WO2010028619A1 - Als roboter ausgebildete vorrichtung zur autonomen, mannlosen ermittlung von leckagen unter stofffreisetzung ins umfeld aus druckführenden systemen, insbesondere rohrleitungssystemen, sowie verfahren zum betrieb eines solchen roboters - Google Patents

Als roboter ausgebildete vorrichtung zur autonomen, mannlosen ermittlung von leckagen unter stofffreisetzung ins umfeld aus druckführenden systemen, insbesondere rohrleitungssystemen, sowie verfahren zum betrieb eines solchen roboters Download PDF

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WO2010028619A1
WO2010028619A1 PCT/DE2009/001191 DE2009001191W WO2010028619A1 WO 2010028619 A1 WO2010028619 A1 WO 2010028619A1 DE 2009001191 W DE2009001191 W DE 2009001191W WO 2010028619 A1 WO2010028619 A1 WO 2010028619A1
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WO
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robot
leak
summative
gas concentration
maximum
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PCT/DE2009/001191
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Andreas Kroll
Werner Baetz
Daniel Peretzki
Gero Bonow
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Universität Kassel
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/002—Investigating fluid-tightness of structures by using thermal means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/20—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using special tracer materials, e.g. dye, fluorescent material, radioactive material
    • G01M3/22—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using special tracer materials, e.g. dye, fluorescent material, radioactive material for pipes, cables or tubes; for pipe joints or seals; for valves; for welds; for containers, e.g. radiators

Definitions

  • the present invention relates to a device designed as a robot for the autonomous, unmanned detection of leaks under material release to the environment from pressurized systems, in particular piping systems, and methods for operating such a robot.
  • pressurized systems will be understood as meaning, for example, a chemical plant which may include a large number of pressure vessels, pipelines, pipe power bridges and process towers. Such systems are usually monitored in a so-called control room. Larger leaks are detected, for example, by flowmeters, by checking the material balance or by the use of pressure gauges by checking pressure drop. However, it has been found that, in particular for the purpose of environmental protection, smaller leaks should be detected. Such smaller leaks occur especially in the area of sealing surfaces, in particular between moving parts, such. B. Fittings, pumps, compressors or floating roof tanks, where, for example, wear seals there.
  • the manual monitoring of such systems is known.
  • the manual detection of the temperature profile for example, a pipeline by means of infrared thermography, known.
  • thermography thermography
  • the use of humans to perform such manual detection and localization of leaks has a high potential for error.
  • the reason for this is to be mentioned in particular that the human fatigues easily, which means that the measurements are not always performed with the same standard.
  • large installations require that such leakage be carried out continuously. This in turn means that a large number of people have to be constantly on the move to actually detect and localize such leaks in less time.
  • the use of humans is not always opportune insofar as harmful substances can escape.
  • JP 2003294573 A describes a non-mobile measuring system for leakage detection.
  • a designed as a robot device for autonomous, unmanned detection of leaks under material release to the environment of pressurized systems, especially piping systems, according to the invention is characterized in that such a device motorized motion platform (robot) with a sensor for locating and navigation of the chassis in the area the system to be inspected, for example a plant, the device comprising at least one optical remote measuring device for detecting and locating a leak, wherein the telemetry device is movable in all three spatial axes and wherein the optical telemetry device with the chassis of the robot for the purpose of data exchange is in communication, wherein the evaluation of data from the telemetry device and the communication between the telemetry device and the robot's motion platform is automated.
  • a device motorized motion platform robot with a sensor for locating and navigation of the chassis in the area the system to be inspected, for example a plant
  • the device comprising at least one optical remote measuring device for detecting and locating a leak
  • the telemetry device is movable in all three spatial axes
  • the optical telemetry device can be a passive IR thermography device and / or a spectroscopic measuring device, which is provided in each case with a computer unit and optionally a memory. Since the measurement with infrared thermography is an imaging process, a much larger area can be detected; insofar as the localization of a leak is also much faster to accomplish than in the already described in-situ sensor technology. In a telemetry device, a scanning measurement is also relatively easy and fast too realize, so that relatively large areas can be scanned within a shorter time.
  • the motor-driven movement platform in the form of a chassis and hereinafter also referred to as a robot with the above-described sensors includes in particular a separate power supply, although it should be noted that a foreign power supply is possible, for. B. when such a system is arranged on rails.
  • the sensor system further includes a G PS system and at least one camera to locate or navigate itself. Also conceivable is a sensor with markers, z. In the form of RFIDs, also in conjunction with self-locating cards.
  • the optical telemetry device is in communication with the robot. This means that the telemetry device transmits signals to the chassis for location change, depending on how the remote sensing device, the detection and localization is performed, which will be discussed later.
  • the invention now provides several methods for operating a device of the type described above.
  • the IR thermography device has a computer unit and a memory, wherein at least one reference characterizing a leak in a pressurized system is provided. temperature profile is generated, which is stored in the memory, wherein the pressure-leading system is scanned successively over a predetermined section by the thermography device and wherein when a temperature profile is determined during the scanning, which correlates with the reference temperature profile, the leak detected and finally localized is.
  • the robot may be necessary for the robot to approach the leak or change its direction relative to the suspected leak to verify the location of the leak.
  • the robot receives corresponding signals from the telemetry device.
  • the generation of the reference temperature profile can be done, for example, by teaching test data of leaks on the basis of the principle of artificial neural networks, or according to another variant reference temperature profiles can be designed in the manner of a three-dimensional, in particular Gaussian form.
  • a Gaussian shape forms in round leaks; at z.
  • the shape of the profile will be designed differently, but always have certain characteristics that characterize a reference temperature profile.
  • Also conceivable are combinations of the previously described types for generating a reference temperature profile. In this case, further data and values from the current measurement for accurate localization of the leak can be included in the evaluation, if z. B. is determined that the average temperature in the leak range is lower than the rest of the image.
  • thermographic measuring device provision is made in this connection for the computer or data processing unit of the thermographic measuring device to have a high-pass filter and / or low-pass filter, wherein a higher-frequency noise can be filtered out by means of a low-pass filter or if an existing "trend" is reduced when using a high-pass filter becomes.
  • a "trend" in the measured data is understood that, for example, in a pipeline over the length of the pipe, a temperature change - for whatever reason - takes place. Such a temperature change is also referred to as a trend, the purpose of a high-pass filter being to filter out such a trend in order to be able to more clearly recognize a leak.
  • a further method for operating a device of the type initially mentioned consists, as a variant, in that the optical telemetry device is equipped as an active spectroscopic device with a computer or data processing unit, wherein the spectroscopic measuring device first measures the summative gas concentration along one of the spectroscopic device emitted light beam is detected, wherein this measurement is repeated by the computer unit in a predetermined grid in different directions, wherein the computer unit determines the measurement representing the maximum value of the summative gas concentration.
  • the telemetry device In order to direct the light beam onto the gas cloud from different directions within a given grid, it is necessary, as has already been explained, that the telemetry device is designed to be movable in all three spatial axes. It is essential that for the autonomous determination of leaks, the control of the driving movement or the change of the location of the respective measurement is given to the robot by the computer unit of the telemetry device. That is, the system is in the position by the connection between robot as a self-propelled chassis, which is able to navigate itself and localize itself in a particular environment, in connection with the type of evaluation of measured values of the telemetry device to be able to independently detect corresponding leaks and locate.
  • the maximum summative gas concentration has been determined, namely at a certain distance to the presumed location of the exit of the gas, it is further provided for the exact localization that the previously described raster-type measurement and the measurement of the summative Gas concentration is repeated in certain changing spatial distances to the pressurized system until in fact the location of the maximum gas concentration and thus the leak has been located. This happens because the robot approaches the assumed leak successively locally.
  • the size of the grid is centered around the location of the maximum gas concentration and is adapted in size to the extent of the leaked gas cloud. This is done by changing the extent or size of the grid until it envelops or covers the cloud.
  • the optical remote measuring device is designed as a spectroscopic device with a computer unit, wherein the location of the maximum gas concentration is determined by at least one triangulation.
  • a light beam (laser) is previously raster-shaped multiple times on the gas cloud in order to determine the maximum value by several measurements of summative gas concentrations thereof. The determination of such a maximum value takes place from different directions, with the location of the maximum gas concentration then being localized by triangulation.
  • a triangulation is understood to mean the principle of viewing a point from two different spatial axes in order to compute the location by means of the intersections of the resulting lines of observation Accurate localization of triangulation.
  • Such triangulation is at least simple, but often multiple, until the leak is localized. This is especially true when the gas cloud has not been determined directly at the place of their formation, but the place of origin of the gas cloud, hence the leak, can be found elsewhere, for. B. hidden behind a building corner. In that sense, several triangulation steps may be required until the leak has actually been detected. From this it is clear that the robot by the telemetry device, ie the spectroscopic device by information of the respective maximum summative gas concentration makes a change of location to vorzus after a successful change of location by further measurements with subsequent triangulation to the location of the leak. This means that such an iterative process takes place until the point at which the highest gas concentration, hence the leak, is located by the measurements.
  • the robot comprises both a thermographic measuring device and a spectroscopic measuring device and the determination of leaks is carried out by cooperation or combination of both remote measuring devices. It has been found in particular that a relatively rapid approach of the robot to the location of the maximum gas concentration is ensured by an upstream triangulation method with spectroscopic measurement. At a certain point in time, the thermography device is then able to detect the leak and also to localize it in chronological order.
  • FIG. 1 shows a spectroscopic measuring device which is based on a
  • FIG. 2 shows a representation according to FIG. 1 with a thermographic measuring device
  • Figure 3 shows the approximation method to a leak by performing the measurement of several summative
  • FIG. 4 shows an approximation method for a leak by carrying out the measurement of several summative gas concentrations, determining the maximum value and the approximation of the robot to the leak, taking into account the maximum summative gas concentration determined at each measuring location of the robot;
  • Figure 5 shows the principle of screening in a spectroscopic
  • FIG. 6 shows by way of example a reference temperature profile in the manner of a Gaussian bell;
  • FIGS. 6a-6c show flowcharts in the thermography measurement (FIG.
  • FIG. 7 shows the principle of screening according to FIG. 5 with reference to a flow chart
  • Figure 8 shows the principle of triangulation (Figure 3) with reference to a flow chart
  • FIG. 9 shows the principle of the stepwise approximation (maximum method) (FIG. 4) on the basis of a flowchart.
  • the robot is designated overall by 1.
  • the robot 1 has a chassis with wheels 2, wherein on the chassis, the spectroscopic measuring device 3 is arranged, which is pivotable and tiltable in all three spatial axes corresponding to the arrows X and Y.
  • the spectroscopic measuring device is connected to a computer unit 4, which performs both the evaluation of the measurements and the communication with the robot 1. That is, the robot receives signals for the change of location by the computer unit.
  • the spectroscopic device 3 directs a light beam, in particular a laser 10, on the pipe to be tested 11. From the
  • Pipe 11 flows through the opening 11 b, a gas which is to form the designated 12 gas cloud.
  • the light beam 10 is reflected by the tube 11, and is received by the detector of the spectroscopic measuring device 3.
  • the summative gas concentration is then determined in a known manner by measuring the intensity of the received light beam.
  • the same objects are provided with the same reference numerals.
  • the designated there with 3a thermographic measuring device is also directed to the pipe 11, in which case the gas cloud 12 is of less interest, but rather the
  • thermographic measuring device detects this location of the lower temperature in relation to the environment and can thus locate the leak.
  • thermographic determination of a leak the following applies:
  • FIG. 6 shows a temperature profile which has a Gaussian shape as the reference temperature profile. This reference temperature profile is stored in the memory unit of the computer unit. Will now by the Therm ⁇ graphische measuring device 3a a
  • the flowchart according to FIG. 6a shows that, after determining a raw image, that is to say an actual recording of a leak, a segmentation of the image first takes place. After the elimination of digitization errors and the passing of high and low pass filters, a preprocessed image is obtained, which is supplied to the pattern recognition according to FIG. 6b.
  • an image detail around the target image point of the preprocessed image is compared with that of a reference image.
  • one or more others will be used for verification in parallel Values or data from the actual measurement used, eg. For example, the average temperature around the target pixel.
  • the reference profile can be learned by an artificial neural network and this neural network can be compared to image sections as described above (FIG. 6c).
  • FIG. 5 shows a grid, wherein a gas cloud 12 is to be located schematically within this grid 20.
  • a laser beam is directed by the spectroscopic measuring device to several, in particular all, points in the grid, wherein the respectively determined summative gas concentration in a matrix, as shown schematically in FIG. 5, is deposited by the computer unit.
  • a maximum value of the summative gas concentration is determined at any time at a certain angle of the spectroscopic measuring device, in the present case, this point is characterized by d a .
  • d a the sequence of screening results.
  • FIG. Fig. 7 is a flow chart graphically showing the process of measurement in conjunction with the triangulation.
  • Fig. 3 shows the process of localization by triangulation in the practical example. For the sake of clarity, only the points are shown in which a triangulation has taken place on the way of the robot to the location of the leak. Visible here is based on the different lines, how many points the robot has approached in order to perform triangulation operations there, in order finally to reach the location of the leak. The same results mutatis mutandis from Figure 4 (maximum method).
  • the leak is not detected or localized by means of triangulation, but solely by determining the point of the respective maximum summative gas concentration from certain locations which differ in their spatial positioning relative to the leak If, after determining this point, the robot moves closer to the leak in the direction of the maximum summative gas concentration, the measuring procedure is repeated, and thus quasi iteratively approaches the leak. It can be seen that in three runs, the robot essentially approaches congruent points in order to detect the leak. For this purpose, reference is made to the flowchart of FIG. 9.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist eine als Roboter ausgebildete Vorrichtung zur autonomen, mannlosen Ermittlung von Leckagen unter Stofffreisetzung ins Umfeld aus druckführenden Systemen, insbesondere Rohrleitungssystemen, die Vorrichtung umfassend eine motorbetriebene Bewegungsplattform, z. B. ein Fahrgestell, mit einer Sensorik zur Lokalisierung und Navigation des Fahrgestells im Bereich des druckführenden Systems, die Vorrichtung ferner umfassend mindestens eine optische Fernmesseinrichtung zur Detektion und Lokalisation eines Lecks, wobei die Fernmesseinrichtung in allen drei Raumachsen beweglich ist und wobei die optische Fernmesseinrichtung mit dem Fahrgestells des Roboters in Kommunikation steht, wobei die Auswertung der Daten aus der Fernmesseinrichtung und die Kommunikation zwischen Fernmesseinrichtung und Bewegungsplattform des Roboters automatisiert erfolgt.

Description

ALS ROBOTER AUSGEBILDETE VORRICHTUNG ZUR AUTONOMEN, MANNLOSEN ERMITTLUNG VON LECKAGEN
UNTER STOFFFREISETZUNG INS UMFELD AUS
DRUCKFÜHRENDEN SYSTEMEN, INSBESONDERE
ROHRLEITUNGSSYSTEMEN, SOWIE VERFAHREN ZUM
BETRIEB EINES SOLCHEN ROBOTERS
Die vorliegende Erfindung betrifft eine als Roboter ausgebildete Vorrichtung zur autonomen, mannlosen Ermittlung von Leckagen unter Stofffreisetzung ins Umfeld aus druckführenden Systemen, insbesondere Rohrleitungssystemen, sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Roboters.
Unter druckführenden Systemen wird im Folgenden beispielweise eine Chemieanlage verstanden, die unter Umständen eine Vielzahl von Druckbehältern, Rohrleitungen, Rohrleistungsbrücken und Prozesstürmen umfasst. Derartige Anlagen werden üblicherweise in einem sogenannten Leitstand überwacht. Größere Leckagen werden beispielsweise durch Durchflussmessgeräte, durch Überprüfung der Stoffbilanz oder durch den Einsatz von Druckmessgeräten durch Überprüfung von Druckabfall durchaus erfasst. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass insbesondere zum Zwecke des Umweltschutzes auch kleinere Leckagen detektiert werden sollen. Solche kleineren Leckagen treten insbesondere im Bereich von Dichtflächen, insbesondere zwischen beweglichen Teilen, wie z. B. Armaturen, Pumpen, Kompressoren oder Schwimmdachtanks auf, wenn dort beispielsweise Dichtungen verschleißen.
Bekannt ist nun die manuelle Überwachung derartiger Anlagen. Hierbei ist insbesondere die manuelle Detektion des Temperaturprofils, beispielsweise einer Rohrleitung mittels Infrarotthermographie, bekannt. Hierbei macht man sich die Erkenntnis zunutze, dass die Umgebung eines unter Druck austretenden Gases abkühlt. Das heißt, mittels Thermographie können solche Leckagen durchaus ermittelt werden. Der Einsatz von Menschen, um eine solche manuelle Detektion und Lokalisation von Leckagen durchzuführen, ist allerdings mit einem großen Fehlerpotential behaftet. Als Grund hierfür ist insbesondere zu nennen, dass der Mensch leicht ermüdet, was bedeutet, dass die Messungen nicht immer mit gleichem Standard durchgeführt werden. Darüber hinaus ist bei großen Anlagen erforderlich, dass eine solche Suche nach Leckagen kontinuierlich durchgeführt wird. Das wiederum bedeutet, dass eine Vielzahl von Menschen ständig in der Anlage unterwegs sein muss, um tatsächlich innerhalb kürzerer Zeit solche Leckagen detektieren und lokalisieren zu können. Insbesondere im Bereich von Chemieanlagen ist der Einsatz von Menschen auch insofern nicht immer opportun, als gesundheitsgefährdende Stoffe austreten können.
Zusammenfassend ergibt sich somit, dass der Einsatz von Menschen nicht nur im Hinblick auf die Genauigkeit der Ermittlung von Leckagen problematisch ist, sondern bei entsprechendem Einsatz auch relativ teuer ist. Bei Austritt gesundheitsgefährdender Gase ist ebenfalls der Einsatz von Menschen problematisch.
Es bestände darüber hinaus auch zu Zwecken der Überprüfung die Möglichkeit der Festinstallation von entsprechender Sensorik, was aber tatsächlich aus Kostengründen kaum realisierbar wäre. Bekannt sind darüber hinaus ferngesteuerte Roboter, die vom Bedienpersonal zu dem Ort einer vermuteten Leckage geführt werden, um dort vor Ort zu verifizieren, ob ein Leck tatsächlich vorhanden ist und welche Gaskonzentration vorliegt. Bekannt sind insofern spektroskopische Einrichtungen, mit Hilfe derer solche Untersuchungen durchgeführt werden können.
Aus der WO 97/20167 ist in diesem Zusammenhang ebenfalls der Einsatz eines Hubschraubers, Flugzeugs oder erdgebundenen Fahrzeugs als Mittel zur Leckageüberwachung bei Rohrleitungssystemen bekannt. Ein solches Fahrzeug ist mit einem GPS versehen, um den Ort des Lecks zu lokalisieren.
Die DE 199 32 354 B4 beschreibt ein fluggebundenes System, z. B. einen Hubschrauber, zur Überprüfung der Dichtigkeit von Rohrleitungen.
Die JP 2003294573 A beschreibt ein nicht-mobiles Messsystem zur Leckageermittlung.
Bekannt sind ebenfalls mobile Roboter, die mittels Insitu-Sensorik Gas an Ort und Stelle erschnüffeln, um durch Ermittlung der Gaskonzentration unmittelbar im Bereich der Sensorik Lecks zu lokalisieren. Hieraus wird deutlich, dass die Roboter in die Gaswolke hineinfahren müssen, um die Gaskonzentrationen zu messen. Hierbei besteht insbesondere das Problem, dass die Gaswolke durchaus turbulent sein kann, was bedeutet, dass der von der Sensorik ermittelte lokale Messwert Schwankungen unterliegt, die die Lokalisierung des Lecks durchaus erschweren.
Wie bereits ausgeführt, besteht ein Bedürfnis an einer kontinuierlichen Überprüfung einer solchen Anlage auf Leckagen, und zwar insbesondere hinsichtlich der Detektion und auch Lokalisierung solcher Leckagen aus der Entfernung.
Eine als Roboter ausgebildete Vorrichtung zur autonomen, mannlosen Ermittlung von Leckagen unter Stofffreisetzung ins Umfeld aus druckführenden Systemen, insbesondere Rohrleitungssystemen, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine solche Vorrichtung eine motorbetriebene Bewegungsplattform (Roboter) mit einer Sensorik zur Lokalisierung und Navigation des Fahrgestells im Bereich des zu inspizierenden druckführenden Systems, beispielsweise einer Anlage, umfasst, wobei die Vorrichtung mindestens eine optische Fernmesseinrichtung zur Detektion und Lokalisierung eines Lecks umfasst, wobei die Fernmesseinrichtung in alle drei Raumachsen beweglich ist und wobei die optische Fernmesseinrichtung mit dem Fahrgestell des Roboters zum Zwecke des Datenaustausches in Kommunikation steht, wobei die Auswertung von Daten aus der Fernmesseinrichtung und die Kommunikation zwischen Fernmesseinrichtung und Bewegungsplattform des Roboters automatisiert erfolgt. Unter einem Datenaustausch wird hierbei schlussendlich die Übermittlung von Signalen verstanden, die den Roboter oder die Bewegungsplattform gegebenenfalls zu einer Änderung des Messortes veranlassen. Der Begriff der Fernmesseinrichtung bedingt, dass aus der Ferne in eine Gaswolke hinein gemessen wird. Die optische Fernmesseinrichtung kann hierbei eine passive IR-Thermographie- einrichtung und/oder eine spektroskopische Messeinrichtung sein, die jeweils mit einer Rechnereinheit und gegebenenfalls einem Speicher versehen ist. Da es sich bei der Messung mit Infrarotthermographie um ein bildgebendes Verfahren handelt, kann eine wesentlich größere Fläche erfasst werden; insofern ist die Lokalisierung eines Lecks auch wesentlich schneller zu bewerkstelligen als bei der bereits zuvor beschriebenen Insitu- Sensorik. Bei einer spektroskopischen Fernmesseinrichtung ist eine scannende Messung ebenfalls verhältnismäßig einfach und schnell zu realisieren, so dass relativ große Bereiche innerhalb kürzerer Zeit abgescannt werden können.
Die motorbetriebene Bewegungsplattform in Form eines Fahrgestells und im Folgenden auch als Roboter bezeichnet mit der oben beschriebenen Sensorik umfasst insbesondere eine eigene Energieversorgung, wobei allerdings darauf hingewiesen wird, dass auch eine Fremdenergieversorgung möglich ist, z. B. dann, wenn ein solches System auf Schienen angeordnet ist. Die Sensorik umfasst des Weiteren ein G PS-System sowie mindestens eine Kamera, um sich selbst zu lokalisieren bzw. zu navigieren. Denkbar ist ebenfalls eine Sensorik mit Markern, z. B. in Form von RFIDs, auch in Verbindung mit Karten zur Selbstlokalisierung.
Vorgesehen ist des Weiteren, dass die optische Fernmesseinrichtung mit dem Roboter in Kommunikation steht. Das bedeutet, dass die Fernmesseinrichtung Signale an das Fahrgestell zur Ortsänderung übermittelt, und zwar in Abhängigkeit davon, wie durch die Fernmesseinrichtung die Detektion und Lokalisierung vorgenommen wird, worauf später noch eingegangen werden wird.
Gegenstand der Erfindung sind nunmehr mehrere Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art.
Hierbei ist nach einer ersten Variante vorgesehen, dass bei einer optischen Fernmesseinrichtung auf Basis einer passiven IR-Thermographie- einrichtung zur Detektion und Lokalisation des Lecks Temperaturdifferenzen auf der Oberfläche des druckführenden Systems ermittelt werden, die aufgrund des Ausströmens des Gases hervorgerufen werden. Hierbei ist im Einzelnen vorgesehen, dass die IR-Thermographieeinrichtung eine Rechnereinheit und einen Speicher aufweist, wobei mindestens ein in einem druckführenden System ein Leck kennzeichnendes Referenz- temperaturprofil erzeugt wird, das in dem Speicher abgelegt ist, wobei das druckführende System über einen vorbestimmten Abschnitt durch die Thermographieeinrichtung sukzessive abgescannt wird und wobei dann, wenn während des Scannvorgangs ein Temperaturprofil ermittelt wird, das mit dem Referenztemperaturprofil korreliert, das Leck detektiert und schlussendlich lokalisiert ist. Hierbei kann es notwendig sein, dass der Roboter sich dem Leck nähert oder auch seine Richtung relativ zu dem vermuteten Leck ändert, um den Ort des Lecks zu verifizieren. Insofern erhält der Roboter von der Fernmesseinrichtung entsprechende Signale.
Die Erzeugung des Referenztemperaturprofils kann beispielsweise durch Anlernen von Testdaten von Lecks anhand des Prinzips der künstlichen Neuronalen Netze erfolgen, oder aber nach einer anderen Variante können Referenztemperaturprofile nach Art einer dreidimensionalen, insbesondere gaußschen Form ausgebildet sein. Eine gaußsche Form bildet sich bei runden Lecks aus; bei z. B. Rissen wird die Form des Profils anders ausgebildet sein, aber immer gewisse Charakteristiken aufweisen, die ein Referenztemperaturprofil charakterisieren. Denkbar sind ebenfalls Kombinationen der zuvor beschriebenen Arten zur Erzeugung eines Referenztemperaturprofils. Hierbei können weitere Daten und Werte aus der aktuellen Messung zur genauen Lokalisierung des Lecks in die Auswertung mit einfließen, wenn z. B. ermittelt wird, dass die Durchschnittstemperatur im Leckbereich niedriger liegt als im gesamten übrigen Bildausschnitt.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Rechner- oder Datenverarbeitungseinheit der Thermographiemesseinrichtung einen Hoch- und/oder Tiefpassfilter aufweist, wobei mittels eines Tiefpassfilters ein höherfrequentes Rauschen ausgefiltert werden kann oder bei Einsatz eines Hochpassfilters ein vorhandener "Trend" reduziert wird. Unter einem "Trend" in den Messdaten wird verstanden, dass beispielsweise bei einer Rohrleitung über die Länge der Rohrleitung eine Temperaturänderung - aus welchen Gründen auch immer - stattfindet. Eine solche Temperaturänderung wird auch als Trend bezeichnet, wobei der Sinn eines Hochpassfilters das Herausfiltern eines solchen Trends ist, um ein Leck deutlicher erkennen zu können.
Ein weiteres Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung der eingangs genannten Art besteht als Variante darin, dass die optische Fernmesseinrichtung als aktive spektroskopische Einrichtung mit einer Rechner- oder Datenverarbeitungseinheit ausgerüstet ist, wobei durch die spektroskopische Messeinrichtung zunächst eine Messung der summativen Gaskonzentration entlang eines von der spektroskopischen Einrichtung emittierten Lichtstrahls ermittelt wird, wobei diese Messung durch die Rechnereinheit in einem vorgegebenen Raster in verschiedene Richtungen wiederholt wird, wobei durch die Rechnereinheit die Messung ermittelt wird, die den Maximalwert der summativen Gaskonzentration darstellt. Hieraus wird deutlich, dass durch die spektroskopische Einrichtung ein Lichtstrahl, insbesondere ein Laserstrahl, in einem vorgegebenen Raster auf den Ort der Gaskonzentration, also auf eine Gaswolke, gerichtet wird. Um aus verschiedenen Richtungen innerhalb eines vorgegebenen Rasters den Lichtstrahl auf die Gaswolke zu richten, ist erforderlich, wie dies bereits erläutert worden ist, dass die Fernmesseinrichtung in allen drei Raumachsen beweglich ausgebildet ist. Wesentlich ist nun, dass zur autonomen Ermittlung von Leckagen die Steuerung der Fahrbewegung bzw. die Veränderung des Ortes der jeweiligen Messung dem Roboter durch die Rechnereinheit der Fernmesseinrichtung vorgegeben wird. Das heißt, das System ist durch die Verbindung zwischen Roboter als selbstfahrendem Fahrgestell, das sich in einer bestimmten Umgebung selbst zu navigieren und lokalisieren vermag, in Verbindung mit der Art der Auswertung von Messwerten der Fernmesseinrichtung in der Lage, selbstständig entsprechende Leckagen zu detektieren und zu lokalisieren. Ist nun nach einer solchen Rasterung in einer Richtung die maximale summative Gaskonzentration ermittelt worden, und zwar bei einem bestimmten Abstand zum vermuteten Ort des Austritts des Gases, dann ist zur genauen Lokalisation des Weiteren vorgesehen, dass die zuvor beschriebene rasterartige Messung und die Messung der summativen Gaskonzentration in bestimmten sich ändernden räumlichen Abständen zu dem druckführenden System wiederholt wird, bis tatsächlich der Ort der maximalen Gaskonzentration und mithin das Leck lokalisiert worden ist. Dies geschieht dadurch, dass der Roboter sich dem vermuteten Leck sukzessiv örtlich nähert.
Hierbei ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Größe des Rasters um den Ort der maximalen Gaskonzentration zentriert wird und in seiner Größe an die Ausdehnung der ausgetretenen Gaswolke angepasst wird. Dies geschieht dadurch, dass die Ausdehnung oder Größe des Rasters so verändert wird, bis es die Wolke einhüllt oder umfasst.
Eine weitere Variante zum Betrieb einer Vorrichtung der eingangs genannten Art besteht darin, dass wiederum die optische Fernmesseinrichtung als spektroskopische Einrichtung mit einer Rechnereinheit ausgebildet ist, wobei der Ort der maximalen Gaskonzentration durch mindestens eine Triangulation ermittelt wird. Auch hierbei wird vorher ein Lichtstrahl (Laser) rasterartig mehrfach auf die Gaswolke zugerichtet, um durch mehrere Messungen von summativen Gaskonzentrationen hieraus den Maximalwert zu ermitteln. Die Ermittlung eines solchen Maximalwertes erfolgt aus verschiedenen Richtungen, wobei dann durch Triangulation der Ort der maximalen Gaskonzentration lokalisiert wird. Unter einer Triangulation versteht man das Prinzip des Betrachtens eines Punktes aus zwei verschiedenen Raumachsen, um anhand der Schnittpunkte der sich hierbei ergebenden Betrachtungslinien den Ort rechnerisch mittels Triangulation genau lokalisieren zu können. Eine solche Triangulation erfolgt mindestens einfach, häufig jedoch mehrfach, bis das Leck lokalisiert ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Gaswolke nicht unmittelbar am Ort ihrer Entstehung ermittelt worden ist, sondern der Ort der Entstehung der Gaswolke, mithin das Leck, woanders zu finden ist, z. B. verdeckt hinter einer Gebäudeecke. Insofern sind unter Umständen mehrere Triangulationsschritte erforderlich, bis das Leck tatsächlich ermittelt worden ist. Hieraus wird deutlich, dass der Roboter durch die Fernmesseinrichtung, also die spektroskopische Einrichtung, durch Information der jeweils maximalen summativen Gaskonzentration einen Standortwechsel vornimmt, um nach einem erfolgten Standortwechsel durch weitere Messungen mit nachfolgender Triangulation sich an den Ort des Lecks vorzuarbeiten. Das heißt, ein solcher iterativer Prozess erfolgt so lange, bis durch die Messungen der Punkt der höchsten Gaskonzentration, mithin das Leck, lokalisiert ist.
In diesem Zusammenhang ist insbesondere auch eine Variante denkbar, bei der der Roboter sowohl eine Thermographiemesseinrichtung als auch eine spektroskopische Messeinrichtung umfasst und die Ermittlung von Leckagen durch Zusammenarbeit oder Kombination beider Fernmesseinrichtungen erfolgt. Hierbei hat sich insbesondere herausgestellt, dass durch ein vorgeschaltetes Triangulationsverfahren mit spektroskopischer Messung eine relativ zügige Annäherung des Roboters an den Ort der maximalen Gaskonzentration gewährleistet ist. Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist dann in zeitlicher Folge die Thermographieeinrichtung in der Lage, das Leck zu detektieren und hierbei auch zu lokalisieren.
Vorteilhaft ist ebenfalls, wenn mit einer spektroskopischen Fernmesseinrichtung das Prinzip der Triangulation kombiniert wird mit dem Prinzip der sukzessiven Annäherung durch Ermittlung der maximalen summativen Gaskonzentration aus einer Vielzahl von Messungen der summativen Gaskonzentrationen. Auch durch eine solche Kombination kann ganz ähnlich wie durch eine Kombination von spektroskopischer Messeinrichtung mit Infrarotmesseinrichtung die Geschwindigkeit zur Lokalisierung des Lecks erhöht werden. Hieraus folgt ebenfalls unmittelbar, dass auch beide spektroskopischen Messverfahren mittels Triangulation und/oder sukzessiver Annäherung an das Leck durch Ermittlung der maximalen summativen Gaskonzentrationen aus einer Vielzahl von Messungen mit der Thermographiemessung kombiniert werden können, um -wie bereits ausgeführt - eine schnelle und sichere Detektion und Lokalisation des Lecks erreichen zu können.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft nähert erläutert.
Figur 1 zeigt eine spektroskopische Messeinrichtung, die auf eine
Rohrleitung gerichtet ist. Figur 2 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 1 mit einer thermographischen Messeinrichtung; Figur 3 zeigt das Näherungsverfahren an ein Leck mittels Durchführung der Messung mehrerer summativer
Gaskonzentrationen, der Ermittlung des Maximalwerts einer solchen summativen Gaskonzentration, die mindestens einmalige Wiederholung dieses Schrittes und die Durchführung eines Triangulationsverfahrens; Figur 4 zeigt ein Näherungsverfahren an ein Leck mittels Durchführung der Messung mehrerer summativer Gaskonzentrationen, der Ermittlung des Maximalwertes und der Näherung des Roboters an das Leck unter Berücksichtigung der an jedem Messort des Roboters ermittelten maximalen summativen Gaskonzentration; Figur 5 zeigt das Prinzip der Rasterung bei einer spektroskopischen
Messeinrichtung. Figur 6 zeigt beispielhaft ein Referenztemperaturprofil nach Art einer gaußschen Glocke; Figur 6a -6c zeigen Ablaufdiagramme bei der Thermografiemessung (Fig.
6);
Figur 7 zeigt das Prinzip der Rasterung gemäß Fig. 5 anhand eines Ablaufdiagramms;
Figur 8 zeigt das Prinzip der Triangulation (Fig. 3) anhand eines Ablaufdiagramms;
Figur 9 zeit das Prinzip der schrittweisen Annäherung (Maximum- Methode) (Fig. 4) anhand eines Ablaufdiagramms.
Bei der Darstellung gemäß Figur 1 ist der Roboter insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Roboter 1 besitzt ein Fahrgestell mit Rädern 2, wobei auf dem Fahrgestell die spektroskopische Messeinrichtung 3 angeordnet ist, die in alle drei Raumachsen entsprechend der Pfeile X und Y verschwenk- und neigbar ist. Die spektroskopische Messeinrichtung steht mit einer Rechnereinheit 4 in Verbindung, die sowohl die Auswertung der Messungen als auch die Kommunikation mit dem Roboter 1 durchführt. Das heißt, der Roboter erhält durch die Rechnereinheit Signale zur Ortsveränderung.
Die spektroskopische Einrichtung 3 richtet einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laser 10, auf die zu überprüfende Rohrleitung 11. Aus der
Rohrleitung 11 strömt durch die Öffnung 11 b ein Gas aus, das die mit 12 bezeichnete Gaswolke bilden soll. Der Lichtstrahl 10 wird durch das Rohr 11 reflektiert, und wird durch den Detektor der spektroskopischen Messeinrichtung 3 empfangen. Hier findet dann in bekannter Weise durch Messung der Intensität des empfangenen Lichtstrahls die Ermittlung der summativen Gaskonzentration statt. Bei der Darstellung gemäß Figur 2 sind gleiche Gegenstände mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die dort mit 3a bezeichnete thermographische Messeinrichtung ist ebenfalls auf die Rohrleitung 11 gerichtet, wobei hier die Gaswolke 12 von geringerem Interesse ist, sondern vielmehr die
Abkühlung im Bereich der Öffnung 11 aufgrund des ausströmenden Gases maßgeblich ist. Die thermographische Messeinrichtung erfasst diesen Ort der im Verhältnis zur Umgebung tieferen Temperatur und kann insofern das Leck lokalisieren. In Bezug auf die thermographische Ermittlung eines Lecks gilt Folgendes:
In Figur 6 ist ein Temperaturprofil erkennbar, das als Referenztemperaturprofil eine gaußsche Formgebung aufweist. Dieses Referenztemperaturprofil ist abgelegt in der Speichereinheit der Rechnereinheit. Wird nun durch die thermόgraphische Messeinrichtung 3a ein
Temperaturprofil auf der Rohrleitung 11 ermittelt, das Ähnlichkeiten hat mit dem Temperaturprofil gemäß Figur 6, dann ist ein Leck lokalisiert und detektiert. Im Einzelnen wird hierbei auf die Ablaufdiagramme Fig. 6a bis 6c verwiesen.
Das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 6a zeigt, dass nach Ermittlung eines Rohbildes, also einer tatsächlichen Aufnahme eines Lecks, zunächst eine Segmentierung des Bildes stattfindet. Nach der Eliminierung von Digitalisierungsfehlern und dem Passieren von Hoch- und Tiefpassfilter erhält man ein vorverarbeitetes Bild, das der Mustererkennung gemäß Fig. 6b zugeführt wird.
Im Wege der Kreuzkorrelation wird ein Bildausschnitt um den Zielbildpunkt des vorverarbeiteten Bildes mit dem eines Referenzbildes verglichen. Zusätzlich werden zur Verifizierung parallel dazu ein oder mehrere weitere Werte oder Daten aus der tatsächlichen Messung herangezogen, z. B. die durchschnittliche Temperatur in der Umgebung des Zielbildpunktes.
Alternativ zur Kreuzkorrelation kann, wie dieses bereits erläutert wurde, das Referenzprofil von einem künstlichen Neuronalen Netz angelernt werden und dieses Neuronale Netz - wie zuvor beschrieben - mit Bildausschnitten verglichen werden (Fig. 6c).
In Bezug auf die spektroskopische Messung gilt Folgendes:
Aus Figur 5 ist ein Raster ersichtlich, wobei sich innerhalb dieses Rasters 20 schematisch eine Gaswolke 12 befinden soll. Es wird nun durch die spektroskopische Messeinrichtung jeweils ein Laserstrahl auf mehrere, insbesondere alle, Punkte in dem Raster gerichtet, wobei die jeweils ermittelte summative Gaskonzentration in einer Matrix, wie in Figur 5 schematisch dargestellt, von der Rechnereinheit abgelegt wird. Im Rahmen dieses Scannvorgangs wird zu irgendeinem Zeitpunkt unter einem bestimmten Winkel der spektroskopischen Messeinrichtung ein Maximalwert der summativen Gaskonzentration ermittelt, im vorliegenden Fall sei dieser Punkt gekennzeichnet durch da. Aus Fig. 7 ergibt sich der Ablauf der Rasterung. Es bestehen anschließend nunmehr zwei unterschiedliche Möglichkeiten, um das Leck zu lokalisieren. Eine erste Möglichkeit besteht darin, wie dies auch bereits zuvor beschrieben worden ist, mittels Triangulation das entsprechende Leck zu detektieren bzw. zu lokalisieren. In diesem Zusammenhang wird zunächst auf Figur 8 verwiesen. Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm, das den Vorgang der Messung in Verbindung mit der Triangulation noch einmal grafisch zeigt. Fig. 3 zeigt den Vorgang der Lokalisierung durch Triangulation am praktischen Beispiel. Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich die Punkte dargestellt, bei denen auf dem Weg des Roboters zum Ort des Lecks jeweils eine Triangulation stattgefunden hat. Erkennbar ist hierbei anhand der unterschiedlichen Linien, wie viele Punkte der Roboter angefahren hat, um dort Triangulationsvorgänge vorzunehmen, um schlussendlich bis an den Ort des Lecks vorzustoßen. Gleiches ergibt sich sinngemäß korrespondierend aus Figur 4 (Maximum-Methode). Dort wird allerdings nicht mittels Triangulation das Leck detektiert bzw. lokalisiert, sondern allein dadurch, dass von bestimmten Orten, die sich in ihrer räumlichen Positionierung zu dem Leck unterscheiden, jeweils entsprechend der beschriebenen Rasterung gemäß Figur 5, der Punkt der jeweils maximalen summativen Gaskonzentration ermittelt wird, nach Ermittlung dieses Punktes der Roboter näher an das Leck in Richtung der maximalen summativen Gaskonzentration heranfährt, das Messprozedere wiederholt und sich so quasi iterativ dem Leck nähert. Erkennbar ist, dass der Roboter bei drei Läufen im Wesentlichen deckungsgleiche Punkte anfährt, um das Leck zu detektieren. Hierzu wird auf das Ablaufdiagramm gemäß Fig. 9 verwiesen.

Claims

Ansprüche:
1. Als Roboter ausgebildete Vorrichtung zur autonomen, mannlosen Ermittlung von Leckagen unter Stofffreisetzung ins Umfeld aus druckführenden Systemen, insbesondere Rohrleitungssystemen, die Vorrichtung umfassend eine motorbetriebene Bewegungsplattform, z. B. ein Fahrgestell, mit einer Sensorik zur Lokalisierung und Navigation des Fahrgestells im Bereich des druckführenden Systems, die Vorrichtung ferner umfassend mindestens eine optische Fernmesseinrichtung zur Detektion und Lokalisation eines Lecks, wobei die Fernmesseinrichtung in allen drei Raumachsen beweglich ist und wobei die optische Fernmesseinrichtung mit dem Fahrgestells des Roboters in Kommunikation steht, wobei die Auswertung der Daten aus der
Fernmesseinrichtung und die Kommunikation zwischen Fernmesseinrichtung und Bewegungsplattform des Roboters automatisiert erfolgt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadu rch gekennzeichnet, dass die optische Fernmesseinrichtung eine passive IR- Thermographieeinrichtung umfasst, die zur Detektion des Lecks Temperaturdifferenzen, die auf der Oberfläche des druckführenden Systems aufgrund des Ausströmens des Gases hervorgerufen werden, ermittelt.
3. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadu rch gekennzeichnet, dass die IR-Thermographieeinrichtung eine Rechnereinheit mit einem Speicher aufweist, wobei mindestens ein in einem druckführenden System ein Leck kennzeichnendes Referenztemperaturprofil erzeugt wird, das in dem Speicher abgelegt ist, wobei das druckführende System über einen vorbestimmten Abschnitt durch die Thermographieeinrichtung abgescannt wird und wobei dann, wenn während des Scannvorgangs ein Temperaturprofil ermittelt wird, das zu dem Referenztemperaturprofil korreliert, das Leck detektiert und lokalisiert ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadu rch gekennzeich net, dass die Rechnereinheit der Thermographiemesseinrichtung einen Hoch- und/oder Tiefpassfilter aufweist, um ein höherfrequentes Rauschen herauszufiltern oder einen vorhandenen Trend zu reduzieren.
5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3 und 4, dadu rch ge kennzeich net, dass die Erzeugung von Referenztemperaturprofilen durch Anlernen aus Testdaten von Lecks anhand des Prinzips der künstlichen Neuronalen Netze erfolgt.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3 und 4, dadu rch gekennzeichnet, dass das Referenztemperaturprofil nach Art einer dreidimensionalen, insbesondere gaußschen Form, ausgebildet ist, wobei eine gaußsche Form sich bei runden Lecks ausbildet, wobei z. B. bei Rissen die Form des Profils anders ausgebildet sein wird, aber immer gewisse Charakteristiken aufweist, die ein Referenztemperaturprofil charakterisieren.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadu rch gekennzeich net, dass die optische Fernmesseinrichtung als spektroskopische Einrichtung mit einer Rechnereinheit und gegebenenfalls einer
Speichereinheit ausgebildet ist.
8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 7, dadu rch gekennzeich net, dass durch die spektroskopische Fernmesseinrichtung zunächst eine
Messung der summativen Gaskonzentration entlang eines von der spektroskopischen Einrichtung in Richtung des Lecks emittierten Lichtstrahls vorgenommen wird, wobei diese Messung durch die Rechnereinheit in einem vorgegebenen Raster in verschiedenen Richtungen wiederholt wird, wobei durch die Rechnereinheit der Ort der maximalen summativen Gaskonzentration aus den vorhergehenden Messungen ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadu rch gekennzeich net, dass aus einer Vielzahl von Messungen von summativen Gaskonzentrationen in unterschiedlichen Richtungen in einem vorgegebenen Raster die Richtung der maximalen summativen Gaskonzentration ermittelt wird, der Roboter von der Rechnereinheit der Messeinrichtung ein Fahrsignal erhält, der Roboter aufgrund des
Fahrsignals in die Richtung der maximalen summativen Gaskonzentration fährt und diese Prozedur mit mehreren Messungen wiederholt bis das Leck lokalisiert ist.
10. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 7, dadu rch gekennzeich net, dass aus einer Vielzahl von Messungen von summativen Gaskonzentrationen in unterschiedlichen Richtungen in einem vorgegebenen Raster die Richtung der maximalen summativen Gaskonzentration ermittelt wird, der Roboter von der Rechnereinheit der Messeinrichtung ein Fahrsignal erhält, der Roboter aufgrund des Fahrsignals eine Standsortänderung vornimmt, dann mindestens eine Messung der summativen Gaskonzentration in Richtung der zuvor ermittelten maximalen Gaskonzentration vorgenommen wird, wobei dann anhand mindestens einer Triangulation aus den beiden Messungen der tatsächliche Ort der maximalen Gaskonzentration, mithin das Leck, lokalisiert wird.
11.Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 8 und 9, dadu rch gekennzeich net, dass die Größe des Rasters um den Ort der maximalen Gaskonzentration zentriert wird und in seiner Größe auf die Ausdehnung der ausgetretenen Gaswolke skaliert wird.
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