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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Endoskopvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Hohlraumstrukturen, insbesondere Bohrungen eines Bauteils, mittels magnetischem Prüfverfahren, umfassend eine an einem distalen Ende eines Endoskoprohres frontseitig angebrachte Bildsensorik zur optischen Erfassung der Hohlraumstruktur, deren Bilddaten eine Bildsignalleitung an eine externe elektronische Auswerteeinheit weiterleitet.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf Bauteile, welche Hohlraumstrukturen, wie Kanäle, Kammern oder insbesondere Bohrungen aufweisen. Derartige Hohlraumstrukturen treten beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik bei Ventilen, Rohren, Druckbehältern oder Tanks sowie Einzelkomponenten von Kraftstoffeinspritzsystemen, wie Kraftstoffinjektoren oder ähnlichem auf. Derartige Bauteile sind im Betrieb gewöhnlich hohen Belastungen ausgesetzt, so dass eine Bauteilprüfung hinsichtlich des oberflächlichen Werkstoffgefüges, Rissen, Härteinhomogenitäten und dergleichen zur Sicherstellung der Bauteilqualität erforderlich ist. Eine Schwerpunktanwendung bilden ebenfalls Komponenten von hydraulischen, pneumatischen oder allgemein sicherheitskritischen Systemen.
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Stand der Technik
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Die
DE 197 48 795 A1 offenbart eine gattungsgemäße Endoskopvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung. An einem beweglichen distalen Ende eines Endoskoprohres ist eine Bildsensorik zur optischen Erfassung von Hohlraumstrukturen angeordnet, welche Bildinformationen über einen Lichtwellenleiter an eine externe elektronische Auswerteeinheit weitergeben. Dies erfolgt über einen im Inneren des Endoskoprohres verlaufenden Bildleiter.
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Benachbart daneben verläuft bei einem der offenbarten Ausführungsbeispiele eine in einem separaten Sensorrohr untergebrachte Wirbelstromprüfsonde, die seitens des distalen Endes eine integrierte Drahtwicklung als Wirbelstromsensor aufweist. Diese Wirbelstromprüfsonde verläuft ebenfalls im Inneren des Endoskoprohres und ist relativ hierzu längs bewegbar.
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Für die vorbekannte Endoskopvorrichtung mit kombinierter Bild- und Wirbelstromsensorik ergibt sich insgesamt ein recht komplizierter Aufbau unter Verwendung vieler Einzelteile.
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Aus der
WO 2011/086324 A2 geht eine Endoskopvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung hervor, welche ein über einen Aktuator bewegliches flexibles Endoskoprohr aufweist, um eine seitens des distalen Endes des Endoskoprohres angebrachte Sensorik innerhalb von Hohlraumstrukturen eines Bauteils zu positionieren. Die Sensorik umfasst dabei Wirbelstrom- oder Ultraschallsonden.
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Das allgemein bekannte Verfahren einer Wirbelstromprüfung wird gewöhnlich für elektrisch leitende Werkstoffe eingesetzt. Durch eine elektrische Spule wird hierbei ein wechselndes Magnetfeld erzeugt, welches im zu untersuchenden Werkstoff Wirbelströme induziert. Bei der Messung wird mittels eines Sensors, der meist auch die Erregerspule enthält, die Wirbelstromdichte durch das vom Wirbelstrom erzeugte Magnetfeld detektiert. Die gemessenen Parameter sind die Amplitude und die Phasenverschiebung zum Erregersignal. Zu deren Messung wird üblicherweise eine zweite Spule genutzt. Insgesamt ergibt sich hieraus ein so genanntes Fluxgate-Magnetometer, die auch als Förster-Sonde bezeichnet wird. Gelegentlich werden auch andere Magnetfeldsensoren, wie insbesondere GMR-Sensoren oder SQUIDs eingesetzt. Bei der Wirbelstromprüfung wird der physikalische Effekt ausgenutzt, dass die meistens Verunreinigungen und Beschädigungen in einem elektrisch leitfähigen Werkstoff auch eine andere elektrische Leitfähigkeit oder eine andere Permeabilität als der eigentliche Werkstoff haben. Da das Messsignal im Wesentlichen von den drei Parametern Leitfähigkeit, Permeabilität und Abstand zwischen Sensor und Werkstoffoberfläche bestimmt wird, lässt sich mit einer Wirbelstromsensorik eine Rissprüfung, Schichtdickenmessung sowie Gefügeprüfung durchführen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Endoskopvorrichtung mit kombinierter Bild- und Wirbelstromsensorik dahingehend weiter zu verbessern, dass mit einfachen technischen Mitteln eine zuverlässige Werkstoffprüfung von Hohlraumstrukturen möglich ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Endoskopvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine Endoskopvorrichtung neben einer an einem distalen Ende eines Endoskoprohres frontseitig angebrachte Bildsensorik mit einer speziellen magnetischen Prüfsensorik (Wirbelstromsensorik) ausgestattet ist, welche direkt in oder an der Wandung am distalen Ende des Endoskoprohres mindestens eine elektrische Drahtwicklung aufweist, deren Messsignal eine Messsignalleitung neben den Bilddaten einer benachbarten Bildsignalleitung an eine elektronische Auswerteeinheit weiterleitet.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht insbesondere darin, dass zur Realisierung einer magnetischen Prüfsensorik auf eine separate Wirbelstromsonde oder dergleichen mit eigenem Rohrkörper verzichtet wird und stattdessen die Drahtwicklung direkt an oder in der Wandung des Endoskoprohres an- bzw. eingebracht wird. Der elektrische Anschluss der insoweit funktionsintegrierten Drahtwicklung erfolgt über eine geschützt innerhalb des Endoskoprohres neben der Bildsignalleitung verlaufenden Messsignalleitung. Mit der erfindungsgemäßen Endoskopvorrichtung ist es möglich, Bild- und Wirbelstrommessdaten zu gewinnen, welche nach geeigneter Messwertaufbereitung auch zur Datenanalyse, insbesondere mittels künstlicher Intelligenz, zur Verfügung gestellt werden können. Da die über die magnetische Prüfsensorik erfassten Messdaten über Risse, Poren oder Gefügefehler mit der optischen Information über das Aussehen der Bauteiloberfläche an jeder gemessenen Stelle verknüpft werden können, lassen sich aufschlussreiche Informationen über die Bauteilqualität gewinnen.
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Vorzugsweise lässt sich die Bildsensorik des frontseitigen Endes des Endoskoprohres als Lichtwellenleiter oder auch als Kameraeinheit ausbilden. Im Falle des Einsatzes einer frontseitigen Kameraeinheit kann dabei die Stromversorgung derselben direkt über den mit der Messsignalleitung zugefügten Erregerstrom erfolgen. Natürlich hat zuvor noch eine Gleichrichtung der Wechselspannung zu erfolgen. Unter Umständen kann eine direkte frontseitig des Endoskoprohres integrierte hochauflösende Kameraeinheit bessere Bilddaten erzeugen, als dies über einen Lichtwellenleiter möglich ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sollte im Falle einer Anordnung der elektrischen Drahtwicklung innerhalb der Wandung des Endoskoprohres, deren Wanddicke größer als 2 mm betragen. Damit lässt sich hinsichtlich der definierten unteren Bereichsgrenze eine minimal dünne Wandstärke des Endoskoprohres im Hinblick auf eine Miniaturisierung realisieren, welche dennoch stark genug ist, um hinreichend dicke elektrische Drähte der Drahtwicklung zu integrieren, ohne dass der Drahtwicklungsbereich am distalen Ende des Endoskoprohres einem übermäßigen Bruchrisiko bei bestimmungsgemäßen Gebrauch ausgesetzt wäre.
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Im anderen Falle einer Anordnung der elektrischen Drahtwicklung außen am Endoskoprohr wird vorgeschlagen, diese zusätzlich mit einer überdeckenden Schutzschicht zu versehen. Dies stellt sicher, dass äußere mechanische Einflüsse die Drahtwicklung beschädigen können. Dabei kann eine derartige Schutzschicht beispielsweise aus einem Klebemittel, einem Schrumpfschlauch oder dergleichen bestehen und weist ebenfalls vorzugsweise einen kreisförmigen bis ovalen Querschnitt auf. Hierdurch wird eine optimale Formanpassung, insbesondere Kanal- oder Bohrungsstrukturen erzielt. Diese Formanpassung ermöglicht eine Maximierung des Endoskoprohrquerschnitts gegenüber der zu untersuchenden Hohlraumstruktur. Alternativ oder zusätzlich kann die Außenseite des Endoskoprohres auch über eine Nut verfügen, in welcher der Messdraht der Prüfsensorik eingelegt und/oder verklebt ist, so dass eine abschnittsweise Durchmessererweiterung vermieden wird.
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Ein für die erfindungsgemäße Lösung geeignetes Endoskoprohr kann zum einen vorzugsweise als ein zumindest teilweise starres Kunststoffrohr ausgebildet sein. Dieses eignet sich insbesondere zur Untersuchung von gradlinigen Bohrungen oder Kanälen. Zum anderen kann das Endoskoprohr auch als ein zumindest teilweise flexibler Elastomerschlauch ausgebildet sein, um hiermit komplexere Hohlraumstrukturen eines Bauteils zu untersuchen und beispielsweise auch Kanalwindungen folgen zu können. Zu diesem Zweck kann ein flexibel ausgebildetes Elastomerrohr mit zusätzlichen Aktuatormitteln zur Einstellung der Krümmung zumindest eines Rohrabschnittes des Endoskoprohres ausgestattet werden.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
- 1: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Endoskopvorrichtung,
- 2 einen Teillängsschnitt des distalen Endbereichs des Endoskoprohres mit integrierter Sensorik gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 3 einen Teillängsschnitt des distalen Endbereichs des Endoskoprohres mit integrierter Sensorik gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 4 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Endoskopvorrichtung.
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Gemäß 1 besteht eine Endoskopvorrichtung zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung von Hohlraumstrukturen in einem - nicht weiter dargestellten - metallischen Bauteil im Wesentlichen aus einer frontseitig an einem distalen Ende eines Endoskoprohres 1 angebrachten Bildsensorik 2 zur optischen Erfassung der Hohlraumstruktur. Im Bereich des distalen Endes des Endoskoprohres 1 ist außerdem eine Wirbelstromsensorik 3 als magnetische Prüfsensorik angeordnet.
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Das Endoskoprohr 1 verfügt über einen Griff 4 zur Handhabung, in welches das Endoskoprohr 1 eingelassen ist. Am gegenüberliegenden Ende des Griffes 4 verlässt eine aus Bildsignalleitung 5 der Bildsensorik 2 sowie Messsignalleitung 6 der Wirbelstromsensorik 3 zusammengesetzte elektrische Leitung den Griff 4, um die Bild- und Wirbelstrommessdaten an eine elektronische Auswerteeinheit 7 weiterzuleiten.
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Gemäß dem in 2 illustrierten Ausführungsbeispiel weist die Wirbelstromsensorik eine außen an der Wandung des Endoskoprohres 1 angeordnete elektrische Drahtwicklung 8 auf. An die elektrische Drahtwicklung 8 ist die hier zweipolige Messsignalleitung 6 angeschlossen. Zum Schutz vor äußeren mechanischen Einflüssen ist die elektrische Drahtwicklung 8 von einer diese überdeckenden Schutzschicht 9 aus einem Klebstoff versehen. Die Bildsensorik 2 ist bei diesem Ausführungsbeispiel als ein Lichtwellenleiter 10 ausgebildet.
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Das in 3 illustrierte andere Ausführungsbeispiel bedient sich dagegen als Bildsensorik 2 einer direkt in das distale Ende des Endoskoprohres 1 integrierten Kameraeinheit 11, welche einen CCD-Sensor enthält. Ferner können hierin oder hieran noch Beleuchtungsmittel vorgesehen werden. Das von der Kameraeinheit 11 erzeugte Bildsignal wird über eine Bildsignalleitung 5 übertragen.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die elektrische Drahtwicklung 8 der Wirbelstromsensorik in die Wandung des Endoskoprohres 1 integriert, hier direkt in dessen Kunststoffmaterial eingegossen. Der elektrische Anschluss der Drahtwicklung 8 erfolgt über die Messsignalleitung 6, wovon ersichtlicher Weise auch die Stromversorgung der Kameraeinheit 11 abgezweigt ist. Die Messsignalleitung 6 ist als ein abgeschirmtes Koaxialkabel ausgebildet, das mit der Bildsignalleitung 5 als gemeinsamer Kabelstrang im Inneren des Endoskoprohres 1 in Richtung der - nicht weiter dargestellten - externen Auswerteeinheit 7 verläuft.
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Die 4 illustriert im Gegensatz zu dem starren Endoskoprohr 1 des vorstehenden Ausführungsbeispiel ein flexibel ausgebildetes Endoskoprohr 1', welches aus einem Elastomerschlauch besteht. Dieses flexibel ausgebildete Endoskoprohr 1' weist seitens des distalen Endes die Bildsensorik 2 mit zugeordneter Wirbelstromsensorik 3 auf. Als Aktuatormittel zur Einstellung der Krümmung des flexiblen Endoskoprohres 1` ist ein innenseitig verlaufender und am distalen Ende des Endoskoprohres 1` angebrachter Verstelldraht 12 vorgesehen, der über ein am Griff 4 angeordnetes Stellrad 13 relativ zum flexiblen Endoskoprohr 1' verkürz- oder verlängerbar ist, so dass unterschiedliche Krümmungen des Endoskoprohres 1' einstellbar sind.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele, sondern umfasst außerdem Ausführungsformen, welche von den nachfolgenden Ansprüchen mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch denkbar, statt einem Lichtwellenleiter seitens des distalen Endes eines starren oder flexiblen Endoskoprohres auch eine Kameraeinheit einzusetzen und die Drahtwicklung der Wirbelstromsensorik auch in die Wandung des Endoskoprohres zu integrieren oder innenseitig desselben anzubringen. Hieraus ergibt sich, dass diese Konstruktionsmerkmale der Ausführungsbeispiele auch untereinander austauschbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19748795 A1 [0003]
- WO 2011/086324 A2 [0006]
