AT501758A4 - Verfahren zur ortung von leckagen in rohren - Google Patents

Description

  F/39584 1
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Feststellung und gegebenenfalls Ortung von Leckstellen in Rohrleitungen für den Transport flüssiger oder gasförmiger Medien mittels zumindest eines entlang der Längserstreckung der Rohrleitung von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt verlaufenden, elektrischen Leiters, gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Rohrleitungen für den Transport flüssiger oder gasförmiger Medien sind weit verbreitet und zumeist unterirdisch geführt. Es handelt sich dabei etwa um Wasserleitungsrohre oder Fernwärmerohre, wobei bei letzteren das Transportmedium auch gasförmig in Form von Wasserdampf vorliegen kann. Um den Austritt des Mediums und im Fall von Fernwärmeleitungen den Energieverlust aufgrund von Leckstellen so gering wie möglich zu halten, ist eine möglichst rasche Erkennung dieser Leckstellen notwendig.

   Um in weiterer Folge den Arbeits- und Kostenaufwand zur Behebung des Schadens zu minimieren ist es ausserdem wünschenswert, diese Leckstelle auch so genau wie möglich zu orten.
Es sind unterschiedliche Verfahren zur Feststellung und Ortung von Leckstellen bekannt. Eine Möglichkeit besteht etwa in der Vermessung des Zeitechos impulsförmiger Testsignale in elektrischen Überwachungsleitern, die im Nahebereich der Rohrleitung verlegt werden. Hierzu wird etwa die Rohrleitung, in dem das Medium transportiert wird, mit einem Kunststoffmantel umhüllt, in dem die elektrischen Leiter eingeschäumt sind. Der Kunststoffmantel ist wiederum mit einer wasserundurchlässigen Schutzhülle versehen. Diese Anordnung wird im Folgenden auch als Rohrverbund bezeichnet.

   Die aufgrund des Austritts des Transportmediums auftretende Befeuchtung des Kunststoffmantels reduziert den Isolationswiderstand zwischen Rohrleitung und elektrischem Überwachungsleiter bzw. zwischen den Überwachungsleitern, und stellt somit eine niederohmige Stelle dar, an der die Spannungsimpulse reflektiert werden. Aus der Laufzeit des Echos kann auf die Entfernung der Leckstelle vom Ort der Einkopplung des Testsignals geschlossen werden. Auch wenn entsprechend niederohmige Leiter, wie etwa Kupferdrähte, verwendet werden, kann eine Leckstelle erst bei relativ starker Befeuchtung und somit erst bei vergleichsweise langem Austritt des Mediums aus dem Rohr zuverlässig geortet werden.

   Ausserdem erweist sich die Auswertung und Interpretation des Zeitechos als aufwändig und schwierig.
Eine weitere Möglichkeit zur Feststellung einer Leckstelle besteht im Wesentlichen in der Verwendung einer Widerstandsmessbrücke. Hierbei wird der elektrische Widerstand zwischen einem hochohmigen Leiter, etwa einem NickelchromLeiter, und einem niederohmigen Leiter, etwa einem Kupferdraht oder dem leitfähigen Rohr, überwacht. Bei Befeuchtung des Kunststoffmantels des Rohrs durch Austritt des Transportmediums wird wiederum der Isolationswiderstand verringert, wobei nach dem Prinzip des unbelasteten Spannungsteilers die Leckstelle geortet wird. Hierzu wird ein Schwellenwert für den elektrischen Widerstand definiert, wobei bei Unterschreiten dieses Schwellenwerts ein Alarmsignal generiert und die Ortung vorgenommen wird.

   Dieses Verfahren erweist sich als empfindlich genug, um bereits geringe Widerstandsänderungen detektieren zu können, und somit eine rasche Fehlerstellenermittlung zu ermöglichen. Es zeigt sich aber in der Praxis, dass dieses Verfahren eine untolerierbar hohe Anzahl von Fehlalarme erzeugt, sodass die Wartungskosten der Rohrleitungsstrecke aufgrund letztendlich unnötiger baulicher Interventionen erhöht werden.
Es ist daher das Ziel der Erfindung, die Feststellung und gegebenenfalls Ortung von Leckstellen in Rohrleitungen zuverlässiger zu gestalten, um auf diese Weise nicht nur die Überwachung von Rohrleitungen zu verbessern, sondern auch die Wartungskosten zu minimieren.

   Diese Ziele werden durch die Merkmale von Anspruch 1 erreicht.
Der Erfindung liegt die Überlegung zu Grunde, dass das Widerstandsverhalten des Gesamtsystems aus Rohrleitung, elektrischer Überwachungsleiter, deren Verbindungsstellen, dem trennenden Füllmaterial sowie der Spannungsquellen und -messgeräte während der Betriebsdauer der Rohrleitungsstrecke nicht konstant ist, obwohl die Rohrleitung, in dem das Medium transportiert wird, noch intakt ist. Vielmehr kommt es etwa im Zuge von Beschädigungen des Rohrverbundes und des damit verbundenen Feuchtigkeitseintrittes von ausserhalb des Rohrverbundes, oder auch aufgrund von Temperaturveränderungen zu Variationen des Feuchtigkeitsgrades innerhalb des Rohrverbundes, ohne dass die Rohrleitung schadhaft wäre.

   Des Weiteren kann es auch in der gesamten Elektrik der Überwachungsleiter, etwa in den Verbindungsstellen der Leiter, zu Beeinträchtigungen kommen, die aufgrund einer Verringerung des Durchgangswiderstands eine scheinbare Verringerung des Isolationswiderstands bewirken. Erfolgt nun die Beurteilung der Integrität der Rohrleitung aufgrund eines Vergleiches mit einem vorher definierten Schwellenwert, und insbesondere aufgrund der Detektierung eines Unterschreitens dieses Schwellenwerts, so kann fälschlicherweise eine Leckstelle angezeigt werden, obwohl die Rohrleitung noch intakt ist.
Eine weitere Überlegung besteht darin, dass die Interpretation einer Leckstelle als blosse Kurzschluss-Stelle zu kurz greift.

   Die Erfindung beruht vielmehr auf der Auffassung, dass das den zumindest einen Überwachungsleiter sowie die Rohrleitung trennende Füllmaterial ein sich im Laufe der Betriebszeit änderndes Dielektrikum mit komplexen elektrolytischen und mitunter galvanischen Eigenschaften darstellt. Es steht somit nicht die Messung eines blossen Widerstandswerts und dessen Vergleich mit einem Schwellenwert im Mittelpunkt der Betrachtungen, sondern es wird das "Widerstandsverhalten" des Gesamtsystems untersucht.

   Es zeigt sich nämlich, dass sich schleichende Widerstandsänderungen aufgrund anderer Faktoren als einer Leckstelle durchaus von Änderungen aufgrund tatsächlicher Leckstellen unterscheiden lassen.
Anspruch 1 bezieht sich somit auf ein Verfahren zur Feststellung und gegebenenfalls Ortung von Leckstellen in Rohrleitungen für den Transport flüssiger oder gasförmiger Medien mittels zumindest eines entlang der Längserstreckung der Rohrleitung von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt verlaufenden, elektrischen Leiters, wobei erfindungsgemäss vorgesehen ist, dass zwischen zwei elektrischen Leitern oder zwischen einem elektrischen Leiter und der Rohrleitung eine definierte Test-Spannung angelegt wird, und das Widerstandsbzw.

   Impedanzverhalten zwischen Anfangs- und Endpunkt der beiden Leiter oder des Leiters und der Rohrleitung bei intakter Rohrleitung ermittelt wird, und zu späteren Zeitpunkten das Widerstands- bzw. Impedanzverhalten bei denselben Test-Spannungen ermittelt und mit dem für die intakte Rohrleitung bekannten Widerstands- bzw. Impedanzverhalten verglichen wird, wobei aus den Abweichungen des zu späteren Zeitpunkten ermittelten Widerstands- bzw. Impedanzverhaltens von jenem für die intakte Rohrleitung auf das Vorliegen einer Leckstelle geschlossen wird.
Im Unterschied zu bekannten Verfahren wird somit nicht ein gemessener Widerstandswert mit einem Schwellenwert verglichen, sondern es wird das beobachtete Widerstands- bzw. Impedanzverhalten mit jenem bei intakter Rohrleitung verglichen. Die Ermittlung des Widerstands- bzw.

   Impedanzverhaltens zwischen Anfangs- und Endpunkt der beiden Leiter oder des Leiters und der Rohrleitung bei intakter Rohrleitung umfasst dabei nicht nur die blosse Ermittlung eines Widerstandswerts bei einem bestimmten Gleichspannungswert, sondern kann auch die Ermittlung von Widerstandswerten bei mehreren Gleichspannungswerten, oder der Impedanzen bei mehreren Wechselspannungsamplituden und -frequenzen umfassen. Es ist des Weiteren auch nicht ausgeschlossen, bei der Ermittlung des Widerstands- bzw. Impedanzverhaltens bei intakter Rohrleitung auch Erfahrungswerte, die im Laufe der Betriebsdauer der Rohrleitungsstrecke gewonnen werden, einfliessen zu lassen, etwa wenn zyklische Veränderungen oder eine allmähliche Veränderung des Widerstands- bzw. Impedanzverhaltens beobachtet werden.

   So können etwa jene Fälle eines Fehlalarms ausgeschieden werden, bei denen ein Widerstandswert zwar unter einen im Rahmen gängiger Verfahren ." .. .. festgelegten Schwellenwert gefallen ist, aber aus dem
Vergleich mit dem Widerstandsverhalten bei intakter
Rohrleitung klar ist, dass die Änderung des Widerstandswerts auf andere Faktoren zurückzuführen ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass bei dem Vergleich mit dem Widerstands- bzw. Impedanzverhalten bei intakter Rohrleitung auch mit mehreren Testspannungen gearbeitet werden kann, was bei der blossen Überwachung eines Schwellenwerts nicht möglich ist. Dabei kann die Absolvierung eines Prüfprogramms, bei dem etwa Widerstands- bzw. Impedanzwerte bei unterschiedlichen Spannungswerten und -frequenzen, also das "Widerstands- bzw.

   Impedanzverhalten", ermittelt und ausgewertet werden, in festgelegten zeitlichen Abständen automatisiert vorgenommen werden .
Anspruch 2 sieht vor, dass es sich bei der Test-Spannung um zumindest einen Gleichspannungswert handelt. Anspruch 3 sieht vor, dass es sich bei der Test-Spannung um eine Wechselspannung mit zumindest einer definierten Frequenz und Amplitude handelt.
Anspruch 4 sieht vor, dass das Widerstands- bzw. Impedanzverhalten sowohl am Anfangspunkt als auch am Endpunkt der elektrischen Leiter gemessen wird. Dadurch wird eine präzise Ortung der Leckstelle ermöglicht. Falls das Widerstands- bzw.

   Impedanzverhalten lediglich am Anfangs- oder Endpunkt der elektrischen Leiter gemessen wird, kann eine Ortung der Leckstelle nur mit eingeschränkter Genauigkeit vorgenommen werden, sodass man in diesem Fall in erster Linie auf das Feststellen einer Leckstelle beschränkt ist.
Eine konkrete Vorgangsweise zur Vermessung des Impedanzverhaltens wird in Anspruch 5 vorgeschlagen.

   Anspruch 5 schlägt vor, dass -) eine erste Test-Spannung erzeugt und am Anfangspunkt eines
Überwachungsleiters als erstes Einspeisesignal eingekoppelt wird,
-) am Endpunkt ein erstes Antwortsignal gemessen wird,
-) in Abhängigkeit vom ersten Antwortsignal eine der ersten
Test-Spannung entsprechende, zweite Test-Spannung erzeugt und am Endpunkt eines Überwachungsleiters als zweites
Einspeisesignal eingekoppelt wird,
-) am Anfangspunkt ein zweites Antwortsignal gemessen wird,
-) und die Korrelation der Einspeise- und Antwortsignale mit den jeweiligen Test-Spannungen mit jener für die intakte
Rohrleitung verglichen wird.
Ein auf diese Weise ermitteltes Impedanzverhalten wird im folgenden auch als Sprung- oder Impulsantwort des Rohrverbundes bezeichnet.

   Anstelle des Ausdrucks "TestSpannung" wird im Folgenden auch der Begriff "Testsignal" verwendet .
Eine solche Vogangsweise kann insbesondere gemäss Anspruch 6 im Rahmen eines Prüfprogramms mit unterschiedlichen Test-Signalen durchlaufen werden. Dabei können innerhalb eines Ablaufes des Prüfprogrammes etwa unterschiedliche Frequenzen, Spannungsamplituden, Impulsdauer oder Impulsmuster eingekoppelt und die entsprechenden Antwortsignale ausgewertet werden. In vorgegebenen zeitlichen Abständen kann das Prüfprogramm wiederholt werden.

   Die Wiederholung einer Messung bei Variation des Test-Signals erlaubt es dabei, eine eventuell aufgetretene Leckstelle immer genauer einzugrenzen.
Gemäss Anspruch 7 ist vorgesehen, dass die Impedanz zwischen zwei elektrischen Leitern oder zwischen einem elektrischen Leiter und der Rohrleitung mithilfe definierter TestSpannungen mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen ermittelt wird, und ihre Frequenzabhängigkeit von jener bei intakter Rohrleitung verglichen wird. Auf diese Weise ist ebenfalls eine Eingrenzung der Leckstelle möglich, wobei man hierbei davon ausgeht, dass das aus einer Leckstelle austretende Medium eine Kapazitätsänderung im Bereich der Leckstelle zur umgebenden Erde bewirkt.

   Die Erde stellt dabei eine bekannte Grösse dar, wobei die durch die Leckstelle auftretenden Veränderungen im Masseverhältnis am Ort der Leckstelle zu einer Veränderung der Impedanzverhältnisse führen.
Eine Impedanzerfassung über einen hinreichend grossen Frequenzbereich stellt besondere Anforderungen an das Testsignal, wobei insbesondere bei Verwendung hochohmiger Nickel- bzw. Nickelchrom-Leitungen ein Signalgenerator mit entsprechend hoher Spitzenleistung erforderlich ist. Zur Generierung eines geeigneten Testsignals wird daher gemäss Anspruch 8 vorgeschlagen, dass zur Erzeugung der Test-Spannung zumindest ein digitaler Verstärker und zumindest ein Analogverstärker hintereinander geschaltet werden. Dadurch können mit relativ hohem Wirkungsgrad Testsignale der geforderten Qualität und geeignetem Frequenzverhalten erzeugt werden.

   Gemäss Anspruch 9 ist insbesondere vorgesehen, dass zwei digitale Verstärkerstufen verwendet werden, deren Ausgangssignale einem Analogverstärker zugeführt werden.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen die
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Rohrverbunds mit zwei Überwachungsleiter,
Fig. 2 ein Ersatzschaltbild für die Ermittlung des Widerstandsverhaltens bei Gleichspannung,
Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für die Ermittlung des Impedanzverhaltens bei Wechselspannung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Ermittlung des Impedanzverhaltens einer Rohrleitungsstrecke,
Fig. 5 ein Schaltbild zur Erzeugung eines Testsignal, Fig. 6 eine Ausführungsform einer schaltungstechnischen Realisierung zur Formung eines Testsignals, und
Fig. 7.

   eine Ausführungsform einer regeltechnischen Realisierung zur Formung eines Testsignals.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Rohrverbunds 8, wie sie für den Transport flüssiger oder gasförmiger Medien weit verbreitet sind. Der Rohrverbund 8 ist über weite Strecken zumeist schwer zugänglich, z.B. unterirdisch, geführt. Es handelt sich dabei etwa um Wasserleitungsrohre oder Fernwärmerohre, wobei bei letzteren das Transportmedium auch gasförmig in Form von Wasserdampf vorliegen kann.

   Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich aber zur Überwachung von Rohrleitungen zum Transport von Medien jeder Art, sofern das transportierte Medium elektrisch leitfähig ist, wobei eine Leitfähigkeit des Transportmediums von wenigen [mu]S/cm bereits ausreichend ist.
Der Rohrverbund 8 weist die Rohrleitung 1, etwa ein Stahloder Kupferrohr, für den Transport des flüssigen oder gasförmigen Mediums auf, sowie elektrische Überwachungsleiter 2, die im Nahebereich der Rohrleitung 1 verlegt werden. Hierzu wird etwa die Rohrleitung 1, in dem das Medium transportiert wird, mit einem thermisch und elektrisch isolierenden Mantel 3 umhüllt, in dem die elektrischen Leiter 2 eingebettet sind, sowie mit einer wasserundurchlässigen Schutzhülle 4.

   Das thermisch und elektrisch isolierende Material kann etwa Kunststoff sein, etwa PUR-Hartschaum, Glas- oder Steinwolle, oder eine Faserisolierung. Im Folgenden wird von einem Kunststoffmantel 3 ausgegangen.
Der Kunststoffmantel 3 weist im trockenen Zustand elektrisch isolierende Eigenschaften auf.

   Die aufgrund des Austritts des Transportmediums auftretende Befeuchtung des Kunststoffmantels 3 reduziert den Isolationswiderstand zwischen Rohrleitung 1 und elektrischem Überwachungsleiter 2 bzw. zwischen den Überwachungsleitern 2, und stellt somit eine niederohmige Stelle dar, wobei die geänderten elektrischen Verhältnisse für eine Erkennung und Ortung der Leckstelle herangezogen werden können.
Fig. 1 zeigt die Verwendung von zwei Überwachungsleiter 2, es ist aber auch die Verwendung von bloss einem Leiter 2 oder auch von mehreren Leiter 2 denkbar, wobei die Anordnung der Überwachungsleiter 2 innerhalb der Ummantelung 3 variieren kann. Bei den Überwachungsleitern 2 handelt es sich um einen hochohmigen leiter 2, etwa ein Nickelchrom-Leiter, sowie wahlweise einem niederohmigen Leiter 2, etwa einem Kupferdraht oder einem Kupfer-Nickel-Leiter.

   Dabei wird der elektrische Widerstand zwischen dem hochohmigen Leiter 2 und dem niederohmigen Leiter 2, sowie wahlweise auch zwischen dem hochohmigen Leiter 2 und dem Rohr 1 überwacht. Bei Verwendung von lediglich einem Überwachungsleiter 2 wird der elektrische Widerstand zwischen dem hochohmigen Leiter 2 und dem leitfähigen Rohr 1 überwacht.
Wie bereits erwähnt wurde, beruht die Erfindung auf der Auffassung, dass das den zumindest einen Überwachungsleiter 2 sowie die Rohrleitung 1 trennende Füllmaterial 3 ein sich im Laufe der Betriebszeit änderndes Dielektrikum mit komplexen elektrolytischen und mitunter galvanischen Eigenschaften darstellt. Eine Leckstelle verändert die dielektrischen Eigenschaften signifikant, und somit das Widerstandsverhalten des Gesamtsystems.

   Zur Modellierung der elektrischen Eigenschaften des Gesamtsystems wird auf ein Ersatzschaltbild zurückgegriffen, das in Fig. 2 für Gleichspannungs-Testsignale UMund der Verwendung von lediglich einem Überwachungsleiter 2 gezeigt ist, und in der Fig. 3 für WechselspannungsTestsignale uL.
Wie der Fig. 2 entnommen werden kann, wird dabei die Rohrleitungsstrecke als Serienschaltung von Widerständen R' angenommen, wobei unterschiedliche Streckenlängen l[chi] und 12der Rohrleitungsstrecke mithilfe einer unterschiedlichen Anzahl von Widerständen R' wiedergegeben werden. Zwischen Leiter 2 und der Rohrleitung 1 wird an einem Anfangspunkt die Messspannung UMangelegt, und an einem Endpunkt die Ausgangsspannung UMagemessen. Der Bereich der Leckstelle wird als Fehlerspannungsquelle UFzwischen Rohrleitung 1 und Leiter 2 mit dem Innenwiderstand RFaufgefasst.

   Durch die Bestimmung des Schleifenwiderstands kann eine Leckstelle erkannt werden, wobei für eine genaue Ortung der Leckstelle sowohl am Anfangsais auch am Endpunkt gemessen werden muss. Bei Verwendung eines weiteren Überwachungsleiters 2 lässt sich die Lokalisierung der Leckstelle präzisieren.
In ähnlicher Weise zeigt Fig. 3 ein Ersatzschaltbild bei Verwendung von lediglich einem Überwachungsleiter 2 und Wechselspannungs-Testsignalen uL[iota] und uL2. Die Rohrleitungsstrecke wird durch die Widerstände R' , induktiven Widerstände L' und kapazitiven Widerstände C mit dem Leitwert G' modelliert. Unterschiedliche Streckenlängen li und 12der Rohrleitungsstrecke werden wiederum mithilfe einer unterschiedlichen Anzahl von R' L' C -Widerstandselementen wiedergegeben.

   Zwischen Leiter 2 und der Rohrleitung 1 wird an einem Anfangspunkt die Messspannung uL[iota] angelegt, und an einem Endpunkt die Ausgangsspannung gemessen. Der Bereich der Leckstelle wird als kapazitive Verbindung CFzwischen Rohrleitung 1 und Leiter 2 mit dem Widerstand RFaufgefasst. Aus dem Verhältnis der Impedanzverteilung am Anfangspunkt und Endpunkt der Leitung kann auf die Position der Leckstelle im Rohrleitungssystem geschlossen werden. Dies soll im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung zur Ermittlung des Impedanzverhaltens einer Rohrleitungsstrecke, die den Rohrverbund 8 umfasst. Zur Ermittlung des exakten Fehlerortes durch Impedanzanalyse wird jeweils an einem Anfangspunkt sowie an einem Endpunkt der zu überwachenden Rohrleitungsstrecke ein Messgerät Mabzw. Mbangebracht.

   Beide Geräte Maund Mbsind mit einem Server 15 verbunden, der die Messung steuert, und auf dem die Auswertung der Messdaten erfolgt. Für eine exakte Leckstellenbestimmung wird jeweils von den beiden Messgeräten Maund M abwechselnd ein Testsignal uLausgesendet und an der jeweils gegenüberliegenden Seite der Messanordnung analysiert. Hierzu erzeugt zunächst die Messeinrichtung Maein Testsignal uL[iota], und wertet die Impedanzverteilung an der Einspeisestelle am Anfangspunkt einer Rohrleitungsstrecke, wo es als Einspeisesignal eingekoppelt wird, aus. Am Endpunkt der Rohrleitungsstrecke wird es in weiterer Folge als erstes Antwortsignal gemessen.

   In Abhängigkeit vom ersten Antwortsignal wird daraufhin von der Messeinrichtung MBeine der ersten Test-Spannung entsprechende, zweite Test-Spannung uL2erzeugt und am Endpunkt eines Überwachungsleiters als zweites Einspeisesignal eingekoppelt. Dieses zweite Einspeisesignal wird am Anfangspunkt als zweites Antwortsignal gemessen. Die Messdaten werden der Auswerteeinheit 15, etwa einem Server, übermittelt, wo die Korrelation der Einspeise- und Antwortsignale mit den jeweiligen Test-Spannungen uL[iota],uL2ermittelt und mit jener für die intakte Rohrleitung 1 verglichen wird.
Diese Vogangsweise kann etwa im Rahmen eines Prüfprogramms mit unterschiedlichen Test-Signalen uLdurchlaufen werden, bei denen unterschiedliche Parameter des Test-Signals uLvariiert werden.

   Dabei können innerhalb eines Ablaufes des Prüfprogrammes etwa unterschiedliche Frequenzen, Spannungsamplituden, Impulsdauer oder Impulsmuster eingekoppelt und die entsprechenden Antwortsignale ausgewertet werden. In vorgegebenen zeitlichen Abständen kann das Prüfprogramm wiederholt werden.
Diesem Messverfahren übergeordnet ist ein Auswerte- und Analyseprogramm, welches durch die Bewertung der Änderung des Impedanzverhaltens der Leitung sowie durch die Reaktion der Leitung auf adaptiv nachgestellte Testsignale die Leitung hinsichtlich Dichtheit bewerten kann. Dabei wird im Fall der einfacheren Leitungszustandsanalyse, also der Feststellung einer Leckage ohne deren Ortung, lediglich eine Tendenzanalyse auf die Impedanzantwort der Anordnung durchgeführt.

   Eine tendenziell sprungförmige Änderung, sofern sie ausserhalb gewisser erlaubter Toleranzen auf nahezu allen Testfrequenzen mit gleicher Tendenz erfolgt, führt zu einer Fehlererkennung und Signalisierung.
Bei der Fehlerortung wird im Gegensatz zur Leitungszustandsanalyse gezielt von beiden Seiten der Leitung mit Testsignalen die Fehlerstelle als Verhältnis der jeweils gegenüberliegenden Testantworten ermittelt. Der Vorgang ist in etwa folgendermassen zu beschreiben. Wenn die Leitungszustandsanalyse eine Fehlerstelle ausweist, wird von beiden Seiten der Leitung begonnen die Impedanzverteilung abwechselnd zu bestimmen. Dabei werden die Testsignale adaptiv so verändert, dass über den gesamten Testfrequenzbereich ein repräsentatives Spektrum aufgenommen werden kann.

   Die so ermittelten Messreihen werden statistisch in relativer Relation zueinander gesetzt, und aus dem Verhältnis der jeweiligen Resultate wird auf den Ort der Fehlerstelle hochgerechnet .
Die Qualität des Verfahrens steht in engem Zusammenhang mit der Signalgüte der Testsignale (sowie deren adaptiver Regelung) und der Messgenauigkeit. Praktisch sind Auflösungen von besser als 1% rechnerisch realisierbar. Der zeitliche Verlauf der Feuchtigkeitsdurchdringung wird dabei mitprotokolliert, da mit zunehmender Feuchte in der Isolierung die Bestimmung der genauen Leckage immer ungenauer wird.

   Dadurch ist ein späteres Rückrechnen und Ermitteln des tatsächlichen Lecks möglich.
Es ist daraus aber auch ersichtlich, dass die Ermittlung des Impedanzverhaltens zwischen Anfangs- und Endpunkt der Rohrleitungsstrecke und des Leiters 2 nicht nur die blosse Ermittlung eines einzelnen Impedanzwerts umfasst, sondern auch die Ermittlung von Impedanzwerten bei mehreren Wechselspannungsamplituden und -frequenzen, oder Variationen des Test-Signals uLanderer Art.

   Die jeweilige Sprungantwort des Gesamtsystems für all diese Testfälle bildet das "Impedanzverhalten" des Gesamtsystems, das zunächst bei intakter Rohrleitung 1 erhoben wird.
Das Impedanzverhalten zwischen Anfangs- und Endpunkt des Leiters 2 und der Rohrleitung 1 wird in weiterer Folge zu beliebigen, späteren Zeitpunkten wiederholt ermittelt, und mit dem für die intakte Rohrleitung 1 bekannten Impedanzverhalten verglichen, wobei aus den Abweichungen des zu beliebigen Zeitpunkten ermittelten Impedanzverhaltens von jenem für die intakte Rohrleitung 1 auf das Vorliegen einer Leckstelle geschlossen wird.

   Die Wiederholung einer Messung bei Variation des Test-Signals uLerlaubt es dabei, eine eventuell aufgetretene Leckstelle immer genauer einzugrenzen.
Im Zuge der Bewertung von Abweichungen im Impedanzverhalten können auch Erfahrungswerte, die im Laufe der Betriebsdauer der Rohrleitungsstrecke gewonnen werden, berücksichtigt werden, etwa wenn zyklische Veränderungen oder eine allmähliche Veränderung des Impedanzverhaltens beobachtet werden. Auch im Zuge von Erweiterungen oder sonstigen Modifikationen der Rohrleitungsstrecke wird sich das Impedanzverhalten des Gesamtsystems verändern.

   So können etwa jene Fälle eines Fehlalarms ausgeschieden werden, bei denen sich das Impedanzverhalten zwar verändert hat, aber aus dem Vergleich mit dem Impedanzverhalten bei intakter Rohrleitung 1 klar ist, dass die Änderung des Impedanzverhaltens auf andere Faktoren als ein Rohrleitungsbruch zurückzuführen ist.
Wie bereits erwähnt wurde, stellt eine Impedanzerfassung über einen hinreichend grossen Frequenzbereich besondere Anforderungen an das Testsignal uL, wobei insbesondere bei Verwendung hochohmiger Nickel- bzw. Nickelchrom-Leitungen ein Signalgenerator mit entsprechend hoher Spitzenleistung erforderlich ist.

   Zur Generierung eines geeigneten Testsignals u wird daher beispielhaft ein Schaltungsprinzip gemäss Fig. 5 vorgeschlagen, bei dem zur Erzeugung des Testsignals uLzwei digitale Verstärker 7,10 und ein Analogverstärker 13 hintereinander geschaltet werden, wobei sie durch eine 
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Kapazität Ca,bgekoppelt sind. Die in der Fig. 5 ersichtliche Spannung uLstellt dabei die Eingangsspannung für die Impedanzmessung, also das Testsignal, dar. Im Zuge eines solchen Mehrstufensystems in Form kaskadierter Analog- und Digitalverstärker 7,10,13 liefern die beiden digitalen Schaltstufen 7,10 zunächst das ungefähre Ausgangssignal, welches mit einem Offset behaftet ist. In weiterer Folge stellt ein Linearverstärker 13 das eigentliche Ausgangssignal uLzur Verfügung.

   Da dieser Verstärker 13 mit relativ geringer Spannung arbeitet, kann hiermit der Wirkungsgrad des Gesamtsystems entsprechend markant gesteigert werden. Die erforderliche Kleinsignalbandbreite wird vom Analogverstärker 13 bestimmt, und kann somit entsprechend hoch angesetzt werden. Dadurch vereint eine Schaltung gemäss Fig. 5 die breitbandige Einsetzbarkeit eines Analogverstärkers 13 mit dem hohen Wirkungsgrad der Digitalverstärker 7,10. Dabei ist aber nicht ausgeschlossen, dass ein Testsignal uLmit der für das erfindungsgemässe Verfahren erforderlichen Güte bei Verwendung entsprechender Digitalverstärker 7,10 auch ohne die vorgeschlagene Analogverstärkerstufe 13 geformt werden kann.
Eine mögliche schaltungstechnische Realisierung eines solchen kaskadierten linear/Schaltverstärkers ist in der Fig. 6 gezeigt.

   Die beiden Digitalverstärkerstufen 7,10 umfassen jeweils die Schalter Si bzw. S4, die als Transistoren ausgeführt sind, sowie die Dioden Di bzw. D4. Die Ausgangsspannungen Ui und U2stellen das Eingangssignal für den Analogverstärker dar, wobei das verstärkte Signal wiederum mit uLgekennzeichnet ist. Diese Schaltung ist dabei für den Spezialfall des Treibens von Lasten im Hinblick auf die Leckstellenortung gezeichnet.
Eine mögliche regeltechnische Realisierung zur Formung eines für das erfindungsgemässe Verfahren geeigneten Testsignals uList in der Fig. 7 gezeigt. Eine Referenzspannung uREwird den Signalgeneratoren 5,6 zugeführt.

   Die durch den Signalgenerator 6 geformte Wechselspannung uRwird den beiden Digitalverstärkerstufen 7,10 zugeführt, wobei zur Korrektur von Signalfehlern aufgrund von Bautoleranzen oder Temperaturschwankungen auch ein Konstantwert K addiert bzw. subtrahiert werden kann. Das resultierende Signal ist in der Fig. 7 mit uR[iota] bzw. uR2gekennzeichnet. Durch eine Vorabregelung 9 werden die Schalter Sa,bder digitalen Verstärkerstufen 7,10 gesteuert. Das verstärkte Signal wird jeweils einer Filterstufe 11 zugeführt. Die Ausgangsspannungen der Filterstufen 11 werden rückgekoppelt, und von den jeweiligen Eingangsspannungen uRibzw. uR2subtrahiert. Das aus den jeweiligen Verstärkerstufen 7, 10 letztendlich resultierende Ausgangssignal ui bzw. u2wird nun dem Analogverstärker 13 zugeführt.

   Das analog verstärkte Signal durchläuft eine Filterstufe 14, und wird zur Subtraktion von dem durch Signalgenerator 5 gelieferten Signal rückgekoppelt. Das resultierende Signal durchläuft eine Regelstufe 12, und dient in weiterer Folge zur Steuerung der Verstärkerstufe 13. Dadurch können mit relativ hohem Wirkungsgrad Testsignale uLder geforderten Qualität und geeignetem Frequenzverhalten erzeugt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht somit die zuverlässige Feststellung und Ortung von Leckstellen in Rohrleitungen 1, wobei auf diese Weise die Überwachung von Rohrleitungen 1 verbessert und die Wartungskosten minimiert werden können.

Claims (1)

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Patentansprüche :

1. Verfahren zur Feststellung und gegebenenfalls Ortung von Leckstellen in Rohrleitungen (1) für den Transport flüssiger oder gasförmiger Medien mittels zumindest eines entlang der Längserstreckung der Rohrleitung (1) von einem Anfangspunkt zu einem Endpunkt verlaufenden, elektrischen Leiters (2), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei elektrischen Leitern (2) oder zwischen einem elektrischen Leiter (2) und der Rohrleitung (1) eine definierte Test-Spannung (UM,uL) angelegt wird, und das Widerstands- bzw. Impedanzverhalten zwischen Anfangs- und Endpunkt der beiden Leiter (2) oder des Leiters (2) und der Rohrleitung (1) bei intakter Rohrleitung (1) ermittelt wird, und zu späteren Zeitpunkten das Widerstands- bzw. Impedanzverhalten bei denselben Test-Spannungen (UM,uL) ermittelt und mit dem für die intakte Rohrleitung (1) bekannten Widerstandsbzw.

Impedanzverhalten verglichen wird, wobei aus den Abweichungen des zu späteren Zeitpunkten ermittelten Widerstands- bzw. Impedanzverhaltens von jenem für die intakte Rohrleitung (1) auf das Vorliegen einer Leckstelle geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Test-Spannung (UM,uL) um zumindest einen Gleichspannungswert (UM) handelt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Test-Spannung (UM,uL) um eine Wechselspannung (uL) mit zumindest einer definierten Frequenz und Amplitude handelt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzverhalten sowohl am Anfangspunkt als auch am Endpunkt des zumindest einen elektrischen Leiters (2) gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass

-) eine erste Test-Spannung (uL1) erzeugt und am Anfangspunkt eines Überwachungsleiters (2) als erstes Einspeisesignal eingekoppelt wird,

-) am Endpunkt ein erstes Antwortsignal gemessen wird, -) in Abhängigkeit vom ersten Antwortsignal eine der ersten Test-Spannung (uL[iota]) entsprechende, zweite TestSpannung (uL2) erzeugt und am Endpunkt eines Überwachungsleiters (2) als zweites Einspeisesignal eingekoppelt wird,

-) am Anfangspunkt ein zweites Antwortsignal gemessen wird,

-) und die Korrelation der Einspeise- und Antwortsignale mit den jeweiligen Test-Spannungen (uL[iota],uL2) mit jener für die intakte Rohrleitung (1) verglichen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass es im Rahmen eines Prüfprogramms mit unterschiedlichen Test-Spannungen (uL) durchlaufen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Impedanz zwischen zwei elektrischen Leitern (2) oder zwischen einem elektrischen Leiter (2) und der Rohrleitung (1) mithilfe definierter Test-Spannungen (uL) mit jeweils unterschiedlichen Frequenzen ermittelt wird, und ihre Frequenzabhängigkeit von jener bei intakter Rohrleitung (1) verglichen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Test-Spannung (uL) zumindest ein digitaler Verstärker (7,10) und zumindest ein Analogverstärker (13) hintereinander geschaltet werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei digitale Verstarkerstufen (7,10) verwendet werden, deren Ausgangssignale einem Analogverstarker (13) zugeführt werden.

Wien, am

13. Juli 2005 <EMI ID=18.1>