DE69023577T2

DE69023577T2 - Ultraschallsystem zur Bestimmung des Profils von Festkörpern.

Info

Publication number: DE69023577T2
Application number: DE69023577T
Authority: DE
Inventors: Lee Wayne Burtner; Michael Francis Fair; Michael Joseph Metala
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1989-09-07
Filing date: 1990-07-11
Publication date: 1996-04-25
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: CA2024719A1; CN1050085A; DE69023577D1; KR0159932B1; US5029476A; YU148990A; JPH03100406A; MX165166B; KR910006720A; CN1024945C; CA2024719C; EP0416245B1; JP2866864B2; EP0416245A3; ES2080088T3; EP0416245A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Inspektion von Festkörpern wie Generatorhalteringen, und insbesondere die indirekte Bestimmung des Profils eines solchen Körpers entlang einer gegebenen Achse.
In der Industrie müssen häufig Maschinenteile geprüft werden, die wegen Verschleiß oder aus sonstigen Gründen bruchanfällig sind. Zum Beispiel müssen Generatorwellenhalteringe, die am Ende einer Generatorwelle montiert sind, um die Wicklungen an Ort und Stelle zu halten, periodischen Inspektionen unterzogen werden, damit etwaige Risse erkannt werden, die sich darin entwickelt haben könnten. Die Notwendigkeit der Inspektion solcher Ringe wird immer größer, weil die nutzbare Lebensdauer eines großen Generators vom Zustand seiner Halteringe abhängen kann. In der Kegel entstehen Risse in den Ringoberflächen, die mit den Generatorwicklungen in Berührung stehen, und diese Risse beginnen häufig an Stellen, wo sich im Ringinnendurchmesser ein Übergang befindet. Wenn solche Risse eine kritische Größe erreichen, kann der Ring reißen, was zu etwaigen größeren Schäden am Generator und an den Geräten im Umfeld führen kann.
Zum Vermeiden solcher Vorkommnisse gibt es viele Vorrichtungen zur Durchführung periodischer Inspektionen der Generatorhalteringe. Die üblichste Inspektionsmethode ist eine Ultraschallprüfung, bei der hochfrequente Ultraschallsignale radial vom Außenumfang des Rings zum Innenumfang gerichtet werden. Durch Überwachen der Ultraschallenergie- Fortpflanzungszeit, zusammen mit einer genauen Kenntnis des Ringprofils, können kleine, von der Innenumfangsfläche ausgehende Risse entdeckt werden.
Der Erfolg eines solchen Verfahrens hängt ab von der genauen Kenntnis des Ringprofils, und diese Kenntnis ist am Standort des Generators nicht immer verfügbar. Ausbau des Rings zum Vermessen seines Profils ist nicht akzeptierbar aus ökonomischen Gründen, und Konstruktionszeichnungen des betreffenden Rings sind nicht überall vorhanden.
Die Theorie der Messung der Durchlaufzeit von Ultraschall- Echos zum Bestimmen von Wanddicken wird beschrieben in dem Buch "Ultrasonic Testing of Materials" [Ultraschallprüfung von Werkstoffen] von J. Krautkrämer und H. Krautkrämer, erschienen bei Springer, Berlin, 1983. Vom Meßwertgeber ausgesandte Impulse treten in die Vorderfläche des Prüflings ein und werden von der hinteren Fläche reflektiert. Nachdem der ausgesandte Impuls wieder die Vorderfläche erreicht hat, verläßt ein Teil der Impulsenergie die Vorderwand und wird von der Ultraschallmeßwertgeberschaltung aufgefangen. Durch Messen der Durchlaufzeit läst sich die Wanddicke berechnen.
In US-A-4 742 713 wird ein Ultraschall-Rißdetektor zum Übertragen eines Ultraschallsignals auf den Prüfling und Erzeugen von Rißerfassungsdaten auf der Grundlage eines Reflexionsechosignals beschrieben, das eine Datenerfassungs-/Aufzeichnungseinheit enthält zum Aufnehmen der Rißerfassungsdaten vom Ultraschallrißdetektor, und der Prüflingspositionsdaten von der manuellen Abtasteinheit zum Aufzeichnen beider Daten auf einem externen Aufzeichnungsmedium.
Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, das Profil eines Objekts, wie z.B. eines Generatorhalterings zu bestimmen, ohne den Ausbau des Objekts aus seiner normalen Position vorauszusetzen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Profilinformationen auf schnelle und einfache Weise zu gewinnen durch Bewegen eines Ultraschallmeßwertgebers über eine Oberfläche des Objekts, dessen Profil festgestellt werden soll.
Diese und noch weitere Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch:
Ein System zur Bestimmung des Querschnittprofils eines Gegenstands 24 mit zwei einander gegenüberliegenden Flächen 26, 28, beinhaltend:
Ultraschall-Meßwertgebermittel 16 mit einer Bezugsfläche 20, die so angeordnet sind, daß sie Ultraschallenergie über diese Bezugsfläche aussenden und empfangen;
Dickenbestimmungsmittel 60, die mit diesen Meßwertgebermitteln 16 verbunden sind, um diese Meßwertgebermittel zum Ausstrahlen von Ultraschallenergie über diese Bezugsfläche 20 und zum Erfassen von reflektierter Ultraschallenergie zu veranlassen, die von den Meßwertgebermitteln über die Bezugsfläche empfangen werden, um Anzeigen über den Abstand zwischen der Bezugsfläche und einer Ultraschallenergiereflektierenden Fläche, die der Bezugsfläche gegenüberliegt, abzuleiten;
einen Wagen 2, der diese Meßwertgebermittel 16 trägt;
Führungsmitiel 4, die einen linearen Fahrweg mit einem Bezugspunkt definieren und den Wagen 2 zur Bewegung auf diesem Fahrweg tragen;
Positionsbestimmungsmittel 62, die mit dem Wagen 2 in Wirkverbindung stehen zur Ableitung der Anzeige des Orts des Wagens entlang diesem Fahrweg relativ zu dem Bezugspunkt;
Mittel 32, 34 zum Befestigen dieser Führungsmittel 4 an dem Gegenstand 24, so daß sich der lineare Fahrweg entlang einer der zwei einander gegenüberliegenden Flächen erstreckt; und
an den Dickenbestimmungsmitteln 60 und den Positionsbestimmungsmitteln 62 befestigte Signalverarbeitungsmittel 64 zur Erzeugung von Darstellungen des Abstands zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des Gegenstands in Korrelation mit dem Ort des Wagens relativ zum Bezugspunkt, wenn der Bezugspunkt in Berührung mit einer der zwei einander gegenüberliegenden Flächen steht; und
ein von den Mitteln 32 zum Befestigen getragener Kalibrierblock 46, der anliegend an den Gegenstand angeordner werden soll, wenn die Führungsmittel 4 am Gegenstand befestigt werden, wobei dieser Kalibrierblock entlang dem Fahrweg angeordnet wird, um mir den Ultraschall-Meßwertgebermitteln 16 zusammenzuwirken, um die Kalibrierung dieser Dickenbestimmungsmittel zu bewirken.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer dickeüberwachenden Meßwertgeberanordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine Seitenschnittansicht eines Meßsystems gemäß der vorliegenden Erfindung einschließlich der Meßwertgeberbaugruppe aus Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Schaltkreiskomponenten eines erfindungsgemäßen Meßsystems.
Die in Fig. 1 gezeigte Baugruppe besteht im wesentlichen aus einem Wagen 2, der über die Lager 6 auf einem Führungsrohr 4 verfahrbar montiert ist.
Der Wagen 2 besteht im wesentlichen aus zwei Armen 8, von denen jeder auf einem entsprechenden Lager 6 montiert ist und jeweils einem entsprechenden Abstandhalter 10 zugeordnet ist. Befestigt zwischen Anstandshaltern 10 befindet sich ein magnetisches Target 12, dessen Funktion nachstehend eingehender beschrieben wird.
Die freien Enden der Arme 8 tragen einen Meßwertgeberhalter 14, der so an den Armen 8 montiert ist, daß er um eine Achse schwenkbar ist, die parallel zu der des Rohrs 4 läuft, während er in einer Position relativ zu den Armen 8 in Richtung der Schwenkachse fest ist. Halter 14 trägt einen Ultraschall-Meßwertgeber 16 in einer solchen Weise, daß der Meßwertgeber 16 um eine Achse 18, die sich im rechten Winkel zur Schwenkachse des Halters 14 erstreckt, schwenkbar gegenüber dem Halter 14 angeordnet ist.
Der Meßwertgeber 16 hat eine Bezugsfläche 20, die in Berührung mit einer Oberfläche eines Objekts gehalten werden muß, dessen Profil bestimmt werden soll.
Innerhalb des Rohrs 4 ist ein elektromagnetischer Wellenleiter 22 angeordnet, durch den elektromagnetische Energie geschickt werden kann. Das magnetische Target 12 führt die Funktion aus, wenigstens einen Teil dieser elektromagnetischen Energie zu zurück zum Eingangsende des Wellenleiters 22 zu reflektieren, so daß die Messung der Durchlaufzeit dieser Strahlung entlang dem Wellenleiter 22 ein Anzeichen für die Position des Wagens 2 entlang des Rohrs 4 liefern kann.
Eine Meßanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Wagengruppe 2 wird in Fig. 2 gezeigt, zusammen mit einem Objekt 24, das zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen 26 und 28 aufweist, die das zu bestimmende Profil des Objekts definieren.
Das in Fig. 2 gezeigte Objekt ist ein Generatorhaltering, der die oben beschriebenen Merkmale aufweist. Hier muß jedoch darauf hingewiesen werden, daß das erfindungsgemäße System zur Bestimmung des Profils einer großen Palette unterschiedlicher Objekte eingesetzt werden kann, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Rohre, Zylinder, Platten usw.
Das in Fig. 2 gezeigte System beinhaltet zwei Haltereinheiten 32 und 34, die jeweils so ausgelegt sind, daß sie an die entsprechenden axialen Enden des Körpers 24 montiert werden können.
Die Haltereinheit 32 umfaßt eine Montageplatte 36 und einen Bügel 38, der an der Platte 36 befestigt ist. Der Bügel 38 kann durch Stifte oder Bolzen 40 in Löchern befestigt werden, die im Körper 24 vorgesehen sind. Befestigt an der Platte 36 ist eine Trägerplattform 42, die ein Ende des Rohrs 4 und einen Positionsmeßwertgeber 44 trägt, der in Wirkverbindung mit dem Wellenleiter 22 (in Fig. 2 nicht sichtbar) gekoppelt ist.
Plattform 42 trägt ferner einen Kalibrierblock 46 mit wenigstens zwei Bereichen mit genau bestimmten Dickenmaßen.
Die Haltereinheit 34 kann ein Halteglied 50 beinhalten, das auf der Oberfläche 26 und auf einem zugeordneten axialen Ende des Objekts 24 ruht, und trägt das andere Ende des Rohrs 4 mit Hilfe von Muttern oder Halteringen 54.
Das Objekt 24, das in Fig. 2 gezeigt wird, hat auf für Generatorhalteringe typische Weise eine im allgemeinen zylindrische Außenfläche 26 und eine gestufte Innenfläche 28, die eine Anzahl Durchmesserübergänge aufweist.
Die Schaltung zum Einholen von Profilinformationen gemäß der vorliegenden Erfindung wird in Fig. 3 gezeigt und beinhaltet eine Ultraschall-Meßwertgeberschaltung 60, die gekoppelt ist, um Signale an den Meßwertgeber 16 auszugeben und Signale vom Meßwertgeber 16 zu empfangen, und eine Positionsmeßwertgeberschaltung 62, die eine ähnliche Funktion gegenüber dem Positionsmeßwertgeber 44 wahrnimmt.
Schaltung 60 nimmt auf bekannte Weise Signale auf, die repräsentativ für den Abstand zwischen den Flächen 26 und 28 eines Objekts 24, d.i. für die Wanddicke des Objekts 24 sind, auf der Grundlage der Durchlaufzeit der Ultraschallenergie zur Fläche 28 und der reflektierten Energie zurück zur Fläche 26, während Schaltung 62 ein Ausgangssignal liefert, das repräsentativ für den Abstand zwischen Meßwertgeber 44 und Target 12 entlang des Rohrs 4 ist. Somit wird das Dickensignal, das zu einer gegebenen Zeit am Ausgang der Schaltung 60 generiert wird, repräsentativ für die Dicke des Objekts 24 an der Stelle, die durch die von Schaltung 62 erzeugten Signale bestimmt ist.
Die Meßsignale, die von den Schaltungen 60 und 62 erzeugt werden, werden an einen Datenprozessor 64 gegeben, der der Reihe nach die eingehenden Dickensignale zusammen mit den jeweils zugehörigen Positionssignalen abspeichert.
Die sich ergebende Information kann auf herkömmliche Weise verarbeitet werden und entweder an eine Anzeigevorrichtung 66 oder einen Plotter 68 gegeben werden, um eine Darstellung des Profils des Objekts 24 zu erzeugen.
Um ein Profil unter Verwendung des erfindungsgemäßen Geräts zu erzeugen, wird dieses Gerät auf ein Objekt 24 montiert, dessen Profil bestimmt werden soll, wie in Fig. 2 gezeigt wird. Dann wird, während Signale an den Ultraschallmeßwertgeber 16 und an Positionsmeßwertgeber 44 gegeben werden und von ihnen her empfangen werden, der Meßwertgeber 16 den Kalibrierblock 46 entlang gefahren. Von beiden Bereichen dieses Blocks werden Ablesungen aufgenommen und Schaltung 60 wird so justiert, daß sie die richtigen Dickenwerte anzeigt. Dann wird unter Verwendung des Übergangs vom Block 46 zur Platte 36 als Bezugswert und unter Berücksichtigung der Dicke der Platte 36 der Wagen 2 das Rohr 2 entlang gefahren, während Dickenablesungen aufgenommen werden. Die Bezugsfläche 20 wird durch einen Bediener, der den Helter 14 und den Meßwertgeber 16 faßt während er den Wagen 2 von Hand das Rohr 4 entlang schiebt, bündig mit der Außenfläche 26 gehalten.
Wenn Schaltung 60 eine Angabe Produziert, daß ein Dickenübergang aufgetreten ist, hält der Bediener mit der Vorwärtsbewegung des Wagens 2 inne und bewegt den Meßwertgeber über den Übergang, und erzeugt so eine Dickenangabe und eine zugehörige Positionsangabe für jede der beiden Seiten des Übergangs.
Diese Operation wird fortgesetzt, bis die gesamte Länge eines Objekts 24 überstrichen ist.
Am Ende einer solchen Operation können dann die Ergebnisdaten zusammengestellt werden, um eine Anzeige oder einen Plot des Objektprofils zu erzeugen.
Die hier betrachtete Vorrichtung wird von Hand betätigt, es ist jedoch leicht vorstellbar, daß die Erfindung in eine automatische Vorrichtung eingebaut wird, in der der Wagen 4 durch einen Motor angetrieben wird und der Helter 14 so konfiguriert ist, das er die Bezugsfläche 20 automatisch gegen die Objektfläche hält. Mit dieser Anordnung wäre es dann nur mehr erforderlich, die Dicken- und Positionsabiesungen in regelmäßigen Intervallen durchzuführen.
Das so erhaltene Profil wird dann dazu benutzt, um die Positionen zu bestimmen, an denen die Objektoberfläche ultraschallgeprüft werden muß, um Rißbildung festzustellen.
Die obige Beschreibung bezieht sich auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, natürlich muß hier berücksichtigt werden, das viele Änderungen vorgenommen werden können, ohne von Umfang und Sinngehalt der Erfindung abzuweichen. Insbesondere kann jede geeignete Abstandsmeßvorrichtung eingesetzt werden, um Anzeigen über die Position der Wagengruppe 2 entlang Rohr 4 zu erzeugen. Die beiliegenden Ansprüche decken daher auch solche Anderungen ab, soweit sie in den Umfang und den Sinngehalt der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

1. System zur Bestimmung des Querschnittprofils eines Gegenstands (24) mit zwei einander gegenüberliegenden Flächen (26, 28), beinhaltend:

Ultraschall-Meßwertgebermittel (16) mit einer Bezugsfläche (20), die so angeordnet sind, daß sie Ultraschallenergie über diese Bezugsfläche aussenden und empfangen;

Dickenbestimmungsmittel (60), die mit diesen Meßwertgebermitteln (16) verbunden sind, um diese Meßwertgebermittel zum Ausstrahlen von Ultraschallenergie über diese Bezugsfläche (20) und zum Erfassen von reflektierter Ultraschallenergie zu veranlassen, die von den Meßwertgebermitteln über die Bezugsfläche empfangen werden, um Anzeigen über den Abstand zwischen der Bezugsfläche und einer Ultraschallenergiereflektierenden Fläche, die der Bezugsfläche gegenüberliegt, abzuleiten;

ein Wagen (2), der diese Meßwertgebermittel (16) trägt;

Führungsmittel (4), die einen linearen Fahrweg mit einem Bezugspunkt definieren und den Wagen (2) zur Bewegung auf diesem Fahrweg tragen;

Positionsbestimmungsmittel (62), die mit dem Wagen (2) in Wirkverbindung stehen zur Ableitung der Anzeige des Orts des Wagens entlang diesem Fahrweg relativ zu dem Bezugspunkt;

Mittel (32, 34) zum Befestigen dieser Führungsmittel (4) an dem Gegenstand (24), so daß sich der lineare Fahrweg entlang einer der zwei einander gegenüberliegenden Flächen erstreckt; und

an den Dickenbestimmungsmitteln (60) und den Positionsbestimmungsmitteln (62) befestigte Signalverarbeitungsmittel (64) zur Erzeugung von Darstellungen des Abstands zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des Gegenstands in Korrelation mit dem Ort des Wagens relativ zum Bezugspunkt, wenn der Bezugspunkt in Berührung mit einer der zwei einander gegenüberliegenden Flächen steht; und

ein von den Mitteln (32) zum Befestigen getragener Kalibrierblock (46), der anliegend an den Gegenstand angeordnet werden soll, wenn die Führungsmittel (4) am Gegenstand befestigt werden, wobei dieser Kalibrierblock entlang dem Fahrweg angeordnet wird, um mit den Ultraschall-Meßwertgebermitteln (16) zusammenzuwirken, um die Kalibrierung dieser Dickenbestimmungsmittel zu bewirken.

2. Ein System gemäß Definition in Anspruch 1, in dem das Signalverarbeitungsmittel (64) ein grafisches Anzeigemittel (66, 68) zum Erzeugen elner Darstellung des Profils des Gegenstands zwischen den zwei einander gegenüberliegenden Oberflächen (26, 28) und parallel zum linearen Fahrweg umfaßt.

3. Ein System gemäß Definition in Anspruch 1, in dem die Positionsbestimmungsmittel (62) umfassen: Einen Meßwertgeber (44) für elektromagnetische Wellen zum Ausstrahlen und Empfangen elektromagnetischer Wellenenergie; ein Leitermittel (22) für elektromagnetische Wellen, das mit dem Wellen- Meßwertgeber (44; zum Leiten der Wellenenergie entlang dem linearen Fahrweg gekoppelt ist; und Energiereflexionsmittel (12), die auf dem Wagen (2) montiert sind und in Wirkverbindung dem Leitermittel (22) zugeordnet sind, um die vom Wellen-Meßwertgeber (44) ausgestrahlte Energie zu dem Wellen- Meßwertgeber rückzuführen, wobei die Laufzeit der Wellenenergie von diesem Wellen-Meßwertgeber (44) zu dem Reflexionsmitteln (12) proportional dem Abstand des Wagens vom Bezugspunkt ist.

4. Ein System gemäß Definition in Anspruch 3, in dem das Leitermittel (22) einen Wellenleiter umfaßt, und das Energiereflexionsmittel ein Magnetfeld erzeugt, das einen Reflexionseffekt auf die im Wellenleiter geführte Energie aufweist.

5. Ein System gemäß Definition in Anspruch 1, das ferner umfaßt Ausrichtmittel (8, 14), die zwischen dem Wagen (2) und dem Ultraschall-Meßwertgebermittel (16) angeschlossen sind, um die Bezugsfläche (20) parallel zu der einen Fläche des Gegenstands zu halten, wenn das Führungsmittel (4) am Gegenstand befestigt wird.

6. Ein System gemäß Definition in Anspruch 5, in dem das Führungsmittel (4) den Wagen (2) so trägt, daß der Wagen um eine erste Achse kippen kann, die sich entlang dem Fahrweg erstreckt, und die genannten Ausrichtmittel (8, 14) einen Mechanismus aufweisen, der es ermöglicht, daß das Ultraschall-Meßwertgebermittel um eine zweite Achse kippen kann, die parallel zur ersten Achse angeordnet ist, und um eine dritte Achse (18), die quer zur zweiten Achse steht.