DE2713921C2 - Vorrichtung zum Messen der radialen Abmessungen eines Rohres mittels Ultraschall - Google Patents

Vorrichtung zum Messen der radialen Abmessungen eines Rohres mittels Ultraschall

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen der radialen Abmessungen eines Rohres mittels Ultraschall mit einem, mindestens ein Sendeelement aufweisenden, als Kreisring ausgebildeten Ultraschall-Sende-Wandler, einem koaxial zum Ultraschall-Sende-Wandler angeordneten kegelstumpfförmigen Spiegel zum Umlenken der vom Ultraschall-Sende-Wandler erzeugten Schallwellenzüge auf das Rohr, einem Ultraschall-Empfänger-Wandler im Wellenausbreitungsweg der vom Rohr zurückgeworfenen Schallwellenzüge, und einer Einheit zum Auswerten der Einlaufzeiten der auf den Empfänger-Wandler treffenden Schallwellenzüge.
Eine derartige Vorrichtung zeigt die DE-OS 22 49 091. Dabei kann der Ultraschall bzw. die Ultraschallstrahlung achsparallel abgestrahlt und mit Hilfe eines Hohlspiegels fokussiert werden. Die Ultraschallwellen sollen in einer Brennlinie fokussiert werden, so daß bei Ulträschalluntersuchungen eine guie laterale Auflösung über eine große Tiefe, also längs der Brennlinie, erreicht wird.
Eine herkömmliche Möglichkeit zur Messung der Abmessung eines Rohres mittels Ultraschall besteht im Anordnen zweier Ultraschall-Sende-Wandler diametral gegenüber, deren Sendeflächen derart sind, daß sie Stahlen senkrecht zur Achse des Rohres abgeben, und im Empfangen der von den Innenflächen und Außenflächen des Zylinderrohres reflektierten Strahlen, was die Messung dessen Innenradius und Außenradius ermöglicht. Zur Bestimmung der Durchmesser, der Ovalität (Unrundsein) und der verschiedenen Dicken des Rohres gemäß verschiedenen Neigungswinkeln ist es möglich, das Rohr ständig vor den Ultraschall-Sende-Wandlern vorbeizufördern, wobei ihm auch eine Drehbewegung um seine Achse gegeben werden kann, wodurch erreicht wird, daß ein Punkt der Oberfläche des Rohres eine wendeiförmige Bewegung durchläuft, und daß die verschiedenen Radien des Rohres für verschiedene Winkellagen bzw. Neigungen gemessen werden.
Eine derartige Vorrichtung ist jedoch unbequem und umständlich, vor allem aber können sich mechanische Fehler und Ungenauigkeiten bei der Förderung oder Verschiebung des Rohres, insbesondere seiner Drehbewegung, in entsprechende Meßfehler umsetzen. Das gleiche ist der Fall, wenn das Drehen des Rohres durch ein Drehen des Paars der Ultraschall-Sende-Wandler ersetzt wird.
Bei einer anderen herkömmlichen Vorrichtung erfolgt unter Vermeidung einer Zwangsdrehung des Rohres die kontinuierliche Messung der Abmessungen des Rohres lediglich mit einer einzigen Längsbewegung des zylindrischen Rohres. Dabei ist eine Reihe von Ultra-
schall-Sende-Wandlern im Ring um die Achse des Rohres angeordnet, wobei die Ultraschall-Sende-Wandler paarweise und die beiden Ultraschall-Sende-Wandler, die ein Ultraschall-Sende-Wandler-Paar bilden, einander gegenüberliegend angeordnet sind uno gleichzeitig senden zur Messung des Innendurchmessers und des Außendurchmessers des Rohres, wobei die verschiedenen Ultraschall-Sende-Wandler-Paare, die im Kreis angeordnet sind, sequentiell erregt werden.
Eine derartige Vorrichtung ist sehr kostspielig, da die Verwendung· einer größeren Anzahl von Ultraschall-Sende-Wandlern notwendig ist Das elektronische Verarbeitungssystem der Signale ist kompliziert, da eine sequentielle Klassierung der verschiedenen von den Ultraschall-Sende-Wandiern empfangenen Informationen notwendig ist und darüber hinaus die Messung nur längs einer diskreten Anzahl von Winkellagen im allgemeinen gemäß 4 oder 6 Erzeugenden erreicht werden kann.
Weiterhin ist aus der DE-OS 22 04 474 ein Ultraschall-Doppler-AppIikator bekannt, der mehrere in großem Abstand zueinander angeordnete Ultraschall-Wandler aufweist Eine solche Anordnung eignet sich nicht zum Einsatz beim Messen der radialen Abmessungen eines zylindrischen Rohres, weil mit dieser eine kontinuierliche Verschiebung des zu untersuchenden Teilbereichs auf einem Rohr nicht möglich ist Darüber hinaus dient der Doppler-Applikator zur Erfassung von dynamischen Vorgängen, die durch die Frequenzverschiebung der reflektierten Ultraschallwandler erfaßt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs geschilderten Art dahingehend zu verbessern, daß bei einfachem konstruktiven Aufbau und kostengünstiger Herstellungsmöglichkeit die Zuverlässigkeit der Meßvorrichtung gesteigert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Die Unteransprüche enthalten zweckmäßige weitere Ausbildungen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist von mechanisch und elektrisch besonders einfachem Aufbau, wobei der wesentliche Vorteil in der Vermeidung einer Drehbewegung des Rohres und von Schwingungen liegt, woraus sich zwangsweise Meßfehler ergeben würden. Weiter ist die Lage des Rohres gegenüber der Meßvorrichtung lediglich durch die Translations- oder Längsbewegung beeinflußt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung in Verbindung mit einer beliebigen Werkband mit Längsfördereinrichtung sich verwenden läßt, wobei auf dem Markt erhältliche elektronische Abmessungssteuer- oder -Überwachungseinrichtungen einsetzbar sind.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Es zeigt
F i g. 1 eine perspektivische Ansicht;
F i g. 2 im Schnitt ein Detail der Ausführung nach Fig.1;
F i g. 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Inneren eines Zylinderrohrs;
F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei dem das Hindernis und der Schirm miteinander einstückig und um die Achse des Zylinders bewegbar sind.
Fig. 1 zeigt einen Ultraschall-Sende-Wandler 2, eine drehbare Abschirmung 4, die von öffnungen 6,8 durchsetzt ist, die einander bezüglich der Achse eines Rohres 10 diametral gegenüberliegen, dessen verschiedene Radien gemessen werden sollten, sowie einem kegelstumpfförmigen Spiegel 12 mit einem Scheitelwinkel von 90°.
Die Vorrichtung weist auch eine Trageinrichtung mit Armen 14 auf, die mit drehbaren Rollen 16 versehen sind, durch die das Rohr 10 gemäß der Achse OZ bewegt oder gefördert werden kann, Ein Motor 18 dreht ein Rad 20, das durch einen Riemenantrieb die drehbare Abschirmung 4 antreibt. Selbstverständlich können auch andere Einrichtungen zum Drehen der drehbaren Abschirmung 4 verwendet werden. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der am Rahmen durch ein Gehäuse 22 befestigte Ultraschall-Sende-Wandler 2 aus zwei Sender/Empfängern (Sektoren 24, 26) zusammengesetzt, die jeweils einen Sektor von 180° bedecken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wirkt folgendermaßen:
Die drehbare Abschirmung 4 wird ständig um die Achse OZ in Drehung versetzt, längs der das Zylinderrohr 10 verschoben wird. In regelmäßigen Abständen senden die beiden Teile des Ultraschall-Sende-Wandlers 2 entsprechend den Sektoren 24,26 simultane oder sehr ähnliche Impulse ab, wobei ein Teil des Impulszuges durch die Offnungen 6 und 8 der drehbaren Abschirmung 4 für eine bestimmte Winkellage öder drehbaren Abschirmung 4 tritt, und diese Impulse sich bis zum Spiegel 12 ausbreiten, wo sie gemäß den Radien 28 reflektiert werden, die radial bezüglich des Zylinderrohrs 10 gerichtet sind. Damit die Impulse simultan sind, müssen zwei Sende/Empfangs-Elektronikeinrichtungen verwendet werden. Aus Wirtschaftkeitsgründen ist häufig eine Elektronikeinrichtung mit Kommutierung oder Umschaltung ausreichend. Die Impulse sind dann nicht mehr vollständig simultan, sondern leicht zeitverschoben, wobei die Verschiebung des Rohrs zwischen zwei Impulsen vernachlässigbar ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist auch ein ortsfester Ring 30 in Form eines Zylinderrings vorgesehen, der einen Teil des Stahlenbündels abdeckt, das von dem Ultraschall-Sende-Wandler abgegeben ist.
Dieser Ring 30 mit konstantem Durchmesser ermöglicht eine Kalibrierung der Abmessungen der Rohres 10. Die reflektierten Echos infolge der Innen- und der Außenfläche des Rohres 10 und des Ringes 30 werden nach Durchtritt durch die Öffnungen 6, 8 von den beiden Sektoren 24,26 des Ultraschall-Sende-Wandlers 2 empfangen. Diese Echos werden dann abhänig von der Zeit durch eine geeignete elektronische Einrichtung wie durch einen Oszillographen betrachtet. Diese verschiedenen Echos sind in Diagrammen 32 und 34 in F i g. 1 dargestellt. Das erste Echo 36 bzw. 38 entspricht der Reflexion am Ring 30. Das zweite Echo 40 bzw. 42 der Reflexion an der Außenfläche des Rohres 10 und das dritte Echo 44 bzw. 46 der Reflexion an der Innenfläche des Rohres 10. Der Außendurchmesser des Rohres 10 ergibt sich durch die Gleichung
mit D= Durchmesser des Ringes 30,
V= Schallgeschwindigkeit im Kopplungsmedium sowie
ei = t2 V',
e2 = f'2 V',
mit ei und e2 = Dicke des Rohres,
V= Schallgeschwindigkeit im Rohr.
Selbstverständlich ist die Gesamtanordnung des Systems in Wasser oder in ein anderes Flüssigmedium ein-
getaucht, das als Impedanzanpaßeinrichtung wirkt. Die Bauteile 2,4 und 12 sind eingetaucht. Dabei ist es jedoch vorteilhaft, den Motor 18 und die Fördereinrichtung 14, 16 außerhalb der Kopplungsflüssigkeit anzuordnen. Aus der Zeit f, und der Zeit t\ kann der Abstand zwischen dem Rohrdurchmesser und dem Ringdurchmesser des Kalibrier-Rings 30 und so der Außendurchmesser <Pe des Rohres 10 durch eine gegebene Meridianebene entsprechend dem Winkel θ der Lage der drehbaren Abschirmung 4 bestimmt werden. Die Kenntnis der Zeiten f2 und t'i erlaubt die Messung in Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in dem das Rohr 10 bildenden Werkstoff der Dicken ei und e2 des Rohres an zwei diametral gegenüberliegenden Punkten und durch Subtraktion vom Außendurchmesser Φί die Bestimmung des Innendurchmessers ΦΡ Wenn dann einmal diese Messung für eine Lage der drehbaren Abschirmung 4 durchgeführt ist, werden neue Ultraschallimpulse von den Sektoren 24, 26 abgegeben, und zwar für eine andere Lage der drehbaren Abschirmung 4, wodurch die gleichen Messungen für einen anderen Winkel θ durchgeführt werden können.
Es kann auch ein aus einem Stück bestehender Ultraschall-Sende-Wandler 2 verwendet werden sowie ein Schirm mit einem einzigen Loch, was lediglich die Messung der Dicke ermöglicht.
Selbstverständlich ist der Ring 30 nicht unbedingt notwendig und kann der Durchmesser der Rohres 10 auch ohne ihn mittels der Zeit des Hin- und Rücklaufs der Welle zwischen dem Sender/Empfänger und dem Zylinderrohr 10 bestimmt werden. Der Ring 30 ist jedoch nützlich, um die Fehler infolge Veränderungen der Ausbreitungsgeschwindigkeit V des Schalls in Wasser mit der Temperatur zu verringern.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Schnitt dargestellt, das im wesentlichen dem gemäß F i g. 1 entspricht, was durch gleiche Bezugszeichen ausgedrückt ist. in F i g. 2 ist lediglich der mechanische Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung wiedergegeben, da der elektronische Teil keine besonderen Schwierigkeiten bereitet. Der Ultraschall-Sende-Wandler 2 besitzt eine in zwei Teile 24,26 geteilte Sender/Empfänger-Zone. Es ist in einem ortsfesten Zylinder 52 enthalten. Der Ultraschall-Sende-Wandler 2 besteht aus einem aus zwei koaxialen Zylindern und einem Boden bestehenden Gehäuse, wobei der Raum zwischen den beiden Zylindern mit einem Dämpfungsglied, zum Beispiel einem Kunstharz, gefüllt ist. Auf der Oberfläche des Dämpfungsglieds sind die beiden 180°-Sektoren aus zum Beispiel Bariumtitanat angeordnet, die die Schallwellen senden und empfangen. Die Dicke der Sektoren 24,26 in Richtung der Achse des Rohres 10 ist abhängig von der gewünschten Frequenz bestimmt. Das Rohr 10 tritt durch das Innere einer Aussparung im Ultraschall-Sende-Wandler 2. Die Fördereinrichtung des Rohres 10 ist hier nicht dargestellt Die drehbare Abschirmung 4 enthält zwei öffnungen 6,8 und dreht sich mittels eines Wälzlagers oder Rollenlagers 53 auf einem festen Gerüst 54, das mit einem Zylinder 56 ortsfest ist und durch einen Ring 58 zentriert ist. Der Spiegel 12 ist in dem Gerüst 54 ausgebildet. Ein Hindernis in Form des Ringes 30 deckt einen Teil der Schallwellenzüge ab, die mit Strichpunktlinien 60 dargestellt sind zur Bildung einer Lehre mit bekannten Abmessungen, die als Maß (Eichmaß) zur Messung der Abstände entsprechend den vom Rohr 10 und dem Ring 30 zurückgeworfenen Echos dient. Der Durchmesser des Rohres 10 wird relativ bezüglich dieses Ringes 30 gemessen. Die in Fi g. 2 dargestellte Vorrichtung umgibt das Rohr 10 zur Messung dessen Innen- und Außenabmessungen.
In F i g. 3 ist eine der in F i g. 2 dargestellten ähnliche Vorrichtung dargestellt, mit dem Unterschied, daß sie im Inneren des Rohres angeordnet ist. Diese Vorrichtung ist im Schnitt dargestellt und symmetrisch bezüglich der Achse OZ sowie im Inneren des Rohres 10 enthalten, dessen Abmessungen bestimmt werden sollten. Ein Keil 62 ermöglicht die Zentrierung der Vorrichtung bezüglich des Rohres 10, und die drehbare Abschirmung 4 dreht sich um die Achse OZ mittels eines am Gerüst 54 befestigten Wellenlagers 53. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Spiegel 12 in einer geeigneten Richtung bezüglich der Ausbreitungsrichtung der Schallwellenzüge 60 angeordnet.
In den F i g. 2 und 3 ist die drehbare Abschirmung 4 konisch zur Vermeidung von parasitären Reflexionen.
In Fig.4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem die drehbare Abschirmung 4 zwischen dem Spiegel 12 und dem Rohr 10 angeordnet ist. Die drehbare Abschirmung 4 dreht sich mittels eines Wellenlagers 70 um die Achse OZ, wobei das Wellenlager 70 am ortsfesten Gerüst 72 befestigt ist. In diesem Fall kann der lochfreie Teil der Abschirmung darüber hinaus auch als Ring 30 wirken.
Selbstverständlich können die drehbare Abschirmung 4 und der Kegelstumpfschirm auch miteinander verbunden sein.
Vorzugsweise werden Ultraschall-Sende-Wandler verwendet, die eine starke Dämpfung besitzen, um ihre Auflösung zu verbessern, und bei denen die Sendefrequenz hoch ist. Selbstverständlich sind die Drehzahl der drehbaren Abschirmung 4 und der Durchmesser der öffnungen 6,8 so bestimmt, daß die Ultraschallimpulse einen Hin- und Rückweg zwischen Sender/Empfänger und Gegenstand besitzen, ohne daß die Schallwellenzüge durch Drehung der drehbaren Abschirmung 4 wesentlich abgedeckt sind. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ultraschall, zum Beispiel 1500 m/s in Kopplungsflüssigkeiten wie Wasser, sehr hoch sind, ist diese Behandlung nicht von besonderem Einfluß.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Messen der radialen Abmessungen eines Rohrs mittels Ultraschall mit
— einem, mindestens ein Sendeelement aufweisenden, als Kreisring ausgebildeten Ultraschall-Sende-Wandler,
— einem koaxial zum Ultraschall-Sende-Wandler angeordneten kegelstumpfförmigen Spiegel zum Umlenken der vom Ultraschall-Sende-Wandler erzeugten Schallwellenzüge auf das Rohr,
— einem Ultraschall-Empfänger-Wandler im Wellenausbreitungsweg der vom Rohr zurückgeworfenen Schallwellenzüge, und
— einer Einheit zum Auswerten der Einlaufzeiten der auf den Empfänger-Wandler treffenden Schallwellenzüge,
gekennzeichnet durch eine, in dem Wellenausbreitungsweg (60) zwischen dem Ultraschall-Sende-Wandler (2) und dem Rohr (10) angeordnete, um die Rohrachse (0, z) drehbare Abschirmung (4) mit mindestens einer öffnung (6,8) zum Durchlassen eines Teils der vom Ultraschall-Sende-Wandler (2) erzeugten Wellenzüge auf einen Teilbereich des Rohrs.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mechanische Einrichtung zum Fördern des Rohrs (10) parallel zu den durch mindestens einen Ultraschall-Sende-Wandler (2) erzeugten Schallwellenzügen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Ultraschall-Sende-Wandler (2), Spiegel (12) und drehbarer Abschirmung (4) im Inneren des Rohrs (10) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus Ultraschall-Sende-Wandler (2), Spiegel (12) und drehbarer Abschirmung (4) außen um das Rohr (10) herum angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —4, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Abschirmung (4) von zwei öffnungen (6,8) durchsetzt ist, die sich beiderseits ihrer Achse diametral gegenüberliegen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Teil des Ultraschall-Sende-Wandlers (2) aus zwei halbzylindrischen, elektrisch unabhängigen und symmetrisch bezüglich der Drehachse der drehbaren Abschirmung (4) angeordneten Halb-Kreisringen (24,26) gebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschall-Sende-Wandler (2) gleichzeitig als Sender und als Empfänger wirkt.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—7, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Abschirmung (4) zwischen dem mindestens einem Ultraschall-Sende-Wandler (2) und dem Spiegel (12) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1—8, dadurch gekennzeichnet, daß die drehbare Abschirmung (4) und der Spiegel (12) einstückig und drehbar sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —9, gekennzeichnet durch ein ortsfestes zylindrisches Hindernis, das einen Teil der durch mindestens einen Ultraschall-Sende-Wandler (2) abgegebenen Schallwellenzüge abdeckt und das nahe dem zu messenden Rohr (10) angeordnet ist
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 —9, gekennzeichnet durch ein mit der drehbaren Abschirmung (4) ortsfestes zylindrisches Hindernis (Ring 30), das einen Teil der von mindestens einem Ultraschall-Sende-Wandler (2) abgegebenen Schallwellenzüge abdeckt und neben dem zu messenden Rohr (10) angeordnet ist
DE2713921A 1976-03-29 1977-03-29 Vorrichtung zum Messen der radialen Abmessungen eines Rohres mittels Ultraschall Expired DE2713921C2 (de)

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