DE2236221C3 - Optisches Verfahren zur Oberflächenprüfung von Werkstücken, insbesondere zur Erfassung der Aufrauhung der Werkstückoberfläche von Brennelement-Hüllrohren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zur Oberflächenprüfung von Werkstücken, wobei ein in einer Ebene quer zur Oberfläche des Werkstücks liegender Lichtstrahl die Werkstückoberfläche abtastet und der nicht vom Werkstück abgedeckte Teil des Lichtstrahls durch eine Fotozellenschaltung erfaßt wird.

Ein solches Verfahren ist zur Erfassung der Rundlauffehler von Rotationskörpern, z. B. Spinnspindeln, bekannt (DE-Gbm 17 91 001). Der während des Prüfvorganges um seine Achse rotierende Prüfling wird dabei in einer achsnormalen Ebene abgetastet; die Abtastung in verschiedenen achsnormalen Ebenen erfolgt mittels eines oder mehrerer von Hand auf die jeweilige Meßebene einstellbarer Meßschlitten. Beim Rundlauf-Meßverfahren nach der DE-AS 12 05 294 wird keine Fotozelle verwendet, sondern der über den Umfang des Werkstücks winkelschrittweise abgetastete Oberflächenverlauf wird durch den Winkelschritten entsprechende streifenweise Belichtung eines Films als Parallellinienraster abgebildet (Bewegungsfotogramm). Weiterhin ist das eingangs genannte Verfahren auch bereits zur Bestimmung des Kräuselgrades von extilgeweben bekannt (GB-PS 12 39 696) und ferner zur Ermittlung der Oberflächen-Unebenheiten von Behälterrändern (DT-AS 15 48 175). Bei den vorgenannten bekannten Verfahren ergäbe sich ein relativ hoher Meßaufwand, wenn man damit eine Oberflächenprüfung großer, langgestreckter Rächen durchführen wolke. Mit diesem Problem befaßt sich die Erfindung, die insbesondere zur Erfassung der Aufrauhung der Werkstückoberfläche von Hüllrohren für die Brennelemente in Kernreaktoren vorgesehen ist Bei diesen sieht man häufig eine definierte Aufrauhung der Außenfläche vor, um den Wärmeübergang zwischen den Brennelementen und dem Kühlmittel, z. B. Kühlwasser oder einem Kühlgas, zu verbessern. Der Wärmeübergangsbeiwert und der Druckverlust der Kühlmittelströmung

so sind sehr stark von der Form und Maßgenauigkeit der Aufrauhung abhängig. Deshalb sind die Toleranzforderungen sehr streng. Ferner dürfen angesichts der relativ dünnen Wandstärke der Hüllrohre und der großen Beanspruchung durch Druck, Temperatur und gegebe-

SS nenfalls Schwingungen die geringen Toleranzen nicht überschritten werden. Deshalb ist eine genaue Erfassung der Oberflächengüte erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten daß damit langgestreckte und damit einen relativ großen Oberflächenbereich aufweisende Werkstücke, insbesondere die eine große axiale Länge im Verhältnis zu ihrer Dicke aufweisenden Hüllrohre von Brennelementen auf ihre gesamte Länge in einem kontinuierlichen oder quasi-kontinuierlichen, zur Automatisierung geeigneten Abtastvorgang untersucht werden können.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1

angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Lichtstrahl die Werkstückoberfläche in Form von Lichtimpulsen mit einem quer zur Werkstückoberfläche langen und schmalea. über die Oberfläche des Werkstücks zum Teil hinwegreichenden Querschnitt gleichbleibender Größe punktweise abtastet, und daß die Intensitäten der nicht von der Werkstückoberfläche abgeschatteten Teile der Lichtimpulse von der Fotozellenschaltung digital ausgewertet werden.

Dieses Verfahren ist in besonderem Maße dazu geeignet, din Vorgang der Oberflächenprüfung zu automatisieren, wie weiter unten noch näher erläutert wird.

Den langen und schmalen Querschnitt des auszuwertenden Lichtimpuises kann man durch entsprechende Blenden im Strahlengang einer Lichtquelle erhalten. Dabei kann man auch bekannte optische Systeme, also Linsen, Linsenkombinationen, Prismen usw. zur Führung und Vergrößerung der Lichtstrahlen einsetzen. Eine Vergrößerung kann sich dabei auf den gesamten Strahlenquerschnitt beziehen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn nur der von der Werkstückoberfläche begrenzte Lichtimpulsquerschnitt zur Auswertung durch die Fotozelle vergrößert wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Querschnitt des zur Abtastung verwendeten Lichtimpulses durch die lange und schmale Form der Fotozelle bestimmt wird. Besonders geeignet hierfür ist ein Draht mit e'ner im Verhältnis zur Länge geringen Breite, der gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung mit einer lichtempfindlichen Halbleiterschicht versehen und zur Verwendung als Fotozelle ausgespannt wird.

Die Lichtimpulse kann man an sich durch kurzzeitiges Arbeiten der Lichtquelle hervorrufen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die auszuwertenden Lichtimpulse durch periodisches Unterbrechen der auf die Fotozelle gerichteten Lichtstrahlen einer stetig strahlenden Lichtquelle mit geeigneten Flügeln einer sich drehenden Vorrichtung zu erzeugen. Des weiteren kann man Lichtimpuise, die für eine digitale Auswertung geeignet sind, auch dadurch erhalten, daß man die Fotozelle periodisch ein- und ausschaltet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung führt der Lichtstrahl und/oder die Fotozelle eine Relativbewegung gegenüber dem Werkstück aus. Die Relativbewegung kann stetig erfolgen, sie kann auch schubweise vorgenommen werden. Für die von der Erfindung besonders betroffenen Hüllrohre von Brennelementen kann man auch eine schraubenförmige Vorschubbewegung der Hüllrohre vorsehen.

Bei der Relativbewegung kann man eine günstige Beziehung zwischen Impulslänge, Impulsfolge und Bewegung einhalten. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wird die Werkstückoberfläche des Hüllrohrs derart längs seiner Achse relativ zum Lichtstrahl und zur Fotozelle bewegt, daß die Bewegungslänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen mindestens annähernd der Lichtimpulsbreite entspricht. Hierdurch vermeidet man eine Verfälschung der Größe der Lichtimpulse durch Überlagerung. Je kleiner man die Breite der Lichtimpulse macht, um so genauer kann man mit dem Verfahren nach der Erfindung arbeiten. Vorzugsweise ist die Bewegungslänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen kleiner als die kleinste Breite der zu erfassenden Oberflächenrauhigkeit.

Zur Automatisierung kann bei Über- und Unterschreiten eines Lichtimpulssollwertes ein Signal gegeben werden. Damit kann man zu große Au/rauhungen, die möglicherweise die Festigkeit beeinträchtigen, oder zu kleine Rauhtiefen, die einen zu geringen Wärmeübergang bei den genannten Hüllrohren verursachen können, automatisch feststellen. Zum Beispiel kann das Signal eine Unterbrechung der Relativbewegung veranlassen. Man erkennt dann sofort, an welcher Stelle des Prüflings die fehlerhafte Oberfläche vorliegt

Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im

ίο folgenden anhand der schematischen Zeichnung zwei Ausführungsbeispiele beschrieben.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Hüllrohr für Brennstäbe von Kernreaktoren bezeichnet, und zwar das eines schnellen Brutreaktors mit Gaskühlung. Solche Rohre haben im allgemeinen Durchmesser im Bereich von 10 mm und Wandstärken von etwa 0,5 mm. Sie bestehen üblicherweise aus nichtrostendem Stahl und werden in Längen von mehreren Metern verarbeitet Zur Verbesserung des Wärmeüberganges werden die Rohre mit einer künstlichen Aufrauhung verwendet, indem in Abständen oder schraubenlinienförmig fortlaufend rechteckförmige Nuten eingestochen werden. Die Oberfläche des Rohrs erhält dadurch das in F i g. 2 dargestellte Profil mit den in mm angegebenen Maßen.

Zur automatischen Kontrolle der Aufrauhung der Oberfläche wird das Rohr 1 mit einem Greifer 2 gefaßt, der über eine Stange 3 mit einem Antrieb 4 verbunden ist. Der Antrieb 4 kann eine hin- und hergehende Bewegung ausüben, wie durch den Pfeil 5 angedeutet ist.

Zweckmäßigerweise ist diese Bewegung (5) mindestens ebenso lang wie die Länge des zu untersuchenden Rohres 1. Zusätzlich zu der geradlinigen hin- und hergehenden Bewegung kann das Rohr 1 eine Drehbewegung ausführen, wie durch den Pfeil 6 angedeutet ist, damit die Oberfläche nicht nur längs einer Mantellinien, sondern z. B. in Schraubenlinienform über den ganzen Umfang untersucht werden kann.

Auf der einen Seite des Rohres 1 ist eine Glühlampe 10 angeordnet, die durch ein Linsensystem 11 einen gebündelten Lichtstrahl auf eine Blende 12 wirft, in der ein schmaler Schlitz 13 vorgesehen ist. Der Schlitz 13 verläuft quer zur Längsachse des Rohres 1. Dadurch ergibt sich der durch die gestrichelten Linien 15 angedeutete Strahlenverlauf, dessen langer und schmaler Querschnitt über die Oberfläche des Rohrs 1 zum Teil hinwegreicht.

Auf der anderen Seite des Rohres 1 ist eine weitere Blende 17 angeordnet, die Streuungen des Lichtes unwirksam macht. Der in einer Ebene quer zur Längsachse des Rohres 1 liegende Lichtstrahl wird durch ein weiteres Linsensystem 18 gebündelt und auf eine Fotozelle 20 gegeben.

Zwischen der Lichtquelle 10 und der Fotozelle ist ein Flügelrad 22 angeordnet, das von einem Elektromotor 23, z. B. in Richtung des Pfeiles 24, gedreht werden kann. Die Flügel des Rades 22 unterbrechen den Lichtstrahl 15, so daß in der Fotozelle 20 Lichtimpulse empfangen werden. Die Impulse sind über die Leitung 25 mit dem vom Antrieb 4 bewirkten Vorschub des Rohres 1 synchronisiert Deshalb ist die Intensität der Lichtimpulse, die durch die Größe des nicht vom Rohr 1 abgedeckten Teiles des Strahlenquerschnittes bestimmt ist, ein Maß für die örtliche Aufrauhung der Oberflächen, ivie später noch näher erläutert wird.

Die von der Fotozelle 20 entsprechend den Lichtimpulsen abgegebenen elektrischen Impulse werden über eine Leitung 26 zu einem Verstärker 27 gegeben, der unmittelbar ein Anzeigeinstrument 28

speist. Parallel zum Anzeigeinstrument kann auch eine elektronische Datenverarbeitungsanlage 29 angeordnet sein, die eine nachträgliche Prüfung der Meßergebnisse gestattet. Ferner kann ein Signalgeber 30 von der Datenverarbeitungsanlage 29 oder unmittelbar vom Verstärker 27 gespeist werden, der bei Erreichen bestimmter Grenzwerte ein Signal gibt. Über eine Leitung 32 kann der Antrieb 4 stillgesetzt werden, wenn solche Grenzwerte erreicht werden.

In F i g. 3 ist die Oberfläche des Rohres 1 anhand eines Längsschnittes in größerem Maßstab dargestellt. Dabei sind auf der Oberfläche 35 Vertiefungen 36 und 37 angedeutet, die beim Ausführungsbeispiel als Nuten zur Aufrauhung eingearbeitet sind.

Die Erfindung eignet sich aber auch zur Erfassung von Aufrauhungen, die von der Herstellung des Rohres 1 herrühren. Bei der Erfindung werden diese Vertiefungen dadurch festgestellt, daß sie in zeitlich aufeinanderfolgenden Schritten durch Lichtimpulse 41 bis 49 usw. beleuchtet werden, deren Breite B kleiner ist als die kleinste Breite b der von den Aufrauhungen des Rohres 1 gebildeten Vorsprünge 50. Je nach der Größe der Vertiefung 36 bzw. 37 und der dazwischenliegenden Vorsprünge fällt mehr oder weniger Licht auf die Photozelle 20. Der nicht von der Oberfläche 35 des Rohres 1 abgedeckte Teil der Lichtimpulse 41 bis 49 ist in Fig. 3 mit 51 bis 59 bezeichnet, während der abgedeckte Teil schraffiert ist.

Macht man die Breite B der Lichtimpulse genügend klein und ihre Höhe H gleich, so daß der über die Oberfläche 35 des Rohres 1 hinausgehende Rand R in Fig. 3 auf einer Geraden parallel zur Rohrachse oder mittleren Rohroberfläche liegt, so ist die Größe der von der Fotozelle erfaßten Lichtimpulse 51 bis 59 ein Maß für die Vertiefung, die von der mittleren Rohroberfläche abweicht. Dadurch kann man die Kontrolle der Oberfläche automatisieren. Die Genauigkeit der Überwachung ist durch die leicht einstellbaren Gegebenheiten des Strahlenverlaufs gegeben, so daß eine Anpassung an unterschiedliche Aufrauhungen möglich ist. Mit einem sehr feinen Raster kann man auch noch Abrundungsradien abschätzen.

In Fig.4 wird als Fotozelle 20 ein Draht 62 verwendet, der mit einer lichtempfindlichen Halbleiter-Schicht versehen und in einem Rahmen 63 eingespannt ist. Der nicht vom Rohr 1 abgedeckte Teil des Lichtstrahls 15 wird von einem Projektor 64 auf der der Glühlampe 10 abgekehrten Seite des Rohres 1 vergrößert, so daß der Draht 62 nur einen sehr schmalen Ausschnitt empfängt. Von diesem Ausschnitt werden durch periodisches Ein- und Ausschalten der Fotozelle mit einem Schalter 66, der mit dem Antrieb 4 synchronisiert ist, Lichtimpulse gewonnen, die, wie anhand der F i g. 3 erläutert, ausgewertet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Optisches Verfahren zur Oberflächenprüfung von Werkstücken, insbesondere zur Erfassung der Aufrauhung der Werkstückoberfläche von Hüllrohren für die Brennelemente in Kernreaktoren, wobei ein in einer Ebene quer zur Oberfläche des Werkstücks liegender Lichtstrahl die Werkstückoberfläche abtastet und der nicht vom Werkstück abgedeckte Teil des Lichtstrahls durch eine Fotozellenschaltung erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (15) die Werkstückoberfläche (35) in Form von Lichtimpulsen (41 —49) mit einem quer zur Werkstückoberfläche langen und schmalen, über die Oberfläche (35) des Werkstücks (1) zum Teil hinwegreichenden Querschnitt gleichbleibender Größe punktweise abtastet, und daß die Intensitäten der nicht von der Werkstückoberfläche (35) abgeschatteten Teile der Lichtimpulse (41 —49) von der Fotozellenschaltung (20, 25—32) digital ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des zur Abtastung verwendeten Lichtimpulses (15) durch die lange, schmale Form der Fotozelle (20) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht (62) mit einer im Verhältnis zur Länge geringen Breite mit einer lichtempfindlichen Halbleiterschicht versehen und zur Verwendung als Fotozelle (20) ausgespannt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Werkstückoberfläche (35) begrenzte Lichtimpulsquerschnitt (51—59) zur Auswertung durch die Fotozelle (20) vergrößert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die auszuwertenden Lichtimpulse (51—59) durch periodisches Unterbrechen der auf die Fotozelle (20) gerichteten Lichtstrahlen einer stetig strahlenden Lichtquelle (10) erzeugt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch kurzzeitiges Ein- und Ausschalten der Fotozelle (20).

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl (15) und/oder die Fotozelle (20) eine Relativbewegung zum Werkstück (1) ausführt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche (35) des Hüllrohres (1) derart längs seiner Achse relativ zum Lichtstrahl (15) und zur Fotozelle (20) bewegt wird, daß die Bewegungslänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen (41—49) mindestens annähernd der Lichtimpulsbreite fßj entspricht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungslänge zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen kleiner als die kleinste Breite (b) der aj erfassenden Oberflächenrauhigkeiten (36,37,50) ist

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Über- oder Unterschreiten eines Lichtimpulssollwertes ein Signal gegeben wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die digital ausgewerteten Lichtimpulswerte (51—59) elektronisch mit einem Sollwert verglichen werden.

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder H₁ dadurch gekennzeichnet, daß das Signal eine Unterbrechung der Relativbewegung veranlaßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das digitale Ergebnis unter Zusatz von Identifikationsmerkmalen des Werkstückes (1) in einer elektronischen Datei gespeichert wird.