DE102010061980A1

DE102010061980A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes in einem Rohrleitungsabschnitt

Info

Publication number: DE102010061980A1
Application number: DE102010061980A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bauerschäfer Ulf; Dr. Gai Stefan; Dr. Ledig Lars
Original assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Current assignee: FOERDERUNG VON MEDIZIN BIO und UMWELTTECHNOLOGIEN E V GES; Gesellschaft zur Foerderung von Medizin Bio und Umwelttechnologien eV
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in einem Rohrleitungsabschnitt 10, bei dem ein elastisches Wellensignal, insbesondere ein Schallsignal 30 derart in die Außenseite 12 einer Rohrleitungswand eingeleitet wird, dass es sich in festem Material 11 ausbreitet, eine Reflexion 31 des elastischen Wellensignals 30 in festem Material 11 von wenigstens einem Sensor 14 erfasst wird und wenigstens eine physikalische Größe des ausschließlich in festem Material 11 reflektierten elastischen Wellensignals 30 ermittelt wird, und aus einer Änderung der wenigstens einen physikalischen Größe die Information über das Vorhandensein des Gegenstandes 20 im Reflexionsbereich 40 gewonnen wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in einem Rohrleitungsabschnitt.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung sind dazu eingerichtet, einen Gegenstand, wie z. B. einen Reinigungs- oder Inspektionsmolch, in einer Rohrleitung zu erkennen, um die Position des Molches festzustellen. Daraus lassen sich Rückschlüsse über vom Molch genommene Wege, seine Geschwindigkeit, sowie ggf. über Ablagerungen in der Rohrleitung ziehen.
Beim Ein- und Ausschleusen des Molches vor und nach Abzweigungen ist die Ortung des Molches zweckdienlich, um Kenntnis darüber zu erlangen, in welchem Abschnitt eines Rohrleitungssystems sich der Molch befindet und um darauf reagieren zu können.
Insbesondere Pipelines zum Transport von Erdöl und Erdgas erfordern Inspektionen zur Kontrolle der Rohrwand sowie von Fügeverbindungen während der Herstellung der Pipeline sowie während ihres Betriebes. Zu diesem Zweck können Inspektionsmolche eingesetzt werden, die eine Überprüfung der Innenwandung der Pipeline durchführen.
Rohrleitungen und Rohrleitungssysteme unterliegen häufig allerdings auch akkumulierenden Verschmutzungen mit Feststoffpartikeln, die den problemlosen Transport des jeweiligen Mediums gefährden. Zur Beobachtung derartiger Verschmutzungen sowie ggf. auch zur Reinigung, also zur mechanischen Beseitigung ungewünschter Ablagerungen, werden Inspektions- bzw. Reinigungsmolche eingesetzt. Diese können je nach Zweck in Bauart und Größe variieren. Sämtlichen Molchen ist jedoch gemeinsam, dass sie derart auszuführen sind, dass sie im Wesentlichen den Querschnitt der zu inspizierenden oder zu reinigenden Rohrleitung ausfüllen. Das heißt, dass ein Molch in mehreren Punkten an der Innenseite der Rohrwandung anliegt.
Zur Ortung eines Molches wurden verschiedene Konzepte entwickelt. Ein erstes Konzept beruht darauf, dass der Molch selbst Signale aussendet, die von der Außenseite des Rohres aus empfangen werden können und aus denen Rückschlüsse auf die jeweilige Position des Molches gezogen werden können, wie es z. B. durch die GB 2462096 A offenbart ist. Derartige Verfahren und Vorrichtungen haben jedoch den Nachteil, dass der Molch mit einem relativ störanfälligen Signalsender ausgestattet werden muss.
Ein weiterer Ansatz ist es, im zu untersuchenden Rohr Elemente anzuordnen, die mit dem passierenden Molch in Berührung kommen und dadurch Schwingungen auslösen, deren Detektierung zur Feststellung der jeweiligen Molch-Position im Rohr dient, wie es z. B. durch die US 4,590,799 gelehrt wird.
Weiterhin ist die Verwendung von Radio-Isotopen oder Magnetfeldsensoren am Molch bekannt. Die Verwendung von Radio-Isotopen hat aufgrund der freigesetzten Strahlung Akzeptanzprobleme. Die Verwendung von Magnetfeldsensoren, die auf einer Detektion der Störung des Magnetfeldes im Rohr durch die Molchpassage basiert, hat den Nachteil der Gefahr der Gefügeveränderung des Rohrstahls, einhergehend mit nicht auszuschließenden Festigkeitsverringerungen.
Ein anderes Konzept beruht darauf, dass außerhalb des Rohres eine definiertes Schallsignal generiert wird, in das Rohr eingeleitet wird, das Rohr durchschallt und auf der anderen Seite des Rohres detektiert wird oder eine Reflexion des Durchschallungssignals detektiert wird. Ein derartiger Ultraschallwandler, der zur Durchführung des genannten Verfahrens in der Lage ist, ist in der DE 10 2007 062 913 A1 beschrieben.
Ein weiterer Ansatz wird durch die EP 2 075 594 A2 gelehrt. Die dort beschriebene Molcherkennungsvorrichtung und das dazugehörige Molcherkennungsverfahren nutzen einen Sensor, der Ultraschall außerhalb des Rohres erzeugt und in die Rohrwandung einleitet. Wenn sich kein Gegenstand, wie z. B. ein Molch, im beschallten Bereich befindet, wird die Schallwelle von der gegenüberliegenden Rohrwand reflektiert. Es erfolgt somit die Übertragung des Schallsignals im Festmaterial der Rohrwand sowie im flüssigen oder gasförmigen Material des in der Rohrleitung transportierten Mediums. Gelangt ein Gegenstand, wie z. B. Molch, in den beschallten Bereich, wird das Schallsignal vom Molch reflektiert. Aus einer Auswertung des reflektierten Signals lassen sich Rückschlüsse über die Anwesenheit des Gegenstandes im beschallten Bereich ziehen.
Nachteilig daran ist, dass ein derartiges Beschallungsverfahren insbesondere bei Gasleitungen nicht einsetzbar ist. Insbesondere bei geringen Gasdrücken, die z. B. an Molchschleusen oder bei Havarien bestehen können, versagt das Durchschallungsverfahren aufgrund des sehr hohen Impedanzsprunges zwischen Rohrwand und Gas im Inneren der Rohrleitung.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mittels derer in einfacher, kostengünstiger und zuverlässiger Weise unabhängig vom Medium in der Rohrleitung die Anwesenheit eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches im zu untersuchenden Abschnitt ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben.
Weiterhin wird die Aufgabe durch die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung in den Unteransprüchen 8 und 9 angegeben sind.
Zur Ergänzung wird außerdem ein System zur Detektion eines Gegenstandes zur Verfügung gestellt, welches mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen umfasst. Dieses erfindungsgemäße System ist in Anspruch 10 angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in einem Rohrleitungsabschnitt zur Verfügung gestellt, bei dem ein elastisches Wellensignal, insbesondere ein Schallsignal, derart in die Außenseite einer Rohrleitungswand eingeleitet wird, dass es sich in festem Material ausbreitet, eine Reflexion des elastischen Wellensignals in festem Material von wenigstens einem Sensor erfasst wird und wenigstens eine physikalische Größe des ausschließlich in festem Material reflektierten elastischen Wellensignals ermittelt wird, und aus einer Änderung der wenigstens einen physikalischen Größe die Information über das Vorhandensein des Gegenstandes im Reflexionsbereich gewonnen wird. Der zu detektierende Gegenstand kann dabei insbesondere, wie oben bereits erwähnt, ein Molch sein, der aus einem Material im festen Aggregatzustand besteht und zur Inspektion und/oder Reinigung von Rohren dient. Der genannte Rohrleitungsabschnitt ist z. B. ein Segment einer Pipeline. Insbesondere ist die Untersuchung von Segmenten sinnvoll, die nach Verzweigungen angeordnet sind, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren feststellbar ist, in welcher der Verzweigungsstränge sich der Gegenstand bzw. der Molch befindet. Die Größe des Gegenstandes, der bevorzugt ein Molch ist, ist in vorteilhafter Ausgestaltung derart ausgeführt, dass der Gegenstand in seiner äußeren Form und seinem äußeren Durchmesser komplementär zum Innenquerschnitt der Rohrleitung ausgestaltet ist. Das heißt, dass sowohl ein Inspektions- als auch ein Reinigungsmolch im Wesentlichen an der Innenwandung des zu untersuchenden Rohrleitungsabschnittes anliegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zur Anwendung an bzw. in Gaspipelines geeignet, da aufgrund der Reflexion des elastischen Wellensignals ausschließlich im festen Material bzw. aufgrund der Auswertung lediglich von Signalanteilen, die im festen Material reflektiert wurden, der hohe Impedanzsprung zwischen dem festen Material der Rohrwand und dem Gas in der Rohrleitung unbeachtlich bleiben kann. Außerdem weist das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil auf, dass es relativ unempfindlich gegen Fremdeinflüsse ist, da insbesondere Schallsignale bestimmter Frequenz genutzt werden können, wie z. B. Ultraschall, der kaum von anderen üblicherweise in der Rohrleitung eingetragenen Schallereignissen derart überlagert werden kann, dass das Schallsignal derart gestört wird, dass es nicht mehr detektierbar ist. Das erfindungsgemäße Verfahren ist an Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Wandstärken und/oder Materialien einsetzbar. Das genutzte Signal ist eine elastische Welle, insbesondere eine Schallwelle, mit einer bestimmten Frequenz im Ultraschallbereich, vorzugsweise mit einer definierten Dauer. Diese elastische Welle kann z. B. ein Sinusburst mit einer Periodenanzahl von > 1 sein. Aufgrund der Elastizität des Materials der Rohrwandung wird die Schwingung der elastischen Welle und speziell der Schallwelle in der Rohrwandung übertragen. Wesentlich dabei ist, dass das Signal derart in die Außenseite einer Rohrleitungswand eingeleitet wird, dass es sich im festen Material der Rohrwand ausbreitet und reflektiert wird. Es wird eine physikalische Größe vom reflektierten Signal ermittelt, wobei dieses Signalausschließlich in festem Material reflektiert wird oder lediglich der Anteil des reflektierten Signal für die Ermittlung der physikalischen Größe genutzt wird, dessen Reflexion ausschließlich in festem Material erfolgte. Das heißt, dass keine Reflexion des Signals im im Rohr transportierten Medium erfolgt, oder, insofern das Signal auch im transportierten Medium vorliegen sollte, ein von diesem Medium reflektierter Signalanteil nicht detektiert wird. Dadurch, dass nur die Signalreflexion ausgewertet wird, die ausschließlich durch festes Material verläuft, bleiben Signalwellen, die durch den Innenraum des Rohres und somit im flüssigen oder gasförmigen Medium propagieren, unbeachtlich. Es werden nur Reflexionen von Signalen ausgewertet, die sich in festem Material ausbreiten, nämlich in der Rohrwandung, wenn sich kein Molch im dem Signal ausgesetzten Bereich befindet.
Wenn die Situation eintritt, dass sich der Molch im dem Signal ausgesetzten Bereich an die Rohrwandung innen zumindest bereichsweise anlegt, breitet sich das Signal von der Rohrwand teilweise durch den Anlagebereich in den Molch aus und wird teilweise reflektiert. Die Wellen werden vom Molch teilweise absorbiert und zerstreut. An der Rohrwand befindet sich ein Sensor, mit dem wenigstens einer der physikalischen Parameter des reflektierten Signals erfasst wird.
Es ist ersichtlich, dass, egal ob sich der Molch im dem Signal ausgesetzten Bereich befindet oder nicht, das Signal fast vollständig durch festes Material verläuft und von diesem reflektiert wird, und nicht durch den Rohrinnenraum und somit nicht durch das zu transportierende Medium verläuft.
Beim Verlauf des Signals mit dem Molch wird wenigstens ein physikalischer Parameter der reflektierten Welle verändert, so dass aufgrund dieser Veränderung auf die Anwesenheit des Molches im Signal- bzw. Reflexionsbereich geschlossen werden kann. Das heißt, dass wenigstens ein physikalischer Parameter sich deutlich ändert, wenn sich der Molch im dem Signal ausgesetzten Bereich und somit im Reflexionsbereich befindet. Die Wellen werden nicht vollständig von der Innenwandung des Rohrleitungsabschnittes reflektiert, sondern teilweise in den Molch eingetragen und dort teilweise absorbiert.
Der Reflexionsbereich ist dabei der Längenbereich in der zu untersuchenden Rohrleitung, in dem die Reflexion der Wellen auftritt.
Die erfassbare physikalische Größe kann z. B. die Amplitude der durch die Welle ausgebildeten Schwingung sein, die die Energie dieser Schwingung kennzeichnet, wobei bei insbesondere bei Ausbreitung einer Schallwelle im Gegenstand Energie von der Schallwelle auf den Gegenstand übertragen wird, so dass die Amplitude der reflektierten Schallwelle wesentlich geringer ist als eine Amplitude einer Schallwelle, die von der Innenseite der Rohrwandung reflektiert wird, wenn an dieser kein Gegenstand anliegt.
Weitere physikalische Größen, deren Werte ggf. ermittelt und ausgewertet werden könnten, wären z. B. die Laufzeitänderung der Reflexion eines Signals, oder deren Frequenzänderung, oder auch ein Wert, in dem die Laufzeitänderung sowie auch die Frequenzänderung miteinander verrechnet werden.
In bevorzugter Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen dass eine Mehrfachreflexion entsteht, die in der Rohrleitungswandung propagiert. Diese Mehrfachreflexion setzt sich in der Rohrwandung fort, wenn kein Molch an diesem Rohrwandungsabschnitt vorhanden ist, so dass ein mehrfach reflektiertes Signal vom Sensor erfasst wird. Gegebenenfalls kann an der Innenwandung des Rohres eine Verunreinigung aus relativ festem Material vorhanden sein, so dass das Signal erst von der dem Inneren der Rohrleitung zugewandten Oberfläche dieses festen Materials reflektiert wird.
Wenn sich der Gegenstand bzw. Molch im dem Signal ausgesetzten Bereich und/oder Reflexionsbereich befindet, setzt sich die Mehrfachreflexion auch im Molch fort, so dass aufgrund der Erfassung wenigstens eines physikalischen Parameters auf die Position des Molches im Reflexionsbereich geschlossen werden kann.
Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass zumindest eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals quer zur Längsrichtung des Rohrleitungsabschnittes verläuft. Durch die Krümmung der Wandung der Rohrleitung wird es gewährleistet, dass eine Mehrfachreflexion zwischen der Außenseite der Rohrwandung und der Innenseite der Rohrwandung stattfindet, die am Umfang des Rohrleitungsabschnittes propagiert. Es lässt sich somit mittels nur eines Signalerzeugers, wie z. B. eines Schallerzeugers, in einem scheibenförmigen Segment des Rohrleitungsabschnittes detektieren, ob ein Gegenstand in diesem Segment vorhanden ist.
Alternativ oder hinzukommend kann vorgesehen sein, dass zumindest eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals in Längsrichtung des Rohrleitungsabschnittes verläuft. Eine weitere Komponente der Ausbreitungsrichtung sollte in dieser Ausgestaltung jedoch winklig zur Längsachse des Rohrleitungsabschnittes verlaufen, um die Mehrfachreflexion zwischen Außenseite und Innenseite des Rohrleitungsabschnittes zu erzeugen.
Zur sicheren Detektion eines Gegenstandes im Rohrleitungsabschnitt sollte jedoch die Verfahrensausgestaltung gewählt werden, bei der eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals quer zur Längsrichtung des Rohres verläuft, so dass sich die Mehrfachreflexion im Umfang des Rohrleitungsabschnittes fortsetzt. Durch die Mehrfachreflexion besteht aufgrund der anzunehmenden Kontaktierung des Gegenstandes mit der Innenwandung in mehreren Bereichen höhere Wahrscheinlichkeit, dass das Signal in den Gegenstand eingeleitet wird und sich somit zumindest eine physikalische Größe eines reflektierten Signals verändert, als wenn die Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals in Längsrichtung verläuft, da insbesondere bei Verwendung von longitudinalen Wellen als Signal lediglich in der Längsschnittebene des Rohrleitungsabschnittes, in der auch der Signalerzeuger angeordnet ist, die Reflexionssignale ausgewertet werden können.
Da nicht ausgeschlossen werden kann, dass ein sich im dem Signal ausgesetzten Rohrleitungsabschnitt befindlicher Gegenstand die Innenwandung gerade in dieser Ebene nicht berührt, ist somit die Einleitung des Signals mit der Komponente der Ausbreitungsrichtung quer zur Längsrichtung des Rohres die sicherere Variante.
Um jedoch die Anwesenheit eines Gegenstandes in einem längeren Rohrleitungsabschnitt mit geringeren Investitionen zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, das Verfahren derart durchzuführen, dass eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals in Längsrichtung des Rohres verläuft.
Wie erwähnt kann das Signal dabei eine longitudinale Welle sein. Da das Signal und seine Reflexion ausschließlich im festen Material verlaufen sollen bzw. lediglich die Reflexionsanteile auszuwerten sind, die im festen Material verlaufen, kann als Signalauch eine transversale Welle dienen. Insbesondere mit dieser Ausgestaltung ist erreichbar, dass das Signalquer zur Längsrichtung und gleichzeitig in Längsrichtung des Rohres verläuft. Vorteilhafterweise hat der Wellenverlauf des Signaleinen longitudinalen Anteil und einen transversalen Anteil.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zur Detektion eines Gegenstandes ist vorgesehen, dass bei auszuschließender Anwesenheit des Gegenstandes im Reflexionsbereich der Wert wenigstens einer physikalischen Größe des reflektierten Signalsals Sollwert angenommen wird, und bei nicht auszuschließender Anwesenheit des Gegenstandes im Reflexionsbereich der Wert derselben physikalischen Größe des reflektierten Signalsals Istwert angenommen wird und die Differenz zwischen Ist- und Sollwert ermittelt wird und bei einem Betrag der Differenz, der größer ist als eine definierte Toleranz, ein Signal mit der Information der Anwesenheit des Gegenstandes im dem Signal ausgesetzten Bereich generiert wird. Zum Beispiel ist dann die Anwesenheit des Gegenstandes im Rohrleitungsabschnitt auszuschließen, wenn sichere Kenntnis darüber besteht, dass noch gar kein Gegenstand in diesen Rohrleitungsabschnitt eingeschleust wurde oder wenn der Gegenstand an anderer Stelle der Leitung verlässlich detektiert wird. Es wird dann der Wert wenigstens einer physikalischen Größe des reflektierten Signalsals Sollwert angenommen und mit dem Wert derselben physikalischen Größe verglichen, wenn nicht auszuschließen ist, dass sich der Gegenstand im dem Signal ausgesetzten Bereich befindet. Solange sich der Gegenstand tatsächlich nicht im dem Signal ausgesetzten Bereich befindet, stimmen der Sollwert und der Istwert im Wesentlichen miteinander überein, so dass die Differenz beider Werte einen sehr kleinen Betrag bildet, der nicht größer ist als eine vorher festgelegte Toleranz.
Befindet sich jedoch der Gegenstand bzw. der Molch im Reflexionsbereich, nimmt die physikalische Größe einen derartigen Istwert an, dass die Differenz zwischen Ist- und Sollwert in ihrem Betrag größer ist als die definierte Toleranz, so dass erkennbar ist, dass ein die Reflexion ändernder Vorgang im Reflexionsbereich stattgefunden haben muss, woraus sich auf die Anwesenheit des Gegenstandes schließen lässt.
Alternativ oder hinzukommend kann vorgesehen sein, dass der Wert wenigstens einer physikalischen Größe des einzuleitenden Signals als Sollwert angenommen wird, und der Wert derselben physikalischen Größe des reflektierten Signalsals Istwert angenommen wird, und die Differenz zwischen Ist- und Sollwert ermittelt wird, und bei einem Betrag der Differenz, der größer ist als eine definierte Toleranz, ein Signal mit der Information der Anwesenheit des Gegenstandes im Reflexionsbereich generiert wird. Das heißt, dass hier das Ausgangssignal mit dem nach Reflexionen erhaltenen Signal verglichen wird. Bei relativ geringfügigen Abweichungen vom Ausgangssignal zum reflektierten Signal ist davon auszugehen, dass sich kein Gegenstand im Reflexionsbereich befindet. Ist jedoch eine gravierende Änderung einer physikalischen Größe des reflektierten Signalszu detektieren, lässt sich dadurch auf die Anwesenheit des Gegenstandes im Reflexionsbereich schließen.
Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, zur Verfügung gestellt, welche zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Diese Vorrichtung umfasst den Rohrleitungsabschnitt sowie wenigstens einen Signalerzeuger, wenigstens einen Sensor und eine Auswerteeinheit, wobei der Signalerzeuger und der Sensor an oder auf dem Rohrleitungsabschnitt angeordnet sind und derart ausgestaltet sind, dass durch den Signalerzeuger ein sich in festem Material ausbreitendes Signal in die Außenseite einer Rohrleitungsabschnittswand einleitbar ist, und eine Reflexion des Signals in festem Material vom Sensor erfassbar ist, und die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass mit ihr wenigstens eine physikalische Größe eines ausschließlich in festem Material reflektierten Signals ermittelt werden kann. Die Auswerteeinheit ist dabei mit dem Sensor zum Empfang der Informationen über das reflektierte Signal gekoppelt. Gegebenenfalls kann die Auswerteeinheit auch mit dem Signalerzeuger gekoppelt sein, um einen Vergleich zwischen dem gesendeten Signal und dem empfangenen, reflektierten Signal anstellen zu können.
Insbesondere in der Ausgestaltung, bei der eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des Signals quer zur Längsrichtung des Rohres verläuft, können der Signalerzeuger und der Sensor zusammen ein kompaktes Aggregat bilden, welches das Signal in die Rohrwandung einbringt und nach am Umfang umlaufender Reflexion das reflektierte Signal wieder aufnimmt und ggf. auswertet.
Die Auswerteeinheit ist somit derart ausgestaltet, dass sie die vom Sensor detektierten SRflexionen auswertet, wobei nur solche Reflexionen verarbeitet werden, die ausschließlich in festem Material verliefen. Die Selektion zwischen Wellen, die ausschließlich in festem Material reflektiert wurden, und Wellen, die nicht ausschließlich in festem Material, sondern ggf. auch durch das Medium im Rohrleitungsabschnitt verliefen, kann dabei durch die Auswerteeinheit erfolgen.
Gegebenenfalls kann auch der Sensor derart ausgestaltet sein, dass er nur die Wellen detektiert, die ausschließlich von festem Material reflektiert wurden. Dadurch werden auch nur die Informationen über physikalische Größen dieser Wellen der Auswerteeinheit zugeführt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in einfacher Weise an Rohrleitungen mit unterschiedlichen Durchmessern und/oder Wandstärken und/oder Materialien einsetzbar. Der Signalerzeuger sowie auch der Sensor sind vorteilhafterweise derart ausgestaltet, dass sie in einfacher Weise auf die Rohrleitungsaußenseite geklemmt werden können bzw. geklemmt sind.
Zur Verhinderung eines undefinierten Impedanzsprunges auf der Außenseite des zu untersuchenden Rohrleitungsabschnittes ist vorgesehen, dass der Rohrleitungsabschnitt im Reflexionsbereich auf seiner Außenseite zumindest bereichsweise eine Ummantelung aufweist. Diese Ummantelung verhindert Verfälschungen der Auswertung des reflektierten Signals durch unerwünschte Anlagerung eines Gegenstandes an der Außenseite oder auch einer unerwünschten Beschichtung an der Außenseite, wie z. B. einer Wasserschicht nach Regen. Diese Ummantelung kann z. B. eine Schaummatte mit geringer Impedanz sein. Möglichst sollte die Impedanz der Schaummatte der Impedanz des Umgebungsmediums, wie z. B. Luft, entsprechen..
Es wird außerdem erfindungsgemäß ein System zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, zur Verfügung gestellt, welches die Detektion des Gegenstandes in mehreren aneinander grenzenden Rohrleitungsabschnitten ermöglicht. Dieses System umfasst mehrere erfindungsgemäße Vorrichtungen zur Detektion eines Gegenstandes, wobei der Sensor an einem ersten Rohrleitungsabschnitt gleichzeitig als Signalerzeuger an einem zweiten, dem ersten Rohrleitungsabschnitt benachbarten Rohrleitungsabschnitt, ausgebildet ist. Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Systems liegt darin, dass sich sehr lange Rohrleitungen auf die Existenz eines Gegenstandes, wie z. B. eines Molches, im Rohrleitungsinneren überwachen lassen und die jeweilige Position des Gegenstandes je Zeiteinheit ermittelbar ist, woraus sich unter anderem die Geschwindigkeit des Gegenstandes im Rohr ermitteln lässt. Aus der ermittelten Geschwindigkeit lassen sich Rückschlüsse über Einengungen, die ggf. durch Verunreinigungen bewirkt sind, ziehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße System können ggf. auch in Kombination mit passiven Ortungsverfahren, bei dem vom sich bewegenden Gegenstand in Rohrleitungen erzeugte Schallemissionen ausgewertet werden, angewendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten und auf Schallwellen basierenden Ausführungsbeispiels erläutert.
Es zeigen:
1 die Anordnung eines Gegenstandes in einem Rohrleitungsabschnitt,
2 einen Ausschnitt aus einer Rohrleitungswandung in einer Schnittansicht quer zur Längsrichtung der Rohrleitung, ohne Gegenstand im Rohrleitungsabschnitt
3 einen Ausschnitt aus einer Rohrleitungswandung mit Gegenstand im Rohrleitungsabschnitt
4 Amplitude eines Schallsignals bei Mehrfachreflexion zwischen Außen- und Innenseite der Rohrleitung,
5 Amplitude eines Schallsignals bei Mehrfachreflexion bei Anordnung des Gegenstandes im Reflexionsbereich und
6 den zeitlichen Verlauf eines Messsignals vor, während und nach der Molchpassage durch den Reflexionsbereich.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist somit der Signalerzeuger ein Schallerzeuger 13 und der Sensor ist ein Schallsensor 14.
In 1 ist ein Rohrleitungsabschnitt 10 dargestellt, der wie üblich, aus einem festen Material 11 gebildet ist. Ein herkömmliches festes Material ist Stahl.
Im Rohrleitungsabschnitt 10 befindet sich ein Gegenstand 20, der insbesondere ein Inspektions- oder Reinigungsmolch sein kann. Dieser Gegenstand 20 kann sich von der gestrichelt dargestellten Position in Richtung des dargestellten Pfeils zwischen einem auf dem Rohrleitungsabschnitt 10 angeordneten Schallerzeuger 13 und einem Schallsensor 14 bewegen. Solange sich der Gegenstand 20 in der gestrichelt dargestellten Position befindet, wird ein Schallsignal 30, welches vom Schallerzeuger 13 ausgesendet wird, lediglich im festen Material 11 des Rohrleitungsabschnittes 10 reflektiert, wie es weiter unten anhand 2 beschrieben werden wird.
Befindet sich jedoch der Gegenstand 20 zwischen dem Schallerzeuger 13 und dem Schallsensor 14, wie in 1 dargestellt, verläuft das Schallsignal 30 durch das feste Material 11 des Rohrleitungsabschnittes 10 und teilweise in das feste Material 21 des Gegenstandes 20. Das Schallsignal 30 wird durch den Gegenstand 20 zumindest teilweise absorbiert bzw. zerstreut.
Dabei ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt, dass sich der Schallsensor 14 direkt gegenüber dem Schallerzeuger 13 befindet, sondern der Schallsensor ist bevorzugt in einer von 180° abweichenden Position angeordnet, wie in 2 gezeigt.
Aus 2 ist insbesondere die Mehrfachreflexion des Schallsignals 30, welches vom Schallerzeuger 13 ausgesandt wird, ersichtlich. In 2 ist dabei die Situation dargestellt, in der sich der Gegenstand nicht im Reflexionsbereich 40 befindet. Das vom Schallerzeuger 13 ausgesandte Schallsignal 30 wird von der Innenseite 15 des Rohrleitungsabschnittes 10 reflektiert, so dass es wieder auf die Außenseite 12 des Rohrleitungsabschnittes 10 auftritt und von dieser wiederum zu Innenseite 15 reflektiert wird. Durch die Propagierung dieser Reflexionen 31 erreichen diese den Schallsensor 14. Dieser Schallsensor 14 ist mit einer nicht dargestellten Auswerteeinheit verbunden, die wenigstens eine physikalische Größe des reflektierten Schallsignals 31 auswerten kann.
Befindet sich nun ein Gegenstand im Reflexionsbereich 40, wie in 3 gezeigt, wird das Schallsignal 30 nicht von der Innenseite 15 des Rohrleitungsabschnittes 10 total reflektiert, sondern es wird in den Gegenstand teilweise übertragen und von diesem und/oder der gegenüber liegenden Seite 12 reflektiert oder vom Gegenstand zumindest teilweise absorbiert und zerstreut. Dadurch verliert die Schwingung an Energie, so dass die vom Schallsensor 14 detektierte Reflexion 31 eine geringere Amplitude aufweist, als die Amplitude der Reflexion 31, die empfangen wird, wenn sich kein Gegenstand im Reflexionsbereich 40 befindet. Dieser Sachverhalt der ist durch die abnehmenden Strichstärken der Wellennormale des Schallsignals 31 in 3 verdeutlicht. Dadurch, dass die reflektierten Schallwellen je Reflexion durch den Gegenstand 20 teilweise absorbiert werden, verlieren sie je verbleibender Reflexion Energie.
Die Erfindung ist dabei nicht auf die Anordnung des Schallerzeugers 13 und des Schallsensors 14 in einer Schnittebene senkrecht zur Längsachse des Rohrleitungsabschnittes 10 eingeschränkt, sondern es kann alternativ auch vorgesehen sein, dass der Schallerzeuger 13 und der Schallsensor 14 in Längsrichtung auf dem Rohrleitungsabschnitt 10 angeordnet sind.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Vorrichtung ist es, wenn der Schallerzeuger 13 sowie der Schallsensor 14 nicht in einer Ebene parallel zur Längsachse des Rohrleitungsabschnittes 10 und nicht in einer Ebene senkrecht zur Längsachse des Rohrleitungsabschnittes 10 angeordnet sind.
Aus den Figuren 4 und 5 ist ersichtlich, dass z. B. die Amplitude der Schallwelle herangezogen werden kann, um einen Gegenstand im Reflexionsbereich zu detektieren. In 2 ist der Verlauf der Schwingung eines Schallsignals dargestellt, wenn sich kein Gegenstand im Reflexionsbereich befindet, so dass das Schallsignal 30, wie in 2 dargestellt, in Mehrfachreflexion lediglich durch das feste Material 11 des Rohrleitungsabschnittes 10 propagiert.
Befindet sich jedoch ein Gegenstand im Reflexionsbereich 40, 3, verläuft, wie bereits erwähnt, das Schallsignal teilweise in den Gegenstand 20, so dass der Schwingung Energie genommen wird und demzufolge die Amplitude der Reflexion 31 geringer ausfällt, wie es in 5 gezeigt ist.
In 6 ist dieses Phänomen rechnerisch aufbereitet erkennbar. Die in dem Diagramm in 6 dargestellte Funktion entspricht dem Differenzbetrag D zwischen dem jeweiligen maximalen positiven Wert der Amplitude und dem maximalen negativen Wert der Amplitude. Es ist erkennbar, dass diese Funktion zu einem bestimmten Zeitpunkt sehr stark abfällt und anschließend auf einem geringeren Differenz-Niveau fortgeführt wird. Die Aussage dieser Funktion ist es, dass zunächst über einen längeren Zeitraum die Differenz zwischen dem maximalen positiven Wert und dem maximalen negativen Wert der empfangenen Amplituden relativ hoch war, das heißt, dass die Amplituden der Reflexions-Schwingung relativ groß waren. Zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt sich jedoch eine wesentlich geringere Differenz zwischen dem maximalen positiven Wert und dem maximalen negativen Wert der Amplitude ein. Dieser Zustand entspricht dem Schwingungsverlauf in 5, aus dem abgeleitet werden kann, dass sich ein Gegenstand im Reflexionsbereich befindet, da die Amplituden aufgrund der Propagierung der Schwingungen durch den Molch verringert werden.
Aus 6 ist somit deutlich der Zeitpunkt erkennbar, zu dem der Gegenstand den Reflexionsbereich passiert hat. Bei sofortiger Erkennung dieses Funktionsabfalls bzw. der Amplitudenverringerung kann somit die Position des Gegenstandes im Reflexionsbereich zu diesem Zeitpunkt festgestellt werden.
Bezugszeichenliste

10: Rohrleitungsabschnitt
11: festes Material
12: Außenseite
13: Schallerzeuger
14: Schallsensor
15: Innenseite
20: Gegenstand
21: festes Material
30: Schallsignal
31: Wellennormale des Schallsignals, Reflexion
32: Wellennormale des Schallsignals, Absorption
40: Reflexionsbereich
A: Schwingungsamplitude
T: Zeit
D: Differenz zwischen maximaler Amplitude und minimaler Amplitude

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 2462096 A [0006]
US 4590799 [0007]
DE 102007062913 A1 [0009]
EP 2075594 A2 [0010]

Claims

Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in einem Rohrleitungsabschnitt (10), bei dem ein elastisches Wellensignal, insbesondere ein Schallsignal (30) derart in die Außenseite (12) einer Rohrleitungswand eingeleitet wird, dass es sich in festem Material (11) ausbreitet, eine Reflexion (31) des elastischen Wellensignals (30) in festem Material (11) von wenigstens einem Sensor (14) erfasst wird und wenigstens eine physikalische Größe des ausschließlich in festem Material (11) reflektierten elastischen Wellensignals (30) ermittelt wird, und aus einer Änderung der wenigstens einen physikalischen Größe die Information über das Vorhandensein des Gegenstandes (20) im Reflexionsbereich (40) gewonnen wird.
Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes nach Anspruch 1, bei dem die Reflexionsrichtung von der Ausbreitungsrichtung des elastischen Wellensignals abweicht, so dass eine Mehrfachreflexion entsteht, die in der Rohrleitungswandung propagiert.
Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem zumindest eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des elastischen Wellensignals quer zur Längsrichtung des Rohrleitungsabschnittes (10) verläuft.
Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zumindest eine Komponente der Ausbreitungsrichtung des elastischen Wellensignals in Längsrichtung des Rohrleitungsabschnittes (10) verläuft.
Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem bei auszuschließender Anwesenheit des Gegenstandes (20) im Reflexionsbereich der Wert wenigstens einer physikalischen Größe des reflektierten elastischen Wellensignals als Sollwert angenommen wird, und bei nicht auszuschließender Anwesenheit des Gegenstandes (20) im Reflexionsbereich der Wert derselben physikalischen Größe des reflektierten elastischen Wellensignals als Istwert angenommen wird, und die Differenz zwischen Istwert und Sollwert ermittelt wird, und bei einem Betrag der Differenz, der größer ist als eine definierte Toleranz, ein Signal mit der Information der Anwesenheit des Gegenstandes (20) im Reflexionsbereich generiert wird.
Verfahren zur Detektion eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Wert wenigstens einer physikalischen Größe des einzuleitenden elastischen Wellensignals als Sollwert angenommen wird, und der Wert derselben physikalischen Größe des reflektierten elastischen Wellensignals als Istwert angenommen wird, und die Differenz zwischen Istwert und Sollwert ermittelt wird, und bei einem Betrag der Differenz, der größer ist als eine definierte Toleranz, ein Signal mit der Information der Anwesenheit des Gegenstandes (20) im Reflexionsbereich generiert wird.
Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in einem Rohrleitungsabschnitt, umfassend den Rohrleitungsabschnitt (10) sowie wenigstens einen Signalerzeuger (13) zur Erzeugung eines elastischen Wellensignals, wenigstens einen Sensor (14) zur Erfassung eines elastischen Wellensignals und eine Auswerteeinheit, wobei der Signalerzeuger (13) und der Sensor (14) an oder auf dem Rohrleitungsabschnitt (10) angeordnet sind und derart ausgestaltet sind, dass durch den Signalerzeuger (13) ein sich in festem Material (11) ausbreitendes elastisches Wellensignal in die Außenseite (12) einer Rohrleitungsabschnittswand einleitbar ist, und eine Reflexion des elastischen Wellensignals in festem Material (11) vom Sensor (14) erfassbar ist, und die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass mit ihr wenigstens eine physikalische Größe eines ausschließlich in festem Material (21) reflektierten elastischen Wellensignals ermittelt werden kann.
Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes nach Anspruch 7, bei der der Signalerzeuger (13) und der Sensor (14) an oder auf die Rohrleitungsaußenseite geklemmt sind.
Vorrichtung zur Detektion eines Gegenstandes nach einem der Ansprüche 7 und 8, bei der der Rohrleitungsabschnitt (10) im Reflexionsbereich auf seiner Außenseite zumindest bereichsweise eine Ummantelung aufweist, um im Bereich der Ummantelung einen konstanten Impedanzsprung zu realisieren.
System zur Detektion eines Gegenstandes, insbesondere eines Molches, in mehreren aneinandergrenzenden Rohrleitungsabschnitten, umfassend mehrere Vorrichtungen zur Detektion eines Gegenstandes gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei der Sensor an einem ersten Rohrleitungsabschnitt gleichzeitig als Signalerzeuger an einem zweiten, dem ersten Rohrleitungsabschnitt benachbarten Rohrleitungsabschnitt, ausgebildet ist.