DE102022129944A1 - Method for examining a wall using Lamb waves and a measuring device therefor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Untersuchung eines Zustands einer mit einem Medium benetzten Wandung eines Eintauchsensors oder eines Behältnisses wie beispielsweise ein Tank, eine Flasche, ein Messrohr oder ähnliches,wobei in einem ersten Verfahrensschritt (101) mittels eines ersten Ultraschallwandlers (11) Lambwellen einer Lambwellenmode auf einem ersten Abschnitt der Wandung erzeugt werden,wobei in einem zweiten Verfahrensschritt (102) die durch die Wandung verlaufenden Lambwellen mittels des ersten Ultraschallwandlers (11) und/oder mittels mindestens eines zweiten Ultraschallwandlers (12) erfasst werden,wobei in einem dritten Verfahrensschritt (103) basierend auf einem Referenzwert einer lokalen Wandstärke zumindest zu einer der folgenden Messgrößen jeweils ein Referenzwert und ein Messwert herangezogen wird, um mittels einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung eine aktuelle lokale Wandstärke zu bestimmen:Phasengeschwindigkeit und/oder Gruppengeschwindigkeit und/oder Amplitude und/oder Intensität der Lambwellenmode, Frequenz der Lambwellenmode, Temperatur der Wandung,wobei in einem vierten Verfahrensschritt (104) aus der aktuellen lokalen Wandstärke eine Aussage zu einem Zustand der Wandung abgeleitet wird.The invention relates to a method (100) for examining a state of a wall of an immersion sensor or a container, such as a tank, a bottle, a measuring tube or the like, which is wetted with a medium. In a first method step (101), Lamb waves of a Lamb wave mode are generated on a first section of the wall by means of a first ultrasonic transducer (11). In a second method step (102), the Lamb waves running through the wall are detected by means of the first ultrasonic transducer (11) and/or by means of at least one second ultrasonic transducer (12). In a third method step (103), based on a reference value of a local wall thickness, a reference value and a measured value are used for at least one of the following measured variables in order to determine a current local wall thickness by means of an electronic measuring/operating circuit: phase velocity and/or group velocity and/or amplitude and/or intensity of the Lamb wave mode, frequency of the Lamb wave mode, temperature of the wall. In a fourth method step (104), the current local From the wall thickness a statement can be made about the condition of the wall.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung eines Zustands einer Wandung eines Eintauchsensors oder eines Behältnisses mittels Lambwellen und ein Messgerät zur Umsetzung des Verfahrens.The invention relates to a method for examining a condition of a wall of an immersion sensor or a container by means of Lamb waves and a measuring device for implementing the method.
Die
Nachteilhaft ist, dass auf diese Weise bei fehlendem Medium oder nur teilweise befülltem Messrohr eine Untersuchung nicht durchgeführt werden kann.The disadvantage is that an examination cannot be carried out in this way if there is no medium or the measuring tube is only partially filled.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Messgerät vorzuschlagen, bei welchem auf robuste und genaue Art und Weise ein Zustand einer Wandung des Messgeräts oder eines Behältnisses festgestellt werden kann.The object of the invention is therefore to propose a method and a measuring device in which a condition of a wall of the measuring device or of a container can be determined in a robust and precise manner.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 sowie durch ein Messgerät gemäß dem unabhängigen Anspruch 7, sowie durch eine Verwendung eines solchen Messgeräts gemäß dem unabhängigen Anspruch 10.The object is achieved by a method according to independent claim 1 and by a measuring device according to independent claim 7, as well as by a use of such a measuring device according to
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Untersuchung eines Zustands einer insbesondere mit einem flüssigen Medium benetzbaren Wandung eines Eintauchsensors oder eines Behältnisses wie beispielsweise ein Tank, eine Flasche, ein Messrohr oder ähnliches, werden in einem ersten Verfahrensschritt mittels eines ersten Ultraschallwandlers Lambwellen einer Lambwellenmode auf/in einem ersten Abschnitt der Wandung erzeugt,
wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die in der Wandung verlaufenden Lambwellen mittels des ersten Ultraschallwandlers und/oder mittels mindestens eines zweiten Ultraschallwandlers erfasst werden,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem dritten Verfahrensschritt basierend auf einem Referenzwert einer lokalen Wandstärke zumindest zu einer der folgenden Messgrößen jeweils ein Referenzwert und ein Messwert herangezogen wird, um mittels einer elektronischen Mess-/Betriebsschaltung eine aktuelle lokale Wandstärke zu bestimmen:
- Phasengeschwindigkeit und/oder Gruppengeschwindigkeit und/oder Amplitude und/oder Intensität der Lambwellenmode, Frequenz der Lambwellenmode, Temperatur der Wandung,
- wobei in einem vierten Verfahrensschritt aus der aktuellen lokalen Wandstärke eine Aussage zu einem Zustand der Wandung abgeleitet wird.
wherein in a second method step the Lamb waves running in the wall are detected by means of the first ultrasonic transducer and/or by means of at least one second ultrasonic transducer,
characterized in that
in a third method step, based on a reference value of a local wall thickness, a reference value and a measured value are used for at least one of the following measured variables in order to determine a current local wall thickness by means of an electronic measuring/operating circuit:
- Phase velocity and/or group velocity and/or amplitude and/or intensity of the Lamb wave mode, frequency of the Lamb wave mode, temperature of the wall,
- In a fourth process step, a statement about the condition of the wall is derived from the current local wall thickness.
Durch Vergleich von Referenzwert und Messwert von mindestens einer Messgröße lässt sich mittels eines mathematisch-physikalischen Modells eine aktuelle lokale Wandstärke berechnen. Ein Einstrahlen von Ultraschallsignalen in ein flüssiges Medium ist dabei nicht nötig.By comparing the reference value and the measured value of at least one measured variable, a current local wall thickness can be calculated using a mathematical-physical model. It is not necessary to radiate ultrasonic signals into a liquid medium.
Auf diese Weise lässt sich feststellen, ob beispielsweise Korrosion oder Belagsaufbau auf der Wandung das Schwingungsvermögen einer Wandung verändert hat. Korrosion beispielsweise führt zumindest lokal zu einer Abnahme einer Wandstärke der Wandung, was ein Flächenträgheitsmoment der Wandung vermindert. Dies hat eine Verschiebung von Eigenfrequenzen von Schwingungen der Wandung zur Folge. Belagsaufbau führt zu einer scheinbar höheren Masse der Wandung und somit zu einer Verringerung von Eigenfrequenzen der Wandung.In this way, it is possible to determine whether, for example, corrosion or the build-up of deposits on the wall has changed the vibration capacity of a wall. Corrosion, for example, leads to a reduction in the wall thickness, at least locally, which reduces the area moment of inertia of the wall. This results in a shift in the natural frequencies of vibrations of the wall. Deposits lead to an apparently higher mass of the wall and thus to a reduction in the natural frequencies of the wall.
Durch Vergleich von einem Referenzzustand mit einem Istzustand kann also ein Rückschluss auf lambwellenbeeinflussende Änderungen von physikalischen Randbedingungen geschlossen werden.By comparing a reference state with an actual state, conclusions can be drawn about changes in physical boundary conditions that influence lamb waves.
In einer Ausgestaltung wird bei der Bestimmung der aktuellen lokalen Wandstärke eine Abweichung zwischen einem Referenzwert und einem zugehörigen Messwert jeweils mit einem Koeffizienten gewichtet.In one embodiment, when determining the current local wall thickness, a deviation between a reference value and a corresponding measured value is weighted with a coefficient.
Auf diese Weise kann eine aktuelle lokale Wandstärke besser quantifiziert werden.In this way, a current local wall thickness can be better quantified.
In einer Ausgestaltung wird der mindestens eine Koeffizient experimentell oder durch Simulationen bestimmt.In one embodiment, the at least one coefficient is determined experimentally or by simulations.
In einer Ausgestaltung weicht eine erste Signallaufzeit der Lambwellenmode zwischen Aussendung und Empfang mittels des ersten Ultraschallwandlers und/oder mindestens eines zweiten Ultraschallwandlers von einer zweiten Signallaufzeit eines durch das Medium verlaufenden, und mit der Lambwelle erzeugten Ultraschallsignals um mindestens 10% der ersten Signallaufzeit abweicht.In one embodiment, a first signal propagation time of the Lamb wave mode between transmission and reception by means of the first ultrasonic transducer and/or at least one second ultrasonic transducer deviates from a second signal propagation time of an ultrasonic signal passing through the medium and generated with the Lamb wave by at least 10% of the first signal propagation time.
Auf diese Art und Weise kann eine störende Wechselwirkung der durch die Wandung verlaufenden Ultraschallsignale und durch ein Medium verlaufende Ultraschallsignale am Ort eines empfangenden Ultraschallwandlers vermieden bzw. abgeschwächt werden.In this way, a disturbing interaction between the ultrasonic signals passing through the wall and the ultrasonic signals passing through a medium at the location of a receiving ultrasonic transducer can be avoided or attenuated.
In einer Ausgestaltung empfangen mindestens zwei von der erste Ultraschallwandler und/oder der mindestens eine zweite Ultraschallwandler vom ersten Ultraschallwandler erzeugte Lambwellen.In one embodiment, at least two of the first ultrasonic transducers and/or the at least one second ultrasonic transducer receive Lamb waves generated by the first ultrasonic transducer.
In einer Ausgestaltung sind zumindest zwei unterschiedliche Weglängen von Lambwellen zwischen einem erzeugendem Ultraschallwandler und einem empfangenden Ultraschallwandler eingerichtet.In one embodiment, at least two different path lengths of Lamb waves are established between a generating ultrasonic transducer and a receiving ultrasonic transducer.
In einer Ausgestaltung wird anhand der empfangenen Lambwellen mit unterschiedlicher Weglänge eine Kompensation von Senderdynamik und Empfängerdynamik durchgeführt.In one embodiment, a compensation of transmitter dynamics and receiver dynamics is carried out based on the received Lamb waves with different path lengths.
In einer Ausgestaltung wird mit Messwerten für die lokale Wandstärke von den mindestens zwei von der erste Ultraschallwandler und/oder der mindestens eine zweite Ultraschallwandler ein Wandstärkeprofil erstellt.In one embodiment, a wall thickness profile is created using measured values for the local wall thickness from the at least two of the first ultrasonic transducers and/or the at least one second ultrasonic transducer.
Ein erfindungsgemäßes Messgerät zur Umsetzung des Verfahrens umfasst:
- zumindest einen ersten Ultraschallwandler zum Erzeugen von Ultraschallsignalen, wobei der zumindest eine erste Ultraschallwandler und/oder zumindest ein zweiter Ultraschallwandler dazu eingerichtet ist, zumindest eines der Ultraschallsignale zu erfassen;
- eine elektronische Mess-/Betriebsschaltung zum Aufnehmen von Messsignalen des zumindest einen Ultraschallwandlers und zum Bereitstellen von Messwerten einer lokalen Wandstärke.
- at least one first ultrasonic transducer for generating ultrasonic signals, wherein the at least one first ultrasonic transducer and/or at least one second ultrasonic transducer is configured to detect at least one of the ultrasonic signals;
- an electronic measuring/operating circuit for receiving measuring signals from the at least one ultrasonic transducer and for providing measured values of a local wall thickness.
In einer Ausgestaltung ist der zumindest eine Ultraschallwandler dazu eingerichtet, an einer Wandung eines Behältnisses wie beispielsweise ein Tank, eine Flasche, ein Messrohr oder ähnliches angeordnet zu werden.In one embodiment, the at least one ultrasonic transducer is designed to be arranged on a wall of a container such as a tank, a bottle, a measuring tube or the like.
In einer Ausgestaltung weist das Messgerät des Weiteren eine Wandung auf, auf welchem der mindestens eine erste Ultraschallwandler angeordnet ist,
wobei das Messgerät dazu eingerichtet ist, in ein Medium innerhalb eines Behältnisses wie beispielsweise ein Tank, eine Flasche, ein Messrohr oder ähnliches eingetaucht zu werden.In one embodiment, the measuring device further comprises a wall on which the at least one first ultrasonic transducer is arranged,
wherein the measuring device is designed to be immersed in a medium within a container such as a tank, a bottle, a measuring tube or the like.
In einer Ausgestaltung ist die elektronische Mess-/Betriebsschaltung dazu eingerichtet, eine Abnahme einer lokalen Wandstärke der Wandung dazu heranzuziehen, einen Messwert für Korrosion oder Abrasion des Behältnisses bereitzustellen.In one embodiment, the electronic measuring/operating circuit is configured to use a decrease in a local wall thickness of the wall to provide a measured value for corrosion or abrasion of the container.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben.
-
1 skizziert den Ablauf eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens. -
2 a) bis c) skizziert beispielhafte erfindungsgemäße Messgeräte. -
3 skizziert beispielshafte Messrohrquerschnitte. -
4 skizziert ein beispielhaftes Eintauchmessgerät.
-
1 outlines the sequence of an exemplary method according to the invention. -
2 a) to c) outline exemplary measuring devices according to the invention. -
3 outlines exemplary measuring tube cross-sections. -
4 outlines an example immersion measuring device.
- Phasengeschwindigkeit der Lambwellenmode, Frequenz der Lambwellenmode, Temperatur der Wandung.
- Phase velocity of the Lamb wave mode, frequency of the Lamb wave mode, temperature of the wall.
Durch Vergleich von Referenzwert und Messwert von mindestens einer Messgröße lässt sich mittels eines mathematisch-physikalischen Modells eine aktuelle lokale Wandstärke berechnen. Ein Einstrahlen von Ultraschallsignalen in ein flüssiges Medium ist dabei nicht nötig.By comparing the reference value and the measured value of at least one measured variable, a current local wall thickness can be calculated using a mathematical-physical model. It is not necessary to radiate ultrasonic signals into a liquid medium.
Beispielsweise kann folgendes physikalisches Modell herangezogen werden:
Durch Umstellung nach t_m erhält man:
Dieses Modell ist rein beispielhaft, es können beispielsweise auch nichtlineare Einflüsse mit einbezogen oder auch andere Messgrößen berücksichtigt werden.This model is purely exemplary; nonlinear influences or other measured variables can also be included.
Nachdem ein Messwert für eine lokale Wandstärke ermittelt wurde, kann dann in einem vierten Verfahrensschritt 104 aus der aktuellen lokalen Wandstärke eine Aussage zu einem Zustand der Wandung abgeleitet werden.After a measured value for a local wall thickness has been determined, a statement about the condition of the wall can then be derived from the current local wall thickness in a
Eigenschaften der Lambwellenmode werden ebenfalls durch ein die Wandung benetzendes Medium, bzw. z. B. durch dessen Schallgeschwindigkeit und Dichte beeinflusst. Jedoch kann die bei Nichtberücksichtigung dieser Messgrößen entstehende Unsicherheit bei der Bestimmung einer lokalen Wandstärke per Gaußscher Fehlerfortpflanzung abgeschätzt werden. Beispielsweise lässt sich zeigen, dass falls ein Medium sich in einem Schallgeschwindigkeitsbereich zwischen 600 m/s und 2100 m/s sowie einem Dichtebereich zwischen 0,7 g/cm^3 und 1,5 g/cm^3 befindet, eine Unsicherheit von ca. 6% auf den Messwert der lokalen Wandstärke gegeben ist. Für viele Anwendungen lässt sich damit bereits zufriedenstellend eine Aussage zum Zustand einer Wandung tätigen. Falls Schallgeschwindigkeit und/oder Dichte eines die Wandung benetzenden Mediums genauer als in den beispielhaft angegebenen Bereichen bekannt sind, kann die Unsicherheit deutlich weiter eingeschränkt werden.Properties of the Lamb wave mode are also influenced by a medium wetting the wall, or for example by its speed of sound and density. However, the uncertainty that arises when these measured variables are not taken into account when determining a local wall thickness can be estimated using Gaussian error propagation. For example, it can be shown that if a medium is in a speed of sound range between 600 m/s and 2100 m/s and a density range between 0.7 g/cm^3 and 1.5 g/cm^3, there is an uncertainty of approx. 6% in the measured value of the local wall thickness. For many applications, this already allows a satisfactory statement to be made about the condition of a wall. If the speed of sound and/or density of a medium wetting the wall are known more precisely than in the ranges given as examples, the uncertainty can be reduced significantly further.
In einer Ausgestaltung sind mindestens zwei von der mindestens eine erste Ultraschallwandler 11 und/oder der mindestens eine zweite Ultraschallwandler 12 dazu eingerichtet, vom ersten Ultraschallwandler erzeugte Lambwellen zu empfangen. Beispielsweise kann dadurch ein lokales Wandstärkeprofil erstellt werden, was weitere Erkenntnisse zum Zustand der Wandung ermöglicht, siehe dazu beispielsweise
In einer Ausgestaltung sind zumindest zwei Weglängen der Lambwellen zwischen erzeugendem Ultraschallwandler und empfangenden Ultraschallwandler unterschiedlich. Dadurch kann beispielsweise anhand der empfangenen Lambwellen mit unterschiedlicher Weglänge eine Kompensation von Senderdynamik und Empfängerdynamik durchgeführt werden. Hintergrund ist, dass jeder Ultraschallwandler einen Einfluss auf eine Lambwellenmode hat.In one embodiment, at least two path lengths of the Lamb waves between the generating ultrasonic transducer and the receiving ultrasonic transducer are different. This makes it possible, for example, to compensate for transmitter dynamics and receiver dynamics based on the received Lamb waves with different path lengths. The background to this is that each ultrasonic transducer has an influence on a Lamb wave mode.
Die Ultraschallwandler können wie in
Anstatt der gezeigten zwei Paare können auch nur ein paar Ultraschallwandler oder auch mehr als zwei Paare Ultraschallwandler eingerichtet sein.
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- MessgerätMeasuring device
- 1111
- erster Ultraschallwandlerfirst ultrasonic transducer
- 1212
- zweiter Ultraschallwandlersecond ultrasonic transducer
- 1313
- elektronische Mess-/Betriebsschaltungelectronic measuring/operating circuit
- 1414
- Behältniscontainer
- 14.114.1
- WandungWall
- 1515
- Wandung zum EintauchenWall for immersion
- 1616
- Reflektorreflector
- 1717
- Behältniscontainer
- 100100
- VerfahrenProceedings
- 101101
- erster Verfahrensschrittfirst procedural step
- 102102
- zweiter Verfahrensschrittsecond process step
- 103103
- dritter Verfahrensschrittthird procedural step
- 104104
- vierter Verfahrensschrittfourth procedural step
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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