DE69526361T2

DE69526361T2 - Prufung von rohren

Info

Publication number: DE69526361T2
Application number: DE69526361T
Authority: DE
Inventors: Nathaniel Alleyne; Peter Cawley; Wan Chan
Original assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Current assignee: Imperial College of Science Technology and Medicine
Priority date: 1994-10-20
Filing date: 1995-10-20
Publication date: 2003-01-02
Anticipated expiration: 2015-10-21
Also published as: DE69526361T3; US6148672A; EP0787294B1; EP0787294B2; EP0787294A1; JP3732513B2; ATE216079T1; GB2308191A; DE69526361D1; JPH10507530A; GB9517794D0; GB9705752D0; GB2308191B; WO1996012951A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Inspektion länglicher Teile im allgemeinen, jedoch insbesondere die Inspektion von Rohren, Stangen, Balken, Streben und anderen strukturellen Teilen zwecks Überprüfung ihres Zustandes, insbesondere dahingehend, ob sie Materialermüdung, Korrosion oder Erosion ausgesetzt sind. Die Erfindung wird speziell im Zusammenhang ihrer industriellen Anwendung zur Inspektion von Rohren beschrieben, jedoch ist dies nicht als Einschränkung ihrer Anwendbarkeit zu verstehen.
Die Inspektion von Rohren auf derart schädliche Effekte wie Korrosion, Erosion oder Materialermüdung hin wird häufig durch das Erfordernis des Abschaltens der Anlage, das Vorhandensein einer die Sicht behindernden Auskleidung und die Schwierigkeit einer Bilderfassung des Rohrinneren verkompliziert. Zu den existierenden Techniken zur Inspektion von Rohren zählen das Entfernen der gesamten Auskleidung zwecks visueller Inspektion des Rohrs und das anschließende Verwenden von Ultraschall-Inspektoskopen oder dgl. zum Suchen nach Defekten, die sich an der Innenseite des Rohrs entwickeln. Gemäß einer alternativen Technik wird eine Ultraschall- oder Wirbelstromsonde an einem Schlitten befestigt, der dann an der Innenseite des Rohrs entlanggezogen wird. Wie bei dem zuvor angeführten externen Ansatz muss jeder Punkt entlang der Rohrlänge von der Sonde abgetastet werden, was zu sehr langen Inspektionszeiten führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Inspizieren des Zustands eines Rohrs zu schaffen, die die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik beseitigt.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Prüfen eines Rohrs dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ring an ein Rohr anklemmbar ist und der Ring aufweist: winklig beabstandete Wellenerreger, die eine der folgenden Wellen in einer einzelnen Richtung entlang des Rohrs ausbreiten können:
(a) eine axial symmetrische Einmoden-Lamb-Welle,
(b) eine Ein-Torsions-Moden-Welle,
(c) eine Ein-Biege-Moden-Welle, und eine zum Empfangen der Wellen geeignete Empfängereinrichtung und eine Analyseeinrichtung, die zum Analysieren der empfangenen Welle zwecks Feststellens des Zustands des Rohrs geeignet ist.
Vorzugsweise ist die Welle eine axial symmetrische Lamb-Welle.
Die Erregervorrichtung weist einen ersten Erregerring auf, der am Äußeren der Rohrwand befestigt werden kann und der zur ausbreitenden Aussenden axial symmetrischer Lamb-Wellen entlang des Rohrs gesteuert werden kann.
Der erste Erregerring sendet zahlreiche Modi axial symmetrischer Lamb- Wellen sowohl in der Vorwärts- als auch in der Rückwärtsrichtung entlang des Rohrs aus. Die von der mit einer derart einfachen Erregervorrichtung versehenen Empfängervorrichtung empfangenen Signale sind nur unter großen Schwierigkeiten zweckmäßig analysierbar. Deshalb weist die Anordnung vorteilhafterweise zweite und dritte Erregerringe auf, die jeweils eine dem ersten Erregerring ähnliche Ausgestaltung haben. Die ersten, zweiten und dritten Erregerringe wirken dahingehend zusammen, dass sie sämtliche Modi mit Ausnahme eines einzelnen axial symmetrischen Modus unterdrücken, der sich in einer einzigen "Vorwärts"-Richtung ausbreitet. Falls nur ein einziger zusätzlicher Erregerring in der Erregervorrichtung vorhanden ist, können die sich in Umkehrrichtung ausbreitenden Wellen oder die unerwünschten Modi durch das Zusammenwirken der Erregerringe in der Anordnung unterdrückt werden. Somit kann das Rohr mittels einer einzigen Lamb-Welle mit axial symmetrischem Modus, die sich in einer Richtung ausbreitet, inspiziert werden, wodurch die Analyse der seitens der Empfängervorrichtung empfangenen Wellenform beträchtlich vereinfacht wird.
Die axial symmetrische, sich in einer Richtung ausbreitende Lamb-Welle kann von einer ähnlich wie die Erregervorrichtung ausgebildeten Empfängervorrichtung an einer in Längsrichtung von der Erregervorrichtung entfernten Position empfangen werden. Eine praktischere und wirtschaftlichere Empfängervorrichtung kann jedoch in Form von Erregern/Transducern der Erregervorrichtung vorgesehen sein. In diesem bevorzugten letztgenannten Fall ist die empfangene Wellenform eine Reflexion von einer Struktur in der Rohrwand. Die reflektierte Welle ist durch jede Struktur in der Rohrwand verändert worden; zu derartigen Strukturen zählen Brüche oder Deformationen, die somit durch Analyse der empfangenen Wellenform detektiert werden können.
Es ist ersichtlich, dass unter bestimmten Umständen die gemäß der Erfindung ausgebildete Vorrichtung als permanente Installation zur häufigen oder kontinuierlichen Inspektion der Rohrinneren verwendet werden kann. Die Vorrichtung kann jedoch problemlos montiert oder demontiert werden, um eine intermittierende Rohrinspektion vorzunehmen.
Die bevorzugte Betriebsfrequenz der Lamb-Welle häng von der Größe des Rohrs ab, liegt jedoch normalerweise im Bereich von 10 kHz bis 500 kHz. Vorzugsweise wird für die Inspektion der schnellste Ausbreitungsmodus der Lamb-Welle gewählt.
Jeder Erregerring kann mehrere Erreger aufweisen, die mit gleichem Abstand von dem jeweiligen benachbarten Erreger angeordnet sind und mittels der Klemmvorrichtung gegen eine Wand des Rohrs geklemmt sind. Jeder Erreger kann als Wellenempfänger wirken, indem er die mechanische Kraft der durch das Rohr verlaufenden Welle in ein elektrisches Signal konvertiert. Somit ist der Erreger in manchen Fällen ein Transducer.
Es kann möglich sein, einen Erregerring zu verwenden, der mehrere Wellenerreger/Transducer aufweist, die unter gleichen Winkeln beabstandet um das zu inspizierende Rohr herum angeordnet sind, wobei sich jeder Erreger in Kommunikation mit einem entsprechenden Kanal der Analysevorrichtung befindet, so dass die nicht axial symmetrischen Modi der Wellen zwecks Analyse empfangen werden können.
Eine Empfängervorrichtung kann derart gesteuert werden, dass sie nur eine einzige Welle, die sich in einer einzigen Richtung bewegt, empfängt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Prüfen eines Rohrs angegeben, das gekennzeichnet ist durch die Schritte des Ausgebens einer der folgenden Wellen:
(a) eine axial symmetrische Einmoden-Lamb-Welle, oder
(b) eine Ein-Torsions-Moden-Welle,
(c) eine Ein-Biege-Moden-Welle,
in einer Richtung entlang des Rohrs, und des Empfangens der ausgegebenen Welle und des Analysierens der Welle zwecks Feststellens, welche Strukturen in dem Rohr vorhanden sind.
Im folgenden werden, jedoch nur als Beispiele, gemäß der Erfindung konzipierte Ausführungsformen und Vorrichtungen sowie ein Verfahren zum Inspizieren eines Rohrs mittels Lamb-Wellen im Zusammenhang mit den beigefügten Figuren beschrieben.
Fig. 1 zeigt die Gruppengeschwindigkeits-Dispersionskurven für ein Rohr mit einem Durchmesser von 76,2 mm (3 Inch) und einer Wanddicke von 5,5 mm sowohl für axial symmetrische L(*,*)- und nicht axial symmetrische F(*,*)-Lamb-Wellen-Modi, die sich entlang des Rohrs ausbreiten,
Fig. 2 zeigt schematisch eine an ein Rohr geklemmte Lamb-Wellen-Erregervorrichtung,
Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Vorrichtung,
Fig. 4 zeigt eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eines einzelnen Lamb-Wellen-Erregers,
Fig. 5 zeigt eine geschnittene Endansicht einer ersten Ausführungsform des einzelnen Lamb-Wellen-Erregers gemäß Fig. 4,
Fig. 6 zeigt eine schematische Schnittansicht des Rohrs zur Darstellung der symmetrischen Anordnung einiger der Lamb-Wellen-Erreger in einem Lamb-Wellen-Erregerring,
Fig. 7 zeigt eine Klemmvorrichtung, mittels derer die Erregervorrichtung an dem Rohr befestigt werden kann,
Fig. 8 zeigt einen Expansions-Transducer, der mittels asymmetrischer Lastklemmvorrichtungen angeordnet ist,
Fig. 9 zeigt die Verformung eines scherpolarisierten piezoelektrischen Transducers,
Fig. 10a zeigt das Signal, das bei Verwendung eines scherpolarisierten piezoelektrischen Transducers empfangen wird,
Fig. 10b zeigt das Signal, das bei Verwendung eines Expansions-Transducers empfangen wird, und
Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Lamb-Wellen-Erregers.
Wie Fig. 1 zeigt, ist bei einer gewünschten Betriebsfrequenz von 70 kHz der schnellste Ausbreitungs-Modus bei einem Rohr mit einem Durchmesser von 76,2 mm und mit einer Wanddicke von 5,5 mm der L(0,2)-Modus, im Gegensatz zum L(0,1)-Modus, und es ist dieser Lamb-Wellen-Modus, der zum Inspizieren des Rohrs verwendet wird. Bei den L(0,1)- und L(0,2)-Wellen-Modi handelt es sich um sich unterschiedlich ausbreitende axial symmetrische Wellen-Modi. Der Unterschied zwischen ihnen liegt in der Verteilung der Verlagerungen und Belastungen über das Rohr hinweg. Eine ausführlichere Erklärung der Terminologie findet sich in dem Artikel von M. G. Silk und K. F. Bainton in dem Magazin "Ultrasonics" vom Januar 1979, S. 11-19 unter dem Titel "The propagation in metal tubing of ultrasonic wave modes equivalent to Lamb waves".
Fig. 2 zeigt eine Länge des Rohrs 1, an die eine Lamb-Wellen-Erregervorrichtung 2 der Vorrichtung angeklemmt ist. Die Erregervorrichtung 2 weist einen ersten Erregerring 3A (der in Fig. 6 detaillierter gezeigt ist), einen zweiten Erregerring 3B und einen dritten Erregerring 3C auf. Jeder Ring ist von ähnlicher Ausgestaltung wie der Ring 3A gemäß Fig. 6.
Die Erregerringe 3A, 3B und 3C weisen jeweils einen Satz oder Gurt symmetrisch angeordneter Lamb-Wellen-Erreger/Transducer 5 auf, von denen typischerweise 16 bei einem Rohr mit einem Durchmesser von 3 Inch und 32 bei einem Rohr mit einem Durchmesser von 6 Inch vorhanden sind. Die Minimal- Anzahl von Lamb-Wellen-Erregern, die in einem Ring erforderlich ist, hängt zusammen mit dem den höchsten Rang einnehmenden nicht axial symmetrischen Modus in dem Dispersionsdiagramm bei der höchsten in dem Erregersignal vorhandenen Frequenz. Falls der Rang dieses Modus beispielsweise 13 beträgt, dann beträgt die Minimal-Anzahl von Elementen 14. Jeder Lamb- Wellen-Erreger weist ein piezoelektrisches Element 6 hoher Impedanz auf und ist in den Fig. 4 und 5 oder 11 detailliert gezeigt. Bei Betrieb wird jeder der Lamb-Wellen-Erreger in Betriebs-Zusammengriff mit der Oberfläche des Rohrs 1 gedrückt, und zwar mittels einer Klemmvorrichtung, die bei diesem Beispiel der Vorrichtung eine Last von 40 N auf jeden der Erreger ausübt. Diese Anordnung ermöglicht zwischen dem Rohr 1 und den Erregern 5 eine hinreichende Kupplung, um ein Kupplungsfluid unnötig zu machen.
Ein Beispiel einer geeigneten Klemmvorrichtung ist in Fig. 7 gezeigt. Die Klemmvorrichtung weist einen Ring 19 mit einer inneren Öffnung 20 auf. Abstandsvorrichtungen wie z. B. drei radial verlaufende (nicht gezeigte) Schrauben sind mit 120º-Intervallen um den Ring 19 herum angeordnet. Die Schrauben sind derart einstellbar, dass sie an der Rohrwand angreifen und den Ring koaxial um das Rohr herum halten, so dass dieser von dem Rohr beabstandet ist. Dies minimiert den Kontakt mit dem Rohr, minimiert somit sämtliche Dämpfung der gewünschten Wellen und reduziert ferner jede durch die Klemmvorrichtung verursachte Wellenreflexion. Um den Ring 19 herum sind mehrere radial verlaufende Durchgangslöcher 21 ausgebildet. Es sind ausreichend viele Durchgangslöcher 21 vorgesehen, um das Montieren der erforderlichen Anzahl der Lamb-Wellen-Erreger 5 in jeweils einem der Durchgangslöcher 21 zu ermöglichen. Jeder Lamb-Wellen-Erreger 5 ist an dem Ende eines langgestreckten Druckstabs 22 befestigt. Der Druckstab 22 ist in einer mit Außengewinde versehenen Hülse 23 gleitbar derart aufgenommen, dass eine Kompressions-Schraubenfeder 24, die zwischen der Hülse 23 und einem Anschlag 25 an dem Stab 22 wirkt, dazu tendiert, den Stab 22 in Längsrichtung vorstehen zu lassen. Der Lamb-Wellen-Erreger 5 wird in der Klemmvorrichtung installiert, indem die Hülse 23 in das mit dem Innengewinde versehene Loch 21 geschraubt wird, so dass der Lamb-Wellen-Erreger 5 aufgrund der Wirkung der Feder 24 gegen das Äußere der Wand 1 gedrückt wird. Die Last kann durch Vor- und Rückschrauben der Hülse 23 eingestellt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Klemmvorrichtung ist der Ring 19 radial in einen oder mehrere trennbare Teile 19a,19a gesplittet. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel sind die beiden Teile 10a,19b mittels zweier generell mit 26a und 26b gekennzeichneter Scharnier- und Stift-Verbindungen miteinander verbunden. Jede Scharnier- und Stift-Verbindung weist ein Paar von Bügeln 27a,27b auf, wobei der Bügel 27a an einem ersten Teil des Rings 19 befestigt ist, der nahe der Splittung des Rings liegt, und jeder Bügel 27b in ähnlicher Weise an dem anderen Ring-Teil 19b befestigt ist.
Einer der Bügel 27a ist mit einer Durchgangsöffnung 28 versehen, die sich tangential zu dem Ring erstreckt und einen ausreichenden Durchmesser für die Aufnahme eines durch sie hindurchzuführenden Allen-Kantstiftschlüssels 29 hat. Die Durchgangsöffnung 28 weist kein Gewinde auf. Jeder Bügel 27b weist ferner eine tangential verlaufende Öffnung auf, in der der Stift 29 aufgenommen ist. Der Stift 29 wird in einem Schwenkstift 30 geschraubt, der derart befestigt ist, der er sich parallel zu der Achse des Rings 19 erstreckt. Die Öffnung in jedem Bügel 27b erlaubt, dass der Stift 29 geschwenkt wird, wenn er in den Schwenkstift 30 geschraubt wird.
Der Bügel 27a in der Anordnung 26b unterscheidet sich von demjenigen in der Anordnung 26a dadurch, dass der Bügel 27a zwei Gabeln aufweist, die ermöglichen, dass der Stift 29, wenn er gelockert wird, aus dem Bügel herausgeschwenkt wird, und somit zugelassen wird, dass die Ringteile 19a,19b um den Schwenkstift 27b in dem anderen der Bügel auseinandergeschwenkt werden.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung in dem beschriebenen verschwenkbaren gesplitteten Ring besteht, ist es möglich, einen einfachen Ring, der auf das Ende des Rohrs geschoben wird, oder einen gesplitteten Ring zu verwenden, der ohne die beschriebenen Scharnier- und Stift-Verbindungen belassen ist, jedoch versehen ist mit einfachen Stiftverbindungsbügeln, verriegelnd übergreifenden Befestigungsteilen, Befestigungsvorrichtungen des Schnallen- und Gurt-Typs oder einem aus einem weiten Bereich anderer Mechanismen. Die ringförmige Befestigungsvorrichtung wird bevorzugt, jedoch ist jede Struktur geeignet, die eine ringartige Form annimmt und den Lamb-Wellen-Erregern Halt bietet, z. B. eine polygonale Struktur oder eine angelenkte Gurt-Struktur.
In den Fig. 4 und 5 ist eine detaillierte Schnittansicht der Expander-Typ- Erregerelemente gezeigt. Das piezoelektrische Element 6 ist langgestreckt und polarisiert, so dass es entlang seiner Länge expandiert und kontrahiert. Elemente dieses Typs sind zur Verwendung in Dehnungsmessern bekannt. Das Element 6 hat eine Trägerstruktur, die ein aus Tufnel gefertigtes Gehäuse 7 aufweist, in dessen Basis es untergebracht ist. Das Gehäuse weist einander gegenüberliegende aufrechte Seitenwände 8 und Stirnwände 9 und einen Abdicht-Abdeckung 10 auf. Ein koaxiales Miniaturkabel 1, das für den Anschluss des piezoelektrischen Elements 6 an Steuer- und Analyse-Instrumente vorgesehen ist, ist durch die Abdeckung hindurchgeführt und ist mit dem piezoelektrischen Element 6 innerhalb einer von dem Gehäuse gebildeten Kammer 12 verbunden. Eine dünnflächige Platten-Abstandsscheibe 13 ist in Anlage gegen die Fläche des piezoelektrischen Elements 6 befestigt, um eine Verschleißplatte zu bilden, die das piezoelektrische Element 6 schützt, damit Kräfte von dem Rohr frei auf das piezoelektrischen Element 6 übertragen werden können. Die Abstandsscheibe 13 muss dahingehend hinreichend dünn sein, dass ihre Schersteifigkeit hoch genug ist, um eine Behinderung der Kupplung des piezoelektrischen Elements 6 mit dem Rohr 1 zu verhindern. Bei der Ausführungsform weist die Abstandscheibe 0,6 mm dicken Stahl oder Messing auf und kann von dem piezoelektrischen Element an der Verbondungslinie zwischen ihnen isoliert sein. Die Abstandscheibe 13 kann jedoch auch ein nichtleitenden Material aufweisen, um das piezoelektrische Element 6 elektrisch zu isolieren. Die Kammer ist mit wolfram-geladenem Epoxid gefüllt, bei dem es sich um ein verlustbehaftetes Material handelt, das dem Zweck dient, die Mess- und Stromverbindungen zu schützen und Biegesteifigkeit zu erzeugen, so dass das sehr spröde piezoelektrische Element 6 nicht beschädigt wird, wenn es gegen eine rauhe Rohroberfläche gedrückt wird, und es dämpft ferner den Nachhall, so dass der Transducer eine getreue Wiedergabe eines an ihn angelegten Erregungssignals ausgibt, oder, falls er als Empfänger verwendet wird, eine Spannung erzeugt, die einer ihn passierenden Welle entspricht. Somit bildet das verlustbehaftete Material ein Mittel zur Aufnahme von Rauhigkeit der Rohroberfläche und zum Dämpfen von Nachhall.
Fig. 9 zeigt schematisch einen scherpolarisierten piezoelektrischen Transducer 6A, der bevorzugt gegenüber dem piezoelektrischen Transducer 6 vom Expansions-Typ verwendet werden kann. Bei diesem Typ von Transducer bewegt sich die an der Rohrwand angreifende Fläche nur in einer Richtung, parallel zu der Rohrachse, und übt somit über ihre gesamte Länge hinweg eine Kraft in der gleichen Richtung aus. Die Fig. 10a und 10b zeigen die für die Signal- Klarheit erzielte Verbesserung bei Verwendung eines scherpolarisierten Transducers. Fig. 10a zeigt das empfangene Signal, das man mit einem einzelnen scherpolarisierten Transducer erhält, der an drei unterschiedlichen Positionen entlang seiner Länge belastet wird. Es ist ersichtlich, dass die Größe der Reaktion an den drei Positionen gleich ist und, was von zentraler Bedeutung ist, die Phase die gleiche ist. Fig. 10b zeigt das Ergebnis eines ähnlichen Tests mit dem Transducer vom Expansions-Typ, wobei klare Phasenveränderungen sichtbar sind. Die Tests wurden mit einem einzelnen Transducer anstelle eines Rings durchgeführt, so dass eine signifikante Amplitude nicht axial symmetrischer Modi erkennbar ist.
Fig. 11 zeigt eine zweite Ausführungsform eines einzelnen Lamb-Wellen- Erregers zur Verwendung in einem Erregungs-Ring. Bei dieser Ausführungsform ist das oben beschriebene scherpolarisierte piezoelektrische Element 6A adhäsiv mit einem starren Block 31 verbunden. In diesem Fall weist der starre Block 31 Stahl auf, und die Bondung erfolgt durch Epoxidzement. Eine Flächen-Abstandsplatte 32, die Messing aufweisen kann, ist mit der Fläche des piezoelektrischen Elements 6A verbondet. Durch den Trägerblock 31 hindurch ist ein Durchlass 33 ausgebildet, der einen schützenden Halt für die elektrischen Verbindungen zu dem piezoelektrischen Element 6A bildet. Die starre Block-Trägerstruktur kann das piezoelektrische Element des Expansions-Typ in zweckmäßiger Weise stützen.
Jeder Lamb-Wellen-Erreger-Ring 3 wird über die in Fig. 3 gezeigten Instrumente derart gesteuert, dass sämtliche Erreger 6 in jedem der Erreger-Ringe 3 phasengleich arbeiten. Die Instrumente enthalten einen Computer, der in diesem Fall ein Personal Computer 14 ist, welcher die erforderlichen Erregersignale für jeden Erreger-Ring 3A,3B,3C erzeugt. Die Erregersignale werden dann einem Mehrkanal-Signalgenerator 15 zugeführt, der in der beschriebenen Ausführungsform drei Kanäle aufweist, um an jeden der Erreger-Ringe 3A,3B,3C Signale zu übermitteln. Der Signalgenerator 15 hat ausreichend Kanäle, um so viele Erreger-Ringe zu beschicken, wie erforderlich ist. Unter bestimmten Umständen können mehr als drei Ringe gewünscht sein, z. B. um die gewünschten Einmoden-Lamb-Welle zu verstärken. Die Erregersignale werden dann einem Verstärker 16 zugeführt, der jeden Kanal der Erregersignale separat verstärkt und sie an die Erreger-Ringe 3 anlegt, so dass die Erreger- Anordnung eine ein Signal L(0,2) aufweisende Lamb-Welle mit axial symmetrischem Modus erzeugt, die sich in einer Richtung das Rohr entlang ausbreitet.
Bei einigen Anwendungsfällen können andere Modi als der L(0,2)-Modus verwendet werden.
Es können unterschiedliche Anzahlen von Erreger-Ringen 3 verwendet werden, um ungewünschte axial symmetrische Modi zu unterdrücken und die Ausbreitung des gewünschten Modus auf eine Richtung zu beschränken. Bei dem derzeit bevorzugten Format werden drei Ringe verwendet, wobei aufeinanderfolgende Ringe, wie in Fig. 2 gezeigt, durch einen Abstand L getrennt sind. Der Abstand L wird eingestellt als:
L = (2m + 1)λ&sub1;/2
mit m als ganzer Zahl
wobei λ&sub1; die Wellenlänge des Modus ist, der in beiden Richtungen unterdrückt werden soll. In dem bevorzugten Format ist m = 0, so dass
L = λ&sub1;/2
Jedoch ist es aufgrund der physikalischen Größe der Ringe nicht immer möglich, Trennungen zu erzielen, die klein genug sind, um dies zu implementieren, so dass m auf eine größere Ganzzahl gesetzt werden kann.
Das dem ersten Erreger-Ring 3A zugeführte Signal ist ein Tonimpuls, der auf die gewünschte Frequenz (üblicherweise um 70 kHz herum) zentriert ist, unter Einschluss in einem Hanning'schen oder Gaus'schen Fenster, um die Bandbreite zu begrenzen. Das dem dritten Ring 3C zugeführte Signal ist mit dem dem Ring 3A zugeführten Signal identisch, jedoch um eine Zeit T verzögert, die gegeben ist durch:
mit n als ganzer Zahl
wobei ω die Mittefrequenz des Tonimpulses (ausgedrückt in rad/s) ist und λ&sub1; und λ&sub2; die Wellenlängen an der Mittelfrequenz des Modus, der in beiden Richtungen unterdrückt werden soll, bzw. des gewünschten Modus sind, der in der rückwärtigen Richtung unterdrückt werden soll. Generell wird n auf null gesetzt, so dass:
Das dem mittleren Erreger-Ring 3B zugeführte Signal ist die Summe der den Ringen 3A und 3C zugeführten Signale.
Diese Anordnung unterdrückt den ungewünschten Modus in beiden Richtungen an der Mittelfrequenz des Eingangs-Tonimpulses, jedoch nicht an den anderen Frequenzen, die in dem Signal vorhanden sind. Falls der gewünschte Modus nicht dispersiv ist (d. h. seine Geschwindigkeit nicht mit der Frequenz variiert), dann wird die Ausbreitung dieses Modus in der rückwärtigen Richtung bei allen Frequenzen, die in dem Eingangs-Tonimpuls vorhanden sind, unterdrückt. Falls jedoch der Modus dispersiv ist, dann wird die Unterdrückung in der rückwärtigen Richtung nur an der Mittelfrequenz erzielt. In diesem Fall ist es wünschenswert, das dem dritten Ring 3C zugeführte Signal zu modifizieren.
Es sei angenommen, dass die Phasengeschwindigkeit des gewünschten Modus eine Funktion der Frequenz, c = g(ω) ist. Dann ist die Wellenlänge λ gegeben durch
Es sei angenommen, dass das dem ersten Ring, zugeführte Erregungs-Signal x(t) lautet und die Fourier-Transformierung dieses Signals X(ω)elωt lautet. Es ist gewünscht, dass an jeder Frequenz das an den zweiten Ring angelegte Erreger-Signal um T nacheilt, wobei
und L der Abstand zwischen den Erreger-Ringen ist. Dann sind die Fourier- Komponenten des erforderlichen Signals gegeben durch
Y(ω) = X(ω)eiω(t-T)
und das dem zweiten Ring zugeführte Erreger-Signal ist gegeben durch die umgekehrte Fourier-Transformation von Y(t),
y(t) = Y(ω) eiωtdω
wobei das Integral über die gesamte Bandbreite des Signals genommen wird.
Das an den Ring 3B angelegt Signal ist wiederum die Summe der den Ringen 3A und 3C zugeführten Signale. Ein ähnlicher Vorgang kann beim Empfang verwendet werden, um die Analyse der empfangenen Signale, die einen dispersiven Modus aufweisen, zu verbessern.
Die Löschung von mehr als einem ungewünschtem axial symmetrischen Modus erfordert zusätzliche Erreger-Ringe. Zusätzliche Erreger-Ringe können auch nützlich zur Erhöhung der Amplitude des gewünschten einfachen axial symmetrischen Modus in der Vorwärtsrichtung sein.
Falls die einzige Absicht bei der Verwendung von mehr als einem Erreger in der Unterdrückung der rückwärtigen Ausbreitung des Modus ist, der in der Vorwärtsrichtung erregt werden soll, dann ist es vorteilhaft, L = λ/4 sein zu lassen. Dann beträgt T eine Viertelperiode an der Mittelfrequenz des Erreger- Signals, und es kann sich erweisen, dass die Amplitude der sich vorwärts ausbreitenden Welle an dieser Frequenz maximiert wird.
Bei der Ausführungsform dienen die Erregerelemente auch als Empfänger, und somit zerstört eine Lamb-Welle, die sich das Rohr 1 entlang abwärts ausgebreitet hat und das Rohr entlang aufwärts reflektiert worden ist, die piezoelektrischen Elemente jedes Lamb-Wellen-Erregers in den Erreger-Ringen. Diese Störung bewirkt, dass die piezoelektrischen Elemente ein Spannungssignal erzeugen, das den in Fig. 3 rechts gezeigten Instrumenten zugeführt wird. Somit erzeugt jeder Erreger-Ring 3 ein entsprechendes Signal. Jedes dieser Signale wird jeweils einem Filter eines Arrays 17 von Hochbandpass- Filtern und dann einem Empfängerverstärker 18 zugeführt, bevor es einem Digital-/Analog-Konverter 19 und dann dem Computer 14 zur Analyse zugeführt wird. Die Hochbandpassfilter können auf 10 kHz gesetzt werden.
Die an jedem Ring empfangenen Signale können in Software mittels einer Analyse verarbeitet werden, die derjenigen ähnlich ist, die zum Erzeugen der Einmoden-Ein-Richtungs-Ausbreitung verwendet wird. Das Ausgangssignal dieser Verarbeitung ist ein Signal, das einen einzelnen, axial symmetrischen Modus aufweist, der durch Reflexionen von Merkmalen des Rohrs erzeugt wird. Es ist auch möglich, einen Empfänger-Kanal pro Lamb-Wellen-Erreger-/Transducer statt einen Kanal pro Ring zu verwenden. Falls dies getan wird, ist es möglich, eine komplexere Analyse zu verwenden, um die Amplituden in dem reflektierten Signal vorhandener anderer, nicht axial symmetrischer Modi zu bestimmen, die durch Modus-Konversion an Merkmalen des Rohrs erzeugt werden können. Eine Art der Ausführung dieser Analyse ist beschrieben in. Alleyn, D. N., und Cawley, P., "A 2-dimensional Fourier transform method for the measurement of propagating multi-mode signals", J. Acoust. Soc. Am., Vol. 89, pp 1159-1168, 1991. Dieser komplexere Vorgang kann mehr Information über die Beschaffenheit und die Größe von Merkmalen des Rohrs liefern.
Fig. 8 zeigt schematisch ein piezoelektrisches Transducer-Element 6, bei dem die Klemm-Belastung an dem Vorderrand des Transducer-Elements angelegt wird.

Claims

1. Vorrichtung zum Prüfen eines Rohrs, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ring (3) an ein Rohr (1) anklemmbar ist und der Ring (3) aufweist: winklig beabstandete Wellenerreger (5), die eine der folgenden Wellen in einer einzelnen Richtung entlang des Rohrs (1) ausbreiten können:

(a) eine axial symmetrische Einmoden-Lamb-Welle,

(b) eine Ein-Torsions-Moden-Welle,

(c) eine Ein-Biege-Moden-Welle,

und eine zum Empfangen der Wellen geeignete Empfängereinrichtung (5) und eine Analyseeinrichtung (17, 18), die zum Analysieren der empfangenen Welle zwecks Feststellens des Zustands des Rohrs geeignet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Erregervorrichtung einen ersten Erregerring (3A) aufweist, der am Äußeren der Rohrwand befestigt werden kann und der zur Ausbreitung der Wellen entlang des Rohrs (1) gesteuert werden kann.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei der die Erregervorrichtung einen zweiten Erregerring (3B) und einen dritten Erregerring (3C) aufweist, die in Zusammenarbeit mit dem ersten Erregerring derart gesteuert werden, dass die Ausbreitung ungewünschter Moden der Wellen und die Ausbreitung der Wellen in Umkehrrichtung entlang des Rohrs unterdrückt wird.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens einer der Erregerringe (3) als Empfängereinrichtung wirkt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der jeder Erregerring (3) mehrere Wellenerreger (5) aufweist, die in gleichwinkliger Abstandsbeziehung gehalten sind, um mittels einer Klemmvorrichtung an einer Rohrwand anzugreifen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Klemmvorrichtung einen Ring (19) mit hinreichendem Innendurchmesser, um bei An klemmung an die Rohrwand von dieser beabstandet zu sein, und mehrere Abstandshaltervorrichtungen aufweist, die zwischen dem Ring (19) und der Rohrwand in Eingriff bringbar sind, und die Wellenerreger (5) gleichwinklig beabstandet um den Ring derart angeordnet sind, dass sie an der Rohrwand angreifen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der bei Betrieb die Klemmvorrichtung einen gleichförmigen Druck auf jeden Wellenerreger (5) ausübt, um jeden Wellenerreger mit gleicher Kraft gegen die Rohrwand zu drücken.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der Ring (19) radial derart geschlitzt ist, dass er um das Rohr herum angeordnet werden kann.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der Instrumente vorgesehen sind, um die Wellenerreger (5) in jedem einzelnen Ring so zu steuern, dass die phasengleich arbeiten.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Wellenerreger/Transducer (5) gleichwinklig beabstandet um das zu prüfende Rohr derart angeordnet sind, dass jeder Erreger (5) mit einem entsprechenden Kanal der Analyseeinrichtung verbunden ist, so dass nicht achsensymmetrische Moden der Wellen zur Analyse empfangen werden können.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei der der Erreger ein Lamb-Wellenerreger mit einem piezoelektrischen Element (6) ist, das derart polarisiert ist, dass es sich beim Anlegen einer Spannung an seine Flächen deformiert, und das eine Stützstruktur aufweist, an der die Klemmvorrichtung angreifen kann.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei der das piezoelektrische Element ein scherpolarisiertes piezoelektrisches Element (6A) ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, bei der die Stützstruktur als starrer Stützblock (31) vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei der die Rohrangriffsfläche des piezoelektrischen Elements (6) durch eine an ihr befestigte Flächen-Zwischenscheibe (13, 23) geschützt ist.

15. Verfahren zum Prüfen eines Rohrs, gekennzeichnet durch die Schritte des Ausgebens einer der folgenden Wellen:

(a) eine axial symmetrische Einmoden-Lamb-Welle, oder

(b) eine Ein-Torsions-Moden-Welle,

(c) eine Ein-Biege-Moden-Welle,

in einer Richtung entlang des Rohrs, und des Empfangens der ausgegebenen Welle und des Analysierens der Welle zwecks Feststellens, welche Strukturen in dem Rohr vorhanden sind.

16. Verfahren nach Anspruch 15, mit den Schritten des Ausbreitens einer achssymmetrischen Lamb-Welle in dem Rohr, des Unterdrückens sämtlicher Moden der Lamb-Welle, die sich in beiden Längsrichtungen entlang des Rohrs ausbreiten, mit Ausnahme einer einzigen Mode, und

des Unterdrückens der Ausbreitung jeder Lamb-Welle in einer Längsrichtung der Rohrs,

um eine achssymmetrische Einmoden-Lamb-Welle in einer Längsrichtung entlang des Rohrs auszugeben.