DE3802138A1 - Nachweissystem fuer materialfehler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein System für die Ermittlung von Ma­ terialfehlern und bezieht sich insbesondere auf ein Nachweis­ system zum Auffinden eines Defektes oder Fehlers in verschie­ denen Konstruktionen, insbesondere solchen Aufbauten wie bei chemischen Anlagen, Kernkraftanlagen usw.

Aufbauten beispielsweise in chemischen Anlagen, in welchen ein korrosives Fluid gehandhabt wird, und Kernkraftanlagen, in welchen die Sicherheit von besonderer Bedeutung ist, wei­ sen Teile auf, bei denen es notwendig ist, periodisch Unter­ suchungen durchzuführen für den Nachweis der Erzeugung von Aufbauunregelmäßigkeiten. Heutzutage verwendete Verfahren für solche Untersuchungen weisen das Messen der natürlichen Frequenz von Aufbauten, dem Objekt der Untersuchung, auf und umfassen das Schlaghämmertestverfahren, wonach ein Hämmern auf einen zu untersuchenden Aufbau durch einen Hammer ange­ wendet wird, der mit einem Kraftdetektor ausgestattet ist, und die natürliche Frequenz des Aufbaus wird bestimmt.

Wo es jedoch unerwünscht ist, den Aufbau entweder der Gefahr der Beeinträchtigung oder des Aufbringens eines übermäßigen Vibrationsgrades auszusetzen, ist das Schlaghämmertestverfah­ ren nicht verwendbar. Dieses Testverfahren kann auch nicht auf das Untersuchen von Aufbauten in Kernkraftanlagen abge­ stellt werden, wo mögliche Strahlungseffekte verhindern, daß sich das Personal den Aufbauten nähert.

Für die Untersuchung struktureller Regelwidrigkeiten ist auch vorgeschlagen worden, von einem piezoelektrischen Vibrations­ erreger Gebrauch zu machen. Der von diesem Vibrationserreger möglicherweise verwendete Frequenzbereich ist jedoch nur auf ein Hochfrequenzband beschränkt, und außerdem ist die Vibra­ tionserregerkapazität des Erregers relativ begrenzt. Deshalb ist dieses vorgeschlagene Verfahren nicht zur praktischen Be­ nutzung gekommen.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die vorstehend erwähn­ ten Probleme des Standes der Technik beseitigt werden, und es ist Aufgabe der Erfindung, ein Nachweissystem für Mate­ rialfehler zu schaffen, mit welchem Aufbauten nach allen mög­ lichen strukturellen Unregelmäßigkeiten untersucht werden können, ohne daß die Aufbauten, Objekt der Untersuchung, be­ schädigt werden oder eine unnötige oder übermäßige Vibration auf die Aufbauten aufgebracht wird.

Zweckmäßig ist es erfindungsgemäß auch, ein Nachweissystem für einen Materialfehler vorzusehen, mit welchem die Untersu­ chung zum Auffinden einer Strukturanormalität in wirksamer Weise nicht nur bei Aufbauten in chemischen Anlagen und Kern­ kraftanlagen erfolgen kann sondern auch bei im wesentlichen allen anderen Aufbauten, wie z.B. kleinen und großen Schif­ fen, Booten, Brücken usw.

Günstig ist es gemäß der Erfindung ferner, ein System zum Auffinden eines Aufbaudefektes vorzusehen, dessen Betrieb ferngesteuert werden kann.

Die vorliegende Erfindung löst die vorstehende Aufgabe und erreicht die Vorteile durch Schaffung eines Nachweissystems für Materialfehler, welches einen Vibrationserreger und einen Vibrationssensor aufweist, die lösbar im Abstand an einem zu untersuchenden Aufbau angebracht werden sollen, wodurch die Vibrationswellen, die in Abhängigkeit von der von dem Vibra­ tionserreger erregten Vibration erzeugt sind und sich durch den Aufbau ausgebreitet haben und vom Vibrationssensor aus­ findig gemacht wurden, analysiert werden, um einen Defekt oder Fehler in dem Aufbau zu ermitteln, wobei das System da­ durch gekennzeichnet ist, daß für den Vibrationserreger ein piezoelektrischer Beschleunigungsmesser verwendet wird.

Somit ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem piezoelektrischen Beschleunigungsmesser nicht nur für ihre ursprüngliche oder normale Gebrauchsfähigkeit als ein Vibrometer oder Vibrationssensor sondern auch für einen Vi­ brationserreger Gebrauch macht.

Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser für die Benutzung gemäß der vorliegenden Erfindung sollte vorzugsweise ein sol­ cher sein, der einen breiten Bereich des nützlichen Frequenz­ bandes (1 Hz bis 10 KHz) hat und zusätzlich nicht irgendeine unnötige oder übermäßige Vibration auf einen zu untersuchen­ den Aufbau aufbringt. Ein Beispiel nützlicher piezoelektri­ scher Beschleunigungsmesser ist der hochempfindliche Be­ schleunigungsmesser vom Typ 213 E, der im Handel erhältlich ist bei der Firma ENDEVCO Corporation (U.S.A.).

Der piezoelektrische Beschleunigungsmesser ist über einen Im­ pulstreiber derart mit einem Vibrationssignalgenerator ver­ bunden, daß die Vibration durch gepulste Signale erregt wer­ den kann, die durch den Vibrationssignalgenerator erzeugt sind, der vorzugsweise eine Kapazität zur Erzeugung von 20 bis 10 000 gepulster Signale pro Sekunde haben sollte.

Für den Vibrationssensor, der zum Abfühlen von Vibrationswel­ len vorgesehen ist, die sich durch einen zu untersuchenden Aufbau ausbreiten, wird ein piezoelektrischer Beschleunigungs­ messer verwendet, wie es bei dem vorstehend erwähnten Vibra­ tionserreger der Fall ist.

Nach dem Abfühlen von Vibrationswellen gibt der Vibrations­ sensor Signale ab, die zu einem Ladeverstärker geschickt und von diesem verstärkt werden und dann einem Datenaufzeichner und/oder einer FFT-Analysiereinrichtung (fast Fourier trans­ form analyzer = schneller Fourier-Transformatoranalysator) zugeführt werden, welchem auch die von dem Vibrationssignalge­ nerator erzeugten gepulsten Signale zugeführt werden.

Der Ladeverstärker hat dieselbe Kanalanzahl wie der Vibra­ tionssensor, der lösbar an dem zu untersuchenden Aufbau ange­ bracht werden soll. Der Datenrekorder hat eine Kanalanzahl gleich einer Menge der Kanalzahl des Vibrationserregers und der des Vibrationssensors, die lösbar an dem Aufbau, welcher Gegenstand der Untersuchung ist, angebracht werden sollen.

Der FFT-Analysator wird für die Analyse der Wellenform der Signale verwendet, die vom Vibrationssensor geschickt werden. Während die Untersuchung einer möglichen Strukturabnormalität in einem Aufbau unter Bezugnahme auf die Wellenform oder auf der Wellenform basierend durchgeführt wird, welche vom FFT- Analysator analysiert wird, wird das Ergebnis der Wellenform­ analyse in einer Kontrolleinrichtung oder von einer Kontroll­ einrichtung gespeichert, wie z.B. einem Mikrorechner, und wird auch von einem Plotter für eine schematische Verarbei­ tung verarbeitet.

Das System gemäß der vorliegenden Erfindung weist auch eine Auswahleinrichtung auf, die eine Funktion hat, eine Auswahl zwischen einer abhängigen (direkt angeschlossenen) und unab­ hängigen (nicht angeschlossenen) Seite durchzuführen, und auch eine Funktion, um wahlweise Daten von jedem beliebigen zweier Kanäle aufzunehmen.

Die vorstehenden und anderen Aufbaumerkmale, Betriebsmerkmale und Ergebnisse der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer nachfolgend angegebenen aus­ führlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Ver­ bindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 ein Systemdiagramm eines Nachweissystems für Material­ fehler mit der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 2 die Darstellung einer bevorzugten Anordnung von Vi­ brationserreger und Vibrationssensor im Abstand.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugszahl 3 einen Aufbau, das Ob­ jekt für die beabsichtigte Untersuchung einer strukturellen Regelwidrigkeit, an welchem zwei Vibrationserreger 4 ₁ und 4 ₂ und sechs Vibrationssensoren 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄, 5 ₅ und 5₆ ent­ fernbar angebracht sind.

Die Vibrationserreger und Vibrationssensoren sind in einer speziellen Abstandsanordnung vorgesehen. Gemäß Fig. 2 sind ein Vibrationserreger 4 und ein Vibrationssensor 5 auf gegen­ überliegenden Seiten eines Punktes oder eines Bereiches 3 a auf dem Aufbau 3 angeordnet, von dem man erwartet, daß eine Verringerung der Plattendicke des Aufbaumaterials erfolgt ist, z.B. infolge Korrosion oder der Erzeugung eines Bruches oder dergleichen Fehler. Es ist gefunden worden, daß der Vi­ brationserreger 4 und der Vibrationssensor 5 vorzugsweise einen Abstand voneinander haben sollten von bis zu 5 m ein­ schließlich. Für jeden der Vibrationserreger 4 ₁ und 4 ₂ be­ nutzte man einen piezoelektrischen Beschleunigungsmesser mit einem Frequenzband in einem Bereich von 1 Hz bis 10 KHz, der nicht dazu neigt, irgendeine unnötige oder übermäßige Vibra­ tion auf den Aufbau 3 aufzubringen. Ein piezoelektrischer Be­ schleunigungsmesser mit derselben Funktion wie der für die Vibrationserreger wird auch für jeden der Vibrationssensoren 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄, 5 ₅ und 5 ₆ verwendet.

In Fig. 1 ist auch ein Vibrationssignalgenerator mit der Be­ zugszahl 1 gezeigt, der 20 bis 10 000 gepulste Signale pro Sekunde erzeugt. Die von diesem Signalgenerator 1 erzeugten Signale werden über ein Kabel 13 in einen Impulstreiber 2 ge­ geben. Der Impulstreiber 2 weist zwei Ladeverstärker 2 a und 2 b auf, von denen der bei 2 a gezeigte über ein Kabel 14 ₁ mit dem Vibrationserreger 4 ₁ verbunden ist, während der andere 2 b durch ein Kabel 14 ₂ mit dem Vibrationserreger 4 ₂ verbunden ist.

Mit 6 ist ein Sechskanalverstärker gezeigt, mit dessen Ein­ gangsseitige die Vibrationssensoren 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄, 5 ₅ bzw. 5 ₆ über Kabel 15 ₁, 15 ₂, 15 ₃, 15 ₄, 15 ₅ bzw. 15 ₆ verbunden sind.

Die Bezugszahl 7 veranschaulicht einen Achtkanaldatenrekorder oder -aufzeichner, in welchen über Kabel 16 ₁, 16 ₂, 16 ₃, 16 ₄, 16 ₅ und 16 ₆ die Signale eingegeben werden, welche über den Verstärker 6 verstärkt sind. Auch die von dem Vibrationssig­ nalgenerator 1 erzeugten Impulssignale werden über ein Kabel 17, welches vom Kabel 13 abzweigt, in den Datenrekorder 7 eingegeben.

Die Bezugszahl 8 zeigt eine Auswähleinrichtung (Selektor), die gemäß ihrer Funktion wahlweise Daten aus zwei Zusatzka­ nälen aufnimmt und eine Funktion hat, um eine Auswahl zwi­ schen einer abhängigen (direkt angeschlossenen) und einer un­ abhängigen (nicht angeschlossenen) Seite zu bewirken. Das heißt, diese Auswähleinrichtung 8 weist ein erstes Auswähl­ teil 8 a auf, welches die Auswahl zwischen der abhängigen Sei­ te und der unabhängigen Seite durchführt und mit welcher die Ausgangsseite des Datenrekorders 7 über Kabel 18 ₁ 18 ₂, 18 ₃, 18 ₄, 18 ₅ und 18 ₆ verbunden ist. Kabel 19 ₁, 19 ₂, 19 ₃, 19 ₄, 19 ₅ und 19 ₆, die von Kabeln 16 ₁, 16 ₂, 16 ₃, 16 ₄, 16 ₅ und 16 ₆ jeweils abgezweigt sind, und ein Kabel 20, welches vom Kabel 13 abgezweigt ist, sind auch mit dem ersten Auswählteil 8 a verbunden. Die Auswähleinrichtung 8 weist auch ein zweites Auswählteil 8 b auf, welches über auf Wunsch 2 (Englisch: op­ tional 2) Kanäle bzw. zwei Zusatzkanäle wahlweise Daten auf­ nimmt und mit welchem über ein Kabel 21 eine FFT-Analysator­ einrichtung 9 verbunden ist.

Bei 11 ist in Fig. 1 ein Steuergerät mit einer eingebauten Schnittstelle gezeigt. Dieses Steuergerät 11 ist über ein Ka­ bel 22 mit dem FFT-Analysegerät 9, durch ein Kabel 23 mit einem Plotter 12 und auch über ein Kabel 24 mit einem FD- Treiber verbunden. Das FFT-Analysegerät ist durch ein Kabel 26 auch mit dem Plotter 12 verbunden.

Das vorstehend beschriebene Nachweissystem für Materialfehler arbeitet gemäß der Erfindung wie folgt. Um eine komplizierte Beschreibung zu vermeiden, ist hier vorgesehen, daß in Ver­ bindung mit dem Vibrationserreger 4 und dem Vibrationssensor 5 der bei 4 ₁ gezeigte Erreger und der bei 5 ₁ gezeigte Sensor allein betrieben werden. Es wird auch angenommen, daß das er­ ste Auswahlglied 8 a konstant mit der abhängigen (direkt ange­ schlossenen, on-line) Seite verbunden ist.

Unter den vorstehenden Bedingungen wird das System betrieben, und dann werden von dem Vibrationssignalgenerator 1 gepulste Signale erzeugt, die vom Impulstreiber 2 verstärkt werden und dann zum Vibrationserreger 4 ₁ überführt werden, um dieses Glied 4 ₁ zur Erregung zu veranlassen. Die Vibration des Erre­ gers 4 ₁ wird über den Aufbau 3 ausgebreitet und vom Vibra­ tionssensor 5 ₁ abgefühlt.

Die von dem Sensor 5 ₁ abgefühlten Vibrationssignale werden über den Verstärker 6 verstärkt, in die FFT-Analyseeinrich­ tung 9 eingegeben, zu einer Wellenformanalyse durch diese Analyseeinrichtung 9 gebracht und dann im Steuergerät 11 ge­ speichert. Auch die für die Wellenformanalyse von der Analy­ siereinrichtung 9 gebrachten Daten werden auch einer schema­ tischen Verarbeitung durch den Plotter 12 unterworfen.

Ebenso wie die Vibrationssignale, die vom Vibrationssensor 5 ₁ abgefühlt sind, werden auch die gepulsten Signale, die von dem Vibrationssignalgenerator 1 erzeugt werden, selbst für eine Wellenformanalyse durch die FFT-Analyseeinrichtung ver­ arbeitet, dann im Steuergerät 11 gespeichert und zur gleichen Zeit für eine schematische Verarbeitung durch den Plotter 12 verarbeitet.

Es kann auch zweckmäßig sein, einmal die anfänglich erhalte­ nen Daten gemäß Vorstehendem dadurch zu speichern, daß man sie auf dem Datenrekorder 7 in einem Zustand aufzeichnet, in welchem die Verbindung des ersten Auswählgliedes 8 a auf die nicht angeschlossene, unabhängige Seite geschaltet ist, wenn neue Daten nach einer gewissen Zeitdauer gesammelt werden, wobei die Daten zur Analyse gebracht werden. In diesem Falle kann das System nach der gewissen Zeitdauer ein zweites Mal unter denselben Bedingungen wie unter denen betrieben werden, die anfänglich oder für eine erste Untersuchung da waren, um Daten auf den Signalen zu sammeln, welche von dem Vibrations­ signalgenerator 1 erzeugt sind, und Daten auf den Vibrations­ signalen, die vom Vibrationssensor 5 abgefühlt sind, um eine Vergleichsprüfung der neu gesammelten Daten mit den anfäng­ lich gesammelten und zuvor gespeicherten Daten durchzuführen.

Somit ist es möglich, jede Änderung der natürlichen Frequenz oder der Antwortcharakteristik auf die Vibration des Aufbaues zu bestimmen, um dadurch in wirksamer Weise jeglichen Defekt oder Fehler ausfindig zu machen, der in dem Aufbau erzeugt werden soll.

Obwohl die vorstehende Beschreibung des bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispieles der Erfindung bei dieser Bezugnahme nur auf das Beispiel beschränkt ist, bei welchem der Vibrationserre­ ger 4 ₁ und der Vibrationssensor 5 ₁ alleine betrieben werden, versteht es sich, daß die zwei Vibrationserreger 4 ₁ und 4 ₂ und die sechs Vibrationssensoren 5 ₁, 5 ₂, 5 ₃, 5 ₄, 5 ₅ und 5 ₆ in geeigneter Weise wahlweise kombiniert und für den Betrieb genommen werden können, um genau eine Stelle oder Stellen eines Defektes oder Fehlers im Aufbau zu lokalisieren.

Claims (2)

1. System für den Nachweis von Materialfehlern, mit einem Vi­ brationserreger und einem Vibrationssensor, die im Abstand an einem zu untersuchenden Aufbau lösbar anbringbar sind, durch welche die in Abhängigkeit von der durch den Vibra­ tionserreger erregten Vibration erzeugten Wellen, welche sich durch den Aufbau ausbreiten und von dem Vibrations­ sensor ermittelt sind, analysiert werden, um einen Defekt oder Fehler im Aufbau ausfindig zu machen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß für den Vibrationserreger ein piezoelektri­ scher Beschleunigungsmesser verwendbar ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vibrationserreger einen über einen Impulstreiber mit die­ sem verbundenen Vibrationssignalgenerator aufweist.