DE3607913C1 - Method for locating leaks in pipelines - Google Patents

Method for locating leaks in pipelines

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DE3607913C1 DE19863607913 DE3607913A DE3607913C1 DE 3607913 C1 DE3607913 C1 DE 3607913C1 DE 19863607913 DE19863607913 DE 19863607913 DE 3607913 A DE3607913 A DE 3607913A DE 3607913 C1 DE3607913 C1 DE 3607913C1
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Werner Dipl-Ing Frommhold
Dr-Ing Fuchs Helmut V
Klaus Dipl- Schmidt-Schykowski
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Abstract

In the leak-locating method according to the invention, which employs cross-correlation analysis, the 2-channel FFT analyzer is used to measure the difference in propagation time. The cross-power spectrum is firstly subjected to equalisation, weighted with a suitable frequency weighting, if necessary, and subsequently transformed back into the time range. As a result, instead of the known cross-correlation function a different time function with optimum resolving power is obtained, and this permits the determination of leaks with higher accuracy and over a larger measurement range. The subsequent equalisation of the cross-power spectrum can be performed in a much finer fashion than could be obtained using conventional filters 3 in accordance with Figure 1. The method can be implemented without additional outlay on equipment using conventional FFT analyzers. Since the method can run automatically, the interposition of the equalisation requires no additional time outlay in practical use.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Orten von Leckstellen in Rohrleitungen, insbesondere in Wasserversorgungsnetzen, durch Messung der Laufzeitdifferenz der von einem Leck ausgehenden Schallwellen, wobei von akustischen Sensoren gelieferte, elektrische Signale durch Kreuzkorrelationsanalyse ausgewertet werden. Eine Meßanordnung für ein solches Verfahren zeigt die Fig. 1. An den Orten a und b sind im Abstand l an der Rohrleitung die akustischen Sensoren 1 angebracht, deren elektrische Signale mit Verstärkern 2 und Filtern 3 aufbereitet werden. Mit den Filtern 3 werden störende Signalanteile, z. B. das tieffrequente Pumpengeräusch, vom Analysator 4 ferngehalten. Zur Optimierung der Filtereinstellung liefert nach [1] die Kohärenzfunktion γ² wertvolle Zusatzinformation. Nach [2], Seite 54 istThe invention relates to a method for locating leak points in pipelines, in particular in water supply networks, by measuring the transit time difference of the sound waves emanating from a leak, electrical signals supplied by acoustic sensors being evaluated by cross-correlation analysis. A measuring arrangement for such a method is shown in FIG. 1. At locations a and b , the acoustic sensors 1 are attached at a distance l to the pipeline, the electrical signals of which are processed with amplifiers 2 and filters 3 . With the filters 3 interfering signal components, for. B. the low-frequency pump noise, kept away from the analyzer 4 . According to [1], the coherence function γ ² provides valuable additional information for optimizing the filter setting. According to [2], page 54

γ²=|GBA|²/(GAA · GBB), γ ² = | GBA | ² / (GAA · GBB) ,

wobei mit GBA das Kreuzleistungsspektrum, mit GAA und GBB das Leistungsspektrum des Sensorsignals in Kanal a und b bezeichnet wird. Danach werden die Signale dem Analysator 4 zur Bestimmung der Laufzeitdifferenz zugeführt. GBA denotes the cross-power spectrum, GAA and GBB the power spectrum of the sensor signal in channels a and b . The signals are then fed to the analyzer 4 for determining the transit time difference.

Unterhalb einer durch den Durchmesser des Rohres gegebenen Grenzfrequenz sind im Fluid nur ebene Schallwellen ausbreitungsfähig. Unter dieser Voraussetzung ist die Laufzeit, die das vom Ausströmvorgang im Leck L hervorgerufene Geräusch benötigt, um zu den Sensoren a oder b zu gelangen, der Entfernung direkt proportional. Bei bekannter Schallgeschwindigkeit - sie wird in der Regel in einem Vorversuch bestimmt - kann dann aus der gemessenen Laufzeitdifferenz τ m der Signale a(t) und b(t) der Ort der Leckstelle berechnet werden. Below a limit frequency given by the diameter of the tube, only plane sound waves are able to propagate. Under this condition, the running time, which the noise caused by the outflow in the leak L needs to reach the sensors a or b , is directly proportional to the distance. If the speed of sound is known - it is usually determined in a preliminary test - the location of the leak can then be calculated from the measured transit time difference τ m of the signals a (t) and b (t) .

Als Meßgerät 4 für die Laufzeitdifferenz wurden zunächst Korrelatoren verwendet, die im Zeitbereich arbeiten und die KreuzkorrelationsfunktionCorrelators which work in the time domain and the cross-correlation function were initially used as the measuring device 4 for the transit time difference

RBA( τ )= RBA ( τ ) =

liefern. Beschrieben ist eine solche Meßanordnung in Spalte 6 Zeilen 14 bis 23 und 37 bis 49 der DE-PS 30 45 660.deliver. Such a measuring arrangement is described in column 6 lines 14 to 23 and 37 to 49 of DE-PS 30 45 660.

Neuerdings sind aber auch FFT-Analysatoren gemäß Fig. 2 im Einsatz, bei denen zunächst die Zeit-Signale a(t) und b(t) mit der Fourier- Transformation in komplexe Spektren A( ω ) und B( l ) überführt werden:FFT analyzers according to FIG. 2 have recently also been used, in which the time signals a (t) and b (t) are first converted into complex spectra A ( ω ) and B ( l ) using the Fourier transformation:

A( ω )=F {a(t)}, B( ω )=F {b(t)}. A ( ω ) = F { a (t) }, B ( ω ) = F { b (t) }.

Anschließend wird das KreuzleistungsspektrumThen the cross power spectrum

GBA( ω )= GBA ( ω ) =

(A( ω ) x ist die konjugiert komplexe Größe zu A( ω )) berechnet und danach die Kreuzkorrelationsfunktion durch die Invers-Fourier-Transformation gewonnen: (A ( ω ) x is the conjugate complex quantity to A ( ω ) ) calculated and then the cross-correlation function obtained by the inverse Fourier transform:

RBA( τ )=F -1{GBA( ω )}. RBA ( τ ) = F -1 { GBA ( ω ) }.

Bei der Laufzeitdifferenz τ m erscheint in RBA ein Maximum. Je schärfer dieses Maximum ausgeprägt ist, desto sicherer und genauer kann τ m bestimmt werden. Ein rasches Abklingen von RBA um τ m herum ist besonders auch dann wichtig, wenn mehrere Schallquellen mit verschiedenen Laufzeitdifferenzen vorhanden sind.At the transit time difference τ m a maximum appears in RBA . The sharper this maximum is, the more reliably and precisely can τ m be determined. A rapid decay of RBA around τ m is particularly important even when there are several sound sources with different transit time differences.

Wie rasch RBA um τ m herum abklingt, wird durch die Hüllkurve von GBA bestimmt: schreibt man das komplexe Kreuzleistungsspektrum nach Betrag und Phase, so folgt für RBA:How quickly RBA decays around τ m is determined by the envelope of GBA : if you write the complex cross-power spectrum according to magnitude and phase, RBA follows:

RBA( τ )=F -1{|GBA( ω )|}* F -1{exp(j Φ )}. RBA ( τ ) = F -1 {| GBA ( ω ) |} * F -1 {exp (j Φ ) }.

Der Stern bezeichnet die Faltungsoperation [2], Seite 16. Die gesuchte Information über die Laufzeitdifferenz t m ist ausschließlich in der Phase Φ enthalten. Es ist daher zulässig, auf den Term links vom Faltungssymbol, der lediglich die abklingende Schwingung von RBA um τ m herum beschreibt, Einfluß zu nehmen. Ziel dieser Operation ist es, eine ausgeglichene und breitbandige Hüllkurve des Kreuzleistungsspektrums zu erzielen, weil die Auflösung im Zeitbereich Δ t gemäß der Unschärferelation B · Δ t=1 der Bandbreite B der zugehörigen Frequenzfunktion umgekehrt proportional ist. Die Notwendigkeit für eine derartige Verbesserung der bisherigen Meßverfahren wird in Fig. 3 mit Meßergebnissen bei der Leckortung auf einer Fernwärmeleitung (Stahlrohr, Nennweite 100 mm, Länge des Meßabschnittes 195 m) demonstriert: In den Spektren der Sensorsignale erscheinen scharfe Resonanzen (wenig bedämpfte Biegeschwingungen des Stahlrohrs), die sich in das Kreuzleistungsspektrum abbilden. Daher erscheint in RBA nur ein breites verschmiertes Maximum, die Bestimmung von τ m ist mit großer Unsicherheit behaftet. Zur Vermeidung dieses Nachteils wurde bisher nur versucht, durch eine geeignete spektrale Formung in den Filtern 3 ein ebenso ausgeglichenes Spektrum der Sensorsignale vor dem Korrelationsprozeß herbeizuführen und so die Korrelationsfunktion zu verbessern (United States Patent 44 35 974). Diese Vorgehensweise verlangt zusätzlichen Geräte- und Zeitaufwand und führt in der Anordnung nach Fig. 1 zu einem zusätzlichen Meßfehler, weil sich bei Einstellung auf zwei i. a. verschiedene Spektren A( ω ) und B( l ) die Filter in ihrem Phasengang unterscheiden.The asterisk denotes the folding operation [2], page 16. The information sought about the transit time difference t m is only contained in phase Φ . It is therefore permissible to influence the term to the left of the convolution symbol, which only describes the decaying vibration of RBA around τ m . The aim of this operation is to achieve a balanced and broadband envelope of the cross-power spectrum because the resolution in the time domain Δ t is inversely proportional to the bandwidth B of the associated frequency function according to the uncertainty principle B · Δ t = 1. The need for such an improvement of the previous measurement methods is demonstrated in Fig. 3 with measurement results in the leak detection on a district heating pipe (steel pipe, nominal width 100 mm, length of the measuring section 195 m): Sharp resonances appear in the spectra of the sensor signals (less damped bending vibrations of the Steel tube), which are reflected in the cross-power spectrum. Therefore, only a broad smeared maximum appears in RBA , the determination of τ m is associated with great uncertainty. To avoid this disadvantage, attempts have so far only been made to bring about an equally balanced spectrum of the sensor signals before the correlation process by means of a suitable spectral shaping in the filters 3 and thus to improve the correlation function (United States Patent 44 35 974). This procedure requires additional equipment and time and leads to an additional measurement error in the arrangement according to FIG. 1, because when setting to two generally different spectra A ( ω ) and B ( l ) the filters differ in their phase response.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, dieses aus [1] bekannte, mit einem FFT-Analysator arbeitende Leckortungsverfahren so zu verbessern, daß ohne zusätzlichen Geräte- und Zeitaufwand eine genauere Leckortung ermöglicht wird.The invention is therefore based on the object of this known from [1], to improve leak detection methods using an FFT analyzer so that a more accurate without additional equipment and time Leak detection is made possible.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Verfahrensschritte. Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren erläutert. Es zeigtThis problem is solved by the in the characteristic of Claim 1 specified process steps. The following is the Invention explained with reference to the figures. It shows

Fig. 1 die aus der DE-PS 30 45 660 bekannte Meßordnung, Fig. 1 which is known from DE-PS 30 45 660 measuring arrangement,

Fig. 2 den anstelle des Meßgerätes 4 in Fig. 1 verwendbaren FFT-Analysator, Fig. 2 shows the place of the measuring device 4 in Fig. 1 usable FFT analyzer,

Fig. 3 ein Meßbeispiel an einem Rohrabschnitt mit dem bisher üblichen FFT-Verfahren, Fig. 3 is a measurement example of a pipe section with the hitherto conventional FFT method,

Fig. 4 eine Gegenüberstellung von Meßergebnissen nach dem bisherigen und dem erfindungsgemäßen FFT-Verfahren, Figure 4 is a comparison of measurement results of the prior and the inventive FFT process.,

Fig. 5 Ergebnisse mit dem Verfahren nach der Erfindung an dem der Fig. 3 zugrunde liegenden Rohrabschnitt. Fig. 5 results with the method according to the invention on the pipe section underlying Fig. 3.

Die angestrebte Egalisation des Kreuzleistungsspektrums GBA wird erfindungsgemäß mit der sogenannten Dissipationsfunktion DF durch Normierung auf die Leistungsspektren der Eingangssignale GAA und GBB nach folgender Definitionsgleichung erreicht:The desired equalization of the cross power spectrum GBA is achieved according to the invention with the so-called dissipation function DF by normalizing to the power spectra of the input signals GAA and GBB according to the following definition equation:

γ² bezeichnet wieder die Kohärenzfunktion der Signale a(t) und b(t). Die Dissipationszeitfunktion DTF wird durch die Invers-Fourier-Transformation aus der Dissipationsfunktion gewonnen: γ ² again denotes the coherence function of the signals a (t) and b (t) . The dissipation time function DTF is obtained from the dissipation function by the inverse Fourier transformation:

DTF( t )=F -1{DF( ω )}=F -1{γ}* F -1{exp(j Φ -)}. DTF ( t ) = F -1 { DF ( ω ) } = F -1 { γ } * F -1 {exp (j Φ -) }.

Solange die Sensorsignale überwiegend durch das Leckgeräusch bestimmt sind, liegt der Wert der Kohärenzfunktion nahe bei 1. In diesem Bereich ist γ praktisch unabhängig vom Leistungspektrum der Signalquelle und vom Amplitudengang des Übertragungsweges vom Leck zu den Sensoren. Daher weist die Kohärenzfunktion fast immer eine größere Bandbreite auf als das Kreuzleistungsspektrum - und demgemäß klingt die Dissipationszeitfunktion um τ m herum schneller ab als die Kreuzkorrelationsfunktion. Fig. 4 veranschaulicht diese Verhältnisse an Hand von Meßergebnissen für ein 12 m langes wassergefülltes Stahlrohr, ⌀ 1″. Geräuschquelle ist der Strömungsvorgang durch eine Lochblende. Er erzeugt ein typisches Leckgeräusch mit über der Frequenz abfallendem Spektrum. Auch die Hüllkurve des Kreuzleistungsspektrums ist von dieser Form. GBA ist nur in einem schmalen Band bei tiefen Frequenzen ausgeprägt, daher weist RBA um die Werte -τ m und +t m (einlaufende und reflektierte Welle) eine relativ langsam abklingende Oszillation tiefer Frequenz auf. Demgegenüber ist die Dissipationsfunktion DF in einem sehr breiten Frequenzband gemäß der Kohärenzfunktion ausgeprägt, so daß die Dissipationszeitfunktion ein sehr scharfes Maximum bei -τ m ergibt. Zugleich wird der Meßbereich in Richtung sehr kleiner Laufzeitdifferenzen (Leck nahe der Mitte des Meßabschnittes) gemäß Δ t=1/B erheblich erweitert. As long as the sensor signals are mainly determined by the leak noise, the value of the coherence function is close to 1. In this range γ is practically independent of the power spectrum of the signal source and the amplitude response of the transmission path from the leak to the sensors. Therefore, the coherence function almost always has a wider bandwidth than the cross power spectrum - and accordingly the dissipation time function decays around τ m faster than the cross correlation function. Fig. 4 illustrates these relationships on the basis of measurement results for a 12 m long water-filled steel pipe, ⌀ 1 ″. The source of noise is the flow process through a pinhole. It generates a typical leak noise with a spectrum falling over the frequency. The envelope of the cross power spectrum is also of this shape. GBA is only pronounced in a narrow band at low frequencies, therefore RBA has a relatively slow decaying oscillation of low frequency around the values - τ m and + t m (incoming and reflected wave). In contrast, the dissipation function DF is pronounced in a very wide frequency band according to the coherence function, so that the dissipation time function gives a very sharp maximum at - τ m . At the same time, the measuring range is expanded considerably in the direction of very small transit time differences (leak near the middle of the measuring section) according to Δ t = 1 / B.

Bedingt durch die endliche Mittelungszeit bei der Messung des Kreuzleistungsspektrums und durch das Auftreten instationärer akustischer Störsignale verschwindet GBA auch außerhalb des Kohärenzbereiches nicht völlig, sondern weist dort einen zumeist regellosen Verlauf mit sehr kleinen Amplituden auf. Durch die Normierung von GBA auf die Spektren der Eingangssignale kann der Fall eintreten, daß solche Bereiche in GBA stark hervorgehoben werden, und in der Dissipationsfunktion als Störanteil erscheinen. Fig. 5 illustriert diesen Vorgang für das Beispiel in Fig. 3. In diesem Fall ist es sinnvoll, durch eine zusätzliche Gewichtung von DF diese Störanteile vor der Rücktransformation in den Zeitbereich auszublenden. Fig. 5 zeigt die bewertete DF w , wobei für den Übergang vom Durchlaßbereich zum Sperrbereich in Anlehnung an das bekannte Hanning-Fenster [2], Seite 74, cos²-Flanken verwendet wurden. Im Vergleich zu GBA in Fig. 2 ist ersichtlich, daß in der DF jetzt mehrere Oszillationen etwa gleicher Amplitude vorhanden sind, die aus DF w gewonnene Dissipationszeitfunktion DTF w weist ein zweifelsfreies Maximum auf.Due to the finite averaging time during the measurement of the cross-power spectrum and the occurrence of unsteady acoustic interference signals, GBA does not completely disappear even outside the coherence range, but instead shows a mostly irregular course with very small amplitudes. By normalizing GBA to the spectra of the input signals, it can happen that such areas are strongly emphasized in GBA and appear as a disturbance component in the dissipation function. FIG. 5 illustrates this process for the example in FIG. 3. In this case, it makes sense to hide these interference components by an additional weighting of DF before the transformation back into the time domain. Fig. 5 shows the evaluated DF w , whereby cos²-flanks were used for the transition from the pass band to the stop band in accordance with the known Hanning window [2], page 74. Compared to GBA in Fig. 2 it is seen that in the DF now several oscillations of approximately equal amplitude are present, the DTF Dissipationszeitfunktion w obtained from DF w has undoubtedly a maximum.

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Claims (3)

1. Verfahren zum Orten von Leckstellen in Rohrleitungen, insbesondere in Wasserversorgungsnetzen, durch Messung der Laufzeitdifferenz der von einem Leck ausgehenden Schallwellen, wobei von akustischen Sensoren gelieferte elektrische Signale durch Kreuzkorrelation mittels eines Zweikanal-FFT-Analysators ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das im Analysator gemessene komplexe Kreuzleistungsspektrum zunächst in seinem Betrag durch Abschwächung von Frequenzbereichen mit großer Amplitude und Anheben von Frequenzbereichen mit geringer Amplitude so geformt wird, daß es in einem möglichst breiten Frequenzband möglichst gleiche Amplituden aufweist und erst nach dieser Egalisierung die Rücktransformation in den Zeitbereich vorgenommen wird.1. A method for locating leaks in pipelines, in particular in water supply networks, by measuring the transit time difference of the sound waves emanating from a leak, electrical signals supplied by acoustic sensors being evaluated by cross-correlation using a two-channel FFT analyzer, characterized in that the Analyzer measured complex cross power spectrum is initially shaped in its magnitude by weakening frequency ranges with large amplitude and raising frequency ranges with low amplitude so that it has the same amplitudes as possible in a frequency band as wide as possible and only after this equalization is the backward transformation carried out in the time domain. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Egalisierung durch Dividieren des Kreuzleistungsspektrums mit der Wurzel aus dem Produkt der Leistungsspektren der zwei Eingangssignale erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized, that equalization by dividing the cross-power spectrum with the root of the product of the performance spectrum of the two Input signals are made. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im egalisierten Kreuzleistungsspektrum eine zusätzliche Frequenzbewertung, vorzugsweise in Form einer vom Benutzer variierbaren Filter-Charakteristik, vorgesehen wird, um eventuelle Störanteile, welche bedingt durch die Egalisierung eine größere Amplitude als im ursprünglichen Kreuzleistungsspektrum aufweisen können, vor der Rücktransformation in den Zeitbereich zu eliminieren.3. The method according to claim 2, characterized, that in the equalized cross power spectrum an additional frequency evaluation, preferably in the form of a filter characteristic that can be varied by the user, is provided to eliminate any interference due to the equalization a larger amplitude than in the original May have cross power spectrum before the back transformation to eliminate in the time domain.
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