CN109738138B - 一种利用行波定位hdpe膜渗漏位置的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法及装置涉及一种用于HDPE膜渗漏位置定位。本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法是将具有实心导体层和金属屏蔽层的同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，利用具有腐蚀性的垃圾渗滤液改变同轴电缆的绝缘保护层和绝缘介质层的物理特性，从而使实心导体层和金属屏蔽层形成短路，并产生暂态行波，进而利用行波到达同轴电缆两端的时间差进行渗漏定位。可以改善传统方法无法消除多渗漏点电场互相耦合等缺点，并运用双电极板测时技术提高了时间测量精度，从而提高了定位方法的精度。

Description

一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法及系统

技术领域

本发明涉及环境监测领域，特别是涉及一种用于定位HDPE膜渗漏位置的方法及系统。

背景技术

传统的垃圾填埋场防渗实时监控技术主要有直流电源法和传输线法。直流电源法是在HDPE膜下预埋若干电极，通过检测不同空间位置的电位差来定位HDPE膜的破裂位置。传输线法是在HDPE膜下方将导电纤维横纵铺设成网状结构，通过检测导电纤维终端的电磁异常来定位HDPE膜的破裂位置。两种方法的优势在于所需设备简单，容易实施。然而也有各自的不足，直流电源法需要膜上、膜下介质层具有良好的导电性能，导致该方法应用范围受到限制；传输线法存在的主要问题是供电电源功率不足，使得终端信号采集困难。

随着我国城市化的水平不断提升，垃圾填埋场的数量和种类不断增多，需要利用新的垃圾填埋场渗漏检测技术，更快速、更准确的将渗漏位置检测出，对防止垃圾渗滤液污染地下水和周边农田具有重要意义。

发明内容

为了解决上述问题，针对传统电学检测方法无法消除多渗漏点电场互相耦合等缺点。本发明主要目的在于利用HDPE膜破裂后，从渗漏点产生的渗滤液会腐蚀同轴电缆的绝缘防护层和绝缘介质层，从而造成介质层电磁特性发生改变并产生反射行波，利用行波到达同轴电缆两端的时间差，实现对HDPE膜渗漏位置的精确定位。即本发明要解决的技术问题是提供能实现对HDPE膜渗漏位置的精确定位的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法以及如何更精确的测定。

具体而言，本发明的技术方案是利用行波反射法对垃圾填埋场防渗层(HDPE膜)进行实时渗漏定位。由于土壤层的运动、垃圾渗滤液腐蚀作用和人为施工不当使得平铺在土工织物下的HDPE膜会随机产生破损。而本方法借助将新型同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，利用具有腐蚀性的垃圾渗滤液将改变同轴电缆的绝缘保护层和绝缘介质层的物理特性，从而使实心导体层和金属屏蔽层形成短路，并产生暂态行波，进而可利用行波到达同轴电缆两端的时间差进行渗漏定位。本发明专利不仅可以有效解决传统电法监测电磁信号散射问题，而且可以解决终端信号不易采集的缺陷。因此，本发明专利需解决的技术问题之一就是如何运用行波反射法进行HDPE膜渗漏定位即如何准确计算。

本发明的又一目的在于提供一种新型同轴电缆的设计，确保能运用行波反射技术来实现垃圾填埋场HDPE膜防渗漏检测。

本发明的再一目的是提供一种应用该方法的定位HDPE膜渗漏位置的系统。

为实现上述目的，本发明提供了一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，包括

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，是将具有实心导体层和金属屏蔽层的同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，利用具有腐蚀性的垃圾渗滤液改变同轴电缆的绝缘保护层和绝缘介质层的物理特性，从而使实心导体层和金属屏蔽层形成短路，并产生暂态行波，进而利用行波到达同轴电缆两端的时间差进行渗漏定位。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述方法所用渗漏检测系统主要包含同轴电缆、多路转换开关、行波调制电路、行波时间记录装置、计算机终端数据处理及GPS同步时钟。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述同轴电缆从里层到外层分别是实心导体层、绝缘介质层、金属屏蔽层和绝缘保护层，且绝缘介质层和绝缘保护层的材质均选用绝缘漆布。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述的相邻两同轴电缆的间距应在1m～2m之间，同轴电缆与HDPE膜的间距应在5cm～10cm之间。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述渗漏检测系统由子系统A和子系统B构成，两个子系统通过GPS同步时钟互换信息，且组成和顺序相同，依次分别为行波调制电路、行波时间记录装置、主控芯片及外围设备、计算机终端数据处理。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述行波时间记录装置由微处理器、外部中断、分压电路、稳压器、电阻、电极板等构成。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述电阻和电极板构成充放电回路，作用是时间差值提取，分压电路作用为降低渗漏点反射回波的幅值，便于控制器识别，选择其外部中断输入端检测充放电回路时间差。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述行波到达同轴电缆两端的时间差的检测方法为：

其采用的行波时间记录装置包含微处理器、外部中断、分压电路、稳压器、电阻及电极板，其中电阻和电极板构成充放电回路，用做时间差值的提取，分压电路的作用为降低渗漏点反射回波的幅值，便于控制器识别，选择其外部中断输入端检测充放电回路时间差；

当电极板充电时，两端电压为：

当电极板放电时，两端电压为：

其中，充电时，电极板电压初始值0V；充满时的电压值为5V；V_t为t时刻电极板电压值；V_c为电极板充电一个晶振周期电压值；

选取近渗漏点端为时间差拾取端，当B端第一个渗漏点反射脉冲经过分压电路，触发微处理器外部中断模块，开始计时，同时微处理器引脚1输出高电平，电极板充放电回路开始充电，充电一个晶振周期后电压达到V_c并结束充电，引脚1输出低电平，开始放电，如此反复，直到测量端A脉冲通过时间同步装置再次触发控制器，停止计时；

此时读取控制器寄存器数值M，根据：

T＝M×1/f (9)

得渗漏点反射行波经历的整数倍时钟周期时间，同时检测引脚1电平状态，若为高电平，电极板处于充电状态，得时间修正量为

Δt₁＝-RC×ln(1-V_t/5) (10)

若为低电平，电极板处于放电状态，得时间修正量为

Δt₂＝-RC×lnV_t/V_c (11)

最终得，电极板为充电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₁ (12)

当电极板为放电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₂ (13)

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其中所述晶振频率f满足式(6)，

其中，c为光速3×10⁸m/s，L′为通讯线路全长。

本发明还提供了一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的系统，该系统包含数条同轴电缆、多路转换开关、GPS同步时钟及渗漏检测系统，所述渗漏检测系统由子系统A和子系统B构成，两个子系统通过GPS同步时钟互换信息，且组成和顺序相同，依次分别为行波调制电路、行波时间记录装置、主控芯片及外围设备及计算机终端数据处理，所述数条同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，电源直接与所述多路转换开关连接，通过多路转换开关控制各个端口的通断使电流依次通过每一条同轴电缆，当HDPE膜发生破损，渗滤液腐蚀同轴电缆使其造成短路并产生反射行波时，该反射行波向电缆两端传递，经过多路转换开关，由行波调制电路进行滤波和放大处理，行波时间记录装置记录行波到达的时间，GPS同步时钟获取行波到达电缆另一端的时间，最后由终端计算两端时间差进而确定故障位置。

本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法与现有技术不同之处在于本发明是利用行波定位HDPE膜渗漏位置。

相对于传统电学检测方法无法消除多渗漏点电场互相耦合等缺点。本发明利用HDPE膜破裂后，从渗漏点产生的渗滤液腐蚀同轴电缆的绝缘防护层和绝缘介质层，从而造成介质层电磁特性发生改变并产生反射行波，利用行波到达同轴电缆两端的时间差，实现了对HDPE膜渗漏位置的精确定位。本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法可以改善传统方法无法消除多渗漏点电场互相耦合等缺点，并运用双电极板测时技术提高了时间测量精度，从而提高了定位方法的精度。

下面结合附图对本发明的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法的线路故障测量示意图；

图2为本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法所用的同轴电缆截面示意图；

图3为本发明的行波时间记录装置的B端结构示意图；

图4是本发明的一个具体实施例的结构示意图。

其中：10同轴电缆,11A、11B多路转换开关,21实心导体层,22绝缘介质层,23金属屏蔽层,24绝缘保护层,D渗漏点,19渗漏区,12通讯线路,13同步时钟,R电阻,30电极板,41垃圾层,42卵石导排层,43土工布层,44 HDPE层,45土壤层。

具体实施方式

以下将从功能、组成和工作原理三个方面介绍本发明专利涉及的HDPE膜防渗漏监测系统。

功能：本发明是利用位于渗漏区19处的新型同轴电缆10的渗漏点D短路时产生的行波到达两终端的时间差，以此确定HDPE膜破裂的空间位置。

组成：本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法所用装置主要由同轴电缆10、多路转换开关(11A、11B)、行波调制电路、行波时间记录装置、控制芯片及外部设备、计算机终端数据处理、GPS同步时钟13构成。

工作原理：本发明一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法是通过同轴电缆10短路产生的反射波到达两端的时间差来计算故障位置。

如图1所示，设电缆总长为L,渗漏点D距A端为X,距离B端为L-X，c为光速，通讯线路总长为L＇,反射波到达近端B开始计时时刻为t₂，反射波到达远端A经通信线路终止计时时刻为t₁。

根据无损线参数的传播速度可以近似为

其中C₀和l₀分别是每单位长度同轴电缆10的电容和电感，

则有:

渗漏点定位关键在于精准监测电压、电流反射波传播到电缆两端的时间和波速大小。本方法采用的行波双端测距法仅采集短路产生的首个反射波信息,不受渗漏处其它杂波的影响,并且首个行波信号能量较强,电缆过渡电阻、分布电容及负荷电流等对定位精确度不会产生较大干扰。因此采用双端测距有利于提高故障定位的精确性,测距设备必须拥有两端信息传递渠道(通讯线路12)和两端同步时钟13。

本发明涉及的新型同轴电缆的设计：同轴电缆10截面示意图如图2所示

从里层到外层分别是实心导体层21、绝缘介质层22、金属屏蔽层23和绝缘保护层24。同轴电缆10的实心导体21的作用是传递电流信号，金属屏蔽层23的作用有两个：一是为电流信号提供回路，二是防止外界电磁能量干扰同轴电缆10内部电流信号。

在现有技术中，同轴电缆的绝缘介质层和绝缘保护层通常使用发泡聚氯乙烯材料，而聚氯乙烯材料特点是：抵抗化学腐蚀性高(可抵抗浓盐酸、浓硫酸和浓度20％的氢氧化钠)、力学性能及电绝缘性良好的优点。然而，由于本方法要利用垃圾渗滤液的化学腐蚀性，以此能将同轴电缆的绝缘介质层和绝缘保护层腐蚀掉，因此本发明要对同轴电缆进行重新设计。在本方法的该具体实施例中，同轴电缆的绝缘介质层22和绝缘保护层24的材料均选用绝缘漆布，绝缘漆布特点是：力学性能好，柔韧度高，易受垃圾渗漏液腐蚀。

确定波速V:

同轴电缆的原参数有：单位长度的电容C₀、电感L₀。依次建立原参数的数学模型。

1、单位长度的电容C₀：

其中，r为实心导体的半径；R为金属屏蔽层的半径；ε为绝缘介质层的介电常数，等于相对介电常数与真空介电常数的乘积。绝缘漆布的相对介电常数ε_r在2.1～2.3之间(取2.2)，真空介电常数ε₀＝8.854×10^-12，故ε≈1.947×10^-11。

2、单位长度的电感L₀：

其中，μ为绝缘介质磁导率。可知同轴电缆的电感与其尺寸大小和材料有关。绝缘漆布的磁导率μ＝4π×10^-7。

将ε≈1.947×10^-11、μ＝4π×10^-7、式(3)和式(4)代入式(1)得波速：

时间测量原理：

如图3所示，行波时间记录装置由微处理器、外部中断、分压电路、稳压器、电阻、电极板等构成。其中电阻R和电极板30构成充放电回路，作用是时间差值提取，分压电路的作用为降低渗漏点反射回波的幅值，便于控制器识别，选择其外部中断输入端检测充放电回路时间差。

目前，因为控制器的最高计时精度仅为一个晶振周期，所以在计算高分辨率时间时，会产生很大误差。在本具体实施例中，本发明运用双电极板30进行电荷积累和充放电效应，将没有达到一个晶振周期的时间段变换为两个电极板30的电压，使系统能够检测到纳秒级的时间，同时，为了保证控制器I/O有充分的程序响应时间，必须保证晶振频率f满足式(6)。

其中，c为光速3×10⁸m/s，L′为通讯线路全长。

当电极板充电时，两端电压为：

当电极板放电时，两端电压为：

其中，充电时，电极板电压初始值0V；充满时的电压值为5V；V_t为t时刻电极板电压值；V_c为电极板充电一个晶振周期电压值。

选取近渗漏点端为时间差拾取端，当B端第一个渗漏点反射脉冲经过分压电路，触发微处理器外部中断模块，开始计时，同时微处理器引脚1输出高电平，电极板充放电回路开始充电，充电一个晶振周期后电压达到V_c并结束充电(电压采集电路识别)，引脚1输出低电平，开始放电，如此反复，直到测量端A脉冲通过时间同步装置再次触发控制器，停止计时。

此时读取控制器寄存器数值M，根据：

T＝M×1/f (9)

得渗漏点反射行波经历的整数倍时钟周期时间，同时检测引脚1电平状态，若为高电平，电极板处于充电状态，得时间修正量为

Δt₁＝-RC×ln(1-V_t/5) (10)

若为低电平，电极板处于放电状态，得时间修正量为

Δt₂＝-RC×lnV_t/V_c (11)

最终得，电极板为充电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₁ (12)

当电极板为放电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₂ (13)

图4是本发明的一个实例示意图，垃圾填埋场场地面积为100m×100m，渗漏检测系统由子系统A和子系统B构成，两个子系统通过GPS同步时钟互换信息，且组成和顺序相同，依次分别为行波调制电路、行波时间记录装置、主控芯片及外围设备、计算机终端数据处理。

交流电源直接与多路转换开关连接，通过多路转换开关控制各个端口的通断使电流依次通过每一条同轴电缆。当HDPE膜发生破损，渗滤液腐蚀同轴电缆使其造成短路并产生反射行波，反射行波向电缆两端传递，经过多路转换开关，由行波调制电路进行滤波和放大处理，行波时间记录装置记录行波到达的时间，GPS同步时钟获取行波到达电缆另一端的时间，最后由终端计算两端时间差进而确定故障位置。

在本具体实施例的行波时间记录装置中，微处理器选用富士通MBB95850系列，稳压器为LM7805，输出电压为5V，电阻R(1KΩ)和电极板C(60pF)，分压电路选取TMC3K3B贴片式可调电阻。

同轴电缆10排布：两同轴电缆10的间距大小、同轴电缆10与HDPE的间距大小都会影响该系统的检测精度和效率。因此，根据现场的实际情况和具体要求，两同轴电缆10的间距应在1m～2m之间，同轴电缆10与HDPE膜的间距应在5cm～10cm之间。

同轴电缆10材质及各层尺寸：实心导体层21和金属屏蔽层23材质为铜，直径分别为1.31mm、6.42mm；绝缘介质层22和绝缘保护层24材质为绝缘漆布，直径分别为4.58mm、8.40mm。

综上，由于行波法不受线路结构、渗漏位置和接地阻抗等因素的影响，信号能量传输集中，可适用于多种类型的填埋场。

相对于传统防渗漏监测方法，运用行波反射法有以下优点：

(1)可以明显改良现有检测方法对多渗漏点电磁耦合的影响。

(2)本发明所运用的时间测量装置能够达到纳秒级别，可以明显提高测距精度。

(3)本发明的方法在定位运算方法上，优化了正演模型。

(4)利用本方法的系统，可以高效检测首个行波信号，不受渗漏点杂波的干扰。

(5)该方法不受线路结构、故障位置和故障电阻等因素影响。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：将具有实心导体层和金属屏蔽层的同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，利用具有腐蚀性的垃圾渗滤液改变同轴电缆的绝缘保护层和绝缘介质层的物理特性，从而使实心导体层和金属屏蔽层形成短路，并产生暂态行波，进而利用行波到达同轴电缆两端的时间差进行渗漏定位；所述方法所用渗漏检测系统主要包含同轴电缆、多路转换开关、行波调制电路、行波时间记录装置、计算机终端数据处理及GPS同步时钟；

该渗漏检测系统由子系统A和子系统B构成，两个子系统通过GPS同步时钟互换信息，且组成和顺序相同，依次分别为行波调制电路、行波时间记录装置、主控芯片及外围设备、计算机终端数据处理。

2.根据权利要求1所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：所述同轴电缆从里层到外层分别是实心导体层、绝缘介质层、金属屏蔽层和绝缘保护层，且绝缘介质层和绝缘保护层的材质均选用绝缘漆布。

3.根据权利要求2所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：相邻两同轴电缆的间距应在1m～2m之间，同轴电缆与HDPE膜的间距应在5cm～10cm之间。

4.根据权利要求1所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：所述行波时间记录装置由微处理器、外部中断、分压电路、稳压器、电阻、电极板等构成。

5.根据权利要求4所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：所述电阻和电极板构成充放电回路，作用是时间差值提取，分压电路作用为降低渗漏点反射回波的幅值，便于控制器识别，选择其外部中断输入端检测充放电回路时间差。

6.根据权利要求5所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于，所述行波到达同轴电缆两端的时间差的检测方法为：

该方法采用的行波时间记录装置包含微处理器、外部中断、分压电路、稳压器、电阻及电极板，其中电阻和电极板构成充放电回路，用做时间差值的提取，分压电路的作用为降低渗漏点反射回波的幅值，便于控制器识别，选择其外部中断输入端检测充放电回路时间差；

当电极板充电时，两端电压为：

当电极板放电时，两端电压为：

其中，充电时，电极板电压初始值0V；充满时的电压值为5V；V_t为t时刻电极板电压值；V_c为电极板充电一个晶振周期电压值；

选取近渗漏点端为时间差拾取端，当B端第一个渗漏点反射脉冲经过分压电路，触发微处理器外部中断模块，开始计时，同时微处理器引脚1输出高电平，电极板充放电回路开始充电，充电一个晶振周期后电压达到V_c并结束充电，引脚1输出低电平，开始放电，如此反复，直到测量端A脉冲通过时间同步装置再次触发控制器，停止计时；

此时读取控制器寄存器数值M，根据：

T＝M×1/f (9)

得渗漏点反射行波经历的整数倍时钟周期时间，同时检测引脚1电平状态，若为高电平，电极板处于充电状态，得时间修正量为

Δt₁＝-RC×ln(1-V_t/5) (10)

若为低电平，电极板处于放电状态，得时间修正量为

Δt₂＝-RC×lnV_t/V_c (11)

最终得，电极板为充电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₁ (12)

当电极板为放电状态时渗漏回波时间差为

t₁-t₂＝T+Δt₂ (13) 。

7.根据权利要求6所述的一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的方法，其特征在于：所述晶振频率f满足式(6)，

其中，c为光速3×10⁸m/s，L′为通讯线路全长。

8.一种利用行波定位HDPE膜渗漏位置的系统，其特征在于：该系统包含数条同轴电缆、多路转换开关、GPS同步时钟及渗漏检测系统，所述渗漏检测系统由子系统A和子系统B构成，两个子系统通过GPS同步时钟互换信息，且组成和顺序相同，依次分别为行波调制电路、行波时间记录装置、主控芯片及外围设备及计算机终端数据处理，所述数条同轴电缆以平行等间距的方式铺设在HDPE膜下土壤层中，电源直接与所述多路转换开关连接，通过多路转换开关控制各个端口的通断使电流依次通过每一条同轴电缆，当HDPE膜发生破损，渗滤液腐蚀同轴电缆使其造成短路并产生反射行波时，该反射行波向电缆两端传递，经过多路转换开关，由行波调制电路进行滤波和放大处理，行波时间记录装置记录行波到达的时间，GPS同步时钟获取行波到达电缆另一端的时间，最后由终端计算两端时间差进而确定故障位置。

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