DE2529791A1

DE2529791A1 - Vorrichtung zum auffinden eines fluidlecks

Info

Publication number: DE2529791A1
Application number: DE19752529791
Authority: DE
Inventors: Atsushi Hara; Hideo Hayashi; Sigeru Ohtomo
Original assignee: Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 1974-07-03
Filing date: 1975-07-03
Publication date: 1976-02-05
Also published as: US3987662A; JPS516083A

Description

PATENTANWALT K PROF. DR. DR. J. REITSTÖTTER

DR.-ING. WOLFRAM BUNTE

DR. WERNER KINZEBACH

D-BOOO MÜNCHEN 4O. BAUERSTRASSE 22 · FERNRUF (Ο89) 37 05 83 · TELEX 821S2OS !«AR D POSTANSCHRIFT: D-SOOO MÜNCHEN 43. POSTFACH 7BO

München, den 3. Juli 1975 M/16 166

NIPPON KOKAN KABUSHIKI KAISHA, 1-2, 1-chome, Marunouchi, Chiyoda-ku, Tokio/ JAPAN

Vorrichtung zum Auffinden eines Fluidlecks

Die Erfindung "betrifft eine Vorrichtung zum schnellen und genauen Feststellen eines Fluidlecks, welches zwischen einem Punktstrom aufwärts und einem Punktstrom abwärts in einem relativ langen Strömungsweg eines fluiden Mediums auftritt, sowie zum Auffinden der Leckstelle des fluiden Mediums. (Hierbei und im folgenden umfaßt der Begriff "Fluid" flüssige und/oder gasförmige Medien).

Manchmal kann in einer Leitung für ein fluides Medium (im

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folgenden kurz "Fluidleitung" genannt), wie einer ölpipeline, durch zufällige Bildung eines Loches oder einen Rohrbruch ein Fluidleck auftreten. Ein solches Fluid!eck kann zu einem großen Unglück führen, wenn das Fluid einen niedrigen Flammpunkt hat, wie Benzin, oder wenn es sich um eine sehr giftige chemische Substanz handelt. Um die Rohrleitung daher in einem normalen Betriebszustand zu halten, der eine ununterbrochene Förderung des fluiden Mediums garantiert, ist es daher notwendig, ein Leck, wenn es auftreten sollte, sobald wie möglich festzustellen und die Lage der Leckstelle genau zu ermitteln.

Bislang ist eine Vorrichtung zum Auffinden eines Lecks gemäß der Darstellung in Fig. 1 bekannt. Eine solche herkömmliche Vorrichtung wird bei einer ölförderanlage installiert, bei welcher zwischen einem Behälter 1 an der öllieferstation und einem Behälter 2 an der ölaufnahmestation eine Rohrleitung 3 verläuft, welche das öl von dem Behälter 1 in den Behälter 2 mit Hilfe einer stromaufwärts angeordneten Pumpe 4 fördert. Nahe der Pumpe 4 ist beispielsweise ein Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 an die Rohrleitung 3 angeschlossen, welches als primäres Durchflußmeßgerät arbeitet. In ähnlicher Weise ist in der Nähe des Behälters 2 ein weiteres Turbinen-Durchflußmeßgerät 6 an die Rohrleitung 3 angeschlossen, welches als sekundäres Durchflußmeßgerät arbeitet. Jedes Turbinen-Durchflußmeßgerät weist, wie bekannt, eine magnetische Rotationsscheibe auf, die von dem strömenden Fluid gedreht wird, sowie eine elektromagnetische Wicklung, welche die Rotationsscheibe umgibt. Diese Durchflußmeßgeräte 5 und 6 erzeugen Impulssignale mit einer Impulsfrequenz, die proportional ist zu der Durchflußmenge des durch die Rohrleitung 3 strömenden fluiden Mediums.

Sofern nicht ein Fluidleck auftritt, erzeugen die beiden Turbinen 5 und 6 Impulesignale gleicher Impulsfrequenz. Diese

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Impulssignale laufen durch Torschaltungen 8 und 9, deren Tore gleichzeitig durch den Ausgang eines Torsignalgenerators 7 geöffnet werden. Sie werden dann von einem Zähler 10 gezählt und die Differenz zwischen der Anzahl der Impulssignale aus der Torschaltung 8 und aus der Torschaltung 9 wird in diesem Fall zu Null ermittelt. Leckt aber Fluid aus der Rohrleitung 3, beispielsweise an einer Stelle, die dem Durchflußmeßgerät 5 näher liegt als dem Durchflußmeßgerät 6, dann erzeugt das stromabwärts gelegene Turbinen-Durchflußmeßgerät 6 während einer vorgegebenen Zeitspanne weniger Impulssignale. Demzufolge wird die Differenz der Anzahl der Impulssignale durch den Zähler 10 gemessen, dessen Zählerwert einem Vergleicher 11 aufgegeben wird.

Selbst wenn keinerlei Fluid durch eine Leckstelle ausströmt, kann die Impulsfrequenz jedes Turbinen-Durchflußmeßgeräts im Laufe der Zeit schwanken, beispielsweise infolge Änderungen des von der Pumpe 4 aufgebauten Fluiddruckes oder aufgrund der Art des fluiden Mediums. Eine solche Änderung der Impulsfrequenz kann zu einem irrtumlichen Feststellen eines Fluidlecks führen. Um solche irrtümlichen Leckanzeigen zu vermeiden, wird ein Alarmwert festgesetzt und mit dem Zählerwert des Zählers 10 verglichen. Wenn nämlich Fluid aus der Rohrleitung 3 leckt, dann übersteigt der Zählerwert des Zählers 10 den vorbestimmten Alarmwert, und der Vergleicher 11 gibt ein Alarmsignal ab, welches das Auftreten eines Fluidlecks anzeigt.

Wenn ein Zähler Impulse zählt, die durch eine Torschaltung aufgegeben werden, ist im allgemeinen der Zählerwert am Ende der vorbestimmten Öffnungsperiode der Torschaltung mit einem Fehler von - einem Impuls behaftet, was infolge des Quantelungsfehlers unvermeidbar ist. Der fehlerhafte Zählerwert des Zählers vermindert daher die Auflösung bzw. Genauigkeit des Zählerwertes in bezug auf die tatsächliche Durchflußmenge an fluidem Medium. Um die Auflösung des Zäh-

^r> η q 9, η, r, / η η ι r.

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lenwertes zu erhöhen, kann man vorschlagen, den Zählerwert des Zählers größer zu machen, so daß der Zählfehler von -einem Impuls im Vergleich zu dem Zählerwert klein ist. Ferner wird die Auflösung des Zählerwertes "begrenzt durch die Impulsfrequenz der Durchflußmeßgeräte. Die Anzahl der Impulssignale von den Durchflußmeßgeraten sollte daher vergrößert werden, so daß in einem vorbestimmten Zeitraum mehr Impulse von dem Zähler gezählt werden können, wodurch der Anteil des Zählfehlers von i einem Impuls gegenüber dem gesamten Zahlerwert des Zählers verringert wird. Jedoch kann die Impulsfrequenz eines üblicherweise verwendeten Durchflußmeßgerätes, wie eines Turbinen-Durchflußmeßgerätes, kaum vergrößert werden, da sie begrenzt ist durch die mechanischen Paktoren des Meßgerätes. Beispielsweise werden die von den herkömmlichen Durchflußmeßgeraten erzeugten Impulssignale direkt gezählt, um die Durchflußmenge zu ermitteln. Aus diesem Grund stellt die herkömmliche Vorrichtung zum Auffinden eines Fluidlecks gemäß der Darstellung in 3?ig.1 ein Fluidleck nur mit geringer Genauigkeit fest. Um die Genauigkeit der Feststellung bzw. des Auffindens zu vergrößern, können die Tore der Torschaltungen 8 und 9 über einen relativ langen Zeitraum geöffnet werden, so daß der Zähler 10 mehr von diesen Torschaltungen 8 und 9 abgegebene Impulse zählen kann. Wird jedoch die Zählzeit des Zählers 10 verlängert, so kann das Fluidleck nicht schnell entdeckt werden, so daß eine größere Menge an fluidem Medium aus der Rohrleitung 3 leckt, als dies sonst der Fall wäre. Darüber hinaus kann sich ein langsames Auffinden eines Lecks als ungenaues Feststellen des Lecks erweisen, da die Genauigkeit des Auffindens bzw. FestBtellens stärker durch äußere Faktoren, wie Temperatur, Druck und Dichte des fluiden Mediums beeinträchtigt werden kann, als dies bei einem schnellen Auffindevorgang bzw. Feststellvorgang der Fall ist. Das schlechteste daran ist, daß durch ein langsames Feststellen des Lecks die Lage des Lecks nicht genau ermittelt werden kann.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Auffinden eines Fluidlecks zu schaffen, durch welche ein Fluidleck schnell und mit großer Genauigkeit festgestellt werden kann und die Leckstelle schnell und genau aufgefunden werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung nimmt Impulssignale auf, die mit Impulsfrequenzen erzeugt werden, welche den zeitlichen Durchflußmengen des Fluids an stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Punkten eines Pluidströmungsweges bzw. einer Pluidleitung entsprechen, und vergleich die Differenz zwischen den Impulsfrequenzen mit einem vorbestimmten Wert, um hierdurch das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines Fluidlecks zwischen dem stromaufwärts gelegenen und dem stromabwärts gelegenen Punkt festzustellen. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zeitlichen Durchflußmengen wiederholt in Zeitabständen festgestellt werden, welche viel kürzer sind als eine Differenz Af zwischen der Zeit X* und TL, die vergehen, bis sich eine Durchflußmengenänderung an dem stromaufwärts gelegenen bzw. stromabwärts gelegenen Punkt nach dem Auftreten des Fluidlecks zeigt, wobei der Verlauf der Durchflußmengenänderung in bezug auf die Zeiten t, und TL erhalten wird, die Zeitdifferenz At aus dem Verlauf der Durchflußmengenänderung erhalten wird und der Abstand χ zwischen dem stromaufwärts oder dem stromabwärts gelegenen Punkt und der leckstelle als Funktion der Zeitdifferenz ΔΤ' erhalten wird durch die folgende Formel:

worin 1 den Abstand zwischen dem stromaufwärts gelegenen und dem stromabwärts gelegenen Punkt und a die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bedeuten.

509886/nnin

M/16 166 J₀ „ .

Die Zeichnungen zeigen in:

Pig. 1 ein Blockschaltbild einer herkömmlichen Vorrichtung zum Auffinden eines Fluidlecks;

Pig. 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Auffinden eines Pluidlecks;

Pig. 3 Signalwellenformen im Zusammenhang mit der Erläuterung der Punktionsweise der Vorrichtung der Pig. 2;

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Durchflußmengenänderung an dem stromaufwärts und an dem stromabwärts gelegenen Punkt in der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung, aufgetragen gegen die Zeit, zeigt;

Pig. 5 ein Blockschaltbild der zweiten Torschaltung in dem zu dem stromaufwärts gelegenen Punkt gehörenden Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 2;

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Durchflußmengenrechners in dem zu dem stromaufwärts gelegenen Punkt gehörenden Teil der Vorrichtung der Fig. 2;

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Zeitfolgendurchschnittswertrechners in dem zu dem stromaufwärts gelegenen Punkt gehörenden Teil der Vorrichtung der Pig. 2;

Pig. 8 ein Blockschaltbild des Vergleichstors in dem zu dem stromaufwärts gelegenen Punkt gehörenden Teil der Vorrichtung gemäß Fig. 2;

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Pig. 9 ein Blockschaltbild der LeckentscheidungSBchaltung der Vorrichtung der Fig. 2; und

Pig. 10 ein Blockschaltbild des Leckstellendetektors der Vorrichtung der Pig. 2.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden im einzelnen unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert, in welcher die den Elementen in Pig. 1 entsprechenden Elemente die gleichen Bezugszeichen tragen. An einem stromaufwärts gelegenen Punkt einer Rohrleitung 3 ist ein Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 vorgesehen und erzeugt Impulssignale mit einer Impulsfrequenz entsprechend der zeitlichen Durchflußmenge eines Fluids, beispielsweise von öl. Die Impulssignale haben eine große Breite und eine Wellenform mit einer leichten Neigung am Anstieg und eignen sich daher nicht für ein genaues Peststellen eines Fluidlecks. Die Wellenform der Impulssignale von dem Durchflußmeßgerät 5 wird gleichgerichtet durch eine Wellenformwandlerschaltung 21, wodurch man eine Folge von Impulsen (Impulsreihensignal) S₁ gemäß der Darstellung in Fig. 3(a) mit einer scharfen Neigung am Anstieg erhält. An einem stromabwärts gelegenen Punkt der Rohrleitung 3 ist ein anderes Turbinen-Durchflußmeßgerät 6 vorgesehen. Die Wellenform der Impulssignale von diesem Durchflußmeßgerät 6 wird ebenfalls gleichgerichtet durch eine andere Wellenformwandlerschaltung 22, wodurch man eine Folge solcher Impulse (Impulsreihensignal) S, wie in Pig. 3(b) dargestellt erhält.

Die von der Wellenformwandlerschaltung 21 abgegebenen Impulse S₁ werden auf eine primäre Torschaltung 23 und eine sekundäre Torschaltung 24 aufgegeben, die beide in dem dem stromaufwärts liegenden Punkt zurechenbaren Bereich (im folgenden Oberlaufbereich genannt) der Rohrleitung 3 vorgesehen sind. Gleichzeitig werden die von der Wellenformwandlerschaltung 22 abgegebenen Impulse Sp einer primären Tor-

^ η ^RRn / η η ι r

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schaltung 25 und einer sekundären Torschaltung 26 aufgegeben, die beide in dem dem stromabwärts gelegenen Punkt zurechenbaren Bereich (im folgenden Unterlaufbereich genannt) vorgesehen sind. Beide primären Torschaltungen 23 und 25 werden durch Zyklussignale bzw. periodische Signale t, wie in Fig. 3(d) dargestellt, gesteuert, die von einem Zyklussignalgenerator 27 erzeugt werden. Das heißt, ihre Tore werden selektiv geöffnet und geschlossen durch die periodischen Signale t, welche die Dauer der Periode bestimmen, während welcher ein Fluidleck, sofern vorhanden, festgestellt werden soll, und die viel kürzer gewählt wird als eine Differenz At zwischen der Zeit X. und der Zeit Tp, die verstreichen, bis eine Durchflußmengenanderung an den Turbinen-Durchflußmeßgeräten 5 bzw. 6 nach dem Auftreten des Fluidlecks an einer Stelle zwischen den Durchflußmeßgeräten eintritt. Die Periode des Signals t wird zu etwa 1/100 der Zeitdifferenz AX festgesetzt. Diese Periode wird gewöhnlich auf 0,1 bis 1 Sek. festgesetzt. Die periodischen oder Zyklussignale t werden aufeinanderfolgend einem Flip-Flop 28 und einem Flip-Flop 29 derart aufgegeben, daß diese Flip-Flops 28 und 29 beispielsweise durch ein Zyklussignal t₁ gesetzt und durch ein Zyklussignal tp zurückgesetzt werden. Sind diese Flip-Flops 28 und 29 gesetzt, dann geben sie an die primären Torschaltungen 23 bzw. 25 ein Torsignal gemäß der Darstellung in Fig. 3(e) ab mit einer Impulsbreite entsprechend der Zeitdauer zwischen der Erzeugung der periodischen oder Zyklussignale t₁ und tp. Während dieser Zeitdauer sind die Tore der primären Torschaltungen 23 und 25 geöffnet, wodurch Impulssignale wie in Fig. 3(h) und Impulssignale wie in Fig. 3(i) einem primären Zähler 30 im Oberlaufbereich bzw. einem Zähler 31 im Unterlaufbereich aufgegeben werden und von diesem gezählt werden können.

In der Zwischenzeit sind die Tore der sekundären Torschal— tungen 24 und 26 durch das periodische Signal t und auch

^Γι π 9 fl R r. / η η ι r.

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durch die Impulse S₁ bzw. S« geöffnet worden und ermöglichen es, daß Taktimpulse C, die beispielsweise eine Frequenz von 10 MHz haben und von einem Taktsignalgenerator 32 erzeugt worden sind und deren Frequenz größer ist als die der Impulse S₁ oder Sp, auf einen sekundären Zähler 33 im Oberlaufbereich bzw. auf einen sekundären Zähler 34 im Unterlaufbereich aufgegeben werden. Wie in Fig. 3(f) dargestellt ist, wird das Tor der sekundären Torschaltung 24 nach dem Erhalt des ersten Impulses S₁ nach der Aufnahme des periodischen Signals t₁ geöffnet und nach Erhalt des ersten Impulses S₁ nach Aufnahme des periodischen Signals t₂ geschlossen.

Die sekundäre Torschaltung 24 ist konstruiert, wie dies beispielsweise in Fig. 5 dargestellt ist. Wenn ein T-Flip-Flop 241 das Zyklussignal t₁ von dem Zyklussignalgenerator 27 erhält, wird es gesetzt und erzeugt ein Ausgangssignal, welches ein Tor einer UND-Schaltung 242 öffnet. Unter dieser Bedingung gibt die UND-Schaltung 242 ein Ausgangssignal weiter, wenn ihr anderes Tor den ersten Impuls S₁ empfängt. Das Ausgangssignal der UND-Schaltung 242 wird dann auf den Satz-Kontakt eines SR-Flip-Flop 243 aufgegeben, so daß das SR-Flip-Flop ein geltestes -Ausgangs signal erzeugt, welches das Tor der Torschaltung 244 öffnet, wie in Fig. 3(f) dargestellt, wodurch die Taktimpulse C auf den Zähler 331 aufgegeben werden.

Ansprechend auf das periodische Signal tg wird das T-Flip-Flop 241 rückgesetzt, so daß das Tor der UND-Schaltung 242 geschlossen wird. Gleichzeitig wird ein Tor der anderen UND-Schaltung 246 geöffnet durch ein Ausgangssignal von einem Wechselrichter 245· Unter dieser Bedingung erzeugt die UND-Schaltung 246, wenn das andere Tor der UND-Schaltung 246 den ersten Impuls S₁ empfängt, ein Ausgangssignal, welches

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das SR-Flip-Flop 243 zurücksetzt, wodurch das Tor der Torschaltung 244 schließlich geschlossen wird, wie dies in Fig. 3(f) dargestellt ist. Hierdurch werden Taktimpulse N₁, wie in Fig. 3(j) dargestellt, welche während der Öffnungsperiode der Torschaltung 244 erzeugt wurden, durch den sekundären Zähler 33 gezählt.

Die sekundäre Torschaltung 26 im Unterlaufbereich ist ähnlich aufgebaut wie in Fig. 5 dargestellt. In der sekundären Torschaltung 26 ist die Zeitdauer zwischen der Erzeugung des Zyklussignals t« und des ersten Impulses Sp länger als die Zeitdauer zwischen der Erzeugung des Zyklussignals X^ und des ersten Impulses S₁. Dies hat zur Folge, daß die sekundäre Torschaltung 26 länger geöffnet ist als die sekundäre Torschaltung 24 im Oberlaufbereich, wie in Fig. 3(g) dargestellt, und es werden Taktimpulse Ng, wie in Fig. 3(k) dargestellt, auf den Zähler 34 aufgegeben.

Der Zähler 30 gibt auf einen Durchflußmengenrechner 35 ein Signal auf, weiches repräsentativ ist für die Anzahl N_Q1 von Impulsen S₁, die während der Periode zwischen den periodischen Signalen t.. und tp gezählt werden, und der Zähler 33 gibt auf den Durchflußmengenrechner 35 ein Signal auf, welches repräsentativ ist für die Anzahl N₁ von Taktimpulsen C, die während der gleichen Periode gezählt werden. Der Durchflußmengenrechner berechnet die Durchflußmenge Q₁ an dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 unter Benützung der folgenden Gleichung (1):

N .f

^Qi ^β "V'^Ki'T ₍₁₎

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Darin bedeutet T die Periode, f_Q die Frequenz des Taktimpulses C und K₁ eine Konstante.

Der Durchflußmengenrechner 35 ist aufgebaut, .wie dies beispielsweise in Fig. 6 dargestellt ist. Das für N₁ repräsentative Signal wird zusammen mit einem für f~ repräsentativen Signal einer·Dividierschaltung 351 aufgegeben. Die Dividierschaltung 351 dividiert f_Q durch N₁, um die durchschnittliche Periode der Taktimpulse C (d.h. ^/N₁) zu erhalten. Die durchschnittliche Periode wird einer Multiplizierschaltung 352 aufgegeben und mit N_Q1, K₁ und T multipliziert, um die Rechnung gemäß Gleichung (1) zu vervollständigen. Die Durchflußmenge Q₁ an dem Durchflußmengenmeßgerät 5 wird auf diese Weise von dem Durchflußmengenrechner 35 ermittelt und einem Zeitfolgendurchschnittswertrechner 37 aufgegeben. In der Zwischenzeit wird die Durchflußmenge Qp an dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 6 durch einen Durchflußmengenrechner 36 ähnlich dem Durchflußmengenrechner 35 ermittelt und dann einem anderen Zeitfolgendurchschnittswertrechner 38 aufgegeben.

Der Zeitfolgendurchschnittswertreehner 37 soll die Differenz Q₁ zwischen der nten Durchflußmenge Q₁, die von dem Durchflußmengenrechner 35 erhalten wird, und dem Durchschnittswert

J₁ ⁰Ii

der durchgeflossenen n-Durchflußmengen Q^₁, Q±-o* ^i-V *" Q_1-11, die innerhalb η-Perioden erhalten wurden, ermitteln. Der Rechner ist aufgebaut, wie dies beispielsweise in Fig.7 dargestellt ist. Die Zahl η wird vorzugsweise festgesetzt auf das Zweifache der Periode der Änderung von Q. Ein Schieberegister empfängt und speichert aufeinanderfolgend die von dem Durchflußmengenrechner 35 kommenden Durchflußmengen-

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signale, die repräsentativ sind für Q_i-n» °i_(_n_i)» Q. ,, Q_1-2 und QjL_i · ^Die Durchflußmengen Qj__n "bis Q_1-1 werden alle auf eine Additionsschaltung 372 aufgegeben, um ihre Summe:

zu erhalten. Ein für die Summe repräsentatives Signal wird dann einer Dividierschaltung 373 aufgegeben und durch η dividiert. Auf diese Weise erhält man den Mittelwert von n-Durchflußmengen. Der Mittelwert wird einer Subtraktionsschaltung 374 aufgegeben, welche ein Durchflußmengeninkrement AQ₁ ermittelt, die Differenz zwischen der durchschnittlichen Durchflußmenge und der Durchflußmenge Q₁, erhalten unmittelbar nach der Durchflußmenge Q_1-1· Hierfür gilt:

Der Zeitfolgendurchschnittsrechner 38 im Unterlaufbereich ist genauso aufgebaut wie der Rechner 37 im Oberlaufbereich und gibt ein Ausgangssignal ab, d.h. ein Durchflußmengeninkrement oder -dekrement

Die Dur chflußmengeninkremente oder -dekremente AQ₁ und AQ₂ die so für den stromaufwärts liegenden Punkt und für den stromabwärts liegenden Punkt erhalten werden, werden Vergleichstoren 39 bzw. 40 zugeführt. Das Vergleichstor 39 vergleicht IAQ₁I mit einem vorbestimmten Schwellenwert JA₁I für die Durchflußmengenänderung. Nur wenn |AqJ>JA₁J , d.h. wenn AQ₁ > A₁ oder AQ₁< -A₁, dann läßt das Vergleichs-

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tor 59 das ihm aufgegebene, für AQ₁ repräsentative Signal passieren. Es ist beispielsweise wie in Pig. 8 dargestellt aufgebaut. Eine Eingangskiemme eines Vergleichers 391 nimmt das Ausgangssignal des Zeitfolgendurchschnittswertrechners 37 auf, d.h. das Durchflußmengeninkrement AQ₁. Die andere Eingangsklemme des Vergleichers 391 nimmt den Schwellenwert A₁ für die Durchflußmengenänderung auf. Nur wenn

> A₁, dann gibt der Vergleicher 391 ein Ausgangssignal ab, welches der Torklemme einer Torschaltung 395 durch ein ODER-Tor 394 aufgegeben wird. Nach Empfang des Ausgangssignals des Vergleichers 391 wurde das Tor der Torschaltung 395 geöffnet, wodurch das für AQ₁ repräsentative Signal passieren kann. Analog wird das Durchflußmengeninkrement AQ₁ einer Eingangsklemme eines anderen Vergleichers 392 aufgegeben. Der anderen Eingangskiemme des Vergleichers wird von einem Signalgenerator 393 ein negativer Schwellenwert -A₁ für die Durchflußmengenänderung aufgegeben. Nur wenn AQ₁< -A₁, dann erzeugt der Vergleicher 392 ein Ausgangssignal, welches ebenfalls der Torklemme der Torschaltung 395 durch das ODER-Tor 394 aufgegeben wird. Dies ermöglicht es auch dem für AQ₁ repräsentativen Signal, die Torschaltung 395 zu passieren. Demzufolge öffnet das Tor des Vergleichstores 39 nur dann, wenn JAQ₁I > | A₁1, um das für AQ₁ repräsentative Signal hindurchgehenzulassen. Das heißt, so lange die Beziehung A^AQ₁ < -A₁ erfüllt ist, wird jegliche Durchflußmengenänderung als nicht auf einem ölleck beruhend eingeordnet.

Auch in dem Unterlaufbereich der Rohrleitung 3 ist ein Vergleichstor 40 vorgesehen. Das Tor kann analog aufgebaut sein, wie das Vergleichstor 39 im Oberlaufbereich. Der in diesem Tor 40 vorhandene Schwellenwert für die Durchflußmengenänderung kann von -A₁ bis A₁ reichen, wie in dem Tor 39, oder kann unterschiedlich hierzu von -A₂ bis A₂ reichen.

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B Π 9 8 8 6 / Π R 1 Π

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Beide Dur chf lußmengeninkr ement e AQ₁ und AQ₂ werden von den Vergleichstoren 39 und 40 einer Leckentscheidungsschaltung 41 aufgegeben. Sie werden gleichzeitig den Eingangsklemmen von Torschaltungen 42 "bzw. 43 aufgegeben. Die Leckentscheidungsschaltung 41 vergleicht die Durchflußmengeninkremente AQ₁ und AQ₂ und entscheidet, daß ein Fluidleck aufgetreten ist, wenn AQ₁ positiv ist und AQ₂ negativ ist (d.h. -Q₂), oder umgekehrt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 wird im folgenden erläutert, warum die Entscheidung getroffen werden kann, daß ein Ölleck zwischen den Turbinen-Durchflußmeßgeräten 5 und 6 aufgetreten ist. In dem Diagramm in Fig. 4 sind die Ausgangssignale des Durchflußmengenrechners 35 (d.h. die Durchflußmengen Q₁) und die Ausgangssignale des Durchflußmengenrechners 36 (d.h. die Durchflußmengen Q₂) gegen die jeweiligen Zykluszeiten bzw. Perioden aufgetragen, während weicher die Signale erzeugt wurden. Das Diagramm zeigt den Fall, in welchem Öl an einer Stelle ausleckt, die dem Durchflußmengenmeßgerät 5 näher ist als dem Durchflußmengenmeßgerät 6. Eine Zeitspanne T₁ nach dem Auftreten des Öllecks nimmt die Durchflußmenge Q₁ an dem stromaufwärts gelegenen Punkt zu. Mit einer Zeitverzögerung vonΔΤnimmt die Durchflußmenge Q₂ an dem stromabwärts gelegenen Punkt eine Zeitspanne T₂ nach dem Auftreten des öllecks ab. Das heißt, sollte ein ölleck auftreten, dann wurden die Durchflußmengen an dem stromaufwärts gelegenen Punkt und an dem stromabwärts gelegenen Punkt zunehmen bzw. abnehmen proportional zu der Menge an durch das Leck ausgeflossenem Öl. Die Gesamtmengen dieser Zunahme und Abnahme entsprechen dem ausgeflossenen Öl. Demzufolge hat das Durchflußmengeninkrement AQ₁ einen positiven Wert und das Durchflußmengeninkrement ZiQ₂ einen negativen Wert. Mit anderen Worten, wenn AQ₁ und AQ₂ als positiver bzw. negativer Wert festgestellt wer-

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98 86/0-8 1 Π

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den, dann ist festgestellt, daß ein ölleck an einer Stelle aufgetreten ist, die näher an dem Durchflußmengenmeßgerät liegt.

Wenn demzufolge eine Multiplizierschaltung 411 wie in Fig.9 dargestellt, verwendet wird, um das Produkt aus den beiden Inkrementen AQ₁ und AQ₂ zn bilden und wenn eine Vorzeichenbestimmungsschaltung 412 wie in Fig. 9 dargestellt, verwendet wird, um das Vorzeichen des Produkts kennenzulernen, dann kann das Vorliegen oder Nichtvorliegen eines öllecks festgestellt werden. Wird das Produkt als negativ ermittelt, dann erzeugt die Vorzeichenbestimmungsschaltung 412 ein Ausgangssignal, welches der Toreingangskiemme einer Torschaltung 42 und der einer anderen Torschaltung 43 aufgegeben wird.

Die Tore der Torschaltungen 42 und 43 werden nur geöffnet, wenn sie das Ausgangssignal der Vorzeichenbestimmungsschaltung 412 aufnehmen, worauf sie dann beide Signale die für AQ₁ und AQ₂ repräsentativ sind, durchlassen. Die für AQ₁ und AQ₂ repräsentativen Signale von der Torschaltung 42 werden einer Additionsschaltung 44 aufgegeben. Die Additionsschaltung 44 ermittelt die Summe aus JAQ-jl + J A*^! » welche den Mengen an insgesamt durch das Leck ausgeflossenem öl entspricht. Die Summe dieser absoluten Werte sagt, wenn festgestellt wird, daß sie größer ist als ein vorbestimmter gesetzter Alarmwert B, daß zwischen dem stromaufwärts liegenden Punkt und dem stromabwärts liegenden Punkt ein Leck aufgetreten ist. Das Ausgangssignal von der Additionsschaltung 44 wird daher einem Vergleicher 45 aufgegeben und mit dem vorbestimmten gesetzten Alarmwert B verglichen. Wenn das Ausgangssignal von der Additionsschaltung 44 größer ist als B, dann erzeugt der Vergleicher 45 ein Ausgangssignal, welches bewirkt, daß eine Alarmvorrichtung 46 ein Alarmsignal abgibt, welches den

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^Γι η q fl R R / η R ι r,

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Eintritt eines Lecks zwischen dem stromaufwärts gelegenen Punkt und dem stromabwärts gelegenen Punkt anzeigt.

Das Ausgangssignal der Vorzeichenbestimmungsschaltung 41 wird der Torschaltung 43 aufgegeben und öffnet deren Tor. Dies hat zur Folge, daß die Signale, die für die Durchflußmengeninkremente AQ₁ und AQ₂ repräsentativ sind, durch die Torschaltung 43 zu einem Detektor für die Lage des Lecks, im folgenden kurz Leckstellendetektor 47 genannt, geleitet werden. Der Leckstellendetektor 47 ist so konstruiert, daß er eine Differenz At zwischen der Zeit T₁ und der Zeit Tp, die verstreichen, bis eine Durchflußmengenänderung von den Durchflußmengenmeßgeräten 5 bzw. 6 nach dem Eintritt eines öllecks festgestellt wird, mißt. Er berechnet auf der Grundlage des ermittelten ΔΤ* den Abstand χ zwischen dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 und der Stelle des öllecks unter Anwendung der folgenden Gleichung (2):

1 ± a· AX

Darin bedeutet 1 den Abstand zwischen den Turbinen-Durchflußmeßgeräten 5 und 6 und a die Schallgeschwindigkeit in dem öl. Wenn a = 1200 m/sec, 1 = 50 km und Af= 5, dann errechnet sich χ zu 28 km; oder χ = 22 km, gemessen von dem Durchflußmengenmeßgerät 6.

Im folgenden wird erklärt werden, warum die Schallgeschwindigkeit a in dem öl verwendet wird, um die Stelle des öllecks zu orten. Wenn das öl ausleckt, ändert sich sein Druck an der Leckstelle. Diese Druckänderung pflanzt sich zu dem stromaufwärts gelegenen Punkt und zu dem stromabwärts gel.egenen Punkt der Rohrleitung 3 in Form einer Druckwelle fort.

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ς η q R R π / η η ι γ-

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Die Geschwindigkeit der Druckwelle ist bekanntlich gleich der Schaltgeschwindigkeit durch das in der Rohrleitung 3 strömende Öl. Wenn die Durchflußmengenmeßgeräte 5 und 6 die Durchflußmengen wiederholt in Intervallen messen, welche viel kleiner sind als die oben erwähnte Zeitdifferenz AT , dann wird der Verlauf der Durchflußmengenänderung hierdurch in bezug auf die Zeit T, und die Zeit T₂ festgestellt. Aus dem Verlauf ergibt sich die Zeitdifferenz AT. Daher kann der Abstand χ zwischen den Turbinen-Durchflußmeßgeräten 5 bzw. 6 und der Leckstelle aus der Gleichung (2) errechnet werden.

Im folgenden wird der Schaltungsaufbau des Leckstellendetektors 47 im einzelnen unter Bezugnahme auf Pig. 10 erläutert. Das Signal, welches für das Durchflußmengeninkrement oder Durchflußmengendekrement AQ₁ repräsentativ ist, wird von der Torschaltung 43 der Setzklemme bzw. dem Satzkontakt eines SR-Plip-Plop 471, sowie der Rücksatzklemme bzw.dem Rücksatzkcntakteines anderen SR-Plip-Plop 472 aufgegeben. Es sei nun angenommen, daß ein ölleck in der Rohrleitung 3 an einer Stelle auftritt, die dem Turbinen-Durchflußmeßgerät näher liegt als dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 6. Dann wird die Änderung der Durchflußmenge Q₁ durch das Durchflußmengenmeßgerät 5 festgestellt, bevor die Änderung der Durchflußmenge Q₂ von dem Durchflußmengenmeßgerät 6 festgestellt wird. Dies hat zur Folge, daß das Signal, welches für das Durchflußmengeninkrement AQ₁ repräsentativ ist, dem Leckstellendetektor 47 vor dem Signal aufgegeben wird, welches für das Durchflußmengeninkrement AQ₂ repräsentativ ist, so daß das SR-Plip-Flop 471 gesetzt und das SR-Plip-Plop 472 rückgesetzt wird. Nachdem es gesetzt wurde, erzeugt das SR-Plip-Plop 471 ein Ausgangssignal, welches einer Multiplizierschaltung 473 aufgegeben wird.

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η 9 a R ρ / η η ι π

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Wenn unter dieser Bedingung die Durchflußmenge Q₂ im Unterlaufbereich nach Verstreichen von Δΐ*abnimmt, wie in Pig.4 dargestellt, dann nimmt die Durchflußmengendifferenz (d.h. IAQ₂I) zwischen der Durchflußmenge Q₂ und dem Durchschnittswert der zeitlich aufeinanderfolgenden Durchflußmengen (Zeitfolgendurchschnittswert) proportional zu. Das SR-Flip-Flop 471 wird nämlich eine der Zeitdifferenz ΔΤ entsprechend lange Zeit gesetzt, und sein Ausgangssignal im gesetzten Zustand wird der Multipliziervorrichtung 473 zusätzlich aufgegeben. Das gesetzte Ausgangssignal des SR-Flip-Flop 471 ist ein Signal, welches für die Zeitdifferenz Δι*repräsentativ ist. Dieses gesetzte Ausgangssignal (d.h. AT) wird mit einem Signal multipliziert, welches repräsentativ ist für die Schallgeschwindigkeit in dem Öl. Das Produkt (d.h. a/AT), das Ausgangssignal der Multipliziervorrichtung 473, wird der negativen Klemme einer Additions schaltung 476 zugeführt. Mittlerweile wird auf eine positive Klemme dieser Additionsschaltung 476 ein Signal aufgegeben, welches repräsentativ ist für den Abstand zwischen den Turbinen-Durchflußmeßgeräten 5 und 6. Die Additionsschaltung 476 führt daher die Subtraktion 1 - a· AT aus. Das Ausgangesignal der Additionsschaltung 476 wird dann auf eine Dividierschaltung 478 aufgegeben und durch 2 geteilt. Die Dividierschaltung 478 sendet ein Ausgangssignal (d.h. 1 - ά· Δ(/2) aus, den Abstand χ zwischen dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 und der Leckstelle. Das Ausgangssignal der Dividier schaltung 478 wird einer Anzeigevorrichtung 48 aufgegeben, welche den Abstand χ optisch anzeigt. Auf diese Weise erfährt man, daß das öl an einer Stelle ausleckt, die einen Abstand von a/AT/2 von der Mitte in Richtung auf das Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 hat.

Ist das Ölleck an einer Stelle aufgetreten, die näher an dem stromabwärts gelegenen Punkt liegt, dann wird das SR-Flip-

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■¥ Dann wird das SR Flip-Flop 471 rückgesetzt und das SR Flip-Flop 472 gesetzt.

S 0 Π R R Γ, / Π R 1 Π

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Plop 472 durch das Signal (d.h. AQ₂) zuerst gesetzt und dann durch das Signal (d.h. AQ₁) rückgesetzt nach einer Zeit, die der Zeitdifferenz ΔΓ entspricht. Das Ausgangssignal im gesetzten Zustand, d.h. das gesetzte Ausgangssignal (ΔΤ*) des SR-Flip-Flop 472 wird multipliziert mit der Schallgeschwindigkeit in einer Multiplizierschaltung 477. Das Produkt (d.h. a/ΔΤ) wird der anderen positiven Klemme der Additionsschaltung 476 aufgegeben. Die Additionsschaltung 476 führt dann eine arithmetische Operation 1 + a»AT/2 aus. Das Ergebnis dieser Rechnung, der Abstand χ zwischen dem Turbinen-Durchflußmeßgerät 5 und der Leckstelle wird der Anzeigevorrichtung 48 aufgegeben und demzufolge angezeigt.

Die Schallgeschwindigkeit a in dem öl schwankt etwas in Abhängigkeit von der Temperatur, Viskosität, dem Druck oder der Dichte des Öls. Wenn diese Schwankung der Schallgeschwindigkeit korrigiert wird, kann die Leckstelle, an welcher das öl austritt, noch genauer festgestellt werden.

Bei den obigen Ausführungen wurde die Anwendung der Erfindung anhand einer ölpipeline beschrieben; natürlich kann die Erfindung auch auf Pipelines für die Förderung anderer fluider Medien, von Flüssigkeiten oder von Gasen verwendet werden.

Bei der geschilderten Ausführungsform dieser Erfindung wird das ölleck angezeigt, sobald eine Alarmvorrichtung ein Alarmsignal abgibt. Die Anzeige des öllecks ist jedoch nicht auf diese Art der Anzeige beschränkt. Es kann eine Anzeigevorrichtung zur optischen Anzeige des öllecks verwendet werden oder das Alarmsignal kann verwendet werden als ein Abschaltsignal für die Leitung, nach dessen Aufnahme die Pumpe 4 zu fördern aufhört.

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/nm

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Wie oben erwähnt, kann- erfindungsgemäß die Durchflußmenge des Fluids an zwei Punkten der Rohrleitung wiederholt in sehr kurzen Zeitabständen gemessen werden. Dies macht es möglich, einen genauen Verlauf der Durchflußmengenänderung über die Zeit zu erhalten. Aus diesem Verlauf kann leicht eine genaue Zeitdifferenz Δΐ ermittelt werden zwischen der Zeit T^, die verstreicht, bis die Durchflußmengenänderung an dem einen Punkt nach dem Pluidleck festgestellt wird, und der Zeit Tn* äie verstreicht, bis die Durchflußmengenänderung an dem anderen Punkt nach dem Pluidleck festgestellt wird. Man erhält daher, gestützt auf die Zeitdifferenz At, Aufschluß über das Fluidleck, und die Leckstelle kann schnell und mit großer Genauigkeit geortet werden.

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η π R R π / η π ι η

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

( 1. ) Vorrichtung zum feststellen einer zeitlichen Durch-■ —^y flußmenge zwischen einem stromaufwärts und einem stromabwärts gelegenen Punkt eines Fluidströmungsweges durch Erzeugen von Impulssignalen mit einer den zeitlichen Durchflußmengen des Fluids an diesen Punkten entsprechenden Impulsfrequenz, gekennzeichnet durch ein Durchflußmengenmeßgerät (5, 6) zur Erzeugung der Durchflußmengenimpulssignale mit Impulsfrequenzen entsprechend den festzustellenden zeitlichen Durchflußmengen, eine erste Torschaltung (23; 25) für den Durchtritt der Durchflußmengenimpulssignale während einer vorbestimmten Zeitperiode, einen ersten Zähler (30; 31) zum Zählen der Durchflußmengenimpulssignale von der ersten Torschaltung, einen Taktimpulsgenerator (32) zur Erzeugung von Taktimpulsen mit einer Impulsfrequenz die höher ist als die Impulsfrequenz der Durchflußmengenimpulssignale, eine zweite Torschaltung (24; 26) für den Durchtritt der von dem Taktimpulsgenerator erzeugten Taktimpulse während der Zeitperiode, einen zweiten Zähler (33; 34) zum Zählen der Taktimpulse von der zweiten Torschaltung, sowie einen arithmetischen Rechner (35;36) zur Berechnung der Durchflußmenge des Fluids während jeder Zeitperiode aus den Zählerwerten des ersten (30; 31) und des zweiten (33; 34) Zählers, der Impulsfrequenz der Taktimpulse und der Länge der Zeitperiode.

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509886/081ß

2R29791

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Vorrichtung zum Peststellen eines Fluidlecks zwischen einem stromaufwärts gelegenen und einem stromabwärts gelegenen Punkt eines Fluidströmungsweges durch Peststellen von Impulssignalen, die mit einer den zeitlichen Durchflußmengen des Fluids an den Punkten entsprechenden Impulsfrequenz erzeugt werden und durch Vergleichen der Differenz zwischen den beiden Impulsfrequenzen mit einem vorbestimmten Wert, dadurch gekennzeichnet , daß die zeitlichen Durchflußmengen wiederholt in Zeitabständen festgestellt werden, welche viel kürzer sind als eine Differenz ΔΤ zwischen den Zeiten T₁ und TV,» welche vergehen, bis eine Durchflußmengenänderung an dem stromaufwärts gelegenen Punkt bzw. dem stromabwärts gelegenen Punkt nach dem Eintreten des Pluidlecks zwischen diesen beiden Punkten stattfindet, daß der Verlauf der Durchflußmengenänderung über die Zeiten T₁ und Tp ermittelt wird, die Zeitdifferenz ΔΤ aus dem zeitlichen Verlauf der Durchflußmengenänderung ermittelt wird, und daß das Fluidleck festgestellt wird durch Vergleich eines festgesetzten Alarmwertes mit der Summe der Durchflußmengenvarianzen an dem stromaufwärts gelegenen Punkt und dem stromabwärts gelegenen Punkt, wobei die Durchflußmengenvarianz durch einen Zeitfolgendurchschnittswertrechner (37; 38) ermittelt wird, welcher ein Schieberegister (371) zur aufeinanderfolgenden Speicherung der Durchflußmengen zu den jeweiligen Zeitperioden, eine Additionsschaltung (372) zur Ermittlung der Summe der in dem Schieberegister gespeicherten Durchflußmengen, eine Dividierschaltung (373) zur Ermittlung des Durchschnittswertes der in der Zeit aufeinanderfolgenden Durchflußmengen in Bezug auf jede Zeitperiode aus der Summe der Durchflußmengen, sowie eine Subtraktionsschaxtung (374) zur Ermittlung der Differenz zwischen

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509886/nRI 6

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dem Durchschnittswert der zeitlich aufeinanderfolgenden Durchflußmengen (Zeitfolgendurchschnittswert) und der Durchflußmenge, bezogen auf die Zeitperiode, welche der letzten Zeitperiode unmittelbar folgt, aufweist.

Vorrichtung zum Peststellen eines Fluidlecks zwischen einem stromaufwärts gelegenen Punkt und einem stromabwärts gelegenen Punkt eines Fluidströmungsweges durch Feststellen von Impulssignalen, welche mit den Durchflußmengen des Fluids an diesen Punkten entsprechenden Impulsfrequenzen erzeugt werden und durch Vergleichen der Differenz zwischen den beiden Impulsfrequenzen mit einem vorbestimmten Wert, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmengen wiederholt in Zeitabständen festgestellt werden, welche viel kürzer sind als eine Differenz At' zwischen der Zeit T.. und der Zeit T₂, welche verstreichen, bis eine Durchflußmengenänderung an dem stromaufwärts gelegenen Punkt bzw. dem stromabwärts gelegenen Punkt nach dem Auftreten eines Fluidlecks zwischen diesen beiden Punkten eintritt, der Verlauf der Durchflußmengenänderung bezüglich der Zeit F₁ und der Zeit i*₂ ermittelt wird, die Zeitdifferenz ΔΤ aus dem Verlauf der Durchflußmengenänderung ermittelt wird und der Abstand χ zwischen der Fluidleckstelle und einem der Punkte aus der Zeitdifferenz Ät durch die folgende Gleichung:

1 - a-Δί
χ =

ermittelt wird, worin 1 den Abstand zwischen den beiden Punkten und a die Schallgeschwindigkeit in dem Fluid bedeuten, und wo durch die Fluidleckstelle geortet wird.

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^l\ η π π π r. / η γ ' γ.

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4. Vorrichtung nacht Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die wiederholte Durchflußmengenmessun^ ausgeführt wird von den Durchflußmengenmeßgeräten (5; 6) zur Erzeugung der Durchflußmengenimpulssignale mit Impulsfrequenzen entsprechend den zu messenden Durchflußmengen, einer ersten Torschaltung (23; 25) für das Durchlassen der Durchflußmengenimpulssignale während einer vorbestimmten Zeitperiode, einem ersten Zähler (30; 31) zum Zählen der Durchflußmengenimpulssignale von der ersten Torschaltung, einem Taktimpulsgenerator (32) zur Erzeugung von Taktimpulsen mit einer Impulsfrequenz, welche größer ist als die Impulsfrequenzen der Durchflußmengenimpulssignale, einer zweiten Torschaltung (24; 26) zum Durchlassen der von dem Taktimpulsgenerator in der Zeitperiode erzeugten Taktimpulse, einem zweiten Zähler (33; 34) zum Zählen der Taktimpulse von der zweiten Torschaltung, und einem arithmetischen Rechner (35; 36) zur Berechnung der Durchflußmenge des Pluids während jeder Zeitperiode aus den Zählerwerten des ersten Zählers (30; 31) und des zweiten Zählers (33; 34), der Impulsfrequenz der Taktimpulse und der Länge der Zeitperiode.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Durchflußmengenänderung ermittelt wird durch einen Zeitfolgendurchschnittswertrechner (37; 38), welcher ein Schieberegister (371) zum aufeinanderfolgenden Speichern der Durchflußmengen während der jeweiligen Zeitperioden, eine Additionsschaltung (372) zur Ermittlung der Summe der in dem Schieberegister gespeicherten Durchflußmengen, eine Dividierschaltung (373) zur Ermittlung des Durchschnittswertes der in der Zeit aufeinanderfolgenden Durchflußmengen, bezogen auf jede Zeitperiode aus der Summe der Durchflußmengen, sowie eine Subtraktionsschaltung (374) zur Er-

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π η π R R r, / η π ι γ

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mittlung der Differenz zwischen dem Durchschnittswert der zeitlich aufeinanderfolgenden Durchflußmengen und der Durchflußmenge, bezogen auf die Zeitperiode, welcher der letzten Zeitperiode unmittelbar folgt, aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdifferenz ein im gesetzten Zustand abgegebenes Ausgangssignal eines Flip-Flop ist, welches ansprechend auf eine zuerst an einem der Punkte festgestellte Durchflußmengenänderung gesetzt und ansprechend auf eine an dem anderen Punkt festgestellte Durchflußmengenänderung rückgesetzt wird.

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