DE3109445A1

DE3109445A1 - Verfahren und vorrichtung zum feststellen und anzeigen der lage und tiefe einer unebenheit einer rohrinnenoberflaeche

Info

Publication number: DE3109445A1
Application number: DE19813109445
Authority: DE
Inventors: Hans-Günter Ing.(grad.) 3042 Munster Baden; Heinz 3101 Nienhof Daugart; Jürgen Ing.(grad.) 4000 Düsseldorf Flach; Rigobert Dipl.-Ing. 2000 Hamburg Opitz
Original assignee: Rheinmetall GmbH
Current assignee: Rheinmetall Industrie AG
Priority date: 1981-03-12
Filing date: 1981-03-12
Publication date: 1982-09-23
Also published as: DE3109445C2; US4507608A

Description

3103-4 A 5

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Bheinmetall GiribH Düsseldorf, den 25.2.1981

Sv/gro

Akte R 755

Verfahren und Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Rohrinnenoberfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtung zum Fest- \ stellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit der Innenoberfläche eines Rohres der im Oberbegriff des.Anspruchs 1 genannten Art.
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Ein derartiges, z.B. durch die deutsche Patentanmeldung P 30 03 415 bekanntgewordenes Verfahren hat den Nachteil, daß ein mechanisches Abtastsystem mit der Rohrwand in Berührung kommt. Dabei können sich in-. folge Reibung Fehlmessungen ergeben und es kann auch ein Verhaken der Tastfühler in Rohrauswaschungen o.dgl. erfolgen. Bedingt durch die mechanische Abtastung ist auch die Zwischenzeit zwischen zwei Messungen relativ lang, da jeweils der Taster von der Rohrwand weg und nach seiner Lageveränderung wieder an die Rohrwand herangebracht werden muß.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, zur Vermeidung der genannten Nachteile ein Verfahren und eine Vorrichtuig vorzuschlagen, bei denen das ! Abtastsystem berührungsfrei von der Rohrinnenwand arbeitet. Dadurch.soll

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die Meßzeit verkürzt und auch die Meßgenauigkeit bei störungsfreiem Meßbetrieb erhöht werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein magnetisches Tiefentastverfahren mit induktiver Hochfrequenzmessung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale und für ein kapazitives Tiefentastverfahren mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 genannten Merkmalen.Die weiteren Ansprüche nennen Ausgestaltungen der Vorrichtung nach.der Erfindung.

Das im Anspruch 1 wiedergegebene Verfahren arbeitet nach folgendem Prinzip:

Beim Vorhandensein einer Auswaschung an einer dem Meßschwingkreis gegenüberliegenden Stelle im Rohr wird an dieser Stelle der Feldverlauf der magnetischen Kraftlinien zwischen der Spule des Meßschwingkreises und der Rohrwand verändert, da sich wegen der größenordnungsmäßig unterschiedlichen Induktionsbeiwerte von Metall und Luft eine Änderung der Induktivität ergibt, die zu einer meßbaren Frequenzverschiebung führt. Diese Frequenzverschiebung ist eine Funktion zur Tiefenänderung, I d.h. zum Abstand der Rohrwand von der Spule, und kann daher über Umrechnungsfaktoren zur Errechnung der Tiefe der Auswaschung verwendet werden.

Um die Frequenzänderung des Meßschwingkreises erfassen zu können, wird dessen Frequenz vor der Messung an die Frequenz eines Referenz-Schwingkreises angeglichen. Der Referenzschwingkreis ist im gleichen Tastkopf untergebracht. Beide Schwingkreise sind zum Angleichen vor Beginn des Messens im Rohr über einer intakten Stelle der Oberfläche in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Der Tastkopf mit den beiden Schwingkreisen ist in Richtung der Rohrlängsachse verfahrbar und um diese Achse schwenkbar .Der Referenzschwingkreis dient dazu, die grundsätzliche magnetische Kopplung im Bereich des Meßschwingkreises festzuhalten. Die Frequenz des Referenzschwingkreises ist die mittlere Frequenz der Referenzspulen. Sie dient als Basis für die Ermittlung der Frequenzänderung der beiden Schwingkreise

Dadurch, daß die Spulen der Schwingkreise in unmittelbarer Nachbarschaft im Tastkopf gehalten sind, werden einerseits eventuelle Meßfehler durch unterschiedliche Temperaturen am Rohr an den beiden Taststellen der

Schwingkreise vermieden, andererseits wird es dadurch auch möglich, Rohroberflächen an Rohren mit wechselndem Querschnitt zu vermessen.

Erfindungsgemäß werden im Referenzschwingkreis Spulen gleicher Bauart verwendet, um Meßfehler aufgrund von Temperaturunterschieden in den Spulen zu vermeiden. Es können z.B. zwölf gleichartige Spulen sein.

Im Falle des kapazitiven Tiefentastverfahrens nach Anspruch 2 werden die Frequenzänderungen der Schwingkreise statt durch Änderung der Induktivität durch Änderung der Kapazität der Schwingkreise hervorgerufen. Die Kondensatorflächen im Tastkopf sind dabei durch Abstand voneinander isoliert. Die auftretende Störkapazität geht dadurch als konstante Größe in die Auswertung ein.

Die Funktion des Verfahrens wird anhand der Figur, die ein Schaltbild des induktiven Tasters wiedergibt, nachstehend dargestellt.

Mit 1 sind die Spulen und mit 3 der Kondensator des Referenzschwingkreises, mit 2 die Spule und mit 4 der Kondensator des Meßschwingkreises dargestellt. In den beiden Schwingkreisen befinden sich die Rückkopplungsverstärker 5 und 6. Die Frequenz des z.B. mit 60 KHz schwingenden Referenzschwingsystems wird über die nachfolgende Frequenzvervielfachungsschaltung (phase locked loop), bestehend aus einem Phasendemodulator 10, einem Rückkopplungsverstärker 7 und dem Oszillator 13 sowie einem festen Frequenzteiler 15 auf eine vorher bestimmte höhere Frequenz f. von z.B. 100 MHz heraufgesetzt.

Der Meßschwingkreis schwingt z.B. mit einer Frequenz von 200 KHz, die in der nachfolgenden einstellbaren Frequenzvervielfachungsschaltung (phase locked loop), bestehend aus dem Phasendemodulator 10, dem Rückkopplungsverstärker 8, dem Oszillator 14 und dem einstellbaren Frequenzteiler 16, vor Beginn des Messens auf den gleichen Wert f» von 100 MHz eingestellt wird.

Die Frequenzen der beiden Schwingkreise sind deshalb unterschiedlich, weil zur Optimierung der Schwingkreisgüte der unterschiedlichen Schwingkreise aufgrund konstruktiv bedingter Unterschiede der einzelnen Spulen und dadurch erforderlicher unterschiedlicher Kapazitäten keine gleichen Frequenzen zu erwarten sind.

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Ihre Umwandlung in sehr hohe Frequenzen von z.B. 100 MHz ist erforderlich, weil dadurch das Teilungsverhältnis im phase locked loop sehr groß wird und somit eine bestmögliche Näherung beider Frequenzen gewährleistet ist,wodurch höhere Genauigkeit und besseres Auflösungsvermögen erreicht wird.

Bei Beginn der Messung liegt somit an dem Demodulator 12 jeweils die gleiche Frequenz jedes Schwingkreises. Diese Frequenzen werden im. Demodulator 12 miteinander verglichen. Bei Frequenzänderung im Meßschwingkreis, wobei Schwebungen bzw. Phasenverschiebungen zwischen den beiden Frequenzen f. und f„ entstehen, ergibt sich somit ein Frequenzunterschied. Dieser wird einem Frequenz zu Spannungswandler 17 zugeführt, im Verstärker 19 verstärkt und im Analogdigitalwandler 18 als Frequenz- ~» Phasenunterschied dem Mikroprozessor 19 zugeführt. Der Frequenz-Spannungswandler wird ggf. durch einen Gleichrichter ersetzt, wenn die Regelung durch Phasenunterschiede realisiert wird bzw. eine adäquate Gleichspannung zur A/D-Wandlung benötigt wird.

Im Mikroprozessor 19 ist bereits die sich aus der Feineinstellung der Frequenzen f., f ergebende Kompensationsgröße gespeichert. Diese Größe und der im Analogdigitalwandler 18 umgewandelte Frequenzunterschied dient im Mikroprozessor 19 als Kriterium bezüglich der Tiefe der Unebenheit. Eine Phasenverschiebung der beiden Schwingkreise ändert ebenfalls diese Frequenz. Sie wird somit bei dem Verfahren berücksichtigt.

Die Zeichnung zeigt dann noch den Umfangslagegeber 24 und den Längengeber 25, die ihre Werte ebenfalls an den Mikroprozessor 19 liefern, der dann die digitale Anzeige bezüglich Tiefenmessung, Rotation und Translation in das Auswertegerät 20 leitet, von dem aus es dann in einen Plotter, also einen XY-Schreiber 22, weitergeleitet wird. Mit 21 ist die Steuereinheit bezeichnet, mit der das Gerät durch das Rohr hin- und hergefahren und der Tastkopf gedreht werden kann. Die dazu erforderliche Drehkupplung 23 ist nur in der vom Meßschwingkreis kommenden Leitung angedeutet. Auch in der vom Referenzschwingkreis kommenden Leitung ist eine solche Drehkupplung eingesetzt.

Rheinmetall GmbH

Düsseldorf, den 25.2.1981 Sv/gro

Akte R 755

Bezugszeichenliste

1	Spule	A	•	Analog
2	Spule	D		Digital
3	Kondensator	ADC		Analog to Digital Converter
4	Kondensator	^fl	angepaßte Referenzfrequenz
5	Rückkopplungsverstärker	^f2	angepaßte Meßfrequenz
6	Il	η	Rückkopplungs teilerzahlen
7	Il	m	Rückkopplungsteilerzahlen
8	Il	O.Kalib.	Startkalibration für Rück
9	Il		kopplungsteilerzahl m
10	Phasendemodulator
11	Phasendemodulator
12	Demodulator
13	spannungsgesteuerter Oszillator	-
14	spannungsgesteuerter Oszillator
15	feste Frequenzteiler
16	einstellbarer Frequenzteiler
17	Frequenz zu Spannungswandler
18	Analog zu Digitalwandler
19	Mikroprozessor
20	Auswertegerät
21	Steuergerät
22	x/y-Schreiber
23	Drehkupplung
24	Umfangslagegeber
25	Längengeber

Claims

Rheinmetall GmbH Düsseldorf, den 25.2.1981

Sv/gro

Akte R 755

Patentansprüche:

/1.yVerfahren zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Innenoberfläche eines Rohres mit einem Durchmesser ab 100 mm unter Verwendung eines durch das Rohr mit Hilfe eines Steuergerätes kontinuierlich oder schrittweise fahrbaren und um die Rohrachse drehbaren Tastkopfes, von dem Signale bezüglich seiner Längsachse und Umfangslage im Rohr und bezüglich der Tiefe der Unebenheit an ein Auswertegerät geleitet werden, durch das die Unebenheit nach Lage, Form und Tiefe dargestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit Abstand von der Rohrinnenoberflache geführten Tastkopf eine in einem Meßschwingkreis liegende Spule (2) und in deren unmittelbarer Nähe im Tastkopf ein in einem Referenzschwingkreis liegender Spulensatz, bestehend aus einer Mehrzahl rings um den Innenumfang des zu messenden Rohres angeordneten Referenzspulen (1), vorzugsweise gleicher Bauart, angeordnet sind und daß vor Beginn des Messens die Frequenzen beider Schwingkreise über Frequenzvervielfachungsschaltungen (phase locked loop) auf einen nahezu gleichen höheren Wert | gebracht sind und die vervielfachte Frequenz des Meßschwingkreises über eine Kompensationsschaltung mit einem einstellbaren Frequenzteiler (16) auf den exakt gleichen Wert der vervielfachten Frequenz des Referenzschwingkreises gebracht ist, und daß die sich aus dieser Feineinstellung ergebende Kompensationsgröße und die sich beim Messen einstellende Differenz der vervielfachten Frequenzen (fi» fn)> ^^e in einem Analogdigitalwandler (18) umgewandelt wird, einem Mikroprozessor (19)- als Signale\bezüglich der Tiefe der Unebenheit - und von diesem dem Auswertegerät (20) zugeleitet werden.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Spulen der Schwingkreise die Kondensatoren der Schwingkreise die Signalaufnehmer für die Anzeige der Tiefe der Unebenheit des Rohres sind, wobei als erste Kondensatorfläche der Kondensatoren der Schwingkreise die Wand des zu messenden Rohres dient, während die zweite Kondensatorflache des Referenzschwingkreises aus einem mit Abstand um den Innenumfang des zu messenden Rohres verlaufenden Hohlzylinder und die zweite Kondensatorfläche des Meßschwingkreises eine mit Abstand von der Rohrinnenwand angeordnete gewölbte Platte dienen und die beiden im Tastkopf angeordneten Kondensatorflächen so voneinander isoliert sind, daß eine gegenseitige Beeinflussung der Kapazitäten von Referenzschwingkreis und Meßschwingkreis konstant ist. j
3. Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Innenoberfläche eines Rohres, bestehend aus einem außerhalb des Rohres angeordneten Steuergerät und einem Auswertegerät und einem im Rohr durch das Steuergerät kontinuierlich oder schrittweise fahrbaren und um die Rohrachse drehbaren Tastkopf, von dem Signale bezüglich seiner Längs- und Umfangslage im Rohr und bezüglich der Tiefe der Unebenheit an das Auswertegerät geleitet werden, insbesondere zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit Abstand von der Rohrinnenoberfläche geführten Tastkopf eine in einem Meßschwingkreis liegende Spule.(2) und in deren unmittelbarer Nähe im Tastkopf ein in einem Referenzschwingkreis liegender Spulensatz, bestehend aus einer Mehrzahl rings um den Innenumfang des zu messenden Rohres angeordneter Referenzspulen (1), vorzugsweise gleicher Bauart, angeordnet sind.
4. Vorrichtung zum Feststellen und Anzeigen der Lage und Tiefe einer Unebenheit einer Innenoberfläche eines Rohres, bestehend aus einem außerhalb des Rohres angeordneten Steuergerät und einem Auswertegerät und einem im Rohr durch das Steuergerät kontinuierlich oder schrittweise fahrbaren und um die Rohrachse drehbaren Tastkopf, von dem Signale bezüglich seiner Längs- und Umfangslage im Rohr und bezüglich der Tiefe der Unebenheit an das Auswertegerät geleitet werden, insbesondere zur

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Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem mit Abstand von der Rohrinnenoberfläche geführten Tastkopf eine in einem Meßschwingkreis liegende Kondensatorfläche als gewölbte Platte und mit axialem Abstand davon eine in einem Referenzschwingkreis liegende Kondensatorfläche als um den Innenumfang des zu messenden Rohres verlaufender Hohlzylinder angeordnet ist und die Wand des zu messenden Rohres die andere Kondensatorfläche des als Signalaufnehmer dienenden Kondensators (3, 4) in jedem Schwingkreis bildet.
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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch ein an das zu messende Rohr ansetzbares Einführrohr, das zugleich als Transport- und Lagerbehälter für den Tastkopf dient, der daraus in das zu messende Rohr einführbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuergerät und das Auswertegerät sich an der dem zu messenden Rohr abgewandten Seite des Einführrohres befindet.