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I. Anwendungsgebiet
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Die Erfindung betrifft das Vermessen von Rohren auf Rundheit und Geradheit mit einem berührungslosen optischen Prüfverfahren.
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II. Technischer Hintergrund
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Vor allem Rohre, die im Vergleich zu ihrer Wandstärke einen großen Durchmesser haben, beispielsweise Rohre für Pipelines, müssen hohe Anforderungen an die Rundheit und Geradheit erfüllen, damit nach dem Verschweißen zu einer durchgehenden Rohrleitung die auftretenden Spannungen in einem vorher definierten Rahmen bleiben.
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Darüber hinaus ist die Rundheit und Geradheit der Rohre in aller Regel auch ein vom Käufer vorgegebenes und vom Lieferanten zugesichertes Qualitätskriterium, welches nachhaltig auch den Preis des Rohres bestimmt und deshalb vom Lieferanten oder seinem Kunden überprüft wird.
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Die Prüfung auf Geradheit wurde dabei bisher in der Regel mechanisch mittels eines angelegten Lineals einer definierten Länge durchgeführt, und der maximale Abstand des Lineals zur Rohraußenfläche ermittelt, vorzugsweise an mehreren Längspositonen des Rohres und mehreren Umfangspositionen.
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Die Umfangskontur des Rohres wurde bisher entweder mittels mechanischer Taster oder Anlegens von Prüfschablonen, ebenfalls wiederum an mehreren Längspositionen, durchgeführt.
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Neben dem hohen zeitlichen Aufwand und den benötigten Arbeitskräften hierfür bedeutete vor allem die Dokumentation der festgestellten Prüfergebnisse einen umso höheren Aufwand, je weniger das Prüfverfahren automatisiert war.
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Darüber hinaus waren bei den bekannten Verfahren auch Grenzen hinsichtlich der Prüfgenauigkeit gegeben, die als nicht mehr ausreichend empfunden wurden.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Es ist daher die Aufgabe gemäß der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur berührungslosen, optischen Prüfung von Rohren durchzuführen, die hochgenau arbeitet, automatisch abläuft, einen geringen Personalaufwand erfordert und eine optimale Dokumentation ermöglicht und nach Möglichkeit weitere Prüfungen beinhaltet.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Vorrichtung zum Prüfen der Rohre besteht zunächst einmal aus einer Auflagevorrichtung. Diese Auflagevorrichtung sollte selbstzentrierend ausgebildet sein, also hinsichtlich der Querschnittsrichtung des Rohres das Rohr immer auf der in Längsrichtung verlaufenden vertikalen Mittelebene der Auflagevorrichtung zentrieren.
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Häufig ist diese Auflagevorrichtung eine Rollenbahn aus hintereinander liegenden Rollen, die eine konkave oder V-förmige, und dadurch selbst zentrierende, Auflagefläche haben, sodass das Rohr immer genau in der Mitte der Rollenbahn aufliegt.
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Wenn einige oder alle Rollen der Rollenbahn angetrieben sind, kann das Rohr entlang der Rollenbahn während der Vermessung transportiert werden.
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Um die Position des zu vermessenden Rohres herum ist ein – meist ringförmig geschlossenes – Portal angeordnet, welches die für die Vermessung benötigten Sensoren trägt. Das Portal befindet sich vorzugsweise in einer Querebene, die genau lotrecht zur Längsrichtung der Auflagevorrichtung verläuft, der sogenannten Portalebene.
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Zum einen sind über dem Umfang des Portals verteilt eine Vielzahl von optischen, auf den Mittelpunkt des Portals gerichteten, Rundheitssensoren angeordnet, die dementsprechend vorzugsweise am Innenumfang des Portals angeordnet sind, der selbstverständlich größer ist, als der Durchmesser des größten zu vermessenden Rohres, welches sich ja durch den Ring aus Sensoren hindurch erstrecken soll.
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Diese optischen Umfangssensoren können jeweils ein Umfangssegment des Rohres hinsichtlich Kontur und Entfernung zum optischen Sensor berührungslos abtasten. Die Auswerteeinheit, die die Daten von allen optischen Sensoren erhält, ist in der Lage, vorzugsweise in Echtzeit, aus den Daten dieser Sensoren die vollständige Umfangskontur rechnerisch zusammen zu setzen.
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Da das Rohr während der Vermessung relativ zu dem Portal gesteuert verfahrbar ist, und vorzugsweise auch während der Messung kontinuierlich verfahren wird, kann die Auswerteeinheit die Rundheit des Außenumfanges des Rohres an jeder beliebigen Stelle und vorzugsweise lückenlos über die gesamte Länge des Rohres ermitteln, sofern das Rohr in seiner gesamten Länge durch das Portal bewegt wird und dabei vermessen wird.
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Hierzu benötigt die Auswerteeinheit vorzugsweise auch die Relativgeschwindigkeit des Rohres zum Portal in Längsrichtung, falls sich dieses während der Messung bewegt.
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Um zusätzlich auch die Geradheit des Rohres zu bestimmen, ist im Abstand vor und nach der Portalebene jeweils wenigstens ein optischer Geradheitssensor vorhanden, besser wenigstens zwei Geradheitssensoren sowohl in der Vorebene als auch in der Nachebene, und vorzugsweise über einen Winkel von etwa 90° zueinander versetzt.
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Bei diesen Geradheitssensoren kann es sich um die gleichen optischen Sensoren wie die Rundheitssensoren handeln, indem sie ebenfalls jeweils ein bestimmtes Umfangssegment des Außenumfanges des Rohres berührungslos abzutasten in der Lage sind, jedoch in der zur Portalebene beabstandeten Vorebene oder Nachebene.
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Aus dem radialen Versatz der in der Vor- und Nachebene ermittelten Umfangssegmente des Rohres zu den analogen Segmenten in der Portalebene kann die Abweichung des Rohres von der Geraden ermittelt werden.
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Die optischen Sensoren, also vorzugsweise sowohl die Umfangs- als auch die Geradheitssensoren, arbeiten nach dem Lichtschnitt-Triangulationsverfahren, und geben einen in der Querebene aufgefächerten Lichtstrahl, in der Regel Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines eingegrenzten Wellenlängenbereiches, bspw. Laserlicht, auf den Außenumfang des Rohres ab und detektieren die von dort auf die optische Sensorfläche reflektierte Lichtlinie. Aus der Lage der Lichtlinie auf der optischen Sensorfläche kann der Abstand des beleuchteten Objektes vom Sensor ermittelt werden, und aus der Form der Lichtlinie die Kontur des abgetasteten Umfangssegmentes.
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Damit mit der Vorrichtung Rohre unterschiedlichen Durchmessers vermessen werden können, ist das Portal mit allen Sensoren in einer Querrichtung zur Längsrichtung verstell- und justierbar.
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Der freie innere Durchgang des Portals ist dabei so groß gewählt, dass auch bei einer Portaleinstellung in Querrichtung auf das kleinstmögliche zu vermessende Rohr ein dann fälschlicherweise ankommendes größtmögliches zu vermessendes Rohr noch nicht mit dem Portal und insbesondere nicht mit den daran befestigten optischen Sensoren kollidiert.
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Die optischen Sensoren sind dabei so ausgebildet, dass sie Messungen mit mehreren Belichtungsstufen, vorzugsweise kurz hintereinander, durchführen können, da häufig nur Aufnahmen bei einer bestimmten Belichtungsstärke ein verwertbares Bild ergeben, während zu starke oder zu schwache Beleuchtung keine auswertbare Lichtlinie auf der optischen Sensorfläche ergibt.
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Der Fächerwinkel des aufgespreizten Lichtfächers der optischen Umfangssensoren ist dabei in Relation zum Umfang des größtmöglichen zu vermessenden Rohres so festgelegt, dass sich die Auftreffbereiche der Lichtfächer auf dem Rohrumfang auch beim größtmöglichen Rohr in Umfangsrichtung noch mindestens berühren, vorzugsweise geringfügig überlappen.
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Bei kleineren zu vermessenden Rohren wird somit der Überlappungsbereich immer größer, denn vorzugsweise wird die Position der Umfangssensoren in radialer Richtung im Portal nicht verändert, unabhängig von der Größe des zu vermessenden Rohres.
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Dies kann dazu führen, dass sich bei kleineren zu vermessenden Rohren die Lichtfächer benachbarter optischer Sensoren sehr stark in Umfangsrichtung überlappen, und sogar der Lichtfächer eines Sensors mit dem Lichtfächer des übernächsten Sensors überlappen kann.
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Um dabei Fehlmessungen zu vermeiden, werden die Umfangssensoren so in Gruppen eingeteilt, dass Sensoren, deren Auftreffbereiche sich in Umfangsrichtung berühren oder überlappen, nicht der gleichen Gruppe angehören, also insbesondere zwei in Umfangsrichtung benachbarte Sensoren nicht der gleichen Gruppe angehören.
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Mit dieser Gruppeneinteilung ist es möglich, dass die Sensoren der gesamten Gruppe gleichzeitig, aber zeitversetzt zu den Aufnahmen einer anderen Gruppe, Messaufnahmen anfertigen, ohne dass es zu Fehlmessungen durch Überlappung der Auftreffbereiche kommt.
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Die Vorgehensweise beim berührungslosen optischen Prüfen der Rohre besteht somit darin, dass für die Rundheitsprüfung eine Vielzahl von in einer Querebene des Rohres liegender Umfangssegmente des Außenumfanges des Rohres optisch hinsichtlich Form und Lage im Raum abgetastet wird und diese Umfangssegmente rechnerisch von der Auswerteeinheit zu einer geschlossenen Umfangskontur zusammengesetzt wird. Diese Ist-Umfangskontur zeigt dann die Abweichungen von der in der Regel exakt kreisförmigen Soll-Umfangskontur.
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Die Geradheit des Rohres wird von in der Regel zwei um 90° um die Rohrmitte gedrehten Längsebenen ermittelt:
In jeder Längsebene werden vor und nach einer Mittelebene, meist die Portalebene, Punkte, vorzugsweise ganze Segmente, auf dem Außenumfang des Rohres bestimmt und mit dem analogen Punkt oder Segment in der mittleren Querebene, in der Regel der Portalebene, verglichen.
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Liegt der Punkt oder das Segment der mittleren Ebene nicht genau auf der Verbindungslinie zwischen den entsprechenden Punkten oder Segmenten der Vorebene und Nachebene, so ist das Rohr in diesem Bereich nicht gerade oder entsprechend gekrümmt in der jeweiligen Längsebene.
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Um die Krümmung um zwei aufeinander senkrecht stehenden Längsebenen gleichzeitig ermitteln zu können, wird diese Geradheitsmessung gleichzeitig an zwei in Umfangsrichtung um 90° beabstandeten Stellen durchgeführt. Dabei sind konkret zwei unterschiedliche Vorgehensweisen für die Geradheitsprüfung möglich:
Entweder werden die ermittelten Umfangspunkte oder Umfangssegmente direkt für die Bestimmung der Geradheit, oder besser gesagt Abweichung von der Geradheit, herangezogen. Dies stellt dann allerdings die Abweichung der Geradheit an dieser konkreten Stelle des Rohrumfanges und an dieser konkreten Stelle der Rohrlänge dar.
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In der Regel möchte man jedoch die Abweichung der Rohrmitte von der Geraden bestimmen. Hierfür wird dann so vorgegangen, dass in der Vor- und Nachebene jeweils zwei Umfangssegmente, vorzugsweise um 90° in Umfangsrichtung beabstandet, des Rohraußenumfanges abgetastet werden. In der Mittelebene, der Portalebene, wird dagegen der gesamte Außenumfang des Rohres abgetastet, und damit dessen gesamte Umfangskontur bestimmt, aus der auch rein rechnerisch der Rohrmittelpunkt in dieser Portalebene bestimmt werden kann.
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Die in der Portalebene rechnerisch ermittelte Umfangskontur des Rohres einschließlich deren Mittelpunkt wird nun – rechnerisch – in der Vor- und Nachebene in Übereinstimmung mit den dort konkret bestimmten Umfangssegmenten gebracht und der daraus sich in der Vor- und Nachebene ergebende Rohrmittelpunkt, mit dem sich in der Portalebene errechneten Rohrmittelpunkt verglichen. Dies ergibt die Abweichung der Rohrmitte von der geometrischen Geraden in diesem Längenabschnitt.
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Für die Messung, insbesondere für die Rundheitsmessung, wird der Mittelpunkt der optischen Rundheitssensoren, also den Mittelpunkt des Portals auf die Mitte des zu vermessenden Rohres eingestellt, was dadurch notwendig wird, da sich die Rohrmitte zur Auflagevorrichtung mit dem Durchmesser des Rohres ändert. Um den Außenumfang des Rohres in einer bestimmten Querebene möglichst genau zu ermitteln, werden die Überlappungsbereiche der ermittelten einzelnen Umfangssegmente einerseits zur Aneinanderreihung der gemessenen Segmente verwendet und andererseits zur Überprüfung der richtigen Kalibrierung der einzelnen Sensoren:
Bedingt durch Messungenauigkeiten werden die einander in Umfangsrichtung überlappenden Bereiche von ermittelten Umfangssegmenten nie 100%ig genau übereinstimmen. Diese Überlappungsbereiche werden rechnerisch so gemittelt, dass sich eine geschlossene durchgehende Ist-Umfangskontur ergibt, beispielsweise werden die Überlappungsbereiche einfach geometrisch gemittelt.
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Allerdings wird detektiert, wie weit die beiden Segmente im Überlappungsbereich auseinander liegen, und wenn der Abstand – gegebenenfalls getrennt festgelegt für die radiale und/oder Längsrichtung – weiter auseinander liegen als ein vorgegebener Grenzwert, so wird dies als unzureichende Kalibrierung der beteiligten Sensoren interpretiert und eine Warnung ausgegeben um diese neu zu kalibrieren.
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Um Messfehler zu vermeiden werden die Sensoren – wie oben bereits bei der Vorrichtung erwähnt – gruppenweise aktiviert, wobei die Sensoren so in Gruppen eingeteilt sind, dass sich die Auftreffbereiche der Sensoren einer Gruppe von Sensoren gerade nicht in Umfangsrichtung überlappen.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Umfangssensoren alle gleichzeitig messen, also aktiviert werden, aber die einzelnen Gruppen von Sensoren mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen oder Wellenlängenbereichen arbeiten, und der jeweiligen optischen Sensorfläche ein entsprechender Wellenlängen-Filter vorgelagert ist, sodass trotz Überlagerung benachbarter Auftreffbereiche eine optische Sensorfläche kein Licht mit der anderen Wellenlänge des benachbarten Sensors aufzeichnet.
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Je nach Aufstellung kann insbesondere die Rundheit des Rohres lückenlos über die gesamte Länge des Rohres ermittelt werden. Dies erfordert Messungen in Abständen, die geringer sind als die Breite der Lichtlinie, wobei dann vorzugsweise das Rohr vermessen wird, während es kontinuierlich in Längsrichtung relativ zur Messvorrichtung bewegt wird.
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Ist dagegen eine Ermittlung der Außenkontur in bestimmten, größeren Abständen ausreichend, so kann dies ebenfalls bei kontinuierlich längs bewegtem Rohr erfolgen, oder das Rohr wird mit der jeweiligen Längsposition in die Messvorrichtung gefahren und für die Messung angehalten.
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Um die Messgenauigkeit vor allem bei einer kontinuierlichen Rundheitsprüfung weiter zu erhöhen, können die optischen Sensoren mit einer höheren Frequenz arbeiten, als der vorgegebenen Prüffrequenz, und die bei der höheren Frequenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten gemessenen Umfangskonturen des gleichen Segments miteinander verrechnet, wodurch einzelne Ausreißer bei der Messung besser eliminiert werden können.
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Zusätzlich muss versucht werden, weitere Fehlerquellen bei der Messung so gut als möglich auszuschließen.
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Eine mögliche Fehlerquelle ist der Temperatureinfluss: Zum einen verändert sich mit der Temperatur die Form und vor allem die Größe des Portals, an dem die optischen Sensoren befestigt sind, und damit die Position der einzelnen Sensoren relativ zur Portalmitte, welches in der Regel als Null-Punkt des gemeinsamen, für alle Sensoren gültigen, Koordinatensystems benutzt wird, und auf welches die Sensoren bereits werkseitig vorkalibriert und justiert sind und im Einsatz regelmäßig nachkalibriert werden müssen.
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Um diesen Temperatureinfluss nach Möglichkeit auszuschalten, wird zumindest der Ring des Portals, vorzugsweise das gesamte Portal, entweder auf einer konstanten Temperatur gehalten, beispielsweise mittels einer Temperierung mit Hilfe von hindurchgeleiteter Flüssigkeit einer definierten Temperatur, oder die Temperatur des Portals wird regelmäßig bestimmt und der Auswerteeinheit mitgeteilt und die Abweichung dieser Ist-Temperatur von einer vorgegebenen Normtemperatur und die sich daraus ergebenden Maßveränderungen des Portals und damit der Sensorpositionen rechnerisch berücksichtigt.
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Auch hinsichtlich der Rohre spielt die Temperatur eine große Rolle, denn die Querschnittskontur als auch die Geradheit der Rohre ist als Soll-Wert bei einer bestimmten Normtemperatur vorgegeben.
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Auch für die Vermessung der Rohre gibt es daher prinzipiell zwei Möglichkeiten:
- – entweder die Rohre während der Messung auf diese Normtemperatur zu bringen und zu halten, was wegen der meist großen Abmessungen der Rohre häufig einen unzumutbar großen Aufwand bedeutet.
- – Die andere Möglichkeit besteht darin, die Ist-Temperatur des Rohres während der Vermessung zu erfassen und der Auswerteeinheit mitzuteilen und rein rechnerisch die dadurch stattfindende maßliche Veränderung gegenüber der Normtemperatur zu berücksichtigen.
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Ein weiterer Einflussfaktor, der das Messergebnis bei der Geradheitsmessung verfälscht, ist die Durchbiegung der Auflagevorrichtung für die Rohre im Messbereich:
Selbst bei sehr stabiler Ausführung der Auflagevorrichtung ist es nicht zu vermeiden, dass sich diese beim Auflegen von sehr großen und damit in der Regel sehr schweren Rohren stärker durchbiegt, als beim Auflegen von leichteren, in der Regel dann kleineren Rohren.
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Diese Durchbiegung der Auflagevorrichtung verfälscht das Ergebnis der Geradheitsmessung der Rohre und muss daraus eliminiert werden. Dies kann entweder geschehen, indem vor Beginn der Vermessung einer Charge von gleichschweren Rohren bei einem Rohr der Charge als Muster eine Geradheitsmessung doppelt durchgeführt wird, und zwar bei jeweils um 180° um den Rohrmittelpunkt gedrehter Lage des Rohres.
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Ergeben die beiden Messungen nicht die gleiche Ist-Form an Geradheit des Rohres in dieser Längsebene, so stellt die Abweichung zwischen diesen beiden Messungen die Durchbiegung der Auflagevorrichtung dar, die bei allen weiteren Geradheitsmessungen der Rohre dieser Charge berücksichtigt, also von der ermittelten Geradheit herausgerechnet, werden muss.
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Eine universellere, eventuell aber weniger genaue Lösung stellt es dar, für die Auflagevorrichtung einen vom Gewicht des aufliegenden Rohres abhängigen Durchbiegungsfaktor zu ermitteln, der die konkrete Durchbiegung der Auflagevorrichtung in Abhängigkeit vom aufliegenden Rohrgewicht wiedergibt.
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Da beim Vermessen einer Charge von Rohren deren Gewichte oder zumindest deren das Gewicht bestimmende Parameter bekannt sind, kann das Gewicht oder diese Parameter vor Beginn der Vermessung dieser Charge in die Auswerteeinheit eingegeben werden, woraus diese zusammen mit dem ebenfalls bekannten Durchbiegungsfaktor ohne jeweils konkrete Bestimmung der Durchbiegung der Auflagevorrichtung deren Durchbiegung rechnerisch berücksichtigt wird.
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Die Ungenauigkeit dieser Lösung besteht darin, dass die konkrete Durchbiegung der Auflagevorrichtung eventuell nicht ausschließlich vom Gewicht des aufliegenden Rohres, sondern von weiteren Parametern wie etwa dessen Geometrie abhängen kann.
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Sofern es sich bei den Rohren um geschweißte Rohre mit einer Längsnaht handelt, soll häufig auch die Kontur und/oder Qualität der Schweißnaht bei der Konturprüfung mitgeprüft werden.
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In diesem Fall wird das Rohr vorzugsweise in einer solchen Drehlage auf die Auflagevorrichtung aufgelegt, dass sich die Schweißnaht nicht in dem Umfangsbereich befindet, mit dem das Rohr auf der Auflagevorrichtung aufliegt, denn durch die meist vorhandene Aufwölbung ergibt dies Messfehler bei der Konturbestimmung und auch Geradheitsbestimmung. Bevorzugt wird das Rohr in einer solchen Drehlage aufgelegt, dass sich die Schweißnaht im Bereich eines ganz bestimmten der Umfangssensoren befindet, welches für die Konturbestimmung der Schweißnaht vorgesehen ist.
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c) Ausführungsbeispiele
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Ausführungsformen gemäß der Erfindung sind im Folgenden beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1a, b: die Prüfvorrichtung betrachtet in Längsrichtung des zu vermessenden Rohres,
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2: die Prüfvorrichtung betrachtet in Querrichtung zum zu vermessenden Rohr,
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3a: eine Detailvergrößerung aus 1a,
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3b: eine Detailvergrößerung aus 3a,
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4: eine Prinzipskizze zur Geradheitsmessung in Blickrichtung gemäß 2, und
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5: eine Prinzipskizze zur Durchbiegung der Auflagevorrichtung in Blickrichtung zur 2.
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Die Prüfvorrichtung ist zusammen mit einem zu prüfenden Rohr 20 in den 1a und 2 dargestellt, wobei in den 1b und 2 ein hinsichtlich des Durchmessers relativ kleines Rohr 20 dargestellt ist, dagegen in 1a ein Rohr 20 mit einem relativ großen Durchmesser.
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1a zeigt, dass die Prüfvorrichtung zum einen eine Auflagevorrichtung 1 für das Rohr 20 aufweist, die in Längsrichtung 10, der Blickrichtung der 1a und 1b, verläuft, und andererseits ein ringförmig geschlossenes Portal 20, an dessen Innenumfang über den Umfang verteilt in diesem Fall 16 Rundheitssensoren 3 am Innenumfang des Portals 2 angeordnet sind. Diese sind den Mittelpunkt M des Portals 2 gerichtet sind, der auch gleichzeitig der Mittelpunkt des Querschnittes des zu vermessenden, sich durch das Innere des Portals 2 und den Ring von Rundheitssensoren 3 hindurcherstreckende Rohr 20 ist, zu dem die Rundheitssensoren einen Abstand 8 einnehmen.
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Das Portal 2 ist in der Höhe, der Querrichtung 11' zur Längsrichtung 10, verstellbar und justierbar an einem Sockel 15 befestigt, der sich auf dem Untergrund 10 abstützt.
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Sowohl die Temperatur des Portals 2 wird durch einen dort angebrachten Temperatursensor 14a gemessen, als auch die Temperatur des zu vermessenden Rohres 20 mittels eines berührungslos messenden Temperatursensors 14a, der am Innenumfang des Portals 2 befestigt ist.
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Die Auflagevorrichtung 1, die nicht mit dem Portal 2 verbunden ist, sondern sich unabhängig von der Höheneinstellung des Portals 2 immer auf der gleichen Höhe befindet, besteht aus – wie am besten 2 zeigt – einer in Längsrichtung 10 Vielzahl von hintereinander angeordneten Rollen 6, die in Blickrichtung der 1a, b eine V-förmige obere Auflagefläche besitzen, indem sie aus zwei in der Seitenansicht trapezförmigen, spiegelbildlich zueinander angeordneten Rollen bestehen, die mit ihrer schmalen Stirnfläche zueinander gewandt sind.
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Wenigstens eine, vorzugsweise alle Relief 6 sind synchron angetrieben und können das darauf aufliegende Rohr 20 in Längsrichtung 10, die die Transportrichtung ist, durch das Portal 2 hindurchbefördern, was vorzugsweise kontinuierlich und auch während der Vermessung des Rohres erfolgt.
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Wie 1b zeigt, muss gegenüber dem Vermessen des großen Rohres 20 in 1a das Portal 2 um die Strecke Δ m gegenüber dem Sockel 15 nach unten verfahren werden, um die Sensormitte wieder auf Übereinstimmung zur Rohrmitte des nun kleineren, auf den Rollen 6 aufliegenden, Rohres 20 zu bringen, wodurch auch der Abstand 8 größer wird.
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Wie 2 zeigt, sind die Rundheitssensoren 3 in der Portalebene 11 ringförmig um den Innenraum des Portals 22 herum angeordnet. Zusätzlich sind in einer Vorebene 11a und einer Nachebene 11b an entsprechenden Auslegern des Portals 2 jeweils 2 zusätzliche Geradheitssensoren 4 in der gleichen Umfangsstellung von +/–45° gegenüber dem tiefsten Punkt des Portals angeordnet, wie dies auch in Figur 1a ersichtlich ist.
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Die 3a, b zeigen das Ermitteln der Umfangskontur des Rohres 20 in vergrößerter Darstellung gegenüber 1a:
Wie 3a erkennen lässt, strahlt jeder der Rundheitssensoren 3 einen in der Portalebene 11 aufgefächerten Lichtfächer 5 in Richtung Außenumfang des Rohres 20 ab, dessen Fächerwinkel mit α bezeichnet ist.
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Die Auftreffbereiche 21 auf dem Rohr 20 sind dabei die von dem jeweiligen Rundheitssensor 3 vermessenen Umfangssegmente, wobei sich zwei benachbarte Umfangssegmente 21 nicht nur berühren, sondern vorzugsweise – wie in 3b dargestellt – in einem Überlappungsbereich 13 im Umfangsbereich jeweils überlappen. Der Fächerwinkel α ist so gewählt, dass selbst beim größtmöglichen zu vermessenden Rohr 20 noch eine Überlappung der benachbarten Auftreffbereiche 21 stattfindet.
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3b zeigt, dass die dabei ermittelten Umfangssegmente 21 sich im Überlappungsbereich 13 nicht genau decken, sondern zueinander beabstandet liegen, beispielsweise wie dargestellt in radialer Richtung.
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Für die Bestimmung der zu ermittelnden Umfangskontur 20 werden die Werte in diesem Überlappungsbereich 13 vorzugsweise gemittelt und rechnerisch absatzlos in die jeweiligen Kontursegmente 21 übergehend berechnet.
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Falls jedoch im Überlappungsbereich die beiden Umfangssegmente 21 weiter als einen Grenzwerte Δ μ voneinander entfernt sind, wird dies als Zeichen für eine unzureichende Kalibrierung der Rundheitssensoren 3 interpretiert und ein Warnsignal abgegeben, um diese neu zu kalibrieren.
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Würden nun ohne weitere Maßnahmen zwei Sensoren 3, deren Auftreffbereiche 21 einander überlappen, gleichzeitig aktiviert, also gleichzeitig Messaufnahmen anfertigen, so würde der eine Sensor 3 unter Umständen aus dem Überlappungsbereich 13 auch die Lichtlinie des anderen Sensors mit detektieren, was bei der Auswertung zu Unklarheiten und Messfehlern führt.
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Aus diesem Grund werden beim Beispiel der 3a die Rundheitssensoren 3 auf zwei Gruppen 16a, b so verteilt, dass jeder zweite Sensor zur selben Gruppe gehört. Die Sensoren 16a einerseits und 16b andererseits werden dann zeitversetzt aktiviert, so dass solche gleichzeitigen Überlappungen der Auftreffbereiche nicht stattfinden können.
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Wie 1b zeigt, kann es auch notwendig sein, die Rundheitssensoren 3 auf mehr als zwei Gruppen, beispielsweise drei oder vier Gruppen, zu verteilen, falls etwa bei dem kleinstmöglichen zu prüfenden Rohr 20 die Auftreffbereiche 21 eines Sensors mit dem des übernächsten Sensors noch überlappen können, wie anhand 1b gut vorstellbar.
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4 zeigt die Durchführung der Geradheitsprüfung:
Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in 4 die Segmente 21, die von den Geradheitssensoren 4 in der Vor- und Nachebene 11a, b detektiert werden, in Umfangsrichtung verdreht gegenüber der tatsächlichen Umfangslage mit einer verdickten Linie dargestellt.
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Die Geradheitsprüfung kann nun auf unterschiedliche Art und Weise und unterschiedlich genau ablaufen:
Die einander entsprechenden Segmente 21a, b in der Vor- und Nachebene werden miteinander verbunden, beispielsweise hinsichtlich ihrer Mittelpunkte, 11a, b und zwar durch eine Verbindungslinie 24.
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Falls diese Verbindungslinie 24 nicht genau durch den entsprechenden Punkt, beispielsweise Mittelpunkt, des analogen Segmentes 21 in der Portalebene 11 verläuft, weicht das Rohr um die vorhandene Differenz von der Geradheit zumindest in diesem Umfangssegment ab.
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Die gleiche Aussage kann – um 90° versetzt – mittels der anderen dick eingezeichneten Segmente, die von den anderen Geradheitssensoren 4 erfasst werden, gemacht werden.
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Eine genauere Aussage ist jedoch möglich, wenn die in der Portalebene 11 rechnerisch bestimmte Umfangskontur 20 des gesamten Rohres in der Vorebene 11a und Nachebene 11b auf die dort ermittelten konkret bestimmten Umfangssegmente 21a, b, die dort mit dicker Linie dargstellt sind, in Übereinstimmung gebracht werden, und der vermutliche Ma, Mb des Rohrumfanges 20a, bin der Vor- und Nachebene 11a, b bestimmt wird.
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Wenn nun die Verbindungslinie 24 zwischen diesen Mittelpunkten Ma und Mb erstellt und auf Abweichung vom Mittelpunkt Mp des Umfanges 20 in der Portalebene 11 untersucht wird, kann hieraus die Ungeradheit des Rohres entlang seiner Querschnittsmitte bestimmt werden, jedenfalls für den untersuchten Bereich +/– des Abstandes 7 von der momentanen Portalebene 11.
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Führt man diese Geradheitsbestimmung abschnittsweise über die gesamte Länge 9 des Rohres 20 durch, so lässt sich damit die Geradheit bzw. Ungeradheit des Rohres über seine gesamte Länge ermitteln.
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Selbst Torsionen der Rohrmitte um die Gerade lassen sich damit bestimmen.
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Anhand 5 wird die Eliminierung der Durchbiegung der Auflagevorrichtung 1 für die Rohre 20 aus dem Messergebnis erläutert.
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Wie die 1a, b und 2 veranschaulichen, ist die Auflagevorrichtung 1, also die Bahn aus den Rollen 6, insgesamt und auch im Messbereich, also im Bereich des Portals 2, unterschiedlich stark belastet, je nachdem, ob ein schweres oder ein leichtes Rohr aufliegt. Dementsprechend wird sie – auch bei noch so stabiler Ausbildung der Auflagevorrichtung – geringfügig mehr oder weniger stark durchgebogen.
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Diese Durchbiegung der Auflagevorrichtung 1 wird bei der Bestimmung der Geradheit des Rohres gemäß 4 mitgemessen, obwohl sie eine vom Rohr 20 unabhängige Ursache hat, weshalb sie eliminiert werden muss.
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Zu diesem Zweck wird ein – in 5 nicht dargestelltes – Rohr wie beschrieben hinsichtlich seiner Geradheit vermessen, jedoch zweimal hintereinander, und zwar in zwei bezüglich der Längsmitte des Rohres um 180° gedrehten Drehlagen des Rohres.
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Bei diesen beiden Messungen werden sich in der Regel zwei unterschiedliche Verläufe 17, 18 der Rohrmitte über dessen Länge 9 bei den beiden Drehlagen, also bei 0° und 180° ergeben, die zumindest im mittleren Bereich, möglicherweise auch in den Endbereichen, voneinander abweichen.
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Die Unterschiede der beiden theoretisch ermittelten Rohrlängsachsen stellen die Durchbiegung der Auflagevorrichtung 1 bei einem Rohr dieses Gewichts und speziell dieses Gewichts pro Längeneinheit des Rohres, dar.
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Nachdem diese konkrete Durchbiegung der Auflagevorrichtung 1, die sogar pro Längenabschnitt und eventuell sogar für jeden Punkt in Längsrichtung, exakt bekannt ist, kann sie bei der anschließenden Vermessung einer Charge von eben solchen Rohren berücksichtigt und abgezogen werden bei der Berechnung der Abweichung des Rohres von der geraden Richtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Auflagevorrichtung
- 2
- Portal
- 3
- Rundheits-Sensor
- 4
- Geradheits-Sensor
- 5
- Laserstrahl, Lichtfächer
- 6
- Rolle
- 7
- Abstand
- 8
- Abstand
- 9
- Länge
- 10
- Längsrichtung
- 11
- Querebene, Portalebene
- 11'
- Querrichtung
- 11a
- Vorebene
- 11b
- Nachebene
- 12
- Auswerteeinheit
- 13
- Überlappungsbereich
- 14a, b
- Temperatursensor
- 15
- Sockel
- 16a, b
- Gruppe
- 17
- Rohrmitte Drehlage 0°
- 18
- Rohrmitte Drehlage 180°
- 19
- Untergrund, Röhrenumfang
- 20, 20a, b
- Rohr
- 20'
- Umfangskontur
- 21, 21a, b
- Umfangssegment, Auftreffbereich
- 21
- Kontur des Segments
- 22
- Schweißnaht
- 23
- Durchbiegung
- 24
- Verbindungslinie
- AM
- Verlagerung Rohrmittelpunkt
- Ma, Mb, Mp
- Rohrmittelpunkte
- Ms
- Se
- α
- Fächerwinkel
- Δμ
- Grenzwert
