DE19921256A1 - Verfahren und Vorrichtung zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatursenorik sowie Anwendungen derartiger Verfahren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatursensorik sowie Anwendungen derartiger Verfahren. Erfindungsgemäß wird bezüglich der Auswertung das Erkennen von temperaturseitigen lokalen Extrema, d. h. Minima oder Maxima, durch eine Auswertung ohne numerische Ableitungen durchgeführt. Mit der Vorrichtung zur Überwachung von mit einem Ringraum umgebenen Steig- oder Förderrohren besteht die Möglichkeit, besonders kostengünstig die Sicherheit von unter Druck stehenden Einrichtungen, insbesondere im Bereich der Unterdruckgasspeicherung zu überprüfen. Weiterhin kann auf der Basis faseroptischer Temperaturmessungen die Lage einer untertägigen Wasserscheide bzw. die Richtung und der Betrag der Strömung in gefluteten Stollenabschnitten bestimmt werden. Ebenso besteht durch definierte Anordnung von bevorzugt vertikalen, in Bohrungen abgeteuften Sensorkabeln die Möglichkeit, die Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegrenzungen an Baugruben zu untersuchen. Letztendlich kann durch die nahezu horizontale Anordnung mäandrförmig verlegter, in mehreren Ebenen befindlicher faseroptischer Kabel die Wirksamkeit und die Homogenität von Leaching-Prozessen in Leaching-Halden oder -Schüttungen bewertet und gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatur­ sensorik sowie neuartige Anwendungen derartiger Verfahren.

Verteilte faseroptische Meßprinzipien nutzen die Einkopplung von Laserlichtimpulsen in einen Lichtwellenleiter und sich ergebende Streueffekte. Die Streuung des Laserlichtimpulses erfolgt an den Molekülen des Lichtwellenleiters. Ein geringer Teil des Laserlichts wird hierbei zurückgestreut. Die Inten­ sität und die spektrale Zusammensetzung des Streulichts wird demnach durch die Moleküle im Lichtwellenleiter und deren Verhalten bestimmt.

Das rückgestreute Licht setzt sich aus verschiedenen spektra­ len Anteilen zusammen, die durch unterschiedliche Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Laserlicht und den Lichtwellen­ leiter-Bausteinen hervorgerufen werden und damit auch unter­ schiedliche Informationen über den physikalischen Zustand des Lichtwellenleiters beinhalten. Damit wird aber der Licht­ wellenleiter selbst zum sensitiven Element.

Die Rayleigh-Rückstreukomponente, die die gleiche Wellenlänge wie der eingekoppelte Primärlaserimpuls hat, liefert den größten Peak im Streulichspektrum und bestimmt dadurch wesentlich den exponentiellen Abfall der Intensität-Zeit- Kurve des Rückstreulichts. Da Inhomogenitäten im Lichtwellen­ leiter, lokale Dämpfungsänderungen, Mikrorisse, Spleißver­ bindungen und ähnliche eine Intensitätsänderung in der Rayleigh-Rückstreukomponente bewirken, wird diese Komponente des Streulichtspektrums zur Qualitätskontrolle von Licht­ wellenleitern bzw. zur Fehlerortung verwendet.

Die Wechselwirkung des Laserlichts mit optischen Phononen im Lichtwellenleiter, d. h. die Streuung der Phononen an ther­ mischen Gitterschwingungen im Material, ist die Ursache für die Raman-Rückstreukomponenten.

Das Raman-Streulicht setzt sich aus zwei Komponenten, der sogenannten Stokes- und der Anti-Stokes-Linie zusammen. Diese beiden Spektrallinien liegen, um einen bestimmten Betrag der Wellenzahl verschoben, symmetrisch zum Peak der Rayleigh- Rückstreuung. Während die Intensität der zu kleineren Wellen­ zahlen verschobenen Stokes-Linie I_S annähernd temperaturun­ abhängig ist, zeigt die zu höheren Wellenzahlen verschobene Anti-Stokes-Linie I_A eine deutliche Temperaturabhängigkeit, womit die Nutzung der Raman-Rückstreuung für die verteilte Temperaturmessung prädestiniert ist.

Die alleinige Betrachtung der Informationen, die im Rück­ streuspektrum eines Lichtwellenleiters enthalten sind, liefert noch keine Aussagen über die örtliche Verteilung entlang des Lichtwellenleiters. Für Rückstreumessungen zur ortsaufgelösten Erfassung der Dämpfung mittels Rayleigh- Streuung wird das sogenannte OTDR-Verfahren eingesetzt. Um eine verteilte, d. h. ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur mittels Raman-Sensorik realisieren zu können, wird entweder auf das erwähnte OTDR-Verfahren (Optical Time Domain Reflectometry) als Zeitbereichs-Reflektometriemessung oder auf das OFTR (Optical Frequency Domain Reflectometry) als Frequenzbereichs-Reflektometrieverfahren zurückgegriffen.

Das OTDR-Verfahren basiert auf einem Puls-Echo-Prinzip, d. h. es werden aus der Laufzeitdifferenz zwischen Aussenden und Detektion der Lichtimpulse die Intensität (Streupegel) und der Entstehungsort (Streuort) des rückgestreuten Raman-Lichts bestimmt.

Bei der alternativen OFTR-Technik ist ein quasi Dauer-Betrieb des Lasers und eine schmalbandige Detektion des optischen Rückstreuverhaltens möglich. Die hierdurch gegebenen Vorzüge ermöglichen den Einsatz von preiswerteren Laserlichtquellen und kostengünstigen elektronischen Baugruppen für die Signal­ mittelung. Demgegenüber ist jedoch die problematischere Messung des Streulichts und eine durch die Fouriertransfor­ mation aufwendigere Signalverarbeitung mit höheren Linea­ ritätsanforderungen zu berücksichtigen.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 195 09 129 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kontrolle und Über­ wachung des Zustands von Rohren, Behältern, Pipelines oder dergleichen bekannt.

Gemäß der dortigen Lehre wird davon ausgegangen, daß die in den Rohren, Behältern oder Pipelines geführten flüssigen oder gasförmigen Medien eine bezogen auf die unmittelbare Umgebung unterschiedliche Medientemperatur aufweisen. Die Umgebungs­ temperaturverteilung wird mindestens über Abschnitte längs und/oder umfangsmäßig und/oder im Bodenbereich nahe bei den Rohren, Behältern, Pipelines oder dergleichen, jedoch außer­ halb des von diesen umschlossenen Medienraums bestimmt.

Diese Temperaturbestimmung erfolgt mit einem langgestreckten verteilten Temperatursensor in Form eines faseroptischen Sensorkabels zur Temperaturermittlung auf der Basis der oben beschriebenen Prinzipien. Bei festgestellter örtlicher Ano­ malie in der Temperaturverteilung wird dann auf eine Leckage geschlossen und der Ort, die Ausbreitungsrichtung sowie die Leckagemenge aus der Temperaturverteilung am jeweiligen Anomaliepunkt oder sich verändernden Ort der Anomalie bestimmt.

Vorrichtungsseitig wird nach DE 195 09 129 A1 der langge­ streckte Temperatursensor, d. h. das faseroptische Sensor­ kabel, innerhalb eines Rohrgrabens oder einer Rohrbrücke längs des Rohrs umfangsseitig an der Außenoberfläche dieses Rohrs unmittelbar oder über einen vorgegebenen Abstand anlie­ gend angeordnet.

Bei im wesentlichen horizontal verlaufenden Rohren, Pipelines oder dergleichen wird der langgestreckte Sensor unterhalb der Rohre fixiert. Hier können zweckmäßigerweise auch mehrere im wesentlichen parallel verlaufende Temperatursensoren bzw. -kabel parallel zur Längsachse unterhalb dieser befestigt werden, so daß die Ausbreitungsrichtung und die Ausbreitungs­ menge eines leckagebedingten Medienaustritts bestimmt werden kann. An besonders gefährdeten Stellen schlägt die genannte Lösung vor, mehrere bzw. dichter angeordnete Temperatursen­ soren vorzusehen, um auch kleinste Leckagen mit hoher Orts­ auflösung zu identifizieren.

Grundlage für die Leckageerfassung ist die Erkenntnis, daß ein austretendes Medium mit höherer oder niedrigerer Tempe­ ratur, bezogen auf die Umgebungstemperatur, zu einer lokalen Temperaturveränderung führt, welche auch die unmittelbare Umgebung des Rohr- oder Behältermantels in diese Tempera­ turveränderung mit einbezieht.

Durch die an sich bekannten vorteilhaft verwendbaren faser­ optischen Sensorkabel kann eine Auswertung von Laufzeit und Intensität rückgestreuten Lichts bei Kabellängen von bis zu 10 km und hin zu einer Temperaturauflösung von 0,1°C erfol­ gen. Die gegebene Ortsauflösung liegt in Abhängigkeit von der Länge des Sensorkabels und den gewählten Verfahren zwischen 1 und 0,25 m.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 93 18 404 ist eine Ein­ richtung zum Bestimmen von Temperaturen an oder in ausge­ dehnten Meßobjekten bekannt, wobei die dort gezeigte Einrich­ tung eine optisch-elektronische Meßvorrichtung verwendet. Diese bekannte Meßvorrichtung speist an mindestens einem Ende eines Lichtwellenleiters einen Laserimpuls ein und dient der Untersuchung der vom Lichtwellenleiter rückgestreuten Strah­ lung. Aufgrund der bereits erläuterten Wechselwirkungen läßt sich dann die Temperatur und der Ort längs des Lichtwellen­ leiters spektral- und laufzeitabhängig auswerten, wobei die Längenkoordinaten des Lichtwellenleiters entsprechenden Temperaturwerten zuordenbar sind.

Zur Lokalisierung von Leckagen insbesondere an Steig- oder Förderrohren von Untergrundgasspeichern sind sogenannte Flow­ metermessungen bekannt geworden, bei denen das Zuströmen von Gas aus dem umgebenden Ringraum in die eigentliche Bohrung ermittelt wird. Hinterrohreffekte können mit Flow-Messungen nicht bestimmt werden, da derartige Effekte nicht zu einer Strömung von Gas innerhalb der Verrohrung führen. Die Orts­ auflösung bekannter Flowmetermessungen ist von den jeweiligen diskreten Teufen bestimmt, in denen die Messung dutchgeführt wird, und daher prinzipiell gering.

Weiterhin wurde bereits vorgeschlagen, in ausgewählten Teufenbereichen den Ringraum nacheinander abzupackern, um dann Druckmessungen durchzuführen. Hierbei wird jedoch nur das Zuströmen von Gas in die eigentliche Verrohrung ermittelt und die Ortsauflösung ist in Abhängigkeit von den Abpacker­ stufen gering. Darüber hinaus sind die Kosten derartiger Druckmessungen erheblich.

Zur Überprüfung der Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegren­ zungen von bzw. an Baugruben werden einzelne Bohrungen in die Baugrube eingebracht, um dann nacheinander die Temperatur mit einer Lanze, an deren Spitze ein Temperaturfühler befindlich ist, zu ermitteln. Mit anderen Worten wird also mit der Lanze und dem dort vorgesehenen Temperaturfühler nacheinander die Temperatur am Fußpunkt der einzelnen Bohrungen bestimmt. Die Erfassung einer zeitlichen Temperaturentwicklung ist nicht oder nur sehr schwer möglich. Der am Ende der in bekannter Weise durchgeführten Messungen erstellte flächenhafte Tempe­ raturplot ist schwer interpretierbar, da die Temperaturwerte nicht zeitgleich aufgenommen wurden. Das Abpumpen des Wassers aus der Baugrube muß bis zum Ende der Vermessung aller Boh­ rungen erfolgen. Bei einer großen Baugrube führt dies zu erheblichen Pumpzeiten, wobei weiterhin der Nachteil der zitierten bekannten Lösung darin liegt, daß eine Überwachung der Vertikalabsperrung nicht möglich oder nur mit einge­ schränkter Qualität realisierbar ist.

Wie eingangs erläutert, ist die faseroptische Temperatursen­ sorik hervorragend zur Überwachung von Rohrleitungen, z. B. Produkten-Pipelines, Fernheizungsrohren und so weiter und dort insbesondere zur Leckageortung geeignet. Die zeitliche Entwicklung der Temperatur bzw. die Temperatur selbst enthält Informationen über den aktuellen Betriebszustand der über­ wachten Rohrleitung. Leckagen führen zu lokalen Temperatur­ anomalien, die sich innerhalb kurzer Zeit, d. h. wenige Minuten bis Stunden entwickeln. Diese Anomalien werden mit Hilfe der beschriebenen faseroptischen Temperatursensorik meßtechnisch erfaßt und lokalisiert. Tages- und jahreszeit­ liche oder witterungsbedingte Temperaturschwankungen sind immer großräumige Erscheinungen mit relativ langer Zeit­ konstante. Durch die räumliche Begrenztheit und ihre zeit­ liche Entwicklung lassen sich Lecks im Vergleich zu den sonstigen Temperaturschwankungen erkennen und lokalisieren. Die Ansprechzeit der verwendeten Leckortungssysteme hängt von einer Vielzahl technischer Parameter, wie der Leckrate, der Art des Produkts, dem Druck, der Temperatur, der Bodenbe­ schaffenheit, der Orts- und Temperaturauflösung der faser­ optischen Temperaturmeßtechnik und weiteren ab. Die für die jeweilige Anwendung geforderte Ansprechzeit des Leckortungs­ systems bestimmt den zeitlichen Abstand τ, mit dem die Temperaturprofile bestimmt werden müssen. Da jeweils unter Berücksichtigung von Referenzwerten große Datenmengen zu verarbeiten sind und es notwendig ist, natürliche Temperatur­ variationen ständig aus den aktuellen Meßwerten herauszu­ korrigieren, sind bekannte Auswerteverfahren sehr Zeit- und/oder rechenaufwendig, so daß teilweise eine Online-Aus­ wertung nicht oder nur eingeschränkt möglich ist.

Aus dem Vorgenannten ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zum, auch permanenten und automatischen Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatursensorik anzugeben, das es gestattet, die Auswertung der Meßwerte zu verbessern und gleichzeitig die Aussagegenauigkeit der Messungen zu erhöhen. Darüber hinaus soll das anzugebende Verfahren für Langzeituntersuchungen geeignet sein und lokale Extrema sicher erkennen können, ohne daß aufwendige numerische Ablei­ tungen erforderlich sind.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vor­ richtung zum Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien, insbesondere von mit einem Ringraum umgebenen Steig- oder Förderrohren für Untergrundgasspeicher mittels faseroptischer Sensorkabel zur Bestimmung der Tempe­ raturverteilung anzugeben, mit deren Hilfe bei geringen Kosten eine hohe Ortsauflösung der jeweiligen Messungen bzw. Leckageortungen gegeben ist und die Sicherheitsrisiken beim fortzuführenden oder unterbrechungsfreien Speicherbetrieb ausschließt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Monitoring auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatursensorik, insbesondere zum Nachweis der Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegrenzungen in Baugruben oder dergleichen Einrichtungen, wobei hier Pumpzeiten ver­ kürzt werden sollen und über eine nahezu zeitgleiche Messung mit hoher Präzision und schnell Aussagen über Defekte an der Sohle bzw. den Wandelementen der Grube getroffen werden können.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Rück­ griff auf faseroptische Temperatursensorik untertägige Wasserströmungen und/oder die Lage einer Wasserscheide zu bestimmen, ohne mit umweltgefährdenden Mitteln oder soge­ nannten Tracern arbeiten zu müssen.

Letztendlich ist es Aufgabe der Erfindung, neue Anwendungs­ bereiche der faseroptischen Temperatursensorik zu er­ schließen, wobei hier insbesondere an chemische oder mikro­ biologische Leaching bzw. Auslaugprozesse oder -verfahren zu orientieren ist.

Die Lösung der Aufgabe der Erfindung bezüglich des Langzeit­ monitorings erfolgt mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen nach Patentanspruch 1, wobei bezüglich der weiteren zu lösen­ den Teilaufgaben auf die Ansprüche im einzelnen verwiesen sei.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum auch permanenten und automatischen Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien wird zunächst von einer Bestimmung einer Menge von natürlich vorkommenden Temperaturvariationen während des Normalbetriebs und dem Ableiten von sogenannten Referenzprofilen hieraus ausgegangen.

Im Anschluß wird eine Matrix A_ij mit einer Größe, definiert durch die Anzahl der Längenabschnitte des Sensorkabels und der Anzahl der Referenzprofile, erzeugt.

Meßtechnisch werden dann zeitlich eng Einzelprofilmessungen durchgeführt und hieraus ein Mittelwertprofil bestimmt. Ein aktuelles Profil wird dann aus dem Mittelwertprofil ermittelt und dieses aktuelle Profil wird abgespeichert, bevorzugt in einer Tabelle.

Weiterhin wird dann eine Bewertung des aktuellen, abgespei­ cherten Profils bzw. der abgespeicherten Profile schrittweise für alle Einzelwerte durch Vergleich mit den verschiedenen Referenzprofilen vorgenommen, wobei die sich ergebenden Temperaturdifferenzen für alle Längenabschnitte auf eine Abweichung größer als ein Schwellwert geprüft werden.

Im Anschluß wird festgestellt, ob die Abweichungen für einen oder mehrere Werte existieren und es wird geprüft, ob die Abweichungen bei einer Vielzahl benachbarter Längenabschnitte vorliegen. Im positiven Fall wird bei Existenz vergleichbarer Temperaturabweichungen von den Referenzwerten des Profils auf großräumige Temperaturveränderungen und im negativen Fall auf eine Leckage geschlossen.

Es wird demnach das aktuelle Temperaturprofil T(x_i,t) mit verschiedenen Referenzprofilen verglichen und anhand fest­ zulegender Kriterien bewertet. Hierbei bezeichnet x_i die Längenkoordinate der einzelnen Meßintervalle [x_i-Δx/2, x_i+Δx/2] des Sensorkabels, wobei Δx die Ortsauflösung des Meßsystems bedeutet.

Die wesentlichen Größen, die bezüglich der jeweiligen Über­ wachungsaufgabe zu modifizieren sind, betreffen den Schwell­ wert δ für die Temperaturdifferenz ΔT(x_i)=T(x_i,t)-T_Ref(x_i) und den zeitlichen Abstand τ zwischen den Messungen der Tempera­ turprofile.

Als Referenzprofile T_Ref dienen die zur Zeit t-τ gemessenen Temperaturprofile sowie vorliegende Referenzdaten mit ent­ sprechendem statischen Informationsinhalt.

Diese Referenzdaten werden während des Betriebs des jewei­ ligen Systems ständig aktualisiert und statistisch bewertet. Sie enthalten lokale Informationen über die jahres- und tageszeitlichen Temperaturschwankungen sowie klimatische Einflüsse. Durch das ständige Aktualisieren und Erweitern des Katalogs der Referenzprofile ist das System selbstlernend und paßt sich individuellen Gegebenheiten selbständig an.

Zur zeitlichen Dynamik der Messungen ist anzumerken, daß das verwendete faseroptische Sensorkabel aufgrund seiner Bauweise eine kurze Verzögerung der Temperaturmessung bewirkt, die je nach thermischem Kontakt mit dem umgebenden Medium bis zu einigen Minuten betragen kann. Die Leckage selbst entwickelt sich im Regelfall zunächst sehr schnell, um danach langsam in einen quasistationären Zustand überzugehen. Diese Eigenschaft wird erfindungsgemäß für die Wahl der Zeitabstände zwischen den einzelnen Messungen der Temperaturprofile genutzt, um den Rechenaufwand zu optimieren sowie die Auswertezeit zu ver­ kürzen.

Erfindungsgemäß werden natürliche Temperaturvariationen ständig aus den aktuellen Meßwerten durch Korrektur entfernt, damit Temperaturanomalien, die von den eigentlichen Leckagen herrühren, in den Temperaturdifferenzprofilen ΔT(x_i) deutlich hervortreten. Dies geschieht durch den Vergleich mit den Meß­ werten, die kurze Zeit zuvor und auch längere Zeit zuvor gemessen wurden. Ergänzend besteht die Möglichkeit, im Fall fehlender eindeutiger Ergebnisse auf weiter zurückliegende sogenannte historische Daten zurückzugreifen, die im Laufe längerer Messungen sukzessive ermittelt wurden.

Bezüglich der Aufbereitung historischer Daten wird bevorzugt das Kalenderjahr in 52 Jahreswochen unterteilt, um hier auf eindeutige Referenzdaten Bezug nehmen zu können, die den jahreszeitlichen Temperaturvariationen Rechnung tragen. Der verbleibende Tag, in Schaltjahren zwei, wird z. B. der letzten Kalenderwoche des Jahres zugeschlagen. Fortlaufend werden dann im zeitlichen Abstand τ, z. B. τ = 1 h, die aktuellen Temperaturprofile T_i,t,n,w,N gemessen und gespeichert. Die Indizes bedeuten hierbei:
i = Längenabschnitt
t = Uhrzeit
n = Wochentag
w = laufende Nummer der Kalenderwoche
N = aktuelles Jahr seit Inbetriebnahme des Überwachungs­ systems.

Die abgespeicherten Werte dienen dazu, das aktuelle Tempera­ turprofil mit den vorherigen Temperaturprofilen zu verglei­ chen, um hieraus Differenzwerte ΔT(x_i)=T_i,t,n,w,N-T_Ref,j zu bilden.

Treten lokal, d. h. für wenige benachbarte x_i Temperatur­ differenzen auf, die größer als die vorgegebene Ansprech­ schwelle δ sind, deutet diese Temperaturanomalie auf ein Leck hin.

Die für jede Woche des Jahres repräsentativen mittleren Temperaturmeßwerte sowie ergänzend einige ausgewählte statistische Größen werden erfindungsgemäß in eine Datenbank übertragen, deren Datenfeld von der Referenzzeit bzw. Tages­ zeit und den einzelnen Kalenderwochen aufgespannt ist.

Jedes Datenfeld enthält dann folgende abgespeicherte Werte:

• 1. die laufende Nummer des aktuellen Jahres N (N = 1, 2, 3...,) seit Inbetriebnahme des Überwachungssystems;
• 2. den aktualisierten Mittelwert <T_i,r,w<_N des wöchentlichen Mittelwerts der Temperatur <T_i,r,w,N< für sämtliche Längen­ koordinaten x_i und für sämtliche Referenzzeiten r=t_Ref
  wobei <T_i,r,w,N< jeweils nach Ablauf der letzten Kalenderwoche w berechnet wird;
• 3. den aktualisierten Mittelwert <σ² _i,r,w,<_N der quadratischen Abweichung des wöchentlichen Temperaturmittelwerts vom aktualisierten Temperaturmittelwert <σ² _i,r,w,N< für sämtliche Längenkoordinaten x_i und sämtliche Referenzzeiten r=t_Ref
  

Die in den Gleichungen (1) und (2) aufgeführten Größen ent­ halten demnach Informationen über die natürlich vorkommenden Temperaturvariationen während des Normalbetriebs z. B. einer Rohrleitung und können zur Bewertung von den aktuell gemesse­ nen Temperaturfluktuationen herangezogen werden. Die Daten selbst sind im Laufe des Jahres bzw. anderer vorgebbarer Zeitabschnitte schrittweise aktualisierbar.

In einem ergänzenden Schritt besteht die Möglichkeit, anhand des Vorzeichens der festgestellten Anomalie zu prüfen, ob der erwartete physikalische Effekt gegeben ist, um sodann die Matrixelemente für die weitere Durchführung des Verfahrens zu korrigieren bzw. zu erweitern.

Hinsichtlich der Überwachung von mit einem Ringraum umgebenen Steig- oder Förderrohren für Untergrundgasspeicher mittels faseroptischer Sensorkabel wird dieses zur Bestimmung der Temperaturverteilung oder zum Feststellen von Anomalien im Inneren des Steig- oder Förderrohrs und/oder einer Hochdruck­ gaspipeline angeordnet. Das Sensorkabel führt über eine druckfeste Abdichtung nach außen. Weiterhin ist eine Ein­ richtung bzw. sind Mittel zum zeitweisen Entlasten des unter Dtuck stehenden Ringraums und/oder des Steigrohrs vorgesehen, um nach Aufnahme des Ausgangszustands der Temperaturver­ teilung entweder den unter Druck stehenden Ringraum oder den Steigrohrraum selbst zu entlasten. Dieses Druckentlasten erfolgt nür relativ kurzzeitig, so daß der Speicherbetrieb nicht nennenswert gestört wird.

Am äußeren Ende des hier eingesetzten faseroptischen Sensor­ kabels ist eine Meßeinheit zum Einspeisen von Strahlungs­ impulsen und Empfangen von Raman-Rückstreustrahlung ange­ schlossen.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist am inneren in das Rohrinnere abzuteufenden Ende des Sensorkabels ein Gewichts­ körper befestigt, um das Kabel im Rohr freihängend anordnen zu können. Ebenso ist die Anordnung einer Kabelend- oder Abschlußdose, wie z. B. in der DE 43 04 546 C1 beschrieben, möglich.

In dem Fall, wenn aus meßtechnischen oder sonstigen Gründen eine definierte Lage des Sensorkabels im Rohrinneren ange­ strebt wird, werden am Sensorkabel abschnittsweise feder­ elastische Abstandshalter befestigt, welche nach dem Ein­ bringen des Sensorkabels in das Rohrinnere eine vorgegebene oder vorgebbare Kabellage sichern.

Die Federelastizität der Abstandshalter sichert, daß das Sensorkabel auch über eine nur einen geringen Durchmesser aufweisende Druckschleuse eingebracht werden kann. Im ent­ spannten Zustand weisen die federelastischen Abstandshalter eine Lage im wesentlichen senkrecht zur Sensorkabellängsachse auf bzw. erstrecken sich von dieser Achse in senkrechter Richtung zur Steig- oder Förderrohrinnenwandung.

Die durch die Vorrichtung ermittelten Temperaturanomalien in gemessenen Temperaturprofilen geben Hinweise auf Lecks in der Verrohrung oder auf Strömungsvorgänge im Hinterrohrbereich, d. h. im sogenannten Ringraum. Dies ist, wie mit der Vorrich­ tung gezeigt, auch dann überraschenderweise möglich, wenn das Sensorkabel im Förderrohr installiert wird. Abkühlungen, d. h. Temperaturveränderungen im Ringraum oder der Zementation, wirken über Wärmeleitungsvorgänge in das Fcirderrohr zurück und lassen sich mit der faseroptischen Temperatursensorik meßtechnisch erfassen, mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren auswerten und lokalisieren.

Auswerteseitig wird konkret eine Differenzkurve der Tempera­ turprofile vor und nach der vorzunehmenden Ringraument­ spannung bestimmt, wobei diese Kurve. Anomalien mit verschie­ denen Vorzeichen aufzeigt. Negative Temperaturdifferenzen lassen auf undichte Rohrmuffen schließen. Positive Tempe­ raturdifferenzen und -anomalien hingegen zeigten den Zustrom wärmeren Gases im Hinterrohrbereich aufgrund einer schad­ haften Zementation bzw. Umhüllung.

Mit Hilfe der beschriebenen Vorrichtung ist also eine zeit­ gleiche, verteilte Messung der Temperatur-Teufen-Profile längs der gesamten Speicherbohrung bei Erdgasspeichern mit hoher Orts- und Temperaturauflösung bei großer Sensorkabel­ länge möglich. Der erfaßbare Temperaturbereich liegt zwischen -50°C bis hin zu über 350°C, bei Drücken bis zu 75 MPa.

Eine Beeinträchtigung des Speicherbetriebs durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung ist ausgeschlossen. Dadurch, daß das Sensorkabel keinerlei potential- oder stromführende Leitungen aufweist, ist Explosionssicherheit von vornherein gegeben. Die eingesetzten faseroptischen Sensorkabel der Vorrichtung sind mechanisch und chemisch außerordentlich widerstandsfähig und besitzen eine große Lebensdauer. Die faseroptischen Sensorkabel können ständig im Rohrinneren verbleiben und ermöglichen Stichtagsmessungen sowie eine Dauerüberwachung durch Einbindung in EDV-Leitwarten.

Alternativ ist eine temporäre Installation des Sensorkabels in die Bohrung eines Gasspeichers möglich, wobei hier das Sensorkabel in die unter Druck stehende Bohrung mittels Druckschleusen für die Abdichtung der Bohrung während des Einbaus des Kabels und während der eigentlichen Messungen eingebracht wird.

Auch hier wird nach Aufnahme eines Ausgangstemperaturzustands der unter Druck stehende Ringraum oder das Steigrohr ent­ lastet und eine erneute Temperaturermittlung vorgenommen. Messungen sind sowohl an Aquiferspeichern als auch in einer Kaverne oder in ausgebeuteten Lagerstätten zur Speicherung von Gas möglich.

Es hat sich gezeigt, daß mit der vorgeschlagenen Vorrichtung eine örtliche Zuordnung von Lecks bis hin zu 0,25 m Genauig­ keit erreicht werden kann, so daß anhand eines gegebenen Verrohrungsschemas eine exakte Bestimmung defekter oder undichter Teile erfolgen kann. Durch zusätzliche Sensorik in der Kabelabschluß- oder Kabelenddose können weitere physika­ lische Parameter erfaßt werden.

Bei Anordnung eines Geophons in oder an der Dose kann in vorteilhafter Weise der Gas/Wasser-Kontakt beim Einfahren des Sensorkabels festgestellt und ein unerwünschtes Schwingen des Kabelstrangs mit der möglichen Folge von Beschädigungen auf­ grund plötzlich geänderter Druckverhältnisse wirksam verhin­ dert werden.

Beim Verlegen des Sensorkabels im Inneren einer Hochdruckgas­ pipeline, die z. B. durch dichtbesiedeltes Gebiet führt, wo Erdarbeiten nicht oder nur erschwert möglich sind, wird ein Verbundkabel mit einer Vielzahl von Lichtwellenleitern benutzt, um neben der Leckageortung eine Datenübertragung, insbesondere für Telekommunikationszwecke zu erreichen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Nachweis der Dichtig­ keit von Sohle und Seitenbegrenzungen in Baugruben oder der­ gleichen Einrichtungen auf der Basis verteilter faseropti­ scher Temperatursensorik wird zunächst der Grubengeometrie entsprechend eine rasterartig ausgeführte Menge an Bohrungen bis zur Sohle abgeteuft. In diese Bohrungen werden dann Tem­ peratursonden eingebracht und es erfolgt ein Auslesen der Sondenmeßwerte.

Bei festgestellter Anomalie besteht die Möglichkeit, die Messung von einem Grobraster in ein Feinraster umzustellen, um das Leck noch genauer lokalisieren zu können.

Weiterhin werden Bohrungen in unmittelbarer Nähe von Spund- und Schlitzwänden vor den Fugen der einzelnen Wandelemente eingebracht, wobei diese Bohrungen bis zur Sohle reichen.

In diese weiteren Bohrungen wird dann ein durchgängiges faseroptisches Kabel eingeführt, wobei hierfür auf Grundge­ wichte oder dergleichen Gewichtskörper zurückgegriffen wird.

Nach einem Bestimmen des Ausgangszustands der Temperaturver­ teilung erfolgt ein Abpumpen des Wassers aus dem Grubenin­ neren und ein laufendes oder zyklisches Messen der sich einstellenden Temperaturverteilung. Durch laufenden oder zyklischen Vergleich zum Ausgangszustand kann dann online auf Undichtigkeiten geschlossen werden, wobei ebenfalls die Lage­ bestimmung der einzelnen undichten Stellen möglich ist.

Erfindungsgemäß werden mit dem vorstehend beschriebenen Ver­ fahren die vorhandenen Temperaturunterschiede zwischen dem durch eine mögliche Leckstelle zufließenden Wasser und der Umgebung des Dichtungssystems berücksichtigt. Beim konkreten Fall einer Baugrubensohle entsteht beim Abbindeprozeß Wärme. Die Temperatur kann demnach in der Baugrube oberhalb der Sohlendichtung auf Werte von über 20°C ansteigen. Hierdurch sind deutliche Temperaturunterschiede zwischen dem Grund­ wasser außerhalb und dem Wasser innerhalb der Baugrube gegeben. Beim Abpumpen von Wässer aus dem Baugrubeninneren wird der Grundwasserspiegel in der abgedichteten Baugrube gesenkt und es entsteht ein hydraulisches Gefälle sowie ein zusätzlicher hydrostatischer Druck. Dieses hydraulische Gefälle bewirkt, daß eine Leckage in der Sohle, in den Ver­ tikalabsperrungen, d. h. an Schlitzwänden oder Spundwänden, und im Bereich der Sohle-Wand-Anbindung deutlich kühleres Grundwasser mit einer Temperatur von beispielsweise 10 bis 13°C in die Baugrube eindringt. Durch Messungen der Tempe­ ratutverteilung an der Baugrubensohle und an den Vertikal­ absperrungen, wie vorstehend beschrieben, während des Abpum­ pens lassen sich Leckagen in den entsprechenden Dichtungs­ einrichtungen oder -systemen einfach und sicher nachweisen.

Bei dem weiteren erfindungsgemäßen Verfahren zum Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperaturanomalien, insbesondere zur Bestimmung von Strömungen in Grubenwässsern, sowie zur Feststellung des Verhaltens einer Wasserscheide wird wiederum auf faseroptische Sensorkabel zurückgegriffen.

Das oder die faseroptischen Sensorkabel werden bevorzugt in Mäanderform in den Stollen oder in die Grube längsseitig bzw. sich in Längsrichtung erstreckend, jedoch möglichst große Flächenelemente erfassend eingebracht.

Weiterhin wird bevorzugt im Zentrum der Kabelanordnung eine thermische Punktquelle aktiviert, wobei aus einer festge­ stellten Verschiebung der aufgenommenen Temperaturprofile bezüglich der bekannten Lage der Punktquelle auf das Vorhandensein einer Strömung einerseits, aber auch auf die Strömungsgeschwindigkeit andererseits geschlossen werden kann.

Somit kann erfindungsgemäß in einem gefluteten Stollenab­ schnitt, der vollständig mit Wasser gefüllt ist, die Strö­ mungsrichtung des Grubenwassers festgestellt und die Strömungsgeschwindigkeit abgeschätzt werden. Dies geschieht mit einer Kombination einer thermischen Punktquelle, z. B. örtlicher Heizung oder Kühlung, und einer verteilten Tempera­ turmessung, d. h. Simultanmessungen von Temperatur und Ort. Die Punktquelle wirkt nur zeitlich begrenzt als thermischer Impuls.

Es hat sich gezeigt, daß trotz der vorhandenen Wärmeleitung im Wasser geringe Strömungsraten durch Verschiebung der ermittelten Temperaturkurve bestimmt werden können.

Mit dem Meßverfahren ist es möglich, auf ansonsten erforder­ liche Tracer, die mit Umweltbelastungen einhergehen, zu ver­ zichten. Durch erneutes Aktivieren der thermischen Punkt­ quelle kann die Messung jederzeit bei einmal eingebrachtem faseroptischen Kabel wiederholt bzw. aktualisiert werden, wodurch das Monitoring kritischer Grundwasser oder Sohlen­ abschnitte zum Zwecke der Überwachung von z. B. gefluteten bergbaulichen Einrichtungen möglich ist.

Eine neuartige Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatur­ sensorik besteht in der Bewertung von chemischen oder mikro­ biologischen Leaching-Prozessen. Hierbei wird die Erkenntnis genützt, daß die Leaching-Aktivitäten exotherm ablaufen und eine Steuerung des Leaching-Prozesses anhand der Beurteilung des Temperaturverlaufs in einer Leaching-Halde oder Leaching- Schüttung möglich wird.

Erfindungsgemäß werden bevorzugt beim Errichten der Leaching- Halde oder Leaching-Schüttung mäanderförmige faseroptische Sensoren eingebracht, wobei die jeweiligen Mäander die Schüt­ tungs- oder Haldefläche rästermäßig erfassen. Wenigstens zwei Flächengebilde werden, quasi Ebenen darstellend, übereinander in der Halde oder Schüttung angeordnet.

Die räumliche Verteilung bzw. die Ausbildung des Mäanders kann im Meter-, 0,5- oder 0,25-Meterraster erfolgen.

Über eine übliche Meßeinrichtung kann dann die Temperaturver­ teilung sowohl innerhalb einer Ebene flächig als auch der übereinander angeordneten Ebenen gegeneinander bestimmt werden.

Es liegt im Sinne der Erfindung, daß anstelle einer Mäander­ anordnung selbstverständlich auch eine spiralförmige oder anderweitige flächige Verlegung des Sensorkabels denkbar ist. Mit Hilfe der eingebrachten faseroptischen Sensorik läßt sich sowohl die örtliche als auch die zeitliche Ausbildung der Leaching-Front innerhalb der Schüttung oder Halde bestimmen und es besteht die Möglichkeit zu überprüfen, ob das Leaching homogen verläuft bzw. bei Inhomogenitäten kann gezielt frische Substanz zugeführt werden.

Durch die Anordnung mindestens zwei oder mehrerer Ebenen von flächig angeordneten Sensoren bevorzugt horizontal überein­ ander können Strömungen innerhalb der Schüttung oder Halde ermittelt und für die Bewertung oder Steuerung des Leaching- Prozesses ausgewertet und herangezogen werden.

Durch die einfache zeitliche Detektion sich ausbildender Wärmefronten kann auch die Erholzeit nach exothermen Reak­ tionen überwacht und ein erneuter Prozeßbeginn initiiert, aber auch objektiv der Zustand des Erschöpfens bezüglich des Leaching-Verfahrens festgestellt werden.

Wie aus den voranstehenden Ausführungen ersichtlich, gelingt es mit dem Auswerteverfahren, die Genauigkeit beim insbeson­ dere Langzeitmonitoring auf der Basis der Bestimmung von Temperaturverteilungen mittels faseroptischer Sensorik zu verbessern, wobei unter Berücksichtigung einer Referenzdaten­ bank eine Online-Bewertung mit geringem Rechenaufwand erfol­ gen kann.

Durch die verbesserte Methodik der Auswertung lassen sich neue Anwendungsfälle für die verteilte Temperaturmessung mittels Faseroptik erschließen, wobei hier insbesondere auf das Ermitteln von Leckagen an Steig- oder Förderrohren in Gasspeichern, aber auch auf die Bestimmung der Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegrenzungen in Baugruben hinzuweisen ist.

Es hat sich weiterhin gezeigt, daß durch die Bewertungsge­ nauigkeit die Möglichkeit besteht, untertägige Strömungen auch sehr geringer Strömungsgeschwindigkeit, z. B. in geflu­ teten, aufgelassenen Stollenabschnitten, zu bestimmen. Ein weiterer, neuartiger Anwendungsfall besteht in der Auswertung exothermer Reaktionen von chemischen und /oder mikrobiolo­ gischen Leaching-Prozessen, so daß derartige Verfahren in situ überwacht und gesteuert werden können, mit der Folge einer erhöhten Ausbeute bei gleichzeitiger effektiverer Betreibung derartiger Anlagen oder Einrichtungen.

Die Erfindung sei nachstehend anhand verschiedener Ausfüh­ rungsbeispiele sowie unter Zuhilfenahme von Figuren näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1a und b eine prinzipielle Darstellung des Verfahrens zur permamenten, automatischen Überwachung von Tempe­ raturveränderungen mittels faseroptischer Sensorik;

Fig. 2 eine prinzipielle Ausbildung eines Steig- oder Förderrohrs für einen Untergrundgasspeicher mit Ring­ muffen und Hinterrohrströmung sowie eine ermittelte Differenzkurve der Temperaturprofile vor und nach der Ringraumentspannung;

Fig. 3 eine prinzipielle Darstellung der Anordnung einer thermischen Punktquelle und eines faseroptischen Sensorkabels in einem untertägigen Stollen zur Bestimmung einer Strömung sowie beispielhaft aufge­ nommene Temperaturprofile;

Fig. 4 eine prinzipielle Anordnung einer Temperaturmeßkabel- Auslage in einer Baugrube vor der Vertikalabsperrung und

Fig. 5 die Prinzipdarstellung der Anordnung von Sensorkabeln in einer Leaching-Halde.

Bei dem in den Fig. 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiel wird zunächst von einem vorzugsweise vorgesehenen Selbsttest eines faseroptischen Temperaturmeßgeräts ausgegangen. Die eigentliche Messung und Auswertung der aktuellen Temperatur­ profile erfolgt dann, nachdem das Gerät Betriebsbereitschaft signalisiert hat.

Gemäß Ausführungsbeispiel werden lokale Extrema, d. h. Minima oder Maxima, ohne numerische Ableitungen erkannt. Hierdurch werden Probleme umgangen, die ansonsten beim numerischen Differenzieren von Temperaturprofilen durch. Signalrauschen und die für die jeweilige Rohrleitung charakteristischen räumlichen und zeitlichen Temperaturvariationen auftreten können. Die zur Auswertung der aktuellen Meßergebnisse benötigten Referenzprofile T_Ref,j werden festgelegt und mit entsprechenden Indizes versehen. Die gewählten Voreinstel­ lungen sind frei programmierbar, um individuelle Anpassungen des Überwachungssystem an die jeweilige Meßaufgabe zu ermög­ lichen.

Eine beispielhafte Wahl für die Zeitspanne zwischen zwei Temperaturmessungen ist z. B. eine Stunde, d. h. τ=1 h.

Als Referenzdaten dienen nachstehende Temperaturprofile:
T_Ref,1 = T_{i,t- τ ,n,w,N}
T_Ref,2 = T_{i,t-24 h,n,w,N}
T_Ref,3 = T_i,t,n,w,N-1.

Es wird eine Matrix (integer Variable) erzeugt, deren Ele­ mente A_ij auf null gesetzt werden. Die Größe der Matrix wird bestimmt durch die Anzahl der Längenabschnitte des Sensor­ kabels I=L/Δx und der Anzahl J der verwendeten Referenzpro­ file, d. h. I×J.

Bereits die Messung des aktuellen Temperaturprofils beinhal­ tet eine statistische Bewertung. Hier werden Einzelmessungen ausgeführt und diese bewertet, um die Rauschamplitude deut­ lich unter den vorgegebenen Schwellenwert ϑ für die Tempera­ turdifferenz ΔT(x_i) zu drücken.

Der derart gewonnene Mittelwert der zeitlich eng beieinander liegenden Temperaturprofile wird im weiteren als aktuelles Temperaturprofil T_i,t,n,w,N angesprochen. Dieses Temperatur­ profil wird entsprechend der jeweiligen Zeit t und des Wochentags n in einer Tabelle abgelegt.

Die anschließende Bewertung des aktuellen Temperaturprofils erfolgt schrittweise für alle j-Werte, d. h. durch Vergleich mit den verschiedenen Referenzprofilen T_Ref,j.

Die sich ergebenden Temperaturdifferenzen ΔT(x_i) werden daraufhin für alle Längenabschnitte i geprüft, und zwar um festzustellen, ob diese um mehr als den Schwellenwert ϑ vom Referenzwert abweichen. Wenn dies nur für einen oder einige wenige i-Werte der Fall ist, wird untersucht, ob sich diese Abweichungen auch bei den benachbarten Längenabschnitten ergeben. Durch eine logische UND-Verknüpfung werden die ver­ schiedenen k-Werte ±1, ±2, ±3, ±5, ±10 und ±20 abgefragt. In dem Fall, wenn sämtliche dieser benachbarten Längenabschnitte vergleichbare Temperaturabweichungen von den Referenzwerten zeigen, ist die bestimmte Temperaturänderung großräumig und deutet nicht auf eine Leckage hin.

Sind hingegen nur wenige unmittelbar benachbarte Temperatur­ differenzen, z. B. ±1, ±2, ±3, betroffen, wird dies als Leckage bewertet.

In einem letzten Schritt wird untersucht, ob die festge­ stellte lokale Temperaturanomalie das zum erwarteten physika­ lischen Effekt passende Vorzeichen besitzt.

Eine Gasleckage ist beispielweise mit einer negativen Tempe­ raturanomalie verbunden. In dem Fall, wenn das Vorzeichen der festgestellten Temperaturanomalie dem physikalischen Prozeß entspricht, wird das Matrixelement A_ij durch Addition um 1 erhöht. Weiterhin ist vorgesehen, Meldungen auch für solche lokalen Temperaturanomalien zu generieren, die nicht sofort und eindeutig physikalisch interpretiert werden können. Solche Temperaturschwankungen können wichtige Informationen über den Zustand bzw. die Belastung der Rohrleitung liefern.

Dann, wenn alle j-Werte abgearbeitet sind, erfolgt eine End­ bewertung der Matrixelemente A_ij. Die Bewertungskriterien sind grundsätzlich frei wählbar. Bevorzugt wird ein Schwel­ lenwert S festgelegt, der zwischen 1 und J variieren kann. Für jeden i-Wert, für den die Summe Σ_jA_ij den Schwellenwert S übersteigt, wird eine Leckagewarnung ausgegeben, wie dies Fig. 1b deutlich macht.

Die in der Fig. 2 gezeigte Vorrichtung zur Leckageüberwachung eines Steig- oder Förderrohrs 1 zeigt ein solches Rohr, welches mit einem Ringraum 2 oder einer Zementation umgeben ist.

Im Inneren des Steig- oder Förderrohrs 1 ist ein faseropti­ sches Sensorkabel 3 eingebracht bzw. angeordnet. Dieses Sensorkabel 3 weist ein äußeres Ende auf, welches über eine nicht gezeigte druckfeste Abdichtung geführt wird.

Das Steig- oder Förderrohr 1 besteht aus einzelnen, durch Muffen 4 verbundenen Abschnitten. Das erwähnte äußere Ende des faseroptischen Sensorkabels 3 führt zu einer nicht dar­ gestellten Meßeinheit zum Einspeisen von Strahlungsimpulsen und Empfangen von Rückstreustrahlung, insbesondere Raman- Rückstreuung, so daß das Temperaturprofil längs des Sensor­ kabels ermittelbar ist.

Am inneren Ende des Sensorkabels 3 ist ein Gewichtskörper und/oder eine Kabelabschlußdose 5 zum leichteren Einbringen des Kabels sowie gegen den im Inneren des Rohrs wirkenden Druck angebracht. Ein Packer 6 dichtet den Ringraum zum darunterliegenden Speicher ab.

Am Sensorkabel 3 können Abstandshalter 7 befestigt sein, welche sich nach Einbringen des Sensorkabels in das Rohr­ innere quasi aufspreizen oder entfalten, so daß das Kabel bezogen auf das Rohr 1 eine definierte Lage einnimmt. Hierfür sind die Abstandshalter 7 federelastisch, wobei sich im ent­ spannten Zustand die Abstandshalter im wesentlichen senkrecht von der Sensorkabel-Längsachse hin zur Rohrinnenwandung erstrecken.

Die im rechten Teil der Fig. 2 dargestellte Differenzkurve der Temperaturprofile vor und nach der Ringraumentlastung zeigt die hohe Empfindlichkeit der faseroptischen Temperatur­ meßtechnik und die nachweisbaren Anomalien in der Temperatur­ verteilung mit verschiedenen Vorzeichen.

Negative Temperaturdifferenzen lassen undichte Muffen 4 erkennen. Positive Temperaturanomalien hingegen offenbaren den Zustrom wärmeren Gases im Hinterrohrbereich aufgrund einer schadhaften Zementation.

Mit Hilfe der figürlich dargestellten und beschriebenen Vor­ richtung kann nicht nur eine entsprechend gegebenen Prüf­ kriterien vorgenommene Leckagekontrolle durchgeführt werden, sondern es ist auch eine Überwachung der Langzeittemperatur­ entwicklung und eine Erfassung weiterer Parameter untertägi­ ger Gasspeicher möglich. Die erhaltenen thermodynamischen Informationen liefern in Verbindung mit den geologischen Gegebenheiten des Untergrunds ein detailliertes Bild der Vor­ gänge im Gasspeicher. Durch Bestimmung des Temperaturprofils auch in der Speicherbohrung läßt sich aus Kenntnis des Drucks am Sondenkopf und unter Nutzung der thermodynamischen Zu­ standsgleichung für das Gas aus dem Temperaturprofil das Druckprofil im Speicher berechnen.

Die in der Fig. 2 dargestellten Abkühlungen im Ringraum oder der Zementation wirken über Wärmeleitungsvorgänge in das Steig- oder Förderrohr zurück und lassen sich mit der faser­ optischen Temperatursensorik unter Nutzung des Sensorkabels erfassen und lokalisieren.

Es hat sich bei Versuchen gezeigt, daß es möglich ist, eine temporäre Installation des Sensorkabels in der Bohrung eines Gasspeichers vorzunehmen, auch dann, wenn die Bohrung selbst unter Druck steht. Hierfür wird mittels Druckschleusen eine Abdichtung der Bohrung während des Kabeleinbaus und während der Zeit der Temperaturmessungen vorgenommen. Nach einer Auf­ nahme des Ausgangszustands der Temperaturverteilung wird dann entweder der unter Druck stehende Ringraum oder das Steigrohr entlastet. Danach erfolgt eine erneute Messung der Tempera­ turverteilung. Aus den Temperaturdifferenzen lassen sich dann Undichtheiten und defekte Teile unter Beachtung des bekannten Verrohrungsschemas ermitteln. Es konnte nachgewiesen werden, daß undichte Muffen zu Temperaturabnahmen von mehreren Grad führen. Wie dargestellt, konnte zeitlich versetzt ein etwas tiefer liegender Packer, der den Ringraum gegen den Gas­ speicher abdichtet, als defekt lokalisiert werden.

Mit der vorstehend anhand der Fig. 2 beschriebenen Vorrich­ tung gelingt es demnach, Leckagen insbesondere an Steig- oder Förderrohren für Untergrundgasspeicher in besonders kosten­ günstiger Weise zu ermitteln und/oder eine Langzeitüber­ wachung untertägiger Erdgasspeicher, aber auch Speicher von Druckluft vorzunehmen. Dadurch, daß die eingesetzten faser­ optischen Sensorkabel potentialfrei sind, werden Gefährdungen ausgeschlossen und es ist die gewünschte Explosionssicherheit gegeben.

Die von der Meßeinheit zum Einspeisen von Strahlungsimpulsen und Empfangen von Raman-Rückstreustrahlung erhaltenen Ergeb­ nisse können online und mobil ausgewertet oder in eine Leit­ warte zur Zustandsüberwachung eingebunden werden.

Anhand der Fig. 3 und dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel soll erläutert werden, wie mit Hilfe faseroptischer Sensorik Strömungen in Grubenwässern ermittelt werden können, und eine Feststellung des Verhaltens einer Wasserscheide möglich ist. Konkret soll in einem gefluteten Stollenabschnitt, der voll­ ständig mit Wasser gefüllt ist, die Strömungsrichtung des Grubenwassers festgestellt und die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt werden.

Hierfür wird erfindungsgemäß von einer thermischen Punkt­ quelle mit einer Temperatur Tq ausgegangen und eine verteilte Temperaturmessung vor Ort realisiert. Zur verteilten Tempe­ raturmessung ist im Stollenabschnitt ein faseroptisches Sensorkabel SK eingebracht, und zwar derart, daß möglichst mit hoher Ortsauflösung gemessen werden kann.

Die Punktquelle wird nur zeitlich begrenzt als thermischer Impuls zur Wirkung gebracht. Unter Berücksichtigung der üblichen Wärmeleitfähigkeit von Wasser lassen sich Strömungs­ geschwindigkeiten im Bereich von 0,2 bis 0,8 und mehr m/h ermitteln, wobei bei festgestellter höherer Strömungsge­ schwindigkeit die Temperatur der Punktquelle entsprechend angepaßt werden kann.

Bevorzugt liegt die Meßstrecke, d. h. die Ausbildungsrichtung des Sensorkabels SK in Längsrichtung des Stollens, d. h. in x- Achsenrichtung. Wie figürlich erkennbar, erfolgt eine Ver­ schiebung der Temperaturkurve nach Ansetzen der Punktquelle bei vorhandener Strömung, wobei das faseroptische Meßsystem in der Lage ist, anhand der Verschiebung der Profile die Strömungsrichtung als auch die Strömungsgeschwindigkeit zu ermitteln.

Die eingesetzte thermische Punktquelle Tq kann sowohl eine Erwärmung als auch eine gezielte Abkühlung des Grubenwassers erzeugen.

Erfindungsgemäß wird also die Erkenntnis genutzt, daß bei eindeutigen Strömungsvorgängen die an sich isotrope Wärme­ ausbreitung mit einem entsprechenden homogenen Feld ver­ schoben wird. Die Verschiebung des Wärmefelds läßt sich mit der faseroptischen Temperaturmeßtechnik ermitteln, wodurch wiederum Strömungsrichtung und -geschwindigkeit des fließen­ den Mediums bestimmbar ist.

Eine weitere spezielle Applikation erfindungsgemäßer faser­ optischer Temperatursensorik besteht in der Bestimmung und dem Nachweis der Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegrenzungen von Baugruben oder dergleichen Einrichtungen.

Für die Ortung von Leckagen in der Baugrubensohle wird in einem der Geometrie der Baugrube angepaßten Raster eine Viel­ zahl von Bohrungen mit vorgegebenem Durchmesser bis unmittel­ bar zur Sohne abgeteuft. In die Bohrungen werden dann Tempe­ raturmeßfühler eingebracht und es wird ein Bestimmen der flächenhaften Verteilung der Temperatur vorgenommen. Hierfür können sowohl sämtliche Sensoren gleichzeitig ausgelesen werden, es besteht aber auch die Möglichkeit, zunächst ausge­ wählte Sensoren, ein Grobraster bildend, zu aktivieren, um vermutliche Leckagestellen grob zu ermitteln. Im Anschluß daran lassen sich dann vorwählbare Bereiche mit einem engeren Punktraster verdichtet vermessen.

Für die Erfassung von Leckagen an Schlitz- und Spundwänden ist die Bestimmung der vertikalen Temperaturverteilung mit einer Ortsauflösung von ca. 0,5 bis 1 m notwendig, um die Leckage möglichst exakt nachweisen zu können. Hierfür wird wiederum auf ein faseroptisches Temperaturmeßverfahren zurückgegriffen. Konkret wird das faseroptische Temperatur­ meßkabel in Bohrungen in unmittelbarer Nähe der Spund- bzw. Schlitzwände vor den Fugen zwischen den einzelnen Wandele­ menten einer Baugrube installiert. Das heißt, an kritischen Stoßstellen erfolgt bevorzugt das Einbringen der Bohrungen mit Sensorkabel.

Diese bis unmittelbar zur Sohle abgeteuften. Bohrungen weisen bevorzugt einen Innendurchmesser von mindestens 1 bis 1,5" auf und können durchgängig mit einem glasfaserverstärkten Kunststoff-Filterrohr oder ähnlichen Filterrohren verrohrt werden.

Bei einer mittleren Teufe der Bohrungen von 17 m und einem Abstand der Bohrungen zueinander von 4 m können bis zu 100 Bohrungen mit einem durchgängigen Kabel bestückt werden, wie dies beispielsweise die Fig. 4 zeigt.

Die Meßkabelauslage wird so vorkonfektioniert, daß das Kabel in der Baugrube nur noch von einer Kabeltrommel abgerollt wird und die Kabelschleifen mit Grundgewichten in die abge­ teuften Bohrungen eingefädelt werden können.

Nach der Installation des Meßkabels wird über einen Zeitraum von z. B. 30 Min. der Ausgangszustand der Temperaturverteilung in der Baugrube bestimmt. Anschließend wird mit dem Abpumpen des Wassers aus dem Inneren der Baugrube begonnen. Während des Abpumpens wird in einem vorgegebenen Takt die Veränderung der Temperaturverteilung bezogen auf den Ausgangszustand vor Beginn des Abpumpens ermittelt.

Über eine Online-Datenauswertung kann unmittelbar anschlie­ ßend an den eigentlichen Meßprozeß, d. h. bereits während des Pumpversuchs steuernd eingegriffen werden. Das heißt, es können die Pumprate, aber auch die Dauer der Abpumpphase beeinflußt werden.

An undichten Stellen der Spundwände strömt kühleres Grund­ wasser nach und es wird eine entsprechende lokale Temperatur­ veränderung ermittelt. Durch übliche ortsaufgelöste Messung läßt sich dann die Lage der Undichtigkeit ermitteln und es ist ein Nachbessern möglich.

Wie mit dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 illustriert, ist die Anwendung eines faseroptischen Temperaturmeßverfahrens zur Überwachung von exothermen, chemischen und/oder mikrobio­ logischen Leaching-Prozessen realisierbar, wobei hier die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung mittels mäander­ förmig, bevorzugt in mehreren Ebenen angeordneten, im Leaching-Material befindlichen faseroptischen Sensoren bestimmt wird. Aus dem bekannten chemischen oder mikrobio­ logischen Prozeß kann die Leaching-Aktivität und die Ausbeute bestimmt, aber auch gesteuert werden.

Nach Fig. 5 ist im Inneren einer Leaching-Halde 10 eine faseroptische Meßanordnung in Form von z. B. mäanderförmig verlegten Sensoren 11 ausgebildet. Dabei besteht die Möglich­ keit, die Sensoren 11 flächig in einer ersten Ebene 12 und in einer zweiten, darüber befindlichen Ebene 13 anzuordnen. Die zu einer Auswerteeinrichtung 14 geführten Kabel können dann in der eingangs beschriebenen Art und Weise mit Laser­ licht beaufschlagt werden, um anhand der Raman-Rückstreu­ effekte die Temperaturverteilung örtlich und zeitlich bestimmen zu können.

Durch die beschriebene bevorzugte Anordnung der Sensorkabel 11 besteht die Möglichkeit, die sich ausbildende fortlaufende Leaching-Front innerhalb der Leaching-Halde 10 zu untersuchen und hinsichtlich ihrer Homogenität zu bewerten. Durch geziel­ tes Zuführen bestimmter, den Leaching-Prozeß fördernder Stoffe kann die Ausbeute insgesamt erhöht werden.

Durch eine Langzeit-Beobachtung besteht darüber hinaus die Möglichkeit, den Prozeß des Erholens innerhalb der Leaching- Halde nach abgelaufener exothermer Reaktion beurteilen zu können, um im Nachgang entweder die Halde umzusetzen oder einen erneuten Leaching-Zyklus einzuleiten.

Die faseroptischen Sensoren sind durch ihre Ausbildung als umhüllte Lichtwellenleiter besonders widerstandsfähig gegen die kritischen und aggressiven Umgebungsbedingungen innerhalb einer Leaching-Halde. Die Sensorkabel werden beispielsweise in der gemäß Fig. 5 dargestellten Art und Weise beim Auf­ schütten der Leaching-Halde 10 eingebracht und können dort während des gesamten Ausbeutezyklus verbleiben. Die mit Hilfe der Auswerteeinrichtung 14 vorgenommenen Messungen können kontinuierlich, aber auch in Abständen, d. h. zyklisch wieder­ holt werden, um die gewünschte Steuerung bzw. Beeinflussung der Leaching-Ausbeute zu gewährleisten.

Bezugszeichenaufstellung

1

Steig- oder Förderrohr

2

Ringraum

3

faseroptisches Sensorkabel

4

Muffe

5

Gewichtskörper/Kabelabschlußdose

6

Packer

7

Abstandshalter

10

Leaching-Halde

11

Sensorkabel

12

erste Sensorkabelebene

13

zweite Sensorkabelebene

14

Auswerteeinrichtung

Claims (15)

1. Verfahren zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Tempera­ tursensorik,
gekennzeichnet durch

• - Bestimmung einer Menge von natürlich vorkommenden Temperaturvariationen während des Normalbetriebs einer entsprechenden Meßeinrichtung und Ableiten von Referenz­ profilen hieraus;
• - Erzeugen einer Matrix A_ij mit einer Größe, definiert durch die Anzahl der Längenabschnitte des Sensorkabels I=L/Δx und der Anzahl J der Referenzprofile;
• - Ausführen von zeitlich engen Einzelprofilmessungen und Bilden eines Mittelwertprofils hieraus;
• - Ableiten des aktuellen Profils T_i,t,n,w,N aus dem Mittel­ wertprofil und Abspeichern dieses Profils in einer Tabelle;
• - Bewertung des aktuellen, abgespeicherten Profils schritt­ weise für alle j-Werte, d. h. durch Vergleich mit den verschiedenen Referenzprofilen T_Ref,i,j, wobei die sich ergebenden Temperaturdifferenzen ΔT(x_i) für alle Längen­ abschnitte i auf eine Abweichung größer als ein Schwellen­ wert ϑ (Rauschen) geprüft werden;
• - Feststellen, ob die Abweichungen für einen oder mehrere i- Werte existieren, und Prüfen, ob die Abweichungen bei einer Vielzahl benachbarter Längenabschnitte vorliegen, wobei im positiven Fall bei Existenz vergleichbarer Tem­ peraturabweichungen von den Referenzwerten des Profils auf großräumige Temperaturveränderungen und im negativen Fall auf eine Leckage geschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Prüfen des Vorzeichens der festgestellten lokalen Tempera­ turanomalie und Erhöhen des Matrixelements A_ij durch Addition des Wertes 1 dann, wenn das Vorzeichen dem erwarteten physikalischen Effekt der Anomalie entspricht.

3. Vorrichtung zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatur­ sensorik, insbesondere von mit einem Ringraum umgebenen Steig- oder Förderrohren für Untergrundgasspeicher mittels faseroptischer Sensorkabel zur Bestimmung der Temperatur­ verteilung oder der Temperaturanomalien, dadurch gekennzeichnet, daß das faseroptische Sensorkabel (3) im Inneren des Steig- oder Förderrohrs (1) angeordnet ist und über eine druckfeste Ab­ dichtung nach außen führt, wobei weiterhin eine Einrichtung zum zeitweisen Entlasten des unter Druck stehenden Ringraums (2) und/oder des Steigrohrs (1) vorgesehen ist, sowie das äußere Ende des faseroptischen Sensorkabels (3) an eine Meß­ einheit zum Einspeisen von Strahlungsimpulsen und Empfangen von Rückstreustrahlung angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am inneren Ende des Sensorkabels (3) ein Gewichtskörper und/oder eine Kabelabschlußdose (5) befestigt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorkabel (3) im Rohrinnern freihängend angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Sensorkabel (3) Abstandshalter (7) befestigt sind, welche nach Einbringen des Sensorkabels (3) in das Rohrinnere eine vorgegebene Sensorkabellage sichern.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandshalter (7) federelastisch ausgebildet sind und im entspannten Zustand sich im wesentlichen senkrecht von der Sensorkabel-Längsachse erstrecken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorkabel (3) im Inneren einer mindestens teilweise horizontal verlaufenden Hochdruckgaspipeline angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorkabel ein Verbundkabel zur Bestimmung der Tempera­ turverteilung und Datenübertragung, insbesondere Telekommu­ nikation ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an der Kabelabschlußdose weitere Sensoren zur Erfassung von Druck, Temperatur und/oder Umgebungsleit­ fähigkeit angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelabschlußdose aus einer Mehrkammeranordnung mit druckdichten und/oder zur Umgebung gefluteten bzw. offenen Bereichen besteht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 4, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kabelabschlußdose ein vorzugsweise faseroptisches Geophon, insbesondere zur Bestimmung des Gas/Wasser-Kontakts beim Einfahren aufweist.

13. Verfahren zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Tempera­ tursensorik, insbesondere zum Nachweis der Dichtigkeit von Sohle und Seitenbegrenzungen in Baugruben oder dergleichen Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet,
daß der Grubengeometrie entsprechend rasterartige Bohrungen bis zu Sohle abgeteuft sind,
daß in die Bohrungen Temperatursonden eingebracht werden und anschließend ein Auslesen der Sondenmeßwerte erfolgt, wobei bei festgestellter Anomalie die Messung und Auswertung von einem Grobraster auf ein Feinraster umgestellt oder ergänzt wird und weiterhin Bohrungen in unmittelbarer Nähe von Spund- und Schlitzwänden vor den Fugen der Einzelwandelemente einge­ bracht werden, wobei die Bohrungen bis zur Sohle reichen,
daß ein durchgängiges faseroptisches Kabel in die Bohrungen eingeführt und mittels Grundgewicht oder dergleichen Körper abgeteuft werden, wobei ein Bestimmen des Ausgangszustands der Temperaturverteilung erfolgt, anschließend ein Abpumpen des Wassers aus dem Grubeninneren vorgenommen wird und hierbei laufend oder zyklisch ein Messen der Temperaturverteilung und ein Vergleichen zum Ausgangszustand durch Online-Auswertung erfolgt.

14. Verfahren zum, auch permanenten und automatischen, Monitoring von Temperaturverteilungen und/oder Temperatur­ anomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Tempera­ tursensorik, insbesondere zur Bestimmung von Strömungen in Grubenwässern sowie zur Feststellung des Verhaltens einer Wasserscheide, dadurch gekennzeichnet, daß ein faseroptisches Sensorkabel bevorzugt in Mäanderform, Spiralform oder dergleichen Anordnung in den Stollen oder in die Grube in Längsrichtung sich erstreckend eingebracht wird, wobei bevorzugt im Zentrum der Kabelanordnung eine thermische Punktquelle aktiviert wird und wobei aus einer festgestellten Verschiebung der aufgenommenen Temperaturprofile bezüglich der bekannten Lage der Punktquelle auf das Vorhandensein einer Strömung und die Strömungsgeschwindigkeit geschlossen wird.

15. Anwendung eines Verfahrens zum Monitoring von Temperatur­ verteilungen und/oder Temperaturanomalien auf der Basis verteilter faseroptischer Temperatursensorik für exotherme, chemische und/oder mikrobiologische Leaching-Prozesse, wobei hierfür die zeitliche und räumliche Temperaturverteilung in einer Leaching-Halde oder Leaching-Schüttung mittels mäander­ förmig, schleifenförmig oder dergleichen, bevorzugt in mehre­ ren Ebenen angeordneten, im Leaching-Material befindlichen faseroptischen Sensoren bestimmt wird, wobei weiterhin aus den bekannten chemischen und/oder mikrobiologischen Prozeß die Leaching-Aktivität und Ausbeute bestimm- und steuerbar ist.