FI96994C - Menetelmä johtavien antureiden halkeamapituuksien laskemiseksi - Google Patents

Description

x 96994

Menetelmä johtavien antureiden halkeamapituuksien laskemiseksi

Esillä oleva keksintö koskee menetelmää näytteen 5 halkeamapituuden mittaamiseksi rakenteellisten komponenttien vahinkojen tarkkailua varten. Tarkemmin sanottuna on keksinnön kohteena menetelmä halkeaman kasvun mittaamiseksi kiinteässä aineessa, jossa on ennalta muodostettu halkeama ja halkeaman suu, menetelmän käsittäessä seuraavat 10 vaiheet: kohdistetaan virta kiinteään aineeseen potentiaa-likentän muodostamiseksi kiinteään aineeseen; tehdään ensimmäinen mittaus alkuperäisestä halkeaman pituudesta (a0); mitataan ensimmäinen potentiaalijoukko (V0) halkeaman yli käyttäen vähintään kahta paria koettimia, jotka on sijoi-15 tettu ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman suusta halkeaman pituuden suuntaisesti, jokaisen parin kahden koettimen ollessa sijoitettu halkeaman vastakkaisille puolille samalle etäisyydelle halkeaman suusta; ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (X0)0, joka liittyy alkuperäi-20 seen halkeaman pituuteen (aQ), jossa potentiaali V = 0, mainitusta ensimmäisen potentiaalijoukon (VD) käyrästä, joka potentiaalijoukko (V0) on mitattu funktiona ainakin • .1 kahden koetinparin ennalta määrätyistä etäisyyksistä hal- V.; keaman suusta.

25 On täysin tunnettua, että kun rakennusaineita käy- : tetään määrätyissä aggressiivisissa käyttöympäristöissä, • · · .1:·. ja joissa materiaali on jatkuvan tai vaihtelevan rasituk- sen alaisena, materiaali on herkkä vahingoittumaan hai- • · · keamalla. Tämän tyyppiseen vahingoittumiseen viitataan . 30 usein sellaisilla nimillä kuin "rasituskorroosiomurtuma" • · · ’·“1 tai "korroosioväsymä". Monien teollisuuden alojen täytyy • · · *·' ' tulla toimeen sen mahdollisuuden kanssa, että rasituskor- ; roosiomurtuma voi ilmetä laitteita käytettäessä. Erityi- M1 · sesti tähän ongelmaan törmätään ydinvoimateollisuudessa, • · · .1 . 35 jossa rakennusaineet ovat pitkäaikaisen tai syklisen rasi-

• I I

• · · · • · » 96994 2 tuksen alaisena kuumassa vedessä, kuten kiehuvan veden reaktoreissa.

Ainakin joissain suhteissa vahingoittuminen rasi-tuskorroosiomurtuman muodossa, tai muu rasituksen/ympäris-5 tön aiheuttama murtuma, joihin tästä lähtien viitataan yhteisesti nimityksellä rasituskorroosiomurtuma, on paljon vakavampi teollisuudessa kuin tasaisen korroosion aiheuttamat vauriot, jotka johtavat ennustettavaan komponenttien käyttöikään, koska materiaalin vioittumiset johtuen rasi-10 tuskorroosiomurtumasta eivät useinkaan ole helposti ennustettavissa ja ovat yleensä luonteeltaan merkittäviä.

US-patentti 4 677 855 Coffin, Jr. et ai, jonka aihe esitetään tässä viitteenä, esittää ongelmia, joita teollisuus yleensä ja ydinvoimateollisuus erityisesti kohtaa 15 yrittäessään ennustaa rasituskorroosiomurtuman alkua tai herkkyyttä sille määrätyissä rakennekomponenteissa. Yleensä rakennekomponenttien käyttäytyminen ennustetaan etukäteen odotetuista kuormituksista olevista tiedoista ja niistä johtuvista rasituksista. Vaikka nämä ennusteet ovat 20 riittävän tarkkoja käyttöominaisuuksien ennustamiseen, on havaittu vaikeaksi ennustaa sellaisten ominaisuuksien elinikää johtuen ympäristöolosuhteiden epävarmuudesta ja • · * niiden vaikutuksesta aiheutuvaan rasituskorroosiomurtu-::: maan.

25 Esimerkki rakennusaineiden elinikäennusteiden epä- : varmuudesta on rasituskorroosiomurtuma, jonka on havaittu • · · ;*j*j esiintyvän ruostumattomasta teräksestä valmistetuissa put- kistoissa, joita käytetään ydinvoimateollisuudessa. Vaikka • · · uusien voimaloiden suunnitelmat yrittävät kompensoida tätä . 30 ilmiötä, on suotavaa valvoa ja arvioida vahinkojen laa- juutta voimaloissa, jotka ovat toimineet useita vuosia, ’·] * jotta voitaisiin ennustaa niiden käyttöiät ja mahdollises- ti pidentää niiden käyttöikää. Menetelmät vahinkojen ti-lan arvioimiseksi on kohdistettu vaikean ympäristön vai- • I · .* . 35 vontaan. Kiehuvaa vettä käyttävien reaktoreiden tapaukses- • · · • · • ♦ • « il 96994 3 sa veden kemiaa mitataan sellaisten tekijöiden määräämiseksi kuten resistiivisyys, sähkökemiallinen potentiaali, happipitoisuus ja epäpuhtaustasot. Sellaiset mittaukset ovat epäsuoria. Mitään suoraa mittausta murtumien kasvuun, 5 joka tällä veden kemian vaikutuksella on rakennusaineissa voimalan käytön aikana, ei ole tehty. Sen vuoksi rakennusaineen käyttöiän pituus vaihtelevissa käyttöolosuhteissa on tuntematon.

Menetelmiä murtumien kasvun mittaamiseksi suoraan 10 näytekappaleista, jotka on poistettu käyttöympäristöstään, on tullut esiin vuosien kuluessa. Näissä menetelmissä käytetään useita valvontamenetelmiä, joihin sisältyy visuaalisia ja jännitepotentiaalin alentumiseen pohjautuvia menetelmiä, kuten on esittänyt Beevers, Editor, "The 15 Measurement of Crack Length and Shape During Fracture and Fatigue", Engineering Materials Advisory Services, Limited, (1980). Kuitenkin vasta Coffin, Jr., et al:in patentin mukaisessa menetelmässä teollisuudelle annettiin mahdollisuus tarkasti arvioida murtumien kasvua laitoksen 20 rakenteellisissa osissa käyttämällä jännitepotentiaalin alentumiseen perustuvia menetelmiä, esittämällä kohtuullisen tarkka tapa suhteuttaa jännitemittaukset murtuman ko- * ·' koon.

Hakijat ovat äskettäin löytäneet vielä tarkemman 25 menetelmän, jota voidaan käyttää, ja esillä olevan kek- : sinnön päätarkoituksena on esittää parannettu, tarkempi ··· ;*·*; menetelmä rakenneosien vaurioiden mittaamiseksi ja val- .·.·. vomiseksi niiden ympäristössään pitkien ajanjaksojen ku- • · luessa.

. 30 Esillä olevan keksinnön tavoitteena on edelleen • · · • · · *** antaa tarkempi menetelmä rakenneosien murtumien aiheutta- • ♦ · *·] * mien välittömien ja kertyneiden vaurioiden mittaamiseksi.

: Esillä olevan keksinnön toinen tavoite on tuottaa parannettu menetelmä murtuman kasvun laskemiseksi anturis-.* . 35 sa, jolla on kaksoisulokepalkkigeometria (DCB).

« · a 96994 4

Edellä mainitut tavoitteet saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä, jolle on tunnusomaista, että tehdään mittaus seuraavasta halkeaman pituudesta (ax); mitataan toinen potentiaalijoukko (V!) halkeaman yli käyttäen 5 vähintään kahta koetinparia sijoitettuna ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman suusta; ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (X^, joka liittyy halkeaman pituuteen (ai), jossa potentiaali V = 0, toisen potentiaalijou-kon (Vx) käyrästä, joka potentiaalijoukko on mitattu funk-10 tiona koetinparien ennalta määrätyistä etäisyyksistä halkeaman suusta; mitataan halkeaman yli seuraava potentiaalijoukko (V±), joka potentiaalijoukko (V±) liittyy seuraa-vaan halkeaman pituuteen (aA), käyttäen koetinpareja, jotka on sijoitettu ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman 15 suusta; ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (X0)i, joka liittyy seuraavaan halkeaman pituuteen (a±), jossa potentiaali V - 0, seuraavan potentiaalijoukon (Vt) käyrästä, joka potentiaalijoukko on mitattu funktiona koetinparien ennalta määrätyistä etäisyyksistä halkeaman suusta; ja laske-20 taan seuraava halkeaman pituus (ai) yhtälöstä ai=a0 (Xe)1-(Xe)i +a, (XJ^iXJo : (X0)i-(X0)0 (X0)i-(X0)0 25 _ J L _ *·.1·· Esillä olevan keksinnön yllä olevat ja muut tavoit- : ; teet ja niihin liittyvät edut toteutetaan esittämällä me- :1·1: netelmä murtuman kasvun mittaamiseksi kiinteästä aineesta, • jossa kiinteä aine, jossa on aiemmin muodostunut murtuma, • · 30 on asetettu aggressiiviseen ympäristöön samalla, kun kiin- . teään aineeseen kohdistetaan kuormitus, joka on riittävä • · « murtuman kasvamiseksi. Kiinteän aineen läpi viedään virta, • · · ·. jotta todettaisiin jännitteen alentuminen murtuman yli.

| Tämä jännite mitataan ainakin kahdella anturiparilla jo- 35 kaisen anturiparin kahden osan ollessa sijoitettu murtuman • · · . vastakkaisille puolille yhtäsuurelle tunnetulle etäisyy- • · · • · I • · 11 · • · • · · 96994 5 delle murtuman alkukohdasta. Jokaisen parin yli mitattu jännite piirretään käyränä murtuman alun etäisyydestä jokaisen anturiparin suhteen. Parhaiten sopiva käyrä tai suora viiva jännitteestä anturiparien etäisyyksien funk-5 tiona murtuman alun suhteen piirretään näiden pisteiden kautta ja ekstrapoloidaan, jotta saadaan viivan x-akselin leikkauspiste tai etäisyyden leikkauspiste akselilla, jossa jännite = 0. Näin saadut x-akselin leikkauspisteiden arvot, jotka liittyvät alkuperäiseen tunnettuun murtuman 10 pituuteen ja myöhempiin murtuman pituuksiin, käytetään etenevän murtuman pituuden laskentaan esillä olevassa keksinnössä kehitetyn riippuvuuden mukaisesti.

Esillä olevan keksinnön mittaustekniikkaa ja menetelmää voidaan käyttää apuna vaurioiden määrittämisessä 15 tai arvioinnissa rakenneosille, jotka ovat alttiina rasitukselle ja vaikealle ympäristölle. Sellaisessa tapauksessa kiinteä aine voisi toimia anturina, jossa on aiemmin muodostunut murtuma, anturi voitaisiin sijoittaa aggressiiviseen ympäristöön, ja murtumaan kohdistuisi murtuman 20 kärjessä rasituksen voimakkuus, joka korreloi käyttöolo suhteissa rakenneosan kokeman rasituksen voimakkuuden kanssa. Vaihtoehtoisesti esillä olevan keksinnön mukaista ·...' menetelmää voidaan käyttää yleisessä materiaalitutkimuk- :.v sessa materiaalien suhteellisen herkkyyden määrittämiseksi 25 ja ennustamiseksi rasituskorroosiomurtumalle erilaisissa : ympäristöissä.

t··

Keksinnön mukaisen menetelmän edulliset suoritus-muodot ilmenevät oheisista epäitsenäisistä patenttivaati- • · « mukeista 2-12.

. 30 Kuvio 1 on oleellisesti kaavioesitys anturista, • · · • · · jolla on kaksoisulokepalkkigeometria, joka on esimerkki • · · *·1 ’ anturi tyypistä, jota voidaan käyttää esillä olevan keksin- : nön mukaisessa menetelmässä.

« I · «

Kuvio 2 on esimerkkikäyrä jännitepotentiaalin V ja .1 . 35 etäisyyksien Xt suhteesta, joissa potentiaali mitataan.

• · · · 96994 6

Kuvio 3 on kaavio, jossa esitetään tulokset mitatun potentiaalin V esimerkeistä funktiona sijainnista tai etäisyydestä murtuman alkuun Xlf jossa potentiaali mitataan, jolla kaaviolla edelleen esitetään murtuman pituuden 5 kasvun vaikutus suhteeseen. Jokainen käyrä esittää tulokset erilaisen murtumapituuden, "a", tapauksessa.

Kuvio 4 on kaavio, jossa esitetään muutos x-akse-lin leikkauspisteessä, joka on esitetty kuviossa 3 (potentiaali V mittauspaikan suhteen), funktiona mitatun 10 murtuman pituudesta "a".

Kuvio 5 esittää todellisuudessa mitatun murtuman pituuden "a" ja lasketun murtuman pituuden "a" korrelaation käyttäen esillä olevan keksinnön mukaista menetelmää verrattuna laskettuun murtuman pituuteen menetelmälle lä, joka on esitetty Coffin, Jr., et allin patentissa.

Tämä keksintö kohdistuu parannettuun menetelmään kiinteän aineen murtumien laajentumisen mittausta varten. Tämän keksinnön toteutuksia voidaan käyttää määrittämään rasituskorroosiomurtumasta johtuvat rakenneosien vahingot 20 niiden käyttöympäristössä. Tämä toteutetaan mittaamalla ja valvomalla eli monitoroimalla jännitepotentiaalin muutosta ennalta muodostetun halkeaman yli kiinnostuksen kohteena olevassa kiinteässä materiaalissa, jota tässä nimitetään "anturiksi". Kun virran annetaan kulkea anturin läpi koh- • « : 25 tisuorasti halkeamaan nähden, potentiaaliero kahden pis- : teen välillä, jotka sijaitsevat halkeaman vastakkaisilla »·· :1j1. puolilla, kasvaa kun halkeaman koko kasvaa. Sähköpotenti- .·.·. aalin mittaus antaa tietoa välittömästä anturin vahingosta • · ♦ kuten myös kerrannaisvahingosta halkeaman kasvun muodossa.

. 30 Halkeaman kasvu mitataan edullisimmin kiinnostuk- • ♦ · ♦ · · *** sen kohteena olevasta kiinteästä aineesta tai anturista.

• · · ’·] 1 Kiinteä aine tulee olla sähköisesti johtava, kuten hiili- i tai seosteräs, nikkeli tai nikkelipohjaiset seokset, ti- taani ja sen seokset ja ydinrakennusaineet kuten ruostu-.1 . 35 mattomat austeniittiteräkset, Inconel TM ja vastaavat.

t · · * 4 · • ·

· I

• «

• I

• « · 96994 7 Tämä on välttämätöntä, jotta saataisiin mittauksia sähkö-potentiaalista ennalta muodostetun halkeaman yli. Tämän keksinnön tärkeimmissä toteutuksissa anturi tuottaa tietoa, joka kuvaa kiinnostuksen kohteena olevan määrätyn 5 rakenneosan kuntoa. Tämän päämäärän saavuttamiseksi on suositeltavaa valmistaa tämä anturi samasta aineesta, jolla on sama prosessitausta kuin kiinnostuksen kohteena olevalla rakenneosalla. Anturin koko ja muoto voi vaihdella suuresti. Määrätyt koot ja muodot voivat olla edullisempia 10 kompaktisuuden, kestävyyden, herkkyyden, yksinkertaisen asennuksen tai joustavuuden vuoksi.

Ennalta muodostettu halkeama kiinteässä aineessa on pituudeltaan tunnettu, merkittynä tässä tunnuksella aQ. Tämä ennalta muodostettu halkeama määrää paikan, jossa 15 sähköpotentiaalin mittaukset tehdään. Sen vuoksi on toivottavaa sijoittaa anturin halkeama paikkaan, josta on helppo tehdä sähköpotentiaalin mittauksia useista kohdin. Ennalta muodostetun halkeaman koko ja muoto voi vaihdella suuresti; kuitenkaan halkeamat eivät voi olla kooltaan 20 sellaisia, että ne erottaisivat anturin kahteen osaan.

Halkeaman määritellään sisältävän suun ja kärjen. "Halkeaman suu" määritellään tässä kuormituksen kohdistumispis-·...' teeksi tai linjaksi. "Halkeaman kärki" on halkeaman etum- v.·' mainen osa. Halkeaman "pituus" määritellään tässä etäi- : 25 syytenä halkeaman suusta halkeaman kärkeen. Kuten yllä : esitettiin, ennalta muodostetun halkeaman alkuperäinen • · · .*·*· pituus merkitään tässä tunnuksella aQ.

Vaikka anturin koko, halkeaman koko ja halkeaman paikka voivat vaihdella suuresti, anturin olemus mielel- , 30 lään sallii riittävän suuren voiman kohdistamisen halkea- • · · • · · maan, jotta halkeaman kärkeen muodostuisi rasitustekijä, • · · *·] * joka antaisi halkeaman kasvaa sopivalla nopeudella. Lisäk- ; si on toivottavaa, että anturin olemus sallisi sähköpoten- • Il · ·"*: tiaalin mittauksen monesta kohdin halkeaman sivuilta. Ko- . 35 konaisuus, jossa riittävän suuruinen kuormitus voi vai- t · · « i · • · 96994 8 vattomasti vaikuttaa, on kuviossa 1 esitetty anturi 10, jolla on "kaksoisulokepalkki"- tai DCB-geometria. Tämä geometria määritellään tässä ja esitetään kaaviona kuviossa 1 siten, että se sisältää kaksi rinnakkaista haaraa 5 (ulokepalkkia) 12, 14, jotka on liitetty toisiinsa toises ta päästä ja erotettu toisesta päästä. Rako tai syvä ura 16 erottaa haarat, ja tämän uran pohjasta käytetään nimitystä uran juuri 18. Ennalta muodostettu halkeama 20 sijoitetaan mieluiten uran juureen. Tämä kompakti muoto an-10 taa suuren joustavuuden ja suuren herkkyyden. Tässä rakennelmassa on mahdollisuus tehdä useita mittauksia eri kohdista kahdella ulokepalkilla 12, 14 koska tehollinen halkeaman pituus ulottuu näitä ulokepalkkeja pitkin. Lisäksi, jos kuormitus pysyy vakiona, rasitusvoimakkuusker-15 roin halkeaman kärjessä kasvaa, kun etäisyys halkeaman kärjen ja kuormituskohdan välillä kasvaa. Sen vuoksi anturin suuri pituus tekee mahdolliseksi halkeaman kärjen rasituksen kynnysarvon saavuttamisen alhaisilla kuormitus-tasoilla. Kuormitukset, jotka ovat riittäviä halkeaman 20 kasvamiseksi, voidaan saavuttaa yksinkertaisesti sijoitta malla kiila 24 kahden ulokepalkin 12, 14 väliin.

Rasituksen taso kiinteässä aineessa olevan terävän • i « •’,,/ halkeaman kärjessä kuvataan rasituksenvoimakkuustekijällä.

Jotta ennalta muodostettu halkeama kasvaisi, siihen tulee 25 kohdistua minimi- tai kynnysrasituksenvoimakkuustekijä

» I

. .*. halkeaman kärjessä. US-patentti 4 677 855, joka sisällyte- • · · tään tähän viitteenä, kuvaa miten rasitusvoimakkuustekijä • · · määrätään tietyn geometrian omaavalle anturille. Patentti • · · * ’ edelleen sisältää laajan esityksen sellaisten antureiden 30 käytöstä rakenneosien vioittumisen ja halkeaman kasvun • · # *-··* ennustamisesta ja valvonnasta.

·· · V ‘ Vaikeissa olosuhteissa tapahtuvan rasituskorroosio- | murtuman valvomiseksi täytyy anturiin kohdistaa aktiivinen «Il t kuormitus tai kiinteä muutosvoima. Väline, jolla kohdiste- • 35 taan kiinteä muutosvoima, jolla aiheutetaan ennalta muo- « · * • I « « · aa· • · • · 96994 9 dostetun halkeaman kasvu, voi olla edellä mainittu kiila 24, joka on pakotettu uraan laajentamaan halkeamaa. Myös muut välineet voivat olla sopivia, kuten puristin, pultti tai vastaava väline, joka laajentaa halkeamaa. Väline, 5 jolla aiheutetaan kiinteä muutosvoima, täytyy olla valmistettu materiaalista, joka ei ole sähköisesti johtava ja on edullista, että sellaisen materiaalin lämpölaajenemisker-roin vastaa anturin materiaalin kerrointa. Tämä auttaa ylläpitämään rasitusvoimakkuustekijää halkeaman kärjessä 10 vaihtelevissa lämpötiloissa lähes vakiona. Kun anturi asennetaan vaikeisiin olosuhteisiin, on oleellista, että käytetty materiaali, jolla aiheutetaan kiinteä muutosvoima, kykenee vastustamaan sellaisia vaikeita olosuhteita.

Tämän keksinnön edullisissa toteutuksissa anturi, 15 jossa on ennalta muodostettu halkeama, on asetettu vaikeaan ympäristöön. Termi "vaikea ympäristö", jota tässä on käytetty, viittaa niihin ympäristöihin, jotka vaikuttavat materiaaliin, josta anturi muodostuu, sellaisen vaikutuksen ollessa suuruudeltaan riittävä edistämään ennalta muo-20 dostetun halkeaman kasvua. Kun valvotaan rakenneosan vahingoittumista, anturi asetetaan samaan ympäristöön kuin rakenneosa. Anturi kokee siten samat vaihtelevat ympäris-töolosuhteet kuin nämä rakenneosat. Anturin kiinnittämi-:.V sessä voidaan käyttää tavanomaisia menetelmiä ja laitteita ί/·| 25 näissä ympäristöissä.

: Halkeaman kasvua esillä olevassa keksinnössä vai- * « * i'·’; votaan mieluiten mittaamalla potentiaalia tai jännitettä .·.·. koetinparien välillä, jotka koetinparit on asetettu uloke- palkeille 12, 14 ja käyttämällä sellaisia mitattuja jän- . 30 nitteitä, kuten myös alkuparametreja, halkeaman pituuden « » · laskemisessa. Lasketut halkeamien pituudet voidaan edel-

• I I

*·* ' leen edullisesti piirtää käyränä ajan funktiona halkeaman ! kasvun määrän arvioimiseksi.

I · j'“: Jännite mitataan halkeaman yli usealla koetinparil- . 35 la. Ainakin kaksi koetinparia tarvitaan tämän prosessin • · ♦ 4 * 4 0 · • I < 96994 10 suorittamiseksi; kuitenkin vähintään kolme paria koettimia 26a,b; 28a,b; 30a,b; on suositeltavaa halkeaman kasvun mittaamiseksi tarkasti. Jokainen koetinpari sijoitetaan erilaiselle etäisyydelle halkeaman alkukohdasta, kuviossa 5 1 merkittynä Xx, X2, ja X3. Jokaisen parin jäsenet sijoite taan halkeaman vastakkaisille puolille, mieluiten samalle etäisyydelle halkeaman tasosta. Jokaisen parin molemmat jäsenet ovat myös samalla etäisyydellä halkeaman alkukohdasta, eli ne ovat samalla etäisyydellä liitännöistä 32, 10 jotka syöttävät virran anturille. US-patentti 4 677 855 esittää ainakin yhden esimerkin anturin sijoituksesta, joka soveltuu käytettäväksi esillä olevassa keksinnössä.

Potentiaaliero ennalta muodostetun halkeaman yli voidaan mitata tavanomaisin keinoin, jotka soveltuvat joh-15 tavan materiaalin pinnalla olevan koetinparin yli olevan jännitteen vastaanottamiseen. Koettimet voivat olla yksinkertaiset koskettimet, ruuvit, hitsiliitokset ja vastaavat, joissa johtava johdin, kuten johto, kaapeli, väylä, jne. on kytketty anturiin. Nämä johtavat johtimet on kiin-20 nitetty anturiin tavalla, joka sallii sähkön johtumisen jännitettä mittaavaan laitteeseen, kuten volttimittari tai ,, analogia/digitaali-muunnin.

• · ‘y;' Kuten yllä on esitetty, anturin edullisessa toteu- tuksessa anturi 10 on geometrialtaan kaksoisulokepalkki-

• I

·,'· 25 mainen. Ennalta muodostettu halkeama 20 on sijoitettu kak- *,·.· soisulokepalkin uran pohjaan 18. Sivu-urat 34 on sijoitet- *T: tu kummankin palkin 12, 14 osiin, jotka ovat toisiaan vas- •Vj ten. Sivu-urat pienentävät toisiaan vasten olevien palkki- • $ en osien paksuutta ja pienentävät alueen paksuutta, jossa /, 30 ennalta muodostettu halkeama sijaitsee. Anturi on kiinni- * « t tetty vaikeassa ympäristössä painekytkennällä 100. Kanava \ 102 tarjoaa pääsyn kanaville (tai rei'ille) 200, joista • · ·,; | molemmat tarjoavat tien johtaville johtimille, jotka on I ! kiinnitetty koetinpareihin ja johtaville johtimille, jotka ·’ . 35 edullisesti tuovat tasajännitepotentiaalin anturille.

• i • « ( · » • i • 9 • 1 » 96994 11

Vaihtuva tasajännite tuodaan kohtiin 32 ja halkeaman tehollinen alkupituus osoitetaan viivalla a„. Koetinparit 26a,b; 28a,b; ja 30a,b; tunnistavat jännitteen halkeaman yli. Kiila 24 kohdistaa staattisen kuormituksen halkeamaan 5 20, tuottaen halutun halkeaman kärjen rasitusvoimakkuus- tekijän.

On edullista mitata koettimien yli oleva potentiaalieron arvo jatkuvasti; kuitenkin epäjatkuvat potentiaali-eron mittaukset ovat hyväksyttäviä ja tuottavat hyödyllis-10 tä tietoa halkeaman kasvusta. On edullista mitata potentiaaliero niin tarkkaan kuin on mahdollista siitä seuraavan halkeaman pituuden ja kasvun määrityksen tarkentamiseksi. US-patentti 4 677 855 sisältää yksityiskohtaisen esityksen potentiaalierojen tarkasta mittauksesta, ja sellainen tapa 15 voisi olla soveltuva käytettäväksi esillä olevan keksinnön yhteydessä. Toiset mittaustavat voivat myös osoittautua sopivan tarkoiksi, jotta niitä voitaisiin käyttää.

Kuten on esitetty piirroksella kuvion 2 kaaviossa, jokaisen koetinparin yli mitattu jännite voidaan piirtää 20 koettimien syvyyden tai mittausetäisyyden suhteen halkeaman alkukohdasta (Xx, X2, X3) suorittamalla sovitus pienim-·' män neliön menetelmällä tai muulla tavoin approksimoimalla : suoraa viivaa, joka kulkee pisteiden kautta. Tämän viivan tai käyrän kulmakerroin, sellainen kuten on esitetty ku-. .·. 25 viossa 2, vaihtelee anturiin tuodun virran, anturin re- sistiivisyyden, ja anturin geometrian funktiona. Tärkeim- • · · I .< pänä kiinnostuksen kohteena piirroksessa potentiaalista • · · * * mittausetäisyyden funktiona halkeaman kasvun laskelmissa on x-akselin leikkauspisteen arvo, XD, x-akselin leikkaus- tl· ’·:·* 30 pisteen ollessa kohta, jossa potentiaali tai jännite, V, V ; on nolla (V = 0).

• Koska määrätyn koetinparin yli mitattu jännite kas- • · · · .*··. vaa, kun halkeaman pituus kasvaa, käyrä siirtyy, aiheut- « · · / t taen x-akselin leikkauspisteen muuttumisen, kun halkeaman '· *· 35 pituus, a, kasvaa kohdistetun voiman vaikutuksesta, x-ak- 96994 12 selin leikkauspiste (X0) vaihtelee halkeaman kokonaispituuden funktiona, a, eli haaran tai palkin pituus lisättynä alkuhalkeamalla (ennalta muodostettu), lisättynä etenevän väsymyshalkeaman pituudella. Tämä funktio X0(a) voidaan 5 esittää yleisesti lineaariyhtälönä: X0 = Na + D [1] missä N ja D ovat vakioita, Xc:n ollessa potentiaali-10 mittausetäisyys-käyrän x-akselin leikkauspisteen arvo mää rätylle kokonaishalkeaman pituudelle (a). Tähän liittyviä halkeaman pituuksia ja x-akselin leikkauspisteen arvoja, jotka on saatu yllä olevasta yhtälöstä, merkitään tässä, esimerkiksi, ac, (X0)0; a1(XQ)1; ja yleisesti a^fX,,^.

15 Lähtökohtana esillä olevan keksinnön tuottaman pa rannuksen käsittelylle, käsitellään ja verrataan lyhyesti menetelmää, joka on esitetty US-patentissa 4 677 855. Tuossa patentissa esitetty kaava, jota käytettiin halkeaman pituuden (syvyyden) laskemiseen, kun halkeama eteni 20 läpi näytekappaleen, sai muodon: =fl2 ao [2] \jo_ • « « '25 Tässä kaavassa aD edustaa alkuperäistä halkeaman pituutta, •|·' I0 edustaa siihen liittyvää x-akselin leikkauspisteen arvoa • · · *·* (yhtä suuri kuin (X0)0 esillä olevassa keksinnössä) poten- • · tiaali-mittausetäisyys-käyrältä, ja I2 edustaa x- akselin leikkauspisteen arvoa, joka saadaan potentiaalimittaukses-: 30 ta mittausetäisyyden funktiona, kun halkeama on edennyt :*·*: alunperin mitatusta halkeaman pituudesta aG mittaamattomaan . *. halkeaman pituuteen a,.

”·,* Tämä esitys on saatu käyttäen yllä olevaa lineaa-

« I

riyhtälöä [1], mutta nojaa olettamukseen, että vakio D 35 yhtälössä [1] on yhtä kuin nolla (D = 0). Kun yllä oleva • ·

II

96994 13 kaava [2] tuottaa kohtalaisen tarkan menetelmän seuraavan halkeaman pituuden a± laskemiseksi, äskettäinen työ, joka johti esillä olevaan keksintöön, on johtanut parannetun tarkemman menetelmän kehittämiseen ai-arvojen laskemiseksi 5 tunnetuista parametreista. Esillä olevan keksinnön yhtey dessä suoritetuissa kokeissa on osoitettu, että vakio D yllä olevassa yhtälössä [1] ei ole kaikissa tapauksissa nolla, ja sen vuoksi kaavan [2] käyttö etenevän halkeaman pituuden ax laskemiseksi tuottaa epätarkkoja tuloksia mo-10 nissa tapauksissa.

Esillä olevan keksinnön mukaisesti, kun on havaittu, että vakion D ei voida olettaa olevan nolla, yhtäläisyys tai kaava, joka on johdettu halkeaman pituuden ax laskemiseksi voidaan saada yhtälöstä [1] seuraavasti: 15 (X0)0 - Na0 = D = (XJi - N3i [3] ja ratkaistaessa * a„ + (X„), - (X„)„ [4]

20 N

Tämä yhtälö [4] ei ole kuitenkaan soveltuva käytet-täväksi antureissa, joissa N:ää ei ole aiemmin määrätty. .·.·. Tapauksessa, jolloin N on tuntematon, halkeaman pituuden aQ

: 25 alkuperäisen suoran mittauksen lisäksi tehdään toinen hal- keaman pituuden ax suoramittaus, ja siihen liittyvä x-akse- • ♦ * "I Iin leikkauspisteen arvo (X^ voidaan määrätä koetinten • « · potentiaali- tai jännitemittauksista, nämä arvot sijoite- • · · ’·*·* taan yhtälöön [4] termeille ax ja (X0)A ja yhtälö ratkais- 30 taan seuraavasti: • · ♦ • · · • · · O': ai = aQ + (xe)1 - (x0)0 [5]

: *. N

• · · • · · 35 « « • · • · · • · • · • · 96994 14 ja siten N = (X0)1 - (X0)0 [6] ^ 5

Sijoittamalla tämä esitys N:lle yhtälöön [4], saadaan tarkempi yhtälö, esillä olevan keksinnön mukaisesti, ai:n laskemiseksi: 10 a* = [(XJi - (XJJ (ai-a0) + ac [7] (X0)i - (Xo)o tai toisin esitettynä 15 —1 ax = ac (XJi-iXJi + ax [7x0)i-(X0)0_][8] ΠχΓνΟΰΓ (X0)i-(Xo)o 20 Kun N on mahdollista määrätä ennen halkeaman mit- tauskokeen alkua, yhtälöä [4] voidaan käyttää, mikä yksinkertaistaa menetelmää eliminoimalla tarpeen tehdä toinen halkeamamittaus ax.

Digitaalinen tietokone voi laskea leikkauspistei- 25 den arvot ja suorittaa toimenpiteet näillä arvoilla datan V,: saamiseksi, joka vastaa halkeaman pituutta. Tämä data voi- : daan välittää käyttäjälle tavanomaisin välinein, kuten : visuaalisina tulosteina tai akustisina varoitussignaalei- • · na. Data voidaan myös viestittää automaattiselle ohjausme-30 kanismille ja/tai tallettaa myöhempää analysointia ja tulkintaa varten. Joka kerran, kun käsitellään määrättyjä . vaiheita esillä olevan keksinnön mukaisessa menetelmässä • · · ”· termeillä "approksimointi", "ekstrapolointi", ja vastaa- • · · *·[ ’ vasti, tulee huomata, että tietokonetta voidaan käyttää : 35 joidenkin tai kaikkien sellaisten menetelmäaskelten suo- ··· · ·'"· rittamiseksi.

• t . Seuraava esimerkki esitetään tämän keksinnön to- ; '· teutuksen havainnollistamiseksi. Sen ei ole tarkoitus *··* rajata vaaditun keksinnön sovellusaluetta kuvattuun to- 40 teutukseen.

ti 96994 15

Esimerkki

Esimerkissä, jossa esitetään esillä olevan keksinnön mukaisen menetelmän parannettu tarkkuus, käytettiin DCB-anturia, ja saatiin joukko käyriä, jotka on esitetty 5 kuviossa 3. Kuviossa 3 esitetään potentiaali tai jännite mitattuna matkan Xi funktiona koetinpareista halkeaman suuhun (katso esim. kuvio 1). Tässä nimenomaisessa esimerkissä käytettiin seitsemää koetinparia. DCB-anturissa käytettiin sähkötyöstöä alkuloven pidentämiseen. ν(ΧΑ) mitattiin 10 ja halkeamaa kasvatettiin uuteen halkeamapituuteen ja tehtiin uusi joukko V(Xt) mittauksia. Myös suora optinen mittaus tehtiin halkeaman pituudesta jokaisella mittausjak-solla laskettujen arvojen vertaamiseksi mitattuihin arvoihin.

15 Seitsemän koetinparia sijoitettiin tasavälisesti toisiinsa nähden etäisyyksille 2,0 - 3,5 tuumaa halkeaman suusta. Saatu potentiaali- tai jännitedata esitettiin käyränä ja datapisteille, jotka liittyivät jokaiseen uuteen halkeaman pituuteen a*, suoritettiin pienimmän ne-20 liön sovitus potentiaalin V ekstrapoloimiseksi kohtaan V = 0 ja Xi = (X0)i· Taulukossa I esitetään (XQ)1-arvot, jotka saatiin niihin liittyvillä halkeaman pituuksilla aif jotka mitattiin suoraan (optisesti) kokeessa.

: 25 TAULUKKO I

• · · • · · • · · a£ (tuumaa) (χο)ι • · aQ 3,380 (X„)„ 3,6928 • # « 30 a3 3,480 (X0)3 3,7901 : a2 3, 580 (X0)2 3,8545 a3 3,680 (XJ3 3,9973 • · · · a4 3,780 (Xc)4 3,0983 a5 3,880 (X0) 5 3, 1968 35 a6 3,980 (X0)6 4,2935 a7 4,080 (X0)7 4,3894 96994 16

Kuvio 4 on kaavio x-akselin leikkauspisteiden arvoista piirrettynä mitattujen halkeamapituuksien funktiona datasta, joka on esitetty taulukossa I. On huomattava, että vakioiden N ja D arvot yleisessä yhtälössä [1] voi-5 daan saada tästä käyrästä tälle määrätylle anturiesimer-kille N:n ollessa datapisteisiin sovitetun suoran kulmakerroin ja D:n ollessa y-akselin leikkauspiste (so. a 0). Voidaan siten nähdä, että D ei ole yhtä kuin 0, vaan tässä tapauksessa D = 0,3137. Edelleen tämän suoran kulma-10 kerroin N on yhtä kuin 1,0001, tai oleellisesti N = 1.

Kuvio 5 on kaavio, jossa verrataan esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä lasketun seuraavan halkeaman pituuden ai tarkkuutta verrattuna esimerkissä suoraan mitattuun halkeaman pituuteen, kuten myös kaavaan, 15 joka on esitetty US-patentissa 4 677 855, so. kaavaan [2], joka määriteltiin aiemmin määrittelyn yhteydessä. Tässä nimenomaisessa esimerkissä, jossa N on määritetty olevan yksi, esillä olevan keksinnön mukaisen käyrän pisteet voidaan laskea helpommin käyttäen yhtälöä [4] mieluummin kuin 20 yleisempiä yhtälöitä [7] ja [8]. Kun N = 1, yhtälö [4] supistuu seuraavanlaiseksi: ai - ac + (XJi - (X0)0 • «

• I I

. 25 Taulukossa II esitetään kuviossa 5 piirretyt data-

• · I

e·;·. pisteet vertailun suorittamiseksi edelleen.

• · · • · • · · • · · • · • · · • · · • Il • 1 1 • · « • · · • · • · · • · 1 • · · ·

• I I

I I

I I

I · I

I · 96994 17

TAULUKKO II

(XJi a» a( mitattu) a0+(X0)r(X0)0 (Xc)0 5 - - - aQ 3,380 3,380 3,380 ax 3,480 3,4773 3,469 a2 3,580 3,5817 3,528 10 a3 3,680 3,6845 3,659 a4 3,780 3,7855 3,751 a5 3,880 3,8840 3,841 a6 3,980 3,9807 3,930 a7 4,080 4,0766 4,018 15

Siten voidaan nähdä kuviosta 5 ja taulukosta II, että esillä olevan keksinnön mukaisella menetelmällä saavutetaan paljon läheisempi korrelaatio lasketun halkeaman pituuden ja todellisuudessa mitatun halkeaman pituuden 20 välillä.

Alan ammattimiehelle on selvää, että muunnelmat yllä olevista toteutuksista ovat mahdollisia poikkeamatta tämän keksinnön suojapiiristä ja hengestä. Sen vuoksi on :.V tarkoitus, että sellaiset muunnelmat sisällytetään tämän : V 25 hakemuksen patenttivaatimusten määrittelemään suojapii- : : : riin.

• « · • · · • · · • · · • · · • · · • ·

• kV

• · « • · · • · · • · · • · · • · • · · • · · • · · ·

(Il I I

Claims (12)

1. Menetelmä halkeaman kasvun mittaamiseksi kiinteässä aineessa (10), jossa on ennalta muodostettu halkeama 5 (20) ja halkeaman suu (18), menetelmän käsittäessä seuraa- vat vaiheet: kohdistetaan virta (32) kiinteään aineeseen potenti-aalikentän muodostamiseksi kiinteään aineeseen (10); tehdään ensimmäinen mittaus alkuperäisestä halkeaman 10 pituudesta (aQ); mitataan ensimmäinen potentiaalijoukko (V„) halkeaman yli käyttäen vähintään kahta paria koettimia (26 -30), jotka on sijoitettu ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman suusta halkeaman pituuden suuntaisesti, jokaisen 15 parin kahden koettimen ollessa sijoitettu halkeaman vas takkaisille puolille samalle etäisyydelle halkeaman suusta; ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (X0)0, joka liittyy alkuperäiseen halkeaman pituuteen (a0), jossa po-20 tentiaali V = 0, mainitusta ensimmäisen potentiaalijoukon ... (VQ) käyrästä, joka potentiaali joukko (Vc) on mitattu funk- tiona ainakin kahden koetinparin (26 - 30) ennalta määrä-*·*' tyistä etäisyyksistä halkeaman suusta (18), tunnet - t u siitä, että 25 tehdään mittaus seuraavasta halkeaman pituudesta :T: (at); mitataan toinen potentiaali joukko (Va) halkeaman • · yli käyttäen vähintään kahta koetinparia sijoitettuna . ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman suusta (18); • · · V.l 30 ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (Χ0)χ, joka • · · liittyy halkeaman pituuteen (ax), jossa potentiaali V = 0, • · : toisen potentiaali joukon (V^ käyrästä, joka potentiaali- ··» s joukko on mitattu funktiona koetinparien (26 - 30) ennalta ,·* ; määrätyistä etäisyyksistä halkeaman suusta (18); !..* 35 mitataan halkeaman yli seuraava potentiaali joukko *’* (VA), joka potentiaali joukko (Vt) liittyy seuraavaan hai- II 96994 19 keaman pituuteen (ai), käyttäen koetinpareja, jotka on sijoitettu ennalta määrätyille etäisyyksille halkeaman suusta (18); ekstrapoloidaan leikkauspisteen arvo (X0)i, joka 5 liittyy seuraavaan halkeaman pituuteen (at), jossa potenti aali V = 0, seuraavan potentiaalijoukon (νχ) käyrästä, joka potentiaalijoukko on mitattu funktiona koetinparien (26 -30) ennalta määrätyistä etäisyyksistä halkeaman suusta (18); ja lasketaan seuraava halkeaman pituus (aA) 10 yhtälöstä ai=a0 (Xo)i-(X0)i +ax (X0)1-(X0)0 (Xo>i-(Xe)o (X„)i-(Xo)o 15 —il —1

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että approksimoidaan käyrää koetinparien yli mitatuilla jännitteillä (v) suhteessa koetinpareista halkeaman suuhun mitattuihin etäisyyksiin, jotka on esi-20 tetty x-akselilla; ekstrapoloidaan käyrää, jotta saataisiin x-akselin leikkauspiste, jossa V = 0, joka liittyy alkuperäiseen halkeaman pituuteen aD; : aproksimoidaan käyrää koetinparien yli mitatuilla 25 jännitteillä (V) suhteessa koetinpareista halkeaman suuhun ; mitattuihin etäisyyksiin, jotka on esitetty x-akselilla; ekstrapoloidaan käyrää, jotta saataisiin x-akselin « · · • leikkauspiste (X0)i, jossa V = 0, liittyen halkeaman pituu-• · · teen ax; . 30 aproksimoidaan jotakin seuraavaa käyrää seuraavis- • « I ’·1·' ta koetinparien yli mitatuilla jännitteillä (V) suhteessa • 1 · V 1 koetinpareista halkeaman suuhun mitattuihin etäisyyksiin, ·1· jotka on esitetty x-akselilla; ja ··» · .·1·. ekstrapoloidaan seuraavaa suoran viivan funktiota, 35 jotta saataisiin seuraavan x-akselin leikkauspisteen arvo '·”· (χο)ΐ/ jossa V = 0. 4 4 • · 20 96994

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mainittujen käyrien approksimointi suoritetaan käyttäen pienimmän neliön sovituslaskentaa.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n-5 n e t t u siitä, että kolmesta seitsemään koetinparia on sijoitettu halkeaman yli jännitteiden mittaamiseksi.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että approksimoidaan suoran viivan funktiota, ensimmäis-10 ten koetinparien yli mitattujen jännitteiden joukolla (V) suhteessa koetinpareista halkeaman suuhun mitattuihin etäisyyksiin, jotka on esitetty x-akselilla; ekstrapoloidaan suoran viivan funktiota, jotta saataisiin x-akselin leikkauspisteen arvo (X0)0, jossa V = 0 15 liittyen alkuperäiseen halkeaman pituuteen ac; approksimoidaan suoran viivan funktiota toisten koetinparien yli mitattujen jännitteiden joukolla (V) suhteessa koetinpareista halkeaman suuhun mitattuihin etäisyyksiin, jotka on esitetty x-akselilla; 20 ekstrapoloidaan suoran viivan funktiota, jotta saataisiin x-akselin leikkauspisteen arvo (XQ)A, jossa '·· V = 0 liittyen halkeaman pituuteen a1; ja v, saadaan uudet x-akselin leikkauspisteen arvot V (Xo)i approksimoimalla suorien viivojen funktioita ainakin ; : 25 kahden koetinparin yli mitatuista jännitteistä etäisyyden j*;*·, suhteen, joka etäisyys on esitetty x-akselilla, mitattuna halkeaman suusta koetinpareihin (26 - 30), ja ekstrapoloi- • · maila suorien viivojen funktioita x-akselille, jossa V = 0. • * * « · *. I” 30

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen menetelmä, t u n- • · · n e t t u siitä, että lasketaan seuraavat halkeaman pi- • · i tuudet at mainittuihin arvoihin (X0)i liittyen, käyttäen vastaavuutta: « · « t · · 35 a, = aG + (X0)4 - (X0)0 * t ’...· n II 21 9 6994

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kulmakerroin on oleellisesti yhtä kuin yksi (N = 1).

8. Patenttivaatimuksen 1, 5, 6 tai 7 mukainen mene-5 telmä, tunnettu siitä, että kiinteä aine tai anturi tapauksesta riippuen käsittää anturin, joka on geometrialtaan kaksoisulokepalkkimainen.

9. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että halkeamaan 10 kohdistetaan kuormitus, joka on riittävä aiheuttamaan halkeaman kasvun.

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturi altistetaan käyttöympäristölle, ja että monitoroitua halkeaman kasvua käyte- 15 tään arvioitaessa halkeaman kasvusta aiheutuvaa vioittumista ympäristössä toimivassa laitekomponentissa.

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturi on samaa materiaalia kuin laitekomponentti.

12. Patenttivaatimuksen 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että anturiin kohdistetaan kuormitus, jotta aiheutettaisiin halkeaman kärkeen rasitusker-roin, joka on olennaisesti yhtä suuri kuin oletettu rasi-: tuskerroin, joka kohdistuu mainittuun laitekomponenttiin. : 25 « · * m · »t· *Y: • » r • « t ··« « · f • i · • · · « ♦ • · • · · • · « «·· · i'”: I « I J * « 4 « · 22 96994