DE19528287A1 - Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasser-Versorgungsnetz und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein sowohl zur Erkennung als auch zur Ortung eines Lecks in einem Trinkwasserversor­ gungsnetz geeignetes Verfahren, bei dem aus einer kor­ relierenden Verarbeitung elektrischer Ausgangssignale mindestens zweier entlang eines Rohrleitungsabschnittes des Netzes in einem Abstand L voneinander angeordneter Schallsensoren, deren Ausgangssignalpegel in monotoner Relation zu dem am Meßort wirksamen Schalldruckpegel steht, der sich aus einer Geräuschbildung ergibt, die ihrerseits aus einem Ausströmen des unter Druck stehen­ den Wassers über das Leck resultiert, wobei diese kor­ relierende Verarbeitung der Sensor-Ausgangssignale im Sinne des Aufsuchens eines Korrelationsmaximums er­ folgt, das sich bei einer multiplizierenden Verarbei­ tung der von verschiedenen Sensoren abgegebenen Aus­ gangssignale dann ergibt, wenn die miteinander zu mul­ tiplizierenden Signalpegel phasengleicher Variation der Sensor-Ausgangssignale entsprechen.

Verfahren dieser Art sind bekannt (DVGW Regelwerk, Was­ serversorgung Rohrnetz/Instandhaltung, Hinweis W 393, Juni 1991, "Verfahren zur Leckortung an Trinkwasserlei­ tungen", ISSN 0176-3504, Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V.) und werden meist zur Ortung eines zuvor mit anderen Mitteln, z. B. anhand von Verlustmes­ sungen erkannten Lecks angewendet, das durch seine Er­ kennung auch insoweit "grob" lokalisiert ist, als zu­ mindest bekannt ist, in welchem absperrbaren Bereich des Netzes das Leck vorhanden ist.

Zur genauen Ortung des Lecks werden nach den bekannten Korrelations-Meßverfahren die beiden Schallsensoren so an der leckbehafteten Rohrleitung plaziert, daß sich das Leck zwischen den Meßstellen befindet. Durch über das Leck austretendes Wasser werden Geräusche erzeugt, die (je nach Größe und Form des Lecks und dem Wasser­ druck sowie der Geschwindigkeit, mit der das Wasser ausströmt), in einer charakteristischen Weise von den "normalen" Geräuschen, die in einem Leitungssystem durch das strömende Wasser hervorgerufen werden, ver­ schieden sind, so daß solche Leckgeräusche grundsätz­ lich zur Erkennung eines Lecks geeignet sind. Je nach der Frequenzverteilung und Intensität, mit der an dem Leck die sich zu dem Leckgeräusch überlagernden Schall­ wellen angeregt werden, ergibt sich eine hierfür cha­ rakteristische zeitliche Variation des Schalldruckpe­ gels dieser Leckgeräusche, die sich mit der unter den jeweiligen Bedingungen für Wasser anzusetzenden Schall­ geschwindigkeit (ca. 1240 ms^-1) zu beiden Meßstellen hin "kohärent" fortpflanzen, an denen somit in einem zeitlichen Versatz Δt, der dem Unterschied der Lauf­ zeiten des Schalls zwischen dem Leck und den beiden Maßstellen entspricht, derselbe Zeitverlauf der Ände­ rung des Schalldruckpegels gegeben ist, der mittels der Schallsensoren meßbar und registrierbar ist.

Zur Leckortung werden die beiden Schallsensoren gleich­ zeitig für eine Meßzeitspanne T_M, deren Dauer wesent­ lich größer ist als die Schallaufzeit über die gesamte Meßstrecke L, aktiviert und für beide Meßstellen der Zeitverlauf des Schalldruckpegels - synchron - regi­ striert. "Wesentlich größer" bedeutet hierbei minde­ stens 10 × und kann aber auch mehrere Größenordnungen (z. B. 10³) betragen.

Da die mittels der beiden Sensoren "abhörbaren" Leck­ geräusche von derselben Schallquelle stammen, haben die Ausgangssignale dieser Sensoren innerhalb einer Min­ destzeitspanne, die höchstens um die Schallaufzeit über die Länge L der Meßstrecke zwischen den Meßstrecken kürzer ist als die Meßzeitspanne T_M und abgesehen von unterschiedlichen Beträgen ihrer zur empfangenen Schall­ intensität proportionalen Amplituden, zeitlich um den Laufzeitunterschied Δt versetzt, denselben Zeitver­ lauf, wobei dieser Zeitversatz Δt durch die Beziehung

gegeben ist, in der mit x der - zu ermittelnde - Ab­ stand des einen der Schallsensoren von dem Leck und mit c_w der Wert der (Wasser)-Schall-Geschwindigkeit bezeich­ net sind.

Der genannte Zeitversatz Δt wird mittels eines Korre­ lationsrechners aus der insgesamt erforderlichen Va­ riation t_max der Zeitskala ermittelt, um die diese für einen der beiden Meßkanäle - in praxi in einer Vielzahl von kleinen Schritten - verändert werden muß, um ein Maximum der Korrelationsfunktion aufzufinden, die mit­ tels des Rechners für jeden Variationsschritt aus den in den beiden Meßkanälen gewonnenen Schall-Daten be­ rechnet wird. Mit dem solchermaßen ermittelten Zeitver­ satz t_max des Maximums der Korrelationsfunktion gegen­ über der Zeitbasis, bezüglich derer die auszuwertenden Schall-Daten ursprünglich in beiden Meßkanälen ermit­ telt und aufgezeichnet worden sind, ergibt sich der gesuchte Abstand x des Lecks von demjenigen Schallsen­ sor, mit dessen Ausgangssignal das Ausgangssignal des anderen Schallsensors durch schrittweise Variation sei­ ner Zeitbasis gleichsam in der Zeitskala zur Deckung gebracht worden ist, der Wert

x = (L - c_w · t_max)/2 (2)

Befindet sich das Leck außerhalb der Meßstrecke, so führt das bekannte Verfahren zu dem Ergebnis, daß der Zeitversatz t_max gleich der Schallaufzeit über der Meß­ strecke L ist und insoweit lediglich zur Erkennung ei­ nes Lecks, wobei aus der "Polarität" der empfangenen Schallsignale auch noch auf die Richtung geschlossen werden kann, in der das zunächst nicht lokalisierbares Leck, gesucht werden muß. "Polarität" bedeutet das Vor­ zeichen (+/-) des Zeitversatzes mit, dem die Schallsi­ gnale bezüglich eines der beiden Sensoren empfangen werden. In günstigen Fällen kann auch an dem Unter­ schied der Intensitäten der Schallsignale an den beiden Schallsensoren auf die Richtung geschlossen werden, in der das Leck zu suchen ist.

Zur Durchführung des bekannten Verfahrens werden übli­ cherweise zwei Schallsensoren angesetzt, wobei sowohl Körperschallsensoren, die z. B. an Schiebergestängen des Wasserversorgungsnetzes ansetzbar sind, als auch Was­ serschallsensoren, die z. B. an Hydranten mit direkten Kontakt zu dem in dem Netz enthaltenen Wasser ansetzbar sind, verwendet werden können, wobei es zweckmäßig, wenngleich nicht zwingend notwendig ist, jeweils den­ selben Sensor-Typ zu verwenden. Zur Auswertung der von den Schallsensoren erzeugten, für den Schalldruckpegel am jeweiligen Meßort charakteristischen Ausgangssignale wird ein Korrelationsrechner mit zwei, je einem der beiden Schallsensoren zugeordneten Eingangskanälen ver­ wendet, an denen die während einer Untersuchungsphase fortlaufend erzeugten, Ausgangssignale der Schallsenso­ ren permanent empfangen werden, wobei die Übertragung dieser Ausgangssignale auf die Signaleingänge des Kor­ relationsrechners über Meßleitungen oder auch "draht­ los" - per Funk - erfolgt.

Zur - korrelierenden - Verarbeitung der Schallsignale werden die beiden Eingangskanäle des Auswertungsrech­ ners für eine definierte Auswertungszeitspanne T gleich­ zeitig geöffnet und die empfangenen Signale in einem für eine weitere Verarbeitung geeigneten, digitalen Format im Rechner gespeichert. Dadurch wird sicherge­ stellt, daß die miteinander zu korrelierenden Daten in dem für die Auswertung berücksichtigten Zeitintervall T_M, abgesehen von einer maximal der Schall-Laufzeit über die Meßstrecke L entsprechenden kürzeren Zeitspan­ ne kohärent sind.

Die diesbezügliche Aktivierung des Korrelationsrechners und auch die Beurteilung des von diesem - letzendlich in Einheiten des Leckabstandes von den beiden Meßstel­ len - gelieferten Ergebnisses erfolgt durch einen Meß­ techniker, der den z. B. in einem als Meßstation dienen­ den Fahrzeug installierten Korrelationsrechner bedient. Während in der Meßstation Auswertungsarbeiten erfolgen, werden durch einen Helfer die Schallsensoren zur Über­ prüfung einer weiteren Teststrecke umgesetzt.

Bei einem Vorgehen nach dem bekannten Verfahren unter Verwendung modernster hierzu bekannter Ausrüstung las­ sen sich pro Stunde Rohrabschnitte von einer Länge zwi­ schen 0,4 und 0,6 km überprüfen, pro Arbeitstag somit zwischen 3 und 5 km, wobei angenommen ist, daß die für eine Korrelationsmessung jeweils ausnutzbare Meßstrecke eine mittlere Länge von 120 m hat. Eine solche Tages­ leistung muß, ungeachtet des Umstandes, daß die zur Messung benötigten Personen - mindestens ein hochquali­ fizierter Meßtechniker, der die Auswertungsarbeiten mittels des Korrelationsrechners durchführt, und ein Assistent, der das Umsetzen der Schallsensoren vor­ nimmt, permanent beschäftigt und insoweit rationell eingesetzt sind, gleichwohl als bescheiden angesehen werden, da Trinkwasserversorgungsnetze vielfach Gesamt-Rohrlängen haben, die einem hohen Mehrfachen dieser Länge entsprechen. Eine vollständige Überprüfung eines Trinkwasserversorgungsnetzes nach dem bekannten Verfah­ ren ist daher, insbesondere der hohen Personalkosten wegen, sehr teuer, auch wenn sich der Kostenaufwand unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung von Wasserverlu­ sten, letzendlich lohnen mag.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es eine zuverlässige Prüfung eines Trinkwasserversor­ gungsnetzes erheblich schneller und mit signifikant reduzierten Kosten ermöglicht, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzugeben, die es ermög­ licht, zu einer Auswertung mittels eines Korrelations­ rechners geeignete Leckgeräusch-Daten gleichsam perma­ nent - "rund um die Uhr" - zu ermitteln, und solche Daten zu einem beliebigen Zeitpunkt auswerten zu können.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 und hinsichtlich der Meßanordnung durch die Merkmale der Ansprüche 3 bis 8 gelöst.

Hiernach werden - verfahrengemäß - eine Vielzahl von Schallsensoren, verteilt über einen Netzbereich, dessen Überprüfung nach dem konventionellen Verfahren mehrere Tage erfordern würde, in einer Konfiguration positio­ niert, die eine korrelierende Verarbeitung der Aus­ gangssignale eines jeden Schallsensors mit denjenigen mindestens zweier weiterer, in unterschiedlichen Ab­ ständen einseitig von dem jeweiligen Sensor angeordne­ ter Schallsensoren erlaubt, so daß innerhalb des gesam­ ten Netzes korrelationsfähige Meßdaten entstehen; die solchermaßen positionierten Schallsensoren werden ge­ meinsam - gleichzeitig - für Zeitspannen gleicher Dau­ er, die signifikant größer ist als die Laufzeit des Schalls zwischen in Ausbreitungsrichtung desselben ein­ ander benachbarter Sensoren synchronisiert aktiviert und die Pegel ihrer Ausgangssignale in den Sensoren einzeln zugeordneten elektronischen Speichern in der zeitlichen Folge ihrer Erzeugung und in dieser Folge auch geordnet abrufbar, gespeichert, wonach sodann die korrelierende Verarbeitung der gespeicherten Sensor-Ausgangssignale durch Abrufung und Auswertung der kor­ relationsfähigen Daten mindestens zweier Speicher suk­ zesive für jeden durch die Position zweier benachbarter Sensoren definierten Leitungsabschnitt des Netzes er­ folgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermittelt zumindest die folgenden meßtechnischen Vorteile:

Da sämtliche Leckgeräuschmessungen gleichzeitig erfol­ gen, sind nicht nur die Ausgangssignale jeweils zweier Schallsensoren korrelierbar, sondern vielfach die Aus­ gangssignale mehrerer Schallsensoren, was eine deutli­ che Erhöhung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt.

Der Personaleinsatz ist im wesentlichen auf die Instal­ lation - Verteilung - der Schallsensoren über das Meß­ gebiet beschränkt, wobei gleichzeitig mehrere Personen in Teilgebieten eines großen Meßgebiets tätig sein kön­ nen. Hierdurch wird zwar der Personalbedarf der Zahl nach erhöht, die Kosten, die sich aus der insgesamt aufzuwenden Zahl von Mann-Stunden ergeben, jedoch nicht, so daß insoweit kein Kostennachteil gegenüber dem be­ kannten Verfahren entsteht.

Da die Registrierung der Leckgeräuschdaten - Ausgangs­ signale der Schallsensoren - für sämtliche Schallsenso­ ren gleichzeitig erfolgt, wird insoweit die für die Durchführung und Auswertung von Messungen erforderliche Arbeitszeit eines Meßtechnikers, der die Auswertung der Geräuschdaten mittels des Korrelationsrechners durch­ führt, auf dasjenige Mindestmaß reduziert - komprimiert -, das für eine fortlaufende auswertende Verarbeitung der Daten erforderlich ist, da dieser Meßtechniker erst tätig werden muß, nachdem sämtliche Schallsensoren in­ stalliert sind und hiernach erst mit den Messungen be­ gonnen werden muß.

Das Charakteristikum des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß, nachdem die Schallsensoren installiert sind, die Meßzeit gleichsam beliebig gewählt werden kann, ist mit besonderem Vorteil dahingehend nutzbar, daß die Meßzeit in eine Tageszeit verlegt wird, in der im Netz nur mit einem relativ geringem Störgeräuschpegel gerechnet wer­ den kann, was der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens zugute kommt. Hierbei ist es ohne weiteres möglich, eine z. B. automatisch ausgelöste Messung nachts zu einer Zeit durchzuführen, in der mit nur ge­ ringen Wasserentnahmen aus dem Netz zu rechnen ist und daher der Störgeräuschpegel wesentlich niedriger ist als tagsüber. Diese vorteilhafte Möglichkeit kann auch dahingehend genutzt werden, daß die durch die Position je zweier Schallsensoren eingegrenzten Meßstrecken, verglichen mit einem Vorgehen nach dem bekannten Ver­ fahren, größer gewählt werden. Des weiteren ist es mög­ lich, Registrierungen von Schalldaten in größeren Zeit­ abständen, z. B. in Abständen von 1 Std. zu wiederholen und auf diese Weise durch Erhöhung der effektiven Meß­ zeit das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichba­ re Signal-/Rauschverhältnis zu erhöhen.

Insbesondere für diese Art der mittelnden Verarbeitung mehrerer Messungen ist es günstig, wenn die Signale der einzelnen Sensoren einer Frequenzanalyse unterworfen werden und die solchermaßen gewonnenen Frequenzspektren der Ausgangssignale der einzelnen Schallsensoren in diesen je einzeln zugeordneten Speichern gespeichert und zur Leckerkennung und/oder -ortung die gemittelten Spektren der korrelierenden Verarbeitung unterworfen werden.

Bei der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens geeigneten Meßanordnung gemäß Anspruch 3, die prinzipiell mindestens drei Schallsensoren umfaßt, vor­ zugsweise jedoch eine wesentlich größere Anzahl solcher Sensoren, sind diesen einzeln zugeordnete, digital-elek­ tronische Signalaufbereitungsstufen vorgesehen, mittels derer die die Sensor-Ausgangssignale repräsentierenden Daten in geordneter Folge auslesbar speicherbar sind, wobei diese Signalaufbereitungsstufen mit derselben Taktfrequenz steuerbar sind, um die Korrelationsfähig­ keiten der miteinander zu korrelierenden Daten zu ge­ währleisten. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Signalaufbereitungsstufen in die Schallsensoren als Ausgangsstufen derselben integriert sind. Zur Auswer­ tung der an sämtlichen Schallsensoren registrierten und für eine weitere Verarbeitung aufbereiteten Schalldaten kann in diesem Falle ein einfacher Zwei-Kanal-Korrela­ tionsrechner verwendet werden , so daß für eine Anwen­ dung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedingter Mehrauf­ wand hinsichtlich der Meß-Ausrüstung lediglich auf die größere Zahl der benötigten Schall-Sensoren beschränkt ist.

Um auf einfache Weise die Aktivierung der zahlreichen Schallsensoren und deren Funktion exakt synchronisieren zu können, ist in bevorzugter Gestaltung der Meßanord­ nung vorgesehen, daß die Signalaufbereitungsstufen der einzelnen Schallsensoren mit je einem Empfänger für eine drahtlos übermittelbare Takt-Impulsfolge ausge­ stattet sind, wobei ein diesbezüglich erforderlicher Taktimpuls-Sender dadurch eingespart werden kann, daß die Empfänger auf die Trägerfrequenz der Ausgangssigna­ le eines Navigationssatelliten abgestimmt und mit einer Teilerstufe zur Ableitung der Arbeitstaktfrequenz aus der Trägerfrequenz der empfangenen Funksignale versehen sind. Es versteht sich, daß auch Trägerfrequenzen an­ derer Sender, deren Trägerfrequenz hinreichend stabil ist, zweckentsprechend ausgenutzt werden können.

Im Sinne einer "Kompression" - Reduzierung - der von einem Korrelationsrechner zu verarbeitenden Daten kann es, wie in spezieller Gestaltung der Meßanordnung vor­ gesehen, vorteilhaft sein, wenn die Signalaufbereitungs­ stufen mit einer Vorverarbeitungsstufe versehen sind, die eine schnelle Fourier-Transformation der von den Sensoren zeitabhängig erzeugten Ausgangssignale vermit­ telt und das Ergebnis dieser Analyse im Amplituden-/Fre­ quenzformat speichert.

Zur Übernahme der in den Signalaufbereitungsstufen der Schallsensoren gewonnenen Daten in den Korrelations­ rechner ist es vorteilhaft, wenn die Schallsensoren bzw. deren Signalaufbereitungsstufen mit Sendeeinrich­ tungen versehen sind, mittels derer die gespeicherten Daten zur Eingabe in den Korrelationsrechner funkge­ steuert auslesbar sind.

Ein in bevorzugter Gestaltung der Meßanordnung zur Aus­ wertung der Schall-Informationsdaten vorgesehener Kor­ relationsrechner sollte, um die Vorteile des erfindungs­ gemäßen Verfahrens weitestmöglich zum Tragen zu brin­ gen, zur Durchführung von Mehfach-Korrelationen geeig­ net sein, wobei der praktisch bedeutendste Fall derje­ nige einer Tripel-Korrelation ist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung einer speziellen Meßanordnung zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasser-Versor­ gungsnetz sowie ihrer Funktionsbeschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einem Trinkwasser-Versor­ gungsnetz, in dem eine Mehrzahl von Schallsen­ soren zur synchronisierten Registrierung von Leckgeräuschen plaziert sind, in stark verein­ fachter, schematischer Darstellung und

Fig. 2 den Aufbau eines in dem Netz gemäß Fig. 1 ein­ setzbaren Schallsensors in schematisch verein­ fachter Blockschaltbild-Darstellung.

Für das in der Fig. 1 insgesamt mit 10 bezeichnete Trinkwasserversorgungsnetz ist, ohne Beschränkung der Allgemeinheit, angenommen, daß es als Umlaufnetz oder als Ringnetz ausgebildet ist, dessen zentrale Knoten 11, die durch je eine Kreuzungsstelle markiert sind, an der ein "Längs"-Versorgungsrohr 12 und ein "Quer"-Ver­ sorgungsrohr 13 des Netzes 10 unter Kreuzung der Ver­ sorgungspfade in kommunizierender Verbindung miteinan­ der stehen, und dessen Randknoten 14, die durch eine Abzweigstelle des Netzes 10 markiert sind, vollständig miteinander vermascht sind. Die die einzelnen Knoten 11 oder 14 mit den jeweils benachbarten Knoten verbinden­ den Rohrleitungen sind in Rohrleitungs-Abschnitte 17 unterteilt, die mittels in regelmäßigen Abständen ange­ ordneter Hydranten 16 gegeneinander absperrbar sind.

Um in einem in der Fig. 1 gestrichelt umrandet darge­ stellten, insgesamt mit 18 bezeichneten Untersuchungs­ bereich des Trinkwasser-Versorgungsnetzes 10 vorhandene Leckstellen 19₁ bis 19₃ feststellen und orten zu kön­ nen, sind in diesem Untersuchungsbereich 18 eine Mehr­ zahl (N) von Schallsensoren 21₁ bis 21 _N entlang der Längs- und Querversorgungsrohre, in deren Verlaufsrich­ tung etwa äquidistant angeordnet; diese Schallsensoren 21₁ bis 21 _N erzeugen für die im Trinkwasser-Versorgungs­ netz 10 ausbreitungsfähigen Schallwellen, die durch das strömende Wasser angeregt werden, charakteristische elektrische Ausgangssignale, aus deren kombinierter Auswertung nach Schalldruckpegel, Frequenz der angereg­ ten Schallwellen und der zeitlichen Relation der er­ zeugten Signale sowohl auf das Vorhandensein der Leck­ stellen 19₁ bis 19₃ als auch auf deren Lokalisierung geschlossen werden kann. Zur diesbezüglichen Auswertung der Geräusch-Signale, die aus einer Überlagerung für ein intaktes Trinkwasserversorgungsnetz 10 charakteri­ stischer Signale mit für Leckstellen 19₁ bis 19₃ cha­ rakteristischen, lecktypischen Geräusch-Signalen beste­ hen, ist ein in der Fig. 1 lediglich schematisch ange­ deuteter Korrelations-Rechner 22 vorgesehen, dessen prinzipielle Funktion und dadurch mögliche Nutzung zur Leck-Erkennung und -Ortung einleitend schon erläutert worden ist, worauf Bezug genommen sei.

Die Schallsensoren 21₁ bis 21 _N sind beim dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils an Hydranten 16 des Trinkwasser-Versorgungsnetzes 10 plaziert, an denen die Möglichkeit besteht Schallsensoren zu verwenden, die sowohl auf den im Wasser sich ausbreitenden Wasser­ schall als auch auf den über die Leitungsrohre und wei­ tere Anschlußelemente ausbreitungsfähigen Körperschall ansprechen.

Die Schallsensoren 21₁ bis 21 _N zu deren Erläuterung nunmehr auch auf die diesbezüglichen Einzelheiten der Fig. 2 Bezug genommen sei, umfassen je einen Schall­ druckpegel-Spannungs-Wandler 23, der ein Spannungs-Aus­ gangssignal liefert, dessen Amplitude ein direktes Maß für den Schalldruckpegel ist, der von demjenigen Schall­ sensor 21₁ bis 21 _N erfaßt wird.

Das Ausgangssignal des jeweiligen Schalldruckpegel-/Spannungswandlers 23 wird mittels eines Proportional­ verstärkers 24 auf einen Spannungs-Pegelbereich angeho­ ben, auf dem es mittels eines dem Proportionalverstär­ ker nachgeschalteten Analog-/Digitalwandlers 26 zu in digitalem Format bereitstellbaren Schall-Informations­ daten umwandelbar ist, die in der geordneten Folge ih­ rer Erzeugung in einem elektronischen Speicher 27 ab­ legbar sind und aus diesem zu einer weiteren Verarbei­ tung in geordneter Folge auch wieder abrufbar sind.

Um sicherzustellen, daß in den Speichern 27 der Schall­ sensoren 21₁ bis 21 _N unter Adressen, die gleichen Zeit­ punkten entsprechen, Schalldaten speicherbar und wieder abrufbar sind, die bei sämtlichen Schallsensoren glei­ chen Zeitpunkten der Gewinnung der jeweils abzuspei­ chernden und wieder abrufbaren Schalldaten entsprechen, werden sämtliche Analog/Digitalwandler 26 und sämtliche Speicher 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21 _N mit demsel­ ben Takt gesteuert, der durch Frequenzteilung eines hochfrequenten Funksignals gewonnen wird, zu dessen Empfang an jedem der Schallsensoren ein auf die Fre­ quenz des Funksignals abgestimmter Empfänger 28 mit eigener Empfangsantenne 29 vorgesehen ist, der im Takt der Frequenz des empfangenen Signals abgegebene Aus­ gangsimpulse erzeugt, die mittels eines Frequenzteilers 31 in zur Steuerung des Analog-Digitalwandlers 26 sowie des Betriebs des Speichers 27 geeignete Taktimpulse umgewandelt werden, deren Frequenz entsprechend dem Teilerverhältnis des Frequenzteilers 31 niedriger ist als die Frequenz des empfangenen Master-Signals, das für sämtliche Schallsensoren 21₁ bis 21 _N dasselbe ist.

Als Master-Funksignal, von dessen Frequenz die Frequenz der Taktimpulse abgeleitet wird, die zur Funktions-Steuerung des Analog-Digitalwandlers 26 sowie des Spei­ chers 27 benutzt werden, wird beim dargestellten Aus­ führungsbeispiel das Ausgangssignal eines mit fester Trägerfrequenz erzeugten Navigationssatelliten genutzt, das mit hoher Frequenzkonstanz erzeugt wird. Eine hin­ reichende Frequenz-Konstanz vorausgesetzt, kann selbst­ verständlich auch ein terrestrisches Funksignal zur Ge­ winnung der Steuertakt-Impulsfolge benutzt werden, wo­ bei ein diesbezüglich geeigneter Sender dann an einer fahrbaren Service-Station zusammen mit dem Korrelations­ rechner 22 installiert sein kann.

Zur Synchronisierung - gleichzeitigen und gemeinsamen Aktivierung sämtlicher Schallsensoren 21₁ bis 21 _N zur Aufnahme und Speicherung von Geräusch-Daten ist jeder Schallsensor 21₁ bis 21 _N mit einem erforderlichenfalls mit einer eigenen Empfangsantenne 32 versehenen Steuer­ signalempfänger 33 ausgerüstet, der in die Frequenz oder in eine Amplitudenmodulation eines Funksignals codierte Steuerbefehle zur Aktivierung des Registrie­ rungsbetriebes des jeweiligen Schallsensor 21₁ bis 21 _N empfängt und diese Steuer-Befehlssignale an den Analog-Digitalwandler 26 und den Speicher 27 des jeweiligen Schallsensors 21₁ bis 21 _N, gegebenenfalls auch dessen Proportionalverstärkers 24 weitergibt, wodurch diese Funktionseinheiten einer insgesamt mit 34 bezeichneten Signal-Aufbereitungsstufe des jeweiligen Schall-Sensors 21₁ bis 21 _N zur Aufnahme des Schall-Daten-Aufnahme- und -speicherungs-Betriebes angesteuert werden, solange das/die diesbezügliche(n) Steuersignal(e) von dem Steu­ ersignalempfänger 33 empfangen werden, wobei - nicht dargestellte - Steuersignal-Decodierstufen am jeweili­ gen Funktionselement der Aufbereitungsstufe 34 vorgese­ hen sind.

Die Ausgabe diesbezüglich erforderlicher Funk-Steuer­ signale wird bei dem zur Erläuterung gewählten Ausfüh­ rungsbeispiel der in der Fig. 1 durch die Verteilung der Schallsensoren 21₁ bis 21 _N innerhalb des Untersu­ chungsbereiches 18 und den Korrelationsrechner 22 re­ präsentierten, insgesamt mit 36 bezeichneten Meßanord­ nung durch einen in der Fig. 1 durch eine Sendeantenne 37 repräsentierten Steuersignal-Sender vermittelt, der zweckmäßigerweise an der mit dem Korrelationsrechner 22 ausgerüsteten Service-Station installiert ist.

Soweit Laufzeitunterschiede der Steuersignalimpulse zwischen dem Sender 37 und den Empfängern 33 der Schall­ sensoren 21₁ bis 21 _N, zeitliche Unterschiede der Spei­ cherung der Schalldaten in den einzelnen Speichern 27 der Schall-Sensoren 21₁ bis 21 _N bedingen, beeinträchti­ gen solche Zeitdifferenzen die Korrelationsfähigkeit der jeweiligen Schall-Informationsdaten nicht, solange diese in dem durch den Taktgeber - den Frequenzteiler 31 - vorgegebenen gemeinsamen Takt abgespeichert wer­ den; sie führen allenfalls zu einem geringfügigen Or­ tungs-Fehler, der jedoch in Anbetracht des drastischen Unterschiedes zwischen der Lichtgeschwindigkeit, mit der elektromagnetische Wellen sich ausbreiten, und der Schallgeschwindigkeit, mit der Leckgeräusche sich fort­ pflanzen, innerhalb der Öffnungsweite eines Schachtes liegt, der erforderlichenfalls zur Sanierung einer der Leckstellen 19₁ bis 19₃ des Trinkwasserverteilungsnet­ zes 10 gegraben werden muß.

Bedingt durch die erläuterte Gestaltung und Funktion der Signal-Aufbereitungsstufen 34 der N Schallsensoren 21₁ bis 21 _N werden für Meßzeitintervalle gleicher Dau­ er, die in einer typischen Auslegung der Meßanordnung 36 um fünf Minuten beträgt, in den Speichern 27 der Signal-Aufbereitungsstufen 34 jeweils dieselbe Anzahl von Schall-Daten gespeichert, die zeitlich "kohären­ ten" - einander als gleichzeitig zuordnungsfähigen - Schall­ ereignissen entsprechen und daher statistisch korre­ lierbar sind.

Um diese nach Ablauf einer Meßzeitspanne in den Spei­ chern 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21 _N abgelegten Schalldaten zur korrelierenden Verarbeitung in den Kor­ relationsrechner 22 übernehmen - einlesen - zu können, sind die Schallsensoren 21₁ bis 21 _N bei dem zur Erläu­ terung gewählten Ausführungsbeispiel jeweils mit einem, mit einer eigenen Sendeantenne 38 versehenen Daten-Sen­ der 39 ausgerüstet, der seinerseits durch Ausgangssi­ gnale des Steuersignal-Senders 37, die von dem Steuer­ singalempfänger 33 des jeweiligen Schall-Sensors 21₁ bis 21 _N empfangen werden, zur Aussendung von Schall-Da­ ten ansteuerbar ist, die während der Meßzeitspanne in dem Speicher 27 des jeweiligen Schall-Sensors 21₁ bis 21 _N in geordneter Folge gespeichert worden sind.

Demgemäß ist die den Korrelationsrechner 22 enthaltende Servicestation der Meßanordnung 36 mit einem in der Fig. 1 durch eine Empfangsantenne 41 repräsentierten Schalldaten-Empfänger versehen, über den die von den einzelnen Schallsensoren 21₁ bis 21 _N ausgesandten Schall-Daten in den Schall-Sensoren 21₁ bis 21 _N einzeln zugeordnete oder zuordnungsfähige Eingabekanäle und diesen zugeordnete Speicherelemente des Korrelations­ rechners 22 einlesbar sind, aus denen die Daten sodann für den mathematischen Prozeß der Bildung einer zweck­ mäßigen Korrelationsfunktion abrufbar sind.

Je nach Art der im Korrelationsrechner 22 erfolgenden Bildung der Korrelationsfunktion werden die im Daten­ speicher 27 des jeweiligen Schallsensors 21₁ bis 21 _N gespeicherten Schalldaten entweder - "direkt" - über einen Auslesepfad 42 zum Datensender 39 hin übertragen und über die durch diesen, seine Sendeantenne 38, die Empfangsantenne 41 und dem internen Signalverstärker des Korrelationsrechners 22 gebildete drahtlose Über­ tragungsstrecke zu diesem übertragen, oder zuvor schon einer Vorverarbeitung unterworfen, die eine Reduktion der über die drahtlose Übertragungsstrecke 39, 38, 41 zu übertragenden Datenmenge vermittelt.

Bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel sind die Schallsensoren 21₁ bis 21 _N mit je einer Vor­ verarbeitungsstufe 43 ausgerüstet, mit der eine Vorver­ arbeitung der in den Datenspeichern 27 der Schallsen­ soren 21₁ bis 21 _N gespeicherten Schalldaten im Sinne einer schnellen Fourier-Transformation möglich ist.

Durch eine solche Transformation ist die in den Spei­ chern 27 der einzelnen Schallsensoren 21₁ bis 21 _N als Geräuschintensität in Abhängigkeit von der Zeit abge­ legte Schall-Information in eine - "Darstellung" - Ab­ hängigkeit der Amplituden der sich zu den Netzgeräu­ schen überlagernden Schallwellen von deren Frequenz um­ setzbar, d. h. in ein Format, das besonders gut für ei­ nen Vergleich mit in entsprechendem Format vorliegenden Schall-Daten geeignet ist, die einem intakten, nicht mit Leckstellen behafteten Trinkwasserversorgungsnetz entsprechen.

Davon ausgehend, daß die sich zwischen je zwei Hydran­ ten 16 erstreckenden Rohrleitungsabschnitte 17 eine durchschnittliche Länge von 60 m haben und Abweichungen hiervon gering sind und daß die Ausgangssignale zweier Schallsensoren 21₁ bis 21 _N korrelationsfähig sind, wenn die Länge L der sich zwischen ihnen erstreckenden Meß­ strecke, innerhalb derer sich das Leck 19₁, 19₂ oder 19₃ befindet, bei Messungen, die während der Nacht auf­ genommen werden, bis zu 450 m betragen kann, so kann das gemäß Fig. 1 im zentralen Teil des Untersuchungsbe­ reiches 18 angeordnete Leck 19₂ aus Korrelationsmessun­ gen geortet werden, bei denen

• a) die Ausgangssignale der Schallsensoren 21₈ und 21₉ miteinander korreliert werden, was einer Meßstrecken­ länge von etwa 180 m entspricht oder
• b) die Ausgangssignale der Schallsensoren 21₇ und 21₉, was einer Meßstreckenlänge von etwa 300 m entspricht oder
• c) die Ausgangssignale der Schallsensoren 21₇ und 21₁₀, was einer Meßstreckenlänge von etwa 420 m entspricht.

Das gemäß der Darstellung der Fig. 1 im linken, "obe­ ren" Eckbereich des Untersuchungsbereiches angeordnete Leck 19₁ kann aus einer korrelierenden Verarbeitung

• a) der Ausgangssignale des Schallsensors 21₁ und des Schallsensors 21₂ geortet werden, was einer Meß­ streckenlänge von 180 m entspricht oder
• b) aus einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangs­ signale des Schallsensors 21₁ mit denjenigen des Schallsensors 21₃, was einer Meßstreckenlänge von etwa 300 m entspricht.

Das gemäß der Darstellung der Fig. 1 im rechten, "unte­ ren" Eckbereich des Untersuchungsbereiches 18 angeord­ nete Leck 19₃ kann aus einer korrelierenden Verarbei­ tung der Ausgangssignale

• a) der Schallsensoren 21₄ und 21₁₄ geortet werden, was einer Meßstreckenlänge von etwa 420 m entspricht, oder
• b) einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangssigna­ le der Schallsensoren 21₉ und 21₁₄, was einer Meß­ streckenlänge von etwa 240 m entspricht sowie auch
• c) die Ausgangssignale der Schallsensoren 21₉ und 21₁₃ bzw.
• d) der Schallsensoren 21₉ und 21₁₅, was jeweils einer Meßstreckenlänge von ca. 300 m entspricht.

Das in der Nähe des linken, "unteren" Eckbereiches des Untersuchungsbereiches 18 außerhalb desselben angeord­ nete Leck 21₄ kann aus einer korrelierenden Verarbei­ tung der Ausgangssignale der Schallsensoren 21₁₁ und 21₁₂ zuverlässig erkannt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem Trink­ wasserversorgungsnetz aus einer korrelierenden Ver­ arbeitung elektrischer Ausgangssignale mindestens zweier entlang eines Leitungsabschnittes des Netzes in einem Abstand L voneinander angeordneter Schall­ sensoren, deren Ausgangssignalpegel in monotoner Relation zu dem am Meßort sich ergebenden Schall­ druckpegel steht, der sich aus einer Geräuschbil­ dung ergibt, die ihrerseits aus einem Ausströmen unter Druck stehenden Wassers über das Leck resul­ tiert, wobei diese korrelierende Verarbeitung der Sensor-Ausgangssignale im Sinne des Aufsuchens ei­ nes Korrelationsmaximums erfolgt, das sich bei ei­ ner multiplikativen Verarbeitung der Sensor-Aus­ gangssignale dann ergibt, wenn die miteinander zu multiplizierenden Signalpegel phasengleicher Varia­ tion der Sensor-Ausgangssignale entsprechen, da­ durch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl (N) von Schallsensoren (21₁ bis 21 _N) in einer Konfiguration positioniert werden, die eine korrelierende Verar­ beitung der Ausgangssignale eines beliebigen Sen­ sors mit denjenigen mindestens zweier weiterer, einseitig von diesem angeordneter Sensoren erlaubt, daß die Sensoren (21₁ bis 21 _N) gemeinsam für Zeit­ spannen gleicher Dauer, die signifikant größer ist als die Laufzeit des Schalls zwischen in Ausbrei­ tungsrichtung desselben einander benachbarter Sen­ soren synchronisiert aktiviert und die Pegel der Ausgangssignale in den Sensoren einzeln zugeordne­ ten, elektronischen Speichern (27) in der zeitli­ chen Folge ihrer Erzeugung und in dieser Folge auch geordnet abrufbar gespeichert werden, und daß die korrelierende Verarbeitung der gespeicherten Sen­ sor-Ausgangssignale durch Abrufung und Auswertung der korrelationsfähigen Daten mindestens zweier Speicher (27) einander benachbarter Schallsensoren sukzessive für jeden durch ein solches Sensor-Paar definierten Leitungsabschnitt des Netzes (10) er­ folgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der einzelnen Sensoren (21₁ bis 21 _N) einer Frequenzanalyse unterworfen werden, und daß die solchermaßen gewonnene Frequenzspektren der Ausgangssignale der einzelnen Sensoren (21₁ bis 21 _N) in diesen je einzeln zugeordneten Speichern (27) gespeichert und zur Leckerkennung und/oder Ortung der korrelierenden Verarbeitung unterworfen werden.

3. Meßanordnung zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasser-Versorgungsnetz unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, wobei an in kom­ munizierender Verbindung miteinander befindlichen Leitungsrohren des Netzes eine Anzahl (N) von Schall­ sensoren vorgesehen ist, die gleichzeitig und für Zeitspannen gleicher Dauer zur Abgabe aufzeichnungs­ fähiger Ausgangssignale ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensoren (21₁ bis 21 _N) ein­ zeln zugeordnete, digital elektronische Signalauf­ bereitungsstufen (34) vorgesehen sind, mittels de­ rer die die Sensor-Ausgangssignale repräsentieren­ den Daten in geordneter Folge auslesbar speicherbar sind, und daß die Signalaufbereitungsstufen (34) mit derselben Taktfrequenz gesteuert sind.

4. Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Signalaufbereitungsstufen (34) Be­ standteil der Signalausgangsstufe der jeweiligen Schallsensoren sind.

5. Meßanordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungs­ stufen (34) mit je einem Empfänger (28, 29) für eine drahtlos übermittelbare Takt-Impulsfolge ausgestat­ tet sind.

6. Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfänger (28, 29) auf die Trägerfre­ quenz der Ausgangssignale eines Navigationssatelli­ ten abgestimmt und mit einer Teilerstufe (31) zur Ableitung der Arbeitstaktfrequenz aus der Träger­ frequenz der empfangenen Funksignale versehen sind.

7. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungs­ stufen (34) mit einer Vorverarbeitungsstufe (43) versehen sind, die eine schnelle Fourier-Transfor­ mation der von den Sensoren zeitabhängig erzeugten Ausgangssignale vermittelt und das Ergebnis dieser Analyse im Amplituden-/Frequenz-Format speichert.

8. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungs­ stufen (34) der Schallsensoren (21₁ bis 21 _N) mit Sendeeinrichtungen (39, 38) versehen sind, mittels derer die gespeicherten Daten zur Eingabe in einen Korrelationsrechner (22) funkgesteuert auslesbar sind.

9. Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß ein zur Auswertung der Schall-Informationsdaten vorgesehener Korrelations­ rechner (22) auf die Durchführung einer Mehrfach-Korrelation ausgelegt ist, deren Ordnung höher als zwei ist.