1. Wie funktioniert eine Ultraschallkamera zur Leckageortung?

Eine Ultraschallkamera lokalisiert hochfrequente Schallwellen, die an Leckstellen durch austretende Druckluft, austretende technische Gase oder einströmende Umgebungsluft bei Vakuumanwendungen entstehen. Ein Mikrofonarray berechnet aus den Mikrofonsignalen die Richtung der Schallquelle und legt das Ergebnis als farbige Heatmap über ein optisches Videobild.

Das Verfahren arbeitet passiv: Die Kamera benötigt kein Prüfgas wie Helium oder Formiergas, sondern erfasst die akustische Energie, die durch Turbulenzen an der Leckstelle entsteht. Dadurch lassen sich Leckagen im laufenden Betrieb lokalisieren, ohne dass Anlagenbereiche großflächig abgeschaltet, demontiert oder mit Lecksuchspray behandelt werden müssen.

Der technische Nutzen liegt in der Kombination aus akustischer Ortung und visueller Zuordnung. Anwender sehen nicht nur, dass Ultraschall vorhanden ist, sondern erkennen im Kamerabild, an welchem Bauteil, Ventil, Schlauch, Anschluss oder Rohrabschnitt der Schalldruck entsteht. Das reduziert Suchzeit, vermeidet Fehlinterpretationen und erleichtert die Dokumentation gefundener Leckagen.

Beispiel: Lokalisierung einer Ultraschallquelle an einer schwer zugänglichen Hallendecke. Der Hotspot markiert die akustische Quelle im Kamerabild.

Für die industrielle Leckageortung ist die Trennung zwischen Hörschall und Ultraschall zentral. Die meisten Produktionsgeräusche liegen im hörbaren, niederfrequenten Bereich. Leckagen an Druckluft- und Gasleitungen erzeugen an kleinen Leckageöffnungen breitbandige Turbulenzen mit hochfrequenten Schallanteilen. Große Leckagen erzeugen häufig zusätzlich Hörschall; dieser wird in Produktionsumgebungen jedoch oft durch Maschinenlärm maskiert.

Der von einer Leckage erzeugte Ultraschall entsteht nicht durch das Gas selbst, sondern durch die beim Gasaustritt auftretenden Turbulenzen. Druckdifferenz, Leckagegeometrie sowie die Form der Austrittsöffnung bestimmen dabei die Schallintensität und das Frequenzspektrum der erzeugten Ultraschallwellen.

Höhere Frequenzen bieten aufgrund der kürzeren Wellenlänge eine bessere räumliche Auflösung. Mit steigender Frequenz nimmt jedoch auch die atmosphärische Dämpfung zu, wodurch die erzielbare Detektionsreichweite sinkt.

Die Wahl der Messfrequenz stellt daher einen Kompromiss zwischen Auflösung, Reichweite und Störunterdrückung dar. In vielen industriellen Anwendungen hat sich ein Frequenzbereich um 40 kHz als günstig erwiesen. Bei störungsbehafteten Umgebungen kann jedoch ein anderes Frequenzfenster bessere Ergebnisse liefern.

Vertiefung: Leckageortung trotz Störquellen und FFT

Druckluft ist für CS INSTRUMENTS die primäre Anwendung der Ultraschall-Leckageortung. Der Grund ist der direkte Zusammenhang zwischen Leckage, Verbrauch, Kompressorlast und Energiekosten. Jede ungeplante Abströmung erhöht den Bedarf auf der Verbraucherseite. Wird die Leckage beseitigt, muss weniger Luft erzeugt, getrocknet und aufbereitet werden.

Leckagen zu finden ist der erste Schritt. Der Nachweis der tatsächlichen Einsparung durch eine Verbrauchsmessung vor und nach der Reparatur macht daraus eine belastbare Effizienzmaßnahme. Ultraschallkamera, LD 500, Leak Reporter, Durchflussmessung und Monitoring ergänzen sich dabei in den Aufgaben Lokalisierung, Dokumentation, Priorisierung und Validierung.

Die akustische Karte entsteht durch Beamforming. Das Mikrofonarray erfasst die eintreffenden Ultraschallsignale an definierten Positionen. Aus den Laufzeit- und Phasenunterschieden berechnet das System die wahrscheinliche Position der Schallquelle. Für jeden Bildpunkt wird ein Schalldruckwert ermittelt und als Heatmap über das Kamerabild gelegt.

Die Heatmap ist kein Foto der Leckage, sondern eine Visualisierung der berechneten Schallquelle. Durch die Überlagerung mit dem Kamerabild lässt sich der Hotspot dem verursachenden Bauteil eindeutig zuordnen.

Vertiefung: Beamforming einfach erklärt

Die Erkennungsreichweite einer Ultraschallkamera wird nicht durch einen festen Wert bestimmt. Sie hängt im Wesentlichen von Leckagegröße, Systemdruck, Frequenzbereich, Umgebungsstörungen, Blickwinkel und atmosphärischer Dämpfung ab. Große Leckagen können aus deutlich größerer Entfernung erkannt werden als Mikroleckagen.

Akustisch wird nicht die Gasart selbst erkannt, sondern der durch den Gasaustritt erzeugte Ultraschall. Ob eine Leckage detektiert werden kann, hängt vor allem von der Druckdifferenz, der Leckagegeometrie, dem Volumenstrom, dem Messabstand und den Umgebungsbedingungen ab. Die Gasart ist dagegen hauptsächlich für die wirtschaftliche, sicherheitstechnische und qualitative Bewertung der Leckage relevant.

Viele Produktionsgeräusche liegen im Hörschallbereich. Dennoch können auch Anlagenkomponenten Ultraschallsignale erzeugen, beispielsweise pneumatische Taktungen, Förderanlagen, Pressen, Reibstellen, Abblasdüsen, elektrische Teilentladungen oder andere Leckagen. Mithilfe der FFT-Analyse und der Auswahl eines geeigneten Frequenzfensters lassen sich solche Störquellen identifizieren und gezielt ausblenden.

Reflexionen entstehen an schallharten Oberflächen wie Glas, Plexiglas, Beton, Blech oder glatten Maschinenverkleidungen. Ein Hotspot auf einer Wand, einem Boden oder einer anderen Oberfläche kann daher auch durch ein Echo verursacht werden. Der wichtigste Prüfschritt ist ein Wechsel des Blickwinkels: Eine reale Schallquelle bleibt dabei am verursachenden Bauteil lokalisiert, während sich eine Reflexion verschiebt oder verschwindet.

Vertiefung: Leckageortung trotz Störquellen und FFT