DE1290773B - Leckanzeigeeinrichtung fuer Rohrleitungen mit einer auf Leckgeraeusche ansprechenden Messsonde - Google Patents

Description

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wird durch Wobbein ein sehr breiter Frequenzbereich Leckanzeigeeinrichtung für Rohrleitungen, bestehend selektiv abgehorcht, worauf durch die Verwendung aus einer auf Rollen durch die Leitung hindurch be- von Spitzendemodulation nur der bei jedem Freweggbaren, auf die von aus einer etwaigen Leckstelle quenzdurchlauf gemessene Maximalwert aufgezeichausströmendem Medium hervorgerufenen Geräusche 5 net wird. Auf Grund dieser Anordnung können sehr ansprechenden Meßsonde, welche Mikrofon- und kleine Lecks in Rohrleitungen festgestellt werden. Verstärkerelemente sowie ein Registriergerät enthält. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch ge-

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 2884624), kennzeichnet, daß das zu untersuchende Ultraschall-Lecks in Pipelines mit Hilfe von durch die Pipeline frequenzband in zwei getrennte Kanäle aufgeteilt ist hindurchgezogenen Schallmeßgeräten aufzuspüren, io und daß je Kanal ein getrennter Meßkreis mit je welche die empfangenen Schallwellen aufzeichnen. einem sägezahngesteuerten Wobbelgenerator, einer Eine prinzipielle Schwierigkeit dieser auf dem aku- Mischstufe, einem selektiven Filter und einem Spitzenstischen Prinzip arbeitenden Leckdetektoren besteht demodulator für eine zweispurige Aufzeichnung in darin, daß sie gegenüber Rollgeräuschen des Leck- dem Registriergerät vorgesehen ist. detektors sowie sonstigen Hintergrundgeräuschen 15 Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Ersehr stark empfindlich sind, so daß es sehr oft findung erläutert, wobei auf die Zeichnungen Bezug schwierig zu entscheiden ist, ob ein aufgezeichnetes genommen ist. Es zeigt

Signal durch ein Leck oder durch ein Hintergrund- F i g. 1 eine Seitenansicht — teilweise im Schnitt —

geräusch verursacht wurde. einer erfindungsgemäßen Leckanzeigeeinrichtung,

Da die beim Auftreten von Lecks in Pipelines ent- 20 F i g. 2 eine andere Ausführungsform der Einrichstehenden Zischgeräusche einen sehr hohen Anteil tung,

von Ultraschallfrequenzen aufweisen und da der F i g. 3 und 4 Blockschaltbilder von zwei Ausfüh-

Hintergrundgeräuschpegel im Ultraschallbereich ver- rungsformen des Meßkreises, gleichsweise geringer ist, ist es auch bekannt (Zeit- F i g. 5 ein Schaltbild des in F i g. 3 und 4 verwen-

schrift »Electric Engineering«, Bd. 81, 1962, H. 4, 35 deten Demodulators,

S. 18a), auf Ultraschallfrequenzen empfindliche Fig. 6 ein typisches Leckgeräuschspektrum im

Leckdetektoren zu verwenden. Vergleich zum auftretenden Hintergrundgeräusch und

Genaue Untersuchungen der Frequenzspektren bei F i g. 7 eine typische Meßwertaufzeichnung.

Lecks in Pipelines haben jedoch gezeigt, daß die- In F i g. 1 bezeichnet die Ziffer 10 einen als Meßseiben Spektren bei bestimmten Ultraschallfrequenzen 30 sonde dienenden Leckdetektor, der durch Rollen 14 hohe Amplitudenspitzen aufweisen und daß diese zentral in der Mitte eines Rohres 12 einer Pipeline Spitzen je nach der Größe des auftretenden Lecks geführt ist. Die Rollen 14 sind an Armen 16 schwenksich verschieben. Demzufolge war es bisher not- bar gelagert, die ihrerseits an einem Ende schwenkwendig, derartige Ultraschalldetektoren für Pipelines bar mit am Gehäuse der Meßsonde 10 befestigten sehr breitbandig zu bauen. Wegen des Vorhanden- 35 Augen 18 verbunden sind. Jeder Arm 16 wird durch seins von Ultraschallhintergrundgeräuschen hat dies eine Druckfeder 22 nach außen gedrückt, so daß die jedoch den Nachteil, daß der Geräuschabstand der Rollen 14 auf der Innenseite des Rohres abrollen beiden Geräusche relativ gering ist. Somit gehen des können. Die Bewegung der Rollen 14 nach innen öfteren Meßsignale im Geräuschpegel unter, da ein wird durch Anschläge 20 begrenzt. An einem Ende über die gesamte Ultraschallfrequenzbreite ge- 40 der Meßsonde 10 ist ein Mikrofon 26 befestigt, das messener Mittelwert des Ultraschallsignals mit einem bei Flüssigkeiten führenden Pipelines als Hydrophon über dieselbe Frequenzbreite gebildeten Mittelwert ausgebildet ist. Ein konischer Schallschirm 28 umgibt des Hintergrundgeräusches verglichen werden muß. das Mikrofon 26, so daß das Mikrofon 26 nur auf Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen im Geräusche anspricht, die in der Pipeline rechts vom Ultraschallgebiet arbeitenden Leckdetektor zu schaf- 45 Mikrofon entstehen. Ein U-förmiger Schutzbügel 30 fen, der diesen obengenannten Nachteil nicht auf- schützt das Mikrofon vor Beschädigungen. weist und der trotz Messung über einen sehr breiten Auf der Rückseite des konischen Schallschirms 28

Ultraschallfrequenzbereich einen sehr guten Ge- ist schalldämpfendes und schallisolierendes Material räuschabstand aufweist, so daß selbst äußerst kleine 34 aufgebracht. Eine ähnliche Lage von schallisolie- und somit sehr schwache Zischgeräusche erzeugende 50 rendem Material 34 ist auf beiden Seiten eines ring-Lecks in Pipelines mit Sicherheit festgestellt werden scheibenförmigen Schallschirms 32 angeordnet, der können. sich auf der Meßsonde 10 in der Nähe des konischen

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß Schallschirms 28 befindet. Durch die Schallschirme 28 der Ausgang des in an sich bekannter Weise auf und 32 wird ein sehr scharfer Abfall des Leck-Ultraschallfrequenzen ansprechenden Mikrofons mit 55 geräusches erreicht, wenn die Meßsonde eine Leckder Mischstufe mindestens einer Wobbeieinrichtung stelle in der Pipeline passiert.

verbunden ist, deren Ausgangs-Mischsignal über Der nur schematisch dargestellte Körper der Meßeinen Spitzendemodulator dem Registriergerät zur sonde enthält einen Teil 36 mit dem elektrischen Aufzeichnung der Spitzenwerte der lautesten Fre- Schaltkreis, einen Teil 38 zur Spannungsversorgung quenzkomponenten zugeführt ist. 60 und einen Teil 40 mit einem Magnetband-Registrier-

Bei einer derartigen Anordnung wird von dem gerät. Diese Bauteile sind miteinander verbunden; Gedanken Gebrauch gemacht, daß zur Feststellung die elektrische Einrichtung ist gegen die in der Pipeeines Lecks nur ein bestimmter Spitzenwert·gemessen line befindliche unter Druck stehende Flüssigkeit und registriert zu werden braucht. Da jedoch die abgedichtet.

Frequenz, bei welcher derartige Spitzenwerte auf- 65 Bei der etwas anderen Ausführung der Meßsonde treten, von der Größe und Form der Lecks, von dem nach F i g. 2 sind die Elemente mit gleichen Funk-Druck innerhalb der Rohrleitung und von anderen tionen und gleichem Aufbau mit gleichen Bezugs-Größen abhängt und somit zunächst unbekannt ist, zeichen wie in F i g. 1 versehen und werden nicht

noch einmal beschrieben. Neben dem konischen Schallschirm 28 ist ein Ring 32 angeordnet. Dieser Ring enthält auf seinem Umfang ein Band aus schallisolierendem Material 34, welches von der inneren Wand des Rohrs einen kleinen Abstand besitzt. Dadurch wird das Mikrofon gegen die von links kommenden Schallschwingungen in der Pipeline abgeschirmt. In Bewegungsrichtung des Leckdetektors gesehen vor dem Mikrofon 26 sind Stangen 42 angeordnet, die über flexible Kupplungsstücke 44 mit einer Scheibe 46 verbunden sind. Auf der Vorder- und Rückseite der Scheibe 46 sind Lagen 48 aus schallschluckendem Material 48 aufgebracht. Mit der vorderen Lage ist ein Tragkörper 50 verbunden, der durch eine Anzahl von Rollen 14 in der Mitte der Pipeline gehalten wird. Die Kupplungsstücke 44 bestehen aus elastischem Material, so daß Erschütterungen des Körpers 50 und der Rollen 14 nicht auf den Schallschirm 28 übertragen werden. Zusätzlich gestatten es die Kupplungsstücke 44 der Meßsonde 10, gekrümmte Stücke der Pipeline 12 zu befahren. In den F i g. 3 und 4 sind Schaltanordnungen dargestellt, die der Verarbeitung des vom Mikrofon 26 empfangenen Signals dienen.

Bei der Schaltanordnung nach F i g. 3 wird das Alisgangssignal des Mikrofons 26 über einen Vorverstärker 52 einem Hochpaßfilter 54 zugeführt, das alle Geräuschfrequenzen im Hörbereich unterhalb von 10 bzw. 20 kHz sperrt. Die vom Hochpaßfilter 54 durchgelassenen Ultraschallfrequenzen werden einem Paar von parallel arbeitenden Trennverstärkern 56 und 56 α zugeführt. Der Ausgang des Verstärkers 56 ist mit einer Mischstufe 58 verbunden, an dessen zweitem Eingang der Ausgang eines durch einen Sägezahngenerator 62 gesteuerten Wobbelgenerators 60 liegt. Die in der Mischstufe 58 erzeugten Summen- und Differenzfrequenzsignale werden einem Bandpaßfilter 64 zugeleitet, das einen Durchlaßbereich zwischen 5 und 6 kHz aufweist.

Das Ausgangssignal des Bandpaßfilters 64 wird über einen weiteren Verstärker 66 einem Spitzendemodulator 68 zugeführt, dessen Schaltung in F i g. 5 dargestellt ist. Der Ausgang des Spitzendemodulators 68 ist schließlich an einem mehrkanaligen Registriergerät 70 angeschlossen.

Die Funktionsweise dieser Schaltanordnung ist wie folgt: Wenn z. B. der Wobbelgenerator 60 zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Signal von 90 kHz liefert, ergeben Eingangssignale zwischen 84 und 85 kHz oder zwischen 95 und 96 kHz am Ausgang der Mischstufe 58 Summen- bzw. Differenzsignale im Bereich von 5 bis 6 kHz, welche somit durch das Bandpaßfilter 64 hindurch zum Demodulator 68 gelangen können. Der Demodulator erzeugt an seinem Ausgang eine gleichgerichtete Spannung, die der stärksten Frequenzkomponente des gewobbelten Frequenzbandes proportional ist.

Der Wobbelgenerator 60 arbeitet nicht mit einer festen Frequenz, sondern wird innerhalb eines Bereichs von 10 kHz durch eine vom Sägezahngenerator 62 gewonnene veränderliche Ausgangsspannung gesteuert. Dadurch wird ein 20 kHz breites Geräuschsignalband kontinuierlich überwacht. Da der Wobbelgenerator 60 den Bereich von 90 bis 100 kHz überstreicht, werden durch diesen Teil der Schaltanordnung Leckgeräusche in einem Frequenzbereich von 85 bis 105 kHz festgestellt und auf dem einen Kanal des Registriergerätes 70 aufgezeichnet. Die Registrationsfrequenz des Sägezahngenerators 62 beträgt etwa 30 Hz, was praktisch die höchste Wobbeifrequenz ist, die durch das Einschwingverhalten des Bandpaßfilters 64 zugelassen ist.

Im unteren Teil des Schaltbildes nach F i g. 3 ist ein ähnlicher Schaltkreis zur Analysierung und Aufnahme von Leckgeräuschen dargestellt. Dieser Schaltkreis enthält einen Trenn verstärker 56 a, eine Mischstufe 58a, ein Bandpaßfilter 64 α, einen Verstärker 66 a, einen Spitzendemodulator 68 α, einen Wobbelgenerator 60 α und einen Sägezahngenerator 62 a. Der einzige Unterschied gegenüber dem schon beschriebenen Schaltkreis besteht in dem Frequenzbereich des Wobbeigenerators 60 a. Wie zuvor wird die Ausgangsfrequenz des Oszillators in einem 10-kHz-Bereich durch die Spannung des Sägezahngenerators 62 a gewobbelt. Der zweite Schaltkreis ist so ausgebildet, daß er auf das Geräuschspektrum im Bereich von 65 bis 85 kHz anspricht, indem die Frequenz des Wobbeigenerators 60 α bzw. 70 und 80 kHz variiert wird. Der Spitzendemodulator 68 α erzeugt dann ein auf einem zweiten Kanal des Registriergerätes 70 aufgezeichnetes Gleichspannungssignal, das der stärksten Frequenzkomponente im Frequenzband von 65 bis 85 kHz proportional ist.

Die F i g. 4 stellte eine Schaltanordnung dar, die der in F i g. 3 gezeigten ähnlich ist. Der wesentliche Unterschied besteht darin, daß das Ausgangssignal des Mikrofons 26 nach seiner Verstärkung im Vorverstärker 52 einem oder mehreren Bandpaßfiltern 72 und 74 zugeführt wird. Das Bandpaßfilter 72 läßt z. B. Signale im Bereich von 80 bis 100 kHz durch, während das benachbarte Bandpaßfilter 74 Signale im Frequenzbereich von 60 bis 80 kHz durchläßt. Weitere nicht dargestellte Bandpaßfilter können parallel zu den Bandpaßfiltern 72 und 74 angeordnet werden, wobei diese Bandpaßfilter für andere Frequenzbereiche durchlässig sind.

Im oberen Schaltkreis von F i g. 4 werden die durch das Bandpaßfilter 72 gelangenden Geräuschsignale im Frequenzbereich von 80 bis 100 kHz durch den Verstärker verstärkt und in der Mischstufe 78 mit der Ausgangsspannung eines Wobbeigenerators 80 gemischt, dessen Ausgangsfrequenz zwischen 85 und 95 kHz variiert. Die in der Mischstufe 78 erzeugten Summen- und Differenzfrequenzsignale werden über ein Bandpaßfilter 82 und einen Verstärker 84 einem Spitzendemodulator 86 zugeführt, der ausgangsseitig mit einem mehrkanaligen Registriergerät 88 verbunden ist.

Der untere Schaltkreis von F i g. 4 besitzt gleichartige, mit 74, 76, 78 a, 80«, 82 a, 84 a und 86 a bezeichnete Baugruppen, deren letzte ausgangsseitig mit dem zweiten Kanal des mehrkanaligen Registriergerätes 88 verbunden ist. Das in diesem Schaltkreis liegende Bandpaßfilter 74 ist für Signale im Bereich von 60 bis 80 kHz durchlässig, während der Wobbelgenerator 80 α ein zwischen 65 und 75 kHz variierendes Ausgangssignal besitzt. Demzufolge werden auf dem zweiten Kanal des Registriergerätes 88 Lecksignale im Bereich von 60 bis 80 kHz aufgezeichnet.

F i g. 5 zeigt die Schaltung der in den F i g. 3 und 4 verwendeten Spitzendemodulatoren 68, 68 a, 86, 86 a. Das auf den Leitungen 102 und 104 einlaufende Signal wird durch eine Diode 100 gleichgerichtet und einem Kondensator 106 zugeführt, zu welchem ein Widerstand 108 parallel geschaltet ist. Durch diesen Widerstand 108 wird der Kondensator 106 entladen,

wobei die Geschwindigkeit dieser Entladung wesentlich geringer als diejenige der durch das gleichgerichtete Eingangssignal bedingten Aufladung ist. Aus diesem Grund können einfache Registriergeräte verwendet werden, weil deren Kanäle nur mit einer relativ langsam sich verändernden gleichgerichteten Spannung beaufschlagt werden.

Der Kondensator 106 wird somit während eines Frequenzhubes mit vorgegebener Bandbreite durch den entsprechenden Wobbelgenerator 60 und die Mischstufe 58 auf den während eines Frequenzhubes höchsten auftretenden Wert aufgeladen, da die Aufladungsgeschwindigkeit des Kondensators 106 viel größer als die Wobbeiperiode ist, während der Entladungsvorgang viel langsamer abläuft. Die an dem Kondensator 106 auftretende Spannung ist daher dem Spitzenwert der stärksten Frequenzkomponente in jedem Wobbeizyklus proportional. Das dem entsprechenden Kanal des Registriergerätes zugeführte Signal ist eine relativ langsam sich verändernde Wechselspannung.

Der Verlauf der an dem Registriergerät aufgezeichneten Wechselspannung ist in Fig. 7 dargestellt, welche einen charakteristischen Kurvenverlauf wiedergibt, wie er von einer Meßsonde während ihres Laufes durch eine Pipeline aufgenommen wird. Die in F i g. 6 dargestellte gestrichelte Linie 110 zeigt den Pegel des Hintergrundgeräuschs in Abhängigkeit der Frequenz. Wie zu erkennen ist, fällt die Linie 110 mit wachsender Frequenz ab. Der Hauptanteil des Hintergrundgeräusches befindet sich im Frequenzbereich unterhalb von 20 kHz. Die den Verlauf des Schallpegels eines typischen Frequenzspektrums eines Leckgeräusches in einer Pipeline darstellende Kurve 112 zeigt, daß die amplitudenstärksten Frequenzkomponenten im Ultraschallbereich über 20 kHz liegen, in welchem Bereich das Hintergrundgeräusch relativ gering ist. Demzufolge kann die erfindungsgemäße Leckanzeigeeinrichtung sehr empfindlich gebaut werden, wobei selbst sehr schwache Leckgeräusche vom Hintergrundgeräusch unterschieden werden können. Die schraffierte Fläche 114 unterhalb von 20 kHz stellt den Anteil des Geräuschspektrums dar, der durch das Filter 54 in F i g. 3 gesperrt wird.

F i g. 7 zeigt die typische Aufzeichnung eines Lecks durch die Meßsonde, wobei die Größe der stärksten Frequenzkomponente in einem ausgewählten Frequenzband über der Zeit aufgetragen ist. Der letzte Teil der Kurve nach der Zeit t = 30 Sekunden zeigt den normalen Verlauf des Hintergrundgeräusches in der Pipeline. Wenn die Meßsonde durch die Pipeline wandert und sich einem Leck nähert, nimmt das Mikrofon 26 einen anwachsenden Geräuschpegel au! und zeigt dieses auf der Aufzeichnungsspur durch die hohen Spitzen 116 an. Nachdem die Meßsonde die Leckstelle in der Pipeline passiert hat, fällt das Geräusch stark ab, so daß die Kurve wieder abfällt. Die Auswertung des Kurvenverlaufes ergibt, daß das Lee! sich an einer Stelle 118 befindet, die in dem Aufzeichnungsträger etwa 22 Sekunden nach dem Start dei Meßsonde erscheint.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Leckanzeigeeinrichtung für Rohrleitungen, bestehend aus einer auf Rollen durch die Leitung hindurch bewegbaren, auf die von aus einei etwaigen Leckstelle ausströmendem Medium hervorgerufenen Geräusche ansprechenden Meßsonde, welche Mikrofon- und Verstärkerelemente sowie ein Registriergerät enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des in an sich bekannter Weise auf Ultraschallfrequenzen ansprechenden Mikrofons mit der Mischstufe mindestens einer Wobbeieinrichtung verbunden ist, deren Ausgangs-Mischsignal über einen Spitzendemodulator dem Registriergerät zur Aufzeichnung der Spitzenwerte der lautesten Frequenzkomponenten zugeführt ist.

2. Leckanzeigeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu untersuchende Ultraschallfrequenzband in zwei getrennte Kanäle aufgeteilt ist und daß je Kanal ein getrennter Meßkreis mit je einem sägezahngesteuerten Wobbelgenerator (60, 60 a, 85, 85 a) einer Mischstufe (58, 58 a, 78, 78 a), einem selektiven Filter (64, 64 a, 82, 82 a) und einem Spitzendemodulator (68, 68 a, 86, 86 a) für eine zweispurige Aufzeichnung in dem Registriergerät (70, 88) vorgesehen ist.

3. Leckanzeigeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Vorverstärkers (52) über ein Hochpaßfilter (54) mit den Eingängen von zwei Trennverstärkern (56,56 a) verbunden ist, welche ihrerseits die beiden Mischstufen (58, 58 a) speisen (F i g. 3).

4. Leckanzeigeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Vorverstärkers (52) mit den Eingängen von je zwei frequenzmäßig gegeneinander versetzt abgestimmten Bandpaßfiltern (72, 74) verbunden ist, welcher ihrerseits über je einen Zwischenverstärker (76,76 α) die beiden Mischstufen (78,78 α) speisen (F i g. 4).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen