VGB POWERTECH Issue 1/2 (2020)

VGB PowerTech 1/2 l 2020
Identifizierung von Leckagen in Kraftwerken
der Ultraschalltechnologie anhand des Beispiels
eines kombinierten Wärme-Kraftwerks
in Spanien beschrieben. Abschließend
werden die wichtigsten Punkte kurz
zusammengefasst.
Passive akustische Bildgebung
(a)
(b)
Die passive akustische Bildgebung beruht
auf der Detektion von Ultraschall mit Hilfe
einer Vielzahl von Ultraschallsensoren
(Mikrophonen), die auf einer Empfängeroberfläche
angeordnet sind. Durch die Anordnung
der Sensoren wird das Schallsignal
von jedem Mikrophon – je nach Position
der Schallquelle zum Empfänger – zu
einem anderem Zeitpunkt detektiert. Die
resultierenden Zeitdifferenzen liegen im
Bereich von Mikrosekunden und sind dennoch
ausreichend, um die Schallquelle zu
lokalisieren und ein so genanntes akustisches
Bild zu erzeugen. Solche akustischen
Bilder werden in einer akustischen Kamera
mit optischen Bildern des Inspektionsbereiches
überlagert. Somit ist es möglich
die Position der Schallquelle, z.B. eine Leckage,
im untersuchten Bereich genau zu
lokalisieren. Die Anzahl der Mikrophone
und deren Anordnung bestimmen die
räumliche Auflösung, die maximale Detektionsfrequenz
sowie den maximalen akustischen
Kontrast. Typische akustische Kameras
erlauben einen Abstand zwischen
Detektor und Schallquellen von 0,3 bis
50 m. Dadurch können Leckagen aus sicherer
Entfernung detektiert werden. Der Detektionsmechanismus
ist passiv, d.h. nur
fehlerhafte Elemente, die Ultraschallwellen
mit genügend hoher Amplitude ausstrahlen
und die den Detektor auf direkten
oder indirektem Weg erreichen, werden
abgebildet.
Entstehung und Ausbreitung von
Ultraschallwellen
Werden Molekülen zu Schwingungen (typischerweise
Druckschwankungen) mit
einer Frequenz über 20 kHz angeregt, entstehen
Ultraschallwellen. Damit diese sich
weiter ausbreiten können, benötigen sie
ein elastisches Medium, im idealen Vakuum
ist deshalb keine Schallübertragung
möglich. Schallwellen mit einer Frequenz
von 100 kHz und höher werden durch Luft
stark absorbiert und eignen sich weniger
gut zur Detektion von Leckagen aus der Distanz.
In Gasen oder Flüssigkeiten breiten
sich die Schallwellen kreisförmig als Longitudinalwellen
aus. In Festkörpern treten
auch Transversalwellen auf. Treffen Schallwellen
auf ein Hindernis, beispielsweise
eine Wand, werden sie je nach Beschaffenheit
der Oberfläche absorbiert, durchgelassen
und/oder reflektiert. Bei einer Reflexion
gilt, dass der Ausfallswinkel gleich dem
Einfallswinkel ist. Auch Brechung, Beugung
und Interferenzeffekte können teilweise
beobachtet werden. Solche Effekte
können die Messung stören, jedoch auch
(c)
Bild 1. Ultraschallquellen (markiert durch die roten Pfeile) in einem Kraftwerk. (a) Zwei Leckagen
an einer Aerioderivative Gasturbine, (b) Teilentladungen an einem elektrischem
Schaltwerk, (c) Friktion an rotierenden Komponenten, (d) Fließrauschen in Leitungen.
wertvolle Zusatzinformation liefern. Ein
typisches Beispiel hierfür ist die Erkennung
einer Leckage durch Detektion eines
Echos einer nicht direkt zugänglichen
Schallquelle.
In Kraftwerken gibt es eine Vielzahl von
Lärmquellen die Ultraschallwellen hervorrufen.
Hohe Priorität bei der Überprüfung
von Kraftwerken haben beispielsweise Leckagen
an Hochdrucksystemen oder Vakuumleckagen
an Kondensatoren für Dampfturbinen.
In diesem Fall strömt ein unter
hohem Druck stehendes Medium in einen
Bereich des tieferen Drucks. An der Grenzfläche
entstehen Turbulenzen, die Ultraschallwellen
auslösen. Die Intensität der
Schallwelle ist dabei vom Druckunterschied
der beiden Regionen abhängig. Die
Schallfrequenzen sind häufig breit verteilt
in einem Bereich von 15 bis 100 kHz,
abhängig von der Größe und Form der Leckage.
Primärquelle
Zusätzlich können andere Mechanismen
Ultraschallwellen hervorrufen. Beispiele
sind Turbulenzen in Gasleitungen, hochfrequenter
Maschinenlärm (z.B. Vibration
von Pumpen oder Friktion in rotierenden
Komponenten), elektrische Teilentladungen
oder auch Menschen Echo (Stimmen, Rei-
Primärquelle
Echo
(d)
Empfänger
Bild 2. Funktionsprinzip einer akustischen Kamera.
bung auf Kleidung, Schritte). Auch elektronische
Komponenten können Ultraschallwellen
erzeugen. Bei der Inspektion eines
Kraftwerks durch passive Ultraschalltechnologie
ist es daher wichtig den genauen
Ursprung der Schallquellen zu verifizieren.
Einige Beispiele für Ultraschallquellen sind
in B i l d 1 gezeigt.
Detektion von Ultraschallwellen –
Funktionsprinzip der akustischen
Kamera
ALT
Diese kleinen Laufzeitunterschiede
optisches Bildkön-
nen genutzt werden, um die Quellen des
Ultraschalls durch geometrische Überle-
Treffen primäre oder reflektierte Schallwellen
auf einen Ultraschallsensor, z.B. ein
Mikrophon, können diese in elektrische
Signale umgewandelt und das gemessene
Signal weiter verarbeitet werden. Die passive
Ultraschallkamera ist auf diesem Prinzip
aufgebaut und in B i l d 2 skizziert. Dabei
wird nicht nur ein Sensor verwendet,
sondern eine Anordnung einer Vielzahl
(Mikrophone und
von optische Sensoren. Kamera) Durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit
Signalverarbeitung der Schallwellen entsteht an
Sensoren, die weiter von der Quelle entfernt
sind ein leicht zeitverzögertes Akustisch-
Signal.
Empfänger
(Mikrophone und
optische Kamera)
Signalverarbeitung
Akustischoptisches
Bild
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