Gaslecks auf der Spur
Mit Schallkameras Lecks identifizieren und quantifizieren
Lecks zu erkennen, ist in vielen Anwendungen wichtig. Ein bekanntes Beispiel sind Druckluftsysteme, die in vielen Produktionsanlagen eingesetzt werden. Schallkameras können dazu beitragen herauszufinden, wie ernst die Lecks sind und wie ihre Behandlung priorisiert werden sollte.
Der Artikel geht unter anderem auf folgende Fragen ein:
- Warum ist die Lecksuche wichtig?
- Welche Faktoren beeinflussen die Erkennung von Lecks?
- Welche Komponenten verursachen häufig Lecks in Druckluftsystemen?
- Warum ist die Art des austretenden Gases wichtig?
- Wie funktionieren Schallkameras zur Lecksuche?
- Welche Rolle spielt die Entfernung bei der Schalllokalisierung?
- Wie werden Leckdaten quantifiziert?
- Welche Art von Lecks können Schallkameras identifizieren?
- Gibt es ein Reporting-Tool für die Leckdaten?
Die Fähigkeit, Lecks zu erkennen, ist in vielen Anwendungen wichtig. Ein bekanntes Beispiel sind Druckluftsysteme, die in vielen Produktionsanlagen eingesetzt werden. Die Kosten in Form von Ausfallzeiten, die durch diese Lecks verursacht werden, sind gut dokumentiert. Was jedoch oft nicht vollständig geklärt ist, sind die Ursachen für das Auftreten von Lecks und die besten Methoden, um sie a) zu lokalisieren und b) zu quantifizieren (mit anderen Worten, um herauszufinden, wie ernst sie sind und wie ihre Behandlung priorisiert werden sollte).
Faktoren, die Lecks verursachen und ihre Erkennung beeinträchtigen
So wie es viele Faktoren gibt, die Lecks verursachen können, gibt es auch viele, die sich auf deren Erkennung auswirken – einige von ihnen wirken unabhängig, andere in Verbindung mit anderen.
Der erste Faktor ist der Systemdruck. Das Leck ist umso größer, je höher der Systemdruck ist. Dies führt zu einer höheren Schall-/Geräuschintensität, was die Erkennung erleichtert (da Lecks Geräusche erzeugen). Zweitens: Je höher die Durchflussmenge eines Systems ist, desto größer ist das Leck, was ebenfalls die Schallintensität an der Leckstelle erhöht. Der dritte und vierte Faktor – die Größe und Form des Lochs, durch das die Luft entweicht – sollten zusammen betrachtet werden. Da es eine Vielzahl möglicher Luftlecks gibt, kann es schwierig sein zu verstehen, wie die Form und Größe eines Lochs die Erkennung beeinflusst.
Dies wird deutlich, wenn wir uns die Liste der Komponenten ansehen, die Ursachen für Lecks an Luftschläuchen und Luftschlauchverbindungen oder -kupplungen sein können. Dazu gehören verschlissene oder fehlende O-Ringe an Verbindungsstücken, nicht ordnungsgemäß installierte Filter, Öler und Regler, offene Abblasevorrichtungen, offene Kondensatabscheider, undichte oder verstopfte Abflüsse, fehlerhafte oder minderwertige Gewindedichtmittel oder falsch aufgetragene Gewindedichtmittel, Regel- und Absperrventile, verschlissene Dichtungen, alte oder schlecht gewartete Druckluftwerkzeuge sowie stillgelegte oder nicht genutzte Maschinen oder Produktionsanlagen.
| Wie erkennen Schallkameras Lecks? |
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| Im Wesentlichen erzeugt Druckluft, die in die Umgebungsatmosphäre entweicht, breitbandige Geräusche im hörbaren und Ultraschallfrequenzbereich. Geräte (wie die von Fluke) identifizieren die Art des Lecks und schätzen die Durchflussrate des Lecks auf der Grundlage des akustischen Inputs. |
Eigenschaften von Gasen
Das durch das Leck erzeugte Geräusch kann auch durch die Eigenschaften der austretenden Gase, einschließlich ihrer Dichte, beeinflusst werden. So bedeutet beispielsweise die geringe Dichte von Helium, dass der an der Leckstelle gemessene Schalldruckpegel im Vergleich zu Druckluft (unter der Annahme gleicher Durchflussraten und Drücke) niedriger ist. Viele Techniker vor Ort werden bestätigen, dass das Aufspüren eines Heliumlecks eine Herausforderung darstellt.
Eine weitere Eigenschaft von Gasen, die sich auf den Schalldruckpegel an der Leckstelle auswirken kann, ist die Viskosität, deren Einfluss jedoch geringer ist als der der Dichte. Gleichzeitig beeinflusst die Umgebungstemperatur die Dichte und die Viskosität, was wiederum den Schalldruckpegel an der Leckstelle beeinflusst. Mit steigender Umgebungstemperatur nimmt die kinetische Energie der Moleküle zu, was zu einer höheren Schallintensität an der Leckstelle führt. Hierbei ist zu beachten, dass eine Änderung der Umgebungstemperatur die Menge der von der Atmosphäre absorbierten Schallenergie beeinflussen kann. Bei niedrigen Frequenzen und kurzen Entfernungen ist der Einfluss der Temperatur auf die Luftabsorption vernachlässigbar, aber bei sehr hohen Frequenzen und großen Entfernungen kann der Schalldruckpegel erheblich gesenkt werden.
Die gleiche Formel gilt auch für die Luftfeuchtigkeit, die sich aufgrund der Luftabsorption auf den Schalldruckpegel auswirken kann, wobei die Auswirkungen bei sehr hohen Frequenzen und hoher Luftfeuchtigkeit besonders deutlich sind. Ebenso hat der Umgebungsdruck einen direkten Einfluss auf die Dichte eines Gases, und eine Verringerung des Umgebungsdrucks führt zu einer geringeren Dichte, was wiederum die Schallintensität am Leck verringert. Da jedoch die Luftdichte und der Gasdruck ähnliche, aber umgekehrte Auswirkungen auf die Schallgeschwindigkeit haben, macht der Umgebungsdruck keinen Unterschied zwischen dem Schalldruckpegel an der Leckstelle und dem an der Messstelle.
Ort und Intensität der Schallwellen
Wir haben festgestellt, dass bei einem Leck in einem unter Druck stehenden System die entweichenden Gasmoleküle (Luft) Turbulenzen verursachen, die wiederum zu schnellen Änderungen des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit führen. Da diese Veränderungen in Form von Schallwellen übertragen werden können, kann der Einsatz von Kameras zur akustischen Bildgebung das effektivste Mittel sein, um den Ort und die Intensität der Schallwellen zu ermitteln.
Beim Einsatz eines kamerabasierten Geräts zur Erkennung von Lecks kommt es auf die Entfernung zwischen Leck und Kamera an, da sie den gemessenen Schalldruckpegel direkt beeinflusst. Da sich der Schall von der Quelle in alle Richtungen ausbreitet, nimmt seine Intensität mit der Entfernung ab. Es wurde festgestellt, dass eine Verdoppelung des Abstands zwischen Schallquelle und Messposition die Schallintensität um 5 dB verringern kann.
Es wurde auch festgestellt, dass der Messwinkel die Wirksamkeit der Ultraschallsensoren eines Geräts beeinflusst, da der Schalldruckpegel, der durch ein Druckluftleck erzeugt wird, mit dem Messwinkel variiert. Es ist auch bekannt, dass laute Umgebungen die Leistungsfähigkeit von Schmalband-Ultraschallsensoren beeinträchtigen, so dass der Einsatz von Breitbandsensoren, die sowohl im hörbaren als auch im Ultraschallfrequenzbereich arbeiten, dem Bediener ermöglicht, diese Einschränkungen auszugleichen. Eine größere Flexibilität bei den Frequenzbereichen bedeutet auch, dass das Lecksuchsystem robuster ist.
| Schallkameras von Fluke |
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Die Schallkameras ii900 und ii910 von Fluke verfügen über 64 Mikrofone, die in einem bestimmten Array-Muster angeordnet sind. Eine Sichtkamera in der Mitte des Arrays liefert ein Bild der Szene. Die Geräte verwenden komplexe Algorithmen, um eine Schallkarte oder ein Bild der Schallquellen zu erzeugen und die erzeugte Schallkarte dann mit dem Bild zu überlagern. Je nach Position der Schallquelle im Sichtfeld der ii900/ii910 wird der Schall von den einzelnen Mikrofonen zu leicht unterschiedlichen Zeiten empfangen. Diese Zeitunterschiede ermöglichen die Lokalisierung der Schallquelle. Kommt der Schall von der rechten Seite des Geräts, empfangen die Mikrofone auf der rechten Seite des Arrays den Schall einen Bruchteil einer Sekunde früher als die Mikrofone auf der linken Seite. Die Fluke ii900 und ii910 identifizieren die Art des Lecks und schätzen die Durchflussrate des Lecks auf der Grundlage des akustischen Inputs. |
Klassifizierung der Art des Lecks
Die Schallkameras sind auch in der Lage, die erfassten akustischen Leckdaten zu klassifizieren, je nachdem, wo das Leck auftritt – ob es sich um einen Schlauch, ein offenes Ende, eine Schnellkupplung oder eine Gewindekupplung handelt.
Ein Schlauch ist ein flexibles Rohr, das sich leicht verlegen lässt und aus einem empfindlicheren Material besteht als ein Metall- oder Messingrohr. Das bedeutet, dass entlang der Schläuche, die einen Luftkompressor mit pneumatischen Geräten verbinden, einfach bestimmte Schnitte und Löcher angebracht werden können. Ein Leck am offenen Ende eines Rohrs oder einer Öffnung entsteht, wenn ein Schlauch-/Rohrleitungsabschnitt des Druckluftsystems offen bleibt. Schnellverschluss- oder Schnelltrennkupplungen beruhen auf Neigungen, die in eine Richtung gleiten und in der entgegengesetzten Richtung zugfest sind. Eine oder mehrere dieser inneren Neigungen werden in der Regel beschädigt, und die Druckluft tritt durch die Schnellkupplung aus. Die Luft verteilt sich in der Verschraubung, und die Richtung des Druckluftaustritts variiert je nach Verformung.
Schraubkupplungen werden am häufigsten am Endpunkt eines Druckluftsystems verwendet. Die Endkappen mit Gewinde müssen sorgfältig platziert und hinsichtlich der Anzahl der Gewinde, die in das Endrohr gleiten müssen, richtig eingestellt werden. Manchmal kann es vorkommen, dass Techniker diese Endabschnitte lockern oder dass sich die Endkappen mit Gewinde bei mehrfacher Verwendung verformen. In solchen Fällen entweicht die Druckluft durch die Endkappe, was sich nachteilig auf die Effizienz des Systems auswirkt.
Index zur Quantifizierung der Leckrate
Die Quantifizierung der Leckrate ist nicht nur entscheidend, um die Effizienz eines Druckluftsystems aufrechtzuerhalten, sondern die damit verbundene Berichtsfunktion trägt auch dazu bei, die Kommunikation zwischen den Wartungstechnikern zu beschleunigen.
Schallkameras, wie die von Fluke, sind in der Regel tragbare Geräte, die Schwierigkeiten bei der Lecksuche und -quantifizierung kompensieren. Sie liefern auf der Grundlage der erfassten akustischen Daten eine Schätzung der Durchflussrate an der Leckstelle. Da jede Art von Leck unterschiedliche akustische Merkmale aufweist, gibt es für jeden Typ einen Algorithmus zur Vorhersage der Durchflussrate. Daher werden die Algorithmen zur Schätzung der Durchflussrate nach der Klassifizierungsphase verwendet. Die vorhergesagte Durchflussrate einer Leckart wird in den Leckraten-Quantifizierungsindex (LRQ) umgewandelt, der einen Wert zwischen 0 und 10 hat. Höhere LRQ-Werte deuten auf eine größere Durchflussmenge an der Leckstelle hin, was bedeutet, dass möglicherweise Reparaturen erforderlich sind. Wenn die Messergebnisse in das Online-Berichtstool geladen werden, werden die Kosten des Lecks, die damit verbundenen Energieverluste und sogar die geschätzten CO2-Emissionen berechnet. Dies hilft den Wartungsteams, ihre Reparaturmaßnahmen zu priorisieren.
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