-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ortung einer Beschädigung eines
Kunststoffrohrs. Darüber
hinaus betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Ortung
einer Beschädigung
eines Kunststoffrohrs.
-
Es
ist bekannt, dass es insbesondere bei den so genannten grabenlosen
Verlegeverfahren, bei denen das zu verlegende Kunststoffrohr beispielsweise mittels
einer entsprechenden Vortriebseinrichtung mit Bohrkopf abschnittsweise
durch das Erdreich gezogen wird, durch Störkörper (insbesondere durch Steine,
Schutt oder dergleichen) zu Beschädigungen des Kunststoffrohrs
kommen kann.
-
Da
man bei der grabenlosen Verlegung keine Einsicht in die Verlegestrecke
hat, ist es von großer Wichtigkeit,
feststellen zu können,
ob das Kunststoffrohr bei der Verlegung durch die im Erdreich gegebenenfalls
vorhandenen scharfkantigen Gegenstände verletzt wurde. In manchen
Fällen
wird auch so vorgegangen, dass eine neue Kunststoffrohrleitung in eine
bereits vorhandene ältere
Rohrleitung eingezogen wird, um letztere zu ersetzen. Die für Ver- und Entsorgungsleitungen
früher
verwendeten Druckrohre bestanden zumeist aus Gusseisen oder Stahl.
Bei dieser Variante des Verlegeverfahrens wird die vorhandene gusseiserne
Leitung zertrümmert
und die neue Leitung wird dem Bohrkopf nachfolgend eingezogen, so
dass es vorkommen kann, dass die neue Rohrleitung durch Scherben
der zertrümmerten
alten Leitung, die naturgemäß scharfkantig
sind, verletzt wird.
-
Es
wurden für
derartige Anwendungen bereits Mehrschichtrohre aus Kunststoff entwickelt,
die mindestens eine äußere Schicht
mit hoher Festigkeit aufweisen, die beispielsweise aus hochfestem
Polyethylen oder Polypropylen bestehen kann. Die innere Schicht
eines solchen Kunststoffrohrs kann beispielsweise aus einem speziellen
Polyethylen bestehen, welches die geforderte Druckfestigkeit liefert
und andere vorteilhafte Eigenschaften besitzt, insbesondere Langzeitstabilität, Diffusionsdichtigkeit
gegenüber den
in der Rohrleitung strömenden
Medien, etc.
-
Kunststoffrohre
für Ver-
und Entsorgungszwecke werden heute für Gas-, Abwasser- und Trinkwasserleitungen
verwendet. Die Gefahr der Beschädigung
der Außenschicht
aus hochfestem Kunststoff durch scharfkantige Gegenstände im Erdreich
besteht aber auch bei diesen Kunststoffrohren nach wie vor. Kunststoffrohre
für Ver-
und Entsorgungsleitungen werden gegebenenfalls über große Wegstrecken horizontal im
Erdreich verlegt und verbleiben nach der Verlegung über einen
sehr langen Zeitraum im Erdreich. Es kann beispielsweise eine Lebensdauer von
100 Jahren gefordert sein. Der Verlegevorgang bei der grabenlosen
Verlegung ist technisch vergleichsweise aufwändig. Die Verlegung kann in
Bereichen erfolgen, in denen anschließend keine Zugänglichkeit
zu der Rohrleitung mehr gegeben ist.
-
Zum
Nachweis der Unversehrtheit von Kunststoffrohren nach dem grabenlosen
Verlegen können
diese in Längsrichtung
mit zwei elektrischen Leitern umwickelt sein. Durch Herbeiführung eines Kurzschluss
auf der einen und anschließende
elektrische Durchgangsprüfung
auf der anderen Seite des Kunststoffrohrs kann nachgewiesen werden,
ob die elektrischen Leiter nach dem Verlegen beschädigt sind.
Da die Abstände
zwischen den einzelnen Windungen der elektrischen Leiter einen bestimmten
Maximalabstand nicht überschreiten,
der deutlich unterhalb einer typischen Länge einer Schadensstelle liegt,
kann auf diese Weise auf die Unversehrtheit des Kunststoffrohrs
geschlossen werden.
-
Im
Falle einer Beschädigung
liefert das vorstehend beschriebene statische Verfahren allerdings keinerlei
Informationen über
den Ort der Beschädigung.
Mit anderen Worten kann also lediglich festgestellt werden, dass
das Kunststoffrohr beschädigt
ist. Ohne Informationen über
die genaue Position der Schadensstelle bleibt in der Regel jedoch
nur die Möglichkeit,
mit Hilfe von Probegrabungen den defekten Abschnitt des Kunststoffrohrs
zu finden. Im ungünstigsten
Fall muss das Kunststoffrohr komplett neu verlegt werden.
-
Aus
dem Stand der Technik sind darüber
hinaus so genannte Reflexverfahren bekannt, die zur Ortung einer
Rohrbeschädigung
geeignet sind. Diese Verfahren basieren darauf, dass elektromagnetische Wellen
in Pulsform in die elektrischen Leiter eingestrahlt werden. Anschließend wird
die Laufzeit bis zum Eintreffen eines reflektierten Antwortsignals
gemessen. Dieses Messprinzip wird auch in anderen Anwendungsgebieten
erfolgreich eingesetzt (zum Beispiel bei einem Radar, Echolot etc.).
-
Im
Fall von Rohrleitungen gibt es jedoch eine ganze Reihe von Nachteilen,
die gegen den Einsatz derartiger Reflexverfahren sprechen:
- – Die
Ganghöhe
(und damit die Anzahl der Windungen der Doppelspirale, die aus den
beiden elektrischen Leitern gebildet wird) ist nicht zwangsläufig bei
allen Rohren einer Produktionscharge gleich. Die Anzahl der Windungen
hat aber einen unmittelbaren Einfluss auf die Länge der elektrischen Leiter
und die Bestimmung der Schadensstelle. Durch den Herstellungsprozess kann
die Anzahl der Windungen in gewissen Grenzen variieren und muss
daher für
jede Produktionscharge durch entsprechende Messungen und Mittelwertbildung
bestimmt werden. Im Zweifelsfall muss jedes Kunststoffrohr vor dem
Verlegen einzeln vermessen werden.
- – Nicht
nur die Kenntnis der genauen Ganghöhe ist für die Berechnung von Laufzeiten
notwendig, sondern auch eine Kenntnis der Materialeigenschaften,
insbesondere der Permittivität ε und der Permeabilität μ. Diese Parameter
gehen unmittelbar in die Ausbreitungsgeschwindigkeit des eingestrahlten
Pulses ein und wirken sich damit auf die Bestimmung aller Längen über die
gemessene Laufzeit aus. Die Materialeigenschaften müssen daher
gegebenenfalls für
alle Produktionschargen separat bestimmt werden.
- – Bei
einer notwendigen Genauigkeit der Ortsbestimmung in der Größenordnung
von wenigen Metern bis hin zu etwa einem Meter und möglichst auch
darunter muss man einen erheblichen Messaufwand in Kauf nehmen.
Dieser Umstand erklärt
sich dadurch, dass der erste Schadensort zumindest theoretisch etwa
einen Meter vom Einspeisepunkt der Signale (Rohrende) entfernt liegen
kann. Daraus ergibt sich eine gesamte Weglänge, die das Signal zurücklegt,
von etwa zwei Metern. Diese Wegstrecke wird in einer Laufzeit von
etwa 6 ns zurückgelegt.
Damit die Pulse (die eingekoppelten und die reflektierten Pulse)
nicht ineinander laufen und somit deutlich voneinander getrennt
sind, müssen
sie mindestens um einen Faktor 10 kürzer sein als die Laufzeit.
Da derartige Pulse mathematisch als Gauss'sche Wellenpakete beschrieben werden,
gelten diese Grenzen für
die Halbwertsbreiten der Pulse. Damit ist man im Bereich von einigen
Picosekunden. Dieser Zeitbereich ist messtechnisch sehr anspruchsvoll und
nur mit einem relativ großen
Aufwand in der Praxis zu realisieren. Es ist daher schwierig, die dafür notwendigen
Rahmenbedingungen zum Beispiel auf einer Baustelle, auf der die
Kunststoffrohre verlegt werden, zur Verfügung zu stellen.
- – Werden
als Eingangssignale zu schmale Pulse erzeugt, so laufen sie aufgrund
der Dispersionsrelation merklich auseinander. Mit anderen Worten „zerfließen" diese Pulse. Daraus
ergibt sich in der Praxis das Problem, den exakten Zeitpunkt zu
definieren, an dem das Signal nach der Reflexion beim Empfänger als „angekommen" gilt.
-
Alles
in allem bedeutet es einen hohen messtechnischen Aufwand, die Laufzeit
von sich annähernd
mit Lichtgeschwindigkeit bewegenden Wellenpaketen so exakt zu bestimmen,
dass man eine Ortsauflösung
von unter zehn Metern mit Hilfe des Reflexverfahrens erzielen kann.
-
Diese
Nachteile treten durchweg bei allen Verfahren auf, bei denen quasistationären Zustände und
deren Wellenlänge
bestimmt werden (so genannte Reflektometer). Bei diesen Verfahren
wird die Frequenz einer permanenten periodischen Anregung in der
Weise durchgestimmt, dass die Resonanzmoden auf der Leitung bestimmt
werden können.
Die Mode mit der kleinsten Resonanzfrequenz bildet die so genannte
Grundmode, bei der die Gesamtlänge der
Leitung genau der halben Wellenlänge
der elektromagnetischen Wellen entspricht. Abgesehen von der Tatsache,
dass alle oben angesprochenen Probleme mit der Wellengeschwindigkeit
auch hier gelten (quasistationäre
Zustände
sind keine statischen Zustände,
sondern eine Überlagerung
von hin- und zurücklaufenden
Wellen), funktionieren diese Verfahren zudem eigentlich nur dann
einwandfrei, wenn beide elektrischen Leiter kurzgeschlossen sind.
Eine Schadensstelle in einem Kunststoffrohr dürfte aber nur in sehr seltenen
Fällen
und somit eher zufällig
einen Kurzschluss zwischen den beiden Leitern der Doppelspirale
herstellen.
-
Die
vorstehend aufgezeigten Nachteile des Reflexionsverfahrens zeigen,
dass dieses bei Kunststoffrohren nur mit erheblichen Schwierigkeiten
eingesetzt werden kann.
-
Hier
setzt die vorliegende Erfindung an.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
zur Ortung einer Beschädigung
eines Kunststoffrohrs, welches zwei Leiter aufweist, die sich in
Längsrichtung
im Wesentlichen wendelförmig
um das Kunststoffrohr erstrecken, zur Verfügung zu stellen, welches mit
einem verhältnismäßig geringen
messtechnischen Aufwand eine möglichst
genaue Lokalisierung eines Schadensorts ermöglicht. Darüber hinaus liegt der vorliegenden
Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Ortung einer
Beschädigung
eines Kunststoffrohrs bereitzustellen, welche eine Lokalisierung
eines Schadens in einem Kunststoffrohr mit einer hohen Genauigkeit
ermöglicht.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch ein Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung
wird die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Die
Unteransprüche
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
-
Gemäß Anspruch
1 zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass
eine Sonde durch das Kunststoffrohr bewegt wird und elektromagnetische
Wellen abstrahlt, die induktiv in die Leiter einkoppeln und Messsignale
erzeugen, und dass die Messsignale in einer Messeinrichtung ausgewertet
werden, um eine Beschädigung
des Kunststoffrohrs zu erfassen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist es möglich,
den Ort einer Beschädigung
des Kunststoffrohrs, die beispielsweise bei der grabenlosen Verlegung
entstanden ist, mit relativ hoher Genauigkeit zu bestimmen. Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil, dass bei Kenntnis der Position der Sonde im Kunststoffrohr der
Ort der Beschädigung
mit einer Genauigkeit von wenigen Metern bestimmt werden kann. Es
ist möglich,
das erfindungsgemäße Verfahren
mit einer so hohen Genauigkeit zu betreiben, dass der Ort der Beschädigung des
Kunststoffrohrs mit einer Genauigkeit von etwa einem Meter und darunter
bestimmt werden kann.
-
Wird
mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens
der Ort einer Beschädigung
des Kunststoffrohrs bestimmt, kann die schadhafte Stelle des Kunststoffrohrs
anschließend
mit einer gezielten Grabung freigelegt werden und der Defekt behoben
werden. Das hier beschriebene Verfahren eignet sich insbesondere
für die
Untersuchung von Kunststoffrohren für Ver- und Entsorgungszwecke,
die beispielsweise für
Gas-, Abwasser- und Trinkwasserleitungen verwendet werden und grabenlos
verlegt werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Reflexverfahren
mehrere Vorteile:
- – Es kann auf eine externe
Skala zurückgegriffen werden,
so dass insbesondere die Ganghöhe
der aus den beiden elektrischen Leitern gebildeten Doppelspirale
und darüber
hinaus auch die Materialeigenschaften der elektrischen Leiter keine Rolle
spielen.
- – Weder
der Ankunftszeitpunkt der Messsignale noch die Pulsform der in die
elektrischen Leiter induktiv eingekoppelten elektromagnetischen
Wellen sind für
die Messungen von Bedeutung, so dass auch in dieser Hinsicht keinerlei
technischer Aufwand betrieben werden muss.
- – Die
dem Verfahren zugrunde liegende Messtechnik kann sehr einfach praktisch
umgesetzt werden, da nur die Existenz eines Messsignals nachgewiesen
werden muss. Weder die Frequenz des Messsignals noch dessen Flankensteilheit
müssen
ausgewertet werden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass die Position der Sonde im Kunststoffrohr
kontinuierlich erfasst wird. Während der
Durchführung
des Verfahrens ist somit die Position der Sonde innerhalb des Kunststoffrohrs
fortwährend
bekannt, so dass die Position der Sonde stets mit einer etwaigen
Erfassung einer Beschädigung des
Kunststoffrohrs korreliert werden kann. Dadurch kann das Kunststoffrohr
mit einer hohen Auflösung im
Hinblick auf den Ort einer möglichen
Beschädigung
untersucht werden.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen,
dass die Sonde die elektromagnetischen Wellen in radialer Richtung
abstrahlt.
-
Beispielsweise
kann die Sonde die elektromagnetischen Wellen mit einer definierten
Leistung emittieren. Es besteht in einer bevorzugten Ausführungsform
die Möglichkeit,
dass die Sonde im Wesentlichen sinusförmige elektromagnetische Wellen abstrahlt.
-
Um
einem Benutzer die Wahrnehmung einer Beschädigung des Kunststoffrohrs,
die mit Hilfe des hier beschriebenen Verfahrens erfasst werden kann, zu
erleichtern, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass
eine Beschädigung des
Kunststoffrohrs optisch signalisiert wird. Beispielsweise kann die
optische Signalisierung mit Hilfe verschiedenfarbiger Anzeigemittel
erfolgen.
-
In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann zusätzlich oder
alternativ zu der vorstehend beschriebenen optischen Signalisierung
eine Beschädigung
des Kunststoffrohrs auch akustisch signalisiert werden.
-
Die
Messeinrichtung kann in verschiedenen Betriebsarten betrieben werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird vorgeschlagen, dass einer der beiden Leiter an die Messeinrichtung
angeschlossen wird. Die Erfassung der Messsignale erfolgt dann vorzugsweise
gegen Masse. Es hat sich gezeigt, dass es bei relativ eng beieinander
liegenden elektrischen Leitern, die in Längsrichtung um das Kunststoffrohr
gewickelt sind und dabei eine Doppelspirale bilden, besonders vorteilhaft
ist, gegen Masse zu messen, da ansonsten das Potentialgefälle zwischen
den beiden elektrischen Leitern unter Umständen nicht für ein signifikantes
und damit messtechnisch relativ einfach erfassbares Messsignal ausreicht.
-
Es
kann in einer alternativen Ausführungsform
vorgesehen sein, dass beide Leiter an die Messeinrichtung angeschlossen
werden. Bei entsprechender Ganghöhe
der elektrischen Leiter kann auch in dieser Ausführungsform ein ausreichendes
Messsignal erhalten werden.
-
Um
die Qualität
der Messsignale zu erhöhen und
die Zuverlässigkeit
des Verfahrens bei der Ortung einer Beschädigung zu verbessern, sieht
eine bevorzugte Ausführungsform
vor, dass die Messsignale mit einer Filtereinrichtung gefiltert
werden. Es besteht zum Beispiel die Möglichkeit, dass der Messeinrichtung
ein Hochpassfilter vorgeschaltet wird.
-
Um
die Qualität
der Messsignale zu erhöhen und
die Zuverlässigkeit
bei der Ortung einer Beschädigung
weiter zu verbessern, wird in einer besonders bevorzugten Ausführungsform
vorgeschlagen, dass die Messsignale verstärkt werden.
-
Des
Weiteren besteht in einer vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Messsignale gleichgerichtet werden.
-
Vorzugsweise
werden die Messsignale zunächst
gefiltert, anschließend
verstärkt
und dann gleichgerichtet. Nachdem die Messsignale diese Verarbeitungsschritte
durchlaufen haben, können
sie der Messeinrichtung zugeführt
werden, die zum Beispiel ein herkömmliches Multimeter umfassen
kann.
-
Gemäß Anspruch
13 umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Ortung von Defekten in einem Kunststoffrohr, welches zwei Leiter
aufweist, die sich in Längsrichtung
im Wesentlichen wendelförmig
um das Kunststoffrohr erstrecken:
- – mindestens
eine Sonde, die durch das Kunststoffrohr bewegbar ist und im Betrieb
elektromagnetische Wellen abstrahlen kann, welche induktiv in die
elektrischen Leiter des Kunststoffrohrs einkoppeln und Messsignale
erzeugen können;
- – mindestens
eine Messeinrichtung, die an mindestens einen der beiden Leiter
anschließbar
ist und zur Erfassung der Messsignale geeignet ist;
- – Mittel
zur Erfassung der Position der Sonde innerhalb des Kunststoffrohrs.
-
Mit
Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die insbesondere zur Durchführung
des oben beschriebenen Verfahrens geeignet ist, kann eine Beschädigung eines
Kunststoffrohrs mit einer relativ hohen Genauigkeit detektiert werden,
so dass der Ort der Beschädigung
mit einer entsprechend hohen Genauigkeit bestimmt werden kann. Es
besteht die Möglichkeit,
dass die Sonde Mittel zum Einstellen der Frequenz und/oder der Form
und/oder der Leistung der elektromagnetischen Wellen aufweist.
-
Um
die Qualität
der Messsignale zu verbessern und damit auch die Messgenauigkeit
zu erhöhen,
wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass
die Messeinrichtung Mittel zum Filtern der Messsignale aufweist.
-
In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform besteht darüber hinaus
die Möglichkeit, dass
die Messeinrichtung Mittel zum Gleichrichten der Messsignale aufweist.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
besteht die Möglichkeit,
dass die Messeinrichtung Mittel zum Verstärken der Messsignale aufweist.
-
Vorzugsweise
sind die Mittel zum Filtern der Messsignale, die Mittel zum Gleichrichten
der Messsignale und die Mittel zum Verstärken der Messsignale derart
hintereinander geschaltet sind, dass die Messsignale zunächst gefiltert,
anschließend
verstärkt
und dann gleichgerichtet werden.
-
Die
Messeinrichtung kann in einer vorteilhaften Ausführungsform mindestens ein Oszilloskop umfassen.
Mit Hilfe eines Oszilloskops können
die Messungen mit einer relativ hohen Genauigkeit durchgeführt werden.
-
Es
besteht in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Messeinrichtung mindestens ein Multimeter umfasst. Ein
Multimeter hat gegenüber
einem Oszilloskop den Vorteil, dass es wesentlich robuster ist und
sich damit auch für
den Einsatz unter widrigen Witterungs- und Umwelteinflüssen, wie
sie häufig
auf Baustellen auftreten, eignet.
-
Es
kann in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein,
dass die Messeinrichtung mindestens einen X-Y-Schreiber umfasst. Ein
X-Y-Schreiber eignet sich insbesondere zur Aufzeichnung der für die Darstellung
mit Hilfe des X-Y-Schreibers entsprechend verarbeiteten Messsignale
(Y-Koordinate) in Abhängigkeit
von der Position der Sonde (X-Koordinate). Die mit Hilfe des X-Y-Schreibers
aufgezeichneten Daten können
zum Beispiel nachträglich,
das bedeutet, nach Abschluss der Messungen ausgewertet werden.
-
Es
besteht in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform die Möglichkeit,
dass die Vorrichtung Mittel zur optischen Signalisierung einer Beschädigung des
Kunststoffrohrs aufweist. Die Mittel zur optischen Signalisierung
einer Beschädigung
des Kunststoffrohrs können
beispielsweise eine Anzeigevorrichtung mit verschiedenfarbigen Leuchtmitteln umfassen.
-
Die
Vorrichtung kann alternativ oder zusätzlich zu den Mitteln zur optischen
Signalisierung einer Beschädigung
des Kunststoffrohrs Mittel zur akustischen Signalisierung einer
Beschädigung
des Kunststoffrohrs aufweisen.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
-
1a eine
schematische Darstellung eines Kunststoffrohrs, das mit Hilfe des
erfindungsgemäßen Verfahrens
auf Beschädigungen
untersucht werden kann;
-
1b eine
schematische Darstellung zweier elektrischer Leiter, die eine Lecher-Leitung
bilden;
-
2 eine
schematisch stark vereinfachte Darstellung des prinzipiellen Messaufbaus,
auf dem das erfindungsgemäße Verfahren
basiert;
-
3 ein
typisches Messsignal, das bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
einer Messeinrichtung 5 gemessen werden kann;
-
4 schematische
Darstellungen einer Abfolge einzelner Verfahrensschritte bei der
Verarbeitung der Messsignale.
-
Zunächst wird
auf 1a Bezug genommen, in der ein Kunststoffrohr 1 dargestellt
ist, das mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ortung von
Rohrdefekten auf Beschädigungen
untersucht werden kann.
-
Das
Kunststoffrohr 1 ist aus Polyolefinen hergestellt und in
diesem Ausführungsbeispiel
als Mehrschichtrohr ausgeführt.
Das Kunststoffrohr 1 weist eine Innenschicht 10 auf,
die beispielsweise aus Polyethylen hergestellt sein kann. Zum Nachweis
der Unversehrtheit des Kunststoffrohrs 1 nach dem Verlegen
weist das Kunststoffrohr 1 zwei elektrische Leiter 11, 12 auf,
die sich in Längsrichtung
des Kunststoffrohrs 1 erstrecken und im Wesentlichen wendelförmig um
die Innenschicht 10 gewickelt sind. Da die Abstände zwischen
den benachbarten Abschnitten der elektrischen Leiter 11, 12 einen
maximalen Abstand nicht überschreiten,
der deutlich unterhalb einer typischen Länge einer Schadensstelle des
Kunststoffrohrs 1 liegt, kann mit Hilfe des nachfolgend
näher beschriebenen
Verfahrens auf die Unversehrtheit des Kunststoffrohrs 1 geschlossen
werden. Die beiden elektrischen Leiter 11, 12 sind
in diesem Beispiel von einer Außenschicht 13 überdeckt,
die vorzugsweise aus einem Material mit besonderer Härte besteht.
Die Außenschicht 13 kann
beispielsweise aus Polypropylen bestehen und zusätzlich Füllkörper aus einem Material großer Härte, insbesondere
Füllkörper aus
Quarz, aufweisen, um die Abriebfestigkeit der Außenschicht 13 insgesamt
zu erhöhen.
Die Außenschicht 13 geht
einen festen Verbund mit der Innenschicht 10 ein und ist
vorzugsweise auf die Innenschicht 10 aufextrudiert. Das
Kunststoffrohr 1 kann so ausgeführt sein, dass es insbesondere
für Versorgungs-
und Entsorgungsleitungen geeignet ist. Das Kunststoffrohr 1 kann
zum Beispiel mit Hilfe des in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläuterten grabenlosen
Verlegeverfahrens verlegt werden.
-
Die
beiden im Wesentlichen wendelförmigen elektrischen
Leiter 11, 12 können zum Beispiel aus Kupfer
oder Aluminium bestehen und vorzugsweise als vergleichsweise flache
Leiterbänder
ausgeführt sein,
welche sich bei der Herstellung des Kunststoffrohrs 1 relativ
einfach um die Innenschicht 10 wickeln lassen und eine
besonders feste und dichte Auflage der äußeren Schicht 13 der
Wandung auf der inneren Schicht 10 mit einer hohen Verbundfestigkeit
zulässt.
-
Es
hat sich gezeigt, dass Polyethylen als Material für Kunststoffrohre 1,
die insbesondere als Versorgungs- und Entsorgungsleitungen eingesetzt
werden, eine besonders große
Langzeitstabilität
aufweist, die eine hohe Lebensdauer der Kunststoffrohrleitung von
bis zu 100 Jahren und länger
ermöglicht. Dennoch
ist bei der Verwendung von Polyethylenen beziehungsweise Polypropylenen
eine vergleichsweise kostengünstige
Herstellung der Kunststoffrohre möglich.
-
Die
beiden elektrischen Leiter 11, 12 sind auf der
gesamten Länge
um die innere Schicht 10 des Kunststoffrohrs 1 gewickelt.
Sie bilden auf diese Weise eine Doppelspirale, die nicht nur einen
Ladungstransport innerhalb eines der beiden Leiter 11, 12, sondern
auch die Ausbreitung von elektromagnetischen Feldern zwischen den
beiden Leitern 11, 12 ermöglicht. Stellt man sich die
aus den beiden elektrischen Leitern 11, 12 gebildete
Doppelspirale vom Kunststoffrohr 1 abgewickelt vor, so
wird deutlich, dass sie eine so genannte Lecher-Leitung bilden,
die in 1b schematisch dargestellt ist.
Man erkennt dort die beiden Leiter 11, 12, die
jeweils zwei gegenüberliegende
Leiterenden 110, 111 beziehungsweise 120, 121 aufweisen.
-
In 2 ist
der grundlegende Messaufbau, der dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Ortung einer Beschädigung
eines Kunststoffrohrs 1 zugrunde liegt, schematisch stark
vereinfacht dargestellt. Man erkennt wiederum die in 1b bereits
gezeigte Lecher-Leitung, die aus den beiden elektrischen Leiter 11, 12 gebildet
wird. Das Kunststoffrohr 1 weist eine Beschädigung 3 auf,
so dass einer der beiden elektrischen Leiter 11, 12 beschädigt (unterbrochen) ist.
-
Bei
dem hier beschriebenen Verfahren zur Ortung einer Beschädigung eines
Kunststoffrohrs 1 wird eine Sonde 2 mittels einer
geeigneten Antriebsvorrichtung durch das Kunststoffrohr 1 bewegt
(geschoben oder gezogen) und löst
beim Passieren des Ortes der Beschädigung 3 ein Signal
aus. Da das Kunststoffrohr 1 die oben bereits beschriebene,
aus den beiden im Wesentlichen wendelförmigen Leitern 11, 12 gebildete
Wicklung aufweist und somit ein geeigneter Wellenleiter vorhanden
ist, wird als Sonde 2 vorzugsweise eine Sendeeinrichtung,
die elektromagnetische Wellen 4 abstrahlt, eingesetzt.
Die von der Sonde 2 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen 4 koppeln
induktiv in die aus den beiden elektrischen Leitern 11, 12 gebildete
Lecher-Leitung ein. Die beiden elektrischen Leiter 11, 12 wirken
dabei gewissermaßen
als Empfangsantenne für
die elektromagnetischen Wellen 4, die von der Sonde 2 abgestrahlt
werden. Die Sonde 2 kann beispielsweise so ausgeführt sein,
dass sie die elektromagnetischen Wellen 4 in radialer Richtung
abstrahlen kann. Die Sonde 2 kann die elektromagnetischen
Wellen 4 insbesondere mit einer definierten Leistung abstrahlen.
Die elektromagnetischen Wellen 4 können zum Beispiel im Wesentlichen
sinusförmig
sein. Es besteht die Möglichkeit,
dass die Sonde 2 Mittel zum Einstellen der Frequenz und/oder
der Form und/oder der Leistung der elektromagnetischen Wellen 4 aufweist.
-
Ein
Vorteil des hier beschriebenen Verfahrens besteht darin, dass die
Lecher-Leitung, die aus den beiden elektrischen Leitern 11, 12 gebildet
wird, nicht als Wellenleiter, sondern als Antenne für die von der
Sonde 2 abgestrahlten elektromagnetischen Wellen 4 eingesetzt
wird. Somit wird deutlich, dass die elektromagnetischen Felder am
Besten an der Stelle mit dem größten Impedanzsprung
in die Lecher-Leitung
einkoppeln können.
Dazu gehören
sowohl der Anfang und das Ende des Kunststoffrohrs 1 (hier
wird man grundsätzlich
ein Signal detektieren können)
sowie jede Schadensstelle 3.
-
Wenn
die geforderte Ortsauflösung
in einer Größenordnung
von etwa einem Meter und möglicht auch
darunter erreicht werden soll, wird dadurch gleichzeitig eine Obergrenze
für die
Länge der
bei der Sonde 2 verwendeten Antenne festgelegt. Im Fall eines
klassischen Hertz'schen
Dipols entspricht die Länge
der Antenne der halben Wellenlänge
des gesendeten Signals.
-
Zum
Nachweis des eingestrahlten Signals wird in dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
ein Ende 120 der aus den beiden Leitern 11, 12 gebildeten
Lecher-Leitung mit einer Messeinrichtung 5, die zur Erfassung
der Messsignale 6 geeignet ist, verbunden. Die Messeinrichtung 5 kann
zum Beispiel ein Oszilloskop, eine Multimeter-Schaltung oder dergleichen
umfassen. Die Messschaltung kann zum Beispiel auch als Differenzschaltung
realisiert werden, indem beide elektrischen Leiter 11, 12 der
Lecher-Leitung an die Messeinrichtung 5 angeschlossen werden.
In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel
wird allerdings gegen Masse gemessen. Es hat sich gezeigt, dass
es bei relativ eng beieinander liegenden elektrischen Leitern 11, 12 sinnvoll
ist, gegen Masse zu messen, da ansonsten das Potentialgefälle zwischen
den beiden Leitern 11, 12 unter Umständen nicht
für ein
signifikantes Signal ausreicht Ein typisches Antwortsignal (Messsignal 6)
auf die in die Lecher-Leitung
induktiv eingekoppelten elektromagnetischen Wellen 4, das
mit der Messeinrichtung 5 (hier: mit einem Oszilloskop)
gemessen werden kann, ist in 3 mit frequenzmodulierter
Amplitude dargestellt. Die Sonde 2 strahlt dabei elektromagnetische
Wellen 4 mit einer festen Frequenz in die Lecher-Leitung
ein. Sobald die Sonde 2 die schadhafte Stelle 3 des Kunststoffrohrs 1 passiert,
vergrößert sich
die Amplitude des Messsignals 6 deutlich, so dass das Vorhandensein
einer Beschädigung
des Kunststoffrohrs 1 zuverlässig detektiert werden kann.
-
Bei
geeigneter Kalibrierung kann man durch eine geeignete Verstärkerschaltung
erreichen, dass die beim Passieren der Schadensstelle 3 auftretende Vergrößerung der
Amplitude des Messsignals 6 schon mit einem herkömmlichen
Multimeter erfasst werden kann. Aus der Kenntnis der Position der
Sonde 2, die durch entsprechende Positionserfassungsmittel
bestimmt werden kann, kann man an einer externen Skala den Abstand
des Ortes der Beschädigung 3,
an dem mindestens einer der beiden Leiter 11, 12 unterbrochen
ist, von den beiden Enden des Kunststoffrohrs 1 erfassen.
Das hier beschriebene Verfahren liefert somit erheblich genauere
Ergebnisse als die aus dem Stand der Technik bekannten Reflexionsverfahren,
bei denen aufwendige Berechnungen, die bei Laufzeitanalysen erforderlich
sind, durchgeführt
werden müssen.
-
Als
Messeinrichtung 5 eignet sich grundsätzlich jedes Messinstrument,
welches dazu geeignet ist, eine elektrische Spannung zu messen und
anzuzeigen. Dazu gehören
insbesondere Oszilloskope, Multimeter sowie XY-Schreiber, die gegebenenfalls
in Kombination mit einem entsprechenden Anschluss einer externen
Skala der Sonde 2 betreiben werden können. Auf diese Weise kann
zum Beispiel entlang des Kunststoffrohrs 1 ein Schadensprofil
erstellt werden.
-
Kunststoffrohre 1 sind
auf Grund ihrer Länge relativ
gute Antennen für
langwellige Signale, die proportional zur wachsenden Wellenlänge eine
zunehmende Eindringtiefe ins Erdreich haben. Dieses elektrische
Feld kann allerdings die relativ empfindlichen Eingänge eines
Oszilloskops zerstören.
Daher wird der Messeinrichtung 5 vorzugsweise ein Hochpassfilter
vorgeschaltet, der alle Signale unterhalb einer Frequenz von einigen
Kilohertz ausfiltert. Benutzt man ein Oszilloskop, welches das Messsignal 6 in Form
einer Sinuswelle darstellen kann, so erwartet man beim Passieren
der Schadstelle 3 eine Vergrößerung der Amplitude des Messignals 6.
-
Oszilloskope
sind relativ teure und empfindliche Geräte und damit nur begrenzt für eine Umgebung
unter widrigen Umweltbedingungen (Schmutz, Wasser, Kälte, etc.)
geeignet. Daher wird bei der praktischen Durchführung des Verfahrens vorzugsweise
eine baustellengerechte Messeinrichtung 5 eingesetzt, die
als Anzeigemittel ein herkömmliches Multimeter
benutzt. Hierbei besteht jedoch die Schwierigkeit, dass verschiedene
Schaltungen die Messsignale 6 so transformieren müssen, bis
man zu einem geeigneten Gleichspannungssignal kommt. Dazu gehören im Besonderen:
- • Gleichrichten
der Wechselspannung der Messsignale 6,
- • Verstärken der
Messsignale 6,
- • Filtern
der Messsignale 6.
-
Allerdings
ist hierbei darauf zu achten, dass die Messsignale 6, die
das Eingangssignal für
die Messeinrichtung 5 bilden, unter Umständen sehr schwach
sein können
und unterhalb der Ansprechspannung herkömmlicher Halbleiterelemente
von etwa 300-400
mV liegen können.
Andererseits möchte
man auch nicht alle Störsignale
mitverstärken,
und ein Hochpassfilter ist selbstverständlich nur bei Wechselspannungen
einsetzbar.
-
Dies
führt zu
einer bevorzugten Reihenfolge bei der Verarbeitung der Messsignale 6:
- 1. Filtern der Messsignale 6;
- 2. Verstärken
der Messsignale 6;
- 3. Gleichrichten der Messsignale 6.
-
Die
einzelnen Verfahrensschritte bei der Verarbeitung der Messsignale 6 sind
in 4 dargestellt.
-
In 4 (oben)
ist ein typisches Messsignal 6 gezeigt, welches an einem
Ende der Lecher-Leitung abgegriffen werden kann. In einem ersten Schritt
A wird das Messsignal 6 mit Hilfe eines Hochpassfilters 6 gefiltert.
In einem zweiten Schritt B wird das Messsignal 6 mittels einer
geeigneten Verstärkereinrichtung
verstärkt.
In einem dritten Schritt C erfolgt eine Gleichrichtung des Messsignals 6 mit
Hilfe geeigneter Gleichrichtermittel. Das resultierende Messsignal 6 ist
in 4 (unten) dargestellt.
-
Nachdem
die Messsignale 6 die soeben erläuterten Verarbeitungsschritte
A bis C durchlaufen haben, kann als Messeinrichtung 5 ein
herkömmliches
Multimeter eingesetzt werden. Es besteht auch die Möglichkeit,
eine dedizierte Anzeige durch analoge Skaleninstrumente oder Leuchtdioden
vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich,
andere Mess- und Anzeigeeinrichtungen, die eine konstante elektrische Spannung
mit einer definierten Minimalstärke
messen und anzeigen können,
einzusetzen. Der Verstärkungsfaktor
muss dabei variabel ausgelegt sein, um die Schaltung an die jeweilige
Mess-Situation anzupassen.