DE3629174C2

DE3629174C2 -

Info

Publication number: DE3629174C2
Application number: DE19863629174
Authority: DE
Inventors: Raimund Dipl.-Ing. 8755 Alzenau De Lang
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1986-08-28
Publication date: 1989-06-08
Also published as: DE3629174A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Wanddicke von Rohren mittels einer elektromagnetischen Ultraschallsonde, die Ultraschallwellen erzeugt, welche durch die gleiche Sonde als reflektierte Wellen empfangen und durch zeitlichen Vergleich mit den ausgesandten Wellen ausgewertet werden, wobei die Sonde aus einem die Rohrwand eines Rohres umgebenden, diese über ihren Umfang hinweg in axialer Richtung vormagnetisierenden Ringmagneten und mindestens einer Spule besteht, deren bei einem Stromfluß erzeugtes Magnetfeld von dem die Vormagnetisierung bewirkenden Feld überlagert wird.

Eine derartige Erfindung ist aus der EP 00 65 065 A1 bekannt. Dabei sind mehrere über dem Umfang eines Rohres gleichmäßig verteilte Einzelspulen vorgesehen, die, falls sie von einem Strom durchflossen werden, ein Magnetfeld erzeugen. Mit der bekannten Einrichtung ist die Wanddicke des Rohres nur an den Orten zu bestimmen, an denen sich die Spulen befinden. Aus der begrenzten Anzahl von Meßwerten wird durch Mittelwertbildung die durchschnittliche Wanddicke des vorliegenden Rohres berechnet. Bei der bekannten Einrichtung sind sechs Spulen vorgesehen, so daß Meßwerte von sechs Meßpunkten erhältlich sind.

Mit der bekannten Einrichtung ist der Aufwand für eine Messung und für die erforderliche Auswertung sehr groß. Trotzdem sind jeweils nur Teile des Rohrumfanges zu erfassen. Unregelmäßigkeiten in der Rohrwand, die zwischen zwei benachbarten Spulen verlaufen, sind mit der bekannten Einrichtung nicht zu erfassen. Derartige axial verlaufende Unregelmäßigkeiten auf einer Rohroberfläche können beispielsweise von einem fehlerhaften Werkzeug herrühren.

Aus der US-PS 38 50 028 ist ein Verfahren zur Ultraschallüberprüfung von Rohren bekannt. Dabei wird ein auf einem Wagen montiertes Prüfgerät im Rohr in axialer Richtung bewegt. Ein auf dem Wagen fest installierter Sender sendet Signale aus, die von einem auf dem Wagen befestigten Empfänger aufgefangen werden. Um den gesamten Rohrumfang überprüfen zu können, ist der Wagen mehrmals durch das Rohr hindurchzuführen.

Aus der DE-OS 31 14 247 ist ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung eines Werkstückes aus elektrisch leitendem Material bekannt. Dabei werden eine Sendespule und eine Empfängerspule eingesetzt. Falls mit diesem bekannten Verfahren die Wanddicke eines Rohres überwacht werden sollte, wären sehr viele Einzelmessungen erforderlich.

Ein Verfahren zur Ultraschallüberprüfung eines Materials nach der US-PS 35 50 435 sieht eine Sendespule und eine Empfangsspule vor. Dabei wird ein magnetisches Feld durch ein reflektiertes Ultraschallsignal verändert und die Änderung wird in der Empfangsspule gemessen. Auch mit diesem Verfahren ist nur eine lokale Messung durchführbar. Um einen gesamten Umfang eines Rohres zu erfassen, sind viele Einzelmessungen erforderlich.

Aus der DE-OS 33 43 310 ist ein Ultraschallwegmesser bekannt, der eine ein Rohr umgebende ringförmige Meßspule aufweist. Ein solcher Wegmesser wird zur linearen Wegmessung eingesetzt. Ihm liegt die Aufgabe zugrunde, eine besondere präzise Erfassung der zeitlichen Lage von längs eines Rohres entlanglaufenden Ultraschallimpulsen zu ermöglichen. Ein derartiger Wegmesser ist nicht geeignet, die Wanddicke von Rohren zu bestimmen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Messen der Wanddicke von Rohren so auszubilden, daß die durchschnittliche Wanddicke und Abweichungen von dieser durchschnittlichen Wanddicke nach oben und nach unten für einen ringförmigen Abschnitt eines Rohres mit nur einer einzigen Messung erfaßbar sind.

Die wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mindestens eine Spule eine das Rohr umgebende Ringspule ist und die reflektierten Wellen nach Breite und/oder Amplitude ausgewertet werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Mit der Einrichtung nach der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß für einen ringförmigen Rohrabschnitt die Wanddickenverhältnisse mit nur einer Messung zu erfassen sind. Durch eine Verschiebung der Meßeinrichtung in einer Dimension, nämlich in Richtung der Rohrachse, sind die Wanddickenverhältnisse des Rohres über die gesamte Länge des Rohres hinweg kontinuierlich zu erfassen. Ein Spalt zwischen dem Rohr und der Ringspule ist unkritisch für die Wanddickenmessung. Daher ist es möglich, die Wanddicke eines gewalzten, noch heißen Rohres unmittelbar nach einem Walzvorgang zu bestimmen. Dazu wird das noch heiße Rohr durch die Ringspule hindurchgeführt.

Ausführungsbeispiele werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der Sonde;

Fig. 2 den Signalverlauf bei einem Rohr konstanter Wanddicke;

Fig. 3 den Signalverlauf bei einem Rohr mit Wanddickenschwankungen;

Fig. 4 den Signalverlauf bei einem Rohr konstanter Wanddicke;

Fig. 5 den Signalverlauf bei einem Rohr mit Wanddickenschwankungen;

Fig. 6 einen Teilschnitt durch eine zweite Ausführungsform;

Fig. 7 einen Teilschnitt durch eine dritte Ausführungsform und

Fig. 8 einen Teilschnitt durch eine vierte Ausführungsform.

Gemäß Fig. 1 besteht die Sonde aus einem ringförmigen Elektromagneten 1, der zwei im axialen Abstand zueinander angeordnete Ringpole 2, 3 aufweist. Zwei im Inneren des Ringmagneten 1 angeordnete Spulen 4, 5 werden von einem Gleichstrom durchflossen, so daß die Ringpole 2, 3 gegenpolig magnetisiert werden und somit magnetische Feldlinien zwischen den Ringpolen 2, 3 durch die Wand 6 eines Rohres verlaufen. Die Achse des Rohres ist mit 7 bezeichnet. Im Spalt zwischen den Ringpolen 2, 3 ist eine Ringspule 8 angeordnet, welche als Sende- und Empfangs spule wirkt.

Liegt ein Rohr vor, dessen Wandstärke unterhalb der Spule 8 über den gesamten Rohrumfang hinweg konstant ist, dann ergibt sich ein Kurvenverlauf entsprechend Fig. 2, wenn ein einziger Sendeimpuls 9 durch die Spule 8 erzeugt wird. Die von der Spule 8 sodann empfangenen und durch Reflektion an der Rohrwandung bewirkten Signale 10.1, 10.2 und 10.3 entsprechen in ihrem Verlauf dem Verlauf des Sendesignals 9. Die zeitlichen Abstände zwischen dem Sendesignal 9 und den Empfangssignalen 10 sind ein Maß für die Dicke der Rohrwand 6. Die reflektierten Empfangssignale 10.1, 10.2 und 10.3 nehmen in ihrer Amplitude asymptotisch gegen Null ab.

Liegt eine Rohrwand 6 vor, die im Bereich der Spule 8 eine ungleichförmige Wanddicke aufweist und deren durchschnittliche Wanddicke geringer ist als die konstante Wanddicke, die in Fig. 2 vorausgesetzt wurde, dann ergibt sich ein Kurvenverlauf entsprechend Fig. 3. Die bei einem impulsförmigen Sendesignal 9 reflektierten und von der Spule 8 empfangenen Echosignale 11.1, 11.2 und 11.3 sind wesentlich breiter als die Breite des Impulses 9. Je größer ist die Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Dicke des Bereichs der Wand 6, die von der Spule 8 umschlungen wird, um so breiter die Signale 11.1, 11.2 und 11.3 sind. Somit stellt die Breite der Empfangssignale 11.1, 11.2 und 11.3 ein Maß für die Exzentrizität der Wanddicke im Bereich der Spule 8 dar. Ist die durchschnittliche Wanddicke des Wandab schnitts unterhalb der Spule 8 geringer als bei Fig. 2 vorausgesetzt, dann ist die Zeitdauer T 2 zwischen der Mitte des Impulses 9 und der Mitte des nachfolgend empfangenen Signals 11.1 geringer als die Zeitdauer T 1 zwischen der Mitte des Sendeimpulses 9 und des Empfangs signals 10.1 gem. Fig. 2. Dies gilt natürlich auch in Bezug auf die nachfolgend empfangenen Signale.

Bei den Fig. 4 und 5 sei vorausgesetzt, daß das von der Spule 8 erzeugte Sendesignal aus einer Folge wechselnder Impulse 12 besteht. Liegt ein Rohr vor, dessen Wand 6 im Bereich der Spule 8 über den gesamten Umfang hinweg eine konstante Wandstärke aufweist, dann weisen die von der Spule 8 empfangenen Echosignale 13.1, 13.2 und 13.3 einen Verlauf auf, der dem Kurvenverlauf des Sende signals 12 entspricht. Lediglich die Amplitude der auf einanderfolgend empfangenen Signale 13 nimmt asymptotisch gegen Null ab.

Liegt eine Wanddicke vor, deren durchschnittliche Dicke gleich der Dicke ist, die in Fig. 4 vorausgesetzt wurde, die jedoch über den Umfang hinweg ungleichförmig dick ist, also eine Exzentrizität aufweist, dann weisen die durch die Spule 8 empfangenen Echosignale 14.1, 14.2 und 14.3 einen Verlauf entsprechend Fig. 5 auf. Die Empfangssignale 14.1 und 14.3 weisen Impulsspitzen auf, deren Amplitude größer ist als diejenigen bei den Empfangs signalen 13.1 und 13.3, während beim Empfangssignal 14.2 die Amplituden der Impulsspitzen wesentlich geringer sind als diejenigen des Echosignals 13.2. In der Folge der Empfangssignale 14.1, 14.2 und 14.3 ist also eine Schwebung vorhanden, welche abhängig ist von der Differenz zwischen der maximalen und der minimalen Wanddicke des Wandabschnitts 6, der von der Spule 8 umgeben wird. Da die durchschnittliche Wanddicke bei den Signalverläufen gem. Fig. 4 und 5 als gleich vorausgesetzt wurde, ver ändert sich der zeitliche Abstand T 1 zwischen dem Sende signal 12 und dem Empfangssignal 13.1 bzw. 14.1 und den nachfolgenden Empfangssignalen nicht. Ist jedoch die durchschnittliche Wanddicke geringer bzw. größer, dann wird dieser zeitliche Abstand geringer bzw. größer.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 6 weist der Ringmagnet 1 ebenfalls zwei gegenpolige Ringpole 2, 3 auf. Im Ringspalt zwischen dem Ringpol 3 und der Rohrwand 6 ist eine Sende spule 15 angeordnet, während im Ringspalt zwischen dem Ringpol 2 und der Rohrwand 6 eine Empfangsspule 16 ange ordnet ist. Die von einem Gleichstrom durchflossene und eine Vormagnetisierung bewirkende Spule kann auf der Außenseite des Mittelschenkels des Ringmagneten 1 angeordnet sein. Es ist auch eine Spulenanordnung entsprechend den Ringspulen 4, 5 gem. Fig. 1 möglich.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 7 weist der Ringmagnet 1.1 drei die Rohrwandung 6 umgebende Ringpole 2.1, 2.2 und 3.1 auf. Nicht dargestellte, vom Gleichstrom durch flossene Ringspulen bewirken eine Magnetisierung der äußeren Ringpole 2.1 und 2.2, die entgegengesetzt ist der Magnetisierung des mittleren Ringpols 3.1. Im Spalt zwischen dem Ringpol 1 und der Rohrwand 6 ist eine Sende- und Empfangsspule 8 angeordnet. Die Breite des Ringpoles 3.1 ist etwa doppelt so groß als die Breite jedes der Ringpole 2.1 bzw. 2.2.

Gemäß Fig. 8 ist wiederum ein zweipoliger Ringmagnet 1 vorgesehen, bei welchem eine Sendespule 15.1 im Ring spalt zwischen den Ringpolen 2 und 3 angeordnet ist, während im Spalt zwischen dem Ringpol 2 und der Rohrwand 6 eine Empfangsspule 16.1 angeordnet ist.

Claims

1. Einrichtung zum Messen der Wanddicke von Rohren mittels einer elektromagnetischen Ultraschallsonde, die Ultraschallwellen erzeugt, welche durch die gleiche Sonde als reflektierte Wellen empfangen und durch zeitlichen Vergleich mit den ausgesandten Wellen ausgewertet werden, wobei die Sonde aus einem die Rohrwand eines Rohres umgebenden, diese über ihren Umfang hinweg in axialer Richtung vormagnetisierenden Ringmagneten und mindestens einer Spule besteht, deren bei einem Stromfluß erzeugtes Magnetfeld von dem die Vormagnetisierung bewirkenden Feld überlagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Spule eine das Rohr umgebende Ringspule (8, 15, 16) ist und die reflektierenden Wellen (10, 11, 13, 14) nach Breite und/oder Amplitude ausgewertet werden.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ringmagnet (1) mindestens zwei im axialen Abstand zueinander angeordnete gegen polige Ringpole (2, 3) aufweist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Ringmagnet drei im axialen Abstand zueinander angeordnete Ringpole (2.1, 2.2, 3.1) aufweist, bei denen der mittlere Ringpol (3.1) gegenpolig zu den beiden äußeren Ringpolen (2.1, 2.2) ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Ringspule (8, 15.1) im Spalt zwischen zwei Ringpolen (2, 3) angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die mindestens eine Ringspule (8, 15, 16, 16.1) im Spalt zwischen einem Ringpol (2, 3, 3.1) und dem Rohr angeordnet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß jeweils aus einem Impuls (9) besteht und die Impulsbreite der reflektierenden Impulse (11) und deren zeitlicher Abstand (T 2) zu diesem Impuls (9) erfaßt wird.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromfluß jeweils aus einer Impulsfolge (12) besteht und die Hüllkurven der reflektierenden Impulse (14) und deren zeitlicher Abstand zu dieser Impulsfolge (12) erfaßt werden.