Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur zerstörungsfreien Prüfung einer Probe unter Einsatz einer Kombination an Sensoren und Funkeinheiten, die eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen, unter Bereitstellung von Daten, die durch zerstörungsfreie Prüfung erhalten werden. Korrespondierend dazu stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung einer Probe unter Einsatz einer Kombination an Sensoren und Funkeinheiten, die eine kontinuierliche Überwachung ermöglichen, unter Bereitstellung von Daten, die durch zerstörungsfreie Prüfung erhalten werden, zur Verfügung.

Stand der Technik

Faserverstärkte Hohlkörper, wie Rohre oder Reaktoren werden weit verbreitet in der chemischen Industrie eingesetzt. Häufig sind die darin zu transportierenden Materialien bzw. die darin durchzuführenden Reaktionen dergestalt, das eine kontinuierliche Strukturüberwachung notwendig ist, um das sicherzustellen, dass keine Leckagen etc. auftreten, bei denen giftige oder auf andere Art und Wese gefährliche Stoffe oder Mischungen austreten. Manuelle Überwachungsprozesse sind dabei personal-, zeit- und kostenaufwändig, da für eine ausreichend genaue Prüfung häufig die zu überwachenden Anlagen abgeschaltet und teilweise entleert werden müssen oder Messgeräte installiert werden müssen (aufwändige konventionelle Überwachungsmethoden sind beispielweise externe visuelle Überwachung, Überwachung durch Lichteinstrahlung von außen, endoskopische Kamerainspektion, Überwachung mit Röntgenstrahlen). Erst dann kann die Prüfung erfolgen, die häufig auch nicht zerstörungsfrei verlaufen kann, da zur Überprüfung ggf. Probenstücke aus einer Anlage entfernt und dann analysiert werden. Durch derartige Überwachungs- und Prüfungsverläufe ist es darüber hinaus schwierig im laufenden Betrieb sicher abzuschätzen, wann ein Bauteil einer Anlage ausgetauscht werden muss, da die notwendige Strukturintegrität nicht länger gewährleistet ist. Diese Unsicherheit führt zu hohen Kosten, da einerseits Teile früher ausgetauscht werden als notwendig (um die Anlagensicherheit zu gewährleisten) und andererseits die manuellen Prüfungen in kürzeren Intervallen erfolgen.

Im Bereich der Strukturüberwachung (im folgenden auch structural health monitoring / SHM) sind inzwischen zerstörungsfreie Techniken entwickelt worden, beispielsweise im Bereich Flugzeugbau Die zerstörungsfreie Prüfung ermöglicht das Erkennen verschiedener Arten und Größen von Defekten und darüber das Bestimmen der Matenaleigenschaften. Herkömmliche Techniken der zerstörungsfreien Prüfung von Proben, wie etwa faserverstärkte Kunststoffe, umfassen Ultraschall- und Thermografieprüfungen. Bei der im Impuls-Echo-Modus durchgeführten zerstörungsfreien Prüfung durch Ultraschall durchläuft beispielsweise ein Impuls die Probe und wird von der gegenüberliegenden Oberfläche der Probe reflektiert. Defekte innerhalb der Probe reflektieren, absorbieren oder zerstreuen den Impuls derart, dass ein Impuls-Echo von der gegenüberliegenden Probenoberfläche der Probe verringert wird. Wichtig ist eine derartige Überwachung, auch Structural Health Monitoring (SHM) genannt, im Bereich der faserverstärkten Kohlenstoffstrukturen. Derartige Faserverbundku nststoff e sind Werkstoffe, die aus Verstärkungsfasern bestehen, welche in einer Kunststoffmatrix eingebettet sind. Problematisch bei derartigen Strukturen sind die Schadensreaktion und die Schadensüberwachung. Es sind in diesem Zusammenhang SHM- Methoden bekannt, bei denen mit gesondert eingesetzten Elementen Messsignale erfasst werden. Eine derartige Signalerfassung erfolgt sowohl an ruhenden Strukturen als auch sich im Einsatz befindlichen Strukturen.

Aufgabe der Erfindung

Aufgrund der Relevanz von derartigen Strukturüberwachungen beispielsweise bei Rohren und Reaktoren aus Faserverbundkunststoffen die in der chemischen Industrie weitverbreitet eingesetzt werden, werden verbesserte Systeme zum SHM nachgefragt. Häufig werden in derartigen Rohren und Reaktoren stark korrodierende und/oder giftige Zusammensetzungen transportiert und umgesetzt, so dass eine genaue Überwachung der Strukturintegrität wichtig ist, um Schadensfälle zu vermeiden. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die Heterogenität des Faserverbundwerkstoffes (z.B. hergestellt mit Resin Transfer Moulding aus Multi-Axial- Gelege bzw. trockener Wickelung und/oder nasser teilautomatisierter Handwickelung) dar.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein System und Verfahren zur Strukturüberwachung anzugeben, welches zerstörungsfrei die Strukturintegrität in derartigen Anlagen bzw. an derartigen Bauteilen überwacht und die dabei ermittelten Daten an eine zentrale Datenverarbeitungseinheit übermittelt, so dass eine automatische und kontinuierliche Erfassung und Auswertung möglich wird.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße System zur zerstörungsfreien Zustandsüberwachung umfasst daher die in Anspruch 1 definierten Komponenten. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Der Fachmann wird auf der Grundlage der nachfolgenden Beschrei- bung, die zusätzlichen bevorzugte Ausführungsformen enthält, nachvollziehen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die konkret beschriebenen Merkmalskombinationen festgelegt ist sondern sich für den Fachmann weitere Kombinationen und Ausgestaltungen ergeben, die hier mit umfasst und geschützt sind.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das erfindungsgemäße System umfasst mindestens ein Bauwerk, wie einen Hohlkörper (Rohr, Leitung, Reaktor) oder Ähnliches, der aus einem faserverstärkten Kunststoff-Werkstoff hergestellt ist. Dies ist das Bauteil, das überwacht werden soll. Dieser Hohlkörper ist weiterhin mit einem Sensor ausgerüstet, der formschlüssig mit der zu überwachenden Struktur aus Faserverbundkunststoff verbunden ist.

Dieser Sensor kann beispielsweise ein PWAS Sensor (piezoelectric wafer active sensor) sein. Dieser Sensor ist zur Erfassung von Strukturintegritätsdaten geeignet und basiert auf PWAS geführten Wellen im Mehrschichtverbund. Vorteilhaft ist dabei, dass einseitige Zugänglichkeit für eine Strukturüberwachung völlig hinreichend ist. Derartigen Sensoren werden erfindungsgemäß formschlüssig mit dem zu überwachenden Bauteil verbunden, wobei dies bereits bei der Konstruktion des Bauteils erfolgen kann. Allerdings ist auch eine Nachrüstung bereits installierter Bauteile möglich. Als geeignet hat sich hierbei eine Auflaminierung und Verkapselung mit Epoxid-Materia- lien erwiesen.

Der Sensor kann dann durch Einsatz geeigneter Impulse (beispielsweise Lamb-Wellen) quantitative Daten erfassen, wie ein gemessener Anstieg der Dämpfung sowie Abfall der Phasengeschwindigkeit. Derartige Effekte korrelieren mit den konventionellen Indikatoren für globale Ermüdungsschädigung, Zwischenfaserrissdichte und resultierende Steifigkeitsdegradation. Derartige Strukturstörungen infolge statischer und dynamischer (Über)Belastung führen zu Mikrorissen, die beispielsweise ein unter Druck stehendes bzw. erwärmtes Medium aufnehmen (wie beispielsweise aggressive Medien, die in derartigen Bauwerken und Hohlkörpern gelagert, reagiert oder transportiert werden. Dadurch kommt es zu Degradationserscheinungen, die in letzter Konsequenz zur Zerstörung führen (Platzen, Leckage etc.). Es hat sich gezeigt, dass die Streuung an Grenzflächen mit der Zunahme der Rissdichte ansteigt, was zu einem Dämpfungsanstieg der Welle führt. Der Zusammenhang zwischen Steifigkeitsdegradation und Abnahme der Phasengeschwindigkeit wird durch die Berechnung von Dispersionskurven mit der Globalmatrixmethode analysiert, wobei die Steifigkeitsdegradation einzelner Lagen mit einem bereits vorhandenen Modell aus den beobachteten Rissdichten ermittelt wird. Abrasterung mit geführten Lamb Wellen erlaubt so die Charakterisierung lokaler Defekte. Das Verfahren eignet sich, um den Effekt dieser Defekte auf die Ermüdungsmechanismen während der zyklischen Belastung im laufenden Betrieb zerstörungsfrei zu verfolgen. Darüber können Daten generiert werden, die zur Bewertung der Degeneration, der statischen Belastung und der dynamischen Belastung herangezogen werden können (in Ausführungsformen kann diese Bewertung quasi in Echtzeit erfolgen).

Die Datenauswertung erfolgt dann beispielsweise auf Grundlage des Verfahrens der Schallemissionsanalyse (SEA), das auf der Detektion elastischer Wellen basiert, die durch Versagensereignisse wie Zwischenfaserbruch, Faserbruch oder Delamination in das Faserverbundbauteil ausgesendet werden. Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Systems ist in der unmittelbaren Erfassung von Schädigungsereignissen zu sehen, die lokal eine spontane Freisetzung von Verformungsenergie zur Folge haben. Die Herausforderung, aus Amplitude und Frequenz der akustischen Signale auf die Art und Schwere der Schädigung zurückzuschließen, konnte erfindungsgemäß durch den Einsatz akustischer (bevorzugt piezoelektrischer) Sensoren, erfolgreich überwunden werden. Eine Sensorform die hierzu bevorzugt zum Einsatz kommt ist, das Aktor und Sensor in einem Element arbeiten.

Die Datenerfassung in einer solchen Aktor/Sensor Einheit erfolgt im Rahmen der Resonanz. Aufgrund der Anisotropie des Faserverbundmaterials wird also bevorzugt nicht mit einer konstanten Frequenz evaluiert sondern das System kalibriert sich bevorzugt immer auf die Frequenz, bei der die höchste Amplitude vorliegt. Dies ist durch die Bidirektionalität der Aktor/Sensor Einheit gewährleistet. So kann eine außerordentlich genaue Messdatenerfassung erfolgen.

Gleichzeitig ist dieser Sensor mit einer ebenfalls auf der zu überwachenden Struktur vorgesehenen Controller und/oder Funkeinheit verbunden. Diese Komponenten dienen der Datenübertragung auf ein zentrales Datenerfassungs- und Datenauswertungssystem. Gleichzeitig kann dabei bereits eine Triggerschwelle berücksichtigt werden, so dass beispielsweise beim Überschreiten eines bestimmten Levels automatisierte Meldungen, optional über eine zwischengeschaltete Da- tenverarbeitungs- und -Speichereinheit, an Endgeräte (Tablet/Smartphone etc.) übermittelt werden. Die Einheit aus Sensor und Funkeinheit ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass ein Langzeitgebrauch möglich ist. Dazu kann diese Einheit mit einer Batterie zur ausreichend langen Energieversorgung ausgestattet sein. So können mehrjährige Einsatzzeiten gesichert werden. Das zentrale Datenerfassungssystem kann ein Cloud basiertes System oder auch ein Application Server sein, so dass eine starke räumliche Trennung möglich ist und beispielsweise so optimal Rechnerkapazitäten ausgenutzt werden können. Gegebenenfalls können sogenannte Gateway- Einrichtungen zwischengeschaltet sein, um so die Daten einer Vielzahl an Sensoren komplett an die Datenerfassungs- und Datenauswertungseinheit zu übermitteln. Das erfindungsgemäße System kann natürlich eine Vielzahl an derartigen Sensoren umfassen, so dass die Überwachung einer größeren Anlage möglich wird. Bei großen (weitläufigen) zu überwachenden Anlagen, bei denen ggf. nicht sichergestellt werden kann, dass die Daten von den einzelnen Sensoren sicher auf eine zentrale Einheit übertragen werden können (da die Entfernung für eine sichere drahtlose Übertragung zu weit ist), können einzelne Bereiche der Anlage mit individuellen Empfängern (Gateway-Installationen) ausgerüstet werden so dass auch weitläufige Anlagen sicher überwacht werden können. Es entstehen so aneinandergrenzende oder sich überlappende Bereiche in denen die individuellen Sensoren mit den jeweiligen Gateway-Installationen kommunizieren können, so dass alle gewonnen Daten sicher übermittelt werden können. Derartige Systeme werden erfindungsgemäß LoRaWAN Systeme genannt, also„long ränge wide area network' -Systeme. Damit können beispielsweise LoRaWAN Funkdaten in ein 3G/4G Netz umgesetzt werden. Dies ermöglicht die Weiterleitung derartiger (sensibler) Daten mit einem hohen Sicherheitsstandart (wie AES 128).

Derartige Überwachungssysteme umfassen also eine Vielzahl an Sensoren, die jeweils mit einer Funkeinheit zur drahtlosen Datenübertragung ausgestattet und formschlüssig mit den zu überwachenden Bauwerken/Hohlkörpern verbunden sind. Weiterhin umfasst ein derartiges System, abhängig von der Größe der Anlage mindestens eine Gateway-Installation zum Empfang der Daten (und Weiterleitung dieser an eine zentrale Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinheit). Die Daten der mehreren Sensoreinheiten können so zentral verarbeitet werden. Da die Sensoren kontinuierlich die Daten erfassen und in geeigneter Weise kontinuierlich übermitteln, kann so die zentrale Datenerfassungs- und Datenverarbeitungseinheit kontinuierlich die empfangenen Daten verarbeiten, um aus den Rohdaten die für die Strukturüberwachung notwendigen Informationen her- auszufiltern. Die in diesem Zusammenhang einzusetzenden Datenverarbeitungsprogramme sind dem Fachmann geläufig.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen SHM Methode und damit des erfindungsgemäßen Systems gegenüber klassischen Verfahren ist, dass sie prinzipiell jederzeit Anhaltspunkte über die Funktionsfähigkeit einer Komponente liefern können und/oder die Entstehung von Fehlstellen in Echtzeit kontinuierlich verfolgen, so dass über eine geeignete Steuerung der Auswertung eine Alarmie- rungsfunktion sichergestellt werden kann. Je nach Verfahren der Datenauswertung lässt sich auch der Belastungszustand kontinuierlich beschreiben (im folgenden auch CMS,„condition monitoring System ). Aufgrund der kontinuierlichen Strukturüberwachung kann ein derartiges System im laufenden Betrieb einer Anlage also rechtzeitig auf entstehende Schwachstellen hinweisen, so dass Wartungsarbeiten und Reparaturen gezielter durchgeführt werden können. Da die Überwachung kontinuierlich im laufenden Betrieb erfolgt können so unerwünschte Stilstandzeiten vermieden werden. Dieses System kann auch derartig ausgestaltet sein, dass beispielsweise Warnhinweise bei sich abzeichnenden Schwach- oder Problemstellen automatisch an das für einen bestimmten Anlagenteil verantwortliche Personal übermittelt werden, so dass dann die notwendigen weiteren Schritte ohne Verzögerung eingeleitet werden können. Das System kann dabei auch in Ausgestaltungen automatisch die einzuleitenden Schritte vorschlagen und beispielsweise Materialbestellungen etc. vornehmen.

Auf diese Art und Weise kann ohne Abschalten der zu überwachenden Anlage kontinuierlich eine Überwachung stattfinden, ohne dass dafür Personal erforderlich ist, da die Sensoren und Funkeinheiten die Datengenerierung, Datenübermittlung und Datenerfassung und Auswertung selbstständig durchführen. In Übereinstimmung mit anwendungsspezifisch ausgewählten Voreinstellungen kann dann das System auf der Grundlage der empfangenen Daten kontinuierlich Zustands- berichte übermitteln, so dass notwendige Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten rechtzeitig geplant und in Übereinstimmung beispielsweise mit üblichen Abschaltungen (für Reinigungsvorgänge o- der bei der Umstellung auf andere Reaktionen/Materialien) durchgeführt werden können. Somit verringert sich insbesondere auch der Zeitaufwand für derartige Wartungen und Reparaturen, da diese besser geplant werden können. Durch die kontinuierliche Überwachung der Anlage werden darüber hinaus die wartungsrelevanten Strukturdaten kontinuierlich erfasst und ausgewertet, so dass häufig bereits weit im Voraus absehbar ist, wann spätestens Wartungs- und Reparaturarbeiten durchzuführen sind. Auch dies vereinfacht den Arbeitsablauf in derartigen Anlagen.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Systems, dass eine kontaktlose Datenübertragung umfasst, können darüber hinaus aufwendige Verkabelungen vermieden werden, die sowohl arbeitsintensiv als auch kostenaufwendig sind. Durch den Einsatz bekannter Sensortechniken können auch weitläufige Anlagen kontinuierlich überwacht werden, da die zum Einsatz kommenden Funkmodule eine sichere Datenübermittlung auch über Funkstrecken von mehreren Kilometern sicher ermöglichen.

Es hat sich gezeigt, dass sich mit einem vorstehend beschriebenen System Bauteile und auch ganze Anlagen aus faserverstärkten Kunststoff-Werkstoffen sicher überwachen lassen. Dabei können sowohl einlagige als auch mehrlagige Faserverbundkunststoffe zum Einsatz kommen (also überwacht werden). Die Art des Kunststoffes sowie die Art der Verstärkungsfaser sind dabei nicht kritisch. Als besonders geeignet hat sich das erfindungsgemäße System bei mit Glasfaser verstärkten Kunststoffbauteilen erwiesen. Dabei können Bauwerke/Hohlkörper mit unterschiedlichen Wandstärken und Durchmessern problemlos überwacht werden, beispielsweise Rohre, wie sie typischer Weise in der Chlorchemie zum Einsatz kommen, mit Wandstärken von einigen Millimetern und Durchmessern von einigen Zoll.

Das erfindungsgemäße System eignet sich zur Überwachung von kritischen Stellen einer Anlage/eines Bauteils, allerdings kann auch eine komplette Anlage überwacht werden. Hierfür ist lediglich erforderlich, dass eine ausreichende Anzahl an Sensoren auf der Anlage angebracht wird. Mit den vorstehend als bevorzugt offenbarten PWAS Sensoren (SHM mit Lamb Wellen) ist es ausreichend bei einer Anlage die Sensoren so zu verteilen, dass der Abstand zwischen den einzelnen Sensoren im Bereich von 1 bis 5 Metern, bevorzugt 1 bis 3 Metern liegt. Darüber lässt sich eine vollständige kontinuierliche Strukturüberwachung (SHM und CMS) sicherstellen.

Im Hinblick auf die Einstellung der Sensoren hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse erhalten werden, wenn nach Installation eine Kalibrierung erfolgt. Diese Kalibrierung zielt darauf ab, die Meßfrequenz zu finden, bei der das erhaltene Signal am stärksten ist, also die Amplitude maxi- miert wird. Dies ist in typischer Weise gegeben, wenn die Meßfrequenz dem Resonanzfall korrespondiert. Dadurch können ausreichend starke und gut interpretierbare Signale erhalten werden, so dass die Strukturüberwachung mit ausgezeichneter Zuverlässigkeit betrieben werden kann.

Wie bereits ausgeführt erfolgt die Datenauswertung auf der Grundlage der übermittelten Rohdaten in einer zentralen Datenverarbeitungseinheit unter Einsatz einer analytischen Software zur Datenverarbeitung. Aufgrund der kontinuierlichen und automatischen Datenerfassung und Datenauswertung kann das System derart ausgestaltet werden, dass die ermittelten Zustandsinformationen automatisch an die intendierten Empfänger (Wartungspersonal, aber auch Datenablage/Datenspeicherung) übermittelt werden, beispielsweise durch drahtlose Übermittlung auf Endnutzergeräte (Smartphone/Tablet/Laptop etc.). Letztendlich wird dadurch ein System zur Zustand- süberwachung bereitgestellt, das kontinuierlich, über einen langen Zeitraum und zerstörungsfrei Zustandsdaten generiert, diese automatisch und drahtlos und eine Datenerfassungs- und -aus- wertungseinheit übermittelt, und anschließend die Zustandsinformationen und ggf. auch Handlungsvorschläge (Wartungsintervalle, konkrete Wartungs- oder Reparaturarbeiten) übermittelt. Dadurch entsteht ein kommunizierendes System, in dem ein zu überwachendes Bauteil durch die Sensor- und Funkeinheit selbstständig und kontinuierlich Zustandsdaten übermittelt. Die in diesem Rahmen gewonnen Daten können beispielsweise automatisierte Alarmierungen bei Verlust (oder drohendem Verlust, der jeweilige threshhold kann individuell angepasst werden) der strukturellen Integrität übermitteln, per Email, SMS und weitere typische elektronische Nachrichtenformen.

Die vorstehenden Ausführungen, die auf die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems abstellen sind für den Fachmann ohne weiteres auf das erfindungsgemäße Verfahren übertragbar. Dieses umfasst insbesondere die Anbringung der vorstehend beschriebenen Sensor- bzw. Funkeinheit, vorzugsweise durch Laminierung oder Verkapselung, beispielsweise mit Epoxyd. Die Übertragung von Signalen vom Sensor und auch die Übermittlung beispielsweise an mobile Endgeräte werden erfindungsgemäß durch im Prinzip bekannte Protokolle sichergestellt. Hier kann, je nach Einsatzsituation das System und auch das Verfahren einfach an die spezifischen Umstände angepasst werden. Dies ist ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung, da im Prinzip ein Baukastensystem zur Verfügung gestellt wird, das einfach adaptierbar ist, dabei gleichzeitig aber eine einfache und zuverlässige Zustandsüberwachung ermöglicht.