DE3726585A1 - Verfahren zum orten von leckgeraeuschen und vorrichtung zur ausuebung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise mit der auf den gleichen Anmelder zurückgehenden DE 31 12 829 bekannt ge­ worden. Bei diesem bekannten Verfahren wird der Rohrschaden durch Abhorchung des schadhaften Rohres im Bereich des um­ gebenden Erdreiches erfaßt und eine Analyse des Leck­ geräusches so durchgeführt, daß die Amplitude und/oder die Frequenzen verschiedener Meßstellen am Rohr einem digitalen Speicher eingegeben werden, der eine optische Anzeige an­ steuert, die gleichzeitig sichtbar die Amplitudenkurve und/oder die Frequenzen längs des schadhaften Rohres dar­ stellt.

Mit diesem Verfahren ist eine ausgezeichnete Ortung von Rohrschäden möglich, obwohl ein gewisser Bedienungsaufwand bei der Bedienung des hierzu verwendeten Gerätes notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das Orten von Leckgeräuschen noch schneller mit geringerem Bedienungsaufwand erfolgt und insbesondere Umweltgeräusche besser ausgeblendet werden können.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung des aktuell erfaßten Leckgeräusches mit einer im Gerät gespeicherten Verteilung eines Referenz-Leckgeräusches verglichen wird, wobei das aktuelle Signal und das Referenzsignal vor dem Vergleich in gleicher Weise verarbeitet werden, und daß bei annähernder Übereinstimmung zwischen dem aktuellen Leckgeräusch und einem typischen Referenz-Leckgeräusch eine Leckmeldung erfolgt.

Erfindungsgemäß wird also ein Leckortungssystem vorgeschlagen, das allgemein Leckgeräusche einer Rohrleitung aufnimmt, digitalisiert und typische Eigenarten des Geräusches bestimmt. Zur Identifizierung der Leckart wird das verarbeitete Signal mit im Gerät gespeicherten Referenzgeräuschen bekannter Lecks, die in gleicher Weise wie das aktuelle Leckgeräusch verarbeitet wurden, verglichen. Der Vergleich geschieht dabei in der Art, daß die dem aktuellen Leckgeräusch evtl. überlagerten Umweltgeräusche die Vergleichsbildung nicht stören. Typische Umweltgeräusche können aus dem Lecksignal auch schon von vornherein ausgefiltert werden. Der Signalvergleich kann die Zeitfunktion oder eine andere vorverarbeitete Funktion (Cepstrum, Daten­ reduktion) oder auch eine Frequenzanalyse betreffen.

Hierbei wird es bevorzugt, wenn der Vergleich durch Bildung der Fourier­ transformierten der Signale und anschließender Bildung der Frequenzkohärenz durchgeführt wird.

Die technische Lehre nach der vorliegenden Erfindung liegt darin, daß die Geräusche zunächst digitalisiert werden, d.h. für eine Zeit, die z.B. von der untersten interessierenden Frequenz abhängt, wird die Zeitfunktion des Geräusches von einem Analog-Digital­ wandler in digitale Werte umgesetzt. Das damit vorliegende digitalisierte Leckgeräusch wird dann mit den Methoden der Signalver­ arbeitung umgeformt. Man berechnet z.B. nach einer entsprechenden Fensterung mit einem FFT-Algorithmus das Spektrum oder eine andere individuelle Eigenschaft des aktuellen Geräusches. Auch andere in diesem Bereich übliche Verarbeitungslogarithmen, wie z.B. Cepstrum, sind denkbar.

Die im Gerät gespeicherten Referenzgeräusche werden mit den gleichen Algorithmen behandelt und anschließend mit dem transformierten aktuellen Geräusch verglichen. Der Vergleich geschieht im einfachsten Fall durch Bildung der Fehlerquadratsumme. Werden Signalspektren verglichen, so geschieht das vorzugsweise durch Bildung der Frequenz-Kohärenz. Das Referenzsignal, das das günstige Vergleichsergebnis gibt, wird anschließend durch eine entsprechende Mitteilung dem Benutzer angezeigt. Je nach Meßart, d.h. ob das Gerät an der Bodenoberfläche über der Leckstelle bzw. Rohrleitung eingesetzt wird, ob die Geräusche direkt von der Leitung selbst abgenommen werden oder ob sie mit Sensoren direkt aus dem strömenden Medium ausgekoppelt werden, muß das Referenzgeräusch entsprechend selektiert werden. Die Schallausbreitung durch ein inhomogenes Medium, wie die verschiedenen Erdschichten, unterscheidet sich grundsätzlich von einer geführten Schallausbreitung in einer Rohrleitung. Es wäre auch denkbar, mit einem Referenz-Leckgeräusch zu arbeiten und die Ausbreitung in den verschiedenen Medien durch eine Modellrechnung zu berücksichtigen. Da lediglich das am nächsten liegende Geräusch als wahrscheinliche Leckursache angegeben wird und keine genaue Übereinstimmung gefordert ist, spielen auch störende Umweltgeräusche nur eine untergeordnete Rolle.

Im übrigen werden erfindungsgemäß typische Umweltgeräusche im Lecksignal beim Vergleich mit dem Referenzsignal ausgeblendet. Umwelt- oder auch Entnahmegeräusche, die dem Meßsignal überlagert sind, lassen sich durch die unterschiedlichen Signaleigenschaften von den interessierenden Leckgeräuschen unterscheiden. Während Leckstellen überwiegend stationäre Signale erzeugen, sind die Einflüsse der Umwelt oder der Entnahme überwiegend stochastischer Natur.

Durch geeignete Vergleichsalgorithmen läßt sich so erreichen, daß zusätzliche Geräuschanteile eine Detektion nicht verhindern. Das aktuelle Geräusch kann gespeichert werden, um nach Identifizierung der Leckart, z.B. durch Aufgrabung, innerhalb bereits vorgegebener Adaptionsgrenzen das entsprechende Referenzgeräusch zu modifizieren oder um als neues Referenzgeräusch zu dienen. Nachdem der für die Leckidentifizierung signifikante Frequenzbereich oder eine sonstige typische Eigenart damit bekannt ist, wird vom Gerät automatisch eine Filtereinheit so programmiert, daß nur noch dieser interessierende Bereich für eine akustische und optische Anzeige zur weiteren Leckeingrenzung verwendet wird. Die automatische Einstellung der Filter läßt sich natürlich auch durch eine manuelle Einwirkung des Benutzers verändern. Eine weitere Leckeingrenzung wird vom Gerät dadurch unter­ stützt, daß für die lecktypischen Signalanteile eine Amplitudenbewertung erfolgt und bei mehreren Messungen entlang einer Trasse die entsprechenden Unterschiede zur vorhergehenden Messung angezeigt werden. Damit ist es z.B. auch möglich, den Verlauf der Schallintensität des Lecks entlang einer Trasse als Funktion der Meßstellen anzuzeigen.

Da die gleichen Komponenten zur Signalerfassung, Speicherung und Anzeige auch in sogenannten Wasserkorrelatoren verwendet werden können, ist erfindungsgemäß ein Geräuschvergleich auch in solchen Geräten anzuwenden. Bei Wasserkorrelatoren werden die Geräusche einer Rohrleitung mit zwei Sensoren an verschiedenen Stellen aufgenommen. Durch Bildung der Kreuzkkorrelierten wird der Laufzeitunterschied des Geräusches zwischen den beiden Meßstellen bestimmt und damit der Ort des Lecks berechnet. Auch bei diesen Geräten ist es wünschenswert, die Art des Lecks zu erkennen, um Rückschlüsse auf die Plausibilität der Leckortung ziehen zu können. Die vorher beschriebenen Prinzipien zur Geräuschidentifizierung lassen sich auch hier anwenden. Es genügt hierbei, die entsprechenden Algorithmen im Programmspeicher des Gerätes zu ergänzen und ggf. den verfügbaren Speicherbereich zu erweitern. Als Referenzgeräusche sind dabei vorzugsweise die leitungsgebundenen Leckgeräusche vorzusehen.

Verwendet man für die Leckgeräuschanalyse Signale, die durch einen Sensor mit direktem Kontakt zum strömenden Medium gewonnen werden, so lassen sich große Reichweiten erzielen. Bei Wasserrohren nennt man solche Sensoren Hydrofone. Analysiert man mit dem beschriebenen Verfahren diese Geräusche einer Rohrleitung durch den Vergleich mit entsprechend gewonnenen Referenzgeräuschen, so kann man die Aussage treffen, ob in dem betreffenden Rohrnetzabschnitt ein Leck vorhanden ist. Durch die große Reichweite des Schalls im Medium selbst kann man, gegenüber der konventionellen Messung an der Bodenoberfläche mit Mikrofonen, ganze Leitungsbereiche oder Abschnitte eines Rohrnetzes mit geringem Zeitaufwand überprüfen und eine systematische Fehlereingrenzung durchführen.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen - einschließlich der Zusammenfassung - offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen darge­ stellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesent­ lich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von mehrere Ausfüh­ rungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Hier­ bei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung wei­ tere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er­ findung hervor.

Es zeigen:

Fig. 1 prinzipieller Aufbau eines erfindungsgemäßen Leckortungssystems in einer ersten Ausführungsform;

Fig. 2 eine zweite, erweiterte Ausführungsform des Leck­ ortungssystems.

Ein Aufnehmer 1 nimmt die Schalleistung vom Boden oder dem Rohr selbst auf und wandelt sie in ein elektrisches Signal um. Ein dem Sensor angepaßter Verstärker 2 erhöht die Signalamplitude für die folgende Verarbeitung. Durch ein System von Filtern 3 wird das Lecksignal entsprechend selektiert und anschließend mit einem Analogdigitalwandler 4 digitalisiert.

Ein Mikroprozessorsystem 5 steuert die Meßabläufe und stellt die notwendigen Meßparameter für A/D-Wandler und Filter ein. Außerdem interpretiert es die Benutzereingaben über die Tastatur 7 und gibt die Werte für die Anzeige­ einheit 8 aus. Der Speicher 6 ist so konstruiert, daß er seine Daten auch nach Abschalten des Gerätes behält (angedeutet durch das Batteriesymbol der Batterie 10). In diesem Speicher 6 sind die zum Vergleich dienenden Signale der bekannten Leckgeräusche gespeichert und werden von dem Mikroprozessor 5 verarbeitet, nach den im vorhergehenden beschriebenen Algorithmen.

In Bezug auf den gezeigten Filter 3 ist es wichtig, daß durch Analyse des Geräuschspektrums oder durch Anzeige des Geräuschspektrums und manuelle Positionierung von zwei Cursoren im angezeigten Spektrum der Analoge oder auch digitale Filter 3 so eingestellt wird, daß eine optimale Leckortung möglich ist. Bei digitaler Filterung muß vor dem A/D-Wandler ein fester sog. Antialiasing-Filter angeordnet werden und die variable Filterung nach der A/D-Wandlung vorgenommen werden. Die so gefilterten Leckgeräusche werden bewertet und der Benutzer erhält so eine Aussage über Zu- oder Abnahme der Leckgeräuschintensität beim Ortungsvorgang.

Wesentlich ist, daß durch Modifikation der gespeicherten Spektren mit den aktuell gemessenen Spektren die gespeicherten Spektren innerhalb vorgegebener Adaptionsgrenzen verbessert und dadurch die Identifizie­ rungssicherheit erhöht wird.

In Fig. 1 ist noch gezeigt, daß die genannten Geräte alle an einem Daten- und Adreßbus 9 angeschlossen sind und daher über das Bussystem mit dem Speicher 6 und dem Mikroprozessor 5 verkehren können. Die eingezeichneten Pfeile geben an, daß die betreffenden Geräte nicht nur vom Bus Daten empfangen können, sondern auch Daten auf den Bus aussenden können.

Das Prinzipschaltbild der Fig. 2 zeigt die Grundelemente eines Wasserkorrelators. Alle in Fig. 1 gezeigten Elemente (1-10) sind auch bei dem in Fig. 2 dargestellten Prinzipschaltbild enthalten. Die mit einem Strich gekennzeichneten Elemente kommen zusätzlich hinzu und entsprechen in ihrer Funktion dem mit der gleichen Bezugszahl versehenen Element des Prinzipschaltbilds der Fig. 1.

Der Aufnehmer 1′, der Verstärker 2′ und der Filter 3′ kommen zur Erfassung des zweiten Signals hinzu.

Der A/D-Wandler 4 kann mit zwei parallel arbeitenden Bausteinen aufgebaut sein oder ein schnellerer Wandler setzt die Analogwerte beider Eingänge zeitlich versetzt nacheinander um. Zusätzlich zu den Elementen von Fig. 1 kommt ein spezielles Element, die Korrelatoreinheit, in Form des Rechenschaltkreises 11 dazu. Prinzipiell ist es möglich, daß das Mikroprozessorsystem 5 auch die Korrelation berechnet, aber zur Geschwindigkeitssteigerung ist eine spezielle Korrelatoreinheit, meist aus einer Anordnung digitaler Schieberegister bestehend, notwendig. Die Algorithmen, die zum Geräuschvergleich notwendig sind, werden im Programmspeicher der Mikroprozessoreinheit 5 ergänzt, ebenso wie die Programme zur Darstellung der Ergebnisse auf der Anzeige 8.

Der Rechenschaltkreis 11 kann also sowohl als hardwaremäßig ausgebildete Korrelatoreinheit oder auch als Subprozessor ausgebildet sein. Der Rechenschaltkreis 11 ist hierbei über einen Daten- und Adreßbus 12 mit dem Daten- und Adreßbus 9 gekoppelt und ferner liegen die Filter 3, 3′ ebenfalls an einem eigenen Daten- und Adreßbus 13. Selbstverständlich ist es möglich, alle gezeigten Daten- und Adreßbusleitungen 9, 12, 13 zu einem einzigen Bus zusammenzufassen.

Claims (9)

1. Verfahren zum Orten und Erkennen von Leckgeräuschen in einer von einem Medium durchströmten Rohrleitung, bei dem das aktuelle Leck­ geräusch über einen akustischen Aufnehmer erfaßt und digitalisiert wird und die individuellen Eigenschaften des Geräusches errechnet werden, dadurch gekennzeichnet, daß Eigenschaften des aktuell erfaßten Leckgeräusches mit im Gerät gespeicherten Eigenschaften eines Referenz-Leckgeräusches verglichen werden, wobei das aktuelle Signal und das Referenzsignal im Gerät vor dem Vergleich in gleicher Weise verarbeitet werden, und daß bei ausreichender Überein­ stimmung zwischen dem aktuellen Leckgeräusch und einem typischen Referenz-Leckgeräusch eine Leckmeldung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich des aktuellen Leckgeräusches oder Signals mit dem Referenz-Leckgeräusch oder Referenz-Signal im Frequenzbereich durch Bildung der Fourier-Transformierten der Zeitsignale und anschließender Vergleichsoperation, wie Bildung der Frequenzkohärenz durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vergleich des aktuellen Leckgeräusches mit dem Referenz-Leckgeräusch mit Zeitsignalen durch Bildung der Kreuzkorrelierten aus den beiden Geräuschen durchgeführt wird oder deren Kreuzleistungsspektrum.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Modifikation der gespeicherten Geräusche mit den aktuell Gemessenen die Referenzgeräusche innerhalb vorgegebener Adaptionsgrenzen angepaßt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchführung des Verfahrens eine Zusatzfunktion eines Leckortungsgerätes mit weiteren Funktionen ist (z.B. Leckortungskorrelator).

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Verwendung von Geräuschen aus dem Medium selbst (z.B. Hydrofone) eine flächendeckende Analyse von Versorgungsbereichen auf Vorhandensein eines Lecks erfolgt.

7. Vorrichtung zum Erkennen und Orten von Leckgeräuschen nach Anspruch 1 mit einem ein aktuelles Leckgeräusch erfassenden Aufnehmer (1), der sein Signal über einen Verstärker (2) einem Filter (3) zuführt, der mit einer Anzeige (8) gekoppelt ist, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ausgang des Filters (3) auf den Eingang eines A/D-Wandlers (4) geführt ist, daß der Ausgang des A/D-Wandlers (4) auf einen Datenbus (9) geschaltet ist, an dem ferner ein die Referenz-Leck­ geräusche speichernder, digitaler Speicher (6), ein den Daten- und Adreß-Bus (9) und die daran angeschalteten Geräte (3, 4, 6, 7, 8) steuernder Mikroprozessor (12) und eine Tastatur (7) sowie eine Anzeige (8) angeschlossen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Mikroprozessor in seinen Durchlaßeigenschaften veränderliche Filter (3) auch nach der A/D-Wandlung als digitaler Filter realisiert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im digitalen Speicher mehrere Referenz-Leckgeräusche hinsichtlich ihrer individuellen Eigenschaften speicherbar sind.