DE2148976B2

DE2148976B2 -

Info

Publication number: DE2148976B2
Application number: DE2148976A
Authority: DE
Inventors: Hans Nielsen Herlev Hansen; Helge Alfred Kopenhagen-Valby Holst; Svend Aage Birkeroed Lund; Allan Bagsvaerd Northeved
Original assignee: Forsoegsanlaeg Risoe, Roskilde (Daenemark)
Priority date: 1970-10-06
Filing date: 1971-09-30
Publication date: 1979-05-10
Also published as: DK140447C; GB1322844A; CA966653A; DE2148976A1; DE2148976C3; FR2111007A5; DK140447B; JPS5638881B1; US3850026A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Aufnahme der Querschnittsdimensioncn rohrförmiger Gegenstände, z. B . Metallrohrc zum Einkapseln von Reaktorbrennstoff, mit Hilfe von Mitteln zur Dimensionsmessung am Prüfling längs Meßlinien, die wenigstens annähernd rechtwinklig zu einer in der Vorrichtung festliegenden Meßachse verlaufen und diese schneiden, wobei die Vorrichtung Mittel zur Hervorbringung einer relativen Abtastbewegung zwischen dem Prüfling und den Meßmitteln umfaßt. Eine solche Vorrichtung ist aus der DE-AS 1 078779 bekannt.

Das Messen der Querschnittsdimensionen von Rohren erfolgt nach der bisher bekannten Technik zumeist mittels eines in das Rohr eingeführten Meßorgans, das die lichte Weite des Rohres bestimmt, und zwar entweder durch direktes mechanisches Erfühlen ί oder mit Hilfe einer Luftmeßsonde. In diesen Fällen ist es erforderlich, daß das Meßorgan am Ende einer Führungsstange angebracht ist, deren Länge der Länge des zu untersuchenden Rohres odei gegebenenfalls nur der Hälfte desselben entspricht, sofern

ι« es möglich ist, von beiden Seiten her zu messen. Äußerst nachteilig an dieser Verfahrensweise ist, daß sie kein kontinuierliches Messen an einer Folge kontinuierlich vorgeschobener Rohre zuläßt, weil der Meßvorgang immer dann unterbrochen werden muß, wenn

π ein Rohr durchgemessen worden ist, weil die Meßorgane und die zugehörige Führungsstange wieder aus dem Rohr herausgezogen werden müssen

Dieser Nachteil wohnt dem Verfahren der eingangs genannten Art nicht inne, weil es ausschließlich von

2(i außer her am Rohr mißt. Es ist zur berührungslosen Wandstärkemessung vorgesehen und zeichnet sich dadurch aus, daß durch ein induktives Abtastverfahren das Volumen des Rohres und durch ein kapazitives Abstastverfahren der Außendurchmesser des Rohres

2i gemessen werden. Aus beiden Meßwerten läßt sich dann die Wandstarke ermitteln. Nachteilig an diesem Verfahren ist, daß sich nur Mittelwerte bestimmen lassen und der Innendurchmesser des Rohres nicht bestimmt wird.

tu Ein weiteres, ausschließlich von außen her messendes Verfahren zur Durchführung von Messungen an Rohren ist aus der US-PS 3 169 393 bekannt, mit welchem an kontinuierlich gedrehten und axial vorgeschobenen Rohren mit Hilfe eines unter Wasser ange-

n brachten Ultraschallmeßkopfes Wandstärkemessungen möglich sind. Dabei wird jedoch nur von einer Seite her am Rohr gemessen. Eine Durchmesseraufnahme findet nicht statt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit der es möglich ist, den Innendurchmesser von Rohren kontinuierlich aufzunehmen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weiterbil-

4-) düngen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Aus der GB-PS 1040242 ist zwar bereits eine Meßvorrichtung Oekannt, die auf den ersten Blick gesehen die gleiche Aufgabe zu lösen scheint, wie die

,(ι vorliegende Erfindung. Sie umfaßt einen rotierenden Ring mit vier Ultraschallköpfen daran, der um ein durchzumessendes Rohr rotiert, welches in Achsrichtung bewegt wird. Bei jeder Aktivierung eines der Ultraschallköpfe entsteht ein Signal, welches Reflexio-

-,-, nen erzeugt. Ausgesendete und reflektierte Signale werden getrennt von weiteren Signalen herausgefiltert, die durch Mehrfachreflexionen an den Rohrwänden entstehen. Aus den verschiedenen Signalen läßt sich dann die Wandstärke des Rohres berechnen.

Mi Zwar sind bei der bekannten Vorrichtung je zwei der Ultraschallköpfe diametral gegenüberliegend angeordnet, sie werden jedoch nicht gleichzeitig, sondern sukzessiv in einer zyklischen Reihenfolge aktiviert. Rotiert das Rohr mit einer Drehzahl von

h> 1500 U/min, dann ergibt sich zwischen den Aktivierungen sich diametral gegenüberliegender Ultraschallköpfe eine Rohrverdrehung von 18°, woraus ersichtlich ist, daß mit der bekannten Vorrichtung eine

Aufnahme von äußerem oder gar innerem Durchmesser des Rohres nicht möglich ist. Bei der vorliegenden Erfindung hat die Drehzahl des Rohres auf eine einzelne Messung jedoch keinerlei Einfluß.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird erreicht, daß die Meß- und Kontrollgeschwindigkeit allein von derjenigen Geschwindigkeit bestimmt wird, mit der 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 odec sogar unmöglich wäre, einen Meßdorn oder ein anderes Meßorgan in sie einzuführen. Schließlich können mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Messungen und Kontrollen an Rohrstücken beliebiger Länge vorgenommen werden.

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

Fig. 1 in perspektivischer Ansicht einen Schnitt durch ein Rohr, dessen Querschnittsdimensionen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgemessen werden, und

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

Die Rohre, für deren Messung die erfindungsgemäße Vorrichtung speziell entwickelt wurde, sind nominell zylindrische Rohre, d. h. Rohre, deren Wand von einer angestrebten äußeren kreiszylindrischen Fläche un<i einer angestrebten, hiermit konzentrischen inneren kreiszylindrischen Fläche begrenzt ist. Wie aus dem Schnitt in Fig. 1 ersichtlich ist, kann die Querschnittsform des Rohres recht stark von der nominellen Form abweichen, obwohl die in der Figur gezeigten Abweichungen der Deutlichkeit halber bewußt übf.rtrieber 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 au^h eine Kombination dieser Abweichungen vorliegen, die, wie ersichtlich ist, ein Variieren der Wandstärke bewirken. Auch in Längsrichtung des Rohres kommen von Querschnitt zu Querschnitt im allgemeinen Abweichungen von der nominellen Form vor, doch sind diese Abweichungen in 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 werfen.

Die vorliegende .Erfindung läßt die Messung des Innendurchmessers in der Form eines indirekten MeßDrozesses zu. 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 genauso 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 Umstandes, daß das Rohr während des Messens normalerweise auf seiner Außenseite unterstützt wird, können mittlerweile Abweichungen zwischen der Meßachse Λ-/ 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 lus, und gleichzeitig wird eine Reihe sukzessiver 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 Mjssungen ausgeführt worden sind. In Fig. 1 ist angenommen, daß die relative Abtastbewegung eine schraubenlinienförmige Bewegung ist, so daß die Schnittpunkte zwischen den Meßünien und der Rohrwand auf Schraubenlinien liegen, su wie es in Fig. 1 angedeutet ist. Die Anzahl der Meßlinien und die Steigung der Schraubenlinie ist von der Dichte abhängig, mit der die Querschnittsdimensionen in jedem einzelnen Fall dargestellt werden sollen. In Fig. 1 ist der Deutlichkeit halber eine schraubenünienförmige Bewegung mit sehr großer Steigung veranschaulicht.

Die relative Abtastbewegung braucht jedoch keine schraubenlinienförmige Bewegung zu sein. Es kann beispielsweise auch eine Abtastbewegung mh. schrittweisem Vorschub in Längsrichtung des Rohres An-Wendung 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 ausgemessen wird usw. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Vorschub in der Drehrichtung schrittweise geschehen zu lassen.

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 Ro!'ics 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 Abtas'ibewegung dadurch hervorzubringen, daß man die Meßorgans um die Meßschse rotieren läßt, während die einzige Bewegung, die das Rohr ausführt, ein Vorschub in Richtung der Meßachse ist.

Wie bereits erwähnt, soll 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 α mit Hilfe der Formel

errechnen läßt.

In Fig. 1 sind die Meßorgane 2 ind 3 mit einer Steuer- und Registrierausrüstung 4 verbunden. Diese Ausrüstung umfaßt Mittel zum Aktivieren der Meßorgane sowie zur Auswertung der von den Meßorganen gelieferten Signale, z. B. zum direkten optischen Anzeigen der gesuchten Dimensionen und/oder Registrieren derselben. Die Ausrüstung 4 kann ferner in Verbindung stehen mit Mitteln zum Bestimmen und/ udcr Registrieren der relativen Winkelposition der Meßorgane und des Rohres, so daß die Meßcrgebnissc 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 eins Abtasten /.. 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 hingegen die Messung des Außendurchmessers und die Messung der Wandstärke mit einer kurzen zeitlichen Verzögerung nacheinander aus. muß die Ausrüstung 4 Mittel zum kurzzeitigen Speichern der zuerst gemessenen Größe oder Größen enthalten. Im letzteren Fall, in welchem die Messungen nacheinander vorgenommen werden, kann das Messen des Außendurchmessers und das Messen der Wandstärken nicht mehr längs genau derselben Meßlinie erfolgen. In gewissen Fällen kann eine solche angenäherte Bestimmung jedoch zulässig sein.

Ist eine solche Näherung nicht zulässig und die Meßorgane können die Messungen nicht gleichzeitig 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 8 angebracht, die mit einer Steuer- und Meßiiusrüstung 9 verbunden sind. Die Verbindungslinie /H₁ zwischen den Meßorganen 5 und 6 und die Verbindungslinie /n, zwischen den Meßorganen 7 und 8 verlaufen beide wenigstens annähernd rechtwinklig zur Meßachse M.

Soilen die Messungen des Außendurchmesers und der Wandstärken längs derselben Meßlinie erfolgen und die Abtastbewegung schraubenlinienförmig sein, müssen die Meßo/gane 5 und 6 und die Meßorgane 7 und 8 in zwei rechtwinklig zur Meßachse M verlaufenden Ebenen liegen, die einen Abstand voneinander haben, der dem Vorschub in Richtung der Meßachse bei einer Drehung um den Winkel α entspricht. Gehört zur Abtastbewegung hingegen ein schrittweiser Vorschub in Richtung der Meßachsc, 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 eine Drehung um den Winkel α entspricht.

Diese Mittel zum Speichern lassen sich selbstver ständlich in demjenigen Fall auch entbehren, in welchem man die Ungenauigkeit in Kauf nehmen will, die sich dadurch ergibt, daß tier Außendurchmesser und die Wandstärken nicht auf genau derselben Meßlinic gemessen werden. Der Winkel η 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 Meßergebnissc 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 Außenduruimeser und oder die Wandstärke eines rohrförmigen Prüflings messen kann.

Bei einem direkten mechanischen Abfühlen des Prüflings kann unter ungünstigen Umstanden die Außenwand des Rohres beschädigt werden. Dies wird bei Anwendung der sogenannten indirekten Meßmethoden vermieden. Als Beispiel 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-lnterferrometers.

Zum Messender Wandstärken können z. B. die Ultraschall-Resonanzmethode, die Ultraschall-Impuls-Resonanzmethodc, die Ultraschall-Impuls-Echomethode oder die induktive Methode, d. h. eine Methode, bei der Wirbelströme induziert werden, Anwendungfinden. Die vier letzten Methoden eignen sich auch zum Messen des Außendurchmessers, 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, die sich in einem Meßkopf befindet, der um die Meßachse rotieren kann. Die Meßkammer kann eventuell geschlossen und mit Flüssigkeit gefüllt sein.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Aufnahme der Querschnittsdimensionen rohrförmiger Gegenstände, z. B. Metallrohre zum Einkapseln von Reaktorbrennstoff, mit Hilfe von Mitteln zur Dimensionsmessung am Prüfling längs Meßlinien, die wenigstens annähernd rechtwinklig zu einer in der Vorrichtung festliegenden Meßachse verlaufen und diese schneiden, wobei die Vorrichtung Mittel zur Hervorbringung einer relativen Abtastbewegung zwischen dem Prüfling und den Meßmitteln umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (2,3) so eingerichtet sind, daß sie von außen her berührungslos längs jeder Meßlinie (m) den Abstand zwischen jedem von zwei Fixpunkten und dem nächsten Schnittpunkt der Meßlinie mit der Oberfläche des Prüflings (1) sowie die beiden zugehörigen Wandstärken !ängs wenigstens annähernd derselben Meßlinie (m) messen, wobei die Vorrichtung Mittel (4) zürn Berechnen des Außen- und des Innendurchmessers des Prüflings (1) längs der betreffenden Meßlinie (m) aus den genannten vier Meßwerten und dem Abstand zwischen den Fixpunkten enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die MeGmittel (2, 3) so eingerichtet sind, daß sie längs derselben oder im wesentlichen isrselben MeCilinie zusammengehörende Werte der Abstände zwischen den sich diametral gegenüberliegenden Fixpunkten und der Oberfläche des Prüflings sowie der sich gegenüberliegenden Wandstärken gleichzeitig messen können.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit welcher zusammengehörende Werte der Abstände zwischen den Fixpunkten und der Oberfläche des Prüflings sowie der Wandstärken mit einem kurzen Zeitunterschied gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßmittel (2, 3) Elemente zu einem kurzzeitigen Speichern der zuerst gemessenen Werte umfassen.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher die Meßmittel und der Prüfling reltiv zueinander rotieren können, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum Bestimmen der relativen Winkelpositionen der Meßmittel (5,6,7,8) und des Prüflings (1) enthält.