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Gebiet der Erfindung
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Diese Erfindung betrifft ein System und Verfahren zum Identifizieren von Lecks in einem Verteilungsnetz, wie etwa einem Wasserverteilungssystem. Das System umfasst mehrere Akustiksensoren, die so eingerichtet sind, dass sie Geräusche oder ein akustisches Profil eines Rohrnetzes messen.
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Hintergrund der Erfindung
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In Verteilungsnetzen für Trinkwasser oder Warmwasser für die Fernwärmeversorgung ist es von größter Bedeutung, dass Lecks nach ihrem Auftreten schnell erkannt werden können. In Wasserverteilungsnetzen kann nicht nur knappes Trinkwasser verloren gehen, undichte Stellen sind auch eine mögliche Quelle für Verunreinigungen, da das Wasser direkt in die Umgebung gelangt. Es gibt mehrere Systeme zum Erkennen von Lecks in Verteilungsnetzen, unter anderem akustische Messsysteme (Horchstäbe, Geräuschkorrelatoren, Bodenmikrofone, Geräuschaufzeichnungssysteme usw.), Spurengassysteme und SAR-Radarsysteme. Allerdings konzentrieren sich nur wenige dieser Systeme auf die ständige Überwachung des Netzes.
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Geräuschmessgeräte (Beschleunigungsmesser oder Hydrophone), die an Absperrventilen oder Hydranten installiert sind, sind bekannt und können in Verbindung mit Korrelations-techniken zur Analyse von Daten und zum Verfolgen von Netzentwicklungen im Lauf der Zeit eingesetzt werden. Für solche Logger-Systeme müssen jedoch viele Logger-Vorrichtungen installiert werden, um ein ganzes Netz abzudecken und eine optimale Netz-abdeckung zu erreichen. Solche eigenständigen Systeme sind teuer, zeitaufwändig in der Installation und müssen gewartet werden, damit sie ordnungsgemäß funktionieren.
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Neuere Überwachungssysteme basieren auf der Geräuschmessung, die in den intelligenten Zählern der Haushalte umgesetzt ist. Solche Systeme haben den Vorteil, dass intelligente Zähler an allen Hausanschlüssen installiert werden können und die Installation und Wartung des zählerbasierten Geräuschaufzeichnungssystems ein integrierter Abschnitt der Installation und Wartung der Verbrauchszählerinfrastruktur wird. Außerdem sind intelligente Zähler häufig mit drahtlosen Kommunikationsfähigkeiten versehen, die vom Geräuschaufzeichnungssystem mitbenutzt werden können.
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Auf Verbrauchszählern basierende Geräuschlogger oder Akustiksensoren können jedoch Nachteile aufweisen, da sie durch einen hohen Pegel an Umgebungsgeräuschen beeinflusst werden, insbesondere wenn sie in einem Wohnhaus installiert sind, in dem Umgebungsgeräuschquellen wie Verbrauchsfluss, Umwälzpumpen und Flussgeräusche von Fernwärme usw. vorhanden sind. Daher besteht ein Bedarf an einem verbesserten Leckerkennungssystem, das auf Messdaten von Geräuschloggern oder Akustiksensoren basiert.
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Ziel der Erfindung
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Das Ziel ist es, ein verbessertes Leckerkennungssystem und -verfahren zum Erkennen von Lecks in Rohrnetzen, wie etwa in Verteilungsnetzen für Wasser und Warmwasser für Fernwärme, bereitzustellen. Ein weiteres Ziel ist es, einen verbesserten Ansatz zur Verringerung der Auswirkungen von Umgebungsgeräuschen in einem System mit akustischen Geräuschdetektoren oder -sensoren bereitzustellen.
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Beschreibung der Erfindung
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Das Ziel wird durch ein Verfahren zum Identifizieren von Leckanzeichen in einem Verteilungsnetz erreicht, das ein Rohrnetz zur Versorgung eines Versorgungsunternehmens mit mehreren Hausanschlüssen und mehrere Akustiksensoren, die an Hausanschlüssen montiert sind, sowie eine Druckmessvorrichtung umfasst; wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bestimmen des Vorhandenseins eines normalen Fluiddrucks in dem Rohrnetz unter Verwendung der Druckerfassungsvorrichtung; Erstellen eines Baselinegeräuschindikators zu einem Zeitpunkt des normalen Fluiddrucks unter Verwendung der Akustiksensoren; Bestimmen des Vorhandenseins eines Differenzfluiddrucks in dem Rohrnetz unter Verwendung der Druckerfassungsvorrichtung; Erstellen eines Leckgeräuschindikators zu einem Zeitpunkt des Differenzfluiddrucks unter Verwendung der Akustiksensoren; und Korrelieren eines oder mehrerer Baselinegeräuschindikatoren und Leckgeräuschindikatoren, um zu bestimmen, d. h. zu identifizieren, welche Hausanschlüsse ein Leck aufweisen.
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Die Erfindung besteht daher aus einem Verfahren, bei dem ein Signal, das einen akustischen Geräuschpegel in den Rohren angibt, während einer normalen Fluiddrucksituation und während einer veränderten Fluiddrucksituation bestimmt wird. Der Begriff „normal“ ist hier als Betriebszustand ohne Fehler in den Leitungen wie etwa Lecks oder ohne extrem hohe oder niedrige Durchflüsse, die von den Verbrauchern erzeugt werden, zu verstehen. Nach dem Bestimmen des normalen Geräuschpegels wird der Druck in einem geänderten oder anormalen Zustand des Rohrsystems gemessen, d. h. in einem Zustand, in dem der Rohrdruck vom normalen Druck abweicht. Der abweichende Druck wird hier als Differenz-fluiddruck bezeichnet und weist somit eine Druckamplitude auf, die sich von der normalen Druckamplitude unter normalen Betriebsbedingungen unterscheidet. Aus den akustischen Geräuschmessungen, die in jedem dieser beiden Druckzustände durchgeführt werden, werden ein Baselinegeräuschindikator und ein Leckgeräuschindikator bestimmt, und eine Korrelation dieser beiden Indikatoren erlaubt eine Aussage über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Lecks im Rohrsystem. Die Korrelation erfolgt durch das Vergleichen von Abtastdaten, die bei Normaldruck gewonnen wurden, mit den Abtastdaten, die während des Zustands des Differenzfluiddrucks erhalten wurden. Die Erfindung nutzt also eine Änderung des Leitungsdrucks, um zu erkennen, ob ein Leck vorliegt oder nicht.
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Die Schritte zum Bestimmen des Vorhandenseins von Normal- und Differenzdrücken und zur Ermittlung von Baseline- und Leckgeräuschindikatoren können als separate oder integrierte Schritte durchgeführt werden. Der Baselinegeräuschindikator kann beispielsweise zu einem Zeitpunkt mit normalem Fluiddruck bestimmtwerden. Ähnlich kann der Leckgeräuschindikator zu einem Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem ein Differenzfluiddruck vorliegt. Ob der Baselinegeräuschindikator tatsächlich zu einem Zeitpunkt mit normalem Fluiddruck bestimmt wurde, lässt sich möglicherweise erst nach dem Aufnehmen des Rauschmaßes bestimmen. Dies kann durch eine nachfolgende Korrelation oder einen Vergleich von Geräuschmessungen und Druckdaten geschehen, die für einen spezifischen, an einem Hausanschluss installierten Akustiksensor relevant sind. Dies gilt ebenso für den Leckgeräuschindikator.
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Dabei kann der normale Fluiddruck der Standardbetriebsdruck des Verteilungssystems sein und der Differenzfluiddruck kann auf eine geplante und kontrollierte Verringerung oder Erhöhung des Betriebsdrucks des Verteilungssystems zurückzuführen sein. Der Differenzdruck kann jedoch auch in Zeiten natürlich auftretender Druckschwankungen im Verteilungssystem bestimmt werden.
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Nach der Erfindung wird ein Verfahren durchgeführt, bei dem Umgebungsgeräuschquellen, die nicht mit Lecks zusammenhängen, in einem System von in einem Verteilungsnetz umfassten akustischen Geräuschsensoren herausgefiltert werden. Das Verfahren basiert auf der Erkenntnis, dass Geräusche, die von Lecks oder anderen Systemanomalien herrühren, mit dem Druck im System korreliert sind, während dies bei den meisten Umgebungsgeräuschquellen nicht der Fall ist. Der Schritt des Korrelierens des Baselinegeräuschindikators und des Leckgeräuschindikators umfasst das Bestimmen einer Differenz zwischen dem Baselinegeräuschindikator und dem Leckgeräuschindikator und das Bestimmen, dass ein Hausanschluss ein Leckanzeichen aufweist, wenn die Differenz über einem vorbestimmten Pegel liegt.
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Bevorzugt kann der Differenzdruck des Fluids im Verteilungsnetz oder in einem Abschnitt des Versorgungsnetzes aktiv, d. h. durch Betätigung einer oder mehrerer im Rohrnetz angeordneter Drucksteuerungsvorrichtungen künstlich erzeugt werden. Die Regulierung des Fluid- oder Wasserdrucks in einem Rohrnetz eines Verteilungsnetzes verändert das Geräuschmuster oder die Geräuschamplitude, die durch Lecks erzeugt werden. Nicht leckbedingte Geräusche von Umgebungsgeräuschquellen bleiben dagegen wie vor der Regulierung des Wasserdrucks. Die Steuerung des Wasserdrucks kann also dazu genutzt werden, Umgebungsgeräusche wie Pumpen oder Kompressoren herauszufiltern. Vor allem Systeme, bei denen die Geräuscherkennung am Hausanschluss innerhalb von Wohnhäusern erfolgt, profitieren von einem solchen Ansatz, da solche Systeme oft mehr Umgebungsgeräuschen ausgesetzt sind.
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Der Baselinegeräuschindikator und der Leckgeräuschindikator im Rohrnetz werden vom Akustiksensor in regelmäßigen Zeitintervallen gemessen. Die Abtastung erfolgt typischerweise in konstanten Intervallen, wobei jedoch bevorzugt die Abtastrate (Frequenz) während einer Zeitdauer erhöht wird, in der ein Differenzfluiddruck im Verteilungssystem oder in einem Abschnitt des Verteilungssystems vorliegt. So wird bei einem aktiv herbeigeführten Druckanstieg oder -abfall im Rohr eine erhöhte Anzahl von Daten, die ein mögliches Leckgeräusch darstellen, für die Datenanalyse durch den Akustiksensor erfasst. So kann eine genauere Aussage über ein Leckanzeichen getroffen werden.
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Die Druckmessungen umfassen Systemdruckmessungen, die als Eingangsdruck gemessen werden, der an einem oder mehreren Einlässen des Verteilungssystems anliegt, wie etwa der Druck, der von einer oder mehreren Versorgungspumpen des gesamten Verteilungsnetzes bereitgestellt wird. Drucksensoren können den Druck an vielen Stellen im Verteilungsnetz messen; es ist jedoch vorteilhaft, den Druck einer Flüssigkeit in der Rohrleitung an dem Punkt zu messen, an dem der Druck im Wasserwerk erzeugt wird oder an einem Punkt, an dem ein Teilrohmetz wie ein Fernmessbereich beginnt. Dies hat den Vorteil, dass ein zentrales Maß für den normalen Fluiddruck und den Differenzfluiddruck erhalten wird, was spätere Korrelationen und Berechnungen vereinfacht.
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Alternativ oder zusätzlich zu den obigen Messungen können die Druckmessungen auch lokale Druckmessungen für eine einzelne Installation umfassen, wie etwa den Druck an einem Hausanschluss. Hausanschlüsse sind als Rohre mit einem kleineren Durchmesser und eventuell mit einem verringerten Leitungsdruck im Vergleich zu einem Hauptrohr zu verstehen, das vom zentralen Versorgungsunternehmen ausgeht. Der Druck an den Hausanschlüssen kann mit einem eigenständigen Drucksensor oder einem in den Akustiksensor integrierten Drucksensor oder in einem intelligenten Zähler mit akustischem Sensor gemessen werden. Vorzugsweise ist ein akustischer Sensor in einem intelligenten Versorgungszähler wie einem Ultraschalldurchflussmesser umfasst, der an einem Hausanschluss, typischerweise in einem Wohnhaus, montiert ist und Ultraschallwandler als Akustiksensor für die Ermittlung von Baselinegeräuschindikatoren und Leckgeräuschindikatoren verwendet.
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Vorzugsweise misst eine große Mehrzahl von Ultraschalldurchflussmessern, wie etwa im Bereich von 50 bis 10000 Durchflussmessern, den Leckgeräuschindikator zu einem Zeitpunkt, der mit dem Zeitpunkt synchronisiert ist, zu dem eine Drucksteuerungsvorrichtung den Druck des Rohrnetzes verringert oder erhöht. Eine solch große Anzahl von Ultraschalldurchflussmessern ist in dicht besiedelten städtischen Bereichen häufig vorzufinden, und die große Anzahl von Leckgeräuschdaten erlaubt eine fundierte statistische Korrelation mit einem hohen Grad an Korrektheit bei der Schätzung des Leckanzeichens.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Leckerkennungssystem zum Identifizieren von Leckanzeichen in einem Verteilungsnetz, das ein Rohrnetz zur Versorgung eines Versorgungsunter-nehmens mit mehreren Hausanschlüssen umfasst, wobei das Leckerkennungssystem Mittel zur Durchführung des oben beschriebenen Leckerkennungsverfahrens umfasst. Das Leckerkennungssystem umfasst mehrere Akustiksensoren, die an den Hausanschlüssen montiert sind, und ist so eingerichtet, dass es einen oder mehrere Baselinegeräuschindikatoren und Leckgeräuschindikatoren bestimmt. Das System umfasst ferner eine oder mehrere Druckmessvorrichtungen zum Bestimmen des Fluiddrucks im Rohrnetz; ein Datenerfassungssystem zum Erfassen von Druckdaten, die sich auf den von der Druckmessvorrichtung bestimmten Fluiddruck beziehen, und zum Sammeln von Geräuschdaten, einschließlich der einen oder mehreren Baselinegeräuschindikator und Leckgeräuschindikatoren, von den mehreren Akustiksensoren. Eine Datenverarbeitungsvorrichtung ist so eingerichtet, dass es einen oder mehrere Baselinegeräuschindikatoren und Leckgeräuschindikatoren korreliert, um Hausanschlüsse zu bestimmen, die Leckanzeichen aufweisen.
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Das Herausfiltern von nicht leckbedingten Geräuschen aus Umgebungsquellen mit bekannter Geräuschfrequenz erfordert Kenntnisse über die Art der verschiedenen Geräuschquellen im Vergleich zu dem von einem Leck erzeugten Geräusch. Außerdem können sich die Geräuschquellen im Laufe der Zeit ändern, sodass die Systeme ständig aktualisiert werden müssen oder auf einer Cloud- oder Backend-Datenanalyse basieren, bei derdie Rohdaten an einen zentralen Server gesendet werden. In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass eine umfangreiche Datenanalyse in Edge-Vorrichtungen wie intelligenten Verbrauchszählern oder Akustiksensoren nachteilig sein kann, da sie den Stromverbrauch erhöht und somit die Standzeit der Batterie verringert. Andererseits ist das Edge-Computing von Messdaten oft vorteilhafter als das Backend-Computing von Daten, da es die Datenüber-tragungen und damit den Energieverbrauch verringern kann.
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Das Leckerkennungssystem umfasst ferner bevorzugt eine oder mehrere Drucksteuerungsvorrichtungen, die zur Steuerung des Fluiddrucks im Rohrnetz angeordnet sind und so eingerichtet sind, dass sie einen Differenzfluiddruck im Rohrnetz erzeugen, der höher oder niedriger als ein normaler Fluiddruck des Rohrnetzes ist.
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Bei den Drucksteuerungsvorrichtungen handelt es sich vorzugsweise um drehzahlgeregelte Pumpen, die direkt oder indirekt mit einem oder mehreren Akustiksensoren kommunizieren und bei denen die Pumpe(n) den Druck im Rohrnetz verringert bzw. den Pumpvorgang stoppt, wenn ein Leckanzeichen festgestellt wurde. In einer Variante dieser Lösung kann die Erfindung vorteilhaft umgesetzt werden, indem die Akustiksensoren die Geräuschmessungen selbst - oder Signale, die den Geräuschpegel angeben - an ein Backend-System übertragen, das die Daten nach der Erfindung verarbeitet. Vom Backend-System werden dann Anweisungen an die drehzahlgeregelte Pumpe oder an ein Steuersystem gegeben, das die Pumpe steuert, um den Druck zu verringern oder den Pumpvorgang ganz zu stoppen, wenn ein Leck angezeigt wurde. Dies ist eine indirekte Kommunikation zwischen Pumpe und Akustiksensoren.
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Bei einer anderen Variante dieser Lösung steht die Pumpe in direktem Kontakt mit dem Akustiksensor und erfasst die eingehenden Geräuschdaten (ob rohe oder unbearbeitete Geräuschindikatoren) und verarbeitet sie mit Hilfe ihrer Datenverarbeitungseinrichtung. Ein Signal, das den Leitungsdruck angibt, kann von einem externen Drucksensor kommen, häufig ist jedoch ein Drucksensor in die Pumpe integriert. Nach der Verarbeitung der Daten trifft die Pumpe lokal, d. h. von sich aus, die Entscheidung, den Leitungsdruck zu verringern oder den Pumpvorgang zu stoppen, wenn sie ein Leckanzeichen empfängt oder berechnet. Elektronisch drehzahlgeregelte Pumpen besitzen entweder einen integrierten Speicher und eine Steuerelektronik, die in der Lage sind, ein Verfahren nach der Erfindung lokal auszuführen, oder der Speicher und die Steuerelektronik in einer SPS oder einem eigenständigen Frequenzumrichter, der mit der Pumpe verbunden ist und die Drehzahl steuert, sind dazu in der Lage.
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Bevorzugt umfasst ein akustischer Sensor oder ein intelligenter Verbrauchszähler - wie etwa ein Ultraschalldurchflussmesser, der den Akustiksensor umfasst - Kommunikationsmittel, die so eingerichtet sind, dass sie Befehle zur Einstellung einer Geräuschabtastrate empfangen und einen Leckgeräuschindikator an einen entfernten Standort übertragen. Die Geräuschabtastrate wird während eines Zustands erhöhten Differenzfluiddrucks im Rohrnetz angepasst - vorzugsweise erhöht.
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Im obigen Text wurde das Verfahren nach der Erfindung und System zur akustischen Leckerkennung beschrieben. Der folgende Text beschreibt weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung, die sowohl für das Verfahren nach der Erfindung als auch für das System anwendbar sind. In der Beschreibung dieser Erfindung wird durchgehend der Begriff „Rohrnetz“ verwendet. Mit dem Rohrnetz kann das gesamte Rohrnetz eines Versorgungssystems gemeint sein oder nur ein Abschnitt oder Teil des Rohrnetzes eines Verteilungsnetzes, der manchmal auch als Teilrohrnetz bezeichnet wird.
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In einer Ausführungsform können ein Druckregelungsprofil oder aufeinanderfolgende Druckänderungen auf das gesamte Rohrnetz oder nur auf einen Abschnitt davon angewendet werden. Das Druckregelungsprofil, d. h. das Wissen über den sich ändernden Fluiddruck, kann dann mit Geräuschmessungen korreliert werden, um nach Korrelationen zu suchen und Leckanzeichen oder das Vorhandensein anderer Anomalien zu identifizieren.
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Ein solches Druckprofil oder solche Druckschwankungen könnten nachts umgesetzt werden, um die Unannehmlichkeiten für die Verbraucher zu minimieren. Die Druckschwankungen müssen jedoch nicht außerhalb des Bereichs des normalen Systembetriebs liegen. Bei den Druckschwankungen oder dem Druckprofil, die mit den Geräuschmessungen korreliert sind, kann es sich auch um natürlich auftretende Druckschwankungen im Rohrnetz handeln.
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In einer Ausführungsform können die Schwankungen des Systemdrucks innerhalb eines Bereichs von 75 % bis 125 % des Standardbetriebsdrucks liegen. In einigen Umsetzungen des Verfahrens und des Systems können jedoch größere Variationen wie 50 % - 150 % oder 25 -175 % oder 0 - 200 % angewendet werden, um das Herausfiltern von Umgebungsgeräuschquellen weiter zu verbessern.
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Außerdem könnte das gleiche oder ein anderes Druckschwankungsprofil in regelmäßigen Abständen, wie etwa jede Nacht, über eine bestimmte Zeitdauer, wie etwa eine Woche, einen Monat oder ein Jahr, umgesetzt werden, um Schwankungen sowohl bei den Umgebungsgeräuschen als auch bei den Lecks herauszufiltern. Ein Druckschwankungsprofil kann auch kontinuierlich umgesetzt sein, um eine laufende Überwachung eines Rohrnetzes zu ermöglichen. Insgesamt wird dadurch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass bestimmt wird, ob das erkannte Geräusch durch eine irrelevante Umgebungsgeräuschquelle verursacht wird oder tatsächlich von einem Leck oder einer anderen Anomalie herrührt.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Druckänderungsprofil unterschiedliche Formen aufweisen. Während des Zeitraums mit Druckdifferenz, d. h. der Zeitdauer, in der der Leitungsdruck über oder unter dem normalen Fluiddruck liegt und in dem ein akustischer Geräuschindikator seinen Wert (wie etwa die Amplitude) im Vergleich zu seinem Wert bei normalem Fluiddruck geändert hat, kann der Druck mit konstanter Amplitude gehalten werden oder eine variable Amplitude haben. Um Wasserschläge zu vermeiden, können beispielsweise S-Kurven oder lineare Auf- und Abwärtsrampen der Druckamplitude verwendet werden. Das Druckänderungsprofil kann auch ein gepulstes Profil mit einer Anzahl von Pulsationen des Differenzfluiddrucks während der Zeitdauer sein.
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In einer Ausführungsform der Erfindung wird in einem Rohrsystem oder Rohrteilsystem mit mehreren Akustiksensoren ein Verfahren angewendet, bei dem ein Rauschschwellenwert auf alle Akustiksensoren angewendet werden kann, sodass die Akustiksensoren/Installationen, die einen anormalen Geräuschpegel/Leckgeräuschindikator aufweisen, identifiziert und einer weiteren Analyse unterzogen werden können. Die Leckrauschschwelle wird bei einer Datenanalyse der Leckgeräuschindikatoren angewendet, und wenn die Leckgeräuschindikatoren unter der Leckrauschschwelle liegen, werden die Daten aus derzu analysierenden Datengruppe entfernt oder bei der Analyse außer Acht gelassen. In einer speziellen Ausführungsform wird der Rauschschwellenwert als programmierbarer Schwellenwert in einer Lecküberwachungssoftware umgesetzt, wie sie in grafischen computergestützten Überwachungssystemen von Servicetechnikern in zentralen Versorgungsbetrieben verwendet wird. Der Servicetechniker kann die Rauschschwelle in der Software einstellen und damit Leckgeräuschindikatoren herausfiltern, die der Techniker für irrelevant hält. Der Rauschschwellenwert kann ein globaler Wert sein, der auf der Grundlage der Geräuschindikatoren aller Akustiksensoren in einem Rohrsystem bestimmt wird. Die Rauschschwelle könnte auch auf den Geräuschindikatoren eines bestimmten Prozentsatzes der Sensorpopulation, wie etwa 90 %, basieren, wobei die Sensoren mit den 10 % höchsten und/oder niedrigsten Geräuschindikatoren unberücksichtigt bleiben. Der Rauschschwellenwert kann auch auf der Grundlage statistischer Parameter der tatsächlichen Geräuschindikatoren in der Grundgesamtheit, wie Minimum, Maximum, Mittelwert, Standardabweichung oder Momente höherer Ordnung, auf fortgeschrittenere Weise bestimmt werden. Die Rauschschwelle könnte auch auf der Grundlage von Erfahrungen und Messungen an verschiedenen Rohrsystemen festgelegt werden, die im Laufe der Zeit gesammelt wurden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zum Bestimmen von Hausanschlüssen, die Leckanzeichen aufweisen, umfasst der Schritt des Korrelierens von Baselinegeräuschindikatoren, Leckgeräuschindikatoren und Druckmessungen nur das Korrelieren von Daten der Akustiksensoren oberhalb der Rauschschwelle. Nur diese Akustiksensoren können dann in der Analyse während der Druckänderung umfasst sein, und die Datenerfassung kann in einigen Ausführungsformen auf diese Akustiksensoren beschränkt werden.
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In einer anderen Ausführungsform kann ein Abschnitt des Korrelationsprozesses das Bestimmen von Änderungen der Geräuschindikatoren bei Druckschwankungen umfassen. Eine Veränderung des Geräuschindikators über einen vorbestimmten Pegel hinaus, wie etwa von 20 % auf 50 % oder mehr während der Druckschwankungen, kann ein guter Hinweis darauf sein, dass die Rauschleistung auf ein Leck im Rohrsystem zurückzuführen ist. Ein Geräuschindikator kann also als verändert betrachtet werden, wenn die Höhe der Differenz zwischen dem Baselinegeräuschindikator und dem Leckgeräuschindikator mehr als 20 % beträgt, d. h., wenn das Rauschmaß bei Druckschwankungen im Rohrleitungssystem oder Teilsystem um mehr als 20 % variiert. Die prozentuale Änderung des Geräuschindikators, die zum Bestimmen einer Geräuschindikatoränderung erforderlich ist, kann auch als Prozentsatz bezogen auf die Druckänderung festgelegt werden.
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Um die Analyse zu verbessern, kann auch das statistische Verhalten des Geräuschindikators an einem spezifischen Hausanschluss berücksichtigt werden. Insbesondere die Standardabweichung kann von Bedeutung sein. So kann die Bedeutung der Veränderung eines Geräuschindikators bewertet werden.
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In einer anderen, rechenintensiveren Ausführungsform wird der Schritt des Korrelierens von Baselinegeräuschindikatoren, Leckgeräuschindikatoren und Druckmessungen ohne die Anwendung der Rauschschwelle ausgeführt. In dieser Ausführungsform können die Daten von Akustiksensoren an allen oder im Wesentlichen allen Hausanschlüssen auf Veränderungen während der Druckschwankungen ausgewertet werden. Auch hier können die gleichen Prozentsätze wie bei den anderen Ausführungsformen angewendet werden, um eine Änderung des Geräuschindexes zu bestimmen.
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Außerdem kann der Korrelationsschritt eine Analyse im Frequenzbereich umfassen. Alter-nativ oderergänzend zum Rauschschwellenwert kann auch ein Frequenzschwellenwert angewendet werden. So können beispielsweise Frequenzspitzen im Frequenzspektrum unter 100 Hz überwacht werden, und wenn sich diese um 5 %, 10 % oder mehr ändern, zeigt dies an, dass das Geräusch auf ein Leck zurückzuführen ist.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Verweis auf die folgenden Figuren beschrieben:
- 1 illustriert ein Verteilungsnetz das ein Rohrnetz umfasst,
- 2 illustriert ein Teilrohrnetz eines Verteilungsnetzes,
- 3 illustriert ein Verfahren zum Bestimmen von Leckanzeichen,
- 4 illustriert eine Kommunikationsinfrastruktur für ein Verteilungsnetz,
- 5 illustriert einen Akustiksensor für die Installation an einem Hausanschluss,
- 6 illustriert ein Druckregelungsprofil und die Abtastzeiten des Akustiksensors,
- 7 illustriert die natürlich auftretenden Druckschwankungen im System,
- 8a und 8b illustrieren Beispiele für die Leckgeräuschleistung in Abhängigkeit vom Systemdruck,
- 9 illustriert verschiedene Szenarien eines Verteilungsnetzes mit unterschiedlichen Druckprofilen.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 illustriert ein Verteilungsnetz 1 mit einem Rohrnetz und mehrere Hausanschlüsse 3. Bei dem Verteilungssystem und dem Rohrnetz kann es sich beispielsweise um ein System zur Verteilung von Trinkwasser oder Heizungswasser in einem Fernwärmesystem handeln. Die Hausanschlüsse 3 versorgen Wohn-, Gewerbe- oder sonstige Räumlichkeiten mit dem jeweiligen Versorgungsunternehmen. Das Rohrnetz kann in eine Reihe von Teilrohrnetzen 21 unterteilt sein, was jedoch von Verteilungssystem zu Verteilungssystem unterschiedlich sein kann.
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Das gezeigte Verteilungssystem umfasst eine Reihe von Drucksteuerungsvorrichtungen 4, die über das gesamte Rohrnetz hinweg angeordnet sind. Je nach den Besonderheiten eines Verteilungssystems, unter anderem nach der Systemgröße und -topologie, können eine oder mehrere Drucksteuerungsvorrichtungen umfasst sein. Beispiele für Drucksteuerungsvorrichtungen sind Pumpen, Druckminderungsventile oder Druckhalteventile, und die Vorrichtungen werden bereitgestellt, um sicherzustellen, dass der richtige Druck an den Hausanschlüssen geliefert wird. Die Drucksteuerungsvorrichtungen können sowohl zum Steuern des Drucks im gesamten Rohrnetz als auch zum Steuern des Drucks in einem Teilrohrnetz, das oft als Fernmessbereich (DMA) bezeichnet wird, eingesetzt werden. In einer Umsetzung kann das Teilrohrnetz durch eine Pumpe unter Druck gehalten werden.
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Das Verteilungssystem umfasst ferner mehreren Akustiksensoren 5 (wie in 2 gezeigt), wie etwa eigenständige intelligente Akustiksensoren oder Akustiksensoren, die in intelligenten Verbrauchszählern umgesetzt sind, die an Hausanschlüssen im gesamten System vorhanden sind. Der Akustiksensor kann an allen Hausanschlüssen oder nur an einer beschränkten Anzahl von Hausanschlüssen bereitgestellt sein. Wird der Akustiksensor in einen intelligenten Verbrauchszähler umgesetzt, kann der Zähler installiert werden, um den Verbrauch des über den Hausanschluss gelieferten Mediums zu messen. Der Begriff „Akustiksensor“ wird in der Vorgabe durchgehend sowohl für einen eigenständigen intelligenten Akustiksensor als auch für einen Akustiksensor verwendet, der in intelligenten Verbrauchszählern umgesetzt ist. Unter einem intelligenten Akustiksensor oder Verbrauchszähler ist eine Vorrichtung zu verstehen, die Mittel zur Bereitstellung von Rechenleistung und/oder Kommunikationsmittel zum Kommunizieren von Daten an und von externen Geräten entweder drahtlos oder über drahtgebundene Verbindungen umfasst.
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Mit Verweis auf 5 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Umsetzung eines Akustiksensors 5 gezeigt. Der Akustiksensor 5 ist angepasst, um mit dem Rohrnetz oder Teilrohrnetz 21 verbunden zu werden, und ist so eingerichtet, dass er Geräusche oder akustische Signale des Fluidstroms im Rohrnetz misst. Auf Grundlage der Geräuschmessungen ist der Akustiksensor so eingerichtet, dass er Geräuschindikatoren, die auch als Baselinegeräuschindikatoren 51 und Leckgeräuschindikatoren 52 bezeichnet werden, festlegt, wie nachfolgend genauer beschrieben sind. Die Geräuschindikatoren können von einer Verarbeitungseinheit im Akustiksensor oder von einer Verarbeitungseinheit in einem intelligenten Verbrauchszähler, in dem der Sensor umfasst ist, bestimmt werden. Ist der Akustiksensor ein integrierter Abschnitt eines intelligenten Verbrauchszählers, so kann eine gemeinsame Verarbeitungseinheit, die auch zum Bestimmen des Flusses und des Verbrauchs durch den Verbrauchszähler verwendet wird, auch zur Ermittlung der Geräuschindikatoren eingesetzt werden.
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Der ermittelte Geräuschindikator kann einen oder mehrere vom Akustiksensor bestimmte Werte umfassen. Der Akustiksensor kann ein spezieller Akustiksensor sein, wie etwa ein Wandler mit einem piezoelektrischen Element, oder er kann auf einer anderen in der Technik bekannten Sensortechnologie basieren, wie etwa einem kapazitiven Sensor, einem induktiven Sensor, einem optischen Sensor oder einem piezoresistiven Sensor, wie einem piezoresistiven Dehnungsmessstreifen. Bei dem Akustiksensor kann es sich auch um einen Wandler mit einem piezoelektrischen Element handeln, das ebenfalls für Ultraschalldurchflussmessungen, beispielsweise nach dem Flugzeitprinzip, verwendet wird.
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Die Messung des Lärms oder des akustischen Profils mit einem speziellen Akustiksensor oder einem für Ultraschalldurchflussmessungen verwendeten Wandler wird in der früher veröffentlichten Patentanmeldung des Anmelders mit der internationalen Veröffentlichungsnummer
WO 2017/005687 genauer beschrieben, die hiermit durch Verweis einbezogen wird.
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Der Akustiksensor gibt ein oder mehrere elektrische Signale aus, entweder analog oder digital. Um unerwünschte Frequenzen (wie etwa die Netzfrequenz) zu unterdrücken oder sich auf ein spezifisches Frequenzband, wie etwa 10-1000 Hz, zu konzentrieren, können die analogen elektrischen Signale des Akustiksensors elektronisch gefiltert werden. Diese elektronischen Filter können Hochpassfilter, Tiefpassfilter, Kerbfilter, Kammfilter und Bandpassfilter sein. Die elektronischen Filter können einfache RC-Filter erster Ordnung oder kaskadierte Versionen solcher Filter sein. Filtertypen höherer Ordnung wie LCR können ebenfalls verwendet werden. Nach der anfänglichen elektronischen Filterung können analoge Bewertungskomponenten wie Spitzenwertdetektoren, RMS-Detektoren oder schaltbare Filter umgesetzt sein, die zu einem oder mehreren Werten führen, die das Geräusch angeben.
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Nach dem elektronischen Filtern und der analogen Auswertung kann das Signal mit einem Analog-Digital-Wandler (ADC) digitalisiert werden, dessen Bandbreite so gewählt wird, dass sie der Bandbreite der elektronischen Filterung entspricht. Alternativ kann das analoge Signal auch ohne elektronische Filterung und analoge Auswertung von analog nach digital umgewandelt werden.
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In einer Ausführungsform beträgt die Bandbreite des ADC 2 kHz, es können aber auch andere Bandbreiten, wie 200 Hz - 5 kHz, verwendet werden. Die Gesamtabtastzeit kann im Bereich zwischen etwa 100 Millisekunden (ms) und 1 Sekunde oder mehr liegen. In einer Ausführungsform beträgt die Abtastperiode etwa 250 ms, was bei einer ADC-Bandbreite von 2 kHz zu einer Frequenzauflösung von 4 Hz führt.
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Jeder der Geräuschindikatoren 51, 52 kann eine Sammlung von abgetasteten Rohdaten sein, d. h. die Daten werden als Geräuschindikatoren vom Akustiksensor ohne jegliche Datenverarbeitung an einen entfernten Empfänger gesendet. Es ist jedoch vorzuziehen, die Anzahl der Daten im Geräuschindikator durch digitale Datenverarbeitung der umgewandelten Ausgabe des Akustiksensors zu verringern. Dabei kann es sich speziell um einen einfachen Maximalwert oder eine Effektivwertberechnung (RMS) handeln, um einen Wert bereitzustellen, der ein Maß für den Gesamtgeräuschpegel darstellt. Beispielsweise in einem ausgewählten Frequenzband, wie 10-1000 Hz.
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In einem anderen Beispiel können die Geräuschindikatoren 51, 52 aus einer statistischen Analyse der abgetasteten Rohdaten entstehen, die Mittelwert, Standardabweichung und Momente höherer Ordnung umfassen. Bei einer anspruchsvolleren Analyse könnte der Geräuschindikator auch durch Frequenzfilterung in bestimmte Frequenzbänder und anschließende RMS-Berechnung bestimmt werden, um einen Bereich von Rauschwerten bereitzustellen, die mit verschiedenen Frequenzbändern assoziiert sind. Es kann auch eine Frequenzfilterung vorgenommen werden, um unerwünschte bekannte Frequenzen wie die Netzfrequenz zu entfernen.
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Außerdem kann eine vollständige Fast-Fourier-Transformation (FFT) ausgeführt werden, um ein vollständiges Spektrum der akustischen Signale bereitzustellen, das sowohl die Rauschleistungsdichte als auch die assoziierten Phaseninformationen enthält. Die letztere Analyseebene kann wünschenswert sein, um eine Kreuzkorrelationsberechnung auszuführen, um den Standort der Lärmquelle zu triangulieren. Für viele praktische Zwecke reichen jedoch die Informationen aus den einfacheren Rauschwertberechnungen aus, um die Position der Lärmquelle anzuzeigen.
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Bei allen oben beschriebenen Verfahren zur Erzeugung von Geräuschindikatoren 51, 52 kann eine digitale Filterung angewendet werden. Nicht-einschränkende Beispiele sind FIR-Filter und IIR-Filter. Die Filtercharakteristik kann Hochpassfilter, Tiefpassfilter, Kerbfilter, Kammfilter und Band passfilter umfassen. Auch bekannte unerwünschte Frequenzen, wie etwa die Netzfrequenz, könnten auf diese Weise unterdrückt werden.
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Um mehr historisches Wissen zu schaffen, kann auch ein langzeitbewertetes historisches Rauschmaß aus mehreren Geräuschindikatoren generiert werden, die vom Akustiksensor im Laufe der Zeit erstellt wurden. Der Zeitraum zwischen der Abtastung und der Erstellung jedes einzelnen Geräuschindikators kann wesentlich länger sein als die Zeit, die für die Erstellung eines einzelnen Geräuschindikators benötigt wird. Ein solches historisches Rauschmaß kann ein einzelner Wert sein, der einen durchschnittlichen Geräuschindikator, d. h. einen Geräuschpegel, angibt.
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Außerdem kann der Akustiksensor so angeordnet sein, dass er mehreren Spektralwerten berechnet, die die jeweiligen Spektralkomponenten des mittleren Geräuschpegels angeben, z. B. entsprechend ausgewählten Frequenzbändern wie 1/1 -Oktave oder 1/3-Oktave usw., die sich dem gesamten Frequenzspektrum nähern.
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Der Akustiksensor kann auch so angeordnet sein, dass er einen Spitzenwert berechnet, der einen Spitzengeräuschpegel für eine bestimmte Zeitdauer angibt. Außerdem kann der Akustiksensor so angeordnet sein, dass er mehrere verschiedene Werte berechnet, die den Geräuschpegel für die betreffende Zeitdauer angeben; dabei kann es sich um statistische Parameter wie den Mittelwert, den RMS-Wert, die Standardabweichung oder Momente höherer Ordnung handeln. Durch die Messung über eine bestimmte Zeitdauer und die Verarbeitung der gemessenen Signale im Akustiksensor kann die Datenmenge, die vom Akustiksensor beispielsweise an ein Backend-System kommuniziert werden muss, verringert werden.
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Dabei kann sowohl das langzeitbewertete historische Rauschmaß/der Rauschpegel (berechnet aus mehreren über einen bestimmten Zeitraum erfassten Geräuschindikatoren) als auch momentane Geräuschindikatoren (nur ein einziger Geräuschindikator) angegeben werden, wobei der Hauptunterschied in der Zeitskala besteht, in der diese Zahlen erzeugt werden.
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Erneut mit Verweis auf 5 umfasst der Akustiksensor 5 ferner drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsmittel, die so eingerichtet sind, dass sie Signale, wie Aktivierungssignale oder Befehle, Informationen, Daten, wie Geräuschindikatoren 51, 52 usw., an einen entfernten Standort übertragen und von dort empfangen.
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Zum Erfassen der von den Akustiksensoren übertragenen Geräuschindikatoren und möglicherweise auch der Druckdaten von den Druckmessvorrichtungen umfasst das Verteilungsnetz des Versorgungsunternehmens ein Datenerfassungssystem 8, z. B. ein automatisches Zählerablesesystem (AMR) oder eine fortschrittliche Zählerinfrastruktur (AMI), wie in 4 illustriert. Geräuschindikatoren und andere Informationen, wie etwa Verbrauchsdaten von einem integrierten intelligenten Verbrauchszähler und Akustiksensor, werden vom Akustiksensor 5 an ein Backend-System 6 zur weiteren Verarbeitung übertragen. Das Backend-System kann nach den Vorstellungen des Fachmanns auf verschiedene Weise umgesetzt werden, beispielsweise als Cloud-Dienst oder in Server-Einrichtungen, die sich bei den Versorgungsunternehmen oder bei einem Dienstleister befinden. Das Backend-System umfasst eine Datenverarbeitungsvorrichtung, bei der es sich beispielsweise um eine SPS oder eine PC-Workstation handeln kann. Die Übertragung der Geräuschindikatoren und möglicher anderer Informationen kann durch mobile Lesevorrichtungen 101 zum Erfassen der Übertragungen von Akustiksensoren (AMR) oder durch eine installierte Infra-struktur 200 (AMI) zum Erfassen und Weiterleiten der Informationen an das Backend-System 6 erfolgen.
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Mit Verweis auf 3 wird nun ein Verfahren 100 zum Identifizieren von Leckanzeichen in dem oben beschriebenen Verteilungsnetz beschrieben. Das Verfahren umfasst den Schritt der Feststellung des Vorhandenseins eines normalen Fluiddrucks 110 im Rohrnetz. Der normale Fluiddruck kann der Standardbetriebsdruck des Verteilungssystems sein, und die Bestimmung des normalen Fluiddrucks kann das Aufnehmen des Zeitpunkts des Vorhandenseins des normalen Fluiddrucks umfassen. Das Verfahren umfasst auch einen Schritt zum Bestimmen des Vorhandenseins eines Differenzfluiddrucks 130, einschließlich des Aufnehmens des Zeitpunkts des Vorhandenseins des Fluiddruckunterschieds.
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Die Bestimmung von Normal- und Differenzdruck kann ein Abschnitt eines kontinuierlichen Überwachungsprozesses sein, der die Entwicklung des Drucks im Verteilungssystem verfolgt. In 7 ist eine Zeitreihe von natürlich auftretenden Druckdaten für ein Versorgungssystem gezeigt. Der Druck in einem Verteilungsnetz kann jedoch auch künstlich (d. h. aktiv) gesteuert werden. Dabei kann der normale Fluiddruck der Standardbetriebsdruck des Versorgungssystems sein und der Differenzfluiddruck kann auf eine geplante und kontrollierte Senkung oder Erhöhung des Betriebsdrucks des Versorgungssystems zurückzuführen sein.
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Der Differenzdruck des Fluids wird bevorzugt durch drehzahlgeregelte Pumpen, beispielsweise Kreiselpumpen, erhalten. Diese Pumpen verfügen über eine integrierte Steuerelektronik oder externe Steuergeräte, die ihre Drehzahl und damit die volumetrische Verdrängung der Flüssigkeit in den Leitungen regeln. Durch die Softwaresteuerung der Pumpen können im Rahmen der Erfindung aufwändige Druckprofile in den Leitungen umgesetzt werden. Eine drahtlose oder kabelgebundene Kommunikationsverbindung direkt zwischen den Akustiksensoren und den Pumpen ermöglicht eine adaptive und automatisierte Le-ckerkennung sowie eine schnelle Reaktion auf große Lecks - die Pumpe kann den Druck im Rohrsystem sofort stoppen. Die direkte Kommunikationsverbindung kann auch dadurch ersetzt werden, dass die Pumpen über das Backend-System 6 (4) gesteuert werden.
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Die bereits erwähnten Drucksteuerungsvorrichtungen 4 können so gesteuert werden, dass sie die für das Leckerkennungsverfahren erforderlichen Druckschwankungen erzeugen. Hierdurch kann der Normal- und/oder Differenzdruck im Verteilungsnetz künstlich erzeugt werden. In der Tat kann der Druck von den Wasserversorgungsunternehmen bereits im Rahmen des täglichen Betriebs eines Verteilungssystems verringert werden. Der Druck im Versorgungssystem kann beispielsweise nachts verringert werden, um Kosten für den Pumpenbetrieb zu sparen. In einer Umsetzung des Systems kann ein Teilrohrnetz 21, wie etwa ein Fernmessbereich, durch eine Pumpe unter Druck gehalten werden. Nachts wird der Druck beispielsweise von 01:00 - 03:00 Uhr von 4 bar auf 2,5 bar verringert. Die Druckschwankungen dürfen jedoch nicht nur auf einige Stunden beschränkt sein, sondern können auch über Tage hinweg umgesetzt sein.
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6 illustriert eine weitere Zeitreihe von Druckdaten für ein Verteilungssystem (ununterbrochene Linie). Wie man sieht, beträgt der Druck im Verteilungssystem oder Teilrohrnetz 4 bar bis beispielsweise 01:00 Uhr, dann wird der Druck auf 2,5 bar verringert, bevor er um 03:00 Uhr wieder auf 4 bar erhöht wird. Um eine solche induzierte Druckschwankung im Rahmen des Leckerkennungsverfahrens nutzen zu können, müssen die Akustiksensoren in Schritt 140 (3) mindestens eine und vorzugsweise mehrere Leckgeräuschmessungen während der Zeit des Differenzfluiddrucks ausführen, d. h. während des Zeitraums, in dem der Druck im spezifischen Beispiel auf 2,5 bar verringert wird. Nach den Vorstellungen des Fachmanns können auch andere Versorgungssystemdrücke induziert werden. Der Schritt der Ermittlung des Leckgeräuschindikators 52 zu einem Zeitpunkt des Differenzfluiddrucks kann mit einer Reihe unterschiedlicher Abtaststrategien durchgeführt werden. 6 illustriert zwei verschiedene Strategien. Eine davon ist das Erhalten akustischer Daten bei einer festen Frequenz (durch Kreuze illustriert) mit einer konstanten Zeitdauer zwischen den einzelnen Messungen. Eine andere ist eine dynamische Strategie (durch Punkte illustriert), bei der die Messung der akustischen Daten mit einer variierenden Frequenz erfolgt, sodass die Frequenz während des Zeitraums des Differenzfluiddrucks höher ist. Da der Druck nur für eine beschränkte Zeitdauer verringert wird, sorgt eine Erhöhung der Frequenz dafür, dass mehr Datenpunkte erfasst werden, um die Datengrundlage zu verbessern. Während des relativ längeren Zeitraums mit höherem oder normalem Fluiddruck müssen die Akustiksensoren in Schritt 120 (3) mindestens eine und vorzugsweise mehrere Messungen ausführen, um einen Baselineindikator 51 zu bestimmen. Die Abtastfrequenz bei normalem Druck kann geringer sein, da mehr Zeit zur Verfügung steht, um diese Daten, den Baselinegeräuschindikator51, zu bestimmen.
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Das Leckerkennungsverfahren umfasst daher die Schritte der Ermittlung von Baselinegeräuschindikatoren 120 zu Zeiten normalen Fluiddrucks und die Ermittlung von Leckgeräuschindikatoren 140 zu Zeiten eines Differenzfluiddrucks. Wie bereits erwähnt, umfasst das Leckerkennungsverfahren zum Bestimmen von Normal- und Leckgeräuschindikatoren auch den Schritt der Bestimmung eines normalen Fluiddrucks und eines Differenzfluiddrucks und/oder einer Änderung des Fluiddrucks. Der Schritt des Bestimmens eines normalen Fluiddrucks und eines Differenzdrucks und/oder einer Änderung des Fluiddrucks kann in jedem oder einigen der Akustiksensoren oder auf Systemebene im Rahmen der Datenverarbeitung im Backend-System erfolgen.
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Der absolute Druck in den Rohren muss nicht unbedingt bekannt sein, es genügt die Kenntnis der Druckveränderungen, um die Zeiträume mit normalem und Differenzfluiddruck zu bestimmen. Bei einer Umsetzung, bei der natürliche Druckschwankungen für das Leckerkennungsverfahren herangezogen werden, müssen die Änderungen des Fluiddrucks auf einer relativen Skala überwacht werden. Solche Informationen können durch den Einbau eines oder mehrerer Druckmessvorrichtungen 7 in das Versorgungssystem erhalten werden. Es muss auch verfolgt werden, welchem Druckzustand ein Geräuschindikator entspricht, d. h. ob ein Geräuschindikator während eines Zeitraums mit normalem Fluiddruck oder während eines Zeitraums mit Differenzfluiddruck erstellt wird. Zu diesem Zweck können die Geräuschindikatoren vom Akustiksensor mit einem Zeitstempel versehen und mit den Druckdaten verglichen werden, die von den Druckmessvorrichtungen zur Überwachung des Verteilungssystems erfasst werden. In einer anderen Ausführungsform kann der Akustiksensor oder der intelligente Verbrauchszähler mit integriertem Akustiksensor mit einer Druckmessvorrichtung versehen sein, wodurch zumindest ein relativer Druck für jeden ermittelten Geräuschindikator aufgenommen werden kann.
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Wenn der Baselinegeräuschindikator mit einer dynamischen Abtastrate bestimmt werden soll, wie durch die Punkte in 6 illustriert, muss die Erhöhung der Abtastfrequenz mit dem Zeitpunkt des künstlich herbeigeführten Druckabfalls zeitlich abgestimmt werden können. Dazu ist eine Ausführungsform des Akustiksensors mit einer drahtlosen 2-Wege-Funkverbindung versehen, über die eine Anfrage oder ein Befehl zur Erhöhung der Abtast-frequenz an den Akustiksensor übertragen werden kann.
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Die vom Akustiksensor angewendete Abtaststrategie kann auch den Kommunikationsfähigkeiten des Akustiksensors und der verfügbaren Kommunikationsinfrastruktur entsprechend angepasst werden. Wenn der Akustiksensor und/oder die Kommunikationsinfra-struktur nur so eingerichtet ist, dass Daten vom Akustiksensor, aber keine Daten oder Befehle an den Akustiksensor übertragen werden können, muss ein vordefiniertes Abtastprofil angewendet werden. Ein solches Abtastprofil könnte auf einer konstanten Frequenz oder einer dynamischen Frequenz basieren, bei der die Abtastfrequenz in spezifischen Zeitdauern erhöht wird, wie etwa während der Nacht oder an spezifischen Wochentagen, wie in 6 illustriert.
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Der Akustiksensor kann auch eine optische Kurzstrecken-Kommunikationseinrichtung umfassen, die eine Schnittstelle zur lokalen Änderung der Abtaststrategie bereitstellt. Akustiksensoren mit drahtloser 2-Wege-Funkverbindung könnten die Abtaststrategie auf Anforderung eines Backend-Systems ändern. Bei der Planung des Druckprofils werden alle Akustiksensoren über die 2-Wege-Kommunikationsverbindung informiert, um ihre Abtast-strategien entsprechend der Änderung des Druckprofils zu ändern (illustriert durch die Punkte in 6). Die abgetasteten Daten können dann entweder live übertragen oder lokal gespeichert werden. Wenn die Daten lokal gespeichert werden, können sie in einem oder mehreren größeren Datenpaketen an ein Backend-System gesendet werden. Alternativ kann der Akustiksensor auf Grundlage von Informationen über das jeweilige Druckprofil, das bei der Abtastung der verarbeiteten Daten angelegt wird, eine Datenverarbeitung einschließlich verschiedener Berechnungen vornehmen. Nachfolgend kann der Akustiksensor die Ergebnisse der Datenverarbeitung, wie etwa eine oder mehrere statistische Variablen, an das Backend-System senden.
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Ferner können die von einem Akustiksensor ermittelten akustischen Indikatoren kontinuierlich an das Backend-System gesendet oder lokal gespeichert und in Datenpaketen mit mehreren Messungen an das Backend-System gesendet werden.
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Wie oben erwähnt, ist es vorteilhaft, wenn die Abtastfrequenz zum Erhalten der Geräuschindikatoren höher oder zumindest vergleichbar mit der Frequenz der Druckschwankungen ist, sodass für jeden Druckpegel mindestens ein Geräuschindikator beschafft wird. Es kann jedoch auch eine niedrigere Abtastfrequenz umgesetzt werden, wenn dieselben Druckänderungen, d. h. dasselbe Druckprofil, mehrfach umgesetzt und möglicherweise mit einem Dithering der Abtastzeit oder -zeiten der Erstellung von Geräuschindikatoren kombiniert werden.
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Mit Verweis auf 8a und 8b ist ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der Entwicklung der Rauschleistung und dem Druck im Rohrnetz bzw. in den Teilrohrnetzen illustriert. In jedem der Diagramme sind Geräuschmessungen, die die von einem Systemleck herrührende Rauschleistung und eine von einer Pumpe ausgehende Umgebungsgeräuschleistung darstellen, gegen den Systemdruck, d. h. den Druck in den Flüssigkeitsleitungen, aufgetragen. Die vertikale Achse zeigt die Leistung des Rauschsignals, hier in willkürlichen Einheiten gezeigt. 8a und 8b zeigen Geräuschmessungen von zwei verschiedenen Installationen, aber die Tendenz des zunehmenden Geräuschs, d. h. die von einem Systemleck erzeugte Rauschleistung in Abhängigkeit des Druckanstiegs, ist die gleiche (schwarze Punkte in den Figuren). Die mit Sternchen gekennzeichnete Umgebungsrauschleistung ist relativ konstant und wird durch den Druckanstieg nicht beeinflusst. Dies deutet darauf hin, dass die Rauschleistung von Lecks in Rohrnetzen - oder Teilrohrnetzen - extrahiert werden kann, indem die Rauschleistung bei unterschiedlichen Druckpegeln berücksichtigt und die Messungen korreliert werden.
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In diesem Zusammenhang wird angemerkt, dass Druckänderungen sowohl die gesamte abgestrahlte Rauschleistung eines Lecks als auch die Frequenz des abgestrahlten Schalls verändern können. Auf diese Weise können sowohl die Änderungen der Rauschleistung als auch die Änderungen der Frequenzzusammensetzung des Rauschens bestimmt und analysiert werden. Die stärkste Korrelation ist jedoch häufig in Bezug auf die Gesamtabstrahlleistung und in geringerem Maße bei Frequenzänderungen zu beobachten. Druckschwankungen im Rohrnetz oder Teilrohrnetz ermöglichen daher die Umsetzung einer einfacheren Datenanalyse, wie etwa eines Effektivwerts, in den Akustiksensor, da der Einfluss der Druckänderung auf die Rauschleistung und damit auf die Geräuschindikatoren erkannt werden kann. Eine einfachere Datenanalyse ist für den Akustiksensor von Vorteil, da sie den Bedarf an Verarbeitungsleistung verringert und somit den Energieverbrauch verringert und die Standzeit der Sensorbatterie verlängert.
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Erneut mit Verweis auf 3 werden in Schritt 150 Baselinegeräuschindikator, Leckgeräuschindikatoren und Druckmessungen miteinander korreliert, um Hausanschlüsse zu bestimmen, die Leckanzeichen aufweisen. Geräuschmessungen und Druckdaten können vom Akustiksensor selbst oder auf Systemebene im Backend-System verarbeitet werden, um die Korrelation 150 und die Identifizierung eines Leckanzeichens auszuführen.
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Wie oben beschrieben, ist die vom Akustiksensor registrierte Rauschleistung bei höherem Druck in der Regel höher als bei geringerer Leistung des Akustiksensors. Dies ist jedoch nicht immer der Fall. Beim Identifizieren von Leckanzeichen durch Korrelation von Geräusch- und Druckinformationen ist vor allem interessant, ob die Geräuschindikatoren, die die Rauschleistung darstellen, mit dem variierenden Druck variieren.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens zum Identifizieren von Leckanzeichen werden die Baselinegeräuschindikatoren von mehreren Akustiksensoren eines Rohrnetzes mit einem vorbestimmten Rauschschwellenwert verglichen. Liegt der bestimmte Baselinegeräuschindikator über der Rauschschwelle, wird der Geräuschpegel als anormal angesehen, was ein erster Hinweis auf ein Leckanzeichen sein kann. Liegt der Baselinegeräuschindikator unterhalb der Rauschschwelle, gilt der Geräuschpegel als normal.
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Wie oben beschrieben, könnte der Geräuschindikator eine einzelne Rauschzahl sein, die den Lärm am Standort anzeigt, wie etwa ein Spitzenwert oder ein RMS-Wert, er könnte aber auch fortschrittlicher sein, indem spezifische Frequenzen gewichtet und berücksichtigt werden. Es kann sich auch um rohe, unverarbeitete Daten handeln. Der Geräuschindikator kann auf den neuesten Geräuschmessungen basieren oder historische Geräusch-messungen des vorangegangenen Tages, der vorangegangenen Woche, des vorangegangenen Monats oder des vorangegangenen Jahres umfassen.
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9 illustriert ein Rohrteilsystem 21, das jeweils einem Differenzdruck, d. h. einem niedrigeren Druck (Figur rechts), und einem Normaldruck, d. h. einem höheren Druck (Figur links), ausgesetzt ist. Das Rohrteilsystem umfasst eine Reihe von Akustiksensoren (illustriert durch die kleinen Punkte). Ob der von jedem Akustiksensor gemessene Rauschleistungspegel normal oder abnormal ist, wird durch die Größe des Punktes 92 illustriert. Wie aus den Figuren ersichtlich ist, sind in der linken Figur fünf Akustiksensoren mit einer Anzeige des anormalen Geräuschpegels 92 versehen, während in der rechten Figur nur drei Sensoren mit einer Anzeige des anormalen Geräuschpegels 92 versehen sind. Nach der Verringerung des Drucks von einem Szenario zum anderen hat sich der von zwei Akustiksensoren bestimmte Geräuschindikator verändert, was eine Korrelation zwischen der Rauschleistung und dem Systemdruck in diesen Installationen anzeigt. Wie oben beschrieben, kann dies ein Leckanzeichen sein.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können auf unterschiedliche Weise kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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