Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung eines Lecks in einer Anlagenkomponente und/oder eines Zustands einer Anlagenkomponente

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Lecks in mindestens einer Anlagenkomponente und/oder eines Zustands zumindest einer Anlagenkomponente einer Anlage, insbesondere in einer Leitung, einem Aggregat, einer Armatur, einem Behälter, etc. eines Leitungsnetzes, z.B. einer öl- oder Gasanlage oder einer Chemieanlage oder einer Pumpstation.

In Industrieanlagen, wie öl-, Gas- oder Chemieanlagen, besteht der Bedarf Lecks oder Leckage in einer Anlagenkomponente der Anlage sowie Zustände der Anlagenkomponente möglichst schnell und sicher zu erkennen, um geeignete Maßnahmen zur Beseitigung des Lecks bzw. der Leckage oder fehlerhafter Zustände der Anlagenkomponente ergreifen zu können. Dabei wird unter einem Leck im Sinne der Erfindung insbesondere eine undichte, schadhafte Stelle in einer Wand einer Leitung, eines Behälters, etc. verstanden. Unter einer Leckage wird insbesondere ein Verlust des in der Anlagenkomponente transportierenden Mediums beispielsweise durch Verdunsten oder Versickern verstanden.

Aus dem Stand der Technik bekannte überwachungsverfahren von Prozessparametern, wie Messung des Druckabfalls, Messung von Temperaturänderungen, Erfassung von entstehenden Dampf- bzw. Rauchentwicklungen, im bzw. an den Anlagenkomponenten sind in bestimmten Umgebungsbereichen, insbesondere im Außenbereich sehr aufwändig und meist träge und ungenau. Hier ist es bekannt, optische Aufnahmeeinheiten, wie z.B. Kameras, zur überwachung der insbesondere im Außenbereich angeordneten Anlagenkomponenten einzusetzen, welche durch einen Benutzer fortlaufend beobachtet werden. Zusätzlich werden die optisch erfassten Daten der Anlagenkomponente mit messtechnisch er-

fassten Daten über Druckabfall, Temperaturänderungen kombiniert und zur Ermittlung eines Gefahrenbereichs herangezogen.

Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrich- tung zur Ermittlung eines Lecks und/oder eines Zustands zumindest einer Anlagenkomponente anzugeben, welches in einfacher Art und Weise eine sichere, schnelle, automatische und dynamische überwachung von gegebenenfalls visuell nicht einsehbaren Anlagenkomponenten der Anlage ermöglicht.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Vorrichtung betreffend wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 15 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung eines Lecks in mindestens einer Anlagenkomponente und/oder eines Zustands zumindest einer Anlagenkomponente einer Anlage wird zumindest ein Teilbereich einer oder mehrerer Anlagenkomponenten optisch überwacht, wobei in mindestens einer der Anlagenkomponenten auftretende Schallemissionen erfasst, analysiert und lokalisiert werden sowie akustisch lokalisierte Schallemissionsbereiche der betreffenden Anlagenkomponente zusätzlich optisch erfasst und analysiert werden.

Durch Erfassung und Lokalisierung von in der Anlagenkompo- nente auftretenden Schallemissionen und der zusätzlichen optischen Erfassung der akustisch lokalisierten Schallemissionsbereiche ist eine automatische optische überwachung auch von kritischen, d.h. nur schwer zugänglichen oder weit entfernten, Anlagenbereichen bzw. Anlagenkomponenten ermöglicht. Somit ist eine schnelle und sichere Erkennung eines Lecks und/oder eines Zustands zumindest einer Anlagenkomponente auch an üblicherweise nicht visuell zugänglichen Orten in der Anlage ermöglicht. Durch direktes Ausrichten der optischen

Aufnahmeeinheit auf den akustisch lokalisierten veränderten Schallemissionsbereich kann sich der Benutzer sofort ein Bild über die Situation in diesem Anlagenbereich verschaffen und erforderliche Maßnahmen zur Beseitigung eines detektierten Lecks und/oder eines fehlerhaften Zustands der Anlagenkomponente ergreifen. Zusätzlich können weitere Anlagendaten, insbesondere messtechnisch erfasste Anlagendaten, wie Druckabfall, Temperaturänderungen, bestimmt und zur Ermittlung des Lecks und/oder des Zustands der Anlagenkomponente herangezo- gen und bewertet werden. Zweckmäßigerweise werden die a- kustisch und/oder optisch erfassten Daten, d.h. die erfassten Schallemissionsdaten bzw. die erfassten Bilddaten in einem Datenspeicher hinterlegt. Dies ermöglicht eine nachträgliche Recherche und insbesondere zeitliche Auswertung von erfassten Schallemissionsdaten und Bilddaten für bestimmte Situationen.

Zweckmäßigerweise wird der Entstehungsort der Schallemissionen anhand einer Analyse von mindestens einem Parameter der Schallemissionen bestimmt und zusätzlich optisch erfasst und analysiert. Dabei wird mindestens ein Parameter der Schallemissionen erfasst und analysiert sowie zur Anpassung der optischen Erfassung des akustisch lokalisierten Schallemissionsbereiches verwendet.

Vorzugsweise werden als Parameter der Schallemissionen mindestens eine Frequenz, ein Frequenzbereich, eine Intensität und/oder eine Amplitude von Schallwellen der Schallemissionen bestimmt und analysiert. In einer Weiterbildung der Erfindung werden änderungen des mindestens einen Parameters der Schall- wellen ermittelt und analysiert. Vorzugsweise werden als änderungen des Parameters änderungen einer Frequenz, eines Frequenzbereichs, einer Intensität und/oder einer Amplitude der Schallwellen und/oder mindestens eine neu hinzukommende Frequenz und/oder Frequenzbereich und/oder mindestens eine ent- fallende Frequenz und/oder Frequenzbereich im erfassten Schallwellenbereich bestimmt.

Zur sicheren Identifizierung eines Gefahrenbereichs bzw. einer Gefahr für die Anlagenkomponente werden die erfassten änderungen mindestens eines der Parameter auf über- und/oder Unterschreiten mindestens eines vorgebbaren Schwellwertes überwacht. Wird mindestens ein vorgegebener Schwellwert über- oder unterschritten, so kann eine kritische Situation im Bereich der Anlagenkomponente vorliegen. Um dies sicher zu identifizieren, wird dieser identifizierte kritische Gefahrenbereich zusätzlich optisch erfasst und ausgewertet.

Alternativ oder zusätzlich zur einfachen Schwellwertüberwachung eines der Parameter der Schallwellen kann auch ein zeitlicher Verlauf von änderungen mindestens eines Parameters der Schallwellen erfasst und auf über- und/oder Unterschrei- ten eines vorgebbaren Schwellwertes überwacht werden. So kann beispielsweise bei Auftreten einer bestimmten Drehzahlfrequenz für einen vorgebbaren Zeitbereich der daraus resultierend als Gefahrenbereich identifizierte Anlagenbereich optisch erfasst und überwacht werden. Alternativ oder zusätz- lieh kann bei Identifizierung einer möglichen Gefahrensituation für diesen identifizierten Anlagenbereich eine Meldung, Warnung und/oder ein Alarm taktil, akustisch und/oder optisch ausgegeben werden.

Beispielsweise wird eine erfasste änderung im Frequenzbereich der Schallwellen als änderung einer Drehzahl einer Anlagenkomponente, insbesondere eines Aggregats oder einer Armatur, insbesondere einer Pumpe oder eines Motors, identifiziert. In einem weiteren Ausführungsbeispiel werden neu hinzukommenden Frequenzen als ein Mediumaustritt, z.B. von Schüttgut, Flüssigkeit oder Gas, aus der Anlagenkomponente identifiziert. Ein Entfallen von vorangegangenen erfassten Frequenzen wird vorzugsweise als ein Ausfall eines Aggregats, insbesondere einer Pumpe oder eines Motors, identifiziert. Eine änderung der Intensität und/oder Amplitude der Schallwellen wird insbesondere als eine Explosion und/oder ein Knall identifiziert .

Darüber hinaus können weitere Gefahrensituationen anhand von entsprechend identifizierten und anhand von hinterlegten Schwellwerten und/oder hinterlegten Schallmustern analysierten Schallemissionen identifiziert werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung zur Ermittlung eines Lecks in mindestens einer Anlagenkomponente und/oder eines Zustands zumindest einer Anlagenkomponente einer Anlage ist zumindest eine optische Aufnahmeeinheit zur überwachung eines Teilbe- reichs einer oder mehrerer Anlagenkomponenten vorgesehen ist, wobei im Bereich mindestens einer der Anlagenkomponenten ein oder mehrere akustische Aufnahmeeinheiten angeordnet ist bzw. sind, anhand der oder derer auftretende Schallemissionen erfassbar, analysierbar und lokalisierbar sind, wobei die opti- sehe Aufnahmeeinheit derart steuerbar ist, dass diese akustisch lokalisierte Schallemissionsbereiche der betreffenden Anlagenkomponente zusätzlich optisch erfasst und analysiert.

Zweckmäßigerweise sind die mindestens eine akustische Aufnah- meeinheit und/oder die optische Aufnahmeeinheit mit einer

Auswerteeinheit verbunden. Alternativ kann die Auswerteeinheit integraler Bestandteil der akustischen oder optischen Aufnahmeeinheit sein.

Zweckmäßigerweise ist die akustische Aufnahmeeinheit ein Schallaufnehmer, insbesondere ein Schallwandler, z.B. ein Mikrofon. Auch kann ein anderes geeignetes Mittel zur Aufnahme der Schallwellen der Schallemissionen vorgesehen sein, dass die erfassten Schallwellen in ein auswertbares elektri- sches Signal wandelt.

Die optische Aufnahmeeinheit ist vorzugsweise eine Kamera oder eine andere geeignete Vorrichtung, wie beispielsweise eine Infrarot-Kamera, eine Radareinheit, eine omnidirektio- nale Kamera, eine Stereo-Kamera.

Zur Ausgabe einer Meldung, einer Warnung und/oder eines Alarms in Abhängigkeit von der Kritikalität des erfassten Ge-

fahrenbereichs ist zumindest die Auswerteeinheit mit mindestens einer Ausgabeeinheit verbunden. Auch können die optische und/oder die akustische Aufnahmeeinheit mit der Ausgabeeinheit verbunden sein. Zweckmäßigerweise ist die Ausgabeein- heit ein Bildschirm, ein Lautsprecher und/oder ein anderes geeignetes Mittel. Bevorzugt sind die optische und/oder a- kustische Aufnahmeeinheit, die Auswerteeinheit und/oder die Ausgabeeinheit über eine Datenübertragungseinheit, z.B. einen Datenbus, eine Funkverbindung, eine Punkt-zu-Punkt-Verbin- düng, miteinander verbunden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.

Dabei zeigt die einzige Figur eine Vorrichtung 1 zur Ermittlung eines Lecks in mindestens einer Anlagenkomponente 2.1 bis 2.n und/oder eines Zustands zumindest einer der Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n einer Anlage.

Die Anlage ist beispielsweise eine Gas-, öl- oder Chemieanlage oder eine entfernte Verteiler- oder Pumpstation in einem Verteilernetz, die als Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n ein Leitungsnetz 2.1, einzelne Leitungen 2.2, Armaturen 2.3, wie Pumpen, Ventile, Klappen, Motoren, eine Verteilereinheit 2.4, einen Behälter 2.5, wie Tanks, etc. zum Führen und/oder Speichern mindestens eines Mediums, wie z.B. Schüttgut, Gas, eine Flüssigkeit, z.B. öl, Wasser, etc. umfasst.

Zur überwachung einer oder mehrerer Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n oder eines Teilbereichs dieser oder der Anlage ist zumindest eine optische Aufnahmeeinheit 3 vorgesehen. Die optische Aufnahmeeinheit 3 ist beispielsweise als eine Kamera, insbesondere eine omnidirektionale Kamera, eine Stereo-Kamera, eine Radareinheit, ausgebildet, die einen vorgegebenen Erfassungsbereich 4 aufweist.

Mittels der optischen Aufnahmeeinheit 3 werden Teilbereiche der Anlage, insbesondere einzelner oder mehrerer Anlagenkom-

ponenten 2.1 bis 2.n erfasst und beispielsweise auf optische Veränderungen, wie z.B. einem Mediumaustritt aus einer der Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n, eine Explosion, eine Manipulierung an einer der Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n durch Un- berechtigte oder Berechtigte, überwacht. Dies kann beispielsweise automatisch über eine entsprechende Bildverarbeitung der von der optischen Aufnahmeeinheit 3 erfassten Bilddaten und/oder durch einen Benutzer, z.B. einem Personal in einer Anlagenwarte oder Anlagenleiteinheit mit Bildschirmüberwa- chung, erfolgen.

Zusätzlich umfasst die Vorrichtung 1 im Bereich der Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n jeweils mindestens ein oder mehrere akustische Aufnahmeeinheiten 5 mit einem zugehörigen Aufnah- mebereich 10. Dabei dienen als akustische Aufnahmeeinheiten 5 insbesondere Schallwandler (auch Schallaufnehmer oder Schallempfänger genannt) , die Schallwellen in elektrische Signale umwandeln, wie z.B. ein Mikrofon, und/oder ein Schallpegelmesser, der zumindest einen Schallwandler, einen Filter und eine Auswerteeinheit, umfassen. Als Mikrofone werden beispielsweise zur überwachung von Leitungen 2.2 Körperschallmikrofone eingesetzt, welche direkt an der betreffenden Leitung 2.2 angeordnet sind. Alternativ oder zusätzlich können die Schallwandler oder Schallaufnehmer mittelbar mit der betreffenden Anlagenkomponente 2.1 bis 2.n verbunden sein, so dass der von der Anlagenkomponente 2.1 bis 2.n ausgehende Luftschall messbar ist. Hierzu können handelsübliche Mikrofone oder so genannte Piezo-Sensoren als akustische Aufnahmeeinheiten 5 eingesetzt werden.

Mittels der akustischen Aufnahmeeinheiten 5 werden die von einer Geräuschquelle, z.B. einem Mediumaustritt an einem Leck, einer im Betrieb befindlichen Armatur, an die Umgebung abgegebenen Schallwellen erfasst. Im Detail werden die im Aufnahmebereich 10 der jeweiligen akustischen Aufnahmeeinheit 5 auftretenden Schallemissionen erfasst, analysiert und lokalisiert. Dabei wird anhand der akustisch lokalisierten Schallemissionsbereiche die optische Aufnahmeeinheit 3 derart

gesteuert, dass diese die akustisch lokalisierten Schallemissionsbereichen der betreffenden Anlagenkomponente 2.1 bis 2.n zusätzlich optisch erfasst und analysiert.

Mit anderen Worten: Wird mittels mindestens einer der akustischen Aufnahmeeinheiten 5 eine Schallemission in einem nicht optisch erfassten Anlagenbereich identifiziert, so wird die optische Aufnahmeeinheit 3 entsprechend gesteuert, insbesondere in die Richtung bewegt, in welcher die Schallemission auftritt, so dass dieser Schallemissionsbereich zusätzlich optisch überwacht wird. Hierzu ist die optische Aufnahmeeinheit 3 in mindestens einem, vorzugsweise in mindestens drei Freiheitsgraden bewegbar. Beispielsweise kann die optische Aufnahmeeinheit 3 um ihre Längsachse gedreht und/oder entlang dieser geneigt werden. Auch kann die optische Aufnahmeeinheit 3 in ihrer Position bewegt, beispielsweise nach vorne, zur Seite, etc. bewegt, z.B. gerollt, werden. Hierzu ist die optische Aufnahmeeinheit 3 entsprechend gehalten oder gelagert .

Für eine sichere Identifizierung sowie Lokalisierung einer insbesondere eine kritische Situation repräsentierenden Schallemission, d.h. das ermittelte Geräuschsignal lässt auf eine Gefahrensituation schließen, wird mindestens ein Parame- ter der Schallemissionen bestimmt und analysiert. Anhand der Analyse des mindestens einen Parameter der Schallemissionen kann der Entstehungsort der Schallemission lokalisiert und die optische Aufnahmeeinheit 3 entsprechend ausgerichtet werden, so dass der Entstehungsort zusätzlich optisch erfasst und analysiert werden kann.

Zur Bestimmung und Analyse mindestens eines Parameters der Schallemissionen, d.h. der von der Geräuschquelle abgegebenen Schallwellen, ist bzw. sind die akustischen Aufnahmeeinhei- ten 5 mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden. Zusätzlich ist die mindestens eine optische Aufnahmeeinheit 3 ebenfalls mit der Auswerteeinheit 6 verbunden.

Im Ausführungsbeispiel sind die akustischen Aufnahmeeinheiten 5 und die optische Aufnahmeeinheit 3 über eine drahtgebundene Verbindung 9, z.B. ein Kabel oder eine serielle Datenübertragungseinheit, mit der Auswerteeinheit 6 verbunden. Auch kann eine andere geeignete Datenübertragungseinheit, insbesondere eine drahtlose Verbindung, z.B. eine Funkverbindung, eingesetzt werden.

In einer alternativen, nicht näher dargestellten Ausführungs- form der Erfindung kann die Auswerteeinheit 6 in einer der Aufnahmeeinheiten 5 oder in der optischen Aufnahmeeinheit 3 integriert sein, wobei dann die akustischen Aufnahmeeinheiten 5 und die optischen Aufnahmeeinheiten 3 miteinander verbunden sind.

Zur überwachung und Ausgabe der erfassten Bilddaten der optischen Aufnahmeeinheit 3 sowie zur Ausgabe von Meldungen, Warnungen und/oder Alarme im Fall einer Identifizierung einer Gefahrensituation ist die Auswerteeinheit 6 mit mindestens einer Ausgabeeinheit 7 beispielsweise über einen Datenbus 8 oder eine andere geeignete Datenübertragungseinheit verbunden. Beispielsweise ist die Ausgabeeinheit 7 ein Bildschirm in einer Anlagenwarte. Auch kann die Ausgabeeinheit 7 ein Lautsprecher oder ein anderes geeignetes Mittel sein. Zweck- mäßigerweise sind die Bilddaten und die Meldungen, Warnungen und/oder Alarme über geeignete Mittel optisch und/oder akustisch ausgebbar.

Im Betrieb der Vorrichtung 1 wird mindestens einer der Para- meter der Schallemissionen mittels einer oder mehrerer der akustischen Aufnahmeeinheit 5 erfasst und der Auswerteeinheit 6 zur Analyse zugeführt. Dabei werden als Parameter der Schallemissionen mindestens eine Frequenz, ein Frequenzbereich, eine Intensität und/oder eine Amplitude von Schallwel- len der Schallemissionen bestimmt und analysiert. Auch können Schalldruckpegel, Schallintensitätspegel und/oder ein anderer geeigneter Parameter der erfassten Schallwellen mittels in

der Auswerteeinheit 6 implementierter Auswertealgorithmen und/oder Filter analysiert werden.

Je nach Vorgabe können dabei die erfassten Parameter anhand eines Schwellwertvergleichs analysiert und auf über- und/oder Unterschreiten vorgegebener Schwellwerte überwacht werden. Wird ein vorgegebener Schwellwert über- und/oder unterschritten, so wird die optische Aufnahmeeinheit 3 entsprechend gesteuert, insbesondere bewegt.

Dabei kann zusätzlich anhand der Bestimmung des über- und/oder Unterschreitens eines oder mehrerer Schwellwerte eines oder mehrerer Parameter mittels der Auswerteeinheit 6 in Kombination mit den erfassten Bilddaten der anhand der a- kustischen Signale entsprechend ausgerichteten, optischen

Aufnahmeeinheit 3 beispielsweise eine Bewertung der Kritika- lität der Situation am Entstehungsort der Schallemission ausgeführt werden. Dies ermöglicht eine differenzierte Auswertung und Bestimmung der Gefahrensituation.

Darüber hinaus können bei der Auswertung neben der Kombination von akustisch und optisch erfassten Signalen auch Signale anderer Sensoren, wie beispielsweise Drucksensoren, Füllstandssensoren, erfasst und berücksichtigt werden. D.h. die Mikrofon- und Kamerasignalen können um weitere Signale, wie Drucksignale, Füllstandssignale, ergänzt werden. Dies ermöglicht beispielsweise eine gegenseitige Verifizierung der verschiedenartig erfassten Signalen zur sicheren und genauen Ermittlung der Situation, insbesondere zur Ermittlung, ob ein Leck in einem der Anlagenkomponenten 2.1 bis 2.n aufgetreten ist oder nicht.

Insbesondere können mechanisch angetriebene Anlagenkomponenten 2.3, wie beispielsweise eine Armatur, eine Pumpe, ein An- triebsmotor, ein Ventil, eine Klappe, auf mit dem mechanischen Antrieb verbundene charakteristische Schallentwicklungen und Schallemissionen untersucht und analysiert werden. So kann durch Analyse der entsprechenden Schallwellen ein Zu-

stand, insbesondere ein möglicher Verschleiß, ein Trockenlauf, eine Kavitation, eine Unwucht der Anlagenkomponente 2.3 identifiziert werden.

Alternativ oder zusätzlich können insbesondere zeitliche änderungen eines oder mehrerer Parameter der Schallwellen, insbesondere eines oder mehrerer veränderlicher Parameter ermittelt und analysiert werden. Als änderungen eines oder mehrerer Parameter können beispielsweise änderungen einer Fre- quenz, eines Frequenzbereichs, einer Intensität, einer Amplitude bestimmt werden. Auch können eine neu hinzukommende Frequenz und/oder ein neu hinzukommender Frequenzbereich und/oder mindestens eine entfallende Frequenz und/oder ein entfallender Frequenzbereich im erfassten Schallwellenbereich bestimmt werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung werden auch die erfassten änderungen mindestens eines der Parameter auf über- und/oder Unterschreiten mindestens eines vorgebbaren Schwell- wertes überwacht. Dies erlaubt in Analogie zur einfachen Parameterüberwachung eine weitere Auswertung der Kritikalität der erfassten Schallsignale und eine daraus resultierende Steuerung, insbesondere Bewegung der optischen Aufnahmeeinheit 3 und/oder eine anschließende Bewertung einer möglichen Gefahrensituation.

Nachfolgend werden einige Beispiele für Auswertungen und Bewertungen von erfassten Schallemissionen durch Schwellwertvergleich und/oder Schallmustervergleich näher beschrieben.

So kann beispielsweise eine erfasste änderung im Frequenzbereich der Schallwellen als änderung einer Drehzahl einer Anlagenkomponente 2.3, z.B. eines Aggregats, insbesondere einer Pumpe oder eines Motors, identifiziert werden.

Neu hinzukommenden Frequenzen im erfassten Schallwellenbereich können als ein Mediumaustritt aus der akustisch überwachten Anlagenkomponente 2.1 bis 2.n identifiziert werden.

Ein Entfallen von vorangegangenen erfassten Frequenzen im er- fassten Schallwellenbereich können hingegen als ein Ausfall einer der Anlagenkomponenten 2.3, z.B. eines Aggregats, insbesondere einer Pumpe oder eines Motors, identifiziert wer- den .

Eine Explosion und/oder ein Knall wird beispielsweise anhand einer änderung der Intensität und/oder Amplitude der erfassten Schallwellen und überschreiten von maximalen Schwellwer- ten identifiziert.

Wird eine der vorgenannten, akustisch ermittelten kritischen Situationen auch durch Auswertung der optisch erfassten Bilddaten des potentiellen Gefahrenbereichs identifiziert, so wird mittels der Auswerteeinheit 6 ein Steuersignal an die Ausgabeeinheit 7 gegeben, so dass gegebenenfalls zumindest eine Meldung, eine Warnung und/oder ein Alarm ausgegeben werden kann.