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Die Erfindung betrifft ein spezielles Verfahren zur hochgenauen Ortung unterirdisch verlegter Kabel und Rohre auf dem Prinzip der Wechselfeldmessung. Es ist aus technischen, insbesondere sicherheitstechnischen Gründen und natürlich auch aus kaufmännischen Gründen immer wieder erforderlich, unterirdisch verlegte Elemente genau, zuverlässig und rasch zu orten.
Dem Stand der Technik entsprechend geschieht dies mittels messtechnische Hilfe in Zusammenhang mit den Plänen der ursprünglich verlegten Kabel oder Rohre. Die grundsätzlichen Probleme dabei ergeben sich einerseits aus der relativen Ungenauigkeit der bestehenden Pläne sowie andererseits aus der Ungenauigkeit der bislang bekannten Messmethoden allein schon aus der Vielzahl der immer stärker auftretenden Störfelder und der damit verbundenen Störeinflüsse bei den Messungen. Zusätzlich ergeben sich durch die immer stärkere Verbreitung von solierrohren an Stelle von metallischen Rohren rein schon aus physikalischen Gründen die Grenzen der Ortung derartiger Elemente.
Moderne Ortungsverfahren sind beispielsweise in der DE-AS 25 50 060 und in der US-PS 3 997 835 beschrieben, wobei aber die beschriebenen Probleme aufgrund der Störfelder nur teilweise gelöst wurden. Grundsätzlich wird allgemein für die messtechnische Ortung von Kabeln und metallischen Rohren das magnetische Feld eines Wechselstromes herangezogen. Dabei wird bei unterirdisch verlegten Wechselstrom kabeln primär das vom Kabel ausgehende magnetische Feld des Wechselstromes während des Betriebes des Kabels zur Ortung herangezogen. Bei Gleichspannungsleitungen wird üblicherweise im abgeschalteten Betriebszustand mit einem dem Ortungszweck entsprechenden Wechselspannungsgenerator ein Wechselstrom erzeugt und damit das zu messende Kabel beaufschlagt.
Bei metallischen Rohren wird üblicherweise ebenfalls mit einem Generator ein Wechselstrom erzeugt, ein Pol des Generators mit dem metallischen Rohr verbunden und als Rückleitung zum zweiten Pol des Generators dient entweder ein zusätzlich verlegtes Kabel oder ganz allgemein die Erdung. Bei Isolierrohren wird üblicherweise ein Leiter in das Isolierrohr eingezogen, um so ein leitfähiges Element in den Bereich des Isolierrohres zu erhalten. Die weitere Vorgangsweise ist dann analog dem bei metallischen Rohren.
Bei allen diesen aufgezählten Methoden ergeben sich allerdings enorme Probleme bel der messtechnischen Erfassung des magnetischen Feldes. Aufgrund verschiedener Störungen (Einflüssen von Metallteilen und von kreuzenden oder parallellaufenden Leitungen) kann eine Verfälschung des Messergebnisses bis hin zu einer völlig irrelevanten Anzeige auftreten. Ausserdem kann bei keinem der bisher bekannten Verfahren bei den genannten Störeinflüssen eine Genauigkeit von besser als ca. 0, 5 Meter, bezogen auf die absolute Lage des zu ortenden Elementes, erreicht werden. Diese relativ grosse Ungenauigkeit führt in der Praxis Immer wieder zu kostspieligen und zeitaufwendigen Mehrarbeiten.
In manchen Fällen kann es auch zu einer nicht zu unterschätzenden Gefährdung von Sachwerten oder Personen führen, beispielsweise bei Ortung und Aufgrabung von defekten Gasleitungen.
Hier will die vorgelegte Erfindung eingreifen und mittels eines besonderen Verfahrens die beschriebenen Nachteile durch geeignete Massnahmen hintanhalten und gleichzeitig eine Genauigkeit, bezogen auf die genaue Lage des zu ortenden Elementes, auf absolut (plus/minus) 1 Zentimeter bei einer Tiefe von etwa 1 Meter, erreichen.
Die Erfindung wird im folgenden durch 4 Zeichnungen dargestellt. Es zeigen
Figur 1 die Blockschaltung der Erfindung
Figur 2 die schematisierte Darstellung des Messaufbaues
Figur 3 a, b, c, d, e, und f die Messsputenanordnungen des Gradiometers
Figur 4 a, und b die Spannungsverläufe der Messsputenanordnungen.
Die vorgelegte Erfindung verwendet primär das magnetische Streufeld des Wechselstromes, der das gesuchte Element direkt oder indirekt durchfliesst. Bei elektrischen Leitungen oder Kabeln wird üblicherweise das eigene Streufeld dazu herangezogen. Bei metallischen Rohren wird nach herkömmlicher, bereits beschriebener Art mittels eines Generators eine Spannung erzeugt und einpolig an das metallische Rohr
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Erdung verwendet. Im Falle von isolierten Rohren wird ein elektrischer Leiter in das Isolierrohr eingezogen und der von einem Generator erzeugte Strom über diesen Leiter geführt. In allen genannten Fällen, in denen eine von einem Generator erzeugte Spannung verwendet wird, ist es aus sicherheitstechnischen Gründen vorteilhaft, eine Kleinspannung bis zu maximal 65 Volt zu verwenden.
Die Höhe der Spannung hat grundsätzlich keinen Einfluss auf das Verfahren oder Prinzip der Erfindung.
Die ungefähre Lage des gesuchten Elementes kann üblicherweise aus den Plänen entnommen werden.
Ist die Lage des gesuchten Elementes völlig unbekannt, kann durch eine einfache Vorortung mit dem Gradiometer (1) zunächst die ungefähre Lage ermittelt werden. Zur genauen Ortung des Magnetfeldes wird das Gradiometer (1) nahe der Erdoberfläche (2) auf einer Stange (15) oder Schiene aufgebaut, die mittels höhenverstellbarer Böcke (14) horizontal, beispielsweise mit Hilfe einer eingebauten Libelle, ausgerichtet und auch in x-Richtung bewegt werden kann. Die Möglichkeit der Bewegung in x-Richtung ist zur
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aufgebautes System von Luftspulen, welches infolge seiner Geometrie und seiner Schaltung im magnetischen Wechseifeld ein Wechselspannungssignal mit einer von der örtlichen Lage relativ zum gesuchten Element (3) abhängigen Amplitude abgibt.
Naturgemäss ist diese Amplitude auch frequenzproportional und das Signal ist gegenüber dem Wechselstrom um 90. phasenverschoben (entsprechend einer zeitlichen Differentiation). Mittels des Gradiometers (1) wird nun nahe der Erdoberfläche (2) durch Verschieben in xRichtung über dem gesuchtem Element (3) eine Komponente des Magnetfeldgradienten 2. Ordnung, das entspricht der zweiten räumlichen Ableitung einer Magnetfeldkomponente, gemessen.
Es können grundsätzlich zwei Arten dieser Ableitungen herangezogen werden, die Ableitungen :
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oder die Ableitungen :
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Bei den Ableitungen nach Gl. (1) (Sondentypus A) ergibt sich über dem gesuchten Element (3) (bei x = 0) ein sehr scharfes Hauptextremum und bei den Ableitungen nach Gl. (2) (Sondentypus B) ergibt sich über dem gesuchten Element (3) (bei x = 0) ein steil verlaufender Nulldurchgang.
Die örtlichen Feldableitungen nach Gl. (1) bzw. Gl. (2) können in einfacher Weise durch entsprechend örtlich versetzte Luftspulen erfasst werden, wobei anstelle des Differentialquotienten der Differenzenquotient gebildet wird. In Fig. 3 a, b, c, d, e und f sind die Spulenanordnungen dargestellt, mit denen solche Differenzenquotienten entsprechend den Gleichungen (1) und (2) gemessen werden können.
Z. B. für die Anordnung nach Fig. 3 a. ergibt sich bei völlig gleich aufgebauten Spulen
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Die Gl. (4) zeigt, dass durch einfache additive Verknüpfung der Spulenspannungen die zweite Ableitung näherungsweise gebildet wird.
Für die Spulenanordnung 3 c gilt :
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Auch hier zeigt die Gl. (6), dass die zweite gemischte Ableitung durch einfache additive Verknüpfung der Spulenspannungen näherungsweise gebildet werden kann.
Die Spulenabstände A x bzw. A z sind bei einer Spulenanordnung als Konstante anzusehen. Ihre Grösse beeinflusst die Genauigkeit der Näherung. Bei einer Wahl von A x= A z < 0, 2 h (h ist die Höhe des Gradiometers (1) über den gesuchten Elementen (3) siehe Figur 2) ergibt sich eine für die Messgenauigkeit hinreichende Übereinstimmung zwischen dem gemessenen Differenzenquotient und dem gerechneten Differentialquotient.
Ein weiteres Faktum zur Erzielung einer hohen Messgenauigkeit ist eine mechanische Präzision beim Spulenaufbau und bei der Spulenanordnung.
In der Fig. 4 a. und 4 b. sind die Kurvenverläufe in Abhängigkeit von x nach Gl. (1) und Gl. (2) für 1 und z = h = 1 dargestellt (entspricht dem Ausgangssignal des Gradiometers (1)).
Der Kurvenverlauf nach Fig 4 a. weist folgende Charakteristika auf : Maximum bel x = 0 Nulldurchgänge bei x = : t 1/./3 = t 0. 577 Nebenmaximum bei x = t 1 mit geänderter Polarität Die Charakteristika bei der Kurve Fig. 4 b sind : Nulldurchgang bei x = 0 Maximalwerte bei x = t V2-1 = 0. 4142 Nulldurchgänge bei x = : t./3 = 1, 732 Aufgrund der beiden Kurvenverläufe, die ein scharfes Maximum bzw. einen stellen Nulldurchgang direkt über dem Element (3) aufweisen, kann auch bel Vorhandensein starker Feldstörungen bis auf etwa 1 cm genau das Element vermessen werden.
Zur Bildung des Messausganges des Gradiometers werden die Spulen ausgänge so verschaltet, dass die Beziehung z. B. Gl. (4) (3 Spulen) oder Gl. (6) (4 Spulen) durch Serienschaltung realisiert wird. Bei den 3 Spulen nach Gl. (4) kann das Zweifache von U2 durch eine doppelte Windungszahl der Spule 2 gegenüber den Spulen 1 und 3 hergestellt werden.
Das Ausgangssignal des Gradiometers (1) nach Figur 1 und 2, also das Messsignal, wird über eine Leitung (4) einem Verstärker V (5), das verstärkte Signal einem Filter F (6) und dessen Ausgangssignal wird einer Anzeige A (18) zugeführt.
Wird das Gradiometer durch den Sondentyp nach Fig. 3a, 3b oder 3c, bei dem auf ein Maximum geortet wird, realisiert, kann zur Störungsunterdrückung ein korrelatives Verfahren verwendet werden. Dabei wird das Signal nach dem Filter F (6) einem Korrelator K (7) zugeführt.
Im Korrelator (7) wird das Signal des Gradiometers mit einem Referenzsignal korreliert. Als Referenzsignal wird das Signal des Wechselstromes des Kabels herangezogen, das entweder von einer zugänglichen Stelle des gesuchten Kabels (3) oder direkt von dem erforderlichen Generator abgenommen wird. In jedem Fall muss dafür gesorgt sein, dass auch das Referenzsignal zeitlich differenziert wird, beispielsweise durch eine Stromzange (13) in der Rückleitung (12) mit einem Differenzierglied D (8). Das Ausgangssignal des Korrelators (7) entspricht einem Zeitintegral des Produktes aus Messsignal und Referenzsignal mit einstellbarer Integrationszeitkonstante. Durch die Korrelation werden die von Fremdströmen bzw.
Fremdfeldern stammenden Störsignale eliminiert, da nur der mit dem Referenzsignal konforme Teil des Messsignales zum Ergebnis beiträgt. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Haupt-und Nebenextrema
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der gradiometrischen Messergebnisse am Vorzeichen unterschieden werden, bzw. die störenden Nebenextrema überhaupt auf Grund des Vorzeichens von der Anzeige ausgeschlossen werden können. Das Ausgangssignal des Korreiators (7) wird einer Anzeige (9) zugeführt und von dieser in geeigneter, dem Zweck entsprechenden Form angezeigt. Besonders geeignet sind dafür Digitalanzeigen, da die Lage des Extremums nur anhand einer hochauflösenden Anzeige etwa auf 1 Zentimeter genau lokalisiert werden kann.
Durch die Lage des Maximums wird der Ort des gesuchten Elementes angezeigt, anhand der absoluten Grösse des Messwertes wird gleichzeitig die Tiefe, in der sich das Element befindet, bestimmt.
Aufgrund der Beziehung Gl. (1) ist bei x = 0 die Ableitung und damit das Messsignal umgekehrt proportional der 3. Potenz von z und damit der Tiefe. Dieser Zusammenhang zeigt die hohe Auflösung des Messsignales in bezug auf die Tiefe des Objektes.
Kontrollmöglichkeiten ergeben sich durch Verschieben des Gradiometers (Sondentypus A) in xRichtung bis zum Spannungsnulldurchgang und Nebenmaximum, wobei der Nulldurchgang bei x = h/. J3 und das Nebenmaximum bei x = h auftreten muss. Bei Abweichungen von diesen Werten kann auf das Vorhandensein etwaiger Störungen, die das Messergebnis verfälschen könnten, geschlossen werden.
Mit der beschriebenen Messeinrichtung können beispielsweise wechselstromführende Leiter in einer Tiefe von etwa 1 Meter auch noch in Gegenwart bzw. unmittelbarer Nähe massiver Eisenteile und störender Fremdkabel mit der beschriebenen Genauigkeit einwandfrei lokalisiert werden, was mit den bekannten herkömmlichen Kabeisuchverfahren, die auf der Messung einer nicht in dieser Weise räumlich differenzierten Feldkomponente beruhen, unmöglich ist.
Das beschriebene Verfahren ist nicht nur auf geradlinig verlegte Elemente beschränkt, sondern lässt sich auch bei Bögen und Ecken in gleicher Art anwenden.
Durch den Messstrom I können in benachbarten Leitungen Ströme induziert werden. die im Gradiometer zu bis zu 180'phasenverschobenen Fehlsignalen führen. Es ist daher wichtig, in solchen Störsituationen die Phasenlage des Messsignals in bezug auf den Messstrom zu überprüfen.
Weiters muss die Messfrequenz so angesetzt werden, dass der Kopplungsfaktor zu längeren, parallel liegenden Kabeln und sonstigen Leitern - abhängig von deren Leitungswiderstand - so gering ist. dass sich dort keine nennenswerte Ströme ausbilden können, was trotz der Korreiation zu Fehlmessungen führen würde. Als günstig erwies sich eine Messfrequenz von ca. 10 bis 20 Hz. Da bei dieser niedrigen Frequenz auch die in den MeBspulen induzierten Spannungen sehr gering sind, muss der Verstärker V (5) sehr rauscharm aufgebaut sein.
Durch die niedrige Messfrequenz und die unter Umständen wesentlich geringeren Messströme im Vergleich zu den 50-Hz-Strömen in Leitern, die womöglich auch noch näher zur Erdoberfläche (2) (Figur 2) als das zu ortende Objekt (3) verlegt sind, kann es vorkommen, dass das vom Gradiometer (1) ausgehende 50 Hz-Störsignal wesentlich höher ist, als das eigentliche Messsignal. Daher wurde das Filter F (6) vorgesehen, das vornehmlich als steilflankiges Sperrfilter für die Frequenz des Störers mit der höchsten Amplitude ausgeführt werden sollte.
Bei entsprechender Ausführung dieses Filters (6) sinken einerseits die Anforderungen an die Eingangsdynamik des Korrelators K (7), andererseits kann in den Fällen, in denen die Störfelder nicht so stark ausgeprägt sind, ohne Verringerung der Messgenauigkeit auf den Korreiator K (7) verzichtet werden, wodurch der Messgesamtaufwand erheblich reduziert wird.
Um die Gefahr von störenden Erdschleifen im Messaufbau, insbesondere bei weit ausgedehnten MeBstrecken, zu vermeiden, sollte die Stromversorgung der Elektronik (Elemente (5) bis (9)) aus Batterien erfolgen.
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