DE19528287C5

DE19528287C5 - Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasser-Versorgungsnetz und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19528287C5
Application number: DE1995128287
Authority: DE
Inventors: Gerhard Ritter
Original assignee: Ingenieurgesellschaft F A S T; Ingenieurgesellschaft Fast fur Angewandte Sensortechnik mbH
Current assignee: INGENIEURGESELLSCHAFT F.A.S.T. FUER ANGEWANDTE, DE
Priority date: 1995-08-02
Filing date: 1995-08-02
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: DE19528287A1; DE19528287B4

Abstract

Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasserversorgungsnetz aus einer korrelierenden Verarbeitung elektrischer Ausgangssignale mindestens zweier entlang eines Leitungsabschnittes des Netzes in einem Abstand L voneinander angeordneter Schallsensoren, deren Ausgangssignalpegel in monotoner Relation zu dem am Meßort sich ergebenden Schalldruckpegel steht, der sich aus einer Geräuschbildung ergibt, die ihrerseits aus einem Ausströmen unter Druck stehenden Wassers über das Leck resultiert, wobei diese korrelierende Verarbeitung der Sensor-Ausgangssignale im Sinne des Aufsuchens eines Korrelationsmaximums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl (N) von mindestens drei Schallsensoren (21₁ bis 21_N) in einer Konfiguration positioniert werden, die eine korrelierende Verarbeitung der Ausgangssignale eines beliebigen Sensors mit denjenigen mindestens zweier weiterer, einseitig von diesem angeordneter Sensoren erlaubt, daß die Sensoren (21₁ bis 21_N) gemeinsam für Zeitspannen gleicher Dauer, die signifikant größer ist als die Laufzeit des Schalls zwischen in Ausbreitungsrichtung desselben einander benachbarter Sensoren, synchronisiert aktiviert und die Pegel der Ausgangssignale in den Sensoren einzeln zugeordneten,...

Description

Die Erfindung betrifft ein sowohl zur Erkennung als auch zur Ortung eines Lecks in einem Trinkwasserversorgungsnetz geeignetes Verfahren, bei dem aus einer korrelierenden Verarbeitung elektrischer Ausgangssignale mindestens zweier entlang eines Rohrleitungsabschnittes des Netzes in einem Abstand L voneinander angeordneter Schallsensoren auf den Ort des Lecks geschlossen wird.
Hierbei ist unterstellt, dass der Ausgangssignalpegel des jeweiligen Sensors in monotoner Relation zu dem am Meßort wirksamen Schalldruckpegel steht, der sich aus einer Geräuschbildung ergibt, die ihrerseits aus einem Ausströmen des unter Druck stehenden Wassers über das Leck resultiert.
Die korrelierende Verarbeitung der Sensor-Ausgangssignale erfolgt im Sinne des Aufsuchens eines Korrelationsmaximums, das sich bei einer multiplizierenden Verarbeitung der von verschiedenen Sensoren abgegebenen Ausgangssignale dann ergibt, wenn die miteinander zu multiplizierenden Signalpegel ”Fasengleicher” – gleichsinniger Variation der Sensor-Ausgangssignale entsprechen.
Verfahren dieser Art sind bekannt (DVGW Regelwerk, Wasserversorgung Rohrnetz/Instandhaltung, Hinweis W 393, Juni 1991, ”Verfahren zur Leckortung an Trinkwasserleitungen”, ISSN 0176-3504, Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e. V.) wie DE 30 45 660 C2 und werden meist zur Ortung eines zuvor mit anderen Mitteln, z. B. anhand von Verlustmessungen erkannten Lecks angewendet, das durch seine Erkennung auch insoweit ”grob” lokalisiert ist, als zumindest 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 ( DE 36 07 913 C1 ).
Durch über das Leck austretendes Wasser werden Geräusche erzeugt, die (je nach Größe und Form des Lecks und dem Wasserdruck sowie der Geschwindigkeit, mit der das Wasser ausströmt), in einer charakteristischen Weise von den ”normalen” Geräuschen, die in einem Leistungssystem durch das strömende Wasser hervorgerufen werden, verschieden sind, so daß solche Leckgeräusche grundsätzlich zur Erkennung eines Lecks geeignet sind (vgl. ”Kostenorientierte Netzüberwachung mit Leckstellen-Erkennungs-Systemen” (L-E-S), Neue DELIWA-Zeitschrift, Heft 7/95, Seiten 316, 319 und 320). Je nach der Frequenzverteilung und Intensität, mit der an dem Leck die sich zu dem Leckgeräusch überlagernden Schallwellen angeregt werden, ergibt sich eine hierfür charakteristische zeitliche Variation des Schalldruckpegels dieser Leckgeräusche, die sich mit der unter den jeweiligen Bedingungen für Wasser anzusetzenden Schallgeschwindigkeit (ca. 1.240 ms^–1) zu beiden Meßstellen hin ”kohärent” fortpflanzen, an denen somit in einem zeitlichen Versatz Δt, der dem Unterschied der Laufzeiten des Schalls zwischen dem Leck und den beiden Meßstellen entspricht, derselbe Zeitverlauf der Änderung des Schalldruckpegels gegeben ist, der mittels der Schallsensoren meßbar und registrierbar ist.
Zur Leckortung werden die beiden Schallsensoren gleichzeitig für eine Meßzeitspanne T_M, deren Dauer wesentlich größer ist als die Schallaufzeit über die gesamte Meßstrecke L, aktiviert und für beide Meßstellen der Zeitverlauf des Schalldruckpegels – synchron – registriert. ”Wesentlich größer” bedeutet hierbei mindestens 10 × und kann aber auch mehrere Größenordnungen (z. B. 10³) betragen.
Da die mittels der beiden Sensoren ”abhörbaren” Leckgeräusche von derselben Schallquelle stammen, haben die Ausgangssignale dieser Sensoren innerhalb einer Mindestzeitspanne, 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 Schallintensität proportionalen Amplituden, zeitlich um den Laufzeitunterschied Δt versetzt, denselben Zeitverlauf, wobei dieser Zeitversatz Δt durch die Beziehung
gegeben ist, in der mit x der – zu ermittelnde – Abstand des einen der Schallsensoren von dem Leck und mit c_W der Wert der (Wasser)-Schall-Geschwindigkeit bezeichnet sind.
Der genannte Zeitversatz Δt wird mittels eines Korrelationsrechners aus der insgesamt erforderlichen Variation 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 mittels des Rechners für jeden Variationsschritt aus den in den beiden Meßkanälen gewonnenen Schall-Daten berechnet wird. Mit dem solchermaßen ermittelten Zeitversatz t_max des Maximums der Korrelationsfunktion gegenüber der Zeitbasis, bezüglich derer die auszuwertenden Schall-Daten ursprünglich in beiden Messkanälen ermittelt und aufgezeichnet worden sind, ergibt sich der gesuchte Abstand x des Lecks von demjenigen Schallsensor, mit dessen Ausgangssignal das Ausgangssignal des anderen Schallsensors durch schrittweise Variation seiner Zeitbasis gleichsam in der Zeitskala zur Deckung gebracht worden ist, der Wert x = (L – Cw·tmax)/2 (2)vgl. US 5 205 173 A ). Befindet sich das Leck außerhalb der Messstrecke, so führt das bekannte Verfahren zu dem Ergebnis, daß der Zeitversatz t_max gleich der Schalllaufzeit über der Meßstrecke L ist und insoweit lediglich zur Erkennung eines Lecks, wobei aus der ”Polarität” der empfangenen Schallsignale auch noch auf die Richtung geschlossen werden kann, in der das zunächst nicht lokalisierbare Leck, gesucht werden muß. ”Polarität” bedeutet das Vorzeichen (+/–) des Zeitversatzes, mit dem die Schallsignale bezüglich eines der beiden Sensoren empfangen werden. In günstigen Fällen kann auch an dem Unterschied 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 üblicherweise zwei Schallsensoren angesetzt, wobei sowohl Körperschallsensoren, die z. B. an Schiebergestängen des Wasserversorgungsnetzes ansetzbar sind, als auch Wasserschallsensoren, die z. B. an Hydranten mit direktem Kontakt zu dem in dem Netzenthaltenen Wasser ansetzbar sind (Neue DELIWA-Zeitschrift, Heft 6/89, Seiten 253 bis 258), verwendet werden können, wobei es zweckmäßig, wenngleich nicht zwingend notwendig ist, jeweils denselben 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 Einganskanälen verwendet, an denen die während einer Untersuchungsphase fortlaufend erzeugten, Ausgangssignale der Schallsensoren permanent empfangen werden, wobei die Übertragung dieser Ausgangssignale auf die Signaleingänge des Korrelationsrechners über Meßleitungen oder auch ”drahtlos” – per Funk – erfolgt.
Zur – korrelierenden – Verarbeitung der Schallsignale werden die beiden Eingangskanäle des Auswertungsrechners für eine definierte Auswertungszeitspanne T gleichzeitig geöffnet und die empfangenen Signale in einem für eine weitere Verarbeitung geeigneten, digitalen Format im Rechner gespeichert. Dadurch wird sichergestellt, daß die miteinander zu korrelierenden Daten in dem für die Auswertung berücksichtigen Zeitintervall T_M abgesehen von einer maximal der Schall-Laufzeit über die Meßstrecke L entsprechenden kürzeren Zeitspanne kohärent sind.
Die diesbezügliche Aktivierung des Korrelationsrechners und auch die Berurteilung des von diesem – letzendlich in Einheiten des Leckabstandes von den beiden Meßstellen – gelieferten Ergebnisses erfolgt durch einen Meßtechniker, der den z. B. in einem als Meßstation dienenden Fahrzeug installierten Korrelationsrechner bedient. Während in der Meßstation Auswertungsarbeiten erfolgen, werden durch einen Helfer die Schallsensoren zur Überprüfung einer weiteren Teststrecke umgesetzt.
Bei einem Vorgehen nach dem bekannten Verfahren unter Verwendung modernster hierzu bekannter Ausrüstung lassen sich pro Stunde Rohrabschnitte von einer Länge zwischen 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 Tagesleistung muß, ungeachtet des Umstandes, daß die zur Messung benötigten Personen – mindestens ein hochqualifizierter Meßtechniker, der die Auswertungsarbeiten mittels des Korrelationsrechners durchführt, und ein Assistent, der das Umsetzen der Schallsensoren vornimmt, 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 Verfahren ist daher, insbesondere der hohen Personalkosten wegen, sehr teuer, auch wenn sich der Kostenaufwand unter dem Gesichtspunkt der Vermeidung von Wasserverlusten, letzendlich lohnen mag.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß es eine zuverlässige Prüfung eines Trinkwasserversorgungsnetzes erheblich schneller und mit signifikant reduzierten Kosten ermöglicht, sowie eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens anzuge ben, die es ermöglicht, zu einer Auswertung mittels eines Korrelationsrechners geeignete Leckgeräusch-Daten gleichsam permanent – ”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 im Anspruch 1 und hinsichtlich der Meßanordnung durch die Merkmale im Anspruch 3 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 positioniert, die eine korrelierende Verarbeitung der Ausgangssignale eines jeden Schallsensors mit denjenigen mindestens zweier weiterer, in unterschiedlichen Abständen einseitig von dem jeweiligen Sensor angeordneter Schallsensoren erlaubt, so daß innerhalb des gesamten Netzes korrelationsfähige Meßdaten entstehen; die solchermaßen positionierten Schallsensoren werden gemeinsam – gleichzeitig – für Zeitspannen gleicher Dauer, die signifikant größer ist als die Laufzeit des Schalls zwischen in Ausbreitungsrichtung desselben einander 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 korrelationsfähigen Daten mindestens zweier Speicher sukzesive für jeden durch die Position zweier benachbarter Sensoren definierten Leitungsabschnitt des Netzes erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren vermittelt zumindest die folgenden meßtechnischen Vorteile:
Da sämtliche Leckgeräuschmessungen gleichzeitig erfolgen, sind nicht nur die Ausgangssignale jeweils zweier Schallsensoren korrelierbar, sondern vielfach die Ausgangssignale mehrerer Schallsensoren, was eine deutliche Erhöhung der Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt.
Der Personaleinsatz ist im wesentlichen auf die Installation – Verteilung – der Schallsensoren über das Meßgebiet beschränkt, wobei gleichzeitig mehrere Personen in Teilgebieten eines großen Meßgebiets tätig sein können. 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 bekannten Verfahren entsteht.
Da die Registrierung der Leckgeräuschdaten – Ausgangssignale der Schallsensoren – für sämtliche Schallsensoren gleichzeitig erfolgt, wird insoweit die für die Durchführung und Auswertung von Messungen erforderliche Arbeitszeit eines Meßtechnikers, der die Auswertung der Geräuschdaten mittels des Korrelationsrechners durchführt, 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 installiert sind und hiernach erst mit den Messungen begonnen 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 werden 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 geringen 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 Verfahren, größer gewählt werden. Des weiteren ist es möglich, Registrierungen von Schalldaten in größeren Zeitabständen, z. B. in Abständen von 1 Std. zu wiederholen und auf diese Weise durch Erhöhung der effektiven Meßzeit das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbare 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 Verfahrens geeigneten Meßanordnung gemäß Anspruch 3, die prinzipiell mindestens drei Schallsensoren umfaßt, vorzugsweise jedoch eine wesentlich größere Anzahl solcher Sensoren, sind diesen einzeln zugeordnete, digital-elektronische 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 Korrelationsfähigkeiten der miteinander zu korrelierenden Daten zu gewährleisten. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Signalaufbereitungsstufen in die Schallsensoren als Ausgangsstufen derselben integriert sind. Zur Auswertung der an sämtlichen Schallsensoren registrierten und für eine weitere Verarbeitung aufbereiteten Schalldaten kann in diesem Falle ein einfacher Zwei-Kanal-Korrelationsrechner verwendet werden, so daß für eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bedingter Mehraufwand 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 Meßanordnung vorgesehen, daß die Signalaufbereitungsstufen der einzelnen Schallsensoren mit je einem Empfänger für eine drahtlos übermittelbare Takt-Impulsfolge ausgestattet sind, wobei ein diesbezüglich erforderlicher Taktimpuls-Sender dadurch eingespart werden kann, daß die Empfänger auf die Trägerfrequenz der Ausgangssignale 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 anderer 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 vorgesehen, vorteilhaft sein, wenn die Signalaufbereitungsstufen mit einer Vorverarbeitungsstufe versehen sind, die eine schnelle Fourier-Transformation der von den Sensoren zeitabhängig erzeugten Ausgangssignale vermittelt und das Ergebnis dieser Analyse im Amplituden-/Frequenzformat speichert.
Zur Übernahme der in den Signalaufbereitungsstufen der Schallsensoren gewonnenen Daten in den Korrelationsrechner ist es vorteilhaft, wenn die Schallsensoren bzw. deren Signalaufbereitungsstufen mit Sendeeinrichtungen versehen sind, mittels derer die gespeicherten Daten zur Eingabe in den Korrelationsrechner funkgesteuert auslesbar sind.
Ein in bevorzugter Gestaltung der Meßanordnung zur Auswertung der Schall-Informationsdaten vorgesehener Korrelationsrechner sollte, um die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens weitestmöglich zum Tragen zu bringen, zur Durchführung von Mehfach-Korrelationen geeignet sein, wobei der praktisch bedeutendste Fall derjenige 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-Versorgungsnetz sowie ihrer Funktionsbeschreibung anhand der Zeichnung. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt aus einem Trinkwasser-Versorgungsnetz, in dem eine Mehrzahl von Schallsensoren zur synchronisierten Registrierung von Leckgeräuschen plaziert sind, in stark vereinfachter, schematischer Darstellung und
2 den Aufbau eines in dem Netz gemäß 1 einsetzbaren Schallsensors in schematisch vereinfachter Blockschaltbild-Darstellung.
Für das in der 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”-Versorgungsrohr 13 des Netzes 10 unter Kreuzung der Versorgungspfade in kommunizierender Verbindung miteinander 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 verbindenden Rohrleitungen sind in Rohrleitungs-Abschnitte 17 unterteilt, die mittels in regelmäßigen Abständen angeordneter Hydranten 16 gegeneinander absperrbar sind.
Um in einem in der 1 gestrichelt umrandet dargestellten, insgesamt mit 18 bezeichneten Untersuchungsbereich des Trinkwasser-Versorgungsnetzes 10 vorhandene Leckstellen 19₁ bis 19₃ feststellen und orten zu können, sind in diesem Untersuchungsbereich 18 eine Mehrzahl (N) von Schallsensoren 21₁ bis 21_N entlang der Längs- und Querversorgungsrohre, in deren Verlaufsrichtung etwa äquidistant angeordnet; diese Schallsensoren 21₁ bis 21_N erzeugen für die im Trinkwasser-Versorgungsnetz 10 ausbreitungsfähigen Schall wellen, die durch das strömende Wasser angeregt werden, charakteristische elektrische Ausgangssignale, aus deren kombinierter Auswertung nach Schalldruckpegel, Frequenz der angeregten Schallwellen und der zeitlichen Relation der erzeugten Signale sowohl auf das Vorhandensein der Leckstellen 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 charakteristischer Signale mit für Leckstellen 19₁ bis 19₃ charakteristischen, lecktypischen Geräusch-Signalen bestehen, ist ein in der 1 lediglich schematisch angedeuteter 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 Wasserschall als auch auf den über die Leitungsrohre und weitere Anschlußelemente ausbreitungsfähigen Körperschall ansprechen.
Die Schallsensoren 21₁ bis 21_N , zu deren Erläuterung nunmehr auch auf die diesbezüglichen Einzelheiten der 2 Bezug genommen sei, umfassen je einen Schalldruckpegel-Spannungs-Wandler 23, der ein Spannungs-Ausgangssignal liefert, dessen Amplitude ein direktes Maß für den Schalldruckpegel ist, der von demjenigen Schallsensor 21₁ bis 21_N erfaßt wird.
Das Ausgangssignal des jeweiligen Schalldruckpegel-/Spannungswandlers 23 wird mittels eines Proportionalverstärkers 24 auf einen Spannungs-Pegelbereich angehoben, auf dem es mittels eines dem Proportionalverstärker nachgeschalteten Analog-/Digitalwandlers 26 zu in digitalem Format bereitstellbaren Schall-Informationsdaten umwandelbar ist, die in der geordneten Folge ihrer Erzeugung in einem elektronischen Speicher 27 ablegbar sind und aus diesem zu einer weiteren Verarbeitung in geordneter Folge auch wieder abrufbar sind.
Um sicherzustellen, daß in den Speichern 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21_N unter Adressen, die gleichen Zeitpunkten entsprechen, Schalldaten speicherbar und wieder abrufbar sind, die bei sämtlichen Schallsensoren gleichen Zeitpunkten der Gewinnung der jeweils abzuspeichernden und wieder abrufbaren Schalldaten entsprechen, werden sämtliche Analog/Digitalwandler 26 und sämtliche Speicher 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21_N mit demselben Takt gesteuert, der durch Frequenzteilung eines hochfrequenten Funksignals gewonnen wird, zu dessen Empfang an jedem der Schallsensoren ein auf die Frequenz des Funksignals abgestimmter Empfänger 28 mit eigener Empfangsantenne 29 vorgesehen ist, der im Takt der Frequenz des empfangenen Signals abgegebene Ausgangsimpulse 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 Speichers 27 benutzt werden, wird beim dargestellten Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal eines mit fester Trägerfrequenz erzeugten Navigationssatelliten genutzt, das mit hoher Frequenzkonstanz erzeugt wird. Eine hinreichende Frequenz-Konstanz vorausgesetzt, kann selbstverständlich auch ein terrestrisches Funksignal zur Gewinnung der Steuertakt-Impulsfolge benutzt werden, wobei ein diesbezüglich geeigneter Sender dann an einer fahrbaren Service-Station zusammen mit dem Korrelationsrechner 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 Steuersignalempfänger 33 ausgerüstet, der in die Frequenz oder in eine Amplitudenmodulation eines Funksignals codierte Steuerbefehle zur Aktivierung des Registrierungsbetriebes 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 Steuersignalempfänger 33 empfangen werden, wobei – nicht dargestellte – Steuersignal-Decodierstufen am jeweiligen Funktionselement der Aufbereitungsstufe 34 vorgesehen sind.
Die Ausgabe diesbezüglich erforderlicher Funk-Steuersignale wird bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel der in der 1 durch die Verteilung der Schallsensoren 21₁ bis 21_N innerhalb des Untersuchungsbereiches 18 und den Korrelationsrechner 22 repräsentierten, insgesamt mit 36 bezeichneten Meßanordnung durch einen in der 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 Schallsensoren 21₁ bis 21_N , zeitliche Unterschiede der Speicherung der Schalldaten in den einzelnen Speichern 27 der Schall-Sensoren 21₁ bis 21_N bedingen, beeinträchtigen solche Zeitdifferenzen die Korrelationsfähigkeit der jeweiligen Schall-Informationsdaten nicht, solange diese in dem durch den Taktgeber – den Frequenzteiler 31 – vorgegebenen gemeinsamen Takt abgespeichert werden; sie führen allenfalls zu einem geringfügigen Ortungs-Fehler, der jedoch in Anbetracht des drastischen Unterschiedes zwischen der Lichtgeschwindigkeit, mit der elektromagnetische Wellen sich ausbreiten, und der Schallgeschwindigkeit, mit der Leckgeräusche sich fortpflanzen, innerhalb der Öffnungsweite eines Schachtes liegt, der erforderlichenfalls zur Sanierung einer der Leckstellen 19₁ bis 19₃ des Trinkwasserverteilungsnetzes 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 Dauer, 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 ”kohärenten” – einander als gleichzeitig zuordnungsfähigen – Schallereignissen entsprechen und daher statistisch korrelierbar sind.
Um diese nach Ablauf einer Meßzeitspanne in den Speichern 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21_N abgelegten Schalldaten zur korrelierenden Verarbeitung in den Korrelationsrechner 22 übernehmen – einlesen – zu können, sind die Schallsensoren 21₁ bis 21_N bei dem zur Erläuterung gewählten Ausführungsbeispiel jeweils mit einem, mit einer eigenen Sendeantenne 38 versehenen Daten-Sender 39 ausgrüstet, der seinerseits durch Ausgangssignale des Steuersignal-Senders 37, die von dem Steuersingalempfänger 33 des jeweiligen Schall-Sensors 21₁ bis 21_N empfangen werden, zur Aussendung von Schall-Daten 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 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 Korrelationsrechners 22 einlesbar sind, aus denen die Daten sodann für den mathematischen Prozeß der Bildung einer zweckmäßigen Korrelationsfunktion abrufbar sind.
Je nach Art der im Korrelationsrechner 22 erfolgenden Bildung der Korrelationsfunktion werden die im Datenspeicher 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 Übertragungsstrecke 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 Vorverarbeitungsstufe 43 ausgerüstet, mit der eine Vorverarbeitung der in den Datenspeichern 27 der Schallsensoren 21₁ bis 21_N gespeicherten Schalldaten im Sinne einer schnellen Fourier-Transformation möglich ist.
Durch eine solche Transformation ist die in den Speichern 27 der einzelnen Schallsensoren 21₁ bis 21_N als Geräuschintensität in Abhängigkeit von der Zeit abgelegte Schall-Information in eine – ”Darstellung” – Abhängigkeit der Amplituden der sich zu den Netzgeräuschen überlagenden Schallwellen von deren Frequenz umsetzbar, d. h. in ein Format, das besonders gut für einen 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 Hydranten 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 Meßstrecke, innerhalb derer sich das Leck 19₁ , 19₂ oder 19₃ befindet, bei Messungen, die während der Nacht aufgenommen werden, bis zu 450 m betragen kann, so kann das gemäß 1 im zentralen Teil des Untersuchungsbereiches 18 angeordnete Leck 19₂ aus Korrelationsmessungen geortet werden, bei denen

a) die Ausgangssignale der Schallsensoren 21₈ und 21₉ miteinander korreliert werden, was einer Meßstreckenlänge von etwa 180 m entspricht oder
b) die Ausgangssignale der Schallsenoren 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 1 im linken, ”oberen” 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 Meßstreckenlänge von 180 m entspricht oder
b) aus einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangssignale des Schallsensors 21₁ mit denjenigen des Schallsensors 21₃ , was einer Meßstreckenlänge von etwa 300 m entspricht.

Das gemäß der Darstellung der 1 im rechten, ”unteren” Eckbereich des Untersuchungsbereiches 18 angeordnete Leck 19₃ kann aus einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangssignale

a) der Schallsensoren 21₄ und 21₁₄ geortet werden, was einer Meßstreckenlänge von etwa 420 m entspricht, oder
b) einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangssignale der Schallsensoren 21₉ und 21₁₄ , was einer Meßstreckenlänge 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 angeordnete Leck 21₄ kann aus einer korrelierenden Verarbeitung der Ausgangssignale der Schallsensoren 21₁₁ und 21₁₂ zuverlässig erkannt werden.

Claims

Verfahren zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasserversorgungsnetz aus einer korrelierenden Verarbeitung elektrischer Ausgangssignale mindestens zweier entlang eines Leitungsabschnittes des Netzes in einem Abstand L voneinander angeordneter Schallsensoren, deren Ausgangssignalpegel in monotoner Relation zu dem am Meßort sich ergebenden Schalldruckpegel steht, der sich aus einer Geräuschbildung ergibt, die ihrerseits aus einem Ausströmen unter Druck stehenden Wassers über das Leck resultiert, wobei diese korrelierende Verarbeitung der Sensor-Ausgangssignale im Sinne des Aufsuchens eines Korrelationsmaximums erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl (N) von mindestens drei Schallsensoren (21₁ bis 21_N ) in einer Konfiguration positioniert werden, die eine korrelierende Verarbeitung der Ausgangssignale eines beliebigen Sensors mit denjenigen mindestens zweier weiterer, einseitig von diesem angeordneter Sensoren erlaubt, daß die Sensoren (21₁ bis 21_N ) gemeinsam für Zeitspannen gleicher Dauer, die signifikant größer ist als die Laufzeit des Schalls zwischen in Ausbreitungsrichtung desselben einander benachbarter Sensoren, synchronisiert aktiviert und die Pegel der Ausgangssignale in den Sensoren einzeln zugeordneten, elektronischen Speichern (27) in der zeitlichen Folge ihrer Erzeugung und in dieser Folge auch geordnet abrufbar gespeichert werden, wobei das Abrufen der Signalpegel mit Hilfe von Sendeeinrichtungen (39, 38) von Signalaufbereitungsstufen (34) der Schallsensoren (21₁ bis 21_N ) funkgesteuert erfolgt und daß die korrelierende Verarbeitung der gespeicherten Sensor-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) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale der einzelnen Sensoren (21₁ bis 21_N ) einer Frequenzanalyse unterworfen werden, und daß die solchermaßen gewonnenen 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.
Meßanordnung zur Erkennung eines Lecks in einem Trinkwasser-Versorgungsnetz unter Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, wobei an in kommunizierender Verbindung miteinander befindlichen Leitungsrohren des Netzes eine Anzahl (N) von mindestens drei (N ≥ 3) Schallsensoren (21₁ bis 21_N ) vorgesehen ist, die gleichzeitig und für Zeitspannen gleicher Dauer zur Abgabe aufzeichnungsfähiger Ausgangssignale ansteuerbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß den Sensoren (21₁ bis 21_N ) einzeln zugeordnete, digital elektronische Signalaufbereitungsstufen (34) vorgesehen sind, mittels derer die die Sensor-Ausgangssignale repräsentierenden Daten in geordneter Folge auslesbar speicherbar sind, wobei das Abrufen der Signalpegel mit Hilfe von Sendeeinrichtungen (39, 38) von Signalaufbereitungsstufen (34) der Schallsensoren (21₁ bis 21_N ) funkgesteuert erfolgt und daß die Signalaufbereitungsstufen (34) mit derselben Taktfrequenz gesteuert sind.
Meßanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsstufen (34) Bestandteil der Signalausgangsstufe der jeweiligen Schall-Sensoren (21₁ bis 21_N ) sind.
Meßanordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsstufen (34) mit je einem Empfänger (28, 29) für eine drahtlos übermittelbare Takt-Impulsfolge ausgestattet sind.
Meßanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfänger (28, 29) auf die Trägerfrequenz der Ausgangsignale eines Navigationssatelliten abgestimmt und mit einer Teilerstufe (31) zur Ableitung der Arbeitstaktfrequenz aus der Trägerfrequenz der empfangenen Funksignale versehen sind.
Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalaufbereitungsstufen (34) mit einer Vorverarbeitungsstufe (43) versehen sind, die eine schnelle Fourier-Transformation der von den Sensoren (21₁ bis 21_N ) zeitabhängig erzeugten Ausgangssignale vermittelt und das Ergebnis dieser Analyse im Amplituden-/Frequenz-Format speichert.
Meßanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zur Auswertung der Schall-Informationsdaten vorgesehener Korrelationsrechner (22) auf die Durchführung einer Mehrfach-Korrelation ausgelegt ist, deren Ordnung höher als zwei ist.