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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(1) Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf das zerstörungsfreie Prüfen auf
Defekte in Metallen und insbesondere auf Defekte in Kesselrohren
oder Wasserwänden
(water walls), die in der Industrie der Elektrizitätswerke
verwendet werden. Insbesondere wird diese Erfindung für die Detektion
der Erosion verwendet, die im Ergebnis scheuernder Teilchen auftritt,
die in einem Kohle-Rohstoff enthalten sind. Die Erosion kann sowohl
intern als auch extern stattfinden. Diese Erfindung schafft eine
zerstörungsfreie
induktionsgestützte
Prüftechnik,
die Rohr- oder Wandverdünnungszustände zuverlässig bewertet
und folglich die Vorhersage künftiger
Ausfallereignisse ermöglicht.
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(2) Beschreibung des Standes der Technik
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Im
Stand der Technik umfassen die zerstörungsfreien Techniken zum Messen
der Kesselrohrerosion oder Wasserwanderosion die Wirbelstromprüfung, die
Farbeindringprüfung,
die Ultraschallprüfung und
die Röntgenprüfung. Diese
Systeme sind nicht kosteneffektiv, weil sie äußerst langsam sind, die Verwendung
empfindlicher Instrumente erfordern, die in einem industriellen
Einsatz nicht überleben
können, Instrumente
erfordern, die sehr teuer sind, und Instrumente verwenden, die im
hohen Grade ausgebildete Bedienungspersonen erfordern. Es ist festgestellt worden,
dass, wenn derartige Techniken des Standes der Technik verwendet
werden, sie nicht kosteneffektiv sind, um etwa 100%ig effektive
Prüfungen auf
irgendwelche Defekte in großen
industriellen Systemen auszuführen,
selbst wenn derartige Defekte normalerweise sehr teure Ausfälle verursachen, wenn
sie auftreten.
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US 2003/030433 A1 bezieht
sich auf eine Induktionsbrückenschaltung
unter Verwendung von Gegeninduktivitäten, um die für die Detektion
von Wandverdünnungsdefekten
in Metallen verwendeten Impedanzen zu transformieren. Die Brückenschaltung
besitzt eine erste Prüfspule,
die einem guten Metallabschnitt benachbart angeordnet ist, und eine zweite
Prüfspule,
die einem zu prüfenden
Metall benachbart angeordnet ist. Die Brückenschaltung vergleicht die
Induktivität
in der ersten Prüfspule
mit der Induktivität
in der zweiten Prüfspule,
um Wandverdünnungsdefekte
zu vergleichen.
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DE 408 640 C bezieht
sich auf eine Schaltung zum Prüfen
von Änderungen
des Profils und der Qualität
in Körpern
eines Magnetwerkstoffs durch Messen und Vergleichen der dynamischen
elektromagnetischen Kennlinie von Spulen, die die Körper umgeben,
wobei zwischen den Spulen und einer Messschaltung Transformatoren
verwendet werden.
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US 2.418.686 bezieht sich
auf das Prüfen von
Magnetwerkstoffen während
ihrer Herstellung oder Verarbeitung, insbesondere um unerwünschte Variationen
darin zu detektieren, und außerdem
auf das Prüfen
und die Vorbehandlung eines derartigen Werkstoffs für eine zufriedenstellende
Magnetanalyseprozedur zum Detektieren von Sprüngen und anderen Störstellen.
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KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erosion der Außenwände tritt
infolge der im Kohle-Rohstoff enthaltenen scheuernden Teilchen auf.
Eine in erster Linie externe Korrosion wird durch diese steuernden
Teilchen erzeugt. Eine interne Korrosion wird durch mangelhafte
chemische Eigenschaften des Wassers kombiniert mit Temperaturwechselbeanspruchung
verursacht. Zufällig
tritt die Erosion der Außenwände fast
niemals an den Enden der Rohre auf, was eine vergleichende Untersuchung mit
durchscheuerten Abschnitten erlaubt. Die Wandstärke neuer Kesselrohre reicht
in Abhängigkeit
von der erforderlichen Funktion von 4,191 bis 7,62 mm (0,165 bis
0,30 Zoll). In einer einzigen Anlage werden oft verschiedene Stahl-
und Eisenwerkstoffe verwendet, was die Anforderungen an jede Prüftechnik
verschlimmert. Unerwartete Kesselausfälle, die durch den Durchbruch
einer dünnen
Wand verursacht werden, sind für
fast die Hälfte
aller Ausfälle
kohlegeheizter Kraftwerke verantwortlich. Auf Grund der Wichtigkeit
einer zuverlässigen
Elektrizitätserzeugung
stellen diese Ausfälle
einen bedeutenden begrenzenden Faktor der verfügbaren Erzeugungskapazität dar. Zur
Kompensation muss eine zusätzliche Erzeugungskapazität installiert
sein, um sicherzustellen, dass der Bedarf der Anwender gedeckt wird.
In dem Fall, in dem die Produktion hinter der Nachfrage zurückbleibt,
werden Lastabwürfe
zur Routine. Die Analyse der Kesselrohrausfälle zeigt die sich wiederholende
Art dieser Ereignisse. Das heißt,
es ist wahrscheinlich, dass nach einem Ausfall des Speisewasservorwärmers in
nächster
Nähe mehrere
weitere Ausfälle
des Speisewasservorwärmers
auftreten. Eine zerstörungsfreie
Prüftechnik,
die Rohrverdünnungszustände zuverlässig und
schnell bewertet und folglich künftige
Ausfaller eignisse vorhersagt, kann beim Lindern vermeidbarer Ausfallzeit-Ereignisse eine
Hauptrolle spielen.
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In
Speisewasservorwärmern
können
mehrere bekannte Defekte vorhanden sein. Spiralförmig gewundene, mit längslaufenden
Rippen versehene Rohre können
manchmal unvollkommene Schweißstellen
enthalten. Die Gegeninduktivitätsbrücke dieser
Erfindung beinhaltet nicht, dieses Problem klar zu erkennen. Einer
der überwiegendsten
Fehler wird als der Sägezahndefekt
bezeichnet. In diesem Fall verursacht die dynamische Strömung der
Gase, dass der Werkstoff ungleichmäßig zwischen den Kühlrippen
und nur in einem kleinen Bereich, der der Strömungsrichtung zugewandt ist,
erodiert wird. Dieser Defekt ist nur sichtbar, wenn der Zwischenraum
frei von Fremdkörpern
ist und das Rohr orthogonal betrachtet wird. Er führt zu einem
kleineren Betrag der Werkstoffentfernung, als er bei gleichmäßiger Abnutzung
vorhanden wäre,
wobei er außergewöhnlich schwer
zu detektieren ist. Die absolute Wandverdünnung in einem kleinen Bereich
kann aber zu einem Rohrausfall führen.
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Als
eine zu starke Vereinfachung detektiert die Gegeninduktivitätsbrücke dieser
Erfindung die Gesamtmasse des Metalls im Gebiet der Abfragespule
und vergleicht sie mit einer Referenz. Dies erklärt, warum die Detektion auf
signifikante Defekte anstatt auf Gasblasen, Risse und Schweißprobleme eingeschränkt ist.
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Die
grundlegende Physik hinter der Gegeninduktivitätsbrücke ist durch die "Eindringtiefe" der wirksamen elektrisch
leitenden Komponente bestimmt. Für
eine einfache flache Platte beträgt
die Eindringtiefe δ: δ =
[c/2ωσμ]1/2,wobei μ die magnetische Permeabilität ist, ω die Kreisfrequenz
ist, σ die
elektrische Leitfähigkeit
ist und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Wie sich jedoch die Geometrie
von einer flachen Platte unterscheidet, ändert sich die effektive Eindringtiefe.
Für komplexe Strukturen
ist es sowohl schwierig als auch nicht wichtig, sie zu berechnen,
es ist aber nützlich,
die Abhängigkeit
von verschiedenen physikalischen Parametern anzugeben. Durch die
Verwendung einer geeigneten Frequenz kann das Wechselstrom-Magnetfeld
in das Rohrmaterial eindringen, wobei die elektrische Wirkung des
Rohrmaterials darin besteht, die Selbstinduktivität der Spule
zu modifizieren, die verwendet wird, um das Magnetfeld zu erzeugen.
Die Änderung
der Selbstinduktivität
L ist eine komplexe Variable, die sowohl vom Gesamtvolumen des Metalls
im wirksamen Bereich der Spule, seiner Geometrie als auch von μ (den reellen Änderungen
der Induktivität)
und σ (den
imaginären Änderungen
der Induktivität
oder äquivalent
den reellen Änderungen der
Leitfähigkeit)
abhängt.
Für die
Zwecke dieser Erfindung ermöglicht
die Empfindlichkeit von L gegen das Gesamtvolumen und die Geometrie
des Metalls im Bereich der Empfindlichkeit der Spule die Detektion
von Wanderosion oder Wandbrüchen.
Leider könnten
beträchtliche Änderungen
der Wandstärke (d.
h., die groß genug
sind, um den Austausch bei einer geplanten Wartung anzuzeigen),
die sich z. B. aus der Flammenerosion ergeben, L nur um einige Prozent ändern. Es
ist in einem Laboratorium einfach, eine 1%-Änderung von L zuverlässig zu
detektieren, es ist aber im Kessel eines Elektrizitätswerks unerschwinglich.
Ein Teil des Problems ist die Umgebung, in der genaue Instrumente
einer rauhen Behandlung, Temperaturänderungen und anderen Problemen
ausgesetzt sind, die durch die Bedienungspersonen und die Umgebung
verursacht werden. Ein weiterer wichtiger Faktor ist, dass die Kesselrohre von
vielen verschiedenen Losen und von verschiedenen Herstellern kommen.
Deshalb ist die Kenntnis eines genauen Wertes von L ein Problem
des Führens von
Aufzeichnungen, weil der Wert von L für jedes Los des Rohrmaterials
und sein Ort in der Anlage bekannt sein müssen.
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Die
Messung eines "guten" Abschnitts des Rohrs
an jedem Ort, der mit den Verfahren des Standes der Technik zuverlässig gefunden
werden kann, insbesondere in der Nähe eines "Endes", erlaubt, die Anzeigen verdächtiger
Abschnitte mit den Anzeigen guter Abschnitte zu vergleichen. Dieser
Prozess erfordert trotzdem sehr genaue Anzeigen, etwas, das vermieden
werden muss, falls die Defekte, die ein Anlagenbetreiber finden
muss, zu detektieren sind, und das ein möglicher Grund ist, aus dem
sich derartige Techniken nicht in Gebrauch befinden.
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Es
gibt jedoch einen weiteren Zugang, der den Bedarf an einem genauen
Messsystem eliminiert. Dieser Zugang ist eine Gegeninduktivitäts-Brückenschaltung,
bei der die Variation der Induktivität von jeder von zwei Spulen
die Unterschiede des den Spulen benachbarten Rohrmaterials widerspiegelt. Es
ist üblich,
eine Gegeninduktivitätsbrücke als
eine Vorrichtung zum Messen der Gegeninduktivität zu definieren. Für diese
Erfindung ist es jedoch entscheidend, das Prinzip der Gegeninduktivität in der Brücke selbst
zu verwenden, daher der Name, um die Impedanzen der Suchspulen auf
Werte zu transformieren, die hoch genug sind, um unter Verwendung
normaler elektrischer Instrumente zuverlässig detektiert zu werden.
Weil die Schaltung nur gegen Differenzen empfindlich ist, beeinflussen
ver schiedene externe Störungen,
die für
die direkte Präzisionsmessung
von L verheerend sind, die Prüf-
und Referenzrohre in gleicher Weise, so dass die Brückenmessung
gegen diese Probleme unempfindlich wird. Die Schaltungselemente
führen
die folgenden Funktionen aus:
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
eine Induktionsbrückenschaltung zum
Vergleichen der Induktivität
in einem ersten Metallabschnitt und einem zweiten Metallabschnitt,
wobei die Schaltung keine Kompensation für die Impedanzen enthält.
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2 zeigt
eine Induktionsbrückenschaltung,
die zu 1 ähnlich
ist, mit Ausnahme, dass Transformatoren (Gegeninduktivitäten) zwischen den
Messspulen und der Induktionsbrückenschaltung
verwendet werden. Der Anmelder nennt dieses eine Gegeninduktivitätsbrücke.
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3 zeigt
eine Induktionsbrückenschaltung nach 1,
die modifiziert worden ist, damit sie eine Potentiometerschaltung über der
Sekundärwicklung des
Eingangs-Leistungstransformators und einen mit der Spannungsmessvorrichtung
verbundenen Schleifkontaktarm enthält. Diese Anordnung sorgt für die Verringerung
des Signal-Rausch-Verhältnisses.
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4 zeigt
ein zweites Potentiometer, das über
der Sekundärwicklung
des Eingangstransformators angeordnet ist und wo der Schleifkontaktarm des
Potentiometers mit Masse verbunden ist.
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5 zeigt
eine geteilte Spulenanordnung, um eine Spule benachbart zu einem
metallischen Rohrabschnitt vorzusehen.
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6 zeigt
eine Flachspule, die um ein zylindrisches Formstück gewickelt ist, das auf einer
metallischen Tafel oder einer Wasserwand ruht.
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7 zeigt
eine Beziehung zwischen Effektivwertspannungen, die durch eine Gegeninduktivitätsbrücke gemessen
werden, und Spulen, die sowohl an guten und schlechten Rohren des
Speisewasservorwärmers
als auch an guten und schlechten Wasserwänden angeordnet sind.
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8 zeigt
eine tatsächliche
Prüfvorrichtung einer
Wasserwandanordnung mit einem Paar von Spulen und Transformatoren,
die während
der Messung verwendet werden.
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9 zeigt
ein Rohr eines Speisewasservorwärmers,
um das Spulen angeordnet sind.
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10 zeigt
eine schematische Skizze des Wasserwand-Prüfabschnitts, wobei die Prüfabschnitte
beschriftet sind. W2 ist ein Bereich, der 2,5 mm tief eben geschliffen
ist. Die Bereiche W0 und W1 zeigen Schwärzung und Erosion.
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11 zeigt
einen Abschnitt eines Speisewasservorwärmers, der gut ist.
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12 zeigt
einen Abschnitt eines Speisewasservorwärmers, der von der Nutzung
natürlich abgenutzt
ist.
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13 zeigt
einen Abschnitt eines Speisewasservorwärmers, der an einem Abschnitt
geschliffen worden ist, um Material zu entfernen und einen Vergleich
zu schaffen.
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14 zeigt
einen Wasserwandabschnitt, bei dem Material als eine Prüf-Basislinie
abgeschliffen worden ist.
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15 zeigt
die Wand eines Speisewasservorwärmers,
wo es einen geschwärzten
und erodierten Bereich gibt.
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16 zeigt
die Spur eines Oszilloskops eines Speisewasservorwärmers, wenn
beide Abschnitte gut sind. Hier sollte angegeben werden, dass die zweite
Harmonische vorherrscht und dass die beobachtete Amplitude des gemessenen
Signals niedrig ist.
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17 zeigt
eine an einem Rohrabschnitt eines Speisewasservorwärmers genommene
Messung, wo ein Abschnitt schlecht ist. Hier herrscht die erste
Harmonische vor, wobei die Amplitude im Vergleich zu der in 16 gezeigten
Amplitude hoch ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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In 1 ist
die einfachste Form eines Gegeninduktionsbrücken-Defektdetektionssystems
dieser Erfindung gezeigt. In dieser Ausführungsform legt eine Wechselstromquelle
(1) eine Spannung an eine Eingangsspule (2) eines
ersten Transformators (3) an. Die Sekundärwicklung
(4) des ersten Transformators (3) besitzt einen
Mittelabgriff. Der Mittelabgriff (11) der Sekundärwicklung
(4) des Transformators ist mit einem Oszilloskop (5)
verbunden, das die Spannung zwischen dem Mittelabgriff (4)
des Transformators (3) und Masse misst. Das Oszilloskop
(5) detektiert folglich nur Ungleichgewichte in der Brückenschaltung.
Eine Seite der Sekundärwicklung
(4) des Transformators (3) ist mit einer ersten
Prüfspule
(6) verbunden, während
die andere Seite der Sekundärwicklung
(4) mit einer zweiten Prüfspule (7) verbunden
ist. Die Prüfspulen
(6) und (7) sind an einem Punkt (8) miteinander
verbunden, der wiederum mit Masse verbunden ist. Wie in 1 gezeigt
ist, befinden sich benachbart zu jeder der Prüfspulen (6) und (7)
metallische Abschnitte (9) und (10). Wenn die
metallischen Abschnitte (9) und (10) fehlen und
wenn die ersten und zweiten Prüfspulen
(6) und (7) gleiche Impedanzen besitzen und wenn
jede Seite der Sekundärwicklung
(4) des Transformators (3) gleiche Impedanzen
und Gegeninduktivitäten
mit der Primärwicklung
besitzt, dann befindet sich die Brückenschaltung im Gleichgewicht,
wobei durch das Oszilloskop (5) eine Spannung von null
detektiert wird. Sollten andererseits die Induktoren der Prüfspulen
(6) und (7) nicht völlig gleich sein, dann erscheint
eine Spannung am Oszilloskop (5). Sollte es z. B. einen metallischen
Werkstoffabschnitt (9) geben, der der ersten Prüfspule (6)
benachbart angeordnet ist, dann erscheint eine Spannung am Oszilloskop
(5), die das Ungleichgewicht in der Brücke widerspiegelt, das durch
die Änderung
der Impedanz bei der ersten Prüfspule
(6) erzeugt wird, die durch die Änderung der Induktivität erzeugt
wird, die durch das Vorhandensein des metallischen Abschnitts (9)
verursacht wird. Wenn andererseits ein völlig gleicher metallischer
Abschnitt (10) zur zweiten Prüfspule (7) benachbart
angeordnet ist, würde
die Brücke
abermals zurück
in das Gleichgewicht gebracht. Wie leicht gesehen werden kann, schafft
diese Brücke
jedoch eine zweckmäßige Vorrichtung
zum Vergleichen eines Unterschieds der metallischen Eigenschaften
zwischen den Metallabschnitten (9) und (10), weil
jeder Unterschied zwischen den metallischen Abschnitten die Induktion
der ersten Prüfspule
(6) und der zweiten Prüfspule
(7) ändert.
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In 2 ist
eine Induktionsbrücke
gezeigt, die im Wesentlichen zur Brücke nach 1 völlig gleich
ist, mit Ausnahme, das 2 die Transformatoren (20)
und (21) enthält,
die in der Brückenschaltung
angeordnet sind und sie zu einer Gegeninduktivitätsbrücke machen. Die Primärwicklungen
(22) und (23) verbinden die erste Prüfspule (6)
bzw. die zweite Prüfspule
(7) mit der Brücke.
Die Transformatoren (20) und (21) besitzen eine
hohe Anzahl von Windungen in den Primärwicklungen (22) und
(23) und eine niedrige Anzahl von Windungen in den Sekundärwicklungen
(24) und (25). Die Prüfspulen (6) und (7) sind über den
Sekundärwicklungen
(24) und (25) angeordnet und arbeiten wie die
in 1 gezeigten Prüfspulen.
Diese Herabsetzungsbeziehung zwischen der Spannung in der Gegeninduktivitätsbrücke und
der Spannung über
der ersten Spule (6) und der zweiten Spule (7)
erlaubt, dass in den Spulen (6) und (7) ein höherer Strom
fließt,
ohne einen hohen Strom in der Brückenschaltung
und einen hohen Strom von der Sekundärwicklung (4) des
Transformators (3) zu erfordern. Außerdem erlaubt dies, dass die
Brückenschaltung
bei einer höheren
Spannung arbeitet, wobei dadurch die Schaltung gegen Änderungen
der Induktivität
der ersten und zweiten Prüfspulen
(6) und (7) empfindlicher gemacht wird. Im Idealfall
sollten die Transformatoren (22) und (23) völlig gleich
sein. Die hohe Brückenspannung
erlaubt außerdem,
dass die Wicklungen der Brücke
kleiner sind, und verringert den Strom in der Sekundärwicklung
(4).
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In 3 ist
eine Gegeninduktivitäts-Brückenschaltung
gezeigt, die zur Brückenschaltung
(2) ähnlich
ist. Gleichen Elementen sind die gleichen Bezugszeichen gegeben
worden. Der Unterschied zwischen 3 und 2 ist
die Einbeziehung einer Schaltung zum Kompensieren des Impedanzungleichgewichts
zwischen der ersten und der zweiten Prüfspule (6) und (7)
und ihrer zugeordneten Schaltungselemente. Diese Schaltung umfasst
einen ersten Widerstand (31) und einen zweiten Widerstand (32),
die mit einem Potentiometer (33) verbunden sind. Das Potentiometer
(33) besitzt einen Schleifkontakt, der mit einem Eingang
des Oszilloskops (5) verbunden ist. Wenn zwei völlig gleiche
metallische Abschnitte (9) und (10) den Spulen
(6) und (7) in den gleichen in Beziehung stehenden
Positionen benachbart angeordnet sind, gibt die Brückenschaltung
eine minimale Spannung am Oszilloskop (5) an. Dies ist
in der in 2 gezeigten Schaltung der Fall.
Die Unterschiede der Impedanz der Schaltungselemente, wie z. B.
der ersten Prüfspule
(6), der zweiten Prüfspule (7)
und der Transformatoren (20) und (21), können jedoch
ein unannehmbares Ungleichgewicht verursachen, selbst wenn die metallischen
Abschnitte (9) und (10) völlig gleich sind und in einer
völlig
gleichen Weise benachbart zu den Prüfspulen (6) und (7)
angeordnet sind. Das in 3 gezeigte zusätzliche
Potentiometer (33) wird verwendet, um jeden durch das Oszilloskop
(5) angezeigten Induktionsunterschied auszugleichen, wenn
die metallischen Abschnitte (9) und (10) völlig gleich
sind und in einer völlig
gleichen Weise benachbart zu den Prüfspulen (6) und (7)
angeordnet sind. Sobald das Potentiometer auf einen Punkt eingestellt
ist, wo das Oszilloskop (5) eine minimale Spannung anzeigt,
ist dann die Schaltung nach 3 bereit,
um die Messungen eines unbekannten Metallabschnitts auszuführen. Bei
der unbekannten Messprozedur würde
der Metallabschnitt (10) durch einen unbekannten Abschnitt
ersetzt, wobei der unbekannte Abschnitt mit dem metallischen Abschnitt
(9) verglichen würde.
Während
dieses Vergleichs wird der Unterschied nur dem Unterschied in den
Metallen zuschreibbar, weil die Induktionsfehler (Induktionsunterschiede),
die in der Schaltung innewohnend sind, vorher durch die Einstellung
der Position des Schleifkontakts (34) des Potentiometers
(33) beseitigt oder kompensiert worden sind.
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In 4 ist
eine weitere Gegeninduktivitäts-Brückenschaltung
gezeigt, die zu den 2 und 3 ähnlich ist,
wobei gleichen Elementen die gleichen Bezugszeichen gegeben worden
sind. 4 enthält
alle Elemente nach 3 einschließlich des Potentiometers (34),
das zum Ausgleichen des Induktivitätsunterschieds verwendet wird. 4 enthält jedoch
außerdem
ein zweites Impedanzausgleichspotentiometer (43), das mit
den Widerständen (41)
und (42) verbunden ist. Das Potentiometer (43) besitzt
einen Schleifkontakt (44), der mit Masse verbunden ist.
In dieser Konfiguration ist eine Seite des Oszilloskops (5)
wie in 3 mit Masse verbunden, wobei außerdem die
Verbindung zwischen den Transformator-Primärwicklungen (22) und
(23) außerdem
mit Masse verbunden ist. Außerdem
ist der Schleifkontakt (44) des Potentiometers (43)
mit Masse verbunden, wie gezeigt ist. Wenn der Schleifkontakt (44)
des Potentiometers so eingestellt wird, um eine minimale Spannung
am Oszilloskop (5) bereitzustellen, während völlig gleiche metallische Abschnitte
(9) und (10) den Prüfspulen (6) und (7)
benachbart angeordnet sind, wird für ein Ungleichgewicht im Widerstand
der Schaltungsanordnung gesorgt. Wenn das Potentiometer (44)
in eine Position eingestellt ist, in der das Oszilloskop (5)
ein Minimum anzeigt, sind sowohl die Widerstandsunterschiede in den
Transformatoren oder den Prüfspulen
(6) und (7) als auch in der Brückenschaltung kompensiert.
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Die
Brücke
kann außerdem
konstruiert sein, um das Induktivitätsausgleichspotentiometer (34) und
seine zugeordneten Widerstände
(31) und (32) zu eliminieren, während das
Widerstandsausgleichspotentiometer (43), sein Schleifkontakt
(44) und seine zugeordneten Widerstände (41) und (42) beibehalten
werden. In dieser Ausführungsform
kann das Widerstandsungleichgewicht kompensiert werden, aber das
Induktivitätsungleichgewicht
kann nicht kompensiert werden. In dieser Situation würde die
Eingangsleitung des Oszilloskops (5), die nicht mit Masse
verbunden ist, mit dem Mittelabgriff (11) der Sekundärwicklung
(4) des Transformators (3) verbunden sein, wie
in den 1 und 2 gezeigt ist.
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In 5 ist
eine geteilte Spule (50) gezeigt. Die geteilte Spule (50)
erlaubt, dass die Induktivitätsbrücke verwendet
wird, um das Metall in röhrenförmigen Strukturen
zu messen. Jede Hälfte
der Spule wird gegenüber
dem zu messenden (9) metallischen Werkstoff angeordnet,
wobei die Spitzen der geteilten Spule in Kontakt gebracht werden
und dadurch eine Spule gebildet wird, die in einer herkömmlichen Weise
um den zu prüfenden
metallischen Werkstoff gewickelt ist. Im Konzept der geteilten Spule
nach 5 ist die Spule mit Bajonettverbindungen hergestellt,
so dass sie über
einen Wärmetauscher
(2) eingefügt
werden kann.
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Die
geteilten Hauptsuchspulen sind die Spulen (51) und (52).
Jede Spule besitzt 14 in zwei Lagen gewickelte Windungen aus Kupferdraht
Nr. 10, die auf einen Dorn mit einem Durchmesser von 12 cm eng gewickelt
sind. Die Einzelheiten der geteilten Spule sind in 5 gezeigt.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform gezeigt,
in der eine Prüfspule
(60) um einen zylindrischen Körper (der magnetisch sein kann
oder nicht) gewickelt und einer Platte (62) benachbart
angeordnet ist. In dieser Konfiguration kann der Unterschied zwischen
einem metallischen Abschnitt (62) und einem weiteren metallischen
Abschnitt in der Weise gemessen werden, die in Bezug auf die in
Bezug auf die 1–4 erörterten
Prüfschaltungen
beschrieben worden ist.
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Die
Transformatoren (22) und (23) sind 120 VAC-12
VAC/25 A/50-60-Hz-Leistungstransformatoren. Diese ermöglichen,
dass die sehr niedrige Impedanz der Prüfspulen (6) und (7)
100fach vergrößert wird,
wobei dadurch die Empfindlichkeit des Systems gegen magnetische
Streufelder und elektrisches Rauschen im hohen Maße verringert
wird. Ohne eine derartige Impedanzanpassung macht das Rauschen von
einer Meter entfernten Standard-40-W-Armatur für Leuchtstoffröhren das
System unbrauchbar. Die Transformatoren (6) und (7)
stellen den Prüfspulen (6)
und (7) 25 A Wechselstrom bereit, um eine angemessene Erregung
des ferro magnetischen Stahls sicherzustellen. Für rostfreien Stahl und andere
nicht ferromagnetische Metalle kann eine niedrigere Erregung verwendet
werden, es gibt aber keinen echten Vorteil dafür, weil der Rauschabstand bei
niedrigen Ansteuerpegeln verschlechtert sein kann.
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Die
Wechselstrom-Signalquelle (1) muss 120 VAC bei 60 Hz für Stahlrohrmaterial
und bei 400 Hz für
Rohrmaterial aus rostfreiem Stahl bei 250 VAC bereitstellen können. Unter
Verwendung eines Sinuswellen-Wechselrichters und einer Speicherbatterie ist
das System vollständig
transportabel und gegen die harmonischen Inhalte der Versorgungsleistung unempfindlich.
Dies erlaubt dem Anwender, die harmonischen Spannungen (Frequenzen),
die die Impedanzunterschiede angeben, wie in den 16 und 17 gezeigt
ist, ohne Rauschen zu betrachten.
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Der
Detektor für
dieses Beispiel ist ein Oszilloskop (5), das außerdem die
Fourier-Transformation des
Brückensignals
bereitstellen kann, wie in den unteren Kurven nach den 16 und 17 gezeigt ist.
Um eine Prüfung
auszuführen,
wird die Prüfspule (9)
um ein Rohr des Speisewasservorwärmers
angeordnet oder bündig
auf die Oberfläche
der Verbindung zwischen zwei Wasserwand-Rohren ausgerichtet und über der
Verbindung zwischen zwei Wasserwand-Rohren zentriert, wie in 8 gezeigt
ist. Die Prüfspule
(7) wird für
Speisewasservorwärmer
um den zu prüfenden
Abschnitt (10) (1) und über dem zu prüfenden Abschnitt
für Wasserwände, wie
in den 8 und 9 gezeigt ist, angeordnet. Es
ist nützlich,
aber nicht notwendig, dass sich die Prüfspule (9) an einem
guten Abschnitt befindet, weil nur Differenzen detektiert werden,
wobei, wenn die Prüfspule
(9) zufällig
an einem schlechten Abschnitt beginnt, dann alle guten Abschnitte
(wahrscheinlich das meiste des Systems) ähnliche Anzeigen bereitstellen (16),
während
beschädigte
Abschnitte eine andere Anzeige bereitstellen. An diesem Punkt werden die
zwei Potentiometer-Schleifkontakte (34) und (44) (4)
leicht durch die Bedienungsperson für ein minimales Signal am Oszilloskop
eingestellt. Die Erfahrung des Anmelders ist, dass das Minimum auftritt, wenn
nur die zweite Harmonische sichtbar ist, wie in 16 gezeigt
ist.
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Die
Prüfanordnungen
für die
Rohre einer Wasserwand und eines Speisewasservorwärmers sind
in den 9 und 8 gezeigt. Während der Messungen muss angemessen
darauf geachtet werden, sicherzustellen, dass sich die Prüfspulen
(6) und (7) innerhalb 1 cm koaxial und innerhalb
von 5 Grad parallel über
dem Spei sewasservorwärmer
(9) und bündig
und zentriert innerhalb 1 cm über
einer Rohrverbindung für
die Wasserwand (8) befinden.
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Die
Defekte, die detektiert werden, sind für den Speisewasservorwärmer wohldefiniert,
sie sind aber für
die Wasserwand nicht ebenso gut definiert. Dieses Ergebnis ist in 7 leicht
zu sehen, die zeigt, dass das Signal für gute Speisewasservorwärmer sehr
niedrig und für
schlechte Speisewasservorwärmer
sehr hoch ist (die Beispiele 1–6).
Andererseits ist das Minimum im Allgemeinen für Wasserwand-Messungen höher, was
für eine
niedrigere Bestimmtheit der Defekte sorgt. Für die Wasserwand ist ein verschlechterter
und geschwärzter
Bereich (W0, W1) für
das Auge sichtbar, wie in 10 schematisch
gezeigt ist. Dieser Bereich erscheint als beschädigt, aber in einer schlecht
charakterisierten Weise. Um bei diesem Verständnis zu unterstützen, hat
der Anmelder außerdem
einen Bereich (W2) 2,5 mm tief eben geschliffen. Der Anmelder hat
außerdem
2,5 mm zwischen mehreren Kühlrippen
des Speisewasservorwärmers
abgeschliffen (13), nur um einen bekannten
Sägezahndefekt
mit dem sichtbaren Defekt zu vergleichen, der sich aus der Betriebserosion ergibt
(12). In 10 zeigt
der Anmelder eine schematische graphische Darstellung des Wasserwand-Prüfabschnitts,
wobei die Prüfpunkte
beschriftet und der geschwärzte
Bereich schraffiert ist. Die Prüfpunkte
sind W0, W1, ..., W8.
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Zuerst
wird der Speisewasservorwärmer
erörtert.
Die 11–15 enthaltenen
Fotographien der Probestücke.
Die Identifikation der guten Proben erscheint für das Auge offensichtlich.
Der Anmelder hat diese verwendet, um Basislinien für den intrinsischen
Rauschabstand als eine Funktion der normalen Produktvariationen
aufzustellen. Unter Verwendung einer Schleifmaschine hat der Anmelder 2,5-mm-Defekte im Zwischenbereich
eines Rohrs (E3) angeordnet (13), der
vorher als "gut" charakterisiert
worden ist. Die Zunahme des Signals war sofort offensichtlich. Außerdem hat
der Anmelder die betriebsinduzierte Erosion (12) als
etwa 2,5 mm tief und winklig charakterisiert, wobei sie nur auf
der Stirnseite in Richtung auf die heiße Gebläseluft erscheint. In allen
Fällen
ist die Beschädigung,
ob sie künstlich
oder echt ist, aus den Daten der Gegeninduktivitätsbrücke leicht ersichtlich. Wichtiger
erzeugen alle beschädigten
Bereiche (12, 13) beträchtlich
(etwa 30mal) größere Signale
als dies die Bereiche eines bekannten guten Rohrmaterials des Speisewasservorwärmers tun.
Ein Beispiel einer Messung eines schlechten Rohrmaterials des Speisewasservorwärmers ist
in 17 gezeigt. In 17 wird
die erste Harmonische im Vergleich zur zweiten Harmonischen groß, die für ein gutes
Rohr vorherrscht, wie in 16 gezeigt
ist. Dieses Verhältnis (30:1)
ist das Vertrauensverhältnis
für Prüfungen des Speisewasservorwärmers. Es
ist ganz wahrscheinlich, dass, wenn mehrere Kühlrippen gebogen sind, es außerdem eine
Angabe einer Beschädigung
unter Verwendung der Gegeninduktivitätsbrücke geben kenn, selbst wenn
sie durch keine Dickenfehler (ein Unterschied in der Menge des Magnetwerkstoffs)
begleitet werden. Eine gebogene Kühlrippe ist für eine Bedienungsperson
offensichtlich, die eine Beurteilung hinsichtlich dessen ausführen kann,
ob der geometrische Defekte wichtige Wandstärkendefekte maskiert oder nicht.
Es wird angegeben, dass diese induzierten Defekte (13)
in der Größenordnung von
1/3 der Wandstärke
lagen und sich nur über
1 bis 2 cm bis 15-cm-Umfangs des Rohrs erstreckten. Diese Defekte
besitzen außerdem
eine Größe, die
nützlich
ist, damit die Bedienungsperson eines Kraftwerks sie detektiert
und Schritte unternimmt. Es wird außerdem angegeben, dass der
Rauschabstand für diese
Prüfungen
so gut ist, dass eine Bedienungsperson oder eine mechanische Vorrichtung
die Prüfspule
um mehrere Meter pro Sekunde bewegen und immer noch gute Ergebnisse
erhalten kann. Wichtiger schafft die Gegeninduktivitätsbrücke eine
quantitative Bewertung des Rohrmaterials eines Wärmetauschers, die verwendet
werden kann, um die Erosion zu verfolgen und um Ausfälle vorherzusagen,
wie die Daten erfasst und verstanden werden.
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Obwohl
das Gegeninduktivitätsbrückensystem
für Anwendungen
für Rohre
von Speisewasservorwärmern
entwickelt worden ist, ist es auf Wasserwände angewendet worden, was
positive Ergebnisse lieferte. Für
das Prüfen
einer Wasserwand wurden die Spulen auf ein Rohr, wie z. B. ein PVC-Rohr,
gewickelt und der Wand benachbart angeordnet, wie in den 14 und 15 gezeigt
ist. 14 und 15 und 10 zeigen
den Ort der Spulen für Prüfungen von
Wasserwänden.
Es wurde angenommen, dass die an der unbeschädigten Seite entfernt von der
Flamme ausgeführten
Prüfungen
einen ursprünglichen
Zustand darstellen. Für
alle Prüfungen von
Wasserwänden
wurde die Gegeninduktivitätsbrücke einmal
für Prüfungen auf
der Verschleißseite und
einmal für
Prüfungen
auf der Rückseite
eingestellt. Es war klar, dass die nicht abgenutzte Rückseite
durchweg sehr kleine Signale erzeugte, die eine sehr kleine Variation über die
ganze Oberfläche
angeben. Die abgenutzte Vorderseite war komplexer. Weil das größte "Guter-Abschnitt"-Signal etwa 22 mV betrug
und das kleinste Schlechter-Abschnitt-Signal 43 mV gewesen sein
kann, war im Vergleich zum 30:1 für den Speisewasservorwärmer der
Spielraum vom Guter-Abschnitt-Signal im schlimmsten Fall zum Schlechter-Abschnitt-Signal
im schlechtesten Fall nur 2:1. Wenn das Beispiel 11 (7)
(unbekannter Zustand) verworfen wird, dann erzeugte der Defekt ein
Vertrauensverhältnis
von 5:1. Obwohl der Anmelder keine angemessenen abweichenden Proben
besitzt, von denen die Technik im Allgemeinen zu quantifizieren
ist, würde
eine Detektion einer 25%-Änderung
der ursprünglichen
Wandstärke
ein Grund für eine
Sorge um das Kraftwerk sein.
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Die
Gesamtschlussfolgerungen können
erreicht werden, indem die entsprechende graphische Darstellung
untersucht wird (7). Die Oszilloskopspuren (die 16 und 17)
zeigen Beispiele der Prüfung
eines guten und eines schlechten Rohrs eines Speisewasservorwärmers, mit
dem Ergebnis, dass sich zeigt, dass jedes Effektivwertsignal der
Gegeninduktivitätsbrücke von
etwa 40 mV einen schlechten Abschnitt des Austauschers angibt. Wenn außerdem die
erste Harmonische beginnt, vorherrschend zu werden, gibt es an,
dass es ein unausgeglichenes und möglicherweise schlechtes Rohr
gibt.
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Es
kann außerdem
zu umfassenden Schlussfolgerungen aus 7 gelangt
werden, was die Gesamtmenge des fehlenden Metalls betrifft, die detektierbar
ist. Diese Menge liegt in der Größenordnung
von 0,5 mm über
der ganzen Oberfläche
für die Wasserwand
und etwa das Gleiche über
dem ganzen Durchmesser für
den Speisewasservorwärmer.
Der einzige Datenpunkt im unbekannten Zustand (Beispiel 11) kann
jedoch die Detektionsgrenzen der Wasserwand beträchtlich in einer unvorteilhaften Richtung ändern. Es
wird außerdem
angegeben, dass eine stark gebogene Kühlrippe mit nur kleinen Mengen
der Wanderosion als schlecht gezeigt wird (Beispiel 7).
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Eine
Zusammenfassung der Prüfungsergebnisse
basiert auf dem Effektivwertsignal der Gegeninduktivitätsbrücke. Die
graphischen Darstellungen für
die Grundfrequenz sind im Wesentlichen dieselben. Aus dieser graphischen
Darstellung erscheint es annehmbar, einen schlechten Abschnitt (entweder Wasserwand
oder Speisewasservorwärmer)
als irgendetwas mit einem Signal über etwa 40 mV zu definieren.