DE69816829T2 - Verfahren zur erkennung von lecken in rohrleitungen - Google Patents

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Saltzstein William Woodinville
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/24Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations
    • G01M3/243Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations for pipes

Description

  • Hintergrund – Erfindungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft Verfahren zur akustischen Leckdetektion, insbesondere die Verbesserung und Leistungssteigerung solcher Leckdetektoren, die ein Leck lokalisieren, indem die Zeitverzögerung zwischen der Ankunft eines Vibrationssignals von einem Leck an zwei oder mehr Punkten eines Rohres oder einer Pipeline geschätzt wird.
  • Hintergrund – Beschreibung des Stands der Technik
  • Es ist bekannt, daß ein akustisches Signal erzeugt wird, wenn eine Leckage bzw. ein Leck in einem unter Druck stehenden Rohr bzw. einer Pipeline vorhanden ist. Die dem Leck zugeordneten Geräusche oder Vibrationen werden in beide Richtungen weg von dem Leck mit einer konstanten Geschwindigkeit ausgebreitet. Die Ausbreitung erfolgt innerhalb des in der Pipeline fließenden Mediums und entlang der Pipeline selbst. Zwei Sensoren, die an dem Rohr an gegenüberliegenden Seiten des Lecks angebracht sind, werden das Lecksignal zu unterschiedlichen Zeiten erfassen, nämlich proportional zu ihren Abständen von dem Leck. Bekannte Leckdetektoren haben jeweils einen mit einer elektronischen Einheit verbundenen Sensor, der die empfangenen Signale in analoger Form filtert, verstärkt und an eine Basisstation überträgt. An der Basisstation werden die Signale von zwei Sensoren empfangen und einer Bandpaßfilterung in analoger Form unterzogen. Die Signale werden dann digital abgetastet. Die beiden abgetasteten Signale werden dann einer Kreuzkorrelation unterzogen. Wenn eine Leckage oder ein Leck vorhanden sind, tritt eine Spitze in der Kreuzkorrelationsfunktion zu einem Zeitpunkt (time lag) T auf. Das US-Patent 4 083 229, für Anway, offenbart ein Verfahren zum Finden der Position eines Lecks unter verwendung von Kreuzkorrelation, die von einer speziell ausgestalteten elektronischen Hardware durchgeführt wird. In diesem System kann der Ort des Lecks aus der zeitlichen Verzögerung (lag) T, der Kenntnis eines Abstands zwischen den Sensoren und der Kenntnis der Schallgeschwindigkeit in dem Rohr bestimmt werden. Dieses System wurde in dem US-Patent 5 205 173, von Allan weiter verfeinert, zeigt aber ähnliche Leistung.
  • Andere Techniken wurden zur Detektion von Leckagen in Pipelines verwendet, einschließlich Ultraschalltestung en der Rohrverbindungsdichtungen – beispielsweise das von Farstad (1993) offenbarte Verfahren in dem US-Patent 5 361 636 Gasemissionsdetektoren, Flüssigemissionsdetektoren – beispielsweise das von Mawardi in dem US-Patnet 4 779 458 offenbarte Verfahren – und auch regelmäßige Hubschrauberkontrollen längerer Pipelines. Keines dieser Verfahren liefert den Vorteil einer kosteneffizienten automatischen Fernleckdetektion, wie er potentiell durch akustische Leckdetektionsverfahren geboten wird.
  • Verschiedene Verbesserungen wurden zur Leistungssteigerung der Sensitivität kleiner Lecksignale vorgeschlagen. Das US-Patent 5 416 724 für Savic (1992) offenbart ein Verfahren zur Detektion von Leckagen aus computerberechneter Linearvorhersage-Codierkoeffizienten. Dieser Ansatz benötigt mehrere Sensoren, wird auf eine bestimmte Pipeline abgestimmt (tuned) und legt den Ort der Leckage nicht fest. Das US-Patent 5 272 646 von Farmer (1993) und das US-Patent 4 609 994 von Bassim (1986) offenbaren Verfahren für eine langzeit-periodische Lecktestung. Beide Verfahren sind auf bestimmte Pipelines abgestimmt und umfassen eine nicht-tragbare Vorrichtung. Tragbare Leckdetektoren, beruhend auf Kreuzkorrelation von Leckgeräuschen, die an zwei Orten gemessen werden, wie sie bisher bekannt waren, leiden unter einer Vielzahl von Nachteilen:
    • (a) Die Kreuzkorrelationsleistung ist ungeeignet, wenn es ein geringes Signal-Rauschverhältnis beim Sensor gibt. Dies tritt auf, wenn die Umgebung verrauscht ist, was die Leckdetektion in vielen Umgebungen verhindert. Das empfangene Lecksignal wird klein sein, wenn das Leck akustisch ruhig ist, was auftritt, wenn die Rate des Fluidverlustes an dem Leck gering ist, der Druck in der Röhre gering ist oder der Lecksensor in einem großen Abstand ist. Kunststoffrohre dämpfen die Ausbreitung des Lecksignals, wobei die Dämpfung seiner Stärke schon über kurze Entfernung auftritt. Dies begrenzt die maximale Lecksensordistanz, ab der bekannte Kreuzkorrelatoren nicht mehr akzeptierbar waren. Heutige Korrelatoren zeigen große Schwierigkeiten beim zuverlässigen Lokalisieren von Leckagen unter Bedingungen eines niedrigen Signal-Rauschverhältnis. Leckagen können verfehlt werden, falsch lokalisiert sein oder es können falsche positive Leckdetektionen auftreten.
    • (b) Rauschamplituden oder andere Charakteristika ändern sich oft mit der Zeit während der Kreuzkorrelationsmessung. Solche Änderungen können leicht das Ergebnis der Kreuzkorrelationsprozedur ungültig machen. Bei schlechten Signal-Rauschverhältnissen benötigt die Korrelation eine längere Meßzeit, während der die Flußbedingungen in der Röhre konstant sein müssen. Bei industriellen Einrichtungen, wie etwa bei der Treibstoffversorgung an Flughafen sowie in Gasund Wasserpipelines werden sich ändernde Anforderungen die Flußrate und den Druck in der Pipeline ändern, wodurch die Charakteristika des Lecksignals geändert werden, und wodurch die Korrelationsmessung unwiederbringbar gestört wird.
    • (c) Der Leckanteil des empfangenen Signals ist typischerweise sehr klein im Vergleich zu dem Rauschanteil. Der dynamische Bereich des empfangenen Signals (das Verhältnis des größten Meßwertes zu dem kleinsten) ist üblicherweise sehr hoch. Gegenwärtig in Verwendung befindliche Leckdetektoren verwenden automatische Verstärkungsfaktorsteuerung, die unabhängig bei jedem Sensor arbeitet. Der variable elektronische Verstärkungsfaktor wird benötigt, um den dynamischen bereich des empfangenen Signals zu maximieren. Jedoch, wenn der elektronische Verstärkungsfaktor unterschiedlich an zwei Sensoren geändert wird, wird der Kreuzkorrelationsprozeß gestört und es kann kein Leck detektiert werden.
    • (d) Die analoge Radioübertragung der empfangenen Signale von der Sensoreinheit zur Basisstation führt Rauschen ein, insbesondere über größere Bereiche, und beschränkt den dynamischen Bereich des empfangenen Signals. Wenn das Verhältnis des Rauschens zu dem Lecksignal oberhalb des dynamischen Bereichs der Radioübertragung liegt, wird das Lecksignal verloren. Übertragungsrauschen stört auch das Lecksignal und kann dazu führen, daß die Kreuzkorrelation bei der Detektion eines Lecks fehl geht. Zusätzlich muss jeder Sensor einen analogen Radiotransmitter haben, der auf eine eigene Frequenz eingestellt ist. Dies verringert die Bandbreite, die zum Übertragen des am Sensor erhaltenen Signals zur Verfügung steht, wodurch der Bereich, die Bandbreite und die Auflösung des empfangenen Signals begrenzt wird. Diese Faktoren beeinflussen des weiteren das Signal-Rauschverhältnis und können zu einem Fehler bei der Detektion eines vorhandenen Lecks führen.
    • (f) Mechanische Beschleunigungsmesser, die ein piezoelektrisches Sensorelement verwenden, werden üblicherweise im Zusammenhang mit Metallrohren verwendet. Diese Beschleunigungsmesser sind in der Lage, kleine Leckgeräusche zu erfassen, aber sie sind typischerweise mehrere Zoll groß, haben ein Gewicht von einem halben Pfund, sind teuer und sehr zerbrechlich. Sie können nur an geeignet großen Zugangspunkten eines Rohrs bzw. einer Pipeline verwendet werden. Dies kann in ernster Weise die Nähe der Sensoranordnung bezüglich eines vermuteten Lecks einschränken, was zu einem ungeeigneten Signal-Rauschverhältnis und darauf folgendem Fehlschlag bei der Detektion des Lecks führt.
    • (g) Analoge Filter werden verwendet, um die Bandbreite des empfangenen Signals vor der Kreuzkorrelationsanalyse zu begrenzen. Analoge Filter haben, eine begrenzte Anzahl physikalischer oder elektronisch schaltbarer Einstellungen. Dies begrenzt die Genauigkeit, mit der das Filtern durchgeführt werden kann, um so Lecksignale gegenüber Rauschen zu verstärken. Zusätzlich führen unvermeidbare kleine Unterschiede der analogen Filtercharakteristika systematische Unterschiede zwischen den empfangenen Signalen von zwei Sensoren ein. Die Unterschiede können die Kreuzkorrelation des Lecksignals verschleiern.
    • (h) Der Abstand zwischen Sensoren wird von Hand gemessen, typischerweise durch Ablaufen mit einem Meßrad. Der tatsächliche Verlauf einer vergrabenen Pipeline mit Windungen und Änderungen in der Tiefe kann von dem Abstand abweichen, der auf ebener Erde abgeschritten wird. Eine ungenaue Kenntnis der Pipelinelänge zwischen den Sensoren fügt einen Fehler in die Messung des Ortes jedes detektierten Lecks ein.
    • (i) Bei der anlogen Verarbeitung und der variablen Verstärkungsfaktorsteuerung wird die tatsächlich physikalische Größe des empfangenen Lecksignals in Einheiten der Erdbeschleunigungskraft durch Übertragung und Verarbeitung verloren. Es ist daher nicht möglich, die Größe des Lecks oder seine Signalstärke aus der Kreuzkorrelationsfunktion abzuschätzen.
  • US 4 609 994 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung akustischer Emissionen von großen Strukturen, wie etwa Pipelines, um darin enthaltene mechanische Belastung (stress) zu detektieren. Eine Anzahl von Detektoren/Analyseneinheiten werden an bestimmten Orten an der zu untersuchenden Struktur angebracht, von denen jede in der Lage ist, eine empfangene akustische Emission zu analysieren und sie mit einem Grundwert zu vergleichen, um jede Änderung der erwarteten Werte zu bestimmen. Wenn eine Abweichung von einem erwarteten Wert festgestellt wird, werden Warnsignale an die zentrale Steuereinheit übertragen. Die zentrale Steuereinheit kann auch die Fähigkeit haben, weitere Antworten der jeweiligen Analyseneinheiten zu korrelieren, um den Ort einer Unstetigkeit abzuschätzen, die zwischen benachbarten Detektoren/Analyseeinheiten vorliegt.
  • US 5 544 074 beschreibt ein Verfahren zur Detektion der Position eines Lecks in einem vergrabenen unterirdischen Rohr.
  • US 5 010 553 beschreibt ein Verfahren zum Betreiben eines schnellen fehlerfreien Datenübertragungssystems in einem verrauschten Medium.
  • H. Schwarze: "Computer supported measuring System for automatic control of pipe networks and leak detection"; Technisches Messen 55 (1988) Nr. 7–8 beschreibt ein Korrelationsverfahren zum Finden einer Leckposition aus der Laufzeit des Leckrauschens.
  • Zusammenfassung
  • Die Erfindung liefert ein Verfahren zum Bestimmen eines Lecks in einem Rohr oder einer Pipeline entsprechend Anspruch 1.
  • Die Erfindung hat als Merkmale die Detektion und das Festlegen (pinpointing) des Ortes von Lecks in einem Rohr oder Pipeline. Die Größe von jedem vorhandenen Leck wird ebenfalls gemessen. Zu diesem Zweck enthält die Erfindung das Empfangen von Signalen von miniaturisierten Sensoren, die an der Pipeline angeordnet sind, die Anwesenheit sehr kleiner Lecksignale, die durch wesentlich größeres, sich möglicherweise änderndes Rauschen maskiert sind. Der Leckdetektionsprozeß ist computerisiert und fast alle analoge Verarbeitung ist eliminiert. Ein digitaler Signalweg wird von dem Sensor zu der Anzeige des Kreuzkorrelationsergebnisses bereitgestellt. Der digitale Signalweg erhält sehr kleine Lecksignale, minimiert das Rauschen und hält Information bezüglich der empfangenen Signalstärke bereit, wodurch es ermöglicht wird, die Leckgröße abzuschätzen.
  • Dementsprechend sind verschiedene Aufgaben und Vorteile der Erfindung:
    • (a) das Bereitstellen eines genauen Leckdetektionsverfahrens bei Signalrauschverhältnissen, die für gegenwärtig verwendete Vorrichtungen zur Detektion und zur Festlegung des Ortes aller vorhandenen Lecks zu niedrig sind.
    • (b) Das Bereitstellen eines Leckdetektionsverfahrens, das gegenüber Effekten eines sich ändernden Rauschpegels unempfindlich ist, was entweder durch Ändern der Flußcharakteristika in der Pipeline oder durch Ändern des Umgebungsrauschens beim Sensor verursacht wird.
    • (c) Das Bereitstellen eines Leckdetektionsverfahrens, das gegenüber falschen positiven Leckdetektionenen immun ist, indem statistisch jede Leckdetektion verifiziert wird.
    • (d) Das Bereitstellen eines Leckdetektors mit Kommunikationsfähigkeiten, die über Fernbedienung von einer Überwachungsstation durch erfahrenes Personal betätigt werden können. Die Interpretation der Ergebnisse wird an Leckreparaturpersonal, das an der Pipeline physisch vorhanden ist, weitergeleitet.
    • (e) Das Bereitstellen einer genauen Messung des von einem akustischen Lecksignal zwischen Sensoren über die Pipeline zurückgelegten Abstandes. Das heißt, die Messung der tatsächlichen Ausbreitungsstrecke, im Gegensatz zur Messung des Abstands zwischen Sensoren durch Abschreiten entlang der Pipeline. Die genaue Kenntnis des Abstands zwischen Sensoren wird zur präzisen Lokalisation der Leckposition benötigt. Eine zusätzliche Aufgabe ist es, ein Mittel zum Finden der Position für jeden Sensor durch ein automatisches Mittel bereitzustellen, das in dem Leckdetektionssystem eingebaut ist.
    • (f) Das Verbessern des Signal-Rauschverhältnises der empfangenen Signale zu verbessern, indem eine rauschfreie Radioübertragung der empfangenen Signale bereitgestellt wird.
    • (g) Das Bereitstellen eines beachtlich verbesserten dynamischen Bereichs bei der Übertragung der empfangenen Signale. Der verbesserte dynamische Bereich wird kleine Lecksignale beibehalten und die Detektion von kleinen Lecks ermöglichen.
    • (h) Das Bereitstellen eines preiswerten miniaturisierten Sensors, der an Pipelineorten verwendet werden kann, die gegenwärtig nicht mit herkömmlichen Sensoren zugänglich sind.
    • (i) Das Speichern empfangener Signale permanent für darauffolgende Neuanalyse und zum vergleich mit unterschiedlichen Leckdetektionsabschätzungen.
    • (j) Das Ermöglichen der Abschätzung der Stärke des Lecksignals in Einheiten der Erdanziehungskraft. Dies wiederum wird eine Abschätzung der Größe des Lecks ermöglichen.
  • Weitere Aufgaben und Vorteile sind das Bereitstellen eines Leckdetektors, der einfach zu verwenden ist, was eine gesteigerte Verwendung von Seiten des Pipeline-Reparaturpersonals erleichtert, der preiswert in der Herstellung und Wartung ist, der leicht herzustellen ist, der hinsichtlich des Betriebs und seiner Fähigkeiten über Software-Programmiertechniken erweiterbar ist, der in hohem Maße tragbar ist, und der sehr wirtschaftlich hinsichtlich Leistungsverbrauch ist, wodurch eine längere und effizientere kontinuierliche Verwendung der Vorrichtung ermöglicht wird.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt eine Übersicht der Hauptkomponenten des Leckdetektionssystems.
  • 2 zeigt eine Seitenansicht des integrierten Beschleunigungsmessers, der an der Pipeline angebracht ist.
  • 3 zeigt eine Aufsicht auf den integrierten Beschleunigungsmesser, der an der Pipeline angebracht ist.
  • 4 zeigt die Hardwarebestandteile eines Fernsteuerprozessors.
  • 5 zeigt ein Flußdiagramm des Softwarebetriebs des Fernsteuerprozessors.
  • 6 zeigt die Struktur eines Datenpakets.
  • 7 zeigt die Hardware der Basisstation.
  • 8 zeigt ein Flußdiagramm des Softwarebetriebs der Basisstation.
  • 9 zeigt ein Flußdiagramm der Prozedur zur Verarbeitung der empfangenen Daten.
  • 10 zeigt die Struktur von Mitteilungen, die zwischen der Basisstation und einem Fernprozessor übertragen werden.
  • 11 zeigt die Anzeige der Basisstation.
  • 12 zeigt ein Beispiel eines Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet wurde, ausgedrückt in Einheiten von 1000stel der Erdanziehungskraft.
  • 13 zeigt ein Beispiel des normierten Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet wurde.
  • 14 zeigt ein Beispiel eines Kreuzkorrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet und bei niedrigem Signalrauschverhältnis empfangen wurde.
  • 15 zeigt ein Beispiel eines Inkremental-Kreuz-Korrelations-Signalverlaufs, der von zwei Sensoren berechnet und bei einem niedrigen Signal Rauschverhältnis empfangen wurde.
  • 16 zeigt ein Beispiel der von einem Sensor empfangenen Daten, mit einem kurzzeitig vorhandenen Burst von Rauschen hoher Amplitude.
  • Bezugszeichen in den Zeichnungen
  • 20
    Pipeline
    22
    Fernprozessor
    26
    Basisstationseinheit
    31
    Strap oder Gurt
    32
    Magnet
    33
    Metallsensorgehäuse
    34
    Sensor
    36
    Kabel vom Sensor zum Fernprozessor
    37
    Ingegrierter Beschleunigungsmesser
    38
    Sensorschnittstelleneinheit
    39
    Sensoranschlußstifte
    40
    Signalkonditionierschaltung
    42
    Mikrokontroller
    44
    Ferndigitalempfänger
    46
    Positionsfinder
    48
    Leistungseinheit
    100
    Prozedur zur Verarbeitung empfangener Signale
    170
    Datenpaket
    175
    Datenabschnitt des Datenpakets
    180
    Kopfabschnitt des Datenpakets
    205
    Disitaler Basistransceiver
    210
    Signalanalyser
    215
    Datenspeichereinheit
    220
    Anzeigeeinheit
    225
    Eingabe/Ausgabe-Einheit
    230
    Kommunikationseinheit
    300
    Prozedur zur Analyse empfangener Daten
    400
    Prozedur zur Verarbeitung extrahierter Daten
    500
    Basisstationsanzeige
    501
    graphisches Fenster
    502
    Benutzer-Steuereingaben
    503
    Benutzereingabeoptionen
    504
    Systemdialogbox
    505
    Vertikal-Achsenanzeigeelement
    510
    Horizontal-Achsenanzeigeelement
    515
    Echter Peak in einer Kreuzkorrelationsfunktion
    520
    Artefakt Peak in einer Kreuzkorrelationsfunktion
    560
    Schwellwert bei normierter Kreuzkorrelationsfunktion
    705
    Rauschburst in empfangenen Daten
  • Beschreibung der Erfindung
  • Übersicht
  • In 1 enthält ein Leckdetektionssystem, das zur Detektion des Ortes und der Größe von Lecks einer Pipeline 20 verwendet wird, zumindest zwei Pipelinesensoren 34. Die Sensoren können übliche piezoelektrische Beschleunigungsmesser, Hydrophone, Mikrophone sein, oder sie können elektronisch integrierte Beschleunigungsmesser sein. Die Beschleunigungsmesser werden an einem Pipelinebestandteil, wie in etwa einer Röhre, einem Hydranten oder einem Ventil mit einem Magnet 32 angebracht. In 2 können alternativ für Kunststoffrohre die Beschleunigungsmesser mit einem Strap bzw. Gurt 31 angebracht werden. Das System enthält des Weiteren Sensorkabel 36, die die Sensoren mit Fernprozessoren (remote processors) 22 verbinden. Die Fernprozessoren 22 konditionieren die empfangenen Analogsignale, digitalisieren die konditionierten Signale, codieren die digitalen Signale und übertragen die codierten Signale an eine Basisstation 26. die Basisstation 26 analysiert die codierten Signale zur Erzeugung einer Abschätzung des Orts und der Größe jedes in der Pipeline 20 vorhandenen Lecks.
  • Sensoren
  • In 3 enthält eine integrierte elektronische Beschleunigungsmeßeinheit (electronic integrated accelerometer unit), die zum Empfang von Vibrationen von einem Pipelinesystem 20 verwendet werden kann, einen integrierten Beschleunigungsmesser 37. Der Beschleunigungsmesser wird elektrisch und mechanisch mit einer Schnittstelleneinheit 38 über seine Anschlußstifte 39 verbunden. Die Anschlußstifte 39 liefern einen Nullspannungsbezug, eine Signalausgabe und Leistungsversorgungsleitungen von +/– 12V. die Ausgabe der Schnittstelleneinheit 38 ist mit dem Fernprozessor 22 mittels eines Kabels 38 verbunden. Die Kraftsensorseite des Beschleunigungsmesser 37 ist mit einem Magneten 34 verbunden. Der Magnet 34 ist mit der Pipeline 20 verbunden. Die gesamte Einheit ist innerhalb eines Metallgehäuses 33 enthalten. Das Gehäuse 33 liefert eine Abschirmung gegenüber Störsignalen, wie etwa elektromagnetischen Feldern von Leistungskabeln in der Nähe der Pipeline. In 2 kann die elektronisch integrierte Beschleunigungsmeßeinheit an der Pipeline mit ihrem Magnet oder mit einem Gurt 31 angebracht sein. Der Gurt 31 läuft um das Gehäuse und hält das Gehäuse in festem Kontakt mit der Pipeline 20.
  • Fernprozessor
  • In 4 empfängt der Fernprozessor analoge Signale über ein Kabel 36 von dem Sensor 34. Der Fernprozessor enthält eine Signalverarbeitungsschaltung 40, welche das empfangene Signal mittels elektronischer Filterung und elektronischer Verstärkung konditioniert und das konditionierte Signal digitalisiert. Digitalisierung wird durch eine Abtastung mit einer Rate von 5000 Hz und einer Auflösung von 16 Bit durchgeführt. Das digitalisierte Signal wird dann einem Mikrocontroller 42 eingegeben. Der Mikrocontroller 42 kann die elektronische Filterung oder Verstärkung einstellen, indem entweder das digitalisierte Signal analysiert wird, oder indem er auf eine Nachricht anspricht, die von der Basisstation 26 empfangen wird.
  • Der Mikrocontroller codiert das digitalisierte Signal und formt dann ein Datenpaket, das Kopfinformation und codierte Daten enthält. Der Prozessor 42 gibt das Datenpaket an einen digitalen Transceiver 44 zur Übertragung an die Basisstation 26 aus. Der digitale Transceiver 44 ist ein Breitbandradiosender/-Empfänger, der als Fernübertragungsvorrichtung ausgestaltet ist. Alternativ kann der digitale Transceiver 44 ein serieller Sender, ein Netzwerkknoten oder eine digitale Übertragungsvorrichtung sein. Der Fernprozessor 22 kann optional einen Positionsfinder 46 enthalten, der die geographische Position des Fernprozessors mit einem satellitenbasierten Positionierungssystem detektiert. Eine Leistungseinheit 48 liefert Leistung an die Bestandteile des Fernprozessors 22.
  • In 5 empfängt der Fernprozessor 22 Signale entsprechend einer Prozedur 100. Anfangs wartet der Fernprozessor 22 auf eine Nachricht von der Basisstation 26 zum Starten der Verarbeitung des empfangenen Signals (Schritt 105). Wenn die Startnachricht empfangen wurde, erhält der Fernprozessor 22 einen Zeitraum von 50 Millisekunden des digitalisierten Signals (Schritt 110). Die digitalisierten Daten werden untersucht, um den maximalen elektronischen Verstärkungsfaktor zu bestimmen, der ohne Sättigung auf die Daten angewendet werden kann. Der Mikrocontroller 42 stellt dann den elektronischen Verstärkungsfaktor in geeignet er Weise ein (Schritt 115). Der elektronische Verstärkungsfaktor kann von einem 50 Millisekunden Zeitraum zum nächsten geändert werden. Die Änderung in dem Verstärkungsfaktor kann über die Verstärkungsfaktoreinstellung erfolgen, die alle Bits des A/D-Wandlers bei der Darstellung der minimalen und maximalen Signalwerte in einem 50 Millisekunden Zeitraum verwendet. Alternativ kann die Änderung in der Verstärkungsfaktoreinstellung inkremental bzw. stufenweise sein, z. B. durch Änderung eines Faktors auf entweder Zwei oder ein Halb. Auf diese Art ändern sich die Verstärkungsfaktoreinstellungsspuren in der empfangenen Signalstärke langsamer als die Rate, mit der diese Änderungen auftreten können. In Situationen, in denen die empfangene Signalstärke schnell zwischen den Zeiträumen ansteigt, erfolgt die Verstärkungsfaktoreinstellung langsamer. Obwohl Sättigung des empfangenen Signal auftreten kann, wenn der Verstärkungsfaktor langsam absinkt, wird eine isolierte Rauschspitze nicht den Verstärkungsfaktor drastisch absenken, was sonst eine unnötige Dämpfung des empfangenen Signals verursachen würde.
  • Das Maximieren des elektronischen Verstärkungsfaktors ist wichtig, da das Lecksignal um einen Faktor Zehntausend kleiner als das Rauschen sein kann. Der Mikrocontroller 42 codiert dann (Schritt 120) das digitalisierte Signal x mit der Beziehung:
    Figure 00130001
    wobei g(x) das codierte Signal ist, sgn(x) das Vorzeichen von x (d. h. positiv oder negativ), 1n den natürlichen Logarithmus darstellt, |x| der Absolutwert (nämlich ohne Vorzeichen) von x ist, un μ der Kompressionsparameter ist. Solche Systeme der Signalcodierung wurden in der Telefonelektronik umfangreich verwendet, um verlustfreie Kompression und Expansion von Sprachesignalverläufen zu liefern. Mit x in einem Bereich von 16 Bit und g(x) in einem Bereich von 8 Bit tritt ein gewisser Genauigkeitsverlust auf, wenn g(x) expandiert wird, um x wieder herzustellen. Der Wert von μ muss ausgewählt werden, um diesen Verlust bei niedrigen Werten von x zu minimieren. Werte von μ zwischen 200 und 400 sind geeignet. In diesem Fall wird der Verlust bezüglich des Prozesses der Korrelation unbedeutend, da er nur bei sehr großen Werten auftritt, und somit nur bei verrauschten Abtastwerten.
  • Die Codierung verringert die digitalisierten Daten der Abtastwerte von 16 Bit Länge auf Abtastwerte mit 8 Bit Länge. Die codierten Signalabtastwerte in dem 50-Millisekunden-Zeitraum werden verwendet, um ein Datenpaket 170 (Schritt 125) zu formen. In 6 enthält das Datenpaket 100 einen Datenabschnitt 175 und einen Kopfabschnitt 180. Der Datenabschnitt besteht aus den codierten 8 Bit Datenabtastwerten und ist N Byte lang, wobei N die Zahl der codierten Datenabtastwerte ist. Der Kopfabschnitt kann L Byte enthalten, die numerisch darstellen: die Zahl N der Datenabtastwerte in dem Paket, den elektronischen Verstärkungsfaktor, mit dem die Datenabtastwerte erhalten wurden, die Zeit des erhaltenen Datenzeitraums, die geographische Position des Fernprozessors und weitere Information. Das Paket wird dann von einem seriellen Anschluß des Mikrocontrollers 42 ausgegeben, der in einem Spannungspegel bezüglich eines Übertragungsprotokolls, wie etwa RS-232, eingestellt ist, um diese an einen digitalen Transceiver 44 zu senden. In 5 überträgt der digitale Transceiver 44 das Paket an die Basisstation (Schritt 130). Der Fernprozessor prüft dann, um festzustellen, ob eine Nachricht von der Basisstation empfangen wurde (Schritt 135). Die Nachricht wird dann untersucht, um zu sehen, ob eine Anhaltnachricht (Schritt 140) enthalten ist. Wenn die Nachricht eine Anhaltnachricht ist, dann hält der Fernprozessor 22 die Übertragung von Daten an, deaktiviert den digitalen Transceiver 44 und wartet auf eine neue Startnachricht (Schritt 105). Wenn keine Nachricht empfangen wurde, erhält der Fernprozessor 42 einen darauffolgenden Zeitraum (Schritt 110). wenn eine andere Nachricht als das Anhalten empfangen wurde, wird die Nachricht verarbeitet (Schritt 145) und dann erhält der Fernprozessor 42 einen darauffolgenden Datenzeitraum (Schritt 110). Weitere ausgehend von der Basisstation 26 empfangene Nachrichten können beispielsweise enthalten: einen Befehl zum Registrieren der Position des Fernprozessors von dem Positionsfinder 46 oder die Einstellung des elektronischen Verstärkungsfaktors auf einen bestimmten Wert.
  • Basisstation
  • In 7 werden von dem Fernprozessor übertragene Daten an der Basisstation 26 mittels eines digitalen Basistransceivers 205 empfangen. Die empfangenen Signale werden von dem digitalen Basistransceiver 205 an den Signalanalysierer 210 ausgegeben. Der Signalanalysierer 210 speichert die Daten permanent in der Datenspeichereinheit 215. Der Signalanalysierer 210 decodiert die empfangenen Signale und kann sie auf der Anzeigeeinheit 220 anzeigen. Der Benutzer an der Basisstation 26 interagiert mit der Basisstation mittels der Eingabe/Ausgabeeinheit 225. Dies kann eine Computertastatur, ein wassergeschütztes mit Membran versehenes Druckknopf-Pad oder eine Computeranzeigevorrichtung sein. Eine Kommunikationseinheit 230 ist optional vorgesehen, um die Kommunikation zwischen der Basisstation und einer Überwachungsstation zu erleichtern, die von einem Benutzer an einem entfernten Ort betrieben wird.
  • In 8 analysiert die Basisstation 26 empfangene Daten entsprechend einer Prozedur 300. Der Benutzer veranlaßt entweder mit der Eingabe/Ausgabeeinheit 225 oder mit der Kommunikationseinheit 230 (Schritt 305) einen Startbefehl. Die Basisstation 26 sendet dann eine Nachricht an die Fernprozessoren 22, wobei die Fernprozessoren 22 aktiviert und synchronisiert werden (Schritt 310). Die Basisstation initialisiert dann die Aquisitions- und Analysenparameter (Schritt 315). Die Aquisitions- und Analysenparameter enthalten den elektronischen Verstärkungsfaktor, die Anzahl der Fernprozessoren, von denen Daten zu empfangen sind, die Art der durchzuführenden Filteranalysen, die Art der durchzuführenden Korrelationsanalysen und das Format der Anzeige. Die Basisstation empfängt und extrahiert dann die von den Fernprozessoren übertragenen Daten (Schritt 320). Die Extraktionsprozedur trennt die von den einzelnen Fernprozessoren empfangenen Datenpakete, extrahiert die Daten von den Paketen und multipliziert die Daten mit dem zusammen mit dem Paket übertragenen Verstärkungsfaktor.
  • In 9 werden die extrahierten Daten dann entsprechend der Prozedur 400 verarbeitet. Die Prozedur decodiert die Daten (Schritt 405), filtert die decodierten Daten (Schritt 410) und führt eine Kreuzkorrelation von zwei Sätzen gefilterter Daten durch (Schritt 415). In 8 wird dann die Anzeige aufgefrischt (Schritt 330). Der graphische Teil der Anzeige zeigt den Kreuzkorrelations-Signalverlauf, der in regelmäßigen Intervallen aufgefrischt wird, beispielsweise vier mal pro Sekunde. Der graphische Teil der Anzeige kann wahlweise die decodierten Daten, entweder gefiltert oder ungefiltert zeigen, das heißt die Eingabe der Korrelationsprozedur. Zusätzlich kann entweder unter automatischer oder händischer Steuerung des Benutzers die Zeitskala und die Amplitudenskala des graphischen Teils der Anzeige eingestellt werden, um den Kreuzkorrelations-Signalverlauf oder die decodierten Daten effizienter zu zeigen. Das Achsenverhältnis (Verhältnis von Vertikal- zu Horizontalabmessungen) des graphischen Teils der Anzeige kann ebenfalls eingestellt werden. In 10 enthält die Basisstationsanzeige 500 ein graphisches Fenster 501, das die Korrelationsfunktion zeigt, Benutzersteuerungen 502, Benutzereingabeoptionen 503 und eine Systemdialogbox 504.
  • In 8 überprüft nach dem Auffrischen der Datenanzeige (Schritt 330) die Basisstation, um festzustellen, ob irgendein Befehl von dem Benutzer eingegeben wurde (Schritt 335). Wenn keine Benutzereingabe stattgefunden hat, fährt die Prozedur mit dem Empfang des nächsten Datenpakets fort (Schritt 320). Wenn eine Benutzereingabe stattgefunden hat, wird die Benutzereingabe verarbeitet (Schritt 340). Die Benutzereingabe wird untersucht, um festzustellen, ob die Datenaquisition angehalten werden soll (Schritt 345). Wenn nein, werden dann die Aquisitions- und Analysenparameter eingestellt (Schritt 345) und die Prozedur fährt mit dem Empfang des nächsten Datenpakets fort (Schritt 320). Wenn der Befehl ein Anhalten der Datenanalyseprozedur 300 anzeigt, deaktiviert die Basisstation 26 die Fernprozessoren 22 (Schritt 355) und nimmt das warten auf einen Benutzerstartbefehl wieder auf (Schritt 305).
  • In 11 sind die zwischen der Basisstation 26 und den Fernprozessoren übertragenen Nachrichten in Tabellenform dargestellt. In Abhängigkeit der speziellen Nachricht können die Nachrichten von der Basisstation 26 oder den Fernprozessoren 22 ausgehen.
  • Leckdatenverarbeitung
  • Decodierung und Filterung
  • In 9 werden die extrahierten Daten erst mit dem mathematischen Inversen der Codierformel (Schritt 405) decodiert. Die decodierten Daten werden dann gefiltert (Schritt 410). Der Filterungsschritt dämpft die Nieder- und Hochfrequenzanteile in dem Frequenzspektrum, wodurch das Signal-Rauschverhältnis der decodierten Daten verbessert wird. Das digitale Filtern ermöglicht eine sehr genaue und scharfe Unterscheidung der Frequenzen in dem Frequenzspektrum. Das digitale Filter, das auf die decodierten Daten von jedem Sensor angewendet wird, kann perfekt abgestimmt sein, im Gegensatz zu analogen Filtern, deren Charakteristika um mehr als 10% untereinander abweichen können. Das digitale Filter kann auch verschiedene Einstellungen für decodierte Daten von unterschiedlichen Sensoren haben, wobei eine bessere Unterscheidung zwischen Signal und Rauschen im Frequenzspektrum der decodierten Daten der jeweiligen Sensoren ermöglicht wird.
  • Das Filter ist typischerweise ein Bessel-Bandpaßfilter achter Ordnungen, das eine geschätzte gleiche Zeitverzögerung durch das Filtern über alle Frequenzen gibt. Das Filter kann vom Butterworth-, Chebyshev- oder von anderem digitalen Filterdesign-Typ sein. Die Filterabschneidefrequenzen und die Ordnung für die Hochpaß- und Tiefpaßabschnitte sind vom Benutzer einstellbare Analysenparameter.
  • Einfache Kreuzkorrelation
  • Die gefilterten Daten von zumindest zwei Fernprozessoren werden dann einer Kreuzkorrelation unterzogen (Schritt 415). Die Art der verwendeten Kreuzkorrelation ist ein benutzereinstellbarer Parameter. Die einfachste Form der Kreuzkorrelationsfunktion r(m) ist wie folgt festgelegt:
    Figure 00180001
    wobei x(k) und y(k) die Daten von zwei Fernprozessoren, nämlich x bzw. y, sind. K ist die Gesamtanzahl der empfangenen Abtastwerte und m ist die Zeitdifferenz bzw. "Lag". Die Zeitdifferenz ist typischerweise zwischen ± M berechnet, wobei M zwischen 512 und 4096 Abtastwerten programmierbar ist, entsprechend den Verzögerungszeiten von 100 bis 800 Millisekunden. In 12 ist die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion auf der vertikalen Achse 505 gegenüber der Zeit aufgetragen, die auf der horizontalen Achse 510 aufgetragen ist. Eine Hauptspitze 515 tritt bei einer Zeit von 64 Millisekunden auf. Eine zweite geringere Spitze 520 tritt bei einer Zeit von 190 Millisekunden auf. Diese Zeiten stellen Zeitdifferenzen dar, für die eine beachtliche Kreuzkorrelation zwischen den von den zwei Sensoren empfangenen Signalen existieren.
  • Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion wird in Einheiten der quadrierten Erdanziehungskraft berechnet, d. h. als g-Quadrat. Die decodierten Daten werden von ihrer digitalisierten Abtastwertdarstellung mit bekannter Übertragungsfunktion des Sensors (Volt/g) und dem elektronischen Verstärkungsfaktor gewandelt, der mit jedem Datenpaket übertragen wird. Die Amplitude der Kreuzkorrelationsfunktion ist proportional der Beschleunigung des Leckgeräusches gegenüber der Pipeline an dem Sensor. Die Beschleunigung hängt von der Stärke des Lecksignals an dem Leck und dem Abstand von dem Leck zu den Sensoren ab. Die Position d eines Lecks in dem Pipelinesystem relativ zu einem Sensor entsprechend dem Hauptpeak 515 wird durch die Gleichung gefunden:
    Figure 00190001
    wobei D der Abstand zwischen den Sensoren, V die Schallgeschwindigkeit in dem Pipelinemedium und T die Zeitdifferenz gelesen aus der Kreuzkorrelationsfunktion bei dem Zeitwert des Peaks, ist.
  • Die Dämpfung des Leckgeräusches in der Pipeline als eine Funktion des Abstands ϵ kann in Decibel pro Meter aus bekannten Charakteristika der Pipeline (ihrem Durchmesser, dem Druck und dem Material) bestimmt werden. Mit dieser Information und der Kenntnis der Position des Lecks kann die Stärke des Lecksignals in g an der Position des Lecks Aleak leicht bestimmt werden. Aleak = Ap*10 log10 (ϵd)wobei AP die Stärke des Lecksignals gemessen direkt aus der Kreuzkorrelationsfunktion ist, die als Quadratwurzel des Spitzenwerts genommen wird. Die Stärke des Lecksignals ist proportional der Größe des Lecks, die so abgeschätzt werden kann.
  • Das in der Kreuzkorrelationsfunktion enthaltene Rauschen ist in das inversproportional der Anzahl von Abtastwerten K, die für die Kreuzkorrelationsberechnung verwendet werden. Rauschen ist der größte zu Fehler führende Faktor bei der Bestimmung von Peaks der Kreuzkorrelation. Es kann wahre Peaks 515 vollständig maskieren, wenn das Peaksignal klein ist. Rauschen kann auch künstliche Peaks in der Korrelationsfunktion erzeugen, wie etwa der zweite Peak 520 in 12.
  • Unvorbelastete Kreuzkorrelation
  • (Unbiased Cross-Correlation)
  • Die nicht-vorbelastete oder unbelastete Kreuzkorrelationsfunktion ru(m) ist wie folgt festgelegt:
    Figure 00200001
  • Jede Zeitwert (lag value) hat die gleiche Gewichtung, was wichtig ist, wenn K nicht wesentlich größer als M ist. Nichtvorbelastete Kreuzkorrelation ist hilfreich, wenn beschränkte Datenmengen für die Analysen zur Verfügung stehen.
  • Normierte Kreuzkorrelation
  • Die normierte Kreuzkorrelationfunktion ρ(m) ist wie folgt festgelegt:
    Figure 00200002
    wobei angemerkt sei, daß die Verwendung von y(k + m) im Gegensatz von y(k) unnötig ist, wenn K wesentlich größer als M ist. Wie in 12 angemerkt ist, kann ein höherer Peak 520 in der Kreuzkorrelationsfunktion resultieren. Die normierte Kreuzkorrelationsfunktion liefert ein Verfahren zum Testen der Wahrscheinlichkeit, daß ein Peak kein statistisches Artefakt ist, das durch Rauschen erzeugt wird, sondern tatsächlich eine wahre Korrelation. Die normierte Kreuzkorrelationsfunktion hat einen Erwartungswert von Null, wenn keine Korrelation vorliegt. Der Wert eines Peaks ist proportional der Wahrscheinlichkeit, daß der Peak ein tatsächliches Leck darstellt, d. h. ein Signal, das konstistent und kohärent zwischen den beiden Sensoren mit einer festen Zeitdifferenz bei Ankunft an jedem Sensor ist. In 13 hat die normierte Kreuzkorrelationsfunktion genau die gleiche Form wie die Kreuzkorrelationsfunktion, aber ihre Amplitude ist normiert auf die Amplituden der empfangenen Daten. Ein bei einem bestimmten Wert gezogener Schwellwert 560, beispielsweise bei drei, kann zur Unterscheidung zwischen einem Peak 520, der auf Rauschen zurückzuführen ist (ein Peak, der unterhalb des Schwellwerts auftritt), und einem Peak der auf ein tatsächliches Leck 515 zurückzuführen ist (ein Peak oberhalb des Schwellwerts), dienen.
  • Ein einfacheres Verfahren für die normierte Kreuzkorrelation ist es, r(0) = 1 zu setzen. Dies setzt voraus, daß es kein Lecksignal gibt, das, bei einer Zeit von Null zwischen den beiden Sensoren auftritt. Das heißt, wenn ein Leck vorhanden ist, darf es nicht äquidistant zu beiden Sensoren sein. Bei dieser Festlegung ist die normierte Kreuzkorrelationsfunktion ρ(m) gegeben durch: ρ (m) = r(m)/r(o)
  • Stufenkreuzkorrelation
  • (Incremental Cross-Correlation)
  • Die Kreuzkorrelationsfunktion kann auch nach einem "Clipping" der Eingabedaten berechnet werden. Das heißt, wenn x(k) positiv und größer als ein bestimmter Wert A ist, wird x(k) gleich A gesetzt. Wenn x(k) positiv und kleiner als A ist, verbleibt es unverändert. Wenn x(k) negativ ist, wird gleich –A gesetzt. Wenn x(k) negativ und größer als A ist, bleibt es unverändert. Anders gesagt x(k) wird so beschränkt, daß es Werte zwischen ± A hat. Die Prozedur wird für y(k) mit einem bestimmten Wert B wiederholt. Die Kreuzkorrelationsfunktion (oder normierte Kreuzkorrelationsfunktion) wird dann berechnet. Geeignete Werte für A und B können aus x(k) und y(k) bestimmt werden. Beispielsweise kann A so eingestellt werden, daß es gleich dem mittleren Betrag (mean absolute value) von x(k) plus einer Standardabweichung von x(k) ist, nämlich:
    Figure 00220001
  • Der Wert von B kann in ähnlicher Weise festgelegt werden, wobei y(k) verwendet wird. Alternativ kann die Kreuzkorrelationsfunktion selbst "geclippt" werden. Das heißt, wenn ρ(m) außerhalb des Bereichs von ± C ist, wird ρ(m) so beschränkt, daß es innerhalb der Grenzen von ± C liegt.
  • Die Stufenkreuzkorrelation bietet beachtliche Vorteile, wenn die Lecksignalkomponente in x(k) oder y(k) im Vergleich zu dem Rauschanteil klein ist. Große Änderungen in x(k) oder y(k) können die Kreuzkorrelationsfunktion überlagern (swamp), wobei große Kreuzprodukte zwischen Rauschabtastwerten erzeugt werden. Durch Begrenzen der Rauschkreuzprodukte wird die Kreuzkorrelationsfunktion und somit die in ihr vorhandenen Peaks verstärkt.
  • 14 zeigt eine fehlgeschlagene konventionelle Kreuzkorrelationsanalyse. Große Rauschmengen und ein kleines Lecksignal machen den Peak gegenüber dem Rauschen in der Kreuzkorrelationsfunktion ununterscheidbar. 15 zeigt die gleichen Daten nach der Stufenkreuzkorrelationsanalyse. Der Peak 515 ist nun aufgrund der verstärkten Rauschdämpfung in der Stufenkreuzkorrelationsprozedur sichtbar.
  • Kreuzkorrelation mit verringerter Varianz
  • (Reduced Variance Cross-Correlation)
  • In einigen Fällen gibt es sporadische Bursts des Rauschens, die in den Eingabedaten x(k) und y(k) auftreten. Rauschbursts treten in dem Umgebungsrauschen auf, das etwa durch Verkehr, Züge oder Maschinen erzeugt wird. Rauschbursts können auch in dem Flußrauschen (flow noise) erzeugt werden, das durch ein Öffnen und Schließen von Ventilen, Änderungen des Drucks oder der Flußgeschwindigkeitscharakteristika oder durch den Betrieb von Zusatzausrüstung, wie etwa Pumpen, verursacht wird. Es ist vorteilhaft, das Rauschen selektiv zu begrenzen, ohne auf die Stufenkreuzkorrelationsverfahren zurückzugreifen. Die Rauschvarianz in einem einzelnen 50-ms-Zeitraum wird gemessen als :[GS-A1]
    Figure 00230001
    wobei Q die Anzahl der Abtastwerte x(k) in jedem Zeitraum ist. Die mittlere Varianz VAR[x(k)] über die gesamte Zeitdauer von K Abtastwerten wird durch Mitteln der Werte gefunden, die in den jeweiligen Zeiträumen gemessen werden. Zeiträume mit einer Varianz größer als einem bestimmten Wert, beispielsweise mehr als dem Doppelten von VAR[x(k)] werden vor dem Berechnen der Kreuzkorrelationsfunktion identifiziert. Die Werte von x(k) und y(k) werden in diesen identifizierten Zeiträumen auf Null gesetzt. Im Ergebnis werden verrauschte Zeitabschnitte nicht zu der Kreuzkorrelationsfunktion beitragen.
  • 16 zeigt eine 250 Sekundensequenz von Daten von einem Sensor. Ein Burst mit hoher Amplitude des Rauschens 705 ist vorhanden, der eine einfache Kreuzkorrelationsanalyse verfälschen würde. Die Kreuzkorrelationsanalyse mit verringerter Varianz identifiziert den Zeitabschnitt mit Rauschen hoher Amplitude. Daten in dem exzessiv verrauschten Zeitabschnitt werden durch Nullen ersetzt. Die Kreuzkorrelation mit verringerterer Varianz wird dann nicht durch verrauschte Daten verfälscht, und ein Peak wird detektiert, wenn dieser vorhanden ist.
  • Automatische Messung des Abstands zwischen Sensoren
  • Bei herkömmlichen Leckdetektoren wird der Abstand zwischen Sensoren oft durch Abschreiten mit einem Meßrad bestimmt, um eine Odometer-Ablesung zu erhalten. Dies ist zeitaufwendig und nicht möglich, wenn der Zugang zu der Pipeline beschränkt ist. Alternativ dazu kann das Rohr mit einem Impuls beaufschlagt werden, beispielsweise durch Schlagen mit einem Hammer auf das Rohr. Die Zeit, die der Schall des Impulses zum Wandern entlang der Pipeline zwischen den Sensoren benötigt, wird durch Kreuzkorrelationssignale bestimmt, die von den Sensoren empfangen werden. Dieses Verfahren ist ungenau aufgrund der nicht idealen Form der Impulsfunktion (imperfect nature of the impulse function).
  • Eine genau kalibrierte Messung der Zeit, die Schall zum Wandern zwischen Sensoren über die Pipeline benötigt, wird durchgeführt. Die Basisstation sendet eine Steuernachricht an einen einzelnen Fernprozessor, um dessen Betriebsmodus zu ändern. Der Fernprozessor erzeugt nun eine Zufallssignalfunktion – d. h. ein Token-Signal – mit seinem Mikroprozessor. Das Token-Signal wird gleichzeitig an die Basisstation übertragen und an die Pipeline angelegt. Dies wird erzielt, indem das digitale Token-Signal in eine elektrische Spannung gewandelt wird, die elektrische Spannung in eine mechanische Vibration gewandelt wird, und indem die mechanische Vibration an die Pipeline angelegt wird. Das von einem anderen Fernprozessor empfangene Signal wird an die Basisstation übertragen. Kreuzkorrelation der zwei übertragenen Signale wird zum Abschätzen der Zeit verwendet, die das Token-Signal braucht, um über die Pipeline zwischen den Sensoren zu laufen. Die statistischen Daten des Token-Signals, nämlich die genaue Anfangszeit und die genaue Art seiner Zufallsfunktion (die ein flaches Breitbandfrequenzspektrum einschließt) ermöglichen eine sehr genaue Messung der Geschwindigkeit der Schallausbreitung über die Pipeline bei allen Frequenzen.
  • Wiederholte Analyse
  • Herkömmliche Leckdetektoren haben kein Mittel zur Neuanalyse von Daten, die zur Berechnung einer Kreuzkorrelationsfunktion verwendet wurden. In 7 können in der Datenspeichereinheit 215 gespeicherte Daten anschließend verwendet werden, um neu analysiert zu werden, um so die Leckdetektionsprozedur zu verbessern. Bei einem Ansatz werden die gleichen übertragenen Signaldaten mit unterschiedlichen Filtereinstellungen analysiert. Dies ermöglicht mehrere Versuche zur Verstärkung eines verdächtigen aber unbestimmten Peaks in der Kreuzkorrelationsfunktion. Die Kreuzkorrelationsfunktion, die aus dem Anwenden unterschiedlicher Filter resultieren, können zusammen angezeigt werden, was eine Bestätigung der frequenzabhängigen Charakteristika des Peaks ermöglicht. Alternativ dazu können verschiedene Verfahren der Kreuzkorrelation durchgeführt und verglichen werden. Beispielsweise kann eine Analyse durch einfache Kreuzkorrelation und durch Kreuzkorrelation mit verringerter Varianz gemeinsam eingesetzt werden, um zu bestimmen, ob ein verdächtiger Peak in dem Kreuzkorrelationssignalverlauf ein Produkt eines vorrübergehenden Rauschens ist.
  • Wiederholte Analyse ermöglicht auch die Bestätigung der Reproduzierbarkeit des Kreuzkorrelationsergebnisses. Bei einem Ansatz werden Daten von aufeinanderfolgenden getrennten Leckdetektionsstudien in der Datenspeichereinheit 215 gespeichert. Eine Filterung und eine Kreuzkorrelationsanalysenstrategie werden wie oben beschrieben bestimmt. Wenn einmal der Kreuzkorrelations-Signalverlauf für eine Leckdetektionsstudie erhalten wurde, werden die anderen Studien in ähnlicher Weise bearbeitet. Die sich ergebenden Kreuzkorrelations-Signalverläufe von den unterschiedlichen Studien können zusammen angezeigt werden, was eine Bestätigung der Reproduzierbarkeit des Kreuzkorrelations-Ergebnisses erlaubt.
  • Überwachte Steuerung durch Kommunikation mit einem Benutzer an einem entfernten Ort
  • In 7 ist in der Basisstation optional eine Kommunikationseinheit 230 enthalten. Die Kommunikationseinheit 230 ermöglicht es einem Benutzer an einer entfernten Steuerstelle, die Leckdetektionsprozedur und die Analyse des Ergebnisses durchzuführen. Die Kommunikationseinheit 230 liefert eine Verbindung durch ein Funkmodem bzw. Radiomodem in der Basisstation 26. Die empfangenen Daten von den Sensoren, die Kreuzkorrelationsfunktion und die Steuernachrichten werden an eine Überwachungsstation an einem entfernten Ort übertragen. Der Benutzer an der entfernten Überwachungsstation ist in der Lage, die Basisstation in ähnlicher Weise zu steuern, wie ein Benutzer an der Pipeline. Normalerweise von einem Benutzer an der Basisstation 26 erzeugte Befehle werden statt dessen an der Basisstation von einem Benutzer an der Überwachungsstation über das Radiomodem empfangen. Eine Überwachungsstation kann gleichzeitig in Kommunikation mit mehreren Basisstationen stehen. Entfernte Leckdetektionsstudien können über größere geographische Abstände überwacht werden.
  • Weitere Ausführungsformen liegen innerhalb des Schutzumfangs der beiliegenden Ansprüche.
  • Es wird beansprucht:

Claims (18)

  1. Verfahren zum Erfassen eines Lecks in einer Rohrleitung (20) umfassend: Anbringen bzw. Anwenden einer Mehrzahl von Sensoren (34) an der Rohrleitung, um akustische Signale zu erhalten; Verarbeiten (115125) der erhaltenen Signale mit Fern-Prozessoren (22); Übertragen (130) der verarbeiteten Signale digital an eine Basisstation; und Analysieren (400) der übertragenen Signale von zwei oder mehr Sensoren an der Basisstation, um Maße von etwaigen, in der Rohrleitung vorhandenen Lecks zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass der Verarbeitungsschritt (125) ein Bilden von digitalen Paketen (170) aus den empfangenen Signalen umfasst, wobei ein oder mehrere Paket (e) einen Kopfinformationsabschnitt (180) aufweisen, der eine digitale Darstellung der analogen elektronischen Verstärkung aufweist, die verwendet wurde, um das empfangene Signal zu verstärken.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Anbringens bzw. Anwendens eines Sensors ein Anwenden eines integrierten, elektronischen Beschleunigungsmesser-Sensors (37) umfasst, wodurch ein Abtasten von Rohrleitungsstellen mit begrenztem Zugangsraum ermöglicht wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Verarbeitungsschritt ein Codieren (120) der empfangenen Signale in eine reduzierte digitale Darstellung umfasst.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Verarbeitungsschritt ein automatisches Einstellen (115) der analogen elektronischen Verstärkung durch Analysieren der empfangenen digitale Datensamples umfasst.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Verarbeitungsschritt ein Bestimmen der Position der Fern-Prozessoren mit automatischen Positionssucheinheiten (46) mittels Satelliten- oder Funksignalen umfasst.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Übertragungsschritt (130, 135) eine Zweiwegkommunikation zwischen der Basisstation und den Fern-Prozessoren umfasst, wodurch die Übertragung von Steuernachrichten zwischen der Basisstation und den Fern-Prozessoren ermöglicht wird.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt ferner ein Schätzen des Abstands durch die Rohrleitung zwischen Sensoren enthält umfassend: Übertragen einer Steuernachricht von der Basisstation (26) an einen Fern-Prozessor (22), um den Fern-Prozessor anzuweisen, ein Token-Signal zu erzeugen; Erzeugen eines Token-Signals, Versetzen des Rohrs mit dem Token-Signal von einem Fern-Prozessor (22) in Schwingungen und gleichzeitiges Übertragen des Token-Signals von dem Fern-Prozessor; Übertragen des an einem oder mehreren anderen Fern-Prozessor(en) empfangenen akustischen Signals; Berechnen eines ungefähren Maßes des Zeitunterschieds in den übertragenen Signalen an der Basisstation; und Erhalten eines ungefähren Maßes des Abstands zwischen den Sensoren (34) durch Analysieren des gemessenen Zeitunterschieds bei Empfang des Token-Signals an zwei Fern-Prozessoren (22).
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt (400) ein Anwenden (410) von Digitalfiltern auf die übertragenen Signale vor dem Berechnen (415) einer Kreuzkorrelationsfunktion umfasst, wodurch der Rauschabstand der übertragenen Signale verbessert wird.
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, bei dem der Analyseschritt (400) ein Anwenden (410) von Digitalfiltern mit unterschiedlichen Eigenschaften auf die von unterschiedlichen Fern-Prozessoren (22) übertragenen Signalen umfasst, wodurch der Rauschabstand für jedes übertragene Signal einzeln verbessert wird.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt (400) ein Berechnen (415) einer in Einheiten von Gravitationskraft ausgedrückten Kreuzkorrelationsfunktion umfasst, wodurch eine Schätzung der Stärke des Lecksignals erhalten werden kann.
  11. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt ferner eine wiederholte Analyse der an der Basisstation (26) empfangenen übertragenen Daten enthält umfassend: Speichern der übertragenen Daten an der Basisstation; Verändern eines oder mehrerer Berechnungsparameter(s), der/die verwendet wird/werden, um die Kreuzkorrelationsfunktion zu berechnen; Wiederholen der Berechnung der Kreuzkorrelationsfunktion unter Verwendung der gespeicherten Daten; und Bewerten der berechneten Kreuzkorrelationsfunktionen, wodurch die Bewertung der ungefähren Position von etwaigen, in der Rohrleitung (20) vorhandener Lecks verbessert wird.
  12. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der veränderte Parameter die Digitalfiltereinstellungen sind.
  13. Verfahren gemäß Anspruch 11, bei dem der Analyseschritt ein flexibles Anzeigen (330) einer oder mehrerer berechneter Kreuzkorrelationsfunktion en) umfasst, wodurch die Kreuzkorrelationsfunktionen bei unterschiedlichen Zeitmaßstäben, Amplitudenmaßstäben und Seitenverhältnissen geprüft werden können.
  14. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt die Verwendung einer normierten Kreuzkorrelationsfunktion enthält umfassend: Berechnen der normierten Kreuzkorrelationsfunktion; und Bewerten der Wahrscheinlichkeit, dass ein Peak in der normierten Kreuzkorrelationsfunktion ein Leck darstellt, durch Vergleichen des Werts des Peaks der normierten Kreuzkorrelationsfunktion mit einem vorbestimmten Schwellenwert.
  15. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt die Verwendung einer erwartungsgetreuen bzw. unverfälschten (unbiased) Kreuzkorrelationsfunktion umfasst.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt die Verwendung einer inkrementalen Kreuzkorrelationsfunktion umfasst.
  17. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Analyseschritt die Verwendung einer Kreuzkorrelationsfunktion mit verringerter Varianz enthält umfassend: Identifizieren von Zeiträumen in den empfangenen Signalen, bei denen Rauschen übermäßig ist; und Berechnen der Kreuzkorrelationsfunktion nach Modifizieren der übermäßig verrauschten Daten.
  18. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit einer Bewertung von etwaigen Lecks in der Rohrleitung an einer Überwachungsstation umfassend: Einrichten einer Kommunikationsverbindung zwischen einer Basisstation und einer Überwachungsstation; Senden von Daten von der Basisstation an die Überwachungsstation; und Bewerten von Daten an der Überwachungsstation, wodurch eine Bewertung etwaiger, in der Rohrleitung vorhandener Lecks erfolgen kann.
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