Verfahren zur kapazitiven Detektion von Fehlstellen in Polymerrohren und

Vorrichtung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kapazitiven Detektion von Fehlstellen in Polymerrohren, vorrangig in Rohren aus vernetztem Polyethylen (PE-X).

Vernetzte PE-X-Rohre finden hauptsächlich Verwendung im Bausektor, hier vorzugsweise als Trinkwasser-, Heizungs- oder Gasrohre.

Von den drei üblichen Vernetzungsverfahren von PE, nämlich mittels energiereicher Strahlen (PE-Xc) oder durch Zugabe von Peroxid (PE-Xa) oder durch Pfropfung mittels Tri- methoxyvinylsilan (PE-Xb), beträgt der jährliche Tonnageanteil der peroxidvernetzten Rohre (PE-Xa) etwa 31 % an der Gesamtproduktion von PE-X.

Nachteilig am Vernetzungsverfahren mittels Peroxid ist auch heute noch vor allem der Umstand, dass die chemische Umsetzung des Peroxids mit dem PE im Extruder nur in einem sehr engen, verfahrenstechnisch schwierig beherrschbaren Bereich quantitativ und somit ohne Bildung von Fehlstellen, wie Vorvernetzungen oder Lunker, verläuft. Diese Fehlstellen können zu vorzeitigem Versagen des Rohres führen. So sind beispielsweise bei einer Fußbodenheizung schwerwiegende Bauschäden zu erwarten und bei Gasrohren sogar Leib und Leben gefährdet.

Es gab daher schon frühzeitig Versuche, vor allem die Verfahrenstechnik der Rohrherstellung zu optimieren und parallel dazu zuverlässige Verfahren zur Detektion von Fehlstellen im extrudierten Rohr zu entwickeln.

Stand der Technik bei der Detektion von Fehlstellen in PE-X-Rohren sind heute insbesondere folgende Methoden:

Hochspannungsverfahren

Beim Hochspannungsverfahren wird das zu prüfende Rohr durch eine Ringelektrode (z.B. Ringbürste) gezogen, wobei sich an gleicher Stelle im Rohrinnern eine geerdete Dornelektrode befindet. Die Prüfspannung wird zwischen Ringelektrode und Domelektrode angelegt. Nachteilig am Hochspannungsverfahren sind das hohe Gefahrenpotential auf Grund der anzulegenden Spannung im Bereich von ca. 12 bis 50 kV und die Entstehung von Ozon bei Hochspannungsdurchschlägen, die Abhängigkeit von der Rohrwanddicke (Außendurchmesser < 20 mm) und vor allem, dass nur bestimmte Fehler (Haarrisse, durchgängige Löcher und Fremdkörper inklusive Vorvernetzungen) detektierbar sind - mit der weiteren Einschränkung, dass sich die Fehler nahezu durch die gesamte Rohrwand erstrecken müssen. Das Hochspannungsverfahren prüft letztendlich die elektrischen Isolationseigenschaften eines Rohres.

Ultraschallverfahren

Dabei sind verschiedene Systeme zu unterscheiden: stationär um das Rohr angeordnete Ultraschallprüf köpfe erfassen jeweils nur einen sehr schmalen, linearen Bereich, während rotierende Prüfkopfsysteme das Kunststoffrohr schraubenförmig messen und prüfen. Das Ultraschallverfahren hat den Hauptnachteil, dass sehr hohe Investitionskosten, meist > 100.000 EUR, anfallen, weiterhin, dass das Verfahren nach wie vor vorrangig zur Wanddicken- und/oder Durchmesserbestimmung mittels Laufzeitmessung eingesetzt wird.

Kapazitive Zweielektroden-Sensoren verwendet man seit Kurzem als Labelsensoren insbesondere zum Erkennen von transparenten Labels auf transparenten Substraten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und die entsprechende Vorrichtung bereitzustellen, das zuverlässig die Detektion - gerade auch eingeschlossener - Fehlstellen auf dem gesamten Rohrumfang und über die gesamte Wandstärke des Rohres ermöglicht, das unabhängig von der Lichtdurchlässigkeit des Rohres arbeitet, weiterhin vom Verfahren her kein Gefährdungspotential aufweist und insbesondere möglichst kostengünstig ist.

Die Aufgabe konnte gelöst werden durch ein kapazitives Dreielektrodenverfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 , sowie durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 8.

Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen finden sich in den jeweiligen Unteransprüchen.

Das wesentliche Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass mittels eines, in einem Gehäuse angeordneten, rohrförmigen Kondensators, der an die Geometrie des zu untersuchenden Polymerrohres angepasst ist, in Verbindung mit mindestens einer Empfangs- und mindestens einer Sendeantenne jeweils ein elektrisches Feld erzeugt wird. Hierbei befindet sich die Sendeantenne im Gehäusemittelteil, die Empfangsantenne im Bereich der Gehäuseflansche.

Das im Gehäusemittelteil erzeugte elektrische Feld wird durch paarweise, ringförmige und parallel angeordnete Messelektroden, welche das zu prüfende Rohr umfassen, überwacht und evtl. Feldänderungen mittels einer Anzeige- und Auswertungselektronik detektiert. Das im Bereich der Gehäuseflansche erzeugte elektrische Feld wird über die Empfangsaπ- tenne an die im Bereich des Gehäusemittelteils weitgehend ortsfest gehaltene Sendeantenne über einen elektrischen Leiter übertragen.

Das zu untersuchende Polymerrohr selbst und der Luftspalt zwischen Polymerrohr und Kondensatorelektroden bilden das Dielektrikum.

Bezugnehmend auf die Fig. 1 wird das Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt dabei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschnitten in einer perspektivischen Ansicht.

Das zu prüfende Polymerrohr (2) durchläuft - vorzugsweise unmittelbar nach dem Herstel- lungsprozess - die erfindungsgemäße Vorrichtung derartig, dass die Achse des zu prüfenden Rohres (2) - die zugleich die Extrusionslinie darstellt - mit der Längsachse der Vorrichtung übereinstimmt.

Bewegt sich nun das extrudierte Polymerrohr (2) mit einer eingeschlossenen Fehlstelle (13) in der Wandung durch den Messbereich an der in Bewegungsrichtung des Polymerrohres (2) nächstliegenden Messelektrode (6B) vorbei, ändert sich dort lokal das Dielektrikum.

Dadurch empfängt Messelektrode (6B) ein gestörtes Signal, während das Signal an der Messelektrode (6A) noch ungestört ist.

Im weiteren Verlauf der Extrusion wird das Rohrstück mit der eingeschlossenen Fehlstelle (13) aus dem Bereich der Messelektrode (6B) heraus und in den Bereich der Messelektrode (6A) hineinbewegt. Das hat nun zur Folge, dass Messelektrode (6B) nun wieder das ungestörte Signal empfängt, während die Messelektrode (6A) ein gestörtes Signal empfängt.

Erfindungsgemäß sind mindestens zwei paarweise angeordneten Messelektroden (6A; 6B) erforderlich, da erst der Vergleich der beiden an den Messelektroden (6A; 6B) abgegriffenen Signale eine zuverlässige Fehlstellendetektion ermöglicht.

Eine einzige Messelektrode würde dagegen eine zufällige Schwankung der Kondensatorkapazität bereits als Fehlstelle detektieren.

Es ist ein weiterer, wesentlicher Teil des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung, dass das Gehäuse einerseits mit dem positiven Pol („heißes Ende") einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle - vorzugsweise einem Rechtecksignal - und andererseits dem Schutzleiter, also dem Erdpotential (PE) verbunden ist, und dass die Kondensatorelektrode sowohl mit dem negativen Pol („kaltes Ende") einer hochfrequenten Wechselspannungsquelle als auch mit Masse (GND) Kontakt hat. Das Gehäuse, die Kondensatorelektrode und die Messelektroden sind gegeneinander jeweils elektrisch isoliert.

Die von den Messelektroden empfangenen, jeweils paarweisen Signale werden einer üblichen Auswerteelektronik (11) zugeführt: In Eingangswechselspannungsverstärkern erfolgt die Verstärkung der Signale, anschließend das Gleichrichten über Dioden, eine weitere Verstärkung durch Operationsverstärker und die Mittelwertbildung der paarweisen Eingangssignale.

Das Ausgangssignal der Mittelwertbildung wird durch einen Operationsverstärker gegenüber Masse (GND) verglichen und nachfolgend differenziert. Dieses differenzierte Signal kann für verschiedene Aktionen benutzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus folgenden Komponenten:

- A -

1. Gehäuse (1)

Das metallische Gehäuse (1) - vorzugsweise aus Aluminium ausgeführt - dient als tragendes Element. Es besteht bevorzugt aus einem rohrförmigen Körper, der aus Gründen der besseren Zugänglichkeit und/oder Montage entlang seiner Symmetrielängsachse geteilt sein kann.

Das metallische Gehäuse (1) gliedert sich wie folgt auf:

a) Gehäusemittelteil (3)

Der Gehäusemittelteil (3) trägt die elektrischen Anschlüsse, die rohrförmige Elektrodenaufnahme (7) und die beiden Gehäuseflansche (4A; 4B). Es ist koaxial zum zu prüfenden Polymerrohr (2) ausgerichtet.

Die rohrförmige Elektrodenaufnahme (7) enthält die rohrförmige Kondensatorelektrode (5), die Messelektroden (6A; 6B) und die elektrische Isolation der Elektroden untereinander und gegenüber dem Gehäusemittelteil (3).

Die metallische Kondensatorelektrode (5) besteht vorzugsweise aus Aluminium, sie ist rohrförmig und kann aus Gründen der besseren Zugänglichkeit und/oder Montage entlang ihrer Symmetrielängsachse geteilt sein.

Die Messelektroden (6A; 6B), vornehmlich ring- oder ringsegmentförmig ausgeführt, sind elektrisch leitfähig, vorzugsweise aus Aluminium, und zueinander parallel und paarweise angeordnet. Der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Messelektroden (6A; 6B) und der Oberfläche des Polymerrohrs (2) ist < 5 mm zu halten.

Des weiteren sind die Messelektroden (6A; 6B) erfindungsgemäß möglichst mittig innerhalb der Kondensatorelektrode (5) zu positionieren.

Zweckmäßigerweise ist die Anordnung der Messelektroden (6A; 6B) zueinander so auszulegen, dass für das Verhältnis der Breite (b) einer Messelektrode (6A; 6B) zum Abstand (w) der beiden zueinander gilt: b/w = 0,5 bis 0,66.

b) Gehäuseflansche (4A; 4B)

Die beiden Gehäuseflansche (4A; 4B) sind beiderseits am zylindrischen Gehäusemittelteil (3) - zweckmäßigerweise lösbar - befestigt und dienen der übertragung des hochfrequenten Sendesignals mittels kapazitiver Kopplung auf die Empfangsantenne (9), sowie der Führung des zu prüfenden Polymerrohrs (2).

Die Innendurchmesser der Gehäuseflansche und der Außendurchmesser des Polymerrohrs (2) sind so zu wählen, dass unter Berücksichtigung der Rohrtoleranzen ein Luftspalt < 3 mm erreicht wird.

Das Durchmesserverhältnis von Polymerrohr (2) (α) zu Messelektrode (6A; 6B) (ß) zu Kondensatorelektrode (5) (γ) beträgt bevorzugt 1 zu 1 ,3 zu 1 ,6, wobei der Wert von ß zwischen 0,6 und 2,0 und der Wert von γ zwischen 0,9 und 2,3 liegen kann.

2. Innendorn

Im Bereich des Gehäuses (1) befindet sich der Innendorn erfindungsgemäß im Inneren des zu prüfenden Polymerrohrs (2) und wird - vorzugsweise magnetisch - ortsfest und konzentrisch gehalten. Er besteht aus folgenden Komponenten, die miteinander über einen elektrischen Leiter (12) verbunden sind:

a) Empfangsantenne (8)

Die Empfangsantenne (8) - vorzugsweise aus Aluminium - kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Sie empfängt das hochfrequente Signal vom Gehäuseflansch (4A; 4 B) und leitet dieses weiter an die Sendeantenne (9). Die Länge der Empfangsantenne (8) darf die Länge des Gehäuseflansches (4A; 4B) nicht überschreiten, sie beträgt das 2- bis 7-fache des Durchmessers des Polymerrohres (2).

Des weiteren ist die Empfangsantenne (8) so auf dem Innendorn zu positionieren, dass sie sich jeweils möglichst mittig innerhalb des zugehörigen Gehäuseflansches (4A; 4B) befindet.

b) Sendeantenne (9)

Die Sendeantenne (9) kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Sie bildet sowohl mit der Kondensatorelektrode (5), als auch mit den Messelektroden (6A; 6B) die drei zylindrischen, koaxialen Kondensatoren.

Die elektrostatischen Felder zwischen Sendeantenne (9) und Kondensatorelektrode (5) bzw. Sendeantenne (9) und Messelektroden (6A; 6B) durchdringen das zu prüfende Polymerrohr (2) radial und homogen. Die Länge der Sendeantenne (9) des Innendorns darf die Länge der Kondensatorelektrode (5) nicht überschreiten, sie sollte sich möglichst mittig innerhalb der Kondensatorelektrode (5) befinden.

Die jeweilige Länge (δ) von Sendeantenne (9) zu der Länge (ε) der Kondensatorelektrode (5) zu der Länge (χ) der Empfangsantenne (8) weist vorzugsweise folgendes Verhältnis auf: δ zu ε zu χ = 1 zu 1 ,2 zu 1 ,3, wobei der Wert von ε zwischen 1 ,1 und 2,0, der Wert von χ zwischen 1 ,2 und 2,1 liegen kann.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben:

Das zu prüfende PE-X-Rohr (2) hat einen Außendurchmesser von 24 mm, einen Innendurchmesser von 20 mm, entsprechend eine Wandstärke von 2 mm; es verfügt in der Rohrwandung über eine Fehlstelle (13), einen voll eingeschlossenen Partikel mit 3 mm Durchmesser aus einem Füllstoffagglomerat.

Nach der Abkühlzone der Extrusionsstrecke läuft das Rohr online in die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, deren Gehäuseteile jeweils als Halbschalen ausgeführt sind. Der Luftspalt zwischen dem Innendurchmesser des zylindrischen Teils des Gehäuseflansches (4A; 4B) und dem Außendurchmesser des Polymerrohrs (2) beträgt jeweils 1 mm. Der Abstand zwischen dem Innendurchmesser der Messelektroden (6A; 6B) und dem Außendurchmesser des PE-X-Rohres (2) beträgt jeweils 3 mm.

Die beiden, jeweils aus zwei Halbringen bestehenden Messelektroden (6A; 6B) sind in einem Abstand von 3 mm zueinander angeordnet, ihre jeweilige Breite beträgt 2 mm. Die Kondensatorelektrode (5) besteht aus zwei Halbschalen.

Die Außendurchmesser der jeweiligen Messelektrode betragen 26 mm, der der Kondensatorelektrode 33 mm.

Die Länge der Kondensatorelektrode (5) beträgt 80 mm, der Sendeantenne (9) 47 mm, der beiden Empfangsantennen (8) insgesamt 168 mm.

Bewegt sich nun das extrudierte Polymerrohr (2) mit der eingeschlossenen Fehlstelle (13) in der Wandung, durch den Messbereich an der in Bewegungsrichtung des Polymerrohres (2) nächstliegenden Messelektrode (6B) vorbei, ändert sich dort lokal das Dielektrikum. Dadurch empfängt Messelektrode (6B) ein gestörtes Signal, während das Signal an der Messelektrode (6A) noch ungestört ist.

Im weiteren Verlauf der Extrusion wird das Rohrstück mit der Fehlstelle (13) aus dem Bereich der Messelektrode (6B) heraus und in den Bereich der Messelektrode (6A) hineinbewegt. Das hat nun zur Folge, dass Messelektrode (6B) nun wieder das ungestörte Signal empfängt, während die Messelektrode (6A) ein gestörtes Signal empfängt.

Diese Messsignale werden nun ausgewertet und über eine Schaltstufe zum Schalten eines Relais genutzt, das beispielsweise mit einem entsprechenden Laser verbunden ist. Dieser kennzeichnet Beginn und Ende der detektierten Fehlstelle (13) im Polymerrohr (2), später wird diese dann aus dem Rohrbund herausgetrennt.

- Patentansprüche -