DE69718042T2 - Ortsbestimmung einer leckage - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft die Ortsbestimmung einer Leckage, und betrifft insbesondere die Feststellung des Ortes einer Strömungsmittelleckage in einem Unterflurrohr. Sie bezieht sich insbesondere auf die Ortsfeststellung einer Leckage mittels einer Oberflächendetektionsanordnung, die Bodenbewegungen ermittelt.
• Es gibt viele Situationen, in denen ein Unterflurrohr, das ein Strömungsmittel - ein Gas oder eine Flüssigkeit - führt, eine Leckage entwickelt, die dann geortet und repariert werden muß. Ein gutes Beispiel ist der Fall von Wasserverteilungsrohren, die in einer Tiefe bis zu einigen Metern unterhalb des Erdbodens eingegraben sind. Ein übliches Ortsfeststellungsverfahren macht von der Tatsache Gebrauch, daß das austretende Strömungsmittel häufig ein Geräusch verursacht, typischerweise ein zischendes Geräusch, das entlang des Rohres als Vibration weitergeleitet wird. Das Geräusch wird ebenfalls durch den Erdboden übertragen. Obwohl das Geräusch schnell durch den Erdboden gedämpft wird, ist es möglich dasselbe mit geeigneten hochempfindlichen Bodenmikrofonen zu hören, weshalb häufig Bodenmikrofone für Bautrupps im Feld in der Wasserindustrie als Mittel zur Identifizierung und Ortsbestimmung von Leckagen zur Verfügung gestellt werden.
• Es ist natürlich wünschenswert, die Leckage einfach durch Abhören des Geräusches oder Tons an der Bodenoberfläche zu lokalisieren. Bautrupps versuchen gelegentlich ein Bodenmikrofon zur letztendlichen Fixierung der Position einer Leckage einzusetzen, in dem das Mikrofon herum bewegt und nach der Stelle gesucht wird, an der das Leckagegeräusch am lautesten ist. Unglücklicherweise können Tonniveaus durch Heterogenitäten im Untergrund stark verzerrt werden und können leicht durcheinander gebracht oder sogar durch andere Tonquellen oberhalb des Bodens übertönt werden. Im allgemeinen scheinen Bodenmikrofone deshalb nicht effektiv zu sein, hauptsächlich, da das Hintergrundgeräusch das Signal überlagert, so daß ihre Glaubwürdigkeit innerhalb der Bautrupps im Feld verringert worden ist. Die Erfindung beschäftigt sich mit diesen Arten von Problemen, auf die Teams bei der Wasserleckagenortsermittlung durch Abhören der Leckagetonquelle von einer Vielzahl unterschiedlicher Positionen treffen, die insgesamt um das Geräusch herum beabstandet sind, wobei das Abhören entweder gleichzeitig oder sequentiell erfolgt - und anschließend die empfangenen Signale kombiniert und verarbeitet werden, um die gewünschte Anzeige der Quelle hinsichtlich ihres Ortes vorzusehen.
• Die FR-A-2 503 363 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Lokalisieren von Rohrleitungsschäden und Leckagen durch akustische Überwachung. Messungen werden an einer Anzahl von Punkten an der Oberfläche genommen und Ablesungen, die an jedem Meßpunkt ermittelt wurden, werden in einen digitalen Speicher eingegeben, um ein Flächenschaubild anzuzeigen, das die Geräuschverteilung entlang des Rohres aufzeigt.
• Die US-A-4,697,56 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung von Leckagen aus einem im Boden liegenden Behälter. Ein Energiestoß wird von der einen Seite des Behälters abgegeben und eine Reihe von Sensoren, die an der gegenüberliegenden Seite plaziert sind, erfaßt die übertragene Energie. Unregelmäßigkeiten in der empfangenen Energie zeigen einen Defekt an.
• Nach einem Aspekt der Erfindung wird deshalb eine Bodenbewegungs-Detektionsvorrichtung geschaffen, umfassend eine Vielzahl diskreter Bodenbewegungssensoren, die im Betrieb jeweils mit dem Boden in Kontakt bringbar sind, gekennzeichnet durch ein Gehäuse oder Körper aus einem Hochdämpfungsmaterial um jeden Sensor in Bodenkontakt zu halten und dadurch bedeutende Befestigungsresonanzeffekte zwischen dem Sensor und dem Boden zu vermeiden.
• Die Erfindung betrifft die Feststellung des Ortes einer Leckage in einem Unterflurrohr, das ein Strömungsmittel führt. Das Rohr kann von jeglicher Sorte sein - d. h. es kann aus jeglichem geeignetem Material hergestellt und von jeglicher Größe sein - und das Strömungsmittel kann gleichermaßen von jeglicher Sorte, Gas oder Flüssigkeit, sein. Die Erfindung ist jedoch insbesondere auf den Einsatz in Verbindung mit wasserführenden Rohren gedacht.
• Im Boden verlaufende wasserführende Rohre können unterschiedlichste Durchmesser besitzen, im Bereich von wenigen Zentimetern (zur örtlichen Verteilung im Hausbereich) bis zu mehr als einen Meter (für Hauptversorgungsrohre). Die Tiefe des Einbaus im Erdreich kann sich ebenfalls in der Größenordnung von einem halben Meter bis hin zu einigen Metern verändern.
• Die Art des Bodens, in dem das Rohr eingegraben wird, verändert sich deutlich im Hinblick auf seine Homogenität, seine Härte und den Bodenüberzug. Der Umgebungsboden kann z. B. ein Straßenbett sein, welcher gut verfestigt ist und den Ton gut fortpflanzt. Genauso gut könnte es ein Feld- oder Grasrand sein, der weniger Gut verfestigt ist, so daß die Schallausbreitung dadurch weniger gut fortgepflanzt wird. Darüber hinaus könnte die tatsächliche Oberfläche aus einem oder mehreren Materialien bestehen, typischerweise Zement, Teer, Makadam oder weiche Erde.
• Das Material des Rohrs hängt meistens sowohl vom Anwendungszweck als auch vom erwarteten Lebensalter des Rohres ab. Übliche Materialien, die angetroffen werden, sind Eisenguß, duktiles Eisen, Polyethylen hoher oder mittlerer Dichte, sowie UPVC (ultraviolett stabilisiertes Polyvenylchlorid). Die Wanddicke des Rohres verändert sich meistens (zusammen mit dem Material und dem Anwendungszweck) von einigen Millimetern aufwärts über einen Bereichsfaktor in der Größenordnung von 5 - so bis zu vielleicht 25 mm oder mehr.
• In Abhängigkeit vom Zweck des Rohres kann sich der Druck innerhalb des Rohres im Bereich von etwas mehr als Atmosphärendruck bis zu einigen Bar hin liegen. Jedes solche Rohr kann eine Fehlstelle entwickeln, die zu einer Leckage führt. Die Fehlstelle kann ein Loch mit geringem Durchmesser, ein Umfangssprung, ein Längssprung oder eine Fehlstelle in einer Verbindung sein, aus der der Rohrinhalt langsam oder schnell heraus leckt, in Abhängigkeit von der Größe der Fehlerstelle. Sehr langsam austretende Leckagen, die bei schlechten Fittingverbindungen auftreten können, erzeugen meistens kein ausreichendes Leckagegeräusch, das man an der Bodenoberfläche hören kann. Andere Leckagen sind bekannt ein Geräusch an der Leckagestelle zu erzeugen, das sich entlang der Rohrwand und durch Strömungsmittel im Rohr, durch den Boden um das Rohr herum und durch jegliche Kombinationen dieser Wege fortpflanzt.
• Ein Poolströmungsmittel gesättigten Bodens kann sich um die Leckage herum entwickeln. Es kann sich ein herausgewaschenes Volumen um die Leckage herum entwickeln, so daß die Leckage direkt in den Pool fließt und nicht direkt in den Boden hinein.
• Das Rohrmaterial, die Wanddicke, der Durchmesser und die Bodenbedingung und die Natur der Leckage beeinflussen insgesamt die Größe, den Frequenzbereich und das Frequenzspektrum des erzeugten Leckagengeräusches, verhindern jedoch nicht, daß das Leckagengeräusch auftritt. Die Größe der Bodenbewegung wird mit der Entfernung von der Quelle schnell gedämpft. Gleichermaßen sinkt der Frequenzbereich schnell mit der Entfernung von der Leckage (die Geschwindigkeit der Dämpfung steigt normalerweise mit der Frequenz, so daß höhere Frequenzen vorteilhafterweise gedämpft werden, während die Entfernung ansteigt). Das Niveau der erwarteten Bodenbewegung wird in der Größenordnung von 0,01 m/s² sein, und ist höher oder niedriger durch eine Größenordnung oder mehr in Abhängigkeit von der Leckage, der Tiefe des Einbaus, der Art des Bodens und der seitlichen Entfernung von der Leckage. Gleichermaßen kann der erwartete Frequenzbereich bis zu einigen Kilohertz betragen, in Abhängigkeit von den Umständen - gelegentlich wird er unterhalb von einem Kilohertz liegen. Die Bewegung des Bodens neigt dazu vorherrschend senkrecht zu sein, wobei es etwas Seitenbewegung gibt.
• Erfindungsgemäß wird die Bewegung des Bodens, die durch das Strömungsmittel hervorgerufen wird, während es aus dem Rohr heraus leckt, von einer Vielzahl von Positionen abgehört, die über der Bodenoberfläche beabstandet und innerhalb eines Bereiches angeordnet sind, der sich über die vermutete Stelle der Leckage erstreckt. Die Vielzahl der Positionen, an denen die Bodenbewegung gemessen wird, kann eine Anzahl diskreter Ortsstellen umfassen, die eine Anordnung bilden - eine geometrische Anordnung, möglicherweise eine eindimensionale (oder lineare) Anordnung, jedoch vorteilhafterweise eine zweidimensionale (oder Bereich) Anordnung - über dem Bodenbereich. Solch ein System diskreter Stellen beinhaltet einen individuellen Meßsensor, der an jeder diskreten Position angeordnet wird und hier als festliegendes Anordnungssystem bezeichnet wird. Falls es möglich ist, wo die Anordnung linear ist oder lineare Komponenten besitzt, sollte die oder eine der Linien der Sensorpositionen vorteilhafterweise zum Unterflurrohr ausgerichtet sein, das überprüft wird.
• Die Erfindung verwendet die gemessene Bewegung der Bodenoberfläche über der Leckage, um den Ort der Leckage festzustellen. Das Verfahren umfaßt die Bodenbewegungsdetektion über einen Bereich des Bodens, der sich über der vermuteten Stelle der Leckage erstreckt. Obwohl im Prinzip dieser Bereich so klein oder so groß wie gewünscht sein kann, sollten am vorteilhaftesten die seitlichen Abmessungen des Bereiches nicht deutlich die Tiefe des Rohres überschreiten, in der die Leckage aufgetreten ist, d. h. nicht mehr als das dreifache der Tiefe. Geht man so von einem Bereich der Rohrtiefe von 0 bis 2 m aus, würden die seitlichen Dimensionen des zu untersuchenden Bereiches ähnlich bei etwa 2 bis maximal 5 m sein.
• Die Bodenbewegung wird durch Sensoreinrichtungen abgehört, die an gewählten Positionen positioniert sind, die über der Bodenoberfläche des Leckagenbereiches beabstandet sind. Die tatsächlichen Detektorelemente, die den aktiven Teil der Sensoren bilden, können jeglicher Art sein, der dazu in der Lage ist, die Bewegung des Bodens an einem Punkt zu ermitteln, ohne wesentlich die Bodenbewegung zu verändern. Zum Beispiel können elektrodynamische Bewegungsspuleneinrichtungen sein (die auf die Geschwindigkeit ansprechen) oder piezoelektrische oder piezoresestive Beschleunigungsmesser (die auf die Beschleunigung ansprechen). Alternativ können sie mittels optischer Interferenz arbeiten. Normal seismische Geophone oder Erdhörer der geschwindigkeitsempfindlichen Art sind im oberen Frequenzbereich durch ihren Gehäuseaufbau beschränkt, jedoch ist dies nicht eine eigentliche Beschränkung, die eigentlichen Beschränkungen am Sensor ist die Empfindlichkeit (er muß dazu in der Lage sein, auf kleine Erdbewegungen anzusprechen), die elektrischen Hintergrundgeräusche (das gemessene Signal muß dem elektrischen Hintergrundgeräusch in der Vorrichtung übertönen), und die Masse (schwere Sensoren belasten den Boden und modifizieren seine Bewegung). Relativ leichtgewichtige Sensoren sind deshalb wesentlich.
• Ein bedeutendes Problem mit diskreten Sensoren liegt in der Steifheit der Berührungsfläche zwischen der Einrichtung und dem Boden. Wenn die Sensoreinrichtung innig am Boden befestigt ist, sollte sie glaubwürdig auf die Bewegung des Bodens ansprechen. Wenn sie jedoch einfach auf den Boden plaziert und lediglich unter Schwerkraft gehalten wird, besitzen solche Vorrichtungen eine Resonanzfrequenz, die von der Masse der Einrichtung und der Steifheit der Zwischenfläche zwischen dem Boden und Einrichtung abhängt. Die Resonanzfrequenzergebnisse in der Einrichtung, die vorteilhafterweise auf jegliche Erregung bei derjenigen Frequenz ansprechen und als Konsequenz kann die Ware Größe und Phase des Signals im Bereich um die Frequenz herum verloren gehen. Ferner bedeutet das verstärkte Signal an der Resonanzfrequenz, daß die nachfolgenden Signalverstärker ihren Verstärkungsfaktor reduzieren müssen, um eine Überbelastung zu vermeiden. Dieses kann zu schlechten Signal-zu-Geräuschverhältnissen für Signale führen, die nicht nahe an der Resonanzfrequenz liegen.
• Ferner verändert sich wie schon erwähnt dar Übertragungsverlust durch den Boden mit der Frequenz, was bedeutet, daß der Bereich an Frequenzen, der von einem Sensor observiert wird, von der Entfernung vom Leckageort abhängt. Mit einer Resonanzsensoreinrichtung würde die gemessene Ansprechempfindlichkeit nicht ausschließlich durch die Entfernung zum Leckageort entweder in Phase oder der Größe nach bestimmt werden. Solche Befestigungsresonanzfrequenzen sollten deshalb äußerst vorteilhafterweise vermieden werden. Während bei seismischen Anwendungszwecken die interessierenden Frequenzen niedrig sind, in der Größenordnung von 100 Hertz, und seismische Geophone ausgelegt sind, ihre erste Resonanz oberhalb der interessierenden Frequenzen zu haben, können bei der vorliegenden Anwendung die interessierenden Frequenzen sich bis zu einigen Kilohertz erstrecken. Das statische Gewicht eines 100 g Sensors bringt die Resonanzfrequenz bis zu einem Bereich von 1 kHz, was gut innerhalb des interessierenden Meßbereiches liegt. Eine 10 g Einrichtung würde die Befestigungsresonanz in die Größenordnung von 3 kHz anheben, was immer noch im Meßbereich liegt.
• Je niedriger das Gewicht des Sensors, desto größer das eigentliche Geräusch der Einrichtung. Dieses Geräusch begrenzt das niedrigste praktische Gewicht eines Sensors für diese Anwendung auf mehr als 10 g. Die Möglichkeit, daß eine nicht gewollte Befestigungsresonanz innerhalb des interessierenden Frequenzbereiches auftritt, kann jedoch zum Teil oder sogar insgesamt durch Dämpfung der Bewegung des Sensors gemäßigt werden, und solche Dämpfung wird durch den Körper bzw. des Gehäuses des Hochdämpfungsmaterials vorgesehen. Der Sensor kann auf einer Matte irgendeines gummiähnlichen Materials befestigt werden, so daß die Matte den Sensor auf den Boden drückt.
• Die Natur der Sensoren und die Art und Weise in der sie angeordnet sind, wurde vorstehend beschrieben. Es mag jedoch hilfreich sein, das Folgende hinzuzufügen. Es gibt zwei grundlegende Arten von Bewegungssensoren, die keinen absoluten Bezugsrahmen benötigen. Eine solche Art ist die Geophonart, wie sie in der Erdbebenforschung eingesetzt werden; diese sprechen auf Geschwindigkeit, normalerweise durch Erfassung des in einer Spule erzeugten Stroms an, die sich in einem Magnetfeld bewegt (wie ein Dynamo). Geophone sind sehr empfindliche Einrichtungen mit niedrigem Geräusch, besitzen jedoch typischerweise innere Resonanzen unterhalb 1 Kilohertz, was dazu führt, ihre Anwendung auf die Ermittlung niedriger Frequenzbewegung zu begrenzen. Weitere solcher Arten sprechend auf die Beschleunigung an - Veränderungen in der Geschwindigkeit - und arbeiten üblicherweise durch Messung der Spannung, die in einem piezoelektrischen Material, das eine beschleunigte Masse trägt, induziert wird. Beschleunigungsmesser besitzen einen breiten nützlichen Frequenzbereich, hohe Empfindlichkeit und niedrigeres Geräusch und können als solche zur Verwendung beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Leckage eingesetzt werden.
• Die Masse eines Hochdämpfungsmaterials ist geeigneterweise eine Matte - d. h. eine bereichsausgebreitete Folie - die eingesetzt wird, um den Sensor einfach durch das Gewicht der Matte in Bodenkontakt zu halten und den Sensor unten zu halten. Ihre Verwendung ermöglicht, daß eine bedeutende Befestigungsresonanzeffekte zwischen jedem Sensor und dem Boden vermieden werden können, da sie die in sie aus dem Boden durch die Sensoren überführte Energie absorbiert und dämpft.
• Ein solches Hochdämpfungsmaterial, daß eine äußerst wirksame Dämpfung schafft, ist das Polymer EAR C-1002-12, das durch die Dowty Energy Controll Products geliefert wird.
• Die Dämpfungsmatte muß ausreichend flexibel sein, um sich an die Bodenkontur anzupassen, sollte jedoch ebenfalls steif genug sein, damit der Sensor derart in Position gehalten wird, daß die bevorzugte Richtung der Bewegungsempfindlichkeit rechtwinklig zur Matte ist. Eine Matte in der Größenordnung von 3 mm Dicke des obigen EAR C-1002-12 Materials paßt sich dem Boden in angemessener Weise an.
• Um die Steifheit der Matte um den Sensor herum anzuheben, können eine Reihe konzentrischer Ringe desselben Materials, abgestuft in zunehmenden Radien, um den Sensor herum zusammengesetzt werden. Verwendet man konzentrisch zunehmende Radien des Materials, so entspricht die Steifheit der nicht gestützten Matte allmählich der hohen Steifheit um den Sensor herum, ohne daß irgendeine bedeutende Diskontinuietät in der Steifheit auftritt. Es ist jedoch sehr wichtig, daß eine gute Verbindung zwischen den einzelnen Schichten des Mattenmaterials und mit dem Sensor erzielt wird. Der Kleber muß flexibel sein und eine Bewegung ermöglichen, und muß offensichtlich nicht ungünstig mit dem Mattenmaterial oder dem Sensor selbst reagieren. Ein geeigneter flexibler Kleber zum Einsatz mit dem EAR C-1002-12 Material ist derjenige, den man als Typ A.8438/A.107 bezeichnet, welcher von der Apollo Chemicals Limited geliefert wird; er verbindet sowohl das Metall des Sensors mit dem des Polymers der Matte.
• Um Gewicht hinzuzufügen - und Schaden von den Signal- und Energieführenden Kabels wegzuhalten - kann eine zweite Matte über die erst plaziert werden.
• Die Basis des Sensors kann konisch sein - d. h. geformt sein, daß sie einen umgekehrten Konus besitzt, dessen Länge an die Bodenhärte angepaßt sein kann, und mit der Spitze des Konus den Boden berührend eingesetzt wird. Ein leichtgewichtiges Abstandsstück kann über den Sensor plaziert werden, um das Kabel zu schützen, falls ein Betreiber den Fuß benutzen sollte, um den Konus in das weiche Oberflächenmaterial zu drücken. Ein geeignetes Material für dieses Abstandsstück ist TUFNELL oder sogar Aluminium.
• Die MTN/1800 piezoelektrischen Beschleunigungsmesser (mit eingebautem Verstärker), geliefert durch Monitran Ltd, stellen eine geeignete Einrichtung dar; sie besitzt eine Masse von 9 g, eine Empfindlichkeit von 0,1 Volt/ms-2, mit einem elektrischen Geräusch äquivalent von 0,003 ms-2, und eine Resonanzfrequenz von 8 kHz. Monitrans ähnliche MTN/1130 F wird bevorzugt, mit einer Masse von 30 g, einer Empfindlichkeit von 1,0 Volt/ms-2, einem elektrischen Geräuschäquivalent von 0,001 ms-2 und einer Resonanzfrequenz von 18 kHz.
• Es kann eine Sensorlinie vorgesehen werden, wobei die individuellen Sensoren vorteilhafterweise gleichmäßig entlang der Linie beabstandet sind (eine geeignete Beabstandung für die Sensoren liegt in der Größenordnung von einigen 10 cm), oder es können zwei solche Linien in irgendeinem Winkel zueinander vorgesehen sein. Natürlich wird es bevorzugt, daß die beiden Linien rechtwinklig zueinander sind.
• Die räumlichen Abmessungen der Anordnung werden gewählt um sicherzustellen, daß eine ausreichende Auflösung erzielt werden kann, wenn die gemessenen Bodenausschläge interpretiert werden, um die Leckage zu lokalisieren. Die Anordnung wird typischerweise in der Größenordnung des wenigen vielfachen der Tiefe des Rohres - etwa so um 2 bis 5 m lang sein.
• Die Sensoren können alle gescannt werden - d. h. ihre Ausgangssignale werden gleichzeitig eingelesen. Alternativ können sogar die Vielzahl der Sensoren in einer festgelegten Anordnung ihre Sensorkomponenten reihenfolgemäßig scannen. Im letzteren Fall ist es bevorzugt, die Sensoren paarweise zu scannen, wobei einer - normalerweise derjenige im Zentrum des Bereiches - als Bezug angesehen wird, und dies würde immer zur gleichen Zeit aufgezeichnet werden, während jeder der anderen gescannt wird. Auf diese Weise gibt es immer mindestens zwei Sensoren, die zur gleichen Zeit aufgezeichnet werden.
• Die seitliche Bewegung der Bodenoberfläche kann zusätzlich zur senkrechten Bewegung gemessen werden. Die seitlichen Bewegungen in zwei rechtwinklig zueinander stehenden Richtungen, plus die senkrechte Bewegung ergeben den Bewegungssektor der Bodenoberfläche. Der Bewegungssektor der Bodenoberfläche kann unter Verwendung jeglicher drei nicht-paralleler Meßrichtungen gemessen werden.
• Das Geräusch von der Leckage kann jeglichen Sensor auf die unterschiedlichsten Wege erreichen. Der direkte Weg von der Leckage zum Sensor durch den Boden ist derjenige, den die Kompressionswelle, die als P-Welle bekannt ist, nimmt und generell die schnellste Strecke von der Leckage zum Sensor. Immer, wenn eine P-Welle auf eine Übergangsfläche trifft, z. B. die Oberfläche des Bodens, unterliegt sie einer Umwandlung in andere Wellenarten, typischerweise Scherwellen, die als S-Wellen bekannt sind, plus Lamb und Rayleigh Wellen (die auf die Bodenoberfläche begrenzt sind). Es gibt eine breite Vielzahl anderer möglicher Wege, z. B. entlang des Rohres und dann in den Boden abgestrahlt, und viele dieser beinhalten Reflektionen, Beugungen und Brechungen an Materialgrenzflächen unterhalb des Bodens und an der Bodenoberfläche. Die verschiedenen Wege besitzen unterschiedliche Schallgeschwindigkeiten.
• Als Ergebnis dieser verschiedenartigen Wege, kann die Gesamtverteilung des Leckagengeräusches bis zur Bewegung am Sensor kompliziert sein. Jede Messung kann mit einer ausgewählten Bezugsmessung verglichen werden, die nicht notwendigerweise im Zentrum liegt, und anschließend wird das relative Timing der beiden Signale relativ zueinander eingestellt, bis die beste Übereinstimmung erzielt wird. Die relative Zeitverschiebung, die erforderlich ist, um die beste Übereinstimmung zu erhalten, ist die Zeitverzögerung der Signale zwischen den zwei Stationen. Dieses Verfahren kann erzielt werden durch eine Signalverarbeitungstechnik, die als Cross- Correlation (Kreuz-Korrelation) bekannt ist. Die Cross- Correlation besitzt den Vorteil, daß die Zurückweisung nicht gewollter Signale, die nicht an beiden Sensoren vorliegen, verbessert wird. Man bildet ein Mittelwert der Cross- Correlations über einige Ausschläge bzw. Antworten, um das Signal-zu-Geräuschverhältnis noch weiter zu verbessern. Die Cross-Correlations ergeben die Ankunftszeiten verschiedenartiger Wellen an dem in Frage stehenden Sensor relativ zu Ankunft am Bezugssensor.
• Falls nur P-Wellen existieren (mit keinen Extrareflektionen) und der Boden homogen ist, dann zeigen die relativen Ankunftszeiten bei unterschiedlichen Sensoren, aufgetragen gegen die Position über die Anordnung, einen Teil einer hyperbolischen Fläche, dessen höchste Stelle der Position in der Anordnung entspricht, unmittelbar oberhalb der Leckage (falls die Leckage tatsächlich jenseits des Bereiches liegt, der durch die Anordnung abgedeckt wird, dann deutet die hyperbolische Kurve die Tatsache an, daß weil keine höchste Stelle gefunden wurde, die Anordnung zu einer neuen Stelle bewegt wird, wo sie zum erneuten Versuch bereit ist. Die hyperbolische Kurve ermöglicht nicht nur, daß die horizontale Position der Leckage festgestellt werden kann, sondern auch die Wellengeschwindigkeit des Leckagegeräusches durch den Boden und die Tiefe der Leckage unterhalb der Bodenoberfläche. Die Gegenwart anderer Wellentypen und Strecken verschlechtert die hyperbolische Kurve, jedoch ist es prinzipiell noch möglich, den Leckageort aus den Zeitsignalen zu den verschiedenen Sensoren festzustellen.
• Es gibt Gelegenheiten, wenn das Cross-Correlationsverfahren nicht funktioniert. Zum Beispiel wenn das Leckagegeräusch- Frequenzspektrum kein breites Band besitzt, sondern vielmehr verschiedene Frequenzbänder besitzt, dann ist die Ableitung relativer Ankunftszeiten aus den Cross-Correlations unmöglich. Ferner, falls eine zu große Anzahl von reflektierenden und brechenden Grenzflächen im Boden vorhanden sind, dann besitzen die gemessenen Signale äußerst verwirrende Frequenzspektren, die die Interpretation der Cross- Correlationen unmöglich macht. Diese Situation kann gelegentlich durch die Verteilung der Bodenoberflächenwellen verschlimmert werden, deren Bewegungsgeschwindigkeit von der Frequenz abhängig ist. Die Phaseninformation würde den Übertragungsprozeß verloren gehen. Bei solchen Umständen ist es noch möglich, andere Verfahren zur Interpretation der Signale einzusetzen:
• Der Boden dämpft die Signalstärke mindestens im umgekehrten Quadrat zur zurückgelegten Entfernung. Der Ort des Punktes der größten Signalstärke entlang der Anordnung gibt ein gutes Anzeichen für den Leckageort.
• Der Boden dämpft höhere Frequenzen schneller als niedrige Frequenzen. Der Verlust höherer Frequenzstärken mit der Entfernung vom Leckageort kann eingesetzt werden, um die Position der Leckage abzuleiten.
• Es gibt verschiedenartige Mittel, die eingesetzt werden können, um die Daten zu verarbeiten, um die Lösung zu verbessern, wo der Leckageort ist:
• Wenn der vollständige Sektor der Bodenbewegung eher gemessen worden ist, als gerade die vertikale Bewegung, dann können diese zusätzlichen Messungen eingesetzt werden, um bei der Auftrennung der unterschiedlichen Wellenarten zu helfen, um die Verschlechterung der hyperbolischen Kurve im Zeitentfernungsraum zu verringern.
• In einigen Situationen wird es nützlich sein, daß Filtern im Frequenzwellennummerraum einzusetzen, um das Filtern der Daten zur Verbesserung der Ergebnisse zu unterstützen (der Frequenzwellennummerraum entsteht aus einer zweidimensionalen Fourier Transformation der Zeit- Entfernungsdaten).
• Ein mathematisches Modell der Unterflur-Bedingungen kann aufgestellt werden und durch ein Inversionsverfahren können die unbekannten im Modell abgeleitet werden. Mögliche Unbekannte umfassen den Leckageort, die Bodendämpfung, die Wellengeschwindigkeit im Boden und die Stelle jeglicher reflektierender Flächen.
• Falls das Cross-Correlation-Verfahren versagt, dann beinhaltet die Analyse die Prüfung der Dämpfungsgröße mit der Entfernung von der Leckage und die zunehmende Dämpfung der Hochfrequenzenergie mit der Entfernung von der Leckage. Ein einfaches mathematisches Modell der Dämpfungsgröße und der Frequenz mit der Entfernung kann aufgestellt werden und zur Verbesserung der Leckagefeststellung, seiner Tiefe und des Leckagegeräuschspektrums umgekehrt werden. Das Umkehrungsverfahren kann für jede der beiden Linien der Geophone separat durchgeführt werden. Dieses ist einfacher auszuführen und besitzt den zusätzlichen Vorteil, daß unterschiedliche Kombinationen von Wellenarten in den beiden Linien gestattet werden. Falls es sich sogar herausstellt, daß die Leckage nicht direkt unter der Anordnung liegt, wird die Analyse dann solange die Signalniveaus für die Erfassung groß genug sind, anzeigen, in welcher Richtung die Anordnung bewegt werden sollte, damit sie über der Leckage liegt. Es ist dann am besten, die Anordnung wie angezeigt zu bewegen und die Messung eher zu wiederholen, als außerhalb der Anordnung zur Leckageortsfeststellung zu extrapolieren.
• Eine Verteilung der Bodenbewegung wird typischerweise in der geophysikalischen Forschung bei der Erdbebenindustrie mittels einer seismischen Anordnung von Vibrationssensoren gemessen, um Information über den Aufbau der Erde bis zu einigen Kilometern unterhalb ihrer Oberfläche zu erhalten. Bei der seismischen Erforschung der Vibrationsquellen wird bedachtsam durch das ein oder andere Mittel - normalerweise eine Explosion - eingeleitet und die Quelle wird gemessen. Ziel ist es, die reflektierenden Flächen innerhalb der Erde zu erfassen. In großer Tiefe begrenzt die schwere Dämpfung, die hervorgerufen wird durch den Verlauf des erzeugten Geräuschsignals durch den Boden, die seismischen Anwendungszwecke auf niedrige Frequenzen, jedoch ist die räumliche Auflösung bei niedrigen Frequenzen schlecht. Im Vergleich mit der seismischen Situation, treten Leckagen in Wasserrohren in seichten Tiefen einiger weniger Meter auf, im Gegensatz zu einigen Kilometern; die Quelle der Leckagevibration liegt beim eingegrabenen Objekt, zu dem es keinen leichten Zugang gibt und das Vibrationssignal der Quelle ist unvorhersehbar, wohingegen bei einer seismischen Situation die Vibration absichtlich eingeleitet wird; und für die Leckageortsfeststellung ist das Ziel, die Vibrationsquelle zu lokalisieren und eher ihr akustisches Leistungsspektrum festzustellen als reflektierende geologische Merkmale innerhalb der Erde zu identifizieren, wie es bei der Erdbebenforschung erforderlich ist.
• Das durch die Leckage abgegebene Geräusch kann ein Breitband-Zufallsgeräusch bis zu einigen Kilohertz in der Frequenz sein, jedoch kann das Frequenzspektrum durch den physikalischen Prozeß, der die Leckage beinhaltet, geformt sein. In seichten Tiefen können so hohe Frequenzen die schwere Dämpfung überleben, die durch den Verlauf im Boden hervorgerufen wird. Die Verwendung hoher Frequenzen liefert eine gute räumliche Auflösung, die nicht bei konventionellen seismischen Prüfungen zu erhalten ist.
• Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand lediglich eines Beispieles beschrieben unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnungen.
• Es zeigt:
• Fig. 1 eine Draufsicht auf die Beschleunigungsanordnung, die auf die Oberfläche des Erdbodens in Bezug zu irgendeiner möglichen Position eines Unterflurrohres mit einer Leckage ausgelegt wird;
• Fig. 2 eine Seitenansicht des gleichen in Figur. 1 gezeigten Layouts;
• Fig. 3 mögliche Wege des Geräusches von der Leckage zur Anordnung; und
• Fig. 4 Einzelheiten der Matte, die den Beschleunigungsmesser trägt.
• Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte erfindungsgemäße Ausführungsform beinhaltet die Verwendung einzelner Meßsensoren, die in einer Anordnung eingesetzt werden, welche zwei senkrecht zueinander stehende Linien bildet. Die Vorrichtung ist eine Anordnung (11) empfindlicher Beschleunigungsmesser (wie 3), die durch ein robustes Verbindungskabel (4) verbunden und an ein Datensammelsystem (nicht gezeigt) mittels eines Datenkabels (5) angeschlossen sind. Die Anordnung 11 der Beschleunigungsmesser 3 wird auf der Oberfläche des Bodens (9: Fig. 2) eingesetzt, um den Ort einer Leckage (1) in einem Unterflurrohr (2; in gestrichelten Linie gezeigt) zu ermitteln. Die Beschleunigungsmesser 3 sind vibrationserfassende Einrichtungen, die ausgelegt sind bis zu hohen Frequenzen zu arbeiten, um die senkrechte Bewegung der Bodenoberfläche 9 zu messen. Die Anordnung 11 besitzt einzelne gleichmäßig beabstandete empfindliche Beschleunigungsmesser 3 an zwei rechtwinklig zueinander verlaufenden Linien. Die hier gezeigten Beschleunigungsmesser 3 messen die senkrechte Bewegung der Bodenoberfläche.
• Das Geräusch von der Leckage 1 kann sich zu irgendeinem Beschleunigungsmesser 3 über eine Anzahl von Wegen fortpflanzen, von denen einige - 6, 7 und 8 - in Fig. 3 gezeigt werden.
• Die räumlichen Abmessungen der Anordnung 11 werden gewählt, um sicherzustellen, daß eine ausreichende Auflösung erzielt werden kann, wenn die gemessenen Bodenausschläge oder Antworten interpretiert werden, um die Leckage 1 zu lokalisieren.
• In Fig. 3 wird die P-Welle 6 gezeigt, eine Kompressionswelle, die sich direkt von der Leckage 1 zum Beschleunigungsmesser 3 ausbreitet. Die R-Welle 7 ist eine P-Welle 7, die sich zur Oberfläche von der Leckage ausbreitet und dort zu einer Rayleigh-Welle entlang der Bodenoberfläche 9 konvertiert wird. Die Rayleigh-Wellen besitzen generell eine geringere Geschwindigkeit als Kompressionswellen. Die F-Welle 8 besteht aus einer Welle entlang des Rohres 2, die sich mit hoher Geschwindigkeit entlang des hochdichten Wandmaterials des Rohres ausbreitet, und zwar Oberfläche als P-Welle zum Beschleunigungsmesser gebrochen wird.
• Die Signale an den verschiedenen Beschleunigungsmessern 3 werden in der Zeit (durch eine nicht gezeigte Ausrüstung) kreuzkorreliert mit Bezug zu einem ausgewählten Bezugsbeschleunigungsmesser 10, in diesem Fall dem in der Mitte angeordneten. Die Cross-Correlations ergeben die Ankunftszeiten der verschiedenartigen Wellen am in Frage stehenden Beschleunigungsmesser 3 relativ zur Ankunft am Bezugsbeschleunigungsmesser 10. Falls lediglich P-Wellen mit keinen extra Reflektionen existieren, und falls der Boden homogen ist, dann ergeben die relativen Ankunftszeiten an den unterschiedlichen Beschleunigungsmessern 3, aufgezeichnet gegen die Position über die Anordnung 11 eine annähernd hyperbolische Form, deren Extremwert mit der Position in der Anordnung umittelbar oberhalb der Leckage korrespondiert. Die hyperbolische Kurve ermöglicht, daß nicht nur die horizontale Position der Leckage 1 festgestellt werden kann, sondern ebenfalls die der Wellengeschwindigkeit und der Tiefe der Leckage 1 unterhalb der Bodenoberfläche 9. Die Gegenwart anderer Wellentypen und Routen verschlechtert die hyperbolische Kurve, jedoch ist es im Prinzip noch möglich, den Ort der Leckage 1 aus den Zeitsignalen an den verschiedenen Beschleunigungsmessern 3 festzustellen.
• Ebenso wie die Cross-Correlations kann eine Abschätzung der Leistung im Signal von jedem Beschleunigungsmesser 3 gegen die Position entlang jeder Anordnung 11 aufgezeichnet werden. Die Position der Spitze entlang jedes Arms der Anordnung 11 zeigt den Ort der Leckage 1 an. Ferner verändert sich die Dämpfung der Signale von den Beschleunigungsmessern 3 als Funktion der Frequenz mit der Position entlang der Anordnung 11. Diese Veränderung kann gegen die Stellung aufgetragen werden und ergibt eine Einschätzung der Position der Leckage 1.
• Mit der Cross-Correlation, der Leistungsveränderung mit der Position und der Veränderung in der Dämpfung bei der Frequenz mit der Position, werden drei verschiedene Indikatoren der Position der Leckage 1 erhalten. Nach dem man drei Verfahrensweisen besitzt, wird die Bestätigung der Leckageortung ermöglicht und ermöglicht dem erfindungsgemäßen Verfahren sogar zu arbeiten, falls unter besonderen Umständen eine oder zwei dieser drei Verfahrensweisen versagen.
• Falls die Leckage 1 seitlich außerhalb der physikalischen Abmessungen der Anordnung 11 liegt, dann gibt es ausreichende Informationen, diese Tatsache festzustellen und eine Idee für die Richtung und die Stelle der Leckage zu erhalten. Die Anordnung kann dann zu einer neuen Stelle bewegt werden, so daß eine verbesserte Einschätzung der Leckageposition gemacht werden kann.
• Ein Beispiel eines besonders bevorzugten Aufbaus der Sensorvorrichtung, die die Details für die Abstützung des Beschleunigungsmessers aufzeigt, wird in Fig. 4 gezeigt. Der Beschleunigungsmesser 3 weist eine konische Stahlspitze (16) auf, die im Gebrauch in Kontakt mit der Bodenoberfläche 9 hinein gedrückt wird. Die Spitze 16 wird in einer unteren (wie ersichtlich) vibrationsdämpfenden Polymermatte (12) durch eine Anzahl von Polymerringen (wie 14) unterschiedlicher Radien getragen. Ein leicht steifer TUFNELL Stützblock (15) schützt das Beschleunigungsmesserkabel. Eine zweite Matte (13) liefert sowohl zusätzliches Gewicht als auch Umgebungsschutz für die Beschleunigungsmesserkabel.

Claims (14)

1. Bodenbewegungs-Detektionsvorrichtung, umfassend eine Vielzahl diskreter Bodenbewegungssensoren (3), die im Betrieb jeweils mit dem Boden in Kontakt bringbar sind, gekennzeichnet durch ein Gehäuse aus einem Hochdämpfungsmaterial (12) um jeden Sensor (3) in Bodenkontakt zu halten und dadurch bedeutende Befestigungsresonanzeffekte zwischen dem Sensor und dem Boden zu vermeiden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Vielzahl der Sensoren (3) als eine zweidimensionale Anordnung (11) vorliegt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, beider die Anordnung (11) in Form zwei orthogonal angeordneten linearer Anordnungen gleich beabstandeter Sensoren vorliegt.

4. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Sensoren (3) von der Beschleunigungsmesserart sind, mit einer Masse von bis zu 100 g, und empfindlich auf Frequenzen bis zu 10 Khz.

5. Vorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche, bei der das Gehäuse aus einem Hochdämpfungsmaterial (12) eine Matte ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei der zur Steigerung der Steifheit der Matte um jeden Beschleunigungsmesser (3) herum eine Reihe konzentrischer Ringe (14) des Mattenmaterials (12), die in zunehmenden Radien um die Beschleunigungsmesser (3) herum abgestuft sind, zusammengebaut ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der zur Gewichtssteigerung eine zweite Matte (13) über die erste (12) plaziert wird.

8. Vorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 4 bis 7, bei der die Basis des Beschleunigungsmessers (3) konisch ist, d. h. geformt ist, um einen Konus zu besitzen, dessen Länge an die Bodenhärte angepaßt ist.

9. Verfahren zum Bestimmen des Ortes einer Leckage in einem Rohr unter der Erde, das ein Strömungsmittel führt, bei dem die Bewegung des Bodens, hervorgerufen durch das Strömungsmittel während es aus dem Rohr heraus leckt, unter Verwendung der Bodenbewegungs-Detektionsvorrichtung nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche abgehört wird, und durch geeignetes Kombinieren und Arbeiten nach der Signalinformation, die durch jeden Sensor empfangen wird, der tatsächliche Ort der Leckage festgestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, angewendet am Ort einer Leckage in einem Unterflur-Wasserrohr.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem die Signalinformation empfangen und verarbeitet wird, die sich auf die Bewegung des Bodens sowohl in vertikaler als auch seitlicher Bewegung bezieht.

12. Verfahren nach irgendeinem der vorstehenden Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Vielzahl der Sensoren (3) in Form einer Anordnung (11) vorliegt, die linear ist oder lineare Komponenten besitzt, und daß danach die Linie oder eine der Linien der Sensoren zum überprüfenden Unterflurrohr ausgerichtet wird.

13. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem die Detektion der Bodenbewegung über einen Bereich des Bodens durchgeführt wird, der sich über den vermuteten Ort der Leckage und dessen seitliche Abmessungen erstreckt, die nicht die dreifache Tiefe des Rohres überschreiten, in dem die Leckage aufgetreten ist.

14. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem die Vielzahl der Sensoren (3) ihre Sensorkomponenten reihenfolgegemäß, paarweise abstastet, wobei ein Sensor als Bezugspunkt angesehen wird.