereichen und im Vergleich zum
Kernmaterial der Haut geringer ist. Wie in 12 gezeigt,
ergeben die Mehrfachfrequenz-MWM-Daten am Beginn der vertikalen
Abtastung 343 mm (13,5 inches) oberhalb der Mittelzeile der Überlappungs-Befestigungsorgane, dass
nur die MWM-Daten höchster
Frequenz eine verminderte Leitfähigkeit
im Vergleich zur Kernleitfähigkeit
zeigen. Während
der Kalibrierung wurde die Alclad-Leitfähigkeit normalisiert, um die
gleiche MWM- gemessene
Leitfähigkeit
vorzusehen wie das Kernmaterial. So scheint zwischen den Fenstern
für die
ersten Paar Zentimeter (inches) der Abtastung von 343 mm (13,5 inches)
bis herunter zu 241 mm (9,5 inches) in 14 nur die Alclad-Beschichtung eine Rissbildung
zu erfahren. Bei etwa 241 mm (9,5 inches) beginnt jedoch die Oberflächenleitfähigkeit sich über die
Alclad-Schicht hinaus in das Kernmaterial der Haut hinein zu verschlechtern.
Dieser Punkt liegt nahe dem Boden des Fensters. Es wird weiter bemerkt,
dass die vertikale MWM-Abtastung
links von der Mittellinie zwischen den Fenstern weg von den vertikalen
Reihen von Befestigungsorganen durchgeführt wurde.
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Unterhalb 241 mm (9,5 inches) Abtastlage steigt
jedoch die Verschlechterung der Leitfähigkeit nahe der Oberfläche kontinuierlich
bis zur Mitte der Befestigungsorganreihe bzw. -zeile. So scheint
es, dass beträchtliche
Biegebelastungen von dieser Platte mit steigender Intensität dichter
am Überlappungsstoß aufgenommen
werden.
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15 zeigt
eine horizontale Abtastung einige Zentimeter (inches) oberhalb der
oberen Befestigungsorganreihe. Diese horizontale Abtastungsstelle kreuzt
die 150 mm (6 inch)-Abtaststelle
in der vertikalen Abtastung der 14,
wodurch reproduzierbare Leitfähigkeitsdaten
erhalten werden. Wie in 14 gezeigt,
hat die MWM-gemessene Leitfähigkeit
Minima, welche reproduzierbar den vertikalen Fensterrandstellen
entsprechen. Wie an dieser Stelle erwartet, ist 150 mm (6 inches)
oberhalb der mittleren Befestigungsorganreihe und einige Zentimeter
(inches) oberhalb der obersten Befestigungsorganreihe immer noch
eine beträchtliche
biegeermüdungsähnliche
Schädigung,
die von dem MWM erfasst wird. Entsprechend wie die Daten bei den
Biegeermüdungsabschnitten
liegt dieser Be reich jenseits 60% ihres Biegeermüdungslebens, es wird jedoch
noch nicht erwartet, dass er Makrorisse enthält.
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Diese Möglichkeit zum schnellen Abtasten von
Befestigungsorganen weg zum Erfassen von Bereichen, die beschleunigte
Ermüdungsschäden erleiden,
kann ausgenutzt werden (1) bei Flugzeug-Teilbereich- und vollen
Flugzeug-Ermüdungstests,
um Designverbesserungen zu stützen,
und (2) als Teil von Inbetriebs-Inspektionen, um die Planung und Auswahl
von Inspektions-, Reparatur-, Wartungs- und Ersatzentscheidungen
zu verbessern.
-
Wie bei der Diagnose einer Erkrankung,
erfordert die Diagnose von Flugzeug-Alterungsproblemen, wie WFD,
die Identifizierung von besonderen „Markierungen", die vorhanden sein
müssen,
damit ein ausgebreitetes Ermüdungsproblem
existiert. Beispielsweise führt
der Einbau der Bodenplatte bei bestimmten Flugzeugen zur plastischen
Verformung eines Bereichs an der Außenhaut nahe der Befestigungsorganreihe
der Bodenplatte. Bei bekannten Verfahren könnte dies für WFD verwirrend sein. Dieser
Schaden ist jedoch nicht nahe der Oberfläche konzentriert, wie es für Ermüdungsschäden charakteristisch
ist, sondern tritt eher durch die ganze Außenhaut hindurch auf. So wird
die Kenntnis des Schadentiefeprofils ausgenützt, um diesen Bereich plastischer
Verformung von einem Ermüdungsschaden
zu unterscheiden.
-
Die folgenden Faktoren werden zur
Identifizierung des Einsetzens von WFD und das Vorhandensein verteilter
Mikrorissbildung verwendet.
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- 1. MWM-Bilder absoluter Leitfähigkeit
müssen
besondere räumliche Änderungen
mit Bereichen verringerter Leit fähigkeit
im Längenmaßstab über 63,5
mm (2,5 inches) zeigen.
- 2. Die absolute Leitfähigkeit
muss an der Oberfläche
geringer sein als im Kern. (Es muss beachtet werden, höhere Alclad-Beschichtungsleitfähigkeiten
und Alclad-Dickenveränderungen
zu berücksichtigen).
- 3. Die räumlichen Änderungen
der Leitfähigkeit längs der
Oberfläche
und als eine Funktion der Tiefe von der Oberfläche müssen zur möglichen hohen und niedrigen
Zyklusermüdung (HCF/LCF),
durch Belastung hervorgerufener Schädigung der Struktur, passen.
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Beim Prüfen an einem Rumpf wurden Daten mit
einem Sensor sowohl senkrecht als auch parallel zur Achse des Biegemoments
genommen. Wesentliche Unterschiede wurden in den Resultaten in den zwei
gegenseitig senkrechten Richtungen gefunden und zeigten die starke
Ausrichtung des Schadens des Rumpfes im Bereich verminderter Leitfähigkeit. Die
Ausrichtung beruht auf der Tatsache, dass die Risse und Mikroriss-Ansammlungen
hauptsächlich parallel
zur Biegebewegung liegen, wie oben an Biegeabschnitten gemäß den 11A bis 11C gezeigt.
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Bekannte Wirbelstrommessungen zeigten die
Anwesenheit einiger diskreter Risse an der gleichen Stelle. Das
MWM zeigte ferner eine reduzierte Leitfähigkeit in der Nachbarschaft
dieser Makrorisse. Ein absoluter Sensor, wie das MWM, ist für Makroriss-Größenbestimmung
erforderlich, wenn Makrorisse in Bereichen bestehen, die auch benachbarte
Mikrorissbildung enthalten. Differentielle Wirbelstromverfahren
würden
wahrscheinlich die Rissgröße in diesen
Bereichen unterschätzen,
da dieses Verfahren die Makroriss-Leitfähigkeitsverminderung mit nahegelegenen
Bereichen vergleicht, die ebenfalls Mikroriss-Ansammlungen enthalten.
-
Die 16A und 16B zeigen eine zweidimensionale
bzw. dreidimensionale Darstellung einer Überlappungsstelle ähnlich wie
diejenige in den vorherigen Figuren gezeigten, jedoch ohne Rissbildung. Veränderungen
in der absoluten Leitfähigkeit
sind durch unterschiedliche Schattierung (Symbole) dargestellt und
die Befestigungsorgane sind klar unterscheidbar. Diese Darstellungen
wurden mit einem MWM-Sensor von 13 mm × 13 mm (0,5 inch × 0, 5 inch)
erzeugt, der nur in Luft kalibriert wurde. Datenpunkte wurden in
Schritten von 3,18 mm (0,125 inch) in beiden Richtungen genommen.
-
RISSERFASSUNG
-
Zusätzlich zu Frühstufen-Ermüdungserfassung
ergibt das MWM einzigartige Möglichkeiten
für die
Risserfassung. Diese umfassen: (1) schnelles Abtasten ohne Erfordernis
der Benutzerinterpretation oder wesentlicher Einstellzeit zur Berücksichtigung des
Abhebens oder von Materialänderungen;
(2) Erfassung von Rissen auf Oberflächen unterschiedlicher Krümmung ohne
Erfordernis einer Neukalibrierung; (3) verhältnismäßig große Sensor-Aufstandsfläche, wobei
das Rissansprechen unabhängig
von der Rissstelle innerhalb der Sensor-Aufstandsfläche ist; (4) Bestimmung der
Rissgröße und -tiefe
mit Verwendung eines Mehrfachfrequenz-Algorithmus; (5) die Möglichkeit
der Oberflächenanbringung
oder Einbettung (Zwischenschichten) dünner und anpassungsfähiger MWM-Sensoren
an schwierig zugänglichen
Stellen für
computerverbundene Ermüdungs- und
Risswachstums-Überwachung
oder Risserfassung; (6) absolute Leitfähigkeitsmessung (statt differentieller),
was die Erfassung von Rissen ohne das Erfordernis einer Bewegung
des Sensors ermöglicht, und
(7) die Verwendung von flachen Rissgrößen-Normen zum Kalibrieren
der Größenbestimmung
entweder an flachen oder gekrümmten
Teilen.
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17A zeigt
eine normale Abtastung eines MWM-Sensors quer zu einer Rissnorm
an rostfreiem Stahl 304 durch das Electric Power Research Institute
(EPRI). Eine gleichartige MWM-Abtastung quer zu einer Biegeermüdungsprobe
ist in 17A zum Vergleich wiedergegeben.
Es wird bemerkt, dass diese Biegeermüdungsprobe unter Anwendung
einer Flüssigkeitseindringprüfung sowie
Fotomikrogrammen von Querschnitten geprüft wurde und keine Risse gefunden
wurden. Es wird ferner bemerkt, dass die vom Riss hervorgerufene Änderung
der elektrischen Leitfähgikeit
in der gleichen Größenordnung
liegt, wie sie durch die „Vorriss"-Mikrostrukturschädigung hervorgerufen
wird. Die Tatsache, dass der Riss das gleiche Ansprechen irgendwo
innerhalb der MWM-Aufstandsfläche
ergibt, gestattet eine Unterscheidung zwischen einzelnen Rissen
und Biegeermüdungsschädigung. Ähnliche
Resultate wurden für
die plastische Verformung für
ein Belastungsnachgeben und für
thermische Überlastung
gezeigt. Eine weitere Diskussion einer Materialeigenschaft nahe
der Oberfläche
wird ausführlicher
in Fourth EPRI Balance-of-Plant Heat Exchanger NDE Symposium unter dem
Titel „Near
Surface Material Property Profiling for Determination of SCC Susceptibility" von N. J. Goldfine
and D. Clark, 10.–12.Juni
1996, diskutiert.
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17B zeigt
eine MWM-Abtastung quer zu einem Aluminium-Ermüdungsriss, der aus einer EDM-Kerbe
gewachsen war, die später
weggeätzt wurde,
wodurch lediglich der Ermüdungsriss
zurückblieb.
So können
kleine Risse mit einer verhältnismäßig großen MWM-Aufstandsfläche erfasst
werden (in diesem Falle wurde eine MWM-Aufstandsfläche von 13
mm × 13
mm bzw. 0,5 inch × 0,5
inch verwendet). Es können
Mehrfachfrequenz-MWM-Verfahren
für die
Bestimmung von Rissgröße und -tiefe
verwendet werden.
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18 zeigt
einen MWM-Sensor mit elf Elementen, deren jedes 13 mm × 13 mm
(0,5 inch × 0,5 inch)
aufweist. Abtastbereiche überlappen
einander um 6,4 mm (0,25 inches), was zu einer aktiven Abtastbreite
von 69,9 mm (2,75 inches) führt. Überdies sind
zwei Randkanäle
vorhanden, die in Reihe geschaltet werden können, um eine Randerfassung oder
Fugenabtastung für
ein schnelles Abtasten zu ermöglichen.
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SCHLUSSFOLGERUNGEN
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Die MWM- und Gittermessverfahren
ergeben die neuartige Möglichkeit,
Bereiche zu identifizieren, die einen ausgebreiteten Ermüdungsschaden (WFD)
erfahren, über
60% des Ermüdungslebens
hinaus, jedoch bevor Makrorisse sich gebildet haben, die mit Flüssigkeitseindringprüfung erfassbar
sind. Beispielsweise zeigten MWM-Messungen einige Zentimeter (inches)
weg von Befestigungsorganen bei einem Verkehrsflugzeug, dass ein
beträchtlicher Schaden
von Befestigungsorganen entfernt auftreten kann, und dass dieser
Schaden auf Makrorisse bezogen ist, die sich an den Befestigungsorganen
bilden. Bezüglich
der Wartung mit einer genauen Erfassung von Mikro- und Makroriss-Verteilung
können
Rissanhalter, Ausbohren und Flekkenaufsetzen durchgeführt werden,
um die Fortpflanzung von Rissen zu stoppen.
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Zusätzlich zur Verwendung von handgeführten oder
größeren Sensoren,
die bezüglich
der Struktur bewegt oder angeordnet werden, kann der MWM-Sensor 30 an
einem Flugzeugteil angebracht werden. Im Gegensatz zu bekannten
Wirbelstromuntersuchungen ist das MWM ein dünner, anformbarer Sensor. Der
MWM-Sensor kann zur Ausführung
einer computerverbundenen Überwachung
von Ermüdungsschäden und
Rissfortpflanzung an der Oberfläche
angebracht werden.
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Das MWM kann wie ein Reckungs- oder Dehnungsmesser
an schwer zugänglichen
Stellen angebracht werden, welche bisher einen Ausbau zur Durchführung der
Inspektion erfordern, wie die Aufhängung eines Motors. Bei Oberflächenanbringung des
MWM ist keine intime mechanische Berührung erforderlich wie bei
Reckungs- oder Dehnungsmessern oder den meisten Rissfortpflanzungs-Messgeräten. Der
MWM-Sensor wird durch Anwendung eines flexiblen Klebstoffs bei einer
bevorzugten Ausführungsform
angebracht. Die Verwendung eines flexiblen Klebstoffs bei einem
MWM-Sensor ist ebenfalls in der US-Patentanmeldung Nr. 08/702 276
mit dem Titel „Meandering
Winding Test Circuit (Amended)", eingereicht
am 23.August 1996, beschrieben.
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Die Oberflächen-montierten Sensoren erfordern
keine intime mechanische Berührung
mit der zu überwachenden
Oberfläche. Überdies
müssen
die Sensoren nicht gleichförmig
bei einem bestimmten Anheben relativ zur Oberfläche angeordnet werden, wenn
sie entweder als Rissfortpflanzung-Messgeräte oder zur Frühstufen-Ermüdungsüberwachung
und -Risserfassung verwendet werden. Die Änderung des Abhebens wird in
dem Modell kompensiert.
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Eine einzige Sensorgeometrie ist
geeignet für
Mehrfrequenz-Leitfähigkeit
(d. h. Messung von Änderungen
mit der Tiefe von der Oberfläche
aus) sowie Beschichtungsdicken-Charakterisierung über einen
weiteren Frequenzbereich (z. B. von 100 kHz bis 30 MHz) mit automatischer
Abheb-Kompensation bei jeder Frequenz.
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Technik und Vorrichtung, wie sie
oben diskutiert wurden, sind auch auf Zusammensetzungen auf Metallmatrix
und Graphitzusammensetzungen geeignet. Während die obigen Ausführungsformen
insbesondere Flugzeugstrukturen zur Überwachung von Beeinträchtigungen
diskutierten, wird ersichtlich sein, dass das Verfahren und die
Vorrichtung auch für
andere Strukturen, wie Schiffe, Brücken und Öltanks sowie auch während des
Herstellungsverfahrens angewendet werden können.
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Es ist festzustellen, dass eine ähnliche
Technik für
Glasfaserzusammensetzungen unter Verwendung eines dielektrischen
Sensors angewendet werden kann, welche die elektrischen Eigenschaften misst.
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ÄQUIVALENTE
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Während
die Erfindung insbesondere mit Bezug auf deren bevorzugte Ausführungsformen
dargestellt und beschrieben wurde, ist es dem Fachmann klar, dass
verschiedene Änderungen
in Form und Einzelheiten vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen, wie er durch die Ansprüche festgelegt ist. Der Fachmann wird
erkennen oder feststellen können,
ohne mehr als Routineversuche zu unternehmen, dass viele Äquivalente
zu den besonderen Ausführungsformen der
Erfindung, wie sie hier speziell beschrieben wurden, existieren.
Diese Äquivalente
sollen in den Rahmen der Ansprüche
fallen.