DE102020100118A1

DE102020100118A1 - Wanddickenbestimmung einer Materialschicht mittels Ultraschall

Info

Publication number: DE102020100118A1
Application number: DE102020100118.5A
Authority: DE
Inventors: Nourreddine Bouaoua
Original assignee: Rosen Swiss AG
Current assignee: Rosen Ip Ag Ch
Priority date: 2020-01-06
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2040-01-07
Also published as: DE102020100118B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein akustisches Sensorsystem (1) zum Bestimmen einer Wanddicke (WT1, WT2) einer Materialschicht (2) einer Rohrleitungswand (3), aufweisend zumindest eine Transmittereinheit (4), die konfiguriert ist, Ultraschall in Richtung einer Materialschicht (2) zu emittieren und ein von der Materialschicht (2) reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren und eine mit der zumindest einen Transmittereinheit (4) signaltechnisch verbundene Steuereinheit (5), die konfiguriert ist, eine Wanddicke (WT1, WT2) der Materialschicht (2) anhand des Ultraschallechos zu bestimmen.Die Erfindung betrifft zudem ein Inline-Inspektionsgerät mit dem Sensorsystem (1), ein Verfahren zur Bestimmung einer Wanddicke (WT1, WT2) einer Materialschicht (2) einer Rohrleitungswand (3), ein Computerprogramm, ein Datenträgersignal und einen Datenspeicher.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein akustisches Sensorsystem zur Bestimmung einer Wanddicke einer Materialschicht.
Auch betrifft die vorliegende Erfindung Inline-Inspektionsgerät mit dem akustischen Sensorsystem.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung einer Wanddicke einer Materialschicht.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Datenträgersignal, das das Computerprogramm überträgt.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, Schritte des Verfahrens auszuführen.
Hintergrund der Erfindung
Bislang bekannt sind Verfahren, bei denen die Wanddickenbestimmung mittels hochfrequenten Ultraschall in einem Bereich von 4 bis 5 MHz erfolgt. Bei Messungen mit hochfrequentem Ultraschall beeinflussen kleinste Abweichungen von einer Flächennormalen eines auf eine Wandfläche einfallenden Ultraschallstrahls bereits Messergebnisse einer Wanddicke.
Beschreibung der Erfindung
Ausgehend von dieser Situation ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Sensorsystem zur Wanddickenbestimmung einer Materialschicht einer Rohleitungswand, ein verbessertes Inline-Inspektionsgerät, ein verbessertes Verfahren zur Wanddickenbestimmung der Materialschicht, ein verbessertes Computerprogramm, ein verbessertes Datenträgersignal und ein verbessertes computerlesbares Medium anzugeben.
Insbesondere soll die Bestimmung der Wanddicke vereinfacht werden, und eine Bestimmung von Wanddicken für verschiedene Materialschichten einer Rohrleitungswand sollen möglich sein, wobei gleichzeitig die Sensitivität zumindest gleich bleiben soll wie bei einer Bestimmung der Wanddicke mittels hochfrequentem Ultraschall.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Hauptansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Sofern technisch möglich, können die Lehren der Unteransprüche beliebig mit den Lehren der Haupt- und Unteransprüche kombiniert werden.
Erfindungsgemäß ist ein akustisches Sensorsystem zum Bestimmen einer Wanddicke einer Materialschicht einer Rohrleitungswand angegeben. Das Sensorsystem weist zumindest eine Transmittereinheit auf, die konfiguriert ist, Ultraschall in Richtung einer Materialschicht zu emittieren und ein von der Materialschicht reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren. Die zumindest eine Transmittereinheit ist konfiguriert, Ultraschall mit einer Wellenlänge Lambda (λ) zu emittieren, die folgender Bedingung genügt: $λ > > | D l - D k | .$
Hierbei ist Dl ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt, und Dk ist ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt. In anderen Worten muss bei unterschiedlich langen Akustikpfaden der Ultraschallstrahlung, beispielsweise aufgrund einer Neigung der Ultraschall-Strahlenaustrittsfläche des Sensorsystems gegenüber der Rohrleitungswand, die Wellenlänge Lambda des emittierten Ultraschalls wesentlich größer als ein Betrag einer Differenz zwischen dem längeren Akustikpfad und dem kürzeren Akustikpfad sein. Weiterhin weist das akustische Sensorsystem eine mit der zumindest einen Transmittereinheit signaltechnisch verbundene Steuereinheit auf, die konfiguriert ist, eine Wanddicke der Materialschicht anhand des Ultraschallechos zu bestimmen.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Inline-Inspektionsgerät (ILI) zur Untersuchung einer Rohrleitungswand angegeben, welches zumindest ein akustisches Sensorsystem gemäß der Erfindung oder gemäß einer der nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen aufweist.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Verfahren zum Bestimmen einer Wanddicke einer Materialschicht einer Rohrleitungswand angegeben. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Operieren zumindest einer Transmittereinheit, um Ultraschall in Richtung einer Materialschicht zu emittieren und ein von der Materialschicht reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren. Die zumindest eine Transmittereinheit wird hierbei operiert, um Ultraschall mit einer Wellenlänge Lambda (λ) zu emittieren, die folgender Bedingung genügt: $λ > > | D l - D k | .$
Hierbei ist Dl ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt, und Dk ist ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt. Weiter weist das Verfahren ein Operieren einer mit der zumindest einen Transmittereinheit signaltechnisch verbundenen Steuereinheit auf. Die Steuereinheit wird operiert, um eine Wanddicke der Materialschicht anhand des Ultraschallechos zu bestimmen. Das Verfahren weist bevorzugt Schritte entsprechend Merkmalen des Sensorsystems gemäß einer der nachfolgend beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen auf.
Insbesondere entspricht Dl einem Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt und der schräg zu einer Flächennormalen einer nächstliegenden Oberfläche der Materialschicht einfällt. Alternativ oder zusätzlich entspricht Dk einem Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit austritt und der schräg zu der Flächennormalen der nächstliegenden Oberfläche der Materialschicht einfällt.
Es ist bevorzugt, dass die Reihenfolge von Verfahrensschritten, soweit nicht technisch in einer expliziten Reihenfolge erforderlich, variiert werden kann. Besonders bevorzugt ist jedoch die vorgenannte Reihenfolge der Verfahrensschritte.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Computerprogramm angegeben, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, ein zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen. Ein Computerprogramm ist eine Sammlung von Anweisungen zum Ausführen einer bestimmten Aufgabe, die dafür konzipiert ist, eine bestimmte Klasse von Problemen zu lösen. Die Anweisungen eines Programms sind dafür konzipiert, durch einen Computer ausgeführt zu werden, wobei es erforderlich ist, dass ein Computer Programme ausführen kann, damit es funktioniert.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Datenträgersignal angegeben, das das vorbeschriebene Computerprogramm anschließend überträgt.
Erfindungsgemäß ist weiter ein computerlesbares Medium angegeben, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein zuvor beschriebenes Verfahren auszuführen.
Nachfolgend werden die Grundidee der Erfindung und einzelne Aspekte des beanspruchten Erfindungsgegenstandes erläutert und weiter nachfolgend bevorzugte modifizierte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Erläuterungen, insbesondere zu Vorteilen und Definitionen von Merkmalen, sind dem Grunde nach beschreibende und bevorzugte, jedoch nicht limitierende Beispiele. Sofern eine Erläuterung limitierend ist, wird dies ausdrücklich erwähnt.
Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, zumindest eine Transmittereinheit zum Bestimmen einer Wanddicke einer Materialschicht einer Rohrleitungswand zu verwenden. Die Rohrleitungswand ist zumindest aus einer Materialschicht gebildet. Die Frequenz des Ultraschalls wird dabei so gewählt, dass Ausrichtungsungenauigkeiten der Transmittereinheit bezüglich der Oberfläche der Rohrleitungswand weniger stark bei der Signaldetektion ins Gewicht fallen. Als besonders vorteilhaft hat sich eine Festlegung der Wellenlänge anhand der von der Flächennormalen abweichenden akustischen Pfade von Ultraschallstrahlen herausgestellt. Die Flächennormale entspricht einer senkrecht von der Oberfläche der Materialschicht abstehenden, gedachten Gerade, wobei die Gerade von dem Punkt der Oberfläche der Materialschicht absteht, an dem ein Ultraschallstrahl auf die Oberfläche auftrifft. Das erfindungsgemäße Sensorsystem ermöglicht insbesondere eine zuverlässige Bestimmung der Wanddicke bei Ausrichtungstoleranzen bis zu fünf Grad bezüglich der Flächennormalen an dem Punkt, auf den ein Ultraschallstrahl mit dem Bereich größter Intensität eines Strahlgürtels des Ultraschallstrahls gerichtet ist. Zum Bestimmen einer Wanddicke regt die Transmittereinheit die zu untersuchende Materialschicht der Rohrleitung mit ihrer Resonanzfrequenz an, indem die Transmittereinheit Ultraschall in Richtung der Materialschicht emittiert. Die in ihrer Resonanzfrequenz schwingende Materialschicht gibt an die Transmittereinheit Ultraschallechos ab, welche die Transmittereinheit wiederum detektiert. Eine Steuereinheit erhält von der Transmittereinheit einen zeitlichen Verlauf eines Signals des Ultraschallechos. Die Steuereinheit wertet das Ultraschallecho-Signal aus und bestimmt anhand dieses die Wanddicke der Materialschicht.
Bei der Bestimmung der Wanddicke der Materialschicht wird berücksichtigt, dass das Ultraschallecho-Signal sich entsprechend einem Oberflächenprofil der Materialschicht ändert. Hierbei kann es sich um eine der Transmittereinheit nächstliegende Oberfläche, z B. in einer Innenschicht der Rohrleitung handeln, oder um eine Oberfläche handeln, welche auf der Außenoberfläche der Rohrleitungswand liegt, d.h. eine eine Außenschicht der Rohrleitung bildende Oberfläche ist.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rohrleitungswand zumindest zwei Materialschichten aufweist, wobei die zumindest eine Transmittereinheit konfiguriert ist, beim Emittieren von Ultraschall jede der Materialschichten separat mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz anzuregen. Somit können mit Vorteil auch mehrschichtige Rohrleitungen inspiziert werden. Auch ist eine Bestimmung der Wanddicke bei verdreckten Rohrleitungen möglich, welche z. B. an ihrer Innenwand Schmutz-Ablagerungen haben. Insbesondere ist zumindest eine der Materialschichten nicht-metallisch, insbesondere aus Kunststoff oder aus Zement.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eine Transmittereinheit zum Aussenden und Detektieren von niederfrequentem Ultraschall ausgebildet ist, wobei eine Frequenz des Ultraschalls in einem Bereich von 100 KHz bis 1200 KHz liegt. Niederfrequent betriebene Transmittereinheiten erlauben mit Vorteil eine Robustheit der Messungen bei ungenauer Ausrichtung zu einer Flächennormalen der Materialschicht-Oberfläche. Die Transmittereinheit ist beispielsweise ein Breitband-Transmitter mit einem Ultraschallstrahl-Spektrum, welches zu 80 % bei einer zentralen, emittierten Ultraschallfrequenz von 600 KHz genutzt werden kann. Mit Vorteil können mit einer Transmittereinheit der modifizierten Ausführungsform Materialschichten von Rohrleitungswänden mit einer Wanddicke in einem Bereich von 3 mm bis 30 mm auf ihre Wanddicke inspiziert werden. Die Messungen sind mit Vorteil besonders robust gegenüber Ausrichtungsungenauigkeiten des Sensorsystems zur Rohrleitungswand.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit konfiguriert ist, folgendes Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Ultraschallechos auszuführen: Auswählen eines zeitlichen Signalausschnitts nach einem Innenwandecho der Materialschicht und einer Harmonischen ersten Grades des Innenwandechos der Materialschicht, Anwenden einer zweifachen Fourier-Transformation auf den Signalausschnitt; und anschließend Berechnen der Wanddicke anhand eines zeitlich am frühesten auftretenden Maximums einer Signalamplitude des Signalausschnitts. Ein Innenwandecho ist ein Echo, welches von einer dem Transmitter zugewandten Rohrleitungsoberfläche einer Materialschicht in Richtung des Transmitters reflektiert wird. Hierbei sei klargestellt, dass die das Innenwandecho abgebende Materialschicht nicht nur die der Transmittereinheit nächstliegende, d. h. die Innenwand der Rohrleitung bildende, Materialschicht sein muss. Gegenüber dem Innenwandecho wäre ein Außenwandecho ein Echo, welches von einer dem Transmitter abgewandten, die Außenfläche (des Außenmantels) der Rohrleitung bildenden Rohrleitungsseite in Richtung des Transmitters reflektiert wird. Mit dem vorteilhaften Verfahren kann ein Signal-Rausch-Verhältnis erheblich verbessert werden.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist an dem Sensorsystem eine einzige Transmittereinheit vorgesehen, die konfiguriert ist, reflektierten Ultraschall zu detektieren, und mehrere, um die einzige Transmittereinheit angeordnete, Transmittereinheiten, die jeweils konfiguriert sind, Ultraschall zu senden. Die Anordnung der Transmittereinheiten zueinander ist in Bezug auf eine Ultraschalleintritts. bzw. Ultraschallaustrittsfläche definiert. Die Anordnung der Transmittereinheiten ist dabei so, dass die Ultraschallaustritts- bzw. eintrittsflächen aller Transmittereinheiten in einer gemeinsamen Ebene liegen. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass bei Verwendung einer einzigen, insbesondere mittig, angeordneten Transmittereinheit zum Detektieren der Ultraschallechos eine besonders gute Sensitivität für kleinere Risse erreicht werden kann. Bei einer mittigen Anordnung der einzigen Transmittereinheit ist die Sensitivität dabei besonders gut. Die umlegenden Transmittereinheiten, welche Ultraschall emittieren, emittieren somit besonders viel Energie, welche durch das Gas in einer Rohrleitung propagieren und die Rohrleitungswand durchdringen kann, so dass auch besonders gute Messignale erreicht werden können. Weiterhin können die Effekte von Fehlausrichtungen des Sensorsystems mit Vorteil ausgeglichen werden.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorsystem genau zwei Transmittereinheiten auf, von denen die erste Transmittereinheit konfiguriert ist, reflektierten Ultraschall zu detektieren, und die zweite Transmittereinheit konfigurier ist, Ultraschall zu senden. Dies ist eine besonders kompakte Ausführungsform des Sensorsystems.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweite Transmittereinheit durch einen an ihrer Ultraschallaustrittsfläche einstückigen Ring gebildet ist und, vorzugsweise konzentrisch, innerhalb des Rings eine Ultraschalleintrittsfläche der ersten Transmittereinheit angeordnet ist. Eine einstückige Ausbildung des Rings meint vor allem eine geschlossene einstückige Ultraschallaustrittsfläche der zweiten Transmittereinheit. Hierbei hat sich herausgestellt, dass die für die vorherige Ausführungsform beschriebenen Effekte noch deutlicher bei dieser besonders vorteilhaften Ausführungsform auftreten. Gemäß einer weiter besonders bevorzugten Ausführungsform ist die zweite Transmittereinheit konzentrisch derart zu der ersten Transmittereinheit angeordnet, dass die erste und die zweite Transmittereinheit einen gemeinsamen Kreismittelpunkt aufweisen. Die erste Transmittereinheit ist insbesondere kreisförmig ausgestaltet. Bei vorbeschriebenen Ausführungsformen ist es insbesondere möglich, ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis bei einer Abweichung der Ausrichtung eines niederfrequenten Ultraschallstrahls zu der Rohrwand von 2 Grad zu einer Flächennormalen einer Rohrwand bei einer Wanddicke von über 30 mm zu erhalten. Bei dünneren Wanddicken sind noch größere Abweichungen bei der Ausrichtung möglich, bei immer noch ausreichendem Signal-Rausch-Verhältnis.
Bei den vorgenannten Transmittereinheit-Ausgestaltungen ist kein komplexer Aufbau für ein Inline-Inspektionsgerät (ILI) notwendig. Im Falle eines Einbaus des Sensorsystems in einem Inline-Inspektionsgerät reicht demnach die einziges Sensorsystem je Kreissektor einer Querschnittsfläche der Rohrleitung aus, um die Wanddicke zu bestimmen. Je nach Anzahl der Kreissektoren, in welche die Querschnittsfläche des ILI geteilt ist, wird eine entsprechende Anzahl von Sensorsystemen gewählt. Je Kreissektor ist aber nur ein einziges Sensorsystem erforderlich, von der separat zu den anderen Sensorsystemen Fehlstellen erkannt werden. Bevorzugt ist das ILI mit jeweils zwei mal vier Sensorsystemen je Kreissektor ausgestaltet, wobei die zwei Sensorsysteme, d. h. eine Reihenanordnung mit zwei Sensorsystemen, auf einer virtuellen Umfangslinie am Außenumfang des ILI angeordnet sind, und die vier Sensorsysteme, d. h. eine Reihenanordnung mit vier Sensorsystemen, sich längs einer virtuellen Linie längs einer Längsachse der Rohrleitungswand erstreckend angeordnet sind.
Gemäß einer modifizierten Ausführungsform der Erfindung weist das Sensorsystem eine Vielzahl von Transmittereinheiten auf, wobei Ultraschallaustritts- und -eintrittsflächen der Transmittereinheiten kreisförmig angeordnet sind. Eine kreisförmige Anordnung meint beispielsweise, dass die Transmittereinheiten mit ihrem jeweiligen Mittelpunkt der Ultraschallaustritts- bzw. eintrittsflächen auf einem Fiktionskreis angeordnet sind. Hierbei kann eine Transmittereinheit, welche lediglich zum Detektieren ausgestaltet ist, in einer Kreismitte angeordnet sein. Bei einer kreisförmigen Anordnung Austritts-/Eintrittsflächen für Ultraschall können mit Vorteil besonders bei gasgefüllten Rohrleitungen gute Signal-Rausch-Verhältnisse erreicht werden.
Gemäß einer besonders modifizierten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Transmittereinheit konfiguriert ist, über einen Hochspannungschirp angeregt zu werden. Die Hochspannung zur Anregung zumindest einer Transmittereinheit weist eine Frequenz von 200 KHz bis 1200 KHz auf. Hochspannung entspricht einer Spannung in einem Bereich von 10 Volt bis 300 Volt. Hierbei hat sich mit Vorteil herausgestellt, dass besonders gute Signal-Rausch-Verhältnisse erreicht werden können.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Formulierung Figur ist in den Zeichnungen mit Fig. abgekürzt.
In den Zeichnungen zeigen

1a eine schematische Ansicht einer ersten Messanordnung mit einem Sensorsystem und einer Rohrleitung mit einer metallischen Außenwand und einer nicht-metallischen Innenwand;
1b eine schematische Ansicht einer zweiten Messanordnung mit einem Sensorsystem und einer Rohrleitung mit einer nicht-metallischen Außenwand und einer metallischen Innenwand;
1c ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel;
2a eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschalleintritts-/Austrittsfläche eines Sensorsystems gemäß einer möglichen Ausführungsform;
2b eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschalleintritts-/Austrittsfläche; eines Sensorsystems gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform; und
2c eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschalleintritts-/Austrittsfläche eines Sensorsystems gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbespiele
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind lediglich Beispiele, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können. Jedes Merkmal, das für ein bestimmtes Ausführungsbeispiel beschrieben wird, kann eigenständig oder in Kombination mit anderen Merkmalen in einem beliebigen anderen Ausführungsbeispiel genutzt werden. Jedes Merkmal, das für ein Ausführungsbeispiel einer bestimmten Anspruchskategorie beschrieben wird, kann auch in entsprechender Weise in einem Ausführungsbeispiel einer anderen Anspruchskategorie eingesetzt werden.
Die 1a zeigt eine schematische Ansicht eines Sensorsystems 1 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Sensorsystem 1 eignet sich zum Bestimmen einer Wanddicke WT1, WT2 einer Materialschicht 2 einer Rohrleitungswand 3. Die Rohrleitungswand 3 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Materialschichten 2 auf, von denen eine erste, dem Sensorsystem 1 nächstliegende Materialschicht 2 aus einem nicht-metallischen Material gebildet ist und eine, dem Sensorsystem 1 fernliegende Materialschicht 2 (gestrichelt ausgefüllt) aus einem metallischen Material gebildet ist, wie zum Beispiel Stahl.
Die nicht-metallische Materialschicht 2 kann aus Ablagerungen in der, aus der metallischen Materialschicht 2 bestehenden, Rohrleitungswand 3 gebildet sein. Alternativ ist die nicht-metallische Materialschicht 2 aus einer Innenlackierung oder Innenverkleidung gebildet, wie z. B. aus Wachs. Alternativ ist die nicht-metallische Materialschicht 2 aus Polyurethan oder einem anderen Kunststoff gebildet.
Die Materialschichten 2 weisen längs einer Längsachse X der Rohrleitungswand 3 variierende Wanddicken WT1, WT2 auf. Die Wanddicken WT1, WT2 liegen in einem Bereich von 6 mm bis 30 mm. Auch Wanddicken größer als 30 mm sind denkbar.
Das Sensorsystem 1 weist eine Transmittereinheit 4 und eine Steuereinheit 5 auf. Die Transmittereinheit 4 und die Steuereinheit 5 sind in einer gemeinsamen Baueinheit des Sensorsystems 1 integriert. Die Transmittereinheit 4 ist konfiguriert, Ultraschall zu emittieren und Ultraschall zu empfangen, welcher in Form von Ultraschallechos von der jeweiligen Materialschicht 2 der Rohrleitungswand 3 erzeugt wird. Für die Bestimmung der Wanddicke WT1, WT2 der jeweiligen Materialschicht 2 regt die Transmittereinheit 4 die jeweilige Materialschicht 2 mit ihrer Resonanzfrequenz an und detektiert die an der angeregten Materialschicht 2 erzeugten Ultraschallechos.
Die Transmittereinheit 4 ist zum Aussenden und Detektieren von niederfrequentem Ultraschall ausgebildet. Hierbei emittiert die Transmittereinheit 4 niederfrequenten Ultraschall mit einer Frequenz in einem Bereich von 500 bis 600 KHz. Zum Emittieren von Ultraschall wird die Transmittereinheit 4 mit einem Hochspannungschirp in einem Bereich von 200 KHz bis 1000 KHz angeregt.
Die Transmittereinheit 4 wird unter verschiedenen Verhältnissen betrieben, welche in der Rohrleitung vorherrschen. Beispielsweise kann Gas mit einem Druck von mindestens von 5×10^∧6 Pa in der Rohrleitung vorliegen. Alternativ kann die Rohrleitung flüssigkeitsführend sein, z. B. für Öl oder Wasser.
Die 1b zeigt eine schematische Ansicht eines Sensorsystems 1 gemäß der ersten Ausführungsform, wobei das Sensorsystem 1 eine Rohrleitungswand 3 anderen Aufbaus als die Rohrleitungswand 3 der 1a untersucht. Die Rohrleitungswand 3 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei Materialschichten 2 auf, von denen eine erste, dem Sensorsystem 1 nächstliegende Materialschicht 2 (gestrichelt ausgefüllt) aus einem metallischen Material gebildet ist und eine, dem Sensorsystem 1 fernliegende Materialschicht 2 aus einem nicht-metallischen Material gebildet ist. Das Sensorsystem 1 ist in gleicher Weise ausgestaltet wie gemäß der Ausführungsform nach 1a.
Die nicht-metallische Materialschicht 2 kann aus den Materialien der nicht-metallischen Materialschicht 2 des Ausführungsbeispiels gemäß 1a bestehen. Alternativ kann die nicht-metallische Materialschicht 2 aus Zement oder aus faserverstärktem Kunststoff z. B. glasfaserverstärktem Kunststoff, bestehen. Als Basiskunststoff für den glasfaserverstärkten Kunststoff können duroplastische Kunststoffe, z. B. Polyesterharz oder Epoxidharz, oder thermoplastische Kunststoffe, z. B. Polyamid, verwendet werden.
Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform ist das Sensorsystem 1 zur Bestimmung von Wanddicken WT der Materialschichten 2 einer Rohrleitungswand 3 ausgebildet, welche aus zwei nicht-metallischen Materialschichten 2 gebildet ist. Die zwei nicht-metallischen Materialschichten 2 können aus den zuvor, in Bezug auf 1a und 1b, beschriebenen Materialien bestehen. Insbesondere ist eine Außenschicht, d. h. die dem Sensorsystem 1 fernliegende Materialschicht 2, aus Zement gebildet, und eine Innenschicht, d. h. die dem Sensorsystem 1 nächstliegende Materialschicht 2, aus Polyurethan gebildet.
Die Transmittereinheit 4 der vorbeschriebenen und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ist ein piezoelektrischer Breitbandtransmitter. Das Sensorsystem 1 kann gemäß einem der Ausführungsbeispiele der 2a bis 2c ausgestaltet sein. Die 2a bis 2c zeigen jeweils eine schematische Draufsicht auf eine Ultraschalleintritts-/Austrittsfläche eines Sensorsystems 1 gemäß möglichen Ausführungsformen. In diesen Ausführungsbeispielen sind Ultraschall emittierende und Ultraschall detektierende Transmittereinheiten 4a, 4b in einer Baueinheit integriert.
Gemäß der Ausführungsform nach 2a weist das Sensorsystem 1 eine emittierende Transmittereinheit 4b und eine detektierende Transmittereinheit 4a auf.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2b weist das Sensorsystem 1 mehrere Ultraschall emittierende Transmittereinheiten 4b und eine mittig zu den Ultraschall emittierenden Transmittereinheiten 4b angeordnete, Ultraschallechos detektierende Transmittereinheit 4a auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der 2c weist das Sensorsystem 1 eine detektierende Transmittereinheit 4a auf und eine, die detektierende Transmittereinheit 4a ringförmig umschließende, emittierende Transmittereinheit 4b auf. In anderen Worten ist die zweite Transmittereinheit 4b durch einen an ihrer Ultraschallaustrittsfläche eingliedrigen Ring gebildet und innerhalb des Rings eine Ultraschalleintrittsfläche der ersten Transmittereinheit 4a angeordnet.
Alternativ oder zusätzlich sind die Sensorsysteme 1 nach dem Ausführungsbeispiel der 2a oder 2c in einer Formation wie in 2b dargestellt ist, mit ihren Ultraschallaustritts- bzw. Ultraschalleintrittsflächen zueinander (kreisförmig) angeordnet auf einem Außenumfang eines Inline-Inspektionsgeräts (ILI) installiert. Die Anzahl der in der Mitte angeordneten detektierenden Transmittereinheiten 4a und/oder der in dem Kreis angeordneten emittierenden Transmittereinheiten 4b ist nach Bedarf eines zu erreichenden Signal-Rausch-Verhältnisses, den Eigenschaften der Rohrleitung und einer Größe des Sensorsystems 1 anpassbar. Die emittierenden Transmittereinheiten 4b können auch in mehreren Kreisen unterschiedlicher Durchmesser um die detektierende(n) Transmittereinheit(en) 4a angeordnet sein. Alternativ zu den vorgenannten Ausführungsbeispielen sind die detektierenden Transmittereinheiten 4a in Kreisen um eine oder mehrere Ultraschall emittierende Transmittereinheit(en) 4b angeordnet. Dies kann sowohl in einer Baueinheit als auch in mehreren Baueinheiten nach den vorbeschriebenen Prinzipien realisiert sein.
Die Transmittereinheit(en) 4 wird/werden zum Betreiben eines Neigungsfang-Modus (engl. „pitch catch mode“ oder PC-Modus) angesteuert. Der PC-Modus wird nachfolgend auch mit „PC“ abgekürzt. Im Modus PC emittiert ein Teil der Transmittereinheit 4 (beispielsweise ein Teil, wie zuvor gemäß den Ausführungsformen gemäß 2a bis 2c beschrieben) Ultraschall in Richtung der Rohrleitungswand 3 und detektiert über einen anderen, baulich von dem Ultraschall emittierenden Teil getrennten Teil der Transmittereinheit 4 (beispielsweise ein Teil, wie zuvor gemäß den Ausführungsformen gemäß 2a bis 2c beschrieben), von der Rohrleitungswand 3 reflektierte Ultraschallechos.
Zur Bestimmung der Wanddicke WT1, WT2 einer Materialschicht 2 der Rohrleitungswand 3 kann beispielsweise folgendes, in 1c schematisch dargestelltes, Verfahren verwendet werden: Zunächst erfolgt gemäß Schritt „S100“ ein Operieren der Transmittereinheit 4, um Ultraschall in Richtung der zu untersuchenden Materialschicht 2 zu emittieren und ein von der Materialschicht 2 reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren. Die Transmittereinheit 4 wird operiert, um Ultraschall mit einer Wellenlänge λ zu emittieren, die folgender Bedingung genügt: $λ > > | D l - D k | .$
Hierbei ist Dl ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand 3 fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit 4 austritt, und Dk ist ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der aus einem der Rohrleitungswand 3 nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit 4 austritt. Vorliegend fällt der Ultraschallstrahl mit dem Akustikpfad Dl schräg zu einer Flächennormalen N der Rohrleitungswand 3 ein. Bezüglich der Flächennormalen N wird auf die 1a und 1b verwiesen, in welchen eine Flächennormale N eingezeichnet ist. Dk ist ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls, der abweichend von der Flächennormalen N der zum Sensorsystem 1 nächstliegenden Oberfläche der Materialschicht 2 einfällt, d. h. auch schräg zu dieser. Die Akustikpfade der Ultraschallstrahlen können beispielsweise schräg verlaufen, wenn die Strahlenaustrittsfläche des Sensorsystems 1 zu der Rohrleitungswand 3 geneigt ist (nicht dargestellt).
Die Flächennormale N ist in den 1a und 1b für die erste Materialschicht 2 zur Illustration angedeutet. Es handelt sich stets um die Flächennormale N derjenigen Materialschicht 2, welche gerade auf ihre Wanddicke WT von dem Sensorsystem 1 untersucht wird. Ein Normalvektor entsprechend der Flächennormalen N zeigt dabei in die Richtung des Sensorsystems 1.
Gemäß einem Schritt „S200“ erfolgt ein Operieren einer mit der zumindest einen Transmittereinheit 4 signaltechnisch verbundenen Steuereinheit 5, um eine Wanddicke WT der Materialschicht 2 anhand des Ultraschallechos zu bestimmen, welche beispielsweise die Wanddicke WT1 oder die Wanddicke WT2 sein kann.
Die Steuereinheit 5 erhält von der Transmittereinheit 4 ein Signal, dessen Stärke über die Zeit variiert. Zum Bestimmen der Wanddicke WT wählt die Steuereinheit 5 einen zeitlichen Signalausschnitt nach einem Innenwandecho der Materialschicht 2 und einer Harmonischen ersten Grades des Innenwandechos der Materialschicht 2. Auf diesen Signalausschnitt wendet die Steuereinheit 5 eine zweifache Fourier-Transformation an. Anschließend bestimmt die Steuereinheit 5 die Wanddicke WT anhand eines zeitlich am frühesten auftretenden Maximums einer Signalamplitude des Signalausschnitts.
Hierbei wird eine Wanddicke WT bestimmt anhand einer Periodendauer T1, T2, ..., Ti des Innenwandecho-Zeitpunkts. Die Wanddicke WT ergibt sich dann beispielsweise unter Berücksichtigung einer Periodendauer T1 der maximal großen Amplitude des Innenwandecho-Signals: $W T = \frac{C T 1}{2}$
Hierbei ist C die akustische Geschwindigkeit des Ultraschalls in der zu untersuchenden Materialschicht 2 der Rohrleitungswand 3.
Bezugszeichenliste

1: Sensorsystem
2: Materialschicht
3: Rohrleitungswand
4: Transmittereinheit
4a, 4b: emittierende/detektierende Transmittereinheit
5: Steuereinheit
C: Geschwindigkeit von Ultraschall in Materialschicht
N: Flächennormale
X: Längsachse der Rohrleitungswand
Dl: längerer Akustikpfad
Dk: kürzerer Akustikpfad
WT: Wanddicke
WT1: Wanddicke der dem Sensorsystem nächstliegenden Materialschicht
WT2: Wanddicke der dem Sensorsystem fernliegenden Materialschicht
S100: Operieren zumindest einer Transmittereinheit, um Ultraschall in Richtung einer Materialschicht zu emittieren und ein von der Materialschicht reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren,
S200: Operieren einer mit der zumindest einen Transmittereinheit signaltechnisch verbundenen Steuereinheit, um eine Wanddicke der Materialschicht anhand des Ultraschallechos zu bestimmen
T1, Ti: Periodendauer
λ: (Lambda); Parameter für Wellenlänge

Claims

Akustisches Sensorsystem (1) zum Bestimmen einer Wanddicke (WT) einer Materialschicht (2) einer Rohrleitungswand (3), aufweisend: zumindest eine Transmittereinheit (4), die konfiguriert ist, Ultraschall in Richtung einer Materialschicht (2) zu emittieren und ein von der Materialschicht (2) reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren, wobei die zumindest eine Transmittereinheit (4) konfiguriert ist, Ultraschall mit einer Wellenlänge (λ) zu emittieren, die folgender Bedingung genügt: $λ > > | D l - D k |,$
wobei Dl ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls ist, der aus einem der Rohrleitungswand (3) fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit (4) austritt, und Dk ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls ist, der aus einem der Rohrleitungswand (3) nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit (4) austritt, und eine mit der zumindest einen Transmittereinheit (4) signaltechnisch verbundene Steuereinheit (5), die konfiguriert ist, eine Wanddicke (WT) der Materialschicht (2) anhand des Ultraschallechos zu bestimmen.
Akustisches Sensorsystem (1) nach Anspruch 1, wobei die Rohrleitungswand (3) zumindest zwei Materialschichten (2) aufweist, wobei die zumindest eine Transmittereinheit (4) konfiguriert ist, beim Emittieren von Ultraschall jede der Materialschichten (2) separat mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz anzuregen.
Akustisches Sensorsystem (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche 1 oder 2, wobei zumindest eine Transmittereinheit (4) zum Aussenden und Detektieren von niederfrequentem Ultraschall ausgebildet ist, wobei eine Frequenz des Ultraschalls in einem Bereich von 100 kHz bis 1200 kHz liegt.
Akustisches Sensorsystem (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (5) konfiguriert ist, folgendes Verfahren zur Auswertung eines Signals eines Ultraschallechos auszuführen: - Auswählen eines zeitlichen Signalausschnitts nach einem Innenwandecho der Materialschicht (2) und einer Harmonischen ersten Grades des Innenwandechos der Materialschicht (2), - Anwenden einer zweifachen Fourier-Transformation auf den Signalausschnitt; und anschließend - Berechnen der Wanddicke (WT) anhand eines zeitlich am frühesten auftretenden Maximums einer Signalamplitude des Signalausschnitts.
Akustisches Sensorsystem (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, aufweisend eine einzige Transmittereinheit (4), die konfiguriert ist, reflektierten Ultraschall zu detektieren, und mehrere, um die einzige Transmittereinheit (4) angeordnete, Transmittereinheiten (4), die jeweils konfiguriert sind, Ultraschall zu senden.
Akustisches Sensorsystem (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, aufweisend genau zwei Transmittereinheiten (4), von denen die erste Transmittereinheit (4) konfiguriert ist, reflektierten Ultraschall zu detektieren, und die zweite Transmittereinheit (4) konfiguriert ist, Ultraschall zu senden.
Akustisches Sensorsystem (1) nach dem vorgehenden Anspruch, wobei die zweite Transmittereinheit (4) durch einen an ihrer Ultraschallaustrittsfläche einstückigen Ring gebildet ist und, vorzugsweise konzentrisch, innerhalb des Rings eine Ultraschalleintrittsfläche der ersten Transmittereinheit (4) angeordnet ist.
Akustisches Sensorsystem (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche, aufweisend eine Vielzahl von Transmittereinheiten (4), wobei Ultraschallaustritts- und - eintrittsflächen der Transmittereinheiten (4) kreisförmig angeordnet sind.
Inline-Inspektionsgerät, ILI, zur Untersuchung einer Rohrleitungswand (3), aufweisend ein oder mehrere akustisches Sensorsystem (1)/akustische Sensorsysteme (1) nach mindestens einem der vorgehenden Ansprüche.
Verfahren zum Bestimmen einer Wanddicke (WT) einer Materialschicht (2) einer Rohrleitungswand (3), aufweisend folgende Schritte: Operieren (S100) zumindest einer Transmittereinheit (4), um Ultraschall in Richtung einer Materialschicht (2) zu emittieren und ein von der Materialschicht (2) reflektiertes Ultraschallecho zu detektieren, wobei die zumindest eine Transmittereinheit (4) operiert wird, um Ultraschall mit einer Wellenlänge (Lambda), (λ) zu emittieren, die folgender Bedingung genügt: $λ > > | D d i v - D n |,$
wobei Dl ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls ist, der aus einem der Rohrleitungswand (3) fernliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit (4) austritt, und Dk ein Akustikpfad eines Ultraschallstrahls ist, der aus einem der Rohrleitungswand (3) nächstliegenden Abschnitt der Strahlenaustrittsfläche der Transmittereinheit (4) austritt, und Operieren (S200) einer mit der zumindest einen Transmittereinheit (4) signaltechnisch verbundenen Steuereinheit (5), um eine Wanddicke (WT) der Materialschicht (2) anhand des Ultraschallechos zu bestimmen; oder aufweisend Schritte entsprechend Merkmalen des akustischen Sensorsystems (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 9.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach dem vorgenannten Anspruch auszuführen.
Datenträgersignal, das das Computerprogramm nach dem vorgenannten Anspruch überträgt.
Computerlesbares Medium, umfassend Befehle, die bei der Ausführung durch einen Computer diesen veranlassen, ein Verfahren nach Anspruch 10 auszuführen.