DE2148976A1

DE2148976A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Querschnittdimensionen des Inneren langgestreckter,rohrfoermiger Gegenstaende

Info

Publication number: DE2148976A1
Application number: DE19712148976
Authority: DE
Inventors: Lund Svend Aage; Holst Helge Alfred; Hansen Hans Nielsen; Allan Northeved
Original assignee: Atomenergikommissionen
Current assignee: Atomenergikommissionen
Priority date: 1970-10-06
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1972-04-13
Also published as: JPS5638881B1; DK140447C; CA966653A; US3850026A; GB1322844A; DE2148976C3; DK140447B; FR2111007A5; DE2148976B2

Description

Patentanwälte

DipL-lng. Richard Mülier-Borner

Dipl.-lng.Hans-Heinr.chVVey . 24 199

München 22 .

Widenmayerstraße 49

Atomenergikoramissionen, Kopenhagen, Dänemark

Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen der Querschnittdimensionen des Inneren langgestreckter, rohrförmiger Gegenstände

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Querschnittdimensionen des Inneren langgestreckter, rohrförmiger Gegenstände, wie beispielsweise des Inneren von Metallrohren zum Einkapseln von Reaktorbrennstoff, wobei die Querschnittdimensionen durch Bestimmen einer grossen Anzahl Innendurchmesser längs Messlinien ermittelt werden, die zum Messzeitpunkt wenigstens annähernd rechtwinklig zu einer im voraus in bezug auf die Messmittel festgelegten Messachse verlaufen und diese schneiden·

Das Messen der inneren Querschnittdimensionen von Rohren erfolgt nach der bisher bekannten Technik in der Weise, dass in das Rohr ein Messorgan eingeführt wird, das die lichte Weite des Rohres bestimmt, und zwar entweder durch direktes mechanisches Erfühlen oder mit Hilfe einer Luftmesssonde. In beiden Fällen ist es erforderlich, dass das Messorgan am Ende einer Führungsstange angebracht ist, deren Länge der Länge des zu untersuchenden Rohres entsprichty oder eventuell der Hälfte der Länge dieses Rohres, falls es möglich ist, von beiden Seiten her zu messen. Diese Messweise ist zur Ermittlung der lichten Weite eines Rohres unzweckmässig, insbesondere in solchen Fällen, in denen das Messen der lichten Weite mit dem Messen anderer Grossen kombiniert werden soll, z.B. dem Messen des Aussendurchmessers oder der Wandstärke, da sich derartige Messungen an einem kontinuierlich vorgeschobenen Rohr durchführen lassen, wohingegen das Messen der lichten Weite unterbrochen werden muss, wenn das Rohr durchgemessen worden ist, weil die Messorgane und die zugehörige Führungsstange wieder aus dem Rohr herausgezogen werden müssen. Dieser Nachteil macht sich bei der laufenden Abnahme angelieferter Rohre, z.B. solcher Rohre, wie sie für Brennstoffelemente für Atomkernreaktoren Anwendung finden, besonders stark bemerkbar. Beim Durchmessen solcher Rohre, wobei gewöhnlich ausaer einer Bestimmung des Innen- und des Aussendurchmessers sowie der Wand~ stärke auch eine Untersuchung auf Schäden, wie z.B. Risse und

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Oberflächenfehler,vorgenommen wird, verfährt man nach der bisher bekannten Technik in der Weise, dass die Rohre unter gleichzeitiger Rotation mit Hilfe geeigneter Antriebsrollen aus Gummi vorgeschoben und somit schraubenlinienförmig abgetastet werden» In diesem Fall ist es ein wesentlicher Nachteil, dass das Messen des Innendurchmessers nicht wie die anderen Messungen und Kontrollen während eines kontinuierlichen Vorschubs des Rohres ausgeführt werden kann, sondern unterbrochen werden muss, wenn die Messsonde wieder aus dem Rohr herausgezogen werden soll.

Ein weiterer Nachteil ist, dass das Messen des Innendurchmessers . mit Hilfe eines Luftmessdorns oder durch mechanisches Abtasten " ein relativ langsamer Prozess ist, der sich nicht mit einer grösseren Geschwindigkeit ausführen lässt als etwa 300 U/min, was wesentlich niedriger als die Geschwindigkeit ist, mit der die übrigen Messungen und Kontrollen vorgenommen werden können.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, diese Mängel zu beheben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass während ein und desselben Messvorgangs je Messlinie eine Messung des Aussendurchmessers, eine Messung der Wandstärke an den zwei zugehörigen, sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand und eine Subtraktion der beiden Wandstärken vom Aussendurchmesser vorge-) nommen wird. In diesem Fall erfolgt also Überhaupt keine direkte Bestimmung des Innendurchmessers, und die eingangs erwähnten Nachteile können daher überhaupt nicht zur Geltung kommen.

Die Erfindung betrifft auch eine bei der Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens zu verwendende Vorrichtung, bei der eine im voraus festgelegte Anzahl Messlinien für einen rohrförmigen Prüfling durch eine relative Abtastbewegung zwischen Prüfling und Messausrüstung sukzessiv in Messstellung gebracht wird, und welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, dass die Messausrüstung Mittel zum Messen zusammengehörender Werte der Aussendurchmesser längs der festgelegten Messlinien und der Wandstärken an sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand längs derselben oder im wesentlichen derselben Messlinien während eines einzelnen

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Durchlaufs der Abtastbewegung sowie Mittel zum Subtrahieren der Summe der gemessenen Wandstärken vom gemessenen Aussendurchmesser je Satz zusammengehörender Messwerte umfasst.

Mit den oben verwendeten Ausdrücken "ein und derselbe Messvorgang" und "ein einzelner Durchlauf der Abtastbewegung" ist gemeint, dass das Bestimmen des Aussendurchmessers und der zugehörigen Wandstärken durch einen kontinuierlich verlaufenden Messprozess eri'olgen soll, ohne dass der Prüfling die Messapparatur verlässt. Dies birgt einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem bekannten Verfahren und den bekannten Vorrichtungen, bei welchen die Bestimmung des Innendurchmessers eben durch einen Prozess oder einen Durchlauf durch die Vorrichtung ausgeführt wird, der oder die verschieden von dem Prozess bzw. Durchlauf ist, der zur Durchführung der anderen Messungen benutzt wird.

Mach dem erfindungsgemässen Verfahren und mit der erfindungsgeftfässen Vorrichtung wird erreicht, dass die Mess- und Kontrollge-.? 'hwindigkeit allein von derjenigen Geschwindigkeit bestimmt wird, mit dsr das Rohr aussen gemessen und kontrolliert werden kann. Diese Geschwindigkeit ist von der Grössenordnung 1500 U/min oder höher. Alle Messungen können in ein und demselben kontinuierlichen Arbeitsgang und auf ein und derselben Prüfbank ausgeführt werden, was sowohl zeit- als auch platzsparend ist. All dies bedeutet eine wesentliche Reduktion der Kontrollkosten pro Meter Rohr, vermutlich auf etwa 30$ der bisherigen Kosten. Weil kein Messorgan Anwendung findet, das im Inneren des Rohres anzubringen ist, ist auch die Gefahr einer Beschädigung der Innenwand des Rohres beseitigt. Ferner können Messungen an Rohren mit einer so kleinen lichten Weite ausgeführt werden, dass es schwierig oder sogar unmöglich wäre, einen Messdorn oder ein anderes Messorgan in sie einzuführen. Schliesslich können nach dem erfindungsgemässen Verfahren und mit der erfindungsgemässen Vorrichtung Messungen und Kontrollen an Rohrstticken beliebiger Länge vorgenommen werden.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erklärt. Es zeigt

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Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Schnitt durch ein Rohr» dessen Querschnittdimensionen nach dem erfindungsgemässen Verfahren ausgemessen werden, und

Fig. 2 einen Schnitt durch ein entsprechendes Rohr mit relativ zueinander winkelversetzten Messorganen.

Die Rohre, auf die man das erfindungsgemässe Verfahren speziell anzuwenden beabsichtigt, sind nominell zylindrische Rohre, d.h. Rohre, deren Wand von einer angestrebten äusseren kreiszylindrischen Fläche und einer angestrebten, hiermit konzentrischen inneren kreiszylindrischen Fläche begrenzt ist. Wie aus dem Schnitt in Fig. 1 ersichtlich ist, kann die Querschnittform des Rohres recht stark von der nominellen Form abweichen, obwohl die in der Figur gezeigten Abweichungen der Deutlichkeit halber bewusst tibertrieben sind. Die Abweichungen können z.B. darin bestehen, dass die innere oder die äussere Begrenzungskurve im Schnitt kein Kreis ist, oder dass die Mittelpunkte dieser Kurven - so weit man in Verbindung mit den Kurven überhaupt von Mittelpunkten sprechen kann - nicht zusammenfallen, oder es kann auch eine Kombination dieser Abweichungen vorliegen, die, wie ersichtlich ist, ein Variieren der Wandstärke bewirken. Auch in Längsrichtung des Rohres kommen von Querschnitt JzucQuerBchnitt im allgemeinen Abweichungen von der nominellen Form vor, doch sind diese Abweichungen auf der Zeichnung nicht veranschaulicht.

Bei gewissen Anwendungszwecken, z.B. dem Einkapseln von Reaktorbrennstoff, ist es erforderlich, dass die Dimensionen der Rohre innerhalb sehr enger Toleranzen liegen. In solchen Fällen reicht es nicht aus, stichprobenartige Kontrollmessungen an den Rohren vorzunehmen, sondern es müssen vielmehr die Dimensionen längs des gesamten Rohres wirklich ausgemessen werden.

Was die lichte Weite anbelangt, erfolgte ein solches Ausmessen bisher mit Hilfe eines in das Rohr einzuführenden Messorgans. Wie weiter vorn bereits hervorgehoben worden ist, weist dieses Messverfahren verschiedene Mängel auf, von denen der wesentlichste darin besteht, dass die Messung nicht als kontinuierlicher Vorgang ausgeführt werden kann, und dass sie notwendigerweise

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- 5 ' recht langsam erfolgen muss.

Der vorliegenden Erfindung gemäss wird die Messung des Innendurchmessers in der Form eines indirekten Messprozesses vorgenommen, der von der Aussenseite des Rohres her ausgeführt werden kann. Dies führt mit sich, dass die Messung nunmehr in der Form eines kontinuierlichen Prozesses erfolgen kann, der sich genau so schnell wie und eventuell in Verbindung mit den anderen Messungen vornehmen lässt, die am Rohr auszuführen sind.

In Fig. 1, in der das Rohr mit 1 bezeichnet ist, sind zwei Messorgane 2 und 3 dargestellt, deren Verbindungslinie m rechtwinklig zu einer Messachse M verläuft. Die Messachse fällt so weit wie möglich mit der "Achse" des durchzumessenden Rohres zusammen. Auf Grund der Abweichungen des Rohres von der nominellen Form und des ümstandes, dass das Rohr während des Messens normalerweise auf seiner Aussenseite unterstützt wird, können mittlerweile Abweichungen zwischen der Messachse M und der "Achse" des Rohres vorkommen, und zwar sowohl bezüglich ihrer Lage als auch ihrer Richtung. Das Rohr 1 und die Messorgane 2 und 3 führen relativ zueinander eine Abtastbewegung aus, und gleichzeitig wird eine Reihe aukzessiver Messungen vorgenommen. Bei jeder Messung bestimmt die Verbindungslinie m eine Messlinie im Rohr, durch welches auf diese Weise eine Reihe Messlinien verläuft, längs welcher die Messungen ausgeführt worden sind. In Fig. 1 ist angenommen, dass die relative Abtastbewegung eine schraubenlinienförmige Bewegung ist, so dass die Schnittpunkte zwischen den Messlinien und der Rohrwand auf Schraubenlinien liegen, so wie es in Fig. 1 angedeutet ist. Die Anzahl der Messlinien und die Steigung der Schraubenlinie ist von der Dichte abhängig, mit der die Querschnittdimensionen in jedem einzelnen Fall dargestellt werden sollen. In Fig. 1 ist der Deutlichkeit halber eine schraubenlinienförmige Bewegung mit sehr grosser Steigung veranschaulicht.

Die relative Abtastbewegung braucht jedoch keine schraubenlinienförmige Bewegung zu sein. Es kann beispielsweise auch eine Abtastbewegung mit schrittweisem Vorschub in Längsrichtung des Roh-

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res Anwendung finden, in welchem Fall zuerst ein Ausmessen der Dimensionen in einem Schnitt durch Messen längs einer Reihe von Messlinien in diesem Schnitt vorgenommen wird, woraufhin ein Vorschub um einen Schritt erfolgt und der nächste Schnitt ausgeraessen wird usw. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Vorschub in der Drehrichtung schrittweise geschehen zu lassen, d.h. zuerst Messungen längs einer Erzeugenden am Rohr vorzunehmen, dann das Rohr um einen gegebenen Winkel zu drehen und daraufhin Messungen längs einer anderen Erzeugenden vorzunehmen usw.

Das schraubenlinienförmige Abtasten hat den Vorteil, dass die * Bewegungen sowohl in Längsrichtung des Rohres als auch in der Rotationsrichtung kontinuierlich erfolgen können.

Die Abtastbewegung kann durch ein Bewegen des Rohres oder durch ein Bewegen der Messorgane hervorgebracht werden. Auch eine Kombination dieser beiden Bewegungen ist möglich. Es hat sich z.B. als zweckmässig erwiesen, die schraubenlinienförmige Abtastbewegung dadurch hervorzubringen, dass man die Messorgane um die Messachse rotieren lässt, während die einzige Bewegung, die das Rohr ausführt, ein Vorschub in Richtung der Messachse ist.

Wie bereits erwähnt, soll bei der Ausübung des erfindungsgemässen j Verfahrens eine Messung des Aussendurchmessers d und der Wandstärken b und c an den zugehörigen, sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand vorgenommen werden, woraufhin sich der entsprechende Innendurchmesser a mit Hilfe der Formel

a = d - (b + c)
errechnen lässt.

In Fig. 1 sind die Messorgane 2 und 3 mit einer "Steuer- und Registrierausrüstung 4 verbunden. Diese Ausrüstung umfasst Mittel zum Aktivieren der Messorgane sowie zur Auswertung der von den Messorganen gelieferten Signalen, z.B. zum direkten optischen Anzeigen der gesuchten Dimensionen und/oder Registrieren derselben. Die Ausrüstung 4 kann ferner in Verbindung stehen mit Mit-, teln zum Bestimmen und/oder Registrieren der relativen Winkel-

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position der Messorgane und des Rohres, so dass die Messergebnisse auf bestimmte Winkelpositionen des Rohres bezogen werden können, wodurch es auch möglich gemacht wird, zu registrieren, wie die Dimensionen längs einer Erzeugenden am Rohr variieren, obwohl das Abtasten z.B. schraubenlinienförmig erfolgt ist.

Sind die Messorgane 2 und 3 so eingerichtet, dass der Aussendurchmesser und die Wandstärken gleichzeitig gemessen werden können, lässt sich die Ausrüstung 4 besonders einfach gestalten, da die beschriebene Errechnung des Innendurchmessers unmittelbar aus den gleichzeitig vorliegenden Messgrössen erfolgen kann. Führen die Messorgane dahingegen die Messung des Aussendurchmessers und die Messung der Wandstärken mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung nacheinander aus, muss die Ausrüstung 4 Mittel zum kurzeitigen Speichern der zuerst gemessenen Grosse oder Orössen enthalten. Im letzteren Fall, in welchem die Messungen nacheinander vorgenommen werden, kann das Messen des Aussendurch rnsssers und das Messen der Wandstärken nicht immer längs genau c. rselben Messlinie erfolgen. In gewissen Fällen kann eine solche angenäherte Bestimmung jedoch zulässig sein.

lsi: eine solche Näherung nicht zulässig und die Messorgane können die Messungen nicht gleichseitig ausführen, kann die in Fig. 2 gezeigte Anordnung benutzt werden. Fig. 2 veranschaulicht einen Schnitt durch das Rohr 1, der rechtwinklig zur Messachse M verläuft. Um das Rohr herum sind vier Messorgane 5, 6, 7 und angebracht, die mit einer Steuer- und Messausrüstung 9 verbunden sind. Die Verbindungslinie m^ zwischen den Messorganen 5 und 6 und die Verbindungslinie m« zwischen den Messorganen 7 und Ö verlaufen beide wenigstens annähernd rechtwinklig zur Messachse M.

Sollen die Messungen des Aussendurchmessers und der Wandstärken .längs derselben Messlinie erfolgen und die Abtastbewegung schraubenlinienförmig sein, müssen die Messorgane 5 und 6 und die Messorgane 7 und β in zwei rechtwinklig zur Messachse M verlaufenden L'benen liegen, die einen Abstand voneinander haben, der dem Vorachub in Richtung der Messachse bei einer Drehung um den Winkel α

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entspricht. Gehört zur Abtastbewegung dahingegen ein schrittweiser Vorschub in Richtung der Messachse, können alle Messorgane in ein und derselben Ebene liegen. In beiden genannten Fällen muss die Ausrüstung 9 Mittel umfassen, die die zuerst erhaltene' Messgrösse oder Messgrössen für den kurzen Zeitraum speichern kann, der einer Drehung um den Winkel α entspricht.

Diese Mittel zum Speichern lassen sich selbstverständlich in demjenigen Fall auch entbehren, in welchem man die Ungenauigkeit in Kauf nehmen will, die sich dadurch ergibt, dass der Aussendurchmesser und die Wandstärken nicht auf genau derselben Messlinie gemessen werden. Der Winkel α sollte in diesem Fall so klein wie möglich gehalten werden. Die Speicherungsmittel können auch dann entbehrt werden, wenn alle Messorgane in ein und derselben durch die Messachse M verlaufenden Ebene, d.h. in Richtung der Messachse paarweise hintereinander, angeordnet werden. Obwohl diese Methode auch keine ganz genauen Messergebnisse liefert, lässt sie sich doch oft mit Vorteil anwenden, weil die Abweichungen des Rohres von der nominellen Form oft gleichmässiger in der Längsrichtung als in Richtung der Peripherie variieren.

Als Messorgane können alle beliebigen, bekannten Organe verwendet werden, mit denen man den Aussendurchmesser und/oder die Wandstärke eines rohrförmigen Prüflings messen kann. Die Bestimmung des Aussendurchmessers kann z.B. durch ein direktes mechanisches Erfühlen erfolgen, indem die Position des Fühlorgans z.B. mit Hilfe eines Differentialtransformators in ein elektrisches Signal umgewandelt wird.

Bei einem direkten mechanischen Abftihlen des Prüflings kann unter ungünstigen Umständen die Aussenwand des Rohres beschädigt werden. Dies wird bei Anwendung der sogenannten indirekten Messmethoden vermieden. Als Beispiele für diese Methoden können die kapazitive, die pneumatische und die optische Messmethode genannt werden. Zur letztgenannten Methode gehört auch die Messung mit Hilfe von z.B. einem Laser-Interferometers.

Zum Messen der Wandstärken können z.B. die Ultraschall-Resonanz-

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methode, die Ultraschall-Impuls^Resonanssmethode, die Ultraschall-Impuls-Echomethode oder die induktive Methode, d.h. eine Methode, bei der Wirbelströme induziert werden, Anwendung finden. Die vier letzten Methoden eignen sich auch zum Messen des Aussendurchraessers, und in dem in Fig. 1 veranschaulichten Fall, in welchem der Aussendurchmesser und die Wandstärken mit denselben Messorganen gemessen werden, wird man deshalb zweckmässigerweise eine dieser Methoden benutzen.

Die Messorgane können zweckdienlich in eine Messkammer eingebaut sein, äie" sich^in einem Messkopf befindet, der um die Messachse rotieren kann. Die Messkammer kann eventuell geschlossen und mit Flüssigkeit gefüllt sein.

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Claims

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P_a_t_e_n_t_a_n_s_g_r_ü_c_h_e

f lJ Verfahren zum Bestimmen der Querschnittdimensionen des dünneren Langgestreckter, rohrförmiger Gegenstände, wie beispielsweise des Inneren von Metallrohren zum Einkapseln von Reaktorbrennstoff, wobei die Querschnittdimensionen durch Bestimmen einer grossen Anzahl Innendruchmesser längs Messlinien ermittelt werden, die zum Messzeitpunkt wenigstens annähernd rechtwinklig zu einer im voraus in bezug auf die Messmittel festgelegten Messachse verlaufen und diese schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass während ein und desselben Messvergangs je Messlinie eine Messung des Aussendurchmessers, eine Messung der zwei zugehörigen Wandstärken an sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand und eine Subtraktion der beiden Wandstärken vom Aussendurchmesser vorgenommen wird.
2. Bei der Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1 zu verwendende Vorrichtung, bei der eine im voraus festgelegte Anzahl Messlinien für einen rohrförmigen Prüfling durch eine relative Abtastbewegung zwischen Prüfling und Messausrüstung sukzessiv in Messtellung gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Messausrüstung Mittel (2,3) zum Messen zusammengehörender Werte der Aussendurchmesser (d) längs der festgelegten Messlinien (m) und der Wandstärken (b,c) an sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand längs derselben oder im wesentlichen derselben Messlinien (m) während eines einzelnen Durchlaufs der Abtastbewegung sowie Mittel (4) zum Subtrahieren der Summe der gemessenen Wandstärken vom gemessenen Aussendurchmesser je Satz zusammengehörender Messwerte umfasst.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messmittel (2,3) so eingerichtet sind, dass sie gleichzeitig die zusammengehörigen Werte des Aussendurchmessers (d) und der Wandstärken (b,c) an sich gegenüberliegenden Stellen der Rohrwand längs derselben oder im wesentlichen derselben Messlinie (m) messen können.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, mit der die zusammengehörenden Werte des Aussendurchmessers und der Wandstärken mit einer

' kurzen zeitlichen Verzögerung nacheinander gemessen werden, da-

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durch gekennzeichnet, dass die Messausrüstung Mittel zu einem kurzzeitigen Speichern der zuerst gemessenen Grosse oder Grossen umfasst.
5. ' Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 2-4, bei der die Messmittel und der Prüfling relativ zueinander rotieren können, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zum Bestimmen der relativen Winkelposition der Messmittel (5, 6, 7, 8) und des Prüflings (1) enthält.

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