DE3038991C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrodynamischen Ultraschall-Wandler für eine durch rohrförmige Bauteile bewegbare Ultraschall-Testsonde mit einer Einrichtung zum Aufbau eines periodischen Magnet­ feldes, welche eine Reihe von Magneten alternieren­ der Polarität in Nachbarschaft zur Innenwand des rohrfömigen Bauteiles aufweist und mit einer Ein­ richtung zum Leiten eines elektrischen Stromes durch das periodische Magnetfeld, welche im Bereich zwischen der Rohrinnenwandung und den Magneten ange­ ordnete elastische Leiter umfaßt.

Zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Betriebes von Kraftwerksystemen, z.B. von Siedewasser- und Druckwasser-Kraftwerken, müssen die Dampf und Wasser führenden Rohre einer regelmäßigen Inspektion unterzogen werden. Es ist eine Anzahl von zerstörungs­ freien Inspektionsverfahren bekannt, mit denen Wasser- und Dampfleitungen inspiziert werden können. Nach die­ sem Verfahren können verschiedene Defekte, z.B. Risse, Eindrücke, Vertiefungen und Löcher oder dergl., erfaßt werden, welche bei längerer Betriebsdauer zu einer Be­ schädigung führen können.

Bei Ultraschall-Testsystemen wird die zu inspi­ zierende Struktur mit einer Welle beaufschlagt und die reflektierten Wellen werden analysiert, wobei Strukturdefekte erfaßt werden. Durch Ana­ lyse der reflektierten Wellen kann man sowohl die Größe als auch die Position der Defekte be­ stimmen.

Aus der US-PS 41 27 035 ist ein elektrodynamischer Ultraschall-Wandler für eine durch rohrförmige Bau­ teile bewegbare Utraschall-Testsonde mit entsprechen­ den Einrichtungen zum Aufbau eines periodischen Magnetfeldes bekannt, welche eine Reihe von Magne­ ten alternierender Polarität in Nachbarschaft zur Innenwand des rohrförmigen Bauteiles aufweist, sowie eine Einrichtung zum Leiten eines elektri­ schen Stromes durch das periodische Magnetfeld, welche im Bereich zwischen der Rohrinnenwandung und den Magneten angeordnete elektrische Leiter umfaßt. Bei derartigen bekannten Vorrichtungen ergibt sich das Problem, daß bei der im Rohr induzierten elastisch­ en Schwingung mehrere Schwingungsmoden gleichzeitig angeregt werden, die sich gegenseitig überlagern kön­ nen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen ver­ besserten elektrodynamischen Utraschall-Wandler für eine durch rohrförmige Bauteile bewegbare Ultraschall- Testsonde zu schaffen, derart, daß einzelne Schwingungs­ moden, insbesondere durch geeignete Anordnung der Geometrie der magnetischen Einrichtungen selektiv erregt werden können,so daß ganz bestimmte Schwin­ gungsmoden erzielbar sind. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 ge­ löst, wobei weitere Ausgestaltungen durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 2-6 gelöst werden.

Erfindungsgemäß ergibt sich der Vorteil, daß durch die kennzeichnenden Merkmale und durch die geeignete Anordnung der Geometrie der magnetischen Einrichtun­ gen bestimmte einzelne Schwingungsmoden selektiv anlegbar sind, und daß insbesondere bei zu unter­ suchenden rohrfömigen Bauteilen bei Ausnutzung der Zylinder-Symmetrie bestimmte Schwingungsmoden erzielbar sind, wobei die Einrichtungen zur Erzielung eines periodischen Magnetfeldes vervielfacht angewandt werden und dadurch, daß die Einrichtungen, welche jeweils ein für sich periodisches Magnetfeld erzeugen, derart in Umfangsrichtung angeordnet sind, daß sich gleiche Umfangsabstände ergeben, der Vorteil einer besonders geeigneten Erkennung von Entartungen er­ möglicht wird.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Teilbereiches eines rohrförmigen Bauteiles mit dem darin an­ geordneten Ultraschall-Inspektionsgerät, welchen den elektrodynamischen Ultraschall- Wandler gemäß vorliegender Erfindung umfaßt;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer Aus­ führungsform des erfindungsgemäßen elektro­ dynamischen Ultraschall-Wandlers;

Fig. 3 eine seitliche Schnittansicht des elektro­ dynamischen Ultraschall-Wandlers gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Körperbauteil des elektrodynamischen Ultraschall-Wandlers ge­ mäß Fig. 2;

Fig. 5 eine Draufsicht auf einen den elektrodyna­ mischen Ultraschall-Wandler tragenden Mag­ neten gemäß Fig. 2;

Fig. 6 eine perspektivische Ansicht der Magnete und der Spulen des elektrodynamischen Ultra­ schall-Wandlers gemäß Fig. 3;

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Stromflusses durch die Spulen gemäß Fig. 6;

Fig. 8 eine Stirnansicht der Magnete gemäß Fig. 6 zusammen mit einem Stromfluß-Diagramm.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Teilbereiches des rohrförmigen Bauteiles 10, teilweise im Schnitt. Im Inneren ist das erfindungsgemäße Ultraschall- Inspektionsgerät untergebracht. Das Inspektionsgerät umfaßt einen Ultraschallsender 12 und einen Ultraschall- Wellenempfänger 14. Diese werden zur Inspektion einer bestimmten Rohrlänge durch das rohrförmige Bauteil 10 gezogen. Die Arbeitsweise eines solchen Gerätes zur Durchführung eines Ultraschall-Testes zum Zwecke der Ermittlung von Defekten in einem Bau­ teil ist in der US Anmeldung A 35 186 erläutert. Bei diesem Verfahren wird eine Vielzahl von reflek­ tierten Wellen summiert. Hierdurch wird das Sig­ nal-Rausch-Verhältnis der Signale erhöht und die Analyse der Signale wird erleichtert, so daß die Erfassung der Defekte des rohrförmigen Bauteiles verbessert wird.

Wie bereits erläutert, ist in einem Rohr eine Viel­ zahl von Moden der Ultraschallschwingungen möglich. Falls eine Anzahl von Schwingungsmoden vorliegt, sind die empfangenen Signale recht kompliziert. Es ist daher wesentlich schwieriger,die empfangenen Signale zum Zwecke der Signalverstärkung kohärent zu addieren. Erfindungsgemäß wird nun ein elektro­ dynamischer Ultraschall-Wandler geschaffen, welcher unerwünschte Schwingungen in einer Struktur, wie z.B. einem Rohr unterdrückt.

Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines solchen elektrodynamischen Ultraschall-Wandlers, welcher allgemein mit dem Bezugzeichen 20 bezeichnet ist. Dieser umfaßt eine Vielzahl von Reihen 22 von Magneten alternierender Polarität zum Aufbau eines periodischen Magnetfeldes an der Innenfläche des rohrförmigen Bauteiles. Der elektrodynamische Ultraschall-Wandler 20 ist mit einem zweckentsprechenden Kupplungsorgan 24 ver­ sehen und mit einem nicht gezeigten Nylonrohr oder -schlauch verbunden, welcher Koaxialkabel 26 und 28 enthält, durch die die elektrischen Signale vom Wandler zum externen Gerät übertragen werden. Ein ähnliches Kupplungsorgan 30 ist am entgegengesetz­ ten Ende des elektrodynamischen Ultraschall-Wandlers 20 vorgesehen, und dient der Ankopplung des Senders 12 gemäß Fig. 1. Die Reihen von Magneten sind im gleichen Abstand rund um den Umfang des Wandlers verteilt angeordnet. Zum Beispiel sind vier Reihen von Magneten mit 90° - Intervallen angeordnet.

Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht eines Längs­ schnittes eines elektrodynamischen Ultraschall- Wandlers 20 gem. Fig. 2. Die obere Reihe von Mag­ neten 22 ist in einem Träger 32 gehalten, während die untere Reihe von Magneten 22 in einem Träger 34 gehalten ist. Die Träger 32 und 34 sind in einem äußeren Körper 36 angeordnet. Die Magnetträger 32 und 34 werden durch eine Magnet-Einrichtung 40 in Richtung auf die Innenfläche des rohrförmigen Bau­ teiles 10 elastisch angedrückt. Der obere Träger 32 ist in der zurückgezogenen Position gezeigt, wo­ bei der Träger an der zentralen Stange 38 anliegt. Andererseits ist der Träger 34 in seiner maximal vorgestreckten Position gezeigt, in der er unter Vorspannung gehalten wird, und zwar von der Stange 38 fort. Hierzu dient das Gegenfeld für Magnete 40. Die Bewegung der Träger 32 und 34 nach außen kann begrenzt werden durch den äußeren Körper 36 oder durch zweckentsprechende mechanische Anschlagsele­ mente. Eine solche begrenzte Bewegungsmöglichkeit ist jedoch für die vorliegende Erfindung nicht we­ sentlich. Aufgrund des nachgiebigen Andruckes des Trägers kann der elektrodynamische Ultraschall- Wandler leicht durch ein Rohr gezogen werden, und zwar auch dann, wenn dessen Innendurchmesser auf­ grund von Defekten, z.B. Vertiefungen oder Erhöhun­ gen variiert.

Im folgenden wird auf Fig. 4 Bezug genommen. Diese zeigt eine Draufsicht auf den äußeren Körper 36. Er ist im wesentlichen zylindrisch geformt und weist eine Vielzahl von Fenstern auf, durch welche sich die Träger 32 etc. nach außen erstrecken. Zum Beispiel ist ein Fenster 42 gezeigt, durch das sich ein Träger erstreckt und nach außen vorsteht, welcher eine Reihe von Magneten trägt. Endbereiche des Körpers 36 dienen zur Aufnahme der Ankupplungs­ organe gemäß Fig. 2 und 3 zur Verbindung des äußeren Gehäuses mit dem Hauptkörper.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht auf einen Magnetträger 32. Dieser umfaßt eine mittige Ausnehmung, welche allgemein mit 44 bezeichnet ist. Diese dient zur Aufnahme einer Vielzahl von rechteckigen Magneten. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden in der Ausnehmung 12 derartige Magnete untergebracht. Die Magnete sind dabei mit einem Epoxy-Bindemittel im Träger 32 befestigt. Sie weisen geeignete Abmessun­ gen auf, derart, daß sie sich zusammen mit dem Träger 32 durch das Fenster 42 des äußeren Körpers 36 gemäß Fig. 4 nach außen erstrecken.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht zur Er­ läuterung der Anordnung der Reihe von Magneten in der Ultraschall-Sonde. Die elektrische Spule, welche der Reihe von Magneten zugeordnet ist, liegt in Form einer dünnen, gedruckten Einrichtung 50 zum Leiten eines elektrischen Stromes mit Doppelschichtbedruckung vor. Diese ist auf der Außenseite der Magnete mit Hilfe einer zweckentsprechenden, elektrisch isolie­ renden Klebemasse oder Bindemittelmasse befestigt. Ähnlich gedruckte Schaltungstafelstreifen sind den Oberflächen einer jeden der anderen Reihe von Mag­ neten zugeordnet und in Nachbarschaft zu diesen ge­ halten, sowie zwischen den Reihen von Magneten. Man erhält dabei eine Spulenanordnung, welche schematisch in Fig. 7 dargestellt ist. Man erkennt somit, daß die Reihen von Magneten mit parallelen Nord-Süd-Polaritäten angeordnet sind. Demgemäß erfolgt der Stromfluß in jeder Spule in der gleichen Relativrichtung in Bezug auf jede Reihe von Magneten. Bei einer abgewandelten Ausführungsform haben die Magnete benachbarter Reihen entgegengesetzte Polarität. In diesem Falle erfolgt der Stromfluß relativ zu jeder benachbarten Reihe von Magneten in jeweils entgegengesetzten Richtungen.

Fig. 8 zeigt eine Stirnflächenansicht auf die Mag­ nete gemäß Fig. 6 unter Veranschaulichung der Richtung des Stromflusses mit Hilfe von Punktsymbolen, welche den Stromfluß aus der Zeichenebene heraus bezeichnen, sowie mit Kreuzsymbolen, welche den Stromfluß in die Zeichenebene hinein bezeichnen. Wie bereits erwähnt und auch dargestellt, umfaßt die Spule jeweils zwei Windun­ gen, welche durch die doppelschichtig bedruckte Ein­ richtung zum Leiten eines elektrischen Stromes bereit­ gestellt werden.

Bei der erläuterten Ausführungsform besteht die Sonde aus vier Segmenten oder Reihen von Magneten, welche in gleichen Intervallen in Umfangsrichtung des Rohres angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform wird je­ de vierte Schwingungsmode angeregt, während andere Schwingungsmoden unterdrückt werden. Eine einzelne Schwingungsmode kann sodann angeregt werden, und zwar durch zweckentsprechende Wahl der Treiberfrequenz. Man erkennt, daß bei Einbau einer anderen Anzahl von Magnet­ segmenten andere Schwingungsmoden angeregt werden können, als dies erwünscht ist.

Claims (6)

1. Elektrodynamischer-Ultraschall-Wandler für eine durch rohrförmige Bauteile bewegbare Ultraschall- Testsonde mit einer Einrichtung (22) zum Aufbau eines periodischen Magnetfeldes, welche eine Reihe von Magneten alternierender Polarität in Nachbar­ schaft zur Innenwand des rohrförmigen Bauteiles (10) aufweist und mit einer Einrichtung (50) zum Leiten eines elektrischen Stromes durch das periodische Magnetfeld, welche im Bereich zwischen der Rohr- Innenwandung und den Magneten angeordnete elektrische Leiter umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl der Einrichtungen (22) zum Auf­ bau eines jeweils periodischen Magnetfeldes und jeweils zugeordnete Einrichtungen (50) zum Leiten des elektrischen Stromes mit gleichem Umfangsab­ stand entlang der Innenfläche des rohrförmigen Bau­ teiles (10) angeordnet sind, so daß bestimmte ausge­ wählte Schwingungsmoden des rohrförmigen Bauteiles (10) hervorrufbar sind.

2. Elektrodynamischer Ultraschall-Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Vielzahl von Einrichtungen (22) eine Reihe von Permanent­ magneten alternierender Polarität umfaßt.

3. Elektrodynamischer Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Einrichtung (50) zum Leiten des Stromes eine Spule umfaßt, die rund um die Einrichtung zum Aufbau eines periodischen magnetischen Feldes angeordnet ist.

4. Elektrodynamischer Ultraschall-Wandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (50) aus einer doppelseitig bedruckten Schal­ tungsplatte besteht.

5. Elektrodynamischer Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Trägern (32) für die Viel­ zahl von Reihen von Magneten und eine Halterungs­ einrichtung (36) für die Träger (32).

6. Elektrodynamischer Ultraschall-Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Träger (32) unter nach­ giebigem Andruck in Richtung auf die Innenfläche des rohrförmigen Bauteiles (10) während der Inspek­ tion gehalten sind.