Investigation of ground vibration measurements for leak detection in buried water pipes by using cameras

Abstract

Leaking pipes pose a significant threat to sustainable practices in the modern world, as substantial volumes of water are lost between treatment facilities and end-users. This not only wastes valuable water resources but also results in considerable energy losses associated with pumping and treatment processes. To address this issue, water companies deploy various devices to detect leaks within their distribution networks. Among these devices are tools that leverage the vibro-acoustic characteristics of leak noise to detect and pinpoint leak locations. Examples include listening sticks/rods, geophones, and leak noise correlators, being the latter a widely used tool for precise leak localization, requiring complex signal processing. Leak noise correlators rely on at least two sensors placed onto the vibrating pipe system to estimate the time delay between signals and determine the leak position, provided the leak noise velocity is known beforehand. However, these devices are based on contact measurements, which can be challenging in scenarios where access to buried pipes is limited or when hydrometers and hydrants are inaccessible, as is often the case in Brazil. To overcome these challenges, this work investigates the use of cameras as non-contact sensors by employing computer vision techniques. A key advantage of this approach is that any pixel in the camera's field of view can serve as a measurement point (sensor). This method is particularly relevant for scenarios where achieving a low Signal-to-Noise Ratio (SNR) is crucial, as leak vibration amplitudes are typically small and can be masked by instrument and background noise. Therefore, this study outlines a systematic procedure to achieve a sufficiently low SNR using standard cameras, enabling single-point (amplitude-only) or multi-point (amplitude and phase) measurements via Optical Flow techniques for displacement tracking. The developed procedure was evaluated on a bespoke test bench designed to simulate controlled leak conditions. Results demonstrated the feasibility of using the proposed technique to track leak noise at low frequencies, constrained by the camera's frame rate. Additionally, ground vibration measurements were conducted to localize actual leak noise sources. The results are promising, indicating that phase measurements obtained through this technique can be effectively used to estimate leak locations.

Vazamentos de água representam uma ameaça à sustentabilidade no mundo moderno, já que um volume substancial de água é perdido entre as instalações de tratamento e os usuários finais, resultando em um grande desperdício de energia para bombeamento e procedimentos de tratamento. Para enfrentar esse desafio, as empresas de água utilizam diversos dispositivos para detectar vazamentos em suas redes. Entre esses dispositivos estão aqueles que utilizam as características vibro-acústicas do ruído do vazamento para localizar sua posição. Os dispositivos mais comuns são a haste de escuta, geofone, e correlacionador de ruído de vazamento, sendo este último uma ferramenta amplamente utilizada para determinar a posição do vazamento, mas que apresenta um complexo de processamento de sinal. Além disso, os correlacionadores de ruído utilizam pelo menos dois sensores ao longo da tubulação, de modo que o atraso temporal entre os sensores possa ser estimado e a posição do vazamento seja determinada, quando a velocidade do ruído de vazamento é conhecida/estimada a priori. Medidas de contato são utilizadas para qualquer um desses dispositivos, o que pode ser difícil quando o acesso à tubulação enterrada é limitado ou quando hidrômetros/hidrantes estão fora de alcance, o que é comum no Brasil. Portanto, este trabalho tem como objetivo investigar o uso de câmeras como alternativa para medidas não contato utilizando técnicas de visão computacional. Além do mais, cada pixel pode ser tratado como uma posição de medição (sensor), o que pode ser vantajoso para detecção de vazamentos. Essa técnica é viável quando se alcança uma baixa relação sinal-ruído (SNR), já que a amplitude da vibração do vazamento é muito pequena e pode ser corrompida pelo ruído de instrumentação ou ruído de fundo. Portanto, um procedimento sistemático para obter um SNR suficientemente baixo para câmeras comuns é descrito neste trabalho, de modo que a medição de ponto único (amplitude) ou de múltiplos pontos (amplitude e fase) possa ser realizada utilizando métodos de rastreamento de deslocamento. O procedimento desenvolvido é então utilizado para mostrar a viabilidade de detectar vazamentos usando uma banca de testes, onde condições específicas podem ser simuladas. Foi demonstrado que a técnica desenvolvida pode rastrear o ruído do vazamento em baixas frequências. Além disso, medidas reais da fonte de ruído do vazamento usando vibrações de superfície foram feitas para mostrar a viabilidade da técnica. Os resultados são promissores, de modo que a fase medida pode ser usada para estimar a localização do vazamento.