DE3125388A1

DE3125388A1 - "verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen ueberwachung von fluide medien enthaltenden anlagen"

Info

Publication number: DE3125388A1
Application number: DE19813125388
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dr. 6370 Oberursel Dolezalek; Rolft Hartmann; Mathias Dr. 6233 Kelkheim Selders
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1981-06-27
Filing date: 1981-06-27
Publication date: 1983-01-13
Also published as: EP0082172A1; WO1983000226A1

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen
Überwachung von fluide Medien enthaltenden Anlagen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und Vorrichtungen zur kontinuierlichen Überwachung von fluide Medien, insbesondere Flüssigkeiten, enthaltenden Anlagen, wie Rohrleitungen, Behälter und dergleichen, wobei Leckstellen festgestellt und geortet werden.
Zur Überwachung druckführender Rohrleitungen und Behälter in der Heizungs-, Klima-, Chemie- und Reaktoranlagen-Technik sind verschiedene Methoden bekannt. Bei der Hochdruckprüfung mit Flüssigkeit weisen austretende Tropfen oder Fleckenbildung auf einem Kalkanstrich auf Leckstellen hin. Zur Hochdruckprüfung mit Gas wird die Stelle, wo ein Leck vermutet wird, mit Seifenlauge benetzt und dann kontrolliert, ob sich Blasen bilden. Beide Verfahren sind zur laufenden Überwachung in Betrieb befindlicher Anlagen nicht geeignet und erfordern zudem einen hohen Personalaufwand. Nach einer anderen Methode werden die Anlagen unter Druck mit einem Medium gefüllt, das ein Testgas enthält. Eine Kontrollperson kann dann mit einem Testgas-Lecksucher die Leckstelle orten. Dieses Verfahren läßt sich auch während des Betriebs durchführen. Es erfordert aber, daß ständig eine bestimmte konstante Testgaskonzentration im Medium vorhanden ist. Z.B. in Reaktoranlagen ist dies jedoch nicht möglich oder zu umständlich. Ferner ist vorgeschlagen worden, parallel zu der Anlage einen gasgefüllten, permeablen Schlauch zu verlegen der periodisch abgesaugt wird. Das dampfförmig aus dem zu prüfenden Gefäß austretende Leckmedium diffundiert durch die Schlauchwand und bildet im Schlauch lokal einen Dampfpfropf, der während des Absaugens mit einem empfindlichen Detektor nachgewiesen wird.
Diese Methode läßt sich nur mit solchen Leckmedien durchführen, die einen geeignet hohen Dampfdruck besitzen und durch die Schlauchwand diffundieren können. Es ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem entlang einer wasserführenden Rohrleitung innerhalb der Isolierung ein stromdurchflossener blanker Draht verlegt wird. Am Ort eines Lecks bewirkt das austretende Wasser eine Durchfeuchtung der Isolierung und damit eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Rohr und Draht. Dieses Ereignis läßt sich durch die Überwachung des elektrischen Widerstands zwischen Rohr und Draht feststellen; die Leckortung erfolgt dann potentiometrisch. Treten jedoch zwei oder mehrere Lecks gleichzeitig auf, ist eine getrennte Detektion und eine Ortung nicht möglich. Außerdem ist eine auf Gleichstrompotentialmessung im Elektrolyt aufgebaute Ortung störanfällig und nicht genau. Auch ein anderes Verfahren, bei dem auf kritische Stellen wasserführender Anlagen ein feuchteempfindlicher Streifen aufgebracht wird, bietet keine Möglichkeit der Ortung entlang des Streifens. Die Streifen bestehen aus einem mit Ammoniumnitrat imprägnierten Papier, auf dem zwei Kupferstreifen isoliert voneinander aufgeklebt sind. Die austretende Feuchte führt zur Verringerung des elektrischen Widerstands zwischen den Streifen und ermöglicht damit die Leckdetektion wie im zuvor besprochenen Beispiel. Zur Überwachung verschiedener möglicher Leckstellen unabhängig voneinander muß an jeder solchen Stelle gesondert ein Detektorstreifen angebracht werden. Der wesentliche Nachteil dieses Verfahrens ist neben der fehlenden Ortung die Notwendigkeit eines hohen Schaltungsaufwands, um z.B. ca. 5000 Meßstellen überwachen zu können. Schließlich ist eine Methode bekannt, die auf dem Prinzip der Ultraschallemission basiert. Auftretende Lecks können dabei durch ihre charakteristischen Emissionsmuster erkannt, nach Größe klassifiziert und geortet werden. Dieses Verfahren ist jedoch nicht empfindlich genug, um auch kleinste Lecks, z.B. weniger als 100 kg austretende Flüssigkeit pro Stunde, nachweisen zu können.
Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Auftreten auch kleinster Leckagen an druckführenden Behältern, Ventilen, Rohrleitungen und dergleichen während des bestimmungsgemäßen Betriebs fortlaufend überwacht werden kann, wobei auch bei Auftreten mehrerer Leckagen eine gleichzeitige Ortung und Klassifizierung nach Größe möglich ist. Ferner sollte das Verfahren gestatten, austretende Leckmedien in flüssigem oder gasförmigem Aggregatzustand innerhalb kürzester Zeit zu erfassen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Leckageüberwachung von sehr großen Anlagen, z.B. der insgesamt ca.
10.000 m langen Rohrleitungen eines Kernkraftwerkes, mit einer einzigen zentralen Detektionsapparatur zu ermöglichen. Vorteilhafterweise sollte diese zentrale Apparatur außerhalb der Anlage installiert sein und keinerlei Massentransport in die Anlage hinein bzw. aus der Anlage heraus erfordern. Eine weitere durch die Erfindung zu lösende Aufgabe ist es, mit möglichst wenig Durchbrüchen der Containerwand auszukommen.
Es hat sich nun gezeigt, daß sich diese Aufgabe mit einem Verfahren lösen läßt, bei dem in einen in unmittelbarer Nähe der Anlage oder in direktem Kontakt mit der Anlage angeordneten, linear ausgedehnten Wellenleiter mit örtlich konstanten Fortleitungseigenschaften elektromagnetische einschließlich optische Impulse geschickt werden, wobei durch austretendes Leckmedium eine lokale Änderung der Fortleitungseigenschaften des Wellenleiters bewirkt wird und die an der Leckstelle erfolgte Reflexion der Impulse erfaßt, der Größe nach detektiert und über die Laufzeit geortet wird. In den Unteransprüchen 2 bis 4 werden vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens beschrieben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem linear ausgedehnten Wellenleiter mit örtlich konstanten Fortleitungseigenschaften, der in unmittelbarer Nähe der Anlage oder in direktem Kontakt mit der Anlage angeordnet ist, wobei an der Leckstelle eine lokale Änderung der Fortleitungseigenschaften des Wellenleiters erfolgt und der mit einem Impulsreflektometer bzw. dessen optoelektrischer Entsprechung verbunden ist. Einige bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 6 bis 13 erläutert.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß mehrere Lecks mit einer Ortungsgenauigkeit von ca. + 0,5 % detektiert werden können. Ferner ist eine Klassifizierung des Lecks nach der Größe möglich.
Ein Leitungsbruch oder Kurzschluß wird mit erfaßt. Die Meßzeit ist kurz und beträgt ca. 1 Sekunde. Die Meßleitung ist leicht verlegbar und die Nachrüstung ist einfach.
Die Erfindung wird anhand beiliegender Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in schematischer Vereinfachung Figur 1 den Meßaufbau und Figur 2 die Aufzeichnung für die Auswertung der Meßergebnisse.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus Wellenleitern 1, die über einen Multiplexer 2 mit einem Pulsreflektometer, z.B. bestehend aus einem Pulsgenerator 3 und einem Sampling-System 4, verbunden sind. Gemäß dieser Ausführungsform besteht der Wellenleiter aus einer Hochfrequenz-Bandleitung mit einem porösen Dielektrikum, welches hydrophile bzw. hygroskopische Eigenschaften besitzt. Durch das in die Poren des Dielektrikums eindringende Wasser steigt die Dielektrizitätszahl drastisch an und der Wellenwiderstand am Ort des Lecks verringert sich entsprechend. Ein in die Bandleitung eingespeister elektrischer Puls von ca. 10 8 Sekunden Dauer läuft entlang der Leitung und wird überall dort refleKtiert, wo leckbedingte Abweichungen des Wellenwiderstands vom Sollwert auftreten. Die Höhe und Breite eines reflektierten Impulses entspricht dem Grad und der örtlichen Ausdehnung der Durchfeuchtung des Bandleiters und ermöglicht zusammen mit der zettlichen Entwicklung der Störung die Leck-Klassifikation.
Durch den zeitlichen Bezug des Leckimpulses zum Prüfimpuls bzw. zu dessen Reflexion am Leitungsende kann das Leck metergenau geortet werden. Die Auswertung kann entweder am Oszillographenschirm oder anhand eines Registrierstreifens erfolgen.
Die Aufzeichnung hat dann etwa die in Figur 2 gezeigte Form.
In dieser Skizze ist der Reflexionskoeffizient p in Abhängigkeit von der Laufzeit in /us eingetragen. Da sowohl die Länge der Leitung bzw. die Laufzeit über die gesamte Leitung (Reflexion c)) bekannt ist, kann bei Auftreten eines Lecks bei a) oder b) eine Ortung vorgenommen werden.
Die Hochfrequenz-Bandleitung für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Detektionssystems besteht aus zwei Metallfolien mit dazwischenliegendem und seitlich etwasüberstehendem porösem Dielektrikum. Das Leckmedium kann somit in das Dielektrikum eintreten und die Änderung der Fortleitungseigenschaften des Bandleiters bewirken. Der Einsatz von Koaxialkabeln anstelle von Bandleitern erfolgt analog dem oben erläuterten Ausführungsbeispiel. Auch bei Verwendung von Lichtleitfasern für optische Impulse ändert sich am Meßaufbau nichts Prinzipielles.
Es ist lediglich für die Umwandlung des elektrischen Impulses in Licht eine Lumineszenz- bzw. Laserdiode vorzusehen. Für die Umwandlung des reflektierten Lichtpulses in einen elek -trischen Impuls kann man eine Photodiode oder einen Photomultiplier einsetzen.
Zur Erzielung einer Anreicherung des Leckmediums kann das Dielektrikum des Koaxialkabels bzw. Bandleiters Absorptionsmaterialien enthalten. Bei Wasser oder wasserhaltigen Leckmedien kann z.B. das Dielektrikum in Form eines textilen Gebildes vorliegen und hygroskopisch imprägniert sein.
Für die Genauigkeit der Messung ist es wesentlich, daß für eine vollständige Reflexion des Impulses am Wellenleiterende gesorgt ist. Bei Koaxialkabeln bzw. Bandleitern kann dies durch Offenlassen des Leitungsendes erfolgen. Bei Verwendung von Lichtleitfasern als Wellenleiter müßten diese am Ende der Leitung entsprechend verspiegelt werden.
Die Wellenleiter werden bei Rohrleitungen parallel zu der Rohrleitung und bei Behältern mäanderförmig die Behälteroberfläche bedeckend angeordnet. Sie können dabei in direktem Kontakt mit der Anlage stehen oder auch in geringem Abstand von der Anlage angebracht sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Fortleitungseigenschaften der verwendeten Wellenleiter nicht direkt durch das Leckmedium, sondern über eine geeignete Einrichtung geändert werden. In diesem Fall wird die Meßleitung an geeigneten Stellen in bestimmten Abständen, insbesondere an kritischen Stellen der zu überwachenden Anlage mit Einrichtungen versehen, die auf das Leckmedium reagieren. Für Lichtleitfasern, die druckempfindlich sind, kann eine solche Einrichtung z.B. aus Materialien bestehen, die bei Feuchtigkeitseintritt eine Volumenvergrößerung erfahren und somit einen Druck auf die Lichtleitfaser ausüben. Hierfür müßte jedoch die äußere Umhüllung der Lichtleitfaser entsprechend entfernt werden. Bei Verwendung von Hochfrequenz-Kabein bzw. Bandleitern können solche Einrichtungen aus feuchtigkeitsempfindlichen Schaltern bestehen.
Im folgenden Beispiel wird die Empfindlichkeit einer Bandleitung mit hydrophilem Dielektrikum zur Detektion von Dampflecks festgestellt. Eine solche Leitung mit 50 Ohm Wellenwiderstand besteht z.B. aus einem Sandwich aus 7 mm breiten Kupferfolien mit einem ca. 15 mm breiten und 1 mm dicken Streifen aus Polypropylenvlies als Dielektrikum. Das Vlies wird durch eine chemische Vorbehandlung benetzbar gemacht. Die Bandleitung wird mit einer selbstklebenden Beschichtung versehen und vorzugsweise auf die Innenseite der Isolierungsabdeckung einer zu überwachenden Dampfleitung aufgebracht. Dort ist sie geschützt vor eventuell auftretendem Spritz- oder Kondenswasser, das nicht aus einem zu detektierenden Leck stammt. Eine Alternativlösung insbesondere für die Nachrüstung ist auch die Verlegung an der Außenseite der Isolierung, wobei das Kondenswasser über regelmäßig angeordnete Bohrungen an die Bandleitung gelangt.
Handelsübliches Polypropylenvlies besitzt eine Dielektrizitätszahl E = 1,23 an Luft, bei Wassersättigung (ca. 72 % Volumenanteil) beträgt die Dielektrizitätskonstante ca.
= = 65. Dadurch verringert sich der Wellenwiderstand entsprechend der Proportionalität von auf Dies führt zu einer Reflexion des Prüfimpulses mit einem Reflexionsgrad von 9 50 - 6,9 . 100 % = 76 %.
50 + 6,9 Dies läßt sich leicht messen, denn kommerzielle Reflektometer erfassen bereits Reflexionen mit g = 0,5 t. Um eine deutliche Reflexion von z.B. 13 t hervorzurufen, genügt bereits ein Wassergehalt von 1 % im Vlies. Das sind 35 ul Wasser auf 0,5 m Bandleitung. Bei vollständiger Kondensation des Dampfes aus einem 1 kg/Stunde-Leck auf einer Isolierungslänge von 500 mm schlägt sich diese Wassermenge auf dem überstehenden Teil des Vliesstreifens in ca. 30 sec. nieder. Die zu erwartende Ansprechzeit bei einem 1 kg/Stunde-Leck ergibt sich durch Addition dieser Zeit und der Zeitspanne bis zur Kondensation (1 bis 2 Minuten) als 1,5 bis 2,5 Minuten. Falls grössere Leckagen vorliegen und/oder das Kondenswasser am Streifen zusammenläuft, sind die Ansprechzeiten noch kürzer. Dasselbe gilt für hygroskopisch imprägnierte Dielektrika, da diese bereits auf eine erhöhte Luftfeuchte reagieren und somit keine Kondensation vorliegen muß.
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Claims

Patentansprüche 1 Verfahren zur kontinuierlichen Überwachung von fluide Medien, insbesondere Flüssigkeiten, enthaltenden Anlagen, wie Rohrleitungen, Behälter und dergleichen, bei dem Leckstellen festgestellt und geortet werden, dadurch gekennzeichnet, daß in einen in unmittelbarer Nähe der Anlage oder in direktem Kontakt mit der Anlage angeordenten, linear ausgedehnten Wellenleiter mit örtlich konstanten Fortleitungseigenschaften elektromagnetische einschließlich optische Impulse geschickt werden, wobei durch das Leckmedium eine lokale Anderung der Fortleitungseigenschaften des Wellenleiters bewirkt wird und daß die an der Leckstelle erfolgte Reflexion der Impulse erfaßt, der Größe nach detektiert und über die Laufzeit geortet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fortleitung von HF-Impulsen HF-Koaxialkabel oder HF-Bandleiter verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Fortleitung optischer Impulse ein Lichtleitfaserbündel oder eine Einzellichtfaser verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für eine vollständige Reflexion des Impulses am Ende des Wellenleiters gesorgt wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem linear ausgedehnten Wellenleiter (1) mit örtlich konstanten Fortleitungseigenschaften besteht, der in unmittelbarer Nähe der Anlage oder in direktem Kontakt mit der Anlage angeordnet ist, wobei an der Leckstelle eine lokale Änderung der Fortleitungseigenschaften des Wellenleiters (1) erfolgt und daß der Wellenleiter (1) mit einem Impulsreflektometer (3,4) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) bei Rohrleitungen parallel zu der Rohrleitung und bei Behältern mäanderförmig die Behälteroberfläche bedeckend angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenleiter (1) ein Lichtleitfaserbündel oder eine Einzellichtleitfaser verwendet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellenleiter (1) ein HF-Koaxialkabel oder ein HF-Bandleiter verwendet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Umhüllung des Wellenleiters (1) durchlässig für das Leckmedium ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (1) mit einem Absorptionsmaterial in Verbindung steht, das eine Anreicherung des Leckmediums, vorzugsweise durch reversible Absorption, begünstigt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum des HF-Koaxialkabels oder HF-Bandleiters porös ist und gegebenenfalls das Absorptionsmaterial enthält.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter in bestimmten Abständen, vorzugsweise an kritischen Stellen der Anlage, mit Einrichtungen versehen ist, die bei Kontakt mit dem Leckmedium die Fortleitungseigenschaften des Wellenleiters ändern.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Lichtleitfaser verspiegelt und des HF-Koaxialkabels oder HF-Bandleiters offen bzw.

kurzgeschlossen ist.