DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Radiometrische Füllstand-Kontrolle an Rohrleitungen

J. Gerl, F. Ameil, GFE mbH, Dietzenbach
P. Rost, M. Schmid, BASF AG, Ludwigshafen
Kontakt: J. Gerl

Zur Kontrolle des Füllstands von flüssigen Medien in Rohrleitungen wurde ein neuartiges Prüfgerät entwickelt. Es basiert auf der Comptonstreuung von g -Quanten an Materie. Als g -Emitter dient eine 22Na-Quelle, deren Aktivität unterhalb der Strahlenschutz-Freigrenze liegt. In mehr als 3000 Testmessungen wurde das Prüfgerät an Stahl- und GfK-Rohren mit Nennweiten von DN 25 bis DN 500 und Wanddicken bis zu 12 mm untersucht. Die mittlere Abweichung der ermittelten Füllstandwerte von den tatsächlichen betrug 1,5 mm bis 8 mm für Füllstände <50 mm und Wanddicken bis 8 mm (Stahl). Hervorzuheben ist, daßdas Verfahren bei jedem Rohrwerkstoff und beliebigen flüssigen Medien einsetzbar ist, wobei die Meßergebnisse weder von der Fließgeschwindigkeit noch von etwaigen Gasblasen beeinflusst werden. Das Prüfgerät ist einfach handhabbar und kann von eingewiesenem Personal eingesetzt werden.

Keywords:
Füllstand Prüfung, Radiometrie

1. Prüfproblem und Prototyp Füllstatusprüfgerät

Abb 1: Der Prototyp des Füllstatus-Prüfgeräts, bestehend aus der Kontrolleinheit und der Detektoreinheit.

In chemischen Betriebsanlagen sind die Anlagenkomponenten mit Rohrleitungen verbunden. Vor Montagearbeiten muss sichergestellt sein, dass sich keine Medien in den Rohrleitungen befinden. Eine vorherige Füllstandskontrolle ist aus Gründen der Arbeitssicherheit ergänzend zum bestehenden Abmeldeprocedere besonders dann wichtig, wenn Rohrleitungen mit kritischen Medien geöffnet werden sollen. Hierfür haben GFE mbH und BASF AG in einem gemeinsamen Projekt ein mobiles, einfach handhabbares Füllstatus-Prüfgerät entwickelt, das nachfolgend beschrieben ist.

Das Prüfgerät besteht aus zwei Komponenten, der Detektoreinheit mit den Detektorelementen und ihrer Analogelektronik, sowie dem kollimierten 22Na Strahler, und der Rechnereinheit mit der digitalen Auswerteelektronik, einem Embedded-PC und der Batteriestromversorgung. Die Akivität der g -Quelleliegt weit unterhalb der Strahlenschutz-Freigrenze, so dass für den Betrieb keine Umgangsgenehmigung und keine Schutzmaßnahmen erforderlich sind.

1.1. Das Prinzip
Bei der g-Rückstreuung, dem Meßprinzip des Füllstatus-Prüfgeräts, nutzt man den Comptoneffekt, der bewirkt, das g-Quanten bei ihrer Wechsel-wirkung mit Materie gestreut werden. Die Streuintensität hängt dabei von der g -Energie, sowie der Ordnungszahl und der Dichte (Zahl der Streuzentren) des jeweiligen Streumediums ab, während die verbleibende Energie des g-Quants vom Streuwinkel abhängt. Insbesondere bei leichten Streumedien dominieren Mehrfachstreuungen. Eine weitere relevante Wechselwirkungsart ist der Photoeffekt, der die vollständige Absorption eines g-Quants bewirkt. Die Absorptionswahrscheinlichkeit hängt wiederum von der g-Energie und der Ordnungszahl und Dichte (Zahl der Streuzentren) des Mediums ab.

Die genannten Abhängigkeiten führen zu charakteristischen Intensitäten und Energieverteilungen gestreuter g-Quanten, die prinzipiell die Bestimmung der Elementzusammensetzung und der Geometrie der Streumedien erlauben.

Die benötigte Meßanordnung besteht aus einer g -Quelle, die nahe an dem zu vermessenden Objekt plaziert wird, und einer Anordnung von g -Detektoren, die die unter verschiedenen Winkeln gestreuten Quanten nachweisen. In Abb. 2. ist die schematische Anordnung der Detektoren und der Quelle und die praktische Realisierung für den Prototyp gezeigt.

Abb 2: Schematische Detektoranordnung bei der Messung und die mit dem Prototyp realisierte Anordnung.

Um im vorliegenden Fall die Füllstandshöhe eines flüssigen Mediums in einem Rohr bestimmen zu können, müssen aus den Meßgrößen gleichzeitig die geometrischen Eigenschaften des Rohrs, d.h. die Dicke und der Durch-messer berechnet werden. Dies geschieht durch Analyse der Energiespektren der g -Detektoren, die um das Rohr angeordnet sind. Rohrisolierungen und Störstrahlung führen zu unplausiblen Spektralverteilungen und sind dadurch erkennbar.

1.2. Gewählte Analysemethode
Bei der Füllstandmessung wird für jeden Detektor ein Energiespektrum akkumuliert (Abb. 3). Die markierten Energiebereiche entsprechen dem elektronischen Rauschen (R), rückgestreuten g -Quanten (BS), direkt mit voller Energie nachgewiesenen 511 keV g -Quanten (PK) und Compton-gestreuten 1275 keV g -Quanten (CP). Der Rauschanteil R ist ein Maßfür die Temperatur im Gerät. Die Raten in den Bereichen BS und PK sind die Meßparameter die charakteristisch von den Variablen Rohrdurchmesser, Wanddicke und Füllstand abhängen.

Abb 3: Beispiel eines Energiespektrums akkumuliert in Detektor Nr. 1.

Der Bereich CP hängt im wesentlichen von der Quellstärke des 22Na-Strahlers ab. Durch geeignete Kombination der BS, PK und CP Raten der 4 Detektoren können vier Parameter

gebildet werden, die jeweils überwiegend von nur einer Variablen abhängen. Die Parameter stehen für den Rohrdurchmesser (D), die Wanddicke (T), und den Füllstand (F1,F2), wobei bei letzterem zwei Parameter notwendig sind, um bei allen Rohrdurchmessern empfindlich zu sein. Durch diese Art der Parametrisierung wird erreicht, dass sich Abweichungen der Wanddicken- oder Durchmesserbestimmungen (z.B. Rohrasymmetrie, Positionierung) nur geringfügig auf die Füllstandsbestimmung auswirken. Es wurde keine Funktion gefunden mit der die Variablen analytisch berechenbar sind. Deshalb wurde ein Klassifizierungsverfahren mit Mustervergleich gewählt.

Die vier Parameter wurden mit hoher statistischer Genauigkeit für viele Kombinationen aus verschiedenen Durchmessern, Wanddicken und Füllständen bestimmt, um als Datenbasispunkte den gewünschten Variablenraum abzudecken. Durch ein Least-Square-Fit Verfahren werden aktuell bestimmte Parameterwerte mit den Datenbasiseinträgen verglichen. Die Variablenwerte des am besten passenden Datenbasispunkts stellen das Ergebnis der Messung dar.

1.3. Erreichte Eigenschaften
Der Prototyp wurde mit den von BASF zur Verfügung gestellten Eisenrohren getestet. Sie decken den Durchmesserbereich DN25 bis DN500 ab, wobei bis DN300 jeweils verschiedene gängige Wanddicken je Durchmesser vorhanden waren. Mit diesen Rohrgeometrien wurden über 3000 Testmessungen durchgeführt.

Die mittlere Abweichung der gemessenen Füllstandswerte betrug 3-8 mm für Füllstände £ 50 mm und Durchmesser ³ DN100 (bei 10% Füllstand betrug die maximale Abweichung bei 122 durchgeführten Messungen 10mm). Für kleinere Durchmesser betrug die Abweichung zwischen 1,5 mm und 7,6 mm. Bei mehreren Hundert Messungen wurde nur in einem Fall ein vollständig gefülltes Rohr als "leer" klassifiziert. Dabei handelt es sich um ein DN25 Rohr. Eine Prüfung der Messdaten für diesen Fall ließvermuten, dass es sich um eine Fehlpositionierung handelte.

Die Abb. 4-7 zeigen die Verteilungen der ermittelten Füllstände für verschiedene Stahl- und GfK-Rohre. Je nach Rohrdurchmesser liegen 73% bis 99% aller Messungen innerhalb einer Schwankungsbreite von ±10 mm. Bedingt durch die Methode ist die Genauigkeit des Geräts bei Füllstandswerten bis 50 mm höher als bei größeren Füllständen. Oberhalb von 100 mm ist der Rückstreueffekt zu gering, um Unterschiede messen zu können. Bei allen Angaben wurden ausschließlich die Messungen berücksichtigt, bei denen der ermittelte Durchmesser korrekt war. Bei ca. 5% der Messungen wurde ein abweichender Durchmesser ermittelt, was zu wesentlich höheren Füllstandsfehlern führen kann. Diese Fälle werden auf Positionierungsungenauigkeiten zurückgeführt, die durch die mechanische Ausführung des Prototyps bedingt sind. Da der Benutzer den tatsächlichen Durchmesser des Rohrs kennt, kann er die Messung als fehlerhaft erkennen und nach erneuter Positionierung noch einmal messen, bzw. es besteht die Möglichkeit die Nennweite des Rohrs vorzugeben.

Abb 4: Verteilung der mit dem Prototyp ermittelten Füllstand-Werte für drei verschiedene Füllstände bei DN80 Stahl-Rohren.

Abb 5: Verteilung der mit dem Prototyp ermittelten Füllstand-Werte für drei verschiedene Füllstände bei DN200 Stahl-Rohren.

Abb 6: Verteilung der mit dem Prototyp ermittelten Füllstand-Werte für drei verschiedene Füllstände bei DN50 GfK-Rohren.

Abb 7: Verteilung der mit dem Prototyp ermittelten Füllstand-Werte für drei verschiedene Füllstände bei DN150 Inliner GfK-Rohren.

2. Das Füllstatus-Prüfgerät MOBILEV (Seriengerät)

Auf der Basis der vorstehend beschriebenen Prototyps hat GFE das in Abb. 8 gezeigte Füllstatus-Prüfgerät MOBILEV entwickelt. Gegenüber dem Prototyp konnte sowohl die Detektoreinheit, als auch die Kontrolleinheit kompakter ausgeführt werden. Durch die starre Kristallanordnung läßt sich die Detektoreinheit leicht und präzise am Rohr anlegen. Dieses Seriengerät weist folgende Merkmale auf:

Abb 8: Das Füllstatus-Prüfgerät MOBILEV mit starrer Detektoreinheit und kompakteren Abmessungen.

2.1. Leistungsmerkmale von MOBILEV
Funktion

  • Automatische Bestimmung des Füllstatus von Rohrleitungen bzw. Behältern bei wahlweiser Vorgabe der Rohr-Nennweite
  • Automatische Funktionstests und Eichungen

Zulässige Leitungen

  • Durchmesser:
  • ³ DN25, nach oben unbegrenzt
  • Wanddicke:
  • < 12 mm (Eisen), < 25 mm (GfK);
  • Rohrmaterial:
  • beliebiger, homogener Werkstoff mit
    r(Rohr) ³ 2,5 ´ r(Medium). (Nicht zulässig sind mehrschichtige bzw. ummantelte Rohre)

Zulässige Rohrgeometrien müssen in der jeweils verwendeten Datenbasis enthalten sein. Datenbasen sind bei Bedarf austauschbar bzw. erweiterbar.

Medien und Messbereich

  • Medien:
  • Flüssigkeiten beliebiger Elementzusammensetzung
    mit 0,68 < r(Medium) < 2,0 bei beliebiger Fließgeschwindigkeit und unabhängig von Schaum- oder Blasenbildung
  • Messbereich:
  • 0 mm.....100 mm (siehe Genauigkeit)

Genauigkeit

  • Messgenauigkeit:
  • ± 10 mm bei £ DN100 bzw. ± 10% Rohrdurchmesser bei > DN100 (bei £ 50 mm Füllstand und <8 mm Wanddicke Eisen)
    Bei Füllständen von 50....100 mm und/oder Wanddicken von 8....12 mm reduziert sich die Genauigkeit auf ± 20....± 50 mm
  • Fehlerhäufigkeit:
  • Prüfergebnis "0 mm" bei >50 mm Füllstand:
    < 1/2000 (bei ³ DN50 und <8 mm Wanddicke Eisen)
    Prüfergebnis ">20 mm" bei 10mm Füllstand bei
    DN100: < 1/100 (bei <8 mm Wanddicke Eisen)

Eine hohe Genauigkeit setzt voraus, dass die Detektoreinheit fachgerecht am Rohr positioniert wird und dass die Wanddicke über dem Rohrumfang um nicht mehr als ca.10% schwankt. Die Messungen unterliegen statistischen Gesetzmäßigkeiten, wobei sich die Genauigkeitsangaben auf 2s -Standard- abweichungen beziehen.

Bei sicherheitsrelevanten Prüfungen sind daher immer mindestens drei Messungen vorzunehmen.

Optische Anzeigen

  • Füllstatus:
  • Balkenanzeige in %
    nummerische Anzeige in mm
  • Rohrgeometrie:
  • DN-Angabe, Wanddicke in mm
  • Position:
  • Anzeige des tiefsten Rohrpunkts
  • Protokollierung:
  • Ausgabe der Messnummer
  • (interne Speicherung der Messparameter)
  • Statusinformation :
  • Messbereitschaft
    Autokalibration/Selbsttest
    Messung aktiv
    Füllstatus
    Störung (Fremdstrahler, Temperatur, Batterie)

2.2. Technische Merkmale von MOBILEV
Das Gerät besteht aus einer Detektoreinheit und einer Rechnereinheit, die mit einem Kabel verbunden sind.

Detektoreinheit

  • 3 CsI-Szintillatoren, Durchmesser 20 mm, Länge 60 mm
  • 22Na-Punktstrahler, kollimiert, £ 370 kBq (Freigrenze)
  • Positionssensoren

Rechnereinheit

  • Signalverarbeitungs- und Digitalisierungselektronik
  • PC/104-Rechner (133 MHz, 16 MB SDRAM, 32 MB Flash-Disk)
  • Serielle Schnittstelle
  • Stromversorgungselektronik
  • NiMH-Batterie, aufladbar

Kabelverbindung

  • Steckbares Kabel
  • Länge ca. 2 m

Funktionen

  • Initialisierung
  • Selbsttest
  • Störungserkennung (Fremdstrahler etc.)
  • Steuerung des Messablaufs
  • Analyse der Messspektren
  • Klassifizierung durch Mustervergleich mit Datenbasis
  • Speicherung der Messparameter
  • Ausgabe der Ergebnisse

Bedienelemente

  • Schalter:
  • Ein/Aus
  • Taster:
  • Start, Vorwahl Nennweite

Allgemeine Merkmale

  • Gewicht:
  • ca. 3 kg
  • Linear-Abmessungen:
  • £ 20 cm
  • Umgebungstemperatur:
  • -10° C .... +40° C
  • Stromversorgung:
  • batteriebetrieben
  • Standzeit:
  • > 1 h
  • Messdauer:
  • 30 s (mit Zwischenergebnissen in 2 s Intervallen)

Zertifizierungen

  • Ex-Schutz Kat. 3G (Zone 2) T4
  • CE

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