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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem
Rohrnetz für
die Wasserversorgung, das mit Drücken
zwischen 2 bar und 10 bar, vorzugsweise um 6 bis 8 bar betrieben
wird, wobei die Leckerkennung aus einem Vergleich von unter definiert
verschiedenen Betriebsbedingungen des Netzes sich ergebenden Geräuschpegeln
erfolgt.
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Zur
Suche von Lecks und deren Nachweis in Wasserversorgungsnetzen ist
es bekannt, aus einer Registrierung von Geräuschen, die im Betrieb eines solchen
Netzes auftreten und deren Analyse hinsichtlich der Frequenzverteilung
und auch der Amplitutenverteilung auf das Verhandensein und die
Größe solcher
Lecks zu schließen.
Auch aus einer korrelierenden Verarbeitung von Geräuschsignalen,
die mit verschiedenen Detektoren aufgenommen werden, derart, dass
Signale, die, bedingt durch Schalllaufzeiten zu verschiedenen Zeiten
empfangen werden, jedoch dasselbe Signalmuster haben durch Vergleich
miteinander die Erkennung einer gemeinsamen Schallquelle – z. B.
eines Lecks – ermöglichen, ist
ein Nachweis von Lecks in Versorgungs-Rohrnetzen möglich.
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Die
bekannten Verfahren zur Leckerkennung sind mit dem Nachteil behaftet,
dass Messungen, die eine zuverlässige
Erkennung eines Lecks ermöglichen,
sehr zeitaufwendig sind und auch sehr viel Erfahrung bei der Beurteilung
der Messergebnisse erfordern, da es insbesondere bei den Korrelations-Messverfahren
nicht lediglich auf einfach automatisierbare Intensitätsvergleiche
sondern auch auf die Beurteilung von Signal-Verlaufsformen ankommt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art anzugeben, das unbeschadet einer hohen Zuverlässigkeit
der Zustandserfassung mit einfachen Mitteln und auch mit vergleichsweise
geringem Zeit- und
Kostenaufwand zu eindeutig verwertbaren Ergebnissen führt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß, dem Grundgedanken
nach, gemäß der durch
die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 umrissene Vorgehensweise
gelöst,
die durch die Merkmale der weiteren Ansprüche im einzelnen näher spezifiziert
sein kann.
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Hiernach
wird für
eine Referenzzeitspanne vorgebbarer Dauer der Betriebsdruck in dem
der Untersuchung unterworfenen Netz-Teilbereich konstant gehalten
und für
diese Zeitspanne der Geräuschpegel,
der aus dem Betrieb des Netzes und der in dessen Bereich vorhandenen
Schallquellen resultiert, registriert und hieraus ein Referenzwert
für weitere Schallpegel-Messungen
generiert; sodann wird für eine
weitere Zeitspanne definierter Dauer der Netzbetriebsdruck auf einen
von dem Referenzwert verschiedenen definierten Wert eingestellt
sowie auf diesem Wert gehalten und durch Registrierung des Geräuschpegels
während
der Messzeitspanne ein Messwert generiert, der mit dem Referenzwert
zu vergleichen ist. Aus einer- positiven oder negativen – Differenz
zwischen Referenz- und Messwert kann sodann auf das Vorhandensein
eines Lecks geschlossen werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
nutzt den Umstand, dass in einer Situation, in der kein oder nur sehr
wenig Wasser aus dem Netz entnommen wird, durch die Wasserentnahme
praktisch keine Strömungsgeräusche in
dem Netz erzeugt werden und insoweit auch keine Geräusche, die
druckabhängig sein
könnten,
dass jedoch, unabhängig
davon, durch ein Leck bedingte Strömungsgeräusche, die aus einer – lokal-turbulenten
Strömung
resultieren, druckabhängig
sind, daher mit dem Druck variieren – mit steigendem Druck zunehmen
und mit fallendem Druck abnehmen – und somit als zuverlässiger Nachweis
für ein
Leck genutzt werden können.
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In
bevorzugter Durchführungsart
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird der für
die Leckerkennung benutzte Druck-Messwert bei einem Druck ermittelt,
der signifikant niedriger ist, als der Druck, auf dem das Netz während der
Referenzwert-Messzeitspanne gehalten ist – in der Regel dem Betriebsdruck – da eine
geeignete Druckabsenkung auf einfache Weise durch lokale Wasserentnahmen
und geeignete Netzbereichs-Absperrungen, die mit permanent installierten
Steuerungseinrichtungen vorgenommen werden können, möglich ist.
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Es
versteht sich, dass eine zur Leckerkennung geeignete Druckänderung
im Untersuchungsbereich des Netzes auch durch eine Druckerhöhung erfolgen
könnte,
z. B. durch Einspeisen von Druckwasser in einen begrenzten, hermetisch
absperrbaren Teil des Rohrnetzes, z. B. einen Abschnitt eines Leitungsrohres.
Der hierfür
erforderliche Aufwand ist jedoch nur dann vertretbar, wenn der zu
untersuchende Bereich klein ist und hierfür z. B. der Wasservorrat eines
Tank-Löschfahrzeuges
eingesetzt werden kann.
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Durch
ein Vorgehen gemäß dem Merkmal des
Anspruchs 3 wird von vornherein ausgeschlossen, dass Einschwingvorgänge, die
im Verlauf drastischer Druckänderungen
eintreten, für
die Bildung der Messwerte eine störende Rolle spielen können.
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In
Kombination hiermit sind durch die Merkmale der Ansprüche 4 bis
6 Massnahmen angegeben, die zu günstig
hohen Werten des Signal-/Rausch-Verhältnisses
der Nutzsignale führen.
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Dasselbe
gilt sinngemäß für die durch
die Merkmale der Ansprüche
6 bis 10 gegebenen Arten der Verarbeitung der Messwerte.
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Weitere
Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines speziellen
Durchführungsbeispiels
anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
schematisch vereinfachte Darstellung einer zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahren
geeigneten Installation von Geräuschpegelmessgeräten und
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2 ein
Schallpegel/Zeit-Diagramm zur Erläuterung einer speziellen Durchführungsart
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Der
in der 1 dargestellte Teil eines insgesamt mit 10 bezeichneten
Rohrnetzes für
die Wasserversorgung ist als vermaschtes Ringnetz ausgebildet, bei
dem es mehrere verschiedene Strömungswege
gibt, die von einem Zufluss-Anschluss 11, der beispielsweise
mit einem nicht dargestellten Hochbehälter des Systems in Verbindung
steht zu einem Ausgangs-Knotenpunkt 12 führen, der
z. B. die Verbindung mit einem weiteren Teilnetz des Gesamt-Versorgungsnetzes
bildet, über
den dieses letztendlich wieder an den Hochbehälter des Versorgungsnetzes 10 angeschlossen
ist.
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Bei
dem zur Erläuterung
dargestellten, insgesamt mit 13 bezeichneten Teilnetz sind
zwei "äußere" Rohrleitungen 13/I und 13/II vorgesehen,
die insgesamt einen äußeren Ring
des Teilnetzes 13 bilden, durch den der Zufluss-Anschluss 11 und
der Ausgangs-Knotenpunkt 12 des Teilnetzes 13 kommunizierend
miteinander verbunden sind. Weiter sind – stromab von dem Zulaufanschluss 11 – die beiden äußeren Rohrleitungen 13/I und 13/II "quer" miteinander verbindende
Querleitungen 14/I, 14/II und 14/III vorgesehen,
die, gleichsam vollständig
innerhalb des Teilnetzes 13 verlaufend, Vermaschungselemente
desselben sind.
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Als
weitere Vermaschungselemente sind bei dem zur Erläuterung
dargestellten Teilnetz 13 Zweigrohre 15/1 und 15/2 vorgesehen,
die, wie z. B. für
das eine – zentrale – Zweigrohr 15/1 dargestellt,
zwei Querrohre 14/II und 14/III miteinander verbinden, oder,
wie für
das andere Zweigrohr 15/II dargestellt, ein Querrohr, z.
B. das Querrohr 14/III mit der äußeren Rohrleitung 13/II ver binden,
die am Ausgangsknoten 12 mit der anderen äußeren Ringleitung 13/1 zusammentrifft.
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Bei
der dargestellten, speziellen Gestaltung, geht das die beiden Querrohre 14/II und 14/III miteinander
verbindende Zweigrohr 15/1 von einem zentralen T-Anschluß 16/1 der
einen, "mittleren" Querleitung 14/II aus
und führt
zu einem zentralen Knotenpunkt 17/1 des Querleitungsrohres 14/III,
der über das
weitere Zweigrohr 15/2 mit der äußeren Rohrleitung 13/II verbunden
ist.
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An
dem Zuflussanschluss 11, dem Ausgangsanschluss 12,
dem zentralen Knotenpunkt 17/1, der zentralen T-Verzweigung 16/1 und
den T-Verzweigungen 16/2 bis 16/8,
die im Bereich der äußeren Rohrleitungen 13/I und 13/II angeordnet sind,
sowie entlang der äußeren Rohrleitungen 13/I und 13/II und
auch entlang der zwischen den Verzweigungs- oder Knotenstellen verlaufenden
Rohrleitungen oder Rohrleitungsabschnitte sind jeweils schematisch
angedeutete Hydranten 18 vorgesehen, an denen, z. B. zu
Löschzwecken,
Wasser, das unter einem durch die Auslegung des Netzes vorgebbaren Druck
steht, entnommen werden kann, erforderlichenfalls aber auch Wasser
unter erhöhtem
Druck – zu
Testzwecken – in
das Netz eingespeist werden kann.
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Die
Abstände
einander jeweils benachbarter Hydranten 18 haben typische
Werte um 100 m. Die zwischen den Hydranten 18 verlaufenden
Wasser-Leitungsrohre
bestehen in der Regel aus Stahl. Von diesen Versorgungsrohren gehen "seitlich" die lediglich schematisch
angedeuteten, zu den Verbrauchern führenden Hausanschlussrohre 19 ab,
die in der Regel aus Kunststoff bestehen.
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Bei
einem derartigen Netz ist zum Zweck einer Lecksuche oder zum Zweck
von Funktionsüberprüfungen des
Netzes vorgesehen, dass Teilbereiche desselben, z. B. das dargestellte
Teilnetz 13, oder lediglich Teile dieses Teilnet zes gegen
das übrige
Netz 10 absperrbar sind, so dass solche Teilbereiche unter erhöhten oder
reduzierten Druck gesetzt werden können.
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Diesbezügliche z.
B. durch Schieberventile realisierbare Absperrmöglichkeiten auch einzelner Leitungen
des Rohrnetzes oder von Abschnitten solcher Leitungen sind der Einfachheit
halber nicht eigens dargestellt, werden jedoch als an geeigneten Stellen
vorhanden vorausgesetzt.
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Zum
Zweck solcher Leck-Nachweis- und -Ortungsmassnahmen sind in dem
Rohrnetz 10 mehrere – beim
dargestellten Ausführungsbeispiel
vier – schematisch
dargestellte Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 installiert,
die ihrem grundsätzlichen Aufbau
nach als Mikrofone ausgebildet sind, die für den am Installationsort jeweils
auftretenden Geräuschpegel
charakteristische elektrische Ausgangssignale abgeben, die nach
einer geeigneten Wandlung – vorzugsweise
digital – weiter
verarbeitet werden können.
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Als
Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 eignen
sich bekannte, zur Lecksuche nutzbare Geofone, die in einem für die Schallaufnahme
geeigneten, innigen Berührungskontakt
zum Rohrsystem im Bereich von Hydranten 18 einsetzbar sind
und entweder permanent installiert sein können oder zu Testzwecken in
der geforderten Anzahl als transportable, am Einsatzort installierbare
Mikrofone ausgebildet sind. Zur Erkennung und Lokalisierung von
Lecks in Rohrnetzen geeignete Verfahren und Geräte, z. B. das sogenannte Korrelationsverfahren
sowie hierzu geeignete Geophone und Installationen von solchen sind
in dem Fachbuch von Bolte u. a.: "Senkung der Wasserverluste in öffentlichen
Versorgungen", Band 229,
Expertverlag, 1987, ISBN 3-8169-02050-2 eingehend erläutert, worauf
ergänzend
Bezug genommen sei.
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In
dem Teilnetz 13 ist ein gegenüber dem normalen Betriebsdruck,
der im wesentlichen durch die Höhendifferenz
zwischen einem Hochbehälter und
der geodätischen
Höhe des
Teilnetzes bzw. des jeweils betrachteten Rohr abschnittes desselben
bestimmt ist, niedrigerer Druck z. B. dadurch einstellbar, dass
der Zufluss von Wasser stromauf von dem Zuflussanschluss 11 des
Teilnetzes 13 unterbunden, d. h. das Teilnetz eingangsseitig
abgesperrt wird und das Teilnetz 13 auch ausgangsseitig,
d. h. stromab von dem Ausgangsknotenpunkt 12 abgesperrt
wird und über
einen Hydranten des Teilnetzes 13, zweckmäßigerweise
einen Hydranten, der das eine – austrittsseitige – Ende eines
Rohrabschnittes markiert, in dem der Wasserdruck abgesenkt werden
soll, Wasser so lange entnommen wird, bis der Druck auf den erwünschten
niedrigeren Wert abgesunken ist, wobei natürlich in dem gesamten Teilnetz
ein mehr oder weniger starker Abfall des Wasserdruckes eintritt.
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Eine
Druckerhöhung
in dem Teilnetz 13 ist dadurch möglich, dass einerseits der
Zuflussanschluß 11 des
Teilnetzes 13 gegen den Hochbehälter des Rohrnetzes 10 abgesperrt
wird und andererseits durch Absperrung des Ausgangsknotens 12 ein
Abströmen
von Wasser aus dem Teilnetz 13 "nach außen" verhindert wird, und dass über einen
oder mehrere seiner Hydranten 18 Wasser in das Teilnetz 13 hineingepumpt
wird.
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Es
kann davon ausgegangen werden, dass im Bereich eines Lecks durch
ausströmendes
Wasser auftretende Geräusche
sich bei einer Veränderung
des Wasserdruckes ebenfalls ändern,
wobei mit abnehmendem Wasserdruck in der Regel auch eine Reduzierung
der Leck-Geräuschpegel
verknüpft
ist.
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Demgemäß wird die
insoweit erläuterte
Installation von Geräuschpegelmessgeräten 21/1 bis 21/4 bei
der Suche nach einem Leck 22, das gemäß der schematischen Darstellung
der 1 in der Nähe
des Ausgangs-Knotenpunkts 12 angeordnet und
relativ weit vom Zulaufanschluss 11 entfernt angeordnet
vorausgesetzt sei, wie folgt vorgegangen: Zu einer Zeit, in der
der Wasserverbrauch minimal ist und demgemäß durch abströmendes Wasser
bedingte Netzgeräusche
entsprechend niedrig sind und auch äußere, z. B. durch den Verkehr
bedingte Geräusche
das Netz praktisch nicht stören,
im Wesentlichen in dem Zeitraum zwischen 1 Uhr und 3 Uhr nachts,
wobei das absolute Minimum der Geräuschpegel in der Regel ca.
um 2.30 Uhr eintritt, wird für eine
definierte Zeitspanne von z. B. fünf Minuten der Wasserdruck
in dem Rohrnetz 10 als Referenzwert gemessen, wobei dieser
Druck, wenn etwaige Wasserentnahmen nur kurzzeitig erfolgen und
der Menge nach gering sind, praktisch konstant bleibt, wie durch den
ersten, "horizontalen" Abschnitt 23/1 der
insgesamt mit 23 bezeichneten Druck-Verlaufskurve der 2,
auf die ergänzend
Bezug genommen sei, veranschaulicht.
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Gleichzeitig
werden mittels der Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 auch
die an deren jeweiligen Installationsorten sich ergebenden Geräuschpegel
gemessen und fortlaufend registriert bzw. zeitbezogen gespeichert.
In der 2 ist ein typischer Zeitverlauf des Ausgangssignals
eines solchen Geräuschpegelmessgeräts durch
die Geräuschpegel-Verlaufskurve 24 repräsentiert.
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Es
versteht sich, dass die Ausgangssignale der beim dargestellten Erläuterungsbeispiel
vorgesehenen Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 zwar qualitativ
denselben Zeitverlauf haben werden, dass sie jedoch hinsichtlich
ihrer absoluten Amplituden unterschiedlich sein werden, je nachdem,
wie groß die Distanz
des jeweiligen Geräuschpegelmessgeräts von dem
Leck 22 ist, da dessen charakteristisches Geräusch, je
nach den verschiedenen Entfernungen von den einzelnen Geräuschpegelmessgeräten 21/1 bis 21/4 entsprechend
verschiedene Beiträge
zu den dort jeweils messbaren Pegeln liefert. Demgemäß kann aus
einer Verschiedenheit der Ausgangssignale der Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 im
Falle eines Lecks mit gut nachweisbarem Leckgeräusch auch ein – zumindest
grober – Hinweis
auf den Ort des Lecks gewonnen werden, dies zumindest unter der
plausiblen Annahme, dass das Leckgeräusch umso mehr zum Ausgangssignalpegel
des Messgeräts
beiträgt,
je geringer dessen Distanz von dem Leck 22 ist.
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Für die weitere
Erläuterung
sei ohne Beschränkung
der Allgemeinheit angenommen, dass die Geräuschpegelverlaufskurve 24 der 2 das Ausgangssignal
des dem Leck 22 nächstgelegenen Geräuschpegelmessgeräts 22/4 wiedergibt.
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In
der 2 ist über
der Zeit als Abszisse, gemessen in Minuten, als Ordinate zum einen
in willkürlichen
Einheiten der Geräuschpegel,
repräsentiert durch
die Geräuschpegel-Verlaufskurve 24 und
zum anderen in bar der in dem Teilbereich 13 des Netzes 10 herrschende
Wasserdruck, repräsentiert
durch die Druckverlaufskurve 22 aufgetragen.
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Die
Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 arbeiten
mit einer sekündlichen
Aufnahme der Geräuschpegelwerte,
so dass durch die Geräuschpegel-Verlaufskurve 24 innerhalb
der bevorzugten Aufnahmezeit zwischen 2.15 und 2.45 Uhr – bei einer Messung
im Sekundentakt – 1800
Messwerte aufgenommen werden.
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Kurzzeitig
auftretende, hohe Geräuschpegel-Werte,
wie durch die Geräuschpegel-"Spitzen" 26/1 und 26/2 veranschaulicht,
kommen durch kurzzeitige Wasser-Entnahmen zustande, z. B. durch
Toiletten-Spülvorgänge und
weisen nicht auf das Vorhandensein eines Lecks hin. Sie sind nicht
mit nennenswerten Druckschwankungen im Netz verknüpft, da
das Rohrnetz gleichsam "druckelastisch", d. h. hinsichtlich
des Druckes unempfindlich gegen solche kurzzeitigen Wasserentnahmen
mit relativ geringer Menge ist, die jedoch zu erheblichen Geräuschentwicklungen
führen
können.
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Hohe
Geräuschpegel
treten auch auf, wenn gleichsam das Gleichgewicht des Netzes gestört wird,
was bei dem durch das Diagramm der 2 veranschaulichten
Geschehen zwischen 2.21 Uhr und 2.23 Uhr der Fall ist, d. h. innerhalb
einer zweiminütigen
Zeitspanne, für
die der Druck im Netz – zu Testzwecken – drastisch
abgesenkt wird, wobei der Druck in dieser Zeitspanne von einem Wert
um 6 bar bis auf einen Wert von etwa 2 bar, um 2.23 Uhr abfällt. In
dieser Phase der Druckabsenkung gerät das Netz gleichsam in Unruhe,
wobei Strömungs-Instabilitäten auftreten,
die zu Maximalwerten 26/mi des Geräuschpegel führen.
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Nachdem
das Netz sich wieder beruhigt – stabilisiert – hat, was
gemäß der Darstellung
der 2 etwa um 2.24 Uhr der Fall ist, treten derartige extreme
Geräuschpegelspitzen
zunächst
nicht mehr auf. Der Druck fällt
zwischen 2.25 Uhr und 2.30 Uhr entsprechend der Verlaufskurve 23 mit
einer geringen zeitlich praktisch konstanten Rate, die beim dargestellten
Verlaufsbeispiel ca. 0,02 bar pro Minute beträgt, ab. Der in dieser Zeitspanne ΔTM auftretende
Druckabfall kann durch ein Leck bedingt sein, ist jedoch hierfür kein zuverlässiges Indiz,
da der Druckabfall auch durch geringfügige Wasserentnahmen bei den
angeschlossenen Verbrauchern bedingt sein könnte.
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In
der genannten "strömungsberuhigten" Zeitspanne fällt bei
dem dargestellten Geräuschpegelverlauf
auch wie durch den mittleren, schwach abfallenden Abschnitt 24/3 der
Geräuschpegelverlaufskurve 24 veranschaulicht,
der Geräuschpegel
mit dem Druck ab, bis um 2.35 Uhr der Druck im betrachteten Teilnetz 13 durch
Aufheben der Absperrung des Teilnetzes vom Hochbehälter wieder
ansteigt und, repräsentiert
durch den nunmehr wieder ansteigenden Ast der Druckverlaufskurve 23,
etwa um 2.38 Uhr wieder den ursprünglichen Wert des Betriebsdruckes von
6 bar erreicht, wie ab diesem Zeitpunkt durch den horizontalen Ast 23/2 der
Druckverlaufskurve wiedergegeben.
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Auch
während
des zwischen 2.35 und 2.37 Uhr erfolgenden raschen Anstiegs des
Druckes treten wieder, repräsentiert
durch das Geräuschpegelmaximum 26/mj um
2.37 Uhr, hohe Leckgeräusche auf,
die erst wieder voll ständig
abklingen, nachdem etwa um 2.39 Uhr auch der Druck wieder bei 6
bar stabil geworden ist und anschließend stabil bleibt.
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Ergibt
sich, dass, wie in der 2 dargestellt, der Mittelwert
G/a der Geräuschpegelmesswerte,
die innerhalb der Zeitspanne ΔTM
ermittelt werden, die unmittelbar nach dem Abklingen der Geräuschspitzen 26/mi,
die mit der Druckabsenkung verknüpft
sind, einsetzt und vor dem Wiederansteigen des Druckes, mit dem
wiederum Geräuschspitzen 26/mj verknüpft sind,
endet, niedriger ist als der Geräuschpegelmittelwert
während
des Anfangsabschnittes 24/1 bzw. des Endabschnittes 24/2 der
Geräuschpegelverlaufskurve 24,
so ist dies ein sicheres Indiz dafür, dass in dem Teilnetz 13 ein
Leck vorhanden ist, das unter dem normalen Betriebsdruck um 6 bar
einen höheren
Anteil zum Geräuschpegel
liefert als bei niedrigem Systemdruck. Zumindest unter günstigen
Verhältnissen
können
anhand der unterschiedlichen Werte, die sich aus den Signalen der verschiedenen
Geräuschpegelmessgeräte 21/1 bis 21/4 ergeben,
auch Auswertungen der Verlaufskurven im Hinblick auf eine Lokalisierung
des Lecks 22 vorgenommen werden.
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In
jedem Fall ist mit dem geschilderten Verfahren ein Nachweis auch
eines relativ kleinen „geräuscharmen" Lecks mit geringem
Aufwand und gleichwohl hoher Zuverlässigkeit möglich.