EP2783206A1 - Verfahren und vorrichtung zum nachweis von mechanischen veränderungen in einem bauteil mittels magnetoelastischen sensors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum nachweis von mechanischen veränderungen in einem bauteil mittels magnetoelastischen sensors

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EP2783206A1
EP2783206A1 EP12816271.6A EP12816271A EP2783206A1 EP 2783206 A1 EP2783206 A1 EP 2783206A1 EP 12816271 A EP12816271 A EP 12816271A EP 2783206 A1 EP2783206 A1 EP 2783206A1
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mechanical
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Abstract

Es Verfahren und eine Vorrichtung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen (2) in einem Bauteil (1), welches ferromagnetisches Material umfasst, beschrieben. Dabei wird die mechanische Spannung (σ) in dem Bauteil mit Hilfe mindestens eines magnetoelastischen Sensors (4, 14, 34) bestimmt.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil mittels magnetoelastischen Sen- sors
Technisches Gebiet und Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine An- Ordnung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil, welches ferromagnetisches Material umfasst.
Zum zerstörungsfreien Nachweis von mechanischen Schwachstellen, wie beispielsweise Rissen, in Materialien wird üblicher- weise Ultraschall verwendet. Alternativ dazu wird bei ober¬ flächlichen Rissen das Magnetpulververfahren oder Farbeindringverfahren benutzt. Des Weiteren gibt es zerstörende Prüfverfahren wie zum Beispiel den Zugversuch oder Schliffbilder. Alle diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie nicht im laufenden Betrieb einer Maschine eingesetzt wer¬ den können und keine Onlineprüfung möglich ist. Des Weiteren ist meist ein Ausbau des zu untersuchenden Bauteils notwendig mit daraus folgenden hohen Standzeiten, Montageaufwand und somit verkürzten Betriebszeiten.
Aufgabe und Lösung gemäß der Erfindung
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gegenüber dem beschriebenen Stand der Technik verbesser- tes Verfahren zum Nachweis von mechanischen Veränderungen, insbesondere Rissen, oder deren zeitlichen Veränderungen zur Verfügung zu stellen, wobei eine berührungslose Detektion insbesondere im laufenden Betrieb einer Maschine möglich sein soll ohne dass ein Ausbau des zu untersuchenden Bauteils not- wendig ist. Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vorteilhafte Vorrichtung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil zur Verfügung zu stellen, die sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet.
Die erste Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil gemäß Anspruch 1 gelöst. Die zweite Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil gemäß Anspruch 12 gelöst. Die abhängigen Ansprüche enthalten weitere, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. Die im Folgenden, insbesondere in den Unteransprüchen, beschriebenen Merkmale sind dabei sowohl einzeln als auch in jeder beliebi¬ gen Kombination miteinander vorteilhaft.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil betrifft ein Bauteil, welches ferromagnetisches Material umfasst. Im Rahmen des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens wird die mechanische Spannung in dem Bau¬ teil mit Hilfe mindestens eines magnetoelastischen Sensors bestimmt. Aus der bestimmten Spannung kann auf die Entstehung oder das Vorhandensein von mechanischen Veränderungen, wie beispielsweise Rissen, in dem Bauteil geschlossen werden.
Dabei kann das zu untersuchende Bauteil aus ferromagnetischem Material, beispielsweise Eisen, Nickel, Kobalt oder Ferriten, bestehen. Bei den nachzuweisenden mechanischen Veränderungen kann es sich insbesondere um irreversible mechanische Verän¬ derungen wie beispielsweise entstandene Risse handeln. Bei der zu bestimmenden mechanischen Spannung kann es sich zum Beispiel um die Oberflächenspannung des Bauteils handeln. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bauteil um ein in eine Maschine eingebautes Bauteil, beispielsweise um eine poten¬ ziell rotierende Welle.
Unter dem magnetoelastischen Effekt wird die Abhängigkeit der Permeabilität insbesondere ferromagnetischer Materialien von der mechanischen Spannung verstanden. Durch den Einfluss einer Kraft auf das Material wird die magnetische Permeabilität verändert . Durch vorhandene oder entstehende Veränderungen im Material oder an der Materialoberfläche, beispielsweise durch vorhan¬ dene oder entstehende Risse, verändern sich die mechanischen Spannungen im Material. Bei ferromagnetischen Materialien bewirkt dies eine Veränderung der magnetischen Permeabilität. Durch den Einsatz eines magnetoelastischen Sensors kann die beispielsweise rissinduzierte Permeabilitätsänderung gemessen werden und als Maß für die mechanische Veränderung, bei- spielsweise die Rissbildung, genutzt werden.
Dabei muss der Sensor nicht direkt auf dem Riss platziert werden. Aufgrund des berührungslosen Messprinzips können auch rotierende Wellen auf z.B. Rissbildung überwacht werden. Es ist also eine berührungslose Detektion von Schwachstellen im Material möglich. Des Weiteren können mit Hilfe der vorlie¬ genden Erfindung mechanische Änderungen, beispielsweise Ris¬ se, insbesondere im laufenden Betrieb erkannt werden, also z.B. in oder an rotierenden Wellen, ohne dass ein Ausbau des Messobjektes notwendig ist.
Vorzugsweise kann die mechanische Spannung in Abhängigkeit von der Zeit bestimmt werden, hierzu kann die mechanische Spannung beispielsweise in regelmäßigen Intervallen bestimmt werden und die Messergebnisse können miteinander verglichen werden. Auf diese Weise kann zum Nachweis von beispielsweise Rissbildungen in einem ferromagnetischen Material die zeitlich sich ändernde mechanische Oberflächenspannung an dem Material gemessen werden. Die Rissbildung führt zu einer Ände- rung in der magnetischen Permeabilität. Dadurch können Veränderungen nicht nur in unmittelbarer Nähe über den Riss nachgewiesen werden. Die durch den Riss hervorgerufenen veränderten Kraftverläufe im Material erlauben zudem die Detektion von Rissen im weiten Umfeld des Sensors. Eine ständige Über- wachung ist daher auch online möglich.
Grundsätzlich kann die mechanische Spannung durch Messung der magnetischen Permeabilität bestimmt werden. Wie bereits er- wähnt, kann der magnetoelastische Sensor während der Messung vorzugsweise in einem bestimmten Abstand von dem Bauteil an¬ geordnet werden. Dadurch wird eine berührungslose Detektion ermöglicht .
Zudem kann der Ort der mechanischen Veränderung, also beispielsweise der Rissbildung, an den Bauteil bestimmt werden. Dies kann einerseits dadurch erfolgen, dass mindestens ein magnetoelastischer Sensor entlang der Oberfläche des zu un- tersuchenden Bauteils bewegt wird, wobei die Bestimmung der mechanischen Spannung ortsabhängig erfolgt. Dabei können die mechanischen Oberflächenspannungen mittels eines beweglichen magnetoelastischen Sensors entlang des zu untersuchenden Materials abgescannt werden. Hierbei wird der Sensor über das zu untersuchende Bauteil bewegt und die Messwerte werden auf¬ genommen .
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mehrere magnetoelas¬ tische Sensoren zu verwenden, also beispielsweise die mecha- nische Spannung in dem zu untersuchenden Bauteil mit Hilfe von mindestens zwei magnetoelastischen Sensoren zu bestimmen. Dazu müssen die Sensoren so platziert werden, dass zumindest bei zwei Sensoren eine Veränderung des Signals aufgrund von mechanischen Veränderungen, beispielsweise Rissen, vorhanden ist.
Zudem können eine Anzahl nebeneinander angeordneter magnetoelastischer Sensoren entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils angeordnet werden. Dabei kann die Bestimmung der mechanischen Spannung ortsabhängig erfolgen. Durch die
Verwendung einer solchen Sensoranordnung bestehend aus aneinander gesetzten magnetoelastischen Sensoren kann der zu untersuchende Bereich des Bauteils abgedeckt werden, wobei ortsaufgelöste Signale über der Untersuchungsfläche erzielt werden. Die Position der mechanischen Veränderung, beispielsweise eines Risses, an dem Bauteil kann durch Interpolation der Messdaten, insbesondere der einzelnen Sensoren, bestimmt werden. Durch die Interpolation der Messdaten der einzelnen Sensoren wird eine Verfeinerung der Lokalisierung der mechanischen Veränderung erreicht.
Darüber hinaus kann das zu untersuchende Bauteil dynamisch angeregt werden. Die Resonanzfrequenz bzw. die Resonanzfre¬ quenzen kann bzw. können dann ortsabhängig und/oder zeitabhängig bestimmt werden. Dabei kann aus einer Veränderung oder Verschiebung der Resonanzfrequenzen auf eine Veränderung im Material, wie zum Beispiel Rissbildung, geschlossen werden. Das Bauteil kann dabei künstlich, also durch gezieltes in Vibration versetzen oder in Schwingung versetzen des Bauteils, oder unter Nutzung vorhandener Schwingungen dynamisch angeregt werden. Hierbei lassen sich beispielsweise die
Schwingungen einer Maschine während des laufenden Betriebes ausnutzen.
Besonders vorteilhaft ist eine Kombination des zu Beginn be¬ schriebenen statischen Verfahrens, also die Bestimmung der mechanischen Spannung mit Hilfe eines magnetoelastischen Sen- sors, mit dem zuletzt beschriebenen dynamischen Verfahren, also der Bestimmung der Resonanzfrequenz, da hierdurch die Genauigkeit des Messprinzips erhöht wird.
Weiterhin kann unter Verwendung von Verschleißmodellen die Belastbarkeit des jeweiligen Bauteils beziehungsweise des Ma¬ terials bestimmt werden. Diese Bestimmung ist wiederum während des laufenden Betriebes der das entsprechende Bauteil umfassende Maschine möglich. Ein Ausbau zu untersuchenden Bauteils ist für die Bestimmung der Belastbarkeit desselben nicht erforderlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich zum Nachweis von mechanischen Veränderungen in einem Bauteil, welches ferro- magnetisches Material umfasst. Die Vorrichtung umfasst min- destens einen magnetoelastischen Sensor. Sie ist vorzugsweise zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens ausgelegt. Bei den nachzuweisenden mechanischen Veränderungen kann es sich um irreversible mechanische Veränderungen wie beispielsweise Rissbildungen handeln.
Der magnetoelastische Sensor ist vorzugsweise zur zeitaufge- lösten und/oder ortsaufgelösten Messung ausgelegt. Vorzugsweise ist der magnetoelastische Sensor zur Messung der magne¬ tischen Permeabilität und/oder Bestimmung der mechanischen Spannung beispielsweise der Oberflächenspannung ausgelegt. Weiterhin kann der magnetoelastische Sensor in einem bestimmten Abstand von dem zu untersuchenden Bauteil angeordnet sein. Darüber hinaus kann mindestens ein magnetoelastischer Sensor entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils bewegbar, insbesondere während der Messung bewegbar, angeord- net sein. Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine
Anzahl nebeneinander angeordneter magnetoelastischer Sensoren umfassen. Dies ermöglicht beispielsweise eine einfache ortsaufgelöste Messung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zudem eine Vorrichtung zur Interpolation der Messdaten der einzelnen Sensoren umfassen. Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Vorrichtung oder Einrichtung zur dynamischen Anregung des zu untersuchenden Bauteils umfassen. Weiterhin kann die erfin- dungsgemäße Vorrichtung eine Vorrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz, zum Beispiel einen entsprechenden magnetoelastischen Sensor, umfassen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat grundsätzlich dieselben Vorteile wie das zuvor beschriebene erfindungsgemäße Verfah¬ ren .
Die zeitliche und ortauflösende Messung von mechanischen Spannungen mit magnetoelastischen Sensorsystemen ermöglicht eine kontaktlose Überwachung von Bauteilen auf Materialände¬ rungen, wie zum Beispiel Risse, und deren zeitlichen Verände¬ rungen. Wird eine Anlage mit einem solchen Sensorsystem ausgerüstet, ist eine Rissprüfung während des Betriebs möglich. Somit entfällt Montageaufwand für den Aus- und Einbau der Bauteile, Wartungsintervalle werden länger, Standzeiten werden erhöht und Kosten damit reduziert. Des Weiteren kann durch dieses Verfahren der Zeitpunkt bestimmt werden wann zum Beispiel die Rissbildung begonnen hat. Dies bietet deutliche Vorteile in der Ursachenforschung und die Rissentstehung kann somit besser einem bestimmten Vorfall zugeordnet werden.
Durch Verwendung von Verschleißmodellen können so zudem Vorhersagen für die Belastbarkeit des Materials im laufenden Be- trieb erstellt werden.
Ausführungsbeispiele
Die oben beschriebenen Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden nachfolgend anhand von Ausführungs¬ beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die Ausführungsbeispiele stellen jedoch keine Be¬ schränkung der vorliegenden Erfindung dar. Die im Rahmen der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale sind dabei auch einzeln oder in einer beliebigen Kombination miteinander vorteilhaft .
Figur 1 zeigt schematisch ein zu untersuchendes Bauteil und eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Nachweis von
Rissen in dem Bauteil.
Figur 2 zeigt schematisch die mit Hilfe des erfindungsgemä¬ ßen Verfahrens gemessenen Spannungen an verschiede- nen Positionen des Bauteils.
Figur 3 zeigt schematisch das Abscannen der mechanischen
Oberflächenspannung des Bauteils mittels eines be¬ weglichen magnetoelastischen Sensors.
Figur 4 zeigt schematisch die Untersuchung eines Bauteils mit Hilfe einer Anzahl von nebeneinander geordneten magnetoelastischen Sensoren. Figur 5 zeigt schematisch die durch mechanische Veränderungen in dem Bauteil hervorgerufene Veränderung der Resonanzfrequenz .
Figur 6 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Kombination des statischen und des dynamischen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Aus- führungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 näher erläutert.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Bauteil 1. Das Bauteil 1 umfasst ferromagnetisches Material oder besteht auch ferro- magnetischem Material. Das Bauteil 1 kann insbesondere Eisen, Ferrite, Kobalt oder Nickel umfassen. Bei dem Bauteil 1 kann es sich beispielsweise um eine rotierende Welle oder ein anderes Element einer zusammengesetzten Maschine handeln. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können in oder an dem Bauteil 1 vorhandene oder entstehende Materialveränderungen wie beispielsweise Risse im Material nachgewiesen und
lokalisiert werden. Das in der Figur 1 gezeigte Bauteil 1 weist an seiner Oberfläche einen Riss 2 auf. Durch den Riss 2 verändert sich die mechanische Spannung o im Material. Dies bewirkt bei dem ferromagnetischen Material des Bauteils 1 eine Veränderung der magnetischen Permeabilität. Der Nachweis und die Lokalisierung des Risses 2 erfolgt im Rahmen des vorliegenden Verfahens mit Hilfe eines
magnetoelastischen Sensors 4.
Der magnetoelastische Sensor 4 umfasst zwei Sensorspulen 5 und 6, nämlich eine Erregerspule 5 und eine Sekundärspule oder Induktionsspule 6. In der Erregerspule 5 wird ein magnetisches Feld 3 erzeugt, welches das zu untersuchende Bauteil 1 zumindest teilweise durchdringt. In Folge dessen wird in der Sekundärspule 6 eine elektrische Spannung
induziert. Dabei bestimmt die mechanische Spannung o in dem zu untersuchenden Bauteil 1 in dem Bereich, der von dem
Magnetfeld 3 durchdrungen wird, die Form und Stärke des Magnetfeldes, so dass in der Sekundärspule 6 eine elektrische Spannung induziert wird, welche proportional zu der
mechanischen Spannung o in dem untersuchten, also von dem Magnetfeld 3 durchdrungenden Bereich des Bauteils 1 ist.
Im in der Figur 1 gezeigten Beispiel wird durch den Riss 2 die mechanische Spannung in dem Bauteil 1 im Bereich des Risses 2 verändert. Diese von anderen Bereichen des Bauteils
1 abweichende Spannung o wird mit Hilfe des
magnetoelastischen Sensors 4 nachgewiesen und lokalisiert. Dabei muss der magnetoelastische Sensor 4 nicht direkt mit dem zu untersuchenden Bauteil 1 in Kontakt kommen. Die
Untersuchung des Bauteils 1 kann also auch während des laufenden Betriebes der jeweiligen Maschine erfolgen.
Die Figur 2 zeigt schematisch die kontaktlose Messung von fest angebrachten magnetoelastischen Sensoren 4 und 14 zur Messung der Oberflächenspannungen des Bauteils 1 in
unmittelbarer Nähe über dem Riss 2 sowie außerhalb der unmittelbaren Nähe des Risses 2. In dem Diagramm unter dem Bauteil 1 ist schematisch die jeweils gemessene Spannung o in willkürlichen Einheiten in Abhängigkeit von der jeweiligen Ortskoordinate x aufgetragen. Ein erster magnetoelatischer
Sensor 4 und ein zweiter magnetoelatischer Sensor 14 sind in einem bestimmten Abstand zu dem zu untersuchenden Bauteil 1 angeordnet. Dabei befindet sich der erste magnetoelastische Sensor 4 in Bezug auf die x-Richtung an der Position xi und der zweite magnetoelastische Sensor 14 an der Position X2. Im Bereich der Ortskoordinate xi weist das Bauteil 1 einen Riss
2 auf. Entsprechend wird von dem ersten magnetoelastischen Sensor 4 eine Oberflächenspannung o(xi) bestimmt, die von der mit Hilfe des zweiten magnetoelastischen Sensors 14
bestimmten Oberflächenspannung o(x2) abweicht. Dies ist in dem Diagramm o(x) in der Figur 2 durch schwarze Punkte gekennzeichnet. In dem in der Figur 2 gezeigten Beispiel wird im Bereich des Risses 2, also an der Position xi, eine ihrem Betrag nach höhere Spannung σ bestimmt als an einer Position x2, an welcher das Material unbeschädigt ist.
Eine weitere Variante besteht darin, die Oberfläche des Bau- teils 1 mit Hilfe eines magnetoelastischen Sensors 4 abzus- cannen. Dies ist schematisch in der Figur 3 gezeigt. Die Figur 3 zeigt das Bauteil 1 und einen magnetoelastischen Sensor 4, der in x-Richtung, gekennzeichnet durch die Bezugsziffer 7, an der Oberfläche des Bauteils 1 entlang geführt wird. Die in Abhängigkeit von der jeweiligen x-Koordinate bestimmte
Spannung o ist als Kurve 8 im Diagramm o(x) aufgetragen. Die Messkurve 8 weist in Bereich des Risses 2 ein Maximum auf, welches eine Lokalisierung und Quantifizierung des Risses hinsichtlich seiner Stärke, also seiner Ausdehnung oder Tie- fe, ermöglicht.
Eine alternative Variante ist in der Figur 4 gezeigt. Die Fi¬ gur 4 zeigt schematisch das Bauteil 1 und eine nahe der Ober¬ fläche des Bauteils 1 angeordnete Sensoranordnung 24. Die Sensoranordnung 24 umfasst eine Anzahl magnetoelastischer
Sensoren 4, die in einer Reihe nebeneinander angeordnet sind. Mit Hilfe der aneinandergesetzten magnetoelastischen Sensoren 4 wird ein ortsaufgelöstes Signal über der Untersuchungsflä¬ che, also der Oberfläche des Bauteils 1, gemessen. Die be- stimmten Spannungen o in Abhängigkeit der jeweiligen
Ortskoordinaten x sind in dem in der Figur 4 gezeigten Diagramm als Messkurve 9 aufgetragen. Die aufgetragene Spannung o ist dabei in willkürlichen Einheiten angegeben. Die Messkurve 9 weist im Bereich des Risses 2 ein Maximum auf, womit der Riss 2 lokalisiert werden kann. Zur genaueren Lokalisie¬ rung des Risses 2 kann durch Interpolation der Messdaten der einzelnen Sensoren 4 eine Verfeinerung der Lokalisierung erreicht werden. Eine weitere Ausführungsvariante ist in der Figur 5 schema¬ tisch gezeigt. Die Figur 5 zeigt das Bauteil 1 und einen in der Nähe der Oberfläche des Bauteils 1 beweglich angeordneten magnetoelastischen Sensors 34. Das Bauteil 1 wird dynamisch angeregt. Dies ist durch Pfeile 31 und 32 gekennzeichnet, wo¬ bei der Pfeil 31 transversale Schwingungen und der Pfeil 32 longitudinale Schwingungen kennzeichnen soll. Grundsätzlich kann die dynamische Anregung künstlich oder unter Nutzung vorhandener Schwingungen, beispielsweise von Schwingungen der laufenden Maschine, erfolgen.
Mit Hilfe des magnetoelastischen Sensors 34 wird die jeweili¬ ge Resonanzfrequenz ωΓβΞ ortsaufgelöst bestimmt. Dazu wird der magnetoelastische Sensor 34 entlang der Oberfläche des Bau¬ teils 1 bewegt. Dies ist durch einen Pfeil 34 gekennzeichnet. Die gemessene Resonanzfrequenz ωΓβΞ beziehungsweise die Ampli¬ tude A in Abhängigkeit von der jeweiligen Frequenz ω ist in dem Diagramm in Figur 5 als Messkurve 10 gezeigt. Die in willkürlichen Einheiten angegebene Amplitude A weist im Be¬ reich einer ersten Resonanzfrequenz o res und einer zweiten Resonanzfrequenz ω res 2 Maxima auf. In Folge von Veränderungen im Material des Bauteils 1, also beispielsweise in Folge des Auftretens des Risses 2, verschieben sich oder verändern sich die Resonanzfrequenzen ωΓβΞ · Aus der zeitlichen Veränderung oder Verschiebung der Resonanzfrequenzen kann auf den Zeitpunkt einer Veränderung im Material, wie zum Beispiel einer Rissbildung, geschlossen werden. Die Figur 6 zeigt schematisch eine Kombination des im Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebenen statischen Verfahrens und des im Zusammenhang mit der Figur 5 beschriebenen dynamischen Verfahrens. Dabei wird in der Nähe des Bauteils 1 eine die im Zusammenhang mit der Figur 4 beschriebene Sensoranord- nung 24 bestehend aus aneinandergesetzten magnetoelastischen Sensoren 4 angeordnet. Weiterhin wird ein beweglicher magnetoelastischer Sensor 34 in der Nähe der Oberfläche des Bauteils 1 angeordnet. Wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 5 beschrieben, wird das Bauteil 1 dynamisch angeregt und durch Verschiebung des beweglichen magnetoelastischen Sensors 34 die Resonanzfrequenz ω res bestimmt. Gleichzeitig wird mit Hilfe der Sensor- anordnung 24 die Spannung in den Bauteil 1 ortsaufgelöst be¬ stimmt. Die bestimmte Spannung σ(χ) weist im Bereich der Ortskoordinate xR des Risses 2 ein Maximum auf, wodurch eine Lokalisierung des Risses 2 möglich ist.
Weiterhin ermöglicht eine zu verschiedenen Zeiten durchgeführte Bestimmung der Resonanzfrequenz ω res und ein Vergleich der zu verschiedenen Zeitpunkten gemessenen Resonanzfrequenzen miteinander die Bestimmung des Zeitpunktes des Entstehens des Risses 2. In dem unteren Diagramm in der Figur 6 ist die für die jeweiligen Frequenzen ω gemessene Amplitude A in willkürlichen Einheiten für zwei verschiedene Zeitpunkte auf¬ getragen. Die gestrichelte Messkurve 11 kennzeichnet die Mes¬ sung vor der Entstehung des Risses 2. Die Messkurve 11 zeigt eine Resonanzfrequenz öres11. Die durchgezogene Kurve 12 kenn¬ zeichnet eine Messung nach der Entstehung des Risses 2. Die Messkurve zeigt eine Resonanzfrequenz ωΓβΞ 12 / die gegenüber der vor der Entstehung des Risses 2 gemessenen Resonanzfrequenz G)res u zu einer höheren Frequenz hin verschoben ist.
Durch entsprechende zeitabhängige Messungen lassen sich demgemäß sich zeitlich ändernde mechanische Oberflächenspannungen an einem Material messen und können zum Nachweis von beispielsweise Rissbildungen in einem ferromagnetischen Material verwendet werden. Auf diese Weise können einerseits der Zeit¬ punkt der Entstehung der Materialveränderung, beispielsweise des Risses, sowie die Stärke und die Position der Material¬ veränderung bestimmt werden. Dies kann kontaktlos erfolgen, wodurch Zeit und Kosten für den Aus- und Einbau des jeweili- gen Bauteils eingespart wird und Standzeiten vermieden werden können .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Nachweis von mechanischen Veränderungen (2) in einem Bauteil (1), welches ferromagnetisches Material um- fasst,
dadurch gekennzeichnet dass
die mechanische Spannung σ in dem Bauteil mit Hilfe mindes¬ tens eines magnetoelastischen Sensors (4, 14, 34) bestimmt wird .
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet dass
die mechanische Spannung o in Abhängigkeit von der Zeit be¬ stimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet dass
die mechanische Spannung o durch Messung der magnetischen Permeabilität bestimmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet dass
der magnetoelastische Sensor (4, 14, 34) während der Messung in einem bestimmten Abstand von dem Bauteil (1) angeordnet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet dass
der Ort x einer mechanischen Veränderung an dem Bauteil (1) bestimmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet dass
mindestens ein magnetoelastischer Sensor (4, 14, 34) entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils (1) bewegt wird, wobei die Bestimmung der mechanischen Spannung o ortsabhängig erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet dass
eine Anzahl nebeneinander angeordneter magnetoelastischer Sensoren (24) entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils (1) angeordnet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet dass
die Position x der mechanischen Veränderung (2) an dem Bau- teil (1) durch Interpolation der Messdaten bestimmt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet dass
das Bauteil (1) dynamisch angeregt wird und die Resonanzfre- quenz ω ortsabhängig und/oder zeitabhängig bestimmt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet dass
das Bauteil (1) künstlich oder unter Nutzung vorhandener Schwingungen dynamisch angeregt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet dass
unter Verwendung von Veschleißmodellen die Belastbarkeit des Bauteils (1) bestimmt wird.
12. Vorrichtung zum Nachweis von mechanischen Veränderungen (2) in einem Bauteil (1), welches ferromagnetisches Material umfasst ,
dadurch gekennzeichnet dass
sie mindestens einen magnetoelastischen Sensor (4, 14, 34) umfasst .
13. Vorrichtung nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet dass
der magnetoelastische Sensor (4, 14, 34) zur zeitaufgelösten und/oder ortsaufgelösten Messung ausgelegt ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet dass
der magnetoelastische Sensor (4, 14, 34) in einem Abstand von dem Bauteil (1) angeordnet ist und/oder mindestens ein magne- toelastischer Sensor (4, 14, 34) entlang der Oberfläche des zu untersuchenden Bauteils (1) bewegbar angeordnet ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet dass
sie eine Anzahl nebeneinander angeordnete magnetoelastische Sensoren (4, 14, 34) umfasst.
EP12816271.6A 2012-01-09 2012-12-20 Verfahren und vorrichtung zum nachweis von mechanischen veränderungen in einem bauteil mittels magnetoelastischen sensors Withdrawn EP2783206A1 (de)

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DE102012200201 2012-01-09
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