WO2011083007A1

WO2011083007A1 - Vorrichtung zur detektion von lecks

Info

Publication number: WO2011083007A1
Application number: PCT/EP2010/069792
Authority: WO
Inventors: Gerald Werner; Claus-Georg MÜLLER
Original assignee: Pimon Gmbh
Priority date: 2009-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2011-07-14
Also published as: DE102009058330A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Detektion von Lecks in mit einem unter Überdruck stehenden Fluid (F) gefüllten Hohlkörper (1), die Vorrichtung (2) umfassend eine elastisch dehnbare Hülle (2.1) zum zumindest partiellen Einhüllen des Hohlkörpers (1) sowie mindestens einen im Bereich der elastisch dehnbaren Hülle (2.1) anordbaren Sensor (2.2), wobei die elastisch dehnbare Hülle (2.1) für das Fluid (F) undurchlässig oder den Durchlass des Fluids (F) hemmend ausgebildet ist,.wobei der Sensor (2.2) als ein faseroptischer Sensor mit mindestens einer Glasfaser ausgebildet ist, wobei der Sensor (2.2) mit der Hülle (2.1) verbunden oder in die Hülle (2.1) integriert ist, wobei die Hülle (2.1) so anordbar ist, dass Eigenschaften der Lichtleitung in der Glasfaser bei Dehnung oder Zerreißen der Hülle (2.1) durch Druck- oder Zugkräfte lokal verändert werden.

Description

Vorrichtung zur Detektion von Lecks

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von Lecks in mit einem unter Überdruck stehenden Fluid gefüllten Hohlkörper.

Hohlkörper, beispielsweise Rohrleitungen oder Druckbehälter, die unter Druck stehende Fluide, das heißt Gase oder Flüssigkeiten, führen, können

produktionsbedingt, durch gebrauchsbedingten Verschleiß oder Beschädigung durch äußere Einflüsse Undichtigkeiten oder Lecks aufweisen.

Eine zuverlässige Detektion solcher Lecks ist erwünscht, um einen Verlust des Fluids zu vermeiden oder gering zu halten, um eine Kontaminierung der

Umgebung des Hohlkörpers mit dem Fluid zu vermeiden und gegebenenfalls einen Totalausfall von diesem Fluid abhängiger Systeme durch Bersten des durch das Leck geschwächten Hohlkörpers zu verhindern.

Im Stand der Technik ist bekannt, die Menge eines einer Rohrleitung zufließenden Fluids mit der daraus abfließenden Menge zu vergleichen. Dies ermöglicht lediglich die Detektion eines Lecks zwischen den beiden gegebenenfalls sehr weit auseinander liegenden Messpunkten, nicht jedoch eine Bestimmung der Anzahl der Lecks oder deren Lokalisierung.

Bei gasführenden Rohrleitungen ist bekannt, die Temperaturänderung des aus einem Leck austretenden Gases infolge seiner Ausdehnung in der Umgebung zu detektieren.

Weiterhin ist die akustische Detektion von Lecks durch Vergleich mit typischen Schallmustern bekannt.

In der WO 2008/092783 AI ist ein Gerät zur Überwachung der Dichtheit einer Leitung offenbart, umfassend eine Ummantelung, die die Leitung und einen zumindest teilweise um die Leitung geführten Hohlraum umschließt, und einen Sensor zur Überwachung des Hohlraums, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor im Hohlraum angeordnet ist und der Hohlraum druckdicht von der Ummantelung umschlossen ist.

Die US 5,461,904 offenbart ein Leckdetektionsmittel, das austretendes Fluid zu einem einzigen bestimmten radialen Punkt führt, wo es ein Indikationsmittel kontaktiert und aktiviert. Das Mittel, das den Weg des Fluids zum

Indikationsmittel bestimmt dient auch als Barriere zur Verhinderung der

Kontaminierung von Flanschbolzen durch das Fluid.

Die DE 42 33 154 Cl offenbart, dass zur Bestimmung der Leckrate in einem durchströmten Rohr, insbesondere einem Trink- oder Abwasserrohr, bei dem der Druck innerhalb des Rohres größer als der Umgebungsdruck ist, ein zu prüfender Innenwandbereich des Rohres unter Bildung eines Prüfvolumens durch eine flexible Folie dicht abgeschirmt wird. In dem Prüfvolumen wird eine

Druckmessung vorgenommen und der Druckverlauf innerhalb einer definierten Messzeit registriert.

Die DE 103 07 833 AI offenbart eine faseroptische Messvorrichtung zur örtlichen Feststellung von Leckstellen, Pegelständen oder Temperaturänderungen bei Fernwärmeversorgungsanlagen, Pipelines, Rohranlagen, Tanks, Behältern und Gewässern mit einem Messsensor. Als Messsensor ist ein LWL-Fernmeldekabel mit mindestens einer, als optischem Messfühler dienenden, Einmodenfaser vorgesehen, welche in den Sensor, der sich an den zu überwachenden Stellen befindet, eingelegt ist. Verschiedene, im Sensor enthaltene Werkstoffe oder Bauelemente erzeugen im Leckagefall eine mechanische Verformung und dadurch eine Dämpfungserhöhung des in den Sensor eingelegten optischen Messfühlers, die mittels der am Ende des Fernmeldekabels angeschlossenen Dämpfungsmesseinrichtung detektiert werden kann. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Vorrichtung zur Detektion von Lecks in mit einem unter Überdruck stehenden Fluid gefüllten Hohlkörper anzugeben.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Detektion von Lecks in mit einem unter Überdruck stehenden Fluid gefüllten Hohlkörper umfasst eine elastisch dehnbare Hülle zum zumindest partiellen Einhüllen des Hohlkörpers sowie mindestens einen im Bereich der elastisch dehnbaren Hülle anordbaren Sensor. Die elastisch dehnbare Hülle ist für das Fluid undurchlässig oder den Durchlass hemmend ausgebildet. Ein im Bereich der Hülle vorhandenes oder entstehendes Leck führt zu einem Austreten des Fluids in die Hülle und infolgedessen zu deren Dehnung. Dieses Ereignis kann durch den Sensor detektiert werden. Der Sensor kann innerhalb der Hülle angeordnet, mit der Hülle verbunden oder in die Hülle integriert sein. Die elastisch dehnbare Hülle ist vorzugsweise aus einem elastischen

Kunststoff oder aus Gummi gebildet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist besonders kostengünstig herstellbar.

Sofern die Hülle für das Fluid undurchlässig ausgebildet ist, kann das austretende Fluid abhängig von einer Druckdifferenz zwischen dem Inneren des Hohlkörpers und der Umgebung und von einer Reißfestigkeit der Hülle zeitlich verzögert zumindest lokal zum Zerreißen der Hülle führen. Der Sensor kann sowohl zur Detektion der Dehnung oder des Eintritts des Fluids als auch des Zerreißens der Hülle ausgebildet sein.

Ist die Hülle so ausgebildet, dass sie den Durchgang des Fluids lediglich hemmt, so kann die Dehnung der Hülle oder der Eintritt des Fluids detektiert und die Hülle nach einer Reparatur des Lecks weiterverwendet werden. Der Sensor kann zur Detektion mindestens einer der Größen Druck, Temperatur, Dehnung, Feuchtigkeitsgehalt oder zur Detektion einer chemischen Substanz ausgebildet sein. Mittels eines Drucksensors kann durch austretendes Fluid, insbesondere Gas, eine Erhöhung des Drucks bei Eintritt in die Hülle oder ein spontaner Abfall des Drucks bei Zerreißen der Hülle detektiert werden. Mittels eines Temperatursensors kann das Fluid durch eine gegebenenfalls von einer Umgebungstemperatur abweichende Temperatur oder durch einen

Temperaturabfall beim Entspannen eines gasförmigen Fluids beim Austritt aus dem Leck oder beim Zerreißen der Hülle detektiert werden.

Der Sensor kann als ein elektrisch betriebener Sensor ausgebildet sein.

Erfindungsgemäß ist der Sensor als ein faseroptischer Sensor ausgebildet.

Faseroptische Sensoren umfassen Glasfasern, die auf veränderte Temperatur, Druck oder Zugkräfte reagieren. Dabei werden die Eigenschaften der Lichtleitung in der Glasfaser lokal verändert, insbesondere die Streuung, so dass der Ort der Veränderung detektiert werden kann, meist durch Ermittlung der Laufzeit zwischen dem Aussenden eines Lichtpulses in die Glasfaser und dem Empfang des rückgestreuten Lichtpulses.

Der Sensor kann als ein lokaler Sensor oder als ein verteilter Sensor ausgebildet sein. Lokale Sensoren sind Sensoren, die zur Detektion von Signalen an genau einem Punkt geeignet sind. Verteilte Sensoren sind über einen größeren Bereich angeordnet und Eignen sich zur Lokalisierung detektierter Ereignisse innerhalb dieses Bereiches. Die meisten faseroptischen Sensoren sind verteilte Sensoren.

Erfindungsgemäß ist der Sensor mit der Hülle verbunden oder in die Hülle integriert, wobei die Hülle so am Hohlkörper anordbar ist, dass Eigenschaften der Lichtleitung in der Glasfaser bei Dehnung oder Zerreißen der Hülle durch Druckoder Zugkräfte lokal verändert werden. Vorzugsweise ist mindestens eine Einschnürung der Hülle zur Verhinderung der Dehnung der Hülle am Ort der Einschnürung vorgesehen, so dass der

faseroptische Sensor durch Dehnung der Hülle neben der Einschnürung biegbar ist. Vorzugsweise sind zwei Einschnürungen in der Nähe eines zu überwachenden Bereichs des Hohlkörpers so angeordnet, dass die Hülle sich bei einem Leck zwischen den Einschnürungen dehnt. Auf diese Weise füllt das austretende Fluid schnell ein kleines Volumen zwischen den Einschnürungen, so dass der faseroptische Sensor schnell gebogen wird und das Leck demzufolge schnell detektiert werden kann.

Vorzugsweise ist mindestens eine Analyseeinheit vorgesehen, mittels derer Licht mindestens einer Wellenlänge oder eines Wellenlängenbandes in den

faseroptischen Sensor eingekoppelt und eine Dämpfung im faseroptischen Sensor durch Überwachung des transmittierten oder reflektierten Lichtes ermittelt wird.

Die elastische Hülle, der faseroptische Sensor und die Einschnürung sind bevorzugt so ausgebildet, dass im Fall eines Lecks eine Biegung des faseroptischen Sensors derart erfolgt, dass sich eine Dämpfung von mindestens 0.01 dB, vorzugsweise mindestens 0.1 dB ergibt. Diese Dämpfung ist durch Analysegeräte gut detektierbar und von störungsbedingten Dämpfungen zu unterscheiden.

Bevorzugt sind die elastische Hülle, der faseroptische Sensor und die

Einschnürung so ausgebildet, dass im Fall eines Lecks eine Biegung des faseroptischen Sensors mit einem Biegeradius von weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 20 mm, besonders bevorzugt weniger als 10 mm erfolgt. Die

Dämpfung in der Glasfaser ist unter anderem abhängig vom Biegeradius. Je geringer der Biegeradius desto stärker die Dämpfung.

Der faseroptische Sensor ist bevorzugt als eine Einmodenfaser ausgebildet.

Einmodenfasern sind besonders kostengünstig verfügbar. In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Analyseeinheit zur Einkopplung von Licht einer Wellenlänge zwischen 1550 nm und 1650 nm, vorzugsweise 1625 nm ausgebildet, wobei der faseroptische Sensor eine Glasfaser mit einer numerischen Apertur von etwa 0,11 bis 0,16, vorzugsweise 0,13umfasst. Solche Glasfasern weisen durch ihre geringe Dämpfung eine besonders hohe Reichweite, das heißt eine besonders große mögliche Länge auf und sind zudem kostengünstig als Standardware verfügbar.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der faseroptische Sensor eine Glasfaser mit einer numerischen Apertur von weniger als 0,11, vorzugsweise etwa 0,06. Solche Glasfasern sind höher bedämpft und ermöglichen daher eine geringere Maximallänge, reagieren jedoch auch empfindlicher auf Biegung.

Die Analyseeinheit kann in diesem Fall zur Einkopplung von Licht einer

Wellenlänge zwischen 1250 nm und 1750 nm, bevorzugt 1550 nm bis 1650 nm, besonders bevorzugt 1625 nm bis 1650nm ausgebildet sein.

Die Analyseeinheit kann insbesondere als ein Gerät zur optischen Zeitbereichs- reflektometrie (OTDR) oder zur optischen Frequenzbereichsreflektometrie (OFDR) ausgebildet sein. Mit solchen Geräten ist nicht nur eine Detektion der Dämpfung sondern auch eine Lokalisierung der Dämpfung und damit des Lecks möglich.

Die elastische Hülle kann auf dem Hohlkörper durch Teeren aufgebracht sein, wobei der faseroptische Sensor in die Teerschicht eingebettet ist.

Ebenso kann die elastische Hülle in Form eines Klebebandes ein- oder mehrschichtig auf den Hohlkörper aufgebracht sein.

In einer weiteren Ausführungsform weist die elastisch dehnbare Hülle mindestens eine Sollbruchstelle zum Zerreißen bei einer vorgegebenen Solldehnung auf, beispielsweise durch lokal verringerte Materialstärke der Hülle. Auf diese Weise ist es möglich, ein Zerreißen der Hülle so zu steuern, dass der Sensor als aktiver oder passiver Signalgeber unmittelbar betroffen ist. Auf diese Weise werden sehr kostengünstige verteilte oder lokale Sensorsysteme realisiert.

Die Hülle und der faseroptische Sensor können so angeordnet sein, dass der faseroptische Sensor bei Dehnung oder Zerreißen der Hülle bricht. In einer intakten Faser tritt Raleigh-Rückstreuung des eingekoppelten Lichts auf, die durch die Analyseeinheit detektierbar ist. Bei einem Bruch der Faser verändert sich die detektierbare Raleigh-Rückstreuung stark, da der aus Sicht der Analyseeinheit hinter der Bruchstelle liegende Anteil der Raleighstrahlung entfällt.

Der faseroptische Sensor kann so angeordnet sein, dass es im Falle der an der Sollbruchstelle reißenden elastisch dehnbaren Hülle zum Bruch der Faser kommt.

Der Hohlkörper kann vollständig oder partiell mit mindestens einer

erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Detektion von Lecks versehen sein.

Beispielsweise kann ein als Rohrleitung oder Druckbehälter ausgebildeter Hohlkörper Verbindungsstellen aufweisen, an der mindestens zwei Teile des Hohlkörpers miteinander verbunden sind, beispielsweise Verschraubungen, Lötoder Schweißverbindungen einer Rohrleitung oder Pipeline für Wasser, Gase, Wasserdampf oder andere Fluide. Diese Verbindungsstellen sind besonders anfällig für Leckbildungen und können manschettenartig mit einer Vorrichtung zur Detektion von Lecks versehen sein.

Die Vorrichtung kann von einer weiteren elastisch dehnbaren und/oder reißbaren Hülle umgeben sein. Die Dehnbarkeit oder Reißbarkeit ermöglicht die

Ausdehnung der innerhalb der weiteren Hülle angeordneten elastisch dehnbaren Hülle. Die weitere Hülle kann eine Funktionsschicht sein, die beispielsweise dem mechanischen Schutz und/oder dem Schutz gegen Einflüsse wie Witterung, Strahlung, zum Beispiel UV-Strahlung dient. Alternativ kann auch die elastisch dehnbare Hülle zur Erfüllung dieser Funktionen ausgebildet sein, so dass die Vorrichtung nahezu kostenneutral gegenüber einer reinen Funktionsschicht ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer

Zeichnung näher erläutert.

Darin zeigt:

Figur 1 einen Hohlkörper zum Führen eines unter Überdruck stehenden

Fluids mit einer Vorrichtung zur Detektion von Lecks im Hohlkörper, und

Figur 2 einen Abschnitt eines Hohlkörpers zum Führen eines unter

Überdruck stehenden Fluids mit einer Vorrichtung zur Detektion von Lecks im Hohlkörper, umfassend eine elastische Hülle, einen damit verbundenen faseroptischen Sensor und zwei Einschnürungen der Hülle.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.

Figur 1 zeigt einen Hohlkörper 1 zum Führen eines unter Überdruck stehenden Fluids F mit einer Vorrichtung 2 zur Detektion von Lecks im Hohlkörper 1. Der Hohlkörper 1 ist als eine Rohrleitung ausgebildet und weist zwei Teile 1.1, 1.2 auf, die an einer Verbindungsstelle 1.3 miteinander verbunden sind, im gezeigten Beispiel durch Löten oder Schweißen.

Die Vorrichtung 2 ist im Bereich der Verbindungsstelle 1.3 angeordnet. Die Vorrichtung 2 umfasst eine elastisch dehnbare Hülle 2.1, die den Hohlkörper 1 im Bereich der Verbindungsstelle 1.3 umgibt. Im Bereich der elastisch dehnbaren Hülle 2.1, hier innerhalb der Hülle 2.1, ist ein Sensor 2.2 zur Detektion des Lecks angeordnet, von dem aus eine Signalleitung 2.3 wegführt, beispielsweise zu einer Überwachungseinheit (nicht gezeigt). Alternativ kann der Sensor 2.2 auch zur drahtlosen Signalübertragung ausgebildet sein.

Die Verbindungsstelle 1.3 weist in der gezeigten Figur ein Leck auf, durch das ein Teil des Fluids F in die elastisch dehnbare Hülle 2.1 austritt, so dass diese sich dehnt. Dieses Ereignis wird vom Sensor 2.2 detektiert und weitergeleitet.

Die elastisch dehnbare Hülle 2.1 kann für das Fluid F undurchlässig oder den Durchlass hemmend ausgebildet sein. Der Sensor 2.2 kann, wie gezeigt, innerhalb der Hülle 2.1 angeordnet, mit der Hülle 2.1 verbunden oder in die Hülle 2.1 integriert sein. Die elastisch dehnbare Hülle 2.1 ist vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff oder aus Gummi gebildet.

Der Sensor 2.2 ist vorzugsweise zur Detektion mindestens einer der Größen Druck, Temperatur, Dehnung, Feuchtigkeitsgehalt oder zur Detektion einer chemischen Substanz ausgebildet.

Der Sensor 2.2 kann als ein elektrisch betriebener Sensor oder als ein

faseroptischer Sensor ausgebildet sein.

Der Sensor 2.2 kann als ein lokaler Sensor oder als ein verteilter Sensor ausgebildet sein.

Die elastisch dehnbare Hülle 2.1 kann eine oder mehrere Sollbruchstellen zum Zerreißen bei einer vorgegebenen Solldehnung aufweisen.

Der Hohlkörper 1 kann, wie gezeigt, partiell oder vollständig mit mindestens einer Vorrichtung 2 zur Detektion von Lecks versehen sein. Hohlkörper 1 im Sinne der Erfindung sind beispielsweise Rohrleitungen, Pipelines und Druckbehälter. Ist der Hohlkörper 1 partiell von mindestens einer solchen Vorrichtung 2 umgeben, so kann dies auch abseits von Verbindungsstellen 1.3 sein. Verbindungsstellen 1.3 können beispielsweise Verschraubungen, Löt- oder Schweißverbindungen einer Rohrleitung oder Pipeline für Wasser, Gase, Wasserdampf oder andere Fluide F sein.

Die Vorrichtung 2 kann von einer weiteren elastisch dehnbaren und/oder reißbaren Hülle umgeben sein (nicht gezeigt). Die weitere Hülle kann eine Funktionsschicht sein, die beispielsweise dem mechanischen Schutz und/oder dem Schutz gegen Einflüsse wie Witterung, Strahlung, zum Beispiel UV- Strahlung, dient. Alternativ kann auch die elastisch dehnbare Hülle 2.1 zur Erfüllung dieser Funktionen ausgebildet sein.

Figur 2 zeigt einen Hohlkörper 1 zum Führen eines unter Überdruck stehenden Fluids F mit einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung 2 zur Detektion von Lecks im Hohlkörper 1. Der Hohlkörper 1 ist als eine Rohrleitung

ausgebildet. Die Vorrichtung 2 kann an einer Verbindungsstelle (nicht gezeigt) oder in jedem anderen Bereich des Hohlkörpers 1 angeordnet sein.

Die Vorrichtung 2 umfasst eine elastisch dehnbare Hülle 2.1, die den Hohlkörper 1 umgibt. Mit der elastisch dehnbaren Hülle 2.1 verbunden oder darin integriert ist im Wesentlichen in Längsrichtung des Hohlkörpers 1 ein faseroptischer Sensor 2.2 zur Detektion des Lecks angeordnet. Zwei Einschnürungen 2.4 sind in

Längsrichtung des Hohlkörpers 1 voneinander beabstandet zur Verhinderung der Dehnung der Hülle 2.1 am Ort der Einschnürung 2.4 angeordnet. Tritt das Fluid F aus dem Hohlkörper 1 zwischen den Einschnürungen 2.4 aus so führt dies zur Dehnung der Hülle 2.1 zwischen den Einschnürungen, während die Hülle am Ort der Einschnürungen 2.4 an der Dehnung gehindert ist. Infolgedessen wird der faseroptische Sensor 2.2 an den Orten der Einschnürungen 2.4 gebogen. Diese Biegung führt zu einer Dämpfung eines im faseroptischen Sensor 2.2 geführten Licht-Signals. Die Dämpfung und der Ort der Dämpfung, das heißt der Ort der Einschnürung 2.4 kann mittels optischer Zeitbereichsreflektometrie (OTDR - optical time domain refiectometry) ermittelt werden. Ein OTDR-Gerät, das an einem Ende des faseroptischen Sensors 2.2 angeordnet sein kann, detektiert die Rückstreuung von den faseroptischen Sensor durchlaufenden Lichtimpulsen und kann sowohl die Dämpfung an sich als auch den Ort der Dämpfung ermitteln.

Alternativ könnte die Dämpfung von an einem Ende des faseroptischen Sensors 2.2 eingekoppeltem Licht am anderen Ende im transmittierten Licht ermittelt werden, wobei jedoch nur die Dämpfung selbst, nicht jedoch derer Ort bestimmbar ist. Eine Messung mittels eines OTDR-Gerätes wird daher bevorzugt.

Zur Detektion der Dämpfung ist ein Mindestbiegeradius des faseroptischen Sensors 2.2 erforderlich, der durch die Ausgestaltung der Einschnürung 2.4 beeinflussbar ist. Beispielsweise führt eine Einschnürung 2.4 mit scharfen Kanten zu einem geringeren Biegeradius als eine Einschnürung 2.4 mittels eines Drahtes mit kreisförmigem Querschnitt.

Als faseroptischer Sensor 2.2 kann eine Standard-Einmodenfaser verwendet werden, da diese besonders preisgünstig verfügbar ist und die Überwachung großer Streckenlängen erlaubt.

Die Analyseeinheit kann insbesondere Licht einer solchen Wellenlänge in den faseroptischen Sensor einkoppeln, bei der die geringste Dämpfung auftritt, beispielsweise 1550nm.

Bei einer Wellenlänge von 1550nm liegt beispielsweise bei einem Biegeradius von 20mm über einen Biegewinkel von 360° eine Dämpfung von 0,0020 dB vor. Das im faseroptischen Sensor 2.2 meist verwendete Quarzglas dämpft bei dieser Wellenlänge besonders gering. Bei einem Biegeradius von 22mm .über 360° beträgt die Dämpfung beispielsweise 0,0002 dB. Eine so geringe Dämpfung ist von derzeit verfügbaren Analysegeräten (beispielsweise OTDR) bei langen zu überwachenden Strecken nicht zuverlässig detektierbar. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 2 daher so ausgebildet, dass bei Dehnung der Hülle 2.1 Biegeradien erzielt werden, die eine Dämpfung von mindestens 0.1 dB bewirken. Der mit der Vorrichtung 2 erzielbare Biegewinkel liegt insbesondere bei maximal 45°. In Verbindung mit einem Biegeradius von 20mm führt dies zu einer Dämpfung von 0,0002dB. Biegeradien größer als 20mm erzeugen daher kein verwertbares Signal und weisen somit nicht auf ein Leck hin.

Biegeradien von mehr als 20 mm führen zu keiner detektierbaren Dämpfung, so dass der Biegeradius kleiner als 20 mm sein sollte. Gleichzeitig sollte dieser Biegeradius im Verlauf des faseroptischen Sensors 2.2 entlang des Hohlköpers 2.1, insbesondere einer Rohrleitung, die Biegungen und Verzweigungen aufweisen kann, nicht durch die Verlegung des faseroptischen Sensors unterschritten werden, um eine Gesamtdämpfung im faseroptischen Sensor 2.2 gering zu halten und solche Biegungen nicht irrtümlich als Leckstellen zu detektieren. Um die Gesamtdämpfung im faseroptischen Sensor 2.2 gering zu halten kann bei einer Standard-Singlemode-Faser ein maximaler Biegradius von mehr als 30mm für die reguläre Verlegung entlang der Rohrleitung vorgegeben sein.

Welcher Biegeradius zu welcher Dämpfung führt, hängt unter anderem von der numerischen Apertur und vom Modenfelddurchmesser der im faseroptischen Sensor 2.2 verwendeten Glasfaser ab. Standard-Singlemode-Fasern weisen beispielsweise eine numerische Apertur von 0.13 auf. Die numerische Apertur wird vom Hersteller der Faser für eine typische Arbeitswellenlänge angegeben, ist jedoch bei Singlemode-Fasern (Einmodenfasern) wellenlängenabhängig. Die Biegedämpfung ist somit abhängig von der Wellenlänge. Weiterhin ist die Dämpfung abhängig von der Wellenlänge des in die Glasfaser eingekoppelten Lichtes und vom Biegewinkel, über den der Biegeradius vorliegt. Schließlich hängt der Mindestbiegeradius davon ab, welche Dämpfungen durch das OTDR- Gerät detektierbar sind. Derzeit verfügbare Geräte detektieren Dämpfungen ab 0.1 dB, über kürzere Distanzen bis 10 km Länge der Glasfaser auch 0.05 dB.

Geringere Dämpfungen können durch zukünftig verfügbare OTDR-Geräte detektierbar sein.

Der Mindestbiegeradius des faseroptischen Sensors 2.2 um die Einschnürung 2.4, der zur sicheren Erkennung eines Lecks mindestens erforderlich ist, beträgt weniger als 20 mm, bevorzugt weniger als 10 mm, besonders bevorzugt weniger als 6 mm.

Bei Verwendung größerer Wellenlängen dämpft der faseroptische Sensor 2.2 stärker. Beispielsweise kann die Dämpfung bei einem Biegeradius von 20mm über 360° bei einer Wellenlänge von 1550 nm 0,0020 dB, bei 1600 nm 0,0060 dB und bei 1640 nm 0,0150 dB betragen. Bei einem Biegeradius von 22 mm über 360° kann die Dämpfung bei einer Wellenlänge von 1550 nm 0,0002 dB, bei 1600 nm 0,0005 dB und bei 1640 nm 0,0012 dB betragen. Weiter ist zu beachten, dass sich das Rückstreusignal mit der 4. Potenz der Wellenlänge verkleinert.

Das in den faseroptischen Sensor eingekoppelte Licht weist vorzugsweise eine Wellenlänge im Bereich von 1550 nm bis 1650 nm auf, insbesondere eine Wellenlänge von 1625 nm.

Der bevorzugte an der Einschnürung 2.4 erzielbare Biegeradius beträgt weniger als 20 mm, insbesondere zwischen 5 mm undlOmm. Der obere Grenzwert des Biegeradius ist durch die zu erzielende Dämpfung bestimmt. Der untere

Grenzwert kann so gewählt werden, dass ein Bruch des faseroptischen Sensors vermieden wird. Der faseroptische Sensor 2.2 kann jedoch auch so angeordnet sein, dass eine Dehnung oder ein Zerreißen der Hülle 2.2 zum Bruch des faseroptischen Sensors 2.2 führt. Dies kann durch die veränderte Rayleigh- Rückstrahlung detektiert werden.

Es können andere als die oben angegebenen Wellenlängen verwendet werden. Ebenso können andere Typen von Glasfasern als faseroptischer Sensor verwendet werden.

Insbesondere kann bei gleicher Wellenlänge eine Glasfaser mit kleinerer numerischer Apertur, beispielsweise 0,06 , das heißt größerem Modenfelddurchmesser gewählt werden. Damit nimmt die Biegedämpfung, also das Signal zur

Leckdetektion, erheblich zu. Wird eine solche Glasfaser mit kleinerer numerischer Apertur, das heißt größerem Modenfelddurchmesser bei Wellenlängen von 1625 nm bis 1650nm, das heißt stärker bedämpften Wellenlängen verwendet, können auch größere Biegeradien an Leckstellen detektiert werden, beispielsweise 10 mm bei bis 45° Biegewinkel. Gleichzeitig wäre der maximal zulässige Biegeradius für den regulären Verlauf des faseroptischen Sensors 2.2 auf etwa 60 mm zu beschränken.

Die bevorzugte Wellenlänge bei Verwendung von Glasfasern mit geringer numerischer Apertur liegt im Bereich von 1250 nm bis 1750 nm. Der Biegeradius zur Leckdetektion liegt in diesem Fall im Bereich von 0 bis 60mm. Der

Biegeradius für die reguläre Verlegung ist vorzugsweise größer als 30mm.

Zur Überwachung kurzer Streckenlängen bis etwa 10 km, beispielsweise in Chemieanlagen, sind auch Wellenlängen um 820 nm bis 850 nm verwendbar. In diesem Bereich sind kostengünstige Laserdioden verfügbar.

Der Hohlkörper 1 kann über seine Länge in regelmäßigen oder willkürlichen Abständen mit Einschnürungen 2.4 der elastischen Hülle 2.1 versehen sein, beispielsweise nur beiderseits von Verbindungsstellen. Abhängig von einem Durchmesser des Hohlkörpers 1 , vom im Hohlkörper 1 geführten Fluids F sowie der Elastizität der Hülle 2.1 kann der Abstand der Einschnürungen 2.4 so gewählt werden, dass er für die jeweilige Anwendung optimale Reaktionszeiten, das heißt eine möglichst geringe Dauer der Dehnung bis zur Leckerkennung und

Generierung eines Alarms bewirkt. Ebenso kann zu diesem Zweck die Elastizität der Hülle 2.1 entsprechend gewählt werden.

Abhängig von mindestens einem der Parameter:

Abstand zwischen den Einschnürungen 2.4,

Elastizität der Hülle 2.1, Durchmesser des Hohlkörpers 1 ,

im Hohlkörper 1 zu transportierendes Medium kann ein Mindestbiegeradius des faseroptischen Sensors 2.2 festgelegt und in einer Analyseeinheit, beispielsweise einem OTDR-Gerät oder einem OFDR-Gerät (optical frequency domain refiectometry - optische Frequenzbereichsreflekto- metrie) programmiert werden, ab dessen Erreichen der Alarm ausgelöst werden soll.

Analyseeinheiten können sich an einem Ende des faseroptischen Sensors 2.2 befinden. Ebenso kann an beiden Enden des faseroptischen Sensors 2.2 je eine Analyseeinheit vorgesehen sein. Ebenso kann eine Analyseeinheit an je einem Ende zweier benachbarter faseroptischer Sensoren 2.2 angeordnet sein und beide überwachen.

Die elastische Hülle 2.1 kann durchgehend über den gesamten Hohlkörper angeordnet sein. Ebenso können mehrere elastische Hüllen 2.1 an ausgewählten Abschnitten des Hohlkörpers 1 angeordnet und durch den faseroptischen Sensor 2.2 untereinander verbunden sein.

Die elastische Hülle 2.1 kann auf dem Hohlkörper 1, insbesondere einer ausgedehnten Rohrleitung durch Teeren aufgebracht sein, wobei der faseroptische Sensor 2.2. in die Teerschicht eingebettet wird. Die Teerschicht weist eine möglichst geringe Haftung zum Hohlkörper 1 auf, um die Dehnung zu ermöglichen.

Die elastische Hülle 2.1 kann in Form eines Klebebandes ein- oder mehrschichtig auf den Hohlkörper 1 aufgebracht werden. Dabei kann wegen der begrenzten Länge des Klebebandes eine Kopplung von Abschnitten des faseroptischen Sensors 2.2 erforderlich sein.

Die elastische Hülle 2.1 kann zur Verbesserung des Korrosionsschutzes und/oder des mechanischen Schutzes des Hohlkörpers 1 beitragen.

Es können mehrere faseroptische Sensoren 2.2 in der Hülle parallel geführt werden. Der Hohlkörper 1 kann Teil eines Rohrleitungssystems sein, dass über seine gesamte Länge mit einem oder mehreren faseroptischen Sensoren 2.2 versehen ist. Bei ausgedehnten oder verzweigten Rohrleitungssystemen können mehrere Abschnitte des faseroptischen Sensors 2.2 vorgesehen sein, die jeweils von einem oder zwei Analyseeinheiten überwacht werden. Die Länge jedes einzelnen faseroptischen Sensors 2.2 kann dabei beispielsweise bis zu 200 km betragen, da die Dämpfung in der Glasfaser oberhalb dieser Länge meist bereits zu hoch ist. Die Länge jedes einzelnen faseroptischen Sensors kann auf 20 km begrenzt sein.

Die Analyseeinheiten können zu ihrer Stromversorgung mit Akkumulatoren versehen sein, die beispielsweise mittels Solarenergie geladen werden, beispielsweise beim Einsatz in Wüstenregionen.

Die Analyseeinheiten können zur Bildung eines komplexen Überwachungssystems miteinander vernetzt sein. Die Kommunikation der Analyseeinheiten mit einem zentralen Datennetz kann mittels einer zusätzlichen an der Rohrleitung geführten Glasfaserleitung erfolgen, die nicht der Einschnürung unterliegt. Ebenso kann eine an der Rohrleitung angeordnete oder darin integrierte Datenleitung oder ein kabelloses Kommunikationssystem zur Vernetzung verwendet werden.

Die Kommunikation der Analyseeinheiten kann verschlüsselt erfolgen.

Andere als die oben angegebenen Wellenlängen im Bereich des sichtbaren Lichtes, im Infrarot- oder Ultraviolettbereich können sowohl in Verbindung mit faseroptischen Sensoren mit hoher numerischer Apertur im Bereich von 0,11 bis 0,16 als auch mit faseroptischen Sensoren mit kleiner numerischer Apertur von weniger als 0,11 verwendet werden.

Der faseroptische Sensor kann alternativ mindestens eine Plastikfaser als

Lichtwellenleiter umfassen. Die Vorrichtung 2 kann insbesondere verwendet werden zur Überwachung von Rohrleitungen für Öl, Gas, Trinkwasser oder Abwasser.

BEZUGSZEICHENLISTE Hohlkörper

Teil

Verbindungsstelle

Vorrichtung zur Detektion eines Lecks elastisch dehnbare Hülle

Sensor

Signalleitung

Einschnürung

Fluid

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Vorrichtung (2) zur Detektion von Lecks in mit einem unter Überdruck

stehenden Fluid (F) gefüllten Hohlkörper (1), die Vorrichtung (2) umfassend eine elastisch dehnbare Hülle (2.1) zum zumindest partiellen Einhüllen des Hohlkörpers (1) sowie mindestens einen im Bereich der elastisch dehnbaren Hülle (2.1) anordbaren Sensor (2.2), wobei die elastisch dehnbare Hülle (2.1) für das Fluid (F) undurchlässig oder den Durchlass des Fluids (F) hemmend ausgebildet ist, .wobei der Sensor (2.2) als ein faseroptischer Sensor mit mindestens einer Glasfaser ausgebildet ist, wobei der Sensor (2.2) mit der Hülle (2.1) verbunden oder in die Hülle (2.1) integriert ist, wobei die Hülle

(2.1) so anordbar ist, dass Eigenschaften der Lichtleitung in der Glasfaser bei Dehnung oder Zerreißen der Hülle (2.1) durch Druck- oder Zugkräfte lokal verändert werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Einschnürung der Hülle (2.1) zur Verhinderung der Dehnung der Hülle (2.1) am Ort der Einschnürung vorgesehen ist, so dass der faseroptische Sensor

(2.2) durch Dehnung der Hülle neben der Einschnürung biegbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass je eine

Einschnürung beiderseits eines zu überwachenden Bereichs des Hohlkörpers vorgesehen ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass mindestens eine Analyseeinheit vorgesehen ist, mittels derer Licht mindestens einer Wellenlänge in den faseroptischen Sensor (2.2) eingekoppelt und eine Dämpfung im faseroptischen Sensor (2.2) durch Überwachung des transmittierten oder reflektierten Lichtes ermittelt wird.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Hülle (2.1), der faseroptische Sensor (2.2) und die Einschnürung (2.4) so ausgebildet sind, dass im Fall eines Lecks eine Biegung des faseroptischen Sensors (2.2) derart erfolgt, dass sich eine Dämpfung von mindestens 0.01 dB, vorzugsweise mindestens 0.1 dB ergibt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Hülle (2.1), der faseroptische Sensor (2.2) und die Einschnürung (2.4) so ausgebildet sind, dass im Fall eines Lecks eine Biegung des faseroptischen Sensors (2.2) mit einem Biegeradius von weniger als 60 mm, bevorzugt weniger als 20 mm, besonders bevorzugt weniger als 10 mm erfolgt.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (2.2) als eine Einmodenfaser ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit zur Einkopplung von Licht einer Wellenlänge zwischen 1550 nm und 1650 nm, vorzugsweise 1625 nm ausgebildet ist, wobei der faseroptische Sensor (2.2) eine Glasfaser mit einer numerischen Apertur von etwa 0,11 bis 0,16, vorzugsweise 0,13 umfasst.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der faseroptische Sensor (2.2) eine Glasfaser mit einer numerischen Apertur von weniger als 0,11, vorzugsweise etwa 0,06 umfasst.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die

Analyseeinheit zur Einkopplung von Licht einer Wellenlänge zwischen 1250 nm und 1750 nm, bevorzugt 1550 nm bis 1650 nm, besonders bevorzugt 1625 nm bis 1650nm ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyseeinheit als ein Gerät zur optischen Zeitbereichsreflektometrie oder zur optischen Frequenzbereichsreflektometrie ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Hülle (2.1) auf dem Hohlkörper (1) durch Teeren aufgebracht ist, wobei der faseroptische Sensor (2.2) in die Teerschicht eingebettet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Hülle (2.1) in Form eines Klebebandes ein- oder mehrschichtig auf den Hohlkörper (1) aufgebracht ist.

14. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die elastisch dehnbare Hülle (2.1) mindestens eine Sollbruchstelle zum Zerreißen bei einer vorgegebenen Solldehnung aufweist.

15. Vorrichtung (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch

gekennzeichnet, dass die Hülle (2.1) und der faseroptische Sensor (2.2) so angeordnet sind, dass der faseroptische Sensor (2.2) bei Dehnung oder Zerreißen der Hülle bricht.

16. Hohlkörper (1) zum Führen eines unter Überdruck stehenden Fluids (F), wobei der Hohlkörper (1) zumindest partiell mit mindestens einer

Vorrichtung (2) zur Detektion von Lecks nach einem der vorhergehenden Ansprüche umgeben ist.

17. Hohlkörper (1) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) von einer weiteren elastisch dehnbaren und/oder reißbaren Hülle umgeben ist.

18. Hohlkörper (1) nach einem der Ansprüche 16 oder 17, ausgebildet als eine Rohrleitung oder als ein Druckbehälter.

19. Hohlkörper (1) nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die

Vorrichtung (2) im Bereich einer Verbindungsstelle (1.3) angeordnet ist, an der mindestens zwei Teile (1.1, 1.2) des Hohlkörpers (1) miteinander verbunden sind.