Signalformanalyse und Korrelationstechniken

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1 19. Kolloquum challemsson Vortrag 17 gnalformanalyse und Korrelatonstechnen Horst KÜHNICKE * * Fraunhofer-Insttut für Zerstörungsfree Prüfverfahren, Insttutstel Dresden horst.uehnce@zfp-d.fraunhofer.de Kurzfassung. Tradtonell st de Austsche Emsson mt der Wahl enes chwellwerts verbunden. Überschretet das challemssonssgnal dese chwelle, sprcht man von enem Eregns und es werden Parameter we Maxmalampltude, Anunftszet, usw. gebldet. Moderne Messsysteme erlauben auch de Aufzechnung der gnalform n der Umgebung enes Eregnsses. gnalform-informatonen önnen genutzt werden, um verschedene Quellmechansmen zu unterscheden oder de Ortung zu verbessern. Ene Möglchet, fehlerhafte Ortungen automatsch zu fltern, besteht darn, mt Hlfe von Korrelatonsfuntonen zu überprüfen, nwewet de ermttelten Anunftszeten zu ähnlchen Enhüllenden führen. Für ontnuerlche gnale oder für sch zetlch überlappende Quellen önnen ene Eregnsse defnert werden. De üblchen AE-Parameter verleren hre physalsche Bedeutung. Für ene Ortung ommen nur Korrelatonsverfahren n Frage. Ene Möglchet betet das Beamformng-Verfahren, das ncht nur de Laufzeten sondern auch das Dämpfungsverhalten ausnutzt. Voraussetzung st de vollständge Aufzechnung der Orgnalsgnalformen. Das Messsystem Ae.net verfügt über de Möglchet, gnalformen mehranalg über mehr als zehn tunden aufzuzechnen. Während der Messung werden für ontnuerlche gnale onlne über wählbare Zetabschntte Parameter we Maxmalampltude, arthmetsches gnalnveau, Crest-Fator u.ä. ermttelt. Offlne werden mt Korrelatonstechnen der wahrschenlchste Quellort und de Abstrahlungscharatersten der Quellen bestmmt. Das Messsystem AE.net st en Cluster von Modulen, de m Kern aus achtanalgen ADC-Boards und dezentralen embedded Low-Power-x86-Computern bestehen. Das Echtzetbetrebssystem ET 13.0 sorgt für den notwendgen hohen Datendurchsatz. Über en tandard-ethernetabel erfolgen de tromversorgung, de ynchronsaton und der Datenaustausch. Jedes Modul hat ene Lestungsaufnahme von nur 18 Watt, arbetet lüfterlos und west den chutzgrad IP67 auf. Erfolgrech engesetzt wurden das Messsystem und de neuen Bewertungsalgorthmen be der Charaterserung von Auflocerungszonen m alzgesten, be der Deteton von ncht delarerten bergmännschen Atvtäten n Endlagern (afegards) und be der Behälterprüfung. Lzenz: 1

2 Messtechn Moderne challemssonssysteme erlauben de omplette Aufzechnung der dgtalserten Messsgnale. Abbldung 1 zegt ene möglche Konfguraton des Messsystems AE.net. De gezegte Konfguraton besteht aus dre Modulen AE.engne4 und enem Modul AE.swtch. Abb. 1 Bespelonfguraton des Messsystems AE.net Jedes Modul enthält enen embedded PC. De Module AE.engne4 übernehmen de Dgtalserung der gnale und de vollständge pecherung der gnale. De Massenspecher snd so ausgelegt, dass be ener Abtastrate von 2MHz und ener Auflösung von 16 Bt ontnuerlche Messungen bs zu ener Dauer von 10 tunden möglch snd. LAN / WAN AE.swtch Console AE.swtch AE.swtch AE.swtch &PoE AE.engne 2 MHz AE.engne 2 MHz AE.engne 1 MHz AE-ensoren Abb. 2 AE.net als dezentrales Rechnernetzwer. 2

3 Das Modul AE.swtch sorgt für de ynchronsaton der Messmodule AE.engne und stellt verschedene loale und Remote-Anschlüsse für graphsche Bedenoberflächen beret. Jedes Modul enthält enen embedded PC und hat auf Grund der engesetzten Low- Power-Prozessoren ene maxmale Verlustlestung von 20 Watt. Das ermöglcht geschlossene lüfterlose Gehäuse, de zurzet den chutzgrad IP67 bestzen. Wegen der hermetschen Gehäuse önnen auch explosonsgeschützte Varanten aufgebaut werden. Unterenander snd de Module ledglch mt enem enzgen tandard-ethernetabel verbunden, das sowohl den Datenaustausch, de Tatsynchronsaton als auch de tromversorgung übernmmt. Abbldung 2 zegt den Aufbau des ystems als dezentrales Rechnernetzwer. Dese trutur sorgt dafür, dass unabhängg von der Ausbaugröße für enen Messanal mmer de gleche Rechenlestung zur Verfügung steht und ene enfache Enbndung n en bestehendes Netzwer möglch st. Der Entwclungsstand des ystems, das für de unten beschrebenen Messungen engesetzt wurde, st ausführlch n [1] beschreben. Abbldung 3 zegt de Prnzpschaltung des neusten Moduls AE.engne8. Deser st mt 8 AE-Kanälen ausgestattet. Damt lassen sch Messsysteme mt großen Kanalzahlen presgünstg realseren. Glechzetg wrd auf en neues 64-Bt Echtzetbetrebssystem umgestellt. Dese Umstellung gewährlestet aufgrund der wesentlch höheren Anzahl von 16-Bt Vetorregstern, dass jetzt 8 Kanäle pro AE.engne mt der glechen Performance we bsher 4 Kanäle verarbetet werden önnen. Auch omplzerte Auswertealgorthmen ommen dadurch mt wenger Rechenzet aus. Abb. 3 chema des neuen achtanalgen Moduls AE.engne8 Ene wchtge Rolle spelen Datenompressonsmethoden. Dabe snd Verfahren mt fester Kompressonsrate für hochfrequente Echtzetanwendungen besonders geegnet. Für das challemssonssystem AE.net wurde ene spezell angepasste Kompressonsmethode Modfed Dfferental quare Root Compresson (MDRC) entwcelt [2]. Dese Methode bestzt ene feste Kompressonsrate von 50%. 3

4 Auswertealgorthmen De beden unten beschrebenen Anwendungsbespele nutzen Korrelatonstechnen, de dem Beam-Formng-Verfahren ähneln. Dese Methoden snd für de Ortung von sehr lenen gnalampltuden, sch zetlch überlagernden und ontnuerlch emtterenden Quellen geegnet. Bem Beam-Formng-Verfahren werden de gnale aller ensoren zetverschoben und entsprechend hrer Entfernung ampltudenorrgert addert. Der wahrschenlchste Quellort st derjenge mt dem größten ummensgnal. Grundlage deser Ortungsalgorthmen st de folgende Lelhood-Funton: r, t r, t r, t E C t / 2 2 r, t f t' r, r 0 t / 2 N N t / 2 dt' r, t f t' r, r N E 0 j1 t / 2 f t ' r, r dt' C j j mt r, r r r c K K Der Term E r, t beschrebt dabe den Dämpfungsterm und C r, t den Term, der de Zetdfferenzen berücschtgt. ummert wrd über alle Wellenmoden. Fre wählbar snd de Gewchtsonstanten α und. Zum Bespel bedeutet de Wahl enes m Verglech zu hohen -Wertes, dass der auf der Dämpfung beruhende Ortungsalgorthmus als scherer engeschätzt wrd als der auf de Zetdfferenzmessung aufbauende. Für Quellmechansmen, de ene ausgeprägte Abstrahlcharaterst bestzen, muss wesentlch größer als gewählt werden. Für n alle Raumrchtungen glechförmg abstrahlende Quellen st der theoretsch beste Wert = 2. Genauer beschreben wrd das Verfahren n [2] und [3]. Anwendung Lagertanprüfung Öl st en wchtger Rohstoff. Um de stetge Produton zu schern, werden n Lagertans mt enem typschen Volumen von m³ Vorräte gehalten. Problematsch snd eventuelle Lecs m Tanboden, wel auslaufendes Öl erst nach erheblcher Kontamnaton des Bodens entdect wrd. Gescherter tand der Techn snd Wanddcenmessungen mt Ultraschall oder Wrbelstrom m Abstand von etwa fünf Jahren. Dese Prüfungen snd sehr aufwendg, da de Behälter entleert und gerengt werden müssen. En nahelegender Gedane st, de bewährten onventonellen Tanprüftechnen Ultraschall oder Wrbelstrom mt Robotern be gefülltem Tan durchzuführen. Mehrere nternatonale Versuche, desen Weg zu beschreten, waren jedoch ncht erfolgrech. Gegen den Ensatz von Robotern sprechen folgende Punte: Das Innere der Lagertans gehört zur Explosonsschutzzone 0. Da de Roboter ene erheblche eletrsche Lestungsaufnahme bestzen, snd n der Zone 0 sehr aufwendge Explosonsschutzmaßnahmen notwendg. 4

5 Am Tanboden blden sch je nach gelagertem Produt und Korrosonsfortschrtt chchten, de de onventonelle Prüfung mt Ultraschall oder Wrbelstrom behndern. Be velen Produtarten behndern Enbauten we Rührwere oder Hezungen den Ensatz der Robotertechn. Aus desen Gründen werden heute von velen Raffnerebetrebern de Probleme bem Ensatz von Robotern als ncht lösbar angesehen bzw. snd de Kosten für deren Überwndung so hoch, dass ene Vortele gegenüber den onventonellen Prüftechnen mt Leeren und Rengen erwartet werden. Abb. 4 Lagertan für erste Testmessungen et langem gbt es Bestrebungen, de aufwendgen Prozeduren durch challemssonsmessungen zu ersetzen, de m gefüllten Zustand mt ensoren an dem zugänglchen Außenmantel durchgeführt werden. Ene Tanbodenprüfung mt Austscher Emsson ostet nur etwa 10% ener onventonellen Prüfung mt Ultraschall oder Wrbelstrom. In den vergangenen Jahren wurden berets challemssonsprüfungen von verschedenen Prüfdensten durchgeführt. Ene umfassende allgemene Anerennung be allen Betrebern hat dese Prüftechn trotz hrer großen wrtschaftlchen Vortele bsher ncht gefunden. Bemängelt wrd von rtschen Aufschtsbehörden, dass de Prüfergebnsse von unterschedlchen challemssonsprüfteams telwese ncht überenstmmen und dass es auch ene Überenstmmung der challemssonsergebnsse mt den Resultaten der onventonellen Ultraschall- oder Wrbelstromprüfung gbt. De Ursachen für bede Krtpunte hängen mt der Tatsache zusammen, dass das Verfahren Austsche Emsson de Intenstät der momentanen Korroson msst. Für den chädgungsgrad des Tanbodens st aber de umme des Korrosonsfortschrtts über de gesamte Betrebszet entschedend. Der Korrosonsfortschrtt hängt vor allem von der 5

6 Konzentraton orrosonsfördernder Bestandtele m Rohöl ab, de sch von Charge zu Charge ändern ann. ch aller fünf Jahre wederholende challemssonsprüfungen önnen deshalb den Gesamtschädgungszustand nur ungenügend wderspegeln. Um de Aussagescherhet zu verbessern, schlagen wr ene ontnuerlche Überwachung der Tanböden vor. Der Abtrag durch Korroson ann dann durch Integraton der challemssonsatvtäten am Tanboden bestmmt werden. Dazu wrd en fest nstallertes Messsystem pro Tan benötgt. Der durch den technschen Fortschrtt genererte Presverfall von mroeletronschen Komponenten erlaubt n naher Zuunft solche Überwachungsonzepte presgünstg zu realseren. Be der enmalgen Prüfung st es relatv enfach, durch entsprechende Maßnahmen törgeräusche zu unterdrücen. Ene quasontnuerlche Überwachung muss unter schlechteren gnal-rausch-verhältnssen funtoneren. Das Beam-Formng-Verfahren st für dese Aufgabe besonders geegnet. Anwendung afegards Laut Artel III des Vertrags über de Nchtverbretung von Kernwaffen verpflchtet sch jeder Nchternwaffenstaat zu cherungsmaßnahmen für spaltbares Materal und für Ausgangsmateral zur Herstellung von spaltbarem Materal. Herzu zählen auch de n enem zuünftgen Endlager engebrachten hochradoatven Abfälle. Dazu snd Messverfahren notwendg, mt denen nchtdelarerte bergmännsche Atvtäten n der Umgebung des engelagerten Kernmaterals deteter werden önnen. Abb. 5 Gorleben 850 m Erundungssohle (lns verenfachtes Modell) In enem ersten Versuch wurde getestet, bs n welche Entfernungen und unter welchen Nebengeräuschen nchtdelarerte bergmännsche Atvtäten m Erundungsbergwer Gorleben geortet werden önnen. Zunächst wurde en verenfachtes Model des Grubengebäudes erstellt, das nur auf den großen Hauptstrecen basert. Der lne Tel von Abbldung 5 zegt deses Model. Um de Rechenzet zu mnmeren, wurde angenommen, dass sch alle Quellen n der unmttelbaren Umgebung deser Hauptstrecen befnden. Im Querschlag 1 Ost wurden 12 ensoren (rote Krese n Abb. 5 lns) montert. Bs auf enen, der sch n ener vorhandenen Nsche befndet, legen alle auf ener Lne am westlchen toß des Querschlags. Dese für de Überwachung des gesamten Grubengebäudes ungünstge 6

7 Anordnung musste gewählt werden, wel für desen ersten Versuch nur 100 m lange Kabel zur Verfügung standen. Abb. 6 Ortung enes Enzelmpulses mt a = 1 und b = 2 (Bolzenschuss) In den folgenden Abbldungen werden deshalb de Quellorte auf der lnearen Abwclung der Hauptstrecen dargestellt (Ordnate). De Abszsse st ene Zetachse. Farblch codert st de Kurzzetwahrschenlchet, dass sch de Quelle an enem Punt der Hauptstrecenabwclung befndet. Abbldung 6 zegt de Ortungsergebnsse für ene mpulsförmge Quelle. Es handelt sch herbe um enen Bolzenschuss m den ensoren gegenüberlegenden Querschlag 1 West. Dunelrot snd de Bereche mt der höchsten Quellortwahrschenlchet. Rechts seht man enen vergrößerten Ausschntt der lnen Darstellung. De Impulsquelle wurde benutzt, um de fre wählbaren Parameter und für das Beam-Formng- Verfahren zu optmeren. Abb. 7 gnalformen von Bohrarbeten (rechts gezoomt) Interessant snd ontnuerlche und sch zetlch überlagernde Quellen. Als Testquelle wurde zum Bespel ene Handbohrmaschne benutzt. Abbldung 7 zegt Ausschntte der gemessenen gnalformen an verschedenen ensoren. Zetdfferenzen önnen be desen gnalen ohne Korrelatonstechnen ncht ermttelt werden. In Abbldung 8 snd de zetlchen Quellortwahrschenlcheten für Handbohrarbeten n ca. 300 m Entfernung m den ensoren gegenüberlegenden Querschlag 1 West dargestellt. Im lnen Tel der Abbldung wrd nur an ener telle gebohrt und rechts snd glechzetg zwe Handbohrmaschnen n enem Abstand von 50 m m Ensatz. Das Beam- 7

8 Formng-Verfahren st ncht nur für ontnuerlche Quellen geegnet. Es lefert auch nur unwesendlch schlechtere Ergebnsse, wenn glechzetg mehrere Quellen atv snd. Abb. 8 Ortung ontnuerlcher Geräusche mt a = 1 und b = 2 lns: ene Bohrstelle rechts: zwe Bohrstellen Zusammenfassend wurden be den ersten Versuchen zur Deteton nchtdelarerter bergmännscher Atvtäten folgende Ergebnsse erzelt: 10m Ortungsgenauget für ontnuerlche Arbetsgeräusche n ener Entfernung von 300 m. prengarbeten önnen m tensalz über Entfernungen von engen Klometern detetert werden. Gebrgsschonendes Auffahren st etwa bs 500 m nachwesbar. Von der Erdoberfläche snd nchtdelarerte Atvtäten mt hochfrequenter Mrosesm (30 bs 160 Hz) ncht zu deteteren. Ene ausführlche Darstellung der Ergebnsse fndet man n [4]. Referenzen [1] Abschlussbercht Entwclung enes Messsystems zur hochauflösenden zerstörungsfreen Erundung von Gestensnahberechen mttels onar, 02 C 1184, Projetträger Forschungszentrum Karlsruhe, Otober 2008 [2] H. Kühnce Kontnuerlche Emsson und Korrelatonstechnen 17. Kolloquum challemsson, Bad chandau 2009 [3].T. Brchfeld, A unfyng framewor for acoustc localzaton, European sgnal Processng Conference, Wen, ept [4] J. Altmann, H. Kühnce Acoustc-esmc Measurements n a Potental Fnal Nuclear Depostory 33rd EARDA Annual Meetng, Budapest