DE202006017076U1

DE202006017076U1 - Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung

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Publication number: DE202006017076U1
Application number: DE202006017076U
Authority: DE
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2006-11-08
Filing date: 2006-11-08
Publication date: 2007-01-04
Anticipated expiration: 2016-11-09
Also published as: US20080105067A1; US7612878B2

Abstract

Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung mit einer optischen Anordnung zur berührungslosen Erfassung einer Innenkontur der Rohrleitung mittels optischer Triangulation, wobei die optische Anordnung an eine in die Rohrleitung einführbare Tragstruktur anbringbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung wenigstens n ≥ 2 um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnete Triangulations- oder Lichtschnittsensoren vorsieht,
dass die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren um die gemeinsame Drehachse mit einem um die Drehachse größtmöglichen winkelmäßigen gegenseitigen Abstand angeordnet sind,

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung mit einer optischen Anordnung zur berührungslosen Erfassung einer Innenkontur der Rohrleitung mittels optischer Triangulation, wobei die optische Anordnung an eine in die Rohrleitung einführbare Tragstruktur anbringbar ist.
Stand der Technik
Zur Untersuchung und insbesondere Vermessung der Geometrie von Rohren, Kanälen, vorzugsweise von Frischwasserleitungen mit Durchmesser von ca. 30 mm bis etwa 1500 mm stehen eine Reihe optischer Anordnungen zur Verfügung, die allesamt eine nur ungenaue Wiedergabe und Vermessung der tatsächlichen Rohrinnenkontur zur ermöglichen in der Lage sind.
So sind auf eigenfortbewegungsfähigen Plattformen angeordnete Kamerasysteme bekannt, deren Blickrichtung in Vorschubrichtung orientiert ist. Auf diese Weise sind zumindest rein visuelle Untersuchungen möglich, die einen groben Eindruck über die Beschaffenheit sowie die Geometrie der Rohrinnenwand geben.
Auch sind Inspektionssysteme bekannt, die neben einer auf einer fahrbaren Plattform angebrachten Kameraeinheit zusätzlich eine Laserlichtquelle vorsehen, die im Blickfeld der Kamera einen visuell wahrnehmbaren Ring auf die Rohrinnenwand projiziert, wobei die von der Kameraeinheit aufgenommenen Bilder abgespeichert und mit Hilfe spezieller Auswerte-Software offline, d.h. nach der messtechnischen Erfassung ausgewertet werden. Letztlich greifen jedoch die Bildauswertungen auch auf Schätzgrößen zurück, wodurch die Aussagekraft der auf diese Weise gewonnenen Ergebnisse verbesserungsbedürftig erscheinen.
Eine weitere Möglichkeit, Rohrinnenwände zu inspizieren, ist in der EP 0 725 921 B1 beschrieben, der eine Anordnung zur dreidimensionalen Vermessung unzugänglicher Hohlräume, wie vorzugsweise Rohre, entnehmbar ist. Hierbei ist auf einem in die jeweils zu inspizierende Rohrleitung einführbaren Inspektionsfahrzeug ein Schwenk-Neigekopf montiert, an dem üblicherweise zur Variation der Blickrichtung Kamerasysteme angebracht sind. Alternativ oder in Kombination befindet sich am Schwenk-Neigekopf zur Vermessung der Tiefe der jeweiligen Rohrleitung ein Lichtschnitt-Sensor, vermittels dessen aufgrund trigonometrischer Gesetzmäßigkeiten Abstandsmessungen zur Rohrinnenwand höchst genau durchführbar sind. Zur Erfassung der gesamten Rohrinnenwand bedarf es jedoch eines zumeist zeitaufwendigen Verschwenkens des Schwenk-Neigekopfes, der im Übrigen über eine konstruktiv aufwendige und motorisch ansteuerbare Gelenktechnik verfügt.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung mit einer optischen Anordnung zur berührungslosen Erfassung einer Innenkontur der Rohrleitung mittels optischer Triangulation, wobei die optische Anordnung an eine in die Rohrleitung einführbare Tragstruktur anbringbar ist, derart weiterzubilden, dass die Durchführung der Vermessung der Innenkontur der Rohrleitung schneller und präziser durchgeführt werden kann, als es mit den bisher bekannten Mitteln möglich ist. Zudem gilt es, die Vorrichtung möglichst kompakt, leicht bauend und kostenreduziert auszubilden.
Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der weiteren Beschreibung, insbesondere unter Bezugnahme auf die Ausführungsbeispiele zu entnehmen.
Lösungsgemäß ist eine Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch ausgebildet, dass die optische Anordnung wenigstens n ≥ 2 um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnete Triangulations- oder Lichtschnittsensoren vorsieht, dass die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren um die gemeinsame Drehachse mit einem um die Drehachse größtmöglichen winkelmäßigen gegenseitigen Abstand angeordnet sind.
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist die gleichzeitige Erfassung der Rohrinnenwand mit Hilfe wenigstens zweier Triangulations- oder Lichtschnittsensoren, die drehbar an einer als eigenfortbewegungsfähige Plattform ausgebildeten Tragstruktur angeordnet sind und jeweils einen in etwa senkrecht zur Drehachse orientierten Laserstrahl in Richtung der Rohrleitungsinnenwand emittieren. Die den einzelnen Triangulations- oder Lichtschnittsensoren zuordenbaren Laserstrahlen befinden sich vorzugsweise in einer Ebene, die gleichfalls ungefähr senkrecht zur Drehachse orientiert ist, wobei die Drehachse vermittels der eigenfortbewegungsfähigen Plattform möglichst zentrisch zur Längsachse der Rohrleitung ausgerichtet ist. Durch Drehen der drehbar angeordneten Triangulations- oder Lichtschnittsensoren und gleichzeitigem Vorschub der gesamten Vorrichtung vermittels der längs der Rohrleitung verfahrbaren Plattform kann die Rohrinnenoberfläche geometrisch abgescannt und dabei vermessen werden. Durch die Verwendung von wenigstens zwei Triangulations- oder Lichtschnittsensoren werden gleichzeitig wenigstens zwei Punkte auf der Rohroberfläche vermessen, wodurch die Geometriebestimmung unempfindlich gegen eine insbesondere zeitabhängige Außermittigkeit sowie Verkippung und Taumelbewegungen der optischen Messanordnung wird. Insbesondere können jegliche Verkippungen gegen die Rohrlängsachse sowie auch sonstige Abweichungen, beispielsweise durch Taumelbewegungen, mit Hilfe der wenigstens zwei Messpunkte, die sich vorzugsweise diametral relativ zur Drehachse gegenüber liegen, erfasst werden.
Selbstverständlich ist es möglich und insbesondere vorteilhaft, mehr als zwei Triangulations- oder Lichtschnittsensoren drehbar um die Drehachse zu lagern, wobei die Sensoren relativ zueinander derart angeordnet sind, dass die auf die Rohrinnenwand auftreffenden Lichtpunkte der jeweiligen Triangulations- oder Lichtschnittsensoren einen möglichst großen zirkularen Abstand zueinander haben. Bei einer Anordnung von n- Triangulations- oder Lichtschnittsensoren beträgt der Winkel zwischen den einzelnen Lichtstrahlen vorzugsweise 360°/ n.
Zur weiteren näheren Erläuterung der lösungsgemäßen Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung sei auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren verwiesen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigen:
1 Längsschnitt durch eine in eine Rohrleitung eingebrachte Vorrichtung zur Inspektion der Rohrleitung,
2 Querschnitt durch eine in 1 dargestellte Vorrichtung,
3a,b,c Darstellung einer eigenfortbewegungsfähigen Plattform mit daran angebrachter Vorrichtung zur Untersuchung einer Rohrleitung sowie mit Kamerakopf sowie weitere Variationen
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In 1 ist eine schematisierte Längsschnittdarstellung durch eine Rohrleitung 1 dargestellt, längs deren Rohrachse A eine lösungsgemäß ausgebildete Anordnung 2 zur Inspektion der Rohrinnenwand 3 vorgesehen ist. Die in 1 dargestellte lösungsgemäße Anordnung 2 ist zur Ausrichtung längs der Rohrachse A und insbesondere zur Fortbewegung innerhalb des Rohres 1 an eine eigenfortbewegungsfähige Plattform 4 anbringbar, wie dies insbesondere unter weiterer Bezugnahme auf das Ausführungsbeispiel in 3 zu entnehmen ist, auf die weiter unten Bezug genommen wird.
Die lösungsgemäße Anordnung verfügt über einen feststehenden Teil 5, der beispielsweise mit der in 3 dargestellten, eigenfortbewegungsfähigen Plattform 4 verbunden ist. Längs zum feststehenden Teil 5 ist ein drehbares Teil 6 vorgesehen, das mit einer Antriebsscheibe 11 verbunden ist, die mit einem Drehantrieb 9 in Eingriff steht. Das drehbare Teil 6 und die Antriebsscheibe 11 stellen eine Plattform für eine Triangulations- oder Lichtschnittsensoranordnung 7 dar, die somit um die Drehachse A drehbar gelagert ist.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass auf der drehbar ausgebildeten Plattform vier Laser-Triangulationssensoren angebracht sind, deren Laserstrahlen 8 jeweils senkrecht zur Rohrlängsachse A orientiert sind, die zugleich auch die Drehachse darstellt, um die die drehbare Plattform rotiert, wobei die einzelnen Laserstrahlen 8 der Lichtschnittsensoren sich, bezogen zur Dreh- bzw. Rohrachse A, diametral gegenüber liegen und an gegenüberliegenden Rohrinnenwandbereichen jeweils einen Lichtpunkt LP erzeugen. Die Lichtstrahlen der beiden anderen Triangulations- oder Lichtschnittsensoren sind senkrecht zur Zeichenebene der 1 orientiert und somit nicht dargestellt. Zur Erfassung der an die Rohrinnenwand projizierten Lichtpunkte LP und zur Bestimmung deren räumlichen Lage werden die Lichtpunkte LP unter einem Winkel α zur Laserstrahlrichtung mittels eines Empfängers längs zur Empfangsrichtung 8' detektiert.
Als Drehantrieb dient ein Elektromotor 9, der von einer Ansteuerelektronik 10 angesteuert wird und mit dem feststehenden Teil 5 verbunden ist. Der motorische Drehantrieb 9 greift dabei in Wirkverbindung mit der mit dem drehbaren Teil 6 verbundenen Antriebsscheibe 11, beispielsweise über eine an der Antriebsscheibe 11 radial außen liegende Verzahnungskontur. Über eine Kabelzuführung 12 ist die Ansteuerelektronik 10 mit einer externen Steuerkonsole verbunden, von der die lösungsgemäße Anordnung sämtliche Steuersignale bzw. die für den Betrieb erforderliche elektrische Energie bezieht.
Zur Übertragung der Steuersignale sowie der elektrischen Energie zwischen dem feststehenden Teil 5 und den drehbar gelagerten Triangulations- oder Lichtschnittsensoren ist eine aus zwei Komponenten bestehende Übertragereinheit 13 vorgesehen, die für eine kontaktlose Energie- und Signalübertragung zwischen den feststehendem und dem rotierenden Teil sorgt. So weist die Übertragereinheit 13 zwei sich längs der Drehachse axial gegenüber stehende Spulenelemente 14, 15 auf, von denen das in der Bilddarstellung gemäß 1 linke Spulenelement 14 mit dem feststehenden Teil 5 und das rechte Spulenelement 15 mit dem drehbaren Teil 6 verbunden sind. Die Signal- und Energieübertragung erfolgt auf rein induktivem Wege, wobei zwischen beiden Spulenelementen 14 und 15 ein axial eng bemessener Zwischenspalt vorgesehen ist. Innerhalb des als Hohlwelle ausgebildeten feststehenden Teils 5 verläuft eine Verbindungsleitung 16 zwischen der Ansteuerelektronik 10 und dem feststehenden Spulenelement 14 zur Energie- und Signalübertragung. Es ist selbstredend, dass der Signalfluss zwischen beiden sich axial gegenüber stehenden Spulenelementen 14, 15 bidirektional erfolgt, so dass auch die seitens der Triangulations- oder Lichtschnittsensoren vorliegenden Sensorsignale über die Übertragereinheit 13, die Verbindungsleitung 16, die Ansteuerelektronik 10 und die Kabelzuführung 12 extern zur weiteren Verarbeitung und Auswertung nach außen an eine nicht dargestellte Steuer- und Auswertekonsole gelangen können.
Durch die zeitgleiche und hochpräzise Vermessung der Rohrinnenwandkontur an mindestens jeweils zwei Punkten kann die Robustheit des Messverfahrens gegen zeitabhängige mechanische Bewegungen der lösungsgemäßen Anordnung innerhalb der Rohrleitung deutlich verbessert werden und dies mit verhältnismäßig geringem konstruktivem und damit verbundenem geringem finanziellem Aufwand. Es sei angenommen, dass zur vollständigen Vermessung des Rohrs die gesamte Messanordnung in der in Pfeilrichtung dargestellten Raumrichtung gemäß 1 durch das Rohr bewegt wird.
In 2 ist eine Querschnittsdarstellung durch eine Rohrleitung 1 sowie eine kombinierte Querschnittsdarstellung mit einer in Axialrichtung orientierten Draufsicht auf die lösungsgemäße Anordnung gezeigt. So sind auf der um die Drehachse A drehbar gelagerten Plattform jeweils vier Laser-Triangulationssensoren 17 vorgesehen, deren Lichtstrahlen 8 jeweils senkrecht zur Drehachse A orientiert sind und einen größtmöglichen winkelmäßigen gegenseitigen Abstand aufweisen. Da die Anzahl der Laser-Triangulationssensoren 17 n = 4 ist, schließen die Lichtstrahlen 8 jeweils einen Winkel von 360 : 4 = 90° ein. Ferner ist der Motor 9 dargestellt, der in peripheren Eingriff mit der Antriebsscheibe 11 tritt. Dahinter ist der drehbare Teil der Übertragereinheit 13 zu erkennen. Die Ansteuerelektronik 10 ist hier aus Gründen einer besseren Übersicht weggelassen worden.
Die in den 1 und 2 dargestellte optische Anordnung zur Inspektion einer Rohrleitung ist als ein autonom arbeitender Sensorkopf ausgebildet und kann vorzugsweise zur selbständigen Navigation innerhalb einer Rohrleitung an eine eigenfortbewegungsfähige Plattform montiert werden, wie dies beispielsweise aus der schematisierten Darstellung in 3a zu entnehmen ist. Die eigenfortbewegungsfähige Plattform 4 ist als roboterartiges Fahrzeug ausgebildet und verfügt über angetriebene Räder 18. Rückwärtig am Fahrzeug 4 ist die lösungsgemäße Anordnung 2 angebracht, mit der eine exakte Inspektion der Rohrinnenwand 3 möglich ist. Die lösungsgemäße Anordnung 2 ist über die Kabelführung 12 mit einer nicht weiter dargestellten externen Steuer- und Auswerteeinheit verbunden. In Fahrtrichtung ist am Fahrzeug 4 eine Kameraeinheit 19 vorgesehen, mit der eine optische Untersuchung bzw. Überwachung der zu inspizierenden Rohrleitung möglich ist. Selbstverständlich sind jegliche weitere Kombinationen bzw. Anordnungen des Sensorkopfes bzw. der lösungsgemäßen Anordnung 2 am Fahrzeug 4 denkbar, wie dies beispielsweise aus 3b zu entnehmen ist, bei der der Sensorkopf 2 mit der Kameraeinheit 19 in Fahrtrichtung vorne angebracht ist.
Auch eine lösungsgemäße Sensorkopfanordnung 2, die lediglich an einer entsprechend stabil ausgebildeten Kabelführung 12 angelenkt ist, ist denkbar, gemäß Ausführungsbeispiel in 3c. Eine Positionierung des Sensorkopfes erfolgt durch entsprechende Manipulation am Kabelende. Auch kann in dieser Ausführungsform der Sensorkopf 2 mit einer Kameraeinheit kombiniert werden.
Mit Hilfe der lösungsgemäßen Anordnung ist die Vermessung von Rohren und Leitungen aller Art, insbesondere Abwasser- und Frischwasserleitungen, insbesondere zur Schadensdetektion, Kontrolle von Sanierungsmaßnahmen als auch zur Bestimmung der Innengeometrie sowie der hydraulischen Performance von Leitungen möglich.
Denkbar wäre auch eine intelligente Lagerung des Sensorkopfes am Fahrzeug 4 derart, dass bei festgestellter Verkippung bzw. Dezentrierung des Sensorkopfes relativ zur Rohrlängsachse, der Sensorkopf über eine geeignete Nachführkinematik stets zentrisch zur Rohrlängsachse ausgerichtet bleibt.

1: Rohr
2: Lösungsgemäße Anordnung, Sensorkopf
3: Rohrinnenwand
4: Eigenfortbewegungsfähige Plattform, Fahrzeug
5: Feststehendes Teil
6: Drehbares Teil
7: Laser-Triangulationssensoranordnung
8: Lichtstrahl, Laserstrahl
8': Empfangsrichtung
9: Antriebseinheit, Motor
10: Ansteuerelektronik
11: Antriebsscheibe
12: Kabelzuführung
13: Übertragereinheit
14, 15: Spulenelement
16: Verbindungskabel
17: Lichtschnittsensor, Lasertriangulationssensor
18: Räder
19: Kameraeinheit

Claims

Vorrichtung zur Inspektion einer Rohrleitung mit einer optischen Anordnung zur berührungslosen Erfassung einer Innenkontur der Rohrleitung mittels optischer Triangulation, wobei die optische Anordnung an eine in die Rohrleitung einführbare Tragstruktur anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung wenigstens n ≥ 2 um eine gemeinsame Drehachse drehbar angeordnete Triangulations- oder Lichtschnittsensoren vorsieht, dass die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren um die gemeinsame Drehachse mit einem um die Drehachse größtmöglichen winkelmäßigen gegenseitigen Abstand angeordnet sind,
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren jeweils als Lasertriangulations- oder Laserlichtschnittsensoren mit wenigstens einem Empfänger und einer Laserlichtquelle ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Empfänger eine CCD-Matrix-Kamera, ein Zeilensensor oder ein PSD, d.h. Position Sensitive Device, ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass den n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren jeweils eine optische Achse zuordenbar ist, längs der die Laserlichtquelle Licht emittiert, mit der eine dem Empfänger zuordenbare Blickrichtung einen Winkle α ungleich 0° einschließt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren derart angeordnet sind, dass die optischen Achsen der n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren in einer gemeinsamen Ebene liegen, die senkrecht zur Drehachse orientiert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Anordnung als drehbarer Sensorkopf ausgebildet ist, der an der in die Rohrleitung einführbaren Tragstruktur angebracht ist und folgende Komponenten vorsieht: ein mit der Tragstruktur verbundenes feststehendes Teil, an dem eine motorisch angetriebene, drehbare Plattform angelenkt ist, an der die n Triangulations- oder Lichtschnittsensoren angebracht sind, eine mit dem feststehenden Teil mittel- oder unmittelbar verbundene Versorgungseinheit, die über einer Kabelzuführung eine Signal- und Energieversorgung zu einer externen Einheit herstellt, und eine Übertragereinheit, die zumindest teilweise mit dem feststehenden Teil verbunden ist und für einen kontaktlosen Signalaustausch zwischen sowie eine kontaktlose Energieversorgung zu den auf der drehbaren Plattform angebrachten Triangulations- oder Lichtschnittsensoren sorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragereinheit zwei relativ zueinander drehbar gelagerte Spulenelemente vorsieht, zwischen denen der Energie- und/oder Signalaustausch induktiv erfolgt, und dass ein Spulenelement mittel- oder unmittelbar mit der drehbaren Plattform und das andere Spulenelement mit dem feststehenden Teil verbunden sind, und dass beide Spulenelemente längs zur Drehachse durch einen Luftspalt axial voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur eine eigenfortbewegungsfähige Plattform ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Triangulationssensor ein Linientriangulationssensor ist.