DE102010023776A1

DE102010023776A1 - Verfahren zur Erkennung und Ortung eines Lecks in einem Trinkwasserversorgungsnetz

Info

Publication number: DE102010023776A1
Application number: DE102010023776A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: INGENIEURGESELLSCHAFT F A S T fur ANGEWANDTE SENSORTECHNIK mbH; Ingenieurgesellschaft Fast fur Angewandte Sensortechnik mbH
Current assignee: INGENIEURGESELLSCHAFT F.A.S.T. FUER ANGEWANDTE, DE
Priority date: 2010-06-15
Filing date: 2010-06-15
Publication date: 2011-12-15
Anticipated expiration: 2030-06-16
Also published as: WO2011157685A1; DE102010023776B4; EP2583075A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Leckortung in einem Trinkwasserversorgungsnetz wird durch Amplituden- und Frequenzanalyse von Leckgeräuschspektren (10, 17), die an mehreren Stellen des Netzes aufgenommen werden, wobei aus dem Auftreten typischer Leckgeräusche auf die Existenz eines Lecks (11) und aus den Intensitäts- und den Frequenzdaten der Leckgeräuschdaten auf die Anordnung des Lecks geschlossen wird. Hierzu wird an den einzelnen Messstellen ein Summenpegelsignal ermittelt, das die Information über die am Messort vorhandene Schallleistung enthält; das Summenpegelsignal wird der Frequenzanalyse unterworfen und dabei die Signalkomponente maximaler Frequenz (FM) ermittelt, die im Summensignal enthalten und signifikant über dem Rauschpegel ist; für die jeweilige Messstelle wird eine Indexgröße LI = SP·F gebildet, die ein Maß für das Produkt aus dem Summensignalpegel (SP) und der am Messort gegebenen Maximalfrequenz (FM) des Geräuschspektrums ist, und aus der räumlichen Verteilung gleicher Beträge der Indexgröße, die gleichen Entfernungen der Messstelle von dem gesuchten Leck entsprechen, auf dessen Ort geschlossen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erkennung und Ortung eines Lecks, insbesondere eines Lecks in einem Trinkwasserversorgungsnetz, durch Amplituden- und Frequenzanalyse von Leckgeräuschspektren, die an mehreren Stellen des Netzes, die verschiedene Abstände von einem vermuteten Leck haben, mit Schallmessgeräten, z. B. Geophonen aufnehmbar sind, und mit den weiteren, im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten, gattungsbestimmenden Merkmalen.
Bei derartigen Verfahren, die auch zur Prüfung von Fernwärmeleitungen oder Inneninstallationen mit Wasser als Wärmetransportmedium einsetzbar sein sollen, aber auch zur Leckprüfung an Treibstoffversorgungssystemen von Flughäfen geeignet sein sollen, allgemein ausgedrückt, aus dem Auftreten typischer Leckgeräusche auf die Existenz des Lecks geschlossen, während dessen Ortung aus einer Auswertung von Intensitäts- und Frequenzdaten der Leckgeräusche erfolgt.
Bei einem aus der DE-31 12 829 C2 bekannten Verfahren der eingangs genannten Art wird zur Erkennung eines Lecks und zu dessen zunächst näherungsweiser Ortung mit einem Geophon, das auf schmalbandigen Geräuschnachweis eingestellt ist, der Ort ermittelt, an dem der aus einem Leck resultierende Geräuschpegel, betrachtet als Summenpegelsignal, einen Maximalwert erreicht. Hierbei ist das Geophon auf einen für Leckgeräusche typischen Bandbereich eingestellt, im Fall des bekannten Verfahrens auf einen Bereich zwischen 70 und 1.800 Hz. Nachdem das Lautstärkemaximum lokalisiert ist, wird das Summenpegelsignal einer Frequenzanalyse unterworfen, durch die festgestellt wird, bei welcher Frequenz der größte Beitrag zu dem Summenpegelsignal erzeugt wird. Das mit dieser Frequenz behaftete Geräuschkomponentensignal wird gemäß dem bekannten Verfahren nunmehr in einem Filterbetrieb, in dem das Geophon gleichsam auf diese Leckfrequenz schmalbandig eingestellt ist, zu einer Feinortung genutzt, die in der Weise erfolgt, dass für diese Frequenz das Maximum der Lautstärke lokal erfasst und diese Stelle als Leckort ermittelt wird. Durch diese Vorgehensweise soll dem Umstand Rechnung getragen werden, dass eine Messstelle größter Lautstärke nicht unbedingt auch die Leckstelle sein muss, weshalb die erfassten Geräusche auch einer Frequenzanalyse unterzogen werden sollten (vgl. Spalte 3, Zeilen 30 bis 34 der DE-31 12 829 C2 ).
Hierzu ist es durch die DE-10 2005 033 491 A1 bekannt, den Ort eines Lecks in einem Rohrleitungssystem dadurch zu ermitteln, dass an jeder Messstelle das Frequenzspektrum des Signalpegels ermittelt wird, wobei das zu erfassende Geräuschspektrum in mehrere Frequenzabschnitte unterteilt wird und als Leckort diejenige Messstelle interpretiert wird, die höchstem Signalpegel und höchster Frequenz innerhalb des betrachteten Spektralbereiches entspricht.
Hierbei ist davon ausgegangen, dass mit zunehmender Annäherung der Messstelle an das Leck der Beitrag der hochfrequenten Geräuschkomponenten zum Summenpegelsignal zunimmt, als Folge davon, dass diese höher frequenten Geräuschkomponenten des Leckgeräusches mit zunehmendem Abstand vom Leck in der Regel stärker gedämpft werden als niedriger frequente Schaltkomponenten.
Die insoweit erläuterten, bekannten Leckerkennungs- und -ortungsverfahren erweisen sich als geeignet, solange die leckbehaftete Rohrleitung in einem Wand- oder Bodenbereich homogener Struktur eingebettet ist, in dem die Schallausbreitungseigenschaften keiner lokalen Variation unterworfen sind. In Fällen jedoch, in denen die Schallleitungseigenschaften der Umgebung, z. B., wenn Hohlräume oder Bereiche unterschiedlicher Härte vorhanden sind, räumlich stark variieren und die geometrischen Strukturen groß gegen die Wellenlängen der Geräuschkomponenten sind, können wegen solcher Strukturvariationen lokal Signalpegelschwankungen auftreten, die unzutreffende Lokalisierungen vortäuschen. Beispielsweise können Fundamentbereiche eines Gebäudes oder Bordsteine von Fußwegen, die relativ weit ins Erdreich hineinragen, zu Fehlbeurteilungen der Messergebnisse führen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Leckerkennung und -ortung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass ein störender Einfluss inhomogener Strukturen der Umgebung einer Rohrleitung, die einem Lecktest unterzogen werden muss, weitgehend vermieden ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und in mehr ins Detail gehenden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 2 bis 6 gelöst.
Hiernach wird ein für die einzelnen Messstellen charakteristisches Summenpegelsignal ermittelt, das in einem für die Messung genutzten Frequenzbereich die Information über die am Messort insgesamt vorhandene Schallleistung ist, die ihrerseits einer Frequenzanalyse unterworfen wird, wobei die Signalkomponente maximaler Frequenz ermittelt wird, die in dem Summensignal enthalten ist und signifikant über dem Rauschpegel des Gesamtsignals liegt. Des Weiteren wird für die jeweilige Messstelle eine Indexgröße gebildet, die ihrerseits ein Maß für das Produkt aus dem Summensignalpegel und der am Messort gegebenen Maximalfrequenz des Geräuschspektrums ist, und es wird aus der räumlichen Verteilung gleicher Beträge der Indexgröße, die gleichen Entfernungen der Messstelle von dem gesuchten Leck entspricht, auf dessen Ort geschlossen.
In der bevorzugten Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie durch den Anspruch 2 spezifiziert, wird die obere Grenzfrequenz FM des Frequenzspektrums der Geräuschkomponenten durch Extrapolation des Abfalls der Amplituden der Komponentensignale zu höheren Frequenzen hin bis auf den Betrag des Rauschpegels als diejenige Frequenz ermittelt, bei der die Amplitude des abfallenden Astes des Frequenzspektrums dem Rauschpegel entspricht. Hierdurch wird ein Höchstmaß an Wahrscheinlichkeit dafür erzielt, dass für die Leckermittlung relevante Leckgeräusche bzw. Leistungs- und Frequenzdaten erfasst werden. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die gemessene Schallleistung der durch das Leck verursachten Geräusche gleichsam in Einheiten der Referenzgröße gewichtet, die ihrerseits sowohl von der Entfernung der Messstelle vom Leck als auch von der Grenzfrequenz abhängig ist, derart, dass die Leckgeräusche mit abnehmender Entfernung vom Leck zunehmen, und dass auch die Grenzfrequenz zunimmt, wenn die Entfernung vom Leck kleiner wird, d. h. eine Art „quadratische” Abhängigkeit gegeben ist, die zu einem drastischen Anstieg der Referenzgröße mit abnehmender Entfernung der Messstelle vom Leck führt. Dadurch ergibt sich unter den denkbaren Umständen eine sehr hohe Nachweisempfindlichkeit und damit eine zweifelsfreie Erkennung und Ortung eines Lecks.
Diese doppelt gleichsinnige Abhängigkeit der Referenzgröße vom Abstand der Messstelle zum Leck ist von der Struktur der Leckumgebung, insbesondere der Bodenbeschaffenheit, weitgehend unabhängig, mit der Folge, dass die Resultate erfindungsgemäß durchgeführter Leckuntersuchungen zuverlässig und mit vergleichsweise geringem Aufwand an Zeit gewinnbar sind.
Es ist daher für den Fall, ein Leck in einem Netz finden zu müssen, dessen Rohrleitungsverläufe nicht bekannt sind, bei einem Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens ohne weiteres möglich, über einen räumlichen Bereich hinweg, innerhalb dessen das Leck zu finden sein sollte, ein relativ weiträumiges Raster mit gleichmäßiger Verteilung der Messstellen zu legen, um in kurzer Zeit zuverlässige Hinweise auf einen genauer zu untersuchenden Bereich zu gewinnen.
Sowohl hierbei als auch bei einer nachfolgenden präzisen Leckortung kann es von besonderem Vorteil sein, die Ausgangssignale mindestens zweier im Empfangsbetrieb arbeitender Schallsensoren einer korrelierenden Verarbeitung zu unterwerfen, wobei in diesem Falle eine Korrelationsmessung in erster Linie zum Zweck einer Leckerkennung genutzt wird.
Um eine eindeutige Zuordnung mittels z. B. eines Geophons detektierter Geräuschsignale zu einem Leck zu ermöglichen, ist es verfahrenstechnisch vorteilhaft, einen Untersuchungsbereich des Versorgungsnetzes impulsförmigen Druckschwankungen, z. B. innerhalb kurzer Zeit erfolgenden Druckanstiegen auszusetzen, so dass im Rhythmus solcher Druckanstiege auftretende Lecksignale auch der Netzleitung zugeordnet werden können, in der die Druckanstiege erzeugt worden sind.
Hierbei kann es zweckmäßig sein, die Druckschwankungen dadurch zu erzielen, dass in ein der Lecksuche unterworfenes Leitungsrohr unter erhöhtem Druck Tracer-Gas eingespeist wird, durch dessen Nachweis selbst auch eine Leckerkennung möglich ist, die unterstützend für eine auf einem Geräuschnachweis basierende Leckerkennung ausgenutzt werden kann. Dies ist dann besonders zweckmäßig, wenn in der Umgebung eines Lecks ausgeprägte Inhomogenitäten in dem die Leitungsrohre des Netzes umgebenden Erdreich vorliegen, die schon erwähnte, eine genaue Ortung störende Einflüsse ausüben können.
Durch die soweit erläuterte, kombinatorische Anwendung der Geräuschanalyse und der Tracer-Gas-Detektion wird eine besonders zuverlässige und positionssichere Leckerkennung und -ortung möglich, die auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen in kurzer Zeit zu zuverlässigen Ergebnissen führt.
Diese Zuverlässigkeit und Präzision des erfindungsgemäßen Verfahrens voraussetzend, kann dieses bei einer Vorgehensweise, wie durch die Merkmale des Anspruchs 7 umrissen, zu einer raschen Leckerkennung und -ortung in der Weise genutzt werden, dass an Hand zweier Paare von Messstellen, an denen für jedes Paar gleiche Beträge der Indexgröße gegeben sind, der Leckort als Schnittpunkt der beiden paarbezogenen Mittellinien gefunden wird, entlang derer jeweils Gleichheit des Abstandes des Lecks von den Messstellen des jeweiligen Paares gegeben ist, deren Verbindungsgerade jeweils die Basislinie markiert, zu der der zum Leck hinweisende Richtungsvektor rechtwinklig verläuft.
Bei einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Einrichtung zur Erkennung und Ortung eines Lecks ist gemäß Anspruch 9 eine Dosiereinrichtung vorgesehen, mittels derer zum Zweck einer gezielten Leckgeräuscherzeugung definierte Mengen unter erhöhtem Druck stehenden Testgases zeitweise in das der Leckprüfung unterworfene Leitungsrohr des Wasserversorgungsnetzes einspeisbar sind.
Damit solche Leckgeräusche auf einfache Weise dem Leck zugeordnet werden können, ist in bevorzugter Gestaltung dieser Leckerkennungseinrichtung vorgesehen, dass die Dosiereinrichtung einen über ein Speicherladeventil aus einer Druckgasquelle aufladbaren Dosierspeicher umfasst, der über ein Auslassventil an das Netz anschließbar ist.
Derartige Ventile, ausgestaltet als 2/2-Wege-Ventile mit einer z. B. sperrenden Grundstellung und einer Durchflussstellung als Schaltstellung, sind zweckmäßigerweise so gestaltet, dass sie unabhängig voneinander in die jeweils geeignete Funktionsstellung (0 oder I) gebracht werden können. Ausgebildet als elektrisch steuerbare Magnetventile sind sie auf einfache Weise als Funktionselemente einer als Programm- oder Folgesteuerung implementierten elektronischen Steuereinheit für eine automatische Durchführung des Verfahrensablaufes geeignet, vorzugsweise in einer durch die Merkmale des Anspruchs 13 dem Grundgedanken nach angegebenen Art der Ansteuerung, deren Implementierung einem Fachmann bei Kenntnis des Zweckes ohne weiteres möglich ist.
Besonders zweckmäßig ist es hierbei, wie gemäß Anspruch 14 vorgesehen, wenn ein elektronischer oder elektromagnetischer Drucksensor vorhanden ist, dessen Ausgangssignale ein Maß für den im Dosierspeicher momentan herrschenden Druckes sind. Die Ausgangssignale eines derartigen Drucksensors können mittels der elektronischen Steuereinheit zu einem Vergleich mit Schwellenwerten für obere und untere Grenzwerte des Druckes im Dosierspeicher genutzt werden und sind insoweit in sinnfälliger Weise auch für die zeitliche Steuerung der Druckeinspeisungsvorgänge geeignet.
Bei Verwendung eines Tracer-Gases als Testgas zur Generierung von Druckimpulsen, die zu akustisch analysierbaren Signalen führen, kann auch die „Tracer-Gas-Methode” zur Leckerkennung und -ortung, für sich gesehen, genutzt werden, wodurch auf einfache Weise die Zuverlässigkeit der Leckerkennung und -ortung noch erhöht wird.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie zu seiner Durchführung geeigneter, spezieller Einrichtungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Durchführungs- und Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.
Es zeigen:
1 ein schematisch vereinfachtes Diagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Leckerkennung und -ortung,
2 eine schematisch vereinfachte Anordnung zur Ermittelung von Leckindices nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
3 eine typische Folge von mittels der Anordnung gemäß 2 ermittelter Leckindices,
4 ein Schema zur Erläuterung einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in Kombination mit einem Tracer-Gas-Testverfahren.
In der 1 ist insgesamt mit 10 ein in ausgezogenen Linien dargestelltes Frequenzspektrum von Leckgeräuschen eines Lecks 11 (2) eines Leitungsrohres 12 eines durch dieses repräsentierten, im übrigen nicht dargestellten Trinkwasserversorgungssystems bezeichnet, wobei als Abszisse die Schallfrequenz, aufgeteilt in Schrittweiten von 100 Hz und als Ordinate der Schallpegel in einer üblichen dB-Skalierung in Schrittweiten von je 10 dB gewählt ist.
Das in ausgezogenen Linien dargestellte Frequenzspektrum 10 repräsentiert den Fall, dass das zur Registrierung genutzte Geophon 13 während der Geräuschaufnahme am Ort des Lecks 11 angeordnet ist/war. „Am Ort des Lecks” bedeutet hierbei, dass sich das Geophon 13 senkrecht über dem Leck 11, d. h. in geringstmöglicher Entfernung von diesem an der Oberfläche 14 des Bodenbereiches 16 angeordnet ist, in den das Leitungsrohr 12 eingebettet ist. Für diese Anordnung kann unterstellt werden, dass sie maximalem Pegel der Leckgeräusche entspricht.
Des Weiteren ist in der 1 mit 17 ein weiteres, für denselben Frequenzbereich gestrichelt dargestelltes Frequenzspektrum benannt, das nachfolgend auch als Testspektrum bezeichnet wird, und in dem durch die 1 repräsentierten Fall für eine Messstelle aufgenommen ist, an der sich das zu seiner Registrierung genutzte Geophon 13 in einem Abstand d (2) von der Leckstelle befindet, wobei die in der 1 dargestellten Frequenzspektren 10 und 17 einem Fall entsprechen, in dem beide Spektren gleichzeitig aufgenommen worden sind und der Abstand d einen Wert von 8 m hatte.
Der durch die Frequenzspektren 10 und 17 veranschaulichte Sachverhalt dass die entfernungsbedingte Dämpfung der Schallkomponenten im Bereich der hohen Frequenzen um 900 bis 1.000 Hz mit im betrachteten Fall ca. 20 dB sehr viel höher ist als im niederfrequenten Geräuschbereich um 50 Hz mit nur etwa 5 bis 10 dB, wird verfahrensgemäß zu einer empfindlichen Leckerkennung und präzisen Ortung eines Lecks ausgenutzt, wobei zunächst vereinfachend von der Annahme ausgegangen sei, dass der Verlauf einer Rohrleitung 12, die mit einem zu ermittelnden Leck 11 behaftet ist, bekannt ist und demgemäß Geräuschmessungen entlang der Leitung vorgenommen werden können, die zur Lokalisierung des Lecks durchgeführt werden müssen.
Anhand einer „ersten” Orientierungsmessung wird der Frequenzbereich ermittelt, innerhalb dessen Leckgeräusche auftreten, wobei z. B. ein Frequenzspektrum ermittelt wird, wie qualitativ durch das Testspektrum 17 gemäß 1 veranschaulicht.
Sodann wird im Sinne eines oberen Grenzwertes FM der für eine Leckindex-Bildung berücksichtigten Schallkomponenten-Frequenzen diejenige höchstfrequente Schallkomponente bestimmt, deren Pegel noch innerhalb vorgegeben definierter Schranken „direkt” messbar oder auf andere Weise sinngemäß ermittelbar ist.
Für das angenommene Erläuterungsbeispiel sei dies, bezogen auf die Messstelle, der das Frequenzspektrum 17 gemäß 1 entspricht, der Wert FM(i) von 530 Hz. Als weitere zur Bildung des Leckindex genutzte Größe wird ein Summensignalpegel SP(i) ermittelt, der ein Maß für die am Messort (i) insgesamt empfangbare Schallleistung ist, die sich aus der Summe der Komponenten der Leckgeräusche und der Störgeräusche ergibt, die am Messort „hörbar”, d. h. mittels eines Geophons 13 als Schalldruckpegel messbar sind. Dieser Summenpegel ist mathematisch durch die Beziehung
definiert, in der mit P(v) der Signalpegel bei der Frequenz v, mit FM(i) die obere und mit Fm(i) die untere Grenzfrequenz für die Messstelle i bezeichnet sind.
Dieser Summenpegel SP(i) ist mittels einer einfachen Messung ermittelbar, z. B. mittels eines breitbandigen Schalldetektors, der mit einem Kantenfilter ausgestattet ist, das Geräuschkomponenten unterdrückt, deren Frequenz größer ist als die obere Grenzfrequenz FM; er kann als analog oder digital arbeitendes Gerät ausgebildet sein, das mit bekannten Schallaufnehmern und elektronischen Prozessoren in einer dem Fachmann geläufigen Weise implementierbar ist, wobei die Grenzfrequenz F_M eingestellt werden kann.
Hierbei ist es zur Bildung des Summenpegels SP nicht erforderlich, den gesamten Frequenzbereich der Geräuschkomponenten heranzuziehen, deren Frequenz niedriger ist als die Grenzfrequenz F_M, sondern es kann vielmehr der für die Ermittelung des Summenpegels größte Frequenzbereich signifikant kleiner sein, sofern nur gewährleistet ist, dass die für die Bestimmung relevanten Leckgeräuschkomponenten in einem ausreichend weiten Frequenzbereich Berücksichtigung finden, dass eine geringe Schwankungsbreite des Summensignals nicht ins Gewicht fällt.
Beispielsweise kann als untere Grenzfrequenz fm, bei der die Summation bzw. Integration der Pegelsignale beginnt, ein fester Wert von z. B. 200 Hz gewählt werden, wenn davon ausgegangen werden kann, dass die Leckgeräusche zu einem nennenswerten Beitrag höherfrequente Komponenten umfassen. Möglich ist auch, eine Wahl der unteren Grenzfrequenz als Bruchteil der oberen Grenzfrequenz festzulegen, wobei diese Festlegungen jedoch für alle Messstellen zu gelten haben, die an einer Messreihe zur Lokalisierung eines Lecks durchgeführt werden müssen.
Aus dem wie vorausgehend erläutert gebildeten Summenpegel und dem wie vorausgehend ermittelten Wert der oberen Grenzfrequenz FM wird der Leckindex LI gemäß der folgenden Beziehung LI = SP·FM (2) gebildet, für den sich, dargestellt in Einheiten des Abstandes vom Leckort LO (3), qualitativ der aus dem Balkendiagramm 18 ersichtlichen Verlauf ergibt, der mit einfachen Mitteln der Informationsverarbeitung und Ergebnisdarstellung in Einheiten des Leckortes umsetzbar ist. Diesbezügliche Möglichkeiten, die dem Fachmann bei Kenntnis des Bedarfs aus dem Fachwissen zur Verfügung stehen, werden nicht als in Einzelheiten erläuterungsbedürftig angesehen.
Aufgrund der ausgeprägten Variation des in der erläuterten Weise ermittelbaren Leckindex LI in Abhängigkeit von der Entfernung einer Messstelle von einer Leckgeräuschquelle, ist deren Erkennung und Lokalisierung in spezieller Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens auch wie folgt möglich:
Von einer im Prinzip beliebig wählbaren Messstelle M_a, an der ein hinreichend gut messbarer Summenpegel eines Leckgeräusches gegeben ist, ausgehend, wird entlang eines Kreisbogens definierten Halbmessers vorgehend, in dessen Mittelpunkt die Anfangsmessstelle M_a liegt, als weitere Messstelle M_t1 eine erste Messstelle aufgesucht, an der ein Summensignalpegel der Leckgeräusche gegeben ist, dessen Betrag dem an der Anfangsmessstelle M_a vorliegenden Summensignalpegel aus SP_a entspricht. Sodann wird in derselben Richtung, z. B. im Uhrzeigersinn um die Anfangsmessstelle M_a weitergehend, eine zweite Messstelle M_t2 (4) ermittelt, an der wiederum derselbe Summensignalpegel herrscht, wie an der ersten Testmessstelle M_t1 sowie der Anfangsmessstelle M_a ermittelt.
Bei einer derartigen Vorgehensweise, die jedenfalls dann möglich ist, wenn die Pegel der Summensignale an den verschiedenen Messorten M_a, M_t1 und M_t2 mit hinreichender Genauigkeit bestimmbar sind, ergibt sich der Ort LO des Lecks als Schnittpunkt der Mittelsenkrechten ms1 und ms2 der Verbindungsgeraden MaMt1 und MaMt2 , der die Anfangsmessstelle M_a mit den Messstellen M_t1 bzw. M_t2 verbindenden Geraden a und b des Dreiecks, das durch die Messstellen Ma, M_t1 und M_t2 als dessen Eckpunkte markiert ist.
Zum Vergleich an den Testmessstellen M_t1 und M_t2 ermittelten Summenpegel mit dem Summenpegel, der an der Anfangsmessstelle M_a ermittelt worden ist, können auch Korrelationsmessungen geeignet sein, bei denen an der Anfangsmessstelle und den Testmessstellen ermittelte Leckgeräuschsignale miteinander korreliert werden.
Entsprechend einer sinngemäßen Abwandlung der insoweit erläuterten Vorgehensweise ist es auch möglich, lediglich eine Anfangsmessstelle M_a und eine Testmessstelle M_t1 gleichen Summenpegels zu wählen und, entlang der Mittelsenkrechten m_s1 ihrer Verbindungsgeraden M_a, Mt1 vorgehend, den Leckort als den Ort maximalen Summensignalpegels zu bestimmen, d. h. das Maximum der Folge von Leckindices zu ermitteln, wie mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert.
Zur Erläuterung einer speziellen Durchführungsart des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer diesbezüglich geeigneten Einrichtung sei nunmehr auf die 5 Bezug genommen, in der diese Einrichtung insgesamt mit 20 bezeichnet ist; sie ist so ausgelegt, dass sie den Nachweis und die Ortung eines Lecks 11 sowohl nach dem vorausgehend schon erläuterten ”akustischen” Verfahren ermöglicht, als auch nach dem sogenannten Tracer-Gas-Verfahren betrieben werden kann, das nach dem Prinzip arbeitet, ein Leck durch Detektion eines Gases zu erkennen und zu orten, das in die leckbehaftete Leitung unter geeignet hohem Druck eingeleitet wird und über das Leck und das darüber befindliche Erdreich oder Einbettungsmaterial emporsteigt und mittels eines geeigneten Gasdetektors nachweisbar ist. Das hierbei zum Einsatz kommende Tracer-Gas, ein Gemisch von 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff ist in ausreichender Menge in einer Hochdruckgasflasche 21 mit einem Volumen von z. B. 50 l unter einem Druck von z. B. 200 bar bereitgestellt, d. h. in einer Menge, die in praxi für eine Vielzahl von Leckortungsprozessen ausreicht.
Das Tracer-Gas wird unter einem Druck p_t in die zu untersuchende Rohrleitung 12 eingeleitet, der um 2 bis 3 bar höher ist als der unter den üblichen Betriebsbedingungen des Netzes in diesem herrschende Druck p_N, der einen typischen Wert um 3 bar hat. Selbstverständlich darf der zulässige Leitungsdruck nicht überschritten werden.
Die Einspeisung des Tracer-Gases erfolgt an einer hierfür vorbereiteten Stelle des Netzes, die bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel durch ein T-Anschlussstück 22 repräsentiert ist, das z. B. im Bereich eines nicht näher dargestellten Hydranten oder eines Absperrorgans 23 angeordnet ist, das eine ”einseitige” Absperrung der dargestellten Leitung 12 ermöglicht. Die Nutzung einer derartigen Absperrung 23 kann zweckmäßig sein, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da eine Einleitung des Tracer-Gases eine Unterbrechung des Netzbetriebes nicht erfordert. Die Absperrung kann jedoch zweckmäßig sein, um einen erhöhten Tracer-Gasaustritt in dem zu untersuchenden Rohrabschnitt 12, an dem das Leck 11 vermutet wird, zu erzielen.
Damit die Einspeisung des Tracer-Gases in die zu untersuchende Rohrleitung 12 zu gut wahrnehmbaren und identifizierbaren ”zusätzlichen” Leckgeräuschen führt, die sich gut für einen elektroakustischen Nachweis, z. B. mittels der genannten Geophone eignen, erfolgt diese Einspeisung gepulst.
Hierbei wird zweckmäßigerweise so verfahren, dass ”Gas”-Impulse gleicher Menge und gleichem Drucks in zeitlich definierter Folge in das Netz eingeleitet werden.
Die Einspeisung des Tracer-Gases erfolgt durch ventilgesteuerte Entladung eines Dosierspeichers 24 in das Netz, der durch Aufladung unter einem Druck, der signifikant höher ist als der Betriebsdruck des Netzes, das Gasvolumen aufnimmt, das pro Druckimpuls in das Rohrleitungssystem eingeleitet werden soll.
Die Aufladung des Dosierspeichers 24 bis auf einen mit einem definierten Aufnahmevolumen verknüpften Druck, der mittels eines Druckminderers 26 vorgebbar ist, erfolgt über ein Speicherladeventil 27, das über ein als Sicherheitsventil dienendes Rückschlagventil 28 an den Druckmediumanschluss 29 des Druckspeichers 24 angeschlossen ist.
Zur Einspeisung des Tracer-Gases aus dem Druckspeicher 24 in das Rohrleitungsnetz ist ein Auslassventil 31 vorgesehen, das zwischen den Arbeitsmediumanschluss 29 des Druckspeichers und das T-Anschlussstück 22 geschaltet ist, über das das Tracer-Gas in die zu überprüfende Rohrleitung 12 gelangt.
Das Rückschlagventil 28 ist durch höheren Druck im Druckspeicher 24 als am Ausgangsanschluss 32 des Speicherladeventils 27 in seiner Sperrstellung gehalten.
Das Speicherladeventil 27 ist als 2/2-Wege-Magnetventil ausgebildet, das durch eine Ventilfeder 33 in seine sperrende Grundstellung ”0” gedrängt wird und bei Erregung seines Schaltmagneten 34 mit einem Steuerausgangssignal einer elektronischen Steuereinheit 36 der insgesamt mit 40 bezeichneten, den Speicher 24, das Rückschlagventil 28, die beiden 2/2-Wege-Magnetventile 27 und 31 und die elektronische Steuereinheit selbst umfassenden Dosiereinheit in seine Durchflussstellung I umgeschaltet wird, in der der Dosierspeicher 24 aufladbar ist.
Das Auslassventil 31 ist ebenfalls als 2/2-Wege-Magnetventil ausgebildet, das durch eine Ventilfeder 37 in eine sperrende Grundstellung Null gedrängt und durch Erregung seines Schaltmagneten 38 mit einem Ausgangssignal der genannten Steuereinheit 36 in seine Durchflussstellung I umschaltbar ist, in der der Dosierspeicher 24 sich zum Rohrleitungsabschnitt 12 hin entspannen kann.
Zur Erfassung des in dem Dosierspeicher 24 herrschenden Druckes ist ein elektronischer oder elektromechanischer Drucksensor 41 vorgesehen, dessen mit diesem Druck monoton korreliertes elektrisches Ausgangssignal der elektronischen Steuereinheit 36 als Eingabe zugeleitet ist, die zu einer druckabhängigen Steuerung des Speicher-Lade-Vorganges nutzbar ist, derart, dass dessen Aufladevorgang durch Schließen des Speicherladeventils 27 beendet werden kann, sobald ein vorgebbarer Schwellenwert des Druckes im Dosierspeicher 24 erreicht ist, der definiert niedriger sein kann als der mittels des Druckminderers 26 eingestellte Druck, der eingangsseitig dem Speicherladeventil 27 zugeleitet ist.
Während einer Aufladung des Dosierspeichers 24 ist das Auslassventil 31 in seiner sperrenden Grundstellung gehalten. Es wird zweckmäßigerweise zur Gaseinspeisung in die Rohrleitung 11 erst dann geöffnet, nachdem das Speicherladeventil 27 in seine Sperrstellung geschaltet ist.
Der Einspeisevorgang ist dann beendet, wenn der Dosierspeicher 24 zum Rohrleitungssystem hin völlig entspannt ist. Er kann jedoch alternativ durch Zurückschalten des Auslassventils 27 in seine Sperrstellung beendet werden, wonach dann sofort ein neuer Aufladezyklus durch Umschalten des Speicherladeventils 27 in seine Durchflussstellung I erfolgen kann.
Es versteht sich, dass diese Umschaltvorgänge, gesteuert durch die elektronische Steuereinheit 36 gegeneinander verzögert ausgelöst werden können und der Horchbetrieb des jeweils genutzten Geophons nur in Zeitintervallen erfolgt, in denen keine Umschaltgeräusche auftreten. Diese Vorgehensweise ist insbesondere deswegen von Vorteil, weil beim Gasaustritt an der Leckstelle Gasblasen entstehen, die mit typischen, intermittierenden Leckgeräuschen verknüpft sind, die sich von üblichen Störgeräuschen gut unterscheiden lassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3112829 C2 [0003, 0003]
DE 102005033491 A1 [0004]

Claims

Verfahren zur Erkennung und Ortung eines Lecks, insbesondere in einem Trinkwasserversorgungsnetz, durch Amplituden- und Frequenzanalyse von Leckgeräuschspektren (10, 17), die an mehreren Stellen des Netzes, die verschiedene Abstände von einem vermuteten Leck (11) haben, mit Schallmessgeräten, z. B. Geophonen (13) aufnehmbar sind, wobei aus dem Auftreten typischer Leckgeräusche auf die Existenz des Lecks geschlossen wird und aus den Intensitäts- und den Frequenzdaten der Leckgeräuschdaten auf die Anordnung des Lecks geschlossen wird, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) An den einzelnen Messstellen wird ein Summenpegelsignal ermittelt, das die Information über die am Messort vorhandene Schallleistung enthält; b) das Summenpegelsignal wird der Frequenzanalyse unterworfen und dabei die Signalkomponente maximaler Frequenz ermittelt, die im Summensignal enthalten und signifikant über dem Rauschpegel ist; c) für die jeweilige Messstelle wird eine Indexgröße gebildet, die ein Maß für das Produkt aus dem Summensignalpegel und der am Messort gegebenen Maximalfrequenz des Geräuschspektrums ist und aus der räumlichen Verteilung gleicher Beträge der Indexgröße, die gleichen Entfernungen der Messstelle von dem gesuchten Leck entsprechen, auf dessen Ort geschlossen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die obere Grenzfrequenz FM des Frequenzspektrums der Geräuschkomponenten durch Extrapolation des Abfalls der Amplituden der Komponentensignale zu höheren Frequenzen hin bis auf den Betrag des Rauschpegels als diejenige Frequenz ermittelt wird, bei der die Amplitude des abfallenden Astes das Frequenzspektrums dem Rauschpegel entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Bildung der Indexgröße herangezogene Summensignalpegel durch Aufsummierung oder Integration der Komponentensignale zwischen einer unteren Grenzfrequenz fm und einer oberen Grenzfrequenz FM erfolgt, wobei der Summations- bzw. Integrationsbereich dahingehend gewählt wird, dass der Summensignalpegel einem Bruchteil von 10% bis 50%, vorzugsweise um 20% des Summensignalpegels entspricht, der sich für eine Summation über den gesamten Frequenzbereich der detektierten Leckgeräusche gäbe.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Flächenbereichs, innerhalb dessen ein Leck (11) vermutet wird, in zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Richtungen in einem Raster mit gleichmäßiger Verteilung angeordnete Messstellen gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangssignale mindestens zweier gleichzeitig im Empfangsbetrieb arbeitender Schallsensoren, z. B. Geophone (13), einer korrelierenden Verarbeitung unterworfen werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in einem der Untersuchung unterworfenen Teil des Versorgungsnetzes impulsförmige Druckschwankungen mit innerhalb kurzer Zeit erfolgenden Druckanstiegen ausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckschwankungen in dem untersuchten Netzbereich durch Einleitung von Tracer-Gas in das Netz erzeugt werden, durch dessen Detektion zusätzliche Information für die Leckerkennung und -ortung gewinnbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass, ausgehend von zwei Messstellen gleichen Betrages der für diese ermittelten Indexgröße weitere zur Lokalisierung des Lecks (11) dienende Messstellen entlang der in der Oberfläche des Untersuchungsbereiches verlaufenden Mittelsenkrechten der die beiden Messstellen verbindenden Geraden aufgesucht werden.
Einrichtung zur Erkennung und Ortung eines Lecks (11) in einem Trinkwasserversorgungsnetz durch Amplitude- und Frequenzanalyse von Leckgeräuschspektren, die an mehreren Stellen des Netzes, die verschiedene Abstände vom Ort eines vermuteten Lecks (11) haben, mit Hilfe von Schallmessgeräten, z. B. Geophonen (13) aufnehmbar sind, wobei aus dem Auftreten typischer Leckgeräusche, die erforderlichenfalls auch gezielt auslösbar sind, auf die Existenz des Lecks (11) geschlossen wird und aus einer Auswertung von Intensitäts- und Frequenzdaten der Leckgeräusche auf die Anordnung des Lecks (11) geschlossen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dosiereinrichtung (40) vorgesehen ist, mittels derer zum Zweck einer gezielten Leckgeräuscherzeugung definierte Mengen unter erhöhtem Druck stehenden Testgases zeitweise in das der Leckprüfung unterworfene Leitungsrohr (12) des Wasserversorgungsnetzes einspeisbar sind.
Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dosiereinrichtung (40) einen über ein Speicherladeventil (27) aus einer Druckgasquelle (21) aufladbaren Dosierspeicher (24) umfasst, der über ein Auslassventil (31) an das Wasserversorgungsnetz anschließbar ist.
Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherladeventil (27) und das Auslassventil (31) als individuell umschaltbare 2/2-Wege-Ventile mit alternativen Sperr- und Durchflussstellungen ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Speicherladeventil (27) und das Auslassventil (31) als elektrisch ansteuerbare Magnetventile ausgebildet sind.
Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur alternativen Umschaltung des Speicherladeventils (27) und des Auslassventils (28) eine elektronische Steuereinheit (36) vorgesehen ist, die ein Umschaltsignal für das Auslassventil (31) erst dann auslöst, wenn nach einem Abschluss des Speicherladevorganges eine Mindestzeitspanne Δtl verstrichen ist und hiernach ein Umschalten des Speicherladeventils (37) in seine Durchflussstellung (I) ebenfalls erst nach einer vorgebbaren Zeitspanne Δta erzeugt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronischer oder elektromagnetischer Drucksensor (41) vorgesehen ist, der ein für den Druck in dem Dosierspeicher (24) charakteristisches elektrisches Ausgangssignal erzeugt, das als Eingabe der elektronischen Steuereinheit 36 zugeleitet wird.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Testgas ein Tracer-Gas verwendet wird, insbesondere eine Mischung aus 5% Wasserstoff und 95% Stickstoff.