EP3659346A1 - System zur zerstörungsfreien zustandsüberwachung von faserverstärkten bauwerken, wie faserverstärkte hohlkörper - Google Patents

System zur zerstörungsfreien zustandsüberwachung von faserverstärkten bauwerken, wie faserverstärkte hohlkörper

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Publication number
EP3659346A1
EP3659346A1 EP18737236.2A EP18737236A EP3659346A1 EP 3659346 A1 EP3659346 A1 EP 3659346A1 EP 18737236 A EP18737236 A EP 18737236A EP 3659346 A1 EP3659346 A1 EP 3659346A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
data
fiber
hollow body
radio unit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP18737236.2A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mathias MÜGGENBURG
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kurotec Kts Kunststofftechnik GmbH
Original Assignee
Kurotec Kts Kunststofftechnik GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Kurotec Kts Kunststofftechnik GmbH filed Critical Kurotec Kts Kunststofftechnik GmbH
Publication of EP3659346A1 publication Critical patent/EP3659346A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H04Q2209/80—Arrangements in the sub-station, i.e. sensing device
    • H04Q2209/82—Arrangements in the sub-station, i.e. sensing device where the sensing device takes the initiative of sending data

Definitions

  • Nondestructive condition monitoring system for fiber reinforced structures such as fiber reinforced hollow bodies
  • the present invention relates to a system for nondestructive testing of a sample using a combination of sensors and radio units that allow continuous monitoring to provide data obtained by nondestructive testing.
  • the present invention also provides a method for non-destructive testing of a sample using a combination of sensors and radio units that provide continuous monitoring to provide data obtained by nondestructive testing.
  • Fiber-reinforced hollow bodies such as pipes or reactors
  • the materials to be transported therein or the reactions to be carried out therein are such that continuous structure monitoring is necessary to ensure that no leaks, etc. occur in which toxic or otherwise hazardous substances or mixtures escape.
  • Manual monitoring processes are labor-intensive, time-consuming and costly, since the systems to be monitored often have to be shut down and partially emptied or measuring devices have to be installed (expensive conventional monitoring methods are, for example, external visual monitoring, monitoring by external light irradiation, endoscopic camera inspection, X-ray monitoring). Only then can the test be carried out, which often can not be non-destructive, since samples may have to be removed from a system and then analyzed.
  • Non-destructive techniques have been developed in the area of structural monitoring (hereinafter also structural health monitoring / SHM), for example in the field of aircraft construction. Non-destructive testing makes it possible to detect different types and sizes of aircraft Defects and above that the determination of the material properties.
  • Conventional nondestructive testing techniques for samples, such as fiber reinforced plastics include ultrasonic and thermographic testing. For example, in ultrasonic pulse non-destructive testing, a pulse passes through the sample and is reflected off the opposite surface of the sample. Defects within the sample reflect, absorb or dissipate the pulse such that a pulse echo from the opposite sample surface of the sample is reduced.
  • Such monitoring also known as Structural Health Monitoring (SHM)
  • SHM Structural Health Monitoring
  • Such fiber composite materials are materials which consist of reinforcing fibers which are embedded in a plastic matrix.
  • the problem with such structures are the damage reaction and damage monitoring.
  • SHM methods are known in which measurement signals are detected with separately used elements. Such a signal detection takes place both at dormant structures as well as structures in use.
  • the inventive system for non-destructive condition monitoring therefore comprises the components defined in claim 1.
  • Preferred embodiments are specified in the dependent claims. The skilled person will be informed on the basis of the following description. It should be understood that the present invention is not limited to the specific combinations of features described, but will be apparent to those skilled in the art further combinations and embodiments, which are included and protected here.
  • the system according to the invention comprises at least one building, such as a hollow body (pipe, pipe, reactor) or the like, which is made of a fiber-reinforced plastic material. This is the part to be monitored.
  • This hollow body is further equipped with a sensor which is positively connected to the monitored structure made of fiber composite plastic.
  • This sensor may for example be a PWAS sensor (piezoelectric wafer active sensor).
  • This sensor is suitable for acquiring structural integrity data and is based on PWAS guided waves in the multilayer composite. It is advantageous that unilateral accessibility for structural monitoring is completely sufficient.
  • Such sensors are according to the invention positively connected to the component to be monitored, and this can already be done in the construction of the component. However, a retrofit of already installed components is possible. In this case, a lamination and encapsulation with epoxy materials has proven to be suitable.
  • the sensor can then detect quantitative data, such as a measured increase in attenuation and drop in phase velocity, by using appropriate pulses (eg, Lamb waves).
  • pulses eg, Lamb waves
  • Such effects correlate with the conventional indicators of global fatigue damage, inter-fiber cracking density and resulting stiffness degradation.
  • Such structural disturbances as a result of static and dynamic (over) loading lead to microcracks that absorb, for example, a pressurized or heated medium (such as, for example, aggressive media stored, reacted or transported in such structures and hollow bodies.) This leads to degradation phenomena.
  • the data evaluation then takes place, for example, on the basis of the method of acoustic emission analysis (SEA), which is based on the detection of elastic waves which are emitted by failure events such as inter-fiber breakage, fiber breakage or delamination in the fiber composite component.
  • SEA acoustic emission analysis
  • a significant advantage of the system according to the invention is to be seen in the immediate detection of damage events, which locally have a spontaneous release of deformation energy result.
  • the challenge to deduce the type and severity of the damage from the amplitude and frequency of the acoustic signals could be successfully overcome according to the invention by the use of acoustic (preferably piezoelectric) sensors.
  • a sensor form that is preferably used for this purpose is that the actuator and sensor work in one element.
  • the data acquisition in such an actuator / sensor unit takes place in the context of the resonance. Due to the anisotropy of the fiber composite material is therefore preferably not evaluated with a constant frequency but the system preferably always calibrates to the frequency at which the highest amplitude is present. This is ensured by the bidirectionality of the actuator / sensor unit. This allows extremely accurate measurement data acquisition.
  • this sensor is connected to a controller and / or radio unit likewise provided on the structure to be monitored. These components are used for data transfer to a central data acquisition and data evaluation system.
  • a trigger threshold can already be taken into account so that, for example, when a certain level is exceeded, automated messages, optionally via an intermediate data processing and storage unit, are transmitted to terminals (tablet / smartphone, etc.).
  • the unit of sensor and radio unit is preferably designed so that a long-term use is possible. For this purpose, this unit can be equipped with a battery for a sufficiently long power supply. This way, several years of operation can be secured.
  • the central data acquisition system can be a cloud-based system or even an application server, so that a strong spatial separation is possible and, for example, optimal computer capacities can be exploited.
  • gateway devices may be interposed so as to transmit the data of a plurality of sensors completely to the data acquisition and data evaluation unit.
  • the system according to the invention may comprise a large number of such sensors, so that it is possible to monitor a larger system.
  • large (extensive) systems to be monitored where it may not be possible to ensure that the data can be safely transmitted from the individual sensors to a central unit (because the distance is too long for a secure wireless transmission), individual areas can
  • the system can be equipped with individual receivers (gateway installations) so that even large-scale plants can be safely monitored.
  • LoRaWAN load-to-live
  • AES high level of security
  • Such monitoring systems thus comprise a plurality of sensors, each equipped with a wireless unit for wireless data transmission and positively connected to the structures / hollow bodies to be monitored. Furthermore, such a system, depending on the size of the system at least one gateway installation for receiving the data (and forwarding this to a central data acquisition and data processing unit).
  • the data of the multiple sensor units can be processed centrally. Since the sensors continuously acquire the data and transmit it in a suitable manner continuously, so the central data acquisition and data processing unit can continuously process the received data to filter out from the raw data necessary for the structure monitoring information.
  • the data processing programs to be used in this context are familiar to the person skilled in the art.
  • the advantage of the SHM method according to the invention and thus of the system according to the invention over conventional methods is that they can in principle always provide clues about the functionality of a component and / or continuously track the generation of defects in real time, so that an alarm is sent via suitable control of the evaluation - tion function can be ensured.
  • Depending on the method of data evaluation can also be describe the load condition continuously (in the following also CMS, "condition monitoring system). Due to the continuous structure monitoring, such a system during operation of a plant so in time to point to emerging vulnerabilities, so that maintenance and repairs can be carried out targeted. Since the monitoring takes place continuously during operation, undesired style service lives can be avoided.
  • This system can also be designed in such a way that, for example, warnings are automatically transmitted to the person responsible for a particular part of the installation in the case of weak points or problem areas that are emerging, so that then the necessary further steps can be initiated without delay.
  • the system can also automatically suggest the steps to be initiated in embodiments and, for example, make material orders, etc.
  • the system can then continuously communicate status reports based on the received data so that necessary maintenance or repair work is scheduled in time and in accordance with, for example, normal shutdowns (for cleaning operations or when switching to others Reactions / materials) can be performed.
  • necessary maintenance or repair work is scheduled in time and in accordance with, for example, normal shutdowns (for cleaning operations or when switching to others Reactions / materials) can be performed.
  • the time required for such maintenance and repairs since they can be planned better reduced.
  • the continuous monitoring of the system continuously records and evaluates the maintenance-relevant structural data so that it is often possible to predict in advance how long to carry out maintenance and repair work. This also simplifies the workflow in such systems.
  • the use of the system according to the invention can avoid complicated wiring, which is both labor-intensive and expensive.
  • the radio modules used ensure reliable data transmission over radio links of several kilometers.
  • the system according to the invention is suitable for monitoring critical points of a system / component, although a complete system can also be monitored. All that is required is for a sufficient number of sensors to be mounted on the system. With the above-disclosed as preferred PWAS sensors (SHM with Lamb waves), it is sufficient in a system to distribute the sensors so that the distance between the individual sensors in the range of 1 to 5 meters, preferably 1 to 3 meters. This ensures a complete continuous structure monitoring (SHM and CMS).
  • the data evaluation takes place on the basis of the transmitted raw data in a central data processing unit using analytical software for data processing.
  • the system can be configured such that the determined state information is automatically transmitted to the intended recipient (maintenance personnel, but also data storage / data storage), for example by wireless transmission to end user devices (smartphone / tablet / laptop, etc.). ).
  • this provides a condition monitoring system that continuously, non-destructively generates state data over a long period of time, automatically and wirelessly transmits it and a data acquisition and evaluation unit, and then provides the state information and possibly action suggestions (maintenance intervals, concrete maintenance or repair work).
  • the data obtained in this context for example, automated alerts in case of loss (or impending loss, the particular threshhold can be customized) of structural integrity, by email, SMS and other typical electronic forms of communication.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur zerstörungsfreien Strukturüberwachung eines Bauwerks und/oder Hohlkör pers aus einem faserverstärkten Kunststoff (Faserverbundkunststoff), umfassend mindes tens eine Kombination aus einem Sensor, der formschlüssig mit dem zu überwachenden Bauwerk und/oder Hohlkörper aus Faserverbundkunststoff verbunden ist, sowie einem mit dem Sensor verbundene Funkeinheät zur Übertragung der durch den Sensor gewonnenen Daten.

Description

System zur zerstörungsfreien Zustandsüberwachung von faserverstärkten Bauwerken, wie faserverstärkte Hohlkörper
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur zerstörungsfreien Prüfung einer Probe unter Einsatz einer Kombination an Sensoren und Funkeinheiten, die eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen, unter Bereitstellung von Daten, die durch zerstörungsfreie Prüfung erhalten werden. Korrespondierend dazu stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Probe unter Einsatz einer Kombination an Sensoren und Funkeinheiten, die eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen, unter Bereitstellung von Daten, die durch zerstörungsfreie Prüfung erhalten werden, zur Verfügung.
Stand der Technik
Faserverstärkte Hohlkörper, wie Rohre oder Reaktoren werden weit verbreitet in der chemischen Industrie eingesetzt. Häufig sind die darin zu transportierenden Materialien bzw. die darin durchzuführenden Reaktionen dergestalt, das eine kontinuierliche Strukturüberwachung notwendig ist, um das sicherzustellen, dass keine Leckagen etc. auftreten, bei denen giftige oder auf andere Art und Wese gefährliche Stoffe oder Mischungen austreten. Manuelle Überwachungsprozesse sind dabei personal-, zeit- und kostenaufwändig, da für eine ausreichend genaue Prüfung häufig die zu überwachenden Anlagen abgeschaltet und teilweise entleert werden müssen oder Messgeräte installiert werden müssen (aufwändige konventionelle Überwachungsmethoden sind beispielweise externe visuelle Überwachung, Überwachung durch Lichteinstrahlung von außen, endoskopische Kamerainspektion, Überwachung mit Röntgenstrahlen). Erst dann kann die Prüfung erfolgen, die häufig auch nicht zerstörungsfrei verlaufen kann, da zur Überprüfung ggf. Probenstücke aus einer Anlage entfernt und dann analysiert werden. Durch derartige Überwachungs- und Prüfungsverläufe ist es darüber hinaus schwierig im laufenden Betrieb sicher abzuschätzen, wann ein Bauteil einer Anlage ausgetauscht werden muss, da die notwendige Strukturintegrität nicht länger gewährleistet ist. Diese Unsicherheit führt zu hohen Kosten, da einerseits Teile früher ausgetauscht werden als notwendig (um die Anlagensicherheit zu gewährleisten) und andererseits die manuellen Prüfungen in kürzeren Intervallen erfolgen.
Im Bereich der Strukturüberwachung (im folgenden auch structural health monitoring / SHM) sind inzwischen zerstörungsfreie Techniken entwickelt worden, beispielsweise im Bereich Flugzeugbau Die zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht das Erkennen verschiedener Arten und Größen von Defekten und darüber das Bestimmen der Matenaleigenschaften. Herkömmliche Techniken der zerstörungsfreien Prüfung von Proben, wie etwa faserverstärkte Kunststoffe, umfassen Ultraschall- und Thermografieprüfungen. Bei der im Impuls-Echo-Modus durchgeführten zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall durchläuft beispielsweise ein Impuls die Probe und wird von der gegenüberliegenden Oberfläche der Probe reflektiert. Defekte innerhalb der Probe reflektieren, absorbieren oder zerstreuen den Impuls derart, dass ein Impuls-Echo von der gegenüberliegenden Probenoberfläche der Probe verringert wird. Wichtig ist eine derartige Überwachung, auch Structural Health Monitoring (SHM) genannt, im Bereich der faserverstärkten Kohlenstoffstrukturen. Derartige Faserverbundku nststoff e sind Werkstoffe, die aus Verstärkungsfasern bestehen, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Problematisch bei derartigen Strukturen sind die Schadensreaktion und die Schadensüberwachung. Es sind in diesem Zusammenhang SHM- Methoden bekannt, bei denen mit gesondert eingesetzten Elementen Messsignale erfasst werden. Eine derartige Signalerfassung erfolgt sowohl an ruhenden Strukturen als auch sich im Einsatz befindlichen Strukturen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgrund der Relevanz von derartigen Strukturüberwachungen beispielsweise bei Rohren und Reaktoren aus Faserverbundkunststoffen die in der chemischen Industrie weitverbreitet eingesetzt werden, werden verbesserte Systeme zum SHM nachgefragt. Häufig werden in derartigen Rohren und Reaktoren stark korrodierende und/oder giftige Zusammensetzungen transportiert und umgesetzt, so dass eine genaue Überwachung der Strukturintegrität wichtig ist, um Schadensfälle zu vermeiden. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Heterogenität des Faserverbundwerkstoffes (z.B. hergestellt mit Resin Transfer Moulding aus Multi-Axial- Gelege bzw. trockener Wickelung und/oder nasser teilautomatisierter Handwickelung) dar.
Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System und Verfahren zur Strukturüberwachung anzugeben, welches zerstörungsfrei die Strukturintegrität in derartigen Anlagen bzw. an derartigen Bauteilen überwacht und die dabei ermittelten Daten an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit übermittelt, so dass eine automatische und kontinuierliche Erfassung und Auswertung möglich wird.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße System zur zerstörungsfreien Zustandsüberwachung umfasst daher die in Anspruch 1 definierten Komponenten. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Fachmann wird auf der Grundlage der nachfolgenden Beschrei- bung, die zusätzlichen bevorzugte Ausführungsformen enthält, nachvollziehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die konkret beschriebenen Merkmalskombinationen festgelegt ist sondern sich für den Fachmann weitere Kombinationen und Ausgestaltungen ergeben, die hier mit umfasst und geschützt sind.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße System umfasst mindestens ein Bauwerk, wie einen Hohlkörper (Rohr, Leitung, Reaktor) oder Ähnliches, der aus einem faserverstärkten Kunststoff-Werkstoff hergestellt ist. Dies ist das Bauteil, das überwacht werden soll. Dieser Hohlkörper ist weiterhin mit einem Sensor ausgerüstet, der formschlüssig mit der zu überwachenden Struktur aus Faserverbundkunststoff verbunden ist.
Dieser Sensor kann beispielsweise ein PWAS Sensor (piezoelectric wafer active sensor) sein. Dieser Sensor ist zur Erfassung von Strukturintegritätsdaten geeignet und basiert auf PWAS geführten Wellen im Mehrschichtverbund. Vorteilhaft ist dabei, dass einseitige Zugänglichkeit für eine Strukturüberwachung völlig hinreichend ist. Derartigen Sensoren werden erfindungsgemäß formschlüssig mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden, wobei dies bereits bei der Konstruktion des Bauteils erfolgen kann. Allerdings ist auch eine Nachrüstung bereits installierter Bauteile möglich. Als geeignet hat sich hierbei eine Auflaminierung und Verkapselung mit Epoxid-Materia- lien erwiesen.
Der Sensor kann dann durch Einsatz geeigneter Impulse (beispielsweise Lamb-Wellen) quantitative Daten erfassen, wie ein gemessener Anstieg der Dämpfung sowie Abfall der Phasengeschwindigkeit. Derartige Effekte korrelieren mit den konventionellen Indikatoren für globale Ermüdungsschädigung, Zwischenfaserrissdichte und resultierende Steifigkeitsdegradation. Derartige Strukturstörungen infolge statischer und dynamischer (Über)Belastung führen zu Mikrorissen, die beispielsweise ein unter Druck stehendes bzw. erwärmtes Medium aufnehmen (wie beispielsweise aggressive Medien, die in derartigen Bauwerken und Hohlkörpern gelagert, reagiert oder transportiert werden. Dadurch kommt es zu Degradationserscheinungen, die in letzter Konsequenz zur Zerstörung führen (Platzen, Leckage etc.). Es hat sich gezeigt, dass die Streuung an Grenzflächen mit der Zunahme der Rissdichte ansteigt, was zu einem Dämpfungsanstieg der Welle führt. Der Zusammenhang zwischen Steifigkeitsdegradation und Abnahme der Phasengeschwindigkeit wird durch die Berechnung von Dispersionskurven mit der Globalmatrixmethode analysiert, wobei die Steifigkeitsdegradation einzelner Lagen mit einem bereits vorhandenen Modell aus den beobachteten Rissdichten ermittelt wird. Abrasterung mit geführten Lamb Wellen erlaubt so die Charakterisierung lokaler Defekte. Das Verfahren eignet sich, um den Effekt dieser Defekte auf die Ermüdungsmechanismen während der zyklischen Belastung im laufenden Betrieb zerstörungsfrei zu verfolgen. Darüber können Daten generiert werden, die zur Bewertung der Degeneration, der statischen Belastung und der dynamischen Belastung herangezogen werden können (in Ausführungsformen kann diese Bewertung quasi in Echtzeit erfolgen).
Die Datenauswertung erfolgt dann beispielsweise auf Grundlage des Verfahrens der Schallemissionsanalyse (SEA), das auf der Detektion elastischer Wellen basiert, die durch Versagensereignisse wie Zwischenfaserbruch, Faserbruch oder Delamination in das Faserverbundbauteil ausgesendet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist in der unmittelbaren Erfassung von Schädigungsereignissen zu sehen, die lokal eine spontane Freisetzung von Verformungsenergie zur Folge haben. Die Herausforderung, aus Amplitude und Frequenz der akustischen Signale auf die Art und Schwere der Schädigung zurückzuschließen, konnte erfindungsgemäß durch den Einsatz akustischer (bevorzugt piezoelektrischer) Sensoren, erfolgreich überwunden werden. Eine Sensorform die hierzu bevorzugt zum Einsatz kommt ist, das Aktor und Sensor in einem Element arbeiten.
Die Datenerfassung in einer solchen Aktor/Sensor Einheit erfolgt im Rahmen der Resonanz. Aufgrund der Anisotropie des Faserverbundmaterials wird also bevorzugt nicht mit einer konstanten Frequenz evaluiert sondern das System kalibriert sich bevorzugt immer auf die Frequenz, bei der die höchste Amplitude vorliegt. Dies ist durch die Bidirektionalität der Aktor/Sensor Einheit gewährleistet. So kann eine außerordentlich genaue Messdatenerfassung erfolgen.
Gleichzeitig ist dieser Sensor mit einer ebenfalls auf der zu überwachenden Struktur vorgesehenen Controller und/oder Funkeinheit verbunden. Diese Komponenten dienen der Datenübertragung auf ein zentrales Datenerfassungs- und Datenauswertungssystem. Gleichzeitig kann dabei bereits eine Triggerschwelle berücksichtigt werden, so dass beispielsweise beim Überschreiten eines bestimmten Levels automatisierte Meldungen, optional über eine zwischengeschaltete Da- tenverarbeitungs- und -Speichereinheit, an Endgeräte (Tablet/Smartphone etc.) übermittelt werden. Die Einheit aus Sensor und Funkeinheit ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Langzeitgebrauch möglich ist. Dazu kann diese Einheit mit einer Batterie zur ausreichend langen Energieversorgung ausgestattet sein. So können mehrjährige Einsatzzeiten gesichert werden. Das zentrale Datenerfassungssystem kann ein Cloud basiertes System oder auch ein Application Server sein, so dass eine starke räumliche Trennung möglich ist und beispielsweise so optimal Rechnerkapazitäten ausgenutzt werden können. Gegebenenfalls können sogenannte Gateway- Einrichtungen zwischengeschaltet sein, um so die Daten einer Vielzahl an Sensoren komplett an die Datenerfassungs- und Datenauswertungseinheit zu übermitteln. Das erfindungsgemäße System kann natürlich eine Vielzahl an derartigen Sensoren umfassen, so dass die Überwachung einer größeren Anlage möglich wird. Bei großen (weitläufigen) zu überwachenden Anlagen, bei denen ggf. nicht sichergestellt werden kann, dass die Daten von den einzelnen Sensoren sicher auf eine zentrale Einheit übertragen werden können (da die Entfernung für eine sichere drahtlose Übertragung zu weit ist), können einzelne Bereiche der Anlage mit individuellen Empfängern (Gateway-Installationen) ausgerüstet werden so dass auch weitläufige Anlagen sicher überwacht werden können. Es entstehen so aneinandergrenzende oder sich überlappende Bereiche in denen die individuellen Sensoren mit den jeweiligen Gateway-Installationen kommunizieren können, so dass alle gewonnen Daten sicher übermittelt werden können. Derartige Systeme werden erfindungsgemäß LoRaWAN Systeme genannt, also„long ränge wide area network' -Systeme. Damit können beispielsweise LoRaWAN Funkdaten in ein 3G/4G Netz umgesetzt werden. Dies ermöglicht die Weiterleitung derartiger (sensibler) Daten mit einem hohen Sicherheitsstandart (wie AES 128).
Derartige Überwachungssysteme umfassen also eine Vielzahl an Sensoren, die jeweils mit einer Funkeinheit zur drahtlosen Datenübertragung ausgestattet und formschlüssig mit den zu überwachenden Bauwerken/Hohlkörpern verbunden sind. Weiterhin umfasst ein derartiges System, abhängig von der Größe der Anlage mindestens eine Gateway-Installation zum Empfang der Daten (und Weiterleitung dieser an eine zentrale Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinheit). Die Daten der mehreren Sensoreinheiten können so zentral verarbeitet werden. Da die Sensoren kontinuierlich die Daten erfassen und in geeigneter Weise kontinuierlich übermitteln, kann so die zentrale Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinheit kontinuierlich die empfangenen Daten verarbeiten, um aus den Rohdaten die für die Strukturüberwachung notwendigen Informationen her- auszufiltern. Die in diesem Zusammenhang einzusetzenden Datenverarbeitungsprogramme sind dem Fachmann geläufig.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen SHM Methode und damit des erfindungsgemäßen Systems gegenüber klassischen Verfahren ist, dass sie prinzipiell jederzeit Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit einer Komponente liefern können und/oder die Entstehung von Fehlstellen in Echtzeit kontinuierlich verfolgen, so dass über eine geeignete Steuerung der Auswertung eine Alarmie- rungsfunktion sichergestellt werden kann. Je nach Verfahren der Datenauswertung lässt sich auch der Belastungszustand kontinuierlich beschreiben (im folgenden auch CMS,„condition monitoring System ). Aufgrund der kontinuierlichen Strukturüberwachung kann ein derartiges System im laufenden Betrieb einer Anlage also rechtzeitig auf entstehende Schwachstellen hinweisen, so dass Wartungsarbeiten und Reparaturen gezielter durchgeführt werden können. Da die Überwachung kontinuierlich im laufenden Betrieb erfolgt können so unerwünschte Stilstandzeiten vermieden werden. Dieses System kann auch derartig ausgestaltet sein, dass beispielsweise Warnhinweise bei sich abzeichnenden Schwach- oder Problemstellen automatisch an das für einen bestimmten Anlagenteil verantwortliche Personal übermittelt werden, so dass dann die notwendigen weiteren Schritte ohne Verzögerung eingeleitet werden können. Das System kann dabei auch in Ausgestaltungen automatisch die einzuleitenden Schritte vorschlagen und beispielsweise Materialbestellungen etc. vornehmen.
Auf diese Art und Weise kann ohne Abschalten der zu überwachenden Anlage kontinuierlich eine Überwachung stattfinden, ohne dass dafür Personal erforderlich ist, da die Sensoren und Funkeinheiten die Datengenerierung, Datenübermittlung und Datenerfassung und Auswertung selbstständig durchführen. In Übereinstimmung mit anwendungsspezifisch ausgewählten Voreinstellungen kann dann das System auf der Grundlage der empfangenen Daten kontinuierlich Zustands- berichte übermitteln, so dass notwendige Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten rechtzeitig geplant und in Übereinstimmung beispielsweise mit üblichen Abschaltungen (für Reinigungsvorgänge o- der bei der Umstellung auf andere Reaktionen/Materialien) durchgeführt werden können. Somit verringert sich insbesondere auch der Zeitaufwand für derartige Wartungen und Reparaturen, da diese besser geplant werden können. Durch die kontinuierliche Überwachung der Anlage werden darüber hinaus die wartungsrelevanten Strukturdaten kontinuierlich erfasst und ausgewertet, so dass häufig bereits weit im Voraus absehbar ist, wann spätestens Wartungs- und Reparaturarbeiten durchzuführen sind. Auch dies vereinfacht den Arbeitsablauf in derartigen Anlagen.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems, dass eine kontaktlose Datenübertragung umfasst, können darüber hinaus aufwendige Verkabelungen vermieden werden, die sowohl arbeitsintensiv als auch kostenaufwendig sind. Durch den Einsatz bekannter Sensortechniken können auch weitläufige Anlagen kontinuierlich überwacht werden, da die zum Einsatz kommenden Funkmodule eine sichere Datenübermittlung auch über Funkstrecken von mehreren Kilometern sicher ermöglichen.
Es hat sich gezeigt, dass sich mit einem vorstehend beschriebenen System Bauteile und auch ganze Anlagen aus faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffen sicher überwachen lassen. Dabei können sowohl einlagige als auch mehrlagige Faserverbundkunststoffe zum Einsatz kommen (also überwacht werden). Die Art des Kunststoffes sowie die Art der Verstärkungsfaser sind dabei nicht kritisch. Als besonders geeignet hat sich das erfindungsgemäße System bei mit Glasfaser verstärkten Kunststoffbauteilen erwiesen. Dabei können Bauwerke/Hohlkörper mit unterschiedlichen Wandstärken und Durchmessern problemlos überwacht werden, beispielsweise Rohre, wie sie typischer Weise in der Chlorchemie zum Einsatz kommen, mit Wandstärken von einigen Millimetern und Durchmessern von einigen Zoll.
Das erfindungsgemäße System eignet sich zur Überwachung von kritischen Stellen einer Anlage/eines Bauteils, allerdings kann auch eine komplette Anlage überwacht werden. Hierfür ist lediglich erforderlich, dass eine ausreichende Anzahl an Sensoren auf der Anlage angebracht wird. Mit den vorstehend als bevorzugt offenbarten PWAS Sensoren (SHM mit Lamb Wellen) ist es ausreichend bei einer Anlage die Sensoren so zu verteilen, dass der Abstand zwischen den einzelnen Sensoren im Bereich von 1 bis 5 Metern, bevorzugt 1 bis 3 Metern liegt. Darüber lässt sich eine vollständige kontinuierliche Strukturüberwachung (SHM und CMS) sicherstellen.
Im Hinblick auf die Einstellung der Sensoren hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn nach Installation eine Kalibrierung erfolgt. Diese Kalibrierung zielt darauf ab, die Meßfrequenz zu finden, bei der das erhaltene Signal am stärksten ist, also die Amplitude maxi- miert wird. Dies ist in typischer Weise gegeben, wenn die Meßfrequenz dem Resonanzfall korrespondiert. Dadurch können ausreichend starke und gut interpretierbare Signale erhalten werden, so dass die Strukturüberwachung mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit betrieben werden kann.
Wie bereits ausgeführt erfolgt die Datenauswertung auf der Grundlage der übermittelten Rohdaten in einer zentralen Datenverarbeitungseinheit unter Einsatz einer analytischen Software zur Datenverarbeitung. Aufgrund der kontinuierlichen und automatischen Datenerfassung und Datenauswertung kann das System derart ausgestaltet werden, dass die ermittelten Zustandsinformationen automatisch an die intendierten Empfänger (Wartungspersonal, aber auch Datenablage/Datenspeicherung) übermittelt werden, beispielsweise durch drahtlose Übermittlung auf Endnutzergeräte (Smartphone/Tablet/Laptop etc.). Letztendlich wird dadurch ein System zur Zustand- süberwachung bereitgestellt, das kontinuierlich, über einen langen Zeitraum und zerstörungsfrei Zustandsdaten generiert, diese automatisch und drahtlos und eine Datenerfassungs- und -aus- wertungseinheit übermittelt, und anschließend die Zustandsinformationen und ggf. auch Handlungsvorschläge (Wartungsintervalle, konkrete Wartungs- oder Reparaturarbeiten) übermittelt. Dadurch entsteht ein kommunizierendes System, in dem ein zu überwachendes Bauteil durch die Sensor- und Funkeinheit selbstständig und kontinuierlich Zustandsdaten übermittelt. Die in diesem Rahmen gewonnen Daten können beispielsweise automatisierte Alarmierungen bei Verlust (oder drohendem Verlust, der jeweilige threshhold kann individuell angepasst werden) der strukturellen Integrität übermitteln, per Email, SMS und weitere typische elektronische Nachrichtenformen.
Die vorstehenden Ausführungen, die auf die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems abstellen sind für den Fachmann ohne weiteres auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar. Dieses umfasst insbesondere die Anbringung der vorstehend beschriebenen Sensor- bzw. Funkeinheit, vorzugsweise durch Laminierung oder Verkapselung, beispielsweise mit Epoxyd. Die Übertragung von Signalen vom Sensor und auch die Übermittlung beispielsweise an mobile Endgeräte werden erfindungsgemäß durch im Prinzip bekannte Protokolle sichergestellt. Hier kann, je nach Einsatzsituation das System und auch das Verfahren einfach an die spezifischen Umstände angepasst werden. Dies ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, da im Prinzip ein Baukastensystem zur Verfügung gestellt wird, das einfach adaptierbar ist, dabei gleichzeitig aber eine einfache und zuverlässige Zustandsüberwachung ermöglicht.

Claims

Ansprüche
1. System zur zerstörungsfreien Strukturüberwachung eines Bauwerks und/oder Hohlkörpers aus einem faserverstärkten Kunststoff (Faserverbundkunststoff), umfassend mindestens eine Kombination aus einem Sensor, der formschlüssig mit dem zu überwachenden Bauwerk und/oder Hohlkörper aus Faserverbundkunststoff verbunden ist, sowie einem mit dem Sensor verbundene Funkeinheit zur Übertragung der durch den Sensor gewonnenen Daten.
2. Verfahren zur zerstörungsfreien Strukturüberwachung eines Bauwerks und/oder Hohlkörpers aus einem faserverstärkten Kunststoff (Faserverbundkunststoff), umfassend die Übertragung von durch einen Sensor, der formschlüssig mit dem zu überwachenden Bauwerk und/oder Hohlkörper aus Faserverbundkunststoff verbunden ist, gewonnenen Daten durch eine mit dem Sensor verbundene Funkeinheit.
3. System nach Anspruch 1 oder Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Sensor ein PWAS Sensor ist.
4. System oder Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Funkeinheit eine Nahbereichsfunkeinheit gemäß ETSI EN 300 328 V1.7.1 ist.
5. System oder Verfahren nach einem der vorgehenden Ansprüche, wobei der Hohlkörper ein Reaktor oder Rohr aus einem Glasfaser verstärktem Kunststoff ist.
6. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der PWAS Sensor als Sensor und Aktor fungiert und die Datenerzeugung durch Lamb Wellen Impulse erfolgt.
7. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl and Kombinationen aus Sensor und Funkeinheit umfasst.
8. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, wobei mehrere Bauwerke und/oder Hohlkörper simultan überwacht werden.
9. System oder Verfahren nach Anspruch 8, wobei die mehreren Bauwerke und/oder Hohlkörper Teil einer Anlage, beispielsweise in der chemischen Industrie sind.
10. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend weiterhin mindestens eine Gateway-Installation, an die zunächst die Daten einer definierten Gruppe an Sensoren übermittelt werden.
1 1 . System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend weiterhin eine Datenerfassungseinheit, geeignet zum Empfang und zur Verarbeitung der von dem mindestens einen Sensor generierten Daten (mit oder ohne Zwischenschaltung einer Gateway-Installation).
12. System oder Verfahren nach Anspruch 1 1 , wobei die Datenerfassungseinheit derart ausgestaltet ist, dass die aus der Datenverarbeitung abgeleiteten Strukturinformationen automatisch an mobile Endgeräte übermittelt werden
13. System oder Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei mehrere Gateway- Installationen vorgesehen sind, so dass sich aneinandergrenzende oder überlappende Überwachungsbereiche ergeben.
14. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kombination aus Sensor und Funkeinheit so ausgestaltet ist, dass sie über einen Zeitraum von mindestens 60 Monaten ohne externe Energiezufuhr aktiv sein kann.
15. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Sensor, vorzugsweise der PWAS Sensor durch Laminierung mit dem Hohlkörper formschlüssig verbunden ist.
16. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Datenauswertung zum SHM und/oder zum CMS geeignet ist.
17. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend Einrichtungen zur Web basierten ortsunabhängigen Visualisierung der Datenauswertung.
18. System oder Verfahren nach einem der vorstehenden Schutzansprüche, zur Verwendung im Zusammenhang einer online arbeitenden prädikativen Maintenance.
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