Korrelation

So ortet die Korrelation das Leck zwischen zwei Sensoren

Das Prinzip der Korrelation

Korrelation bedeutet allgemein eine wechselseitige Beziehung. In der Leckortung wird die Ähnlichkeit zwischen zwei zeitabhängigen Signalen untersucht: Der Korrelator verschiebt eines der beiden Signale so lange gegen das andere, bis beide am besten übereinstimmen, und diese Verschiebung ist der Laufzeitunterschied zwischen den Mikrofonen.^[1]

Genutzt wird dabei der Körperschall, den die Turbulenzen am Leck erzeugen und der sich entlang der Rohrleitung und in der Wassersäule in beide Richtungen ausbreitet.^[1] Die Laufzeitdifferenz ist der einzige Messwert, den ein Korrelator ermittelt, alles Weitere ergibt sich aus Leitungslänge und Schallgeschwindigkeit.^[1] Im Haus kommt das Verfahren seltener zum Einsatz, es kann aber an längeren Steigleitungen helfen, wenn Wasser aus der Decke tropft und mehrere Geschosse in Frage kommen.

Die Formel: wie aus der Laufzeit ein Ort wird

Nach der Diplomarbeit der TU Graz gilt für den Abstand d des Lecks vom Messpunkt A die Korrelationsauswerteformel d = (L − v · Δt) / 2.^[1] Darin ist L die Länge des Leitungsabschnitts zwischen den Sensoren, v die Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung der Leitung und Δt der gemessene Laufzeitunterschied.^[1]

Die Formel erklärt, warum die Lage des Lecks zwischen den Sensoren eine Rolle spielt. Liegt das Leck genau in der Mitte, ist der Laufzeitunterschied null, und die Schallgeschwindigkeit geht gar nicht in das Ergebnis ein. Je näher das Leck an einem Sensor liegt, desto größer wird Δt, und desto stärker wirkt sich eine falsch angenommene Schallgeschwindigkeit aus.^[1]

Liegt das Leck nahe der Mitte, macht ein Unterschied von 100 Metern je Sekunde in der Schallgeschwindigkeit nur einen halben Meter aus.^[1] Liegt es weit außerhalb der Mitte, sind es mehrere Meter, in der Praxis nicht hinnehmbar.^[1] Man setzt die Sensoren darum so, dass das vermutete Leck möglichst mittig zwischen ihnen liegt. Wer Leckorter werden will, übt solche Abwägungen an vielen Leitungen unter Anleitung.

Kreuzkorrelation und Autokorrelation

Mathematisch wird die Ähnlichkeit der beiden Signale über ein Integral bestimmt, das bei der Verschiebung sein Maximum annimmt, die dem Laufzeitunterschied entspricht.^[1] Der Korrelator erledigt nach der Arbeit zwei getrennte Schritte: Zuerst prüft er anhand von Frequenz, Amplitude und weiteren Eigenschaften, ob die Geräusche an beiden Messpunkten gleichartig sind, und zeigt das als Spitze auf dem Bildschirm, dann berechnet er aus den Laufzeiten die Lage des Lecks.^[1]

Das Geräusch muss beide Mikrofone in messbarer Stärke erreichen, es muss aber für das menschliche Ohr nicht gut hörbar sein, denn der Korrelator kann unter Umständen Geräuschmuster verarbeiten, die man im Kopfhörer nicht erkennt.^[1] Arbeitet man mit Körperschall, sind zwei Messpunkte nötig, das heißt Kreuzkorrelation. Mit Hydrofonen im Wasser ist auch eine Autokorrelation möglich, wenn die Leitung eine definierte Reflexionsstelle hat, etwa eine geschlossene Absperrarmatur.^[1]

Heutige Geräte nehmen einen Teil dieser Arbeit ab. Sewerin beschreibt für seinen Korrelator eine automatische Filtereinstellung, eine Störgeräuschunterdrückung, die störende Korrelationsspitzen ausblendet, und eine klare Anzeige der Leckposition statt einer Kurvendarstellung.^[2] Das Ergebnis geht mit Sensorstellen, Leitungslänge und angenommener Schallgeschwindigkeit in die Schadendokumentation ein.

Schallgeschwindigkeit im Rohr

Die Schallgeschwindigkeit im wassergefüllten Rohr hängt nach der Arbeit von der Dichte des Wassers, den Elastizitätsmodulen von Wasser und Rohrmaterial, dem mittleren Rohrdurchmesser und der Wandstärke ab.^[1] In Kunststoffleitungen beträgt sie etwa ein Drittel des Werts in metallischen Leitungen.^[1]

Korrelatoren haben dafür Tabellen nach Rohrmaterial und Durchmesser. Die Werte beziehen sich aber auf neu verlegte Rohre und berücksichtigen etwa Inkrustierungen in alten Metallrohren nicht, außerdem wirken Stützwirkung des Erdreichs, Temperatur und Luftgehalt des Wassers.^[1] Stimmen die Planangaben nicht mit dem tatsächlich verlegten Rohr überein, kann der berechnete Wert stark vom wirklichen abweichen.^[1]

Abhilfe schafft eine Messung der Schallgeschwindigkeit vor Ort. Die Arbeit beschreibt eine Dreipunktmessung, bei der nach der zweiten Korrelationsmessung die Leckposition ohne Kenntnis der Schallgeschwindigkeit angegeben wird.^[1] Moderne Korrelatoren haben nach dem Hersteller Sewerin eine integrierte Schallgeschwindigkeitsmessung und eignen sich für metallische und nichtmetallische, erdverlegte Leitungen.^[2]

Körperschall oder Wasserschall

Aufgenommen wird entweder der Körperschall oder der Wasserschall. Körperschallmikrofone werden mit Adaptern oder Magneten außen an Leitung oder Armatur angekoppelt, sind schnell einsatzbereit, eignen sich aber vor allem für metallische Leitungen nicht zu großer Durchmesser.^[1]

Hydrofone werden an Hydranten oder Hausanschlüssen so angeschlossen, dass das Wasser den Sensor umgibt, und nehmen Druckänderungen im Medium auf. Bei weichen Rohrmaterialien und großen Leitungen, etwa ab DN 300, pflanzen sich diese Druckänderungen meist besser fort als der Körperschall, der Aufwand ist dann aber größer.^[1]

Stärken und Grenzen der Korrelation

Die Ergebnisse hängen nicht vom menschlichen Gehör ab. Störgeräusche, die nur auf einen der beiden Sensoren wirken, beeinflussen das Ergebnis nicht, weil der Korrelator nur gleichartige Anteile beider Signale auswertet, darum kann während der normalen Arbeitszeit gemessen werden, und Verlegetiefe und Oberfläche spielen keine Rolle.^[1]

• Das Leckgeräusch muss beide Sensoren in messbarer Stärke erreichen, sonst hilft nur ein kürzerer Abstand, ein Hydrofon oder ein anderes Verfahren.^[1]
• Das Leck muss zwischen den Sensoren liegen, sonst liefert der Korrelator den näheren Messpunkt als Ergebnis, und liegt das Ergebnis bis etwa 5 Prozent der Messstrecke an einem Sensor, wird die Messstrecke verändert.^[1]
• Die Leitungslänge muss stimmen, sie entspricht nicht immer dem kürzesten Abstand der Sensoren, und ein Reparaturstück aus anderem Material verfälscht die Rechnung.^[1]
• Wasserentnahmen, Druckminderer, aufliegende kreuzende Rohre, Turbulenzen an Bögen und geschlossene Schieber können Geräusche erzeugen, die kein Leck sind.^[1]
• Luftblasen reflektieren oder dämpfen das Geräusch stark, eine abgeschieberte und wieder geöffnete Leitung muss darum gründlich gespült werden.^[1]

Zwei Sonderfälle nennt die Arbeit ausdrücklich. Ein Leck ist umso schlechter zu erfassen, je näher es an einem Messpunkt liegt, weil sein Geräusch dann die ganze Messstrecke durchlaufen muss und den entfernten Sensor unter Umständen nicht mehr erreicht.^[1] Und selbst bei einem Vollbruch zeigt der Korrelator manchmal kein Ergebnis, weil die Geräusche an beiden Sensoren nicht mehr gleich sind oder das Wasser nahezu drucklos und geräuschlos ausfließt.^[1]

Korrelation im Haus und auf dem Grundstück

Wasserversorger korrelieren ihre Netze regelmäßig. Das deutsche Trinkwassernetz verliert nach dem Bundesverband der Energie- und Wasserwirtschaft rund 6 Prozent seines Wassers, und als Gründe für den im europäischen Vergleich niedrigen Wert nennt der Verband das nach 1945 fast vollständig neu aufgebaute Leitungssystem und die Modernisierung in den ostdeutschen Ländern nach der Wiedervereinigung.^[3]

Am stärksten ist die Korrelation bei erdverlegten Leitungen, etwa der Hausanschlussleitung unter Hof, Einfahrt oder Garten, weil sie keinen Zugang zur Oberfläche über dem Rohr braucht. Im Gebäude sind die Leitungen kürzer und haben viele Abzweige, dort ergänzt sie das Abhorchen mit dem Bodenmikrofon.

Wir setzen die Sensoren an zugängliche Armaturen, geben Material, Durchmesser und Länge nach Plan und Aufmaß ein und bestätigen den berechneten Punkt vor dem Aufgraben nach Möglichkeit akustisch. Messstrecke, Eingaben und Ergebnis halten wir im Bericht fest.