BE1031434A1 - Verfahren zur Inspektion eines metallischen Betonspannelementes einer Rohrleitung sowie Inspektionsvorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inspektion eines metallischen Betonspannelementes einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung, wobei mit wenigstens einer vorzugsweise eine erste Erregerspule umfassenden ersten Erregereinheit einer Inspektionsvorrichtung ein erstes magnetisches Wechselfeld und mit wenigstens einer von der ersten Erregereinheit beabstandeten, vorzugsweise eine zweite Erregerspule umfassenden zweiten Erregereinheit der Inspektionsvorrichtung ein zweites magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wobei das erste und zweite Magnetfeld entgegengesetzte Richtungen aufweisen, und wobei während einer Bewegung der Inspektionsvorrichtung entlang des Betonspannelementes an wenigstens einer Position zwischen der ersten und der zweiten Erregereinheit mittels wenigstens eines vorzugsweise eine Sensorspule aufweisenden Magnetfeldsensors der Inspektionsvorrichtung auf Basis des resultierenden Magnetfelds Messdaten aufgenommen werden, die hinsichtlich der Größe und/oder Phase des resultierenden Magnetfelds ausgewertet werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Inspektionsvorrichtung zur Inspektion eines metallischen Betonspannelementes einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung.

Description

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Verfahren zur Inspektion eines metallischen Betonspannelementes einer Rohrleitung sowie Inspektionsvorrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Inspektion eines metallischen

Betonspannelementes, beispielsweise eines Betonspanndrahts, der spiralförmig in einer wasserführenden Rohrleitung, demnach in deren Beton eingebettet ist. Des

Weiteren betrifft die Erfindung eine Inspektionsvorrichtung, mit der ein solches Ver- fahren durchgeführt werden kann.

Oftmals werden für den Transport von Wasser Betonrohrleitungen verwendet, die eine zylinderfôrmige Metallschicht bzw. einen Metallzylinder besitzen, der innen- und auBenseitig mit Beton beschichtet ist. Auf der Außenseite ist der Beton durch ein oder mehrere Betonspannelemente verstärkt, die als Draht oder Drahtlitzen ausge- bildet sind. Solche Betonspannelemente nehmen die im Beton wirkenden Zugspan- nungen auf und erhôhen die Festigkeit der Rohrleitung erheblich. Im Laufe der Zeit kônnen die Betonspannelemente allerdings beispielsweise aufgrund von Korrosion brechen, was zu einem erhöhten Ausfallrisiko der Rohrleitung führt.

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Aufgrund der komplexen und inhomogenen Struktur der Rohrleitungswand sind her- kömmliche NDT-Methoden basierend auf Ultraschall- oder magnetischen Streufluss-

Messungen nicht genau genug. Dies gilt insbesondere für innerhalb der Rohrleitung bewegte Inspektionsvorrichtungen. Von außerhalb der Rohrleitung sind die Beton- spannelemente ebenfalls oftmals nicht mit einem vertretbaren Aufwand inspizierbar, da die Rohrleitungen im Untergrund eingegraben liegen.

In der US 6,127,823 wird mit sogenannten "Remote Field Eddy-Current"-Methoden versucht, Defekte, insbesondere Bruchstellen, der schnurförmigen, d.h. beispiels- weise als Betonspanndraht ausgebildeten Betonspannelemente zu finden. Diese

Messungen sind jedoch nur von geringer Genauigkeit. Darüber hinaus ist aufgrund des Abstandes der zwischen Erregereinheit und Sensor von zwei bis drei Rohr- durchmessern die Rohrleitungsgängigkeit der Vorrichtung sehr eingeschränkt.

Aus der EP 2 458 376 A2 ist es weiterhin bekannt, zwei wandnahe Sensoren zur

Messung eines aufgrund eines Defekts variierenden resultierenden Magnetfelds zu verwenden. Auch diese Art der Messung ist sehr störanfällig. Zusätzlich ist ein zuge- höriges Inspektionsgerät aufgrund der wandnahen Anordnung der Sensoren in oft- mals verwendeten Rohren mit sogenannten Butterfly-Ventilen nicht einsetzbar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Genauigkeit von Untersuchungen zur

Integrität von Betonspannelementen zu erhöhen und eine entsprechende Vorrich- tung hierfür zu schaffen.

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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 sowie durch eine

Inspektionsvorrichtung gemäß Anspruch 16. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfin- dung sind den auf diese Ansprüche rückbezogenen Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Inspektion eines metallischen Beton- spannelementes einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung wird mit wenigs- tens einer vorzugsweise eine erste Erregerspule umfassenden ersten Erregereinheit einer Inspektionsvorrichtung ein erstes magnetisches Wechselfeld erzeugt. Weiter- hin wird mit wenigstens einer von der ersten Erregereinheit beabstandeten, vorzugs- weise eine zweite Erregerspule umfassenden zweiten Erregereinheit der Inspekti- onsvorrichtung ein zweites magnetisches Wechselfeld erzeugt, wobei das erste und zweite Magnetfeld entgegengesetzte Richtungen aufweisen. Weiterhin werden wäh- rend einer Bewegung der Inspektionsvorrichtung entlang des Betonspannelementes

Insbesondere durch die Rohrleitung hindurch an wenigstens einer Position zwischen der ersten und der zweiten Erregereinheit mittels wenigstens eines Magnetfeld- sensors der Inspektionsvorrichtung auf Basis des resultierenden Magnetfelds Mess- daten aufgenommen, die hinsichtlich der Größe und/oder Phase des resultierenden

Magnetfelds ausgewertet werden. Aus diesen Daten ergibt sich bei dem Verfahren der Inspektionsvorrichtung entlang des Betonspannelements bei einem Defekt des- selben ein charakteristisches Signal, über das auf das Vorliegen des Defekts ge- schlossen wird. Die Erregereinheiten sind in Längsrichtung der Inspektionsvorrich- tung voneinander beabstandet.

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Betonspannelemente sind wie schnurfôrmig ausgebildete Betonspannelemente in

Form von Draht oder Litzen aus mehreren Drähten. Die beiden entgegengerichteten

Wechselfelder sind dergestalt entgegengesetzt, dass sie sich zumindest in Teilen aufheben. Das resultierende Magnetfeld ergibt sich aus der Uberlagerung der direk- ten, von den Erregereinheiten unmittelbar wirkenden Wechselfelder im Bereich des

Magnetfeldsensors sowie aufgrund der von metallischen Teilen der Rohrleitung in- duzierten Felder. Letztere entstehen insbesondere aufgrund von Wechselwirkungen im Metallzylinder, sofern dieser vorhanden ist, sowie im Betonspannelement.

Die Erfindung beruht zunächst auf der Erkenntnis, dass im Betonspannelement

Ströme in Umfangsrichtung erzeugt werden und somit wiederum ein magnetisches

Wechselfeld erzeugt wird. Es ist zwar bei einem spiralförmig gewickelten Betonspan- nelement schwierig, signifikante Ströme in dem eigentlich nicht geschlossenen Leiter zu erzeugen, allerdings wurde im Rahmen der Erfindung festgestellt, dass die Leitfä- higkeit zwischen spiralförmig gewickelten Betonspannelementen und ebenfalls vor- handenen, axial verlegten Betonspannelementen oder Metallzylindern hoch genug ist, um die Teile des spiralförmig gewickelten Drahtes elektrisch zu verbinden. Durch diese Verbindung wird die Induktion von Strom auch in spiralförmig gewickelten Be- tonspannelementen möglich. Bei nicht spiralförmig gewickelten, insbesondere run- den und geschlossenen Betonspannelementen, die eine Ebene senkrecht zur Rohr- leitungsachse aufspannen, ist die Induktion ohnehin groß genug.

Ein Defekt im Betonspannelement verursacht entsprechend eine Änderung im ge- messenen Signal. Dieses ist an sich bekannt, wobei das von einem etwaig vorhan-

-5- BE2023/5189 denen Metallzylinder erzeugte und das direkt gemessene Wechselfeld-Signal prinzi- piell deutlich größer sind als das eigentlich interessierende Signal auf Basis des Be- tonspannelements. Entsprechend ist es mit den aus den Stand der Technik bekann- ten Setups bislang nicht môglich gewesen, das Signal auf Basis eines Bruches des

Betonspannelements gegenüber dem viel größeren Signal auf Basis des direkt vom

Erzeuger in Richtung des Magnetfeldsensors wirkenden magnetischen Wechselfel- des sowie eines im etwaig vorhandenen Metallzylinder induzierten Feldes ausrei- chend genau zu messen. Die Erzeugung eines zweiten, entgegengesetzten Magnet- feldes soll zumindest im Wesentlichen zu einer Kompensation der einander entge- gengesetzten Wechselfelder bzw. der auf Basis der erzeugten Wechselfelder indu- zierten Wechselfelder führen. Dies gilt für den Fall eines intakten Betonspanndrahts, welcher genauso wie der Metallzylinder oder ähnlich wirkende metallische Teile ei- ner Betonrohrleitung zur Erzeugung von beispielsweise in Umfangsrichtung gerichte- ten Strömen verwendbar ist.

Wenn die untersuchte Rohrleitung intakt ist, heben sich die erzeugten Signale wei- testgehend auf. Ist die Struktur allerdings aufgrund eines Bruches des Betonspann- elements nicht mehr intakt, so hebt sich bei der Verwendung zweier entgegenge- setzter, von den Erregereinheiten erzeugter Wechselfelder während des Überfah- rens der Bruchstelle bzw. dem Entlangfahren an der Bruchstelle das Signal nicht mehr komplett auf und es entsteht ein charakteristisches Signal. Dieses hebt sich deutlich von den weiteren gemessenen Signalen ab und variiert in Abhängigkeit der

Position zu der Bruchstelle. Da gleichzeitig die deutlich stärkeren Signale weiterhin

-6- BE2023/5189 im Wesentlichen kompensiert sind, weist ein solches Verfahren eine hohe Sensitivi- tät für das gewünschte Signal auf.

Das Sensorsignal enthält gemäß der vorliegenden Betrachtung drei Komponenten.

Eine erste Komponente S;(t) ergibt sich aufgrund der direkt von den Erregereinhei- ten erzeugten magnetischen Wechselfelder. Eine weitere Komponente S,(t) ergibt sich aufgrund von Eddy Currents, die in dem zylinderförmigen Metall der Rohrleitung induziert werden. Darüber hinaus ergibt sich eine Komponente S,(t) aufgrund der in dem Betonspannelement induzierten Ströme:

Ssensor() = Sal) + Sel) + SC)

Die einzelnen Signalanteile ergeben sich aufgrund unterschiedlicher physikalischer

Effekte. Die Amplituden und Phasenwerte in Bezug auf die Phase des von den Erre- gereinheiten erzeugten magnetischen Wechselfelds variieren für S, (t) und S, (t) in

Abhängigkeit des Abstands des Sensors von der Erregereinheit und der Anregungs- frequenz des erzeugten Magnetfelds. Die Phase von S,(t) hingegen hängt insbeson- dere von der Dicke der metallischen Schicht und der Anregungsfrequenz ab, wäh- rend die Amplitude von S,(t) ebenfalls mit der Anregungsfrequenz und dem Abstand zwischen Magnetfeldsensor und Erregereinheit variiert. Die Phase und Amplitude von S,(t) hängen deutlich stärker von Anregungsfrequenz ab als S,(t). Falls kein — Metallzylinder vorhanden ist, ist S,(t) gleich Null.

Unter der Annahme, dass sich S,(t) + S,(t) durch einen defekten Draht nicht än- dern, kônnen diese zu S;(t) zusammengefasst werden:

Ss) = S;(t) + S,(t) = Aiello + A, el0s+00

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Die unterschiedlichen Abhängigkeiten von der Anregungsfrequenz und dem Abstand des Magnetfeldsensors zur Erregereinheit ermôglichen eine Anpassung der Phase durch den Messaufbau und eine rohrleitungswandspezifische Wahl der Frequenz.

Insbesondere ist für jede Rohrleitung in Kombination mit der Auslegung der insbe- sondere Spulen aufweisenden Erregereinheiten, deren Anregungsfrequenz und dem

Abstand zwischen den Erregereinheiten und dem oder den Magnetfeldsensoren im

Wege einer Kalibrierung das optimale Setup zu bestimmen. Hierfür kônnen im Vor- feld eine Messreihe eigene Versuche durchgeführt werden oder eine Datenbank mit

Kalibrierdaten verwendet werden.

S, ist dann gut zu bestimmen, wenn S,(t) orthogonal zu S;(t) ausgerichtet ist. Dar- über hinaus sollten bei Vorhandensein eines Metallzylinders S,(t) und S,(t) môg- lichst entgegengesetzt laufen, wobei allerdings bereits bei Winkeln von rund 50° gute Messergebnisse erzielt werden kônnen.

Aus der vorstehenden geometrischen Beziehung folgt weiterhin, dass die Abhängig- keit der Phasenänderung von dem Amplitudenbeitrag A, mit geringerem A; größer wird. Durch die Verwendung von zwei Erregereinheiten, die entgegensetzte magne- tische Wechselfelder erzeugen, wird nun A; reduziert. Je nach Setup ergeben sich hierbei bei der Durchführung des erfindungsgemäRen Verfahrens bzw. bei Verwen- dung eines erfindungsgemäRBen Setups Sensitivitätsverbesserungen in der Messung um einen Faktor 10 bis 40 gegenüber dem Stand der Technik, wobei hierbei berück- sichtigt wird, dass sich aufgrund der Verwendung zweier Erregereinheiten weitere

Vorteile bei der Erkennung des Defekts ergeben. Wie nachfolgend noch erläutert

-8- BE2023/5189 wird, erhält das Defektsignal durch die Verwendung von zwei Spulen eine spezielle

Form, die seine Detektion erheblich erleichtert.

Gegenüber dem Stand der Technik erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren und der Aufbau einer nachfolgend noch beschriebenen Inspektionsvorrichtung stellen- weise eine signifikante Verkürzung des Messaufbaus um zumindest einen Faktor zwei. Gleichzeitig ist das Verfahren deutlich empfindlicher in Bezug auf das Aufspü- ren von Bruchstellen. Da geringere Distanzen zwischen den Erregereinheiten ver- wendet werden können, hat der Sensor nicht nur eine bessere Auflösung, sondern eine dazugehörige Vorrichtung ist darüber hinaus deutlich rohrleitungsgängiger.

Einander entgegengesetzt sind die erzeugten Magnetfelder dann, wenn die zugehö- rigen Erregereinheiten so ausgelegt sind, dass sich die die magnetischen Wechsel- felder beschreibenden Vektoren der magnetischen Feldstärke bzw. Flussdichte ei- nander entgegengesetzt bzw. zumindest annähernd einander entgegengesetzt sind (Winkelabweichung insbesondere <30°, vorzugsweise weniger als 10°, von einer di- rekten Ausrichtung in entgegengesetzter Richtung). Insbesondere werden die mag- netischen Wechselfelder (auch „Magnetfelder“) in axialer Richtung und genau einan- der entgegensetzt erzeugt.

Bezüglich der Erzeugung der einander entgegengesetzten Magnetfelder durch die

Erregereinheiten sollten sich diese in ihrer Phase bestenfalls um 180° unterschei- den. Abweichungen von nicht mehr als 20° sind ebenfalls noch geeignet, um die De- fekte des Betonspannelements zu ermöglichen.

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Zur Erzeugung der elektromagnetischen Wechselfelder werden insbesondere Spu- len verwendet, diese sind vorzugsweise axial angeordnet, d.h. in Längsrichtung ei- ner Inspektionsvorrichtung mit symmetrisch um deren Längsachse bzw. Längsmittel- achse herum geführten Wicklungen. Die Spulenachse liegt dann insbesondere in der

Längsmittelachse der Inspektionsvorrichtung. Als Magnetfeldsensoren können ins- besondere Hallsensoren oder GMR-Sensoren zum Einsatz. Sofern der Magnetfeld- sensor eine Spule aufweist ist deren Spulenachse vorzugsweise parallel und insbe- sondere deckungsgleich zur Längsmittelachse.

Eine erfindungsgemäße Inspektionsvorrichtung zur Inspektion eines metallischen

Betonspannelements einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung weist we- nigstens eine vorzugsweise eine erste Erregerspule umfassende erste Erregerein- heit zur Erzeugung eines ersten magnetischen Wechselfeldes sowie wenigstens eine von der ersten Erregereinheit beabstandete, vorzugsweise eine zweite Erreger- spule umfassende, zweite Erregereinheit zur Erzeugung eines zweiten magneti- schen Wechselfeldes auf, wobei die Erregereinheiten dergestalt ausgebildet und an- steuerbar sind, dass das erste und zweite Magnetfeld entgegengesetzte Richtungen aufweisen. Insbesondere sind die Erregereinheiten in Längsrichtung der Inspektions- vorrichtung, die im Betrieb in etwa einer Längsachse der zu inspizierenden Rohrlei- tung entspricht, voneinander beabstandet. Des Weiteren weist die erfindungsge- mäße Inspektionsvorrichtung wenigstens einen zwischen der ersten und der zweiten

Erregereinheit angeordneten Magnetfeldsensor zur Aufnahme eines resultierenden

Magnetfelds auf. Es versteht sich, dass bei einer solchen Inspektionsvorrichtung, die

-10- BE2023/5189 rohrleitungsgängig ausgebildet ist, hierfür eine entsprechende Elektrik bzw. Elektro- nik aufweist. Zur Aufnahme der Daten ist der Magnetfeldsensor ebenfalls mit dieser

Elektronik verknüpft. Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Inspektionsvorrich- tung mit weiteren üblichen Mitteln zur autarken Fahrt in einer Rohrleitung ausgestat- tet, wozu Energiespeichermittel, Datenspeichermittel sowie insbesondere auch Mittel zur Bestimmung der Lage der Vorrichtung in einer Rohrleitung gehören können.

Die Vorrichtung ist insbesondere dergestalt als autarke Inspektionsvorrichtung aus- gebildet, dass sie ohne eine Kabelverbindung zur Energie- und/oder Datenkommuni- kation und somit ungebunden durch eine Rohrleitung fahren kann. Hierbei ist sie zur

Verwendung in einem vor- oder nachbeschriebenen, erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildet.

Vorteilhafterweise werden von den Erregereinheiten Magnetfelder erzeugt, deren

Amplituden sich um nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 % unter- scheiden. Möglichst gleich große Amplituden heben sich optimalerweise auf. Es kann daher erfindungsgemäß von Vorteil sein, wenn die erzeugten Magnetfelder sich geringfügig um nicht mehr als 10 % und bevorzugt um nicht mehr als 5 % unter- scheiden, gleichwohl eben nicht gleich große Amplituden aufweisen. Dies beruht auf der Erkenntnis, dass je geringer der Unterschied der von den beiden Erregereinhei- ten erzeugten resultierenden Magnetfelder ist, desto besser die durch einen Defekt des Betonspannelements erzeugte Störung gemessen werden kann, gleichzeitig je- doch das Phasensignal bei zu kleinen Werten undefiniert wird. Daher kann für eine stabile Phasenbestimmung des Messsignals ein geringer Unterschied zwischen 0

- 11 - BE2023/5189 und bis 10% bzw. bis 5 % bezüglich der Amplitude der erzeugten magnetischen

Wechselfelder vorteilhaft sein und eingestellt werden.

Allgemein können Frequenz und Abstand rohrspezifisch gewählt werden, wozu eine entsprechende Kalibrierdatenbank verwendbar ist.

Vorzugsweise sind die mit entgegengesetzten Richtungen versehenen magneti- schen Wechselfelder maßgeblich axial ausgerichtet, d.h. in axialer Richtung erzeugt, beispielsweise durch um eine Längsmittelachse der Inspektionsvorrichtung herum verlaufende Windungen einer Spule, die darüber hinaus noch einen Magnetkern ent- lang der oder die Längsmittelachse aufnehmend besitzen kann. Ein solches Setup ist für insbesondere spiralförmig angeordnete Betonspannelemente, welche als in axialer Richtung verlaufende Struktur angesehen werden können, vorteilhaft, da die

Spulen ausreichend groß gebaut werden können und insbesondere einen Durch- messer von bis zu 75 % des Durchmessers der betrachteten Rohrleitung aufweisen können.

Während einer Inspektion bzw. Messfahrt mit einer Inspektionsvorrichtung werden die vom Magnetfeldsensor aufgenommenen Messdaten entweder in der Inspektions- vorrichtung, beispielsweise in Form eines Molches, direkt gespeichert und dort wei- terverarbeitet. Alternativ können die Daten auch nach Beendigung einer Messfahrt bzw. eines Messlaufes aus der Inspektionsvorrichtung ausgelesen werden und in ei- ner üblichen EDV-Vorrichtung ausgewertet werden. Eine solche elektronische Da- tenverarbeitungsvorrichtung weist u.a. die üblichen Mittel wie Prozessor, transienter

-12- BE2023/5189 und dauerhafter Speicher, Ein- und Ausgabeschnittstellen und Mittel zur Steuerung der Programmabläufe zur Auswertung der Daten auf. Die EDV-Vorrichtung ist dazu ausgebildet, die Auswertung der Messdaten hinsichtlich Amplitude und Phase vorzu- nehmen. Die EDV-Vorrichtung kann auch Teil der Inspektionsvorrichtung sein, so dass bereits die detektierten Fehlstellen sowie gegebenenfalls zugehörige Rohdaten auslesbar sein können. Weiterhin kann die Inspektionsvorrichtung Mittel zu Bestim- mung der Position und Lage der Inspektionsvorrichtung aufweisen. Die Lage- und

Positionsdaten beispielsweise von Gyros oder einem Odometer können mit den

Messdaten des Magnetfeldsensors verknüpft werden, um die Position eines Defek- tes zu identifizieren.

Vorteilhafterweise wird in einer Auswertung ein Defekt des Betonspannelements auf

Basis zweier einander folgender und insbesondere unterschiedlicher Extrema der

Amplitude und/oder der Phase des resultierenden Feldes detektiert. Eine solche, schwingungsähnliche Signalform erlaubt eine einfachere Detektion des Bruches bei dem Vorhandensein von Rauschen und ist darüber hinaus leichter in den Messdaten zu detektieren als die im Stand der Technik erzeugten Signale. Beispielsweise kön- nen solche schwingungsähnlichen Signale mittels einer Wavelet-Analyse basierend auf dem Haar-Wavelet detektiert werden. Eine Wavelet-Analyse erlaubt es, eine mögliche Längung der Signalform beispielsweise aufgrund von mehreren aufeinan- derfolgenden Störungen bzw. Brüchen des Betonspannelements zu berücksichtigen.

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Insbesondere werden somit die empfangenen Daten auf Wavelets analysiert, die sich beim Vorbeibewegen der Inspektionsvorrichtung an der Bruchstelle des Beton- spannelements ergeben, wobei als Wavelet üblicherweise eine wellenartige Schwin- gung eines Signals, d.h. die Einnahme eines Minimums mit direktem Übergang in ein Maximum oder umgekehrt angesehen wird. Bei der Betrachtung der Real- und

Imaginärteile des Messsignals handelt es sich ungeachtet etwaigen Hintergrundrau- schens um eine Bewegung um den Nullpunkt.

Vorteilhafterweise werden die Messdaten vom Magnetfeldsensor mittig zwischen den Erregereinheiten aufgenommen, wobei mittig beispielsweise in einer Seitenan- sicht auf die Erregereinheiten und den dann erkennbaren Abstand aufgrund einer

Beabstandung der Erregereinheiten in Längsrichtung der Inspektionsvorrichtung meint. An diesem Ort ergeben sich die optimalen Voraussetzungen dafür, ein auf- grund einer Störung erzeugtes Messsignal zu entdecken. Es kann allerdings bei der

Betrachtung bestimmter Phasenunterschiede Sinn machen, den Magnetfeldsensor auBermittig zwischen den Erregereinheiten zu platzieren. Eine mittige Anordnung meint eine Anordnung in einem mittleren Bereich zwischen den Erregereinheiten und insbesondere eine Anordnung die die genaue Mitte zwischen den Erregereinhei- ten umfasst. Magnetische Teile der Inspektionsvorrichtung und/oder Ungenauigkei- ten bei der Herstellung können eine der Erregereinheiten verstärken oder schwä- chen, was zu einer ungleichmäfigen Wicklung der Erregereinheit führt. Dieses Un- gleichgewicht kann zumindest teilweise durch Verschieben der Sensorposition des

Magnetfeldsensors in Längsrichtung korrigiert werden.

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Die Inspektionsvorrichtung bewegt sich während der Aufnahme der Messdaten in der Rohrleitung autark durch diese hindurch. Aufgrund der hiermit einhergehenden

Kabelungebundenheit können große Distanzen überwunden werden. Da sich bei ei- nem entsprechenden, erfindungsgemäßen Setup der Inspektionsvorrichtung auch der Energieverbrauch aufgrund des deutlich besser erkennbaren Signals als im

Stand der Technik optimieren lässt, können auch ungebunden große Distanzen von mehr als einem Kilometer Rohrleitung inspiziert werden.

Die Bewegung der Inspektionsvorrichtung erfolgt insbesondere passiv aufgrund des in der Rohrleitung vorhandenen Flusses, insbesondere des Wassers. Es kann sich alternativ auch um eine sich aktiv durch die Rohrleitung mit eigenen Antriebsmitteln bewegende Inspektionsvorrichtung handeln. Auch Kombinationen von aktiv und pas- siv angetriebenen Inspektionsvorrichtungen sind denkbar, die zunächst nur eine erste grobe Inspektion machen und dann bei Feststellen von relevanten Signalen aus dem passiven Modus in einen aktiven Modus wechseln, um zu der Stelle gegen den Fluss der Strömung zurückzukehren, um die entdeckte Stelle genauer zu inspi- zieren.

Die Erregereinheiten sind in Längsrichtung der Inspektionsvorrichtung hintereinan- der und insbesondere symmetrisch um die Längsmittelachse herum angeordnet, wo- bei ein magnetisches Wechselfeld vollumfänglich erzeugt wird. Sie können hierbei über dieselbe Elektronik parallel angesteuert werden oder auch miteinander syn- chronisierte, jeweils eigene Steuereinheiten aufweisen.

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Weiterhin wird erfindungsgemäß die Erkenntnis verwendet, dass in Abhängigkeit der

Frequenz zur Erzeugung des ersten und zweiten magnetischen Wechselfelds und des Abstands der beiden Erregereinheiten am Ort der Messdatenerfassung ein Pha- senunterschied zwischen dem sich aus dem direkten Signal, dem eines etwaig vor- handenen Zylinders bestimmten Signalanteils und dem aufgrund des zumindest ei- nen Betonspannelements entstandenen Signalanteils bewirkt werden kann. Durch sinnvolle Wahl der Frequenz ist die Phase und/oder Amplitude des Messsignals hauptsächlich aufgrund des sich durch das Betonspannelement ergebenden Signals beeinflusst.

Somit haben Messungen bei verschiedenen Frequenzen eine unterschiedliche Emp- findlichkeit für verschiedene Strukturelemente in der Rohrleitungswand hat. Da die

Messung bei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig durchgeführt werden kann, ist es bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, mehr als zwei Fre- quenzen für die Messung zu verwenden. Als Anregungssignal kann dann ein Impuls mit einem breiteren Frequenzspektrum verwendet werden.

Bei Messungen mit zumindest zwei verschiedenen Anregungsfrequenzen kann das sich ergebene Signal insbesondere von strukturellen Einflüssen der Rohrleitung be- reinigt werden. Ergeben sich bei verschiedenen Frequenzen, von denen eine für

Brüche sensitiver ist als die andere, gleichzeitig Signaländerungen, ist dies ein Hin- weis auf Strukturänderungen der Rohrleitung. So kann bei Rohrleitungen mit Metall- zylindern einer Wandstärke von 2 mm mit Frequenzen von 20 Hz und von 200 Hz

- 16 - BE2023/5189 gemessen werden, wobei Brüche des Betonspannelements aufgrund des Skin-Ef- fekts im Metallzylinder im Wesentlichen nur bei 20 Hz zu detektieren sind. Treten dennoch gleichzeitig Anderungen des Signals sowohl bei 20 Hz als auch bei 200 Hz auf, liegt eine strukturelle Anderung der Rohrleitung, die nicht auf einem Bruch des

Betonspannelements beruht, vor.

Darüber hinaus kônnen bei Verwendung verschiedener Frequenzen etwaige Struk- turänderungen anhand derer charakteristischen Signale im resultierenden Magnet- feld identifiziert werden. Die somit gefundenen Signalformen kônnen zur verbesser- ten Erkennung entsprechender Strukturänderungen bzw. Strukturen in einer Daten- bank hinterlegt und für zukünftige Strukturerkennungen verwendet werden.

Insbesondere werden als Erregereinheiten Spulen verwendet, die symmetrisch um die Längsmittelachse herumgewickelt sind. Diese sind bei Rohren mit Metallzylin- der vorzugsweise in einem Bereich von 10 bis 800 Hz und somit niederfrequent be- treibbar. Bei 800 Hz liegt die maximale Wandstärke bei 1 mm. Insbesondere bei

Rohrleitungen mit einer Wandstärke des Metallzylinders von mehr als 2 mm wird eine Frequenz weniger als 200 Hz verwendet.

Bei Rohrleitungen ohne Metallzylinder werden die magnetischen Wechselfelder vor- zugsweise mit Frequenzen größer 100 Hz, vorzugsweise größer 1000 Hz erzeugt.

Eine Obergrenze für die Erregerfrequenz liegt insbesondere bei 1000 kHz.

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Insbesondere erfolgt die Anregung der magnetischen Wechselfelder kontinuierlich, sowohl bei Verwendung einer als auch bei Verwendung mehrerer Frequenzen. Bei der Verwendung von höheren Frequenzen oberhalb von 1 kHz können die magneti- schen Wechselfelder mit Frequenz-Bursts angeregt werden, so dass auch bereits bei kurzen Messaufnahmen ausreichend Informationen des resultierenden Magnet- felds gesammelt werden können.

Vorzugsweise können bei Verwendung mehrerer Frequenzen diese gleichzeitig und/oder nacheinander erzeugt werden.

In der Datenauswertung findet insbesondere bei Verwendung mehrerer Frequenzen bereits auf der Elektronik-Seite vorzugsweise ein Lock-in-Verstärker Anwendung, um die frequenzspezifischen Signale des resultierenden Magnetfelds auszuwerten.

Insbesondere liegen die Frequenzen der magnetischen Wechselfelder für Rohrlei- tungen mit Metallzylindern einer Wandstärke von 2 mm im Bereich von 20 bis 50 Hz.

Bei Verwendung zumindest einer weiteren Frequenz liegt diese weitere Frequenz vorzugsweise zwischen 100 Hz und 800 Hz. Durch die in axialer Richtung erzeugten magnetischen Wechselfelder ist das resultierende Magnetfeld insbesondere nicht empfindlich bezüglich eines Lift-off eines Magnetfeldsensors von einer Wand der

Rohrleitung. Daher wird resultierende Magnetfeld insbesondere in der Rohrleitungs- mitte gemessen, wodurch ein Magnetfeldsensor ausreichend groß und deutlich grö-

Ber als im Stand der Technik gebaut werden kann. Eine Messung in der Rohrlei- tungsmitte entspricht einer Anordnung eines Magnetfeldsensors, beispielsweise in

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Form einer Spule, symmetrisch um eine Längsmittelachse der Inspektionsvorrich- tung herum.

Die axiale Anordnung des Sensors erlaubt die Verwendung eines deutlich größeren

Sensordesigns. Entsprechend kann der Durchmesser des Sensors bzw. der Sensor- spule signifikant erhöht werden. Dies ermöglicht die Kompensation von Fluktuatio- nen aufgrund von Inhomogenitäten der Rohrleitungswand bzw. reduziert diese stô- renden Einflüsse sowie etwaige geschwindigkeitsbedingte Störanteile des Messsig- nals deutlich. Gegebenenfalls alternativ jedoch insbesondere ergänzend kann das resultierende Magnetfeld mit einem ggf. weiteren, außerhalb der Rohrleitungsmitte angeordneten Sensor gemessen werden. Dieser kann dicht an der Wand positioniert werden, um zusätzliche Informationen über die Integrität der Rohrleitung zu erhalten.

Darüber hinaus können axiale und radiale Komponenten gemessen werden. Die

Aufnahme von zwei oder drei Komponenten des sich ergebenden bzw. resultieren- den Magnetfeldes kann kombinierte Informationen über die Integrität der Rohrleitung beinhalten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäBen Verfahrens wird das resultierende Magnetfeld mit mehreren Magnetfeldsensoren, die in Längs- richtung der Inspektionsvorrichtung hintereinander und insbesondere axial auf der

Inspektionsvorrichtung angeordnet sind, und mithin an mehreren hintereinander be- findlichen Positionen aufgenommen. Hierdurch wird nicht nur die Messung der

Amplitude und Phase des magnetischen Feldes, sondern auch dessen Variation ent-

-19- BE2023/5189 lang der Rohrleitungsachse ermöglicht. Die verwendeten Daten können beispiels- weise dazu verwendet werden, erste oder multiple Ableitungen der Amplituden- und

Phasenfunktion zu bestimmen. Die kombinierte Auswertung der entdeckten Merk- male für die Amplituden- und Phasenfunktion und deren Variation entlang der

Längsachse ermöglicht es, die Anzahl von etwaigen Fehlbestimmungen aufgrund von Inhomogenitäten der Rohrleitung zu reduzieren.

Vorteilhafterweise können bei mehreren hintereinander liegenden, vorzugsweise axi- alen Sensoren diejenigen Daten eines Magnetfeldsensors ausgewertet werden, bei dem das zumindest ungefähre Gleichgewicht zwischen den von den Erregereinhei- ten erzeugten Wechselfeldern für die Auswertung am besten geeignet ist. Da das

Gleichgewicht zwischen den Erregereinheiten bzw. der hiermit erzeugten magneti- schen Wechselfelder sich aufgrund einer Vielzahl von Einflüssen der Rohrleitung o- der des Inspektionsgerätes bzw. der Inspektionsvorrichtung ändern kann, kann es vorteilhaft sein, auf einen anderen als den exakt mittig zwischen den Erregereinhei- ten befindlichen Sensor und dessen Daten umzuschalten. Insbesondere ist der oder sind die Magnetfeldsensoren allerdings in einem mittig zwischen den Erregereinhei- ten angeordneten Bereich angeordnet, der 50% des Abstands zwischen den Erre- gereinheiten entspricht. Entsprechend werden insbesondere in diesem Bereich die

Messdaten aufgenommen.

Der oder die Magnetfeldsensoren einer erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung sind somit zwischen den in Längsrichtung voneinander beabstandeten Sensoren an- geordnet, wobei insbesondere die Inspektionsvorrichtung zur Bewegung in einer

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Rohrleitung eines Durchmessers D ausgebildet ist und der Abstand der Erregerein- heiten < 2*D und insbesondere < 1,5*D ist. Weiter vorteilhafterweise ist der Abstand insbesondere bei passiv mittels entsprechender Cups oder Disks antreibbarer In- spektionsvorrichtungen <2*Durchmessercup/Disx und insbesondere <1,5*Durchmes-

Ssercup/Disk.

Während bei erfindungsgemäRen Vorrichtungen wie vorbeschriebenen der Magnet- feldsensor in Längsrichtung betrachtet mittig und entsprechend eine zentrale Längs- mittelachse der Inspektionsvorrichtung aufnehmend angeordnet sein kann, können zusätzlich in Längsrichtung und/oder in radialer Richtung versetzt Magnetfeldsenso- ren zwischen den Erregereinheiten angeordnet sein.

Vorteilhaft ist insbesondere die Verwendung mehrerer in radialer Richtung versetzt zueinander angeordneter Sensoren zur jeweiligen Messung des resultierenden Mag- netfeldes vor dem Hintergrund der Erkenntnis, dass in Abhängigkeit der Struktur der

Wand der Rohrleitung die Position einer Bruchstelle des Betonspannelementes in

Umfangsrichtung die axiale Symmetrie des magnetischen Feldes beeinflussen kann.

Beispielsweise ergeben sich in einem Fall, in dem das Betonspannelement in Form eines Drahtes spiralförmig um den metallischen, zylinderförmigen Kern der Rohrlei- tung gewickelt wird, bei einem Abstand der Windungen von mehreren cm und den hiermit einhergehenden kontinuierlichen Reduktionen der auftretenden Ströme un- symmetrische Komponenten des Magnetfeldes in der Nähe der Fehlstelle. Das Auf- treten und die Änderung von solchen unsymmetrischen Komponenten kann durch entsprechend radial versetzte Sensoren detektiert werden.

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Es ist bei einem weiteren erfindungsgemälen Ausführungsbeispiel vorteilhaft, wenn die von den Erregereinheiten erzeugten Wechselfelder mittels zweier Abschirmele- mente in Richtung des zumindest einen Magnetfeldsensors abgeschwächt werden.

Die Abschirmelemente sind insbesondere scheibenartig einmal vor und einmal hinter dem oder den Magnetfeldsensoren in Richtung der jeweiligen Erregereinheit ange- ordnet. Das Abschirmelement ist insbesondere aus einem leitenden bzw. magneti- schen Material. Durch die Verwendung solcher Abschirmelemente kann die Emp- findlichkeit der Messdaten erhöht werden und darüber hinaus entsprechend die Dis- tanz zwischen den Erregereinheiten reduziert werden, was wiederum die Auflösung der Messungen verbessert. Zu berücksichtigen ist allerdings gleichzeitig, dass die

Abschirmelemente aufgrund ihres Gewichts und des vergleichsweise großen benö- tigten Durchmessers die Rohrleitungsgängigkeit der Vorrichtung beeinträchtigen können. Insofern sind in gewisser Weise flexible Abschirmelemente zur Verbesse- rung der Bogengängigkeit beispielsweise in Form von schirmartig aufspannbaren bzw. einziehbaren Abschirmelementen vorteilhaft.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wer- den nacheinander und/oder gleichzeitig magnetische Wechselfelder unterschiedli- cher Frequenz erzeugt und die sich hieraus ergebenden Messdaten von dem zumin- dest einen Magnetfeldsensor aufgenommen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Gleichgewicht zwischen den erzeugten magnetischen Wechselfeldern bei- spielsweise durch eine Bewegung der Inspektionsvorrichtung oder durch Änderun-

„22 - BE2023/5189 gen in der Rohrleitungswand gestört werden kann. Solche Störungen des Gleichge- wichts resultieren in Änderungen von Amplitude und Phase des Signals in den

Messdaten, welches entsprechend dann als Bruchsignal des Betonspannelements fehlinterpretiert werden kann. Solche Fehlinterpretationen können durch Messung bei verschiedenen Erregerfrequenzen detektiert und intern ausgeschlossen werden.

Änderungen aufgrund von Brüchen des Betonspannelements sind in der Signalform bei unterschiedlichen Frequenzen deutlich anders als Änderungen aufgrund bei- spielsweise von Störungen des Gleichgewichts aufgrund der Toolbewegung bzw. der Wandstruktur.

Messungen bei unterschiedlichen Frequenzen führen zu unterschiedlichen Fehler- signalen an der gleichen Fehlerstelle. So erhält ein Defekt ein spezifisches Muster, das sich aus Signalen bei unterschiedlichen Frequenzen zusammensetzt und sich so vom Rauschen unterscheidet. Im Rahmen der Erfindung wurde festgestellt, dass eine kombinierte Messung bei verschiedenen Frequenzen nicht nur eine bessere Er- kennung des Fehlers, sondern auch eine bessere Einschätzung der Anzahl der Brü- che ermöglicht.

Bei der Verwendung verschiedener Frequenzen kann eine Hauptfrequenz als dieje- nige Frequenz gewählt werden, die aufgrund etwaiger Kalibrierungsdaten das stärkste Störsignal im Falle eines Bruches des Betonspannelements ergibt, bei- spielsweise die die stärkste Phasenänderung ergibt. Eine weitere Frequenz kann dann kleiner gewählt werden als die Hauptfrequenz, beispielsweise eine Frequenz, bei der sich hauptsächlich ein Amplitudenunterschied im Messsignal ergibt.

-23- BE2023/5189

Zur Identifikation von anderen Strukturänderungen außerhalb eines Bruches des Be- tonspannelements kann wie vorbeschrieben wenigstens eine zweite Frequenz auch größer als die Hauptfrequenz gewählt werden, um Skin-Effekte eines etwaig vorhan- denen Metallzylinders zu verstärken und somit eine Wechselwirkung mit dem Beton- spannelement auszuschließen.

Für die Erzeugung unterschiedlicher Frequenzen kônnen dieselben Erregereinheiten oder jeweils mehrerer Paare von Erregereinheiten, die bei verschiedenen Frequen- zen agieren, auf derselben Inspektionsvorrichtung verwendet werden. Natürlich ist es auch möglich, Inspektionsläufe, die bei verschiedenen Frequenzen nacheinander stattgefunden haben, miteinander zu kombinieren.

Vorteilhafterweise wird in der Datenauswertung ein Störsignal durch Subtraktion der skalierten Amplitudenwerte von den Phasenwerten reduziert. Hierzu können zuge- hörige optimale Skalierungsfaktoren für das Amplitudensignal wie auch etwaige Pa- rameter des Messsystems wie beispielsweise die Anregungsfrequenz während ei- nes Kalibrierungsprozesses bestimmt werden. Hierbei liegt wiederum die Erkenntnis zugrunde, dass das sich aufgrund eines Bruchs des Betonspannelementes erge- bende Störsignal in Amplitude und Phase unterschiedlich niederschlägt.

Für eine Bestimmung der Position der Bruchstelle in Umfangsrichtung ist es von

Vorteil, eine Mehrzahl von Magnetsensoren um eine Längsmittelachse herum anzu- ordnen. Beispielsweise ist ein Setup vorteilhaft, bei dem neben einem einzelnen

„24 - BE2023/5189

Sensor, der symmetrisch zur Längsmittelachse, beispielsweise diese aufnehmend, ausgebildet ist, zusätzlich eine Mehrzahl von zwei, drei, vier oder mehr Sensoren gleichmäßig über den Umfang verteilt anzuordnen. Die in Umfangsrichtung um die

Längsmittelachse herum verteilten Sensoren können diese zum Teil auch schneiden bzw. können zumindest in Längsrichtung betrachtet sich zumindest teilweise gegen- seitig überdecken.

Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Inspektionsvorrichtung, bei der der

Abstand der Erregereinheiten variabel einstellbar ist. Hierdurch lässt sich die Inspek- tionsvorrichtung an unterschiedliche Rohrleitungen anpassen. Die Anpassbarkeit ergibt sich beispielsweise aufgrund eines austauschbaren Zentralkörpers, aufgrund austauschbarer Module des Zentralkörpers, auf denen die Sensoren befestigt sind bzw. sein können, oder auch aufgrund eines entsprechenden Befestigungssystems, beispielsweise auf Basis eines Gewindes oder eines Stecksystems, über das der

Abstand der Erregereinheiten zueinander in Längsrichtung eingestellt werden kann.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Figurenbe- schreibung zu entnehmen.

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Gegenstand in einer perspektivischen An- sicht,

Fig. 2 den Gegenstand nach Fig. 1 in einer Seitenansicht,

-25- BE2023/5189

Fig. 3 den Gegenstand nach Fig. 1 in einer Betriebsposition in einer wasser- führenden Rohrleitung,

Fig. 4 eine Veranschaulichung zur Signalerzeugung,

Fig. 5 eine Betrachtung der Anteile der Messdaten bei einem vorhandenen

Defekt des Betonspannelements,

Fig. 6 eine Veranschaulichung eines Sensor-Setups mit Auflôsung der Posi- tion in Umfangsrichtung,

Fig. 7 eine weitere Veranschaulichung des Sensor-Setups für eine Auflôsung in Umfangsrichtung,

Fig. 8 Veranschaulichung für die Phasenwerte bei verschiedenen Frequen- zen, Phasen und Amplitudendaten im Bereich eines Defekts und bei

Vorhandensein von Interferenzen.

Fig. 9 eine Veranschaulichung für Phasen- und Amplituden-Funktionen in der

Nähe eines Defektes und bei signifikanten Interferenzen,

Fig. 10 ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel,

Fig. 11 den Gegenstand nach Fig. 10 in einem vertikalen Längsschnitt,

- 26 - BE2023/5189

Fig. 12 bis

Fig. 14 verschiedene Messergebnisse für eine Mehrzahl von Versuchen.

Einzelne technische Merkmale der nachbeschriebenen Ausführungsbeispiele kön- nen auch in Kombination mit vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen sowie den

Merkmalen eines der unabhängigen Ansprûche und etwaiger weiterer Ansprüche zu erfindungsgemälen Gegenständen kombiniert werden. Sofern sinnvoll werden funk- tional zumindest in Teilen gleichwirkende Elemente mit identischen Bezugsziffern versehen.

Eine erfindungsgemäße Inspektionsvorrichtung 2 weist eine erste Erregereinheit 4 mit einer konzentrisch zur Längsmittelachse 24 ausgebildete erste Erregereinheit 4 mit einer symmetrisch um eine Längsmittelachse der Inspektionsvorrichtung 2 ver- laufenden ersten Erregerspule 6 auf. In Längsrichtung der Inspektionsvorrichtung versetzt angeordnet ist eine zweite Erregereinheit 8, die eine zweite Erregerspule 10 besitzt, die ebenfalls symmetrisch um die Längsmittelachse 24 der Vorrichtung 2 herum angeordnet ist (Fig. 1). Die beiden Erregereinheiten 4, 8 werden über eine in dem Zentralkörper 22 der Inspektionsvorrichtung 2 vorhandene Elektronik, indiziert durch einen gestrichelten Kasten 25, angesteuert und betrieben. Die Erregerspulen 6, 10 erzeugen in axialer Richtung, d.h. in Richtung der Längsmittelachse 24 einan- der entgegengesetzte magnetische Wechselfelder. Mittig zwischen den Erregerein- heiten 4, 8 befindet sich ein Magnetfeldsensor 12 mit einer ebenfalls symmetrisch um die Längsmittelachse 24 verlaufenden Spule 14, deren Durchmesser in Richtung

- 27 - BE2023/5189 der Längsmittelachse 24 betrachtet 75 % bis 100 % des Durchmessers der Erreger- spulen 6 bzw. 10 beträgt. Dicht an den Erregereinheiten 4, 8 sind Abschirmelemente 20 angeordnet. Diese kônnen wie auch bei anderen Ausführungsbeispielen allge- mein direkt an der jeweiligen Erregereinheit platziert werden, so dass sich ein etwai- ges, aufgrund einer Beeinflussung der Abschirmelemente ergebendes induktives

Feld aufgrund des dann vorhandenen Abstandes zu dem Magnetfeldsensor hin möglichst abschwächt.

Die Inspektionsvorrichtung 2 ist vorliegend mit einer Reihe von Zentrierelementen 18 in Form von an federbelasteten und endseitig mit Rollen versehenen Armen ausge- stattet, die die Vorrichtung 2 auf ihrer Fahrt durch die Rohrleitung möglichst in deren

Mitte zentrieren. Über Anbindungsbereiche 16 kann die Inspektionsvorrichtung 2 mit weiteren funktionalen Baugruppen eines Inspektionsmolches gekoppelt und bei- spielsweise von diesem durch eine Rohrleitung gezogen werden. Alternativ kann die

Inspektionsvorrichtung auch selbst als Molch mit entsprechenden Cups oder Disks zum passiven Vortrieb in einer Rohrleitung ausgebildet werden.

Die zu inspizierende wasserführende Rohrleitung 26 (Fig. 3) weist einen Innenraum auf, der von der Inspektionsvorrichtung 2 in Längsrichtung, d.h. in Richtung der

Längsmittelachse 24 nahezu vollständig ausgefüllt wird. Die Rohrleitung 26 umfasst eine metallische, zylinderfôrmige Schicht in Form eines Metallzylinders 28, der in- nenseitig von einer inneren Betonschicht 30 und auBenseitig von einer äußeren Be- tonschicht 32 bedeckt ist. In der äußeren Betonschicht 32 ist ein spiralförmig um die

Rohrlängsachse, die im Idealfall der Längsmittelachse der Inspektionsvorrichtung 2

- 28 - BE2023/5189 entspricht, herumgeführtes Betonspannelement 34 in Form eines Betonspanndrah- tes vorhanden. Dieser Betonspanndraht ist dicht an der zylinderförmigen Metall- schicht 28 angeordnet, berührt diese jedoch nicht. Gleichwohl ist aufgrund des gerin- gen Abstandes zwischen dem Metallzylinder 28 und dem Betonspannelement 34 ein für die Messung ausreichender Stromfluss möglich. Zusätzlich können gleichwohl noch Anbindungspunkte des Betonspanndrahtes an den Enden des jeweiligen Rohr- leitungssegments der Rohrleitung 26 vorhanden sein.

Je nach Position der Inspektionsvorrichtung 2 in der Rohrleitung 26 ergibt sich bei dem Vorhandensein eines Defekts 36 beim Durchfahren der Rohrleitung ein charak- teristisches und in Fig. 4 dargestelltes Signal mit zwei aufeinanderfolgenden Ext- rema. Betrachtet werden nachfolgend vier verschiedene Positionen A, B, C und D des Defekt-Signals, denen jeweilige Positionen der nur schematisch mit den Erre- gereinheiten 4 und 8 sowie einer einen Magnetfeldsensor 12 dargestellten Inspekti- onsvorrichtung 2 zugeordnet sind.

In Punkt A ist in der Rohrleitung 26 am Ort des Magnetfeldsensors ein Gleichgewicht vorhanden, und es wird kein relevantes Signal gemessen. Der induzierte Strom fließt entlang des Betonspannelements und geht teilweise in die Schicht 28 über. Der

Strom durch die durch den Metallzylinder ausgebildeten Metallschicht 28 schließt den Stromkreis durch das Betonspannelement und eben jene Schicht 28. Die außer- halb der Schicht 28 befindlichen Pfeile 38 bzw. 40 zeigen die Richtung der Fortpflan- zung des Stroms durch das Betonspannelement an. Die Spiralform des Betonspann-

-29- BE2023/5189 elementes sorgt dafür, dass sich der Stromfluss entlang des Rohres von einer Win- dung der Spirale zur anderen ausbreitet. Durch den Stromfluss wird ein Magnetfeld induziert, das von dem Magnetsensor erfasst wird. Durch die entgegengesetzten magnetischen Wechselfelder kompensieren sich die Effekte am Ort des Magnetfeld- sensors.

Aufgrund eines Defektes 36 ist in diesem Bereich kein Stromfluss möglich und somit wird kein bzw. ein anderes elektromagnetische Signal erzeugt, so dass sich die durch die Ströme im Betonspannelement erzeugten Magnetfelder auf Höhe des

Magnetfeldsensors, mithin an dessen longitudinaler Position, nicht kompensieren.

Dieses Ungleichgewicht im resultierenden Magnetfeld, indiziert maßgeblich über ei- nen Strom 40, wird am Ort des Magnetfeldsensors gemessen. Es ergibt sich ein vor- liegend positives Extremum gekennzeichnet durch den Punkt B.

Durch Fortbewegung in der Rohrleitung schwächt sich dieses Signal wieder ab. In dem Moment, in dem der Defekt auf einer Höhe mit dem Magnetfeldsensor 12 ange- ordnet ist, ist wiederum eine Symmetrie hergestellt, und es ergibt sich ein Nulldurch- gang in Punkt C.

Eine weitere Fortbewegung des Tools in der Rohrleitung, vorliegend in Richtung des rechten Figurenrandes, führt zu einem entgegengesetzten Signal, da nun im Bereich der Erregereinheit 4 der Defekt 36 die Ausbreitung des Stroms im Betonspannele- ment stört. Es ergibt sich aufgrund des ebenfalls durch den Pfeil 40 indizierten Un- gleichgewichts ein lokales Minimum in den ausgewerteten Messdaten am Punkt D.

-30- BE2023/5189

Eine weitere Fortbewegung der Inspektionsvorrichtung 2 in Richtung des rechten Fi- gurenrandes führt dann wiederum zu einer Herstellung des Gleichgewichts, was durch eine entsprechend ausgehend von Punkt D nunmehr wiederum an den Null- punkt angenäherte Kurve abgebildet ist.

Allgemein kann das alternierende magnetische Feld an der Sensorposition durch ei- nen komplexen Vektor beschrieben werden, der sich mit einer Amplitude Aa und ei- ner Phase Ba beschreiben lässt als

Sa = Age @t+8a)

Das sich aufgrund des Defektes 36 ergebende Signal sowie die weiteren resultieren- den Signale aufgrund der beiden erzeugten und einander entgegenstehenden Mag- netfelder unterscheiden sich in Amplitude und Phase (Fig. 5). Mit S' und S" sind die

Signale, die durch die erste Erregereinheit 4 sowie durch die zweite Erregereinheit 8 induziert werden, gekennzeichnet. Mit dem Index "i" ist die Summe der zu dem De- fekt insensitiven, induzierten und einander entgegengerichteten Wechselfelder bezif- fert. Mit dem Index "s" sind die Signalanteile gekennzeichnet, die aufgrund der

Wechselwirkung der erzeugten magnetischen Wechselfelder mit dem Betonspann- element am Ort des Sensors gemessen werden. Vorliegend (Fig. 5) ist der Anteil 5;" vernachlässigbar und entsprechend nicht abgebildet, da der Defekt die Ausbreitung des Stroms durch das Betonspannelement verhindert. Weiter ist S;" geringfügig klei- ner als S;, was vorteilhaft für die Phasenbeziehung ist. Gleichzeitig ist die Anre- gungsfrequenz so gewählt, dass die Phasendifferenz zwischen den Vektoren Si und

Ss nahe 90° ist. Gemäß der vorliegenden Konfiguration ist die Komponente S; nicht

- 31 - BE2023/5189 kompensiert, so dass sich ein entsprechender Defekt bzw. ein zugehöriger Phasen- winkel gut aus den Messdaten ableiten lässt.

Ein môgliches Sensor-Setup der Magnetfeldsensoren für die Bestimmung der Um- fangsposition eines Defekts ist schematisch in Fig. 6 abgebildet. Hier befindet sich eine Mehrzahl von vorliegend fünf Magnetfeldsensoren 12 zwischen den Erregerein- heiten 4 und 8. Dargestellt ist der AuBenumfang der jeweiligen Spulen der Magnet- feldsensoren 12, die in der Fig. 7 in Längsrichtung betrachtet schematisch abgebil- det sind. Die mittlere Spule wird dazu verwendet, die Defektposition in axialer Rich- tung, d.h. in Richtung der Längsmittelachse zu bestimmen. Die Analyse der relativen

Signaländerungen in den vier weiteren Spulen bzw. Magnetfeldsensoren 12 ermôg- licht die Bestimmung der Position in Umfangsrichtung. Beispielsweise kann ein Ver- gleich der Signale zwischen dem oberen und dem unteren Magnetfeldsensor 12 dazu verwendet werden, die Position des Defekts auf die obere oder untere Hälfte der Rohrleitung zu beschränken.

Fig. 8 veranschaulicht die sich ergebenden unterschiedlichen Phasenwerte des auf- grund des resultierenden Magnetfeldes ergebenden Messsignals bei verschiedenen

Erreger- bzw. Anregungsfrequenzen und bei Vorhandensein eines starken Stôrsig- nals. Die durchgezogenen Linien der Fig. 8a, 8b, 8c zeigen das Signal bei einem im

Versuchsaufbau defekten Betonspannelement. Die gestrichelten Linien zeigen die

Phasenwerte für ein intaktes Betonspannelement. In der Abbildung 8a wurden die magnetischen Wechselfelder mit einer Frequenz von 50 Hz bestimmt, in der Abbil- dung gemäß Fig. 8b bei einer Frequenz von 200 Hz. Fig. 8c zeigt die Differenzen

„32 - BE2023/5189 zwischen den gemessenen Werten bei 50 Hz und 200 Hz. Die Auswirkungen des

Defekts bei den Messungen mit 200 Hz ist insbesondere aufgrund des Skin-Effekts vernachlässigbar, wobei die Messungen bei 50 und 200 Hz für einen intakten Draht vergleichsweise ähnliche Signale ergeben. Durch die Subtraktion der Signale, die bei verschiedenen Frequenzen gemessen wurden, kann das Interferenzsignal stark reduziert werden. Entsprechend kann der für einen Defekt charakteristische Signal- verlauf mit zunächst einem lokalen Extremum (hier vorliegend positiver Art) und ein

Übergang zu einem lokalen Extremum negativer Art deutlich erkannt werden.

In Fig. 9 sind exemplarisch die Phasen-Amplituden-Funktionen in der Nähe eines

Defektes und bei signifikanten Interferenzen abgebildet. Die durchgezogene Kurve zeigt die Phasenwerte und die gestrichelte Kurve zeigt die Amplitudenwerte. Die

Kurven gelten wiederum für ein Setup einer Rohrleitung mit einem Durchmesser von 440 mm. Der Anstieg des Phasenwertes in der Mitte des aufgenommenen Signals korrespondiert mit dem Defekt. Die Amplitudenfunktion ist skaliert, wobei der Skalier- koeffizient so gewählt wurde, dass nach der Skalierung auf den intakten Rohrlei- tungsabschnitten die Amplituden der Phasen-Amplituden-Funktionen gleich oder zu- mindest ähnlich sind. Außerhalb des Defektbereiches korrelieren Amplitude und

Phasenfunktion miteinander, so dass hieraus ein Skalierkoeffizient gewonnen wer- den kann. Diese Korrelation kann dazu verwendet werden, den Einfluss von Interfe- renzen zu reduzieren, wobei die Korrelation beispielsweise in Abhängigkeit der

Rohrleitungswand, der Anregungsfrequenz und des Abstandes zwischen den Anre- gungsspulen variieren kann.

-33 - BE2023/5189

Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Inspektionsvorrichtung ist insbesondere für mit Butterfly-Ventilen versehene, wasser- oder andere Medien führende Rohrleitungen verwendbar, wobei die Inspektionsvorrichtung 2 einen Zent- ralkörper 22 aufweist, der eine Mehrzahl von gelenkig und/oder fest am Zentralkör- per 22 angeordneten Abstützelementen 42 aufweist (Fig. 10). Sofern die Abstütz- elemente 42 nicht gelenkig angeordnet sind bzw. keine abknickbaren Abschnitte auf- weisen, sind die Abstützelemente 42 zumindest ausreichend biegsam ausgebildet, so dass bei Auftreffen auf ein Butterfly-Ventil der wirksame Querschnitt der Inspekti- onsvorrichtung 2 auf weniger als die Hälfte des Rohrleitungsdurchmessers verringert wird.

Am in Fahrtrichtung vorderen Ende der Inspektionsvorrichtung 2 ist ein Vortriebsele- ment 44 angeordnet, welches im Medium aufgespannt ist und aufgrund des vom

Medium ausgeübten Drucks einen Vortrieb und eine Mitnahme der Vorrichtung be- wirkt. Auch dieses Vortriebselement 44 weist eine Mehrzahl von von Spannstäben 46 aufgespannten Segmenten 48 auf, welche sich aufgrund der gelenkigen Anord- nung der Spannstäbe 46 am Zentralkörper 22 ebenfalls abknicken lassen, womit sich entsprechend auch der wirksame Querschnitt der Inspektionsvorrichtung 2 (be- trachtet in Längsrichtung derselben) verringert.

Endseitig der Abstützelemente können jeweils Rundungen 50 angeordnet sein, die eine Innenseite der zu inspizierenden Rohrleitung möglichst schonend berühren.

Darüber hinaus können endseitig der einzelnen Abstützelemente 42 Odometer 52

„34 - BE2023/5189 angeordnet sein, um eine Position der Inspektionsvorrichtung 2 in der Rohrleitung besser bestimmen zu können.

Innerhalb des Zentralkörpers 22, der modulartig mit mehreren Abschnitten aufgebaut sein kann, ist eine zentral zur Längsachse 24 um diese herum gewickelte erste Erre- gerspule 6 einer ersten Erregereinheit 4 angeordnet. Diese befindet sich bezogen auf die Längsachse bzw. Längsmittelachse 24 auf Höhe der vorderen Abstützele- mente. Eine weitere, zweite Erregerspule 10 ist am hinteren Ende der Inspektions- vorrichtung 2, ungefähr auf Höhe der hinteren Abstützelemente 42, angeordnet.

Eine Außenwand 54 des Zentralkörpers 22 ist vorzugsweise aus einem nicht mag- netisierbaren Material, insbesondere aus einem Kunststoff-Composite-Material ge- fertigt.

Mittig zwischen beiden Erregerspulen 6 und 10 ist eine Sensorspule 14 eines Mag- netfeldsensors 12, ebenfalls wiederum symmetrisch um die Längsachse 24 herum angeordnet. Diese nimmt Messdaten auf Basis des resultierenden Magnetfelds auf, welche hinsichtlich der Größe und/oder Phase ausgewertet werden.

Im Rahmen mehrerer Versuche wurde in einer Rohrleitung für Wasser mit einem

Durchmesser D = 440 mm, die einen innen und außen mit Beton beschichteten Me- tallzylinder einer Wandstärke von 2 mm aufweist, das in der nachfolgenden Tabelle beschriebene Sensorsetup getestet. In der äußeren Betonschicht ist ein spiralförmig

-35- BE2023/5189 gewickelter Betonspanndraht in einem Abstand von wenigen Millimetern um den Me- tallzylinder herum angeordnet. Neben einem zentralen Magnetfeldsensor wurden zwei Erregerspulen als Erregereinheiten verwendet:

Parameter Magnetfeldsensor

Innerer Durchmesser | 100mm sm me nn

A

Die Entfernung zwischen den Erregereinheiten wurde auf maximal 70 cm gesetzt.

Zu Kalibrationszwecken wurden andere Abstände < 2*D durchprobiert. Der Magnet- feldsensor ist fest zwischen den Erregereinheiten angeordnet, allerdings in seiner axialen sowie in der radialen Position variierbar festgelegt.

Es wurden drei Testläufe gemacht, in denen die Inspektionsvorrichtung jeweils an einem Bereich mit einer unterschiedlich groBen Anzahl an Bruchstellen des vorlie- gend als Betonspanndraht ausgebildeten Betonspannelements vorbeigeführt wurde.

Die zugehörigen Messergebnisse und Auswertungen sind in den Fig. 12 bis 14 dar- gestellt. Die gestrichelte Linie der Figuren 12 bis 14 stammt aus einem Setup mit drei Drahtbrüchen im Betonspannelement, die durchgezogene Linie aus einem

Setup mit sechs Drahtbrüchen und die strichpunktierte Linie aus einem Setup mit neun Drahtbrüchen. Die Drahtbrüche folgen jeweils unmittelbar aufeinander.

- 36 - BE2023/5189

Die aufgenommene Amplitude des Signals (Fig. 14) weist im Bereich der Brüche er- kennbare Extrema auf. In Fig. 12 ist der Imaginärteil des ausgewerteten Signals ab- gebildet, der genauso wie der Realteil des ausgewerteten Signals (Fig. 13) die vor- beschriebene Form mit einem auf ein erstes Extrema folgenden weiteren Extrema aufweist. Diese Ergebnisse weisen unabhängig voneinander für verschiedene An- zahlen von Drahtbrüchen charakteristische und gleiche Verläufe auf, die gut detek- tierbar sind.

Claims (23)

„37 - BE2023/5189 Ansprüche

1. Verfahren zur Inspektion eines metallischen Betonspannelementes (34) einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung (26), wobei mit wenigstens einer vorzugsweise eine erste Erregerspule (6) umfassenden ersten Erregereinheit (4) einer Inspektionsvorrichtung (2) ein erstes magnetisches Wech- selfeld und mit wenigstens einer von der ersten Erregereinheit (4) beabstandeten, vorzugsweise eine zweite Erregerspule (10) umfassenden zweiten Erregereinheit (8) der Inspekti- onsvorrichtung (2) ein zweites magnetisches Wechselfeld erzeugt wird, wobei das erste und zweite Magnetfeld entgegengesetzte Richtungen aufweisen, und wobei während einer Bewegung der Inspektionsvorrichtung (2) entlang des Betonspann- elementes (34) an wenigstens einer Position zwischen der ersten und der zweiten Erregereinheit (4,8) mittels wenigstens eines vorzugsweise eine Sensorspule (14) aufweisenden Magnetfeldsensors (12) der Inspektionsvorrichtung (2) auf Basis des resultierenden Magnetfelds Messdaten aufgenommen werden, die hinsichtlich der Größe und/oder Phase des resultierenden Magnetfelds ausgewertet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von den Erre- gereinheiten (4,8) Magnetfelder erzeugt werden, deren Amplituden sich um nicht mehr als 10%, bevorzugt um nicht mehr als 5% unterscheiden.

-38- BE2023/5189

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mit entgegengesetzten Richtungen versehenen magnetischen Wechselfelder axial aus- gerichtet sind.

4 Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Defekt des Betonspannelements (34) auf Basis zweier einander folgender insbesondere unterschiedlicher Extrema der Amplitude und/oder Phase des resultie- renden Feldes detektiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messdaten vom Magnetfeldsensor (12) mittig zwischen den Erregereinhei- ten aufgenommen werden.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselfelder gleichzeitig und/oder nacheinander mit verschiedenen Fre- quenzen erzeugt werden.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregereinheiten (4,8) in Längsrichtung der Inspektionsvorrichtung (2) hin- tereinander und insbesondere symmetrisch um die Längsmittelachse (24) herum an- geordnet sind und ein magnetisches Wechselfeld vollumfänglich erzeugt wird.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Magnetfeld in der Rohrleitungsmitte gemessen wird.

-39- BE2023/5189

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das resultierende Magnetfeld mit einem auBerhalb der Rohrleitungsmitte angeordne- ten Sensor gemessen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit mehreren Magnetfeldsenso- ren, dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest eines Teils der Magnetfeld- sensoren (12) an mehreren in Längsrichtung der Inspektionsvorrichtung (2) hinterei- nander befindlichen Positionen das resultierende Magnetfeld aufgenommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Daten desje- nigen Magnetfeldsensors (12) ausgewertet werden, bei dem das zumindest unge- fähre Gleichgewicht zwischen den von den Erregereinheiten (4,8) erzeugten Wech- selfeldern für eine Auswertung am besten geeignet ist.

12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche mit mehreren Magnetfeld- sensoren (12), dadurch gekennzeichnet, dass mittels zumindest mehrerer in radialer Richtung versetzt zueinander angeordneter Magnetfeldsensoren jeweils das resultie- rende Magnetfeld messen.

13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Erregereinheiten (4,8) erzeugten Wechselfelder mittels zweier Ab- schirmelemente (20) in Richtung des zumindest einen Magnetfeldsensors (12) abge- schwächt werden.

- 40 - BE2023/5189

14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nacheinander magnetische Wechselfelder unterschiedlicher Frequenz erzeugt und die sich hieraus ergebenen Messdaten von dem zumindest einen Magnetfeld- sensor (12) aufgenommen werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in der Datenaus- wertung ein Störsignal durch Subtraktion der skalierten Amplitudenwerte von den Phasenwerten reduziert wird.

16. Inspektionsvorrichtung zur Inspektion eines metallischen Betonspannelemen- tes (34) einer insbesondere wasserführenden Rohrleitung (26), mit wenigstens einer vorzugsweise eine erste Erregerspule (6) umfassenden ersten Erregereinheit (4) zur Erzeugung eines ersten magnetischen Wechselfeldes und mit wengistens einer von der ersten Erregereinheit (4) beabstandeten vorzugsweise eine zweite Erregerspule (10) umfassenden zweiten Erregereinheit (8) zur Erzeugung eines zweiten magneti- schen Wechselfeldes, wobei die Erregereinheiten (4,8) dergestalt ausgebildet und ansteuerbar sind, dass das erste und zweite Magnetfeld entgegengesetzte Richtun- gen aufweisen, und mit wengistens einem zwischen der ersten und der zweiten Er- regereinheit (4,8) angeordneten Magnetfeldsensor (12) zur Aufnahme eines resultie- renden Magnetfelds.

_ 41 - BE2023/5189

17. Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sie als autarke Inspektionsvorrichtung (2) und insbesondere zur Verwendung bei einem Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 15 ausgebildet ist.

18. Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (12) zwischen den in Längsrichtung voneinander beab- standeten Erregereinheiten (4,8) angeordnet ist.

19. Inspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Inspektionsvorrichtung (2) zur Bewegung in einer Rohrlei- tung (26) eines Durchmessers D ausgebildet ist und der Abstand der Erregereinhei- ten (4,8) kleiner 2*D und insbesondere kleiner 1,5*D ist.

20. Inspektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (12) in Längsrichtung betrachtet mittig an- geordnet ist.

21. Inspektionsvorrichtung nach Anspruch 20 mit mehreren Magnetfeldsensoren, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich in Längsrichtung und/oder in radialer Rich- tung versetzt Magnetfeldsensoren (12) zwischen den Erregereinheiten (4,8) ange- ordnet sind.

„42 - BE2023/5189

22. Inspektionsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Magnetsensoren (12) um eine Längsmittelachse (24) herum angeordnet ist.

23. Inspektionsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Erregereinheiten (4,8) variabel ein- stellbar ist.