DE2220539A1 - Verfahren und Anordnung zum Feststellen und Auffinden von Lecks in einer Transportleitung für Strömungsmittel - Google Patents

Description

DR. BERG DIPL.-ING. STAPF

PATENTANWÄLTE MÜNCHEN 8O, MAUERKIRCHERSTR.

Dr. Berg Dipl.-Ing. Stopf, 8 MDndien 80, MouerkirdierstroBe 45 ·

Ihr Zeichen

Ihr Schreiben Unser Zeichen

Datum

26. April 1972

Anwaltsakte 22 334

Osaka Gas Kabushiki Kaisha Osaka / Japan

Verfahren und Anordnung

zum Feststellen und Auffinden von Lecks in einer l'ransportleitung für Strömungsmittel .

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Feststellen und Auffinden von Lecks in langen !Rohrleitungen für den Transport von Strömungsmitteln (gasförmigen oder tropfbaren Flüssigkeiten) wie Stadtgas, Erdgas, Öl oder dergleichen.

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* (0811)

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209847/-0

98 70 43 98 3310 T«le_Bramtne ι BERGSTAPFPATENT München TELEX 05 24 5« BERG d

Bank ι Bayerische Vereinsbank München 453100 Postscheck· München 45343

Seit einigen Jahren sind für den Ferntransport von Strömungsmitteln vielfach Rohrleitungen in Gebrauch. Je langer eine solche Rohrleitung ist, um.so schwieriger ist das Peststellen von Lecks in der leitung, und das Auffinden von Lecks dauert gewöhnlich längere Zeit. Insbesondere wenn das in der Leitung transportierte Strömungsmittel "brennbar, explosiv oder giftig ist, besteht bei Verzögerung in der feststellung von Lecks die Gefahr von ernsthaften Unfällen. Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem praktisch verwendungsfähigen Verfahren zum Feststellen von Lecks, welches es einer Uberwachungsperson an ihrem Arbeitsplatz ermöglicht, an beliebig weit entfernten Stellen der Rohrleitung auftretende Lecks schnellstens und sicher festzustellen. Ein solches Verfahren soll es der Uberwachungsperson ferner ermöglichen, den Ort des Lecks von ihrem Arbeitsplatz aus mit größter Genauigkeit aufzufinden. \

Bisher wurden verschiedene Einrichtungen zum Feststellen von Strömungsmittelaustritten aus Rohrleitungen verwendet , welche jedoch den vorstehend angeführten Anforderungen nicht genügen konnten. Eine bekannte Ultraschall-Gaslecküberwachungseinrichtung bzw. Wasserlecküberwachungseinrichtung stellt den Austritt von Strömungsmitteln aus

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der Leitung anhand einer durch den Austritt hervorgerufenen elastischen Druckwelle fest. Die Feststellung von Lecks mittels dieser Einrichtung ist jedoch nicht zuverlässig, sofern nicht die auftretende elastische Druckwelle eine "beträchtliche Stärke aufweist und von anderen auftretenden Druckwellen verschieden ist. In der Praxis können herkömmliche Vorrichtungen dieser Art nur Lecks in der Entfernung von einigen Metern feststellen, so daß sie zum Auffinden von Lecks von einer Bedienungsperson umhergetragen werden muß. Demgemäß beansprucht die Lecküberwachung oder -auffindung an einer langen Rohrleitung viel Arbeits- und Zeitaufwand, wobei die sofortige Auffindung eines Lecks sofort nach dem Entstehen trotz des großen Arbeitsaufwandes praktisch unmöglich is't.

Eine andere vorgeschlagene Anordnung ermöglicht das Auffinden von Lecks nach Art eines Brenngas-Spürgeräts anhand von chemischen und physikalischen Eigenschaften des Strömungsmittels. Eine solche Vorrichtung muß jedoch mit dem austretenden Strömungsmittel selbst in Berührung kommen, so daß sie sich nur zur örtlichen Überwachung eignet, Lecks nicht zuverlässig festzustellen vermag, Lecks nur mit großen Verzögerungen feststellt und in ihrer Anwendung jeweils auf vorbestimmte Strömungsmittel beschränkt ist.

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Die Erfindung schafft ein Verfahren und eine Anordnung zum Feststellen von Lecks, "bei deren Anwendung jeder Strömungsmitteläustritt an einen Rohr einer langen Rohrleitung nahezu gleichzeitig mit der Entstehung des Lecks von einem, entfernten Ort aus feststellbar ist, wobei die Auffindung des lecks über die gesamte länge der Rohrleitung bei Verwendung einer auf die Länge der Leitung bezogen geringen Anzahl von Detektorelementen gewährleistet und das Verfahren sowie die Anordnung für eine praktische Anwendung äußerst wirtschaftlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß ein langer Hohlraum, welcher sich entlang der Rohrleitung erstreckt und an wenigstens einer Seite durch die Rohrwandung begrenzt ist, beispielsweise ein Hohlraum im Inneren des Rohrs oder ein zwischen dem Rohr und einem dieses umgebenden Mantel vorhandener Raum gebildet wird, daß sich in dem Hohlraum fortpflanzende Schallwellen einschließlich durch Strömungsmittelaustritte aus einem Rohr der Leitung hervorgerufener Schallwellen mittels erster Einrichtungen, beispielsweise Mikrofonen, aufgefangen werden und daß die von den ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen als Informationen einer in einer Überwachungsstation oder dergleichen angeordneten zweiten Einrichtung zugeleitet

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werden, so daß eine Bedienungsperson anhand der zweiten Einrichtung ein an beliebiger Stelle der langen Rohrleitung auftretendes Leck schnell und sicher auffinden kann.

In zahlreichen Versuchen wurde ermittelt, daß sich Schallwellen einschließlich solcher durch ein Leck hervorgerufener wie bei einem Sprachrohr, über sehr lange Entfernungen in dem gebildeten Hohlraum fortpflanzen, und daß in dem Hohlraum keine von außen kommenden oder von den durch ein Leck hervorgerufenen nicht unterseheidbaren inneren. Schallwellen, auftreten. Dementsprechend können die durch ein Leck hervorgerufenen -Schallwellen von der ersten Einrichtung aus großer Entfernung aufgefangen werden, während sie sich in dem Hohlraum fortpflanzen. Es ist somit möglichst die gesamte Länge einer Rohrleitung mit einer relativ dazu geringen Anzahl von Detektorelementen auf Lecks hin zu überwachen.

In 'dem Hohlraum sind die Hintergrundgeräusche sehr viel schwächer als die durch ein Leck verursachten Schallwellen, so daß die Feststellung eines Lecks ohne Schwierigkeit dadurch bewerkstelligt werden kann, daß die

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Stärke von mittels der ersten Einrichtung aufgefangenen Schallwellen einen vorbestimmten Wert überschreitet. Dieser Wert wird anhand der Prequenzcharakteristiken und der Stärken der durch ein Leck verursachten Schallwellen und der Hintergrundgeräusche ermittelt. Das Aufspüren von in ihrer Stärke den vorbestimmten Wert überschreitenden Schallwellen kann an den ersten Einrichtungen, an der zweiten Einrichtung oder an weiteren Zusatzeinrichtungen erfolgen. Das Aufspüren mittels der ersten Einrichtungen vereinfacht die Weiterleitung zu der zweiten Einrichtung, indem die durch die ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen zu einem wellenförmigen Signal, beispielsweise einem elektrischen Strom, oder einem Impulssignal umgewandelt und in dieser lorm der zweiten Einrichtung zugeleitet werden.

In Fällen, in denen die durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen durch Hintergrundgeräusche überdeckt werden, sei es, weil das Leck sehr klein ist oder weil die ersten Einrichtungen zu weit auseinander angeordnet sind, laßt sich ein Verfahren bzw. eine Anordnung anwenden, bei dem bzw. bei der die von den ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen in einem Selbst-Korrelator, vorzugsweise einem Echtzeit-Korrelator (real time correlator) einer Eigenkorrelation unterworfen werden, wobei

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die durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen selektiv .aus den von der ersten Einrichtung aufgefangenen Schallwellen ausgefiltert werden. Anderenfalls können die ersten Einrichtungen auch so angeordnet sein, daß jeweils zwei davon die durch ein zwischen ihnen entstandenes Leck hervorgerufenen Schallwellen auffangen, so daß also wenigstens zwei der ersten Einrichtungen die sich in dem Hohlraum fortpflanzenden Schallwellen auffangen. Die von wenigstens zwei der ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen werden einer Quer-Korrelation mittels eines Querkorrelators (cross-correlator), vorzugsweise eines Echtζext-Korrelators unterworfen, wobei die durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen aus den insgesamt von den ersten Einrichtungen aufgefangenen ausgeschieden werden. Das Ausscheiden dieser Schallwellen aus den insgesamt von den ersten Einrichtungen aufgefangenen geschieht in einem Eigen- oder Querkorrelator durch Verbesserung des Rausch- oder Störabstandes mittels Durchschnittsbestimmung, d.h. die durch ein Leck hervorgerufenen. Schallwellen werden durch Verringerung der Stärke der Hintergrundgeräusche ausgefiltert. Die angeführte Eigenkorrelation geschieht vorzugsweise vor dem Ermitteln der den vorbestimmten Wert überschreitenden Stärke der Schallwellen, da sich das Leck dann fehlerfrei

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feststellen läßt. Eine zuverlässige Feststellung von Ströaungsmittelaustritten iet auch dadurch erzielbar, daß man. zeitliche Änderungen der Frequenz und Stärke von mittels der ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen in Form eines Musters darstellt und dieses Muster mit einem Bezugsmuster vergleicht, welches die zeitlichen Änderungen der Frequenz und Stärke der Schallwellen bei Vorhandensein von Strömungemittelaustritten aus der Leitung zeigt. Ein solches Muster läßt sich beispielsweise unter Verwendung eines Geräusch-Spektografen herstellen. Dabei wird die Schallstärke beispielsweise durch die veränderliche Dichte der Darstellung angegeben, während die Zeit und die Frequenz Über der Abszisse bzw. der Ordinate aufgetragen sind.

Da die Information, daß die erste Einrichtung durch ein Leck hervorgerufene Schallwellen aufgefangen hat, an die an der Überwachungsstation befindliche zweite Einrichrtung übermittelt wird, kann eine Überwachungsperson von ihrem Arbeitsplatz aus jedes Leck in einer langen Rohrleitung feststellen, so daß sich also die LeckU.be^a~ chung für eine lange Rohrleitung ohne Schwierigkeit von wenigen oder gar nur einer Person durchführen läßt. £4, für das Feststellen von Lecks die durch es verursachten

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Schallwellen herangezogen werden, ist die ]?eatBi-fc.eJLlung nahezu gleichzeitig mit der Entstehung des.Leeks möglich. · .

,Ein besonderer T©rteil der Erfindung ergibt ¹BiC¹Ii Oä ■daß der Innenraum der Rohrleitung in der bBschrirelbenen Weise als Hohlraum herangezogen wird, woduträh da« iJber-Ί/mchungssystem einen -wirtschaftlichen Auf bau erhalt und Ohne Schwierigkeiten praktisch verwendbar is~t. Bischer wurde angenommen ₃ daß die durch ein Leck hervorgerufenen Sehallwellen außerhalb des Bohres eine größere Stärke haben als in dessen Innenraum. Demgegenüber wurde im Rahmen der Erfindung die überraschende Feststellung getroffen, daB die in das Innere der Bohrleitung einfallenden, durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen nur wenig schwächer sind als die nach außen tretenden. Aufgrund dieser Erkenntnis ergab sich die Möglichkeit für das vorstehend beschriebene, äußerst wirtschaftliche Überwachungssystem.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß nicht nur das Vorhandensein eines Lecks an sich fest- ' stellbar ist, sondern daß sich der Ort des Lecks entlang einer langen Eohrleitung unter Verwendung einer relativ zur Länge der Eohrleitung geringen Anzahl von ersten Einrichtungen von einer entfernten Überwachungsstation' aus-ermitteln läßt.

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Dazu werden durch ein Leck hervorgerufene Schallwellen von einer Anzahl erster Einrichtungen aufgefangen und in Signalwellen umgewandelt, Die Signalwellen werden dann einer dritten Einrichtung zugeleitet, in der die gegenseitigen Beziehungen der Signale ermittelt werden. Aufgrund der in der dritten Einrichtung ermittelten Beziehungen zwischen den ihr zugeleiteten Signalen läßt sich der Ort des Lecks genau feststellen.

Datei wird die Tatsache ausgenutzt, daß sich die Stärke der durch ein leck hervorgerufenen Schallwellen in bestimmter Beziehung zur Entfernung ihrer Fortpflanzung durch den Hohlraum verringert. Die Beziehungen zwischen den Stärken der durch mehrere der ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen werden ermittelt, so daß aich der Ort des Lecks aufgrund dieser Beziehungen und der Stellungen der betreffenden ersten Einrichtungen genau feststellen läßt. Aufgrund der Tatsache, daß die ijeit bis zum Eintreffen von durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen an den ersten Einrichtungen von deren Entfernung bis zum Ort des Lecks abhängig ist, ist es möglich, den Ort des Lecks aufgrund der zeitlichen Differenz zwischen dem Eintreffen der Schallwellen an mehreren der ersten Einrichtungen zu ermitteln, indem man den Ort der ersten Einrichtungen als Ausgangspunkt nimmt.

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Für das Auffinden des Ortes eines Lecks aufgrund der Schalletärkebeziehungen werden die einzelnen Signalwellen vor dem Vergleich ihrer Stärke einer Eigenkorrelation unterworfen, um aus der Gesamtheit der Signalwellen die durch ein Leck hervorgerufene auszu-^ scheiden, so daß eine genaue Leckauffindung auch dann . möglich ist, wenn durch ein Leck hervorgerufene Schallwellen durch Hintergrundgeräusche Überdeckt sind. Zum Auffinden einer Lecketeile aufgrund der zeitlichen Differenz der Fortpflanzung von durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen zu den verschiedenen ersten Einrichtungen läßt sich die Zeitdifferenz durch Querkorrelation von der von den verschiedenen ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen ermitteln. Dabei läßt sich eine genaue Auffindung der Leckstelle auch dann erzielen, wenn die durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen durch Hintergrundgeräusche überdeckt sind, indem man das Signal/Rausehverhältnis durch Mittelwertbildung vergrößert.

Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Anordnung ein schnelles und sicheres Peststellen von Strömungsmittelaustritten aus den Bohren einer langen Rohrleitung vom Arbeitsplatz einer Überwachungsperson aus durch Affangen van durch den Austritt

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hervorgerufenen Schallwellen, sowie das genaue Fest- y

steilen der,Austrittsstelle in einer langen Rohrleitung
vom Arbeitsplatz der Überwachungsperson aus, ebenfalls \

durch Auffangen von durch den Austritt hervorgerufenen
Schallwellen. Das Feststellen und Auffinden von Austrittsstellen an Rohren einer langen Rohrleitung er- ^! folgt unter einem äußerst wirtschaftlichen Konstruktions- ·

und Arbeitsaufwand, so daß sich die Erfindung hervor- ι

ragend für den praktischen Einsatz eignet. Insbesondere ;

ermöglicht die Erfindung eine kontinuierliche Lecküberwachung an einer langen Rohrleitung.

Nachstehend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung an- ^!

hand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisierte Darstellungen einer erfin- ΐ

dungsgemäßen Anordnung zum Feststellen von Strömungsmittelaustritten aus einer Rohrleitung, i

( Fig. 3 bis 6 grafische Darstellungen von Versuchs- j

ergebnissen, \

Fig. 7 eine schematisierte Darstellung einer Anordnung j

zum Auffinden des Orts eines Strömungsmittel- j

austritts aus einer Rohrleitung und ί

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Fig» 8 und 9 Blockdiagramme der in Pig. 7 vorhandenen dritten Einrichtung.

Pig. 1 zeigt ein Rohr 1 für den Transport von S"fcröniungsmjtteln, mit Absperrorganen 2 sum Verschließen d.es Rohrs 1 » erste Einrichtungen 3 zum Auffangen von sieh im Rohr 1 fortpflanzenden Schallwellen einschließlich solcher durch einen Austritt von Strömungsmittel aus ;dasm Rt>Ihr hervorgerufener, eine zweite Einrichtung 4 zum Auffangen von von den ersten Einrichtungen 3 atogegelaBaaen,, da-s Auffangen von durch einen Strömungsmiib-telaustriitrt anzeigenden Signalen«?^ , eine ,Steuerungseinrichtiiang 5 zum Abgeben eines SignalsP zum Schließen eines bestimmten Absperrorgans 2 an einen Sehließantrieb € in Abhängigkeit von einem von der zweiten Einrichtung 4 zugeführten Signal k und eine mit der zweiten Einrichtung 4 verbundene Warneinrichtung 7 zum Anzeigen von Strömungsmittelaustritten.

Tritt beispielsweise an einem Punkt A Strömungsmittel aus dem Rohr 1 aus, so werden durch den Austritt hervorgerufene Schallwellen wenigstens von der der Austrittsstelle zunächst gelegenen ersten Einrichtung 3 aufgefangen, woraufhin die betreffende Einrichtung 3. ein

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an die zweite Einrichtung 4 abgibt und die Warneinrichtung 7 dementsprechend das Vorhandensein des Austritts anzeigt. Gleichzeitig gibt die zweite Einrichtung 4 ein Signal |3 an die Steuerungseinrichtung 5 ab, woraufhin der Schließantrieb 6 das Schließen des den Zustrom zur Austrittsstelle A sperrenden Absperrorgans

2 bewirkt.

Zum Auffangen von sich in dem Rohr 1 fortpflanzenden Schallwellen einschließlich solcher durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufener, sind mehrere der Einrichtungen 3 in geeigneten gegenseitigen Abständen vorzugsweise im Inneren des Rohrs 1 angeordnet. Die Entfernung zwischen zwei benachbarten ersten-Einrichtungen

3 ist so gewählt, daß wenigstens eine der beiden die durch einen an einem Punkt A in der Kitte zwischen den beiden Einrichtungen 3 auftretenden Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen aufzufangen vermag. Stellt sich also an irgendeinem Punkt einer langen Rohrleitung ein Strömungsmittelaustritt ein, so wird eine Überwachungsperson an einem entfernten Ort, beispielsweise einer Überwachungsstation, durch die Warneinrichtung 7 auf den Austritt aufmerksam gemacht. Da hierzu Schallwellen herangezogen werden, spricht die Warneinrichtung 7 nahezu gleichzeitig mit dem Auftreten eines Lecks an.

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Wie man aus Fig. 2 erkennt, können die ersten Einrichtungen 3 auch so angeordnet werden, daß sie durch ein Leck hervorgerufene Schallwellen auffangen, welche sich in einem zwischen dem Rohr 1 und einem dieses umgebenden Mantel 8 gebildeten Hohlraum fortpflanzen. Der sieh in Längsrichtung des Eohrs 1 erstreckende, relativ lange Hohlraum für die Fortpflanzung der Schallwellen ist somit an wenigstens einer Seite durch die Wandung des Rohrs 1 begrenzt und gegebenenfalls durch Zwischenwände 9 unterteilt.

Im Rahmen der Erfindung angestellte Versuche haben ergeben, daß einander* benachbarte erste Einrichtungen 3 gegenseitige Abstände bis zu einigen Kilometern haben können. Die Ergebnisse der Versuche sind nachstehend erläutert. ·

Fig. 3 zeigt die im Versuch ermittelte Dämpfung oder Abschwächung der durch ein Leck hervorgerufenen und sieh im Rohr 1 fortpflanzenden Schallwellen. Man erkennt daraus, daß sich die Schallwellen über eine im Verhältnis zum Innendurchmesser des Rohres 1 sehr große Entfernung fortpflanzten.

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Fig« 4 zeigt die im Versuch ermittelte Differenz zwischen "den Stärken der innerhalb und außerhalb dee Rohres 1 auftretenden, durch den Austritt eines Strömungsmittels hervorgerufenen Schallwellen. Man erkennt daraus, daß die sich innerhalb des Rohrs 1 fortpflanzenden Schallwellen nur wenig schwächer sind als die aus dem Rohr 1 austretenden. Diese Erkenntnis gestattet die Heranziehung der sich in dem Rohr 1 fortpflanzenden Schallwellen bei Einhaltung großer Abstände zwischen einander benachbarten ersten Einrichtungen 3, wobei diese die durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen mit hoher Verläßlichkeit aufzufangen vermögen.

Pig. 5 zeigt die im Versuch ermittelte Abschwächung oder Dämpfung von Schallwellen, welche sich in dem durch das Rohr 1 und den dieses umgebenden Mantel 8 gebildeten Hohlraum gemäß Fig. 2 fortpflanzen. Man erkennt, daß sich die Wellen auch hier über eine große Entfernung fortpflanzten.

Fig. 6 zeigt die Ergebnisse von vergleichenden Messungen der Stärken von durch ein Leck hervorgerufenen und Schallwellen anderen Ursprungs in dem durch das Rohr 1

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und den es umgebenden Mantel. 8 gemäß Pig* 2 gebildeten Hohlraum. Daraus ist ersichtlich, daß die durch das leck hervorgerufenen Schallwellen/von Nebengeräuschen ohne Schwierigkeit unterscheidbar waren. In der Figur bezeichnen Ύ die jeweilige Austrittemenge.

Die ersten Einrichtungen 3 sind vorzugsweise Mikrofone oder Dehnungsmeßstreifen. Die ersten Einrichtungen 3 sollen in der lage sein, die durch ein Leck verursachten Schallwellen sicher aufzufangen, wozu sie im Hinblick auf das Auftreten von nicht durch ein Leck verursachten elastischen Wellen in dem Hohlraum, auf die Abstände zwischen den ersten Einrichtungen 3, auf die Stärken der aufzufangenden, durch Lecks verursachten Schallwellen, auf die Portpflanzung von durch Lecks verursachten Schallwellen und anderer Gegebenheiten eine geeignete Frequenzbreite bei ausreichender Empfindlichkeit haben müssen.

Das von der ersten Einrichtung 3 der zweiten Einrichtung 4 zugeführte Signalo^ ist beispielsweise eine durch Umwandlung der durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen enthaltene elektrische Signalwelle und/oder ein Gleichstromsignal, welches lediglich das Auffangen von durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen durch die'erste Einrichtung 3 anzeigt.

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Eine größere Einsparung an Arbeitsaufwand läßt sich durch Zusammenfassung mehrerer zweiter Einrichtungen 4 für mehrere erste Einrichtungen 3 an einem Ort erzielen.

Im folgenden ist eine Anordnung zum Auffinden des Orts einer Austrittsstelle A beschrieben.

Fig. 7 zeigt eine dritte Einrichtung 10, welche wenigstens zwei von den ersten Einrichtungen 3 ausgehende SignaleOL auffängt und deren gegenseitige Beziehung anzeigt, sowie eine Warneinrichtung 7 zum Anzeigen des Vorhandenseins eines Lecks. Die dritte Einrichtung 10 erfüllt zusätzlich die Aufgabe der zweiten Einrichtung 4, gibt also ein. Signalß an die Steuerungseinrichtung 5 ab. Eine Meßeinrichtung 11 dient zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit innerhalb des Hohlraums und zur Weitergabe des Meßergebnisses an die dritte Einrichtung 10. ^v

In der Anordnung nach Fig. 7 ist das Signal OC ein beispielsweise mittels einer ersten Einrichtung 3 in Form einer Kombination aus Mikrofon und Verstärker durch Umwandlung von Schallwellen erzeugtes Wellensignal. Jeweils einander benachbarte erste Einrichtungen 3 weisen einen solchen gegenseitigen Abstand auf und sind derart

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ausgelegt, daß sie beide durch ein Leck in ihrem Wirkungsbereich hervorgerufene Schallwellen aufzufangen vermögen.

Tritt beispielsweise am Punkt A Strömungsmittel aus dem Rohr 1 aus, so werden die dadurch hervorgerufenen Schallwellen von wenigstens zwei an entgegengesetzten Seiten des Punkts A angeordneten ersten Einrichtungen aufgefangen. Daraufhin geben die ersten Einrichtungen jeweils ein Signalot an die dritte Einrichtung 10 ab, welche die gegenseitigen Beziehungen der Signale OC anzeigt. Gleichzeitig spricht die Warneinrichtung 7 an, um das Vorhandensein des Lecks anzuzeigen. Außerdem wird das den Zufluß des Strömungsmittels zur Leckstelle A sperrende Absperrorgan V betätigt. Aus der Auswertung der gegenseitigen Beziehungen der Signale «fc läßt sich der Ort der Leckstelle A genau auffinden. Die Auswertung kann durch eine Bedienungsperson erfolgen, zweckmäßig ist jedoch in Verbindung mit der dritten Einrichtung 10 eine Rechen- und Anzeigeeinrichtung zum Anzeigen des Ortes der Leckstelle A verbunden.

Nachstehend sind zwei Ausführungsbeispiele für Anordnungen und Verfahren zum Auffinden von Leckstellen unter Verwendung einer mit einer Rechen- und Anzeigeanlage verbundenen dritten Einrichtung 10 besehrieben.

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Beispiel 1

Die in Fig. S dargestellte dritte Einrichtung 10 enthält Baueinheiten! 12 zum. Ermitteln der Stärken der von den ersten Einrichtungen 3 abgegebenen Signale, eine Baueinheit 13 zum Ermitteln des Verhältnisses zwischen den Stärken der von den ersten Einrichtungen 3 aufgefangenen, durch ein Leck verursachten Schallwellen anhand von durch die Baueinheiten 12 abgegebenen Signalen, eine Baueinheit 14 zum Ermitteln des Ortes der Leckstel-Ie A aufgrund des von der Baueinheit 13 ermittelten Stärkeverhältnisses unter Verwendung der ersten Einrichtung 3, welche die durch das Leck verursachten Schallwellen aufgefangen haben, als Ausgangs- bzw. Bezugspunkte, und eine Baueinheit 15 zum Anzeigen des durch die Einheit 14 ermittelten Werts.

Die Abstände zwischen der Leckstelle A und den ihr beiderseits benachbarten ersten Einrichtung sei mit / a und /b (Pig. 7) angenommen, wobei sich der Ort der Leckstelle durch die Gleichung

= l (1-Σ /ab -jL· log ¹^Ih (D

bestimmen läßt. Darin ist

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V die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen "bei -einer Strö- ' mungsgeschwindigkeit Null; dieser Bezugswert ist in der Einheit 14 eingespeichert,

ν die Geschwindigkeit des Strömungsmittels in dem Hohlraum beim Auftreten des Lecks; dieser. Weart wird der Einheit 14 von der Meßeinheit 11 aufgegeben,

ist der in der Einheit 14 eingespeicherte Abstand zwischen den beiden benachbarten ersten Einrichtungen 3,

O<- ist "der in der Einheit 14 eingespeicherte Dämpfungskoeffizient von durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen bei ihrer Fortpflanzung in dem Hohlraum und

Ia und Ib sind die Stärken der von den ersten Einrichtungen 3 jeweils aufgefangenen und in Form von Signalen an die Einheit 13 abgegebenen Schallwellen,

Ia /

wobei /Ib durch die Einheit 13 ermittelt und an die Einheit 14 weitergegeben wird.

Ist also der Abstand von der Leckstelle A und der ihr entgegen der Ströinungsrichtung in dem Hohlraum benachbarten ersten Einrichtung 3 gleich £a, so betragen

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die wirksamen Entfernungen La und Lb, über welche sich die durch das Leck verursachten Schallwellen von der Leckstelle A bis zu den beiden ersten Einrichtungen fortpflanzen, in Anbetracht von V und ν

La = —y-— a (2)

Lb = —ψ— b (3)

Ist ferner die Stärke der durch das Leck in dem Hohlraum hervorgerufenen Schallwellen an der Leckstelle gleich Io, so ergibt sich

Ia = Io e ~"-^M (4)

Ib = Io e "^¹¹³ (5)

Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sich ^T- = e - <*(!*- Lb) ₍₆₎

Aus den Gleichungen 2, 3 und 6 läßt sich die Gleichung 1 ableiten.

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Die dritte Einrichtung 10 enthält zweckmäßig einen * jjjigenkorrelator, welcher ein den durch ein Leck verursachten Schallwellen entsprechendes Signal ausfiltert und an die Einheit" 13 abgibt. TJm die Auffindung der Leckstelle A mittels der dritten Einrichtung 10 möglichst genau zu gestalten, haben die ersten Einrichtungen 3 im Hinblick auf die in Pig. 3 und 5 gezeigten Beziehungen zwischen der Frequenz und der Dämpfung von durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen eine hohe Empfindlichkeit für Frequenzen, bei denen die Schallwellen eine bestimmte Dämpfung erfahren. Die Baueinheiten 12 zum Ermitteln des Signalpegels der von den ersten Einrichtungen 3 zugeführten Signale ist dann zweckmäßig zum Auffassen von Schallwellensignalen im höchstmöglichen Frequenzbereich eingerichtet. Da sich ferner der Dämpfungskoeffizient der durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen in Abhängigkeit von der gewählten Frequenzbreite ändert, sollte der Frequenzbereich im Hinblick auf die Genauigkeit möglichst schmal sein. Anhand verschiedener Frequenzbereiche ermittelte Ergebnisse werden zweckmäßig miteinander verglichen, um eine möglichst genaue Angabe des Orts der Leckstelle A zu erhalten.

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Bei Einführung eines in Abhängigkeit von Temperatur und Druck in dem Hohlraum veränderlichen Bezugswerts V für die Portpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen läßt sich die Genauigkeit der Auffindung der Leckstelle A weiter steigern.

Bei Wegfall der Meßeinheit 11 kann in der Einheit 14 ein Schätzwert für die Strömungsgeschwindigkeit ν eingespeichert werden. Selbst wenn der Schätzwert geringe Abweichungen zeigt, ist der Unterschied zwischen der tatsächlichen und der angezeigten leckstelle nicht allzu groß, da ν normalerweise gegenüber V sehr klein sein dürfte.

Beispiel 2

Wie man aus Pig.. 9 ersieht, enthält die dritte Einrichtung 10 in diesem Beispiel Verstärker 16 zum Verstärken der von den ersten Einrichtungen 3 ausgehenden Signale, Baueinheiten 17 zum Ausfiltern von Signalen in einem bestimmten Frequenzbereich aus den durch die Verstärker verstärkten Signalen, einen Querkorrelator 18 zum Ermitteln der Beziehungen zwischen den durch die beiden Einheiten 17 ausgefilterten Signalen und somit zum Ermitteln

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des Zeitunterschieds "beim Auftreffen von am Punkt A durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen auf den betreffenden ersten Einrichtungen 3, eine Baueinheit zum Feststellen des Orts der Leckstelle A aufgrund der durch den Querkorrelator 18 ermittelten Werte und eine Einheit 20 zum Anzeigen des durch die Einheit 19 ermittelten Wertes.

Ist der Abstand zwischen der Leckstelle A und der ihr entgegen der Strömungsrichtung in dem Hohlraum zunächst liegenden ersten Einrichtung 3 gleich Q. a und der Abstand zwischen der Leckstelle A und der ihr in Strömungsrichtung zunächst liegenden·ersten Einrichtung 3 gleich Kb, so ist der gegenseitige Abstand der beiden ersten Einrichtung 3 gleich ^ab und der Ort der Leckstelle ergibt sich aus

[(V + v) Ätab + /abj

(7)

Darin ist

V und ν wie im ersten Beispiel die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen bzw. die Strömungsgeschwindigkeit in dem Hohlraum,-

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ist der durch den Querkorrelator ermittelte Zeitunterschied zwischen dem Auftreffen der durch ein Leck am Punkt A hervorgerufenen Schallwellen an den 'betreffenden ersten Einrichtungen 3.

Sind also ta und fb die bis zum Auftreffen von durch ein Leck am Punkt A verursachten Schallwellen an den betreffenden ersten Einrichtungen 3 benötigten Zeiten, so ergibt sich

(8)

V + ν

Aus den Gleichungen (8) und (9) ergibt sich

ta Zb

= ta - tb =

-J

Da ferner

JLb. = ./ab - >fb (11)

ergibt sich aus den Gleichungen -(1O) und (11)

A - A

γ _ _v - V + V

— 2.1 —

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Durch Vereinfachung von Gleichung (12) erhält man · Gleichung (7).

Im Beispiel 2 erhält man den WertÄtab durch Auswertung der !Frequenzverteilung von durch das Leck hervorgerufenen Schallwellen oder von zeitlichen Schwankungen der Stärke der Schallwellen. Dementsprechend wird durch die Einheit 17 zweckmäßig ein Frequenzbereich ausgefiltert, bei dem die Dämpfung gering ist. Ein solcher !Frequenzbereich läßt sich anhand der in Fig. 3 und 5 gezeigten Beziehungen zwischen der Frequenz von durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen und ihrer Dämpfung bei der Fortpflanzung ermitteln. Im Hinblick auf die in Fig. 4 und 6 gezeigten Beziehungen von Stärke und Frequenz der durch ein Leck hervorgerufenen Schallwellen kann fallweise ein breiter oder auch ein schmaler Frequenzbereich gewählt werden.

Das Verfahren und die Anordnung gemäß der Erfindung ist auch für die Überwachung von Vorratsbehältern für Strömungsmittel wie Hochdruckgasbehälter, Öltanks und dergleichen auf Strömungsmittelaustritte hin geeignet. Dabei läßt sich das Vorhandensein eines Strömungsmittelaustritts aus dem Behälter mittels einer an geeigneten

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Stellen vorzugsweise -innerhalb des Behälters angeordneten Anordnung von ersten Einrichtungen 3 feststellen, indem wenigstens eine der ersten Einrichtungen 3 die sich in dem Hohlraum fortpflanzenden, durch den Austritt verursachten Schallwellen unabhängig vom Ort des Austritts auffängt. Werden die durch ein Leck verursachten Schallwellen von wenigstens drei nicht in gegenseitiger Ausrichtung angeordneten ersten Einrichtungen aufgefangen, so läßt sich auch der Ort des Lecks bestimmen, indem man ähnlich wie in den Beispielen 1 und 2 die gegenseitigen Beziehungen der durch die drei Einrichtungen . auf gefangenen Schallwellen ermittelt, wobei die Stellungen der betreffenden ersten Einrichtungen als Ausgangspunkte dienen.

Somit schafft die Erfindung ein Verfahren und eine Anordnung zum feststellen und Auffinden von Strömungsmittelaustritten aus einer langen Rohrleitung, mit einer Anzahl von Einrichtungen, etwa Mikrofonen, welche in relativ großen Abständen in einem unter Verwendung der Rohrwandung beispielsweise im Inneren des Rohrs gebildeten langen Hohlraum angeordnet sind. Die Einrichtungen fangen durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufene, sich in dem begrenzten Raum fortpflanzende Schallwellen

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auf. Ferner enthält die Anordnung eine Einrichtung, mittels welcher das Auffangen von durch einen Strömungsmittelaustritt verursachten Schallwellen durch wenigstens eine der ersten Einrichtungen feststellbar ist.

-Patentanspräche-

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   J Verfahren zum sicheren Feststellen von Strömungsmittelaustritten aus Rohren einer Strömungsmittel-Transportleitung, dadurch gekennzeichnet, daß ein langgestreckter, wenigstens an einer Seite seines Querschnitts durch eine Wandung des das Strömungsmittel transportierenden Rohres begrenzter und sich in Längsrichtung desselben erstreckender Hohlraum gebildet wird, daß eine Anzahl von ersten Einrichtungen zum Auffangen von sich in dem Hohlraum, fortpflanzenden Schallwellen in gegenseitigen Abständen in Längsrichtung des Rohres angeordnet wird, wobei einander benachbarte erste Einrichtungen in einem solchen Abstand angeordnet werden, daß jeweils wenigstens eine derselben durch einen Strömungsmittelaustritt zwischen den Einrichtungen verursachte Schallwellen aufzufangen vermag, daß man eine zweite Einrichtung zum Auffangen von durch die ersten"Einrichtungen abgegebenen, das Auftreffen von Schallwellen anzeigenden Signalen in Wirkverbindung mit den ersten Einrichtungen

   !
   anordnet, daß die durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen, sich in dem Hohlraum fortpflanzenden Schallwellen durch wenigstens eine der ersten Einrichtungen aufgefangen werden und daß das Auffangen der

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   durch den Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen" Schallwellen durch die ersten Einrichtungen an der zweiten Einrichtung und damit das Vorhandensein des Strömungsmittelaustritts festgestellt wird.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl von mit der Anzahl der ersten Einrichtungen zusammenwirkenden zweiten Einrichtungen an einem Ort zusammen angeordnet werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als den langgestreckten Hohlraum den Innenraum des Rohres verwendet.

   4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als den langgestreckten Hohlraum einen zwischen dem Rohr und einer dieses umgebenden Wandung gebildeten Raum verwendet.

   5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsmittelaustritt aus dem Rohr dadurch festgestellt wird, daß die Stärke der von den ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen einen vorbestimmten Wert überschritten haben.

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   6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Überschreiten des vorbestimmten Wertes durch die Schallwellen mittels der ersten Einrichtungen festgestellt wird.

   7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste(n) Einrichtung(en) ein durch Umwandlung der aufgefangenen Schallwellen erhaltenes Wellensignal an die zweite Einrichtung abgibt bzw. abgeben und daß die zweite Einrichtung das Überschreiten des vorbestimmten Werts durch die Stärke der Schallwellen feststellt.

   8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch einen Strömungsmittelaustritt aus dem Rohr hervorgerufenen Schallwellen durch Eigen-Korrelation aus den von den ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen ausgefiltert werden.

   9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem langgestreckten Hohlraum fortpflanzenden Schallwellen von wenigstens zwei der ersten Einrichtungen aufgefangen werden, daß die Vielzahl der durch mehrere erste Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen einer Querkorrelation unterworfen werden, wobei die

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   durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen zum Feststellen des Vorhandenseins des Austritts ausgefiltert werden.

   10, Verfahren .nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zeitliche Schwankungen der Frequenz und Stärke der mittels der ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen unter Bildung eines Musters ermittelt werden und daß das so erhaltene Muster zum Feststellen von Strömungsmittelaustritten mit einem Bezugsmuster verglichen wird, welches die zeitlichen Schwankungen von Frequenz und Stärke der Schallwellen bei Vorhandensein eines Strömungsmittelaustritts zeigt.

   11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einander benachbarte erste Einrichtungen derart anordnet, daß durch einen Strömungsmittelaustritt zwischen den beiden Einrichtungen hervorgerufene Schallwellen von wenigstens zwei der ersten Einrichtungen aufgefangen werden, daß die betreffenden ersten Einrichtungen eine entsprechende Anzahl von das Auffangen der Schallwellen anzeigenden Signalen an wenigstens eine dritte Einrichtung abgeben, wobei die an die dritte Einrichtung abgegebenen Signale durch Umwandlung von durch die ersten

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   Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen erhaltene Wellensignale sind und die dritte Einrichtung außerdem die Funktion der zweiten Einrichtung erfüllt, und daß die gegenseitigen Beziehungen der der dritten Einrichtung zugeführten Signale zum Auffinden des Orts des Strömungsmittelaustritts ermittelt werden.

   12.Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale zum Feststellen der gegenseitigen Beziehungen von" mehreren der von mehreren der ersten Einrichtungen abgegebenen Signale miteinander verglichen werden.

   13."Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der einzelnen Wellensignale zum Ausfiltern eines durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Signals vor dem Vergleich der Signalstärken einer Eigenkorrelation unterworfen wird.

   14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung der gegenseitigen Beziehungen zwischen den Signalen die Zeitunterschiede der Portpflanzung der Schallwellen von der Austrittsstelle zu einer Anzahl von ersten Einrichtungen durch Querkorrelation der Wellensignale ermittelt werden.

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   15. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet", daß die gegenseitigen Beziehungen zwischen den Signalen auto*- matisch ermittelt werden, daß der Ort der Austrittsstelle aufgrund der ermittelten Beziehungen automatisch errechnet wird und daß der errechnete Wert angezeigt wird.

   16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zustrom von Strömungsmittel zur Austrittsstelle automatisch abgesperrt wird.

   1?. Anordnung zum Feststellen von Strömungsmittelaustritten aus Rohren einer langen Strömungsmittel-Transportleitung, gekennzeichnet durch einen sich in Längsrichtung des Rohres (1) erstreckenden, wenigstens an einer Seite durch. eine Wandung des Rohres begrenzten Hohlraum, durch eine Anzahl von in großen Abständen entlang dem Rohr angeordnete erste Einrichtungen (3) zum Auffangen von sich in dem Hohlraum fortpflanzenden Schallwellen, wobei einander benachbarte erste Einrichtungen in einem zum Auffangen von durch einen zwischen den beiden Einrichtungen vorhandenen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen durch wenigstens eine der beiden ersten Einrichtungen geeigneten Abstand angeordnet sind, und durch zweite Einrichtungen (4) zum Anzeigen des Auffangens

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   von durch den otrömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen durch die ersten Einrichtungen aufgrund von durch diese abgegebenen Signalen.

   18. Anordnung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Einrichtungen (4) sämtlich an einem Ort angeordnet sind.

   19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum durch den Innenraum des Rohres (1 ) gebildet ist.

   20. Anordnung nach Anspruch 17> dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum ein zwischen dem Rohr (1) und einer dieses umgebenden Wandung (8) gebildeter Raum ist.

   21. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der ersten Einrichtungen (3) das Ansteigen der Stärke der aufgefangenen Schallwellen über einen vorbestimmten Wert feststellbar ist.

   22. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der ersten Einrichtungen (3) von diesen aufgefangene Schallwellen in Wellensignale umwandelbar und

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   diese an die zweiten Einrichtungen (4) abgebbar sind und daß das Übersteigen eines vorbestimmten Werts durch die Stärke des von der ersten Einrichtung abgegebenen Wellensignals und damit ein Strömungsmittelaustritt mittels der zweiten Einrichtungen feststellbar ist.

   23. Anordnung nach Anspruch 17» gekennzeichnet durch einen Eigen-Korrelator zum Ausfiltern von durch einen Strömungs · mittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen aus den durch die ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen durch Eigenkorrelation.

   24. Anordnung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß die ersten Einrichtungen (3) zum Auffangen von durch einen Strömungsmittelaustritt zwischen zweien derselben hervorgerufenen Schallwellen durch wenigstens zwei derselben angeordnet sind und daß ein Querkorrelator zum Ausfiltern von durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen aus den aufgefangenen Schallwellen durch Querkorrelation von wenigstens zwei von den ersten Einrichtungen aufgefangene Schallwellen vorgesehen ist.

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   25. Anordnung nach Anspruch 17, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Darstellen von zeitlichen Schwankungen der Frequenz und Stärke der durch die ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen in !Form eines Musters und durch eine Einrichtung zum Vergleichen des so erhaltenen Musters mit einem die zeitlichen Schwankungen der Frequenz und Stärke der Schallwellen bei Vorhandensein eines Strömungsmittelaustritts zeigenden Bezugsmuster♦

   26. Anordnung nach Anspruch 17» dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Strb'mungsmittelaustritt hervorgerufene Schallwellen jeweils durch wenigstens zwei erste Einrichtungen in Wellensignal-Informationen umwandelbar sind und daß eine die Funktion der zweiten Einrichtung (4) einschließende dritte Einrichtung (10) zum Ermitteln der gegenseitigen Beziehungen zwischen den von mehreren ersten Einrichtungen abgegebenen Wellensignale«. vorgesehen ist.

   27. Anordnung nach Anspruch 26, daduroh gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (to) eine Einheit zum Ermitteln des Stärkenverhältnisses zwischen den von mehreren ersten Einrichtungen aufgefangenen Schallwellen enthält.

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   28. Anordnung nach. Anspruch 27» gekennzeichnet durch einen Eigen-Korrelator zum Ausfiltern des durch einen Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Wellensignals aus anderen Wellensignalen durch Eigenkorrelation vor dem Ermitteln des Stärkenverhältnisses.

   29. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung (10) eine Einheit zum Ermitteln der Zeitunterschiede "bei der Fortpflanzung von durch den Strömungsmittelaustritt hervorgerufenen Schallwellen von der Austrittsstelle zu mehreren der ersten Einrichtungen durch Querkorrelation der Wellensignale aufweist.

   30. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Einrichtung eine Einheit zum Berechnen des Orts der Austrittsstelle aufgrund der gegenseitigen Beziehungen zwischen mehreren Signalen und eine Einheit zum Anzeigen des errechneten Ergebnisses aufweist.

   31. Anordnung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch wenigstens ein Absperrorgan (2) zum Sperren des Strömungsmitteltransports durch das Rohr (1) und durch mittels eines von der dritten Einrichtung abgegebenen Befehlssignals auslösbare Betätigungseinrichtungen (6) zum selbsttätigen Schließen des Absperrorgans.

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