Einrichtung zur Fehlererfassung und/oder Wanddickenmessung bei durchlaufenden Bändern oder Rohren aus Kunststoff mit Ultraschallsignalen
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Fehlererfassung und/oder Wanddickenmessung bei durchlaufenden Bändern, Profilen oder Rohren aus Kunststoff mit Ultraschallsignalen, die von über die Breite des Bandes oder Profils beziehungsweise den Umfang des Rohres verteilt und stationär über der konvex gekrümmten Oberfläche des Bandes, Profils oder Rohres angeordneten Meßköpfen senkrecht in den Kunststoff eingeleitet und deren an der Oberfläche und Rückwand reflektierte Signale von ihnen aufgenommen und einer Auswerteeinheit zugeführt werden.
Bei einer bekannten Einrichtung der eingangs genannten Art (US-PS 4,740,146) für zylindrische Rohre sind einige wenige Meßköpfe mit verhältnismäßig großem gegenseitigen Abstand stationär um das Rohr herum angeordnet und erfassen auf diese Art und Weise die Rohrwand an nur wenigen sich in Durchlaufrichtung des Rohres erstreckenden Streifen. Eine solche Einrichtung zur Wanddickenmessung mag in der Regel ausreichen, weil Dickenschwankungen über den Umfang sich meist nicht auf schmale Längsstreifen beschränken, sondern sich über einen größeren U fangsbereich erstrecken. Sofern die Dickenschwankungen aber von der Regel abweichen, ist keine fehlerfreie Wanddickenmessung gegeben. Für die Erfassung von Fehlern ist eine solche Einrichtung
grundsätzlich nicht geeignet, weil Fehler häufig nur auf einen sehr kleinen Ort beschränkt sind.
Die Überprüfung der Rohrwand über ihren gesamten Umfang ist allerdings mit- einer anderen bekannten Einrichtung (DE 40 33 443 AI) möglich, die einen über den gesamten Umfang des Rohres umlaufenden Meßkopf aufweist. Der Antrieb eines solchen Meßkopfes und seine Führung machen jedoch einen erheblichen mechanischen Aufwand erforderlich. Hinzu kommt, daß mit einem solchen Meßkopf das durchlaufende Rohr nur auf Spiralbahnen erfaßt werden kann. Somit kann es auch hier Bereiche geben, die nicht erfaßt werden.
Um ein Rohr vollflächig erfassen zu können, könnten Meßköpfe einen geschlossenen Ring bilden. Nachteilig ist bei einer solchen Einrichtung allerdings, daß sie eine Vielzahl von Meßköpfen erforderlich macht.
Um in einer Rohrwand Fehler und deren Orientierung feststellen zu können, ist eine Einrichtung zur Fehlererfassung bekannt (US 4,523,468), die mit zwei hintereinander angeordneten Gruppen von am Außenumfang des Rohres angeordneten Meßköpfen Ultraschallsignale in die Rohrwand einleitet und die an Fehlern reflektierte Signale empfängt. Dafür erzeugt die erste Gruppe axial in der Rohrwand sich ausbreitende Signale, während die zweite Gruppe in Umfangsrichtung sich ausbreitende Ultraschallsignale erzeugt. Unter Berücksichtigung der Position des ein Ultraschallsignal aussendenden Meßkopfes und der Position des das reflektierte Signal empfangenden Meßkopfes sowie der Laufzeit läßt sich eine Aussage über die Lage des Fehlers in der Rohrwand machen. Lage und Orientierung des Fehlers lassen sich durch mehrere derartige Messungen bestimmen. Um eine Vermischung der
von den einzelnen Meßkopfen ausgesandten Ultraschallsignale bei den empfangenden Meßkopfen zu vermeiden, ist vorgesehen, daß die Meßkopfe nach einem Multiplexverfahren nacheinander angesteuert werden, so daß einem Ultraschallsignal aussendenden Meßkopf mehrere empfangende Meßkopfe jeweils zugeordnet sind.
Bei einer solchen Einrichtung zur Fehlererfassung, bei der die Meßkopfe der einen Gruppe nur axiale Ultraschallsignale aussenden und die andere Gruppe der Meßkopfe nur m Umfangsrichtung des Rohres sich ausbreitet und Ultraschallsignale aussendet, laßt sich die Wanddicke von Rohren und dergleichen nicht bestimmen. Da es bei dieser Einrichtung auch nur um die Erfassung von verhältnismäßig großen Fehlern und deren Orientierung im Rohr geht, spielt das Problem der vollflachigen Erfassung des Rohres mit nur auf einem verhältnismäßig kleinen Bereich wirksamen Meßkopfen keine Rolle.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur lückenlosen Erfassung der Wanddicke und/oder von Fehlern m Bandern, Profilen oder Rohren mit konvex gekrümmter Oberflache zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfmdungsgemaß bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelost, daß die Meßkopfe nebeneinander und quer zur Durchlaufrichtung des Bandes, Profils oder Rohres unter Berücksichtigung der Schallausbreitung, Streuung und Brechung der reflektierten Signale am Band, Profil oder Rohr derart angeordnet sind, daß sie die Wand des Bandes, Profils oder Rohres lückenlos erfassen, indem die am Band, Profil oder Rohr reflektierten Signale eines vom Sender eines jeden Meßkopfes ausgesandten Signals von diesem Meßkopf und von dem und von den zu seinen beiden Seiten
benachbarten Meßköpfen empfangen werden, wobei die Anzahl der Meßköpfe π R
N ≥
S tanα
der Durchmesser der Empfangsfläche eines jeden Meßkopfes
2 π R
K ≥
N T
und die Wellenlänge des Ultraschallsignals
360 λ ≥ R 1 - cos
N T)
mit
N = Anzahl der Meßköpfe;
R = äußerer Krümmungsradius der Oberfläche des
Bandes, Profils oder Rohres; S = Abstand des Meßkopfes von der gekrümmten
Oberfläche; α = Öffnungswinkel des Ultraschallsenders des
Meßkopfes; K = Durchmesser der Empfangsfläche eines jeden
Meßkopfes und T = Anzahl der Meßbereiche je Meßkopf λ = Wellenlänge des Ultraschallsignals sind.
Während bei herkömmlichen Einrichtungen zur Fehlererfassung und/oder Wanddickenmessung mit nach dem Ultraschallimpulsechoverfahren arbeitenden Meßköpfen der Empfänger eines Meßkopfes nur das vom Sender dieses Meßkopfes ausgesandte und reflektierte Signal empfängt, nicht dagegen die an der gekrümmten Oberfläche
gebrochenen und damit für die Messung „verlorenen" Signale, werden bei der Erfindung zusätzlich auch diese „verlorenen" Anteile des ausgesandten und reflektierten Ultraschallsignals für die Messung ausgenutzt, indem diese Signale von den Sensoren der benachbarten Meßkopfe empfangen werden. Dadurch wird es möglich, mit weniger Ultraschallmeßkopfen die gesamte Oberflache des Meßobjektes lückenlos zu erfassen. Da somit das von einem Ultraschallmeßkopf ausgesandte Signal eine größere Flache überstreicht, kommt man mit weniger Meßkopfen als bei herkömmlichen Einrichtungen aus.
Werden die erfmdungsgemaßen Regeln für die Auslegung der Meßkopfe eingehalten, dann ergeben sich für die von den Ultraschallmeßkopfen ausgesandten und am zu prüfenden Rohr, Band reflektierten Ultraschallsignale ineinandergeschobene Glockenkurven für den Schalldruck benachbarter Meßkopfe. Durch die Auslegung der Meßkopfe müssen diese Glockenkurven so weit ineinander geschoben sein, daß bis zum Schnittpunkt der Glockenkurven der Schalldruck für die Auswertung von Echosignalen noch ausreichend groß ist. Bei der Bestimmung der Anzahl der Meßbereiche e Meßkopf ist zu berücksichtigen, daß Meßbereiche teilweise „gespiegelt" werden, indem zwischen zwei benachbarten Meßkopfen derselbe Meßbereich zunächst mit dem von dem einen Meßkopf ausgesandten und von dem anderen benachbarten Meßkopf empfangenen, reflektierten Signal und dann mit dem von dem anderen Meßkopf ausgesandten und von dem einen benachbarten Meßkopf empfangenen, reflektierten Signal erfaßt wird. Solche „gespiegelten" Meßbereiche, d.h. zweimal erfaßte, zahlen nur einmal .
Grundsätzlich ist es möglich, daß die Oberflache unter Berücksichtigung αer nicht gebrochenen, reflektierten
Signale und der gebrochenen, reflektierten Signale ohne Überlappung erfaßt wird. In diesem Fall kommt man mit der geringsten Anzahl von Meßkopfen pro Meßbereichseinheit aus. Man kann jedoch auch vorsehen, daß eine Überlappung stattfindet, so daß jeder Abschnitt nicht nur mit einem reflektierten Signal ohne Brechung, sondern auch mit einem gebrochenen, reflektierten Signal untersucht wird. Im letzeren Fall ergibt sich namlich der Vorteil, daß mit den gebrochenen Signalen wegen ihres anderen Einfallswinkels Fehler erkannt werden, die mit einem ungebrochenen Signal kaum erkannt werden können.
Um die Verarbeitung der Signale zu erleichtern, kann vorgesehen sein, daß nicht alle Signale parallel der Auswerteeinheit zugeführt werden, sondern daß die Ansteuerung der Meßkopfe zyklisch erfolgt. Dabei können allerdings mehrere Zyklen parallel laufen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausfuhrungsbeispiel darstellenden Zeichnung naher erläutert. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Darstellung nur modellhaften Charakter haben kann, weil der Strahlengang von Ultraschallsignalen physikalisch umfassend in einer Zeichnung nicht darstellbar ist.
Die Erfindung umfaßt zum einen Meßkopfe, die m bestimmter geometrischen Beziehung zu dem Meßobjekt, zum Beispiel einem Rohr angeordnet sind, und zum anderen die Ansteuer- und Auswerteeinheit. Die Ansteuer- und Auswerteeinheit ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Die Ansteueremheit steuert die Meßkopfe zyklisch derart an, daß ein Meßkopf aussendet und das reflektierte Signal empfangt und die beiden benachbarten Meßkopfe nur empfangen. Die Auswerteeinheit wertet die reflektierten empfangenen Signale unter Berücksichtigung der
geometrischen Anordnung der Meßkopfe aus, insbesondere des naturlichen Schalldruckabfalls zu den Randern des Signals. Die besondere Art der Auswertung ist nicht Gegenstand der Erfindung.
Die Zeichnungen zeigen die geometrischen Verhaltnisse der lückenlosen Erfassung einer Rohrwand mittels nebeneinander angeordneter Meßkopfe unter Berücksichtigung der nicht gestreuten, reflektierten Ultraschallsignale und der gestreuten, reflektierten Ultraschallsignale. Unter „nicht gestreut" wird eine solche Reflexion mit Brechung verstanden, bei der das vom Meßkopf ausgesandte Signal auch von diesem Meßkopf empfangen werden kann, wahrend unter „gestreut" eine solche Reflexion mit Brechung verstanden wird, bei der das vom Meßkopf ausgesandte Signal nicht von diesem Meßkopf, sondern nur von zu seinen Seiten angeordneten Meßkopfen empfangen werden kann.
Um ein hier nur halb gezeichnetes zylindrisches Rohr 1 sind im Kreis mit Abstand voneinander mehrere Ultraschallmeßkopfe A, B,C,D positioniert. Die Ultraschallmeßkopfe A, B,C,D, sind senkrecht auf das Rohr 1 gerichtet und mit einem Abstand S von der Oberflache des Rohres angeordnet. Jeder Ultraschallmeßkopf A, B,C,D sendet Ultraschallsignale aus, die sich kegelförmig und nicht wie m der Zeichnung aus Gründen der einfacheren Darstellung ohne Offnungswmkel ausbreiten. Für den Empfang der Eintritts- und Ruckwandechos der Ultraschallsignale steht die Aufnahmeflache mit einem Durchmesser K3 zur Verfugung.
Die Ultraschallmeßkopfe A, B,C,D werden zyklisch angesteuert. Sofern der Ultraschallmeßkopf B zum Senden eines Ultraschallsignals angesteuert wird, wird von
seinem Empfänger nur ein Teil des ausgesandten Signals, und zwar der nicht gestreute, reflektierte Teil, empfangen. Dieser Teil des Signals ist in Figur 1 schraffiert dargestellt. An der Rohrinnenwand 1 wird somit nur ein Bereich b direkt vom Meßkopf B erfaßt. Der restliche Teil wird an dem Rohr 1 gestreut und zu den Seiten reflektiert. Die Empfänger der benachbarten Meßköpfe A, C empfangen einen Teil dieser gestreuten, reflektierten Signale. Diese Signalanteile sind in Figur 2 schraffiert dargestellt. An der Rohrinnenwand decken diese Signale die Bereiche a und c ab. Wie Figur 2 zeigt, verbleiben nicht abgedeckte Bereiche zwischen a und b einerseits und b und c andererseits. Diese nicht abgedeckten Bereiche werden aber beim Senden eines Ultraschallsignals vom Meßkopf C abgedeckt.
Wie Figur 3 zeigt, wird durch das vom Sender des Ultraschallmeßkopfes C ausgesandte nicht gestreute, reflektierte Signal an der Rohrinnenwand ein Bereich b' abgedeckt.
Wie Figur 4 zeigt, decken die gestreuten, reflektierten Signale des vom Sender des Ultraschallmeßkopfes C ausgesandten Ultraschallsignals an der Rohrinnenwand Bereiche a' , c' ab. Der Bereich a' erfaßt also die Lücke zwischen den Bereichen b und c, die bei dem vom Sender des Ultraschallmeßkopfes B ausgesandten Signal noch nicht erfaßt waren.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es also mit vergleichsweise wenigen Meßköpfen A, B,C,D zum Senden und Empfangen von Ultraschallsignalen möglich, unter Ausnutzung auch des an der gekrümmten Oberfläche des Meßobjektes zur Seite weggebrochenen reflektierten Ultraschallsignals ein Rohr lückenlos zu erfassen. Die
geringe Anzahl der Meßköpfe ermöglicht es, bei zyklischer Ansteuerung mit einer hohen Meßfolgefrequenz zu arbeiten, um eine vollständige Abdeckung des Meßobjektes auch in Längsrichtung zu erhalten. Zwar ist es möglich, ohne Überlappung der ohne Streuung und mit Streuung reflektierten Ultraschallsignale Messungen durchzuführen, um mit möglichst wenig Ultraschallmeßkopfen auszukommen, • doch ist es auch möglich, die Wand des Meßobjektes sowohl mit ohne Streuung reflektierten Ultraschallsignalen als auch mit durch Streuung reflektierten Ultraschallsignalen zu untersuchen. Letzteres hat den zusätzlichen Effekt, daß wegen des anderen Einfallswinkels der gebrochenen Ultraschallsignale auch Fehler erkannt werden, die sonst schwer zu erkennen sind.