DE2934928C2

DE2934928C2 - Vorrichtung zur Dauerüberwachung eines Teiles einer in Betrieb befindlichen Anlage

Info

Publication number: DE2934928C2
Application number: DE19792934928
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. 8520 Erlangen Krüger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1979-08-29
Publication date: 1984-03-29
Also published as: DE2934928A1

Description

— daß an oder in dem zu überwachenden Anlagenteil (2) ein akustischer Schwinger (3) j zur Anregung von mechanischen Wellen in dem Anlagenteil (2) vorgesehen ist, und

— daß das FüHIerelement (12) zum Empfang der vom Schwinger (3) angeregten und über das Anlagenteil J2) fortgepflanzten mechanischen Weller» in einer vorbestimmten Lage zu dem Schwinger (3) angeordnet ist

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schwinger (3) und/oder mehrere Fühlerelemente (12) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, äaß der Schwinger (3) eine Welle mit einem sich in der Richtung der größten Ausdehnung des zu überwachenden AnIagenteils (2) ausbreitenden großen Leistungsanteil erzeugt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet dat mindestens einer der Schwinger (3) eine Welle erzeugt, die schräg zur größten Ausdehnung des Anlav :nteils (2) gerichtet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) an einer Schrägung (7)des Anlagenteils(2) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach" einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Fühlerelemente (12) eine ausgeprägte Richtwirkung aufweist.

7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Fühlerelemente (12) eine Welle empfängt, die schräg zur größten Ausdehnung des Anlagenteils (2J gerichtet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Schwinger (3) und/oder der Fühlerelemente (12) als piezoelektrischen Element ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche i bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (14) die Änderung des Amplitudenverhältnisses und/oder der Phasendifferenz zwischen der von dem Schwinger (3) erzeugten Welle und der von dem Fühlerelement (12) empfangenen Welle feststellt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Einrichtung (14) die Laufzeit oder Echolaufzeit der von dem Schwinger (3) erzeugten Welle feststellt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Amplitudenverhältnisses und/oder der Phasendifferenz zwischen Harmonischen der von dem Fühlerelement (12) empfangenen Welle festgestellt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwinger (3) in Amplitude und/oder Frequenz veränderbar ist

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Fühlerelement (12) nacheinander empfangenen Wellen miteinander verglichen werden.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet daß an dem ETihlerelement (12) das Einschwing- und/oder Ausschwingverhalten des Anlagenteils (2) festgestellt wird, wenn die Anregung der Wellen durch den Schwinger (3) mit Impulsen erfolgt

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dauerüberwachung eines Teiles einer in Betrieb befindlichen Anlage, die mindestens ein an einer vorbestimmten Stelle der Anlage angeordnetes, mecha-" nische Wellen aufnehmendes Fühlerelement sowie eine elektronische Einrichtung zur Auswertung eines an dem Fühlerelement abgenommenen Signals, insbesondere durch Vergleich mit dem im störungsfreien Betriebszustand des Anlagenteils abgenommenen Signal, enthält Aus der DE-OS 26 22 120 ist eine entsprechende Vorrichtung bekannt

Aus Sicherheitsgründen muß vielfach das Eintreten unerwünschter Veränderungen in Teilen von Anlagen wie z. B. von Stauwerken in Fabrikations- oder Kraftwerksanlagen, von Kesseln, von Behältern, insbesondere Druckbehältern, oder auch von Rohren und Gestängen ermittelt werden. Bei derartigen unerwünschten Veränderungen kann es sich insbesondere um Sprünge, Versetzungen, Anrisse, Risse, Ablösungen an z. B. Klebestellen oder auch um Lockerungen von kraft- und formschlüssigen Verbindungen handeln.

Zur Überwachung von solchen Anlagenteilen sind verschiedene Verfahren und entsprechende Vorrichtungen bekannt So werden z. B. bei bewegten Anlagenteilen sowie Anlagenteilen mit strömenden Medien Änderungen des Klang- und Geräuschspektrunis, insbesondere des Leistungsdichtespektrums von Unwucht-, Reibungs-, Strömungs- und Stoßgeräuschen überwacht (vgl. DE-AS 14 98 056, 20 10 226 und 23 27 015).

Zur Überwachung von überwiegend ruhenden Anlagenteilen wird dai Auftreten von Schall- und Ultraschallspektren, wie sie bei irreversiblen Veränderungen in Festkörpern hervorgerufen werden, ausgewertet Ein entsprechendes Verfahren ist z. B. die sogenannte Schallemissionsanalyse, die insbesondere zur Prüfung von Reaktorkomponenten eingesetzt wird (vgl. »Zeitschrift für Werkstofftechnik«, Band 4,1973, Nr. 6, Seiten 306 bis 314 und »Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte«, Band 8,1979, Nr. 2, Seiten 86 bis 91). Bei diesem Verfahren wird von der Tatsache ausgegangen, daß beim Eintreten von Werkstoffschäden bzw. bei der Veränderung vorhandener Werkstoff-Fehler oder •Schäden kurze Schallimpulse emittiert werden, deren Frequenzbereich bis weit in das Ultraschallgebiet reicht. Als Ursache dieser Emission sind beispielsweise Versetzungsbewegungen bei plastischer Verformung, Rißbildung oder Rißfortpflanzungen und Reibevorgänge im Rißgrund anzusehen.

Bei diesen Überwachungsverfahren von Anlagentei-

Ζ»

len treten jedoch die mit unerwünschten Veränderungen verbundenen emittierten Schall- und Ultraschallspektren nur kurzzeitig und impulsmäßig auf. Für ihre Erkennbarkeit ist deshalb entweder ein hoher Störabstand oder aber eine sehr aufwendige Signalverarbeitung erforderlich.

Auch bei dem aus der DE-OS 26 22 120 bekannten Verfahren lassen sich die Betriebszustände von Teilen einer im Betrieb befindlichen Anlage, beispielsweise eines Kraftwerkes, dadurch üDerwachen, daß akustische Spektren von entsprechenden, an ausgewählten Stellen der Anlage angeordneten Fühlerelementen kontinuierlich aufgenommen werden. Die Spektren werden dann mit Hilfe einer elektronischen Einrichtung ausgewertet, wobei durch Vergleich mit vorgegebenen frequenzabhängigen Grenzwerten entschieden werden kann, ob ein Störungsfall vorliegt

Mit diesen bekannten Verfahren lassen sich im wesentlichen aber nur die Veränderungen an den ein Dauergeräusch erzeugenden Grenzbereichen, z. B. von Zahnkränzen, Pumpenschaufeln, Lagern oder Rohrleitungen erfassen. Veränderungen im Material selbst können im allgemeinen nur erkannt werden, wenn sie an vorbestimmten, von der Lage der Fühlirelemente abhängigen Stellen auftreten oder eine beträchtliche Größe erreicht haben.

Bei Großanlagen wie Fabrikations- oder Kraftwerksanlagen muß man ferner damit rechnen, daß der Störpegel erheblich über dem von beginnenden Schäden ausgelösten Geräuschimpulspegel liegt Notwendigerweise sind dabei die Störgeräusche verhältnismäßig stark autokorreliert

Darüber hinaus muß gegebenenfalls angenommen werden, daß die Störgeräusche und Erschütterungen auch die Auslösung der Schäden beeinflussen, so daß die emittierten Schadensgeräusche merkliche Kreuzkorrelation mit den Störgeräuschen aufweisen.

Da den allgemein verwendeten nutzsignaloptimierten Filter- und Signalverarbeitungsverfahren andere statistische Modelle des Nutz- und des Störsignals zugrundeliegen als für den vorliegenden Anwendungsfall, ist mit einer wesentlichen Verbesserung des Nutz/Stör-Abstandes nicht zu rechnen. Außerdem muß auch die thermodynamisch, d. h. energetisch statistisch gesetzte Grenze für die zuverlässige Trennung des gewünschten Signals von dem unerwünschten Signal beachtet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingatigs genannte Vorrichtung zur Dauerüberwachung von Teilen einer in Betrieb befindlichen Anlage so zu >o verbessern, daß mit ihr eine sichere Früherkennung des Eintretens von unerwünschten Änderungen an der Anlage möglich ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebene Merkmale gelöst

Die mit dieser Gestaltung der Überwachungsvorrichtung erreichten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit Hilfe des akustischen Schwingers Schallwellen auf den zu überwachenden Anlagenteil übertragen werden können, die von Störspektren deutlich und mit hohem Störabstand zu unterscheiden und mit Hilfe einer verhältnismäßig einfachen elektronischen Einrichtung auszuwerten sind. Es können so schon geringfügige Änderungen der erzeugten Wellen und damit eventuell auftretende Schäden in dem zu überwachenden Anlagenteil entsprechend früh und leicht erkannt werden.

Bei einer solchen Vorrichtung stellt vorteilhaft die elektronische Einrichtung die Änderung der Amplitudenverhältnisse und/oder der Phasendifferenz zwischen der von dem Schwinger erzeugten Welle und der von dem Fühlerelement empfangenen Welle fest

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung nach der Erfindung stellt die elektronische Einrichtung vorteilhaft die Laufzeit und/oder Echolaufzeit der vom Schwinger erzeugten Welle fest

Ferner kann bei der Vorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft die Änderung des Amplitudenverhältnisses und/oder der Phasendifferenz zwischen Harmonischen der von dem Fühlerelement empfangenen Welle festgestellt werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung nach der Erfindung gehen aus den restlichen Unteransprüchen hervor.

Die Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen werden, nachfolgend anhand der Zeichnung und anhand von Beispielen noch weiter erläutert In der Figur der Zeichnung ist eine Dauerüberwachungsvorrichtunr; nach der Erfindung schematisch veranschaulicht.

In der Figur ist als Längsschnitt ein Teil einer zu überwachenden Anlage, beispielsweise eines Reaktordruckbehälters, nur angedeutet und allgememein mit _2 bezeichnet An der Oberfläche dieses Anlagenteils ist an einer vorbestimmten Stelle ein Schwinger 3, beispielsweise ein piezoelektrisches Element, angebracht Dieses Element ist über Anschlüsse 4 mit einer in der Figur nicht näher ausgeführten elektrischen Versorgungseinrichtung _5_ verbunden und wird von dieser so angesteuert, daß es zu Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen werden an der Oberfläche des Anlagenteils 2_ in diesen so übertragen, daß sich eine Welle von beträchtlichem Leistungsanteil in Richtung großer Ausdehnung des Anlagenteils ausbreitet. Dies bedeutet, daß ζ. B. im Behälter eine Welle erzeugt wird, die sich schräg oder senkrecht zur Oberflächennormalen ausbreitet Zur Anbringung des Schwingers 3 können deshalb bei der Konstruktion des Anlagenteils .2. besondere Stellen vorgesehen und vorbereitet werden, ζ. Γ. Bohrungen, kleine Konsolen oder Schrägungen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach der Figur werden die Schwingungen der dem Anlagenteil JJ zugewandten Flachseiten 6 des Schwingers 3 mechanisch auf den Anlagenteil 2_ an eine." Schrägung 7 übertragen. Die Schwingungen der Flachseite 6, die durch einen Doppelpfeil 8 veranschaulicht sind, können in ihrer Amplitude oder Frequenz geändert werden, um so z. B. eine genaue Ortung einer Schadensstelle in dem Anlagenteil 2_ oder auch in der Überwachungsvorrichtung zu ermöglichen. Die sich in dem Anlagenteil ausbreitenden Wellen sind durch einzelne Wellenfronten 9 angedeutet.

An einer vorbestimmten Stelle des zu überwachenden Anlagenteiles Z₁ beispielsweise an einerr Absatz 11, befindet sich ein Fühlerelement 12, das ebenfalls ein piezoelektrisches Element sein kann und mit dem die mit dem Schwinger 3 erzeugten Wellen empfangen werden. Das zu verwendende Fühlerelement 12 kann, muß aber nicht eine ausgesprochene Richtwirkung haben. Die von ihm aufgenommene Welle kann aus Komponenten bestehen, die von gradliniger Ausbreitung, Einfach- oder Mehrfachreflexion, Einfach- oder Mehrfachbeugung bzw. -brechung herrühren.

Das an dem Fühlelement 12 erzeugte Signal wird über elektrische Anschlußleitungen 13 einer in der Figur

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ebenfalls nicht näher ausgeführten elektronischen Einrichtung _l£zugeleitet, in der das Signal ausgewertet wird. Die prinzipielle Arbeitsweise entsprechender Einrichtungen ist allgemein bekannt (vgl. z. B. »Journal of the Acoustical Society of America«, Vol.61, No. 3, März 1977, Seiten 859 bis 871).

Bei der in der Figur angedeuteten Überwachungsvorrichtung wurden nur ein einziger Schwinger 3 und ein Fühlerelement 12 angenommen. Eine Überwachungsvorrichtung nach der Erfindung kann jedoch je nach Bedarf, z. B. entsprechend der Größe des zu überwachenden Anlagenteiles oder entsprechend einer geforderten Empfindlichkeit, ein oder auch mehrere Schwinger und Fühlerelemente umfassen. Dabei wird der Abstand der Fühlerelemente von dem jeweiligen Schwinger, ihre örtliche Anordnung und die Richtungsempfindlichkeit im allgemeinen den Sicherheitserfordernissen angepaßt. So ist z. B. eine matrixartige oder reihenweise Anordnung von Fühlerelementen möglich, deren Hauptempfangsrichtung zu einem bestimmten zu überwachenden Bereich des Anlagenteiles hinweist.

Die Fühlerelemente können je nach Ausführung und Anordnung gleichzeitig nur auf einen Wellentyp oder auf mehrere ansprechen. Durch Anordnung beispielsweise an Knotenstellen von Wellen, die aus verschiede- nen Richtungen einfallen und/oder von Weilen verschiedenen Wellentyps läßt sich die Empfindlichkeit der Überwachungsvorrichtung beträchtlich steigern.

Außerdem können auch mehrere Fühlerelemente miteinander oder mit Schwingern so schaltungstech- jo nisch verbunden werden, daß durch Auswertung der Änderung von Phasen- und Amplitudenbeziehungen die Empfindlichkeit und Richtwirkung gesteigert werden. Auch kann man Schwinger mit definierter Amplituden- und Phasenbeziehung zusammenschalten, um die J5 Ausbreitungsrichtung und den Strahlöffnungswinkel zu verändern. Ferner läßt sich auch eine Zusammenschaltung mehrerer Fühicfcicmcmc VOrSchen, Ulli SO durch Auswertung der Phasen- und Amplitudenbeziehungen die Empfangsrichtung und die Richtwirkung zu verändern.

Die Schwinger und Fühlerelemente lassen sich auch so ausführen, daß sie ihre Funktion wechseln können. Außerdem ist auch eine Zu- oder Abschaltung von Schwingern und Fühlerelementen möglich, um so eine Schadensstelle in einem Anlagenteil oder in der

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uisgi vravtiutigavui ι ivlitulig genau \n ten z.\i iwriiirciu

Die Schwinger und Fühlerelemente der Überwachungsvorrichtung nach der Erfindung können sowohl im Reflexions- wie im Transimissionsverfahren arbeiten, so

Zur Überwachung eines Anlagenteiles sind für eine Vorrichtung nach der Erfindung insbesondere die nachstehend aufgeführten Ausgestaltungsmaßnahmen möglich.

Maßnahme I

Es werden Änderungen von Laufzeiten wie Nachhallzeiten oder Echolaufzeiten eines vorbestimmten WeI-ientypes, beispielsweise von Oberflächenweifen oder Longitudinalwellen, oder auch von mehreren Wellentypen nach Schwingungsanregung des zu überwachenden Teiles der Anlage mit dem oder den Schwingern überwacht Zusätzlich kann sowohl das Abklingen vom eingseschwungenen Zustand des Anlagenteiles wie auch das Abklingen vom impulserregten Zustand zur Ermittlung von Veränderungen herangezogen werden. Die Erregung kann dabei breitbandig, schmalbandig oder mit Schwingungen diskreter Frequenzen erfolgen.

Maßnahme II

Statt des Abklingverhaltens des angeregten, zu überwachenden Anlagenteiles gemäß Maßnahme I kanti auch in entsprechender Weise dessen Einschwingverhalten beobachtet werden.

Maßnahme III

Ferner ist auch eine Bestimmung von Änderungen des Amplitudenverhältnisses bzw. der Phasendifferenz zwischen der mit dem Schwinger erzeugten mindestens einen Welle und einer oder mehreren der von dem Fühlerelement empfangenen Wellen möglich. Dabei kann die Erregung ebenfalls breitbandig oder schmalbandig oder mit diskreten Frequenzen erfolgen. Die Signaldauer kann dabei gegenüber allen Einschwingvorgängen lang oder auch kurz gewählt werden, d. h. es können Langzeit- bzw. Kurzzeit-Signale oder Impulssignale vorgesehen sein.

Maßnahme IV

Die vom Schwinger erzeugte mindestens eine Welle braucht keine Harmonischen ihrer Frequenzen aufzuweisen. Derartige Harmonische treten im Anlagenteil im allgemeinen aber im Falle von Schäden auf, so daß mit dem Fühlerelement auch Änderungen von Phasendifferenzen oder Amplitudenverhältnissen von Harmonischen der von ihm empfangenen Wellen bestimmt werden können. Bei diesem Verfahren können vorteilhaft Langzeitsignale oder Impulssignale vorgesehen werdea Außerdem können dabei auch erregerseitig modulierte Wellen erzeugt werden, um die Empfindlichkeit der Vorrichtung zu steigern.

Maßnahme V

Abweichend von den Maßnahmen III und IV ist auch eine Bestimmung der Änderung von Phasendifferenzen öder Arnp!uüueriverhäiini55en von Milchprodukten mehrerer.Wellen möglich. Die mit einer entsprechenden Vorrichtung zu ermittelnden Schadensstellen sind nämlich im Übertragungsweg als Gebiete mit stark nichtlinearer Spannungs-Dehnungscharakteristik wirksam.

Die genannten Maßnahmen I bisV zur Wellenauswertung können entweder einzeln oder auch in Kombination miteinander angewandt werden.

Bei den Maßnahmen in bis V kann eine Frequenzvariationsmethode angewandt werden, d.h. die Sende- und Empfangsfrequenzen können kontinuierlich oder in Schritten geändert werden. Dabei kann zur Erhöhung der Empfindlichkeit mit bandbreitekomprimiertPi Impulsen gearbeitet werden. Außerdem kann dabei die durch Signallaufzeiten im Anlagenteil bedingte Differenz zwischen den Signalfrequenzen am Schwinger und am Fühlerelement zur Erzeugung eines Zwischenfrequenzsignales herangezogen werden, das sich wiederum zum Nachweis von Schäden eignet.

Ferner kann die Auswertung der an dem oder den Fühlerelementen empfangenen Wellen gemäß den genannten Maßnahmen I bis V noch entsprechend nach den folgend erläuterten Beispielen durchgeführt werden.

Beispiel 1

Die von den Fühlerelementen abgegebenen Signale sowie Referenzsignale können direkt oder nacfe Vorverarbeitung gespeichert werdea Die Bestimmung der Veränderung in dem zu überwachenden Anlagenteil

kann dabei so erfolgen, daß die abgenommenen Signale direkt, d. h. on line, oder nach Speicherung mit Signalen verglichen werden, die für die ungestörte, schadensfreie Anlage gespeichert wurden.

Auch für die ungestörte, schadensfreie Anlage ) können sich Änderungen der an den Fühlerelementen abgenommenen Signale ergeben, beispielsweise als Folge von veränderten Druck- und Temperaturbedingui.^en. Dies Itßt sich berücksichtigen, indem man eine Serie von Empfangssignalen unter verschiedenen ι ο Druck- und Temperaturbedingungen für die ungestörte, schadensfreie Anlage speichert. WährenJ der Überwachung werden dann aus dieser Serie diejenigen Signale zum Vergleich herangezogen, bei deren Aufnahme weitgehend ähnliche Druck- bzw.Temperaturbedingungen herrschen wie im akuten Fall.

Beispiel 2

Es werden üäcncinäridcr an den Fühiereicuicnten -" abgenommene Signale miteinander verglichen. Hiermit lassen sich vorteilhaft schnell eintretende Veränderungen von langsam eintretenden unterscheiden. Außerdem können auf diese Weise durch langsame Temperaturänderungen oder durch langsame Änderungen 2> mechanischer Spannungen im elastischen Bereich verursachte Änderungen des Empfangssignals gegen schnelle Änderungen und eintretende Schäden abgegrenzt werden.

Beispie! 3

Bei Auftreten einer Signalveränderung, die auf einen Schaden schließen läßt, kann der Schadensort durch programmiertes Umschalten, Zu- und Abschalten von Schwingern und Fühlerelementen oder durch Übergang zu einer anderen der genannten Maßnahmen I bis V eingegrenzt werden.

Beispiel 4

Die Tatsache und die Art der Veränderung kann zur Übersicht auf einer bildlichen oder schematischen Darstellung des betreffenden Anlagenteiles wiedergegeben werden.

Beispiel 5

Als Entscheidungshilfe für die entweder automatisch oder durch Personal zu veranlassenden Maßnahmen kann beispielsweise die Darstellung einer Ortskurve von Phasen- und Arnpütudcnbczichungen in Abhängigkeit von der Frequenz bzw. ein Ortskurvenvergleich vor und nach Eintreten der Veränderung dienen.

Beispiel 6

Als Entscheidungshilfe kann auch die Zeigerdarstellung der Phasen- und Amplitudenbeziehungen der verlaufenden Wellen zwischen verschiedenen Fühlerelementen und Schwingern vor und nach Eintreten der Veränderung dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Dauerüberwachung eines Teiles einer in Betrieb befindlichen Anlage, die mindestens ein an einer vorbestimmten Stelle der Anlage angeordnetes, mechanische Wellen aufnehmendes Fühlerelement sowie eine elektronische Einrichtung zur Auswertung eines andern Fühlerelement abgenommenen Signals, insbesondere durch Vergleich mit dem im störungsfreien Betriebszustand des Anlagenteils abgenommenen Signal, enthält, dadurch gekennzeichnet,