DE19746272A1

DE19746272A1 - Vorrichtung zur Vermessung mechanisch belasteter Bauteile

Info

Publication number: DE19746272A1
Application number: DE1997146272
Authority: DE
Inventors: Jens Dr Weber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-10-20
Filing date: 1997-10-20
Publication date: 1999-04-29
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: DE19746272B4

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermessung mechanisch belasteter Bauteile mit Hilfe von Ultraschall nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Prüfung mechanisch belasteter Bauteile, insbesondere von unter Spannung stehenden Schraubverbindungen sind Ultraschallmeßverfahren seit längerem Stand der Technik. Ein solches Verfahren wird beispielsweise in der US-48 64 001 beschrieben. Hierbei wird mit Hilfe eines Senders ein Ultraschallsignal in das zu prüfende Bauteil eingekoppelt und mit Hilfe eines Empfängers die Laufzeit des Ultraschall s durch das belastete Bauteil vermessen. In der genannten Druckschrift wird zudem eine Vorrichtung angegeben, die dauerhaft an dem zu prüfenden Bauteil angeordnet ist uns somit zur Überwachung einer Schraubverbindung eingesetzt werden kann.

Die bekannten Systeme, die auf der Laufzeitmessung von Ultraschall basieren, weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie nur solche Veränderungen aufgrund der mechanischen Spannungen erfassen können, die zu einer meßbaren Laufzeitänderung und somit auch zu einer entsprechenden Längenausdehnung des belasteten Bauteils führen.

Vorteile der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat demgegenüber die Aufgabe, eine Vorrichtung vorzuschlagen, mittels der mechanisch belastete Bauteile, beispielsweise im Hinblick auf Ermüdungserscheinungen vermessen und überwacht werden können, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung bereits dann Ergebnisse liefern soll, wenn keine meßbare Längenausdehnung stattfindet.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung der einleitend genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen werden vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend weist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Vermessung belasteter Bauteile neben einem Ultraschallsensor sowie einem Ultraschallempfänger einen Frequenzanalysator zur Analyse des vom Empfänger erhaltenen Ultraschallspektrums auf.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die frequenzabhängige Intensitätsverteilung eines Ultraschallechos nicht nur von der Art des vom Ultraschall durchlaufenden Materials, sondern auch von dessen inneren Spannungen abhängt. Daher ist es möglich, auf der Grundlage einer Spektralanalyse eines Ultraschallechos eine Aussage über den Belastungszustand eines mechanisch belasteten Bauteils zu treffen.

Dies wird bevorzugt unter Verwendung von Referenzspektren durchgeführt, die unter vorgegebenen definierten Meßbedingungen aufgenommen werden.

Insbesondere bei einer Dauerüberwachung, gewissermaßen im "Online"-Betrieb, kann beispielsweise ein Referenzspektrum zu Beginn der Überwachung aufgenommen und analysiert werden. Zu diesem Zeitpunkt hat man in aller Regel die Gewißheit, daß eine gut belastbare Schraubverbindung vorliegt.

Durch Vergleich späterer Messungen mit einem so aufgenommenen Vergleichsspektrum lassen sich Veränderungen, beispielsweise aufgrund von Materialermüdung, Rissen oder dergleichen feststellen, so daß gezielt eine Wartung oder Reparatur vorgenommen werden kann. Insbesondere bei größeren Anlagen mit sehr vielen Flanschverbindungen können beispielsweise hierdurch erheblich Kosten durch regelmäßige Wartungsarbeiten eingespart werden. Sogenannten "Schraubkolonnen", d. h. Gruppen von Arbeitern die regelmäßig alle kritischen Schraubverbindungen nachziehen müssen, können erheblich reduziert werden, da aufgrund einer Überwachung mit einem erfindungsgemäßen Meßsystem jede Schwachstelle sofort erfaßt und gezielt behoben werden kann.

Vorteilhafterweise werden der Ultraschallsender und der Ultraschallempfänger in eine Meßeinheit integriert. Eine solche Meßeinheit kann ohne großen Montageaufwand an dem jeweils zu prüfenden Bauteil befestigt werden. Vorzugsweise wird das Gehäuse dieser Meßeinheit an das zu prüfende Bauteil angepaßt.

So kann beispielsweise zur Prüfung einer Schraubverbindung ein Meßkopf derart ausgestaltet werden, daß er die Form einer Hutmutter annimmt, die auf das Ende des zu prüfenden Schraubbolzens aufgeschraubt werden kann.

Der erfindungsgemäße Frequenzanalysator kann vor Ort vorgesehen werden, wo er einer bestimmten Meßeinheit bestehend aus Sender und Empfänger zugeordnet ist. Insbesondere bei größeren Anlagen, bei denen eine Vielzahl unterschiedlichster Bauteile, beispielsweise Schraubverbindungen von Rohrflanschen, regelmäßig überwacht werden müssen, ist es von Vorteil, einen zentralen Frequenzanalysator zu vorzusehen, der im Multiplexbetrieb die Daten der einzelnen Meßköpfe aufnimmt und entsprechende Frequenzspektren erstellt.

Die hierdurch mögliche Frequenzanalyse kann auch mit einer Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals kombiniert werden.

Eine Auswerteeinheit, die bevorzugt mit der jeweiligen Meßeinheit und/oder dem Frequenzanalysator in Verbindung steht, wird vorteilhafterweise in Form eines Rechners vorgesehen, der die gemessenen Daten in einem entsprechenden Speicher ablegt. Diese Auswerteeinheit wird vorzugsweise so ausgestaltet, daß sie ständig die aktuellen Spektren mit den oben angeführten Vergleichsspektren vergleicht und nach bestimmten Abweichkriterien eine Nachricht und/oder ein entsprechendes Warnsignal, beispielsweise ein akustisches oder optisches Signal auf einem Display erzeugt.

Die Erfindung ist auch zur Vermessung längerer Bauteile, beispielsweise ganzer Rohrsysteme geeignet. In diesem Falle kann es von Vorteil sein, Sender und Empfänger getrennt voneinander anzuordnen, da das Ultraschallsignal eine längere Strecke im jeweiligen Bauteil, beispielsweise der Wandung einer langen Rohrleitung durchlaufen muß.

Eine Meßeinheit kann mit der Auswerteeinheit und/oder dem Frequenzanalysator in herkömmlicher Weise über eine Kabelverbindung verbunden sein. Vorteile bei Installation und Betrieb bietet jedoch auch eine drahtlose Verbindungsstrecke, beispielsweise ein Funk- oder Infrarotverbindung.

Für die Dauerüberwachung eines mechanischen Bauteils genügt die Meßwertaufnahme in regelmäßigen Zeitabschnitten. Die Länge eines derartigen Zeitzyklus für die Messung kann von verschiedenen Umständen abhängen. Sie kann von der Art bzw. dem Ort des zu prüfenden Bauteils abhängen, sie kann jedoch beispielsweise auch davon abhängen, wieviele erfindungsgemäße Meßeinheiten in einem Multiplexbetrieb Daten an einen Frequenzanalysators bzw. eine Auswerteeinheit liefern. Unter Umständen müssen die Zeitzyklen bei Hinzufügung neuer Meßeinheiten entsprechend variiert werden.

Vorzugsweise wird die gesamte Anordnung so vorgesehen, daß eine Fernbedienung der Meßeinheiten vorzugsweise über einen als Auswerteeinheit dienenden Rechner möglich ist. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform werden die Meßeinheiten, insbesondere die Empfänger so ausgebildet, daß sie nicht selbsttätig innerhalb eines Zeitzyklus permanent Meßdaten produzieren, sondern nur auf Anfrage einer zentralen Steuerung hin eine Messung vornehmen und anschließend die entsprechenden Daten weitergeben.

Dies ergibt eine hohe Flexibilität zur Anpassung eines erfindungsgemäßen Meßsystems mit mehreren Meßeinheiten an veränderte Konstellationen.

Vorzugsweise wird zudem ein Filter zum Ausblenden von Störgeräuschen vorgesehen. Derartige Störgeräusche können beispielsweise aufgrund mechanischer Störungen wie Klopfen usw. jedoch auch im normalen Betrieb, beispielsweise in Form von Strömungsgeräuschen, usw. auftreten. Zur besseren Verwertbarkeit der aufgenommenen Spektren werden diese Störgeräusche gefiltert.

Ein solcher Filter wird vorteilhafterweise so ausgebildet, daß er nicht die unmittelbar aufgenommenen Signale bearbeitet. Mit vergleichsweise wenig Aufwand läßt sich ein solcher Filter realisieren, indem die Auswerteeinheit so programmiert wird, daß die Spektren von solchen Störgeräuschen von den Spektren der aktuellen Meßsignale abgezogen werden. Insbesondere systematisch auftretende Störgeräusche können hierdurch sehr gut eliminiert werden. In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform wird das Auswertesystem lernfähige ausgebildet, so daß es auch neue, insbesondere systematisch wiederkehrende Störungen erkennen und bereinigen kann.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figur nachstehend näher erläutert.

Im Einzelnen zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung für die Vermessung von Schraubbolzen und,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Prüfung längerer Rohrleitungen.

Die Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 umfaßt eine Hutmutter 2 mit einem Gewindeabschnitt 3 sowie einem Hut 4. In dem Hut 4 sind in nicht näher dargestellter Weise ein Ultraschallsender, ein Ultraschallempfänger sowie ein Sender zur Übertragung von Datensignalen 6 untergebracht. Dabei kann der Sender in einer besonderen Ausführungsform in den Sendepausen auch als Empfänger verwendet werden. Weiterhin befindet sich im Innern des Hutes 4 ein Empfänger zum Empfang von Steuersignalen 7, die von einem Rechner 8 über einen entsprechenden Sender 9 gesendet werden. Der Rechner 8 umfaßt außerdem einen Empfänger 10 zum Empfang der Datensignale 6 sowie einen Frequenzanalysator 11.

In dem dargestellten drahtlosen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 ist die Installation und Überwachung von Schraubbolzenverbindungen besonders einfach vorzunehmen. Eine oder mehrere Hutmuttern 2 werden auf einen oder mehrere zu prüfende Schraubbolzen aufgeschraubt. An einem geeigneten Ort wird der zentrale Auswerterechner 8 aufgestellt. Dieser ist über die Sende- bzw. Empfangsmodule 9, 10 in der Lage, den in der Hutmutter 2 nicht näher dargestellten Ultraschallsender zu aktivieren, so daß dieser Ultraschallsignale sendet. Die empfangenen Ultraschallsignale vom ebenfalls in der Hutmutter 2 integrierten Ultraschallempfänger der in einer besonderen Ausführung identisch mit dem Sender sein kann, wobei er zwischen den Sendezeiten im Empfangsmodus arbeitet, werden wiederum drahtlos, beispielsweise per Funk an den Rechner 8 übertragen, der über ein Modul zur Frequenzanalyse 11 verfügt.

Im zentralen Rechner 8 werden auch die Vergleichsspektren sowie sonstige Daten, beispielsweise die Spektren systematischer Störgeräusche, abgelegt. Der Auswerterechner 8 ist in der Lage, die empfangenen Spektren dahingehend auszuwerten, daß er den Ermüdungszustand der jeweiligen Schraubverbindung erkennt. Bei Überschreitung eines oder mehrerer vorgegebener Auswertekriterien wird ein Signal, beispielsweise ein akustisches Signal oder auch ein optisches Signal ausgegeben. Es kann auch eine Nachricht beispielsweise an einen Zentralrechner einer Anlagensteuerung abgegeben werden.

Fig. 2 zeigt eine entsprechende Vorrichtung 12 zur Vermessung längerer Rohrleitungen. In der Vorrichtung 12 sind der Ultraschallsender 13 sowie der Ultraschallempfänger 14 verschiedene Baukomponenten. Vorliegend sind der Ultraschallsender 13 sowie der Empfänger 14 in Rohrschellen integriert, die um ein zu vermessendes Rohr 15 zu spannen sind. In anderen Ausführungsformen werden Sender 13 und Empfänger 14 an den Schraubverbindungen von Flanschen angebracht, womit der Aufwand der Rohrschellen entfällt. Der Ultraschallsender 13 verfügt über einen nicht näher dargestellten Empfänger zum Empfang von Steuersignalen 7 des zentralen Rechners 8. Der Ultraschallempfänger 14 wiederum ist mit einem Sender zum Senden von Datensignalen 6 an den zentralen Rechner 8 ausgestattet. Ansonsten findet die Auswertung der Daten auf die oben beschriebene Weise statt.

Erfindungsgemäß können beispielsweise auch beide Ausführungsbeispiele kombiniert werden. Ein entsprechend ausgestatteter zentraler Rechner 8 kann in beliebiger Reihenfolge unterschiedlichste Ultraschallsender 13 starten und die entsprechenden Signals 6 empfangen. Über eine entsprechende Adressierung der jeweiligen Meßeinheiten 2, 13, 14 ist der zentrale Rechner 8 jederzeit in der Lage, das entsprechende Frequenzspektrum dem zugehörigen Bauteil zuzuordnen. Auf diese Weise können komplette Anlagen, beispielsweise Atomkraftwerke oder ähnlich größere Anlagen überwacht werden. Die Erweiterung oder Änderung des Überwachungssystems mit den Vorrichtungen 1, 12 ist insbesondere unter Verwendung der drahtlosen Übertragung von Daten bzw. Steuersignalen 6, 7 besonders einfach.

In Gebäuden, in denen ohnehin ein Netzwerk verdrahtet ist, wird sich statt dessen jedoch der Anschluß der Meßeinheiten an ein ohnehin vorhandenes Netzwerk anbieten.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, 12 lassen sich, wie eingangs erwähnt, erhebliche Kosten bei der Wartung von Maschinen und Anlagen sparen und zum andern können sicherheitssensible Anlagen und Maschinen, wie sie beispielsweise in Kernanlagen oder ähnlichen Bereichen vorliegen, in erheblich kürzeren Zeitzyklen quasi permanent überwacht werden, wobei sich eine deutliche Verbesserung der Sicherheit ergibt.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Hutmutter

3

Gewindeabschnitt

4

Hut

6

Datensignal

7

Steuersignal

9

Sender

10

Empfänger

11

Frequenzanalysator

12

Vorrichtung

13

Ultraschallsender

14

Ultraschallempfänger

15

Rohr

Claims

1. Vorrichtung zur Vermessung mechanisch belasteter Bauteile mit einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzanalysator (11) zur Analyse des vom Empfänger (10) erhaltenen Ultraschallspektrums vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung zur Erfassung der Laufzeit eines Ultraschallsignals vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger in eine Meßeinheit (2) integriert sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinheit in eine Hutmutter (2) integriert ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ultraschallsender (13) sowie der Ultraschallempfänger (14) als getrennte Bauteile voneinander beabstandet montierbar sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzanalysator (11) zur Auswertung der Meßdaten von mehreren Meßeinheiten (2, 14) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Meßeinheiten (2, 14) und/oder ein oder mehrere Frequenzanalysatoren (11) mit einer Auswerteeinheit (8) in Verbindung stehen.

8. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) einen zentralen Rechner umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigsten eine Signal- oder Datenübertragung (6, 7) drahtlos stattfindet.

10. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Zeitzyklus bei einer permanenten Überwachung von der Auswerteeinheit (8) steuerbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Alarmgeber bei Überschreitung vorgegebener Alarmkriterien vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter zum Ausblenden von Störgeräuschen vorgesehen ist.

13. Verfahren zur Vermessung mechanisch belasteter Bauteile, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche verwendet wird.