FELDERER AXEL (DE)
ROLLMANN MICHAEL (DE)
US4656595A | 1987-04-07 | |||
US4914378A | 1990-04-03 | |||
EP2270483A1 | 2011-01-05 | |||
US20040061510A1 | 2004-04-01 |
"Portable Scanner Systems for Periodic Monitoring of Industrial Plant Part of a Suite of Scanner Systems Non-Intrusive, Intermittent Monitoring of Internal Plant Conditions (Corrosion or Cracking) using External Sensor Arrays Designed for Locations where Continuous Monitoring is not Appropriate Possi", 1 January 2002 (2002-01-01), XP055109984, Retrieved from the Internet
SPOSITO G ET AL: "Potential drop mapping for the monitoring of corrosion or erosion", NDT & E INTERNATIONAL, BUTTERWORTH-HEINEMANN, OXFORD, GB, vol. 43, no. 5, 1 July 2010 (2010-07-01), pages 394 - 402, XP027061248, ISSN: 0963-8695, [retrieved on 20100522]
"RMG 4015 Risstiefenmessung", 30 April 2007 (2007-04-30), XP055109744, Retrieved from the Internet
Patentansprüche 1. Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands (RM) zwischen zumindest zwei auf der Oberfläche eines metallischen Bauteils (3) angeordneten elektrischen Leitern (1, 2, 7, 8), das die Schritte aufweist: a) Befestigen von zumindest vier elektrischen Leitern (1, 2, 7, 8) auf der Oberfläche des Bauteils (3) in einer defi- nierten flächigen oder räumlichen Anordnung; b) anschließen jeweils zwei elektrischer Leiter (1,2) an eine Stromquelle (4) und Messen des Spannungsabfalls oder einer diesen repräsentierenden physikalischen Größe zwischen den Leitern (1, 2), wobei dieser Vorgang für sämtli- che der möglichen Leiter-Paarungen (1,7; 2,7; 7,8; 1,8; 2,8) von zumindest vier elektrischen Leitern (1, 2, 7, 8) durchgeführt wird, c) rechnerische Ermittlung des elektrischen Widerstands (RM) zwischen zumindest zwei Leitern (1, 2, 7, 8) basierend auf den in Schritt b) ermittelten Messergebnissen. 2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Befestigen der elektrischen Leiter (1, 2, 7, 8) auf der Oberfläche des Bauteils (3) in Schritt a) unter Verwendung eines Stoffschlüssigen Verfahrens erfolgt, insbesondere mittels Löten oder Schweißen. 3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrischen Leiter (1, 2, 7, 8) eine Länge von mehreren Metern aufweisen. 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zumindest vier elektrischen Leiter (1, 2, 7, 8) in Schritt a) in Form eines Quadrates angeordnet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt a) zumindest sechs elektrische Leiter in Form zwei benachbart positionierter Quadrate angeordnet werden, wobei die beiden Quadrate eine einheitliche Kantenlänge (a) und eine gemeinsame Kante aufweisen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die elektrischen Leiter in Schritt a) in Form einer Matrix angeordnet werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Spannungsabfall in Schritt b) unter Einsatz einer Wheatstoneschen-Messbrücke gemessen wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in Schritt b) die elektrischen Leiter an eine Wechselstromquelle (4) angeschlossen werden. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der elektrische Widerstand (RM, RM*) zwischen zumindest zwei Leitern (1, 2, 7, 8) zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt wird, die ermittelten elektrischen Widerstände miteinander verglichen werden und basierend auf dem Vergleichsergebnis Rückschlüsse auf eine Veränderung des Bauteils (3) in einem Bereich zwischen zumindest zwei elektrischen Leitern (1, 2, 7, 8) gezogen werden, insbesondere Rückschlüsse auf eine Rissentstehung und/oder eine Rissentwicklung. 10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem basierend auf dem Vergleichsergebnis eine Risstiefe ermittelt wird. 11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zur Überwachung eines ortsfesten Bauteils (3) einer Maschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, während ihres Betriebs eingesetzt wird, insbesondere zur Überwachung eines während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteils. |
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermit- teln eines elektrischen Widerstands zwischen zumindest zwei auf der Oberfläche eines metallischen Bauteils angeordneten elektrischen Leitern auf der Basis der Potentialsondenmethode . Bei dem Betrieb einer Maschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, können Risse in Bauteilen auftreten, die im Betrieb wachsen und womöglich zum Versagen des Bauteils führen. Die meisten Bauteile können Risse bis zu einer kritischen Größe tolerieren, wobei die kritische Rissgröße im Allgemei- nen gut konservativ abschätzbar ist, beispielsweise auf Basis einer Finite-Elemente-Analyse , die unter Berücksichtigung der Materialdaten, betriebsbedingter Spannungsfeldern und dergleichen durchgeführt wird. Hingegen können der Zeitpunkt der Rissentstehung und das sich anschließende Risswachstum im An- fangsstadium nicht sicher vorhergesagt werden, da zum einen die Rissentstehung und das Risswachstum großen Schwankungen unterliegen und zum anderen Risswachstumssimulationen im Zusammenhang mit einer Finite-Elemente-Analyse komplex und nicht immer zuverlässig sind. Aus diesem Grund werden Bau- teile im Falle einer Rissdiagnose während einer Revision aus Gründen der Sicherheit meist präventiv ausgetauscht, selbst wenn man erfahrungsgemäß davon ausgehen kann, dass ein Bauteil noch über eine längere Zeitdauer betriebssicher sein wird. Ein frühzeitiger und teilweise unnötiger Austausch von Bauteilen ist jedoch mit hohen Kosten verbunden, was grundsätzlich nicht wünschenswert ist.
Das Vorhandensein von Rissen wird im Rahmen einer Revision unter Einsatz herkömmlicher zerstörungsfreier Prüfverfahren festgestellt, beispielsweise mittels Magnetpulverprüfung,
Farbeindringprüfung oder dergleichen, um nur einige Beispiele zu nennen. Nach einer Rissdiagnose ist die Rissgeometrie zu bestimmen, um eine Aussage über die verbleibende Lebensdauer des Bauteils treffen zu können. Hierzu werden die entdeckten Risse meist in einem ersten Schritt auf der Oberfläche vermessen. Auf diese Weisen werden Länge und Breite eines Risses erfasst. Darüber hinaus muss die Risstiefe mit einem geeigne- ten Verfahren bestimmt werden.
Eine Möglichkeit, um Informationen über die Risstiefe zu erhalten, besteht darin, Material so lange in Stufen abzutragen, bis der Riss nicht mehr vorhanden ist. Alternativ können auch Probebohrungen durchgeführt werden, woraufhin die Risstiefe in den erzeugten Bohrlöchern bestimmt wird. Ein Nachteil dieser Verfahren besteht allerdings darin, dass sie in Fällen, in denen die Risstiefe sehr groß ist oder sich der Riss an einer ungünstigen Stelle des Bauteils befindet, nur bedingt oder gar nicht einsetzbar sind. Darüber hinaus können die genannten Verfahren nur während einer Revision und nicht während des Betriebs durchgeführt werden.
Eine Alternative bieten Ultraschallverfahren. Aber auch ihr Einsatz ist in vielen Fällen nicht möglich. Zudem lassen sich auch Ultraschallverfahren meist nur im Rahmen einer Revision durchführen, insbesondere dann, wenn die Betriebstemperatur die maximale Einsatztemperatur von Ultraschallköpfen übersteigt .
Eine weitere Variante zur Risstiefenbestimmung ist die so genannte Wechselstrom-Potentialmethode, die beispielsweise bei dem Messgerät RMG4015 der Firma Karl Deutsch eingesetzt wird. Das Messgerät verfügt über vier in Reihe angeordnete Sonden, die auf die Oberfläche eines Bauteils aufgesetzt werden. Die äußeren beiden Sonden bringen einen konstanten Strom mit bekannter Frequenz in das Bauteil ein. Die dabei im Werkstoff abfallende Spannung wird dann zwischen den beiden inneren Sonden abgegriffen. Ist zwischen den beiden inneren Messson- den ein Riss vorhanden, so wird eine höhere Spannung gemessen als wenn kein Riss vorhanden wäre, da der Weg für den Strom im Falle eines Risses um die zweifache Risstiefe länger ist. Ein wesentlicher Nachteil des Messgeräts besteht allerdings darin, dass dieses nur bei geringen Temperaturen einsetzbar ist, die häufig unterhalb denjenigen Temperaturen liegen, denen ein Bauteil während des Betriebs ausgesetzt ist. Aus diesem Grund ist die Durchführung von Messungen häufig nur im Rahmen einer Revision möglich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein alternatives Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das auch bei hohen Be- triebstemperaturen einsetzbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Ermitteln eines elektrischen Widerstands zwischen zumindest zwei auf der Oberfläche eines metallischen Bauteils angeordneten elektrischen Leitern, das die Schritte aufweist :
a) Befestigen von zumindest vier elektrischen Leitern auf der Oberfläche des Bauteils in einer definierten flächigen oder räumlichen Anordnung;
b) Anschließen jeweils zwei elektrischer Leiter an eine
Stromquelle und Messen des Spannungsabfalls oder einer diesen repräsentierenden physikalischen Größe zwischen den Leitern, wobei dieser Vorgang für sämtliche der möglichen Leiter-Paarungen von zumindest vier elektrischen Leitern durchgeführt wird, und
c) rechnerische Ermittlung des elektrischen Widerstands zwischen zumindest zwei Leitern basierend auf den in Schritt b) ermittelten Messergebnissen. Die Anordnung der zumindest vier elektrischen Leiter auf der Oberfläche des Bauteils in einer definierten flächigen oder räumlichen Anordnung ermöglicht eine zuverlässige Ermittlung des elektrischen Widerstands zwischen zumindest zwei der elektrischen Leiter, und zwar unabhängig von dem Leitungs- widerstand der elektrischen Leiter und/oder von dem Übergangswiderstand zwischen den elektrischen Leitern und dem Bauteil. Dies eröffnet zum einen die Möglichkeit, die elektrischen Leiter derart lang zu wählen, dass die temperaturemp- findliche Messtechnik außerhalb einer Maschine angeordnet werden kann, so dass diese den Betriebstemperaturen nicht ausgesetzt ist. Zum anderen können die Verbindungen zwischen den elektrischen Leitern und dem Bauteil derart gewählt wer- den, dass sie hohen Temperaturen standhalten können. Auf diese Weise wird die Durchführung von Messungen auch bei hohen Temperaturen ermöglicht. Entsprechend kann ein hohen Betriebstemperaturen ausgesetztes Bauteil während des Betriebs überwacht werden, beispielsweise in Bezug auf die Ent- stehung oder das Wachstum von Rissen. Ein durch einen Riss beeinträchtigtes Bauteil kann entsprechend so lange in der Maschine belassen werden, bis eine kritische Rissgeometrie erreicht ist. Einem vorzeitigen Ausbau von rissbehafteten Bauteilen aus Gründen der Sicherheit kann somit vorgebeugt werden.
Bevorzugt erfolgt das Befestigen der elektrischen Leiter auf der Oberfläche des Bauteils in Schritt a) unter Verwendung eines Stoffschlüssigen Verfahrens, insbesondere mittels Hart- löten oder Schweißen. Auf diese Weise wird eine sichere und temperaturbeständige Befestigung der elektrischen Leiter auf der Bauteiloberfläche erzielt, wobei die Temperaturbeständigkeit naturgemäß von den Temperatureigenschaften der an der Stoffschlüssigen Verbindung beteiligten Materialien abhängig ist. Bei sehr hohen Einsatztemperaturen, die beispielsweise im Bereich mehrerer hundert Grad liegen können, sind Schweißverbindungen den Lötverbindungen aufgrund ihrer höheren Temperaturfestigkeit vorzuziehen. Die elektrischen Leiter weisen vorteilhaft eine Länge von mehreren Metern auf, um die Messtechnik entfernt von einer Maschine aufstellen zu können, in der ein zu überwachendes Bauteil eingebaut ist. Auf diese Weise kann insbesondere verhindert werden, dass die Messtechnik hohen Betriebstemperatu- ren einer Maschine ausgesetzt wird. So kann die Länge der elektrischen Leiter beispielsweise im Bereich von 5 bis 10 Metern liegen. Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zumindest vier elektrischen Leiter in Schritt a) in Form eines Quadrates angeordnet. Ein Quadrat ist dahingehend von Vorteil, dass der elektrische Widerstand zwischen denjenigen Leiter-Paarungen, welche die Kanten des Quadrats definieren, identisch ist, wenn die Bauteiloberfläche innerhalb des Quadrates im Wesentlichen fehlerfrei ist. Gleiches gilt für die elektrischen Widerstände zwischen denjenigen Leiter-Paarungen, welche die Diagonalen des Quadrats definie- ren. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand mit nur wenigen elektrischen Leitern rechnerisch ermittelt werden, wie es nachfolgend noch näher erläutert wird.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung werden in Schritt a) zumindest sechs elektrische Leiter in Form zwei benachbart positionierter Quadrate angeordnet, wobei die beiden Quadrate eine einheitliche Kantenlänge und eine gemeinsame Kante aufweisen. Bei dieser Variante lässt sich der elektrischen Widerstand zwischen zumindest zwei Lei- tern auf alternative Weise ermitteln.
Gemäß noch einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die elektrischen Leiter in Schritt a) in Form einer Matrix angeordnet, wobei die Matrix beliebige Ab- messungen aufweisen kann. Auf diese Weise lassen sich die Oberflächen ganzer Bauteile überwachen.
Vorteilhaft wird der Spannungsabfall in Schritt b) unter Einsatz einer Wheatstoneschen-Messbrücke gemessen, wodurch das Spannungs-Messsignal verstärkt wird. Damit muss das eingesetzte Spannungsmessgerät sehr viel weniger genau auflösen, als dies ohne Wheatstoneschen-Messbrücke der Fall wäre. Auch kann auf einen Messverstärker verzichtet werden. Vorteilhaft werden in Schritt b) die elektrischen Leiter an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Auf diese Weise wird der Stromfluss Dank des Skin-Effekts an die Oberfläche des Bauteils verdrängt, wodurch die Messauflösung wesentlich verbessert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der elektrische Widerstand zwischen zumindest zwei Leitern zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt. Daraufhin werden die ermittelten elektrischen Widerstände miteinander verglichen, woraufhin basierend auf dem Vergleichsergebnis Rückschlüsse auf eine Veränderung des Bauteils in einem Bereich zwischen zumindest zwei elektrischen Leitern gezogen werden, insbesondere Rückschlüsse auf eine Rissentstehung und/oder eine Rissentwicklung. Mit anderen Worten wird das erfindungsgemäße Verfahren bei dieser Ausgestaltung dazu eingesetzt, die Lebensdauer des Bauteils beeinträchtigende Veränderungen festzustellen, insbesondere Veränderungen einer Rissgeometrie eines an der Oberfläche des Bauteils vorhandenen Risses.
Bevorzugt wird basierend auf dem Vergleichsergebnis eine Risstiefe ermittelt. Das Wachstum der Risstiefe ist einer der maßgebenden Faktoren, anhand derer die verbleibende Lebensdauer eines Bauteils ermittelt wird.
Vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung eines ortsfesten Bauteils einer Maschine, insbesondere einer Gas- oder Dampfturbine, während ihres Betriebs eingesetzt, insbesondere zur Überwachung eines während des Betriebs hohen Temperaturen ausgesetzten Bauteils, also Betriebstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius. Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung eines Verfahrens gemäß einer Aus- führungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist Figur 1 eine schematische Ansicht einer Anordnung für die
Messung eines elektrischen Widerstands zwischen zwei auf der Oberfläche eines metallischen Bauteils angeordneten elektrischen Leitern; und Figur 2 eine schematische Ansicht einer Anordnung für die Messung eines elektrischen Widerstands zwischen mehreren auf der Oberfläche eines metallischen Bau- teils angeordneten elektrischen Leitern gemäß einer
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Figur 1 zeigt zwei elektrische Leiter 1 und 2, die einerseits an den im Abstand a) zueinander angeordneten Messpunkten A und B auf der Oberfläche eines metallischen Bauteils 3 befestigt und andererseits mit einer Wechselstromquelle 4 verbunden sind. Auf diese Weise wird ein Stromkreis mit den Leitungswiderständen R L i und R L2 der elektrischen Leiter 1 und 2, den Übergangswiderständen R Üa und R ÜB der Schweißverbindungen und dem Materialwiderstand R M gebildet. Ferner ist ein Spannungsmessgerät 5 vorgesehen, das den durch die Widerstände RLI, RÜA, RM, RÜB und RL2 hervorgerufenen Gesamtspannungsabfall misst . Mit der in Figur 1 dargestellten Anordnung kann grundsätzlich der Materialwiderstand R M ermittelt werden, wenn die Leitungswiderstände R L i und R L 2 sowie die Übergangswiderstände RÜA und R ÜB bekannt sind. Der Materialwiderstand R M ist beispielsweise von Interesse, wenn zwischen den Messpunkten A und B eine Veränderung des Bauteils 3 erfasst werden soll, wie beispielsweise eine Rissentstehung und/oder eine Rissentwicklung. So nimmt der Materialwiderstand R M mit zunehmender Risstiefe zu, so dass beispielsweise basierend auf einem Vergleich der Materialwiderstände R MO R ohne Riss und R MM R mit Riss auf die Risstiefe geschlossen werden kann.
Ein Problem der Ermittlung des Materialwiderstandes R M mit der in Figur 1 dargestellten Schaltung tritt allerdings dann auf, wenn die Übergangswiderstände RÜA und RÜB nicht bekannt sind. Dies ist dann der Fall, wenn die Übergangswiderstände beispielsweise durch Schweißverbindungen gebildet werden. Der Einsatz von Schweißverbindungen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Bauteil 3 während der Durchführung des Messverfahrens Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ausgesetzt ist, da Schweißverbindungen derart hohen Temperaturen problemlos standhalten. Ein weiteres Problem tritt dann auf, wenn die elektrischen Leiter 1 und 2 eine sehr große Länge aufweisen, beispielsweise im Bereich von 5 bis 10 Metern, da der Materialwiderstand R M dann im Vergleich zu den Leitungswiderständen R LI und R L2 sehr gering ist, weshalb nur eine Präzisionsmessung die notwendige Auflösung erreichen würde, um den Materialwiderstand R M zu bestimmen. Leiter 1 und 2 mit großen Längen werden ebenfalls eingesetzt, wenn Messungen an einem Bauteil während des Maschinenbetriebs durchgeführt werden sollen und das Bauteil Betriebstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ausgesetzt ist, um die temperaturempfindliche Wechselstromquelle 4 ebenso wie das Spannungsmessgerät 5 entfernt vom Messort aufstellen zu können.
In den genannten Fällen ist der Einsatz der in Figur 1 ge- nannten Schaltung zur Bestimmung des Materialwiderstandes R M nicht oder nur mit unverhältnismäßig hohem Aufwand möglich.
Figur 2 zeigt eine Anordnung zum Ermitteln des Materialwiderstandes R M gemäß einer Ausführungsform eines erfindungsgemä- ßen Verfahrens, wobei das Verfahren auch dann einsetzbar ist, wenn die Übergangswiderstände RÜ zwischen den elektrischen Leitern und dem Bauteil unbekannt sind und/oder die Leitungswiderstände der elektrischen Leiter aufgrund einer sehr großen Länge der elektrischen Leiter im Vergleich zu dem Materi- alwiderstand R M sehr hoch sind, wie es nachfolgend beschrieben ist.
Figur 2 zeigt ein Bauteil 3, auf dessen Oberfläche analog zu Figur 1 an den Messpunkten A und B elektrische Leiter 1 und 2 im Abstand a befestigt sind. Zusätzlich zu den elektrischen Leitern 1 und 2 sind zwei weitere elektrische Leiter 7 und 8 an den Messpunkten C und D mit der Oberfläche des metallischen Bauteils 3 verbunden, wobei die Messpunkte B und D, D und C sowie C und A ebenfalls den Abstand a zueinander aufweisen, wodurch insgesamt eine flächige Anordnung in Form eines Quadrates gebildet wird. Die Diagonalen des Quadrates, die sich zwischen den Messpunkten B und C sowie A und D er- strecken, weisen jeweils den Abstand b auf. Die elektrischen Leiter 1, 2, 7 und 8 sind an den Messpunkten A, B, C und D jeweils Stoffschlüssig mit dem Bauteil 3 verbunden, beispielsweise mittels entsprechender Schweißverbindungen, und haben jeweils große Längen, zum Beispiel im Bereich von 5 bis 10 Metern.
Weist das Bauteil 3 im Bereich des Quadrates keine Bauteilfehler auf, wie etwa Risse oder dergleichen, so kann davon ausgegangen werden, dass der Materialwiderstand R M zwischen den Messpunkten A und B, B und D, D und C sowie C und A aufgrund des einheitlichen Abstands a gleich ist. Ferner kann davon ausgegangen werden, dass auch der Materialwiderstandes R M * zwischen den diagonal einander gegenüberliegenden Messpunkten A und D sowie B und C gleich ist. Fasst man ferner den Leitungswiderstand R Li und den Übergangswiderstand R ÜA ZU einem Widerstand R A , den Leitungswiderstand R L2 und den Übergangswiderstand R ÜB zu einem Widerstand R B , den Leitungswiderstand R L7 und den Übergangswiderstand R ÜC ZU einem Widerstand R c und den Leitungswiderstand R L8 und den Übergangswiderstand R ÜD zu einem Widerstand R D zusammen, so weist das Gesamtsystem sechs unbekannte Widerstände auf, und zwar die Widerstände
Zur Ermittlung des Materialwiderstandes R M oder des Material - Widerstandes R M * zwischen zwei Leitern wird in einem ersten Schritt zwischen den elektrischen Leitern 1 und 2 mittels einer Wechselstromquelle 4 ein Wechselstrom angelegt. Daraufhin wird unter Einsatz eines Spannungsmessgerätes 5 die über die Widerstände R A , R M und R B abfallende Spannung gemessen, wie es in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Damit wird ein erster Messwert Mi erhalten. In einem weiteren Schritt werden die elektrischen Leiter 1 und 7 mit der Wechselstromquelle 4 verbunden, woraufhin die über die Widerstände R A , R M und R c abfallende Spannung als Messergebnis M 2 erfasst wird. In weiteren Schritten werden nacheinander die elektrischen Leiter 2 und 8, die elektrischen Leiter 7 und 8, die elektrischen Leiter 1 und 8 sowie die elektrischen Leiter 2 und 7 mit der Wechselstromquelle 4 verbunden und die über die entsprechenden Widerstände abfallende Spannungen gemessen, wodurch sich die Messergebnisse M 3 , M 4 , M 5 und M 6 ergeben. Die Verbindung der einzelnen Leiter-Paare mit der Wechselstromquelle 4 erfolgt über entsprechende Schalter, auch wenn diese vorliegend der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt sind. Der Spannungsabfall wird unter Einsatz einer Wheatstoneschen- Messbrücke gemessen. Die Wheatstonesche-Brücke umfasst vorliegend die Widerstände Ri und R 2 , die einen ersten Spannungsteiler bilden und die Widerstände R 3 und R 4 , die einen zweiten Spannungsteiler bilden, wobei das Spannungsmessgerät 5 zwischen den beiden Spannungsteilern eine Querbeziehung herstellt. Der Widerstand Ri wird durch die zuvor beschriebenen geschalteten Leiter-Paarungen gebildet. Der Widerstand R 2 ist derart gewählt, dass er in etwa dem Widerstand Ri ent- spricht. Die Widerstände R 3 und R 4 sind jeweils doppelt so groß wie der Widerstand R 2 gewählt. Der wesentliche Vorteil einer solchen Wheatstoneschen-Brücke besteht darin, dass das Spannungs-Messsignal des Spannungsmessgerätes 5 verstärkt wird .
Basierend auf den Messergebnissen Mi bis M 6 können nunmehr sechs Gleichungen für die sechs unbekannten Widerstände R M , R M * , R A , R B , R C und R D aufgestellt werden. Diese sechs Gleichungen lauten:
2) M 2 = R A + R M + R c
4) — Rc + RM + RD
6) M 6 = R B + R M * + Rc
Dieses Gleichungssystem ist in dieser Form jedoch nicht lösbar, obwohl es genauso viele Gleichungen wie Unbekannte hat. Die Ursache dafür liegt in den ersten vier Gleichungen, welche die Seiten des Quadrats darstellen.
Dieses Problem kann auf zwei Weisen umgangen werden. Die erste Möglichkeit besteht darin, das in Figur 2 dargestellte System um zwei Messpunkte E und F derart zu erweitern, dass zwei benachbart positionierte Quadrate gebildet werden, wobei beide Quadrate eine einheitliche Kantenlänge a und eine gemeinsame Kante aufweisen. Mit den zwei zusätzlichen Messpunkten E und F ergibt sich ein Gleichungssystem mit elf Gleichungen und neun Unbekannten, das sich nach R M oder R M * auflösen lässt.
Eine zweite Möglichkeit, das Problem zu umgehen, besteht darin, dass R M * entsprechend der Geometrie vereinfacht angenähert wird als R M * = * R M
Dank dieser Vereinfachung können die nun verbleibenden fünf Unbekannten auf vier verschiedenen Wegen berechnet werden, je nachdem, welche der ersten vier Gleichungen bei der Berech- nung nicht berücksichtigt wird. Man erhält entsprechend auch einen Wert für R M für das Bauteil 3 ohne Riss, nachfolgend als R MO R bezeichnet. Im Anschluss an die erste Messung kann dann die Veränderung des Widerstands - beispielsweise infolge einer Rissentstehung innerhalb des durch die Messpunkte A, B, C und D definierten Quadrats - verfolgt werden, indem der dann für das einen Riss aufweisende Bauteil ermittelte Widerstand R MM R mit dem für das rissfreie Bauteil 3 ermittelten Widerstand R MO R verglichen wird. Basierend auf der Differenz der Widerstände R MO R und R MM R können dann Rückschlüsse auf die Risstiefe gezogen werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens be- steht darin, dass mit diesem eine Bauteilüberwachung auch während des Betriebs möglich ist, selbst wenn das Bauteil hohen Betriebstemperaturen von mehreren hundert Grad Celsius ausgesetzt ist. Dieser Vorteil ist dem Umstand geschuldet, dass das Verfahren bei unbekannten Übergangswiderständen und auch bei langen elektrischen Leitern durchführbar ist, weshalb temperaturbeständige Verbindungen zum Befestigen der elektrischen Leiter am Bauteil verwendet werden können und die temperaturempfindliche Messtechnik entfernt von der
Maschine angeordnet werden kann.
Der Einsatz von Wechselstrom ist aufgrund des damit einhergehenden Skin-Effekts von Vorteil, der den Stromfluss durch das Bauteil zur Bauteiloberfläche drängt, so dass das Verfahren auch bei großen Bauteilen problemlos durchführbar ist. Alternativ kann grundsätzlich auch Gleichstrom verwendet werden, wobei jedoch Wechselstrom bevorzugt wird.
Die Anordnung der Messpunkte in einem oder mehreren Quadraten bietet sich aufgrund der einheitlichen Kantenlänge a an. Es sollte allerdings klar sein, dass grundsätzlich auch andere flächige oder räumliche Anordnungen für die Messpunkte möglich sind.
Zudem können beliebig viele Messpunkte auch in Form einer Matrix verteilt über die gesamte Oberfläche eines Bauteils angeordnet werden können oder zumindest einen größeren Oberflächenbereich abdecken. Auf diese Weise lassen sich auch große Oberflächen überwachen. Ferner sollte klar sein, dass die Wheatstonesche Brückenschaltung durch andere Schaltungselemente ersetzt werden kann . Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so is die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .
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