Detektion und Evaluation von Inhomogenitäten im Volumen und an inneren Grenzflächen in polymeren Isoliersystemen mittels Ultraschall

Walter, Philipp James Ludwig; Schnettler, Armin

doi:HT014968361

Detektion und Evaluation von Inhomogenitäten im Volumen und an inneren Grenzflächen in polymeren Isoliersystemen mittels Ultraschall = Detection and Evaluation of Inhomogeneities in the Volume and at Inner Interfaces in Polymeric Insulation Systems by means of Ultrasound

Walter, Philipp James Ludwig (Author)

2006 & 2007

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Philipp James Ludwig Walter

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2006

UmfangII, 153 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2006

Prüfungsjahr: 2006. - Publikationsjahr: 2007

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Schnettler, Armin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2006-12-11

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-17462
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/61615/files/Walter_Philipp.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochspannungstechnik (614210)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; Diagnostik (frei) ; Ultraschall (frei) ; Isolierstoff (frei) ; Polymere (frei) ; Grenzfläche (frei) ; Zustandsbwertung (frei) ; Isoliersystem (frei) ; Ultrasound (frei) ; Insulation (frei) ; Polymer (frei) ; Diagnostics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des Potenzials der Ultraschalldiagnostik zur Zustandsbewertung von polymeren Isoliersystemen. Es werden als Schädigungsformen singuläre Fehlstellen im Isoliervolumen sowie Inhomogenitäten an inneren Grenzflächen betrachtet, welche ein relevantes Schädigungspotenzial hinsichtlich der Isolationsfähigkeit aufweisen. Die Detektion solcher Inhomogenitäten und die Evaluation von den das Schädigungspotenzial bestimmenden Parametern, wie die Bestimmung der Größe eines singulären Fremdstoffeinschlusses und die Ermittlung einer Delamination an einer inneren Grenzfläche, sind in polymeren Isoliersystemen in der Vergangenheit mittels Ultraschall nicht ausreichend untersucht worden. In dieser Arbeit werden Verfahren für die Detektion und Evaluation der beschriebenen Fehlstellen vorgestellt. Im Rahmen der Arbeit wird ein Ultraschall-Messsystem verwendet, welches die automatisierte Durchführung von Ultraschall-Messungen erlaubt. Die zu untersuchenden Prüfkörper werden in der Tauchtechnik vermessen, wobei Wasser zur Ankopplung verwendet wird. Mittels der entwickelten Software DISCUS wird eine Weiterverarbeitung und Auswertung der Messergebnisse erreicht. Für die Bewertung der Größe einer detektierten Fehlstelle ist die Vergleichskörpermethode geeignet. Durch die Ermittlung der kugel- und kreisscheibenförmigen Ersatzreflektorgröße kann die voraussichtlich zu erwartende sowie die minimale Fehlergröße eines Lufteinschlusses, dessen Größe im Bereich von 0,2 mm bis 3 mm liegt, unabhängig von der Tiefenlage angegeben werden. Es werden Einflussgrößen auf die Größenbestimmung, wie die Art des betrachteten Silikonelastomers und die Temperatur, untersucht. Eine Aussage über das Material einer Fehlstelle kann durch die Auswertung der Phasenlage der reflektierten Echoimpulse erreicht werden. Informationen über die Geometrie und Orientierung einer Fehlstelle können durch die Anwendung eines Winkelprüfverfahrens gewonnen werden. Als Bewertungsverfahren wird die Dynamik der Reflektivität über dem Einschallwinkel vorgestellt. Hierbei müssen zunächst Grenzflächeneffekte, wie die Abhängigkeit der Echodurchlässigkeit vom Einschallwinkel oder die Brechung an der Oberfläche des Elastomers, berücksichtigt werden. Es wird gezeigt, dass eine Unterscheidung zwischen flächigen und kugelförmigen Inhomogenitäten unter Angabe der Vorzugsrichtung möglich ist. Hinsichtlich der Diagnostik von inneren Grenzflächen wird ein automatisiertes Verfahren entwickelt, welches auf einem normierten Korrelationsalgorithmus basiert und den an einer Delamination entstehenden Phasensprung durch Ermittlung des Ähnlichkeitsmaßes zwischen Echosignalen auswertet. Als Ergebnis liefert das Verfahren eine farbskalierte Korrelationskarte (K-Bild) der untersuchten Grenzfläche. Mittels des Verfahrens können an den Grenzflächen Silikon-Metall, Silikon-Epoxidharz und Epoxidharz-Metall in Abhängigkeit von der Dicke der über der Grenzfläche liegenden Schicht offene Delaminationen ab einer Größe von 1 mm sowie an der Grenzfläche angeordnete Fehlstellen ab einer Größe von 0,4 mm detektiert werden. Die Analyse der Leistungsfähigkeit der bereitgestellten Verfahren zeigt somit, dass eine Vielzahl von relevanten Einflüssen auf das Schädigungspotenzial einer Inhomogenität in polymeren Isoliersystemen untersucht und bewertet werden kann.

In this thesis, the appliance of ultrasonic diagnostics for the condition assessment of polymeric insulation systems is investigated. Especially, singular flaws in the insulation volume and inhomogeneities at inner material interfaces are regarded including a relevant risk potential concerning the isolation capability. The detection of such inhomogeneities and the evaluation of parameters that affect the risk potential like sizing of a singular flaw or determination of a delamination at an inner boundary are not well investigated yet. This thesis presents methods for the detection and evaluation of the inhomogeneities described above. An ultrasonic measurement system is used that allows automated measurements applying the immersion technique with water as acoustic coupling material. The data processing and interpretation of the measurement results are done with the developed software DISCUS. The reference block method is suited for sizing a detected and localised flaw. By evaluating the spherical and discoidal reference reflector size, the minimal and the expected dimension of an gas-filled void with a size in the range of 0,2 mm to 3 mm can be specified independent of the depth position. Furthermore, influencing parameters on the sizing result like kind of the regarded silicone rubber or temperature are analysed. Conclusions on the flaw material can be made by evaluating the phasing of the reflected ultrasonic impulses. Information of the flaw geometry and orientation are gained by setup the transducers in different angles. As an evaluation method, the dynamic of the reflectance over the intromission angle is presented. It can be shown that a differentiation between planelike and ball-shaped flaws is possible if the boundary specific effects are considered like dependence of intromission angle on the echo transmissibility or the refraction at the test piece surface. Regarding the diagnostic of inner material interfaces, an automated method is developed basing on a correlation algorithm. The method evaluates the phase jump resulting at a delamination by calculating the similarity measure of echo impulses. As a result the method provides a colour scaled correlation map (K-Scan) of the investigated material interface. Thereby, open delaminations with a diameter of 1 mm can be detected automatically at interfaces such as silicone - metal, silicone - epoxy resin and epoxy resin - metal, in dependence of the layer thickness above the interface. In addition, singular flaws at interfaces with a size of 0,4 mm can be detected. The capability analysis of the presented methods shows that a multitude of relevant influences on the risk potential of an inhomogeneity in polymeric insulation systems can be investigated and evaluated.

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