Wie können wir etwas sichtbar machen, das man weder sieht noch hört, das aber für den energieeffizienten Betrieb der Infrastruktur sehr relevant ist?

Für einmal geht es nicht um Strom, sondern um Schall. Und so wie Strom mit einem Messgerät sichtbar gemacht werden kann, kann auch Schall zur Ortung von Schallquellen mit entsprechender Technologie visualisiert werden. Dabei geht es nicht nur um den Schall, den wir mit dem menschlichen Ohr hören können, sondern auch um Ultraschall oder ganz leise, kaum hörbare Töne. Sie sichtbar zu machen, dient unter anderem der Ortung von Leckagen an Druckluft-, Gas- und Dampfsystemen.

Verwirbelungen erzeugen Geräusche

Wie entsteht Schall, bzw. Ultraschall an Leckagen von Luft-, Gas- oder Dampfsystemen? Aufgrund von Strömungsprozessen an den Austrittsstellen entstehen Verwirbelungen (Turbulenzen), die Reibung der Gasmoleküle erzeugt Geräusche. Die Turbulenzen sind teilweise als Pfeifen oder Rauschen wahrnehmbar, wir hören das typische «Ssss…», so wie beispielsweise beim Luftablassen aus einem Autoreifen. Die Schallfrequenzen liegen bei Leckagen an Druckluft-, Gas- und Dampfleitungen jedoch zu einem grossen Teil im Ultraschallbereich, bzw. können im Hörschallbereich zu leise sein für unser Gehör. Auch bei normalen Umgebungsgeräuschen, insbesondere aber in lauten Werkstätten oder Produktionen, wird das Geräusch an der Austrittsstelle des Lecks von den Schallquellen in der Umgebung übertönt.
Mit einem Mikrofon, das den Schall in ein weiter verarbeitbares, meist elektrisches Signal umwandelt, können wir ihn sichtbar machen. Dazu benötigen wir Elektronik, welche die Schallstärke in einen quantifizierbaren Messwert umwandelt und z.B. auf einer Digitalanzeige oder einem LED-Bargraphen darstellt.

Schall-Laufzeiten sind die Lösung

Es gibt Messgeräte, die dank einem Richtmikrofon in der Lage sind, die Quelle zu orten. Der Nachteil hierbei: Man muss genau auf die Schallquelle «zielen» und je nach Grösse des Lecks relativ nahe daran herangehen, um es genau orten zu können. Dies ist eine zeitintensive Aufgabe, weil die Leckagen nicht immer in Reichweite liegen und zum Beispiel auch an der Hallendecke auftreten können.
Diesen Nachteil haben moderne Akustik- oder Schallkameras nicht, wodurch bei der Ortung Zeit eingespart werden kann. Die Schallkameras verfügen über ein Mikrofon-Array, auch «akustische Antenne» genannt. Auf dem Array sind zahlreiche Mikrofone auf einer Fläche angeordnet. Mittels der Schall-Laufzeiten bzw. dem zeitversetzen Eintreffen der Schallwellen an den einzelnen Mikrofonen wird der Abstand zur Quelle berechnet. Über die Jahre hinweg wurde diese Technologie laufend weiterentwickelt und perfektioniert. Nebst der Hardware macht bei modernen Geräten die Software den grössten Teil der Funktionalität und Effektivität aus.

Filter für Frequenzbereiche

Schallmessgeräte werden für verschiedene Frequenzbänder und Anwendungen entwickelt und messen von Infraschall ab 1 Hz bis in den Ultra­-
schallbereich von bis zu 100 kHz. Infraschall ist für den Menschen ein nicht hörbares Frequenzband unterhalb von ca. 20 Hz, Ultraschall liegt oberhalb unserer Wahrnehmungsgrenze und beginnt bei ca. 16 kHz. Das Einsatzgebiet und die Messaufgabe bestimmen, in welchem Frequenzband gemessen wird. Für Schallkameras gilt, dass je tiefer die zu messende Frequenz ist, desto weiter müssen die Mikrofone auseinander liegen, bzw. desto grösser muss das Mikrofon-Array sein. Je höher die Frequenzen, desto kleiner lässt sich das Array konstruieren. Um Leckagen an Druckluft-, Gas- und Dampfleitungen zu orten, werden Geräte vornehmlich im Ultraschallbereich oberhalb von 20 kHz eingesetzt. Zudem verfügen sie über digitale, einstellbare Filter, um einen bestimmten Frequenzbereich gesondert zu betrachten, das heisst, um störende Geräusche wie Maschinen- und Arbeitslärm im Hörschallbereich auszublenden.

Steigerung der Energieeffizienz im Fokus

Die Messung und Visualisierung von Schall mit einer Schallkamera erschliessen auch neue Anwendungsgebiete. Die Leckortung an Druckluft-, Gas- und Dampfleitungen ist nur ein kleiner Teil des Potenzials dieser spannenden Technologie. Bekanntlich verbraucht Druckluft in Prozessen sehr viel Energie. Bekannt ist auch, dass ein Grossteil der eingesetzten Energie gar nicht beim Verbraucher (Werkzeug) ankommt, sondern bereits auf dem Weg dorthin aufgrund von Leckagen verpufft. Die Stör- oder besser gesagt Leck-Quellen sind oft erst auf den letzten Metern zu finden, zum Beispiel bei Anschlussventilen, Anschlussleitungen und Übergängen. Nur 20 bis 30 Prozent der Leckagen können mit dem menschlichen Ohr geortet werden. Der Einsatz einer Schallkamera bietet also eine 70 bis 80 Prozent grössere Erfolgsquote. Die daraus resultierenden Einsparpotenziale liegen je nach Fall bei 20 bis 50 Prozent der Betriebskosten. Dadurch wird sich der Einsatz einer Schallkamera, die solche kostspieligen Leckagen erkennt, auch sehr rasch amortisieren, zumal eine Kamera bei Bedarf auch für den einmaligen Einsatz gemietet werden kann, auch wenn natürlich nur eine regelmässige Kontrolle die Qualität und Energieeinsparung langfristig sichert.