DE60114366T2

DE60114366T2 - Pc-multimedia leckdetektionsverfahren für wassertransmission- und wasserverteilungsröhren

Info

Publication number: DE60114366T2
Application number: DE60114366T
Authority: DE
Inventors: Osama Hunaidi
Original assignee: National Research Council of Canada
Current assignee: National Research Council of Canada
Priority date: 2000-01-14
Filing date: 2001-01-12
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2021-01-13
Also published as: ATE308036T1; WO2001051904A3; EP1250578B1; DE60114366D1; WO2001051904A2; EP1250578A2; AU2001226605A1; CA2397174C; CA2397174A1; US6453247B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leckageermittlung und insbesondere ein Verfahren und ein System zur Lokalisierung von Leckagen in städtischen Wasserversorgungsrohren.
Hintergrund der Erfindung
In den meisten städtischen Wasserversorgungssystemen geht ein bedeutender Prozentanteil an Wasser beim Transport von der Aufbereitungsanlage zum Verbraucher verloren. Gemäß einer Untersuchung, die 1991 von der International Water Supply Association (IWSA) gemacht wurde, liegt der Anteil an verlorenem Wasser üblicherweise in einem Bereich von 20 bis 30% bezogen auf die Produktion. In manchen Systemen, hauptsächlich in älteren Systemen, kann der Prozentanteil an verlorenem Wasser 50% oder mehr betragen. Wasserverlust hat normalerweise mehrere Ursachen, die Leckagen, Messfehler und Diebstahl einschließen. Gemäß der IWSA-Umfrage ist der Hauptgrund Leckagen.
Eine Wasserleckage ist ein teures Problem – nicht nur hinsichtlich der Verschwendung eines teuren natürlichen Rohstoffs, sondern auch in wirtschaftlicher Hinsicht. Der wirtschaftliche Hauptverlust aufgrund Leckagen sind die Kosten für das Rohwasser, dessen Aufbereitung und dessen Transport. Eine Leckage führt ferner auch zu einem zweiten wirtschaftlichen Verlust in der Form von Schäden am Rohrsystem, z.B. Erosion der Rohrbettung und große Rohrbrüche, und in Form von Schäden an Straßen- und Gebäudefundamenten. Abgesehen von den Umweltverlusten und wirtschaftlichen Verlusten, die durch eine Leckage hervorgerufen werden, sind undichte Rohre eine Gefahr für die öffentliche Gesundheit, da jede Undichtigkeit ein potentieller Eintrittspunkt für Verunreinigungen ist, wenn ein Druckverlust in dem System auftritt.
Der wirtschaftliche Druck, Bedenken bezüglich Gesundheitsgefahren der Öffentlichkeit und einfach die Notwendigkeit Wasser zu sparen, motivieren Wassersystembetreiber, Leckageerkennungsuntersuchungen auszuführen. Undichtigkeiten können in manchen Fällen visuell durch Entdecken von austretendem Wasser auf dem Boden bestimmt werden. In den meisten Fällen tritt jedoch austretendes Wasser nicht an die Oberfläche und normalerweise werden akustische Verfahren verwendet, um Leckagen durch Auswerten von Geräuschen oder Vibrationen, die durch Wasser, das aus den Rohren unter Druck austritt, hervorgerufen werden, zu lokalisieren.
Das Ermitteln von Leckagen, bei dem eine akustische Vorrichtung verwendet wird, besteht normalerweise aus zwei Phasen. In der ersten Phase wird eine erste Ermittlung durch Abhören von Leckagegeräuschen durchgeführt, bei der beispielsweise Abhörstäbe oder Aqua-Kopfhörer an allen erreichbaren Anschlußpunkten in dem Verteilersystem, beispielsweise Feuerlöschhydranten, Ventile, usw. eingesetzt werden. Vermutliche Leckagepunkte, die in dieser Phase gefunden werden, werden für eine genauere Ermittlung (Feinbestimmung) in der zweiten Phase aufgeschrieben. Leckagen werden durch Verwenden von Geophonen oder Erdmikrophonen, um nach Leckagegeräuschen am Boden direkt oberhalb des Rohrs in sehr engen Intervallen zu horchen, z.B. nach jedem Meter (3,3 ft) oder durch Verwenden von Leckagegeräuschkorrelationsvorrichtungen, die als Leckagekorrelatoren bekannt sind, genauer bestimmt.
Abhörvorrichtungen nutzen sensible Mechanismen oder Werkstoffe, z.B. piezoelektrische Elemente, zum Erfassen von Geräuschen und Vibrationen, die durch die Leckage erzeugt werden. Dies können entweder mechanische oder elektronische Vorrichtungen sein. Moderne elektronische Vorrichtungen können Signalverstärker und Geräuschfilter umfassen, die in ungünstigen Umgebungen sehr hilfreich sein können. Die Verwendung von Abhörvorrichtungen ist normalerweise einfach, aber ihre Effektivität hängt von der Erfahrung des Verwenders ab.
Die Lokalisierung von Leckagen in Wasserverteilungsrohren ist eine klassische Anwendung des Querkorrelationsverfahrens, das in dem Buch „Engineering applications of Correlation and Spectral Analysis" („Technische Anwendung der Korrelations- und Spektralanalyse"), das von J. S. Bendat und A. G. Piersol geschrieben und bei John Wylie und Sons, New York, 1980 veröffentlicht wurde, beschrieben ist. Für das Verfahren wurden die US Patente Nr. 4,083,299, 5,531,099 und 5,205,173 angemeldet. Mit dem US Patent Nr. 5,974,862 wurden mehrere Verbesserungen des Quer korrelationsverfahrens angemeldet, um die Verfahrensgenauigkeit für die Bestimmung von Leckagen zu verbessern. Die Verbesserungen umfassen die Erzielung einer höheren Übersetzung des Verhältnisses Signal zu Geräusch durch Übermitteln von Leckagesignalen durch Verwenden eines digitalen kabellosen Systems, wobei Signale an den Sensor digitalisiert werden, wodurch ein höherer dynamischer Bereich des Messsystems durch Anwenden einer variablen Verstärkung bei Leckagesignalen erzielt wird, um den vollen Bereich des Analog – Digitalwandlers zu nutzen und durch Vorsehen einer schrittweisen Annäherung in der Berechnung der Querkorrelationsfunktion.
Das Querkorrelationsverfahren beruht auf Messen von Vibrationen oder Geräuschen in dem Rohr an zwei Punkten, die die Position einer vermuteten Leckage zwischen sich einschließen. Vibrationssensoren (normalerweise Beschleunigungsmesser) werden an Feuerlöschhydranten oder beliebigen anderen Anschlusspunkten an den Wasserrohren, wie in 1 schematisch dargestellt, angebracht. Alternativ können Hydrophone (oder Unterwassermikrophone) verwendet werden. Diese werden in die Feuerlöschhydranten durch Verwenden modifizierter Hydrantkappen eingeführt. Vibrationssignale oder Geräuschsignale werden von den Sensoren an den Korrelator kabellos oder unter Verwendung von Kabeln übermittelt. Die Querkorrelation wird für die gemessenen Leckagesignale direkt in dem Zeitbereich oder indirekt in dem Frequenzbereich berechnet. Für Leckagesignale f₁(t) und f₂(t) in digitaler Form erfolgt die Schätzung der Querkorrelationsfunktion (C ^₁₂) in dem Zeitbereich durch Verwenden der nachfolgenden Summenformel
worin i = 1, 2, ... M, Δt das Abtastinterval ist, f k / 1 und f k / 2 jeweils die k-te Probe der Signale 1 und 2 sind, und N die Gesamtanzahl von digitalen Proben ist. Bei der obigen Formel werden weniger und weniger Termen bei ansteigendem i eingeschlossen. Es ist daher notwendig M auf einen kleinen Bruch von N, beispielsweise ¼ zu begrenzen. Bei dem Frequenzbereich wird die Schätzung der Querkorrelationsfunktion (C ^₁₂) über die inverse Fourier-Transformation der Querspektraldichtefunktion als
berechnet, wobei j = √–1 und E ^₁₂ eine Schätzung der Querspektraldichtefunktion sind, die als E ^12(ω) = F ^*1 (ω)F ^2(ω)definiert ist, wobei jeweils F ^₁ und F ^₂ die Spektraldichtefunktionen der Signale f₁(t) und f₂(t) sind. F ^ * / 1 ist der komplexe Kehrwert von F ^₁ Die Spektraldichtefunktion eines Signals f(t) wird über die Fourier-Transformation mit
berechnet.
Für Signale in digitaler Form werden die Integrale der oberen Formel durch Verwen den äquivalenter Summenformeln berechnet.
Die Querkorrelationsfunktion, die in dem Frequenzbereich erzielt wird, ist kreisförmig, wie durch das hochgestellte c dargestellt. Dies folgt aus der impliziten Periodizität der Zeitsignale in der Fourier-Transformation von unendlichen Signalen. Zeitverzögerungen, die Spitzen der kreisförmigen Korrelationsfunktionen entsprechen, können verzerrt sein. Der Kreiseffekt kann einfach durch Auffüllen der Zeitsignale mit einem Null-Amplituden-Segment der Länge T eliminiert werden.
Die Schätzung der Querspektraldichtefunktion, die bei den oben beschriebenen Formeln verwendet wird, wird normalerweise durch Mitteln der Ergebnisse der Berechnungen, die für eine Vielzahl an Aufnahmen oder Messungen der Zeitsignale mit
berechnet werden, wobei k ein Signal oder eine Aufnahmeanzahl und N_r die Gesamtanzahl von Messungen darstellt. Das Mitteln verringert die Wirkung von unzusammenhängenden willkürlichen Geräuschen auf die Genauigkeit der Querkorrelationsfunktion. Ein Maß der Beziehung des Ansprechverhaltens an den zwei Messpunkten für eine bestimmte Frequenzkomponente wird durch die Kohärenzfunktion, die als
definiert ist, berücksichtigt, wobei E ^₁₁ und E ^₁₂ jeweils Schätzungen der Auto- Spektralen der Messungen an den Punkten 1 und 2 sind. Der Wert γ ^ 2 / 12 beträgt zwischen 0 und 1; ein Wert von 1 kennzeichnet, dass Signale an dem Punkt 1 und 2 durch die gleiche Quelle(n) hervorgerufen werden und ein Wert von 0 kennzeichnet, dass die Signale an den zwei Punkten voneinander unabhängig sind. Werte zwischen 0 und 1 kennzeichnen die Anwesenheit von abhängigen und unabhängigen Komponenten.
Wenn eine Leckage zwischen den zwei Messpunkten existiert, wird die Querkorrelationsfunktion eine ausgeprägte Spitze aufweisen und die entsprechende Zeitverschiebung (τ_max) entspricht dem Unterschied in den Ankunftszeiten zwischen den gemessenen Leckagesignalen. Bei 1 ist die Zeitverzögerung zwischen den gemessenen Leckagesignalen, bezogen auf die Position der Leckage relativ zu den gemessenen Punkten, durch
definiert, wobei L₁ und L₂ jeweils die relativen Positionen der Leckage zu den Sensoren 1 und 2 sind und c die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Leckagegeräusches in dem Rohr darstellt. Für Leckagen, die mittig zwischen den Sensoren angeordnet sind, ist die Zeitverzögerung gleich null. Durch Ersetzen von L₂ = D – L₁ in der oben beschriebenen Formel wird die Position der Leckage relative zum Punkt 1 durch die Formel
berechnet, wobei D der Abstand zwischen den Sensoren ist – der normalerweise am Ort gemessen oder von Systemkarten abgelesen wird. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c hängt von dem Typ und der Größe des Rohrs ab. Geschwindigkeitswerte können von den Rohrherstellern erhalten werden oder sie können durch die folgende Formel berechnet werden:
wobei c_o die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Geräusches in einem unendlichen Körper aus Wasser gleich
ist, K_w der räumliche Elastizitätsmodul von Wasser ist, p die Dichte von Wasser ist, E_P der Elastizitätsmodul des Rohrwerkstoffs ist, D der Innendurchmesser des Rohres ist, ε die Dicke der Rohrwand ist und a eine Konstante ist, die von der Beschränkung der Längsbewegung des Rohres (a ist gleich 1 für Rohre, die Expansionsverbindungen aufweisen, die normalerweise für Wasserverteilerrohre verwendet werden) abhängt. Für eine größere Genauigkeit sollte vorzugsweise die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch eine bekannte Leckagequelle, die innerhalb oder außerhalb der Umschließung simuliert wird, an Ort und Stelle gemessen werden.
In den meisten Fällen müssen die Leckagesignale gefiltert werden, um Schmalbandgeräusche mit einer hohen Amplitude, z.B. Resonanzansprechverhalten des Rohrs, und elektrische Geräusche, die durch Masseschleifen mit der Netzspannungsfrequenz erzeugt werden, zu entfernen. Andererseits wird die Querkorrelationsfunktion der Leckagesignale durch die Frequenzen des Schmalbandansprechverhaltens oder der Geräusche, die die Spitze, die mit der Leckageposition übereinstimmt, verdecken oder verzerren, dominiert.
Der Zeitunterschied zwischen den Leckagesignalen kann alternativ durch Nutzen der Impulsansprechverhaltensfunktion bestimmt werden, die auch in dem Buch „Engineering applications of Correlation and Spectral Analysis" („Technische Anwendungen der Korrelations- und Spektralanaylse"), das von J. S. Bendat und A. G. Piersol geschrieben wurde und bei John Wylie und Sons, New York, 1980 veröffentlicht wurde, beschrieben ist. Die Impulsansprechverhaltensfunktion wird bei dem US Patent Nr. 5,038,614 zur Berechnung der Zeitverschiebung zwischen den Leckagesignalen in Brunnenbohrungsleitungen und Rohren angewendet. Die Impulsansprechverhaltensfunktion wird durch die inverse Fourier-Transformation der Frequenzansprechverhaltensfunktion (nämlich die Übertragungsfunktion zwischen Ausgabe und Eingabe), d.h.
definiert, wobei die Übertragungsfunktion H ^₁₂(ω) als
definiert ist.
Vorangehende Implementierungen des Querkorrelations- und des Ansprechverhaltensverfahrens für die Ermittlung von Leckagen in städtischen Wasserverteilungsrohren als auch traditionelle Abhörvorrichtungen führen zu mehreren Nachteilen, und zwar wie folgt.
Das Querkorrelationsverfahren ist schlecht geeignet für Leckagesignale, die eine Leistungskonzentration in einem schmalen Frequenzband aufweisen. Für solche Signale, die herkömmlicherweise bei Plastikrohren auftreten, werden Spitzen, die einer Leckage entsprechen, und die, die durch eine Quelle, die außerhalb der Umschließung hervorgerufen werden, verzerrt oder es ist schwierig, diese aufgrund der „Ausbreitungswirkung" der Spitzen voneinander zu unterscheiden. Je schmaler das Frequenzband ist, desto weiter werden die Spitzen verteilt und im Grenzbereich wird die Querkorrelation harmonisch für unendliche Schmalbandsignale.
Für Schmalbandsignale kann die Impulsansprechverhaltensfunktion eine verbesserte Auflösung der Querkorrelationsspitzen aufgrund ihrer „computational whitening"-Wirkung der Leckagesignale bereitstellen. Obwohl das Impulsansprechverhaltensverfahren eine verbesserte Auflösung für Signale, die eine Leistungskonzentration in einem oder mehreren Frequenzbändern aufweisen, bereitstellen kann, muss sich das Spektrum der Signale über einen weiten Bereich erstrecken. In anderen Worten gesagt, heißt das, dass die Impulsansprechverhaltensfunktion kein verbessertes Verhalten für „wahre" Schmalbandsignale bereitstellt, bei denen die Daten außerhalb des Hauptfrequenzbands sehr klein oder durch Geräusche dominiert sind. Leckagesignale in Plastikrohren sind wahre Schmalbandsignale.
In Plastikrohren werden Leckagesignale ferner über die Distanz mit einer höheren Rate als in anderen Rohren gedämpft. Da die Leckage normalerweise zwischen den gemessenen Punkten asymmetrisch positioniert ist, werden die gemessenen Leckagesignale stark unterschiedliche Leistungsniveaus aufweisen. Wenn das Signal mit höherem Niveau als Bezugssignal in der Impulsansprechverhaltensrechnung verwendet wird, wird daher der „Whitening"-Effekt dieses Verfahrens nicht wirksam und die Übertragungsfunktion wird durch sehr schmale Bandspitzen, z.B. Resonanzansprechverhalten des Rohrs, dominiert.
Die Leistung der Leckagesignale in Plastikrohren ist auf einen schmalen Niedrigfrequenzbereich (< 50 Hz) konzentriert. Ein menschliches Ohr ist nicht sensibel genug, um Geräusche mit Frequenzen in diesem Bereich zu hören.
Ein Vorfiltern der Leckagesignale unter Verwendung von digitalen Filtern, um Störgeräusche zu entfernen, ist zeitaufwendig. Dies ist insbesondere der Fall, wenn Leckagesignale, die wiederholt analysiert werden sollen, um ein optimales Querkorrelationsergebnis zu finden oder wenn sehr lange Leckagesignale verwendet werden müssen, um das Signal zu Geräuschverhältnis für Leckagesignale mit niedrigem Niveau zu verbessern.
Um einige der oben beschriebenen Probleme gemäß dem Stand der Technik zu lösen, ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren für die Leckageermittlung vorzusehen.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zur akustischen Leckageermittlung in einer Rohrleitung, in der eine Flüssigkeit unter Druck geführt wird, bereitgestellt, wobei ein erster und ein zweiter akustischer Sensor, die eine Leckage einschließen, jeweils ein erstes und ein zweites Leckagesignal bereitstellen, das gekennzeichnet ist durch, digitales Abfragen des ersten und des zweiten Leckagesignals jeweils über einen ersten und einen zweiten Kanal einer Multimedia-PC-Soundkarte (3) zur Analyse mittels eines Personalcomputers,
Auswahl desjenigen Signals des ersten oder des zweiten Kanals als Bezugssignal, das den niedrigeren Leistungspegel aufweist,
Festlegen eines oberen Integrationsgrenzwerts zur Berechnung einer verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion entsprechend der Eigenschaften des Rohres, durch das die Flüssigkeit fließt,
Berechnen der verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion aus dem ersten und dem zweiten Leckagesignal unter Verwendung des ausgewählten Bezugssignals und Integration über einen endlichen Frequenzbereich, der von dem oberen Integrationsgrenzwert begrenzt wird, und
Bestimmen einer Position der Leckage relativ zu dem ersten oder dem zweiten akustischen Sensor (3) durch Berechnen einer Zeitverschiebung entsprechend eines Maximums der verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion.
Gemäß der Erfindung ist ferner ein Verfahren zur digitalen Verlagerung des Frequenzinhalts des Geräuschs, das durch die Leckage hervorgerufen wird, vorgesehen. Gemäß der Erfindung werden Erfassung und Aufbereitung und Abhören der Leckagesignale über einen mit Multimedia ausgerüsteten PC ausgeführt. Die vorliegende Erfindung bietet die folgenden Vorteile:
Das verbessere Impulsansprechverhaltensverfahren eliminiert das Erfordernis für eine Vor- oder Nachfilterung der Störgeräusche und eliminiert daher die Ungenauigkeit und Schwierigkeiten, die von einem Laien beim Auswählen der Filtereinstellungen, insbesondere für Niedrigfrequenzschmalbandsignale, beispielsweise solche, die in Plastikrohren und anderen Rohren, die nicht aus Metall hergestellt sind, vorliegen, auftreten können.
Das Nachfiltern der Querkorrelationsfunktion unter Verwendung von digitalen Filtern ist wesentlich effektiver als das Vorfiltern der Leckagesignale gemäß der bisherigen Praxis.
Die digitale Verlagerung des Frequenzinhaltes des durch die Leckage erzeugten Geräusches macht es möglich, niedrigfrequente und durch Leckage erzeugte Geräusche, wie sie bei Plastikrohren und Rohren, die nicht aus Metall hergestellt sind, auftreten, durch Verlagern ihres Frequenzinhalts auf einen Bereich, der für das durchschnittliche menschliche Ohr hörbar ist, zu hören.
Die Verwendung des mit Multimedia ausgerüsteten PCs, um die Leckagesignale aufzunehmen, aufzubereiten und wiederzugeben, hat sich für Signale mit niedrigem Niveau als geeignet erwiesen und ferner eliminiert damit die Notwendigkeit einer spezialisierten und teueren Datenerfassungs- und Verarbeitungshardware.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei
1 eine schematische Darstellung des Arbeitsaufbaus zur Ermittlung einer vermuteten Leckage durch Verwenden des Querkorrelationsfunktions- oder des Impulsansprechverhaltenverfahrens ist,
2 ein vereinfachtes Diagramm eines PCs ist, der eine Soundkarte aufweist, die mit einem Satz Lautsprechern und mit Sensoren verbunden ist,
3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines beispielhaften Systems gemäß der Erfindung ist, das drei Hauptmodule aufweist: (i) ein Datenerfassungsmodul, (ii) ein Signalaufbereitungsmodul, das digitale Filter umfasst, und (iii) ein Spektralanalysemodul,
4 ein vereinfachtes Datenflussdiagramm des Datenerfassungsmoduls ist,
5a–c graphische Darstellungen der Wirkung des Filterverfahrens auf die Querkorrelationsfunktion sind,
6a–f graphische Darstellungen der Wirkung des oberen Integrationsgrenzwerts auf die Impulsansprechverhaltensfunktion sind,
7a–f graphische Darstellungen der Wirkung des Bezugskanals auf die Impulsansprechverhaltensfunktion sind,
8a–b einen Ergebnisvergleich für Leckagesignale in einem 6'' PVC-Rohr, die durch Verwenden von LeakFinder und TurboLab PC-Systemen erfasst und analysiert wurden (tatsächliche Leckageposition ist 73,5 m von dem Sensor 1 oder A entfernt), darstellen,
8c–d einen Ergebnisvergleich für Leckagesignale in einem 8'' Rohr aus duktilem Gusseisen, die durch Verwenden von LeakFinder und TurboLab PC-Systemen erfasst und analysiert wurden (genaue Leckageposition ist 40 m von dem Sensor 1 oder A entfernt), darstellen,
9 eine beispielhafte graphische Hauptbenutzeroberfläche (default/vorgegeben) darstellt,
10 eine beispielhafte graphische Darstellung der Spektralanalyseergebnisse ist und
11 eine beispielhafte graphische Darstellung der Zeithistorie der aufgenommenen Leckagesignale ist.
Spezifische Beschreibung der Erfindung
Gemäß der Erfindung wird eine verbesserte Impulsansprechverhaltensfunktion oder eine nachgefilterte Querkorrelationsfunktion verwendet, um einen Abstand von einer bekannten Position zu einer Leckage entlang eines Rohres, das eine Flüssigkeit unter Druck führt, zu bestimmen. Die Verwendung des verbesserten Impulsansprechverhaltens ermöglicht, dass empfangene Signale ohne Filterung verarbeitet werden können, was sehr vorteilhaft ist, da das Filtern von Signalen, die sich auf Leckagen in einem Rohr beziehen, insbesondere die, die ein Schmalbandfrequenzspektrum aufweisen, oft schwierig ist und Filterungsfehler zu einer inkorrekten Lokalisierung von Leckagen führen. Die Verringerung der Anzahl von möglichen Fehlerquellen ist vorteilhaft. Ferner ist die Verwendung einer verbesserten Impulsansprechverhaltensfunktion zur Lokalisierung von Leckagen in Plastikrohren gut geeignet. Das Nachfiltern der Querkorrelationsfunktion, um Störgeräusche zu entfernen, ist wirksamer als die Vorfilterung von Leckagesignalen, insbesondere wenn die Querkorrelation in dem Frequenzbereich berechnet wird.
Ein weiteres erfinderisches Merkmal gemäß der vorliegenden Erfindung ist, dass Geräuschsignale empfangen und mit einer anderen Frequenz wiedergegeben werden können, um zu ermöglichen, dass ein Benutzer (Mensch) Leckagen beispielsweise in Plastikrohren hören kann, wobei das Geräuschsignal, das sich auf solch eine Leckage bezieht, eine Frequenz aufweist, die nicht hörbar ist.
Bei einer Ausführungsform gemäß 2 ist ein PC 1 dargestellt, der eine Soundkarte 3, die mit einem Satz Lautsprechern 5 und mit einem Mikrophon 7 in der Form eines Leckagesensors verbunden ist, aufweist. Der Leckagesensor 7 ist ähnlich denen, die auf dem Gebiet der Leckageermittlung herkömmlicherweise verwendet werden. Wahlweise werden, wenn ein tragbarer Computer verwendet wird, Kopfhörer (nicht dargestellt) anstelle der Lautsprecher verwendet, um den Gebrauch der Einheit zu erleichtern.
Die vorliegende Erfindung kann teilweise als eine PC basierte Software-Anwendung eingesetzt werden, um Leckagen in Wasserrohrleitungen zu ermitteln, die eine verbesserte Impulsansprechverhaltenstechnik nutzt. Eine beispielhafte Ausführungsform gemäß der Erfindung ist eine Software-Anwendung mit dem Titel LeakFinder^TM. Diese Software-Anwendung nutzt die Möglichkeiten der Multimediakomponenten von modernen PCs, hauptsächlich ihre Soundkarten, um Leckagesignale aufzunehmen und wiederzugeben. Sie nutzt ferner die Hochgeschwindigkeits-CPUs heute erwerblicher PCs, um rechner-intensive Berechnungen für die Impulsansprechverhaltens- und Querkorrelationsfunktionen auszuführen. Heutzutage umfassen PCs sowohl sehr schnelle CPUs als auch Soundkarten, die eine analog-digital Auflösung von wenigstens 16-Bit aufweisen, die die Datenerfassungssysteme, die herkömmlicherweise in vielen Forschungslabors verwendet werden, übertreffen. Die Verwendung von Multimediakomponenten bei der Leckageermittlung an Wasserrohrleitungen und weitere wissenschaftliche Anwendungen wurden traditionell aufgrund der Bedenken, dass weitere Geräusche durch diese Komponenten als auch durch die Systeme, in denen sie installiert sind, erzeugt werden, übersehen. Die Natur dieser Geräusche sind jedoch bei dieser Anwendung für die Ermittlung und Verarbeitung von Leckagesignalen irrelevant.
LeakFinder^TM, wie hier implementiert, ist eine auf Windows basierende Anwendung, die unter Windows NT oder Windows 98 arbeitet. Die Anwendung kann auch bei einem beliebigen vorgegebenen Betriebssystem erfolgen. Die vorliegende Anwendung weist anwenderfreundliche Menüs und Datendisplays auf, aber dies muss nicht so sein. Die LeakFinder^TM -Software kann einfach mit kommerziell erhältlichen digital oder analog, auf RF-basierenden kabellosen Datenüberträgern und Leckagesensoren, beispielsweise Hydrophonen und Beschleunigungsmessgeräten integriert wer den – wodurch ein vollständiges Leckageermittlungssystem bereitgestellt wird.
Das LeakFinder^TM -Leckageermittlungssystem löst viele Probleme der existierenden kommerziellen „Black-Box" – Leckagegeräuschkorrelatoren. Seine Merkmale umfassen ein Ansprechverhalten bei sehr niedriger Frequenz, einen weiten Bereich von spektralen Schätzwerten, Speicherung von unaufbereiteten Daten für die ortsunabhängige Analyse, sehr fein einstellbare digitale Filter für die Geräuschunterdrückung usw. Vorteilhaft ist, dass es im Verhältnis zu einem typischen Leckageermittelungssystem, das durchschnittlich ungefähr $50.000 kostet, kostengünstig ist. Dies bedeutet, dass das System für die Verwendung in Dritte Welt- Ländern, in denen die Wasserleckagerate höher als 70% der Produktion ist, erschwinglich ist.
Gemäß 3 umfasst das System drei Hauptmodule: (i) ein Datenerfassungsmodul, (ii) ein Signalaufbereitungsmodul, das digitale Filter umfasst, und (iii) ein Spektralanalysemodul. Diese Module als auch die Aufbereitungs- und Analyseparameter, die Programmausgabe und Verifizierungsbeispiele werden nachfolgend beschrieben.
Datenerfassungsmodul
In 4 sind ein Blockdiagramm und ein Datenflussdiagramm des Datenerfassungsmoduls dargestellt. Bei dem Datenerfassungsmodul werden Leckagesignale unter Verwendung der Soundkarte des PCs bei irgendeiner Abtastfrequenz der Karte, normalerweise zwischen 11.025 und 44.000 Hz aufgenommen. Die aufgenommenen Leckagesignale können entweder im .wav Standardformat oder im .ascii Format abgespeichert werden. Typische benutzerdefinierte Datenerfassungsparame ter umfassen folgendes: Datenerfassungsmodus, z.B. Stereo oder Mono, Auflösung, Abtastfrequenz, Dauer, und Lautstärkenregelung für die Aufnahme und Wiedergabe. Die Soundkarte wird auf Stereomodus (d.h. Zweikanalaufnahme) geschaltet, wenn das System für die Leckageermittlung unter Anwendung eines Querkorrelationsverfahrens verwendet wird, und auf Monomodus geschaltet, wenn Leckagegeräusche an nur einem Punkt, beispielsweise bei einer Abhörüberwachung, gemessen werden. Wenn Mithörvorrichtungen ferngesteuert verwendet und Geräuschaufnahmen mit der Zeit gekennzeichnet werden, ist es natürlich möglich, das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mit zwei separaten Tondatendateien zu verwenden.
Normalerweise werden Leckagesignale mit einer 16-Bit-Auflösung und mit der niedrigst möglichen Abtastrate der Soundkarte (z.B. 11.025 Hz) aufgenommen. In den meisten Fällen ist es ausreichend, die Leckagesignale für ein Zeitintervall von 30 bis 60 Sekunden aufzuzeichnen. Die Wahl des Zeitintervalls und der Abtastrate ist für den Fachmann auf diesem Gebiet einfach. Wahlweise kann dies durch die Software automatisiert sein.
Im Aufnahmemodus wird die Lautstärkensteuerung vorzugsweise so eingestellt, um so weit wie möglich den Spannungsbereich der Soundkarte zu nutzen, ohne sie zu überlasten, um ein hohes Signal-zu-Geräusch-Verhältnis zu erzielen. Dies kann natürlich auch automatisiert sein. Die Lautstärkenregelung des Aufnahmemodus kann durch die Software einfach auf ein geeignetes Niveau eingestellt werden, wobei das Niveau der Leckagesignale durch Nutzen beispielsweise einer Vorausschaufunktion überprüft werden. Die Vorausschaufunktion speichert und gibt die Leckagesignale, ohne diese auf einer Diskette abzuspeichern, wieder. Wenn das Aufnahmelautstär kenregelungsniveau ausgewählt ist, werden die Signale auf einer Diskette durch Nutzen der Aufnahmefunktion aufgenommen und gespeichert. Die vollständige Zeithistorie der gespeicherten Signale kann wahlweise durch Verwenden der LeakFinder^TM-Ausgabefunktion abgespeichert, ausgegeben und/oder ausgedruckt werden.
Signalaufbereitungsmodul
Bei LeakFinder^TM kann der Frequenzbereich der aufgenommenen Leckagesignale wahlweise begrenzt werden, um die Störgeräuschkomponenten durch Anwenden von digitalen Niedrig- und Hochpassfiltern bei benutzerdefinierten Grenzfrequenzen zu unterdrücken. Gemäß dieser Erfindung kann eine Nachfilterung gewählt werden, wenn die Querkorrelation zur Ermittlung einer Leckage anstatt einer Vorfilterung der Leckagesignale genutzt wird. Der Effekt solch einer Nachfilterung wird in den 5a–5c verglichen, die die Ergebnisse, die mit nicht gefilterten und vorgefilterten und nachgefilterten Signalen jeweils erzielt wurden, darstellen. Die Filter entsprechen dem rekursiven Butterworth-Filtertyp der vierten Ordnung. Das Quadrat des absoluten Werts der Übertragungsfunktion weist die folgenden Formen für Niedrig- und Hochpassfilter dieses Typs auf. |H(f)|2 = 1/(1 + (tanπfΔt/tanπBΔt)2M)und |H(f)|2 = 1/(1 + (cotπfΔt/tanπBΔt)2M), wobei f die Frequenz ist, B die Filtergrenzfrequenz (oder 3 dB-Punkt) ist, Δt das Abtastintervall und M die Anzahl der Pole oder die Größenordnung des Filters darstellt (die bei der vorliegenden Ausführungsform von LeakFinder^TM 4 beträgt). Das Filtern der Leckagesignale wird in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung der Leckagesignale ausgeführt, um Zeitverzögerungen, die durch das Ansprechverhalten der Filter hervorgerufen werden, zu eliminieren. Wenn das Impulsansprechverhalten verwendet wird, braucht natürlich kein Filterverfahren ausgeführt zu werden.
Das einzigartige Merkmal von LeakFinder^TM ist, dass die Geschwindigkeit, mit der die Leckagesignale wiedergegeben werden können, abgeändert werden kann. Beispielsweise wird die Geschwindigkeit durch einfaches Übersteuern der Abtastfrequenz, bei der die Leckagesignale mit einer höheren oder niedrigeren Abtastfrequenz digital aufgenommen wurden, willkürlich erhöht oder verringert. Dies ist sehr vorteilhaft, wenn die Leckagesignale, die innerhalb Plastikrohre oder anderen nicht aus Metall hergestellten Rohren, die nur sehr niedrige Frequenzkomponenten, z.B. im Infraschallbereich, aufweisen, ermittelt wurden, wiedergegeben werden, und daher von einem nicht unterstützten menschlichen Ohr nicht hörbar sind. Das Beschleunigen der Wiedergabe von Niedrigfrequenzsignalen verlagert deren Frequenzinhalt auf einen höheren Bereich, bei dem die Sensibilität des menschlichen Gehörs ausreicht, das Leckagegeräusch zu erkennen. Das vorliegende System löst daher die Probleme gemäß dem Stand der Technik, durch die Leckagen an Plastikrohren durch Verwenden von Mithörvorrichtungen nicht vorhergesagt werden konnten, da sie herkömmlicherweise nicht hörbar sind.
Spektralanalysemodul
LeakFinder^TM führt die Spektralanalyse an gefilterten oder nicht gefilterten Leckagegeräuschsignalen aus und erzeugt folgende Spektralschätzwerte: (i) Auto-Spektren der Signale, (ii) Kohärenzfunktion, (iii) Querkorrelationsfunktion und (iv) verbesserte Impulsansprechverhaltensfunktion. Die Auto-Spektren stellen Informationen über den Frequenzinhalt der Leckagesignale bereit. Die Kohärenzfunktion stellt ein Maß der Beziehung zwischen den aufgenommenen Leckagesignalen bereit – d.h. ob sie durch die gleiche Quelle erzeugt wurden oder nicht. Je näher die Kohärenzfunktion an 1 ist, desto mehr sind die Signale miteinander verwandt. Die Querkorrelations- und die Impulsansprechverhaltensfunktion stellen Informationen über eine Zeitverzögerung zwischen den Leckagesignalen bereit, die wiederum zur Berechnung einer Leckageposition verwendet werden. Die Impulsansprechverhaltensfunktion eliminiert, ungleich der Querkorrelationsfunktion, die Notwendigkeit des Filterns der Leckagesignale, um störende Niedrigfrequenzrohrresonanzen zu entfernen. Sie verhindert die Ungenauigkeit, die beim Auswählen der Filtergrenzwertfrequenzen auftreten. Ein Benutzer muss nur eine Frequenz vorgeben, die oberhalb der die Amplitude der Auto-Spektren der Leckagesignale oder der Übertragungsfunktion zwischen ihnen insignifikant ist. Diese Aufgabe kann natürlich wahlweise, basierend auf dem Werkstofftyp oder anderen ermittelbaren Qualitäten des Geräuschsignals, automatisiert werden.
Bei dem Spektralanalysemodul wird eine Position der Leckagequelle durch Nutzen der Zeitverschiebung, die dem Maximum einer verbesserten Impulsansprechverhaltensfunktion oder der nachgefilterten Querkorrelationsfunktion entspricht, berechnet.
Die Funktionen werden in dem Frequenzbereich, wie beim Hintergrund der Erfindung beschrieben, berechnet. Obwohl die Impulsansprechvethaltensfunktion eine verbesserte Auflösung für Signale, die eine Leistungskonzentration in einem oder mehreren Frequenzbändern aufweisen, bereitstellen kann, muss sich das Spektrum der Signale über einen breiten Bereich erstrecken. Für „wahre" Schmalbandsignale, bei denen die Daten außerhalb des Hauptfrequenzbands extrem klein und/oder durch Geräusche dominiert sind, was der Fall bei Plastikrohren ist, stellt das Impulsansprechverhaltensverfahren keine verbesserte Leistung über die Querkorrelationsfunktion bereit. Gemäß dieser Erfindung ist die Leistung der Impulsansprechverhaltensfunktion für Niedrigfrequenz-, wahre Schmalbandleckagesignale durch Verändern des oberen Integrationsgrenzwerts der inversen Fourier-Transformation, die zur Berechnung der Impulsansprechverhaltensfunktion verwendet wird, verbessert. Der obere Integrationsgrenzwert wird normalerweise als Nyquist-Frequenz genommen, jedoch bei der vorliegenden Erfindung ist sie durch die Frequenz, außerhalb der die Leistung der Leckagesignale oder der Wert der Transferfunktion zwischen diesen klein ist, ersetzt. Beispielsweise für 6'' und 8'' Plastikrohre und für den herkömmlicherweise verwendeten Sensor-zu-Sensorabstand von 300 bis 500 Fuß kann der obere Integrationsgrenzwert zwischen 25 bis 50 Hz betragen. Die Auto-Spektren der Leckagesignale (6a, 6b), Transferfunktion (6c), die Kohärenzfunktion (6d) und die Impulsansprechverhaltensfunktionen (6e, 6f), die mit dem oberen Integrationsgrenzwert, der auf die Nyquist-Frequenz und 20 Hz festgelegt ist, sind jeweils in 6a–f für eine simulierte Serviceverbindungsleckage in einem 8'' Plastik-PVC-Rohr dargestellt.
Die Impulsansprechverhaltensfunktion stellt möglicherweise keine verbesserte Leis tung bei der Querkorrelationsfunktion bereit, wenn Leckagesignale über eine Distanz, die in Plastikrohren und anderen nicht aus Metall hergestellten Rohrtypen auftreten, stark abgedämpft oder angeregt werden. In solchen Situationen werden die gemessenen Leckagesignale signifikant unterschiedliche Leistungsniveaus aufweisen und wenn das Signal mit höherem Niveau als Bezugssignal in der Impulsansprechverhaltensberechnung verwendet wird, wird daher der Whitening-Effekt dieses Verfahrens nicht erreicht und die Transferfunktion wird durch die sehr schmalen Bandspitzen, z.B. Resonanzansprechverhalten des Rohrs dominiert. Gemäß dieser Erfindung wird, um diesen Nachteil zu vermeiden, immer das Signal mit niedrigem Niveau als Bezugssignal verwendet. Die Wirkung des Bezugskanals auf die Impulsansprechverhaltensfunktion ist in den 7a–f für eine Verbindungsleckage in einem 6'' Plastik-PVC-Rohr dargestellt, wobei die 7a, 7b jeweils die rechte und linke Kanal-Auto-Spektren darstellen; 7c, 7d jeweils die Transferfunktion mit den Signalen 1 und 2 als Bezug darstellen; und die 7e, 7f jeweils die Impulsansprechverhaltensfunktionen mit dem Signal mit niedrigem Niveaus als Bezugspunkt und mit dem Signal mit hohem Niveau als Bezugspunkt darstellen.
Verarbeitungs- und Analyseparameter
Wahlweise werden benutzerspezifische Parameter und Optionen für das digitale Filtern und die Spektralanalyse von Leckagesignalen vorgesehen, folgendes umfassend: AN/AUS-Schalter für die Filter, Grenzfrequenz von Niedrigpass- und Hochpassfiltern, Anzahl an Punkten in der Schnellen Fourier-Transformation (FFT), Anzahl an Null-Punkten, Ausbreitungsgeschwindigkeit von Leckagesignalen in Wasserrohren, Sensor-zu-Sensor-Abstand und schließlich die modifizierte Abtastfrequenz von Leckagesignalen. Typische Werte für die FFT-Größe und Anzahl an Null-Punkten sind jeweils 1024 und 512 Punkte, die jeweils einem rechteckigen Beaufschlagungsfenster mit einer 50% Überlappung entsprechen.
Der Sensor-zu-Sensor-Abstand kann von Systemkarten abgelesen werden, sollte aber vorzugsweise an Ort und Stelle ermittelt werden. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt von dem Typ, dem Werkstoff und der Größe des Rohrs ab. Typische Geschwindigkeiten wurden nicht in die Software einprogrammiert, sondern geeignete Werte können oft in Tabellen, die von einem Fachmann auf diesem Gebiet verwendet werden, für verschiedene Typen und Größen an Wasserrohren gefunden werden. Alternativ können sie anhand der oben beschriebenen Formel berechnet werden.
Geeignete Grenzfrequenzen von Niedrig- und Hochpassfiltern sind abhängig vom Rohrtyp und Sensor-zu-Sensor-Abstand anzuwenden, wenn eine Querkorrelationsfunktion zur Lokalisierung einer Leckage verwendet wird, und es sind daher hier keine festgelegten Regeln spezifiziert. D.h. normale Versuche werden zu geeigneten Werten führen. Normalerweise werden die Grenzfrequenzen derart ausgewählt, dass sie dem Frequenzbereich entsprechen, in dem die Amplitude der Auto-Spektren der Leckagesignalen signifikant und die Kohärenzfunktion hoch ist. Dies ist jedoch nicht immer offensichtlich, insbesondere bei Plastikrohren, für die die Amplitude von Leckagesignalen sehr klein und ihr Frequenzinhalt schmal ist und in dem Niedrigfrequenzbereich auftritt, der der Rohrresonanz nah ist. Empfohlene Hoch- und Niedrigpassgrenzfrequenzen für typische Plastikwasserverteilungsrohre, z.B. 6'' oder 8'' PVC-Rohre, betragen 10 bzw. 100 Hz. Der Hochpassgrenzwert muss möglicherwei se in kleinen Schritten, z.B. 1 oder 2 Hz angehoben oder verringert werden, bis eine eindeutige Spitze auftritt. Die Option der Nachfilterung der Querkorrelationsfunktion, die von dieser Erfindung umfasst ist, ist in diesem Fall wesentlich effektiver als die Vorfilterung von Leckagesignalen und die wiederholte Berechnung der Querkorrelationsfunktion. Für Metallrohre enthalten Leckagesignale viel höhere Frequenzkomponenten als Plastikrohre und folglich wird vorzugsweise ein Hochfrequenzbereich, z.B. 200 bis 800 Hz, zur Bestimmung des Abstands der Leckage verwendet.
Leckagesignale in Wasserverteilungsrohren enthalten selten Frequenzkomponenten oberhalb von 1000 Hz bei Metallrohren und oberhalb von 200 Hz bei Plastikrohren. Um die digitale Filterung und Spektralanalyse der Leckagesignale zu beschleunigen, wird die Abtastfrequenz der aufgenommenen Signale wahlweise auf ausgewählte Frequenzen, z.B. 500, 1000, 2000 und 5000 Hz, natürlich abhängig von ihrem Frequenzinhalt und der benötigten Auflösung, zur Ermittlung der vermutlichen Leckagen begrenzt.
Ausgabe der Analyse
Die Ergebnisse der Spektralanalyse werden dann als graphische Darstellungen bereitgestellt und umfassen eine Zeitverschiebung, die einem Maximum der Impulsansprechverhaltensfunktion entspricht, die berechnete Leckageposition von dem Messpunkt eines der Signale und Signalaufarbeitungs- und Analyseparameter. Die Ergebnisse werden wahlweise an einen Drucker übermittelt oder an ein elektronisches Arbeitsblatt exportiert. Eine Funktion, die eine Leckageposition entsprechend einer beliebigen Zeitverschiebung einer beliebigen Spitze oder beliebigen Punktes in der Im pulsansprechverhaltensfunktion oder in der Querkorrelationsfunktion berechnet, die zur Messung der Leckagesignalausbreitungsgeschwindigkeit von Spitzen, die von kohärenten Quellen stammen, die außerhalb des untersuchten Feldes angeordnet sind, sehr nützlich sind, bereitgestellt wird.
Verifikation der Ergebnisse
LeakFinder^TM wurde intensiv verwendet und getestet. Die Ergebnisse wurden mit bekannten Ergebnissen verglichen. Die Ergebnisse, die mit LeakFinder^TM erzielt wurden, wurden mit denen verglichen, die mit einem PC basierten Datenerfassungsystem, das aus einem analog zu digital Umwandlungs-Board, einem Leistungsverstärkungs-Board, Anti-Aliasing-Filtern und Spektralanalysesoftware (TurboLab^TM Version 4.3) besteht, erzielt wurden. Die Ergebnisse stimmten in exzellenter Weise überein. Beispielsergebnisse für Leckagesignale in Plastik- und Metallrohren, die mit beiden Systemen analysiert wurden, sind in zusammengehörenden Paaren in den 8a und 8b, 8c und 8d, und 8e und 8f dargestellt.
9 zeigt die voreingestellte graphische Hauptbenutzeroberfläche, die derzeit bei LeakFinder^TM verwendet wird. 10 und 11 zeigen beispielshaft graphische Bildschirmausgaben der Spektralanalyseergebnisse und die Zeithistorie der aufgenommenen Leckagesignale, die gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt wurden.

Claims

Verfahren zur akustischen Leckageermittlung in einer Rohrleitung, in der eine Flüssigkeit unter Druck geführt wird, wobei ein erster und ein zweiter akustischer Sensor, die eine Leckage einschließen, jeweils ein erstes und ein zweites Leckagesignal bereitstellen, gekennzeichnet durch digitales Abtasten des ersten und des zweiten Leckagesignals jeweils über einen ersten und einen zweiten Kanal einer Multimedia-PC-Soundkarte (3) zur Analyse mittels eines Personalcomputers, Auswahl desjenigen Signals des ersten oder des zweiten Kanals als Bezugssignal, das den niedrigeren Leistungspegel aufweist, Festlegen eines oberen Integrationsgrenzwerts zur Berechnung einer verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion entsprechend der Eigenschaften des Rohres, durch das die Flüssigkeit fließt, Berechnen der verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion aus dem ersten und dem zweiten Leckagesignal unter Verwendung des ausgewählten Bezugssignals und Integration über einen endlichen Frequenzbereich, der von dem oberen Integrationsgrenzwert begrenzt wird, und Bestimmen einer Position der Leckage relativ zu dem ersten oder dem zweiten akustischen Sensor (3) durch Berechnen einer Zeitverschiebung entsprechend eines Maximums der verstärkten Impulsansprechverhaltensfunktion.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Berechnen einer Querkorrelationsfunktion des ersten und des zweiten Leckagesignals, wobei das erste und das zweite Leckagesignal ungefiltert sind, Nachfilterung der Querkorrelationsfunktion, und Bestimmen einer weiteren Position der Leckage relativ zum ersten und zweiten akustischen Sensor (3) durch Berechnen einer Zeitverschiebung entsprechend eines Maximums der nachgefilterten Querkorrelationsfunktion.
Verfahren gemäß Anspruch 2, ferner gekennzeichnet durch Auswählen der Querkorrelationsfunktion oder der Impulsfrequenzfunktion zur Bestimmung der Position der Leckage.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Nachfilterung iteratives Filtern der Querkorrelationsfunktion mit einer Vielzahl von Filtern und Auswählen der nachgefilterten Querkorrelationsfunktion umfasst, die die ausgeprägteste Spitze als Hinweis auf die Leckage aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch Verschieben des Frequenzbereichs der abgetasteten ersten und zweiten Leckagesignale, um zu ermöglichen, dass die Multimedia-PC-Soundkarte (3) eine für Menschen hörbare Ausgabe erlaubt.