СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕМКОСТНОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ В ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБАХ
PROCEDURE AND DEVICE FOR CAPACITIVE DETECTION OF DEFECTS IN POLYMER PIPES

Изобретение относится к способу и устройству для емкостного обнаружения дефектов в полимерных трубах, главным образом, в трубах из сшитого полиэтилена (ПЭ-X).
Сшитые трубы из ПЭ-X находят применение в основном в строительном секторе, предпочтительно как трубы для питьевой воды, тепловых или газовых сетей.
При трех известных способах сшивки ПЭ, а именно с помощью жесткого излучения (ПЭ-Xc), или добавлением пероксида (ПЭ-Xa), или прививкой триметоксивинилсилана (ПЭ-Xb), ежегодный тоннаж труб, сшитых пероксидом (ПЭ-Xa), составляет около 31% от всего производства ПЭ-X.
Недостатком способа сшивки пероксидом и сегодня еще является прежде всего то обстоятельство, что химическая реакция пероксида с ПЭ в экструдере протекает количественно и, таким образом, без образования дефектов, таких как преждевременные сшивки или усадочные раковины, лишь в очень узкой, технологически трудно контролируемой области. Эти дефекты могут привести к преждевременному выходу труб из строя. Так, например, при обогреве пола следует ожидать серьезных повреждений конструкции, а в случае газовых труб возникает даже угроза жизни.
Поэтому уже давно предпринимались попытки прежде всего оптимизировать технологию изготовления труб и параллельно этому разработать надежные способы обнаружения дефектов в экструдированных трубах.
Уровнем техники при обнаружении дефектов в ПЭ-X-трубах представляют сегодня, в частности, следующие методы:
Способ высокого напряжения
В способе высокого напряжения проверяемая труба протягивается через кольцевой электрод (например, щетку для контактных колец), причем в этом же месте внутри трубы находится заземленный электрод в виде медной оправки. Испытательное напряжение прикладывается между кольцевым электродом и медной оправкой. Недостатком способа высокого напряжения являются высокая опасность поражения вследствие прикладываемого напряжения, лежащего в диапазоне примерно от 12 до 50 кВ, образование озона при высоковольтном пробое, зависимость от толщины стенок трубы (наружный диаметр ≤ 20 мм) и, прежде всего, то, что могут быть обнаружены только определенные дефекты (волосяные трещины, сквозные дыры и инородные тела, в том числе преждевременные сшивки), при том дополнительном ограничении, что дефекты должны простираться почти по всей стенке трубы. Наконец, способ высокого напряжения проверяет электроизоляционные свойства трубы.
Ультразвуковой способ
При этом нужно различать разные системы: стационарный, расположенный вокруг трубы ультразвуковой щуп сканирует только очень тонкую линейную область, в то время как системы с вращающимся щупом измеряют и проверяют пластмассовую трубу по спирали. Основным недостатком ультразвукового способа являются очень высокие капитальные затраты, чаще всего превышающие 100000 евро и, кроме того, то, что данный способ по-прежнему применяется, главным образом, для определения толщины и/или диаметра стенок по измерению фазового сдвига.
С недавних пор емкостные двухэлектродные датчики применяются как датчики наличия меток, в частности, для распознавания прозрачных этикеток на прозрачных подложках.
Задачей настоящего изобретения является разработка способа и соответствующего устройства, которые позволяют с надежностью обнаружить дефекты, в том числе скрытые, по всей периферии трубы и по всей толщине трубы, что осуществлется независимо от светопроницаемости трубы, а кроме того, способа, который не представляет опасности и, в частности, является по возможности экономичным.
Эту задачу удалось решить с помощью емкостного трехэлектродного способа с отличительными признаками пункта 1 формулы изобретения, а также устройством по пункту 8.
Предпочтительные формы реализации и усовершенствования представлены в соответствующих зависимых пунктах.
Существенным отличительным признаком способа согласно изобретению является то, что посредством помещенного в корпус трубчатого конденсатора, форма которого соответствует геометрии исследуемой полимерной трубы, при соединении с по меньшей мере одной принимающей и по меньшей мере одной передающей антенной создается соответствующее электрическое поле. При этом передающая антенна находится в средней части корпуса, а приемная антенна в области фланца корпуса.
Электрическое поле, образованное в средней части корпуса, детектируемое трубчатыми измерительными электродами, расположенными попарно и параллельно, которые охватывают проверяемую трубу, и возможные изменения поля детектируются индикаторными электронными устройствами и устройствами обработки данных. Создаваемое в области фланца корпуса электрическое поле передается через приемную антенну по электрическому проводнику в область находящейся в средней части корпуса и удерживаемой по существу неподвижно передающей антенны.
Сама проверяемая полимерная труба и воздушный зазор между полимерной трубой и конденсаторными электродами образуют диэлектрик.
Способ, а также соответствующее устройство подробнее объясняются посредством чертежа, на котором показано устройство для осуществления способа в перспективном изображении в разрезе.
Проверяемая полимерная труба (2) проходит, предпочтительно сразу после процесса изготовления, через устройство по изобретению так, чтобы ось проверяемой трубы (2), которая является одновременно линией экструзии, совпадала с продольной осью устройства.
Если экструдированная полимерная труба (2) со скрытым дефектом (13) в стенке проходит через область измерения мимо ближайшего в направлении движения полимерной трубы (2) измерительного электрода (6B), там локально изменяется диэлектрик (диэлектрические свойства). При этом измерительный электрод (6B) принимает искаженный сигнал, тогда как сигнал на измерительном электроде (6A) еще не искажен.
При дальнейшем движении при экструзии участок трубы со скрытым дефектом (13) выходит из области измерительного электрода (6B) и входит в область измерительного электрода (6A). В результате этого теперь измерительный электрод (6B) снова принимает неискаженный сигнал, а измерительный электрод (6A) принимает искаженный сигнал.
Согласно изобретению, требуется по меньшей мере два расположенных попарно измерительных электрода (6A; 6B), так как только сравнение обоих сигналов, принятых измерительными электродами (6A; 6B), делает возможным надежное обнаружение дефектов.
Напротив, единственный измерительный электрод детектировал бы как дефект случайное колебание емкости конденсатора.
Другой существенной особенностью способа по изобретению или устройства по изобретению является то, что корпус соединен с одной стороны с положительным полюсом ("горячий край") источника высокочастотного переменного напряжения, предпочтительно формирующим сигналы прямоугольной формы, а с другой стороны с защитным проводом, то есть потенциалом земли (ПЭ), при этом конденсаторный электрод находится в контакте как с отрицательным полюсом ("холодный конец") источника высокочастотного переменного напряжения, так и с массой (GND). Корпус, конденсаторный электрод и измерительные электроды электрически изолированы друг от друга.
Принятые от измерительных электродов, всегда парные сигналы подают на обычные электронные приборы (11) обработки данных: во входном усилителе переменного напряжения происходит усиление сигналов, затем выпрямление диодами, дальнейшее усиление операционным усилителем и формирование среднего значения парных входных сигналов.
Выходной сигнал после усреднения сравнивается операционным усилителем с массой (GND) и затем дифференцируется. Этот дифференцированный сигнал может использоваться для разных действий.
Устройство согласно изобретению состоит из следующих компонентов:
1. Корпус (1)
Металлический корпус (1), выполненный предпочтительно из алюминия, служит несущим элементом. Он состоит предпочтительно из трубчатого тела, которое для лучшей доступности и/или монтажа может быть разделено вдоль его оси симметрии.
Металлический корпус (1) подразделяется на:
a) среднюю часть (3) корпуса
Средняя часть (3) корпуса несет электрические подключения, трубчатый захват (7) электродов и два фланца (4A; 4B) корпуса. Она установлена на одной оси с проверяемой полимерной трубой (2).
Трубчатый захват (7) электродов содержит трубчатый конденсаторный электрод (5), измерительные электроды (6A; 6B) и электрическую изоляцию электродов друг от друга и от средней части (3) корпуса.
Металлический конденсаторный электрод (5) состоит предпочтительно из алюминия, он имеет форму трубы и из соображений лучшей доступности и/или монтажа может быть разделен вдоль его оси симметрии.
Измерительные электроды (6A; 6B), способные проводить электричество, выполнены преимущественно в форме кольца или кольцевого сегмента, предпочтительно из алюминия, и расположены парами параллельно друг другу. Расстояние между внутренним диаметром измерительных электродов (6A; 6B) и поверхностью полимерной трубы (2) следует держать ≤ 5 мм.
Кроме того, измерительные электроды (6A; 6B) согласно изобретению следует размещать внутри конденсаторного электрода (5) как можно ближе к центру.
Целесообразно так рассчитать расположение измерительных электродов (6A; 6B) относительно друг друга, чтобы для отношения ширины (b) измерительного электрода (6A; 6B) к расстоянию (w) между ними выполнялось:
b/w = 0,5-0,66
b) фланцы (4A; 4B) корпуса
Оба фланца (4A; 4B) с обеих сторон скреплены с цилиндрической средней частью (3) корпуса, целесообразно с возможностью разборки, и служат для передачи высокочастотного передающегося сигнала с помощью емкостной связи на приемную антенну (9), а также для проведения проверяемой полимерной трубы (2).
Внутренний диаметр фланцев корпуса и наружный диаметр полимерной трубы (2) следует выбирать так, чтобы с учетом допуска на трубы воздушный зазор был ≤ 3 мм.
Отношение диаметров полимерной трубы (2) (α), измерительного электрода (6A; 6B) (β) и конденсаторного электрода (5) (γ) составляет предпочтительно 1:1,3:1,6, причем значение β может составлять от 0,6 до 2,0, а значение γ от 0,9 до 2,3.
2. Сердечник
Согласно изобретению, в области корпуса (1) внутри проверяемой полимерной трубы (2) концентрически ей находится сердечник, который удерживается предпочтительно с помощью магнитного поля. Он состоит из следующих компонентов, которые соединены друг с другом электрическим проводом (12):
a) приемная антенна (8)
Приемная антенна (8), предпочтительно из алюминия, может быть выполнена как единая или разъемная деталь. Она принимает высокочастотный сигнал от фланца (4A; 4B) корпуса и проводит его на передающую антенну (9). Длина приемной антенны (8) не должна выходить за длину фланцев (4A; 4B) корпуса, она составляет от 2 до 7 диаметров полимерной трубы (2).
Кроме того, приемная антенна (8) так позиционирована по отношению к сердечнику, чтобы она находилась в пределах соответствующего фланца корпуса (4A; 4B) как можно ближе к центру.
b) передающая антенна (9)
Передающая антенна (9) может быть выполнена как единая деталь или быть разъемной. Она образует как с конденсаторным электродом (5), так и с измерительными электродами (6A; 6B) три цилиндрических коаксиальных конденсатора.
Электростатические поля между передающей антенной (9) и конденсаторным электродом (5) или передающей антенной (9) и измерительными электродами (6A; 6B) равномерно пронизывают проверяемую полимерную трубу (2) по радиусу. Длина передающей антенны (9) сердечника не должна выходить за длину конденсаторного электрода (5), антенна должна находиться внутри конденсаторного электрода (5) как можно ближе к центру.
Отношение соответствующих длины (δ) передающей антенны (9), длины (ε) конденсаторного электрода (5) и длины (χ) приемной антенны (8) предпочтительно является следующим: δ:ε:χ=1:1,2:1,3, причем значение ε может составлять от 1,1 до 2,0, а значение χ от 1,2 до 2,1.
Далее изобретение описывается на одном примере реализации.
Проверяемая ПЭ-X-труба (2) имеет наружный диаметр 24 мм, внутренний диаметр 20 мм, что соответствует толщине стенок 2 мм; она имеет дефект (13) в стенке, полностью закрытую частицу диаметром 3 мм из агломерата наполнителя.
После зоны охлаждения линии экструзии труба движется по технологической схеме в испытательное устройство согласно изобретению, части корпуса которого выполнены как половинки трубы. Воздушный зазор между внутренним диаметром цилиндрической части фланцев (4A; 4B) корпуса и наружным диаметром полимерной трубы (2) составляет соответственно 1 мм. Расстояние между внутренним диаметром измерительных электродов (6A; 6B) и наружным диаметром ПЭ-X-трубы (2) составляет соответственно 3 мм.
Оба состоящих из двух полуколец измерительных электрода (6A; 6B) расположены на расстоянии 3 мм друг от друга, их ширина составляет 2 мм. Конденсаторный электрод (5) состоит из двух половинок трубы.
Наружный диаметр соответствующего измерительного электрода составляет 26 мм, диаметр конденсаторного электрода - 33 мм.
Длина конденсаторного электрода (5) составляет 80 мм, передающей антенны (9) - 47 мм, длина обеих приемных антенн (8) - в сумме 168 мм.
Если теперь экструдированная полимерная труба (2) со скрытым дефектом (13) в стенке проходит через область измерения измерительного электрода (6B), находящегося ниже в направлении движения полимерной трубы (2), там локально изменяется диэлектрик. Из-за этого измерительный электрод (6B) принимает искаженный сигнал, тогда как сигнал на измерительный электрод (6A) еще является неискаженным.
При дальнейшем ходе экструзии кусок трубы с дефектом (13) выходит из зоны измерительного электрода (6B) и входит в зону измерительного электрода (6A). Теперь в результате этого измерительный электрод (6B) снова принимает неискаженный сигнал, а измерительный электрод (6A) принимает искаженный сигнал.
Затем эти измерительные сигналы обрабатываются и через ступень переключения используются для выключения реле, которое, например, соединено с соответствующим лазером. Он отмечает начало и конец обнаруженного дефекта (13) в полимерной трубе (2), позднее он будет удален из пакета труб.