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Verfahren zur Ortsbestimmung von undichten Stellen in gasdrucküberwachten
Kabelanlagen, insbesondere in Femmeldekabelanlagen Die Erfindung bezieht sich auf
ein Verfahren zur Ortsbestimmung von undichten Stellen in gasdrucküberwachten Kabelanlagen,
insbesondere in Fernmeldekabelanlagen, bei denen das Kabel von beiden Enden des
Überwachungsabschnittes aus mit Gas gefüllt wird und im Störungsfall an beiden Enden
des Uberwachungsabschnittes gleichzeitig eine Druckmessung erfolgt. Man hat früher
Kabel anlagen erst dann mit Gasen gefüllt, wenn im Kabelmantel Fehler festgestellt
worden sind. Bei einem bekannten Verfahren wurde der zu prüfende Abschnitt an beiden
Abschnittsenden mit je einem Manometer versehen und der Kabelabschnitt von einem
Ende aus mit Gas gefüllt. Man hat nun den Druck des Gases an dem speisenden Ende
so gewählt, daß sich am anderen Ende ein sich im Lauf der Zeit nicht mehr ändernder
Druck einstellte. Hierauf hat man die Gasspeisequelle an dem anderen Ende des zu
prüfenden Abschnittes angeschlossen und den Gasdruck auch an dieser Stelle so gewählt,
daß an dem einen Ende sich wieder ein sich im Lauf der Zeit nicht mehr ändernder
Druck ergeben hat. Die sich an den nicht gespeisten Enden einstellenden Drücke waren
wegen des stationären Strömungszustandes im Kabel gleich.
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Auf Grund der so gewonnenen drei Drücke konnte der Fehlerort mit Hilfe
einer mathematischen Beziehung ungefähr ermittelt werden. Ein solches Verfahren
ist naturgemäß sehr zeitraubend, weil zunächst schon eine lange Zeit vergeht, ehe
der Fehler im Kabelmantel festgestellt wird. Auch die Messungen mit Hilfe der Gasfüllungen
sind zeitraubend.
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In letzter Zeit ging man immer mehr dazu über, Fernmeldekabelanlagen
dauernd unter Gasdruck zu halten, um Fehlerstellen, die z. B. bei Kabelmantelriß
auftreten, möglichst bald erkennen zu können, bevor sich der elektrische Zustand
der Adern verändert hat. Diese Überwachung gibt also die Möglichkeit, z. B. Mantelrisse
zu beseitigen, bevor Feuchtigkeit in das Kabel eingedrungen und die Isolation der
Adern schlecht geworden ist. Mit bekannten elektrischen Meßmethoden können solche
Fehler nicht rechtzeitig erkannt werden. Auch die bekannten Spürmethoden mit radioaktivem
Spürgas sind sehr aufwendig und zeitraubend. Sie sind außerdem meist nur in Verbindung
mit anderen Fehlerortsbestimmungseinrichtungen anwendbar.
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Es ist ein Fehlersuchverfahren bekanntgeworden, bei dem die Ansprechzeitpunkte
von mindestens drei Druckschaltern ermittelt und der Fehlerort auf Grund dieser
Ansprechzeiten in bezug auf die Abstände der drei Druckschalter voneinander bestimmt
wird. Es ist auch ein Verfahren für die Fehlerortung
in gasdrucküberwachten Kabelanlagen
bekannt, bei dem Mittel vorgesehen sind, die auch bei außerhalb der Mitte des Gasdruckabschnittes
auftretenden, einen Druckabfall im Kabel bewirkenden Fehlerstellen den Druckverlauf
symmetrisch zur Fehlerstelle machen. Dadurch soll erreicht werden, daß die Gasvolumina
zu beiden Seiten des Fehlerortes angenähert gleichgemacht sind. Beispielsweise kann
hierzu ein Windkessel mit gedrosselten Verbindungsleitungen benutzt werden, der
praktisch eine pneumatische Kabelnachbildung darstellt.
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Es ist schließlich auch eine Überwachungseinrichtung für druckgasüberwachte
Fernsprechkabel bekannt, bei der ein Gasmesser und selbständige Druckausgleichsmittel
benutzt werden. Wenn bei Fernsprechkabelanlagen infolge einer Fehlerstelle Gas entweicht,
so strömt an beiden Kabelenden aus Vorratsfiaschen Gas über Reduzierventile nach.
Dieses Nachströmen löst nicht nur ein Alarmzeichen aus, sondern bewirkt auch, daß
die in das Kabel einströmenden Gasmengen registriert werden. Die Abnahme des von
einem Manometer angezeigten Gasdruckes in der Vorratsflasche wird aufgezeichnet.
Das Manometer besitzt einen Zeigerkontakt und läßt ein Relais jedesmal dann ansprechen,
wenn der Gasdruck, z. B. mit 150 atü beginnend, um je eine Einheit, z. B. um 3,75
atü, gefallen ist. Der vom Zeigerkontakt gebildete Stromkreis wird jedesmal dadurch
wieder geöffnet, daß ein Zahnrad, das die Gegenkontaktfläche trägt, um ein entsprechendes
Stück gedreht wird.
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Jeder Relaisimpuls wird registriert, und aus den Aufzeichnungen der
eingeströmten Gasmengen an beiden Kabelenden läßt sich der Fehlerort ungefähr ermitteln.
Ein Impulszähler stellt integrierend das aus den Gasreserven in der Zeiteinheit
ausströmende Gasvolumen fest.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung
des Fehlerortes in gasdrucküberwachten Kabelanlagen zu finden, welches nicht auf
im Zuge der Leitungen eingebaute Kontaktmanometer angewiesen und bereits bei sehr
kleinen Fehlern anwendbar ist, insbesondere soll es ohne Bestimmung der entweichenden
Gasmengen und ohne integrierende Meßeinrichtungen auskommen. Dieses Verfahren zur
Ortsbestimmung von undichten Stellen in gasdrucküberwachten Kabelanlagen soll außerdem
bereits kurz nach dem Auftreten eines Fehlers die Fehlerortsbestimmung ermöglichen.
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Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem neuen Verfahren
in der Weise, daß erfindungsgemäß die auszuwertende Druckmessung bereits während
des instationären Strömungsfalles der Gase, der vor dem stationären Strömungsfall
herrscht, erfolgt. Bei dieser Druckmessung werden die Drücke P1 (0, t) und P2 (4
t) an den beiden Enden (x= 0) und (x=l) des überwachten Abschnittes bestimmt und
auf Grund dieser Messungen aus der Gleichung
der Fehlerort x ermittelt. Hierin bedeutet P den normalen Überdruck des Kabels,
Po (0, t) den zeitlichen Druckverlauf am Anfang, P2 (I, t) den zeitlichen Druckverlauf
am Ende des Kabelabschnittes, 0 das Gaußsche Fehlerintegral, m die durch Messung
feststellbare Strömungskonstante und 1 die Kabellänge des überwachten Kabelabschnittes.
Das Gaußsche Fehlerintegral ist in den bekannten Zahlentafeln tabelliert. Das neue
Verfahren zur Ortsbestimmung von undichten Stellen ist deshalb von besonderem Vorteil,
weil man bei ihm nicht mehr so lange zu warten braucht, bis man eine Messung durchführen
kann, und weil man die richtigen Meßergebnisse bereits kurz nach Auftreten des Fehlers
erhalten kann, während die Meßergebnisse bei den bekannten Verfahren immer den Zustand
der stationären Strömung voraussetzen. Die Meßergebnisse waren bei dem bekannten
Verfahren auch deshalb noch sehr strittig, weil man nie wußte, in welchem Stadium
der Gas-
strömung im Kabel die Messung vor sich gegangen ist. Bei dem neuen Verfahren
dagegen kann die Messung so frühzeitig erfolgen, daß sie auf alle Fälle im Zustand
der instationären Strömung durchgeführt wurde.
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Das zur Ortsbestimmung von undichten Stellen in gasdrucküberwachten
Kabelanlagen angegebene Verfahren kann auf folgende Weise erklärt werden: Ein unendlich
langes Kabel enthalte am Anfang x =0 ein Leck, an dem der Gesamtdruck po + P (p0
= äußerer Druck der Atmosphäre, P der Überdruck im Kabel) nach einer Zeitfunktion
f (t) abfalle. Der Druckverlauf p (t) folgt an der Stelle x= 0 somit der Gleichung
p(t) (p0P)1(t).
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Für f(t) wird in diese Gleichung die Laplacetransformierte f(s) mit
der neuen Variablen s eingeführt.
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Man kann nun zeigen, daß die Laplacetransformierte der Ortsfunktion
des Druckes p (x, s) lautet: p(x, s) - (Po A P) AesX Setzt man in dieser Gleichung
x=O, so erhält man unter Benutzung der Gleichung für p (t) A = p (0, s)(p0 + P)
= (p0 + P) [f (s)1] .
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Somit erhält man p (x s)(po + P) = (po + P) [f (s)1] e als Lösung
des Ausströmproblems für ein unendlich langes Kabel, dessen Druckabfall am Leckort
durch eine beliebige, natürlicherweise monoton abfallende Funktion f(t) vorgesehen
ist. Der Faltungssatz der Laplacetransformation gestattet die Rücktransformation
der zuletzt aufgeführten Gleichung in den ursprünglichen t-Bereich, da die Oberfunktionen
der Faktoren in dieser Gleichung bekannt sind.
bedeutet das Gaußsche Fehlerintegral, wie es in den bekannten Tafeln höherer Funktionen
tabelliert ist. Der genannte Satz liefert
mit der Integrationsvariablen z. Es wurde experimentell festgestellt, daß am Leck
der Druck anfänglich sehr schnell abfällt und sich dann über lange Zeiten nur sehr
wenig ändert, und zwar um so weniger, je kleiner das Leck und je länger das Kabel
ist,
aus dem das Gas wie aus einem großen Reservoir nachströmt. In der zuletzt ausgeführten
Gleichung wird demgemäß f(t) durch einen zeitunabhängigen asymptotischen Grenzwert
foo<1 ersetzt, und man erhält
Eine zweite Meßstelle im Abstand x' vom Leck liefert entsprechend
Die Gesamtlänge des Kabels ist x+x'= 1.
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Der zeitabhängige Druck am Anfang sei p1 (t) und derjenige am Ende
des Kabelabschnittes p2 (t). Wenn man die beiden letzten Gleichungen miteinander
dividiert, fällt die Leckkonstante f<, heraus, und es bleibt
Die Ortsbestimmung des Lecks besteht nun darin, daß man aus den Druck-Zeit-Kurven
für einen Zeitmoment t die linke Seite der zuletzt aufgeführten Gleichung bildet
und die transzendente Gleichung
nach x auflöst. Strömungskonstantem und Kabellänge I sind leicht zu ermitteln. Durch
die Bildung des Quotienten aus den Druckmessungen am Anfang und am Ende fällt die
unbekannte Ausströmfunktion f (t) des Lecks heraus. Die aufgestellte Gleichung gilt
exakt nur für eine große Kabellänge 1, für eine pneumatisch homogene Strecke (m
= const) und für kleine ausströmende Mengen an der Leckstelle.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens nach der Erfindung ordnet
man an beiden Enden des Überwachungs ab schnittes Druckmeßeinrichtungen an, die
über eine Steuerleitung gleichzeitig in Betrieb gesetzt werden, so daß zur Zeit
t wenigstens eine Augenblickswertmessung des Druckes veranlaßt wird. Über diese
Steuerleitung kann gemäß einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedankens auch
der zeitliche Nullpunkt, also der Zeitpunkt t= 0 übertragen werden, in welchem der
Kabelfehler etwa auftritt oder bemerkt wird. Man kann ferner auch Druckmeßeinrichtungen
vorsehen, die mehrere Messungen nacheinander vorzunehmen oder den Druckverlauf aufzuschreiben
gestatten; damit die am Anfang und Ende eines Oberwachungsabschnittes vorgesehenen
Einrichtungen zur gleichen Zeit t= 0 anlaufen, kann über die Steuerleitung ein Signal
übertragen werden. Der Laufbeginn der Meßeinrichtungen kann von dem einen oder von
dem anderen Ende des Oberwachungsabschnittes aus veranlaßt werden. Eine solche gemeinsame
Steuerung ist meist notwendig, weil es auch bei Verwendung hochempfindlicher Meßeinrichtungen
nicht ohne weiteres möglich ist, bei Druckabfall einen annähernd zusammenfallenden
zeitlichen Nullpunkt festzulegen.
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Der zeitliche Nullpunkt muß aber für beide Meßein richtungen der gleiche
sein. Man kann zur Bestimmung des zeitlichen Nullpunktes z.B. Differentialmanometer,
gewöhnliche Manometer oder Strömungsmesser an dem einen oder an beiden Enden eines
Überwachungsabschnittes vorsehen; das zuerst ansprechende Organ kann den zeitlichen
Nullpunkt, zu dem der Druck infolge Schadens im Kabel abzunehmen beginnt, markieren,
ganz gleich, ob es das am Anfang oder das am Ende des Überwachungsabschnittes liegende
Organ ist; dieses gibt sodann das den Nullpunkt kennzeichnende Signal über die Steuerleitung
zu dem am anderen Ende des Abschnittes liegenden Überwachungsgerät. Beispielsweise
kann man bei Auslösung eines Signals, welches beim Eintreten eines Fehlers gegeben
wird, auch Zeitlaufwerke am Anfang und Ende der Überwachungsstrecke anlaufen lassen,
die nach einer gewissen Zeit ein Manometer zum Ansprechen bringen. Vorteilhafterweise
benutzt man in diesem Fall solche Manometer, die auf ihrem Ausschlag stehenbleiben.
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Es ist auch möglich, ohne Steuerleitung auszukommen, wenn man die
üblichen Adern des Kabels für die Steuersignalübertragung ausnutzt. Die Belegungszeit
dieser Adern für diese Übertragung ist nur sehr kurz; der übliche Nachrichtenverkehr
auf diesen Adern wird daher kaum gestört. Man könnte die Meßeinrichtungen auch dauernd
in Betrieb halten, so daß sich die Meßwerte für jeden bestimmten Zeitpunkt aus Aufzeichnungen
ermitteln lassen.
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In vorteilhafter Weise kann man sich bei der Ermittlung des das Gaußsche
Fehlerintegral enthaltenden Quotienten der Abkürzungen
bedienen, so daß
ist. Zur rascheren Ermittlung des Fehlerortes kann man ferner die Werte für das
Gaußsche Fehlerintegral 0 mit den Parametern 5 und A auswerten und tabellenmäßig
erfassen. Man kann so die folgende Tabelle erhalten:
| o,l 0,2 l 0,3 l 0,4 l o,5 l 0,6 l 0,7 l 0,8 l o,9 1 |
| 0 1,1267 1,2865 l 1>4895 1,7494 2,0855 2,5244 3,1037 3,8775
4,9239 T 6,3573 |
| 0,1 0,88754 1,00000 1,14182 1,32198 1,55270 1,85097 2,24047
2,75462 3,44141 4,37018 |
| 0,2 0,69872 0,77730 i 0,87579 1,00000 1,15778 1,35984 1,62106
1,96218 2,41247 3,01396 |
| 0,3 0,54909 0,60350 0,67137 0,75644 0,86372 1,00000 1,17452
1,40015 1,69478 2,08371 |
| 0,4 0,43023 0,46750 0,51383 0,57161 0,64404 0,73538 0,85141
1,00000 1,19209 1,44295 |
| 0,5 0,33569 0,36090 0,39216 0,43103 0,47950 0,54026 0,61688
0,71421 0,83886 1,00000 |
| 0,6 0,26053 0,27733 0,29815 0,32399 0,35609 0,39614 0,44633
0,50963 0,5901 0,69302 |
| 0,7 0,20089 0,21190 0,22557 0,24250 0,26357 0,28963 0,3222
0,36302 0,41451 0,47991 |
| 0,8 0,15371 0,16080 0,16962 0,18055 0,19411 0,21093 0,23183
0,25790 0,29058 0,33179 |
| 0,9 0,11658 0,12104 0,12662 0,13357 0,14218 0,15286 0,16610
0,18256 0,20309 0,22882 |
| 1 0,08754 0,09029 0,09375 0,09808 0,10345 0,11012 0,11839 0,12869
0,14140 0,1573 |
Wenn eine solche Auswertung in Tabellenform vorliegt, ergibt sich
der Fehlerort x in folgender Weise: Aus den Meßpunkten bzw. Meßkurven für die Drücke
P1 und P2 greift man einen Zeitpunkt t heraus und bildet dafür den Quotienten der
Differenzen der Überdrücke . Zur Ermittlung des Fehlerortes wird nun für die gegebene
Kabellänge I der Parameter bestimmt und aus der Tabelle in der Spalte des betreffenden
Wertes derjenige Wert für t gesucht, für den g den geforderten Wert annimmt. Über
die Gleichung mit ¢ kann man schließlich den Wert x ermitteln. Zur Kontrolle kann
man für mehrere Zeitpunkte den Vorgang der Berechnung wiederholen. Wurde auf diese
Weise der Fehlerort bestimmt, so kann man z.B. unter Einsatz von Spürgas in einfacher
Weise den Fehlerort ziemlich genau ermitteln. Das Verfahren nach der Erfindung hat
besondere Bedeutung in Anlagen, in denen keine Kontaktmanometer verwendet werden,
wie z. B. bei Stichleitungen oder Nebenstrecken.
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Der Wert für die Strömungskonstante m kann in einfacher Weise bei
Kabelanlagen ermittelt werden, die sich in Ordnung befinden. Man kann diese Werte
auch auf andere Kabelanlagen, die z. B. auf Druckgasüberwachung umgestellt werden
und nicht mehr in Ordnung sind, übertragen, wenn es sich um gleiche Kabeltypen handelt.
So ist es möglich, mit wenigen, einfachen Messungen für alle praktisch vorkommenden
Fälle den Wert m zu bestimmen, ohne daß hierzu komplizierte Aufgaben aus der Strömungstheorie
gelöst werden müssen.
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Für die Ermittlung des zeitlichen Druckverlaufes am Anfang Pol (0,
t) und am Ende P2 (I, t) genügt es, wenn wenigstens ein Augenblickswert des Gas
druckes gleichzeitig aufgenommen wird. Man kann dies beispielsweise durch Druckschreiber
od. dgl. vornehmen.