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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Fehlerortungsvorrichtung und
ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Fehlers in einem
Kabel.
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Bei
unterirdischen Erdkabeln oder -rohren (die häufig als "Versorgungskabel/-leitungen" bezeichnet werden)
treten manchmal Fehler auf, und diese Kabel/Rohre sind nicht immer
eindeutig in Plänen
gekennzeichnet, insbesondere, wenn nicht erst vor kurzem verlegt
worden sind.
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Eine
genaue Fehlerortung ist im Interesse der Reduzierung des Maßes an Grabungsarbeit
zum Reparieren des Kabels wünschenswert.
Bei unterirdischen Kabeln kann eine Anzahl von unterschiedlichen
Fehler auftreten. Einige Beispiele dafür sind:
- – Leistungsunterbrechung;
- – Kurzschluss
mit einer anderen Leitung;
- – Kurzschluss
mit der Abschirmung; und
- – Kurzschluss
mit Erde, der auch als Mantelfehler bekannt ist, da die Kabelummantelung
gebrochen ist.
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Ein
Fehler von primärem
Interesse ist der Mantelfehler. Ein übliches Verfahren zum Detektieren der
Fehlerstelle ist die Verwendung einer Erdsonde zum Suchen der maximalen
Signalstärke.
Dies funktioniert, da die Erde ein Volumenleiter ist und der Fehlerstrom
nahe dem Fehler dichter ist als weiter von diesem entfernt. Der
maximale Strompunkt befindet sich in größter Nähe zu dem Fehler. Ein Nachteil
dieses Verfahrens liegt darin, dass es nicht mög lich, die zu dem Fehler führende Richtung
zu bestimmen, und man muss sich hin- und herbewegen, um herauszufinden,
ob man sich dem Fehler nähert
oder von diesem wegbewegt. Es ist möglich, dieser Einschränkung zu
durch verschiedene Verfahren begegnen.
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Bei
einem Verfahren wird eine hohe Gleichspannung zum Bewirken eines
Ausschlags eines Gleichspannungsmessers verwendet. Die Ausschlagsrichtung
zeigt die Richtung an, in der der Fehler liegt, da der Stromfluss
immer von dem Fehler weg gerichtet ist. Die Nachteile dieses Verfahrens
liegen darin, dass im Boden häufig
Gleichstrom-Offsets auftreten, die zu falschen Ablesewerten führen können, und
die meisten kabelverbundenen Einrichtungen sind gegenüber hohen
Gleichspannungspegeln nicht tolerant.
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Ein
weiteres Verfahren besteht in der Verwendung eines sehr hohen Spannungsimpulses
zum Erzeugen eines Ausschlags eines Messgeräts. Die Ausschlagsrichtung
zeigt die Richtung an, in der der Fehler liegt. Die Nachteile dieses
Verfahrens liegen darin, dass es bei nassem Boden unzuverlässig ist und
der Spannungsimpuls die Kabelisolierung oder die angeschlossenen
Vorrichtungen beschädigen kann.
Der Vorteil gegenüber
dem Gleichspannungsverfahren besteht darin, dass es durch lokalen Gleichstrom
oder sehr niederfrequente Wechselströme im Boden verursachte Probleme
reduziert.
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Ein
weiteres Verfahren umfasst das Hinzufügen eines höherfrequenten Trägersignals,
das von einer Antenne aufgefangen wird. Dieses wird verarbeitet
und mit dem Signal in der Erde verglichen, um die Polarität des Signals
in der Erde zu ermitteln. Dieses Verfahren bietet den Vorteil, dass
das Erdsignal ein Dauer-Wechselstromsignal sein kann. Der Nachteil
liegt darin, dass die Empfangsvorrichtung auf die Kabelfrequenz
eingestellt bleiben muss und höhere Frequenzen
einen niedrigeren Bereich haben.
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Bei
einem weiteren Verfahren werden mehrere zueinander harmonische Frequenzen
gleichzeitig für
den Versuch verwendet, die Richtung, in der der Fehler liegt, zu
berechnen. Die Phasenbeziehungen der Signale werden verglichen,
und das Vorzeichen der Abweichung zwischen ihnen wird zum Ermitteln
der Richtung, in der der Fehler liegt, verwendet. Das Vorzeichen
der Phasenabweichung ist gleich der Polarität des Signals, und somit kann
die Richtung berechnet werden. Die Vorteile dieses Verfahrens bestehen
darin, dass die Probleme mit Gleichstromsignalen verringert werden
und ferner der Empfänger
nicht auf ein externes Signal auf dem Kabel eingestellt zu bleiben
braucht. Der Nachteil liegt darin, dass durch Rauschen und Netz-Schaltsprünge verursachte
Fehler in Signalphasen zu fehlerhaften Ergebnissen führen können, durch
die der Benutzer der Vorrichtung in die falsche Richtung geführt wird.
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Ein
Verfahren zur Mantelfehlerortung mittels eines Senders und eines
erdsondenbasierten Empfängers
ist in 1 gezeigt.
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Es
wird unter Verwendung eines Generators 20 ein Signal an
einer geeigneten Zugangsstelle auf ein Kabel 14 gelegt.
Der Rückweg
für das
Signal ist die Erde. Die eigentliche verwendete Leitung ist diejenige
Leitung, in der der Mantelfehler auftritt, andernfalls gäbe es keinen
Rückstrom.
Der Fehler wird von einer Impedanz 22 zur Erde repräsentiert
und befindet sich an einer Stelle 23 am Kabel. In der Praxis ist
der Erdrückweg
komplex und hängt
von der Art des Bodens, dem Feuchtigkeitsgehalt, der Tiefe, in der
sich das Kabel befindet, und dem Vorhandensein weiterer Erdleitungen,
wie z.B. Wasserrohren aus Metall, ab.
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In
dem Dokument
US 3,299,351 ist
ein weiteres Verfahren zum Ermitteln der Fehlerstelle in einem unterirdischen
Kabel beschrieben. Bei diesem Verfahren wird ein aus einer Grundwelle
und einer zweiten Harmonischen gebildetes Signal an ein Kabel angelegt.
Das Signal an dem Kabel wird detektiert und in eine erste und eine
zweite Komponente geteilt. Die Frequenz der abgeteilten ersten Komponente wird
so konvertiert, dass sie gleich der Frequenz der zweiten Komponente
ist Die Phasebeziehung zwischen der konvertierten Frequenz und der
Frequenz der abgeteilten zweiten Komponente wird verglichen, um
eine die Fehlerstelle anzeigende Phasenänderung zu detektieren.
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Eine
Erdsonde 24, die von einem Spannungsmesser gebildet wird,
wird zum Messen des Spannungspotentials in der Erde zwecks Ermittlung der
Richtung von der Erdsonde zu dem Fehler verwendet. Diese weist zwei
Erdsondenelemente 24a, 24b auf, welche voneinander
beabstandet in der Erde positioniert sind, wobei die Sonde erforderlichenfalls
zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Stellen in der Erde bewegt
wird, an denen die Sonden in die Erde eintreten, und es erfolgt
ein Ablesen an dem Spannungsmesser.
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In
der Nähe
des Fehlers verzweigen sich die Erdströme von dem Fehler aus. Aufgrund
dessen kann die Erdsonde die Richtung, in der der Fehler liegt,
von beiden Seiten des Fehlers her korrekt identifizieren. Direkt über dem
Fehler gibt es kein Signal, und die Ermittlung der Fehlerstelle 23 erfolgt
durch Ermitteln derjenigen Stelle, an der die Sonde dieses Ergebnis
liefert. Dies ist in 2 gezeigt, in der die Ströme, die
sich an dem Fehler von dem Kabel 14 aus verzweigen, schematisch
durch Pfeile 26 dargestellt sind, und die Polaritäten des
an dem Spannungsmesser detektierten Signals bei Positionierung entlang
der Länge
des Kabels, jedoch auf entgegengesetzten Seiten des Fehlers, sind
als relativ zueinander umgekehrt dargestellt. Es wird kein Signal
detektiert, wenn der Spannungsmesser an der Fehlerstelle positioniert
ist, und dadurch wird der Fehler geortet.
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Zum
Reduzieren von Verlusten aufgrund der Kabelkapazität werden
niedrige Frequenzen bevorzugt. Frequenzen im Normalbetriebsbereich
des Kabels können
jedoch Übersprechen
und Interferenz mit anderen Kabeln verursachen. Folglich können Frequenzen
unterhalb von 300 Hz oder oberhalb von 3,4 kHz bevorzugt sein. Frequenzen
unterhalb von 300 Hz liegen jedoch nahe bei den Harmonischen und
Grundschwingungen der Netzfrequenz-Übertragungseinrichtung. Folglich
können
Signale, die gut unter 50/60 Hz liegen, die am stärksten bevorzugten sein.
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Es
gibt drei grundlegende Verfahren, die zum Anzeigen der Richtung,
in der der Fehler liegt, angewendet werden können:
- – Gleichstrom-Offset;
- – Kabelträgerfrequenz
und/oder Locked Carrier Reference; und
- – Phasenabweichung.
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Das
Gleichstrom-Offset-Verfahren umfasst entweder das Anlegen einer
hohen Gleichspannung an das Kabel oder die Verwendung eines großen Pseudoimpulses.
Letzteres wird bevorzugt, da dies weniger empfindlich gegenüber lokalem
Gleichstrom und niederfrequenten Wechselströmen ist, bei beiden Verfahren
ist jedoch der Bereich bei Nässe
begrenzt und besteht die Möglichkeit
der Beschädigung des
Kabels.
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Das
Kabelträgerfrequenz-
und/oder Locked-Carrier-Reference-Verfahren umfasst das Verriegeln
einer On-Board-Referenz an dem Sender. Dies kann auf einfachste
Weise durch Senden eines Trägersignals
durch dasselbe Kabel und Auffangen des Trägersignals von einer Antenne
erfolgen. Alternativ kann ein funkbasiertes Trägersystem verwendet werden.
Bei einem weiteren Verfahren wird der Empfänger mit dem Sender verriegelt
und wird die Verriegelung unter Verwendung eines Oszillators mit sehr
niedriger Drift aufrechterhalten. In der Praxis ist ein Oszillator
mit sehr niedriger Drift, der mit einem auf einem Kabel geführten Signal
verriegelt ist, einfacher realisierbar. Der Nachteil liegt darin,
das das auf dem Kabel geführte
Signal eine ausreichend hohe Frequenz aufweisen muss, um von einer
Kompaktantenne leicht aufgefangen zu werden, und dadurch kommt es
in das oder in die Nähe
des Sprachbands. Signale im Sprachband werden von Telekommunikationsbetreibern
nicht geschätzt,
und bei höheren
Frequenzen ist es aufgrund der kapazitiven Effekte im Kabel schwieriger,
diese phasenausgerichtet zu halten.
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Das
Phasenabweich-Verfahren umfasst die Verwendung von mehr als einer
Frequenz und das Messen der Richtung der Phasenabweichung zwischen
den beiden Signalen. Wenn die Richtung der Abweichung in eine Polarität geht,
liegt der Fehler in einer Richtung, andernfalls liegt er in der
anderen Richtung. Bei diesen Verfahren können Phasenverzerrung oder
Rauschen zu fehlerhaften Ergebnissen führen und sogar die Richtung
umkehren. Niedrigere Frequenzen werden zum Verbessern des Bereichs und
Reduzieren der Phasenverzerrung aufgrund von kapazitiven Effekten
bevorzugt, aufgrund der großen Nähe zu den
Netzfrequenzen und ihren Harmonischen ist jedoch eine beträchtliche
Filterung erforderlich. Es ist schwierig, Filter phasenverschiebefrei auszuführen, und
Bandpassfilter mit hoher Leistung können bei Vorhandensein von
Rauschen und Schaltübergängen klingeln,
was zu Fehldetektierungen und fehlerhaften Detektionsergebnissen
führt. Zumindest
ist eine sorgfältige
Phasenausrichtung erforderlich.
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In
sämtlichen
oben beschriebenen Fällen
ist es schwierig, darauf zu vertrauen, dass der Benutzer die Ergebnisse
korrekt interpretiert und weiß,
wann unerwünschte
Ablesewerte zu ignorieren sind.
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Bei
dem Gleichstromverschiebe-Verfahren unter Verwendung von Hochspannungs-Pseudoimpulsen
ist es erforderlich, dass der Operator langsam driftende Messgerätebewegungen
ignoriert und ein durch die Spannungsspitze hervorgerufenes charakteristisches
Flackern erkennt. Ein akustisches Feedback von dem Sender hilft
ebenfalls bei naheliegenden Fehlern. Wenn der Signalpegel abgesunken
ist, ist es für
einen Operator leider schwierig, das Zufallsrauschen von dem Signal,
das dann wahrscheinlich winzig ist, zu unterscheiden.
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Die
Kabelträgerfrequenz-Systeme
und die Phasenabweich-Systeme stellen ein im Wesentlichen gleiches
Problem dar. Wenn der Signalpegel absinkt, kann sich der Messgeräteanzeiger
sporadisch in beide Richtungen be wegen, und es ist für den Operator
schwierig, das Ergebnis objektiv zu interpretieren.
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Einige
Systeme versuchen, dem Benutzer eine Vorstellung von dem Signalpegel
zu geben, dies kann jedoch auch irreführend sein. Ein schwaches Signal
in einem ruhigen Bereich kann viel nützlicher sein als ein starkes
Signal in einem stark rauschbehafteten Bereich, wie z.B. nahe einer
Netz-Unterstation oder einer Eisenbahnlinie mit Gleiskreisen, die zum
Detektieren vorbeifahrender Züge
aktiviert sind. Bei Systemen, die Signale ignorieren, wenn der Pegel
abgesunken ist, geht ein Teil des Bereiches verloren.
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Die
Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Ermitteln einer Fehlerstelle
in einem unterirdischen Kabel, die einen Erd-Kriechweg von einem
innenliegenden Leiter zur Erde an der Fehlerstelle erzeugt, wodurch
bei Anlegen eines Signals an den Leiter ein Erd-Kriechsignal zwischen
Erde und dem Leiter an der Fehlerstelle verläuft, wobei das angelegte Signal ein
Mehrfrequenzsignal mit mindestens zwei Frequenzkomponenten ist,
wobei die Vorrichtung eine Sondeneinrichtung zum Empfangen des Erd-Kriechsignals
aufweist, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Vorrichtung aufweist:
eine Einrichtung zum Gleichrichten einer ersten Komponente des Erd-Kriechsignals,
die einer Frequenzkomponente des angelegten Signals entspricht,
eine Einrichtung zum Multiplizieren der gleichgerichteten ersten
Komponente des Erd-Kriechsignals mit einer zweiten Komponente des
Erd-Kriechsignals, die einer weiteren Frequenzkomponente des angelegten
Signals entspricht, und eine Einrichtung zum Ermitteln der Richtung
von der Vorrichtung zu dem Fehler aus dem Ergebnis der Multipliziereinrichtung.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Detektieren und Entfernen
von durch externe Interferenzen, wie z.B. Schaltsprünge, hervorgerufenen
Artefakten auf.
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Vorzugsweise
weist die Vorrichtung eine Einrichtung zum Ermitteln einer Verlässlichkeitsanzeige auf,
die das Maß an
Zuverlässigkeit
des Ergebnisses anzeigt. Die letztgenannte Einrichtung kann zum
Ermitteln der Verlässlichkeitsanzeige
durch Anlegen ausgewählter
Kriterien an das Ergebnis verwendet werden, wie z.B. des Verhältnisses
zwischen maximalen positiven und negativen Abweichungen des Ergebnisses
und/oder des Signal-Rausch-Verhältnisses
des detektierten Signals und/oder der absoluten Signalstärke des
detektierten Signals und/oder der Signalkomponenten.
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Die
Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Ermitteln einer Fehlerstelle
in einem unterirdischen Kabel, wobei ein Signal an das Kabel angelegt wird,
um das Erzeugen eines Erd-Kriechsignals von einem innenliegenden
Leiter des Kabels zur Erde an der Fehlerstelle zu bewirken, wobei
das angelegte Signal ein Mehrfrequenzsignal mit mindestens zwei Frequenzkomponenten
ist; und zum Empfangen des Erd-Kriechsignals, der dadurch gekennzeichnet
ist, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: Gleichrichten
einer ersten Komponente des Erd-Kriechsignals, die einer Frequenzkomponente des
angelegten Signals entspricht, Multiplizieren der gleichgerichteten
ersten Komponente des Erd-Kriechsignals mit einer zweiten Komponente
des Erd-Kriechsignals, die einer weiteren Frequenzkomponente des
angelegten Signals entspricht, und Ermitteln der Richtung von der
Vorrichtung zu dem Fehler aus dem Multiplikationsergebnis.
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Ein
Teil oder die gesamte Signalverarbeitung kann unter Steuerung einer
geeigneten Software digital erfolgen. Die Erfindung schafft ferner
Verfahren zum Ermitteln einer Fehlerstelle in einem unterirdischen
Kabel, wobei ein Signal an das Kabel angelegt wird, um das Erzeugen
eines Erd-Kriechsignals von einem innenliegenden Leiter des Kabels
zur Erde an der Fehlerstelle zu bewirken, wobei das angelegte Signal
ein Mehrfrequenzsignal mit mindestens zwei Frequenzkomponenten ist;
und zum Empfangen des Erd-Kriechsignals, und zum Gleichrichten einer
ersten Komponente des Erd-Kriechsignals, die einer Frequenzkomponente
des angelegten Signals entspricht, und Multi plizieren der gleichgerichteten
ersten Komponente des Erd-Kriechsignals mit einer zweiten Komponente
des Erd-Kriechsignals, die einer weiteren Frequenzkomponente des
angelegten Signals entspricht, so dass das Multiplikationsergebnis
dann die Richtung von der Vorrichtung zu dem Fehler repräsentiert.
Die Multiplikation kann als Array-Multiplikation eines Satzes von
zeitlich voneinander beabstandeten Abtastungen der ersten und zweiten
Komponenten des Erd-Kriechsignals erfolgen.
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Die
Erfindung wird beispielhaft anhand der beiliegenden Zeichnungen
genauer erläutert.
Es zeigen:
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1 und 2 allgemeine
Prinzipien einer Fehlerortung in einem Kabel;
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3 ein
Wellenformdiagramm mit Darstellung von zur Fehlerstellendetektion
mit einer erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung
an ein Kabel angelegten Wellenformen
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4 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung;
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5 ein
Wellenformdiagramm mit Darstellung von gemäß der Erfindung durchgeführten Signalmanipulationen;
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6, 7 und 8 Diagramme
mit Darstellung der Funktion der erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung;
und
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9 bis 12 Ablaufdiagramme
mit Beschreibung der Softwaremanipulation bei Betrieb einer erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung;
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13 Schritte
beim Berechnen von Verlässlichkeitsergebnissen
in einer erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung;
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14 eine
Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Fehlerortungsvorrichtung;
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15 eine
Seitenansicht der Fehlerortungsvorrichtung aus 14;
und
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16 eine
Draufsicht der Fehlerortungsvorrichtung aus 14.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
der zu beschreibenden Erfindung wird ein Sender verwendet, der bei
Betrieb mit einem Kabel verbunden ist und ein Mehrfrequenzsignal
an dieses anlegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden zwei
Frequenzkomponenten mit Frequenzen von 8 Hz bzw. 16 Hz angelegt.
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3 zeigt
eine an dem Sender erzeugte Wellenform und deren 8 Hz- und 16 Hz-Komponenten.
Hierbei wird die Spitze-zu-Erde-Amplitude der endgültigen 8
Hz + 16 Hz-Summenwellenform unter 150 V gehalten, wodurch weder
eine normale Telefonie-Kabelisolierung noch die meisten angeschlossenen
Vorrichtungen beeinträchtigt
werden. Es wird ein Faktor von 2 für die beiden Frequenzen verwendet. Es
können
andere Faktoren benutzt werden, aber dann wäre eine komplexere Funktion
als das Verwenden des Absolutwerts der niedrigeren Frequenz erforderlich
und das Wiederholintervall würde
sich erhöhen,
wodurch die Messrate verlangsamt würde. Ferner ist es bei Verwendung
höherer
Faktoren viel schwieriger, die Rausch- und Interferenzsignale auszufiltern,
insbesondere wenn unterhalb der normalen Netzfrequenzen gearbeitet
wird. Wenn unter 2 liegende Verhältnisse
verwendet werden, z.B. 3:2, werden Filterprobleme vermieden, komplexere
Funktionen und längere
Wiederholintervalle sind aber auch hier erforderlich. Eine Wahl
sollte am besten auf einem Gleichgewicht zwischen Filterung, Umgebungssignalen
und der zum Erfassen des Abtastwerts benötigten Zeit basieren. Bei 8
Hz werden 125 ms für eine
volle Wellenlänge
benötigt,
bei 4 Hz dauert es 250 ms und bei 0,1 Hz kann es zu übermäßig langen Verarbeitungszeiten
kommen.
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Die
Form der Sender-Wellenform ist, wie beschrieben, vorzugsweise relativ
einfach und im Wesentlichen nicht kritisch. Dies ist vorteilhaft,
da das Signal durch die Erde gesendet wird, die ein rauschbehaftetes
und schwer einschätzbares
Medium ist. Spezielle Merkmale können
verzerrt werden und ein komplexes spektrum- oder phasenbasiertes
Muster kann unerkennbar gemacht werden, insbesondere wenn sich der
Abstand von dem Fehler zu der Erdsonde vergrößert.
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4 zeigt
eine Erdsonde 32, die zum Durchführen der Erfindung geeignet
ist. Diese weist einen Differentialverstärker 34 zum Verstärken der Spannungsdifferenz
zwischen Erdsondenelementen 36 auf. Tiefpass- und Hochpassfilter 38, 40 der
fünften
Ordnung werden zum Eliminieren von Bandrauschen verwendet. Diese
sind auf 24 Hz bzw. 4 Hz eingestellt. Ein Kerbfilter 42 wird
ebenfalls zum Eliminieren von Netz-Primärfrequenzen beispielsweise
bei entweder 50 Hz oder 60 Hz verwendet. Das daraus resultierende
Signal wird am Verstärker 44 verstärkt und über zwei
Bandpassfilter 46, 48 transportiert, um die 8
Hz- und 16 Hz-Signalkomponenten zu isolieren. Ein (nicht gezeigter)
Laufzeitentzerrer wird zum Kompensieren der infolge der Verarbeitung
auftretenden Phasenverschiebung zwischen den Signalen verwendet.
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Wenn
die 8 Hz- und 16 Hz-Signale erfasst worden sind, werden sie von
einem Prozessor 50 verarbeitet.
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Zum
Ermitteln von Polaritätsinformationen von
den auf diese Weise extrahierten Wellenformen ohne Verwendung der
Phasenabweichung mit den damit einhergehenden Problemen hinsichtlich
der Rauschunempfindlichkeit wird das 8 Hz-Signal zuerst gleichgerichtet.
Als nächstes
wird es mit dem 16 Hz-Signal arraymultipliziert.
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Die
Multiplikation erfolgt Element für
Element auf folgende Weise: [a1,
a2, a3, a4 ...]·[b1, b2, b3,
b4 ...] = [a1·b1, a2·b2, a3·b3, a4·b4 ...]wobei an und
bn jeweils zeitlich voneinander beabstandete
Abtastungen des gleichgerichteten 8 Hz-Signals und des 16 Hz-Signals
sind.
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Das
daraus resultierende Signal zeigt eine reproduzierbare Charakteristik,
wobei der mittlere Versatz in Richtung der Spitze des 16 Hz-Signals
erfolgt, die der Spitze des 8 Hz-Signals am nächsten liegt. Diese Charakteristik
kann bei einer Phasenverschiebung von ungefähr 90-Grad in dem 16 Hz-Signal
stabil sein. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung gegenüber den
Phasenverschiebungs-Verfahren dar. 5 zeigt
diese Manipulationen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass ein offensichtliches Verhältnis zwischen
der maximalen negativen Abweichung und der maximalen positiven Abweichung
besteht. Dieses beträgt
ungefähr
1:4. Es besteht ferner ein natürliches
Verhältnis
zwischen der mittleren und der maximalen positiven Abweichung. Dieses
beträgt
ungefähr
1:6. Durch Anwenden dieser Metrik auf das erfasste Signal ist es
möglich,
die Wahrscheinlichkeit herzuleiten, dass das Signal nur gute Komponenten
aufweist.
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Wenn
ferner kein Schaltsprung erfolgt, ist eine beträchtliche Diskrepanz in der
Metrik zu erwarten. Wenn sämtliche
Signale, die das Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis übersteigen,
beschnitten werden und die Metrik erneut durchgeführt wird,
ist zu erwarten, dass der Einfluss des positiven Spitzenwerts reduziert
wird und keinen übermäßigen Beitrag zu
der Mittelwertberechung mehr bewirkt.
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6 zeigt
das oben beschriebene gleichgerichtete und arraymultiplizierte Signal,
wobei dieses eine große
Störspitze
aufweist.
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Der
Mittelwert ist in diesem Fall geringfügig negativ, obwohl erwartet
würde,
dass der Mittelwert für
nur diejenigen Signalkomponenten, die Teil der übertragenen Wellenform sind,
positiv ist. 7 zeigt das Signal nach Durchführen der
Metrik und Beschneiden der Spitzenwert-Auslenkungen. Es ist gezeigt,
dass der Mittelwert jetzt positiv ist und der Effekt der Interferenz
eliminiert ist.
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Es
ist ferner möglich,
die Metrik zum Eliminieren von Ergebnissen zu nutzen, die so stark
verzerrt sind, dass sie nicht erfolgreich korrigierbar sind. Dies
verringert das Problem hinsichtlich eines dem Operator präsentierten
irreführenden
Ergebnisses, das der Operator andernfalls erkennen und ignorieren
muss. Die Einheit kann dies für
den Operator erledigen und zumindest im Wesentlichen das Liefern von
Stördaten
vermeiden.
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Da
der Mittelwert des arraymultiplizierten Signals sowohl vor wie auch
nach dem Beschneiden bekannt ist, kann das Verhältnis dieser Mittelwerte verwendet
werden, um die Verlässlichkeit
der Richtungsanzeige zu erhöhen.
Wenn das Verhältnis
nahe Eins ist, entspricht das Originalsignal ziemlich gut der Ziel-Metrik
und ist wahrscheinlich gut. Wenn das Verhältnis hoch ist, ist die Verlässlichkeit
reduziert, da das Originalsignal dem Profil nicht sehr gut entspricht.
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Ferner
ist das Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis ebenfalls gut definiert.
Wenn es vor und nach dem Beschneiden innerhalb zulässiger Grenzen liegt,
ist die Verlässlichkeit
groß.
Wenn das Verhältnis vor
dem Beschneiden außerhalb
der Grenzen lag, jedoch nach dem Bescheiden in die Grenzen zurückgekehrt
ist, ist die Verlässlichkeit
geringer. Wenn das Verhältnis
in beiden Fällen
schlecht ist, ist die Verlässlichkeit
gering.
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Beispielsweise
wird mit einer Verlässlichkeit =
100% begonnen.
- 1. Wenn das Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis vor dem
Beschneiden über
20 lag und der Zielwert 6 betrug, wird die Verlässlichkeit um 50% reduziert, andernfalls
wird, wenn das Verhältnis
10 betrug, die Verlässlichkeit
um 25% reduziert.
- 2. Jetzt wird das Signal beschnitten. Wenn das neue Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis über 20 liegt,
wird die Verlässlichkeit
halbiert, andernfalls wird, wenn es über 10 liegt, die Verlässlichkeit
auf ¾ des
vorherigen Betrags reduziert.
- 3. Jetzt wird das Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis vor
dem Beschneiden durch das Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis nach
dem Beschneiden dividiert. Wenn dieses Verhältnis 3 übersteigt, wird die Verlässlichkeit
um ½ reduziert,
andernfalls wird, wenn sie größer als
2 ist, die Verlässlichkeit auf ¾ des vorherigen
Werts reduziert.
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Danach
ist ein endgültiges
Verlässlichkeitsintervall
erreicht. Bei einem guten sauberen Signal beträgt die Verlässlichkeit 100%. Dies entspricht
der Erwartung. Wenn das Signal nach dem Bescheiden sauber genug
war, jedoch vorher ein wenig unsauber war, beträgt die Verlässlichkeit 75%, und so weiter. Dieser
Prozess kann je nach Komplexität
der Metrik auf eine beliebige Anzahl von Schritten erweitert werden.
Die hier beispielhaft angegebenen Schwellenwerte haben sich als
für die
Wellenform und die als Verfahrensbeispiel angewendete Metrik zufriedenstellend
herausgestellt. Wenn die Verlässlichkeit
auf ein ausreichend niedriges Niveau sinkt, d.h. < 33%, kann das Feststellen
von Ergebnissen gestoppt werden, da die Ergebnisse nahezu zweifellos
unzuverlässig
sind.
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Obwohl
hier zur korrekten Erläuterung
der Erfindung eine spezifische Implementierung beschrieben ist,
sind weitere Ausgestaltungen ebenfalls möglich.
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Die übertragene
Leistung kann ohne Erhöhung
der Spitzenspannungsauslenkung der Wellenform durch Verändern der
Phasenbeziehungen zwischen den Wellenformen erhöht werden. Dies ist in 8 gezeigt.
Es ist dargestellt, dass die Spitzenwert-Auslenkung der zweiten
Wellenform ungefähr bei
+/– 1,8
symmetrisch ist, während
die Anfangs-Wellenform eine positive Spitzenwert-Auslenkung von
2 aufweist. Beide weisen einen Gleichstrommittelwert von Null auf.
Der Empfänger
muss die Phasen neu ausrichten, um sicherzustellen, dass die Metrik
noch funktioniert, dies ist jedoch leicht durchführbar.
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Bei
dem hier beschriebenen Implementierungsbeispiel wird eine Mischung
aus analoger und digitaler Verarbeitung angewendet. Die Auswahl, welcher
Teil des Prozesses auf welche Weise durchgeführt wird, hängt von der Wahl der Ausführung ab. Die
Metrik kann unter Verwendung einer analogen Schaltungsanordnung
durchgeführt
werden, und das Filtern kann ebenfalls digital mit vorgeschalteter A/D-Abtastung
erfolgen. Die Wahl des Signalverarbeitungsverfahrens ist für die Implementierung
des verbesserten Verfahrens zum Auffinden der Mantelfehlerstelle
nicht kritisch.
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Bei
dieser Implementierung werden zwar nur zwei Frequenzen verwendet,
ist es jedoch möglich, die
angewendeten Verfahren auf mehrere Frequenzen und im Wesentlichen
gleiche Metrik bei diesen Frequenzen in Gruppen von jeweils zwei
oder mehr auszuweiten.
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Zusätzlich zum
Messen der Grundwellenform-Metrik, wie z.B. des Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnisses,
kann eine andere komplexere Metrik angewendet werden, wie z.B. die
Anpassung an eine Ziel-Wellenform nach der Fehlerquadratmethode. Die
spezifische Wahl der Metrik ist ein Kompromiss zwischen einfacher
Berechnung und Wahrscheinlichkeit, dass die Fehlerdetektion durch
die zusätzliche Metrik
verbessert wird. Die hier angeführten
Beispiele haben sich für
eine in der Erde arbeitende Mantelfehlerortungseinrichtung als zufriedenstellend
herausgestellt.
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Durch
das Mitteln einer Anzahl von Ergebnissen kann das Auftreten von
Stör-Ablesewerten
weiter reduziert werden. Die Ergebnisse können entweder bei der Anfangs-Erfassung
oder andernfalls nach der Verarbeitung gemittelt werden. Die nach
dem Verarbeiten erfolgende Mittelung bietet einige Vorteile, da nur
die besseren Ergebnisse in die Mittelung einfließen. Es sollte offensichtlich
sein, dass die Verwendung von Störergebnissen
vermieden wird. Der Verlässlichkeitsfaktor
kann ebenfalls zum Erzeugen eines gewichteten Mittelwerts verwendet
werden, wobei die Ergebnisse höherer
Verlässlichkeit
einen größeren Einfluss
auf das Endergebnis haben als die Ergebnisse niedrigerer Verlässlichkeit.
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9 bis 11 zeigen
Ablaufdiagramme von von der Software ausgeführten Schritten in einer beispielhaften
Vorrichtung gemäß der Erfindung.
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9 zeigt
Schritte zum Erfassen von Datenabtastwerten des Empfangssignals.
Die Abtastwerte werden bei einer Abtastrate von 256 Hz mit 64 Stufen
für jede
Gesamt-Programmausführung
erfasst. Dies führt
zu 250 Millisekunden für
die Daten oder zwei kompletten Zyklen der 8 Hz-Wellenform.
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Das
Durchführen
der in 9 dargestellten Datenerfassungsschritte beginnt
mit dem Einstellen eines Timer auf 256 Hz in Schritt 102,
und dem folgt ein Löschen
von Puffern und eines Zählers
in Schritten 104, 106. Danach wartet in Schritt 108 das
Programm auf den Timer und liest dann in Schritten 110, 112 das
8 Hz- und dann das 16 Hz-Signal. Im nächsten Schritt, dem Schritt 114,
wird ein Zähler
um einen Schritt inkrementiert, und in dem folgenden Schritt 116 wird
festgestellt, ob der in Schritt 114 inkrementierte Zählstand
64 erreicht hat. Wenn er nicht 64 erreicht ist, werden Schritte 108 bis 116 wiederholt,
bis der Zählstand
64 erreicht hat, wonach in Schritt 118 die Erfassung beendet
ist.
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Bei
den in 10 dargestellten Schritten werden
die 64 Datenpunkte für
jedes der 8 Hz- und 16 Hz-Signale, die durch Anwendung des in 9 dargestellten
Prozesses erfasst worden sind, verarbeitet. Zuerst werden in Schritten 120, 122, 124 Mittelwert-,
Spitzenwert- und Zählregister
gelöscht. Dann
wird in Schritt 126 für
den ersten erfassten Datenpunkt die Multiplikation des Absolutwerts
des 8 Hz-Signals mit dem 16 Hz-Signal durchgeführt, für den ein Mittelwert, der einen
vorhergehenden Mittelwert enthält,
plus das Ergebnis aus Schritt 126 errechnet wird, wobei
diese Verarbeitung in Schritt 128 erfolgt. Danach erfolgt
in Schritt 130 ein Vergleich des Absolutwerts des Ergebnisses
aus Schritt 126 mit dem eines Spitzenwerts (anfangs Null),
und wenn der Absolutwert größer ist
als der Spitzenwert, wird der Spitzenwert in Schritt 132 aktualisiert,
um den Absolutwert des Ergebnisses aus Schritt 126 widerzuspiegeln.
Als nächstes
wird ein anfangs auf Null eingestellter Zähler in Schritt 134 um
einen Schritt inkrementiert. Dann wird in Schritt 136 festgestellt,
ob der Zähler
einen gespeicherten Zählstand
von 64 erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, werden Schritte 126 bis 136 wiederholt,
bis der Zählstand
64 erreicht hat, wonach in Schritt 138 ein den durch wiederholtes
Durchführen
des Schritts 128 akkumulierten Mittelwert dividiert durch
64 repräsentierender Mittelwert
berechnet wird. Danach wird in Schritt 140 die Signalverarbeitung
als beendet betrachtet.
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11 zeigt
Programmschritte zum Ermitteln einer Metrikberechnung. Zuerst wird
in Schritt 150 das in Spitzenwert-Mittelwert-Verhältnis, wie
es in Schritten 132 und 138 berechnet worden ist,
berechnet. Dann wird in Schritt 152 ein erwarteter Spitzenwert
als Absolutwert des in Schritt 138 berechneten Mittelwerts
multipliziert mit Sechs eingestellt. Die Programmausführung dieses
Programmteils ist danach in Schritt 154 beendet.
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12 zeigt
Schritte zum Beschneiden von Ergebnissen entsprechend einem erwarteten
Spitzenwert-Ergebnis. In Schritt 160 wird ein Zähler gelöscht. Dann
erfolgt in Schritt 162 ein Vergleich zwischen dem Absolutwert
des Ergebnisses, wie er in Schritt 126 errechnet worden
ist, und einem erwar teten Spitzenwert. Wenn der Absolutwert des
Ergebnisses größer ist
als der erwartete Spitzenwert, wird festgestellt, ob der Ergebniswert
kleiner als Null ist. Wenn dies nicht der Fall ist, wird das Ergebnis
in Schritt 166 auf den erwarteten Spitzenwert eingestellt;
andernfalls wird es in Schritt 172 auf den Negativwert
des erwarteten Spitzenwerts eingestellt (Beschreibung folgt). Wenn
in Schritt 162 der Absolutwert des Ergebnisses nicht größer ist
als der erwartete Spitzenwert, werden Schritte 164 und 166 und 172 übersprungen,
und das Programm geht zu Schritt 168 weiter. Die Programmausführung geht von
Schritt 166 oder Schritt 172 aus und dann zu Schritt 168 weiter,
bei dem der Zähler
inkrementiert wird. In Schritt 170 wird festgestellt, ob
der Zählstand des
Zählers
64 erreicht hat. Wenn dies nicht der Fall ist, werden die Programmschritte 162 und 164 und gegebenenfalls
einer oder mehrere der Schritte 166 oder 172 wiederholt,
wie oben beschrieben. Andernfalls ist die Ergebnis-Beschneidung
in Schritt 174 beendet.
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13 zeigt
Programmschritte zum Berechnen von Verlässlichkeitsergebnissen, einschließlich der
in den Ablaufdiagrammen aus 9, 10, 11 und 12 beschriebenen
Schritte.
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Zuerst
werden in Schritten 180, 182 und 184 die
in den Ablaufdiagrammen aus 9, 10, 11 bzw. 12 dargestellten
Schritte durchgeführt.
In Schritten 186, 188 werden Mittelwert#1-Werte
und Verhältnis#1-Werte
auf den Mittel- bzw. Verhältniswert
eingestellt, die zuvor berechnet worden sind, und dann erfolgt in
Schritt 190 das Ergebnis-Beschneiden gemäß dem Ablaufdiagramm
aus 12. Anschließend
werden in Schritten 192, 194 Mittelwert#2 und
Verhältnis#2
auf die daraus resultierenden Werte des in Schritt 190 ermittelten
Mittelwerts und Verhältnisses
eingestellt. Dann wird in Schritt 196 ein Verlässlichkeitswert
auf 100% eingestellt, und anschließend wird in Schritt 198 festgestellt,
ob der Wert des Verhältnisses#1
größer als
10 ist. Wenn der Wert größer ist,
wird in Schritt 200 festgestellt, ob das Verhältnis#1
20 übersteigt.
Wenn dies der Fall ist, wird der Verlässlichkeitswert in Schritt 202 auf eine
Verlässlichkeit
von ·0,5
eingestellt, wonach die Verarbeitung zu dem nachstehend beschriebenen Schritt 204 weitergeht.
Falls das Ergebnis des in Schritt 198 durchgeführten Vergleichs
zeigen sollte, dass das Verhältnis#1
nicht größer als
10 ist, geht die Programmausführung
sofort zu Schritt 204 weiter. Wenn bei Schritt 200 festgestellt
wird, dass das Verhältnis#1
nicht größer als
20 ist, wird in Schritt 205 der Verlässlichkeitswert auf eine Verlässlichkeit
von ·0,75
eingestellt, wonach die Programmausführung wieder in Schritt 204 fortgesetzt
wird. In Schritten 204, 206, 208, 212 werden
Programmschritte, die den Schritten 198, 200, 202 bzw. 205 entsprechen, hinsichtlich
des Verhältnisses#2
durchgeführt,
wonach die Programmausführung
in Schritt 210 fortgesetzt wird. In Schritt 210 wird
ein Verhältnis#3
durch Dividieren des Verhältnisses#1
durch den Verhältnis#2-Wert
errechnet, wonach die Programmausführung in Schritt 214 fortgesetzt
wird. In Schritten 214, 216, 218 und 222 werden
Programmschritte, die wieder den Schritten 198, 200, 202, 205 entsprechen, hinsichtlich
des Verhältnisses#3
durchgeführt,
wonach die Programmausführung
in Schritt 220 endet, in dem eine Verlässlichkeitsberechnung durchgeführt wird.
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14 bis 16 zeigen
die physische Konfiguration der Fehlerortungsvorrichtung 32,
die ein Gehäuse 240 mit
einem oberen Griff 242 aufweist. Elektrische Komponenten 246 sind
in dem Gehäuse
untergebracht. Die Sonden 24a, 24b stehen voneinander
beabstandet von einem Rahmen 248, der Teil des Gehäuses 240 ist,
vor. Steuerungen 250 zum Betätigen der Vorrichtung 32 sind
im oberen Teil des Gehäuses 240 positioniert.
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Die
Beschreibung der Anordnung dient nur der Erläuterung, und es können zahlreichen
Modifikationen durchgeführt
werden, ohne dass dadurch vom Geist und Schutzumfang der Erfindung
abgewichen wird, der jedes neuartige Merkmal und jede Kombination
aus neuartigen Merkmalen, die hier offenbart worden sind, umfasst.
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In
der gesamten Beschreibung und den folgenden Patentansprüchen umfasst,
sofern der Kontext nichts anderes fordert, das Wort "aufweisen" und Variationen,
wie z.B. "weist
auf" und "aufweisend" eine angegebene
ganze Zahl oder einen angegebenen Schritt oder eine angegebene Gruppe
von ganzen Zahlen oder Schritten, jedoch nicht den Ausschluss einer
anderen ganzen Zahl oder eines anderen Schritts oder einer anderen
Gruppe von ganzen Zahlen oder Schritten.