ground penetrating radar for the detection of water leakage in buried pipe

Upload: anonymous-wnwk1h2

Post on 07-Jul-2018

216 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    1/60

    Detecting Leakages in

    Underground Buried Pipe 

    Dep ng artment of Mechanical Engineeri

    National University of Singapore

    Session 2009/2010 

    Name: Teo

     Hwi

     Bee 

    Matric Number: U067137N 

    Supervisor:  Assoc Prof  Chew Chye Heng 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    2/60

    Summary 

    There is great difficulty in locating the exact location of  leakages in water pipes. 

    Often, noise

     created

     due

     to

     sharp

     bends

     is

     detected

     instead.

     In

     this

     project;

     we

     shall

     

    try to differentiate noise created by leakage or bends in pipes.  There is a need to 

    find out the frequency window at which turbulence is detected so we can eliminate 

    these frequencies. 

    In the first part of  the experiment, the vibration‐frequency spectrum is obtained for 

    water flowing

     through

     a

     pipe

     without

     any

     leaks.

     The

     pipe

     has

     a

     sharp

     elbow

     

    attached to it to create turbulence noise. The range of  frequencies at which 

    turbulence occurs is noted. 

    In the second part of  the experiment, a hole is drilled into the pipe to allow leakage 

    to occur. Similarly, the vibration‐frequency spectrum is obtained and certain ranges 

    of  frequencies are eliminated. The ranges of  frequencies which are omitted out are 

    those suspected to be due to noise created by turbulence. The only noise that 

    should be observed will be due to leakage in the pipes. In order to locate the exact 

    point of  leakage, correlations were done. 

    Instead of  using data logged from water piping system directly, a scaled down model 

    was set up to simulate this problem. 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    3/60

     Acknowledgements 

    The author wishes to express sincere appreciation of  the assistance given by my 

    supervisor, Assoc

     Prof 

     Chew

     Chye

     Heng

     in

     advising

     directions

     of 

     the

     project.

     Not

     

    forgetting the help rendered and assistance from the technicians of  Dynamics Lab, 

    Air Conditioning Lab especially Mr Cheng and Mr Devan in carrying out the work 

    successfully. 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    4/60

    Contents 

    Summary ................................................................................................................................... 2 

    Acknowledgements................................................................................................................... 3 

    List of  Figures ............................................................................................................................ 6 

    List of  Tables ............................................................................................................................. 7 

    List of  Symbols .......................................................................................................................... 8 

    1. Introduction .......................................................................................................................... 9 

    1.1 Purpose ............................................................................................................................. 10 

    2. Project Directions................................................................................................................ 11 

    3. Theory ................................................................................................................................. 13 

    4. Experiment

     Procedure ........................................................................................................ 14

     

    4.1 Experimental Set Up 1 (Without Hole) ............................................................................. 15 

    4.2 Water Flow Rate ............................................................................................................... 16 

    4.2.1 Calculation of  Water Flow Rate ..................................................................................... 17 

    4.2.2 Results for Different Water Flow Rate........................................................................... 18 

    4.3 General Observations ....................................................................................................... 19 

    4.3.1 Locating Turbulence for Different Locations of  Accelerometers................................... 23 

    4.3.2 Locating Turbulence Frequency for Different Flow Rate ............................................... 26 

    4.4 Results for Set Up 1........................................................................................................... 27 

    5. Experiment Set Up 2 (With Hole)........................................................................................ 29 

    5.1 Results for Different Water Flow Rates ............................................................................ 31 

    5.2 Leakage Frequencies for Different Hole Sizes................................................................... 32 

    5.3 Locating consistency in leakage frequency....................................................................... 34 

    5.4 Locating Point of  Leakage ................................................................................................. 35 

    6. Discussion............................................................................................................................ 38 

    6. 1

     Limitations........................................................................................................................ 39

     

    6.2 Other Possible Errors ........................................................................................................ 41 

    7. Conclusion........................................................................................................................... 42 

    8. Recommendations .............................................................................................................. 43 

    Appendix I‐ Spectrums for Different Flow Rates .................................................................... 44 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    5/60

    Appendix II‐ Locating for consistency in turbulence frequency ............................................. 46 

    Appendix III‐ Leakage Frequency for 1 & 2 revolution water flow ......................................... 51 

    Appendix IV‐ Leak Frequency for 1mm hole........................................................................... 54 

    Appendix V

    ‐Leakage

     Frequency

     for

     1.5mm

     Hole................................................................... 57

     

    Bibliography ............................................................................................................................ 60 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    6/60

    List  of  Figures 

    1. Layout to determine the position of  a leak from buried pipe water distribution 

    pipe 

    2. Schematic Diagram of  Pipe Set Up 

    3. Close up view of  valve and 90° elbow 

    4. Actual Experimental Set Up 

    5. Different Water Flow Rate Channel 1 

    6. Different Water Flow Rate Channel 2 

    7. Frequency

     Spectrum

     of 

     Pipe

     

    8. Frequency Spectrum 1 revolution, 1m distance apart, channel 1 

    9. Frequency Spectrum 1 revolution, 1m distance apart, channel 2 

    10. Frequency Spectrum 1 revolution flow, 0.8m distance apart 

    11. Frequency Spectrum 1 revolution flow, 0.9m distance apart 

    12. Frequency Spectrum 1 revolution flow, 1m distance apart 

    13. Schematic

     Diagram

     of 

     Set

     Up

     2

     

    14. Frequency of  1mm hole 

    15. Frequency of  1.5mm hole 

    16. Time spectrum for 1 revolution flow, 1mm hole 

    17. Time Spectrum for 1 revolution flow, 1.5mm hole, channel 1 

    18. Time Spectrum for 1 revolution flow, 1.5mm hole, channel 2 

    19. Vibration paused in between measurements 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    7/60

    List  of  Tables 

    1. Water flow rate for different revolution of  valve 

    2. Distance

     with

     comparison

     to

     range

     of 

     turbulence

     

    3. Water Flow rate and range of  turbulence frequency 

    4. Range at which turbulence occurs 

    5. Range of  Frequencies for 1 revolution and 2 revolution water flow 

    6. Range of  Leak Frequency for 1mm and 1.5mm hole 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    8/60

    List  of  Symbols 

    D1  Distance of  the leakage point, m 

    wave speed,

     m/s

     

    time difference, s 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    9/60

    1. Introduction 

    Today’s water utility operators have a range of  equipments and techniques to 

    measure, analyse,

     monitor

     and

     reduce

     leakage

     in

     pipes.

     In

     recent

     years

     there

     has

     

    been a surge in development of  tools and equipment to support this task. 

    However, there is still a big gap in such technologies, complementary technology 

    and equipment for locating and pinpointing leaks in hard to reach situations, such as 

    underground buried pipes. Thus systematic detection methods, exact water meter 

    reading and

     fast

     leak

     repairs

     are

     essential

     to

     reduce

     the

     amount

     of 

     leakages.

     

    There are several conventional technologies for localizing, locating and pinpointing 

    leaks in distribution networks. The most commonly used method will usually involve 

    a 2 step approach. Firstly, water auditing is done, which monitors the night time 

    minimum flow rate in the inlet and outlet of  a pipeline system. The audits cannot 

    find the precise location of  the leaks but estimate the total leakage from the pipeline. 

    Next, acoustic method is used whereby sound or vibration by water leaking from 

    pipe is detected. Other conventional methods include tracer gas, thermography, 

    flow and pressure modeling. 

    There are also less conventional techniques which are invariably called on when the 

    other technologies fail: 

    ‐  Correlation with low frequency hydrophones 

    ‐  Inverse transient analysis 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    10/60

    ‐  Ground penetrating radar (GPR) 

    Low frequency hydrophones works on the same basis as acoustics. Hydrophones 

    have piezoelectric transducers that converts sound signal to electrical signal, since 

    sound is a pressure wave. 

    Inverse transient analysis is based upon pressure data collected during the 

    occurrence of  transient events and minimization of  the difference between the 

    observed data and the calculated pressures. In systems without leaks, important 

    phase shifts of  the pressure wave occur at all sites within the pipe. For pipes with 

    leaks, pressure wave and transient event damping occurs and mathematical analysis 

    of  this phenomenon allows the position of  the leak to be determined. 

    Ground penetrating radar (GPR) is a rapid, high resolution tool for non‐invasive 

    subsurface investigation. GRP produces electromagnetic radiation that propagates 

    through the ground then returns to the surface. The radar waves are dependent 

    upon the dielectric constant due to changes in subsurface material. The travel time 

    of  the electromagnetic wave from the emitted to reflected wave is a function of  the 

    depth and electric properties of  the media. 

    1.1 Purpose

     

    Differentiate between noise created to due to turbulence and noise created due to 

    leakages 

    10 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    11/60

    2. Project  Directions 

    Initially, the intention of  the project is to investigate the possibility of  using ground 

    penetrating radar

     to

     replace

     the

     existing

     acoustic

     method

     detection

     system

     in

     which

     

    PUB is using. As GRP also detects underground water content, it is a possible 

    alterative technology for leak detection. The use of  GRP involves a worker to 

    manually navigate the device accordingly to the water distribution. Depending on 

    the antennae and the material properties of  the soil, it can successfully penetrate 

    down 

    to 

    about 

    10m. 

    Data 

    are 

    stored 

    and 

    map 

    into 

    images 

    which 

    displays 

    the 

    water 

    content of  the soil. The method is labour intensive as survey is needed to be done 

    throughout the whole network system. 

    After some discussion with PUB, acoustic logger system was decided eventually as 

    they have existing loggers around their water network system. They are currently 

    using the

     Phocus2

     System

     and

     Eureka

     Digital

     system

     to

     detect

     leakages.

     

    Phocus2 system is an acoustic logger system. An area is surveyed by installing a 

    number of  loggers at available hydrants and valves, Phocus2 records acoustic noise 

    over a selected period. Eureka Digital system is a leak noise correlator. Transmitters 

    are placed at 2 points on a suspected leak position. The noise correlator operates by 

    comparing the

     noise

     detected

     at

     2

     different

     points

     in

     the

     pipeline.

     

    11 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    12/60

    Both systems basically works along the same principle and both operates with an 

    integrated accelerometer. The main problem that arises with such loggers is that it is 

    difficult to

     differentiate

     between

     noise

     created

     due

     to

     turbulence

     or

     due

     to

     leak.

     

    12 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    13/60

    3. Theory 

    A typical measurement layout to determine the location of  a leak in a buried pipe is 

    shown in

     figure

     1.

     

    Figure 

    1: 

    Layout 

    to 

    determine 

    the 

    position 

    of  

    leak 

    from 

    buried 

    pipe 

    water 

    distribution 

    pipe 

    If  a leak is suspected, the acoustic sensors, typically accelerometer are places either 

    side of  the leak. The aim is to determine the position of  the leak, which in this case is 

    the distance D1 from transmitter A. This distance is related by the equation below: 

    Where  is the wave speed 

    is the time difference 

    Thus to determine the leak, these variables need to be known. The wave speed c, 

    can be measured experimentally by tapping on the pipe, then measuring the time at 

    which the sound travel. To estimate  , the cross‐correlation of  the signals from the 

    sensors is generally used. However the quality of  this estimate depends upon the 

    type and positioning of  the sensors and the processing of  the signals. 

    13 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    14/60

    4. Experiment  Procedure 

    2 set ups are done to investigate noise created due to turbulence and leakage. In 

    this experiment,

     instead

     of 

     using

     the

     actual

     piping

     used

     in

     water

     works,

     a

     1

     inch

     

    copper pipe is used to simulate actual behavior. 

    Copper pipe of  1 inch diameter was used to get the frequencies of  vibration when 

    the pipe is with or without hole. Accelerometers are placed at both ends of  the pipe 

    to obtain the vibration motion of  the pipe and distances at which accelerometers 

    are placed

     on

     the

     pipe

     are

     varied.

     A

     90°

     elbow

     bend

     was

     placed

     to

     create

     some

     form

     

    of  turbulence. 2 experiments are conducted to investigate the vibration spectrum of  

    the pipe. First set up was when water flow through a normal copper pipe and the 

    turbulence frequency is investigated. As for the second experiment, a hole was 

    drilled into the pipe to simulate water leakage while the other end of  the pipe is 

    sealed. Hence,

     leakage

     frequency

     is

     investigated.

     

    14 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    15/60

    4.1 Experimental Set  Up 1 (Without  Hole) 

    Set Up 1: To get frequency spectrum for water flow in copper pipe 

    1.3m pipe

    CH2  CH1 

    Accelerometer 1 

    valve 

    Accelerometer 2 

    90° elbow

    Figure 2: Schematic Diagram of  Pipe Set Up

     

    Figure 3: Close up view of  valve and 90 degree elbow 

    15 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    16/60

     

    Figure 4: Actual Experimental Set Up 

    4.2 Water

     Flow

     Rate

     

    Water flow rate is controlled by the number of  revolutions done by the tap. A 

    marker was used to give a rough estimate of  the water flow rate. Time is recorded 

    to get the average flow rate. 

    Table 1: Water flow rate for different revolution of  valve 

    Revolutions  Time taken/s  Average Time/s  Volume Flow rate/ m3s‐1

     

    1  49.23  48.35  48.79  2.07   10‐4 

    2  25.5  25.45  25.475  3.96 x 10‐4

     

    3  24  24.93  24.465  4.13 x 10‐4 

    Channel 1Channel 2 

    16 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    17/60

    4.2.1 Calculation of  Water Flow Rate 

    1 inch = 0.0254m 

    Time taken for water to flow through the pipe is estimated to be slowest at 3.17s. 

    Hence, when obtaining frequency spectrum for the pipe, real time capture of  

    approximately 5s was done. A real time capture of  5s should be sufficient to collect 

    17 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    18/60

    vibrations data made by the pipe. The frequencies made by the pipe should be 

    relatively low and of  low amplitude. 

    4.2.2 Results for Different  Water Flow Rate 

    Comparing figure 5 and 6, it can be seen that a higher water speed results in greater 

    vibration magnitude. This is expected of  greater water speed. Sound created will be 

    louder and of  higher magnitude. Another observation that we can see below is that 

    most 

    of  

    the 

    peaks 

    are 

    grouped 

    at 

    low 

    frequency 

    range 

    for 

    all 

    water 

    flow 

    rate. 

    For the power spectra obtained from channel 2, there is an anomaly for 1 revolution 

    water speed. The magnitude should be lower compared to a faster water speed. 

    However, it can be suspected that it may be due to noise from the environment 

    during recording or outlet noise from the pipe. It can be observed that there are 

    clusters of 

     peaks

     of 

     higher

     frequencies

     in

     the

     graph

     of 

     channel

     2

     but

     not

     channel

     1.

     

    18 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    19/60

     

    Figure 5: Different Water Flow Rate Channel 1 

    Figure 6: Different Water Flow Rate Channel 2 

    4.3 General Observations 

    After analyzing many spectrums, there are some consistent observations that can be 

    brought up. These observations can be applied to both experiment 1 and 2. 

    19 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    20/60

     

    Figure 7: Frequency Spectrum of  Pipe 

    First observation is that most spectrums has initial spike at 0 frequency, therefore it 

    is difficult to analyse the rest of  the spectrum at higher frequencies. This may be due 

    to incorrect timing at which measurements are taken. The initial spike may be due 

    to low turbulence frequency at which is caused either by the valve or the elbow. 

    There is a large initial change in momentum. This occurrence is common for many 

    graphs and when this happens, we shall omit and focus on the peaks due to 

    turbulence. 

    20 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    21/60

     

    Figure 8: 1 revolution, 1m distance apart, channel 1 

    Figure 9: 1 revolution, 1m distance apart, channel 2 

    As we compare the results between channel 1 and 2 and zoom into one of  the peaks 

    in channel 1 which happens at 1.488 kHz having a magnitude of  8.53E‐03 Vrms and 

    21 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    22/60

    channel 2 at 1.488 kHz having a magnitude of  6.02E‐03 Vrms. There is a decrease in 

    magnitude due to lost of  energy when wave passes through a distance. The peak 

    magnitude was

     chosen

     as

     it

     is

     due

     to

     the

     turbulence

     caused

     by

     the

     90°

     elbow.

     

    Zooming into the circled out frequencies above at figure 8, it can be deduced that 

    these high magnitudes are noises caused by the turbulence of  the elbow. Compared 

    to channel 2, at these frequencies, the magnitudes are slightly lower due to energy 

    losses. 

    Figure 9 has a circled out region and we can see that there are usually high 

    magnitudes at higher frequencies. This should not be the case and we can suspect 

    that these high magnitudes are due to the outlet noise, noise created when water 

    gushes out of  the pipe. Since channel 2 accelerometer is nearer to the outlet, it is 

    able to pick up the loud noises when water is escaping. 

    Hence, second observation is that initial peaks are due to turbulence or leakages. 

    Third observation is that peak at high frequencies for channel 2 is due to outlet 

    noise. 

    22 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    23/60

    4.3.1 Locating Turbulence for Different  Locations of  

     Accelerometers 

    Ideally, accelerometers

     are

     to

     be

     placed

     at

     a

     certain

     distance.

     Since

     the

     pipe

     is

     about

     

    1.3m long, the accelerometers are placed about 1m apart. It cannot be placed any 

    further as it will collect noise from the environment for channel 2 and for channel 1, 

    it will directly collect noise from the 90 degree elbow. 

    Distance at which accelerometers are placed are varied from 1m to 0.8m. Placing 

    the accelerometers

     too

     close

     is

     not

     favourable

     as

     well

     because

     the

     sound

     collected

     

    will attune such that both are recording the same thing. In this case, we are trying to 

    get the maximum distance at which sound dies off  so the accelerometers will not be 

    placed at that particular distance. Below are some of  the distances varied from 0.8m 

    to 1m. 

    Figure 10: 1 revolution, 0.8m distance apart 

    23 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    24/60

    When accelerometers are placed 0.8m distance apart, the turbulence frequency 

    occurs at a range of  1.328 kHz to 1.584 kHz. 

    Figure 

    11: 

    revolution 

    flow, 

    0.9m 

    distance 

    apart 

    The accelerometers are placed 0.9m distance apart, we now observe a similar trend, 

    the initial peaks at low frequencies for channel 1 is due to turbulence, these peaks 

    decreases at channel 2. Hence, we can interpret that turbulence which is the boxed 

    out region occurs at 1.248 kHz to 1.840 kHz. There are lots of  peaks at 1.92 kHz 

    onwards. These peaks are due to noise created by the outlet. 

    24 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    25/60

     

    Figure 12:  1 revolution, 1m distance apart 

    From the graph above, it is observed that the range at which turbulence occurs over 

    816Hz to 1.97 kHz. 

    Table 2: Distance with comparison to range of  turbulence 

    Distance at which accelerometers are placed  Range of  turbulence frequency/ kHz 

    1m  0.816  – 1.97 

    0.9m 

    1.248  –

     1.84

     

    0.8m  1.323  – 1.584 

    From table 2, at all distances in which accelerometers are placed, vibration can be 

    detected. Accelerometers cannot be placed any further due to the short pipe length. 

    The optimum distance at which accelerometers should be placed is probably at a 

    distance of  0.9m. The distance of  0.8m may be too close. The range of  turbulence 

    frequency obtained when accelerometers are placed closely is too narrow. 

    25 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    26/60

    4.3.2 Locating Turbulence Frequency for Different  Flow Rate 

    Ideally, a slower flow rate will be better in locating turbulence and leakage. As there 

    is little excitation on the pipe, the noise made will be smaller. Turbulence and 

    leakage peaks will be more obvious. 

    Below is the table at which different flow rate is used and the corresponding 

    estimated turbulence frequency. Comparing different flow rates, the slowest water 

    speed give the most appropriate range at which turbulence occurs. For a higher 

    water speed, the range at which turbulence occur is too widespread. 

    Table 3: Water Flow Rate and Range of  Turbulence 

    Ranges at which turbulence occurs 

    ID5 (1 rev, 0.9m)  1.248 kHz  1.84 kHz 

    ID6 (2 rev, 0.9m)  368Hz  1.87kHz 

    ID7 (3 rev, 0.9m)  688 Hz  1.54 kHz 

    Refer  to  Appendix  I  for  the spectrums above. 

    26 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    27/60

    4.4 Results for Set  Up 1 

    Readings were recorded by the tape recorder and signals are sent through the 

    oscilloscope. Time capture of  5s of  vibration is recorded and the frequency spectrum 

    range is up to a frequency of  6.48 kHz. Any frequencies above that are undetectable 

    and the noise magnitude is very small. Averages of  20 are done. 

    Revolutions of  the valves and distance at which the accelerometers are placed are 

    varied. In order to check the consistency in our deduction we noted the frequencies 

    of  peaks for channel 1 and channel 2. Note that we will eliminate the outlet noise 

    picked up by channel 2 and estimate the peak frequency for channel 2 which is 

    created due to turbulence. Another condition is that the magnitude at which this 

    occurs for channel 2 must be lower than channel 1. Since 1 revolution water flow 

    speed gives a better range, analysis will be carried out for this spectrum. The time 

    capture of 

     5s

     will

     be

     broken

     up

     into

     1s

     interval

     of 

     5

     parts

     to

     check

     if 

     the

     turbulence

     

    frequency is consistent. 

    27 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    28/60

    Table 4: Range at which turbulence occurs 

    Ranges at which turbulence occurs 

    ID2 (1 rev, 1m) 5seconds  1.22 kHz  1.48 kHz 

    1st

     second  1.28 kHz  1.41 kHz 

    2nd

     second  928 Hz  1.36 kHz 

    3rd

     second  928 Hz  1.46 kHz 

    4th

     second  1.38 kHz  1.41 kHz 

    5th

     second  928 Hz  1.07 kHz 

    ID5 (1 rev, 0.9m) 5seconds  1.248 kHz  1.84 kHz 

    1st

     second  ‐ ‐

    2nd

     second  1.22 kHz  1.58 kHz 

    3rd

     second  1.02 kHz  1.87 kHz 

    4th

     second  1.34 kHz  1.41 kHz 

    5th

     second  1.15kHz  1.46 kHz 

    Refer  to appendix  II  for  the spectrums 

    From the table above, we get the averages for channel 1 and channel 2 respectively. 

    Frequency turbulence occurs at a range from 1.15 kHz to 1.48 kHz. Though there are 

    certain anomalies, like ID5 spectrum for the 1st

     second whereby we are unable to 

    spot the turbulence frequency range because it does not fulfill the condition that 

    magnitude of  vibration of  channel 1 is higher than channel 2. This occurrence can be 

    due to various reasons. The reasons will be discussed later.  If  we take note of  these 

    range at

     which

     turbulence

     occurs,

     we

     should

     be

     able

     to

     effectively

     spot

     where

     

    leakages occur b eliminating such frequencies. 

    28 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    29/60

    5. Experiment  Set  Up 2 (With Hole) 

    1.3m pipe 

    CH2  CH1 

    valve 

    sealed 

    0.5m 

    hole 

    0.7m  0.3m 

    Copper pipe of  1 inch diameter was used to get the frequencies of  vibration when 

    the pipe is with hole. Accelerometers are placed at both ends of  the pipe to obtain 

    the vibration

     motion

     of 

     the

     pipe

     and

     distances

     at

     which

     accelerometers

     are

     placed

     

    on the pipe are varied. A 1mm hole was drilled to stimulate water leakage. The hole 

    is drilled 0.5m away from the elbow. 1mm hole was chosen as it is the smallest hole 

    that is possible with the available equipments. Initially, a bigger hole was drilled and 

    the pipe was vibration visibly hard thus the whole experiment was redone by drilling 

    smaller 

    hole. 

    The 

    end 

    of  

    the 

    pipe 

    is 

    sealed 

    so 

    noise 

    made 

    by 

    the 

    pipe 

    should 

    only 

    be due to the leak only. In this second part of  the experiment, we are to investigate 

    the frequency range of  leakage. 

    Figure 10: Schematic Diagram of  Set Up 2

    29 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    30/60

    From the results of  set up 1, a slower flow rate is more appropriate when measuring 

    excitation of  the pipe due to leakage. Therefore, our analysis shall be limited to 1 to 

    2 revolution

     of 

     water

     flow

     speed.

     Ideally,

     the

     range

     at

     which

     leakage

     occurs

     should

     

    be smaller than turbulence frequency. The excitation due to turbulence is greater 

    than leakage. 

    30 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    31/60

    5.1 Results for Different  Water Flow Rates 

    Analysis is done in comparison for 1 revolution and 2 revolution water speed. The 

    distance at which the accelerometers are varied from 1m to 0.8m distance, it will 

    not really affect the frequency obtain as ideally range of  frequency for leakage 

    should be roughly consistent for same water flow rate. 

    Table 5: Range of  Frequencies for 1 revolution and 2 revolution water flow 

    Range of  frequency at which leakage occurs/ kHz 

    ID1 (1

     rev,

     1m

     dist)

     0.944

     1.28

     

    ID5(1 rev, 0.9m dist)  0.848  0.900 

    ID8 (1 rev, 0.8m dist)  0.480  0.804 

    ID3 (2 rev, 1m dist)  0.144  0.368 

    ID6 (2 rev, 0.9m dist)  0.688  0.704 

    ID9 (2 rev, 0.8m dist)  0.480  0.702 

    Refer  to appendix  III  for  the spectrums 

    From the data above, it looks like the results are very inconsistent. We are not able 

    to distinguish a difference between noise created by turbulence or leakage. Most of  

    the time, we have to assume that the leak frequency is low. Often, the magnitude of  

    channel 1 and channel 2 coincides. 

    31 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    32/60

    5.2 Leakage Frequencies for Different  Hole Sizes 

    1mm hole was decided as it is the smallest possible hole that can be drilled into the 

    pipe. The hole is supposed to be as small as possible in order to simulate little 

    excitation to the pipe. Whereas noise made by turbulence is much higher than the 

    leak. In the experiment, a comparison was done between 2 hole sizes, 1mm and 

    1.5mm hole respectively. 

    Figure 11: Frequency of  1mm hole 

    32 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    33/60

     

    Figure 12: Frequency of  1.5mm hole 

    From the 2 spectrums above, 1mm hole has an estimated leak frequency of  1 kHz to 

    1.58 kHz. Though the magnitude of  channel 1 is not higher than 2 but it is also highly 

    impossible that the leak frequency is 2.5 kHz. The assumption here is that the pipe 

    length is relatively short so there is little damping effect. This same assumption is 

    assumed for

     figure

     14.

     The

     leak

     frequency

     is

     from

     688

     

    Hz 

    to 

    1.37 

    kHz. 

    The spectrums results are different from what we are expected of. The bigger hole 

    leakage should occur at a higher frequency compared to the smaller hole leakage. 

    Moreover, the vibration magnitude for the smaller hole is greater than a larger hole 

    which defies expectation. 

    33 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    34/60

    5.3 Locating consistency in leakage frequency 

    In order to check if  the leakage frequency is less than 1 kHz, we will analyse the time 

    capture spectrum in per second interval. The slowest water flow rate is used for 

    analysis. 

    Table 6: Range of  Leak Frequency for 1mm and 1.5mm hole 

    Range of  leak frequency/ kHz 

    ID1 (1 rev, 1mm hole, 1m dist) 

    1st

     second  0.128 

    2nd second

     0.048

     0.208

     

    3rd

     second  0.048 

    4th

     second  0.064 

    5th

     second  0.048 

    ID26 (1 rev, 1.5mm hole,0.9 dist) 

    1st

     second  0.528  0.704 

    2nd

     second  0.480  0.688 

    3rd second

     0.528

     0.672

     

    4th

     second  0.528  0.816 

    5th

     second  0.528  0.688 

    Refer  to  Appendix  IV   for  1mm hole spectrums. 

    Refer  to  Appendix  V   for  1.5mm hole spectrums. 

    From the analysis, the average frequency at which 1mm hole leakage is 67.2 Hz to 

    208 

    Hz. Whereas

     the

     leakage

     for

     the

     bigger

     1.5mm

     hole

     is

     from

     a

     range

     of 

     412

     

    Hz 

    to 

    714 Hz which is higher than the smaller hole. As what we have analysed here is 

    different from what we have found out earlier on. Perhaps, for lower frequency we 

    have to use a time capture for a smaller interval to obtain a more reliable result. 

    34 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    35/60

    5.4 Locating Point  of  Leakage 

    In order to locate point of  leakage, a time capture of  spectrums at the exact same 

    time interval is needed. Next, we have to sieve out a common pattern between both 

    spectrums from channel 1 and 2 to obtain the time difference. This is also known as 

    correlation. By noting the time delay and multiplying it with the speed of  sound in 

    copper pipe, we can locate the leakage point. Distance between the 2 

    accelerometers need to be noted as well. Through some analysis, we zoomed into 

    the time

     capture

     spectrum

     to

     the

     clearest

     possible

     view.

     

    peak due to leakage 

    Figure 13: Time spectrum for 1 revolution flow, 1mm hole 

    Above 

    is 

    the 

    time 

    based 

    spectrum 

    for 

    1mm 

    hole 

    at 

    revolution 

    water 

    flow 

    rate, 

    from 0.53s to 0.55s interval. It seems like a similar pattern cannot be found, thus 

    unable to obtain the time delay. By zooming into the peaks, we noticed that the 

    peak occurs at an earlier time in channel 2 compared to channel 1 and this should 

    35 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    36/60

    not be the case as channel 1 is nearer to the leakage. Channel 1 should detect the 

    leakage first. Hence, further explains that this result is wrong. Different timings of  

    the spectra

     is

     investigated

     as

     well

     but

     there

     are

     no

     convincing

     results.

     

    Figure 14: Time Spectrum for 1 revolution flow, 1.5mm hole, channel 1 

    Figure 15: Time Spectrum for 1 revolution flow, 1.5mm hole, channel 2 

    36 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    37/60

    For 1.5mm hole, by comparing the above 2 time based spectrums, we can estimate 

    to shift the spectra for channel 2 along this direction to obtain the same pattern as 

    channel 1.

     Hence,

     there

     will

     be

     a

     time

     delay

     of 

     0.02s.

     Speed

     of 

     sound

     in

     copper

     is

     

    3901m/s, hence the hole is estimated to be at a distance of  78.02m, which is very 

    incorrect. 

    Through several analysis, we zoomed in the time capture spectrum to the smallest 

    possible available scale. However, we are still unable to correlate or find any similar 

    pattern in

     both

     channel

     1

     and

     2.

     If 

     there

     are

     no

     similar

     pattern

     available,

     we

     cannot

     

    obtain the time delay neither can we calculate the exact leakage point. Hence, 

    locating leak point is not really possible through this experiment set. There are far 

    too much variation in water pressures, hence determining the peak due to leakage is 

    difficult. There are many reasons can attribute to this occurrence. Further 

    explanation 

    will 

    be 

    elaborated 

    below 

    under 

    the 

    discussion. 

    37 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    38/60

    6. Discussion 

    Generally, most spectrums have a great range and lots of  them are chosen due to 

    many assumptions. Many spectrums have initial spike in attenuation and therefore 

    we focus on the area which we think are significant. 

    For the first experiment, the turbulence frequencies hover around 1kHz. However, 

    there were much inconsistencies in the experimental results. Generally, channel 2 

    has a higher magnitude than channel 1. There is a suspicion that channel 2 collected 

    outlet noises when water is gushing out of  the pipe.  The peaks spectrum for both 

    channel 1 and 2 are not consistent. Unknown peaks at certain high and low 

    frequencies range are spotted. 

    For the second experiment, it is difficult to sieve out the leakage frequency. Either 

    the frequency is too low since the whole set up is scaled down or that 

    environmental noises are recorded. Below are some of  the limitations of  the 

    experiments. 

    38 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    39/60

    6. 1 Limitations 

    Numerous limitations were faced when gathering the data presented in this report. 

    Many limitations

     affected

     the

     repeatability

     of 

     the

     data

     collected

     in

     various

     ways.

     

    Lack of  equipment to mimic the actual conditions of  water piping systems also 

    resulted in a loss of  accuracy of  the results. 

    The limitations are listed below: 

    ‐  The length of  the pipe is too short; a longer pipe will be more reliable. Wave 

    travels too quickly and pipe gets excited by surrounding vibrations very easily. 

    ‐  Length of  pipe is only 1.3m so there can be very little variation in the 

    distancing the 2 accelerometers 

    ‐  Water flow speed may not be slow enough to detect difference in turbulence 

    and leakages. 

    ‐  Noises in the environment may be louder than the noise created by the 

    turbulence and pipes itself. 

    ‐  Water pressure may not be consistent during measurements 

    ‐  Equipments may not be sensitive enough to capture low frequencies 

    measurements 

    ‐ Turbulence

     may

     be

     caused

     by

     the

     half 

     opened

     valve

     rather

     than

     90

     degree

     

    elbow 

    39 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    40/60

    ‐  Pipes are freely supported and not fully support along its axis will result in 

    higher vertical amplitude to the pipe axis are not ideal for leakage location 

    because they

     are

     narrow

     band

     in

     character

     and

     propagation

     velocity

     may

     

    vary with frequency. 

    ‐  Vibration is not captured fully by the accelerometers at times (see figure 18 

    below) 

    As the results are badly affected by the limitations, filtering and conditioning of  the 

    signals has

     to

     be

     done

     in

     order

     to

     see

     any

     correlation.

     These

     factors

     are

     also

     why

     the

     

    results presented may appear seemingly unconvincing and inconsistent. 

    Figure 16: Vibration paused in between measurements  

    40 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    41/60

    6.2 Other Possible Errors 

    Though there are many limitations could affect the results of  both experiment, 

    there may be other possible errors that resulted in unreliable results. 

    ‐ Time window selected for analyzing of  data. As data captured may have 

    possible pauses in between. A wrong time interval is selected when analyzing. 

    ‐ Assumption at which frequency of  turbulence and leakage occurs may be 

    wrong. As always, our analysis may be wrong and thus results are incorrect. Some 

    possible factors and details may be left out due to lack in experience 

    ‐ Human reaction time error when recording vibration. Number of  averages 

    taken may be insufficient. 

    ‐ It is difficult to come up with a theoretical spectrum of  the water flowing in a 

    pipe, hence little comparison can be done. Water flowing through the pipe is 

    turbulent. 

    ‐Valve

     and

     90

     degree

     elbow

     are

     close

     together,

     hence,

     difficult

     to

     identify

     

    vibration due to valve or elbow. 

    41 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    42/60

    7. Conclusion 

    From this project, there is a better understanding in detecting leakages in pipe. It is 

    evident that a range of  frequency was obtained for both leakage and turbulence. 

    Though some of  the experimental results do not concur with theoretical expectation 

    but there were many limitations and error throughout the whole experimental 

    process. Much effort is done in trying to reduce such errors, however, results may 

    not be very convincing unless more testing is done. 

    Perhaps, one of  the more significant findings is that turbulence frequency ranged 

    around 1kHz and that leakage frequency is around 100 to 800 Hz. Leakage frequency 

    is dependent on hole size. Another finding is that high water flow speed is not good 

    in determining both leakage and turbulence frequency range.  A much longer pipe is 

    needed to space out the accelerometer. 

    Lastly, in order to obtain better results, further improvements could be done to this 

    experiment. We believe that through continual efforts, we are able to correctly 

    determine and distinguish between turbulence and leak frequency. 

    42 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    43/60

    8. Recommendations 

    The recommended solutions are arranged in order of  ease of  implementation: 

    1)  Installing an additional/larger accelerometer to check consistency of  data. 

    2)  Note down timings at which the environmental conditions are more 

    favorable, quietest period to conduct data collection. Experiments could 

    possibly be conducted at night. 

    3)  Increase number of  data collected. 

    4)  If  the limitations of  fluctuating pressure cannot be avoided, we can install a 

    pressure gauge meter on the pipe to record the pressure when the 

    experiment to plot a 3‐D graph for better correlation. 

    5)  Longer pipe, bigger diameter pipe could be used. Actual public water system 

    would be preferred. 

    6) 

    Collect result

     of 

     pipe

     buried

     in

     ground

     rather

     than

     pipe

     which

     is

     freely

     

    supported. 

    7)  Ensure pressure of  water is constant throughout the whole experiment. Have 

    a proper valve or digital system of  measuring water flow rate, input of  flow 

    meter. 

    8) 

    Fluids should

     not

     contain

     any

     other

     substances

     such

     as

     air

     bubbles

     or

     small

     

    particles. 

    9)  Measure the ideal water flow rate which results in the least vibration of  the 

    pipe. 

    43 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    44/60

     Appendix I- Spectrums for Different  Flow Rates 

    44 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    45/60

     

    45 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    46/60

     Appendix II- Locating for consistency in turbulence frequency 

    46 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    47/60

     

    47 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    48/60

     

    48 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    49/60

     

    49 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    50/60

     

    50 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    51/60

     Appendix III- Leakage Frequency for 1 & 2 revolution water flow 

    51 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    52/60

     

    52 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    53/60

     

    53 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    54/60

     Appendix IV- Leak  Frequency for 1mm hole 

    54 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    55/60

     

    55 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    56/60

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    57/60

     Appendix V- Leakage Frequency for 1.5mm Hole 

    57 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    58/60

     

    58 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    59/60

     

    59 

  • 8/18/2019 Ground Penetrating Radar for the Detection of Water Leakage in Buried Pipe

    60/60

    Bibliography 

    Dunegan, H. (2004). Location of  Leaks in Pipe by  Use of   Acoustic Emission Model  Ratio 

    Techniques. 

    Liston, D. L. (1992). Leak detection techniques.  Journal  of  the New  England  Water  Works 

     Association , 103‐108. 

    M.J Brenna, P. J. Some Recent  Research Results on the use of   Acoustic Methods to Detect  

    Water  Leaks in Buried  Plastic Water  Pipes. Institute of  Sound and Vibration Research, 

    University of  Southhampton. 

    R. Long, M. L. (2003). Attenuation characteristics of  the fundamental modes that propagate 

    in buried iron water pipes. Ultrasonics 41 , 509‐519. 

    Riehle, H.

     V.

     (1991).

     Ten

     Years

     of 

     Experience

     with

     Leak

     Detection

     by

     Acoustic

     Signal

     Analysis.

     

     Applied   Acoustic 33 , 1‐19. 

    Seung Yeup Hyun, Y. S.‐Y.‐S. (2007). The laboratory scaled down model of  a ground 

    penetration radar for leak detection of  water pipes. Measurement  Science and  Technology  

    18 , 2791‐2799.