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tm 7–8/2003 Detektion verdeckter Anomalien im Bettungsbereich von Abwasserrohren mit einem Mikrowellen-Rückstreusensor Detection of Hidden Anomalies around Sewer Pipes by Means of a Microwave Back-scattering Sensor Roland Munser, Matthias Hartrumpf, Fraunhofer IITB Karlsruhe Manuskripteingang: 20. März 2003; zur Veröffentlichung angenommen: 08. Juni 2003. Ein Mikrowellen-Rückstreusensor wurde entwickelt, der es gestattet, Hohlräume und Leckage-Schäden bis ca. 30 cm hinter der Rohrwand qualifiziert zu detektieren. Als ein- faches ,CW-Radar’ kann er auch bei kleinen Nennweiten immer mitgeführt werden. Die patentierte Antennenanordnung erlaubt als Gürtel eine schnelle Rundum-Erfassung des Bet- tungsbereichs. Der Sensor wurde sowohl in einem realen Abwasserkanal als auch bei der Kanal-Sanierung mit Linern mit gutem Erfolg erprobt. A microwave back-scattering sensor has been developed which enables the qualified de- tection of voids and leakages up to 30 cm behind the wall of the sewer pipe. Even at small diameters this simple ‘CW radar’ can always be taken along. As a belt, the patented an- tenna arrangement permits the fast overall acquisition of the bedding area. The sensor was successfully tested in a real sewer as well as in case of sewer restauration by relining. Schlagwörter: Abwasserkanal, Fehlstellendetektion, Hohlraumdetektion, Leckage, Liner-Sanierung, Mikrowellen-Rückstreusensor Keywords: Sewer pipe, anomaly detection, void detection, leakage, relining, microwave back-scattering sensor 1 Einführung Beim gegenwärtigen Stand der Technik werden zur In- spektion von nicht begehbaren Abwasserkanälen fast aus- schließlich ferngesteuerte mobile Roboter mit TV-Kamera (,CCTV‘ = Closed-Circuit TeleVision) verwendet [1]. Auf der Grundlage dieser Technologie lassen sich nur gut sicht- bare Schäden detektieren. Verdeckte Schäden (z.B. Hohl- räume oder Wasseransammlungen hinter der Rohrwand) sowie (z. B. durch Liner-Sanierung) verdeckte Rohrab- zweigungen bleiben unentdeckt. Ein erstes multisensori- sches Schadensdiagnosesystem wurde Mitte der neunziger Jahre vom IITB in Kooperation mit dem Forschungszen- trum Karlsruhe und Industriepartnern im Rahmen des vom BMBF geförderten KARO-Projektes entwickelt und pro- totypisch realisiert [2; 3]. Es enthält neben einem axialen Lichtschnittsensor für die Innenvermessung [4] u. a. einen Mikrowellen-Rückstreusensor (MRS) zur Detektion, Loka- lisierung und Diagnose solcher verdeckter Anomalien vom Kanal-Inneren aus. Die auf dem Markt vorhandenen Geo-Radargeräte mes- sen von der Geländeoberfläche aus. Daher haben sie eine entsprechend schlechtere Auflösung im direkten Bettungsbereich um das Kanalrohr und sind durch an- dere Leitungen und Kabel über dem Rohr behindert, selbst nach prototypischer Anpassung für den Kanalbe- reich (,GeoTel-Kanal außen‘ [5]). Ebenfalls 1992 wurde tm – Technisches Messen 70 (2003) 7–8 Oldenbourg Verlag 359

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Detektion verdeckter Anomalien imBettungsbereich von Abwasserrohrenmit einem Mikrowellen-RückstreusensorDetection of Hidden Anomalies around Sewer Pipes by Means of a MicrowaveBack-scattering Sensor

Roland Munser, Matthias Hartrumpf, Fraunhofer IITB Karlsruhe

Manuskripteingang: 20. März 2003; zur Veröffentlichung angenommen: 08. Juni 2003.

Ein Mikrowellen-Rückstreusensor wurde entwickelt, der es gestattet, Hohlräume undLeckage-Schäden bis ca. 30 cm hinter der Rohrwand qualifiziert zu detektieren. Als ein-faches ,CW-Radar’ kann er auch bei kleinen Nennweiten immer mitgeführt werden. Diepatentierte Antennenanordnung erlaubt als Gürtel eine schnelle Rundum-Erfassung des Bet-tungsbereichs. Der Sensor wurde sowohl in einem realen Abwasserkanal als auch bei derKanal-Sanierung mit Linern mit gutem Erfolg erprobt.

A microwave back-scattering sensor has been developed which enables the qualified de-tection of voids and leakages up to 30 cm behind the wall of the sewer pipe. Even at smalldiameters this simple ‘CW radar’ can always be taken along. As a belt, the patented an-tenna arrangement permits the fast overall acquisition of the bedding area. The sensor wassuccessfully tested in a real sewer as well as in case of sewer restauration by relining.

Schlagwörter: Abwasserkanal, Fehlstellendetektion, Hohlraumdetektion, Leckage,Liner-Sanierung, Mikrowellen-Rückstreusensor

Keywords: Sewer pipe, anomaly detection, void detection, leakage, relining, microwaveback-scattering sensor

1 Einführung

Beim gegenwärtigen Stand der Technik werden zur In-spektion von nicht begehbaren Abwasserkanälen fast aus-schließlich ferngesteuerte mobile Roboter mit TV-Kamera(,CCTV‘ = Closed-Circuit TeleVision) verwendet [1]. Aufder Grundlage dieser Technologie lassen sich nur gut sicht-bare Schäden detektieren. Verdeckte Schäden (z. B. Hohl-räume oder Wasseransammlungen hinter der Rohrwand)sowie (z. B. durch Liner-Sanierung) verdeckte Rohrab-zweigungen bleiben unentdeckt. Ein erstes multisensori-sches Schadensdiagnosesystem wurde Mitte der neunzigerJahre vom IITB in Kooperation mit dem Forschungszen-trum Karlsruhe und Industriepartnern im Rahmen des vom

BMBF geförderten KARO-Projektes entwickelt und pro-totypisch realisiert [2; 3]. Es enthält neben einem axialenLichtschnittsensor für die Innenvermessung [4] u. a. einenMikrowellen-Rückstreusensor (MRS) zur Detektion, Loka-lisierung und Diagnose solcher verdeckter Anomalien vomKanal-Inneren aus.

Die auf dem Markt vorhandenen Geo-Radargeräte mes-sen von der Geländeoberfläche aus. Daher haben sieeine entsprechend schlechtere Auflösung im direktenBettungsbereich um das Kanalrohr und sind durch an-dere Leitungen und Kabel über dem Rohr behindert,selbst nach prototypischer Anpassung für den Kanalbe-reich (,GeoTel-Kanal außen‘ [5]). Ebenfalls 1992 wurde

tm – Technisches Messen 70 (2003) 7–8 Oldenbourg Verlag 359

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auch der Prototyp eines – sehr Platz- und Kosten-aufwändigen – FMCW-Radars (Frequency Modulated Con-tinuous Wave) für die Innendetektion entwickelt (,GeoTel-Kanalinnen‘ [5]). Das Projekt wurde allerdings nicht wei-ter verfolgt. Daneben gab es für Kanäle im größerenDurchmesserbereich (grob 1 m und darüber) die Entwick-lung eines noch größeren ,Sewer Radar‘ in den Nieder-landen [6].

Im Gegensatz zu diesen aufwändigen – und daher für dieStandard-Rohrinspektion uninteressanten – FMCW- bzw.Puls-Radars zur genauen ,Kartierung‘ des Rohr-Umfeldshat die MRS-Entwicklung zum Ziel, mit einem relativ bil-ligen, kleinen und daher immer mitführbaren ,CW-Radar‘ohne direkte Tiefenauflösung Schäden unmittelbar hinterder Rohrwand zu entdecken, auf wenige cm genau zu ortenund grob zu diagnostizieren [7; 8]. Die genaue Klassifika-tion erfolgt anhand der eingelernten Merkmals-Muster inder anschließenden Neuro-Fuzzy-Diagnose [9].

Neben anderen Sensoren war die genaue Untersuchung undWeiterentwicklung dieses MRS Gegenstand eines DFG-Verbundvorhabens mit der Universität Karlsruhe und demTiefbauamt der Stadt Rastatt [10; 11]. Nach Abschluss die-ses Vorhabens wird im Folgenden über den Stand berichtet,wobei nicht nur Inspektions-, sondern auch Sanierungsauf-gaben betrachtet werden.

2 Grundlagen

2.1 Grundprinzip des MRS

Mit Mikrowellen ist es möglich, durch die Wand der gän-gigen Abwasserrohre hindurch die Rohrumgebung zu inspi-zieren. Bei 2–3 GHz durchdringen sie eine nichtmetallischeWand und trockene Umgebung bis maximal 0,3 m undreagieren auf Änderungen der relativen Dielektrizitätskons-tante ε. Bei der Rückstreu-Anordnung des am IITB ent-wickelten und patentierten MRS wird analog zu optischenRückstreu-Sensoren die an den Rohrwänden reflektierteStrahlung weitgehend unterdrückt, sodass besonders diedurch Anomalien gebildeten Streuzentren detektiert werden(Bild 1) [7].

Für ihre spezifische Streuleistung ist der Unterschiedzur Umgebung bezüglichε verantwortlich (s. u.). DaWasser mit ε = 81 den stärksten Einfluss hat, machensich nasse Stellen (ε ca. 20. . .40) in trockenem Unter-grund (ε ca. 4. . .6) deutlich bemerkbar. Einen deutlichenKontrast ergeben andererseits auch Hohlräume (ε = 1).Das Empfangssignal besteht aus allen von der Emp-fangsantenne Phasen-entsprechend aufsummierten Antei-len. Seine Amplitude und Phasenlage wird relativ zumCW-Sendesignal bei 2,45 GHz gemessen [vgl. 12.]. Dabeisoll das kaum interessierende, relativ konstante ,Grund-signal‘ des intakten Rohres im intakten Umfeld mög-lichst weitgehend unterdrückt werden. Umgekehrt sollenim Messfeld des MRS auftauchende Störstellen (,Ano-malien‘) bei der Fahrt möglichst große Abweichungen

Bild 1: Aufbau und Messprinzip.

vom ,Grundsignal‘ ergeben, sowohl bei Auftragung derMess-Signale über dem Fahrweg als auch – je nach Aus-breitung der Störstelle um das Rohr – über dem Roll-winkel.

2.2 Geometrische Ausbreitung von Mikrowellenin Medien

Die Ausbreitung von Mikrowellen wird durch die Maxwell-Gleichungen beschrieben bzw. durch die aus ihnen ab-geleiteten Formeln für elektromagnetische Strahlung. Innichtmagnetischen Materialien hängt sie bei vorgegebe-ner Frequenz nur von RealteilεR und Imaginärteil εI

der komplexen relativen Dielektrizitätskonstanten ab, dieentsprechend der 3D-Materialverteilung örtlich variiert.εI kann entweder wieεR aus Tabellen abgelesen oderaus der Leitfähigkeitσ und der Frequenzν berechnetwerden:

ε = 2σ

νε0(1)

An Metalloberflächen (z. B. εI = 5× 108 bei Cu,ν = 2,45 GHz) werden Mikrowellen aufgrund der hohenLeitfähigkeit fast vollständig reflektiert. Der eindringendekleine Rest (2% im Beispiel) wird nach denDrude’schenGleichungen [13] innerhalb von – hier – 0,2 mm ab-sorbiert. Metallteile können also nicht durchdrungenwerden.

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R. Munser, M. Hartrumpf: Detektion verdeckter Anomalien im Bettungsbereich von Abwasserrohren . . . tm 7–8/2003

Tabelle 1: Einfluss verschiedener Abwasser-Rohre auf die Strahlleistung.

DN300- Wand- Diel.- Innenwand- Rohrverluste max. Signal-Rohre dicke/ konstante Reflexion bei trock. leistung bei

mm εR+ (Einfallswinkel 45◦) Sand außen (⊥/45◦) trock. Sand außen

εI∗i E|| E⊥ E|| E⊥ E|| E⊥Steinzeug 20 5−0,2i 6% 25% 34% 47% 66% 53%Beton 30 6,5−0,8i 9% 30% 72% 72% 28% 22%Beton dick 60 6,5−0,8i 9% 30% 89% 92% 11% 8%Kunststoff 10 3−0,7i 2% 15% 42% 50% 58% 50%

Tabelle 2: Eindringtiefe und Außenwand-Reflexion bei verschiedenen Rohrumgebungen.

Rohr- Diel.-konstante Eindringtiefe/mm Außenwand-ReflexionUmgebung εR +εI∗ i (bei Leist. P= P0/e2) (bei senkr. Einfall)

Steinzeug Beton KunststoffSand trocken 5−0,8i 110 0% 0% 2%Sand feucht 30−5i 43 18% 13% 27%Erde trocken 4−1i 79 0% 1% 1%Erde feucht 25−7i 28 15% 11% 24%Luft 1−0i ,∞‘ 15% 19% 7%Wasser 80−10i 35 36% 31% 46%

In allen Materialien mit geringer Leitfähigkeit ergibt sichdie Reichweite1 d zu

d ≈ λ0

π·√

εR

εI(für εI < εR/3) . (2)

Der analog zur Optik definierte Brechungsindexn hängt beinichtmagnetischem Material nur vonεR undεI ab:

n =√

1

2

√ε2

R + ε2I + εR

2, (3)

was sich bei einem Isolator (εI = 0) reduziert zur Maxwell-schen Beziehung

n = √εR . (4)

Wird Gleichung (4) eingesetzt in die Formel für denReflexionskoeffizienten2 R am ebenen Übergang von Mate-rial 1 zu Material 2 bei senkrechtem Einfall

R =(

n1 −n2

n1 +n2

)2

, (5)

ergibt sichR ausεR zu

R ≈(√

εR1 −√εR2√

εR1 +√εR2

)(für εI εR) . (6)

(Die genauen Formeln, auch für Reflexion unter beliebigemEinfallswinkel α1 zum Lot – dann hängt sie auch von derPolarisation der Welle ab – werden in [18] vermittelt).

Gleichung (4) eingesetzt in das Snellius’sche Brechungsge-setz ergibt für den Ausfallswinkelα2

sinα2 = √ε1/ε2 sinα1 . (7)

1 Abfall der Amplitude der Welle auf 1/e, Leistung 1/e2

2 reflektierte zu einfallender Leistung

Mit Hilfe von (2)–(7) lassen sich Absorption sowie Strahl-brechung und Reflexion an Grenzflächen mit unterschiedli-chemε analog zur geometrischen Optik berechnen3:

Für Rohre mit 300 mm Nennweite (,DN 300‘) sind dieEinflüsse auf die Strahlungsleistungen bei typischen Win-keln in Tabelle 1 zusammengefasst (fürε sind mittlereWerte angegeben). Zu beachten ist bei schrägem Einfall diewesentlich geringere Innenwandreflexion (Spalte 4), fallsder elektrische Feldvektor E0 parallel zur Einfallsebeneliegt, sodass mehr Intensität für das ,maximal möglicheSignal‘ (vorletzte Spalte) zur Verfügung steht (der ausder Optik bekannte reflexionslose Brewster-Einfallswinkelα = arctan

√ε2/ε1 liegt für die drei Rohrmaterialien zwi-

schen 60◦ und 70◦). Dieses Signal würde sich bei 100%-iger Rückreflexion direkt außerhalb des Rohres ergeben,d. h. alle ,Rohrverluste‘ hin (senkrechter Einfall auf die in-nere Rohrwand) und zurück (45◦ im Rohrinnenraum) sindabgezogen.

Tabelle 2 zeigt für verschiedene Umgebungsmaterialien dieEindringtiefe (Leistung= 1/e2 = 14%) und die Außenwand-Reflexion bei senkrechtem Einfall.

3 Es sei darauf hingewiesen, dass diese Fernfeld-Rechnungen (Abstandzur Antenne r > 3λ0, Wellenlänge λ0 in Luft 12,2 cm) für Objektegroß gegen die Wellenlänge hier nur als Indiz für die genauen Ver-hältnisse genommen werden, da in unserem Anwendungsfall sowohl dieRohrinnenwand im Übergangsbereich zwischen Nah-(r < 0,1 λ0) undFernfeld der Antennen liegt als auch die Wanddicke der Rohre grobder Wellenlänge im Material entspricht (λ = λ0/

√ε ≈ 5 cm in Beton,

s. u.). Allerdings gelten für kurze Dipole schon abλ0/2π (= 2 cm) fastFernfeld-Verhältnisse [14] – die hier benutzten Patch-Antennen sind etwagleich groß. Exakte Feld-Rechnungen sind sehr aufwändig und hängenzudem sehr stark von der genauen 3D-Geometrie ab, sodass sie für dieimmer etwas variierenden Bedingungen in einem Abwasserkanal auchrelativ ungenau wären.

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2.3 Streuung und Rückstreu-Prinzip

Mit der geometrischen Ausbreitung lassen sich nur groß-volumige Schadensfälle behandeln (z. B. nasser Bereichhinter der Außenwand des Abwasserrohrs). Für mittlereund kleinere muss – wenigstens qualitativ – noch ein an-derer Mechanismus behandelt werden: die Streuung derMikrowellen an Störstellen.

Falls diese ,Teilchen‘ klein gegen die Wellenlänge sind –hier also bis etwa cm-Größe – gilt die Rayleigh’sche Streu-theorie. Danach ist die Winkelabhängigkeit [15]

σ(ϕ) ∼ (1+cos2(ϕ)) , (8)

d. h. bzgl. des Streuwinkelsϕ zur Einfallsrichtung wirdbevorzugt vorwärts undrückwärts gestreut (ϕ = 0◦/180◦).Der überϕ integrierte gesamte Streuquerschnittσ für eine(modellhafte) Kugel mitε und dem Radiusr für r λ0 inLuft ist gegeben durch [16]

σ = 4π

(2π

λ0

)4 ∣∣∣∣ε−1

ε+2

∣∣∣∣2

r6 , (9)

mit der bekannten Proportionalität zuλ−40 , die im sichtba-

ren Spektralbereich das Himmelsblau erklärt. Für Streuungan Kugeln mitε1, die in einem Medium mitε2 eingebet-tet sind, tritt λ2 anstelle vonλ0 (s. o.) undε1/ε2 anstellevon ε [17]. Für ε (bzw. ε1/ε2) ≈ 1 ist σ ∼ (∆ε)2, d. h. derStreuquerschnitt ist quadratisch zur relativen Abweichungder Dielektrizitätskonstanten (ε1/ε2 −1) voneinander. Beisehr großemε (bzw. ε1/ε2) wird der Streuquerschnitt ma-ximal und unabhängig vonε. Mit abnehmendem r fällter sehr rasch. Damit haben wir schon im Normalfall beider real immer leicht rauen Wand im Kanal ein (Rück-)Streusignal von ihr – wie es in [18] ausführlich hergeleitetund numerisch berechnet wird. Nach (9) ist es beim neuenSteinzeugrohr am kleinsten, beim korrodierten Betonrohrmit Rauigkeiten fast im cm-Bereich am größten. Fernergibt es auch bei idealer Feinkies-Umgebung nach Vor-schrift (Körnung 0–16 mm) eine entsprechende Rayleigh-Streuung.

Der Übergangsbereich mit Teilchendurchmessern in derGrößenordnung der Wellenlänge und der Bereich für grö-ßere Teilchen wird als Mie-Streuung bezeichnet. Die nurnumerisch auszuwertende Mie’sche Streufunktion für Ku-geln hängt wesentlich vom Größenverhältnisr/λ ab undbevorzugt die Vorwärts- undRückwärtsstreuung noch we-sentlich stärker als die Rayleigh-Streuung für kleine Teil-chen [15]. Der überϕ integrierte gesamte Streuquerschnittoszilliert mit wachsendemr/λ und geht schließlich im Fallε = ∞ (metallisch leitend) in den geometrischen Quer-schnitt πr2 über, im Fall ε < ∞ in eine kleinere Kons-tante [16; 17].

Wegen der unsymmetrisch geneigten Anordnung derAntennen (s. o./u.) nahe beieinander werden vor allemdiese rückgestreuten Wellen bevorzugt empfangen unddie an der Rohrwand reflektierten weitgehend unterdrückt(–> Rückstreu-Prinzip des Sensors).

2.4 Analyse des Mikrowellen-Signals

Das aktuelle Signal setzt sich zusammen aus dem in etwagleichbleibenden Grundsignal des Kanalrohrs in homogenerUmgebung und dem sich bei der Wegabtastung relativ raschändernden Störstellensignal (falls vorhanden).

Das Grundsignal resultiert aus (Rest-)Wandreflexionen auf-grund der relativ breiten Antennenkeulen (−3 dB bei±36◦)und aus der Rayleigh-Streuung an Wand-Rauigkeiten undUmgebung. Für verschiedene Strahlwinkel werden spezifi-scher Antennengewinn, Reflexion, Absorption usw. berech-net und über die gesamte Antennenkeule aufintegriert. Inähnlicher Weise wird das Signal einer Störstelle berechnet.Es hängt jedoch zusätzlich von der Position des Sensors imRohr ab, wie für nassen Sand hinter der Rohrwand in Bild 2oben zu sehen.

Aufgrund der wachsenden Entfernung von der Störstellenimmt das Signal nach dem Vorbeifahren ab, der Phasen-unterschied steigt monoton (bzw. oszilliert modulo (360◦)).

Bei der Analyse der gemessenen Signale wird umgekehrtvorgegangen: Die aus Betrag und Phase gebildete komplexeZeigerdarstellung beschreibt über dem Weg eine charakte-ristische Ortskurve, die von der Sensoreinstellung abhängt.Der Mittelwert entspricht etwa dem Grundsignal und wirdvom Signal abgezogen. Falls der Betrag des so gebildetenDifferenzvektors die Rausch-Schwelle übersteigt, ist diesein Anzeichen für eine Störstelle (s. Bild 3).

Für die anschließende Klassifikation der Störstelle könnenz. B. die FFT-Koeffizienten (Fast Fourier Transformation)im Ortsfrequenzbereich herangezogen werden oder die Er-gebnisse der Filterung mittels ,Matched Filter‘ für dieverschiedenen Störstellen. Die direkte Berechnung dieserFilter ist sehr schwierig (fast Nahbereich, s. o.); sie könnenjedoch indirekt aus der Messung einer isolierten Störstellegewonnen werden. Dann ergibt sich die Impulsantwortder Filterfunktion h aus den Fourier-Transformierten desStörstellen-Signals s(x) und des Grundsignals (incl. allerRausch-Anteile) R(x) zu

h(x0 −x) = F−1(F(s(x))/F(R(x)))

und wird numerisch berechnet (eine ausführliche Darstel-lung wird in [18] vermittelt). Wie sich auch anhand simu-lierter Vorbeifahrten ergibt, kann mit einem solchen Filterzudem die x-Position der Störstelle sehr genau bestimmtwerden.

Da der MRS als CW-Radar arbeitet, hat er keine Zeit-und damit keine direkte Tiefen-Auflösung – im Unterschiedzum wesentlich aufwändigeren Impuls- oder FMCW-Radar.Andererseits kann aber der Phasenverlauf beim Vorbeifah-ren an einer Störstelle im Prinzip dazu genutzt werden,eine Tiefeninformation zu erhalten: Die Phasenänderungdes reinen Störsignals ist proportional zur Änderung seines,optischen Weges‘ von der Sende- zur Empfangsantenne,d. h. die Teilstrecken in Luft, Rohrwand und Umgebungwerden jeweils mit n= √

ε bewertet. Je weiter weg dieStörstelle vom Rohr ist, desto langsamer ändert sich ihre

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Bild 2: Nasser Sand hinter der Rohrwand – Signalder Störstelle (,pures NassSignal’) und gesamtesMesssignal bei einer simulierten Vorbeifahrt.

Bild 3: Bildung der absolutenSignaldifferenz aus der komple-xen Abweichung zum Grundsig-nal mit Schwellwert.

Phase kurz vor oder nach dem direkten Passieren; die Fre-quenz der Oszillationen in Bild 2 sinkt.

Nachdem nun die x-Position der Störstelle mittels MatchedFilter und die Tiefe prinzipiell aus der Phaseninforma-

tion bestimmbar ist, ist nur noch die Lage bzgl. desRollwinkels um die Rohrachse (,Uhrzeit‘ nach der ATV-Schadensnomenklatur) offen: Sie ergibt sich natürlich ausdem Rollwinkel, unter dem die Störstelle maximal ,sicht-bar‘ war.

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3 Antennenanordnung des MRS-Moduls

Zur Ermittlung der optimalen Antennenanordnung wurdenin der Teststrecke des IITB systematische Messfahrten beiunterschiedlichen Neigungs- und Polarisationswinkeln derSende- und Empfangsantenne durchgeführt.

Bei fester Polarisation wurden die Winkel der Sende- undEmpfangsantennen-Ebene gegen die Rohrachse in Schrittenvon 15◦ verstellt (Sendeantenne S 0–45◦, EmpfangsantenneE 0–30◦, siehe Skizze in Bild 4).

Aus den Messergebnissen [detailliert in 18] ergab sich dieKombination ,Sendeantenne 30◦ geneigt, Empfangsantenne0◦‘ als beste für die Mehrheit der Störstellen.

Mit diesen Antennen-Neigungen wurde die beste Polarisa-tions-Ausrichtung bestimmt. Die 4 Kombinationen der li-near polarisierten Antennen: 2× copolar (elektrischer Feld-vektor E0 parallel und senkrecht zur Einfallsebene aufdie Wand des Kanalrohrs, d. h. auch zur Rohrachse) und2× kreuzpolar (Sendeantenne parallel, Empfangsantennesenkrecht bzw. umgekehrt) wurden experimentell getes-tet. Die beiden kreuzpolaren Anordnungen lieferten sehr,verrauschte‘ Signale über dem Weg und sehr kleine Sig-naländerungen im Verhältnis zu den copolaren Anordnun-gen. Die copolare Einstellung senkrecht zur Einfallsebene

Bild 4: Skizze zu den Antennen-Neigungen.

Bild 5: MRS-Sende- und Empfangs-Antennen am Versuchsfahrzeug.

ergab zwar etwas stärkere Signale als die beiden kreuzpo-laren Anordnungen, aber deutlich kleinere als die optimalecopolare mit beiden Antennen parallel zur Einfallsebene(Bild 5). Dies stimmt mit den theoretischen Betrachtungenin Kapitel 2 und der Tabelle 1 überein, da im letzten Falldie Wand-Reflexionsverluste bei schrägem Einfall wesent-lich kleiner sind.

Unter diesen optimalen Winkeln (Antennen-NeigungenS= 30◦/E = 0◦, copolare Polarisation parallel zur Einfalls-ebene) können die Antennen auch in Form von zwei Gür-teln um den Umfang des Trägerfahrzeugs fest angebrachtwerden, sodass die konstruktiv aufwändige und verschleiß-anfällige mechanische Bewegung durch eine schnelle elek-tronische Umschaltung ersetzt wird (Bild 6). Die Gürtelmit je vier Antennen sind um 45◦ gegeneinander versetzt,sodass das Rohr bzgl. des Rollwinkels in acht Segmenteunterteilt wird.

4 Messergebnisse in der IITB- und in derFZU-Teststrecke

Das charakteristische MRS-Systemverhalten bei Fahrtenentlang der Rohrsohle mit konstantem Rollwinkel des An-tennenpaares wird durch die Messsignalverläufe in Bild 7vermittelt. Neben der sehr guten Reproduzierbarkeit las-sen die fünf zu unterschiedlichen Zeiten gemessenenAmplituden- und Phasen-Signalverläufe sehr deutlich vor-handene Wasserstellen W in der Rohrbettung, den Haus-anschluss H sowie den Materialübergang von Ton- zuBetonrohr bei 3,1 m erkennen. Dabei hängt die Ausprägungz. B. der Wasserstelle von der Rohrart ab. Durch geeigneteBandpass-Filterung im Ortsfrequenzbereich werden Merk-male erzeugt, die auch eine gute Erkennung der Muffen Mermöglichen (siehe [9]).

In der FZU-Teststrecke [19] ist der mittlere, seitliche Hohl-raum schon am Amplitudensignal sehr deutlich zu erken-nen, da er ca. 1 m Abstand zu den Muffen hat (Bild 8,untere Kurve). Wassergefüllt (oben) tritt er mit anderemMuster sogar noch deutlicher hervor. Die ,defekte‘ zweiteMuffe ist sehr gut am geänderten Signal zu erkennen,obwohl sich der künstliche Hohlraum nur zum Teil imWinkelbereich der nach rechts (3:00) gerichteten Antennenbefindet.

Besonders gut treten die Anomaliestellen in der dreidimen-sionalen Volumendarstellung hervor, die die Messungenüber alle Rollwinkel vereinigt (Bild 9, nach [9]).

In Bild 10 ist ein Versuch mit Antennenausrichtung 3:00dokumentiert, bei dem mit einem Schlauch und dem Brau-sekopf einer Gießkanne rechts vom Tonrohr die Entste-hung und Ausbreitung eines Leckage-Schadens simuliertwurde (vgl. kleine Skizze rechts oben). Anfangs ist nurder metallische Duschkopf ,sichtbar‘, dann das sich aus-breitende nasse Gebiet mit recht scharfen Grenzen, diesich nach 40 min Pause durch Diffusion ziemlich verwischthaben.

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Bild 6: Gürtelförmige Anordnung derMRS-Antennen.

Bild 7: Reproduzierbare Signalverläufedes MRS in der IITB-Teststrecke.

Bild 8: Amplituden-Signal in der FZU-Teststrecke:mittlerer Hohlraum ohne (unten) und mit Wasser.

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Bild 9: 3D-Ansicht der Fehlstellen-Detektion (mittlererHohlraum wassergefüllt, Amplituden-Signal).

Bild 10: Simulation einer entstehenden Leckage in derFZU-Teststrecke (MRS-Amplituden-Signal).

5 Messergebnisse im realenAbwasserkanal in Rastatt-Rheinau

Die Messreihen der Kanalisations-Befahrung bestätigtenim Wesentlichen die obigen Ergebnisse. Die Amplituden-(ebenso wie die Phasen-) Signale sind aufgrund der ,natür-

Bild 11: Signalverlauf im realen Kanal bei verschiedenenAntennen-Rollwinkeln (MRS-Amplitude).

lichen‘ Rohr- und Muffen-Ungleichmäßigkeiten, der herr-schenden Nässe und des Streckenalters wesentlich verrausch-ter als in den Teststrecken. Nach entsprechender Glättung [9]treten die 4 seitlichen Hausanschlüsse bei ca. 8 m, 15 m, 32 mund 37 m (Blickrichtung 3:00) sowie der Hohlraum oben beiknapp 17 m (12:00) deutlich hervor (Bild 11).

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R. Munser, M. Hartrumpf: Detektion verdeckter Anomalien im Bettungsbereich von Abwasserrohren . . . tm 7–8/2003

Bild 12: Ausschnitt aus dem Signalverlauf im realen Ka-nal (MRS-Amplitude).

Im Ausschnitt von 9 bis 20 m (Bild 12) ist einerseits zusehen, dass der Hohlraum fast die gesamte obere Rohr-hälfte überdeckt (10:30 bis 3:00), andererseits sind z. B. beica. 9,3 m und 13,3 m im Signal auffällige Muffen (die Ka-mera zeigte Wurzeleinwuchs) sowie bei ca. 17,5 m aucheine Leckage unten (6:00 und 7:30) zu ,sehen‘. Diese Aus-sagen können allerdings erst mit einer sehr detailliertenNeuro-Fuzzy-Auswertung im Vergleich zu bekannten Scha-densmustern getroffen werden.

6 Spezialfall: Sensorbasiertes Wieder-auffinden von Hausanschlüssen bei derKanalsanierung mit Liner-Rohren

Ein weiterer Vorteil des MRS konnte bei den umfangrei-chen Indoor- und Outdoor-Messungen nachgewiesen wer-den. Undurchsichtige Liner-Rohre aus Kunststoff (auchInliner genannt), die häufig zur Sanierung undichter Rohr-strecken eingezogen werden [1] und zunächst alle Hausan-schlüsse optisch verdecken, sind für den MRS ,transparent‘.Die verdeckten Hausanschlüsse lassen sich mit seiner Hilfeeindeutig detektieren und für zielgenaue Fräsarbeiten ei-nes Sanierungsroboters lokalisieren. Teure Fehlfräsungen,die aufgrund der relativ ungenauen Positionsmessung überdas Roboter-Schleppkabel häufig auftreten, lassen sich so-

Bild 13: Ortung eines durch Liner-Rohre verdecktenHausanschlusses mit dem MRS (Schema).

mit vermeiden (Bild 13). (Ein Fehler von z. B. 0,5% ergibtbei 50 m Abstand vom Schacht schon eine Abweichung von0,25 m – dieser Fehler ist bei der Inspektion noch zuläs-sig [1]).

Das Konzept [8] basiert auf der durch Untersuchungen ander IITB-Teststrecke gesicherten Erkenntnis, dass das beieiner Inspektionsfahrt gewonnene Signalmuster des MRSüber dem Weg bei nochmaligem Befahren reproduziertund nach Einziehen von Liner-Rohren nur unwesentlichverändert wird. Durch ,Übereinanderlegen‘ von zwei weg-bezogenen MRS-Signalverläufen, die jeweils ohne und mitLiner gemessen wurden, lassen sich also die verdecktenHausanschlüsse (oder anderer signifikante Punkte) genaulokalisieren.

Zur technischen Umsetzung sind zwei aufeinander folgendeFahrten erforderlich. Die erste Fahrt (Referenzfahrt) erfolgtvor dem Einziehen der Liner-Rohre und dient der exak-ten Positionsvermessung der unverdeckten Hausanschlüsseunter Verwendung der Weggeber des Roboters. Die zweiteFahrt (Detektionsfahrt) erfolgt nach dem Einziehen derLiner-Rohre (Bild 14).

Durch fortlaufenden Vergleich des gespeicherten Signal-verlaufes über dem Wegl der Referenzfahrto(l) (ohneLiner) mit dem aktuell gemessenen Signalverlauf der De-tektionsfahrtm(l) (mit Liner), unter Verwendung geeig-

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Bild 14: MRS-Befahrung der Teststrecke ohne(oben) und mit Liner (hell oben bzw. dunkel un-ten: Suchbereich für Hausanschluss).

neter Verfahren der digitalen Signalverarbeitung, kann diePosition des verdeckten Hausanschlusses sehr genau be-stimmt werden. Hierzu wird z. B. aus beiden wegabhängi-gen Signalverläufeno(l) und m(l) die Kreuzkorrelations-funktion

Rom(∆) = 1

2L

L∫−L

o(l)m(l +∆)dl (10)

Bild 15: Korrelationskoeffizient der Fahrt ohneLiner mit der Fahrt mit Liner über der Orts-Ver-schiebung der Kurven gegeneinander. (Die Lagedes Maximums relativ zum Nullpunkt gibt dieAbweichung der zweiten Fahrt mit Liner zur ers-ten Fahrt ohne Liner an.)

gebildet, wobei ein gleitendes Wegfenster−L < l < L an-genommen wird. Der laufende Korrekturwert∆(l) zur ak-tuell gemessenen Wegposition l ist immer der Wert, fürden Rom(∆) sein Maximum aufweist (Bild 15). Auf dieseWeise lassen sich beliebige, während der Referenzfahrt ver-messene Punkte im Rohrverlauf nach Einziehen des Linerswieder finden. Im Falle des verdeckten Hausanschlusseskann dieser genau freigefräst bzw. die Stelle markiert wer-den.

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R. Munser, M. Hartrumpf: Detektion verdeckter Anomalien im Bettungsbereich von Abwasserrohren . . . tm 7–8/2003

7 Zusammenfassung und Ausblick

Im vorliegenden Beitrag wird ein neu entwickelter Mikro-wellen-Rückstreusensor vorgestellt, der es gestattet, Hohl-räume und Leckage-Schäden bis ca. 30 cm hinter der Rohr-wand qualifiziert zu detektieren. Als relativ billiges undkleines Modul ist dieses ,CW-Radar‘ bei Nennweiten abetwa DN 150 immer mitführbar und leicht in marktüblicheInspektions- und Sanierungs-Systeme integrierbar. Durchdie Möglichkeit, mit dem MRS außerhalb des Rohres zumessen, ist er komplementär zum innen messenden axialenLichtschnittsensor [4]. Die patentierte, unsymmetrisch ge-neigte Antennenanordnung erlaubt in Gürtelform mit elek-tronischer Umschaltung eine schnelle Rundum-Erfassungdes nahen Bettungsbereichs. Der Sensor wurde in einemrealen Abwasserkanal mit gutem Erfolg bei der Anomalie-Detektion erprobt. Insbesondere mit der anschließendenNeuro-Fuzzy-Fusion der verschiedenen MRS-Kanäle unter-einander [9] ist auch eine treffsichere Klassifikation vonSchäden und anderen Anomalien gegeben. Bei Tests zurKanal-Sanierung mit Linern erwies sich, dass er zum Auf-finden und zur genauen Lokalisierung der zunächst ver-deckten Hausanschlüsse ebenfalls gut geeignet ist.

Der MRS wird weiter optimiert bzgl. der Auswertung derPhase und zusätzlicher Signale. Für einen Industriepartnerarbeitet das Fraunhofer IITB zusammen mit der Fa. OPOSgegenwärtig an der Realisierung des MRS als einsatzfähi-ges Produkt bei der Liner-Sanierung.

Danksagung

Wir danken allen Kolleginnen und Kollegen im IITB sowie al-len Studenten, die zur MRS-Entwicklung beitrugen. Im Rahmenihrer Diplomarbeit waren dies in zeitlicher Reihenfolge: RainerDüßmann, Michael Roßner und Frank Künzel.

Ebenso danken wir dem IHE der Universität (TH) Karlsruhe, mitdessen Hilfe wir den MRS-Prototyp elektronisch realisiert haben.

Literatur

[1] D. Stein: Instandhaltung von Kanalisationen. 3. Aufl., Berlin1999, S. 221ff; S. 497ff; S. 228.

[2] H.-B. Kuntze, D. Schmidt, H. Haffner und M. Loh: KARO –ein flexibel einsetzbarer Roboter zur intelligenten sensorba-sierten Kanalinspektion. Berichte zur NO DIG’95-Konferenzin Dresden, 19.–22.9.1995, Hamburg-Messe & CongressGmbH, 1995, S. 357–365 (englische Fassung parallel er-schienen).

[3] H.-B. Kuntze und H. Haffner: Experiences with the develop-ment of a robot for smart multisensoric pipe inspection.In: Proc. 1998 IEEE International Conference on Roboticsand Automation, Leuven/Belgium, May 16–20, 1998, Vol. 2,Piscataway, NJ., 1998, S. 1773–1778.

[4] R. Deutscher, R. Munser und M. Hartrumpf : Detektionund Vermessung von Schäden in Abwasserrohren mit ei-nem axialen 3D-Lichtschnittsensor. Technisches Messen 70(2003) (in diesem Heft).

[5] M. Bockmair, A. Fisch und K. Peter: Georadar – Erkennungvon Schäden und Vortriebshindernissen. In: Suchen SehenSanieren – Internationales Symposium für Wasser/Abwasserin Lindau 11.–13.3.1993.

[6] Firmenprospekt Riooltechnieken Nederland, Schieweg 60,2627 AN Delft (November 1990).

[7] M. Hartrumpf und R. Munser: Verfahren zur Detektion ganzoder teilweise verborgener Inhomogenitäten in undurch-sichtigen Medien mittels Mikrowellenstrahlung. DeutschesPatentamt München, Aktenzeichen P4340059.0, Tag der An-meldung: 24.11.1993, Tag der Offenlegung: 01.06.1995,Patent erteilt am 05.01.1996 unter der Nr. DE 43 40 059.

[8] R. Munser, H.-B. Kuntze und M. Hartrumpf : Verfahren zumWiederauffinden von vorgebbaren Stellen in Kanalsystemenund Rohrleitungen. Deutsches Patentamt München, Akten-zeichen P10014703.8, Tag der Anmeldung 24.03.2000.

[9] C.W. Frey und H.-B. Kuntze: Neuro-Fuzzy basierte Sensorfu-sion zur qualifizierten Schadensdiagnose an Abwasserkanä-len. Technisches Messen 70 (2003) (in diesem Heft).

[10] R. Munser, H.-B. Kuntze, M. Hartrumpf und C.W. Frey: Einmodulares Multisensorsystem für Rohrinspektions- undRohrsanierungsroboter. In: Proceedings 16. Fachgespräch,Autonome Mobile Systeme’ (AMS 2000), Karlsruhe,20.–21.11.2000.

[11] R. Munser, H.-B. Kuntze und M. Hartrumpf : Ein Multisensor-Roboterkonzept zur Inspektion und Sanierung von ver-deckten Schäden und Hohlräumen in Abwasserkanälen.VDI-Berichte 1679 Tagung Robotik 2002, Ludwigsburg,ISBN 3-18-091679-6, 19.–20.06.2002, S. 617–625.

[12] R. Munser, R. Düßmann, H.-B. Kuntze, M. Hartrumpf undG. Grasemann: Ein neuer Mikrowellensensor zur Detektionund qualifizierten Diagnose von Leckagen in wasserfüh-renden Leitungen. In: IITB-Mitteilungen 1996, FraunhoferIITB, Karlsruhe, S. 44–51.

[13] H. Gobrecht (Hrg.): Bergmann-Schäfer Lehrbuch der Expe-rimentalphysik (Bd. III Optik). 7. Aufl., Berlin 1978, S. 273.

[14] G. Käs und P. Pauli: Mikrowellentechnik: Grundlagen, An-wendung, Meßtechnik. 1. Aufl., München 1991, S. 339.

[15] R. Lenk, W. Gellert (Hrg.): Fachlexikon ABC Physik.1. Aufl., Leipzig/Zürich 1974, S. 1487ff.

[16] L.R. Ridenour (Hrg.): Radar System Engineering. 1. Aufl.,New York 1947, S. 63ff.

[17] H.C. van de Hulst: Light scattering by small particles.1. Aufl., New York 1981, S. 129ff; S. 284ff.

[18] M. Roßner: Experimentelle Untersuchungen mit einemmehrkanaligen Mikrowellen-Rückstreusensor zu Detektionund Diagnose von Rohrschäden. Dipl.-Arb., UniversitätGreifswald 1998, S. 7ff; S. 31ff; S. 56.

[19] M. Eiswirth: Gemeinsame Testeinrichtungen der SAM-Forschergruppe. Technisches Messen 70 (2003) (in diesemHeft).

Dr. rer. nat. Roland Munser ist Projektleiter in derAbteilung MRD des Fraunhofer IITB in Karls-ruhe.

Adresse: Fraunhofer IITB, Fraunhoferstraße 1,D-76131 Karlsruhe, Fax: +49 (0)721-6091-413,E-Mail: [email protected]

Dr.-Ing. Matthias Hartrumpf ist wissenschaftlicherMitarbeiter in der Abteilung MRD des FraunhoferIITB in Karlsruhe und Geschäftsführer der FirmaOPOS Optische On-line-Sensoren

Adresse: OPOS, Hertzstr. 164b, D-76187 Karlsruhe,Fax: +49 (0)721-971305-1,E-Mail: [email protected]

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