Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung, insbesondere der Position eines Abzweigs einer Abwasserrohrleitung sowie eine hierfür geeignete Vorrichtung.

Zur Inspektion, Wartung und Sanierung von Kanalsystemen, beispielsweise Abwasserkanalsystemen, finden meist steuerbare, selbstfahrende Roboter Verwendung, die in der Lage sind, die erforderlichen Messvorgänge oder mechanischen Sanierungsarbeiten auszuführen. Die Roboter weisen hierzu meist ein Kamerasystem auf, um den Zustand des Kanals zu visualisieren. Ist beispielsweise ein Abwasserkanal an einer bestimmten Stelle undicht, so kann ein schlauchförmiger Liner eingezogen werden, der beispielsweise epoxidharzgetränkt sein kann und somit schnell aushärtet. Werden solche Liner eingezogen, so ist es erforderlich, mit dem Schlauchliner zunächst verschlossene Kanalabzweigungen, Hausanschlüsse und dergleichen, nach dem Aushärten wieder freizulegen. Hierzu muss selbstverständlich die exakte Position und Abmessung des verschlossenen Abzweigs bekannt sein. Um die Position von Abzweigen vor dem Verschließen mit dem Schlauchliner zu bestimmen, ist es üblich, die Distanz eines Abzweigs zu einem Referenzort mit einer an dem selbstfahrenden Roboter befestigten mechanischen Längenmesseinrichtung zu messen. Hierbei kann es sich im einfachsten Fall um eine Art Maßband handeln.

Eine möglichst exakte Positionsbestimmung ist selbstverständlich nicht nur im Fall des vorstehend geschilderten Sanierungsfalls erforderlich. Vielmehr ist es oftmals wünschenswert, für bestimmte Merkmale innerhalb eines Kanals oder Kanalsystems, bzw. ganz allgemein für eine beliebige Rohrleitung oder ein beliebiges Rohrleitungssystem, die zugehörigen Positionen zu ermitteln. Bei solchen interessierenden Merkmalen kann es sich, neben den bereits genannten Abzweigungen, beispielsweise um Krümmungen, Durchmesserveränderungen oder (ringförmige) Spalte handeln.

Mit Hilfe eines mechanischen Längenmesssystems ist die Bestimmung der zu einem bestimmten Merkmal des Kanalsystems gehörigen Position jedoch aufwändig und fehleranfällig. Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, wobei zumindest die Position eines interessierenden Merkmals einer Rohrleitung oder eines Rohrleitungssystems mit möglichst einfachen Mitteln zuverlässig, schnell und kostengünstig bestimmbar ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 1 1 .

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass eine Rohrleitung oder ein Rohleitungssystem auf einfache Weise auf bestimmte Eigenschaften hin untersucht werden kann, wenn ein Schallwellensendesignal in die Rohrleitung eingespeist und reflektierte Signalanteile als Schallwellenempfangssignal am Ort der Einspeisung detektiert und ausgewertet werden. Die Auswertung erfolgt dabei unter Berücksichtigung des Schallwellensendesignals hinsichtlich des Vorhandenseins von Schallwellenreflexionen verursachenden Reflexionsorten entlang der Rohrleitung.

An dieser Stelle sei bemerkt, dass in der vorliegenden Beschreibung der Begriff„Rohrleitung" als Synonym sowohl für eine beliebig ausgestaltete Rohrleitung als auch für ein Rohrleitungssystem verwendet wird, welches aus mehreren einzelnen Rohrleitungen bestehen und auch Verzweigungen aufweisen kann.

Erfindungsgemäß weist das Schallwellensendesignal zumindest eine Frequenzkomponente oder einen Spektralbereich auf, dessen maximale Frequenz kleiner ist als die untere Grenzfrequenz der in der Rohrleitung ausbreitungsfähigen ersten Obermode. Denn Spektralkomponenten eines Schallwellensende- oder Empfangssignals, welche in einem Frequenzbereich liegen, in dem nur die Grundmode ausbreitungsfähig ist, weisen eine Schallgeschwindigkeit auf, die im Wesentlichen gleich der Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle im freien Raum (in einem bestimmten Medium) entspricht. Die Signallaufzeit kann somit mit ausreichender Genauigkeit zur Bestimmung der entsprechenden Strecke verwendet werden. Dispersionseffekte spielen bei einem solchen Signal keine Rolle.

Ist der Rohrdurchmesser bekannt, kann zudem die Schallgeschwindigkeit eines Signals aus der Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle berechnet und zur Bestimmung der Strecke aus der gemessenen Signallaufzeit verwendet werden. Erfindungsgemäß wird aus dem Schallwellenempfangssignal zumindest der Abstand des Reflexionsortes vom Einspeisepunkt ermittelt.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung kann als Schallwellensendesignal ein Schallimpuls verwendet werden, der entweder eine feste (Träger-) Frequenz aufweist oder als Chirp- Impuls gestaltet ist, d.h. eine beispielsweise vom Impulsbeginn zum Impulsende hin ansteigende Frequenz aufweist.

Zur Signalauswertung eignen sich beispielsweise Korrelationsverfahren, die eine hohe Empfindlichkeit realisieren können. Insbesondere kann aus Gründen des rechentechnischen Aufwands eine Transformation des Schallwellensendesignals und des gesamten oder eines Teils des Schallwellenempfangssignals in den komplexen Bereich erfolgen, da hier die Berechnung der Korrelationsfunktion bzw. des Faltungsintegrals einfach durch eine Multiplikation erfolgen kann. Nach einer (Rück-) Transformation der Korrelationsfunktion in den Zeitbereich kann die gesamte Signallaufzeit bestehend aus der Laufzeit des Schallwellensendesignals vom Einspeiseort zum betreffenden Reflexionsort und der Laufzeit des Reflexionsteilsignals vom betreffenden Reflexionsort zurück zum Einspeiseort durch die Bestimmung der zeitlichen Lage des zughörigen Maximums der Korrelationsfunktion im Zeitbereich (genauer: des Betrags der komplexen Korrelationsfunktion im Zeitbereich) ermittelt werden.

Wie bereits vorstehend erläutert, kann die Lage des Reflexionsorts dann aus dieser gemessenen und berechneten Laufzeit und der bekannten Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle oder der berechneten Schallgeschwindigkeit der Grundmode in der betreffenden Rohrleitung ermittelt werden.

Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung werden ein oder mehrere zeitlich separierbare reflektierte Anteile des Schallwellenempfangssignals mit einem vorbestimmten Zeitintervall aus dem Schallwellenempfangssignal ausgeschnitten und hinsichtlich des zeitlichen Verlaufs und/oder des Frequenzverlauf der Amplitude und/oder des Frequenzverlaufs der Phase oder hinsichtlich der Abweichung des zeitlichen Verlaufs und/oder des Frequenzverlauf der Amplitude und/oder des Frequenzverlaufs der Phase von dem betreffenden Verlauf des Schallwellensendesignals nach dem Auftreten vorbestimmter Merkmale analysiert. Abhängig vom Auftreten eines oder mehrerer vorbe- stimmter Merkmale kann dann der betreffende Anteil des Schallwellenempfangssignals einer generellen Klasse von Reflexionsorten zugeordnet werden. Als Klassen können beispielsweise die Klassen„Rohrleitungsabzweig",„Änderung des Rohrleitungsdurchmessers", „Krümmung der Rohrleitung" oder„Hindernis innerhalb der Rohrleitung" definiert werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung können durch die Klassifizierung, zusätzlich zur generellen Klasse (d.h. dem generellen Typ des Reflexionsortes), aus dem einen oder mehreren vorbestimmten Merkmalen quantitative Informationen für einen Reflexionsort ermittelt werden, wie der Durchmesser eines Rohrleitungsabzweigs, der Wert der absoluten oder relativen Vergrößerung oder Verringerung des Durchmessers der Rohrleitung, der Winkel der Krümmung der Rohrleitung oder die Art und/oder Größe des Hindernisses innerhalb der Rohrleitung.

Da die Schallgeschwindigkeit innerhalb eines Medium von der Dichte und damit auch von der Temperatur des Mediums abhängt, ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Mediums (beispielsweise Luft) innerhalb der Rohrleitung ermittelt und zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit (einer ebenen Welle oder der tatsächlichen Schallgeschwindigkeit der Grundmode) im betreffenden Medium herangezogen wird. Hierzu kann die Temperatur mit einem geeigneten üblichen Temperatursensor gemessen und aus einer bekannten Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit (einer ebenen Welle bzw. der Grundmode) im jeweiligen Medium unter Verwendung der gemessenen Temperatur ermittelt werden.

Die Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle bzw. der Grundmode bei der aktuellen Temperatur und bei Vorhandensein des jeweiligen Mediums innerhalb der Rohrleitung kann jedoch auch direkt unter Verwendung eines Schallwellenmesssignals bestimmt werden, welches eine Frequenz oder ein Frequenzspektrum aufweist, bei dem das Schallwellen- messsignal innerhalb der Rohrleitung mit ausreichender Genauigkeit als ebene Schallwelle behandelt werden kann, wobei hierzu die Laufzeiten des Schallwellenmesssignals über eine vorbekannte Strecke in beiden Richtungen gemessen wird.

Die so ermittelte Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle bei der tatsächlich innerhalb der Rohrleitung herrschenden Temperatur (diese wird vereinfachend innerhalb der Rohrleitung als konstant vorausgesetzt) kann dann in sehr guter Näherung gleich der Schallgeschwindigkeit der Grundmode bei dieser Temperatur gesetzt werden. Denn die Schallgeschwin- digkeit der Grundmode ist unabhängig vom Durchmesser der Rohrleitung und wird nur in relativ geringem Maß durch die Oberflächenbeschaffenheit der Innenwandung der Rohrleitung beeinflusst.

Die so bestimmte Schallgeschwindigkeit kann dann zur Bestimmung des Abstands eines Reflexionsortes entlang der Rohrleitung von dem betreffenden Einspeisepunkt verwendet werden.

Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Rohrleitung, beispielsweise ein Abwasserrohr oder -rohrsystem völlig entleert oder freigespült wurde. Denn die Schallgeschwindigkeit der Grundmode ist praktisch unabhängig vom Rohrdurchmesser. Es muss lediglich die Bedingung erfüllt sein, dass im Wesentlichen nur die Grundmode ausbreitungsfähig ist. Es ist bei einem Abwasserrohrleitungssstem also unschädlich, wenn sich streckenweise noch Wasser im Rohr befindet, weil das eigentlich vorgeschriebene Gefälle nicht eingehalten wurde oder weil sich ein Rohrabschnitt gesenkt hat.

Die Schallgeschwindigkeit c kann dabei nach der Beziehung c = l_/2 (t ₂ + Vi - ) berechnet werden, wobei mit ti die gemessene Laufzeit entlang der Strecke L in der Hinrichtung und mit t ₂ die gemessene Laufzeit entlang der Strecke L in der Rückrichtung bezeichnet sind.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann die vorbekannte Strecke zur Messung der Schallgeschwindigkeit c einer ebenen Welle innerhalb der Rohrleitung parallel zur Achse der Rohrleitung verlaufen, vorzugsweise in oder nahe der Achse der Rohrleitung liegen. Dies gibt die Möglichkeit auch die Geschwindigkeit v des Mediums innerhalb der Rohrleitung (z.B. die Windgeschwindigkeit innerhalb eines Abwasserkanals) zu ermitteln. Diese lässt sich ebenfalls aus den gemessenen Laufzeiten ti und t ₂ nach der Beziehung v = L/2-(t ₂ - ti)/(trt ₂ ) bestimmen. Die Geschwindigkeit v kann dann ebenfalls bei der Berechnung der Position eines Reflexionsortes berücksichtigt werden, wobei sich für einen Abstand l _R eines Reflexionsortes vom Einspeisepunkt für das Schallwellensendesignal bzw. Detektionspunkt für das Schallwellenempfangssignal die Beziehung l _R = t _g -(c ² - v ² )/(2-c) ergibt. Dabei ist mit t _g die ermittelte Gesamtlaufzeit bezeichnet.

Damit kann die Position eines Reflexionsortes hochgenau bestimmt werden, da die Schallgeschwindigkeit des Schallwellensendesignals (in der Grundmode) sowohl hinsichtlich der Temperatur als auch hinsichtlich der Geschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung korrigiert werden kann.

Ergibt sich für die so bestimmte Schallgeschwindigkeit ein Wert, der erkennen lässt, dass das im Rohr vermutete Medium hierzu eine Temperatur haben müsste, die offensichtlich nicht der Realität entspricht, so kann hieraus geschlossen werden, dass nicht das angenommen Medium, beispielsweise Luft, vorhanden ist. Dies kann bei Abwasserkanälen beispielsweise durch die Anwesenheit von Faulgasen verursacht sein. In einem solchen Fall kann die erfindungsgemäße Messeinrichtung (insbesondere die Steuer- und Auswerteeinheit) ein Fehlersignal oder einen Fehlerhinweis erzeugen, der beispielsweise in einer„Freiblaswarnung" bestehen kann, d.h., die Rohrleitung sollte mittels eines Lüfters von schädlichen Gasen durchgeblasen werden. Anschließend befindet sich dann ein vorbekanntes Medium in der Rohrleitung, so dass das erfindungsgemäße Messverfahren mit hoher Genauigkeit angewandt werden kann.

Wie vorstehend erläutert, kann der Innendurchmesser der Rohrleitung zur möglichst exakten Ermittlung der Geschwindigkeit der Grundmode herangezogen werden. Des Weiteren ist der Durchmesser jedoch auch maßgebend für die untere Grenzfrequenz der ersten Obermode. Damit kann abhängig vom Durchmesser die Frequenz bzw. das Frequenzspektrum des Schallwellensendesignals gewählt werden, beispielsweise derart, dass sich immer dasselbe, auf die Grenzfrequenz normierte Sendefrequenz bzw. dasselbe auf die Grenzfrequenz normierte Sendespektrum ergibt.

Darüber hinaus kann der Rohrdurchmesser auch verwendet werden, um eine auf die Grenzfrequenz der ersten Obermode normierte Darstellung des Schallwellenempfangssignals bzw. der Frequenzverläufe von Signalanteilen des reflektierten Signals oder von Signalanteilen des mit dem Schallwellensendesignal korrelierten Schallwellenempfangssignals zu erhalten. Damit lässt sich, wie vorstehend erläutert, eine einfache Klassifizierung von Reflexionsursachen bzw. Reflexionsorten erreichen.

Der Innendurchmesser der Rohrleitung kann nach einer Ausgestaltung der Erfindung durch Abstandsmessungen in wenigstens drei radialen Erfassungsrichtungen mittels Schallsignalen ermittelt werden. Die Schallsignale werden von jeweils einem Ort innerhalb der Rohrleitung in radialer Richtung ausgesandt und von der Innenwandung der Rohrleitung reflektiert. Dabei wird jeweils die Laufzeit zwischen dem Senden des Schallsignals und dem Empfangen eines zugehörigen, an der Innenwandung der Rohrleitung reflektierten Schallsignals bestimmt. Die Laufzeit kann dabei direkt durch das Senden und Empfangen eines pulsartigen Schallsignals mit sehr kleiner Impulsbreite und das Messen der Zeitdifferenz zwischen dem Senden und Empfangen (ggf. auch unter Verwendung der vorstehend erläuterten Korrelationsmethode) bestimmt werden. Alternativ kann jeweils ein Schallsignal gesendet werden, dessen zeitliche Länge größer ist als die gesamte Laufzeit zwischen dem Senden des Schallsignals und dem Empfangen des betreffenden reflektierten Schallsignals. Abhängig von der Frequenz des Signals kann dann durch eine Messung der Phasenverschiebung zwischen dem gesendeten und empfangenen Signal die gesamte Laufzeit ermittelt werden. Wird für die Abstandsmessung ein Schallsignal verwendet, dessen Wellenlänge klein ist gegen den Rohrdurchmesser (beispielsweise kleiner als 1/10 des Durchmessers), so liefert die Auswertung der Phase bei geringerem messtechnischem Aufwand eine hohe Genauigkeit.

Als Schallsender und/oder Schallsensoren können beispielsweise Piezo-Ultraschallwandler verwendet werden, die sowohl als Schallgeber als auch als Schallsensoren fungieren können. Derartige Piezo-Ultraschallgeber/Sensoren sind kostengünstig verfügbar und können Ultraschall mit Frequenzen bis über 100 kHz erzeugen.

Derartige Ultraschallsender bzw. Ultraschallsensoren weisen üblicherweise eine keulenförmige Charakteristik auf, die beispielsweise noch in einem Winkel von ±30 ⁵ gegenüber der Achse einen Empfindlichkeitsabfall bzw. Strahlungsleistungsabfall von weniger als 3dB aufweisen. Die Ultraschallsender bzw. Ultraschallsensoren werden so ausgerichtet, dass die Achse der Strahlungskeule senkrecht zur Längsachse der Rohrleitung verläuft. Da selbst bei einer au ßermittigen Anordnung eines Ultraschallsenders (d.h. die Achse der Keule schneidet nicht die Längsachse der Rohrleitung) diejenigen Sendesignalanteile am meisten zum empfangenen reflektierten Signal beitragen, die entlang einer Achse gesendet werden, welche durch die Längsachse der Rohrleitung (und senkrecht hierzu) und die (Mitten-) Position des Ultraschallsenders verläuft (andere Anteile werden schräg reflektiert), wird somit jeweils der kleinste Abstand zwischen dem jeweiligen Ultraschallsender und der Innenwandung der Rohrleitung gemessen. Der Rohrdurchmesser kann aus diesen Tripeln bzw. n-Tupeln von Messwerten dadurch bestimmt werden, dass für jede mögliche Position der Messanordnung (mit festgelegten Positionen der Paare von Schallsendern und -Sensoren) innerhalb einer Rohrleitung mit gegebenem Durchmesser jeweils ein Referenztripel bzw. n-Tupel ermittelt wird. Dies ergibt eine zweidimensionale Fläche in einem dreidimensionalen bzw. n-dimensionalen Vektorraum. Selbstverständlich kann die Fläche auch mittels einer ausgewählten Anzahl von Stützwerten festgelegt werden. Andere Punkte auf der Fläche können dann durch eine analytische Beschreibung der Fläche oder durch Interpolationsverfahren ermittelt werden.

Da sich für jeden Rohrdurchmesser eine separate Fläche ergibt, kann durch einen Vergleich eines gemessenen Tripels bzw. n-Tupels mit einer bekannten, vorzugsweise vorab ermittelten Fläche der zugehörige Rohrdurchmesser bestimmt werden.

In der Praxis sind häufig gestufte bzw. genormte Innendurchmesser relevant. So sind für die Hauskanalisation Rohre von 100 mm oder 200 mm üblich. Dies erleichtert die Bestimmung des Innendurchmessers, da anstelle einer exakten Durchmesserbestimmung nur noch eine Zuordnung zu vorgegebenen diskreten Durchmesserwerten erfolgen muss. Ergäbe in einem solchen Fall die messtechnische Bestimmung einen Durchmesser, der von allen vorgegebenen diskreten Werten abweicht, so kann beispielsweise der nächstliegende diskrete Wert als korrekter Wert angenommen werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die vorstehend erläuterte Bestimmung des Durchmessers einer Rohrleitung auch unabhängig von den Merkmalen der Patentansprüche 1 oder 1 1 eingesetzt werden kann, d.h. losgelöst von der Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung durch das axiale Einkoppeln von Schallsignalen in die Rohrleitung und das Auswerten von reflektierten Signalanteilen.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Rohrleitungssystems mit einem Abzweig und einer Krümmung und einer Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung nach der Erfindung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das Rohrleitungssystem von einem Punkt des Rohrleitungssystems aus untersucht wird;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Rohrleitungssystems mit drei Abzweigen zur Erläuterung des Verfahrens zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung nach der Erfindung, wobei das Rohrleitungssystem von gegenüberliegenden Punkten aus untersucht wird;

Fig. 3 eine Darstellung eines Schallwellensendesignals in Form eines Chirp-Impulses (normierte Amplitude des Schalldrucks als Funktion der Zeit);

Fig. 4 eine Darstellung eines detektierten Schallwellenempfangssignals (normierte

Amplitude des Schalldrucks als Funktion der Zeit), das sich im Fall eines nicht näher dargestellten Rohrleitungssystems bei Verwendung des Chirp-Impulses nach Fig. 3 ergibt;

Fig. 5 eine Darstellung des Betrags der Korrelationsfunktion (normierte Amplitude als Funktion des Abstands vom Einspeisepunkt bzw. Empfangspunkt) aus dem Schallwellensendesignal nach Fig. 3 und dem Schallwellenempfangssignal nach Fig. 4;

Fig. 6 verschiedene, beispielhafte Verläufe für von Spektren (Amplitude als Funktion der normierten Frequenz f/f _c ; f _c ist die untere Grenzfrequenz der ersten Obermode) von Ausschnitten aus einem korrelierten Signal ähnlich Fig. 5;

Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung, welche die Erfassung eines in einer Rohrleitung reflektierten Schallwellensignals sowie die Messung der Schallgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Mediums in der Rohrleitung und die Messung des Innendurchmessers der Rohrleitung ermöglicht; und Fig. 8 eine schematische Vorderansicht der Vorrichtung nach Fig. 7.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Rohrleitungssystems 1 beziehungsweise einen Ausschnitt eines komplexeren Rohrleitungssystems, wobei der in Fig. 1 dargestellte Ausschnitt einen ersten geraden Abschnitt 3, einen Krümmungsabschnitt 5, welcher einen Krümmungswinkel von 90° aufweist, und einen zweiten geraden Abschnitt 7 umfasst. Im mittleren Bereich des ersten geraden Abschnitts 3 ist ein Abzweig 9 vorgesehen. Der Innendurchmesser D der Hauptrohrleitung mit den geraden Abschnitten 3, 7 und dem Krümmungsabschnitt 5 weist einen Durchmesser D auf, der größer ist, beispielsweise doppelt so groß, wie der Innendurchmesser d der abzweigenden Rohrleitung 1 1 . Das Ende des zweiten geraden Abschnitts 7 der Hauptrohrleitung ist offen. Insgesamt kann das dargestellte Rohrleitungssystem 1 beziehungsweise der betreffende Ausschnitt beispielsweise Teil eines Abwasserrohrleitungssystems sein, beispielsweise innerhalb eines Gebäudes oder in einem Hausanschlussbereich. Typische Rohrdurchmesser liegen hierbei im Bereich von 100 mm bis 400 mm.

Um bestimmte Eigenschaften eines derartigen Rohrleitungssystems 1 möglichst einfach, schnell und kostengünstig zu bestimmen, wird mittels einer Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung 13 ein Schallwellensendesignal S in das Rohrleitungssystem 1 eingekoppelt. Hierzu ist, wie in Fig. 1 dargestellt, die Vorrichtung 13 vor eine Öffnung der Rohrleitung, hier die Öffnung des ersten geraden Abschnitts 3, positioniert. In der Praxis kann die Vorrichtung 13 selbstverständlich an einer beliebigen, zugänglichen Stelle des Rohrleitungssystems so in das Rohrleitungssystem eingebracht werden, dass das Schallwellensendesignal S im Wesentlichen in der Achse der betreffenden Rohrleitung beziehungsweise des betreffenden Rohrleitungsabschnitts in das Rohrleitungssystem 1 eingekoppelt wird. Die Vorrichtung 13 muss hierzu selbstverständlich eine geeignete Größe aufweisen. Das Schallwellensendesignal kann, wie in Fig. 3 dargestellt, als zeitlich kurzer Schallimpuls von beispielsweise ca. 0,2 s ausgebildet sein. Da bestimmte Eigenschaften des Rohrleitungssystems hinsichtlich Dämpfung oder Phasenverschiebung unterschiedlich auf unterschiedliche Frequenzen bzw. Spektralanteile des Schallwellensendesignals S wirken, ist es vorteilhaft, wenn das Schallwellensendesignal nicht nur eine feste Trägerfrequenz aufweist, die in zeitlicher Hinsicht amplitudenmoduliert ist, sondern ein geeignetes Frequenzspektrum umfasst. Hierzu kann, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Schallwellensendesignal S in Form eines Chirp-Impulses ausgebildet sein, der zu Beginn eine relativ niedrige Frequenz aufweist, die zum Ende des Impulses hin ansteigt, beispielsweise linear oder exponentiell. Die Hüllkurve entsprechend der (normierten) Amplitude A kann ebenfalls in einer geeigneten Form gewählt werden und beispielsweise durch die Verwendung eines entsprechenden Filters im elektrischen Signalpfad, der zur Ansteuerung des Schallwandlers dient, festgelegt sein.

Die Frequenz oder das Frequenzspektrum des Schallwellensendesignals S wird so gewählt, dass die einzige Trägerfrequenz oder der überwiegende Anteil des Frequenzspektrums eines spektral breiteren Schallwellensendesignals S, wie eines Chirp-Impulses nach Fig. 3, unterhalb der unteren Grenzfrequenz f _c der ersten Obermode liegt, die in der Rohrleitung ausbreitungsfähig ist. Da man üblicherweise das Schallwellensendesignal S in eine Hauptrohrleitung mit einem über einen längeren Bereich konstanten Durchmesser einkop- peln wird, kann die Frequenz beziehungsweise das Frequenzspektrum des Schallwellensendesignals S an diesen Bereich des Rohrleitungssystems angepasst werden.

Soll beispielsweise ein Rohrsystem untersucht werden, welches überwiegend einen Durchmesser von 200 mm aufweist, so ergibt sich für die untere Grenzfrequenz der ersten Obermode ein Wert von f _c = 0,586-c/D ~ 1 kHz. Dementsprechend kann der in Fig. 3 dargestellte Chirp-Impuls in diesem Fall ein Frequenzspektrum von ca. 50 Hz bis 1 kHz aufweisen.

Soll ein Rohrleitungssystem mit größerem Durchmesser D untersucht werden, beispielsweise ein Rohrleitungssystem mit einem Durchmesser von D = 100 mm, so sollte ein geeigneter Chirp-Impuls zumindest mit dem überwiegenden Teil seines Spektrums unterhalb der kleineren Grenzfrequenz von ca. 2 kHz Hz liegen.

Die Vorrichtung 13 weist zum Erzeugen des Schallwellensendesignals S einen Schallwandler 15, beispielsweise in Form eines Lautsprechers, auf, der ein elektrisches Treibersignal mit den gewünschten Eigenschaften in das gewünschte Schallwellensendesignal S umwandelt.

Da das Schallwellensendesignal S eine Frequenz bzw. ein Frequenzspektrum aufweist, welches ausschließlich beziehungsweise überwiegend unterhalb der unteren Grenzfrequenz f _c der ersten im Rohrleitungssystem 1 ausbreitungsfähigen Obermode liegt, wird die Leistung des Schallwellensendesignals innerhalb der Rohrleitung überwiegend in der Grundmode geführt. Signalanteile, die bei der Einkopplung in die Rohrleitung Obermoden anregen, werden so stark gedämpft, dass sie bereits nach einer kurzen Strecke abgeklungen sind.

Da die akustische Grundmode in der Rohrleitung nahezu exakt die Schallgeschwindigkeit des freien Raums aufweist und unabhängig vom Material der Rohrwandung ist, kann das entsprechende Schallsignal dazu verwendet werden, um ausgehend von der Signallaufzeit mit hoher Genauigkeit eine bestimmte Position innerhalb der Rohrleitung zu bestimmen. Denn die Schallgeschwindigkeit c der Grundmode beziehungsweise der ebenen Welle ist in Abhängigkeit vom Medium bzw. der Zusammensetzung des Mediums und der Temperatur beziehungsweise der Dichte des Mediums mit hoher Genauigkeit bekannt. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit c einer ebenen Welle in Luft bei einer Temperatur von 20°C ca. 343 m/s.

Um die Signallaufzeit in einer Rohrleitung bzw. einem Abschnitt eines Rohrleitungssystems 1 zuverlässig zu messen, sollte dieses homogen mit einem Medium, beispielsweises Luft, gefüllt sein. Soll beispielsweise ein Abwasserrohrleitungssystem innerhalb eines Gebäudes oder im Hausanschlussbereich untersucht werden, so sollte die Rohrleistung abgesperrt und möglichst entleert werden. Auf diese Weise können Verfälschungen des Messergebnisses durch teilweise mit Abwasser gefüllte Rohrleitungsbereiche vermieden werden.

Wie in Fig. 1 dargestellt, verursachen bestimmte Merkmale innerhalb des Rohrleitungssystems 1 Reflexionen, so dass reflektierte Anteile des Schallwellensendesignals S in Richtung auf die Vorrichtung 13 zurückgeführt werden. Insbesondere erzeugen der Abzweig 9, der Krümmungsbereich 5 und das offene Ende 8 des zweiten geraden Abschnitts 7 des Rohrleitungssystems 1 reflektierte Signale, die mit S , S _r2 , S _r3 bezeichnet sind.

Diese Signalanteile werden am Einspeiseort, das hei ßt am Ort der Vorrichtung 13, mittels wenigstens eines Schallwandlers 17 erfasst (beispielsweise in Form eines Mikrofons), der Teil der Vorrichtung 13 ist. Die Schallwandler wandeln das detektierte Schallwellenempfangssignal E, welches durch die reflektierten Signalanteile SM , S _r2 , S _r3 am Einspeise- beziehungsweise Empfangsort gebildet sind, in ein elektrisches Signal um, welches dann einer Steuer- und Auswerteeinheit 18 der Vorrichtung 13 zugeführt wird (Fig. 7). An dieser Stelle sei bemerkt, dass für die Erzeugung des Schallwellensendesignals S und den Empfang der reflektierten Signalanteile S , S _r2 , S _r3 selbstverständlich ebenfalls eine komplexere, nicht dargestellte Schallwellensendeeinheit und eine komplexere Schallwellenempfangseinheit vorgesehen sein können, die Teil der Vorrichtung 13 sind. Die Schallwellensendeeinheit umfasst dabei den Schallwandler beziehungsweise Lautsprecher 15 und eine entsprechende elektronische Ansteuereinheit, beispielsweise zur Erzeugung eines elektrischen Chirp-Impulses, der vom Schallwandler 15 in den akustischen Chirp-Impuls gewandelt wird. Die Schallwellensendeeinheit kann (zumindest teilweise) in die Steuer- und Auswerteeinheit 18 integriert sein.

Die Schallwellenempfangseinheit umfasst den wenigstens einen Schallwandler 17 und kann zudem eine komplexere, nicht dargestellte Signalverarbeitungseinheit umfassen, insbesondere eine A/D-Wandlereinheit, welche das analoge elektrische Signal, welches von dem wenigstens einen Mikrofon 17 geliefert wird, mit einer vorbestimmten Abtastrate abtastet und in ein digitales Signal wandelt, welches dann der Steuer- und Auswerteeinheit 18 zur weiteren Verarbeitung zugeführt wird. Auch die Schallwellenempfangseinheit kann (zumindest teilweise, beispielsweise bis auf die Schallwandler 17) ebenfalls in die Steuer- und Auswerteeinheit 18 integriert sein.

Die Abtastrate für das Erfassen der reflektierten Signalanteile ist dabei so zu wählen, dass auch die Spektralanteile des durch die reflektierten Signalanteile S _r1 , S _r2 , S _r3 gebildeten Schallwellenempfangssignals E noch vollständig erfasst werden. Hierzu muss insbesondere das Abtasttheorem erfüllt sein, das heißt, die Abtastfrequenz für das Schallwellenempfangssignal muss doppelt so groß sein wie die maximale Frequenz des Schallwellensendesignals beziehungsweise doppelt so groß wie diejenige Frequenz des Schallwellenempfangssignals, die von der Schallwellenempfangseinheit noch aufgelöst werden soll. Aus dem Schallwellenempfangssignal E kann die Steuer- und Auswerteeinheit 18 dann mittels eines geeigneten Auswertverfahrens zumindest den Abstand eines Reflexionsortes ermitteln, welcher den zugehörigen reflektierten Signalanteil S _r1 , S _r2 oder S _r3 verursacht hat. Hierzu kann die Steuer- und Auswerteeinheit 18 die gesamte Laufzeit t _g bestehend aus der Laufzeit ti des Schallwellensendesignals S vom Einspeiseort zu dem betreffenden Reflexionsort und die Laufzeit t ₂ des reflektierten Signalanteils vom Reflexionsort zurück zum Einspeiseort beziehungsweise Empfangsort bestimmen. Mit der Schallgeschwindigkeit, die gegebenenfalls unter Berücksichtigung des Rohrdurchmessers und der Temperatur korrigiert werden muss, kann dann der Abstand des Reflexionsortes berechnet werden.

Zudem ist es möglich, wie nachstehend erläutert wird, nicht nur den Abstand eines Reflexionsorts, sondern auch die Art und gegebenenfalls weitere Merkmale des Reflexionsortes beziehungsweise der Reflexionsursache zu ermitteln.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, ist es selbstverständlich auch möglich, am offenen Rohrleitungsende eine weitere Schallwellenempfangseinheit 19 zu positionieren, deren Empfangssignal dann ebenfalls der Vorrichtung 13 beziehungsweise deren Steuer- und Auswerteeinheit 18 zugeführt wird. Dies kann entweder kabelgebunden oder drahtlos erfolgen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung 13 bzw. die Steuer- und Auswerteeinheit 18 auf einfache Weise die Länge der Rohrleitung 1 zwischen dem Einspeiseort und der Position der weiteren Schallwellenempfangseinheit 19 bestimmen. Die Länge ergibt sich dabei wiederum aus der gemessenen Laufzeit zwischen dem Schallwellensendesignal S und dem mittels der Schallwellenempfangseinheit 19 detektierten Empfangssignal und der Schallgeschwindigkeit c (diese wiederum korrigiert durch eine Berücksichtigung des Rohrdurchmessers und der Temperatur, falls erforderlich).

In gleicher weise kann das transmittierte Signal auch von einer innerhalb der Rohrleitung 1 beweglichen Schallwellenempfangseinheit 19 empfangen werden, wobei eine derartige Schallwellenempfangseinheit beispielsweise auf einem selbstfahrenden Roboter vorgesehen sein kann. Diese Schallwellenempfangseinheit kann dann auch über eine Auswerteeinheit verfügen, die aus einem ihr über ein Kabel oder drahtlos zugeführten elektrischen Signal, und dem detektierten Schallsignal die Laufzeit des akustischen Signals und hieraus aktuelle Position der Schallwellenempfangseinheit innerhalb der Rohrleitung 1 ermittelt. Diese Auswertung kann genauso erfolgen, wie vorstehend bzw. auch weiter unten beschrieben, wobei hier selbstverständlich nur eine Signalstrecke (vom Einspeiseort bis zur aktuellen Position der Schallwellenempfangseinheit) zu berücksichtigen ist.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 1 , wobei das Rohrleitungssystem 100 in diesem Fall lediglich eine gerade Hauptleitung 102 aufweist, von welcher drei Abzweige 104, 106, 108 abzweigen. Der Durchmesser der Hauptleitung 102 ist wiederum mit D gekennzeichnet. Die Durchmesser der abzweigenden Leitungen 105, 107, 109 der Abzweige 104, 106, 108 sind mit d bezeichnet. Im dargestellten Beispiel beträgt der Durchmesser d in etwa die Hälfte des Durchmessers D der Hauptleitung 102.

Wie in Fig. 2 dargestellt, kann mittels einer oder zweier unterschiedlicher Vorrichtungen 13 das Rohrleitungssystem 100 von beiden Seiten aus untersucht werden. Die in Fig. 2 links dargestellte Vorrichtung 13 koppelt das Schallwellensendesignal S an der Einspeiseposition am linken Rohrleitungsende in das Rohrleitungssystem 100 ein. Die Abzweige 104, 106, 108 erzeugen die reflektierten Signalanteile S , S _r2 , S _r3 . Diese werden von in Fig. 2 links dargestellten Vorrichtung 13 an der Einspeiseposition als Schallwellenempfangssignal E detektiert.

In gleicher weise koppelt die in Fig. 2 rechts dargestellte Vorrichtung 13 das Schallwellensendesignal S' an der Einspeiseposition am rechten Rohrleitungsende in das Rohrleitungssystem 100 ein. Die Abzweige 104, 106, 108 erzeugen die reflektierten Signalanteile S' _r3 , S' _r2 und S' . Diese werden von in Fig. 2 links dargestellten Vorrichtung 13 an der Einspeiseposition als Schallwellenempfangssignal E detektiert.

Die beiden Messungen mittels der beiden oder der einzigen Vorrichtung 13 erfolgen selbstverständlich zeitlich nacheinander, um eine gegenseitige Beeinflussung zu vermeiden. Die Messung und Auswertung erfolgt in gleicher Weise, wie zuvor in Verbindung mit der Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschrieben. Mit etwas mehr Aufwand lässt sich jedoch auch eine gleichzeitige Messung realisieren, beispielsweise durch die Verwendung von orthogonal modulierten Sendesignalen, die dann beim Detektieren voneinander getrennt werden können.

Durch die Messung von beiden Seiten ergibt sich der Vorteil, dass von der jeweiligen Einspeisestelle weiter entfernt liegende Reflexionsorte mit höherer Genauigkeit erfasst werden können, wenn die beiden Messergebnisse„übereinandergelegt" werden, wobei hierzu selbstverständlich eines der Messergebnisse beziehungsweise Auswertungsergebnisse „gespiegelt" werden muss (das heißt es gilt dann beispielsweise für eine„Spiegelung des Schallwellenempfangssignals E': E'(ti _g -t _g ) = E(t _g ), wenn ti _g die gesamte Signallaufzeit hin und zurück über die gesamte Länge l _g der Hauptleitung 102 bezeichnet). Als Maß für die korrekte Signallaufzeit t _g kann das genaue Aufeinanderpassen des ausgewerteten Reflexi- onssignals von der einen Seite und des ausgewerteten und gespiegelten Reflexionssignals von der anderen Seite dienen.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Auswertung des Schallwellenempfangssignals, welches die reflektierten Signalanteile umfasst, näher erläutert.

Wie bereits vorstehend erläutert, wird mittels der Vorrichtung 13 ein Schallwellensendesig- nal S, wie es beispielsweise in Fig. 3 in Form eines Chirp-Impulses dargestellt ist, an einer Einspeiseposition in das betreffende Rohrleitungssystem 1 , 100 eingespeist. Das durch die reflektierten Signalanteile S _r1 , S _r2 , S _r3 beziehungsweise S' _r1 , S' _r2 , S' _r3 erzeugte Schallwellenempfangssignal E wird am Einspeiseort, der gleichzeitig Detektionsort ist, von der Vorrichtung 13 empfangen und ausgewertet. Die von der Vorrichtung 13 umfasste Schallwellenempfangseinheit umfasst wenigstens einen Schallwandler, beziehungsweise ein Mikrofon 17, zur Erzeugung eines elektrischen Empfangssignals, welches anschließend analog/digital gewandelt wird. Ein derartiges beispielhaftes Schallwellenempfangssignal E zeigt Fig. 4.

Anstelle eines einzigen Schallwandlers 17 können auch mehrere Schallwandler vorgesehen sein (beispielsweise zwei Schallwandler wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt), die so angeordnet sind, dass sie in einer Querschnittsebene liegen, in welcher das Schalldruckfeld der ersten oder höherer Obermoden unterschiedliche Vorzeichen aufweisen. Durch die vorzeichenrichtige Überlagerung der betreffenden (elektrischen) Schallwellenempfangssignale kann dann der Empfang höherer Moden unterdrückt werden, die eventuell an den Reflexionsorten angeregt und in Form der reflektierten Signalanteile zum Detektionsort zurückgeführt werden. Auf diese Weise wird der Einfluss der Dispersion (die Obermoden weisen nicht mehr die Schallgeschwindigkeit der Grundmode auf) bei der Bestimmung der Signallaufzeiten und der reflektierten Anteile und damit bei der Bestimmung des Abstands des betreffenden Reflexionsorts vom Einspeiseort vermieden.

Das so ermittelte elektrische Schallwellenempfangssignal (vgl. Fig. 4) wird, wie vorstehend erläutert, mit dem (elektrischen) Schallwellensendesignal korreliert, d.h., es wird die Kreuzkorrelationsfunktion berechnet. Hierzu können selbstverständlich das (elektrische) Schallwellensendesignal S beziehungsweise das elektrische Ansteuersignal für die Schallwel- lensendeeinheit mit dem Schallwandler 15 und das Schallwellenempfangssignal E in digitaler Form vorliegen.

Die Berechnung der Korrelation kann entweder im Zeitbereich oder durch die Transformation des (elektrischen) Schallwellensendesignals mit dem (elektrischen) Schallwellenempfangssignal in den Frequenzbereich und entsprechender Rücktransformation erfolgen. Die Grundprinzipien einer derartigen Signalverarbeitung sind bekannt und müssen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Bei der Berechnung kann auch die gesamte Übertragungsfunktion von im Signalpfad liegenden Einheiten berücksichtigt werden, insbesondere die (Teil-) Übertragungsfunktionen der Schallwandler und der betreffenden elektrischen AnSteuereinheiten und ggf. elektrischen Filtereinheiten.

Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer derartigen Korrelation, wobei die dargestellte Kurve der Betrag der in den Zeitbereich rücktransformierten Korrelationsfunktion ist (die rücktransformierte Korrelationsfunktion kann ebenfalls eine komplexe Funktion im Zeitbereich sein). Der Betrag der zeitlichen Korrelationsfunktion ist hier bereits als Funktion des Abstands vom Einspeise- beziehungsweise Detektionsort aufgetragen. Der Abstand kann dabei durch die Verwendung einer gegebenenfalls korrigierten Schallgeschwindigkeit aus der Signallaufzeit ermittelt werden. Die Rücktransformation kann mit bekannten Methoden erfolgen, beispielsweise durch Wiener-Entfaltung.

Die in Fig. 5 dargestellte Kurve des Betrags des korrelierten Signals (genauer: der in den Zeitbereich rücktransformierten komplexen Korrelationsfunktion) zeigt im Anfangsbereich (bis ca. 2,5 m) einen Signalanteil (einen Reflexionspeak), der durch Reflexionen bei der Einkopplung des Schallwellensendesignals S in das Rohrleitungssystem entsteht. Dieser kann bei der Signalauswertung vernachlässigt werden. Daneben zeigt die Kurve in Fig. 5 jedoch auch reflektierte Signalanteile im Bereich von ca. 6,3 m, im Bereich von ca. 10,6 m, im Bereich von ca. 12,5 m, im Bereich von ca. 16,9 m und im Bereich von ca. 18,8 m.

Bei dem Signal in Fig. 5 handelt es sich um ein Messergebnis an einem nicht näher dargestellten realen Rohrleitungssystem und nicht um ein ausgewertetes Schallwellenempfangssignal im Fall der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Rohrleitungssysteme 1 , 100. Zu jedem der in Fig. 5 dargestellten Reflexions-Peaks kann durch die Bestimmung des Maximums des Reflexions-Peaks der Abstand des zugehörigen Reflexionsorts, beispielsweise eines Abzweigs oder einer Durchmesserveränderung der betreffenden Rohrleitung, vom Einspeiseort ermittelt werden.

Neben der Bestimmung des Abstands eines Reflexionsorts vom Einspeise- beziehungsweise Detektionsort kann aus dem korrelierten Signal auch auf die Art der Unstetigkeitsstelle am betreffenden Reflexionsort geschlossen werden. Hierzu kann der betreffende Reflexi- ons-Peak aus dem korrelierten Signal (im Zeitbereich bzw. als Funktion des Orts, wenn die erfasste Laufzeit mit der (korrigierten) Schallgeschwindigkeit in einen Ort bzw. einen Abstand vom Einspeiseort umgerechnet wurde) mit einer ausreichenden Breite ausgeschnitten werden, um alle relevanten Signalanteile, die durch den betreffenden Reflexionsort verursacht wurden zu erfassen. Aus der Form des Reflexions-Peaks des korrelierten (zeit- oder ortsabhängigen) Signals kann dann versucht werden, durch einen Vergleich mit zuvor empirisch oder theoretisch bestimmten Mustersignalen die Art der Unstetigkeitsstelle und ggf. weitere quantitative Merkmale der betreffenden Unstetigkeitsstelle zu bestimmen.

Allerdings ist die Empfindlichkeit des korrelierten Signals im Zeitbereich gegenüber unterschiedlichen Reflexionsursachen noch relativ gering. Es wird daher der ausgeschnittene Reflexions-Peak in den Frequenzbereich transformiert und der spektrale Verlauf der Amplitude und/oder der Phase (beziehungsweise des Real- und/oder Imaginärteils des transformierten Reflexions-Peak mit entsprechend vorab empirisch oder theoretisch ermittelten Musterverläufen verglichen.

Als Beispiel für unterschiedliche Amplitudenspektren von entsprechend unterschiedlichen Reflexions-Peaks zeigt Fig. 6 Beispiele für an einem offenen Rohrleitungsende an einer Rohrkrümmung beziehungsweise an einem Bogen und an einer einem Abzweig erzeugte reflektierte Signalanteile, die jeweils einen deutlich unterschiedlichen Verlauf aufweisen.

Für einen besseren Vergleich können die aus dem erfassten Signal ermittelten Amplitudenspektren von (ausgeschnittenen) Reflexions-Peaks sowohl hinsichtlich der Frequenz als auch hinsichtlich der Amplitude normiert werden. Aus der Form des spektralen Verlaufs der Amplitude der Kurven in Fig. 6 kann dann durch einen entsprechenden Vergleich mit bekannten Musterverläufen auf die Art der Unstetigkeit geschlossen werden. Für den Vergleich der aus dem Empfangssignal ermittelten Kurvenverläufe mit den vorbekannten Kurvenverläufen kann beispielsweise wiederum ein Korrelationsverfahren verwendet werden.

Durch eine Bewertung der absoluten Signalamplitude (im Zeit- oder Frequenzbereich) kann beispielsweise der Reflexionsfaktor ermittelt werden. Daraus kann versucht werden, ein oder mehrere quantitative Merkmale der Reflexionsursache zu bestimmen, beispielsweise den Durchmesser des abzweigenden Rohrs, das Maß der Veränderung des Durchmessers, den Krümmungswinkel etc.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine Klassifikation der messtechnisch ermittelten und rechnerisch aufbereiteten Daten mittels neuronaler Netze durchzuführen. Diese Art der Datenklassifizierung ist bekannt, so dass an dieser Stelle hierzu keine detaillierten Ausführungen erforderlich sind.

Da sowohl zur möglichst exakten Bestimmung des Abstands eines Reflexions-Peaks vom Einspeise- beziehungsweise Detektionsort die Schallgeschwindigkeit mit ausreichender Genauigkeit bekannt sein muss und die Schallgeschwindigkeit insbesondere von der Temperatur innerhalb der Rohrleitung abhängt, ist in Fig. 7 eine weiter detaillierte Ausführungsform einer Vorrichtung 13 zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung dargestellt, welche zusätzlich eine Einrichtung zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit beziehungsweise der Temperatur des Mediums innerhalb der Rohrleitung aufweist. Die Einrichtung zur Messung der Schallgeschwindigkeit umfasst zwei Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 , 23, die in einem vorbestimmten Abstand L angeordnet sind. Jede der Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 , 23 kann einen einzigen Schallwandler aufweisen, der sowohl als Schallgeber als auch als Schallsensor arbeiten kann. Des Weiteren ist es selbstverständlich ebenfalls möglich, jeweils einen Schallwandler zu verwenden, der als Schallsender arbeitet und einen zweiten Schallwandler, der nur als Schallsensor arbeitet.

Die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 können ebenfalls von der Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung 13 angesteuert werden beziehungsweise liefern die detek- tierten elektrischen Signale an die Steuer- und Auswerteeinheit, die dann die weiteren erforderlichen Auswertungen vornimmt. Zur Messung der Schallgeschwindigkeit kann die Steuer- und Auswerteeinheit zunächst die Schallwellensende- und Empfangseinheit 21 so ansteuern, dass ein Schallwellensendesig- nal erzeugt wird, welches in Richtung auf die Schallwellensende- und Empfangseinheit 23 gesendet wird. Die Schallwellensende- und Empfangseinheit 23 empfängt das Schallsignal und wandelt dieses in ein elektrisches Signal um. Das elektrische Signal wird der Steuer- und Auswerteeinheit 18 der Vorrichtung 13 zugeführt.

Die Steuer- und Auswerteeinheit 18 kann dann die Signallaufzeit über die vorbekannte Strecke L durch eine Auswertung der Phasen des Sendesignals und des Empfangssignals oder direkt durch die Messung der Laufzeit eines Impulses (beispielsweise durch die Messung der Zeitdifferenz der jeweils vorderen Flanken eines Schallimpulses) ermitteln.

Für die Messung der Schallgeschwindigkeit wird vorzugsweise ein Schallsignal im Ultraschallbereich verwendet, da das erzeugte Schallfeld gut durch eine ebene Welle beschrieben werden kann. Es wird daher die Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle innerhalb der Rohrleitung ermittelt (in anderen Worten: Die Wellenlänge des für die Messung der Schallgeschwindigkeit verwendeten Schallwellensendesignals muss klein gegen den Innendurchmesser der Rohrleitung sein, um den Einfluss der Rohrleitung auf die Schallgeschwindigkeit zu vermeiden; vorzugsweise ist die Wellenlänge kleiner als ein Fünftel des Innendurchmessers, besser noch kleiner als ein Zehntel des Rohrdurchmessers).

In gleicher weise kann die Steuer- und Auswerteeinheit 18 die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 23 beziehungsweise 21 so ansteuern beziehungsweise die Auswertung so vornehmen, dass die Laufzeit eines von der Schallwellensende- und Empfangseinheit 23 erzeugten Signals und von der Schallwellensende- und Empfangseinheit 21 detektierten Signals erfasst und hieraus die Schallgeschwindigkeit bestimmt wird.

Durch die Erfassung der Laufzeit ti in Richtung auf die Schallwellensende- und Empfangseinheit 23 als auch der Laufzeit t ₂ eines Signals in Richtung auf die Schallwellensende- und Empfangseinheit 21 ergibt sich die Möglichkeit, hieraus nicht nur die Schallgeschwindigkeit c bei der gegebenen Temperatur innerhalb einer Rohrleitung zu messen, sondern auch die Geschwindigkeit des Mediums, beispielsweise der Luft, innerhalb der Rohrleitung. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich dabei nach der Beziehung c = l_/2-(t + t ₂ )/(t _r t ₂ ). Die Geschwindigkeit v des Mediums innerhalb der Rohrleitung ergibt sich nach der Beziehung v = l/2-(t ₂ - ti)/(t _r t ₂ ).

Die so ermittelte Schallgeschwindigkeit c bei der gegebenen Temperatur kann dann von der Steuer- und Auswerteeinheit unmittelbar zur Umrechnung der erfassten Gesamtlaufzeit (Laufzeit des Schallwellensendesignals vom Einspeiseort bis zum Reflexionsort plus Laufzeit des reflektierten Signalanteils vom Reflexionsort zum Einspeiseort beziehungsweise Detektionsort) in einen Abstand l _R vom Einspeise- und Detektionsort verwendet werden. Hierfür ergibt sich die Beziehung l _R = t _g (c ² - v ² )/(2 c), wobei mit t _g die Gesamtlaufzeit bezeichnet ist, also die Laufzeit des Schallwellensendesignals zum Reflexionsort und die Laufzeit des reflektierten Signalanteils im Empfangssignal E zum Einspeiseort.

Da, wie vorstehend erläutert, möglichst die temperaturabhängige Schallgeschwindigkeit einer ebenen Welle innerhalb der Rohrleitung und auch die Geschwindigkeit des Mediums (beispielsweise die Windgeschwindigkeit) innerhalb der Rohrleitung erfasst werden soll, sind die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 , 23 an einem Arm 25 angeordnet, der an der Frontseite der Vorrichtung 13 vorgesehen ist. Damit kann zumindest der Arm 25 mit den Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 , 23 ausreichend weit in die betreffende Rohrleitung eingeführt werden.

Im Folgenden werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Innendurchmessers D einer Rohrleitung 3 (Fig. 8) beschrieben, wobei hierzu ebenfalls eine Ultraschallmesseinrichtung eingesetzt wird. Die Fig. 7 und 8 zeigen eine Vorrichtung 13 mit drei weiteren Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 , die entlang des Umfangs des Arms 25 in einem Winkelabstand von ca. 120° angeordnet sind. Diese Anordnung ist jedoch in weiten Grenzen beliebig.

In axialer Richtung sind die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 so am Arm 25 angeordnet, dass sie ausreichend weit in die betreffende Rohrleitung eingeführt werden können, um mittels jeweils eines radial abgegebenen Schallwellensendesignals den Abstand der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit von der Rohrinnenwandung zu bestimmen. Die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 können genauso ausgebildet sein wie die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 21 , 23, so dass auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen werden kann.

Die Abstandsmessung erfolgt ebenfalls mit Schallsignalen, die vorzugsweise im Ultraschallbereich liegen, um eine ausreichende Auflösung zu gewährleisten. Jede der Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 kann (jeweils zeitlich nacheinander) ein Schallwellensendesignal erzeugen, welches in radialer Richtung abgestrahlt wird. Das von der Rohrinnenwandung reflektierte Signal wird von der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit detektiert. In Folge der relativ kleinen zu messenden Abstände bietet es sich an, zur Bestimmung der Signallaufzeit die Phasendifferenz zwischen dem Schallwellensendesignal und dem reflektierten Signal zu messen und aus der bekannten (konstanten) Signalfrequenz im Ultraschallbereich die Laufzeit zu bestimmen. Da in diesem Fall gleichzeitig das Senden des Schallwellensendesignals und das Detektieren des Empfangssignals erfolgen muss, weisen die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 vorzugsweise jeweils zwei Schallwandler auf, wobei einer der Schallwandler als Schallgeber und der andere Schallwandler als Schallsensor arbeitet.

Mit der zuvor gemessenen Schallgeschwindigkeit bei der gegebenen Temperatur kann dann der Abstand der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit 27, 29, 31 von der Rohrinnenwandung hochgenau bestimmt werden.

Falls der Arm 25 mit ausreichender Genauigkeit koaxial im Rohr beziehungsweise Rohrabschnitt 3 positioniert werden kann, so ist es möglich, den Rohrdurchmesser D aus jedem der bestimmten Abstände der Rohrinnenwandung von der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit 27, 29, 31 und dem bekannten Abstand der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit 27, 29, 31 von der Achse des Arms 25 (beziehungsweise der Achse des Rohrs 3) zu bestimmen. Durch eine Mittelung der auf diese Weise bestimmten drei Rohrdurchmesser kann eine Verbesserung der Genauigkeit erreicht werden. Allerdings gilt dies nur, wie vorstehend ausgeführt, für eine ausreichend genaue koaxiale Positionierung des Arms 25 beziehungsweise der Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 innerhalb des Rohrs 3. Der Rohrdurchmesser lässt sich jedoch auch dann mit ausreichender Genauigkeit bestimmen, wenn der Arm 25 beziehungsweise die Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 beliebig exzentrisch im Rohr 3 positioniert sind. Es werden dann jeweils Tripel von Abständen der betreffenden Schallwellensende- und Empfangseinheit 27, 29, 31 von der Innenwandung des Rohrs 3 bestimmt. Diese Tripel von Messwerten können als dreidimensionale Vektoren aufgefasst werden.

Da für einen bestimmten Rohrdurchmesser sämtliche möglichen Positionen der Schallwellensende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 eine zweidimensionale Fläche im dreidimensionalen Vektorraum der möglichen Abstände bilden, und für jeden Rohrdurchmesser eine eigene derartige Fläche existiert, ist es möglich, ein durch Messung bestimmtes Messab- standstripel einer Fläche zuzuordnen. Dabei kann gezeigt werden, dass sich die Flächen für die unterschiedlichen Rohrdurchmesser nicht schneiden und demzufolge eine eindeutige Zuordnung möglich ist.

Auf diese Weise kann die Steuer- und Auswerteeinheit 18 zur Bestimmung des Rohrleitungsdurchmessers die Schallwellensende- und Empfangseinheit 27, 29, 31 zunächst so ansteuern, dass die einzelnen Abstände und damit ein Messwerttripel bestimmt werden. Das so bestimmte Abstandstripel kann dann einer bestimmten Fläche zugeordnet werden, wodurch der zur betreffenden Fläche zugehörige Rohrdurchmesser bestimmt ist. Der Steuer- und Auswerteeinheit 18 können zur Beschreibung der zweidimensionalen Flächen im dreidimensionalen Vektorraum entweder analytische Abhängigkeiten bekannt sein oder es können Stützpunkte für jede Fläche gespeichert sein, wobei Zwischenwerte der Fläche durch (nichtlineare) Interpolation bestimmbar sind. Sind die Messwerte so beschaffen, dass sich keine ausreichend exakte und eindeutige Zuordnung zu einer zweidimensionalen Fläche bestimmen lässt, kann eine Zuordnung zu der am nächsten liegenden Fläche, beispielsweise unter Ermittlung einer maximalen Wahrscheinlichkeit, erfolgen.

Dieses Verfahren ist selbstverständlich auch unter Verwendung von mehr als drei Schall- wellendsende- und Empfangseinheiten realisierbar. Dabei geben sich anstelle der Tripel n-Tupel beziehungsweise zweidimensionale Flächen in einem n-dimensionalen Vektorraum. Die Abstandsbestimmung erfolgt dann in analoger Weise. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass in der Praxis verfügbare Ultraschallgeber beziehungsweise Ultraschallsensoren eine relativ breite keulenförmige Strah- lungs- bzw. Empfindlichkeitscharakteristik aufweisen, die einen 3 dB Abfall erst bei einem Öffnungswinkel ± 30 °aufweisen. Bei einer exzentrischen Positionierung der Schallwellen- sende- und Empfangseinheiten 27, 29, 31 wird somit immer der kürzeste Abstand zur Rohrinnenwandung ermittelt, da derjenige Bereich der Fläche der Innenwandung des Rohrs 3 den stärksten Reflexionsbeitrag liefert, der senkrecht zur Laufrichtung der Wellenfront verläuft (eine im Wesentlichen deckungsgleiche Charakteristik des Schallgebers und des Schallsensors vorausgesetzt).

Da derartige Schallgeber beziehungsweise Schallsensoren im Ultraschallbereich bis in Frequenzbereiche über 100 kHz äu ßerst kostengünstig verfügbar sind, kann auf diese Weise der Rohrdurchmesser einfach, schnell und hochgenau bestimmt werden. Die hierzu erforderliche Rechenleistung ist in der Steuer- und Auswerteeinheit der Vorrichtung 13 bereits vorhanden. An dieser Stelle sei erwähnt, dass die Auswerte- und Steuereinheit 18 selbstverständlich entweder im Gehäuse der Vorrichtung 13 umfasst sein kann, welches in das Rohr beziehungsweise vor die Rohröffnung positioniert wird oder auch in einem separaten Gehäuse, wobei in diesem Fall die erforderliche Signalübertragung zwischen den beiden Vorrichtungsteilen entweder kabelgebunden oder drahtlos übertragen werden können. So ist es beispielsweise möglich, die Auswerte- und Steuereinheit in einem separaten Gehäuse, beispielsweise in Form eines PCs oder Prozessrechners zu realisieren, der kabelgebunden mit der eigentlichen Messeinheit in Verbindung steht, welche in die Rohrleitung eingebracht wird beziehungsweise vor die betreffende Rohröffnung positioniert wird.

Zusammenfassend kann somit festgestellt werden, dass mittels des vorstehend beschriebenen Verfahrens beziehungsweise der vorstehend beschriebenen Vorrichtungen eine einfache, schnelle und exakte Bestimmung zumindest des Abstands von Unstetigkeiten einer Rohrleitung und hierdurch gebildeten Reflexionsorten ermöglicht wird. Durch die Messung der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit und der Geschwindigkeit des Mediums im Rohrinneren wird die Genauigkeit noch verbessert. Durch die zusätzliche Bestimmung des Innendurchmessers der Rohrleitung im Einspeisebereich kann zum einen eine nochmals gesteigerte Genauigkeit der Bestimmung der Schallgeschwindigkeit der Grundmode erreicht werden und zum anderen kann der Durchmesser zur Berechnung der unteren Grenzfrequenz der ersten Obermode verwendet werden. Diese Grenzfrequenz kann zur Normierung der spektralen Verläufe (Amplitudenverlauf und/oder Phasenverlauf) von reflektierten Signalanteilen verwendet werden, wodurch auf einfache Weise ein Vergleich mit vorbekannten Mustern und eine Klassifizierung der Reflexionsursachen möglich ist.

Des Weiteren kann aus der Amplitude der bestimmten reflektierten Signalanteile im Zeitbereich oder aus den auf die Grenzfrequenz normierten Verläufen der Amplitude und/oder der Phase im Frequenzbereich nicht nur auf die Art der Unstetigkeit (Abzweig, Krümmung, Änderung des Rohrdurchmessers) geschlossen werden, sondern es können auch quantitative Aussagen über bestimmte Eigenschaften der Unstetigkeit getroffen werden. Beispielsweise kann aus diesen Daten unter Verwendung bestimmter zuvor empirisch oder theoretisch ermittelter charakteristischer Werte oder Signalverläuft auf den Durchmesser eines abzweigenden Rohrs, auf das Ausmaß einer Änderung des Durchmessers oder den Winkel einer Krümmung geschlossen werden.

Bezugszeichenliste

I Rohrleitungssystem

3 erster gerader Abschnitt

5 Krümmungsabschnitt

7 zweiter gerader Abschnitt

8 offenes Ende des Abschnitts 7

9 Abzweig

I I abzweigendes Rohr

13 Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften einer Rohrleitung

15 Schallwandler, Lautsprecher

17 Schallwandler, Mikrofon

18 Steuer- und Auswerteeinheit

19 Schallwellenempfangseinheit

21 Schallwellensende- und Empfangseinheit

23 Schallwellensende- und Empfangseinheit

25 Arm

27 Schallwellensende- und Empfangseinheit

29 Schallwellensende- und Empfangseinheit

31 Schallwellensende- und Empfangseinheit

100 Rohrleitungssystem

102 Hauptleitung

104 Abzweig

105 abzweigende Leitung

106 Abzweig

107 abzweigende Leitung

108 Abzweig

109 abzweigende Leitung

D Innendurchmesser der Hauptrohrleitung

d Innendurchmesser der abzweigenden Rohrleitung 1 1

S, S' Schallwellensendesignal S _r1 ; S' _r1 reflektierter Signalanteil

S _r2 ; S' _r2 reflektierter Signalanteil

S _r i ; S' _r3 reflektierter Signalanteil

E, E' Schallwellenempfangssignal

L vorbekannte Strecke zur Bestimmung der Schallgeschwindigkeit

I Abstand vom Einspeise- und Detektionsort