Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Fehlerstellen in isolierten Method and device for the detection of defects in isolated
Leitungssystemenline systems
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Detektion von Fehlerstellen innerhalb eines mit einer Ummantelung versehenen Leitungssystems, in dessen Ummantelung beabstandet vom Leitungssystem wenigstens ein Draht längs zum Leitungssystem verlaufend angeordnet ist.The invention relates to a method for the detection of fault locations within a line system provided with a sheath, in the sheath of which at least one wire is arranged at a distance from the line system and running longitudinally to the line system.
Stand der TechnikState of the art
Mit einer Ummantelung versehene Leitungssysteme betreffen eine Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Leitungssysteme, die zur Übertragung von elektrischer Energie dienen, in Form elektrisch isolierter Kabelanordnungen, und bis hin zum Transport von Stoffströmen in Erdgasleitungen oder Fernwärmerohren reichen. Allen Leitungssystemen ist gemein, dass sie vor äußeren mechanischen, thermischen oder witterrungsbedingten Einflüssen geschützt werden müssen, weshalb sie mit einer zumeist feuchtigkeitdichten Ummantelung versehen sind. Wird jedoch die das innenliegende Leitungssystem schützende Ummantelung verletzt, so ist ihre Schutzwirkung lokal erheblich beeinträchtigt, wodurch das Leitungssystem den vorstehend genannten äußeren Einwirkungen ungeschützt ausgesetzt ist. Eben jene Fehlerstellen gilt es zu detektieren, noch bevor das Leitungssystem einen irreversiblen Schaden davonträgt. Die nachstehenden Ausführungen beziehen sich vornehmlich auf Fernwärmerohre, doch sind alle in diesem Zusammenhang angestellten Überlegungen grundsätzlich auch auf mit einer Ummantelung versehene allgemeine Leitungssysteme zu übertragen.
Fernwärmerohre sind in an sich bekannter Weise mit einem schaumgefüllten Kunststoffmantel umgeben und werden einige Meter unter der Erde verlegt. In einem Leitungsverbund zirkuliert in den Rohrleitungen Wasser zwischen einer zentralen Heizstelle und den verschiedenen Verbrauchern. Im Vor- und Rücklauf werden die als Stahlrohre ausgebildeten Fernwärmerohre mit unterschiedlichen Durchmessern eingesetzt, die der Größe des jeweiligen Netzes bzw. Netzabschnitts angepaßt sind. Die Rohre sind, neben rohrstatischen Gründen zur Verringerung der Wärmeverluste mit einer Ummantelung aus isolierendem Hartschaum und zum Schutz vor äußeren mechanischen Einwirkungen sowie vor Bodenfeuchtigkeit mit einem äußeren Kunststoff-Mantelrohr versehen.Pipe systems with jackets relate to a large number of differently designed pipe systems, which are used for the transmission of electrical energy, in the form of electrically insulated cable arrangements, and extend to the transport of material flows in natural gas pipes or district heating pipes. All piping systems have in common that they have to be protected against external mechanical, thermal or weather-related influences, which is why they are usually provided with a moisture-proof jacket. However, if the sheathing protecting the internal line system is damaged, its protective effect is locally considerably impaired, as a result of which the line system is exposed to the above-mentioned external influences without protection. It is precisely these defects that need to be detected before the line system suffers irreversible damage. The following explanations relate primarily to district heating pipes, but all considerations made in this context should in principle also be transferred to encased general piping systems. District heating pipes are surrounded in a manner known per se with a foam-filled plastic jacket and are laid a few meters underground. In a network of pipes, water circulates in the pipes between a central heating station and the various consumers. The district heating pipes, which are designed as steel pipes and have different diameters, are used in the flow and return, which are adapted to the size of the respective network or network section. In addition to static pipe reasons, the pipes are provided with a jacket made of insulating rigid foam to reduce heat loss and with an outer plastic jacket pipe to protect them from external mechanical influences and moisture from the ground.
Beim Betrieb eines Fernwärmenetzes werden die Rohrleitungen im Allgemeinen bezüglich ihrer Dichtheit überwacht. Neben Beschädigungen der äußeren Ummantelung können auch Leckagen an den Medienrohren, die häufig durch Schweißnahtfehler hervorgerufen werden, zu Feuchtestellen führen. Da diese Feuchtestellen zu Energieverlusten und zur Zerstörung des Rohrleitungssystems führen können, sind sie umgehend zu detektieren, zu orten und zu beheben.When operating a district heating network, the pipes are generally monitored for leaks. In addition to damage to the outer jacket, leaks in the media pipes, which are often caused by weld defects, can also lead to moisture. As these moisture points can lead to energy loss and destruction of the piping system, they must be detected, located and remedied immediately.
Die direkte Detektion eines durch Material- oder Montagefehler hervorgerufenen Lecks, z.B. durch Einsatz eines Verfahrens der zerstörungsfreien Prüfung ist nicht möglich, da die Rohre tief im Boden mit einer Überdeckung von bis zu 2 m verlegt sind und schon kleinste Löcher in der Rohrwand, die weit unterhalb der Nachweisgrenze dieser Verfahren liegen, zu vorstehend genannten Beeinträchtigungen führen.Direct detection of a leak caused by material or assembly errors, e.g. The use of a non-destructive testing method is not possible, since the pipes are laid deep in the ground with an overlap of up to 2 m and even the smallest holes in the pipe wall, which are far below the detection limit of these methods, lead to the above-mentioned impairments.
Deshalb muß die Detektion des Lecks auf anderem Wege erfolgen. Dabei macht man sich zunutze, daß beim intakten Rohrsystem das Innere der Rohrummantelung stets trocken bleibt, während eine Leckage mit einer ergiebigen Feuchtigkeitsansammlung im Hartschaum verbunden ist. Wenn es gelingt, mit einem geeigneten Verfahren diese Feuchtigkeit zu detektieren und zu lokalisieren, ist auf indirektem Wege auch die Detektion und Ortsbestimmung der verursachenden Leckage gegeben.
Feuchtigkeit im Inneren der Ummantelung kann auch durch Bodenwasser verursacht sein, das durch eine Beschädigung des äußeren Hüllrohrs eingedrungen ist. Auch dabei liegt eine gravierende Störsituation vor, da neben den mit Durchfeuchtung des Schaumes verbundene Wärmeverluste das eindringende Bodenwasser mit den darin gelösten Salzen die Rohrkorrosion sowie die Auflösung des Verbundes Rohr- Schaum-Mantelrohr forciert. Wie am Feuchteeinbruch in Folge einer Leckage am Medienrohr wird durch den Feuchtefehler auch hier die eigentliche Leckageüberwachung der übrigen Rohrabschnitte außer Funktion gesetzt.Therefore, the leak detection must be done in another way. This takes advantage of the fact that the inside of the pipe jacket always remains dry when the pipe system is intact, while a leak is associated with a substantial accumulation of moisture in the rigid foam. If it is possible to detect and localize this moisture with a suitable method, the detection and location of the cause of the leakage is also achieved indirectly. Moisture inside the casing can also be caused by soil water that has penetrated due to damage to the outer cladding tube. Here, too, there is a serious disturbance situation, since in addition to the heat losses associated with moisture penetration of the foam, the penetrating soil water with the salts dissolved therein forces pipe corrosion and the dissolution of the pipe-foam-jacket pipe combination. As with moisture ingress as a result of a leak in the media pipe, the actual leakage monitoring of the other pipe sections is deactivated by the moisture error.
In den Rohrleitungsnetzen sind die Voraussetzungen zum Einsatz der Meßverfahren, die auf dem Nachweis von Feuchtigkeit in der Ummantelung beruhen, in vielen Fällen schon geschaffen. Zu diesem Zweck werden z.T. schon werkseitig im Hartschaum beiderseits der Rohre sogenannte Überwachungsdrähte bzw. metallische Leiter angeordnet, die bei der Verlegung der Rohre in den Muffen der Schweißnähte durchgeschleift und bis zu den Hausanschlüssen weitergeführt werden, wo sie jederzeit zugänglich sind.In many cases, the prerequisites for using measuring methods based on the detection of moisture in the casing have already been created in the pipeline networks. For this purpose, So-called monitoring wires or metallic conductors are already arranged in the hard foam on both sides of the pipes at the factory, which are looped through when the pipes are laid in the weld seam sockets and carried on to the house connections, where they are accessible at all times.
Eine bisher bekannte Möglichkeit der Detektion der Feuchtigkeit erfolgt durch Messung des Gleichstromwiderstandes zwischen den beiden Überwachungsdrähten. Lokal vorhandenes Wasser vermindert wegen seiner, wenn auch geringen lonenkonzentration durch gelöste Salze, den Isolationswiderstandes des Hartschaums. Dieser Ohm'sche Widerstand wird über die Überwachungsdrähte von der Einspeisestelle aus gemessen. Im Fall der trockenen und somit fehlerfreien Leitung liegt der gemessene Widerstand im MΩ-Bereich und wird durch die Ableitungsverluste im Isolierschaum begrenzt. Im Fall der feuchten Leitung stellt der gemessene Widerstand den Summenwert des Drahtwiderstandes über die Länge bis zur Feuchtestelle und des dortigen Übergangswiderstandes zwischen den Drähten dar. Dieses Verfahren besitzt eine hohe Nachweisempfindlichkeit und arbeitet ab Widerständen unterhalb 500 kΩ. Allerdings ist nur eine ja/nein-Entscheidung, ob Feuchtigkeit vorhanden ist oder nicht, möglich.
Auch wird die sogenannte Zeitbereichsreflektometrie zur Lokalisierung von Feuchtigkeitsstellen eingesetzt. An der Einspeisestelle, am Hausanschluß oder an der freigelegten Rohrmuffe im Erdreich, wird auf die Überwachungsdrähte ein Spannungsimpuls gegeben, der sich entlang der Drähte ausbreitet, am Ort der Feuchtigkeit wegen des Sprungs der elektrischen Leitfähigkeit reflektiert wird und zur Einspeisestelle zurückläuft. Die Empfindlichkeit des Verfahrens ist geringer als die der Gleichstrom-Widerstands-Messung, da sich Störungen bedingt durch Reflexionen über die gesamte Leitungslänge addieren und den Rauschuntergrund anheben. Das Verfahren arbeitet erst ab größeren Feuchtigkeitsgehalten zuverlässig. Die gemessene Laufzeit des Spannungspulses ist ein Maß für die Rohrlänge zwischen dem Leck, an dem die Reflektion stattgefunden hat und der Einspeisestelle. Die Umsetzung der Laufzeitmessung in eine Ortsbestimmung ist nur dann möglich, wenn der Verlauf der Rohrleitungen im Erdboden genau bekannt ist. Abgesehen davon, daß bei der Rohrverlegung immer mehr oder weniger große Abweichungen zwischen Soll- und Ist-Verlauf der Rohre bestehen, ist auch bei gut dokumentierter Isometrie die Lokalisierung der Schadenstelle aus großem Abstand, bspw. einige hundert Meter zwischen Einspeisestelle und Feuchtestelle, so ungenau, daß meist großflächige Erdaushübe mit möglicherweise mehrmaligen Zielversuchen notwendig sind, um die Schadensstelle für die Reparatur freizulegen. Dadurch entstehen enorme Kosten, insbesondere dann, wenn sich die Schadensstelle unter einer Beton- oder Asphaltdecke befindet. Hier wird von den Betreibern der Fernwärmenetze sowie von den Verlegern und Herstellern der Rohre ein Verfahren gefordert, das eine punktgenaue Ortung der Schadenstelle leistet.A previously known possibility of detecting moisture is by measuring the direct current resistance between the two monitoring wires. Because of its albeit low ion concentration due to dissolved salts, locally available water reduces the insulation resistance of the rigid foam. This Ohm 'specific resistance is measured on the monitoring wires from the feed from. In the case of dry and therefore faultless cables, the measured resistance is in the MΩ range and is limited by the leakage losses in the insulating foam. In the case of a wet cable, the measured resistance represents the total value of the wire resistance over the length to the wet point and the contact resistance between the wires there. This method has a high sensitivity and works from resistances below 500 kΩ. However, only a yes / no decision as to whether moisture is present or not is possible. So-called time-domain reflectometry is also used to localize moisture spots. At the feed point, at the house connection or at the exposed pipe socket in the ground, a voltage pulse is applied to the monitoring wires, which spreads along the wires, is reflected at the location of the moisture due to the jump in electrical conductivity, and runs back to the feed point. The sensitivity of the method is lower than that of the DC resistance measurement, since interference due to reflections add up over the entire length of the line and raise the noise background. The process only works reliably from higher moisture levels. The measured transit time of the voltage pulse is a measure of the pipe length between the leak at which the reflection took place and the feed point. The implementation of the transit time measurement in a location determination is only possible if the course of the pipes in the ground is exactly known. In addition to the fact that there are always more or less large deviations between the nominal and actual course of the pipes when laying the pipes, the location of the damage location is also inaccurate, for example a few hundred meters between the feed point and the wet point, even with well-documented isometry that mostly large-scale excavations with possibly multiple attempts at the target are necessary to expose the damaged area for repair. This results in enormous costs, especially if the damage site is under a concrete or asphalt surface. Here, the operators of the district heating networks and the publishers and manufacturers of the pipes are required to carry out a process that can pinpoint the damage point.
Auf dem Wirbelstromverfahren basieren die handelsüblichen Metalldetektoren und induktiven Näherungsschalter. Das zu detektierende Prüfobjekt wird in den Wirkungsbereich eines von Wechselstrom durchflossenen Wirbelstromsensors, im einfachsten Fall eine Spule, gebracht. Falls das Prüfobjekt ein metallischer Leiter, Halbleiter oder lonenleiter, also elektrisch leitfähig ist, werden in diesem durch das magnetische Wechselfeld, das den Sensor umgibt, Wirbelströme induziert, deren Intensität von den elektrischen, magnetischen und geometrischen Parametern des Prüfobjektes abhängt. Die Wirbelströme sind ihrerseits mit einem magnetischen
Sekundärfeld verkettet, das sich mit dem primären Sensorfeld zu dem magnetischen Gesamtfeld überlagert und sich in der Impedanz, der sogenannte Wechselstromwiderstand des Sensors abbildet und gemessen wird.The commercially available metal detectors and inductive proximity switches are based on the eddy current method. The test object to be detected is brought into the effective range of an eddy current sensor through which alternating current flows, in the simplest case a coil. If the test object is a metallic conductor, semiconductor or ion conductor, that is to say electrically conductive, eddy currents are induced in it by the alternating magnetic field that surrounds the sensor, the intensity of which depends on the electrical, magnetic and geometric parameters of the test object. The eddy currents in turn are magnetic Secondary field concatenated, which overlaps with the primary sensor field to form the overall magnetic field and is mapped and measured in the impedance, the so-called AC resistance of the sensor.
Mit diesem Verfahren gelingt es, den Verlauf der erdverlegten Rohrleitungen exakt zu verfolgen, indem der Operator von einer bekannten Startstelle aus mit einer manuellen oder mechanisiert durchgeführten Schwenkbewegung des Sensors über den Erdboden den Ort der maximalen Wechselwirkung, d.h. den geringster Abstand zwischen Sensor und Rohrleitung feststellt und in Verfolgung dieses Ortes entlang der Rohrleitung fortschreitet. Damit kann die Unsicherheit der Lokalisierung der Schadenstelle in der Querrichtung zum Rohrverlauf verringert werden. Die Ortung der Schadenstelle in Längsrichtung der Rohrleitung ist jedoch nicht möglich. So reicht wegen der großen Erdüberdeckung die Meßempfindlichkeit nicht aus, um Korrosion im Rohr oder der Schweißnaht direkt zu detektieren (klassische Wirbelstrom-Fehlerprüfung). Die Meßeffekte eines fehlerfreien und eines schadhaften Rohrs unterscheiden sich im Rahmen der Schwankungsbreite der wirksamen Störparameter, wie Tiefenlage, Rohrwandstärke, Schweißnahtausbildung, Bodenfeuchtigkeit u.a. nur wenig.With this method, the course of the underground pipelines can be tracked precisely by the operator, from a known starting point, with a manual or mechanically performed pivoting movement of the sensor over the ground to determine the location of the maximum interaction, i.e. determines the smallest distance between the sensor and the pipeline and progresses along the pipeline in pursuit of this location. This can reduce the uncertainty of the location of the damage site in the direction transverse to the pipe run. However, the location of the damage in the longitudinal direction of the pipeline is not possible. Because of the large earth coverage, the measuring sensitivity is not sufficient to directly detect corrosion in the pipe or the weld seam (classic eddy current error check). The measuring effects of a faultless and a defective pipe differ in the range of fluctuation of the effective disturbance parameters, such as depth, pipe wall thickness, weld seam formation, soil moisture, etc. only a little.
Obwohl das Verfahren grundsätzlich geeignet ist, Feuchtigkeit und Gradienten derselben im Erdboden festzustellen, ist es zum anderen nicht möglich, zu unterscheiden, ob sich die festgestellte Feuchtigkeit als Kennzeichen einer Schadensstelle im Inneren des Rohrmantels oder außerhalb im umgebenden Erdreich befindet, wo sie stets mehr oder weniger ausgiebig vorhanden ist. Der Wirbelstromsensor erfaßt mit seinem Wirkungsbereich gleichzeitig das Innere und das Äußere der Rohrummantelung. Eine Verbesserung des lateralen Auflösungsvermögens ist wegen der großen Tiefenlage und des damit verbundenen relativ großflächigen Sensors nicht möglich.On the other hand, although the method is fundamentally suitable for determining moisture and gradients thereof in the ground, it is not possible to distinguish whether the detected moisture is a sign of a damage location inside the pipe shell or outside in the surrounding earth, where it is always more or is less abundant. The eddy current sensor's area of action simultaneously detects the inside and the outside of the pipe casing. An improvement in the lateral resolution is not possible due to the large depth and the associated relatively large-area sensor.
Bei dem bekannten Verschiebungsstrom-Verfahren handelt es sich um das dielektrische Analogon zum magnetischen Wirbelstromverfahren. Als kapazitive Sensoren kommen hierbei Metallelektroden vielfältiger Form ihn Betracht. Das
Verfahren ist empfindlich auf die dielektrischen Eigenschaften (εr) des Prüfobjektes. Im vorliegenden Fall sind dies die Dielektrizitätskonstanten des Isolierschaums, des Erdbodens und insbesondere die des dort zu detektierenden Wassers. Wie im Fall des Wirbelstromverfahrens reicht das laterale Auflösungsvermögen nicht aus, um zu unterscheiden, ob sich die detektierte Feuchtigkeit innerhalb oder außerhalb des Rohrmantels befindet. Metallflächen oder -körper, die sich im Wirkungsbereich des kapazitiven Sensors befinden, bewirken Abschirmeffekte und sind Ursache von Störsignalen.The known displacement current method is the dielectric analogue to the magnetic eddy current method. Metal electrodes of various shapes come into consideration as capacitive sensors. The The method is sensitive to the dielectric properties (ε r ) of the test object. In the present case, these are the dielectric constants of the insulating foam, the soil, and in particular that of the water to be detected there. As in the case of the eddy current method, the lateral resolution is not sufficient to distinguish whether the detected moisture is inside or outside the pipe jacket. Metal surfaces or bodies that are in the effective range of the capacitive sensor cause shielding effects and are the cause of interference signals.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Es besteht daher die Aufgabe ein Verfahren zur Detektion von Fehlerstellen, insbesondere Feuchtestellen innerhalb eines mit einer Ummantelung versehenen Leitungssystems, insbesondere Fernwärmerohr, in dessen Ummantelung beabstandet vom Leitungssystem wenigstens ein Draht längs zum Leitungssystem verlaufend angeordnet ist, derart weiterzubilden, dass eine exakte Lokalisierung von Fehlerstellen entlang des Leitungssystems mit möglichst einfachen Mitteln ohne großen arbeitstechnischen Aufwand zuverlässig möglich sein soll.There is therefore the task of developing a method for the detection of fault locations, in particular moisture points within a line system provided with a sheathing, in particular a district heating pipe, in the sheathing of which at least one wire is arranged at a distance from the line system and running along the line system in such a way that an exact localization of fault locations should be reliably possible along the piping system with the simplest possible means without great technical expenditure.
Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Maßnahmen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der Beschreibung zu entnehmen.The solution to the problem on which the invention is based is specified in claim 1. Measures which advantageously further develop the inventive concept are the subject matter of the subclaims and the description.
Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 Wechselstrom in das Leitungssystem sowie in den wenigstens einen Draht oder in zwei oder mehr zueinander beabstandet verlaufende Drähte eingespeist. Ferner wird das durch den Wechselstrom durch das Leitungssystem und den Draht oder durch die Drähte erzeugte Magnetfeld längs des Leitungssystems ortsaufgelöst delektiert und schließlich wird auf Grundlage des detektierten Magnetfeldes eine Magnetfeldauswertung durchgeführt wird, mittels der die Fehlerstellen lagegenau detektierbar sind.
In den meisten Leitungssystemen von Fernwärmerohren sind zwei parallel zueinander verlaufende Überwachungsdrähte innerhalb der Kunststoffummantelung gezogen. Die nachfolgenden Betrachtungen gehen zunächst von dieser Fallkonstellation aus, doch werden auch hiervon abweichende Systeme behandelt.According to the invention, in the method according to the preamble of claim 1, alternating current is fed into the line system and into the at least one wire or into two or more wires which are spaced apart from one another. Furthermore, the magnetic field generated by the alternating current through the line system and the wire or through the wires is detected in a spatially resolved manner along the line system, and finally, on the basis of the detected magnetic field, a magnetic field evaluation is carried out, by means of which the fault locations can be detected precisely. In most district heating pipe systems, two monitoring wires running parallel to each other are drawn inside the plastic jacket. The following considerations start from this case, but systems that deviate from this are also dealt with.
Wie in der Einleitung zum Stand der Technik beschrieben ist bei der Gleichstrommessung der an der Einspeisestelle gemessene Widerstand rein reell, wobei Strom und Spannung entlang der gesamten Zweidrahtleitung in Phase sind. Demgegenüber treten im Wechselstromfall induktive und kapazitive Widerstandskomponenten hinzu. Der an der Einspeisestelle gemessene Widerstand ist somit komplex - man spricht in diesem Zusammenhang auch von dem Wechselstromwiderstand oder auch von der Impedanz -, so daß sich eine entsprechende Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung einstellt.As described in the introduction to the prior art, the resistance measured at the feed point is purely real in the case of direct current measurement, with current and voltage being in phase along the entire two-wire line. In contrast, inductive and capacitive resistance components are added in the AC case. The resistance measured at the infeed point is thus complex - one also speaks of the AC resistance or the impedance in this context - so that a corresponding phase shift between current and voltage occurs.
In der einzigen Figur ist hierzu ein Ersatzschaltbild dargestellt, das eine Zweidrahtleitung mit Wechselstromeinspeisung und einer Feuchtestelle als Fehlerstelle zeigt. Die Zweidrahtleitung versinnbildlicht die Anordnung einer Fernwärmerohrleitung innerhalb deren Ummantelung zwei parallel verlaufende Überwachungsdrähte vorgesehen sind. Beide Überwachungsdrähte sind gegenseitig durch den innerhalb der Kunststoffummantelung eingebrachten Hartschaumes elektrisch isoliert. Nun wird eine Wechselstromspannung U_ an die Zweidrahtleitung angelegt, die in Verbindung mit der Gesamtimpedanz Zι_ der Leitungsanordnung zu einem Wechselstrom I, führt. Für die Gesamtimpedanz ZL gilt somit:In the single figure, an equivalent circuit diagram is shown, which shows a two-wire line with an alternating current feed and a moist point as a fault location. The two-wire line symbolizes the arrangement of a district heating pipeline within the sheath of which two parallel monitoring wires are provided. Both monitoring wires are electrically insulated from each other by the rigid foam inside the plastic sheathing. Now an alternating current voltage U_ is applied to the two-wire line, which leads to an alternating current I in connection with the total impedance Zι_ of the line arrangement. The following therefore applies to the total impedance ZL:
ZL = RQ + s(2RDraht + jωL raht) + RFeuc te / Gωs-CDraht)ZL = RQ + s (2R D raht + jωL ra ht) + RFeuc te / G ωs -C wire)
mit RQ Innenwiderstand der Spannungsquelle s Abstand zwischen Einspeisestelle und Feuchtestellewith RQ internal resistance of the voltage source s Distance between the feed point and the wet point
Rpraht Ohm'scher Widerstand des Überwachungsdrahts mit derRPrA ht ohmic resistance of the wire to the monitoring
Länge 1 m j imaginäre Einheit ω Kreisfrequenz der angelegten WechselspannungLength 1 m j imaginary unit ω angular frequency of the applied AC voltage
Lorant Induktivität einer ZweidrahtleitungLorant inductance of a two-wire line
RFeuch e Übergangswiderstand zwischen den beidenR F h e EUC transition resistance between the two
Überwachungsdrähten an der Feuchtestelle
s Gesamtlänge der ZweidrahtleitungMonitoring wires at the wet site s Total length of the two-wire line
Cüraht Kapazität der ZweidrahtleitungCu wire capacity of the two-wire line
Auf folgende Besonderheiten sei an dieser Stelle in Verbindung mit der als Ersatzschaltbild gezeigten Rohrleitung mit zwei parallel dazu verlaufenden Überwachungsdrähten hingewiesen:The following special features should be noted at this point in connection with the pipeline shown as an equivalent circuit diagram with two monitoring wires running parallel to it:
• Zur Ermittlung der Gesamtkapazität Z geht in den Kapazitätswert des Drahtes die Gesamtlänge SL der Rohrleitung ein. Diese Kapazität liegt parallel zum Übergangswiderstand RFeuchte im Bereich der Feuchtigkeitsstelle. Das bedeutet, daß nach der Feuchtestelle der Stromfluß nicht vollständig zurückgeht, sondern ein kapazitiver Strom bis zum Rohrleitungsende bestehen bleibt.• To determine the total capacity Z, the total length S L of the pipeline is included in the capacity value of the wire. This capacitance is parallel to the contact resistance R F eu chte in the area of the moisture point. This means that the current flow does not decrease completely after the wet point, but a capacitive current remains until the end of the pipeline.
• Von besonderer Bedeutung ist, dass an der Feuchtestelle nicht nur ein Sprung der Stromamplitude, sondern auch der Phase auftritt. Während sich vor der Feuchtestelle die Phase des Stromes entsprechend vorstehender Impedanzbeziehung als Funktion der angegebenen Parameter einstellt, ist nach der Feuchtestelle die Phase zwischen Strom und Spannung stets 90°.• It is particularly important that not only a jump in the current amplitude, but also the phase occurs at the wet point. While the phase of the current adjusts as a function of the specified parameters in front of the wet point in accordance with the above impedance relationship, the phase between current and voltage is always 90 ° after the wet point.
• In die Widerstands- bzw. Stromausbildung geht lediglich die Feuchtigkeit zwischen der Zweidrahtleitung ein. Die Feuchtigkeit im umgebenden Erdreich außerhalb des Rohrmantels bleibt stromfrei und somit ohne Einfluß auf den Leitungsstrom.• Only the moisture between the two-wire line is included in the resistance or current formation. The moisture in the surrounding soil outside the pipe jacket remains current-free and therefore has no influence on the line current.
• Auch die Rohrleitung bleibt ohne Einfluß, da kein Strom zwischen ihr und der Zweidrahtleitung fließt.• The pipeline also has no influence, since no current flows between it and the two-wire line.
• Sind auf der Rohrleitung mehrere Feuchtestellen vorhanden, so wird die Gesamtleitung in mehrere Einzelabschnitte mit jeweils nur einer Feuchtestelle aufgespalten, für die sich die Lastwiderstände gemäß vorstehender Beziehung und den in den Teilabschnitten gegebenen Parametern ergeben. Der Gesamtwiderstand der Strecke bis zur letzten Feuchtestelle berechnet sich als Parallelschaltung der Impedanzen der Einzelabschnitte. Das bedeutet, daß der Strom entlang der Strecke nach jeder Feuchtestelle stufenweise zurückgeht. Die Stufenamplitude ist abhängig von den Verhältnissen der Übergangswiderstände an den verschiedenen Feuchtestellen.
Wie eingangs erwähnt, sind nicht bei allen Rohrleitungssystemen zwei getrennt verlaufende Überwachungsdrähte vorgesehen, sondern bei einigen Hersteller ist nur ein einziger Überwachungsdraht im Hartschaum verlegt. Dort ist es in Ermangelung des zweiten Drahtes notwendig, die Stromeinspeisung zwischen dem Leitungsrohr selbst, das in aller Regel aus einem elektrisch leitendem Material besteht, und diesem einzigen Überwachungsdraht vorzunehmen. Abgesehen von der Unsymmetrie zwischen dem großkalibrigen Leitungsrohr und dem relativ dünnen Überwachungsdraht ergeben sich prinzipiell die gleichen Widerstands- und Stromverhältnisse wie bei der Zweidrahtleitung.• If there are several moisture points on the pipeline, the entire line is split into several individual sections, each with only one moisture point, for which the load resistances result in accordance with the above relationship and the parameters given in the subsections. The total resistance of the route to the last wet point is calculated as the parallel connection of the impedances of the individual sections. This means that the current along the route gradually decreases after each wet point. The step amplitude depends on the ratios of the contact resistances at the various moisture points. As mentioned at the beginning, two separate monitoring wires are not provided in all piping systems, but in some manufacturers only a single monitoring wire is laid in the rigid foam. There, in the absence of the second wire, it is necessary to feed the current between the conduit itself, which generally consists of an electrically conductive material, and this single monitoring wire. Apart from the asymmetry between the large-caliber conduit and the relatively thin monitoring wire, the same resistance and current ratios result in principle as with the two-wire line.
Auch in Systemen mit zwei Überwachungsdrähten kann es sinnvoll sein, die unsymmetrische Einspeisung zu realisieren, insbesondere dann, wenn unklare Erdungsverhältnisse im Rohrleitungsnetz vorliegen.Even in systems with two monitoring wires, it can make sense to implement the asymmetrical feed, especially if there are unclear earthing conditions in the pipeline network.
Zusammengefaßt liegen bei der Wechselstromanregung entlang den Überwachungsleitungen als Funktion der Einflußparameter große Signalgradienten bezüglich der Stromamplitude und der Stromphase vor. Diese Situation ist vom Standpunkt der Informationstheorie günstig und steht im Gegensatz zur bekannten Gleichstromanregung bei der nur ein skalares Amplitudensignal ohne Phasenvariation vorliegt.In summary, there are large signal gradients with respect to the current amplitude and the current phase in the AC excitation along the monitoring lines as a function of the influencing parameters. This situation is favorable from the point of view of information theory and is in contrast to the known direct current excitation in which there is only a scalar amplitude signal without phase variation.
Wird im Wechselstromfall jedoch nur an der Einspeisestelle der komplexe Gesamtwiderstand der Leitung als integraler Wert gemessen, dann geht auch bei der Wechselstromanregung ein großer Teil der entlang der Leitung verfügbaren Information verloren.However, if the complex total resistance of the line is measured as an integral value only at the feed point in the AC case, then a large part of the information available along the line is lost even with AC excitation.
Deshalb wird beim erfindungsgemäßen Verfahren im zweiten Schritt die bei Wechselstromanregung vorliegende umfangreiche Amplituden- und Phaseninformation als Funktion des Ortes entlang der Leitung abgefragt. Als Informationsträger wird das Magnetfeld genutzt, das mit dem Leitungsstrom verkettet ist und den Leiter auf geschlossenen Bahnen umgibt. Zentral über dem Mittelpunkt zwischen den beiden Überwachungsdrähten, der i.a. mit der Rohrposition
übereinstimmt, ist in jedem Abstand über der Leitung die Amplitude und Phase des Magnetfeldes das exakte Abbild der Amplituden- und Phasenverteilung des Stromes auf der darunterliegenden Leitung. Die gesuchte zentrale Abtastposition wird gleichsam dem Wirbelstromverfahren nachempfunden, indem der Operator in einer manuellen oder mechanisiert durchgeführten Schwenkbewegung des Sensors quer zum Rohrverlauf das Signalmaximum feststellt.For this reason, in the method according to the invention, in the second step, the extensive amplitude and phase information available with AC excitation is queried as a function of the location along the line. The magnetic field, which is linked to the line current and surrounds the conductor on closed paths, is used as an information carrier. Centrally above the midpoint between the two monitoring wires, generally with the pipe position agrees, the amplitude and phase of the magnetic field is the exact image of the amplitude and phase distribution of the current on the line below at any distance above the line. The sought-after central scanning position is modeled, as it were, on the eddy current method, in that the operator determines the signal maximum in a manual or mechanically executed pivoting movement of the sensor transverse to the pipe run.
Die Auswertung, bspw. durch bloße Beobachtung der Signalveränderungen bezüglich Amplitude und Phase des Magnetfeldes beim Fortschreiten in Richtung des Rohrverlaufs führt zu jener Stelle, an der Feuchtigkeit im Inneren des Rohrmantels vorhanden ist. Solange sich der Operator zwischen der Einspeisestelle und der Feuchtestelle befindet, bleibt das Signalmaximum nahezu konstant. Wird die Feuchtestelle überschritten, bricht das Signalmaximum zusammen und die Phasenrichtung des rein kapazitiven Leitungsstroms wird angezeigt.The evaluation, for example by merely observing the signal changes with respect to the amplitude and phase of the magnetic field as it progresses in the direction of the pipe run, leads to the point at which moisture is present in the interior of the pipe jacket. As long as the operator is between the feed point and the wet point, the signal maximum remains almost constant. If the moisture point is exceeded, the signal maximum collapses and the phase direction of the purely capacitive line current is displayed.
Die Abtastung des Magnetfeldes erfolgt wegen der Wechselstromanregung vorzugsweise mit einem induktiven Sensor, der wegen des großen Abstandes zwischen Sensor und Rohrleitung, typischerweise von bis zu 2 m, die hohe Anforderungen an die Signaldynamik erfüllt.Because of the AC excitation, the magnetic field is preferably scanned with an inductive sensor which, due to the large distance between the sensor and the pipeline, typically of up to 2 m, meets the high requirements for signal dynamics.
In einem letzten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Signalverarbeitung nachgeschaltet, welche die aufgenommenen Meßsignale derart aufbereitet, daß einem Operator die Interpretation der Meßsignale in einfacher, sicherer und nachvollziehbarer Weise ermöglicht wird. Dazu wird das komplexe Empfangssignal am Sensor, verstärkt und mittels eines Quadratur-Demodulators in zwei gleichgerichtete Signalkomponenten, dem sogenannten Real- und Imaginärteil der Empfangsspannung, umgesetzt, die letztendlich die Amplitude und Phase des Stroms auf der Leitung repräsentieren. Diese Vorgehensweise besitzt die folgenden Vorteile:In a final step of the method according to the invention, the signal processing is connected downstream, which processes the recorded measurement signals in such a way that an operator is able to interpret the measurement signals in a simple, reliable and comprehensible manner. For this purpose, the complex received signal at the sensor is amplified and converted by means of a quadrature demodulator into two rectified signal components, the so-called real and imaginary part of the received voltage, which ultimately represent the amplitude and phase of the current on the line. This approach has the following advantages:
• Die Verstärkung und Gleichrichtung der Meßsignale kann extrem schmalbandig erfolgen. Typisch ist eine Bandbreite von 3 Hz bei einer
Anregungsfrequenz von 30 kHz. Dem entspricht eine relative Bandbreite von 100 ppm. Damit können eingestreute Störsignale wirkungsvoll unterdrückt werden. Störsignale können von Starkstrom- oder Datenleitungen mit großer Signalaktivität hervorgerufen werden, die nahe der Heizrohrleitung verlaufen und bisweilen in demselben Bodenkanal verlegt sind.• The amplification and rectification of the measurement signals can be extremely narrow-band. A bandwidth of 3 Hz is typical for one Excitation frequency of 30 kHz. This corresponds to a relative bandwidth of 100 ppm. Interfering interference signals can thus be effectively suppressed. Interference signals can be caused by high-current or data lines with high signal activity, which run close to the heating pipe and are sometimes laid in the same floor duct.
• Bestimmte, einstellbare Phasenrichtungen können ausgeblendet bzw. selektiert werden, um systematische Störsignale, wie z. B. die Meßeffekte der kapazitive Ableitungs- und Restströme nach hinter der Feuchtestelle zu unterdrücken.• Certain, adjustable phase directions can be hidden or selected in order to systematic interference signals such. B. to suppress the measuring effects of the capacitive leakage and residual currents behind the wet area.
• Die Phasenselektion kann vorzugsweise derart vorgenommen werden, daß am Signalausgang nur die reelle Signalkomponente angezeigt wird, die vom Querstrom hervorgerufen werden, der an der Feuchtestelle zwischen den Überwachungsdrähten fließt. Die Feuchtestelle macht sich im Idealfall als abrupter Signalabfall bemerkbar, wenn der Operator diese überschreitet und hinter sich läßt. Bei mehrfachen Feuchtestellen im Verlauf der Rohrleitung ist der Signalabfall beim Überschreiten der einzelnen Stellen weniger deutlich. Hier kann jedoch die zusätzlich auftretende Phasendrehung genutzt werden, um die Anzeige der Feuchtestelle zu bestätigen.• The phase selection can preferably be carried out in such a way that only the real signal component is displayed at the signal output, which is caused by the cross current that flows between the monitoring wires at the wet point. Ideally, the moisture point is noticed as an abrupt drop in signal when the operator exceeds it and leaves it behind. If there are multiple moisture points along the pipeline, the signal drop when the individual points are exceeded is less clear. Here, however, the additional phase shift that occurs can be used to confirm the display of the wet point.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche VerwendbarkeitWAYS OF CARRYING OUT THE INVENTION, INDUSTRIAL APPLICABILITY
Ein zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignetes Prüfgerät entsprechend besteht aus den folgenden Hauptkomponenten, die miteinander in Verbindung stehen bzw. kommunizieren:A test device suitable for carrying out the method according to the invention accordingly consists of the following main components which are connected or communicate with one another:
• Wechselstrom-Generator mit Strombooster mit einstellbarer Frequenz im Bereich zwischen 10 kHz und 100 kHz mit einer Spannung bis Uθff = 50 V und einem Strom bis leff = 1 A am Ausgang. Ziel ist es, einen maximalen Strom auf die Leitung zu geben, der direkt proportional zu dem späteren Meßsignal ist. Der Strom wird durch die Ausgangsspannung am Strombooster begrenzt, die ihrerseits aus Sicherheitsgründen bei ungewolltem Berühren den genannten Maximalwert nicht überschreiten darf.
• Magnetfeldsensor zur Abtastung des Wechselfeldes, das die stromdurchflossene Zweidrahtleitung umgibt. Wegen der großen Tiefenlage der Drähte von bis 2 m unter der Erdoberfläche, ist eine hohe Meßempfindlichkeit gefordert, die mehr als zwei Größenordnungen unterhalb der Größenordnung des Erdmagnetfelds liegt. In Frage kommen alle bekannten Formen der induktiven Sensoren, die bezüglich der Tiefen reichweite zu optimieren sind, sowie, Fluxgate-, GMR- und SQUID-Sensoren. Der Magnetfeld-Sensor wird längs des Leitungsverlaufs fortbewegt und gleichzeitig quer zum Leitungsverlauf geschwenkt. Der Auslenkung in Querrichtung ist typisch ±1 m und muß das Signalmaximum in dieser Richtung deutlich erkennen lassen. Damit gelingt es, in der Querbewegung den Verlauf der Leitung zu detektieren und zu verfolgen. Signifikante Signalveränderungen in der Längsbewegung kennzeichnen die Fehlerstelle. Beide Bewegungen können entweder durch Abschreiten und manuellen Schwenk des Sensors oder automatisiert mit einem fahrbaren Prüfsystem, bspw. auf Rädern rollend, sowie einem motorisch angetriebenen Schwenkarm, der den Sensor trägt, realisiert werden.• AC generator with current booster with adjustable frequency in the range between 10 kHz and 100 kHz with a voltage up to U θff = 50 V and a current up to l eff = 1 A at the output. The aim is to put a maximum current on the line that is directly proportional to the later measurement signal. The current is limited by the output voltage at the current booster, which in turn must not exceed the stated maximum value if it is touched accidentally for safety reasons. • Magnetic field sensor for sensing the alternating field that surrounds the current-carrying two-wire line. Because of the great depth of the wires of up to 2 m below the earth's surface, a high measuring sensitivity is required, which is more than two orders of magnitude below the order of magnitude of the earth's magnetic field. All known forms of inductive sensors that can be optimized with regard to the depth range, as well as fluxgate, GMR and SQUID sensors come into question. The magnetic field sensor is moved along the line course and at the same time swiveled transversely to the line course. The deflection in the transverse direction is typically ± 1 m and must clearly show the signal maximum in this direction. This enables the line to be detected and tracked in the transverse movement. The fault location is characterized by significant signal changes in the longitudinal movement. Both movements can be realized either by walking and manually swiveling the sensor or automatically with a mobile test system, for example rolling on wheels, as well as a motor-driven swivel arm that carries the sensor.
• Analog-Elektronik mit Verstärker und phasenselektiver Gleichrichter zur Aufbereitung der Sensor-Empfangsspannung. Wegen des geringen Signalpegels sollte eine hohe Verstärkung von bis zu 100 dB einstellbar sein. Aus dem gleichen Grund ist eine sehr geringe Signalbandbreite von typisch 3 Hz Bandbreite erforderlich, um eingestreute Störsignale sicher unterdrücken zu können. Dies kann durch einen schmalbandigen Quadratur-Demodulator oder eine PLL-Schaltung erreicht werden, die beide eine Synchronsignal-Verbindung zum Wechselspannungs- Generator an der Einspeisestelle benötigen. Das kann über Kabel, das der Operator beim Abschreiten der Leitung mitführt oder drahtlos über Funk und Telemetrie realisiert werden.• Analog electronics with amplifier and phase-selective rectifier for processing the sensor receive voltage. Because of the low signal level, a high gain of up to 100 dB should be adjustable. For the same reason, a very small signal bandwidth of typically 3 Hz bandwidth is required in order to be able to reliably suppress interfering interference signals. This can be achieved using a narrow-band quadrature demodulator or a PLL circuit, both of which require a synchronous signal connection to the AC voltage generator at the feed point. This can be done using a cable that the operator carries with him when walking down the line or wirelessly using radio and telemetry.
• Digitale Auswerteeinheit zur Aufbereitung und Darstellung der Prüfinformation für eine abgesicherte und nachvollziehbare Befundbewertung. Folgende Betriebsfunktionen sind erforderlich:• Digital evaluation unit for the preparation and presentation of the test information for a reliable and traceable evaluation of findings. The following operating functions are required:
Umsetzung der verstärkten Sensor-Empfangsspannung in zwei Signalkomponenten, die das aufgenommene Magnetfeld gemäß seinem Real- und Imaginärteil repräsentieren.
Phasendrehung in der Impedanzebene zur phasenselektiven Unterdrückung von Störsignalen, bspw. von kapazitiven Störeinflüssen.Implementation of the amplified sensor reception voltage in two signal components that represent the recorded magnetic field according to its real and imaginary part. Phase shift in the impedance level for phase-selective suppression of interference signals, e.g. capacitive interference.
Hochpaßfilterung im Ortsbereich zur Unterdrückung von Einflußgrößen, die bezüglich des Ortes langsam veränderlich sind, wie z.B. veränderliche Tiefenlage der Rohrleitung.High pass filtering in the local area to suppress influencing variables that are slowly changing with regard to the location, e.g. variable depth of the pipeline.
Darstellung der Meßsignale auf einem Display zur visuellen Beurteilung des Befundes, insbesondere zur Verfolgung des Verlaufs der Rohrleitung.Representation of the measurement signals on a display for visual assessment of the finding, in particular for tracking the course of the pipeline.
Speicherung der Meßsignale zu Dokumentationszwecken auf einem Datenträger entlang der Leitungsstrecke.Storage of the measurement signals for documentation purposes on a data carrier along the line.
Interaktive Markiermöglichkeiten des Prüfortes durch Setzen von Zeitmarken bei der Datenaufzeichnung.Interactive marking options for the test site by setting time stamps when recording data.
Anbindung der Datenaufnahme an einen Weggeber, insbesondere bei Ausführung des Prüfsystems in einer fahrbaren Version.Connection of the data acquisition to a travel sensor, especially when the test system is implemented in a mobile version.
Selbstverständlich ist das vorstehend erläuterte Verfahren, das auf der Grundlage der phasenselektiven und ortsaufgelösten Magnetfeldabtastung beruht auch für die Detektion von Fehlerstellen ganz allgemeiner Art anwendbar, wie beispielsweise die Erkennung von Kabelbrüchen oder Kurzschlüssen zwischen zwei Kabeln. Ferner bietet das Verfahren auch ohne das Vorliegen von Fehlerstellen die exakte Ermittlung des Verlaufes eines Leitungssystems, das bspw. unter einer dicken Erdschicht vergraben verläuft. Dies ist insbesondere wichtig für die Planung und den Bau von Trassenverläufen in Bereichen, in denen bereits Leitungssysteme aller Art verlegt worden sind.
Of course, the method explained above, which is based on the phase-selective and spatially resolved magnetic field scanning, can also be used for the detection of fault locations of a very general nature, such as the detection of cable breaks or short circuits between two cables. Furthermore, the method offers the exact determination of the course of a pipeline system, which runs buried under a thick layer of earth, for example, even without the presence of defects. This is particularly important for the planning and construction of route layouts in areas where all types of piping systems have already been installed.