DE4103808A1 - Abmessungs- und riss-untersuchung von duennwandigen rohrelementen mit ultraschall - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Durchführung von Qualitätssicherungsprüfungen von dünnwandigen Rohrelementen.

Bei gewissen Applikationen ist die dimensionale und strukturelle Integrität von gewissen kritischen Komponenten von äußerster Wichtigkeit, um zukünftige Funktionsausfälle sicher zu vermeiden. Ein Beispiel einer derartigen kritischen Komponente ist das Auskleidungsrohr von einem Kernbrennstoffstab, das die Brennstoff-Pelletsäule enthält. Mit den offenen Enden des Auskleidungsrohres werden Stopfen verschweißt, um die darin enthaltene Pelletsäule einzuschließen. Die Auskleidungsrohre müssen unter strengen Standards der strukturellen Integrität gefertigt werden, wenn sie den hohen Innendrucken standhalten sollen, die über der langen Lebensdauer von Kernbrennstoffstäben entwickelt werden. Das bedeutet, daß Risse wie beispielsweise Bruchstellen, Poren usw., in dem Rohrwand- Querschnitt in Abhängigkeit ihrer Größe, Anzahl und Lage ein Auskleidungsrohr unsicher machen können für eine Verwendung in einem Kernbrennstoffstab.

Auskleidungsrohre müssen auch strenge Abmessungs-Standards erfüllen. Der Innendurchmesser muß präzise eingehalten werden, damit die Brennstoff-Pellets richtig eingebracht werden können. Das gleiche gilt für den Außendurchmesser, damit die Brennstoffstäbe richtig zu Brennstoffbündeln zusammengesetzt werden können. Die Wanddicke ist ebenfalls ein Zurückweisungskriterium, da ein dünner Wandquerschnitt, der kleiner als eine minimale Toleranzdimension ist, die Innendruck-Widerstandsfähigkeit gefährdet.

Wegen der kritischen Natur der Auskleidungsrohre von Kernbrennstoffstäben ist es notwendig, jede einzelne Auskleidung zerstörungsfrei zu prüfen, und zwar über ihre gesamte Länge sowohl auf ihre dimensionale als auch strukturelle Integrität, bevor sie in einem Kernbrennstoffstab verwendet werden kann. Es wird derzeit üblicherweise eine Ultraschallprüfung unter Verwendung eines Wandlers, der im Puls-Echomodus betrieben wird, verwendet, um kritische Komponenten hinsichtlich ihrer Qualität zu untersuchen. Der Wandler tastet die Komponente ab durch Bewegung des Wandlers und/oder der Komponente, während der Wandler periodisch elektrisch erregt wird, um einen prüfenden Ultraschall-Energiepuls zu emittieren, und in den Intervallen zwischen den Impulsen empfängt der Wandler die Echos, die Prüfinformation enthalten. Die zur prüfung jeder Komponente erforderliche Zeit ist stark abhängig von der Abtastgeschwindigkeit. Selbstverständlich kann die Abtastgeschwindigkeit nicht so groß sein, daß der Wandler von dem prüfenden Energiepuls "wegläuft", so daß er die jedem Puls zugeordneten Echos nicht angemessen empfängt. Um diese Einschränkung hinsichtlich der Abtastgeschwindigkeit auszugleichen, sind zahlreiche Wandler verwendet worden, um die Prüfzeit zu verkürzen.

Diese Lösung vergrößert wiederum die Hardwarekosten von einer Ultraschall-Prüfeinrichtung, da jeder Wandler einen getrennten Signalkanal erfordert, der jeweils seine eigene Elektronik benötigt, um die Prüfinformation aus den Echosignalen herauszuziehen.

Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Einrichtung für eine Prüfung von gefertigten Komponenten durch Ultraschall zu schaffen. Weiterhin soll eine derartige Ultraschall-Prüfeinrichtung geschaffen werden, die eine vollständige Qualitäts-Sicherungsprüfung von gefertigten Komponenten auf einer weitgehend automatisierten Basis durchführen kann. Dabei soll die Ultraschall-Prüfeinrichtung die Qualitäts-Sicherungsprüfung von langgestreckten, dünnwandigen rohrförmigen Elementen durchführen können. Die Ultraschall-Prüfeinrichtung soll auch rohrförmige Elemente hinsichtlich der Einhaltung von Abmessungs-Fertigungsstandards und auf die Gegenwart von strukturellen Rissen untersuchen können. Schließlich soll die Ultraschall-Prüfeinrichtung auch ökonomisch hinsichtlich der Kosten und effizient im Betrieb sein.

Gemäß der Erfindung wird eine Einrichtung geschaffen zum Durchführen einer vollständigen Abmessungs- und Riß- Ultraschallprüfung von langgestreckten, dünnwandigen rohrförmigen Elementen, wie beispielsweise Auskleidungsrohren für Kernbrennstäbe. Um die für eine vollständige Prüfung jedes Rohres erforderliche Zeit zu verkürzen, verwendet die Einrichtung zahlreiche Wandler, die in einer Art und Weise betätigt werden, um eine effiziente Ausnutzung der Puls-Echozeitintervalle für jeden Wandler ohne signifikante Vergrößerung der Elektronik- Hardwarekosten zu machen. Zu diesem Zweck enthält die Einrichtung zwei Ultraschallwandler zur dimensionalen Prüfung eines Rohres entlang entsprechenden wendelförmigen (helikalen) Abtastpfaden, um Messungen des Außendurchmessers, des Innendurchmessers und der Wanddicke an eng beabstandeten dimensionalen Prüfpunkten entlang der gesamten Rohrlänge zu erhalten. Die Einrichtung enthält ferner eine zusätzliche Anzahl von Wandlern zum Prüfen des Rohres auf Risse an eng beabstandeten Riß-Prüfpunkten entlang entsprechenden spiralförmigen Pfaden auf der gesamten Rohrlänge. Ein getrennter Treiber erregt jeden Wandler elektrisch, um seinen prüfenden Ultraschall- Energiepuls zu emittieren, und die von jedem Wandler empfangenen Echos werden als Echosignale über getrennte HF- Signalkanäle verschiedenen Eingängen eines Multiplexers zugeführt.

Die Echosignale an dem einzigen Ausgang des Multiplexers werden verstärkt und dann geteilt für eine Leitung über eine Anzahl von Detektorsignalkanälen, die jeweils einen Diskriminator enthalten. Ein getrennter Steuergenerator öffnet ein Prüffenster in jedem Diskriminator, in dem ein Diskriminator, als Antwort auf die Detektion eines in seinem Signalkanal auftretenden Echosignals, ein Zeitmarkensignal generieren kann. Diese Zeitmarkensignale werden getrennt zugeführt, um mehrere Taktgeber zu stoppen, die dann die Puls-Echozeitintervalle für jeden Wandler registrieren. Diese Zeitintervalldaten werden durch einen Computer verarbeitet, um die Rohrabmessungen an jedem dimensionalen Prüfpunkt zu erhalten und die Existenz eines Risses an irgendeinem der Rißprüfpunkte anzuzeigen.

Um den Betrieb der Einrichtung in einer zeiteffizienten Weise zu koordinieren, gibt ein Synchronisierer eine sich wiederholende Folge von Zeitsteuerpulsen ab, um erstens die Treiber nacheinander zu triggern, damit die Wandler prüfende Ultraschall-Energiepulse abgeben, zweitens den Multiplexer zu indexieren, um aufeinanderfolgende Echosignale von den Wandlern zu den Detektorsignalkanälen zu leiten, und drittens die Generation der Diskriminator- Prüffenster zu triggern, so daß die Zeitintervalle, die durch die verschiedenen Taktgeber registriert werden, mit den richtigen Abmessungs- und Riß-Prüfwandlern richtig korreliert werden.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der Beschreibung und Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische perspektivische Darstellung von einer Ultraschall-Prüfstation, die in der Einrichtung gemäß der Erfindung zur Prüfung dünnwandiger rohrförmiger Elemente verwendet wird.

Fig. 2 ist ein schematisches Schnittbild und stellt die Abmessungen prüfenden Ultraschallwandler und den das Fluid koppelnden und die Temperatur kompensierenden Wandler dar, der in der Prüfstation gemäß Fig. 1 verwendet wird.

Fig. 3 und 4 sind schematische Schnittbilder und stellen die Rißprüfungs-Ultraschallwandler dar, die in der Prüfstation gemäß Fig. 1 verwendet sind.

Fig. 5 ist ein Blockschaltbild der Ultraschall- Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 6 ist ein Zeitsteuersignaldiagramm und stellt den Betrieb der Einrichtung gemäß Fig. 5 dar.

Fig. 7 stellt Signaldiagramme von dem Betrieb der Echosignaldiskriminatoren in Fig. 5 dar.

In Fig. 1 ist eine Ultraschall-Prüfeinrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, die wenigstens sieben Ultraschallwandler X1 bis X7 verwendet, die durch geeignete Mittel (nicht gezeigt) an einer Prüfstation 10 angebracht sind, durch die ein zu prüfendes Metallrohr 12 axial oder longitudinal hindurchläuft, wie es durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Dabei sind das Rohr und die Wandler in ein Bad (nicht gezeigt) mit einem geeigneten flüssigen Kopplungsmittel, wie beispielsweise Wasser, eingetaucht, das dazu dient, für eine wirksame Kopplung der stark fokussierten Bündel von prüfenden Ultraschall-Energiepulsen zu sorgen, die durch die Wandler emittiert werden. Da sich das Rohr sowohl axial als auch in Drehrichtung bewegt, folgen diese Prüfbündel einzelnen wendelförmigen (helikalen) Abtastbahnen großer Steigung über die Umfangsfläche des Rohres entlang seiner Länge. Die Pulsrate des Wandlers ist ausreichend schnell, um eine intensive Prüfung des gesamten Rohrquerschnittes auf sowohl dimensionale Akzeptanz als auch auf das Vorhandensein von Rissen sicherzustellen. Es wird deutlich, daß, anstatt das Rohr zu drehen, die wendelförmige Abtastung dadurch erhalten werden kann, daß die Wandler um die Rohrachse gedreht werden, wenn das Rohr in axialer Richtung durch die Prüfstation transportiert wird.

Von den aus Fig. 1 ersichtlichen Ultraschallwandlern werden die Wandler X1 und X2 zur Abmessungsprüfung des Rohres verwendet, das ein Kernbrennstoffstab- Auskleidungsrohr sein kann. Somit sind diese zwei Wandler, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist, auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres 12 angeordnet, wobei ihre Ultraschall-Energiestrahlen 18 diametral ausgerichtet sind. Die Wandler sind durch einen bekannten, festen Abstand D getrennt. Wenn die Wandler X1 und X2 elektrisch gepulst werden, um Ultraschall-Energiepulse abzugeben, die häufig als Hauptpulse bezeichnet werden, wird eine Folge von Echos von jedem Hauptpuls von der äußeren Rohrfläche, der inneren Rohrfläche empfangen und ein zweites Echo wird von der inneren Rohrfläche empfangen. Diese drei Echos, die von jedem Wandler X1 und X2 empfangen werden, werden zusammen mit dem Abstand D verarbeitet, um den Außendurchmesser, den Innendurchmesser und die Wanddichte an einer Vielzahl von eng beabstandeten Prüfpunkten zu ermitteln, die in Umfangsrichtung und in axialer Richtung entlang der gesamten Rohrlänge verteilt sind.

Fig. 2 zeigt auch einen Wandler X3, der eine Kompensation der Echoempfangszeiten relativ zu den Hauptpulsen für alle Prüfwandler für Änderungen in der Temperatur des flüssigen Koppelmittels ermöglicht. Bekanntlich ändert sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall-Energie durch das Koppelmittel mit dessen Temperatur. Beispielsweise ändert sich die Schallgeschwindigkeit in Wasser um 0,3% für jedes Grad Celsius Temperaturänderung. Um also präzise Messungen von dimensional kleinen Rohrwanddicken zu erhalten, müssen Temperaturänderungen des Koppelmittels berücksichtigt werden. Deshalb ist der Wandler X3 so angeordnet, daß er einen Strahl 20 von periodischen Ultraschall-Energiepulsen auf ein Ziel (Target) 22 richtet, und die Puls-Echo-Ausbreitungszeiten durch das Koppelmittel 24 werden verarbeitet, um temperaturabhängige Korrekturfaktoren abzuleiten für eine Verwendung bei der Verarbeitung der verbrauchten Zeiten für das Pulsecho durch das Koppelmittel für die Prüfwandler.

Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß Wandler X4 und X5 relativ zum Rohr 12 so positioniert sind, daß sie die Rohrwand in Umfangsrichtung auf Risse, wie beispielsweise Fehlstellen, Bruchstellen usw., untersuchen. Deshalb ist der Wandler X4 so orientiert, daß er seinen stark fokussierten Strahl 26 so richtet, daß dieser an Prüfstellen auf der äußeren Rohroberfläche unter einem geeigneten Winkel relativ zur Tangente auftrifft, so daß die Ultraschall-Energiepulse zwischen den inneren und äußeren Oberflächen in Zick-Zack- Bahnen reflektiert werden. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, folgen die durch den Wandler X4 emittierten Ultraschall- Energiepulse Zick-Zack-Bahnen in Umfangsrichtung durch die Rohrwand in Gegenuhrzeigerrichtung. Andererseits richtet der Wandler X5 seinen Strahl 28 gegen die äußere Rohroberfläche unter dem gleichen Winkel, so daß die in die Rohrwand eingekoppelten Ultraschall-Energiepulse zwischen den inneren und äußeren Oberflächen entlang Zick-Zack- Bahnen reflektiert werden, die in Umfangsrichtung in der Uhrzeigerrichtung verlaufen.

Wenn keine Risse vorhanden sind, breitet sich praktisch keine Ultraschall-Energie als Echos zurück zu den Wandlern aus. Wenn Risse jedoch vorhanden sind, sind die Amplituden der Echos stark von der Rißorientierung abhängig. Wenn die größere Abmessung eines Risses in einer Ebene parallel zu den Zick-Zack-Bahnen liegt, kann die Echoamplitude zu klein sein, um detektiert zu werden. Wenn jedoch die größere Rißabmessung in einer Ebene im wesentlichen senkrecht zu den Zick-Zack-Bahnen liegt, wird genügend Ultrallschall- Energie durch den Riß reflektiert, um ein detektierbares Echo zu erzeugen.

Die Prüfwandler X6 und X7 sind so gerichtet, daß sie ihre Strahlen 30 und 32 unter spitzen Winkeln auf den Rohrumfang projizieren, um so die Rohrwand in entgegengesetzten Längsrichtungen zu prüfen. Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, werden Ultraschall-Energiepulse aus dem Wandler X6 in die Rohrwand gekoppelt und zwischen inneren und äußeren Rohroberflächen in Zick-Zack-Bahnen reflektiert, die in Längsrichtung nach rechts verlaufen. Energiepulse aus dem Wandler X7 prüfen den Wandquerschnitt entlang Zick-Zack- Bahnen, die in Längsrichtung nach links verlaufen. Wiederum werden keine Echos empfangen, wenn keine Risse vorhanden sind. Risse, die vorwiegend in Ebenen im wesentlichen parallel zu diesen longitudinal gerichteten Zick-Zack- Bahnen liegen, reflektieren Echos minimaler Amplitude, während Risse, die in Ebenen im wesentlichen senkrecht dazu liegen, Echos mit signifikanten Amplituden reflektieren. Somit wird deutlich, daß von den multidirektionalen Prüfungen der Wandler X4 bis X7 alle in der Rohrwand enthaltene Risse von unzulässiger Größe durch wenigstens einen dieser Wandler detektiert werden, und zwar unabhängig von der Rißorientierung. Die Echoamplituden von einem bestimmten Riß werden verarbeitet, um eine Anzeige seiner Größe und Art zu liefern, und die Puls-Echo-Zeiten werden verarbeitet, um seine Lage, beispielsweise ob er in oder nahe der inneren oder äußeren Rohroberflächen liegt, anzuzeigen. Die Größe und Lage eines Risses in der Rohrwand sind die Hauptfaktoren bezüglich der Entscheidung, ob ein Rohr akzeptabel oder unakzeptabel ist.

Um die Echoprüfinformation, die durch die Wandler X1 bis X7 erhalten wird, in einer zweckmäßigen, kosteneffektiven Weise gemäß der Erfindung zu sammeln, wird die Signalverarbeitungsschaltung gemäß Fig. 5 verwendet. Wie dort gezeigt ist, werden die Wandler X1 bis X7 einzeln elektrisch angeregt, um ihre Ultraschallenergie-Hauptpulse durch Pulsgeber bzw. Treiber D1 bis D7 zu emittieren. Diese Treiber werden getriggert, um ihre entsprechenden Wandler elektrisch zu pulsen durch Pulse P1 bis P7, die in rascher Folge durch einen Synchronisierer 40 abgegeben werden, dessen Betrieb durch einen Taktgeber 42 gesteuert wird. Die Echoantworten dieser Wandler werden über getrennte HF- Kanäle CH1 bis CH7 geleitet, die getrennte Dämpfungsglieder A1 bis A7 enthalten, um Eingangssignale von einem Multiplexer 44 zu trennen. Diese Dämpfungsglieder werden getrennt, programmierbar eingestellt, um die unterschiedlichen Empfindlichkeiten der Wandler zu berücksichtigen. Der Multiplexer wird durch Pulse P9, P11, P13, P15, P17 und P19 des Synchronisierers 40 indexiert, um aufeinanderfolgend jeden der HF-Kanäle zu seiner einzigen Ausgangsleitung 46 in Synchronismus mit dem Auftreten von HF-Echosignalen durchzuschalten.

Das Ausgangssignal des Multiplexers 44 wird durch einen Verstärker 48 verstärkt und gleich aufgespaltet auf fünf Kanäle CH8 bis CH12, die jeweils einen Verstärker 50 enthalten. Der Kanal CH8 liefert seine Echosignale an ein Kathodenstrahlröhren-Oszilloskop CRT für eine visuelle Betrachtung. Die Echosignale auf den Kanälen CH9 bis CH11 werden über getrennte Diskriminatoren 54, 56 und 58 einem Zeit/Digitalwandler TDC zugeführt. Die Echosignale in dem Kanal CH12 werden durch einen steuerbaren Spitzenwertdetektor GPD detektiert und diskriminiert durch einen getrennten Diskriminator 60, bevor sie dem Wandler TDC zugeführt werden. Das Ausgangssignal des steuerbaren Spitzenwertdetektors GPD wird auch über einen Analog/Digital-Wandler ADC einem Computer 62 für eine Analyse bezüglich der Rißgröße zugeführt. In der Praxis kann der Wandler ADC in dem Detektor GPD enthalten sein. Der Wandler TDC ist mit acht getrennten Taktgebern versehen, die gemeinsam gestartet und unabhängig gestoppt werden können bei Zeitmarkensignalen, die von den Diskriminatoren empfangen werden. Die Zeiten, die von jedem dieser acht Taktgeber registriert werden, werden digital kodiert und am Ende von jedem Prüfzyklus dem Computer 62 zugeführt. Ein Wandler, der diese Betriebscharakteristiken besitzt, ist ein Zeit/Digital-Wandlermodell 4208 von LeCroy.

Die Diskriminatoren 54, 56, 58 und 60 bilden vorzugsweise einen konstanten Bruchteil, wie beispielsweise die Diskriminatoren Modell 584 von EG Mit diesen Diskriminatoren wird ein Zeitmarkenausgangssignal generiert, um anzuzeigen, wenn die Wellenfront von irgendeinem Echosignal einen Wert erreicht, der immer ein konstanter Bruchteil ihrer letztendlichen Spitzenamplitude ist. Aus diesem Grunde ist die Zeitsteuerung der Zeitmarkensignale des Diskriminators relativ immun auf Echosignalamplituden oberhalb eines vorbestimmten Schwellenwertes.

Um Inspektions- bzw. Prüffenster zu erzeugen, die bezüglich der Zeit präzise definiert sind, während der die Echosignale auf den Kanälen CH9 bis CH12 beobachtet werden, werden die Diskriminatoren 54, 56 und 58 und der steuerbare Detektor GPD selektiv gesteuert durch eine Reihe von vier Steuergeneratoren G1 bis G4. So generiert der Generator G1 einen Steuerpuls, um ein Prüffenster in dem Diskriminator 54 zu öffnen. Die von dem Generator G2 gelieferten Steuerpulse öffnen Prüffenster in dem Diskriminator 56, während der Generator G3 zu dem gleichen Zweck dient in bezug auf den Diskriminator 58. Die Steuerpulse des Generators G4 öffnen Prüffenster in dem Detektor GDP. Die Breiten dieser Steuerpulse, die von den Generatoren G1 bis G4 geliefert werden, und somit die Dauer der einzelnen Prüffenster sind unabhängig programmierbar durch den Computer 62, wie es durch die Verbindung 66 angedeutet ist. Die zeitliche Steuerung dieser Steuerpulse erfolgt durch Pulse, die von dem Synchronisierer 40 generiert werden. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, triggern die Synchronisiererpulse P8, P10 und P12 die Generatoren G1 bis G3 auf entsprechende Weise, um deren Steuerpulse zu generieren, während die Synchronisiererpulse P14, P16, P18 und P20 in ein OR-Gatter 68 eingegeben werden, um die Lieferung von vier aufeinander folgenden Steuerpulsen durch den Generator G4 zu triggern. In der Praxis kann der Steuergenerator G4 die Form von vier getrennten Steuergeneratoren haben, die auf entsprechende Weise durch Synchronisiererpulse P14, P16, P18 und P20 getriggert werden, wobei die Ausgangspulse des Generators über das OR- Gatter zu dem Spitzenwertdetektor GPD geleitet werden. Dies ermöglicht es dem Computer, die Breiten der Steuerpulse und somit die Breiten der Prüffenster, die in dem steuerbaren Spitzenwertdetektor geöffnet werden, einzeln zu programmieren.

Um den Betrieb der Echosignal-Verarbeitungsschaltung gemäß Fig. 5 zu erläutern, wird auch auf Fig. 6 verwiesen, die die relativen Zeitsteuerungen der Synchronisiererpulse P1 bis P22 darstellt. Jeder Prüfzyklus wird durch die Lieferung des Synchronisiererpulses P1 eingeleitet, der den Treiber D1 für den Pulswandler X1 triggert, damit dieser seinen Ultraschall-Hauptenergiepuls liefert. Der Puls P1 wird auch zugeführt zum gemeinsamen Starten der acht Taktgeber in dem Wandler TDC. Die Synchronisiererpulse P2 bis P7 folgen in rascher Folge, wie es aus Fig. 6 hervorgeht, um die Hauptpulse der Wandler X2 bis X7 einzuleiten. Der Multiplexer 44 wird am Beginn von jedem Prüfzyklus initialisiert, wobei der Hauptkanal CH1 zu seiner Ausgangsleitung 46 durchverbunden wird. Nach einer geeigneten Verzögerung, die bezüglich der Rückkehr von Prüfechos zum Wandler X1 zeitlich gesteuert ist, triggert der Synchronisiererpuls P8 den Generator G1, um das Prüffenster des Diskriminators 54 zu öffnen. Dieser Zustand ist in Fig. 6 durch die Zeitsteuerlinie G1 dargestellt. Am Ende des Steuerpulses G1 zum Schließen dieses Prüffensters indexiert der Synchronisierpuls P9 den Multiplexer 44 zum Kanal CH2, und dann sorgt der Synchronisiererpuls P10 für eine Triggerung des Generators G2, damit dieser seinen Steuerpuls liefert, um ein Prüffenster in dem Diskriminator 56 zu öffnen. Nach dem Schließen dieses Fensters schaltet der Synchronisiererpuls P11 den Multiplexer auf den Kanal CH3, und der Synchronisiererpuls P12 triggert den Generator G3, um ein Prüffenster im Diskriminator 58 zu öffnen. Die Synchronisiererpulse P13 bis P20 folgen nacheinander, um den Multiplexer schrittweise durch die Kanäle CH4 bis CH7 zu schalten und den Generator G4 zu triggern, um vier aufeinanderfolgende Prüffenster in dem steuerbaren Spitzenwertdetektor GPD zu öffnen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist.

Der Synchronisiererpuls P21 signalisiert dann das Ende eines Prüfzyklus und wird dazu verwendet, diejenigen Taktgeber in dem Wandler TDC auf null zurückzusetzen, die durch Ausgangssignale aus den Diskriminatoren 54, 56, 58 und 60 nicht gestoppt worden sind. Dieser Puls P21 wird auch von dem Wandler dazu verwendet, dem Computer 62 zu signalisieren, digitale Daten über ein Kabel 70 zu akzeptieren, die die verbrauchten Zeiten anzeigen, die von jedem der acht Taktgeber registriert wurden. Diese Datenauslesung erfolgt während des Intervalls RD, das in Fig. 6 gezeigt ist. Schließlich setzt der Synchronisiererpuls P22 den Multiplexer 44 wieder auf den Kanal CH1 und leitet einen anderen Prüfzyklus ein, der durch die Lieferung des Pulses G1 markiert ist. Die Prüfzyklen werden automatisch wiederholt, um ein Rohr auf seiner gesamten Länge sowohl hinsichtlich seiner Abmessungen als auch auf Risse gründlich zu prüfen.

Die Arbeitsweise des Wandlers TDC kann am besten anhand von Fig. 7 verstanden werden. Wie bereits ausgeführt wurde, beginnt der Synchroniererpuls P1 jeden Prüfzyklus durch Triggern des Treibers D1, um den Hauptpuls des Wandlers X1 einzuleiten. Die Zeitlinie G1 in Fig. 7 stellt das Prüffenster dar, das in dem Diskriminator 54 geöffnet wurde, um Echos zu detektieren, die von diesem Wandler als Antwort auf seinen Ultraschall-Hauptenergiepuls empfangen worden sind. Aus einer gemeinsamen Betrachtung der Fig. 2 und 7 geht hervor, daß das erste Signal 72, das in diesem Prüffenster auftritt, das Echo ist, das zu dem Wandler X1 von der Außenfläche des Rohres 12 reflektiert worden ist, während das Signal 73 das Echo ist, das von der Grenze der inneren Rohroberfläche zu ihrer offenen Bohrung reflektiert worden ist, die mit Luft oder einem Koppelfluid gefüllt ist. Das dritte Signal 74, das in dem Prüffenster G1 auftritt, ist das Echo von Ultraschallenergie, die von der Grenze der äußeren Rohroberfläche und dem Koppelmittel 24 zu der inneren Rohrflächengrenze und dann zurück zum Wandler X1 abprallt. Als Antwort auf das Echosignal 72 gibt der Diskriminator 54 ein erstes Zeitmarkensignal an den Wandler TDC (s. Fig. 5) ab, das einen seiner acht Taktgeber zu der abgelaufenen Zeit T1 stoppt, die von dem Synchronisiererpuls P1 gemessen ist. Der Diskriminator 54 gibt ein zweites Zeitmarkensignal als Antwort auf das Echosignal 73 ab, um einen zweiten Detektortaktgeber zu der verbrauchten Zeit P2 zu stoppen, und er gibt ein drittes Zeitmarkensignal ab, um einen dritten Taktgeber zu der verbrauchten Zeit T3 zu stoppen, wie dies alles in Fig. 7 dargestellt ist.

Das Prüffenster des Generators G2 wird dann in dem Diskriminator 56 geöffnet, um das Rohraußenflächen- Echosignal 75, das Rohrinnenflächen-Echosignal 76 und das abgeprallte Echosignal 77, das von dem Wandler X2 empfangen ist, zu detektieren. Die Zeitmarkensignale der Diskriminatoren, die als Antwort auf die Echosignale 75 bis 77 geliefert werden, stoppen die nächsten drei Wandlertaktgeber bei den verbrauchten Zeiten T4, T5 bzw. T6.

Aus diesen sechs Taktzählwerten hat der Computer 62 genügend Daten, um die Rohrabmessungen an den bestimmten diametral gegenüberliegenden Prüfpunkten zu berechnen, die von den Wandlern X1 und X2 während jedes Prüfzyklus untersucht worden sind. Das heißt, die Subtraktion der Strecken, die aus den verbrauchten Zeiten T1 und T4 berechnet werden, von dem Abstand D, der die Wandler X1 und X2 trennt, ergibt den Außendurchmesser des Rohres. Die Rohrwanddicke an der Prüfstelle des Wandlers X1 wird aus der Differenz zwischen den verbrauchten Zeiten T2 und T3 berechnet. In ähnlicher Weise wird die Wanddicke an der Prüfstelle des Wandlers X2 von dem Computer aus der Differenz zwischen den verbrauchten Zeiten T5 und T6 berechnet. Der Innendurchmesser des Rohres kann dann aus dem ermittelten Außendurchmesser und zwei Wanddicken- Ermittlungen berechnet werden.

Um präzise Messungen der Rohrmaße zu erhalten, ist es erforderlich, worauf bereits hingewiesen wurde, Temperaturänderungen des Koppelmittels zu kompensieren. Deshalb wird das G3 Prüffenster in dem Diskriminator 58 geöffnet, um das Echosignal 78 detektieren, das von dem Target 22 zum Wandler X3 reflektiert wird (s. Fig. 2). Als Antwort auf dieses Signal gibt der Diskriminator 58 ein Zeitmarkensignal ab, das den siebten Taktgeber in dem Wandler TDC zu der verbrauchten Zeit T7 von dem Synchronisiererpuls P1 stoppt, wie es aus Fig. 7 ersichtlich ist. Der Computer 62 verwendet diese so ermittelte verbrauchte Zeit T7, um die verbrauchten Zeiten T1 bis T6 zu korrigieren und somit die Rohrabmessungsberechnungen für Änderungen in der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Fluidkoppelmittel 24 aufgrund von Änderungen in seiner Temperatur zu korrigieren.

Weiterhin ist aus Fig. 7 ersichtlich, daß vier aufeinanderfolgende Prüffenster, die in dem steuerbaren Spitzenwertdetektor GPD als Antwort auf die Synchronisiererpulse P14, P16, P18 und P20 geöffnet werden, bei G4A, G4B, G4C und G4D dargestellt sind. Diese Fenster sind zeitlich so gesteuert, daß sie unmittelbar nach Empfang von Echosignalen 80 bis 83 durch Wandler X4 bis X7 von der äußeren Rohrfläche (s. Fig. 3 und 4) öffnen. Wenn keine Risse vorhanden sind, werden keine Echos in diesen Prüffenstern empfangen, wie es im Falle der Fenster G4A, G4B und G4D angegeben ist. Wenn jedoch die Ultraschall-Energie, die sich in ihrer Zick-Zack-Bahn durch die Rohrwand ausbreitet, auf einen Riß stößt, wird ein Rißecho in einem dieser Prüffenster empfangen, wie beispielweise ein Rißsignal 84, das von dem Wandler X6 empfangen wird und in dem Fenster G4C angeordnet ist. Der Spitze-Spitze-Wert dieses Rißsignals wird in dem Analog/Digital-Wandler ADC digitalisiert und tritt in den Computer 62 als eine Anzeige der Rißgröße ein. Weiterhin gibt als Antwort auf dieses Rißsignal 84 der Diskriminator 60 ein Zeitmarkensignal ab, um den achten Taktgeber im Wandler TDC nach der verstrichenen Zeit T8 zu stoppen. Dieser Zeitwert wird durch den Computer verarbeitet, um zu ermitteln, welcher Rißprüfwandler X4 bis X7 das Rißecho empfangen hat, um auch die Rißlage innerhalb des Rohrwandquerschnitts zu ermitteln. Wenn kein Rißsignal während eines Prüfzyklus detektiert wird, wird der achte Wandlertaktgeber durch den Synchronisierpuls 21 auf null gesetzt, und die daraus resultierende Nullzählung wird durch den Computer als ein Fehlen eines Risses interpretiert.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Wandler TDC schnell mit zusätzlichen Taktgebern ausgerüstet werden könnte, um die extrem entfernt liegende Möglichkeit zu handhaben, daß Rißsignale in mehreren oder sogar allen vier Prüffenstern G4A bis G4D während eines einzigen Prüfzyklus detektiert werden. Alternativ könnten die vier Rißprüfwandler- Echosignale über getrennte Signalkanäle anstatt durch den einzigen Kanal CH12 gehandhabt werden, wobei jeder Rißsignalkanal mit einem getrennten Taktgeber im Wandler TDC verbunden ist.

Es ist ferner möglich, daß die axialen und Drehbewegungen des Rohres durch die Prüfstation verfolgt werden, so daß der Computer exakt die Prüfpunkte auf dem Rohr lokalisieren kann, wobei jede Abmessungs- und Rißprüfung durch Wandler X1 und X2 und X4 bis X7 während jedes Prüfzyklus herbeigeführt wird. Somit werden die Rohrstellen mit außerhalb der Toleranz liegenden Abmessungen und Rissen identifiziert für eine nachfolgende visuelle Prüfung durch Qualitätssicherungspersonal.

Claims (10)

1. Einrichtung zur zerstörungsfreien Riß- und Abmessungsprüfung von dünnwandigen rohrförmigen Elementen, gekennzeichnet durch:

• A) eine erste Anzahl von Ultraschallwandlern (X1, X2) zur Abmessungsprüfung eines rohrförmigen Elementes (12) entlang entsprechenden wendelförmigen (helikalen) Abtastbahnen,
• B) eine zweite Anzahl von Ultraschallwandlern (X4, X5) zur Rißprüfung des rohrförmigen Elementes (12) entlang entsprechenden helikalen Abtastbahnen,
• C) einen getrennten Treiber (D) zum elektrischen Anregen jedes Wandlers der ersten Anzahl, um die Abmessungen prüfende Ultraschall-Energiepulse abzugeben und damit jeder Wandler der zweiten Anzahl von Wandlern (X4, X5) auf Risse prüfende Ultraschall-Energiepulse abgibt, wobei alle durch ein Fluidkoppelmittel (24) auf das rohrförmige Element (12) gerichtet sind,
• D) einen getrennten HF-Kanal zur Handhabung von Echosignalen, die von jedem Wandler empfangen werden,
• E) einen Multiplexer (44) mit einem getrennten Eingang für einen jeweiligen HF-Kanal und einem einzigen Ausgang,
• F) einen Verstärker (48), dessen Eingang mit dem Ausgang des Multiplexers (44) verbunden ist,
• G) einen Signalteiler (Splitter) mit einem Eingang, der mit dem Verstärkerausgang verbunden ist, und mehreren Ausgängen,
• H) einen getrennten Signaldetektorkanal (CH), der mit jedem Splitterausgang verbunden ist, wobei jeder Detektorkanal einen Diskriminator (54-60) aufweist zum Erzeugen eines Zeitmarkensignals als Antwort auf ein Echosignal, wobei wenigstens einer der Detektorkanäle (CH) einen Spitzenwertdetektor (GPD) aufweist zum Erzeugen eines Signals, das die Spitze-zu-Spitze-Amplitude eines Echosignals angibt,
• I) getrennte Zeitsteuermittel (TDC), die mit jedem Detektorkanal verbunden sind, und
• J) Synchronisierermittel (G1-G4) zum Erzeugen einer Folge von Zeitsteuerpulsen zum Synchronisieren
• 1. der elektrischen Anregung der Wandler (X) der ersten und zweiten Anzahlen durch die Treiber (D),
• 2. den Betrieb des Multiplexers (44) beim sukzessiven Verbinden jedes seiner Eingänge mit seinem einzigen Ausgang und
• 3. der Zeitsteuermittel (TDC) derart, daß separat die verbrauchten Zeiten zwischen den Abgaben der Ultraschallenergie-Prüfpulsen und dem Empfang der entsprechenden Ultraschallenergie-Pulsechos durch jeden Wandler angezeigt werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Synchronisierer- Zeitsteuerungspulse gesteuerte Mittel vorgesehen sind zum Generieren von Prüffenstern in den Diskriminatoren (54-60) und des Spitzenwertdetektors (GPD), in denen Antworten auf die Echosignale erlaubt sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Computer (62) so verbunden ist, daß er die eine Spitzenamplitude anzeigenden Signale von dem Spitzenwertdetektor empfängt.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitsteuermittel in einem Zeit/Digital-Wandler (TDC) enthalten sind, der die getrennten Angaben der verbrauchten Zeiten in den Computer eingibt.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Echosignale, die durch die Wandler (X4, X5) der zweiten Anzahl erzeugt werden, durch einen einzigen Spitzenwertdetektor (GPD) in dem einen Detektorkanal (CH12) sukzessive detektiert werden.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Anzahl von Wandlern erste und zweite Wandler (X1, X2) aufweist, die auf entsprechende Weise in einen bekannten Abstand (D) voneinander in einer diametral gegenüberliegenden Lage zu dem rohrförmigen Element (12) angeordnet sind, wobei die ersten und zweiten Wandler (X1, X2) auf entsprechende Weise eine Folge von ersten, zweiten und dritten Echosignalen als Antwort auf Ultraschall-Energiepulse erzeugen, die von der Außenfläche, der Innenfläche bzw. wieder von der Innenfläche des rohrförmigen Elements (12) reflektiert werden, wobei die ersten, zweiten und dritten Echosignale des ersten Wandlers (X1) durch einen der Diskriminatoren in einem ersten Detektorkanal gemäß der Erzeugung entsprechender erster, zweiter und dritter Zeitmarkensignale detektiert werden, wobei die ersten, zweiten und dritten Echosignale des zweiten Wandlers (X2) durch einen der Diskriminatoren in einem zweiten Detektorkanal gemäß der Erzeugung entsprechender vierter, fünfter und sechster Zeitmarkensignale detektiert werden, wobei die Zeitsteuermittel (TDC) mehrere Taktgeber aufweisen, die gemeinsam am Beginn eines Prüfzyklus gestartet werden und durch die Zeitmarkensignale getrennt gestoppt werden derart, daß Daten bezüglich der verbrauchten Zeit geliefert werden, aus denen der Computer (62) Abmessungsdaten für das rohrförmige Element (12) errechnen kann.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Anzahl von Wandlern (X4, X5) relativ zu dem rohrförmigen Element (12) derart angeordnet sind, daß dessen Wand intern prüfbar ist durch Ultraschall-Energiepulse, die sich in entgegengesetzten Längs- und Umfangsrichtungen ausbreiten, wobei ein Echosignal, das von irgendeinem Wandler der zweiten Anzahl als Antwort auf Ultraschall-Energiepulse, die von einem Riß reflektiert werden, durch den Spitzenwertdetektor detektiert wird zur Anzeige der Spitze-zu-Spitze-Amplitude anzeigenden Signale und durch den einen Diskriminator in einem dritten Detektorkanal zum Generieren eines siebten Zeitmarkensignals, wobei ein getrennter Taktgeber in der Zeitsteuereinrichtung (TDC) durch das siebente Zeitmarkensignal gestoppt wird, so daß ein Datum für die verbrauchte Zeit geliefert wird, aus der der Computer (62) die Rißlage ermitteln kann.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein kompensierender Wandler (X3) zum Erzeugen eines Referenz-Echosignals vorgesehen ist, wobei einer der Diskriminatoren in einem vierten Detektorkanal ein achtes Zeitmarkensignal als Antwort auf das Referenz-Echosignal erzeugt zum Stoppen eines getrennten Taktgebers in der Zeitsteuereinrichtung (TDC) , um Daten über die verbrauchte Zeit zu liefern, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschall-Energie in dem Fluidkoppelmittel anzeigen, aus denen der Computer (62) einen Korrekturfaktor errechnen kann, der Änderungen in der Temperatur des Koppelmittels kompensiert.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diskriminatoren (54, 60) ein konstantes Verhältnis bzw. einen konstanten Bruchteil aufweisen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Signaldetektorkanal (CH8) zur Leitung von Echosignalen zu einer Kathodenstrahlröhrenanzeige (CRT) vorgesehen ist.