DE102005048726B4

DE102005048726B4 - Lecksucher

Info

Publication number: DE102005048726B4
Application number: DE102005048726A
Authority: DE
Inventors: Heiko BÜHRING
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: EP1934572A1; US20090223284A1; CA2621035A1; RU2008118426A; RU2411477C2; CN102269642A; US20110155933A1; BRPI0616299A2; CN101283258A; EP2270462A3; DE102005048726A1; JP2009511884A; CN101283258B; EP2270462A2; WO2007042277A1; US7921694B2; CN102269642B; US8365581B2

Abstract

Anordnung zur Erkennung eines Lecks (402) in einer Leitung (101), wobei die Anordnung aufweist:
einen Lecksucher und die Leitung (101),
wobei die Leitung (101) durch ein tragendes Teil (103) einer Zellstruktur geführt ist, wobei das tragende Teil (103) der Zellstruktur Kompartments (104, 105) unterteilt,
wobei der Lecksucher aufweist:
eine Sendeeinrichtung (100) zum Erzeugen einer Strahlung zum Einkoppeln in die Leitung (101);
ein Mantelelement (102), das die Leitung umgibt;
eine Empfangseinrichtung (107, 108, 404), die ausgebildet ist, Strahlung (403), die durch ein Leck (402) aus der Leitung (101) ausgetreten ist, zu empfangen, womit das Leck (402) erkennbar ist;
wobei die Empfangseinrichtung (107, 108, 404) zum Empfang der Strahlung (403) außerhalb der Leitung (101) in dem Mantelelement (102) an dem tragenden Teil der Zellstruktur (103) angeordnet ist; und
wobei die tragenden Teile (103) der Zellenstuktur so ausgestaltet sind, dass die Ausbreitung der Strahlung aus...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das allgemeine technische Gebiet der Sensorik. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Erkennen eines Lecks in einer Leitung und ein Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung.
In vielen modernen Luftfahrzeugen wird den Triebwerken an festgelegten Positionen ein Teil der pneumatischen Luft abgenommen. Es handelt sich dabei um eine sog. Bleed Air, d. h. eine Zapfluft, wobei die Abzapfung aus den Triebwerken die Verwendung eines Kompressors vermeidet. Diese Zapfluft (Bleed Air) hat im Allgemeinen einen relativ großen Druck (bis 50 PSI) und da sie aus einer der Verdichtungsstufen des Triebwerks entnommen wird, eine entsprechend hohe Temperatur von ca. 300°C. Nach Abkühlung auf ca. 200 bis 260°C wird sie über Leitungen verschiedenen Verbrauchern im Luftfahrzeug (Lfz) zur Verfügung gestellt. Die Bleed Air findet u. a. bei der Klimatisierung und als Service Luft Einsatz.
Diese heiße und unter beachtlichem Druck stehende Zapfluft muss dabei von den Triebwerken zu den Verbrauchern über ein Rohrleitungssystem transportiert werden. Im Fehlerfall, falls beispielsweise ein Rohr beschädigt wird, tritt diese heiße Luft an der Schadstelle aus der Leitung aus und kann dort direkt auf die Umgebung einwirken. Dabei können tragende Teile einer Zelle bzw. eines Kompartments oder empfindliche andere Teile, wie Stromleitungen, Hydraulik oder Fuelleitungen, stark erwärmt werden. Unter Umständen kann diese starke Erwärmung schwerwiegende Folgen für die Sicherheit des Luftfahrzeugs haben.
Aus diesem Grund sind heute zur Detektierung von Brüchen oder Lecks der Leitungssysteme bzw. Leitungen Leitungssensoren bekannt, die entlang der gesamten Rohrleitungen angebracht sind. Sie bestehen aus einigen Millimeter dünnen zylindrischen Leitungen, die einen Kern (auch Seele genannt) und einen Mantel aufweisen. Zwischen dem Kern und dem Mantel ist ein spezielles Material enthalten. Der elektrische Widerstand dieser Füllung ist für Temperaturen unterhalb der Ansprechtemperatur sehr groß. Im Fertigungsprozess der Flächensensoren lässt sich die Ansprechtemperatur in gewissen Grenzen festlegen.
Der elektrische Widerstand der Füllung verringert sich jedoch nach Überschreiten der Ansprechtemperatur sprunghaft um einige Dekaden. Diese Widerstandsänderung kann gemessen und von einem System erkannt werden.
Die Sensoren werden entlang kritischer Bereiche der Rohrleitungen verlegt und durch die austretende heiße Luft erwärmt. Ab Erreichen der Ansprechtemperatur wird das Leck durch die Widerstandsänderung detektiert und mit Hilfe zusätzlicher Elektronik wird die Luftversorgung der betreffenden Sektion abgeschaltet.
Mit Hilfe dieser Sensorleitungen konnte in der Vergangenheit die Leckdetektierung durchgeführt werden. Jedoch macht beispielsweise die zunehmende Verwendung von temperaturempfindlichen Kunststoffen im Luftfahrzeugbau eine schnellere Abschaltung von beschädigten Rohrleitungsabschnitten erforderlich. Daher sind heute strengere Anforderungen zu erfüllen, die durch herkömmliche Technik nur mit Schwierigkeit zu erfüllen sind.
Von dem Auftreten eines Lecks in einer Leitung bis zum Erkennen des Lecks kann unter Umständen eine sehr lange Zeit benötigt werden. Außerdem kann bei nebeneinander geführten Rohren ein Bruch eines Rohres zuerst die Sensoren des anderen Rohres aktivieren, wodurch entweder die falsche oder beide Rohrleitungen abgeschaltet werden müssen.
Aus der US 6 008 658 A ist ein Verfahren zur Untersuchung eines unterirdischen Rohrsystems mittels niederfrequenter elektromagnetischer Wellen bekannt. Dabei wird von einem Sender mittels einer Antenne eine niederfrequente elektromagnetische Welle innerhalb eines Rohrleitungssystems ausgestrahlt. Außerhalb des Rohrleitungssystems wird eine Empfangsantenne entlang der Rohrleitung bewegt, mittels welcher der Ort einer Leckage bestimmt wird, indem ein Spitzenpegel der elektromagnetischen Wellen bestimmt wird.
Aus der JP 61120035 A ist eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Position einer Wasserleckage bekannt. Die Vorrichtung weist eine Ultraschallquelle auf, die ein vergrabenes Rohrsystem erregt. Gleichzeitig werden mittels einer Einrichtung Mikrowellen auf die Oberfläche eines Einerdungskörpers nahe des Ortes ausgestrahlt, an dem das Rohrsystem vergraben ist, wobei reflektierte Wellen erkannt werden.
DE 197 57 581 A1 beschreibt eine Armatur zum Anschluss an ein erdverlegtes Leitungssystem für Medien, insbesondere für Flüssigkeiten oder Gase, welche eine Kontaktfläche umfasst, die mit einem Schall-Sensor zum Detektieren von Lecks im Leitungssystem permanent beaufschlagt ist.
US 2004/0261538 A1 beschreibt einen akustischen Durchflussmesser mit einem Schaft, der in vertikal montierter Richtung einen ventil-betriebenen Kopf an seinem unteren Ende zur Einstellung eines Durchflussregel-Ventils aufweist und der einen Drehgriff an seinem oberen Ende aufweist. Ferner weist der Durchflussmesser einen akustischen Sensor auf, um akustische Signale, die durch die Fluidströmung durch das Ventil hervorgerufen werden, in ein elektrisches Ausgangssignal zu wandeln, wobei das Ausgangssignal vom Durchfluss abhängig ist.
DE 29 32 088 A1 beschreibt ein Verfahren zum Behandeln eines ring- oder schlauchförmigen elastischen Halteelementes zum Fixieren von Rohrleitungen.
JP 04309832 A beschreibt einen Strahlungsentweichungs-Detektor mit einem Strahlungsdetektor zur Detektion von entweichender Strahlung aus einer inneren Leitung einer Zweifachleitung, wobei die Leitung in mehrere Abschnitte unterteilt ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zuverlässiges System zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung anzugeben.
Demgemäß wird eine Anordnung zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung und ein Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen geschaffen.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Anordnung zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung angegeben, die einen Lecksucher und eine Leitung aufweist. Der Lecksucher weist dabei eine Sendeeinrichtung zum Erzeugen einer Strahlung und eine Empfangseinrichtung auf. Die erzeugte Strahlung kann in die Leitung eingekoppelt werden. Die Empfangseinrichtung ist ausgebildet, Strahlung, die durch ein Leck aus der Leitung ausgetreten ist, zu empfangen, wodurch das Leck erkennbar ist.
Gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung angegeben, wobei bei dem Verfahren eine Strahlung in die Leitung eingekoppelt wird und durch das – bei Vorliegen eines Lecks – Empfangen der durch das Leck ausgetretenen Strahlung das Leck erkannt wird.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann somit ein Leck anhand einer in die Leitung eingebrachten Strahlung erkannt werden. Bei der Leitung kann es sich dabei um ein Rohr, Rohrleitungssystem oder allgemein um ein Leitungssystem handeln. Bei der Strahlung kann es sich um eine sich von dem in der Leitung zu transportierenden Material unterscheidende physikalische Größe handeln. Unter Material kann in diesem Zusammenhang insbesondere auch ein Dampf oder heiße Luft oder eine andere zu transportierende Materie verstanden werden. D. h. eine Leckage wird nicht (nur) durch die Messung der direkten physikalisch einwirkenden Energie, beispielsweise der heißen Bleed Air bzw. Zapfluft aus einer Flugzeugturbine, detektiert. Es wird vielmehr zur Detektion eine sich von der physikalisch einwirkenden Materie unterscheidende Prozessgröße eingesetzt, beispielsweise eine Strahlung, anhand derer eine Fehlstelle erkannt werden kann. Dadurch kann der Detektionsprozess von dem Transportprozess entkoppelt werden. Die Empfangseinrichtung kann daher auf das Erkennen dieser Messprozessgröße, also beispielsweise der Strahlung, ausgelegt und dimensioniert werden.
Dadurch kann die Reaktion der Detektion von der eigentlich zu transportierenden Materie unabhängig gemacht werden. Es kann sich beispielsweise bei der zu transportierenden Materie um ein heißes Fluid handeln. Das Austreten des Fluids aus einer Leitung, insbesondere einem Leitungsrohr, kann zwar durch das Erhitzen eines Sensors erkannt werden. Dabei kann es jedoch zu einer zeitlichen Verzögerung zwischen dem Austreten der Materie und dem Erkennen des Austretens der Materie aus dem Rohr kommen, da beispielsweise ein Temperatursensor erst auf eine bestimmte Temperatur erwärmt werden muss, bis es zu einer Anzeige bzw. Reaktion kommt.
Wenn in vorteilhafter Art und Weise beispielsweise eine Strahlung zur Detektion verwendet wird, und somit der Detektionsprozess von der eigentlichen zu transportierenden Materie bzw. deren Aggregatszustand oder Material unabhängig gemacht wird, kann der Detektionsprozess beschleunigt werden. Während bei einer Erkennung über die Erwärmung erst eine Zeit vergehen muss bis der Sensor sich an die Auslösetemperatur erwärmt hat, kann sich Strahlung beispielsweise mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten und im Falle eines Austretens aus einem Rohr auch schnell erkannt werden.
Vorteilhaft kann bei Verwendung einer Strahlung eine Reaktionszeit bzw. die Erkenngeschwindigkeit des aufgetretenen Lecks erhöht werden. Dadurch kann beispielsweise ein fehlerhaftes Rohr rechtzeitig abgeschaltet werden, bevor beispielsweise die ungewollt austretende Zapfluft Schäden an der Umgebung angerichtet hat.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird die Empfangseinrichtung außerhalb der Leitung angeordnet. Dadurch kann das Austreten der Strahlung aus dem Rohr erkannt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sind sowohl die Sendeeinrichtung als auch die Empfangseinrichtung mit einer Auswerteeinrichtung verbunden. Die Auswerteeinrichtung kann dabei die Sendeeinrichtung steuern, insbesondere kann die Auswerteeinrichtung das von der Sendeeinrichtung ausgesandte Signal bestimmen. Außerdem hat die Auswerteeinrichtung eine Information über die Form bzw. zeitliche Folge des ausgesendeten Signals.
Da die Auswerteeinrichtung auch mit der Empfangseinrichtung verbunden ist, kann die Auswerteeinrichtung eine Information über das empfangene Signal erhalten. Somit können das ausgesendete Signal und das empfangene Signal miteinander verglichen werden. Unter Verwendung bestimmter Codierungs- bzw. Modulationsformen lassen sich daher ein ausgesandtes und ein empfangenes Signal einander zuordnen, und dadurch kann eine Zusammengehörigkeit von dem ausgesendeten und empfangenen Signal hergestellt werden. Dieser Zusammenhang kann verwendet werden, um Aussagen über ein Zeitverhalten bzw. über Laufzeiten eines in eine Leitung ausgesendeten Signals bis zum Erreichen einer Empfangseinrichtung, zu treffen und um die Zuverlässigkeit und Fehlerrobustheit des Lecksuchers zu verbessern.
Aufgrund der Laufzeiten können, unter Berücksichtigung der theoretischen Laufzeit eines Signals in einer Leitung bzw. in einem die Leitung umgebenden Bereich, Aussagen über den Ort eines aufgetretenen Fehlers getroffen werden. Zu Wartungszwecken kann es vorteilhaft sein, dass sich aufgrund der Laufzeit der Ort eines Lecks bestimmen lässt, um einen Fehler oder eine Fehlstelle eines Rohres besser eingrenzen zu können. Dadurch kann eine Auswerteeinheit nicht nur verwendet werden, um zu bestimmen, ob ein Leck an einer Leitung aufgetreten ist, sondern es kann zusätzlich noch eine Eingrenzung des Fehlerortes ermöglicht werden. Die reine Erkennung des Auftretens eines Fehlers kann erforderlich sein, um lediglich ein fehlerhaftes System während des Fluges abzuschalten. Auf die Eingrenzung des Fehlerortes kann bei Wartungsarbeiten zurückgegriffen werden
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der Strahlung um eine elektromagnetische Strahlung (zum Beispiel Mikrowellen), eine akustische Strahlung (zum Beispiel Ultraschall) oder eine radioaktive Strahlung (zum Beispiel Gamma-Strahlung) handeln. Da in Leitungen meist Materie transportiert wird, deren Ausbreitung von einer Fließgeschwindigkeit abhängt, kann es sich bei einer Strahlung um eine Prozessgröße handeln, die gut detektiert werden kann, deren Ausbreitung bzw. deren Ausbreitungsgeschwindigkeit aber unabhängig von der transportierten Materie bzw. dessen Aggregatszustand ist. In der Regel ist die Fließgeschwindigkeit von Material langsamer als die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Strahlung. Vorteilhaft kann bei Verwendung einer Strahlung eine Messung erfolgen, während das Material transportiert wird. Die Messung kann aber auch in einem unbenutzten Zustand oder trockenem Zustand des Rohres durchgeführt werden. Die Detektion von Fehlern, ohne das eigentliche System betreiben zu müssen, kann wiederum bei Wartungsarbeiten Vorteile bringen.
Um Lecks eines Leitungssystems erkennen zu können, kann somit vermieden werden, dass der Prozess, für den die Leitung als Verteilsystem eingesetzt wird, durchgeführt werden muss. Somit kann vermieden werden, dass zur Erkennung einer Leckage in einem Leitungssystem oder Rohrleitungssystem für eine Zapfluft die Turbine, von der die Zapfluft entnommen wird, in Betrieb sein muss. Andererseits ist es jedoch nicht hinderlich, wenn die Erkennung während des Betriebs des eigentlichen Materialtransportes durchgeführt wird. Somit kann auch während des Durchströmens der Zapfluft die Dichtigkeit der Leitung kontrolliert werden.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinrichtung mit der Empfangseinrichtung über einen elektrischen Bus verbunden. Dabei kann durch die Verwendung eines Busses eine Anordnung von mehreren Empfängern entlang eines Leitungsrohrs realisiert werden. Mehrere Empfänger können über eine Busleitung miteinander verbunden werden, und jeder Empfänger der Mehrzahl von Empfängern kann ein Leck an die Auswerteeinrichtung, die als eine zentrale Auswerteeinrichtung angeordnet sein kann, berichten. Damit können auch längere Leitungssysteme überwacht werden.
Gemäß noch einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann eine Auswerteeinrichtung mit einer Empfangseinrichtung oder mit einer Mehrzahl von Empfangseinrichtungen jeweils über eine Einzelverbindung verbunden sein. Durch die direkte Verbindung der Empfangseinrichtung mit der Auswerteeinrichtung kann die Auswerteeinrichtung eine Zuordnung zu den jeweiligen Empfängern und den von ihnen geschickten Signalen herstellen. Damit lässt sich beispielsweise der Ort, insbesondere ein Ortsbereich, eines Lecks bestimmen. Ein Empfänger ist oftmals zur Überwachung eines bestimmten Rohrabschnitts eingesetzt. Durch eine Signalisierung des zu einem bestimmten Rohrabschnitt gehörenden Empfängers an eine zentrale Auswerteeinrichtung kann die zentrale Auswerteeinrichtung den gestörten Leitungsbereich erkennen und gezielt abschalten.
Gemäß noch einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung lässt sich mit der Sendeeinrichtung ein Mode in der Leitung anregen. Im Zusammenhang dieser Anmeldung kann sich der Begriff Mode insbesondere auf jede durch die Geometrie der Anordnung bestimmte Wellenform beziehen. Dabei kann es sich um stehende Wellen handeln, die sich, wenn sie von einer entsprechenden Anregung angeregt werden, innerhalb der Leitung ausbilden. Durch Moden lässt sich das Resonanzverhalten besonderer geometrischer Strukturen in Zusammenwirkung mit einer physikalischen Anregung für den Transport von Information ausnützen. Bei einem Mode handelt es sich zwar um eine stehende Welle innerhalb des Leiters, allerdings ermöglicht der Mode den Transport von Signalen in eine bestimmte Richtung.
Wenn es sich bei der Leitung um ein Rohr handelt und wenn das Rohr Leiteigenschaften aufweist, kann das Rohr für elektromagnetische Wellen als Hohlleiter betrachtet werden. D. h. ab bestimmten Frequenzen, mit denen Signale in den Hohlleiter eingekoppelt werden und die zumeist in dem HF(Hochfrequenz)-Bereich liegen, bilden sich stehende elektromagnetische Wellen aus, die jedoch eine Ausbreitungsrichtung entlang der Längsrichtung des Rohrs aufweisen können. Mit diesen Wellen lässt sich Information über das Rohr verteilen. Diese Informationsverteilung kann im Wesentlichen unabhängig von der transportierten Materie erfolgen.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Auswerteeinrichtung zum Aufmodulieren eines Signals auf eine Trägerwelle eingerichtet, und das aufmodulierte Signal ist von der Empfangseinrichtung aus der empfangenen Strahlung extrahierbar. Anschaulich bedeutet das, dass eine in einem Hohlleiter ausgebildete stehende Welle ein auf diese Welle aufmoduliertes Signal übertragen kann. Dazu kann das aufmodulierte Signal mit einer Hochfrequenzstrahlung moduliert werden, wodurch sich das aufmodulierte Signal übertragen lässt.
Das aufmodulierte Signal erhält eine Trägerwelle, die eine höhere Frequenz als das modulierte Signal aufweisen kann. Es lässt sich somit eine bestimmte Signalform durch Modulation festlegen, während sich durch das Mischen mit der Trägerwelle dieses modulierte Signal in einen höheren Frequenzbereich umsetzen lässt. „Mischen” kann dabei insbesondere ein aus der Übertragungstechnik bekanntes Verfahren bezeichnen, um ein Signal einer niederen Frequenz in einen höheren Frequenzbereich zu heben.
Der höhere Frequenzbereich kann in der Größenordnung einer Hochfrequenzstrahlung, also beispielsweise im Bereich von 10 GHz bis 20 GHz liegen. Ein Signal, das diese hohe Frequenz aufweist, kann in einem Leitungsrohr oder Hohlleiter einen entsprechenden Mode anregen, der eine gute Übertragung ermöglicht. In diesem Zusammenhang bedeutet eine gute Übertragung eine Übertragung mit einer möglichst geringen Dämpfung.
Bei elektromagnetischen Wellen werden die sog. transversalelektrischen (TE) oder transversalmagnetischen (TM) oder transversalelektromagnetischen (TEM) Wellen unterschieden. Entsprechend gibt es zugehörige Moden. TE-Wellen weisen in Ausbreitungsrichtung keine elektrische Komponente auf, während TM-Wellen in Ausbreitungsrichtung keine magnetische Komponente aufweisen. TEM-Wellen sind elektromagnetische Wellen, die in Ausbreitungsrichtung weder eine elektrische noch eine magnetische Komponente aufweisen. Mit geeigneten Sendern lassen sich entsprechende Wellen anregen. Der Mode der innerhalb des Leitungsrohres angeregt wird, hängt von der entsprechenden Frequenz des Senders ab.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der eingesetzten Strahlung um eine elektromagnetische HF-Strahlung handeln.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein niederfrequentes (NF) Signal auf die HF-Strahlung aufmoduliert. Durch Aufmodulation eines NF-Signals auf eine HF-Strahlung wird das NF-Signal in einen höheren Frequenzbereich transformiert bzw. gefaltet. Die Frequenz des NF-Signals kann niedriger sein als die Frequenz, die benötigt wird, um einen Mode für die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle in dem Leitungsrohr anzuregen. Mittels der Aufmodulation bzw. Mischung des NF-Signals mit der HF-Strahlung kann somit erreicht werden, dass das NF-Signal in einen Frequenzbereich transformiert wird, in dem ein entsprechender Mode in dem Leiter angeregt werden kann. Beispielsweise kann eine sogenannte TE_1,0-Welle oder ein TE_1,0-Mode, dessen Frequenz am niedrigsten ist und für jeden Rohrdurchmesser, beispielsweise 6 Zoll, 8 Zoll oder 9 Zoll, berechnet werden kann, angeregt werden. Somit lässt sich das NF-Signal über einen Rohrabschnitt übertragen.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das NF-Signal ein Sägezahn- oder Dreieckssignal sein. Sägezahn- oder Dreieckssignal sind leicht zu erzeugen und können leicht wiedergewonnen werden. Mit der von der Auswerteeinrichtung festgelegten NF-Signalform kann ein detektiertes Signal leicht wiedererkannt werden. Dreiecksmodulation und Sägezahnmodulation sind Verfahren, die bei der CWFM(Continuous Wave Frequency Modulation)-Radar-Technik verwendet werden, wie sie in handelsüblichen Radarhöhenmessern eingesetzt werden.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die elektromagnetische Strahlung ein auf eine elektromagnetische HF-Strahlung aufmoduliertes codiertes Signal sein. Bei dem codierten Signal kann es sich beispielsweise um eine Pseudozufallsfunktion, Pseudorandomfunktion oder Pseudo-Noise (PN) handeln. Damit kann es ermöglicht werden, dass die Sendeleistung verringert werden kann und trotzdem ein Signal wiedererkannt werden kann, da man das Signal durch Korrelation sogar im Rauschen detektieren kann. Dabei handelt es sich um Verfahren, die mit Spread Spectrum Codierung arbeiten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Strahlung gepulst werden. Gepulste Strahlung kann eine geringere Energie benötigen als eine kontinuierliche, mit konstanter Energie gesendete Strahlung. Durch das Verwenden einer gepulsten Strahlung, die beispielsweise einmal pro Sekunde ausgesendet wird, kann eine ausreichende Reaktionszeit gewährleistet werden. Eine im Sekundentakt wiederholte gepulste Strahlung kann ausreichend sein, um die Anforderung, ein Leck im Sekundenbereich nach seiner Entstehung zu erkennen und darauf zu reagieren, zu erfüllen.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann es sich bei der Empfangseinrichtung um einen HF-Sensor handeln. Ein HF-Sensor kann für die Detektion von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen ausgebildet sein.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann die Empfangseinrichtung eine Antenne sein. Eine Antenne kann HF-Strahlung empfangen und auswerten.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Lecksucher ein Mantelelement zur Ummantelung der Leitung auf. Zwischen der Leitung und dem Mantelelement wird die Empfangseinrichtung angeordnet. Das Mantelelement kann das Leitungsrohr isolieren, kann aber auch gleichzeitig für die Führung einer aus dem Leitungsrohr durch ein Leck ausgetretenen Strahlung verwendet werden. Ohne die Ummantelung könnte sich die Strahlung frei in den Raum ausbreiten. Da eine Empfangseinrichtung außerhalb der Leitung angeordnet ist und der Ort eines Lecks nicht vorhergesagt werden kann, kann es vorteilhaft sein, eine Vorrichtung in Form eines Mantelelements vorzusehen, das eine ausgetretene Strahlung in Richtung eines Empfangselementes führen kann. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Strahlung, die detektiert werden soll, auch auf die Empfangseinrichtung trifft und der Empfangseinrichtung ausreichend Energie zur Detektion zur Verfügung stellt.
Eine von einem Lecksucher überwachte Leitung kann ausgebildet sein, einen Materialstrom zu führen. Unter Materialstrom soll auch ein Dampf oder eine Zapfluft verstanden werden.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Leitung ein Rohr bzw. eine Bleed Air Leitung sein. Die Leitung kann entweder vollständig aus elektrisch leitfähigem Material sein oder, falls die Leitung nicht komplett aus elektrisch leitfähigem Material ist, eine Beschichtung aus elektrisch leitfähigem Material aufweisen. Durch die Verwendung von einem beschichteten Material kann ein Hohlleiter definiert werden, in dem sich eine elektromagnetische Welle ausbreiten kann.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Leitung selbst von elektrisch leitfähigem Material ummantelt sein. Dadurch kann eine elektromagnetische Welle im Außenbereich, d. h. außerhalb des Leitungsrohrs der Leitung, weitergeleitet werden. Dabei kann der Leiter ein Innenleiter und die Ummantelung ein Außenleiter einer Koaxialleitung sein. Auch in einer Koaxialleitung lassen sich Moden anregen. Über eine Koaxialleitung lassen sich abgesehen von hochfrequenten Signalen auch niederfrequente Signale übertragen. zur Führung der Strahlung kann die Ummantelung aus elektrisch leitfähigem Material sein bzw. eine elektrisch leitfähige Beschichtung aufweisen.
Gemäße einem Ausführungsbeispiel ist ein Hochfrequenzverfahren zur kontinuierlichen Sensierung von Schäden einer Bleedair-Rohrleitung eines Luftfahrzeugs während des Flugs geschaffen.
Viele Fortbildungen der Erfindung wurden bezugnehmend auf den Lecksucher und die Anordnung zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung.
Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung mit Verweis auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Leitungsrohr mit einer Ummantelung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres Rohr mit einer Ummantelung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt einen Längsschnitt durch ein Leitungsrohr mit einer Ummantelung und einer Empfangseinrichtung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. In der folgenden Beschreibungen der 1 bis 4 werden die gleichen Bezugsziffern für gleiche oder sich entsprechende Elemente verwendet.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Erkennung eines Lecks in einer Leitung. Mit Bezugsziffer 101 ist eine Leitung dargestellt. Nicht in 1 gezeigt ist der Materialstrom, der sich durch die Leitung ausbreitet. Der Materialstrom ist lediglich durch die Richtung 113 angedeutet. Der Materialstrom kann beispielsweise eine Zapfluft, die aus einem Triebwerk für die Bordversorgung entnommen wurde, sein. Die Leitung 101 ist durch tragende Teile der Zellenstruktur 103 eines Flugzeugs geführt. Diese tragenden Teile, wie beispielsweise Spante, Rippen oder Stringer, dienen der konstruktiven Verstärkung eines Flugzeugbauteils, wie beispielsweise eines Flügels oder Rumpfes. Die tragenden Teile der Zellenstruktur 103 unterteilen drei Bereiche, die sog. Kompartments 104, 105, 106, durch die die Leitung 101 geführt wird. Die Anordnung der Leitung 101 und der Kompartments 104, 105, 106 in der 1 ist symmetrisch, d. h. die Leitung 101 ist eine runde Rohrleitung, die zu allen Seiten von den Kompartments 104, 105, 106 umgeben ist.
Die Länge der Kompartments ist von der jeweiligen Bauform abhängig und kann beispielsweise im Bereich von 1 m bis 5 m oder 2,8 m bis 10 m variieren. Die Leitung selbst wird durch die tragenden Teile der Zellenstruktur 103 nicht unterbrochen. Lediglich der Außenbereich der Leitung bzw. des Leitungssystems 101 wird in die Kompartments 104, 105, 106 unterteilt. Die Gesamtlänge der Leitung 101 kann beispielsweise in einem Bereich von 20 m bis 50 m oder von 40 m bis 100 m liegen. Die Leitung 101 ist von der Ummantelung 102 umgeben. In 1 umgibt die Ummantelung 102 nur einen Teil der Länge der Leitung 101, die in den Kompartments 104, 105, 106 verläuft. Die Ummantelung 102 kann jedoch auch die Gesamtlänge der Leitung 101 umgeben und wird dabei lediglich von den tragenden Teilen der Zellenstruktur 103 unterbrochen.
In den Kompartments 104 und 105 sind zwei Empfänger 107 und 108 angeordnet. Die Empfänger 107, 108 sind über die Busleitung 109 mit der Auswerteeinrichtung 110 verbunden. Obwohl in 1 nur zwei Empfänger 107, 108 gezeichnet sind, können an der Busleitung 109 noch weitere Empfänger angeschlossen sein. Nicht in dem Bild gezeichnet ist die Möglichkeit, jeden Empfänger 107, 108 direkt mit einer Einzelleitung mit der zentralen Auswertung zu verbinden.
Die Auswerteeinrichtung 110 erzeugt eine Hochfrequenzstrahlung, die sie über die Verbindung 111 dem Sender 100 zur Verfügung stellt. Der Sender 100 koppelt die Hochfrequenzstrahlung über die HF-Einkoppeleinrichtung 112 in die Leitung 101 ein. Bei dem HF-Signal 111 kann es sich um ein einfaches HF-Signal ohne Modulation handeln oder um ein NF-Signal, das auf eine HF-Strahlung in der Auswerteeinrichtung moduliert wurde. Darüber hinaus ist es möglich, über die Verbindung 111 dem Sender ein NF-Signal zur Verfügung zu stellen und die Mischung in dem Sender 100 durchzuführen.
Aufgrund der HF-Einkopplung des Senders in die Leitung 101 breitet sich eine durch die Pfeile 113 dargestellte HF-Strahlung in Form einer elektromagnetischen Welle in der in 1 dargestellten Richtung in der Leitung 101 aus. Solange die Leitung 101 dicht, also ohne Leck, ist, wird die HF-Strahlung 113 innerhalb der Leitung 101 an den Empfängern 107, 108 vorbeigeführt. Die Empfänger erhalten keine HF-Strahlung.
Kommt es in einem der Kompartments 104 oder 105 zu einem Leck oder einer Fehlstelle in der Leitung 101, tritt die HF-Strahlung 113 aus der Leitung 101 aus und breitet sich zwischen der Ummantelung 102 und der Leitung 101 in die Richtung 113 der HF-Strahlung, allerdings außerhalb der Leitung 101, aus. Die Ausbreitung aus einem Kompartment 104, 105 heraus wird durch die tragenden Teile der Zellenstruktur 103 unterbunden. Dadurch gibt es Zellenbereiche 104, 105, 106, in denen sich ein Fehler und somit elektromagnetische HF-Strahlung in dem Außenbereich des Leitungsrohr 101 befindet und Bereiche 104, 105, 106, die frei von einer HF-Strahlung sind.
Der zu dem entsprechenden Kompartment 104, 105, 106 gehörige HF-Empfänger 107, 108 erkennt das Vorhandensein der HF-Strahlung, empfangt über die HF-Zuführung 114 oder 115 das HF-Signal, wertet es aus und legt ein Niederfrequenz (NF)-Signal über die NF-Leitung 116, 117 auf den Bus 109. Das NF-Signal kann entweder ein von der zentralen Auswerteeinrichtung 110 auf eine HF-Strahlung aufgemischtes NF-Signal oder ein einfaches Alarmsignal sein. Ein Alarmsignal kann nur die Zustände ”HF detektiert” oder ”HF nicht detektiert” unterscheiden. In anderen Worten bedeutet das, dass ein Alarmsignal den Bus auf ein bestimmtes Potential legt, so dass die Auswerteeinrichtung 110, die zentral angeordnet sein kann, lediglich erkennen kann, dass irgendwo an einem Empfänger des Busses 109 ein Leck erkannt wurde. Die zentrale Auswerteeinrichtung 110 kann entsprechend reagieren.
Bei den Empfängern 107, 108 kann es sich beispielsweise um Streifenleiter mit Schottky-Dioden handeln. Wird anstelle des Busses jeder Empfänger 107, 108 mit einer Einzelleitung an die zentrale Auswerteeinrichtung 110 direkt angeschlossen, kann ein Rückschluss auf die Position des Fehlers, zumindest auf das fehlerhafte Kompartment 104, 105, 106, getroffen werden.
Die zentrale Auswerteeinrichtung 110 detektiert die Strahlung der gegebenen Frequenz. Die Größe der Leckage kann über die Amplitude des empfangenen Signals in der zentralen Auswerteeinrichtung 110 abgeschätzt werden. Dazu findet in den Empfängern 107, 108 eine Analog-Digital-Wandlung der Amplitude des Empfangssignals statt. An dem K-Bit, das von den Empfänger 107, 108 an die zentrale Auswerteeinrichtung 110 in Form eines binären Signals übertragen wird, kann die zentrale Auswerteeinrichtung 110 die Abschätzung der Größe der Leckage vornehmen.
Die Auswerteeinrichtung 110 kann das Sendesignal 111 zeitlich modulieren. Es kann dadurch die Sendeleistung vermindert werden, da das Signal durch eine in der Auswerteeinrichtung 110 durchgeführten Korrelation auch im Rauschen detektiert werden kann. Durch die zeitliche Modulierung erhöht sich auch die Empfindlichkeit der Anordnung, wodurch auch noch kleinere Lecks festgestellt werden können. Bei kleinen Lecks ist die außerhalb der Leitung 101 verfügbare Leistung in dem detektierten Signal gering. Kleine Lecks beziehen sich dabei auf die eingesetzte Frequenz. Das bedeutet, die Lecks, deren Durchmesser gegenüber der HF-Wellenlänge klein sind, werden als kleine Lecks bezeichnet. Bei ihnen gelangt wenig energiereiche HF-Strahlung außerhalb des Rohres 101.
Bei diesen Signalen geringer Energie hilft die zeitliche Modellierung des Signals zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Anordnung, beispielsweise durch eine Codierung, wie der Verwendung einer Pseudorandomfrequenzmodulation oder Spread Spectrum Modulation.
Insbesondere wenn der Bereich zwischen der Ummantelung 102 und der Leitung 101 mit Isoliermaterial gefüllt ist, unterscheiden sich sowohl die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen im Innenleiter 113 sowie im Zwischenraum zwischen dem Leiter 101 und 102. Die Signalkorrelation in der Auswerteeinrichtung 110 hilft den Ort der Beschädigung indirekt zu messen. Dazu wird der Laufzeitunterschied zwischen Sender 100 und Empfänger 107, 108 gemessen und daraus bei bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Inneren der Leitung 101 und in dem Zwischenraum zwischen der Leitung 101 und der Ummantelung 102 auf den Ort der Rohrbeschädigung geschlossen. Dazu wird ein NF-Signal mit einer Frequenz im Bereich von 50 bis 20.000 Hz von den Empfängern 107, 108 unter Verwendung von Einzelleitungen, die in der 1 nicht gezeigt sind, an die Auswerteeinrichtung 110 zurückgeführt. In der Auswerteeinrichtung 110 wird das gesendete Signal mit dem Empfangssignal verglichen und bewertet. Als Modulation eignet sich z. B. eine Sägezahn- oder Dreiecksmodulation als NF-Signal, die mit der HF-Sendefrequenz mit geringem Hub moduliert wird.
2 zeigt einen Längsschnitt durch das Leitungsrohr 101 mit einer Ummantelung 102. Der Längsschnitt zeigt, dass die Ummantelung 102 im Wesentlichen parallel dem Rohrverlauf 101 folgt. Zwischen der Ummantelung 102 und dem Leitungsrohr 101 ist eine Isolierung 201 angeordnet. Das Rohr 101 besteht aus leitfähigem Material, beispielsweise aus Titan oder einer Titanlegierung. Die Leitfähigkeit kann aber auch durch eine Beschichtung eines nicht leitfähigen Materials mit einer leitfähigen Schicht erreicht werden. Die Dicke der Wärmeisolierung 201 liegt im Bereich von 0,5 (0,01 m) bis 2 Zoll (0,05 m). Sie weist ein nicht leitendes Material, wie etwa Glaswolle, auf. Die Ummantelung 102 kann eine dünne, im Bereich von 0,5 bis 3 mm dicke leitende Titanfolie bilden. An den entlang der Längsachse befindlichen Löchern 202, die im Bereich von 0,5 bis 2 mm Durchmesser liegen, können zusätzlich herkömmliche Temperatursensoren verlegt werden. Diese können ergänzend zu dem Lecksucher eingesetzt werden. Die zusätzlichen Temperatursensoren bzw. Temperatursensorleitungen sind jedoch nicht nötig.
3 zeigt den Querschnitt einer Rohrleitung gemäß 2. Die Rohrleitung bzw. das Innenrohr 101 weist einen Durchmesser von 6,5 (0,17 m) bis 9 Zoll (0,23 m) bzw. von 6 (0,15 m) auf 8 Zoll (0,2 m) auf. Typische Rohrdurchmesser sind 6,5 Zoll und 9 Zoll. Die Wandstärke des Rohres 101 liegt, abhängig vom gewählten Material, zwischen 0,4 mm und 1 mm.
4 zeigt einen detaillierten Längsschnitt durch eine Leitung gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 4 zeigt die Leitung 101, die mit einer elektrischen bzw. elektropneumatischen Vorrichtung 401 einen Rohrbereich für den Durchfluss von Material, wie beispielsweise einer Zapfluft, isoliert. Die Isolation kann beispielsweise durch ein elektrisch betätigtes Ventil erreicht werden. Mittels Sender 100 wird in dem Innenrohr 101 eine elektromagnetische Welle, die sich in Längsrichtung weg von dem Ventil 401 parallel zu dem Rohrverlauf bewegt, eingekoppelt. Auf dem Ventilkörper aus metallischem Material ist dabei ein dünner Leiter angebracht. U. U. kann auch die Betätigungsachse des Ventils als solch ein Einkoppelleiter verwendet werden.
4 zeigt ein Leck 402 in der Rohrwand der Leitung 101. Der sich ausbreitende Mode der HF-Strahlung 113 kann beispielsweise ein TE_1,0 Mode einer elektromagnetischen Welle sein. Im Bereich der Beschädigung oder des Lecks 402 koppelt ein Teil der HF-Strahlung 113 in den Außenbereich 201 zwischen Leitung 101 und Ummantelung 102.
Die elektrisch leitfähige Leitung 101 bildet zusammen mit dem elektrisch leitfähigen Mantel 102 eine Koaxialleitung. Durch die Ankopplung aufgrund der Leckstelle 402 wird in dem Koaxialleiter ebenfalls ein Mode einer elektromagnetischen Welle angeregt. Diese breitet sich zwischen dem Außenleiter 102 der Koaxialleitung und dem Innenleiter 101 der Koaxialleitung als elektromagnetische Welle 403 aus. Die Güte der Ankopplung 402 an den Außenbereich 201 hängt sowohl von der Größe des Lecks 402 als auch der verwendeten Frequenz der HF-Strahlung 113 und den geometrischen Daten sowohl der Leitung 101 als auch der Koaxialleitung 101, 102 ab. Die Güte ist ein Maß aus der Hochfrequenztechnik, das eine Aussage über die Qualität der Ankopplung gibt.
Je höher die Frequenz der HF-Strahlung 113 ist, umso kleiner ist die Wellenlänge und umso kleiner ist das Loch 402, das mittels einer solchen Strahlung erkannt werden kann. Weil der Zwischenraum 201 einem Koaxialleiter entspricht (Innenleiter 101 und Außenleiter 102), gibt es keine Einschränkung in der Frequenz nach unten für die sich ausbreitenden Wellen. Daher sind die Verluste beim Ausbreiten der eingekoppelten Energie 403 in diesem Bereich relativ gering. Die Wellen breiten sich im Zwischenraum aus, bis sie schließlich auf die Antenne 404 treffen und an den Receiver 107 über die Leitung 114 weitergegeben werden. Der Receiver 107 extrahiert aus der empfangenen HF-Strahlung ein NF-Signal, das er über die Bus- bzw. Einzelleitung 109 an eine in 4 nicht gezeichnete Auswerteeinheit zur Detektion weitergibt.
Der Spant 103 trennt die beiden Kompartments 104 und 105 voneinander ab. Während im Bereich des Kompartments 104, in dem das Leck 402 aufgetreten ist, die HF-Strahlung in dem Außenbereich 201 fortgeführt wird, ist in dem Außenbereich 201 des Kompartments 105 keine HF-Strahlung zu finden, da in dem Bereich des Kompartments 105 kein Leck vorhanden ist. Die Antenne 404, die dem Empfang der HF-Strahlung dient, ist an dem tragenden Teil der Zellstruktur 103 angeordnet. Sie empfängt sämtliche HF-Strahlung, die im Bereich des Kompartments 104 in den Außenbereich 201 eintritt.
Die Detektion der HF-Strahlung kann im Wesentlichen sobald das Leck 402 auftritt erfolgen, da die Detektionsgeschwindigkeit lediglich von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in der Leitung 101 und dem Zwischenraum 201 abhängt. Die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen erfolgt nahezu mit Lichtgeschwindigkeit.
Anschaulich bedeutet das, dass es zur Detektion nicht nötig ist, dass sich beispielsweise das Kompartment 104 erst auf eine bestimmte Temperatur erwärmen muss, da die Leckage nicht durch Erhitzen eines Sensors, also mit der Messung der physikalisch einwirkenden Energie, detektiert wird. Dadurch kann eine schnelle Schadensmeldung ermöglicht werden. Die Leckage wird nicht durch Erhitzen eines Sensors, also mit der Messung der physikalisch einwirkenden Energie detektiert, sondern vielmehr wird ein Defekt am Innenrohr 101 durch die elektromagnetische Kopplung festgestellt. Dadurch ist eine sofortige Schadensmeldung möglich.
Da die austretende HF-Strahlung 403 aufgrund der Koaxialleitungswirkung des Außenleiters 102 und Innenleiters 101 im Innenbereich 201 geführt wird, kann eine Beeinflussung einer parallel verlaufenden Anordnung zur Lecksuche bzw. der Einfluss von einem leckgeschlagenem parallelverlaufenden Rohr vermieden werden, womit eine sicherere Fehlerreaktion ermöglicht werden kann. Der Schaden an einem Rohr wird nicht zu einer fälschlichen Detektierung am parallel dazu verlaufenden unbeschädigten Rohr führen und ermöglicht damit eine sichere Fehlerreaktion.
Da die Energie in den gesamten Hohlraum eingekoppelt wird und daher weitgehend unabhängig vom konkreten Einbauort des Empfängers gemessen werden kann, spielt die Lage des Schadens keine besondere Rolle. Die Lage des Schadens spielt also keine besondere Rolle, da die Energie in den gesamten Hohlraum bzw. das Kompartment eingekoppelt wird und daher weitgehend unabhängig vom konkreten Einbauort des Empfängers gemessen werden kann. Bei heute bekannten Sensoren muss der Heißluftstrahl, um eine schnelle Detektierung zu ermöglichen, den Sensor durch Austritt an den Löchern in der Isolierung 202 direkt treffen. Das direkte Treffen des Sensors ist, abhängig vom Schadensbild, nicht immer möglich.
Da die Erkennung nicht von dem transportierten Material abhängt, sondern mittels einer zusätzlich aufgebrachten Prozessgröße erfolgt, kann ein Leck auch detektiert werden, wenn das Rohr nicht im Einsatz ist.
Es ist nicht nötig, dass die austretende Luft möglichst genau die Sensoren treffen muss, um ein rasches Ansprechen der Sensoren sicher zustellen.
Falls Rohre, wie im Flügel der A380, nebeneinander geführt werden, kann verhindert werden, dass ein Bruch eines Rohres zuerst die Sensoren des anderen Rohres aktiviert, mit entsprechenden falschen Isolierungsmaßnahmen, oder beide Sensoren aktiviert, wodurch beide Rohrleitungssysteme abgeschalten werden müssten. Es kann vermieden werden, dass, falls die austretende Luft nicht direkt auf die Sensoren trifft, erst die gesamte Umgebung auf die Ansprechtemperatur erhitzt werden muss, bevor die Leckage detektiert werden kann und diese lokal zu erheblichen Schäden führen kann.
Im Folgenden soll der Aufbau einer modernen Rohrleitung dargestellt werden, wie er in 2 und 3 dargestellt ist. Kern ist das eigentliche Rohr 101, das aus Titan oder einer Titanlegierung besteht. Es gibt derartige Rohre mit verschiedenen Durchmessern, Beispiele sind 6.5 Zoll (0,17 m) und 9 Zoll (0,23 m). Die Wandstärke beträgt (abhängig vom gewählten Material) zwischen 0.4 mm und 1 mm. Um das Rohr wird eine Wärmeisolierung 201 von ca. 1 Zoll (0,025 m) Dicke gelegt. Sie besteht aus einem nichtleitenden Material, wie etwa Glaswolle. Den Abschluss nach Außen bildet eine dünne, leitende Titanfolie 102. Entlang der Längsachse befinden sich innerhalb der Titanfolie kleine, wenige (mm) dicke Löcher 202, über denen im Normalfall die Temperatursensorleitung verlegt wird.
In der 4 ist noch einmal die obige Rohrleitung gezeigt. Links befindet sich die elektrische (oder elektro-pneumatische) Vorrichtung 401 zur Isolation des rechts folgenden Rohrabschnittes, z. B. durch ein elektrisch betätigbares Ventil. In der 4 ist mit 103 angedeutet, dass immer wieder die Isolierung/Mantelung des Rohres an den Stellen unterbrochen werden muss, an denen das Rohr durch tragende Teile der Zellenstruktur 103 geführt wird.
Die Erfindung sieht vor, den Innenleiter als elektrischen Hohlleiter zum Transport von transversal elektrischen (TE) oder transversal magnetischen Wellen (TM) einzusetzen. Dazu wird das Ventil 401 modifiziert. Auf den Ventilkörper (meist metallisch) ist ein dünner Leiter 100 angebracht (u. U. kann aber auch die Betätigungsachse des Ventils als solch ein Einkoppelleiter verwendet werden). Dieser Leiter wird mit Hochfrequenzstrom aus einem Sender 100 gespeist, der in Nähe des Ventils 401 angebracht wird. Die Frequenz des Senders 100 ist derart gewählt, dass sich bei gekannten Rohrdurchmesser der Leitung 101 eine ungedämpfte Ausbreitung ergibt. Eine Wahl ist die sog. TE_1,0-Welle, deren Frequenz am niedrigsten ist und für jeden Durchmesser (6 Zoll (0,15 m), 8 Zoll (0,2 m), 9 Zoll (0,23 m), etc.) berechnet werden kann.
Da das Innenrohr ohne Durchbruch nach Außen von der Quelle bis zum Verbraucher geführt wird, bleibt die fortschreitende elektromagnetische Welle innerhalb des Innenrohrs. In der Isolierschicht 201 ist im Normalfall daher niemals HF-Strahlung messbar. Nun ordnet man in genau dieser Isolierschicht 201, die den Hohlraum zwischen Innenleiter 101 und Metallisolierung 102 bildet, an kritischen Stellen HF-Sensoren 107, 108 an.
Typischerweise muss sich vor jeder Unterbrechung der Außenmantelung, etwa durch Durchführungen 103, je ein solcher Detektor 107, 108 nebst Empfänger befinden. Das Ausgangssignal kann ein einfaches Alarmsignal (HF-detektiert, nicht detektiert), oder aber in NF-Signal sein (Demodulierung von Signalaufprägungen zu Ortungszwecken). Die Zusammenschaltung kann beispielhaft durch ein Bussystem 109 erfolgen, oder durch Einzelverdrahtung (nicht dargestellt).
Liegt im Fehlerfall eine Beschädigung des Innenrohrs 402 vor, so wird ein Teil der HF-Strahlung vom Innenleiter 101 in den Zwischenraum 201 gekoppelt. Die Güte der Kopplung hängt dabei wesentlich von der Form und Größe der Beschädigung ab. Weil der Zwischenraum 201 einen Koaxialleiter entspricht (Innenleiter und Außenleiter), gibt es keine Einschränkungen in der Frequenz nach unten für sich ausbreitende Wellen. Daher sind die Verluste beim Ausbreiten der eingekoppelten Energie 403 in diesem Bereich relativ gering. Diese Wellen breiten sich im Zwischenraum aus, bis sie schließlich auf die Empfänger 107, 108 treffen und detektiert werden. Diese melden den Empfang und registrieren auf diese Weise den Rohrschaden 402.
In der einfachsten Form ergibt sich das elektrische Ersatzschaltbild wie in 1. Die zentrale Auswertung 110 steuert den Sender 100, der im gegebenen Fall eine in der Leistung geregelte, zeitlich konstante Strahlung definierter Frequenzen in das Innenrohr koppelt. An dedizierten Stellen 103 befinden sich im Zwischenraum die Empfänger-Schaltungen 107, 108. Die Ausgangssignale werden über einen Bus 109 oder über Einzelleitungen an die zentrale Auswertung gelegt. Im vorliegenden Fall besteht die Auswertung aus der reinen Detektion von Strahlung der gegebenen Frequenz, evt. noch mit grober Unterscheidung der Amplitude (k-bit), um die Größe der Leckage annähernd zu schätzen.
In einer erweiterten Form kann das Sender-Signal zeitlich modelliert werden. Zum einen ist es damit möglich, die Sendeleistung deutlich zu vermindern, da man das Signal durch Korrelation sogar im Rauschen detektieren kann (vgl. z. B. GPS-Technik). Zudem ist die Empfindlichkeit der Anordnung stark verbessert und kann daher auch kleinere Lecks feststellen.
Auf der anderen Seite unterscheiden sich die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Wellen im Innenleiter und im Zwischenraum i. a. deutlich. Daher kann eine Signalkorrelation helfen, den Ort der Beschädigung indirekt zu messen. Dazu wird der Laufzeitunterschied zwischen Sender und Empfänger gemessen und daraus bei bekannten Ausbreitungsgeschwindigkeiten im Innenrohr und im Zwischenraum, auf den Ort der Rohrbeschädigung geschlossen. Das Ausgangssignal der Empfänger ist dann i. A. ein NF-Signal (50 ... 20000 Hz), das mit entsprechender Güte zur zentralen Auswertung weitergeschalten werden muss. Dort geschieht die eigentliche Bewertung.
Als Modulation eignet sich z. B. Sägezahn- oder Dreieckmodulation der Sendefrequenz mit geringem Hub. Das ist eine bekannte CWFM-RADAR-Technik, wie sie in handelsüblichen Radar-Höhenmessern eingesetzt wird. Auch denkbar ist eine Pseudo-Random Frequenz-Modulation, wie sie in GPS Verwendung findet.
Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „aufweisend” keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine” oder „ein” keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.

Claims

Anordnung zur Erkennung eines Lecks (402) in einer Leitung (101), wobei die Anordnung aufweist: einen Lecksucher und die Leitung (101), wobei die Leitung (101) durch ein tragendes Teil (103) einer Zellstruktur geführt ist, wobei das tragende Teil (103) der Zellstruktur Kompartments (104, 105) unterteilt, wobei der Lecksucher aufweist: eine Sendeeinrichtung (100) zum Erzeugen einer Strahlung zum Einkoppeln in die Leitung (101); ein Mantelelement (102), das die Leitung umgibt; eine Empfangseinrichtung (107, 108, 404), die ausgebildet ist, Strahlung (403), die durch ein Leck (402) aus der Leitung (101) ausgetreten ist, zu empfangen, womit das Leck (402) erkennbar ist; wobei die Empfangseinrichtung (107, 108, 404) zum Empfang der Strahlung (403) außerhalb der Leitung (101) in dem Mantelelement (102) an dem tragenden Teil der Zellstruktur (103) angeordnet ist; und wobei die tragenden Teile (103) der Zellenstuktur so ausgestaltet sind, dass die Ausbreitung der Strahlung aus einem Kompartment (104, 105) heraus unterbunden wird.
Anordnung nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Auswerteeinrichtung (110); wobei die Sendeeinrichtung (100) und die Empfangseinrichtung (107, 108, 404) mit der Auswerteeinrichtung (110) gekoppelt sind; wobei die Auswerteeinrichtung (110) zum Auswerten der in der Empfangseinrichtung (107, 108, 404) empfangenen Strahlung (403) ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Strahlung (113, 403) ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einer elektromagnetischen Strahlung, einer akustischen Strahlung und einer radioaktiven Strahlung.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Auswerteeinrichtung (110) über einen Bus (109) mit der zumindest einen Empfangseinrichtung (107, 108, 404) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Auswerteeinrichtung (110) über eine Einzelverbindung (109) mit der Empfangseinrichtung (107, 108) verbunden ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Sendeeinrichtung (100) ausgebildet ist, einen Strahlungs-Mode in der Leitung (101) anzuregen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Sendeeinrichtung (100) zum Erzeugen der Strahlung als auf eine Trägerwelle aufmoduliertes Signal eingerichtet ist, welches Signal von der Empfangseinrichtung (107, 108, 404) aus der empfangenen Strahlung extrahierbar ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Strahlung (113, 403) eine elektromagnetische HF-Strahlung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strahlung (113, 403) eine elektromagnetische HF-Strahlung mit einem darauf aufmodulierten NF-Signal ist.
Anordnung nach Anspruch 9, wobei das NF-Signal ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Sägezahn und Dreiecksignal.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strahlung (113, 403) ein auf eine elektromagnetische HF-Strahlung aufmoduliertes codiertes Signal aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Strahlung (113, 403) gepulst ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Empfangseinrichtung (107, 108, 404) ein HF-Sensor ist.
Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Empfangseinrichtung (107, 108, 404) eine Antenne ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Leitung (101) ausgebildet ist, einen Materialstrom zu führen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei die Leitung (101) ein Rohr ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Leitung (101) eine Bleed Air Leitung ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei die Leitung (101) ein elektrisch leitfähiges Material aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei die Leitung (101) eine Beschichtung aus elektrisch leifähigem Material aufweist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, wobei die Leitung (101) von einem elektrisch leifähigen Material ummantelt ist.
Verfahren zur Erkennung eines Lecks (402) in einer Leitung (101), wobei die Leitung (101) durch ein tragendes Teil (103) einer Zellstruktur geführt ist, wobei das Verfahren aufweist: Erzeugen einer Strahlung; Einkoppeln der Strahlung in die Leitung (101); Empfangen der durch das Leck (402) ausgetretenen Strahlung mittels einer Empfangseinrichtung (107, 108, 404), welche zum Empfang der Strahlung (403) außerhalb der Leitung (101) in einem Mantelelement (102) an dem tragenden Teil (103) der Zellstruktur angeordnet ist, wobei das Mantelelement (102) die Leitung umgibt und wobei das tragende Teil (103) der Zellenstruktur Kompartments (104, 105) unterteilt; Unterbinden der Ausbreitung der Strahlung aus einem Kompartment (104, 105) heraus durch das tragende Teil (103) der Zellenstruktur; Erkennen des Lecks (402) basierend auf der durch das Leck ausgetretenen Strahlung.
Verfahren nach Anspruch 21, ferner aufweisend: Auswerten der empfangenen Strahlung in einer Auswerteeinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22, ferner aufweisend: Anregen eines Strahlungs-Modes in der Leitung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, ferner aufweisend: Erzeugen der Strahlung mittels Aufmodulierens eines Signals auf eine Trägerwelle.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, ferner aufweisend: Erzeugen der Strahlung als gepulste Strahlung.