专利名称：用于确定管道泄漏位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于确定传输 液态或气态介质的管道中存在泄漏点以及必要时确定该泄漏点的位 置的方法，该方法借助至少一个沿着该管道的纵向延伸方向从第一测 量站延伸到第二测量站的电导体，其中向该电导体施加随时间变化的 电压形式的测量信号，并且从该导体的阻抗关系中推断出存在泄漏 点。
本发明还涉及一种如权利要求5的前序部分所述的用于确定传 输液态或气态介质的管道中存在泄漏点以及必要时确定该泄漏点的 位置的测量站，该测量站与至少一个沿着该管道的纵向延伸方向分布 的电导体相连接，并且具有用于产生随时间变化的电压形式的测量信 号的信号发生器，其中该测量信号适用于检查该电导体的由于泄漏点 而变化的阻抗关系，以及包括发送器，该发送器将测量信号耦入到该 电导体中。
背景技术：
用于传输液态或气态介质的管道广为应用，而且大多设置在地 下。这种管道例如是自来水管或长途供热管，其中在后一种情况下传 输介质也可以是以水蒸气形式存在的气体形式。为了将该介质的逸出 保持得尽可能的小以及在长途供热管的情况下将由于泄漏点而导致 的能量损失保持得尽可能的小，必须尽快地识别这种泄漏点。此外， 为了将后续过程中用于消除故障的工作和成本开销降至最低，期望尽 可能精确地确定这些泄漏点的位置。
已经公开了用于确定存在泄漏点以及确定泄漏点位置的不同方 法。 一种可能的方法例如是测量电监控导体中脉冲形式的测量信号的时间回波，这些监控导体设置在管道的附近区域。为此例如将其中传 输介质的管道包裹上塑料外皮，在该塑料外皮中植入了电导体。塑料 外皮又具有不透水的保护套。这种布置在下面也称为复合管。由于传 输介质的逸出而出现的塑料外皮的润湿作用降低了管道和电监控导 体之间或监控导体之间的绝缘电阻，由此表现为低欧姆位置，在该低 欧姆位置处反射电压脉冲。从回波的行程时间可以推断出泄漏点与耦 入测量信号的位置之间的距离。即使相应地使用低欧姆导体，如铜导 线，也可以在所述润湿作用相对较强时，进而在介质从管中较慢地逸 出时才确定泄漏点的位置。此外，对时间回波的分析和解释已经证明 是费事和困难的。
另 一种用于确定泄漏点的可能方法主要是使用电阻测量桥。其中 监控如镍铬导体的高欧姆导体和如铜导线或可导电管的低欧姆导体 之间的电阻。在管道的塑料外皮由于传输介质的逸出而变湿的情况 下，也减小了绝缘电阻，其中根据无负载分压器原理确定该泄漏点的 位置。为此定义该电阻的阈值，其中在低于该阈值的情况下产生报警 信号并进行定位。该方法被证明灵敏到足以检测出很小的电阻变化， 并由此快速地确定故障位置。但在实践中，该方法产生了不可容忍的 大量错误报警，从而由于最后要进行不必要的结构上的干预而增加了 管道线路的维护成本。
由此在奥地利专利AT501.758中提出了一种新的测量方法，在该 测量方法中在无损管道的情况下确定放入该管道中的导体的起点和 终点之间的阻抗关系，并且随后在相同的测试电压下确定该阻抗关 系，并且与针对无损管道已知的阻抗关系相比较，其中根据该随后确 定的阻抗关系与针对无损管道的阻抗关系之间的偏差推导出存在泄 漏点。确定无损管道中电导体的起点和终点之间的阻抗关系由此也可 以在多个交流电压振幅和频率的情况下进行，这在单纯监控阚值的情 况下是不可能的。在此，可以采用检测程序，在该程序中确定和分析 在不同的电压值和频率情况下的阻抗值，也就是"阻抗关系"，而且是 以固定的时间间隔自动地进4亍。在该方法的范围内还可以在确定无损管道中的阻抗关系时加入 在管道段的运行期间获得的经验值，例如在观察阻抗关系的周期变化
或逐渐变化时。根据AT501.758的方法在此基于以下考虑，即由管道、 电监控导体、监控导体的连接点、分离的填充材料以及在管道段运行 期间的电压源和电压测量设备组成的整个系统的阻抗关系不是恒定 的，即使传输该介质的管道没有受损。实际上例如在复合管受损以及 由此导致的在复合管之外出现湿气的过程中，或者由于温度变化也会 导致复合管内部湿度的变化，而不会损坏管道。此外还可能在监控导 体的整个电路中，例如在该导体的连接点处产生干扰，这种干扰由于 减小了接触电阻而导致可见的绝缘电阻减小。现在如果基于与事先定 义的阈值的比较以及尤其是基于检测到低于该阈值来判断管道的完 整性，从而可能错误地指示泄漏点，即使管道还是完整无损的。
结合AT501.758的方法的另一种考虑是，将泄漏点简单解释为 单纯的短路点。该方法实际上基于以下结论分开至少一个监控导体 以及管道的填充材料是在运行期间变化的、具有复杂的电解特性和偶 然的电气特性的电介质。因此不存在纯电阻值的测量，也不存在在观 察的中途该纯电阻值与阔值的比较，而是检查整个系统的"阻抗关 系"。因为所表现出的是，由于不同于泄漏点的其它因素而导致的阻 抗关系的逐渐变化完全不同于由于实际泄漏点而导致的变化。
但是在该用于确定泄漏点的已知方法的范围内，必须分别由两个 测量站交替地发送测量信号，并且分别在测量装置的对方那里分析该 测量信号。为此首先由第一测量站产生第一测量信号，并且分析在管 道段的起始点处的馈入点上的阻抗分配，在该起始点该第 一测量信号 作为馈电信号被耦入。接下来在管道段的终点处测量该第一测量信号 作为第一响应信号。然后依据该第一响应信号由第二测量站产生与第 一测量信号相对应的第二测量信号，并在监控导体的终点处作为第二 馈电信号馈入。该第二馈电信号在所述起点处作为第二响应信号被测
但是该方法存在以下缺点，即由于交替的测量和分析阶段需要费
6事的处理过程控制，该处理过程控制在参与的测量站的时间进程中相 应地确定这些测量站的行为。此外，必须在两个测量站之间总是交替 地传输测量信号，从而无法同时测量某个管道段。由此可能形成绝对 的或与方法有关的测量误差，这种测量误差降低了泄漏点的定位精 度。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种避免上述缺点的方法。尤其是应当 简化测量的处理过程。同时还要提高测量的精度。这些目的通过权利 要求1的特征实现。
权利要求1涉及一种用于确定在传输液态或气态介质的管道中 存在泄漏点以及必要时确定泄漏点的位置的方法，该方法借助至少一 个沿着该管道的纵向延伸方向从第 一测量站延伸到第二测量站的电 导体，其中向该电导体施加随时间变化的电压形式的测量信号，并且 从该导体的阻抗关系中推断出存在泄漏。根据本发明，以随时间变化 的电压形式存在的第一测量信号由第一测量站通过所述电导体发送 给第二测量站，并且这两个测量站都分析该电导体的阻抗，其中第二 测量站将阻抗分析的结果借助第 一 结果信号在时间上与第 一 测量信 号重叠地通过同一电导体传送给第一测量站，而且第一测量信号和第 一结果信号位于无叠加的频带内。尤其是采用交流电压作为随时间变 化的电压，但是也可以考虑更为复杂的测量信号，如具有可变脉冲波 形、脉冲频率或脉冲振幅的脉冲序列。所提到的频带下面被称为"传 输信道"。
根据权利要求2，第二测量站将以随时间变化的电压形式存在的 第二测量信号通过同 一电导体发送给第 一测量站，并且这两个测量站 都分析该电导体的阻抗，其中第一测量站将阻抗分析的结果借助第二 结果信号在时间上与第二测量信号重叠地通过同一电导体传送给第 二测量站，而且这两个测量信号和第二结果信号分别位于无叠加的频 带内。由此另外提高了确定泄漏点的精度，因为电导体的阻抗由两方、但在不同的传输信道上测量。
由此，第一测量站不仅能得到在第一测量站处的阻抗测量的结 果，而且还能得到第二测量站处的结果。利用该信息可以精确地确定 泄漏点的位置，例如通过两方测得的阻抗值的比例关系。通过从两方 来确定泄漏点的位置，消除了绝对误差或与方法相关的测量误差。此 外重要的还有，测量信号和结果信号在时间上叠加地传输并且通过同 一电导体传输。这可以通过以下方式实现，即按照本发明第一测量信 号和第一结果信号位于无叠加的频带内。由此如下面还可以清楚看出 的，可以大大简化测量的处理过程。
根据权利要求3，测量信号和结果信号分别由发送的测量站进行 调制，并且在相应的另一个接收的测量站那里通过同步的解调来进行 分析。由此如下面还要详细解释的，改善了所传输的测量信号和结果 信号的传输质量，并且因此而将故障信号的影响降至最低。
根据权利要求4,第一测量站和第二测量站是沿着电导体设置的 多个测量站中两个前后连续的测量站，并且在这两个前后连续的测量 站之间的阻抗分析的结果将被传输给至少一个其它的、相邻的测量 站。由于这种数据传递，在所有测量结束之后每个测量站都能得到所 有测量站的全部数据。这使得根据权利要求5只有一个测量站必须与 中央控制台连接，在该控制台中对测量数据进行汇总、处理和分析。 由此还可以在一个测量站本地读取所有数据。作为替代，还可以使每 个测量站都将其测量数据发送给中央控制台，在该控制台中对测量数 据进行汇总、处理和分析。
在中央控制台中分析数据例如可以在对泄漏点的可能迹象的趋 势分析和/或模式识别方面来进行，或者还通过自学习系统、如借助神 经网络来进行，这在下面还要详细解释。此外优选的是，可以从测量 站访问中央控制台。由此可以从任何地点、尤其是从任何测量站交互 地查看和解释测量数据和分析结果。
最后，权利要求6涉及一种相应的用于确定传输液态或气态介质 的管道中存在泄漏点以及必要时确定该泄漏点的位置的测量站，该测量站与至少一个沿着该管道的纵向延伸方式分布的电导体相连接，并 且具有用于产生随时间变化的电压形式的测量信号的信号发生器，其 中该测量信号适用于检查该电导体的由于泄漏点而变化的阻抗关系， 以及包括发送器，该发送器将测量信号耦入到该电导体中。根据本发 明，该测量站另外还具有用于产生调制信号的发生器单元和用于传输 数据的基带信号单元，以及调制器，在该调制器中将测量信号、基带 信号和调制信号混合。基础功能由此包括用于传输数据所需的全部部
件，即基带、调制器、发送器、接收器、解调器和数据分离器。此外， 还存在直接调制测量信号并耦入到电导体中的可能性。重要的是，这 些可以在不影响所传输的数据的情况下进行。这例如可以通过不同的 频率范围，或者正交的信号准备来保证。作为替代，还可以采用相应 的滤波器。
根据权利要求7，测量站另外还具有用于接收通过电导体传输 的、经过调制的信号的接收器，并且包括解调器和数据分离器，其中 解调器与用于对测量信号进行数字转换的测量信号接收器相连接。
利用这样装备的测量站，可以在运行时连续监控管道阻抗，同时 还与管道上的其它测量站进行通信。这些功能可以用于准备同时测量 管道两侧的阻抗。
下面借助附图用实施例来详细解释本发明。在此 图1示出管道上测量站的布置的示意图， 图2示出一个测量站的示意结构，
图3示出用于解释同时传输测量信号和结果信号的图，以及 图4示出在测量站之间测量和传输数据的示意流程。
具体实施例方式
在图1中示出管道l上测量站MSj (i-l…n)的布置的示意图。 管道1用于传输液态或气态介质，而且在很长的线路上至少很难被接近地铺设，例如埋在地下。管道l例如是自来水管或长途供热管，其 中在后一种情况下传输介质也可以是以水蒸气形式存在的气体形式。 根据本发明的方法还适用于监控传输任何类型介质的管道，只要所传
输的介质是导电的，其中该传输介质的可导电性有几iaS/cm就足够。
管道l大多是钢管或铜管，在管道的附近设置电监控导体L。在 图1中例如示出两个监控导体I^和L2。为此，传输介质的管道l被 绝热和绝缘的外皮以及防水的保护套包裹，在该外皮中嵌入电导体L。 这种绝热和绝缘的材料例如可以是塑料，如PUR硬树脂、玻璃棉或 石棉，或者是纤维绝缘材料。下面描述一种塑料外皮。
该塑料外皮在干燥状态下具有电绝缘特性。由于传输介质的逸出 而出现的塑料外皮的湿气降低了管道1和电监控导体Li及L2之间或 监控导体L和L2之间的绝缘电阻，由此表现为低欧姆位置，其中可 以将变化了的电气比例关系用于识别泄漏点并对其进行定位。
图1示出两个监控导体"和L2的使用，但是也可以考虑只使用 一个导体L或使用更多的导体Li，其中监控导体L在外皮内的布置 可以加以改变。监控导体L,和L2是如镍铬导体的高欧姆导体L!，以 及可选的低欧姆导体L2，如铜导线或铜镍导体。在此，可以监控高欧
姆导体"和低欧姆导体L;j之间的电阻，以及可选的还有高欧姆导体
L和管道l之间的电阻。在仅使用一个监控导体L的情况下，监控高 欧姆导体L和管道1之间的电阻。
在图1中还示出，测量站MSi将其测量数据发送给中央控制台2, 在该中央控制台中汇总、处理和分析这些测量数据。对数据的分析例 如可以在对泄漏点的可能迹象的趋势分析和/或模式识别方面来进行， 或者还通过自学习系统、如借助神经网络来进行。在此，不重要的长 时间变化应当被识别为亚临界的，因此应当被分拣出来。但是，表明 泄漏点的变化将相应地被清楚地标示。在此，由进行控制的干预操作 人员进行的分析影响未来在表明泄漏点并对其定位时的判断过程。此 外，还有利的是，可以从测量站MSi访问中央控制台2。由此可以从 任何位置，尤其是从任何测量站MSi交互地查看和解释测量数据和分析结果。通过这种方式，维护人员还可以在不直接影响控制台2的情 况下以简单的方式查明可能的故障事件。控制台2由此还可以是无人 的。可选地，也可以设置一个或多个其它的控制台3来执行这些分析 任务。
图2示出用于确定管道1中存在泄漏点并在必要时确定其位置的 测量站MSj的示意结构，该管道与至少一个沿着管道l的纵向延伸方 向分布的电导体L相连接，并且具有信号发生器DAC来产生随时间 变化的电压形式的测量信号。测量站MSi还包括发送器T,该发送器 将测量信号耦入到电导体L中。根据本发明，另外还设置用于产生调 制信号的发生器单元DDS和用于传输数据的基带信号单元BB,以及 调制器MO，在该调制器中混合测量信号、基带信号和调制信号。此 外，测量站另外还具有接收器R，用于接收通过电导体L传输的、经 过调制的信号，以及解调器DM和数据分离器DS,其中解调器DM 与用于对测量信号进行数字转换的测量信号接收器ADC相连接。这 些部件通过控制单元CTL进行协调。这些基本功能由此包括用于传 输数据所需的全部部件，即基带信号单元BB、调制器MO、发送器T、 接收器R、解调器DM和数据分离器DS。此外还存在直接调制测量 信号并将其耦入到电导体L中的可能性。重要的是，这些可以在不影 响所传输的数据的情况下进行。这例如可以通过不同的频率范围，或 者正交的信号准备来保证。作为替代，还可以采用相应的滤波器。
图3示出两个测量站MSi和MSj的同时测量功能和传输相应结 果信号的功能。在图3的示例中，例如假定数据传输DtF是在传输信 道K2中进行的。为了更好地选择，分别释放相应数量的信道(在该 示例中是l)，以便将滤波器开销相应地保持得很小。此外还假定， 在导体L的相关段内具有导体L的起点处的测量站MSi和导体L的 终点处的测量站MS2。测量站MSi在信道K4上发送其测量信号，并 分析导体的阻抗。同时，在导体的终点处的信号由第二测量站MS2 获取并进行分析。该结果立即通过信道K2传输给第一测量站MSj。 从该比例关系中可以推断出可能存在的泄漏点的位置。同样同时进行的是由第二测量站MS2确定信道K6的阻抗，并与 测量站MSi处的信号进行相关。在该测量结束之后，两个测量站MSi 和MS2自动更换到下一个测量信道。这里基础信号处理例如是根据 "直接序列扩频"方法来进行的。数据信道K2是保留还是也被改变取 决于测量信道和数据信道之间所期待的影响。
对导体段两端的同时测量可以通过正交信号进行，或者以相应的 信道分配和同步解调为基础，以消除影响。但是根据本发明，使用同 步解调器来获取测量信号是优选方法，这是因为将故障信号的影响降 至最小。
图4示出第一测量站MSi和第二测量站MSj之间的测量和数据 传输的示意流程，这些测量站是多个沿着电导体L设置的测量站Mj 中两个前后连续的测量站MSi和MSw (j=i+l)。在此，首先测量站 MSj将其测量信号M (MSr>MSi+1)在第一信道上发送，并分析导体 的阻抗(图4a)。从该测量中产生数据组D[MS「>MSi+1)，其中左 边的方括号表示该数据组是由MSi从MSi向MSw的测量中得到的。 同时，在导体终点处的信号由第二测量站MSw获取，并被分析为数 据组D ( MSr>MSi+1。右边的方括号表示该数据組是由MS^从MSi 向MSi+n的测量中得到的。该结果借助结果信号E ( MSi》MSw通过 第二信道立即传输给第一测量站MSi (图4b)。现在测量站MSi具有 "完整的，，数据组D[MSr>MSi+1，该数据组是由两个测量站MSi和 MSi+1对测量信号的分析得到的，这通过两边的方括号表示。
与结果信号E (MSi—MSw的传输同时地，由第二测量站MSi+1 借助测量信号M (MSi<-MSi+1)来确定另一个信道的阻抗(图4b)。 由该测量得到数据组D ( MSi<-MSi+1，其中右边的方括号表示现在该 数据组是由MSw从MSw向MSi的测量中得到的。同时，导体末端 处的信号由第一测量站MSi获取并被分析为数据组D[MSi<-MSi+1)。 左边的方括号表示该数据组是由MSi从MSi+1向MS,的测量中得到的。 该结果借助结果信号E[MSi+<-MSi+1)通过第二信道立即传输给第二 测量站MSi+1 (图4c)。现在测量站MSi+1具有"完整的"数据组D[MSi<-MSi+1，该数据组是由两个测量站MSi和MSw对测量信号的 分析产生的，这还是通过两边的方括号表示。
在图4d中示出，两个前后连续的测量站MSi和MSw之间的阻 抗分析的结果被传输给至少 一个其它的、相邻的测量站MSw或MSi+2 ， 从而现在测量站MSi+2也借助第二测量站MSi+1的结果信号 E[MSi+《MSw而具有数据组D[MSi《MSw。按照相应的方式，第一 测量站MSj也可以借助结果信号E[MSi》MSw]向第二测量站MSi+1 传输数据组D[MSr>MSi+1，而第二测量站接下来又将该数据组借助 结果信号E[MSj》MSw]传递给测量站MSi+2。
通过这种方式可以看出，借助该实施方式只需要将一个测量站与 中央控制台2相连接，在该中央控制台中汇总、处理和分析测量数据， 因为每个测量站都能得到所有的数据组。但是由此也可以在一个测量 站处本地读取所有数据。
对阻抗分布的分析以及泄漏点的确定均通过一个设置在上级的 控制台2来完成。该控制台可以从测量站MSi收集数据，或者在相应 联网的情况下可以从每个任意的测量站MSi读取数据并通过相关来确 定可能存在的泄漏点。此外，每个单个的测量点MSi最好能够通过分 析测量结果的趋势对管道1的状态做出持续的预测。
通过本发明所述的方法，由于取消了交替的测量和分析阶段，可 以避免开销较大的处理过程控制。例外，在两个测量站之间传输测量 信号不必只能交替地进行，而是也可以从一 个管道段两端同时进行测 量。由此减小了绝对测量误差或与方法相关的测量误差，提高了泄漏 点定位的精度。
权利要求
1.一种用于确定在传输液态或气态介质的管道(1)中存在泄漏点以及必要时确定泄漏点的位置的方法，该方法借助至少一个沿着该管道(1)的纵向延伸方向从第一测量站(MSi，i＝1...n)延伸到第二测量站(MSj，j＝1...n)的电导体(L)，其中向该电导体(L)施加随时间变化的电压形式的测量信号，并且从该导体(L)的阻抗关系中推断出存在泄漏，其特征在于，以随时间变化的电压形式存在的第一测量信号由第一测量站(MSi)通过所述电导体(L)发送给第二测量站(MSj)，并且这两个测量站(MSi，MSj)都分析该电导体(L)的阻抗，其中第二测量站(MSj)将阻抗分析的结果借助第一结果信号在时间上与第一测量信号重叠地通过同一电导体(L)传送给第一测量站(MSi)，而且第一测量信号和第一结果信号位于无叠加的频带内。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第二测量站(MSj) 将以随时间变化的电压形式存在的第二测量信号通过同 一电导体(L ) 发送给第一测量站(MSi)，并且这两个测量站(MSi， MSj)都分析 该电导体(L)的阻抗，其中第一测量站(MSi)将阻抗分析的结果借 助第二结果信号在时间上与第二测量信号重叠地通过同一电导体(L) 发送给第二测量站(MSj),而且这两个测量信号和第二结果信号分 别位于无叠加的频带内。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量信号和结 果信号分别由发送的测量站(MSi， MSj)进行调制，并且在相应的另 一个接收的测量站(MSj， MSi)那里通过同步的解调来进行分析。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，第一 测量站(MSi， i=l...n)和第二测量站(MSj， j-l…n)是沿着电导体(L )设置的多个测量站(Mi)中两个前后连续的测量站(MSi, MSi+1， i-l…n)，并且在这两个前后连续的测量站(MSi， MSi+1， i-l…n) 之间的阻抗分析的结果被传输给至少 一 个其它的、相邻的测量站(MSi-!， MSi+2， i=l...n)。
5. 根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述测量站(MSi) 之一将其测量数据发送给中央控制台，在该中央控制台中对测量数据 进行汇总、处理和分析。
6. —种用于确定传输液态或气态介质的管道(1)中存在泄漏点 以及必要时确定该泄漏点的位置的测量站，该测量站与至少 一个沿着 该管道(1)的纵向延伸方向分布的电导体(L)相连接，并且具有用 于产生随时间变化的电压形式的测量信号的信号发生器(DAC)，其 中该测量信号适用于检查该电导体(L)的由于泄漏点而变化的阻抗 关系，以及包括发送器(T)，该发送器将测量信号耦入到该电导体(L)中，其特征在于，该测量站另外还具有用于产生调制信号的发 生器单元(DDS)，和用于传输数据的基带信号单元(BB)，以及调 制器(MO)，在该调制器中将测量信号、基带信号和调制信号混合。
7. 根据权利要求6所述的测量站，其特征在于，测量站另外还 具有用于接收通过电导体(L )传输的、经过调制的信号的接收器(R), 并且包括解调器(DM)和数据分离器(DS)，其中解调器(DM) 与用于对测量信号进行数字转换的测量信号接收器(ADC)相连接。
全文摘要
一种借助至少一个沿着管道(1)的纵向延伸方向从第一测量站(MS<sub>i</sub>，i＝1...n)延伸到第二测量站(MS<sub>j</sub>，j＝1...n)的电导体(L)确定在该管道(1)中存在泄漏点以及必要时确定泄漏点的位置的方法，其中向该电导体(L)施加随时间变化的电压形式的测量信号，并且从该导体(L)的阻抗关系中推断出存在泄漏。根据本发明，以随时间变化的电压形式存在的第一测量信号由第一测量站(MS<sub>i</sub>)通过电导体(L)发送给第二测量站(MS<sub>j</sub>)，并且这两个测量站(MS<sub>i</sub>，MS<sub>j</sub>)都分析该电导体(L)的阻抗，其中第二测量站(MS<sub>j</sub>)将阻抗分析的结果借助第一结果信号在时间上与第一测量信号重叠地通过同一个电导体(L)传送给第一测量站(MS<sub>i</sub>)，而且第一测量信号和第一结果信号位于无叠加的频带内。
文档编号G01M3/16GK101680818SQ200880007513
公开日2010年3月24日 申请日期2008年1月18日 优先权日2007年1月29日
发明者京特·比尔 申请人:京特·比尔