DE3109445C2

DE3109445C2 - Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Rohrinnenoberfläche

Info

Publication number: DE3109445C2
Application number: DE3109445A
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Ing.(grad.) 3042 Munster Baden; Heinz 3101 Nienhof Daugart; Jürgen Ing.(grad.) 4000 Düsseldorf Flach; Rigobert Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Opitz
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1981-03-12
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3109445A1; US4507608A

Abstract

Verfahren zum Feststellen der Lage und Tiefe einer Un ebenheit einer Innenoberfläche eines Rohres mit Hilfe eines durch das Rohr fahrbaren und um die Rohrachse drehbaren Tastkopfes. Dessen Taster müssen bei bekannten Verfahren zum Messen an die Rohrwand heran und danach wieder von ihr weggebracht werden. Vom Tastkopf werden Signale einem Auswertegerät zugeleitet. Bei diesem mechanischen Abtasten können Fehler durch Reibung zwischen Taster und Rohrwand oder durch ein Verhaken des Tasters in einer Rohrauswaschung eintreten. Die Erfindung schafft ein induktives bzw. kapazitives Tiefentastverfahren, das berührungsfrei von der Rohrinnenwand arbeitet. Das wird beim induktiven Verfahren dadurch erreicht, daß, wie die Zeichnung zeigt, in einem mit Abstand von der Rohrinnenwand geführten Tastkopf eine Spule (2) eines Meßschwingsystems und um den Innenumfang des Rohres Spulen (1) eines Referenzschwingsystems angeordnet sind, und daß, nachdem die Frequenzen beider Schwingsysteme vor dem Messen in je einer Vervielfachungsschaltung (10, 7, 13 bzw. 11, 8, 14) auf einen gleichen vervielfachten Wert gebracht sind, die sich beim Messen einstellende Differenz der vervielfachten Frequenzen (f ↓1, f ↓2) in einem Analog-Digitalumwandler (18) umgewandelt wird und einem Mikroprozessor (19) als Signal bezüglich der Unebenheit und von diesem dem Auswertegerät (20) zugeleitet wird. Beim kapazitiven Tiefentastverfahren wird die Frequenzdifferenz durch Änderung der Kapazität der Schwingsysteme .........

Description

Um die Frequenzänderung des Meßschwingkreises erfassen zu können, wird dessen Frequenz vor der Messung an die Frequenz eines Referenzschwingkreises angeglichen. Der Referenzschwingkreis ist im gleichen Tastkopf untergebracht Beide Schwingkreise sind zum Angleichen vor Beginn des Messens im Rohr über einer intakten Stelle der Oberfläche in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Der Tastkopf mit den beiden Schwingkreisen ist in Richtung der Rohrlängsachse verfahrbar und um diese Achse schwenkbar. Der Referenzschwingkreis dient dazu, die grundsätzliche magnetische Kopplung im Bereich des Meßschwingkreises festzuhalten. Die Frequenz des Referenzschwingkreises ist die Frequenz der Referen^spulen. Sie dient als Basis für die Ermittlung der Frequenzänderung der beiden Schwingkreise.

Dadurch, daß die Spulen der Schwingkreise in unmittelbarer Machbarschaft im Tastkopf gehalten sind, werden einerseits eventuelle Meßfehler durch unterschiedliche Temperaturen am Rohr an den beiden Taststellen der Schwingkreise vermieden, andererseits wird es dadurch auch möglich, Rohroberflächen an Rohren mit wechselndem Querschnitt zu vermessen.

Erfindungsgemäß werden im Referenzschwingkreis Spulen gleicher Bauart verwendet, um Meßfehler aufgrund von Temperaturunterschieden in den Spulen zu vermeiden. Es können z. B. zwölf gleichartige Spulen sein.

Im Falle des kapazitiven Tiefentastverfahrens nach Anspruch 2 werden die Frequenzänderungen der Schwingkreise statt durch Änderung der Induktivität durch Änderung der Kapazität der Schwingkreise hervorgerufen. Die Kondensatorflächen im Tastkopf sind dabei durch Abstand voneinander isoliert Die auftretende Störkapazität geht dadurch als konstante Größe in die Auswertung ein.

Die Funktion des Verfahrens wird anhand der Figur, die ein Schaltbild des induktiven Tasters wiedergibt, nachstehend dargestellt.

Mit 1 sind He Spulen und mit 3 der Kondensator des Referenzschwingkreises, mit 2 die Spule und mit 4 der Kondensator des Meßschwingkreises dargestellt. In den beiden Schwingkreisen befinden sich die Rückkopplungsvcrstärker 5 und 6. Die Frequenz des z. B. mit 60 kHz schwingenden Referenzschwingsystems wird über die nachfolgende Frequenzvervie.'fachungsschaitung (phase locked loop), bestehend aus einem Phasendemodulator 10, einem Rückkopplungsverstärker 7 und dem Oszillator 13 sowie einem festen Frequenzteiler 15 auf eine vorher bestimmte hvi.here Frequenz /i von z. B. 100 MHz heraufgesetzt.

Der MePschwingkreis schwingt z, B mit einer Frequenz von 200 kHz, die in der nachfolgenden einstellbaren Frcquenzvervielfachungsschaltung (phase locked loop), bestehend aus dem Phasendemodulator 10, dem Rückkopplungsverstärker 8, dem Oszillator 14 und dem einstellbaren Frequenzteiler 16, vor Beginn des Messens auf den gleichen Wert h von 100 MHz eingestellt wird.

Die Frequenzen der beiden Schwingkreise sind deshalb unterschiedlich, weil zur Optimierung der Schwingkreisgütc der unterschiedlichen Schwingkreise aufgrund konstruktiv bedingter Unterschiede der einzelnen Spulen und dadurch erforderlicher unterschiedlicher Kapazitäten keine gleichen Frequenzen zu erwari.cn sind.

Ihre Umwandlung in sehr hohe Frequenzen von z. B. 100 M Hz ist erforderlich, weil dadurch das Teilungsverhältnis im phase locked loop sehr groß wird und somit eine bestmögliche Näherung beider Frequenzen gewährleistet ist, wodurch höhere Genauigkeit und besseres Auflösungsvermögen erreicht wird.

Bei Beginn der Messung liegt somit an dem Demodu-Iator 12 jeweils die gleich Frequenz jedes Schwingkreises. Diese Frequenzen werden im Demodulator 12 miteinander verglichen. Bei Frequenzänderung im Meßschwingkreis, wobei Schwebungen bzw. Phasenverschiebungen zwischen den beiden Frequenzen /i und h

ίο entstehen, ergibt sich somit ein Frequenzunterschied. Dieser wird einem Frequenz zu Spannungswandler 17 zugeführt, im Verstärker 19 verstärkt und im Analogdigitalwandler 18 als Frequenz-Phasenunterschied dem Mikroprozessor 19 zugeführt Der Frequenz-Spannungswandler wird ggf. durch einen Gleichrichter ersetzt, wenn die Regelung durch Phasenunterschiede realisiert wird bzv/. eine adäquate Gleichspannung zur AlD-Wandlung benötigt wird.

Im Mikroprozessor 19 ist bereits die sich aus der Feineinstellung der Frequenzen f\, h ergebende Kompensationsgröße gespeichert Diese , Vröße und der im Analogdigitalwandler 18 umgewandelt.-; Frequenzunterschied dient im Mikroprozessor 19 als Kriterium bezüglich der Tiefe der Unebenheit. Eine Phasenverschiebung der beiden Schwingkreise ändert ebenfalls diese FrequeriZ. Sie wird somit bei dem Verfahren berücksichtigt

Die Zeichnung zeigt dann noch den Umfangslagegeber 24 und den Längengeber 25, die ihre Werte ebenfalls an den Mikroprozessor 19 liefern, der dann die digitale Anzeige bezüglich Tiefenmessung, Rotation und Translation in das Auswertegerät 20 leitet, von dem aus es dann in einen Plotter, also einen ΧΎ-Schreiber 22, weitergeleitet wird. Mit 21 ist die Steuereinheit bezeichnet.

mit der das Gerät durch das Rohr hin- und hergefahren und der Tastkopf gedreht werden kann. Die dazu erforderliche Drehkupplung 23 ist nur in der vom Meßschwingkreis kommenden Leitung angedeutet Auch in der vom Referenzschwingkreis kommenden Leitung isi eine solche Drehkupplung eingesetzt.

	Bezugszeichenliste	Spule
	1	Spule
45	2	Kondensator
	3	Kondensator
	4	Rückkopplungsverstärker
	5	Rückkopplungsverstärker
	6	Rückkopplungsverstärker
50	7	Rückk-opplungsverstärker
	8	Rückkopplungsverstärker
	9	Phasendemodulator
	10	Phasendemodulator
	Ii	Demodulator
55	12	spannungsgesteuerter Oszillator
	13	spannungsgesteuerter Oszillator
	14	feste Frequenzteiler
	15	eins illbarer Frequenzteiler
	16	Frequenz zu Spannungswandler
60	17	Analog zu Digitalwandler
	18	Mikroprozessor
	19	Auswertegerät
	20	Steuergerät
	21	x/y-St^eiber
65	22	Drehkupplung
	23	Umfangslagegeber
	24	Längengeber
	25

A	Analog
D	Digital
ADC	Analog to Digital Converter
/ι	angepaßte Referenzfrequenz
h	angepaßte Meßfrequenz
π	Rückkopplungsteilerzahlen
m	Rückkopplungsteilerzahlen
O. Kalib.	Startkalibration für Rückkoppiungsteiler
	zahl — m

IO

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

30

35

40

50

55

60

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Innenoberfläche eines Rohres, bestehend aus einem außerhalb des Rohres angeordneten Steuergerät und einem Auswertegerät sowie einem im Rohr durch das Steuergerät kontinuierlich oder schrittweise fahrbaren und um die Rohrachse drehbaren Tastkopf, von dem Signale bezüglich seiner Längs- und Umfangslage im Rohr und bezüglich der Tiefe der Unebenheit an das Auswertegerät geleitet werden, durch das die Unebenheit nach Lage, Form und Tiefe dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit Abstand von der Rohrinnenoberfläche geführten Tastkopf eine in einem Meßschwingkreis liegende Spule (2) und in deren unmittelbarer Nähe im Tastkopf ein in einem Referenzschwingkreis liegender Spulensatz, restehend aus einer Mehrzahl rings um den Innenumfang des zu messenden Rohres angeordneten Referenzspulen (1), vorzugsweise gleicher Bauart, angeordnet sind, wobei vor Beginn des Messens die Frequenzen beider Schwingkreise über Frequenzvervielfachungsschaltungen (phase locked loop) auf einen nahezu gleichc-Λ höheren Wert gebracht sind und die vervielfachte Frequenz des Meßschwingkreises über eine Kompensationsschaltung mit einem einstellbaren Frequenzteiler (16) auf den exakt gleichen Wert der vervielfachten Frequenz des Referenzschwingkreises gebracht ist, und die sich aus dieser Feineinstellung ergebende Kompensationsgröße und die sich beim Messen einstellende Differenz der vervielfachten Frequenzen (f\, 6), die in einem Analogdigitalwandler (18) umgewandelt wird, einem Mikroprozessor (19) — als Signale bezüglich der Tiefe der Unebenheit — und von diesem dem Auswertegerät (29) zugeleitet werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Spulen der Schwingkreise die Kondensatoren der Schwingkreise die Signalaufnehmer für die Anzeige der Tiefe der Unebenheit des Rohres sind, wobei als erste Kondensatorfläche der Kondensatoren der Schwingkreise die Wand des zu messenden Rohres dient, während die zweite Kondensatorfläche des Kondensators (3) des Referenzschwingkreises aus einem mit Abstand um den Innenumfang des zu messenden Rohres verlaufenden Hohlzylinder und die zweite Kondensatorfläche des Kondensators (4) des Meßschwingkreises eine mit Abstand von der Rohrinnenwand angeordnete gewölbte Platte gebildet ist und die beiden im Tastkopf angeordneten Kondensatorflächen so voneinander isoliert sind, daß eine gegenseitige Beeinflussung der Kapazitäten von Referenzschwingkreis und Meßschwingkreis konstant ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein an das zu messende Rohr ansetzbares Einführrohr, das zugleich als Transport- und Lagerbehälter für den Tastkopf dient, der daraus in das zu messende Rohr einführbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät und das Auswertegerät sich an der dem zu messenden Rohr abgewandten Seite des Einführrohres befindet.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit der Innenoberfläche eines Rohres der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige, z. B. in der DE-OS 30 03 415 beschriebene Vorrichtung hat den Nachteil, daß ein mechanisches Abtastsystem mit der Rohrwand in Berührung kommt. Dabei können sich infolge Reibung Fehlmessungen ergeben und es kann auch ein Verha.';cn. der Tastfühler in Rohrauswaschungen o. dgl. erfolgen. Bedingt durch die mechanische Abtastung ist auch die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen relativ lang, da jeweils der Taster von der Rohrwand weg und nach seiner Lageveränderung wieder an die Rohrwand herangeisracht werden muß.

Aus der GB-OS 20 15 165 ist eine Vorrichtung zur Feststellung von Schadstellen am Innenumfang eines Rohres bekannt, bei der im Tastkopf entweder ein einziger Meßfühler oder um dessen Umfang verteilt mehrere Meßfühler angeordnet sind. Dabei ist jedem Fühler ein eigener Schaltkreis zugeordnet Ein Referenzsehwingkreis in unmittelbarer Nähe eines Meßschwingkreises im Tastkopf ist dort nicht vorhanden, so daß ein fehlerfreies Messen bei Änderung von Rohrtemperatur oder Rohrstärke mit dieser Vorrichtung nicht möglich ist.

Weiterhin ist aus einem Aufsatz in der Zeitschrift »Materialprüfung 1375«, No. 7, Seite 238 bis 239, ein Verfahren zur Wirbelstromprüfung dünnwandiger Rohre nach einem Mehrfrequenzverfahren bekannt. Dort wird nur eine einzige Prüfspule verwendet, in die unterschiedliche Prüffrequenzen eingespeist werden. Auf das wesentlich einfachere Verfahren der Zuordnung eines Referenzschwingkreises zu einem Meßschwingkrcis. ist daraus kein Hinweis zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher unter Vermeidung der genannten Nachteile eine Vorrichtung, bei der das Abtastsystem berührungsfrei von der Rohrinnenwand arbeitet, derart zu verbessern, daß die Meßzeit verkürzt wird und daß die Meßgensuigker bei störungsfreiem Meßbetrieb auch dann gewährleistet bleibt, wenn sieh die die Ausgangsinduktivität bestimmenden Beiwerte von Luft und Rohrmaterial ändern, was z. B. durch unterschiedliche Temperatur des Rohres über seine Lange oder über seinen Umfang oder durch unterschiedliche Wandstärke bedingt sein kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein magnetisches Tiefentastverfahren mit induktiver Hochfrequenzmessung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale und für ein kapaziiives Tiefentastverfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 genannten Merkmalen. Die weiteren Ansprüche nennen Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung.
Das im Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren arbeitet nach folgendem Prinzip:

Beim Vorhandensein einer Auswaschung an einer dem Meßschwingkreis gegenüberliegenden Stelle im Rohr wird an dieser Stelle der Feldverlauf der magnetischen Kraftlinien zwischen der Spule des Meßschwingkreises und der Rohrwand verändert, da sich wegen der größenordnungsmäßig unterschiedlichen Induktionsbeiwerte von Metall und Luft eine Änderung der Induktivität ergibt, die zu einer meßbaren Frequenzverschiebung führt. Diese Frequenzverschiebung ist eine Kunktion zur Tiefenänderung, d. h. zum Abstand der Rohrwand von der Spule, und kann daher über Umrechnungsfaktoren zur Errechnung der Tiefe der Auswaschung verwendet werden.