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Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine Vorrichtung, ein Verfahren und ein Computerprogramm zur Messung der Entfernung zwischen einem Gasleck in einem Druckbehälter und einem Sensor, insbesondere aber nicht ausschließlich, auf ein Konzept zur automatisierten Leckdetektion und/oder Ortung an Druckbehältern, beispielsweise durch die Entfernungsschätzung eines Gaslecks mittels eines Gaslecksensors durch Interpretation der frequenzabhängigen Dämpfung des Ultraschalls in Abhängigkeit von Umweltparametern.
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In der Industrie, in der beispielsweise mit gefährlichen Gasen und unter Druck gearbeitet wird, werden zum Teil tragbare und stationäre Warngeräte eingesetzt, die sich zur Erkennung von Gaslecks eignen. Diese funktionieren oft durch Vermessen des erwarteten Gases in der Luft und einer entsprechenden Warnung, falls eine gemessene Konzentration eine vorgegebene Alarmschwelle übersteigt. Es gibt jedoch auch Warngeräte, die vor dem Auftreten eines Lecks durch Vermessen des Schallpegels, insbesondere im Bereich des Ultraschalls, warnen. Der Schall entsteht dabei durch das turbulente Ausströmen des Gases durch das Leck und propagiert durch die Luft zu einem Schallsensor. Der Sensor ist mit einer Elektronik ausgerüstet, die z.B. Alarme auslösen kann.
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Weitere Hintergrundinformation kann außerdem gefunden werden in:
- • http://www.sengpielaudio.com/, wo fundamentale physikalische Gesetze und Überlegungen, auch wenn sie ausdrücklich nicht für Ultraschall vorgesehen sind, zusammengefasst werden,
- • Ultraschall (Sonographie), Universität Erlangen, https://www.physik.uni-erlangen.de/lehre/daten/NebenfachPraktikum/Ultraschall.pdf, Gaslecksensoren bewegen sich im Bereich bis 100kHz,
- • Edward Naranjo, et al, Best Practices in the Allocation, Commissioning, and Maintenance of Ultrasonic Gas Leak Detectors, 2010, Abu Dhabi, International Petroleum Exhibition and Conference,
- • Edward Naranjo, et al, Expanding the Use of Ultrasonic Gas Leak Detectors: A Review of Gas Release Characteristics for Adequate Detection, Gases & Instrumentation, November/December 2009,
- • ECMA 108, Measurement of High-frequency Noise emitted by Information Technology and Telecommunications Equipment, 5th edition, December 2010, Rue du Rhône 114, CH-1204 Geneva, und
- • ISO 9613-1, Acoustics - Attenuation of sound during propagation outdoors - Part 1: Calculation of the absorption of sound by the atmosphere.
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Es besteht ein Bedarf ein verbessertes Konzept für die Erkennung von Gaslecks zu schaffen.
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Diesem Bedarf werden Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung, eines Verfahrens und eines Computerprogramms gemäß den anhängigen unabhängigen Ansprüchen gerecht.
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Ausführungsbeispiele basieren auf dem Kerngedanken, dass sobald ein Gaslecksensor ein Leck detektiert hat, ein Anwender wissen möchte, wo sich das Leck befindet, ggf. auch wie groß es ist bzw. wieviel Gas freigesetzt wird. Wenn Sensoren einen großen Bereich abdecken, oder eine Verrohrung von Gasleitungen oder Druckbehältern nicht besonders übersichtlich gestaltet ist, sollte der Sensor einem Anwender bestenfalls auch eine (geschätzte) Position des Lecks angeben können. Die Angabe der Entfernung wäre hierbei ein großer Schritt. Auch die Angabe der Gasart kann sinnvoll sein, sofern die überwachten Rohre verschiedene gefährliche Gase enthalten. Wenn diese Parameter bekannt sind, kann auch die Leckgröße, bzw. die Austrittsmenge abgeschätzt werden. Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, dass die Dämpfung des Schalls bei der Ausbreitung durch die Luft frequenzabhängig ist, und so ein Spektrum charakteristisch für eine Ausbreitungsweglänge des Schalls durch die Luft ist.
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Die Emission von Ultraschall bei Austritt eines Gases durch ein Leck ist in guter Näherung zunächst spektral weiß (im Wesentlichen konstante Leistungsdichte über eine gewisse/relevante Bandbreite), sofern keine speziellen Resonanzen auftreten. Das bedeutet, die Schallemission pro Frequenzkanal ist gleichverteilt, bzw. hat die gleiche Intensität. Die spektral unterschiedliche Dämpfung führt nun nach einer Propagation durch die Luft zu einer charakteristischen spektralen Verteilung. Diese Verteilung ist sowohl von der zurückgelegten Strecke in der Luft (Weglänge durch die Luft), als auch von Umweltparametern wie Temperatur, Feuchte und Druck und von der austretenden Gasart abhängig. So können aus dem Spektrum eines empfangenen Schalls oder Signals die Erkennung eines Gaslecks, die Entfernung von dem Gaslecksensor und evtl. sogar die Gasart gefolgert werden. Wenn diese Parameter abgeschätzt sind, kann durch die Analyse der Schallintensität möglicherweise noch die austretende Gasmenge, d.h. die Leckgröße (bei bekanntem Druck) abgeschätzt werden.
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Ausführungsbeispiele schaffen daher eine Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen einem Gasleck in einem Druckbehälter und einem Sensor. Die Vorrichtung umfasst den Sensor, der zur Erfassung eines akustischen Signals ausgebildet ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine Recheneinrichtung, die zur Analyse des Signals ausgebildet ist, wobei die Recheneinrichtung ausgebildet ist, um eine spektrale Analyse des Signals durchzuführen und um, basierend auf der spektralen Analyse des Signals, Information über die Entfernung des Gaslecks von dem Sensor zu bestimmen. Ausführungsbeispiele können die Entfernung eines Gaslecks von einem Sensor zumindest abschätzen.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ferner ausgebildet sein, um die Information über die Entfernung zu dem Gasleck basierend auf einem Verhältnis verschiedener Spektralanteile in dem Signal zu bestimmen. Nachdem die Dämpfung beispielsweise bei der Schallausbreitung spektral unterschiedlich ist, kann aus dem Verhältnis verschiedener Spektralanteile auf die Weglänge der Ausbreitung und darüber auf die Entfernung geschlossen werden. Ausführungsbeispiele können so die Entfernungsbestimmung über eine einfache Spektralanalyse ermöglichen. In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ausgebildet sein, um aus dem Signal eine Information über eine frequenzabhängige Dämpfung des Signals erzeugt durch ein aus dem Gasleck ausströmendes Gas zu bestimmen. So kann beispielsweise Schall oder Ultraschall in Ausführungsbeispielen ausgewertet und analysiert werden. Die Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um basierend auf der Information über die frequenzabhängige Dämpfung die Information über die Entfernung des Gaslecks zu bestimmen.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ausgebildet sein, um, basierend auf der Information über die frequenzabhängige Dämpfung, eine Information über die Art oder den Typ des leckenden Gases zu bestimmen. Zumindest manche Ausführungsbeispiele können so eine Gasartbestimmung basierend auf spektralen Ausbreitungscharakteristika erlauben, beispielsweise auch wenn durch die Leck-Entfernung das leckende Rohr eindeutig identifiziert werden kann und dadurch das in diesem Rohr bekanntermaßen befindliche Gas bestimmt werden kann. In manchen Ausführungsbeispielen kann auch ausgenutzt werden, dass sich ein etwaiges, an dem Leck entstehendes Schallsignal, mit fortschreitender Zeit in einer Atmosphäre mit steigender Konzentration des ausströmenden Gases ausbreitet. Je nach Art des Gases kann es so zu Charakteristika im Spektrum kommen, beispielsweise zu Resonanzen oder anderen spektralen Effekten, die dann detektierbar sein können. Darüber hinaus können solche Effekte über die Zeit (mit steigender Gaskonzentration) stärker hervortreten. Insofern kann auch ein zeitlicher Verlauf einer spektralen Eigenschaft zur Bestimmung gewisser Größen verwendet werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ferner ausgebildet sein, um eine Information über eine Menge eines durch das Gasleck austretenden Gases zu bestimmen. Einige Ausführungsbeispiele können so auch eine Austrittsmenge des Gases zumindest abschätzen. Z.B. kann bei unbekannter Gasart die Leckgröße zu einem Standard-Gas in Bezug gesetzt werden. Z.B. entspricht die Leckgröße 100g/sec, beispielsweise Methan bei 20°C. Ausführungsbeispiele schaffen eine Möglichkeit zu skalieren, wenn bekannt ist, dass z.B. Ethylen, CO2 (Kohlendioxid) oder H2S (Schwefelwasserstoff) austreten könnten. Gefahren können so eingeschätzt werden.
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In einigen weiteren Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ausgebildet sein, um eine Information über eine geschätzte Position des Gaslecks relativ zu dem Sensor zu bestimmen. Ausführungsbeispiele können so eine Lecksuche erleichtern. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ferner ausgebildet sein, um eine Information über eine Größe des Gaslecks zu bestimmen. In manchen Ausführungsbeispielen kann die Recheneinrichtung ausgebildet sein, um in dem Signal eine Resonanzfrequenz zu bestimmen und die Information über die Entfernung basierend auf der Resonanzfrequenz zu bestimmen. Beispielsweise kann es bei Austritt des Gases zu Pfeifen (auch Pfeifenschneiden) kommen. Hierbei wird es im Spektrum einzelne schmalbandige Frequenzanteile geben, die aus dem übrigen Spektrum heraustreten. Durch Untersuchung einer oder mehrerer Resonanzfrequenzen (und/oder Harmonischen) kann eine Information über die Entfernung in manchen Ausführungsbeispielen bestimmt werden, dies kann insbesondere der Fall sein, wenn Sollbruchstellen, Überdruckventile, anderweitige Ventile oder Gasaustritte vorhanden sind (z.B. Pfropfen oder Verschlüsse, die sich bei vordefinierter Kraft (Überdruck) lösen und Lecks vordefinierter Größe hervorrufen können). Hierbei können diese Komponenten auch zur Erzeugung eines bestimmten (gefärbten) Spektrums oder einer Resonanz ausbildet sein, das/die dann detektierbar ist.
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In Ausführungsbeispielen kann das Signal ein Rauschsignal sein und die Recheneinrichtung kann ausgebildet sein, um die Entfernung basierend auf der Annahme eines im Wesentlichen weißen Spektrums des Rauschsignals bei Austritt des Gases zu bestimmen.
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Ausführungsbeispiele schaffen ferner ein Verfahren zur Messung einer Entfernung zwischen einem Gasleck in einem Druckbehälter und einem Sensor. Das Verfahren umfasst ein Erfassen eines akustischen Signals mit dem Sensor und ein spektrales Analysieren des Signals. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen von Information über die Entfernung des Gaslecks basierend auf der spektralen Analyse des Signals.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Programm oder Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung eines hierin beschriebenen Verfahrens, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele, auf welche Ausführungsbeispiele generell jedoch nicht insgesamt beschränkt sind, näher beschrieben. Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Messung einer Entfernung zwischen einem Gasleck in einem Druckbehälter und einem Sensor;
- 2 die spektrale Abhängigkeit einer Dämpfung eines Schallsignals von der Weglänge;
- 3 die spektrale Abhängigkeit einer Dämpfung eines Schallsignals von der Temperatur bei 10m Weglänge;
- 4 die spektrale Abhängigkeit einer Dämpfung eines Schallsignals von der Temperatur bei 20m Weglänge; und
- 5 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Messung einer Entfernung zwischen einem Gasleck in einem Druckbehälter und einem Sensor.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der beigefügten Figuren, die lediglich einige exemplarische Ausführungsbeispiele zeigen, können gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten bezeichnen. Ferner können zusammenfassende Bezugszeichen für Komponenten und Objekte verwendet werden, die mehrfach in einem Ausführungsbeispiel oder in einer Zeichnung auftreten, jedoch hinsichtlich eines oder mehrerer Merkmale gemeinsam beschrieben werden. Komponenten oder Objekte, die mit gleichen oder zusammenfassenden Bezugszeichen beschrieben werden, können hinsichtlich einzelner, mehrerer oder aller Merkmale, beispielsweise ihrer Dimensionierungen, gleich, jedoch gegebenenfalls auch unterschiedlich ausgeführt sein, sofern sich aus der Beschreibung nicht etwas anderes explizit oder implizit ergibt. Optionale Komponenten sind in den Figuren mit gestrichelten Linien oder Pfeilen dargestellt.
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Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche funktionale und/oder strukturelle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
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Man beachte, dass ein Element, das als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „verkoppelt“ bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden“ oder „direkt verkoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z.B., „zwischen“ gegenüber „direkt dazwischen“, „angrenzend“ gegenüber „direkt angrenzend“ usw.).
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Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ einer“, „ eine“, „eines" und „der, die, das“ auch die Pluralformen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke wie z.B. „beinhaltet“, „beinhaltend“, „aufweist“, „umfasst“, „umfassend“ und/oder „aufweisend“, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
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Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z.B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
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Ausführungsbeispiele können demnach Gaslecks basierend auf einem akustisch erfassten Signal erkennen und die Entfernung abschätzen. Die Entfernung zwischen Gaslecksensor und Gasleck kann in Ausführungsbeispielen zumindest abgeschätzt werden.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 10 zur Messung einer Entfernung zwischen einem Gasleck 20 in einem Druckbehälter 30 und einem Sensor 40. Der Druckbehälter 30 kann in Ausführungsbeispielen z.B. eine Gasleitung, ein Ausgleichsbehälter, ein Druckminderer, ein beliebiges druckgasführendes Bauteil, etc. sein. Das Gasleck kann eine beliebige Öffnung in einem gasführenden Kreis sein, also beispielsweise eine Bruch- oder Leckstelle, eine Undichtigkeit, ein geöffnetes oder nicht verschlossenes Ventil, ein defektes Ventil, usw. Der Sensor kann demnach ein analoges oder auch digitales (z.B. durch einen integrierten oder zwischengeschalteten Analog-Digital-Wandler) Signal liefern, das zumindest in manchen Ausführungsbeispielen ein Rauschsignal sein kann.
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Wie die 1 weiter zeigt, umfasst die Vorrichtung 10 den Sensor 40, der ein beliebiger Sensor zur Erfassung von akustischen Signalen sein kann. Beispiele sind Mikrofone, Schallsensoren, Schallwandler, Tonabnehmer, ein beliebiger Wandler zur Wandlung von Schallsignalen in elektrische Signale, etc. In dem Ausführungsbeispiel der 1 ist der Sensor 40 zur Erfassung eines akustischen Signals ausgebildet. Die Vorrichtung 10 umfasst ferner eine Recheneinrichtung 50.
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Die Recheneinrichtung 50 kann in Ausführungsbeispielen einem beliebigen Controller oder Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente entsprechen. Beispielsweise kann die Rechen- oder Bestimmungseinrichtung 50 auch als Software realisiert sein, die für eine entsprechende Hardwarekomponente programmiert ist. Insofern kann die Recheneinrichtung 50 als programmierbare Hardware mit entsprechend angepasster Software implementiert sein. Dabei können beliebige Prozessoren, wie Digitale SignalProzessoren (DSPs) oder Prozessoren generell zum Einsatz kommen. Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf einen bestimmten Typ von Prozessor eingeschränkt. Es sind beliebige Prozessoren oder auch mehrere Prozessoren zur Implementierung der Recheneinrichtung 50 denkbar. In Ausführungsbeispielen können die Recheneinrichtung 50 und der Sensor 40 zusammen oder getrennt voneinander implementiert werden. Prinzipiell wird eine kürzere Distanz zu einem besseren Signal-zu-Störungs-Verhältnis bei Eingang des Signals an der Recheneinrichtung 50 führen. Denkbar wäre beispielsweise ein Mikrofon als Sensor 40, das mittels eines Kabels oder auch schnurlos mit der Recheneinrichtung 50 verbunden oder gekoppelt ist. Um Problemen mit elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) zu begegnen, kann an dem Kabel eine Abschirmung vorgesehen sein.
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In dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Recheneinrichtung 50 zur Analyse des Signals ausgebildet. Die Recheneinrichtung 50 ist ausgebildet, um eine spektrale Analyse des Signals durchzuführen und um, basierend auf der spektralen Analyse des Signals, Information über die Entfernung des Gaslecks 20 von dem Sensor 40 zu bestimmen. In Ausführungsbeispielen sind verschiedene Arten der spektralen Analyse denkbar. Beispiele sind eine schnelle Fourier Transformation (auch engl. Fast-Fourier-Transformation (FFT)), die Nutzung von Filterbänken zur Spektralanalyse, diskrete Frequenzbereichstransformationen, allgemein, jegliche Transformation die eine Abschätzung einer spektralen Leistungsdichte erlaubt etc.
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In manchen Ausführungsbeispielen kann das Signal ein Rauschsignal sein. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung 50 ausgebildet sein, um die Entfernung basierend auf der Annahme eines im Wesentlichen weißen Spektrums des Rauschsignals bei Austritt des Gases zu bestimmen. In manchen Ausführungsbeispielen kann das Spektrum eine andere Färbung aufweisen, beispielsweise ist zu erwarten, dass eine spektrale Leitungsdichte je nach Gegebenheiten zu ganz tiefen und ganz hohen Frequenzen hin abfallen wird. Eine Bandbreite eines mittleren Bereichs wird in Abwesenheit von Resonanzen von den jeweiligen Gegebenheiten abhängen. Ausführungsbeispiele gehen demnach nicht immer von einem weißen Spektrum aus, sondern es können auch Spektren vorkommen, die bei Entstehung schon weniger hochfrequente oder niederfrequente Anteile haben können. Bei nichtbekannten Spektren kann zumindest in manchen Ausführungsbeispielen von einem weißen Spektrum ausgegangen werden.
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Ausführungsbeispiele können beispielsweise stationäre Ultraschall-Gaslecksensoren einsetzen, um eine Positions- oder Entfernungsinformation zu ermitteln. In manchen Ausführungsbeispielen kann darüber hinaus auch Gasartinformation oder Information über eine Austrittsmenge bereitgestellt werden. Ausführungsbeispiele können also Gaslecksensoren 40 umfassen, die auch auf der Basis von Gasmessungen die Gasart bestimmen und die Austrittsmenge abschätzen. Ausführungsbeispiele können eine zuverlässige Abschätzung der Gasleckentfernung vom Gassensor 40 ermöglichen und dabei beispielsweise präzise oder wiederholbare Messungen des Schallspektrums mit hoher zeitlicher Auflösung durchführen. Mögliche Hintergrundgeräusche können ggf. im Vorfeld vermessen werden. Beispielsweise können Eigenschaften interessanter Gasarten vor Produktentwicklung vermessen werden. Für die Abschätzung der Austrittsmenge kann der Schallpegel relativ zu einem Eichwert (Justagewert, Kalibrierwert) bestimmt werden.
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2 illustriert die spektrale Abhängigkeit einer Dämpfung eines Schallsignals von der Weglänge. Die 2 zeigt dabei simulierte Schallspektren (im Frequenzbereich von 0 - 100kHz) und deren Veränderung mit wachsender Weglänge durch die Luft. Dabei wird in der 2 von 20°C Lufttemperatur, 50% relativer Luftfeuchte (engl. 50% relative humidity(rh)), und 1013hPa Umgebungsdruck ausgegangen. Das so erhaltene Spektrum ist als durchgezogene Linie dargestellt. Um das Messprinzip zu verdeutlichen wird das Spektrum im Abstand von 1m des Lecks dabei als Referenzspektrum von 100dB angenommen und ist, wie in allen Diagramme der 2 weiß (konstante Rauschleistungsdichte). Um die Abhängigkeiten von den Umgebungsparametern ebenfalls darzustellen, zeigen die Diagramme jeweils ein Spektrum für minimale bzw. maximale spektrale Schallleistung am Ort des Sensors, die innerhalb der Umgebungsextremwerte (-40C°...+60°C, 0...100% rh, 700...1100hPa) auftreten. Diese spektralen Rauschleistungsdichten sind als gestrichelte Linien um die durchgezogene Linie herum dargestellt. Die gestrichelten Linien treten nicht zwangsläufig bei den Extremwerten auf. Gezeigt sind die Extremwerte der resultierenden Schallenergie am Ort des Sensors für jeden Frequenzkanal, die manchmal nicht bei den extremen Temperaturen, Feuchten oder Drücken erreicht werden. Gerade bei der Feuchte gibt es hier Anomalien. Das bedeutet, die Absorption kann bei 5%rh deutlich höher sein, als bei 0%rh und bei 10%rh. Die vier Diagramme in der 2 unterscheiden sich im Abstand zu dem Leck, 5m links oben, 10m links unten, 15m rechts oben und 20m rechts unten. Wie aus den Diagrammen zu sehen ist, ist die spektrale Dämpfung in Abhängigkeit der Frequenz unterschiedlich. Höhere Frequenzen erfahren eine höhere Dämpfung. Daher verschiebt sich mit steigenden Frequenzen das Verhältnis zwischen der spektralen Leistungsdichte bei hohen Frequenzen und der spektralen Leistungsdichte bei niedrigen Frequenzen. Mit steigendem Abstand wird dieses Verhältnis extremer. Mit steigendem Abstand wird der Quotient oder das Verhältnis aus einer Rauschleistungsdichte bei einer hohen Frequenz zu einer Rauschleistungsdichte bei einer niedrigen Frequenz kleiner.
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In einem Ausführungsbeispiel ist die Recheneinrichtung 50 ausgebildet, um die Information über die Entfernung zu dem Gasleck 20 basierend auf einem Verhältnis verschiedener Spektralanteile in dem Signal zu bestimmen. Die 2 zeigt dabei, das eine solches Verhältnis theoretisch aus zwei beliebigen verschiedenen Spektralanteilen ermittelt werden kann, für die Praxis wird jedoch ein gewisser spektraler Abstand von Nutzen sein, da auch der Unterschied dann deutlicher wird (Quotient oder Verhältnis wird extremer).
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Die 3 zeigt die spektrale Abhängigkeit der Dämpfung eines Schallsignals von der Temperatur bei 10m Entfernung. Die Temperatur wird von -20°C (links oben), über 0 °C (links unten), über 20°C, auf 40°C (rechts unten) verändert. Ansonsten wird von gleichen Parametern wie in der 2 ausgegangen. Der Einfluss der Temperatur ist in den Diagrammen deutlich zu erkennen. Je höher die Temperatur umso steiler fällt die spektrale Leistungsdichte ab. Es ist zu erkennen, dass für eine konstante Temperatur ein charakteristisches Spektrum für die Weglänge (hier 10m) resultiert.
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4 zeigt die spektrale Abhängigkeit einer Dämpfung eines Schallsignals von der Temperatur, diesmal in einem Abstand von 20m. Die Entfernung beträgt also für alle vier dargestellten Diagramme 20m, wobei die Temperatur von -20°C (links oben), über 0°C (links unten), über 20°C, auf 40°C (rechts unten) verändert wird. Auch hier ist der Einfluss der Temperatur gut zu erkennen, sowie ein für die Entfernung charakteristisches Spektrum. Ähnliche Abhängigkeiten ergeben sich auch von den anderen Umgebungsparametern wie Luftdruck und Luftfeuchtigkeit.
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Wie die 2, 3 und 4 verdeutlichen, kann die Recheneinrichtung 50 in Ausführungsbeispielen ausgebildet sein, um aus dem Signal eine Information über eine frequenzabhängige Dämpfung des Signals erzeugt durch ein aus dem Gasleck 20 ausströmendes Gas zu bestimmen. Beispielsweise kann die Recheneinrichtung 50 eine Transformation eines im Zeitbereich aufgenommenen Schallsignals in den Frequenzbereich vornehmen und die transformierten Daten dort untersuchen. Der so gefundenen spektralen Charakteristik des Signals kann dann in Anlehnung an die 2 bis 4 die Entfernung zugeordnet werden. Basierend auf der Information über die frequenzabhängige Dämpfung kann Information über die Entfernung des Gaslecks 20 bestimmt werden. Die in den 2 bis 4 gezeigten Verläufe können darüber hinaus charakteristisch für ein leckendes Gas sein, d.h. verschiedene Gase können verschiedene Spektren und/oder verschiedene frequenzabhängige Dämpfungen haben. Der Schall breitet sich unmittelbar nach Austritt in der Umgebungsatmosphäre (Luft) aus. Danach wird sich das Signal jedoch ein gewisses Stück weit im austretenden Gas bzw. in steigender Konzentration des austretenden Gases ausbreiten, wodurch das Spektrum beeinflusst werden kann. Dadurch entstehende spektrale Eigenschaften können dann detektiert werden und ggf. Aufschluss über oder Hinweise auf die Art des Gases, die Menge des Gases, usw. liefern. In einem extremen Fall wäre der Raum zwischen Leck und Sensor 40 bereits vollständig mit dem austretenden Gas gefüllt. Ein so entstehendes Spektrum ist dann zeitabhängig, es wird sich mit der Menge oder der Konzentration des Gases auf dem Ausbreitungsweg des Signals ggf. ändern. Ausführungsbeispiele können auch diese zeitlichen. Änderungen erfassen und interpretieren, beispielsweise wenn bei gegebener Gasart oder bei den infrage kommenden Gasen mit solche zeitlichen Veränderungen zu rechnen ist.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die Recheneinrichtung 50 ausgebildet sein, um, basierend auf der Information über die frequenzabhängige Dämpfung, eine Information über die Art oder den Typ des leckenden Gases zu bestimmen. In manchen Ausführungsbeispielen kann als Erweiterung also eine Erkennung des Gases durchgeführt werden. Beispielsweise, kann, wenn das Leck in Größe und Abstand bekannt ist, über die absolute Lautstärke das Gas ggf. identifizierbar sein.
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In einigen Ausführungsbeispielen wird der Typ des Gases, auch mehrere Typen in Szenarien, in denen die verwendeten Gase bereits bekannt sind, als Eingangsparameter im Gaslecksensor 40 oder in der Recheneinrichtung 50 hinterlegt. Alternativ können charakteristische Spektren auch in einem Speicher oder einer Datenbank hinterlegt sein, sodass durch Vergleich auch die Art oder der Typ des Gases ermittelt werden kann. Ein solcher Datensatz kann dann für eine bestimmte Umgebungstemperatur und/oder für eine bestimmte Luftfeuchtigkeit hinterlegt sein. Je nach infrage kommenden Gasen kann ein Spektrum auch charakteristisch für ein bestimmtes Gas, die Entfernung zum Leck, eine Temperatur, einen Umgebungsdruck und eine Luftfeuchtigkeit sein. Ein oder mehrere dieser Parameter können auch gemessen werden, z.B. mit zusätzlichen Sensoren, und dann infrage kommende entfernungsabhängige Spektren festlegen. Die spektrale Formung durch die Atmosphäre und die absolute Signalstärke können bestimmt werden. Aus der spektralen Formung lässt sich die Entfernung schätzen, beispielsweise unter Annahme eines weißen Spektrums bei Austritt. Aus der absoluten Signalhöhe kann man bei bekanntem Gas und dessen Temperatur auf die Leckgröße schließen, oder umgekehrt. In manchen Szenarien ist die Leckgröße nicht bekannt, was auf den Rückschluss auf die Gasart erschweren kann. Ggf. kann über die Entfernung auf die Gasart geschlossen werden.
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Wenn diese Parameter sicher abgeschätzt werden können oder bekannt sind, so ist in einigen weiteren Ausführungsbeispielen sogar eine Schätzung der Leckgröße, bzw. eine Schätzung der austretenden Materialmenge möglich, beispielsweise wenn über die Entfernung auf eine Sollbruchstelle mit definierter Öffnung geschlossen werden kann. Die Recheneinrichtung 50 kann dann ferner ausgebildet sein, um eine Information über eine Menge eines durch das Gasleck 20 austretenden Gases zu bestimmen. Eine solche Mengenabschätzung kann beispielsweise über gemessene Schallintensitäten und auch anhand von für eine Gasmenge charakteristischen spektralen Eigenschaften durchgeführt werden.
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Ausführungsbeispiele können eine Entfernungserkennung beispielsweise durch spektrale Dämpfung des Ultraschalls durchführen. Dies kann auch durch Kombination mit Wissen über die spektrale Dämpfung verschiedener Zielgase ermöglichst werden, sowie eine Erkennung des Gases. Resonante Gaslecks (z.B.: Pfeifenschneiden) können ggf. durch spezielle Filter/Spektralanalysen erkannt werden. Die Recheneinrichtung 50 ist dann ausgebildet, um in dem Signal eine Resonanzfrequenz zu bestimmen und die Information über die Entfernung basierend auf der Resonanzfrequenz zu bestimmen.
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Durch die Kombination mit einer Intelligenz zur spektralen Interpretation der Frequenzkanalsignale kann die Unterscheidung zwischen Leckschall und Nicht-Leckschall (Hintergrund) verbessert werden. Dies kann beispielsweise durch Referenzmessungen bei nicht vorhandenem Leck begünstigt werden. Durch die Kombination mit einer Richtungserkennung (z.B. ein rotierender Schild, mehrere Sensoren, Richtungsabschätzung durch Ermittlung eines Einfallwinkels mit mehreren Sensoren) kann eine Position des Lecks abgeschätzt werden. Die Recheneinrichtung 50 kann ausgebildet sein, um eine Information über eine geschätzte Position des Gaslecks 20 relativ zu dem Sensor 40 zu bestimmen. Beispielsweise kann auch durch eine definierte geometrische Anordnung von zwei oder mehr Sensoren und durch Phasenvergleich der dort gemessenen Signale/Spektralanteile eine Ausbreitungsrichtung bestimmt werden. Die Entfernung zusammen mit der Ausbreitungsrichtung kann dann zur Positionsschätzung weiter verwendet werden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Gesamte gemessene Intensität in Kombination mit der Entfernungsschätzung zu einer Abschätzung der Menge des insgesamt austretenden Gases genutzt werden. Es kann zusätzlich noch eine Abschätzung für die Größe des Lecks angegeben werden. Die Recheneinrichtung 50 ist dann ausgebildet, um eine Information über eine Größe des Gaslecks 20 zu bestimmen.
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5 zeigt das Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Messung der Entfernung zwischen einem Gasleck 20 in einem Druckbehälter 30 und einem Sensor 40. Das Verfahren umfasst ein Erfassen 62 eines akustischen Signals mit dem Sensor 40 und ein spektrales Analysieren 64 des Signals. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestimmen 66 von Information über eine Entfernung des Gaslecks 20 basierend auf der spektralen Analyse des Signals.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ein Programm mit einem Programmcode zur Durchführung eines der hierin beschriebenen Verfahren, wenn der Programmcode auf einem Computer, einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente ausgeführt wird.
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Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung von Ausführungsbeispielen in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und - soweit sich nicht aus der Beschreibung etwas anderes ergibt - beliebig miteinander kombiniert werden.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer Blu-Ray Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einer programmierbaren Hardwarekomponente derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird.
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Eine programmierbare Hardwarekomponente kann durch einen Prozessor, einen Computerprozessor (CPU = Central Processing Unit), einen Grafikprozessor (GPU = Graphics Processing Unit), einen Computer, ein Computersystem, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC = Application-Specific Integrated Circuit), einen integrierten Schaltkreis (IC = Integrated Circuit), ein Ein-Chip-System (SOC = System on Chip), ein programmierbares Logikelement oder ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikro-prozessor (FPGA = Field Programmable Gate Array) gebildet sein.
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Das digitale Speichermedium kann daher maschinen- oder computerlesbar sein. Manche Ausführungsbeispiele umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem oder einer programmierbare Hardwarekomponente derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird. Ein Ausführungsbeispiel ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist.
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Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Programm, Firmware, Computerprogramm oder Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode oder als Daten implementiert sein, wobei der Programmcode oder die Daten dahin gehend wirksam ist bzw. sind, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Programm auf einem Prozessor oder einer programmierbaren Hardwarekomponente abläuft. Der Programmcode oder die Daten kann bzw. können beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger oder Datenträger gespeichert sein. Der Programmcode oder die Daten können unter anderem als Quellcode, Maschinencode oder Bytecode sowie als anderer Zwischencode vorliegen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist ferner ein Datenstrom, eine Signalfolge oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Programm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom, die Signalfolge oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, um über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet oder ein anderes Netzwerk, transferiert zu werden. Ausführungsbeispiele sind so auch Daten repräsentierende Signalfolgen, die für eine Übersendung über ein Netzwerk oder eine Datenkommunikationsverbindung geeignet sind, wobei die Daten das Programm darstellen.
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Ein Programm gemäß eines Ausführungsbeispiels kann eines der Verfahren während seiner Durchführung beispielsweise dadurch umsetzen, dass dieses Speicherstellen ausliest oder in diese ein Datum oder mehrere Daten hinein schreibt, wodurch gegebenenfalls Schaltvorgänge oder andere Vorgänge in Transistorstrukturen, in Verstärkerstrukturen oder in anderen elektrischen, optischen, magnetischen oder nach einem anderen Funktionsprinzip arbeitenden Bauteile hervorgerufen werden. Entsprechend können durch ein Auslesen einer Speicherstelle Daten, Werte, Sensorwerte oder andere Informationen von einem Programm erfasst, bestimmt oder gemessen werden. Ein Programm kann daher durch ein Auslesen von einer oder mehreren Speicherstellen Größen, Werte, Messgrößen und andere Informationen erfassen, bestimmen oder messen, sowie durch Schreiben in eine oder mehrere Speicherstellen eine Aktion bewirken, veranlassen oder durchführen sowie andere Geräte, Maschinen und Komponenten ansteuern.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Edward Naranjo, et al, Expanding the Use of Ultrasonic Gas Leak Detectors: A Review of Gas Release Characteristics for Adequate Detection, Gases & Instrumentation, November/December 2009 [0003]
- ISO 9613-1 [0003]
