WO2009062635A1 - Monitoring device for monitoring the outer skin of an aircraft - Google Patents

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WO2009062635A1
WO2009062635A1 PCT/EP2008/009400 EP2008009400W WO2009062635A1 WO 2009062635 A1 WO2009062635 A1 WO 2009062635A1 EP 2008009400 W EP2008009400 W EP 2008009400W WO 2009062635 A1 WO2009062635 A1 WO 2009062635A1
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monitoring device
sensor
sensor module
aircraft
energy
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PCT/EP2008/009400
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Sergio Bovelli
Martin Kluge
Winfried Kupke
Josef Schalk
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Eads Deutschland Gmbh
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    • G01M5/0016—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings of aircraft wings or blades
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
    • B64C1/00—Fuselages; Constructional features common to fuselages, wings, stabilising surfaces or the like
    • B64C1/06—Frames; Stringers; Longerons ; Fuselage sections
    • B64C1/12—Construction or attachment of skin panels
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • B64D43/00—Arrangements or adaptations of instruments
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
    • G01M5/0033—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining damage, crack or wear
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
    • H10N10/13—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the heat-exchanging means at the junction

Definitions

  • Monitoring device for monitoring the outer skin of an aircraft
  • the invention relates to a monitoring device for monitoring the outer wall of an aircraft.
  • the object of the invention is to be able to determine damage to the outer skin of an aircraft faster, safer and more reliable.
  • the invention proposes a monitoring device for automatically monitoring a structural element of an aircraft forming part of an outer wall for damage with at least one sensor module which can be mounted in or on the structural element.
  • a monitoring device can thus damage automatically detect and determine.
  • the monitoring device according to the invention requires no additional wiring.
  • the sensor module can be interrogated wirelessly, for example via radio waves or the like.
  • measurement data is transmitted wirelessly to a central evaluation unit.
  • the sensor module can be equipped with an energy storage.
  • an energy storage needs either a regular charge or must be replaced in the case of batteries.
  • the sensor module for self-sufficient, wireless power supply is provided with an energy conversion device for converting non-electrical energy present in the structural element into electrical energy.
  • thermal generators or electromechanical generators can be provided.
  • wireless sensor modules are thus installed in outer wall structural elements, wherein energy supply devices are provided for the supply of the sensor modules. This completely avoids cabling. In addition, no batteries or accumulators need to be replaced.
  • the structural elements of an outer skin of an aircraft in particular an aircraft outer skin, can thus be monitored in order to detect damage early.
  • the sensor modules provided may preferably transmit their measurement data wirelessly and without external power supply to a central evaluation unit.
  • sensors for example piezoelectric sensors (ceramic or PVDF), strain gauges, preferably high-impedance strain gauges (DMS) or piezoelectric ultrasonic sensors can be used.
  • temperature sensors humidity sensors and corrosion sensors can be integrated.
  • Voltage sensors such as the aforementioned piezoelectric sensors or strain gauges or piezoelectric ultrasonic sensors, serve to monitor mechanical stresses and fractures in a cabin wall.
  • high-impedance strain gauges are preferred for reducing the energy requirement.
  • Preferred embodiments of the monitoring device have a power generator for generating the electrical operating energy and / or a circuit block for voltage conversion and charging of the energy store and / or such an energy store and / or a computer unit, or a plurality of sensors for detecting monitoring quantities and / or a transmitter / receiver module for data communication.
  • the operating energy is generated by a thermoelectric generator or thermogenerator, which gains energy from the temperature difference between the outer surface of the aircraft and the interior. Since this difference between inside temperature and outside temperature can be very high, depending on the design of the generator considerable energy yields are possible.
  • temperature sensors In addition to the voltage sensors, temperature sensors, humidity sensors or compression sensors can be used to obtain additional information about stress and fracture processes in the cabin wall.
  • thermoelectric generator a vibration energy converter may be used.
  • the energy conversion device is preferably integrated in a cabin wall.
  • the structure is carried out, for example, on a thermal insulator, which may optionally be coated with a thermally and electrically insulating film.
  • This foil may further optionally include trace structures. These tracks can be used to connect each of the above system components.
  • heat conductors with high thermal conductivity can be used.
  • metals such as silver, copper or aluminum are preferred as the heat-conducting material.
  • the energy conversion device can be used on the inner wall, the outer wall or at a suitable position between the inner wall and the outer wall.
  • the choice of position is made according to performance optimization criteria.
  • an electromechanical or piezoelectric transducer can be provided, for example.
  • a high-performance capacitor or an accumulator can be provided. A combination of both is possible. Such a combination can optimize memory life.
  • energy generated by the energy conversion device for example during a flight, may be stored until it is then needed by the sensor module for measurement and retrieval.
  • a computer unit which provides the sensor data with a unique identifier - identifier - and sends it via the transmitting / receiving device and an antenna to a central monitoring unit, in particular the central evaluation unit.
  • a transmission of sensor data can be carried out either directly from the transmitting / receiving device of a sensor module to the evaluation circuit.
  • the monitoring device has a whole series of comparable sensor modules for monitoring a plurality of structural elements for damage. If now each of these sensor modules has a transmitting / receiving device, which also communicate with each other bidirectionally can then build a sensor network by the sensor data from sensor module to sensor module and finally to the central evaluation unit are transferable.
  • thermoelectric generator can be provided with which the alternator parity of the thermoelectric generator can be switched over. This allows use at outside temperatures below the interior temperature and above the interior temperature.
  • FIGS. 1 to 3 sections through a structural element forming an outer wall of an aircraft with a sensor module as part of a monitoring device according to the invention in three different exemplary embodiments.
  • monitoring devices 10 for monitoring a structural element 12 which forms part of an outer wall 14 of an aircraft, are shown.
  • the structural element 12 is part of a cabin wall 16 of the aircraft in the different embodiments.
  • the cabin wall has the outer wall 14 and an inner wall 18 and stiffening structures 20 therebetween on.
  • the space between outer wall 14 and inner wall 18 is filled with insulating material 22.
  • the monitoring device 10 for monitoring the structural element 12 has a sensor module 24, which can transmit its measurement data wirelessly and without external power supply to a (not shown) central evaluation unit.
  • the sensor module has voltage sensors in the form of a piezoelectric sensor (ceramic or PVDF) and high-resistance strain gages 28.
  • a temperature sensor 30, a humidity sensor 32 and a corrosion sensor 34 are provided.
  • sensors 26 to 34 are constructed on rigid substrates, on flexible substrates or on partly rigidly partly flexible substrates in order to be adapted to the curved outer wall structures of an aircraft.
  • thermoelectric generator 36 de implements the temperature difference between the outside of the aircraft and the interior using the Seebeck effect in electrical energy.
  • the high temperature difference between interior and exterior ensures high performance for energy exploitation processes.
  • thermoelectric generator 36 is coupled to the exterior space and the interior, as in the case of a heat conductor in the form of highly heat-conductive, flexibly formable contact bands 38.
  • a heat spreader 40 is further provided for this purpose.
  • the contact band 38 and the heat spreader 40 are formed of aluminum.
  • the contact band 38 is insulated by means of a thermally insulating material in the form of a thermally low-conducting structural foam layer.
  • the contact strip is thermally insulated from metallic stiffening structures by the structural foam layer 42.
  • a bearing of a thin film 44 of thermally and electrically insulating material is arranged above the structural foam layer.
  • interconnects 46 are integrated in the illustrated embodiments, with which the individual elements of the sensor module are electrically connected to each other.
  • the contact strip 38 is then the contact strip 38 as a high heat conducting (metal) layer, which produces the thermal contact between the thermoelectric generator 36 and the inner wall 18 and the outer wall 14.
  • the film-integrated interconnects can be used for electrical connection of sensors of electronic components or antennas or as antennas.
  • an electronic block with a computer unit 50 and an energy store in the form of a high-power capacitor 52 is shown.
  • the search unit 50 combines the sensor data with a unique identifier and sends it via a built-in electronics block 48 transmitting / receiving device 54 and an antenna 56 to the central evaluation unit.
  • the electronics block 48 further includes a signal actuable switching device 58, with which it is possible to switch the generator polarity to respond to higher or lower temperature in the outer space compared to the interior.
  • An energy converter device 60 for converting non-electrical energy into electrical energy has, in addition to the thermoelectric generator 36, a vibration generator 62, which likewise converts vibrational energy applied to the structural element 12 into electrical energy.
  • a voltage converter 64 also located on the electronics block 48, adjusts the voltage to a desired level.
  • thermoelectric generator 36 can lie on the outer wall 14, as in the case of FIG 1, to be coupled to the inner wall 18, as shown in the third embodiment according to Figure 3, or lying between the inner wall 18 and outer wall 14, as shown in the second embodiment of Figure 2, depending after where the thermoelectric generator 36 reaches its maximum efficiency.

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Abstract

The invention relates to a monitoring device (10) for the early identification of damage to the structural elements of the outer skin of an aircraft, said device automatically monitoring a structural element (12) that forms part of the outer wall (14) of an aircraft for damage, using a sensor module (24) that can be fitted in or on the structural element (12). Preferably, the sensor module (24) can be wirelessly interrogated and provided with an autonomous energy supply.

Description

Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Außenhaut eines Luftfahrzeuges Monitoring device for monitoring the outer skin of an aircraft
Die Erfindung betrifft eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der Außenwand eines Luftfahrzeuges.The invention relates to a monitoring device for monitoring the outer wall of an aircraft.
Bisher wird bei Luftfahrzeugen, wie beispielsweise bei Flugzeugen, vor jedem Flug durch den Piloten eine Sichtkontrolle der Außenhaut des Luftfahrzeuges auf Schäden durchgeführt. Im Zuge von Wartungs- und Reparaturarbeiten erfolgt eine manuelle Überprüfung von Spannungen und Schäden von die Außenhaut bildenden Strukturelementen.So far, in aircraft, such as aircraft, before each flight by the pilot, a visual inspection of the outer skin of the aircraft is carried out for damage. In the course of maintenance and repair work, a manual check of stresses and damages of the outer skin-forming structural elements takes place.
Aufgabe der Erfindung ist es, Schäden der Außenhaut eines Luftfahrzeuges schneller, sicherer und zuverlässiger feststellen zu können.The object of the invention is to be able to determine damage to the outer skin of an aircraft faster, safer and more reliable.
Zum Lösen dieser Aufgabe schlägt die Erfindung eine Überwachungsvorrichtung zur automatischen Überwachung eines einen Teil einer Außenwand bildenden Strukturelements eines Luftfahrzeuges auf Schäden mit wenigstens einem in oder an dem Strukturelement anbringbaren Sensormodul vor.To achieve this object, the invention proposes a monitoring device for automatically monitoring a structural element of an aircraft forming part of an outer wall for damage with at least one sensor module which can be mounted in or on the structural element.
Mit einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung lassen sich somit Schäden automatisch erfassen und feststellen.With a monitoring device according to the invention can thus damage automatically detect and determine.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Ein mit einer solchen Überwachung versehenes Luftfahrzeug sowie ein mit einem entsprechenden Sensormodul versehene Strukturelement hier sind Gegenstand der Nebenansprüche. Ein Problem bei modernen Luftfahrzeugen ist die nicht unerhebliche Gewichtserhöhung sowie der sehr komplizierte Verdrahtungsaufwand zum Ankoppeln und Vernetzen der unterschiedlichsten Systeme.An aircraft provided with such a monitoring and a structural element provided with a corresponding sensor module are the subject matter of the subsidiary claims. A problem with modern aircraft is the not inconsiderable weight increase as well as the very complicated wiring effort for coupling and networking a variety of systems.
Es ist daher bevorzugt, dass die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung ohne zusätzlichen Verdrahtungsaufwand auskommt.It is therefore preferred that the monitoring device according to the invention requires no additional wiring.
Hierzu ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vor- gesehen, dass das Sensormodul drahtlos abfragbar ist, beispielsweise über Funkwellen oder dergleichen.For this purpose, according to a particularly preferred embodiment of the invention, it is provided that the sensor module can be interrogated wirelessly, for example via radio waves or the like.
Vorzugsweise werden Messdaten auf eine zentrale Auswerteeinheit drahtlos übertragen.Preferably, measurement data is transmitted wirelessly to a central evaluation unit.
Um dann nicht für die Energieversorgung der Sensormodule dennoch eine Verdrahtung zu benötigen, kann das Sensormodul mit einem Energiespeicher ausgestattet sein. Ein solcher Energiespeicher braucht jedoch entweder eine regelmäßige Aufladung oder muss im Falle von Batterien ersetzt werden. Um dies zu vermeiden ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung das Sensormodul zur autarken, kabellosen Energieversorgung mit einer Energiewandlereinrichtung zum Umwandeln von an dem Strukturelement vorhandener nicht elektrischer Energie in elektrische Energie versehen.In order not still to require a wiring for the power supply of the sensor modules, the sensor module can be equipped with an energy storage. However, such an energy storage needs either a regular charge or must be replaced in the case of batteries. In order to avoid this, according to a particularly preferred embodiment of the invention, the sensor module for self-sufficient, wireless power supply is provided with an energy conversion device for converting non-electrical energy present in the structural element into electrical energy.
Hierfür können zum Beispiel Thermogeneratoren oder elektromechanische Generatoren vorgesehen sein.For this purpose, for example, thermal generators or electromechanical generators can be provided.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden somit drahtlos abgefragte Sensormodule in Außenwand-Strukturelemente eingebaut, wobei zur Versorgung der Sensormodule Energiewandlereinrichtungen vorgesehen sind. Dadurch wird eine Verkabelung gänzlich vermieden. Zudem müssen keine Batterien oder Akkumulatoren ausgetauscht werden.According to a particularly preferred embodiment of the invention, wireless sensor modules are thus installed in outer wall structural elements, wherein energy supply devices are provided for the supply of the sensor modules. This completely avoids cabling. In addition, no batteries or accumulators need to be replaced.
Damit lässt sich eine „Health-Monitoring-Einheit" mit autonomen drahtlosen Sensoren aufbauen.This makes it possible to build a "health monitoring unit" with autonomous wireless sensors.
Insbesondere können so die Strukturelemente einer Außenhaut eines Luftfahrzeuges, wie insbesondere eine Flugzeugaußenhaut, überwacht werden, um Schäden früh zu erkennen. Die vorgesehenen Sensormodule können bevorzugt ihre Messdaten drahtlos und ohne externe Energieversorgung an einer zentrale Auswerteeinheit übertragen.In particular, the structural elements of an outer skin of an aircraft, in particular an aircraft outer skin, can thus be monitored in order to detect damage early. The sensor modules provided may preferably transmit their measurement data wirelessly and without external power supply to a central evaluation unit.
Als Sensoren können beispielsweise piezoelektrische Sensoren (keramisch oder PVDF), Dehnmessstreifen, vorzugsweise hochohmige Dehnmessstreifen (DMS) oder piezoelektrische Ultraschallsensoren zum Einsatz kommen. Ergänzend oder je nach Anwendung auch alternativ können Temperatursensoren, Feuchtesensoren und Korrosionssensoren mit eingebunden werden. Spannungssensoren, wie beispielsweise die zuvor genannten piezoelektrischen Sensoren oder DMS oder piezoelektrischen Ultraschallsensoren dienen zur Überwachung von mechanischen Spannungen und Bruchvorgängen in einer Kabinenwand. Bei den Dehnmessstreifen sind insbesondere hochohmige Dehnmessstreifen zur Senkung des Energiebedarfes bevorzugt.As sensors, for example piezoelectric sensors (ceramic or PVDF), strain gauges, preferably high-impedance strain gauges (DMS) or piezoelectric ultrasonic sensors can be used. In addition or depending on the application also alternatively temperature sensors, humidity sensors and corrosion sensors can be integrated. Voltage sensors, such as the aforementioned piezoelectric sensors or strain gauges or piezoelectric ultrasonic sensors, serve to monitor mechanical stresses and fractures in a cabin wall. In the strain gauges, in particular high-impedance strain gauges are preferred for reducing the energy requirement.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Überwachungsvorrichtung weisen einen Energiegenerator zur Erzeugung der elektrischen Betriebsenergie und/oder einen Schaltungsblock zur Spannungsumwandlung und Ladung des Energiespeichers und/oder einen solchen Energiespeicher und/oder eine Rechnereinheit, einen oder mehrere Sensoren zur Erfassung von Überwachungsgrößen und/oder ein Sender- /Empfängermodul zur Datenkommunikation auf.Preferred embodiments of the monitoring device have a power generator for generating the electrical operating energy and / or a circuit block for voltage conversion and charging of the energy store and / or such an energy store and / or a computer unit, or a plurality of sensors for detecting monitoring quantities and / or a transmitter / receiver module for data communication.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung wird die Betriebsenergie durch ei- nen thermoelektrischen Generator oder Thermogenerator erzeugt, welcher aus der Temperaturdifferenz zwischen der Außenfläche des Luftfahrzeuges und dem Innenraum Energie gewinnt. Da diese Differenz zwischen Innentemperatur und Außentemperatur sehr hoch sein kann, sind je nach Konstruktion des Generators beträchtliche Energieausbeuten möglich.In a particularly preferred embodiment, the operating energy is generated by a thermoelectric generator or thermogenerator, which gains energy from the temperature difference between the outer surface of the aircraft and the interior. Since this difference between inside temperature and outside temperature can be very high, depending on the design of the generator considerable energy yields are possible.
Ergänzend zu den Spannungssensoren können Temperatursensoren, Feuchtesensoren oder Kompressionssensoren eingesetzt werden, um Zusatzinformationen über Spannungs- und Bruchvorgänge in der Kabinenwand zu erhalten.In addition to the voltage sensors, temperature sensors, humidity sensors or compression sensors can be used to obtain additional information about stress and fracture processes in the cabin wall.
Alternativ oder zusätzlich zu dem thermoelektrischen Generator kann ein Vibrationsenergiewandler verwendet werden.Alternatively or in addition to the thermoelectric generator, a vibration energy converter may be used.
Die Energiewandlereinrichtung ist vorzugsweise in einer Kabinenwand integriert. Der Aufbau erfolgt beispielsweise auf einem thermischen Isolator, der optional mit einer thermisch und elektrisch isolierenden Folie beschichtet sein kann. Diese Folie kann weiter optional Leiterbahnstrukturen enthalten. Diese Leiterbahnen können zur Verbindung der einzelnen oben genannten Systembestandteile verwendet werden.The energy conversion device is preferably integrated in a cabin wall. The structure is carried out, for example, on a thermal insulator, which may optionally be coated with a thermally and electrically insulating film. This foil may further optionally include trace structures. These tracks can be used to connect each of the above system components.
Zur Ankopplung des Generators an die Wärmereservoire von Innenseite und Außenseite eines Strukturelements, wie beispielsweise einer Kabinenwand eins Luftfahrzeuges, sowie zur Wärmeverteilung können Wärmeleiter mit hoher thermischer Leitfähigkeit eingesetzt werden. Als wärmeleitendes Material sind insbesondere Metalle wie Silber, Kupfer oder Aluminium bevorzugt. Um korrosionsfördern- de galvanische Elemente zu vermeiden, ist Aluminium oder ein sonstiges Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung, wie beispielsweise eine Aluminiumlegierung zu bevorzugen.For coupling the generator to the Wärmereservoire from the inside and outside of a structural element, such as a cabin wall of an aircraft, as well as for heat distribution, heat conductors with high thermal conductivity can be used. In particular, metals such as silver, copper or aluminum are preferred as the heat-conducting material. In order to To avoid the galvanic elements, aluminum or another light metal or a light metal alloy, such as an aluminum alloy to be preferred.
Die Energiewandlereinrichtung kann an der Innenwand, der Außenwand oder an geeigneter Position zwischen Innenwand und Außenwand eingesetzt werden. Die Wahl der Position erfolgt nach Kriterien zur Leistungsoptimierung.The energy conversion device can be used on the inner wall, the outer wall or at a suitable position between the inner wall and the outer wall. The choice of position is made according to performance optimization criteria.
Zur Umwandlung mechanischer Vibrationen in elektrische Energie kann bei- spielsweise ein elektromechanischer oder piezoelektrischer Wandler vorgesehen sein.To convert mechanical vibrations into electrical energy, an electromechanical or piezoelectric transducer can be provided, for example.
Als Energiespeicher können ein Hochleistungskondensator oder ein Akkumulator vorgesehen sein. Auch eine Kombination aus beiden ist möglich. Eine solche Kombination kann die Speicherlebensdauer optimieren. In dem Energiespeicher können von der Energiewandlereinrichtung zum Beispiel während eines Fluges erzeugte Energie gespeichert werden, bis sie dann von dem Sensormodul zur Messung und Abfrage benötigt wird.As energy storage, a high-performance capacitor or an accumulator can be provided. A combination of both is possible. Such a combination can optimize memory life. In the energy storage, energy generated by the energy conversion device, for example during a flight, may be stored until it is then needed by the sensor module for measurement and retrieval.
Weiter ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung eine Rechnereinheit vorgesehen, welche die Sensordaten mit einem eindeutigen Identifier - Kennung - versieht und sie über die Sende-/Empfangseinrichtung und einer Antenne an eine zentrale Überwachungseinheit, insbesondere die zentrale Auswerteeinheit, sendet. Eins solches senden von Sensordaten kann entweder direkt von der Sende- /Empfangseinrichtung eines Sensormoduls zur Auswerteschaltung erfolgen. Vorzugsweise weist die Überwachungsvorrichtung eine ganze Reihe von vergleichbaren Sensormodulen auf, um eine Vielzahl von Strukturelementen auf Schäden zu überwachen. Wenn nun jedes dieser Sensormodule eine Sende- /Empfangseinrichtung aufweist, die auch untereinander bidirektional kommunizie- ren können, dann kann man damit ein Sensornetzwerk aufbauen, indem die Sensordaten von Sensormodul zu Sensormodul und schließlich bis zur zentralen Auswerteeinheit übertragbar sind.Further, according to a particularly preferred embodiment, a computer unit is provided, which provides the sensor data with a unique identifier - identifier - and sends it via the transmitting / receiving device and an antenna to a central monitoring unit, in particular the central evaluation unit. Such a transmission of sensor data can be carried out either directly from the transmitting / receiving device of a sensor module to the evaluation circuit. Preferably, the monitoring device has a whole series of comparable sensor modules for monitoring a plurality of structural elements for damage. If now each of these sensor modules has a transmitting / receiving device, which also communicate with each other bidirectionally can then build a sensor network by the sensor data from sensor module to sensor module and finally to the central evaluation unit are transferable.
Weiter kann eine Umschalteinrichtung vorgesehen sein, mit der sich die Generatorparität des thermoelektrischen Generators umschalten lässt. Dies erlaubt den Einsatz bei Außentemperaturen unter der Innenraumtemperatur und über der Innenraumtemperatur.Furthermore, a switching device can be provided with which the alternator parity of the thermoelectric generator can be switched over. This allows use at outside temperatures below the interior temperature and above the interior temperature.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand de beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen dieEmbodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. It show the
Figuren 1 bis 3 Schnitte durch ein eine Außenwand eines Flugzeuges bildendes Strukturelement mit einem Sensormodul als Teil einer er- findungsgemäßen Überwachungsvorrichtung in drei unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.FIGS. 1 to 3 sections through a structural element forming an outer wall of an aircraft with a sensor module as part of a monitoring device according to the invention in three different exemplary embodiments.
In den Figuren sind drei Ausführungsbeispiele von Überwachungsvorrichtungen 10 zur Überwachung eines Strukturelements 12, welches einen Teil einer Au- ßenwand 14 eines Flugzeuges bildet dargestellt.In the figures, three embodiments of monitoring devices 10 for monitoring a structural element 12, which forms part of an outer wall 14 of an aircraft, are shown.
Jeweils entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen. So werden nun anhand des ersten Ausführungsbeispieles, welches in Figur 1 dargestellt ist, näher erläutert.Respective parts bear the same reference numerals. Thus, with reference to the first embodiment, which is shown in Figure 1, explained in more detail.
Das Strukturelement 12 ist in den unterschiedlichen Ausführungsbeispielen ein Teil einer Kabinenwand 16 des Flugzeuges. Die Kabinenwand weist die Außenwand 14 sowie eine Innenwand 18 und Versteifungsstrukturen 20 dazwischen auf. Der Raum zwischen Außenwand 14 und Innenwand 18 ist mit Isoliermaterial 22 ausgefüllt.The structural element 12 is part of a cabin wall 16 of the aircraft in the different embodiments. The cabin wall has the outer wall 14 and an inner wall 18 and stiffening structures 20 therebetween on. The space between outer wall 14 and inner wall 18 is filled with insulating material 22.
Die Überwachungsvorrichtung 10 zur Überwachung des Strukturelements 12 weist ein Sensormodul 24 auf, welches seine Messdaten drahtlos und ohne externe Energieversorgung an eine (nicht dargestellte) zentrale Auswerteeinheit übertragen kann.The monitoring device 10 for monitoring the structural element 12 has a sensor module 24, which can transmit its measurement data wirelessly and without external power supply to a (not shown) central evaluation unit.
Das Sensormodul weist Spannungssensoren in Form eines piezoelektrischen Sensors (keramisch oder PVDF) sowie hochohmige DMS 28 auf. Zusätzlich sind ein Temperatursensor 30, ein Feuchtesensor 32 sowie ein Korrosionssensor 34 vorgesehen.The sensor module has voltage sensors in the form of a piezoelectric sensor (ceramic or PVDF) and high-resistance strain gages 28. In addition, a temperature sensor 30, a humidity sensor 32 and a corrosion sensor 34 are provided.
Besonderes Augenmerk bei den Sensoren 26 bis 34 auf geringem Energie- verbrauch. Die Sensoren und ihre Elektronik sind auf starren Substraten, auf flexiblen Substraten oder auf teils starr teils flexiblen Substraten aufgebaut, um an die gekrümmten Außenwandstrukturen eines Flugzeugs angepasst werden können.Particular attention is paid to sensors 26 to 34 for low energy consumption. The sensors and their electronics are constructed on rigid substrates, on flexible substrates or on partly rigidly partly flexible substrates in order to be adapted to the curved outer wall structures of an aircraft.
Die Energieversorgung erfolgt wie bei einem thermoelektrischen Generator 36, de die Temperaturdifferenz zwischen Flugzeugaußenseite und Innenraum unter Nutzung des Seebeck-Effekts in elektrische Energie umsetzt. Die hohe Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Außenraum gewährleistet eine für Energieausbeutungsverfahren hohe Leistung.The energy is supplied as in a thermoelectric generator 36, de implements the temperature difference between the outside of the aircraft and the interior using the Seebeck effect in electrical energy. The high temperature difference between interior and exterior ensures high performance for energy exploitation processes.
Um dieses Temperaturgefälle optimal zu nutzen, ist der thermoelektrische Generator 36 wie bei einen Wärmeleiter in Form von hochwärmeleitenden, flexibel formbaren Kontaktbändern 38 an den Außenraum und den Innenraum gekoppelt. An der Innenwand 18 ist hierzu weiter noch ein Wärmeverteiler 40 vorgesehen. Das Kontaktband 38 und der Wärmeverteiler 40 sind aus Aluminium gebildet.In order to optimally utilize this temperature gradient, the thermoelectric generator 36 is coupled to the exterior space and the interior, as in the case of a heat conductor in the form of highly heat-conductive, flexibly formable contact bands 38. On the inner wall 18, a heat spreader 40 is further provided for this purpose. The contact band 38 and the heat spreader 40 are formed of aluminum.
Gegenüber der Versteifungsstruktur 20 ist das Kontaktband 38 über ein ther- misch isolierendes Material in Form einer thermisch gering leitenden Strukturschaumlage isoliert. Insbesondere ist über die Strukturschaumlage 42 das Kontaktband dadurch von metallischen Versteifungsstrukturen thermisch isoliert angeordnet. Über der Strukturschaumlage ist bei den dargestellten Ausführungsformen ein Lager einer dünnen Folie 44 aus thermisch und elektrisch isolieren- dem Material angeordnet. In dieser Folie sind bei den dargestellten Ausführungsbeispielen Leiterbahnen 46 integriert, mit denen die einzelnen Elemente des Sensormoduls elektrisch zueinander verbindbar sind. Auf dieser Folie liegt dann das Kontaktband 38 als eine hochwärmeleitende (Metall-)Schicht, welche den thermischen Kontakt zwischen dem thermoelektrischen Generator 36 und der Innenwand 18 und der Außenwand 14 herstellt. Die folienintegrierten Leiterbahnen können zu elektrischen Anbindung von Sensoren von Elektronikkomponenten oder von Antennen oder auch als Antennen genutzt werden.Compared with the stiffening structure 20, the contact band 38 is insulated by means of a thermally insulating material in the form of a thermally low-conducting structural foam layer. In particular, the contact strip is thermally insulated from metallic stiffening structures by the structural foam layer 42. In the illustrated embodiments, a bearing of a thin film 44 of thermally and electrically insulating material is arranged above the structural foam layer. In this film, interconnects 46 are integrated in the illustrated embodiments, with which the individual elements of the sensor module are electrically connected to each other. On this film is then the contact strip 38 as a high heat conducting (metal) layer, which produces the thermal contact between the thermoelectric generator 36 and the inner wall 18 and the outer wall 14. The film-integrated interconnects can be used for electrical connection of sensors of electronic components or antennas or as antennas.
Gemäß Figur 1 ist noch ein Elektronikblock mit einer Rechnereinheit 50 und ei- nem Energiespeicher in Form eines Hochleistungskondensators 52 dargestellt. Die Rechercheeinheit 50 kombiniert die Sensordaten mit einer eindeutigen Kennung und sendet sie über ein in dem Elektronikblock 48 integrierten Sende- /Empfangseinrichtung 54 und einer Antenne 56 an die zentrale Auswerteeinheit.According to FIG. 1, an electronic block with a computer unit 50 and an energy store in the form of a high-power capacitor 52 is shown. The search unit 50 combines the sensor data with a unique identifier and sends it via a built-in electronics block 48 transmitting / receiving device 54 and an antenna 56 to the central evaluation unit.
Der Elektronikblock 48 weist weiter noch eine signalbetätigbare Umschalteinrichtung 58 auf, mit der es möglich ist, die Generatorpolarität umzuschalten, um auf höher oder niedrigerer Temperatur im Außenraum im Vergleich zum Innenraum zureagieren. Eine Energiewandlereinrichtung 60 zum Umwandeln von nicht elektrischer Energie in elektrische Energie weist neben dem thermoelektrischen Generator 36 weiter noch einen Vibrationsgenerator 62 auf, der auf das Strukturelement 12 aufgebrachte Schwingungsenergie ebenfalls in elektrische Energie umwandelt.The electronics block 48 further includes a signal actuable switching device 58, with which it is possible to switch the generator polarity to respond to higher or lower temperature in the outer space compared to the interior. An energy converter device 60 for converting non-electrical energy into electrical energy has, in addition to the thermoelectric generator 36, a vibration generator 62, which likewise converts vibrational energy applied to the structural element 12 into electrical energy.
Die erzeugte Energie wird in dem Hochleistungskondensator 52 gespeichert. Ein ebenfalls auf dem Elektronikblock 48 befindlicher Spannungswandler 64 passt die Spannung auf ein gewünschtes Niveau an.The generated energy is stored in the high power capacitor 52. A voltage converter 64, also located on the electronics block 48, adjusts the voltage to a desired level.
Wie man leicht durch Vergleich der Figuren 1 bis 3 erkennen kann, entsprechen sich die 3 dargestellten Ausführungsbeispiele in allen Details bis auf die Anordnung des thermoelektrischen Generators 36. Je nach erwarteten Temperaturbereich kann der thermoelektrische Generator 36 an der Außenwand 14 liegen, wie dies bei dem ersten Ausführungsbeispiel in Figur 1 dargestellt ist, an der Innen- wand 18 ankoppeln, wie das bei der dritten Ausführungsform gemäß Figur 3 dargestellt ist, oder zwischen Innenwand 18 und Außenwand 14 liegend, wie das bei dem zweiten Ausführungsbeispiel von Figur 2 dargestellt ist, je nach dem wo der thermoelektrische Generator 36 seinen größten Wirkungsgrad erreicht. As can be easily seen by comparing FIGS. 1 to 3, the exemplary embodiments illustrated correspond in all details except for the arrangement of the thermoelectric generator 36. Depending on the expected temperature range, the thermoelectric generator 36 can lie on the outer wall 14, as in the case of FIG 1, to be coupled to the inner wall 18, as shown in the third embodiment according to Figure 3, or lying between the inner wall 18 and outer wall 14, as shown in the second embodiment of Figure 2, depending after where the thermoelectric generator 36 reaches its maximum efficiency.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Überwachungsvorrichtung10 monitoring device
12 Strukturelement12 structural element
14 Außenwand14 outer wall
16 Kabinenwand16 cabin wall
18 Innenwand 20 Versteifungsstruktur18 inner wall 20 stiffening structure
22 Isoliermaterial22 insulating material
24 Sensormodul24 sensor module
26 piezoelektrischer Sensor26 piezoelectric sensor
28 DMS 30 Temperatursensor28 DMS 30 Temperature sensor
32 Feuchtesensor32 humidity sensor
34 Korrosionssensor34 corrosion sensor
36 thermoelektrischer Generator36 thermoelectric generator
38 Kontaktband (Wärmeleiter) 40 Wärmeverteiler38 contact strip (heat conductor) 40 heat spreader
42 Strukturschaumlage42 structural foam layer
44 Folie44 foil
46 Leiterbahnen46 tracks
48 Elektronikblock 50 Rechnereinheit48 electronic block 50 computer unit
52 Hochleistungskondensator52 high performance capacitor
54 Sende-/Empfangseinrichtung54 transmitting / receiving device
56 Antenne56 antenna
58 Umschalteinrichtung Energiewandlereinrichtung Vibrationsgenerator Spannungswandler 58 switching device Energy converter device Vibration generator Voltage converter

Claims

Patentansprüche claims
1. Überwachungsvorrichtung (10) zur automatischen Überwachung eines einen Teil einer Außenwand (14) bildenden Strukturelements (12) eines Luftfahrzeuges auf Schäden mit wenigstens einem in oder an dem Strukturelement (12) anbringbaren Sensormodul (24).A monitoring device (10) for automatically monitoring a structural element (12) of an aircraft forming part of an outer wall (14) for damage with at least one sensor module (24) attachable in or on the structural element (12).
2. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) drahtlos abfragbar ist.2. Monitoring device according to claim 1, characterized in that the sensor module (24) can be interrogated wirelessly.
3. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) zur drahtlosen Übertragung von Messdaten auf eine zentrale Auswerteeinheit ausgebildet ist.3. Monitoring device according to claim 1 or 2, characterized in that the sensor module (24) is designed for the wireless transmission of measurement data to a central evaluation unit.
4. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) zur autarken, kabellosen Energieversorgung mit einem Energiespeicher (52) und/oder einer Energiewandlereinrichtung (60) zum Umwandeln von an dem Strukturelement (12) vorhandener nichtelektrischer Energie in elektrische Energie versehen ist.4. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module (24) for self-sufficient, wireless power supply with an energy store (52) and / or a Energiewandlereinrichtung (60) for converting to the structural element (12) existing non-electric energy in electrical energy is provided.
5. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinrichtung (60) einen thermoelektrischen Generator (36) zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie aufweist.5. A monitoring device according to claim 4, characterized in that the energy conversion means (60) comprises a thermoelectric generator (36) for converting thermal energy into electrical energy.
6. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (36) zur Umsetzung einer Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und der Außenseite des Luftfahrzeugs unter Nutzung des Seebecks-Effekts in elektrische Energie ausgebildet ist.6. Monitoring device according to claim 5, characterized in that the thermoelectric generator (36) is designed to implement a temperature difference between the interior and the exterior of the aircraft using the Seebeck effect in electrical energy.
7. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der thermoelektrische Generator (36) über wenigstens einen Wärmeleiter (38) an den Innenraum und die Außenseite des Luftfahrzeuges gekoppelt ist.7. Monitoring device according to claim 5 or 6, characterized in that the thermoelectric generator (36) via at least one heat conductor (38) is coupled to the interior and the outside of the aircraft.
8. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter ein hoch-wärmeleitendes, flexibel formbares Kontaktband (38) aufweist.8. Monitoring device according to claim 7, characterized in that the heat conductor has a highly thermally conductive, flexibly formable contact strip (38).
9. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter (38) im Wesentlichen aus Silber, Kupfer und/oder vorzugsweise Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist.9. Monitoring device according to claim 7 or 8, characterized in that the heat conductor (38) is formed essentially of silver, copper and / or preferably aluminum or an aluminum alloy.
10. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter (38) durch ein thermisch isolierendes Material (42) gegenüber wenigstens einem Trag- oder Versteifungselement (20) des Strukturelements (12) isoliert ist.10. Monitoring device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the heat conductor (38) by a thermally insulating material (42) opposite at least one supporting or stiffening element (20) of the structural element (12) is isolated.
11. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter (38) auf einem Tragkörper aus dem thermisch isolierenden Material (42) angeordnet ist.11. Monitoring device according to claim 10, characterized in that that the heat conductor (38) is arranged on a support body of the thermally insulating material (42).
12. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleiter (38) oder/und das thermisch isolierende Material (42) mit einer Folie (44) aus elektrisch isolierendem Material beschichtet sind.12. Monitoring device according to one of claims 7 to 11, characterized in that the heat conductor (38) and / or the thermally insulating material (42) are coated with a foil (44) made of electrically insulating material.
13. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in der elektrisch isolierenden Folie (44) elektrische Leiterbahnen (46) zur Kontaktierung und/oder zur Stromversorgung der Einheiten des Sensormoduls (24) eingebracht sind.13. Monitoring device according to claim 12, characterized in that in the electrically insulating film (44) electrical conductor tracks (46) for contacting and / or power supply of the units of the sensor module (24) are introduced.
14. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschalteinrichtung (58) zur Umschaltung der Generatorpolarität des thermoelektrischen Generators (36) vorgesehen ist.14. Monitoring device according to one of claims 5 to 13, characterized in that a switching device (58) for switching the generator polarity of the thermoelectric generator (36) is provided.
15. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiewandlereinrichtung (60) einen Vibrationsgenerator (62) zur Umwandlung von Schwingungsenergie in elektrische Energie aufweist.15. Monitoring device according to one of claims 4 to 14, characterized in that the energy conversion device (60) has a vibration generator (62) for converting vibration energy into electrical energy.
16. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Vibrationsgenerator (62) einen elektromechanischen Wandler und/oder einen piezoelektrischen Wandler aufweist. 16. Monitoring device according to claim 15, characterized in that the vibration generator (62) comprises an electromechanical transducer and / or a piezoelectric transducer.
17. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schaltung (64) zur Spannungswandlung und Ladung des Energiespeichers (52) vorgesehen ist.17. Monitoring device according to one of claims 4 to 16, characterized in that a circuit (64) for voltage conversion and charging of the energy store (52) is provided.
18. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher wenigstens einen Hochleistungskondensator (52) und/oder wenigstens einen Akkumulator aufweist.18. Monitoring device according to one of claims 4 to 17, characterized in that the energy store has at least one high-power capacitor (52) and / or at least one accumulator.
19. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sensormodul (24) eine Sende-Empfangseinrichtung (54) zur bidirektionalen Datenkommunikation zugeordnet ist.19. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module (24) is associated with a transceiver device (54) for bidirectional data communication.
20. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende-Empfangseinrichtung (54) zur Datenkommunikation mit Sende- Empfangseinrichtungen (54) weiterer Sensormodule (24) fähig ist, um Daten mittelbar über andere Sensormodule (24) weiterzuleiten.20. Monitoring device according to claim 19, characterized in that the transceiver device (54) is capable of data communication with transceiver means (54) of further sensor modules (24) for passing data indirectly via other sensor modules (24).
21. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) wenigstens einen Spannungssensor (26, 28) zum Erfassen mechanischer Spannungen und/oder Brüchen in oder an dem Strukturelement (12) aufweist.21. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module (24) has at least one voltage sensor (26, 28) for detecting mechanical stresses and / or fractures in or on the structural element (12).
22. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) als Spannungssensor wenigstens einen piezoelektrischen Sensor (26) und/oder wenigstens einen DMS (28) und/oder wenigstens einen Ultraschallsensor, insbesondere piezoelektrischen Ultraschallsensor aufweist.22. Monitoring device according to claim 21, characterized in that the sensor module (24) has as a voltage sensor at least one piezoelectric sensor (26) and / or at least one DMS (28) and / or at least one ultrasonic sensor, in particular a piezoelectric ultrasonic sensor.
23. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) umfasst:23. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module (24) comprises:
• wenigstens einen Temperatursensor (30),At least one temperature sensor (30),
• wenigstens einen Feuchtesensor (32) und/oder• at least one humidity sensor (32) and / or
• wenigstens einen Korrosionssensor (34).• at least one corrosion sensor (34).
24. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormodul (24) eine Recheneinheit (50) aufweist, welche derart ausgestaltet ist, dass sie Sensordaten mit einer Kennung zur Unterscheidung von Sensordaten anderer Sensormodule und/oder anderer Sensoren versehen und drahtlos an eine zentrale Auswerteeinheit leiten kann.24. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor module (24) has a computing unit (50) which is designed such that it sensor data with an identifier for distinguishing sensor data of other sensor modules and / or other sensors provided and wirelessly can lead to a central evaluation unit.
25. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 24 und einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechnereinheit (50) die Sensordaten unmittelbar oder mittelbar über ein25. Monitoring device according to claim 24 and one of claims 19 or 20, characterized in that the computer unit (50) the sensor data directly or indirectly via a
Netzwerk aus mehreren Sensormodulen (24) an die zentrale Auswerteeinheit sendet.Network from several sensor modules (24) sends to the central evaluation unit.
26. Überwachungsvorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vielzahl der Sensormodule (24) zur Überwachung einer Vielzahl von Strukturelementen (24) und eine zentrale Auswerteeinheit, mittels der ein durch eines der Sensormodule (24) erfasster Schaden an einem bestimmten Strukturelement (12) eindeutig identifizierbar ist.26. Monitoring device according to one of the preceding claims, characterized by a plurality of sensor modules (24) for monitoring a plurality of structural elements (24) and a central evaluation unit, by means of in that a damage to a specific structural element (12) detected by one of the sensor modules (24) can be unambiguously identified.
27. Strukturelement (12) zum Bilden eines Teils einer Außenwand (14) eines Luftfahrzeuges, gekennzeichnet durch ein Sensormodul (12) zur automatischen Überwachung des Strukturelements (12) auf Schäden.27, structural element (12) for forming a part of an outer wall (14) of an aircraft, characterized by a sensor module (12) for automatically monitoring the structural element (12) for damage.
28. Luftfahrzeug, insbesondere Flugzeug, gekennzeichnet durch eine Überwachungsvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 26. 28. Aircraft, in particular aircraft, characterized by a monitoring device (10) according to one of claims 1 to 26.
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