DE69202091T2

DE69202091T2 - Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres.

Info

Publication number: DE69202091T2
Application number: DE69202091T
Authority: DE
Inventors: Takanori Itoh; Hiroshi Nakamura; Masaki Natori
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1991-03-27
Filing date: 1992-03-26
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2012-03-27
Also published as: EP0506406B1; CA2063918A1; CA2063918C; US5195059A; EP0506406A1; DE69202091D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres.
Einige der Rohr leitungen wie eine Gasrohrleitung und eine Signalkabel-Rohrleitung werden für eine lange Zeit unter der Erde verwendet.
Eine Gasrohrleitung als ein Beispiel ist zusammengesetzt aus einer unter der Erde verlegten Abzweig- Rohrleitung und von der Abzweig-Rohrleitung abgehenden Zuführ-Rohrleitungen für Wohnungen oder Firmen, von denen jede hiermit verbunden ist mit einem Gasmesser in einem Teil, der von der Erde freigelegt ist.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die die raumliche Beziehung zwischen der Hauptabzweigleitung, den Zuführleitungen und dem Gasmesser zeigt.
In einem Abschnitt A, in dem die Gasrohrleitung unter der Erde verlegt ist (zum Beispiel unter einer Straße), geht eine Zuführ-Rohrleitung 2a von einer Hauptabzweig-Rohrleitung 1 ab und sie ist an mehreren stellen durch Winkelstücke 3 oder dergleichen umgebogen. Jedes der Winkelstücke 3 ist eine Rohrverbindung zum Verbinden von Zuführleitungen untereinander mit einem Winkel zwischen diesen, welche einen kleinen Krümmungsradius aufweist. In einem Teil B der Gasrohrleitung, der von der Erde freigelegt ist, ist ein Gasmesser 4 mit Zuführleitungen 2b und 2c verbunden, welcher beispielsweise an der Wand eines nicht gezeigten Gebäudes befestigt ist, und eine Rohrleitung 2d ist innerhalb des Gebäudes verlegt.
Wenn eine unter der Erde verlegte Gasleitung korrodiert oder gebrochen ist, ist es erforderlich, die Gasleitung zu ersetzen oder zu reparieren. In diesem Fall wird ein Verfahren verwendet, das die Schritte des Aufgrabens der Erde und des Reparierens der freigelegten Gasleitung aufweist, sowie ein Verfahren ohne Aufgraben, bei dem die innere Oberfläche repariert wird, wobei flüssiges Harz von außen in ein zu reparierendes Zuführrohr gegossen und dann das Rohr einem Unterdruck ausgesetzt wird, um das gegossene Harz zu härten, damit die innere Oberfläche des Rohres mit dem Harz bedeckt wird. Das letztgenannte Verfahren ist vorteilhaft angesichts der Kosten und der Bewahrung von Gesetz und Ordnung, und demgemäß ist es erwünscht, daß die Entwicklung dieses Verfahrens gefördert wird. Jedoch blockiert bei diesem Verfahren eine übermäßige Menge von von außen in das Rohr gegossenem Harz das Rohr, jedoch bewirkt eine geringere Menge von Harz, daß die Beschichtung ungenügend ist. Demgemäß ist es bei einem solchen Verfahren vom Nichtaufgrab-Typ zum Reparieren der inneren oberfläche erforderlich, daß das Volumen eines Rohres zuvor berechnet wird, um die Menge des in das Rohr zu gießenden Harzes zu schätzen. Da der innere Durchmesser des Rohres bereits bekannt ist, ist es nur erforderlich, die Gesamtlänge des Zuführrohres zu messen.
US-A-4 584 676 offenbart ein Verfahren und einen Apparat zum Messen der Länge eines offenen Rohres, welche aufweisen: Wandlermittel, die als Schallemissionsmittel und als Schallauffangmittel betreibbar sind und so betrieben werden, daß sie Rechteckwellen- Schallimpulse erzeugen und auch das von dem entfernten Ende des Rohres zurückkehrende Echo erfassen; einen temperaturempfindlichen Widerstand zum Erfassen einer Temperatur in dem Rohr; einen Mikroprozessor zum Speichern der Geschwindigkeit V&sub0; des Schalls bei 273,5º Kelvin (= 0º C); wobei der Mikroprozessor auch geeignet ist zum Berechnen der Länge des Rohres aus einer Zeit zwischen der Emission des Rechteckwellen- Schallimpulses und dem Auffangen der Schallwellen sowie einer Schallgeschwindigkeit, welche von dem Schallgeschwindigkeitswert bei 273,50 Kelvin erhalten wird; und wobei die variable Frequenz der ausgesandten Impulse für eine maximale Leitung in dem Rohr abgestimmt ist.
EP-A-0 296 392 offenbart einen Apparat zum akustischen Messen der Rohrlänqe, welcher aufweist:
einen Oszillator und einen Empfänger an entgegengesetzten Enden eines Rohres zum Senden und Empfangen von Schallwellen;
einen Zeitmesser zum Messen der Zeit, die die Schallwelle benötigt, um sich von einem Ende des Rohres zu dem anderen Ende fortzupflanzen;
einen Rechner zum Bestimmen der Länge des Rohres auf der Grundlage eines Schallgeschwindigkeitswertes und der vorgenannten Fortpflanzungsgeschwindigkeit.
Herkömmlicherweise waren die folgenden Verfahren, wie beispielhaft durch die obigen Patente dargestellt, in dem technischen Gebiet der Messung der Länge eines Zuführrohrs durch die Verwendung von Schallwellen bekannt (siehe die Lektionsthesen des japanischen Meßsystems).
Wie in Fig. 2 gezeigt ist, sind ein Lautsprecher 6 und zwei Mikrofone 7, 8 mit einem Ende eines langen Rohres 5 gekoppelt, und ein Oszillator 9 ist mit dem Lautsprecher 6 verbunden, während ein Oszilloskop 10 mit den Mikrofonen 7, 8 verbunden ist. Bei diesem System wird eine von dem Lautsprecher 6 emittierte impulsartige Schallwelle von den Mikrofonen 7, 8 empfangen, und die Wellenformen der Schallwellen werden durch das Oszilloskop 10 beoachtet, um eine Schallgeschwindigkeit zu berechnen. Weiterhin wird die Zeit erhalten, die die Schallwelle benötigt, um sich von dem vorderen Ende 5a zu dem hinteren Ende des langen Rohres 5 fortzupflanzen, und demgemäß kann die Länge des langen Rohres 5 gemessen werden.

(2) Polyethylenrohr-Längenmeßsystem

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Lautsprecher 12 an einem Ende eines schlauchartigen Polyethylenrohrs 11 befestigt, und ein Mikrofon 13 ist an dem anderen Ende des Rohres 11 befestigt. Der Lautsprecher 12 und das Mikrofon 13 sind mit einer Meßvorrichtung 14 verbunden. Bei diesem System kann die Länge des Rohres 11 gemessen werden durch Verwendung der Zeit von der Emission einer impulsartigen Schallwelle bei mehreren khz durch den Lautsprecher bis zu deren Empfang am Mikrofon 13 sowie der Schallgeschwindigkeit. Es ist festzustellen, daß der Lautsprecher 12 und das Mikrofon 13 tatsächlich in engem Kontakt mit dem Rohr 11 sind, obgleich Fig. 3 zeigt, daß sie von dem Rohr 11 getrennt sind.
Im allgemeinen gibt in dem Fall der Messung der Länge eines geschlossenen Rohres mit der Verwendung einer Schallwelle mit den vorerwähnten Systemen (1) und (2), da die Schallgeschwindigkeit sich gemäß der Art, der Komponenten und der Temperatur des durch das Rohr ströinenden Gases ändert, eine Meßvorrichtung zum Messen der Länge eines Rohres entsprechend der Zeit zwischen der Emission einer Schallwelle in das Rohr und dem Empfang der zurückreflektierten Schallwellen einen gemessenen Wert, der unter verschiedenen Bedingungen differiert, da die Ausbreitung der Schallwelle sich ändert.
Unterdessen kann in dem System (1) die Frequenz einer Schallwelle auf einen Wert von etwa 1 kHz eingestellt werden, wenn der Bohrungsdurchmesser eines zu messenden langen Rohres groß ist und der Radius der Krümmung eines gebogenen Teils in dem Rohr groß ist. Wenn beispielsweise der Bohrungsdurchmesser eines Rohres wie eines Zuführrohres klein ist (25 mm) oder wenn eine Rohrverbindung wie ein T-Stück oder ein Winkelstück in dem gebogenen Teil vorhanden ist, wird die Reflexion einer Schallwelle an diesem Teil groß und demgemäß ist die Unterscheidung zwischen der reflektierten Welle an dem hinteren Ende des Zuführrohres und der reflektierten Welle an dem gebogenen Teil schwierig.
Wenn weiterhin die Frequenz einer Schallwelle herabgesetzt wird (die Wellenlänge hiervon wird vergrößert), ist es wahrscheinlich, daß die Messung durch Rauschen beeinträchtigt wird, woraus folgt, daß die Fehlerspanne bei Messung größer wird.
Da weiterhin beim System (2) der Lautsprecher 12 und das Mikrofon 13 jeweils an beiden Enden des zu messenden Rohres 11 angeordnet werden müssen, kann die Länge des Rohres kaum gemessen werden, ohne daß das unter der Erde verlegte Rohr freigelegt wird.
Da weiterhin die Messung tatsächlich schwierig ist, wenn nicht beide Ende eines zu messenden Rohres in einem gewissen Grad nahe zueinander sind, ist die Messung beispielsweise eines langen geraden Rohres im wesentlich unmöglich.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme zu lösen, und demgemäß ist es eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Länge eines Rohres genau zu messen, ohne durch eine Art und eine Temperatur des Gases in dem Rohr beeinträchtigt zu sein.
Eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Apparat zum akustischen Messen der Rohrlänqe zu schaffen, bei welchem die Reflexion an einem gebogenen Teil eines rohrartigen Teils geringer ist und welcher eine geringere Fehlerspanne bei der Messung bieten kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres vorgesehen, welche aufweist:
eine schallemittierende Vorrichtung zum Emittieren einer impulsartigen Schallwelle in einem rohrartigen Teil mit einer Länge an einem Ende des letztgenannten;
eine schallauffangende Vorrichtung zum Auffangen von Schallwellen an einem Ende des rohrartigen Teils, die an dem anderen Ende des rohrartigen Teils reflektiert wurden;
eine Temperaturerfassungsvorrichtung zum Erfassen
einer Temperatur in dem rohrartigen Teil, eine Speichervorrichtung zum Speichern eines Schallgeschwindigkeits-Wertes bei einer Bezugstemperatur für ein Gas, das in dem rohrartigen Teil vorhanden ist; und
eine Rechenvorrichtung zum Berechnen der Länge des rohrartigen Teils aus einer Zeit zwischen der Emission der impulsartigen Schallwelle und dem Auffangen der Schallwellen und einem Schallgeschwindigkeits- Wert, der aus dem Schallgeschwindigkeits-Wert bei der Bezugstemperatur erhalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge des in das rohrartige Teil emittierten Schalls so eingestellt ist, daß der folgenden Gleichung genügt ist:
worin λ die Schallwellen-Länge (m) ist,
d der Bohrungsdurchmesser (cm) des rohrartigen Teils ist,
1/n der Rauschabstand in dem Meßapparat ist,
v die Schallgeschwindigkeit (m/s) in dem rohrartigen Teil ist,
Δt die Abtastzeit (s) im Meßapparat ist, und
&epsi; die Fehlerspanne (m) bei der Messung ist, die dem Meßapparat inhärent ist.
Der Apparat zum akustischen Messen der Rohrlänge gemäß der vorliegenden Erfindung stellt die obere Grenze der Wellenlänge von Schallwellen, die zu dem einen Ende des rohrartigen Teils von der schallemittierenden Vorrichtung emittiert werden, auf einen Wert ein, welcher bestimmt ist durch den Fehler und den Rauschabstand, die dem Meßapparat inhärent sind, so daß die Fehlerspanne bei der Messung der Rohrlänqe herabgesetzt wird, und stellt die untere Grenze der Wellenlängen der impulsartigen Teile auf einen Wert ein, der bestimmt ist durch den Bohrungsdurchmesser des rohrartigen Teils, um die Reflexion dem rohrartigen Teil herabzusetzen.
Fig. 1 ist eine Ansicht, die die Beziehung zwischen einer Gasrohrleitung und einem Gasmesser illustriert;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das ein herkömmliches Rohrlängen-Meßsystem illustriert;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das ein anderes herkömmliches Rohrlängen-Meßsystem illustriert;
Fig. 4 ist ein Blockschaltbild, das eine schematische Anordnung eines Ausführungsbeispiels eines Apparates zum akustischen Messen von Rohrlängen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
Fig. 5 ist ein Flußdiagramm zur Erläuterung der Arbeitsweise des in Fig. 4 gezeigten Apparates zum Messen von Rohrlängen,
Fig. 6 ist ein Flußdiagramm, das sich an das in Fig. 5 gezeigte Flußdiagramm anschließt;
Fig. 7 ist eine Ansicht, die eine schematische Anordnung eines anderen Ausführungsbeispiels des Apparates zum akustischen Messen von Rohrlängen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert;
Fig. 8 ist eine Ansicht, die auf einem Oszilloskop beobachtete Wellenformen illustriert;
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Rohrlänqe eines Rohres und der Reflexionszeit zeigt;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und dem Reflexionsvermögen eines Rohres mit einem Bohrungsdurchmesser von 25 mm zeigt;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und einem Wert zeigt, der durch Teilen eines Reflexionsvermögens an einem gebogenen Teil eines Rohres mit einem Bohrungsdurchmesser von 25 mm durch ein Reflexionsvermögen an einem geöffneten Ende hiervon erhalten ist, zeigt;
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und dem Reflexionsvermögen eines Rohres mit einem Bohrungsdurchmesser von 50 mm zeigt;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und einem Wert, der durch Teilen eines Reflexionsvermögens an einem gebogenen Teil eines Rohres mit einem Bohrungsdurchmesser von 50 mm durch ein Reflexionsvermögen an einem offenen Ende hiervon erhalten ist, zeigt;
Fig. 14 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und dem Reflexionsvermögen eines Rohres mit einem Bohrungsdurchmesser von 80 mm zeigt;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und einem Wert, der durch Teilen eines Reflexionsvermögens an einem gebogenen Teil eines Rohres mit einem Durchmesser von 80 mm durch ein Reflexionsvermögen an einem offenen Ende hiervon erhalten ist, zeigt;
Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Bohrungsdurchmesser eines Rohres und einer minimalen Wellenlänge einer Schallwelle zeigt;
Fig. 17 ist eine erläuternde Ansicht zum Erläutern der Beziehung zwischen einem Rohrleitungssystem mit vier gebogenen Teilen und dem Reflexionsvermögen hiervon;
Fig. 18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Bohrungsdurchmesser eines Rohres und der Wellenlänge einer Schallwelle zeigt; und
Fig. 19 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem eine reflektierte Welle mit Rauschen überlagert ist.
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
Fig. 4 ist eine Ansicht, die ein Ausführungsbeispiel eines Apparates zum Messen von Rohrlängen gemäß der vorliegenden Erfindung illustriert.
Wie in der Figur gezeigt ist, ist der Apparat zum Messen von Rohrlängen zusammengesetzt aus einem Kupplungsteil 16, Verstärkern 17, 18, einem D/A-Wandler 19, einem A/D-Wandler 20, einer Temperatursensor-Treiberschaltung 21, einer CPU 22, einer Anzeigeeinheit 23, einem Schalter S und einem Speicher 24. Das Kupplungsteil 16 ist beispielsweise aus einem metallischen rohrartigen Teil gebildet und geeignet, abnehmbar mit einem Zuführrohr 28 gekoppelt zu werden mittels Schraubnuten 16a, die auf der Innenseite eines Endteils des Kupplungsteils 23 ausgebildet sind. Ein Lautsprecher 25 und ein Mikrofon 26 sind an dem Kupplungsteil 16 in der Nähe des anderen Endes hiervon befestigt, und ein Temperatursensor 27 zum Messen der Temperatur in dem Rohr ist an dem Rohr befestigt, wobei er durch dessen Wand in der Nähe des anderen Endes des Rohres hindurchgeht und der vordere Endteil des Temperatursensors 27 auf der Innenseite des Rohres freigelegt ist. Dieses Kupplungsteil 16 ist in einer solchen Weise ausgebildet, daß ein Ende des Rohres 28 in einen geschlossenen Zustand gebracht ist, wenn es auf das Zuführrohr 28 aufgesetzt ist. Es ist festzustellen, daß der Temperatursensor 27 und eine Temperatursensor-Treiberschaltung 21 eine Temperaturerfassungsvorrichtung bilden.
Ein Lautsprecher 25 emittiert eine impulsartige Schallwelle in das Zuführrohr 28 entsprechend einem Befehl von der CPU 22, und ein Mikrofon 26 nimmt reflektierten Schall von dem Zuführrohr 28 auf und liefert ein Ausgangssignal, welches von dem Verstärker 18 verstärkt wird.
Der A/D-Wandler 20 wandelt ein analoges Signal von dem Verstärker in ein digitales Signal um.
Ein Temperatursensor 27 ist zum Beispiel nicht nur aus einem Thermistor zum Umwandeln einer Temperatur im Innern des Zuführrohrs 28 in einen Widerstandswert zusammengesetzt. Jedoch sollte es nicht immer auf den Thermistor begrenzt sein, sondern ein Thermoelement kann auch stattdessen verwendet werden.
Eine Temperatursensor-Treiberschaltung 21 wandelt eine Änderung in dem Widerstand des Temperatursensors 27 in eine Änderung der Spannung um.
Der Speicher 24 speichert darin Daten betreffend die Beziehung zwischen einer Art von Gas (wie Erdgas, Propangas oder dergleichen) in dem Zuführrohr 28 und einem Schallgeschwindigkeitswert bei einer Bezugstemperatur (zum Beispiel 0º C). Die Auswahl von Daten betreffend eine Schallgeschwindigkeit mit Bezug auf eine Art von Gas kann durch die Bedienungsperson gemacht werden, die den Schalter S umschaltet, und demgemäß kann die Länge des Rohres für jede von unterschiedlichen Arten von Gasen gemessen werden. Weiterhin kann die Art von Gas in dem Zuführrohr 28 bestimmt werden durch Verwendung eines Gassensors (welcher nicht gezeigt ist), um automatisch Daten einer Schallgeschwindigkeit entsprechend der Art von Gas zu lesen.
Die Anzeigeeinheit 23 ist geeignet zur Darstellung des Wertes einer von dem Meßapparat gemessenen Länge und kann zusammengesetzt sein entweder aus einer Flüssiganzeigeeinheit oder aus LEDS (lichtemittierenden Dioden).
Die CPU 22 ist beispielsweise zusammengesetzt aus einem Mikroprozessor und ist mit dem D/A-Wandler 19, dem A/D-Wandler 20, einer Anzeigeeinheit 23 und dem Schalter S verbunden. Die CPU 22 liefert einen Befehl zum Emittieren einer impulsartigen Schallwelle an den D/A-Wandler 19, und empfängt eine Reflexionswelle der impulsartigen Schallwelle, welche durch das Mikrofon 26 aufgenommen wird, von dem A/D-Wandler 20, um die Zeit zwischen der Emission der Schallwelle und deren Empfang zu messen, und weiterhin empfängt sie ein signal, das eine Temperatur innerhalb des Zuführrohres 28 anzeigt, von der Temperatursensor-Treiberschaltung 21, und berechnet eine Schallgeschwindigkeit entsprechend den Daten eines Schallgeschwindigkeitswertes bei der Bezugstemperatur, welcher aus dem Speicher 24 entsprechend der Art von Gas in dem Zuführrohr 28 gelesen wird. Die CPU 22 berechnet die Länge des Zuführrohres 28 aus der so berechneten Schallgeschwindigkeit und der vorerwähnten Zeit, und der so berechnete Wert wird auf der Anzeigeeinheit 23 dargestellt.
Als nächstes erfolgt die Erläuterung der Arbeitsweise des Apparates zum Messen von Rohrlängen mit Bezug auf die Fign. 5 und 6, die ein Flußdiagramm zeigen zur Erläuterung der Arbeitsweise des Apparates zum akustischen Messen von Rohrlängen.
Bezugnehmend auf Fig. 5 initialisiert die CPU 22 mehrere Parameter, wenn die Messung der Länge des Zuführrohrs 28 begonnen wird, und ein Datenfeld "DATA (4000)" wird angegeben. Das heißt, "DATA (4000)" ist ein Datenfeld mit Elementen in einer Anzahl von 4000, in welches Werte, die durch Aufnehmen von Schallwellensignalen und Abtasten derselben in Zeitintervallen von Δt(s) erhalten sind und die in den Speicher genommen sind, in der zeitlichen Folge angeordnet sind (Schritt S-1).
0 wird an die Stelle einer Variablen N gesetzt, welche eine Zykluszahl oder Wiederholungen der Berechnung bezeichnet (Schritt S-2), und 0 wird an die Stelle von DATA (*) gesetzt. Dies zeigt, daß alle Elemente in dem Datenfeld DATA (4000) auf 0 gesetzt sind (Schritt S-3).
Der D/A-Wandler 19 liefert ein analoges Signal zum Emittieren einer impulsartigen Schallwelle an den Verstärker 17 (Schritt S-4). Als eine Folge emittiert der Lautsprecher 25 eine impulsartige Schallwelle in das Zuführrohr 28 für einen Zyklus.
0 wird an die Stelle einer Variablen t gesetzt, welche eine Nummer der Elemente in dem Datenfeld bezeichnet (Schritt S-5), und ein Ausgangssignal "Daten" von dem Verstärker 18 wird in den A/D-Wandler 20 genommen (Schritt S-6). Dies zeigt, daß das reflektierte Wellensignal (Ausgangssignal "Daten") entsprechend der impulsartigen Schallwelle, welche von dem Mikrofon 26 empfangen ist, in den Abstastintervallen Δt hereingenommen wird. Der Wert DATA(t) + Daten wird in jedem Element DATA(t) in dem Datenfeld "DATA(4000)" gesetzt (Schritt S-7). Der Wert von Daten ist ein Ausgangswert des Verstärkers 18 bei der Variablen "t", und er wird in jedes Datenfeldelement DATA(t) gesetzt. Eine Variable "t+1" wird an die Stelle der Variablen t gesetzt (Schritt S-8), und es wird festgestellt, ob der Wert der Variablen 7 geringer ist als 4000 oder nicht. Wenn er geringer ist als 4000, geht das Verfahren zum Schritt S-6 zurück (Schritt S-9). Demgemäß werden Daten in einem Zyklus der impulsartigen Schallwelle abgetastet. N+1 wird an die Stelle der Variablen "N" gesetzt (Schritt S-10), und das Verfahren schreitet zum nächsten Schritt S-11 fort.
Bezugnehmend auf Fig. 6 wird festgestellt, ob der Wert der Variablen "N" niedriger ist als 100 oder nicht, und wenn die Variable "N" niedriger ist als 100, wird die Berechnung vom Schrit S-4 bis zum Schritt S-10 wiederholt. Diese Berechnung wird gemacht zum Eliminieren von Rauschen durch Bilden des additiven Durchschnitts von Daten in 100 Zyklen, wobei "N" die Zykluszahl darstellt. Wenn nämlich der additive Durchschnitt für 100 Zyklen durchgeführt wird, wird die Intensität des Rauschens auf einen Wert verringert, welcher die Quadratwurzel von eins zu einhundert ist, das heißt eins zu zehn. Es ist festzustellen, daß der Wert der Zykluszahl N nicht nur auf 100 beschränkt sein sollte.
Wenn die Variable "N" im Schritt S-11 größer als 100 ist, liest der A/D-Wandler 20 eine Ausgangsspannung von dem Temperatursensor 27 (Schritt S-12).
Die CPU 22 wählt ein Wert von t, dessen absoluter Wert maximal ist, aus Datenfeldelementen DATA(t) in einer Zahl von 4000 aus (Schritt S-13). Mit diesem Element ist die Amplitude der reflektierten Welle an dem offenen Ende des Zuführrohres 28 maximal und der Maximalwert hiervon wird verwendet. Es ist hier festzustellen, daß die Wellenform der reflektierten Welle theoretisch positive und negative Komponenten mit symmetrischen Formen enthält, und demgemäß sind zwei Maximalwerte vorhanden. Jedoch vibriert in der Praxis, wenn der Lautsprecher 25 eine Schallwelle emittiert, eine der Membranoberflächen des Lautsprechers 25, zum Beispiel die Oberfläche entsprechend der positiven Komponente, schwach, während die andere der Oberflächen entsprechend der negativen Komponente stark vibriert, so daß die reflektierte Welle eine asymmetrische Gestalt hat. Als eine Folge wird der Spitzenwert der Amplitude der negativen Komponente (die zweite) ausgewählt.
Ein Schallgeschwindigkeitswert vo (m/s) bei einer Temperatur von 0º C eines Gases innerhalb des Zuführrohrs 28 wird aus dem Speicher 22 gelesen (Schritt S-14). Es ist festzustellen, daß ein Schallgeschwindigkeitswert bei 0º C entsprechend einer Art von Gas in dem Zuführrohr 28 durch die Bedienungsperson erhalten werden kann, welche den Schalter S wie vorerwähnt umschaltet.
Mit der Verwendung einer Temperatur Tº C, welche durch den Temperatursensor 27 und die Temperatursensor-Treiberschaltung 21 erhalten wird, wird eine Schallgeschwindigkeit v(m/s) in dem in dem Zuführrohr 28 vorhandenen Gas berechnet durch Verwendung der folgenden Gleichung 1 (Schritt S-15):
v = vo {1+T/273}1/2 ... (1).
Dann wird die Länge L (m) des Zuführrohrs 28 berechnet durch Verwendung der folgenden Gleichung 2 (Schritt S-16):
L = v t Δ t/2 ... (2).
Der Wert der so berechneten Länge L des Zuführrohrs 28 wird auf der Anzeigeeinheit 23 dargestellt (Schritt S-17).
Wie vorstehend im einzelnen dargestellt, wird gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit der erfaßten Temperatur des Gases in dem Zuführrohr 28 der Schallgeschwindigkeitswert bei dieser Temperatur berechnet, und dann kann durch Verwendung des so berechneten Schallgeschwindigkeitswertes die Länge des Zuführrohres genau gemessen werden, ungeachtet der Temperatur und der Art des Gases in dem Zuführrohr 28.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung eines zweiten Ausführungsbeispiels nach der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 7.
Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Länge eines Rohres mit einem gekrümmten Teil gemessen. Ein Apparat zum akustischen Messen von Rohrlängen nach diesem Ausführungsbeispiel ist zusammengesetzt aus einem Kupplungsteil 30, einem Schallwellen-Generatur 31, einem Synchronsignal-Generator 32, einem Bandpaßfilter 33 und einem Oszilloskop 34. Ein Lautsprecher 36 und ein Mikrofon 37 sind mit dem Kupplungsteil 30 gekoppelt. Der Schallgenerator 31 und der Lautsprecher 36 bilden eine Schallemissionsvorrichtung, und ein Mikrofon 37 und das Bandpaßfilter 33 bilden eine Schallempfangsvorrichtung.
Das Kupplungsteil 30 ist beispielsweise aus einem metallischen zylindrischen Teil gebildet, und es ist in seinem unteren Endteil mit Schraubnuten 30a ausgebildet, durch welche das Kupplungsteil 30 mit einem in dem oberen Endteil eines Rohres 38 ausgebildeten Schraubnutenteil verbunden ist. Durch die Verwendung des Kupplungsteils 30 sind der Lautsprecher 36 und das Mikrofon 37 abnehmbar mit dem Rohr 38 gekoppelt, so daß es möglich ist, den Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen. Obgleich der Lautsprecher 36 in dieser Figur senkrecht zu dem Mikrofon angeordnet ist, sollte die vorliegende Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt sein. Das heißt, sie können parallel zueinander angeordnet sein. Da weiterhin der Lautsprecher 36 und das Mikrofon 37 angrenzend aneinander angeordnet sind, kann der Meßapparat miniaturisiert werden. der Synchronsignal-Generator 32 liefert ein Synchronsignal zu dem Schallwellen-Generator 31 und dem Oszilloskop 34, und demgemäß kann die Beziehung zwischen der Zeit von der Emission einer Schallwelle bis zur Aufnahme von Schall und der Amplitude der Schallwelle visuell erfaßt werden.
Der Schallwellen-Generator 21 emittiert eine impulsartige Schallwelle in einem Zyklus, welcher aus solchen in einem Frequenzbereich von 100 Hz bis 4 kHz ausgewählt ist, wenn das Synchronsignal dorthin geliefert wird, und treibt den Lautsprecher 36 an. Es ist festzustellen, daß der vorerwähnte Frequenzbereich von 100 Hz bis 4 kHz einer Gleichung (15) genügt, welche nachfolgend erläutert wird. Da die Frequenz (Wellenlänge) einer emittierten Schallwelle variabel ist, kann die Länge einer Schallwelle in Übereinstimmung mit dem Bohrungsdurchmesser des Rohres 38 ausgewählt werden.
Eine an dem Mikrofon 37 aufgenommene Schallwelle wird in ein elektrisches Signal umgewandelt. Das Bandpaßfilter 33 erlaubt nur den Durchgang solcher Signale mit einer Frequenz im Bereich von 100 Hz bis 4 kHz, und demgemäß kann Rauschen entfernt werden.
Das Oszilloskop 34 stellt gleichzeitig sowohl die Wellenform 29 einer von dem Lautsprecher 36 emittierten Schallwelle als auch die Wellenform 28 einer in dem Rohr 38 reflektierten Schallwelle dar, so daß die Beobachtung erleichtert wird.
Als nächstes erfolgt eine Erläuterung der Arbeitsweise mit Bezug auf die Fign. 7 und 8.
Wenn ein Signal von dem Synchronsignal-Generator 32 zu dem Schallwellen-Generator 31 geliefert wird, legt der Schallgenerator 31 ein Schallwellensignal in einem Zyklus an den Lautsprecher 36 an. Als eine Folge wird die impulsartige Schallwelle in einem Zyklus von dem Lautsprecher 36 emittiert. Die so emittierte Schallwelle breitet sich durch das Rohr 38 aus und dann wird ein Teil der Schallwelle an einem gekrümmten Teil 38a reflektiert und der verbleibende Teil hiervon breitet sich weiter durch das Rohr 38 in einem gedämpften Zustand aus. Die sich fortpflanzende Schallwelle wird an dem offenen Ende des Rohres 38 vollständig reflektiert und pflanzt sich in der umgekehrten Richtung auf demselben Weg fort, so daß sie von dem Mikrofon 37 aufgenommen wird. Die von dem Mikrofon 37 aufgenommenen reflektierten Wellen werden in elektrische Signale umgewandelt und zu dem Bandpaßfilter 33 geführt, wo Rauschen entfernt wird. Somit werden Wellenformen wie in Fig. 8 gezeigt auf dem Schirm des Oszilloskops 34 beobachtet.
Ein in Fig. 8 gezeigtes Ausführungsbeispiel ist derart, daß die Frequenz der Schallwelle 300 Hz und die Länge des Rohres 11,49 m betragen und das Rohr eine Anzahl von 10 gekrümmten Teilen hat. Die Zeitachse ist gegeben durch Unterteilung in 20 ms. Eine emittierte Schallwelle C (links in der Figur) und eine Schallwelle D (Mitte der Figur), welche an dem offenen Ende des Rohres reflektiert ist, werden auf dein Oszilloskop 34 dargestellt, und da die Zeitdifferenz zwischen der Wellenform der erzeugten Schallwelle und der ersten reflektierten Welle etwa 80 ms beträgt, wird die Länge des Zuführrohrs durch Teilen des Produkts aus dieser Zeitdifferenz und der Schallgeschwindigkeit durch 2 erhalten. Es ist festzustellen, daß die eine der reflektierten Wellen, welche an dem offenen Ende reflektiert wird, die vollständig reflektierte ist, und demgemäß eine Amplitude hat, welche größer ist als eine reflektierte Welle E an einem gekrümmten Teil.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Länge des Rohres und der Reflexionszeit zeigt.
Wie in der Figur gezeigt ist, wurde gefunden, daß die Beziehung der Rohrlänqe und der Reflexionszeit linear ist. Demgemäß kann die Länge des Zuführrohrs aus der Reflexionszeit erkannt werden.
Durch Verwendung des Apparates zum Messen von Rohrlängen gemäß der vorliegenden Erfindung wurde das Reflexionsvermögen an gekrümmten Teilen in Rohren mit unterschiedlichen Bohrungsdurchmessern gemessen, um die in den Fign. 10 und 11 gezeigten Ergebnisse zu erhalten.
Die Fign. 10, 12 und 14 sind Diagramme, die die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und einem Reflexionsvermögen an einem gekrümmten Teil illustrieren, und die Fign. 11, 13 und 15 sind Diagramme, die die Beziehung zwischen der Wellenlänge einer Schallwelle und einem Wert illustrieren, der erhalten wird durch Teilen eines Reflexionsvermögens an einem gekrümmten Teil durch ein Reflexionsvermögen an dem offenen Ende. Die in den Fign. 11, 13 und 15 gezeigten Diagramme werden verwendet zur reinen Prüfung des Reflexionsvermögens einer Schallwelle an einem gekrümmten Teil unter Berücksichtigung der Dämpfung in geraden Teilen des Rohres. Der Bohrungsdurchmesser eines Rohres bezüglich der Fign. 10 und 11 ist 25 mm, und der bezüglich der Fign. 12 und 14 ist 80 mm. In jedem der Diagramme ist die Wellenlängenachse (Abszisse) logarithmisch. Weiterhin ist die T-Verbindung ein T- oder L-förmiges Verbindungsrohr zum Verbinden von Rohren miteinander. Wie klar aus diesen Figuren ersichtlich ist, ist das Reflexionsvermögen an einer T-Verbindung größer als an einem Kniestück. Demgemäß kann die Bedingung für das Reflexionsvermögen nur für die T-Verbindung betrachtet werden.
Aus den Fign. 11, 13 und 15 wird eine solche Beziehung gefunden, daß, je länger die Wellenlänge ist, desto geringer das Reflexionsvermögen an dem gekrümmten Teil wird, und je kürzer die Wellenlänge ist, desto größer die Reflexion an dem gekrümmten Teil wird.
In der Zwischenzeit ist bekanntgeworden, daß, je länger die Wellenlänge ist, desto größer die Fehlerspanne bei der Messung wird, während, je kürzer die Wellenlänge ist, desto kleiner die Fehlerspanne bei der Messung wird. Somit ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen verfügbaren Wellenlängenbereich aus diesen beiden Faktoren zu bestimmen (die Wellenlänge und die Fehlerspanne bei der Messung).

(1) Untere Grenze der Wellenlänge:

Wie in Fig. 17 gezeigt ist, erfolgt eine Betrachtung der Reflexion einer Schallwelle in einen Rohrleitungssystem mit vier gekrümmten Teilen, welche T-Verbindungen sind.
Es wird eine Schätzung derart durchgeführt, daß eine auf der linken Seite des Rohres 29 emittierte Schallwelle an vier gekrümmten Teilen 29a bis 29d teilweise reflektiert und gedämpft wird, dann vollständig am offenen Ende auf der rechten Seite reflektiert wird und sich schließlich in der umgekehrten Richtung auf demselben Weg fortpflanzt. Von den auf der linken Seite aufgenommenen reflektierten Wellen ist die eine mit einer maximalen Amplitude eine an dem offenen Ende reflektierte Welle. Es wird das Reflexionsvermögen an einem ersten gekrümmten Teil 29a als r bezeichnet, wenn das Reflexionsvermögen der Schallwelle an dem offenen Ende erhalten werden soll, wobei die Schallwelle offensichtlich durch acht gekrümmte Teile während des Vor- und Rückwärtslaufens passiert, da vier gekrümmte Teile vorhanden sind. Demgemäß wird das Reflexionsvermögen der an dem offenen Ende reflektierten Schallwelle gegeben durch:
(1-r)2x4 ... (3).
Die Intensität der Schallwelle nimmt jedesmal ab, wenn sie einen gekrümmten Teil passiert, und da die an dem offenen Ende reflektierte Schallwelle ein Reflexionsvermögen von 1 hat, ist die Beziehung zwischen dem Reflexionsvermögen und:
(1-r)2x4 ... (4)
gegeben durch:
r < (1-r)2x4 ... (5)
Durch Lösung dieser Gleichung wird gegeben:
r < 0,19. ... (6).
Somit werden die Werte von Wellenlängen, mit welchen das Reflexionsvermögen für die jeweiligen Durchmesser gleich 0,19 wird, wie in der folgenden Tabelle aufgeführt erhalten:
Bohrungsdurchmesser d (cm) 2,5 5,0 8,0
Wellenlänge λ (m) 1,62 2,24 3,03.
Mit der Verwendung von numerischen Werten in dieser Tabelle wird die Gleichung für eine gerade Leitung durch die Annäherung der minimalen Quadrate erhalten, wie in Fig. 18 gezeigt ist.
Fig. 18 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Bohrungsdurchmesser eines Rohres und der Wellenlänge einer Schallwelle zeigt. In dieser Figur gibt die horizontale Achse den Bohrungsdurchmesser d und die vertikale Achse gibt die Wellenlänge λ.
Der Koeffizient der Korrelation der in der Figur gezeigten Gleichung ist 1,0. Aus dieser Figur wird die Beziehung zwischen der Wellenlänge λ und dem Bohrungsdurchmesser angenähert durch:
λ = 0,257d + 0,971 ... (7).
Diese Gleichung zeigt die Beziehung zwischen der Wellenlänge λ und dem Bohrungsdurchmesser d, wenn das Reflexionsvermögen gleich 0,19 ist. Da berücksichtigt wird, daß das Reflexionsvermögen kleiner 0,19 ist, wenn die Wellenlänge λ größer wird, ist die Wellenlänge λ:
Somit ist die untere Grenze der Wellenlänge λ gleich 0,257d + 0,971.

(2) Obere Grenze der Wellenlänge

Durch Bezeichnung der Abtastzeit, durch welche reflektierte Wellen an dem Mikrofon aufgenommen werden, und wenn die Schallgeschwindigkeit v und die Abtastzeit Δ t sind, ist die für den Meßapparat inhärente Fehlerspanne E bei der Messung in der Beziehung:
&epsi; ≤ vΔt ... (9).
Demgemäß wird, um die obere Grenze zu bestimmen, der maximale Wert v Δ t des Fehlers &epsi; bei der Messung verwendet.
Fig. 19 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Zustands, bei welchem eine reflektierte Welle mit Rauschen überlagert ist, wobei die Horizontale die zeit t gibt und die Vertikale das Reflexionsvermögen gibt. Selbst wenn die reflektierte Welle mit Rauschen mit einem Rauschabstand 1/n überlagert ist, ist es zufriedenstellend für die Erfassung des maximalen Wertes der Amplitude, wenn der folgenden Bedingung genügt werden kann:
1- cosω Δ t > n ... (10).
Da tatsächlich ω Δ t « 1 in diesem Fall ist, wird durch Verwendung von Maclaurin's Erweiterung die folgende Gleichung erhalten:
Da weiterhin
ω t = 2π f Δ t = 2π v Δ t/λ = 2π ω / λ ... (12)
ist, kann der Ausdruck 10 dargestellt werden durch:
Somit ist die obere Grenze der Wellenlänge bestimmt.
Durch Zusammensetzen der Inhalte der vorerwähnten Abschnitte (1) und (2) werden die folgende obere und untere Grenze für die Wellenlänge von Schallwellen bestimmt:
Durch Emittieren einer Welle mit einer Wellenlänge in einem durch den vorerwähnten Ausdruck (15) gegebenen Bereich kann die Länge eines Rohres unter einer solchen Bedingung gemessen werden, daß ein Reflexionsvermögen an einem gekrümmten Teil des Rohres klein und die Fehlerspanne klein sind. Es ist selbstverständlich, daß das in der Erde verlegte Rohr so gemessen werden kann wie es ist, ohne daß es ausgegraben werden muß.
Weiterhin wird in einem solchen Fall, daß ein Rohr schwer beschädigt oder korrodiert ist, eine Schallwelle an diesem Teil vollständig reflektiert ähnlich dem offenen Ende, und der Abstand zwischen einer Position, an der das Kupplungsteil verbunden ist und der Position des beschädigten Teils kann gemessen werden, wodurch es möglich ist, eine rasche Rohrreparaturarbeit durchzuführen.
Mit der Verwendung eines Apparates zum akustischen Messen von Rohrlängen, welcher eine Schallemissionsvorrichtung zum Emittieren einer impulsartigen Schallwelle in ein rohrartiges Teil von einem Ende des letzteren und eine Schallaufnahmevorrichtung zum Aufnehmen einer impulsartigen Schallwelle, die in dem rohrartigen Teil an einem Ende davon reflektiert ist, aufweist, um die Länge des rohrartigen Teils in Übereinstimmung mit der Zeit zwischen der Emission der Schallwelle durch die Schallemissionsvorrichtung und der Aufnahme der reflektierten Wellen zu messen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Wellenlänge λ der in das rohrartige Teil emittierten Schallwelle so eingestellt, daß dem folgenden Ausdruck genügt ist:
worin d der Bohrungsdurchmesser des rohrartigen Teils ist,
n der Rauschabstand im Meßapparat ist,
v die Schallgeschwindigkeit (m/s) im rohrartigen Teil ist,
Δ t die Abtastzeit im Meßapparat ist, und
&epsi; die Fehlerspanne bei der Messung ist, inhärent für den Meßapparat, wodurch es möglich ist, die Länge eines Rohres mit einer geringeren Fehlerspanne zu messen.

Claims

1. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres, welcher aufweist:

eine schallemittierende Vorrichtung (25) zum Emittieren einer impulsartigen Schallwelle in einem rohrartigen Teil (28) mit einer Länge an einem Ende des letztgenannten;

eine schallauffangende Vorrichtung (26) zum Auffangen von Schallwellen an einem Ende des rohrartigen Teils (28), die an dem anderen Ende des rohrartigen Teils (28) reflektiert wurden;

eine Temperaturerfassungsvorrichtung (27,21) zum Erfassen einer Temperatur in dem rohrartigen Teil (28);

eine Speichervorrichtung (24) zum Speichern eines Schallgeschwindigkeits-Wertes bei einer Bezugstemperatur für ein Gas, das in dem rohrartigen Teil (28) vorhanden ist; und

eine Rechenvorrichtung zum Berechnen der Länge des rohrartigen Teils (28) aus einer Zeit zwischen der Emission der impulsartigen Schallwelle und dem Auffangen der Schallwellen und einem Schallgeschwindigkeits-Wert, der aus dem Schallgeschwindigkeits-Wert bei der Bezugstemperatur erhalten ist, dadurch gekennzeichnet daß die Wellenlänge des in das rohrartige Teil (28) emittierten Schalls so eingestellt ist, daß der folgenden Gleichung genügt ist:

worin

λ die Schallwellen-Länge in Metern ist,

d der Bohrungsdurchmesser des rohrartigen Teils (28) in cm ist,

1/n der Rauschabstand in dem Meßapparat ist,

v die Schallgeschwindigkeit in m/s in dem rohrartigen Teil (28) ist,

Δt die Abtastzeit im Meßapparat in Sekunden ist, und

&epsi; die Fehlergrenze für die Messung in Metern ist, die dem Meßapparat inhärent ist.

2. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres nach Anspruch 1, worin die Speichervorrichtung (24) mehrere Schallgeschwindigkeits- Wert speichert, von denen einer gemäß einer Art von Gas, das in dem rohrartigen Teil (28) vorhanden ist, ausgewählt werden kann.

3. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres nach Anspruch 2, worin ein Gassensor zum Bestimmen einer Art von Gas, das in dein rohrartigen Teil (28) vorhanden ist, vorgesehen ist.

4. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres nach Anspruch 1, worin eine Anzeigeeinheit (23) zum Anzeigen der durch die Rechenvorrichtung erhaltenen Länge des rohrartigen Teils (28) vorgesehen ist.

5. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres nach Anspruch 1, worin die Bezugsteinperatur 0º C beträgt.

6. Apparat zur akustischen Messung der Länge eines Rohres nach Anspruch 1, worin die von der schallemittierenden Vorrichtung (25) emittierte impulsartige Schallwelle eine Wellenlänge hat, die variabel ist.