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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Spannungen
in einem ferromagnetischen Material, insbesondere in langen Objekten. Es
ist zum Beispiel geeignet zur Messung von Spannungen in Stahlrohrleitungen
wie solchen, die zum Befördern
von Öl
oder Gas verwendet werden.
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Die
Spannungen in Rohrleitungen ergeben sich aus verschiedenen Gründen, einschließlich Temperaturänderungen,
Bewegung oder Druck vom umgebenden Erdboden und der Druck des innerhalb der
Rohrleitung enthaltenen Strömungsmittels.
Es können
außerdem
Restspannungen vorhanden sein, die von der Herstellung der Rohrleitungen,
vom Zusammenschweißen
der Längen
und irgendwelchem Biegen, dem die Rohrlängen während der Herstellung unterworfen
werden, herrühren.
Die Restspannungen, die sich aus der Fabrikation ergeben, werden
von der Art und Weise abhängen,
in welcher die Rohrlängen
hergestellt werden, und ob sie einer Entspannungs-Wärmebehandlung
unterzogen wurden. In jedem Fall verlaufen die prinzipiellen Spannungsrichtungen
gewöhnlich
in Umfangs- und Längsrichtungen.
Eine Vielfalt von Magnettechniken ist bekannt, die eine gewisse
Sensitivität
für Spannung
haben, wenn magnetische Messungen gewöhnlich auch durch andere Materialeigenschaften
wie Mikrostruktur beeinträchtigt
werden. Ein Weg zur Messung von Spannung in einer Stahlplatte ist
in
GB 2 278 450 beschrieben,
wobei dieses Verfahren eine Sonde benutzt, die einen Magnetkern
enthält,
um ein wechselndes Magnetfeld in der Platte zu erzeugen, und dann
Messungen von zwei Sensoren kombiniert werden, wobei die eine ein
Maß der
spannungsinduzierten magnetischen Anisotropie und die andere ein Maß der richtungseffektiven
Permeabilität
ist. Die Sonde wird absatzweise herumgedreht, so daß das Magnetfeld
eine Vielzahl von unterschiedlichen Orientierungen in der Platte
hat, und diese Messungen werden an jeder solcher Orientierung vorgenommen. Um
eine gute räumliche
Auflösung
zu erzielen und die Auswirkungen der Oberflächenkrümmung zu vermindern, wird die
Verwendung einer kleinen Sonde empfohlen, weniger als 50 mm im Durchmesser
und vorzugsweise weniger als 20 mm. Dieses Verfahren ermöglicht es,
die Spannung an einer bestimmten Stelle in der Stahlplatte genau
zu messen. Aber zum Messer von Spannungen in einem langen Objekt würde man
gerne in der Lage sein, Messungen während einer Bewegung entland
der Länge
des Objektes durchzuführen.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen
ein Verfahren zum Messen von Spannung in einem Objekt aus ferromagnetischem
Material unter Verwendung eines Gerätes mit einer linearen Reihe
von Sonden und mit einer Tragkonstruktion für die Reihe, die so angeordnet
ist, daß sie
sich relativ zum Objekt bewegt, so daß die Sonden in der Reihe nacheinander
eine Stelle auf der Oberfläche
des Objektes passieren, wobei jede Sonde eine elektromagnetische
Einrichtung aufweist, die einen elektromagnetischen Kern und zwei beabstandete
elektromagnetische Pole festlegt, und mit einer Einrichtung zur
Lieferung eines elektrischen Wechselstroms, um ein wechselndes Magnetfeld
in der elektromagnetischen Einrichtung und folglich im Objekt zu
erzeugen, und mit einem magnetischen Sensor, der so eingerichtet
ist, daß er
die Reluktanz des Teils des Magnetkreises zwischen den Polen der elektromagnetischen
Einrichtung abtastet und ein entsprechendes Signal erzeugt, das
in Komponenten in Phase mit dem Wechselstrom und in Quadratur dazu
aufgelöst
werden kann; wobei die Frequenz des magnetischen Wechselfeldes,
die Breite jeder Sonde und die Geschwindigkeit der Reihe relativ
zum Objekt so sind, daß diese
Frequenz bedeutend größer als diejenige,
die durch Dividieren der genannten Geschwindigkeit durch das Zweifache
der genannten Breite errechnet wird; und wobei aufeinander folgende
Sonden in der Reihe unterschiedlich orientiert sind, so daß die entsprechenden
Orientierungen des Magnetfeldes im Objekt unterschiedlich sind.
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Vorzugsweise
weist die Reihe eine lineare Reihe von Sonden auf, wobei mindestens
einige der Sonden einen ersten magnetischen Sensor zwischen den
beiden Polen enthalten und dafür
eingerichtet sind, die magnetische Flußdichte senkrecht zur Richtung
des Freiraum-Magnetfeldes zwischen den Polen abzutasten, und mindestens
einige der Sonden einen zweiten magnetischen Sensor enthalten, der dafür eingerichtet
sind, die Reluktanz dieses Teils des Magnetkreises zwischen den
Polen der elektromagnetischen Einrichtung abzutasten.
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Der
erste Sensor würde
kein Signal entdecken, wenn das Material eine flache Platte und
exakt isotropisch wäre,
aber Deformation führt
Anisotropie in die magnetischen Eigenschaften des Materials ein, und
somit sind die durch den ersten Sensor empfangenen Signale ein Maß für diese
durch Deformation eingeführte
Anisotropie (SMA = stress-induced magnetic anisotropy). Die Variationen
in den SMA-Signalen aus Sonden unterschiedlicher Orientierungen, wenn
sie eine Stelle auf dem Objekt passieren, ermöglichen es, die Richtungen
der prinzipiellen Deformationsachsen genau zu bestimmen. Die SMA-Signale können auch
zur Deformation in Beziehung gesetzt werden.
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Der
zweite Sensor liefert ein Maß für die Permeabilität des Materials,
durch das der Magnetfluß zwischen
den Polen hindurchgeht, und liefert so ein Signal, das für die effektive
Permeabilität
des Materials kennzeichnend ist; die entsprechenden Messungen aus
Sonden unterschiedlicher Orientierungen, wenn sie eine Stelle auf
dem Objekt passieren, deuten somit die effektive Permeabilität in unterschiedlichen
Richtungen an, was als direktionale effektive Permeabilität (DEP)
bezeichnet wird.
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DAS
DEP-Signal aus einer Sonde wird vorzugsweise "hinterschnitten" (backed-off), d.h. durch erste Subtraktion
eines Signals, das gleich dem Signal aus diesem Sensor ist, bei
in der Nähe
einer deformationsfreien Stelle befindlicher Sonde. Die geringen Änderungen
in der DEP infolge Deformation sind dann leichter zu ermitteln.
Die DEP-Signale können dann
aufgelöst
werden als eine Komponente in Phase mit dem Strom, der das Wechselfeld
erzeugt, und eine Komponente in Quadratur dazu (analog zum Widerstand
und zur Reaktanz in der Impedanzebene). Wenn der Spalt zwischen
der Oberfläche
und der Sonde (das Abheben) sich ändert so hat dies ebenfalls
eine Wirkung die DEP-Signale.
Diese Änderung entspricht
einer Richtung, auf die als die Lift-Off-Richtung Bezug genommen
wird. Um somit unechte bzw. ungewollte Effekte infolge Änderungen
im Lift-Off zu vermeiden, ist das Ausgangs-DEP-Signal diejenige Komponente
des Signals, die in der Impedanzebene senkrecht zur Lift-Off-Richtung
liegt. Die Werte dieser aufgelösten
Komponente, die aus unterschiedlichen Sonden erhalten werden, ermöglichen
es, die Werte der aufgelösten
bzw. zerlegten Komponente bei mit den Richtungen der prinzipiellen
Reformationsachsen ausgerichtetem Magnetfeld zu bestimmen und somit
die Werte der prinzipiellen oder Hauptdeformationen an jener Stelle
zu errechnen. Vorzugsweise werden die DEP-Signale aus den Sonden
zunächst digitalisiert,
und die "Backing-Off"- und "Lift-Off"-Korrekturen werden bei der Analyse der
digitalen Signale angewendet.
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Wenn
es alternativ nur erwünscht
ist, die Biegebeanspruchung ein einer Rohrleitung zu bestimmen,
können
die auf diametral gegenüberliegenden Seiten
des Rohres erhaltenen DEP-Messungen nur voneinander subtrahiert
werden.
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Verschiedene
dieser Konzepte sind analog zu denen, die in
GB 2 278 450 (siehe oben) verwendet
werden, außer
daß es
eine Reihe von Sonden gibt und daß die Reihe sich relativ zur
Oberfläche
bewegt. Die Magnetfelder werden dazu neigen, durch die Bewegung
der Reihe gestört
zu werden, die Foucaltströme
erzeugt. Um ein Eindringen in die Oberfläche des ferromagnetischen Objektes
zu erzielen, ist es erwünscht,
bei Wechselfrequenzen von weniger als 200 Hz, mehr bevorzugt zwischen
10 Hz und 100 Hz, zu operieren, und es versteht sich, daß bei solch niedrigen
Frequenzen eine signifikante Bewegung der Sonde während einer
einzigen Periode des Wechselfeldes vorhanden ist. Beim Abtasten
mit Lineargeschwindigkeiten von bis zu wenigen Metern pro Sekunde
ist es zudem Schwierig, es zu vermeiden, daß Änderungen im "Lift-Off" in der Größenordnung
von etwa 1 mm oder so vorhanden sind, und es wäre erwünscht, wenn die Meßtechnik
durch solche Äußerungen
unbeeinträchtigt
sein würde.
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Es
ist daher wünschenswert,
daß jede
Sonde eine Weite und Breite von mindestens 75 mm, vorzugsweise von
mindestens 100 mm hat, wenn auch vorzugsweise nicht mehr als 350
mm. Solch große Sonden
sind weniger empfindlich für
Abheben, und höhere
Bewegungsgeschwindigkeiten sind erreichbar, bevor Foucaltströme ein Problem
bereiten. Vorzugsweise enthält
jede Sonde auch einen Annäherungssensor,
um ein Signal zu liefern, das das Anheben für diese Sonde anzeigt, wobei
die Signale vom Annäherungssensor
kalibriert werden, um den entsprechenden Grad der DEP- und SMA-Signale bei jedem
Wert des Abhebens anzuzeigen, so daß die DEP- und SMA-Signale korrigiert werden können.
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Allgemein
gilt, je mehr unterschiedliche Sonden-Orientierungen zum Aufnehmen von Messungen verwendet
werden, um so genauer kann die Bestimmung von Beanspruchungspegeln
und Hauptachsen sein. In vielen Fällen können die Hauptbeanspruchungsachsen
als in bestimmten Richtungen ausgerichtet angenommen werden – Axial-
und Umfangsrichtungen im Fall eines Rohres z.B. –, so daß die Signalmaxima und -minima
für DEP
als entlang diesen Richtungen verlaufend erwartet würden, und
jene für SMA
würden
entlang den Halbierungswinkeln zwischen diesen Richtungen verlaufen.
Bei dem Verfahren nach
GB 2 278
450 werden Messungen beschrieben als bei 10°-Intervallen genommen,
aber im Gegensatz dazu kann die Reihe nach der Erfindung weniger
als zehn Sonden haben, zum Beispiel kann sie vier Sonden bei 0°, 45°, 90° und 135° relativ
zur Bewegungsrichtung haben.
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Die
Erfindung wird nunmehr weiter und mehr im Besonderen nur beispielsweise
mit Bezug auf die zugehörigen
Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine
Gesamtansicht, teilweise im Schnitt, eines Rohrleitungs-Inspektionsmolches
mit Reihen von Sonden nach der Erfindung,
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2 eine
Draufsicht, in Richtung des Pfeiles A in 1, auf eine
Reihe von Sonden,
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3 einen
Aufriß in
Richtung des Pfeiles B in 2, von einer
der Sonden,
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4 graphisch
die Änderung
des Magnetfeldes in der Wand des Rohres in dem Maße, wie
sich die Trennung zwischen einer Sonde und der Wand verändert,
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5 graphisch
die Änderungen
der relativen Sensitivität
einer Sonde auf Beanspruchung bzw. Spannung und auf Abheben in dem
Maße wie
die Antriebsfrequenz sich ändert,
und
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6 als
Blockschaltbild die elektronische Schaltung des Molches nach 1.
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In 1 ist
ein Inspektionsmolch 10 zum Messen von Beanspruchungen
in der Wand eines Unterbodenrohres 12 dargestellt. Der
Molch 10 besteht aus zwei allgemein zylindrischen Gehäusen 14 und 15,
von denen jedes innerhalb des Rohres 12 durch vier elastische
becherförmige
Dichtungen 16 gehalten wird, die so ausgerichtet sind,
daß der Molch 10 sich
von links nach rechts (wie dargestellt) bewegen kann, und zwar mit
der Strömung
des Fluides im Rohr 12, wobei die beiden Gehäuse 14 und 15 durch
eine Universalkupplung 18 zusammengekoppelt sind. Die Gehäuse 14 und 15 enthalten
eine Batterie zur Energieversorgung, Signal-Verarbeitungseinheiten
und Daten-Aufzeichnungseinheiten (nicht dargestellt), deren Betriebsweise
später
beschrieben wird. Das vordere Gehäuse 15 trägt vier
lineare Reihen von Sonden (nur zwei sind dargestellt; die Sonden
selbst sind in 1 nicht dargestellt), wobei
jede Reihe von einer Haltestange 20 getragen wird, die durch
federndnachgiebige Arme 22 verbunden sind, so daß die Reihe
nach außen
gegen die Innenoberfläche
der Wand des Rohres 12 gedrückt wird; jede Reihe ist parallel
zur Längsachse
des Rohres 12 ausgerichtet, und die Reihen sind in gleichmäßigem Abstand
um die Achse herum angeordnet, so daß sie sich z.B. oberhalb, unterhalb
und auf jeder Seite des Gehäuses 15 befinden.
Das hintere Gehäuse 14 trägt ein Rad 24,
das so angeordnet ist, daß es über die
Innenoberfläche
des Rohres 12 rollt, damit die vom Molch zurückgelegte
Strecke und dessen Geschwindigkeit bestimmt werden können.
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Nach 2 trägt die Haltestange 20 vier Sonden.
Mit Bezug auf 3 enthält jede Sonde 30 einen
U-Kern 32 aus Siliziumeisen, der zwei rechteckige Pole 34 in
einer gemeinsamen Ebene bildet, wobei jeder Pol 110 mm zu 30 mm
mißt,
und der Raum zwischen den Polen mißt 110 mm zu 50 mm. Die Stirnseiten
der Pole 34 sind leicht gekrümmt, um sich der Krümmung der
Wand des Rohres 12 anzupassen. Die Trennung zwischen aufeinander
folgenden Sonden 30, beträgt ebenfalls 110 mm. Um das obere
Ende des U-Kerns 32 herum befindet sich ein Spulenkörper, auf
den zwei überlagerte
Spulen 36 gewickelt sind. Die eine Spule 36 hat
500 Windungen und wird bei Gebrauch mit einem Wechselstrom von 0,2
A bei einer Frequenz von 60 Hz versorgt; dies ist die Erregerspule 36.
Wenn erregt, erzeugt diese ein wechselndes Magnetfeld im U-Kern 32 und
in der benachbarten Wand des Rohres 12, wobei dieses Magnetfeld
im Vergleich zum Sättigungsfeld
für das
Material der Rohrwand klein ist. Die andere Spule 36 ist eine
Abtast- oder Fühlspule,
die DEP-Signale liefert.
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In
der Mitte zwischen den beiden Polen 34 befindet sich ein
Spulenkörper,
auf den eine rechteckige Spule 38 mit 1000 Windungen gewickelt
ist, wobei jede Wicklung in einer Ebene parallel zu derjenigen der 3 liegt,
so daß die
Längsachse
der Spule 38 senkrecht zu der Linie zwischen den Zentren
der Pole 34 liegt (d.h. senkrecht zu der Freiraum-Magnetfeldrichtung,
das ist die Richtung des Magnetfeldes, wenn kein Rohr 12 vorhanden
ist). Die Spule 38 ist auf einer Halteplatte 40 gehalten,
die zwischen den Armen des U-Kerns 32 fixiert ist, so daß die Unterseite
der Spule 38 in der Ebene der Pole 34 liegt. Die
Spule 38 liefert die SMA-Signale. Zwischen den Seiten der
Spule 38 und den Seiten der Pole 37 befinden sich zwei
Hälften
einer Geringabstand-Abtastspule 42, deren Längsachse
parallel zur Freiraum-Magnetfeldrichtung liegt (die beiden Hälften sind
elektrisch in Reihe geschaltet). Diese Spule 42 ermittelt
Leckfluß und
wird wesentlich beeinträchtigt
durch Abheben (lift-off). Sowohl das DEP- als auch das SMA-Signal
werden durch einen Bild- oder Lichttonverstärker vor weiterer Verarbeitung
verstärkt.
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Um
nochmals auf 2 zurückzukommen: Die vier Sonden 30 sind
von identischem Aufbau, aber unterschiedlich orientiert: von rechts
arbeitend (wie dargestellt), d.h. von der Vorderseite der Haltestange 20 her,
ist die erste Sonde mit dem Magnetfeld parallel zur Bewegungsrichtung
orientiert; die zweite Sonde ist mit dem Magnetfeld bei 90° zur Bewegungsrichtung
angeordnet; die dritte Sonde ist mit dem Magnetfeld bei 45° zur Bewegungsrichtung
orientiert; und die vierte Sonde ist mit dem Magnetfeld bei 135° zur Bewegungsrichtung
angeordnet.
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Somit
erfährt
im Betrieb, sobald die Erreger-Spulen 36 erregt werden,
die Wand des Rohres 12 in der Nähe jeder Sonde 30 wechselnde
Magnetfelder. Das Magnetfeld dringt nur eine begrenzte Strecke in
den Stahl ein, im wesentlichen wegen des Hauteffektes, der für einen
Norm-Weichstahl eine Eindringtiefe von etwa 17 mm pro Reziprokwurzel
Hz anzeigt, was für
20 Hz eine Eindringung von etwa 3,8 mm und für 60 Hz eine Eindringung von
etwa 2,2 mm zeigt. Wenn eine Zugbeanspruchung in der Rohrwand vorhanden
ist und der angelegte Magnetfluß in einem
Winkel zur Spannungs- oder Beanspruchungsrichtung liegt, wird das
Feld das Bestreben haben, zur Zugachse hin zu rotieren. Dies beeinträchtigt sowohl
das SMA- als auch das DEP-Signal, und insbesondere erscheint das
stärkste
SMA-Signal, sobald die Sondenrichtung annähernd die Hauptachsen für die Beanspruchung
halbiert. In Zusammenhang mit dem Rohr 12 können die
Haupt- Beanspruchungsrichtungen
als in Umfangsrichtung (Reifen) und in Längsrichtung verlaufend erwartet werden,
so daß die
dritte und die vierte Sonde 30 erwartungsgemäß die stärksten SMA-Signale
abgeben.
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Ein
Abheben (lift-off) beeinträchtigt
tatsächlich
die Stärke
der Signale, aber die Empfindlichkeit auf Abheben ist viel geringer
als für
eine kleinere Sonde.
4 zeigt graphisch die Änderung
in der Magnetflußdichte
B in der Rohrwand in der Nähe
der Sonde
30 für
verschiedene Werte des Abhebens h und für vergleich der entsprechenden
Werte bei einer kleinen Sonde, d.h. 12 mm zu 12 mm (im wesentlichen
wie in
GB 2 278 450
B beschrieben). Die Abnahme in der Flußdichte, die für die Abnahme
des DEP- und SMA-Signals bezeichnend ist, ist viel geringer für die größere Sonde
30.
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Die
Größe der Sonde 30 hat
auch einen Einfluß auf
deren Sensitivität
für Beanspruchung.
Angenommen, eine Änderung
von Beanspruchung ergibt eine Änderung
der Permeabilität
der Rohrwand von 10%, so ist die Gesamtänderung der Reluktanz im Magnetkreis
(die der DEP-Messung entspricht) als 3,44% für die Sonde 30 errechnet
worden, verglichen mit nur 0,79% für die kleine Sonde.
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Im
typischen Fall mag sich der Molch 10 entlang dem Rohr 12 mit
einer Geschwindigkeit zwischen 1 und 4 m/s, z.B. 2,4 m/s, bewegen.
Die Bewegung der Sonden 30 relativ zur Rohrwand wird außerdem das
Magnetfeld in der Wand beeinträchtigen oder
verzerren. Dieser Effekt kann in Ausdrücken von Wirbelströmen beschrieben
werden. Betrachtet man die erste Sonde 30, für die das
Magnetfeld parallel zur Bewegungsrichtung verläuft, so wird die vorherrschende
Frequenz f der induzierten Wirbelströme bestimmt durch den Abstand
d zwischen den Zentren der Pole 34 und die Geschwindigkeit
v. Es ergibt sich, wenn die Geschwindigkeit gerade ausreicht, um
die Sonde um die zweifache Strecke zu bewegen, was erforderlich
ist, damit der magnetische Nordpol dort ist, wo der Südpol einen
Zyklus vorher war. Das heißt: f = v/2d,und die vorherrschende Frequenz
wird für
die anderen Sonden 30 ähnlich
sein. Die gewünschten
Signale werden bei diesem Beispiel bei einer Frequenz von 60 Hz
erzeugt, so daß die
Wirbelstrom-Signale
vorzugsweise bedeutend geringer sind als diese Frequenz. Folglich
sollte die Frequenz des erzeugten Wechselmagnetfeldes bedeutend
größer sein
als die Frequenz, die durch Dividieren der Geschwindigkeit der Reihe
relativ zur Oberfläche
durch das Zweifache der Breite einer Sonde 30 errechnet
wird. Wenn beispielsweise die Signale unter Verwendung eines Filters
der Bandbreite von 40 Hz verarbeitet werden, dann ist die Wirbelstromfrequenz
f vorzugsweise geringer als 20 Hz; allgemeiner ausgedrückt sollte
die Wirbelstromfrequenz f sich von der Steuerfrequenz um mindestens
die Bandbreite des Filters unterscheiden. Die Sonde 30 hat
einen Wert d von etwa 80 mm, so daß bei einer Geschwindigkeit
von 2,4 m/s die erwartete Wirbelstromfrequenz f 15 Hz betragen würde, was
ausreichend niedrig sein würde.
Es versteht sich, daß,
wenn der Molch 10 sich mit viel höheren Geschwindigkeiten bewegen
müßte, dann
könnte diese
Wirbelstrom-Verzerrung durch Einsatz noch größerer Sonden eliminiert werden,
obwohl dies zweifellos die Auflösung
der Messungen reduzieren würde.
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Die
Auswahl der Steuerfrequenz beeinflußt auch die Sensitivität der Sonde 30 für Beanspruchung
wie auch für
Abheben. In der Praxis kann das Abheben als im Bereich von 1 bis
5 mm liegend erwartet werden, wenn der Molch 10 sich entlang
dem Rohr 12 bewegt, und die Sonden 30 können mit
verschleißbeständigen nicht-magnetischen
Abstandhaltern (nicht dargestellt), z.B. aus Keramik, versehen werden,
um sicherzustellen, daß die
Spulen 38 und 42 nicht durch Kontakt mit dem Rohr 12 beschädigt werden.
Mit zunehmender Steuerfrequenz nimmt die Hauttiefe innerhalb der
Rohrwand ab, wie vorher erwähnt,
so daß die
Reluktanz des Teils des Magnetkreises in der Rohrwand zunimmt, und
folglich haben jegliche Änderungen
infolge Beanspruchung eine größere Auswirkung
auf das DEP-Signal. In gleicher Weise tragen bei einer höheren Frequenz
die Spalten zwischen den Polen 34 und der Rohrwand zu einem kleinen
Anteil der Reluktanz im Magnetkreis bei, so daß die Sonde 30 für Abheben
weniger empfindlich wird. Dies ist in 5 dargestellt,
auf die nunmehr Bezug genommen wird. Diese zeigt die relative Sensibilität auf Beanspruchung
bzw. Spannung (Grafik S) die relative Sensibilität auf Abheben (Grafik T) und das
Verhältnis
von Spannungs-Sensibilität
zu Abhub-Sensibilität
(Grafik R). Dies würde
nahelegen, daß höhere Frequenzen
nützlich
sind, obwohl bei höheren
Frequenzen der Energieverbrauch größer ist; es sei denn, der Molch 10 enthält ebenfalls
einen Dynamo (der mit dem Rad 24 gekoppelt werden könnte), dann
wird ein höherer
Energieverbrauch die Laufzeit herabsetzen, die durch die Kapazität der Batterie bestimmt
wird.
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Die
Interpretation der SMA- und DEP-Signale kann auf ähnliche
Weise erfolgen wie in
GB 2 278 450 beschrieben.
Der Beanspruchungs- oder Spannungszustand in der Rohroberfläche kann
durch drei Parameter gekennzeichnet werden: die beiden Hauptspannungspegel
und die Hauptspannungsrichtung (wobei die andere Hauptspannungsrichtung
orthogonal ist). Im Falle des Rohres
12 ist es angebracht,
davon auszugehen, daß die
Hauptachsen in Längs-
und Umfangsrichtung liegen. Somit sind im Fall der DEP-Signale die
wichtigsten Werte diejenigen, die mit der ersten und zweiten Sonde
30 erhalten
werden (d.h. bei 0 und 90°),
während
die wichtigsten SMA-Werte jene sind, die mit der dritten und vierten
Sonde
30 erhalten werden (d.h. bei 45 und 135°). In der
Praxis variieren die DEP-Signale als Kosinuskurve mit dem Winkel,
so daß Messungen
entlang anderen Orientierungen die Abschätzung der Maximum- und Minimumwerte
verbessern.
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Bevor
Messungen durchgeführt
werden, wird die Reihe von Sonden 30 in einer Region einer
Rohrleitung angeordnet, wo die Spannung vernachlässigbar gering ist (oder auf
einem bekannten Betrag liegt), und die Werte der DEP-Signale werden
neu behandelt, damit sie ein Nullsignal ergeben. Die kleinen Änderungen
in DEP aufgrund von Spannung sind dann leichter zu messen. Die Sonden 30 werden dann
allmählich
von der Rohroberfläche
wegbewegt, und die Signale aus der Annäherungsspule 42 werden
bei unterschiedlichen Werten von "lift-off" notiert, wie auch die Werte der Schwächung der
DEP- und SMA-Signale.
Die Signale aus der Annäherungsspule 42,
die SMA-Signale aus der Spule 38 und die DEP-Signale aus
der Abtastspule 36 können
jeweils aufgelöst
werden als eine Komponente in Phase mit dem das Wechselfeld erzeugenden
Strom und als eine Komponente in Quadratur dazu; diese Komponenten
entsprechen der Resistanz und Reaktanz in der Impedanzebene. Um
ungewollte Effekte aufgrund von Änderungen
im "lift-off" zu vermeiden, ist das
Ausgangs-DEP-Signal dasjenige, das in einer Richtung im rechten
Winkel zu dem Effekt des "lift-off" in der Impedanzebene
aufgelöst
wird. Die Signale aus der Annäherungsspule 42 werden
in einer Richtung im rechten Winkel zu dem Effekt der Spannung in
der Impedanzebene aufgelöst,
so daß das
resultierende Annäherungssignal
nur vom "lift-off" abhängt. Sowohl
die "back-off"- als auch die "lift-off"-Initialisierung für die DEP-Messungen und das
Auflösungsvermögen und
die Kalibrierung für
die Annäherungsspule 42 müssen durchgeführt werden,
bevor Messungen vorgenommen werden.
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Während der
Verwendung des Molches 10 werden die Signale aus der Annäherungsspule 42, der
DEP-Abtastspule und der SMA-Spule verstärkt und gespeichert. Eine gewisse
Signalverarbeitung kann jedoch im Molch 10 durchgeführt werden,
bevor die Daten gespeichert werden. Die gespeicherten Daten werden
nachfolgend heruntergeladen und analysiert, um die Spannungen entlang
dem Rohr 12 zu bestimmen. Insbesondere die Signale werden
vorzugsweise neu behandelt ("backed-off") (im Falle der DEP-Signale), demoduliert
in phasengleiche und Quadratur-Komponenten und zu einem Lowpassfilter weitergeleitet
(z.B. mit einer Grenzfrequenz bei 40 Hz), um die Gleichstromwerte
zu bestimmen, und (im Falle der DEP-Signale) in der Richtung senkrecht
zu dem Effekt des "lift-off" aufgelöst. Diese
Signalverarbeitung kann vor der Speicherung durchgeführt werden.
Die Signale aus der Annäherungsspule 42 (aufgelöst senkrecht
zu dem Effekt der Spannung) können
verwendet werden, um die entsprechende Verstärkung der DEP- und SMA-Signale
zum Kompensieren ihrer Abschwächung
infolge "lift-off" zu bestimmen. Die
entsprechend aufgelösten
Signalwerte für DEP
und SMA können
dann um den entsprechenden Betrag verstärkt werden. All diese Signalverarbeitungsschritte
werden vorzugsweise digital durchgeführt.
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In 6 ist
das elektronische System innerhalb des Molches 10 schematisch
dargestellt. Innerhalb jeder Sonde 30 ist jede Sensorspule,
d.h. die DEP-Spule 36, die SMA-Spule 38 und die
Annäherungsspule 42 mit
einem Vorverstärker 44 ausgerüstet, um
die Impedance der Spule aus der elektrischen Verbindung zu den übrigen Teilen
der Elektronik zu puffern und um das Signal genügend zu verstärken, um
es gegen elektrisches Geräusch
in der Umgebung robust zu machen. Die verstärkten Signale werden über einen
Mehrwegkoppler 46 und einem Analog-Digital-Konverter 48 einem
Digitalsignal-Prozessor 50 zugeführt. Jede Sonde 30 hat
auch einen Erregerkreis 52, um den 60-Hz-Erregerstrom an
die Erregerspule 36 zu liefern, und der Erregerkreis 52 liefert
auch ein Signal von der gleichen Phase an den Signal-Prozessor 50.
Der Signal-Prozessor 50 demoduliert und filtert die einzelnen
Sensorausgänge,
wie oben beschrieben, und speichert die Daten vorübergehend.
Die Daten werden dann über
eine Reihen-Kommunikations-Schiene 54 und
einen Knotenpunkt-Prozessor an eine Daten-Speichereinheit 58 geliefert.
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Die
entsprechenden Signale aus anderen Sonden 30 in einer Reihenanordnung
werden ebenfalls über
die Reihenschiene 54 dem Prozessor 56 zugeführt. Die
Daten-Speichereinheit 58 empfängt und speichert Daten in ähnlicher
weise aus allen Sonden 30 in allen Reihen im Molch 10.
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Die
Werte der Spannungen in den Richtungen der Haupt-Spannungsachsen können dann aus den sich ergebenden
experimentellen Messungen für DEP
in jenen Richtungen bestimmt werden (d.h. aus der ersten und zweiten
Sonde
30), wie auch aus der Differenz zwischen den Werten
der SMA-Signale in den halbierenden Richtungen (d.h. aus der dritten und
vierten Sonde
30, die sich in den Richtungen befinden,
in welchen die SMA-Signale
erwartungsgemäß ihre Mindest-
und Höchstwerte
haben). Dies kann geschehen aus theoretischer Analyse oder alternativ
durch eine Kalibrierungs-Inangriffnahme, wobei Messungen in der
oben beschriebenen Weise an einer Materialprobe des gleichen Typs
wie dem des Rohres
12 genommen werden, während es
einer Vielfalt von unterschiedlichen Spannungen bzw. Beanspruchungen
ausgesetzt wird. Dies kann mit einer kreuzförmigen Probe geschehen, deren
Arme mit den Achsen einer Testausrüstung ausgerichtet sind, wobei
SMA- und DEP-Messungen in der Mitte der Probe vorgenommen werden,
wo die Haupt-Spannungsrichtung mit den Achsen der Testausrüstung ausgerichtet
sind. So können,
wie in
GB 2 278 450 beschrieben,
Kalibrierungsmessungen von DEP aus der ersten Sonde
30 (d.h.
Magnetfeld parallel zu der einen Achse) als Konturen in der Spannungsebene geplottet
werden; experimentelle Messungen von DEP aus der zweiten Sonde
30 (d.h.
Magnetfeld parallel zur orthogonalen Achse), können ebenfalls als Konturen
in der Spannungsebene geplottet werden. Und die Differenz zwischen
den Quadratur-SMA-Messungen aus der dritten und vierten Sonde
30 kann
ebenfalls als Konturen in der Spannungsebene geplottet werden. Diese
Kalibrierungs-Pläne können dann
dazu verwendet werden, um die biaxiale Spannung in der Rohrwand
aus den Messungen dieser Parameter zu bestimmen, wenn sich der Molch
10 durch
das Rohr
12 hindurch bewegt. In der Praxis kann es leichter
sein, diese Kalibrierungen unter Verwendung einer einzigen Sonde
durchzuführen,
die ähnlich,
aber kleiner als eine der Sonden
30 ist.
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Es
versteht sich, daß die
Reihe von Sonden 30 DEP-Messungen aus allen vier Sonden 30 erhält, nicht
gerade der Sonde 30, die zu den Haupt-Spannungsachsen ausgerichtet
ist; die Messungen von DEP aus den anderen Sonden können verwendet werden,
um genauere Bestimmungen der Werte parallel zu den Haupt-Spannungsachsen
zu erhalten, weil die Änderung
des DEP-Signals mit dem Winkel einer Kosinuskurve folgen sollte.
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Es
versteht sich, daß ein
Inspektionsmolch nach der Erfindung von dem oben beschriebenen abweichen
kann. Zum Beispiel kann die Reihenanordnung durch eine andere nachgiebige
Halterung abgestützt
werden. Tatsächlich
könnten
die Sonden 30 innerhalb der Reihe separat gehalten werden.
Die Anzahl von Reihen, die verwendet wird, um ein Rohr zu inspizieren,
kann 2, 3 oder 5, beispielsweise, betragen, und es kann eine andere Anzahl
von Sonden 30 innerhalb einer Reihe vorhanden sein, z.B.
2, 3, 5 oder 6. Die Sensoren für
die SMA- und DEP-Signale können
von den beschriebenen abweichen, z.B. könnte das SMA-Signal durch einen
Halleffekt-Sensor oder einen Magnetowiderstand abgetastet werden:
das DEP-Signal könnte
statt dessen durch Überwachung
der Impendanz der Erregerspule 36 bestimmt werden, so daß keine
Abtastungsspule 36 erforderlich sein würde. Eine lineare Reihe der
Sonden 30 kann ebenfalls verwendet werden, um eher flache
Objekte als Rohre zu inspizieren, indem entlang einem Gleis oder
Träger
oder einer Stahlplatte abgetastet wird, und die Relativbewegung
kann sich aus der Bewegung des Objekts anstatt der Reihe ergeben. Ähnlich können lineare
Reihen von Sonden 30 verwendet werden, um ein Bohrrohr
von der Außenseite
her zu inspizieren und Spannungen in der Rohrwand zu messen. Eine
solche Reihe kann manuell bewegt werden oder durch ein Fahrzeug
anstelle eines Molches.