ES2913006T3 - Método y sistema para buscar fugas de agua con base en mediciones de radiación cósmica secundaria - Google Patents
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Abstract
Método (2) para buscar fugas en una red de tuberías de agua, que comprende: - adquirir datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua y datos indicativos de mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 21); - realizar un procesamiento de los datos adquiridos y generar, con base en el procesamiento realizado, un mapa digital georreferenciado que muestre la red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 22); y - detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado (bloque 23); caracterizado porque llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos incluye estimar el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua, con base en los datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciada realizadas en esta región, mediante el uso de factores de corrección para las mediciones que toman en cuenta: - efectos de sensibilidad radial y anisotropía de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas; - valores de humedad del aire, presión atmosférica e intensidad de la radiación cósmica secundaria incidente detectada/medida simultáneamente a la ejecución de las mediciones en la región donde se extiende la red de tuberías de agua o en posiciones de la superficie de la tierra donde se realizan las mediciones; - efectos relacionados con la presencia de vegetación y/o humedad artificial o natural.
Description
DESCRIPCIÓN
Método y sistema para buscar fugas de agua con base en mediciones de radiación cósmica secundaria Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Esta solicitud de patente reclama prioridad de la solicitud de patente italiana No. 102019000012138 presentada el 17/07/2019.
Sector técnico de la invención
La presente invención se refiere a la búsqueda de fugas en una red de tuberías de agua, es decir, una red de tuberías general para transportar y/o distribuir y/o conducir agua. En particular, la presente invención se refiere a un método y sistema para buscar fugas en una red de tuberías de agua con base en mediciones de radiación cósmica secundaria. Antecedentes
Como se conoce, las fugas en una red de tuberías de agua, por ejemplo una línea principal de agua, representan un problema grave, tanto económicamente, ya que dan como resultado un daño económico para la administración/institución/empresa que gestiona la red, como ambientalmente, ya que implican el desperdicio de un recurso precioso natural.
Una fuga de agua se puede deber a diferentes causas, tal como un agujero en una tubería, o una grieta en una caja de relleno, o la ruptura de una junta de conexión de tubería, etc. La fuga de agua a presión produce un "sonido", o mejor una vibración mecánica, con una frecuencia entre 300 y 3000 Hz, que se propaga aguas arriba y aguas abajo a una velocidad que depende, entre otras cosas, del material que constituye la tubería, así como del diámetro y espesor relativos.
Por lo tanto, muchos de los métodos conocidos para la búsqueda de fugas de agua se basan en el uso de instrumentos que permiten detectar el sonido mencionado anteriormente, tal como geófonos o los llamados correlacionadores (es decir, aparatos electroacústicos que representan una evolución de geófonos y que permiten localizar una fuga de agua con mayor precisión).
Además, también existen métodos basados en el uso de gases de trazado, tal como un gas inerte formado por una mezcla de hidrógeno (5%) y nitrógeno (95%) que se detecta por un instrumento adecuado en el lugar donde se filtra el agua. Además, a veces las llamadas "pruebas escalonadas" también se utilizan en la búsqueda de fugas de agua, es decir, pruebas específicas (normalmente realizadas por la noche) que proporcionan buscar selectivamente fugas en sectores individuales de la red de tuberías de agua (cerrando adecuadamente válvulas específicas).
Todos los métodos mencionados anteriormente implican un largo tiempo de búsqueda, son invasivos para el usuario final y, sobre todo, no proporcionan resultados óptimos, ya que no permiten reducir drásticamente la presencia de fugas. Además, los métodos mencionados anteriormente también implican costos de búsqueda bastante costosos. Por ejemplo, suponiendo la búsqueda de fugas de agua en un área de 100 km2 donde está presente una red de tuberías de agua formada por 500 km de tuberías, los métodos de búsqueda mencionados anteriormente, caracterizados en general por un costo medio de búsqueda de 150 euros por km, darían lugar a un costo total de búsqueda de unos 75000 euros. En los últimos años fue posible una mejora general de las prestaciones (en particular, fue posible reducir los tiempos y costos para la búsqueda de fugas de agua) gracias a técnicas basadas en el procesamiento y análisis de imágenes generadas por sistemas de detección (habitualmente imágenes de satélite) para detectar humedad en el suelo. FR 3039 646 describe un método para buscar fugas en una red de tuberías de agua, que comprende:- adquirir datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua, llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos y generar, con base en el procesamiento llevado a cabo, - un mapa digital georreferenciado que toma imágenes de la red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua, - detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado.
Por ejemplo, la patente italiana del solicitante núm. 102015000039946 divulga un sistema para buscar fugas de agua del tipo mencionado anteriormente.
En particular, el método de acuerdo con 102015000039946 comprende:
a) obtener datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua (por ejemplo, uno o más mapas georreferenciados de la red de tuberías de agua);
b) adquirir, con base en los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua, imágenes (tal como imágenes de radar de apertura sintética, imágenes detectadas remotamente por sensores ópticos y/o sensores que operan en el espectro infrarrojo térmico, imágenes multiespectrales y/o hiperespectrales) generadas por sistemas de detección remota
(tal como, por plataformas satelitales y/o aéreas), en donde las imágenes adquiridas representan una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua;
c) llevar a cabo un procesamiento de las imágenes adquiridas y de los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua y generar, con base en el procesamiento llevado a cabo, una imagen de mapa digital georreferenciada de la red de tuberías de agua y contenido de humedad en la región donde se extiende la red de tuberías de agua; y
d) detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado.
Además, el paso b) del método de acuerdo con 102015000039946 incluye adquirir, de al menos una base de datos que almacena imágenes de la superficie terrestre generadas por sistemas de detección, solo imágenes de una región de la superficie terrestre donde la red de tuberías de agua se extiende y se detecta remotamente en condiciones meteorológicas que cumplen con requisitos meteorológicos específicos.
Más específicamente, el paso b) incluye:
• seleccionar, entre las imágenes almacenadas en la base de datos que almacenan imágenes de la superficie de la tierra generadas por sistemas de detección, solo las imágenes que representan una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua y se detectan remotamente en condiciones meteorológicas que cumplen con requisitos meteorológicos específicos, descartando
- todas las imágenes que no representan una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua y
- todas las imágenes que representan una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua y que se han detectado remotamente en condiciones meteorológicas que no cumplen con los requisitos meteorológicos predefinidos; y
• adquirir, de la base de datos que almacenan imágenes de la superficie de la tierra generadas por sistemas de detección, solo las imágenes seleccionadas.
En mayor detalle, el paso b) incluye:
• buscar, en la base de datos que almacena imágenes de la superficie de la tierra generadas por sistemas de detección remota, imágenes de una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua; y,
• para cada imagen encontrada,
- controlar, con base en los datos recuperados de una o más bases de datos meteorológicos, las condiciones meteorológicas de la región donde la red de tuberías de agua se extiende en la fecha de detección remota de la imagen y
- adquirir la imagen solo si las condiciones meteorológicas cumplen con los requisitos meteorológicos predefinidos.
Convenientemente, de acuerdo con 102015000039946 se deriva que:
• las fugas en la red de tuberías de agua se detectan y ubican mediante la realización de un análisis del contenido de humedad del suelo que se muestra en el mapa digital georreferenciado en, o cerca de, la red de tuberías de agua; y • los requisitos meteorológicos predefinidos son indicativos de condiciones meteorológicas predefinidas adecuadas para realizar el análisis del contenido de humedad del suelo.
Como se explicó anteriormente, el uso de técnicas basadas en el procesamiento y análisis de imágenes generadas por sistemas de detección remota ha permitido reducir drásticamente los tiempos y costos para la búsqueda de fugas de agua en comparación con los métodos tradicionales. De hecho, las técnicas basadas en el procesamiento y análisis de imágenes generadas por sistemas de detección remota permiten monitorear remotamente una red de tuberías de agua en un tiempo mucho más corto que el necesario en la búsqueda en el campo realizada por los operadores a lo largo de toda la extensión de la red de tuberías de agua. Además, con estas técnicas, los operadores solo se emplean durante el paso final de identificación y reparación de fugas en las posiciones geográficas identificadas por el procesamiento y análisis de las imágenes de detección remota.
En cualquier caso, a pesar de la mejora de rendimiento, todavía se percibe altamente hoy en día la necesidad de nuevas tecnologías que permitan reducir aún más los tiempos y costos para la búsqueda de fugas en una red de tuberías de agua.
Objeto y breve descripción de la invención
En consideración de lo descrito anteriormente, un objeto de la presente invención es, por lo tanto, proporcionar una solución técnica que permita reducir aún más los tiempos y costos de búsqueda de fugas de agua, aumentando la fiabilidad y precisión de búsqueda y reduciendo drásticamente la presencia de fugas en una red de tuberías de agua.
Adicionalmente, un objeto adicional de la presente invención es proporcionar una solución técnica que se explotará en sinergia con los métodos/técnicas actualmente conocidos para buscar fugas de agua.
Estos y otros objetos se logran mediante la presente invención en que se refiere a un método y sistema para la búsqueda de fugas en una red de tuberías de agua, de acuerdo con lo definido en las reivindicaciones adjuntas.
En particular, la presente invención se refiere a un método para buscar fugas en una red de tuberías de agua, el método que comprende:
• adquirir datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua y datos indicativos de mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua;
• llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos y generar, con base en el procesamiento realizado, un mapa digital georreferenciado que muestre la red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua; y
• detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado.
En particular, llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos incluye estimar el contenido de humedad del suelo en la región donde la red de tuberías de agua se extiende con base en los datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en la región, utilizando factores de corrección para las mediciones que tienen en cuenta:
• los efectos de sensibilidad radial y anisotropía de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas;
• valores de humedad del aire, presión atmosférica e intensidad de la radiación cósmica secundaria incidente detectada/medida simultáneamente a la ejecución de las mediciones en la región donde la red de tuberías de agua se extiende o en posiciones de la superficie de la tierra donde se llevan a cabo las mediciones;
• efectos relacionados con la presencia de vegetación y/o humedad artificial o natural (por ejemplo, piscinas, diques, canales de riego, etc.).
Breve descripción de las figuras
Con el fin de comprender mejor la presente invención, algunas realizaciones preferidas, proporcionadas para fines meramente de ejemplo y no limitantes, ahora se ilustrarán con referencia a las figuras adjuntas (no en una escala), en donde:
• La figura 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de arquitectura de nivel superior de un dispositivo de medición de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;
• La figura 2 ilustra esquemáticamente un método para buscar fugas en una red de tuberías de agua de acuerdo con una realización preferida de la presente invención;
• La figura 3 ilustra esquemáticamente un ejemplo de principio de funcionamiento que se puede utilizar para estimar el contenido de humedad de la tierra con base en mediciones de radiación cósmica secundaria;
• La figura 4 muestra un ejemplo de un mapa digital georreferenciado generado mediante la implementación del método de la figura 2; y
• La figura 5 ilustra esquemáticamente un sistema para buscar fugas en una red de tuberías de agua de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.
Descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención
La siguiente descripción se proporciona para permitir que una persona experta en la técnica haga y use la invención. Varias modificaciones a las realizaciones expuestas serán inmediatamente claras para los expertos en la técnica y los principios generales descritos en la presente se pueden aplicar a otras realizaciones y aplicaciones sin, sin embargo, desviarse del alcance de protección de la presente invención como se define en las reivindicaciones adjuntas.
La presente invención se origina en la idea del solicitante de explotar mediciones de radiación cósmica secundaria para buscar y detectar fugas en una red de tuberías de agua.
Como se conoce, los rayos cósmicos son partículas de energía procedentes del espacio exterior, a las que la Tierra está expuesta, así como cualquier otro cuerpo celeste. Su origen es muy diverso: el Sol, las otras estrellas, eventos energéticos tal como novas y supernovas, así como objetos remotos como cuásares.
La mayoría de los rayos cósmicos que llegan a la superficie terrestre son un producto secundario de las lluvias formadas en la atmósfera por rayos cósmicos primarios, que interactúan de tal manera que producen habitualmente una cascada de partículas secundarias a partir de una única partícula de energía de radiación cósmica primaria (que puede incluir protones, núcleos de helio, electrones, fotones, neutrinos, positrones y antipositrones).
En particular, una vez que llegan a la atmósfera terrestre, las partículas de radiación cósmica primaria interactúan con los núcleos de molécula de la atmósfera, formando de esta manera, en un proceso en cascada, nuevas partículas atómicas y subatómicas (por ejemplo, electrones, positrones, neutrinos, piones, muones y neutrones) dirigidas al suelo, que se denominan rayos cósmicos secundarios (o radiaciones cósmicas secundaria).
Las partículas de radiación cósmica secundaria se extienden sobre un espectro de energía dado, y una vez que llegan al suelo, interactúan de diferentes maneras con los diversos elementos presentes en el suelo. En particular, una parte de estas partículas de energía (por ejemplo, los neutrones) son más o menos sensibles, dependiendo de la banda de energía respectiva, a la presencia de agua en/sobre el suelo (de hecho, las interacciones entre el agua y las partículas de radiación cósmica secundaria que se divulgarán a continuación ocurren tanto cuando el agua está en la superficie del suelo, y cuando está debajo de él - después de todo, una fuga de agua de una tubería de agua subterránea también podría emerger en la superficie).
Específicamente, el agua presente en/sobre el suelo tiene un efecto moderador y absorbente sobre los neutrones (como es bien conocido en el campo de la ingeniería nuclear, cuyas tecnologías y conocimientos sobre los neutrones ahora están siendo ampliamente reconocidos).
Por lo tanto, es posible determinar (es decir, estimar) el contenido de agua en/sobre el suelo y, por lo tanto, detectar la presencia de posibles fugas de agua con base en las mediciones secundarias de radiación cósmica (convenientemente, mediciones de neutrones de rayos cósmicos secundarios) realizadas en diferentes posiciones en la superficie de la tierra.
De hecho, la obtención de datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua (por ejemplo, uno o más mapas georreferenciados de la red de tuberías de agua), es posible:
• generar, con base en los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua y de datos indicativos de mediciones georreferenciadas de radiación cósmica secundaria realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua, un mapa digital georreferenciado que muestre la red de tuberías de agua y un contenido de agua (o, de manera similar, humedad/contenido de humedad) del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua; e, por lo tanto,
• identificar (es decir, detectar) y localizar posibles fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado (convenientemente, con base en un análisis de contenido de agua/humedad del suelo mostrado en el mapa digital georreferenciado en, o cerca de, la red de tuberías de agua).
Convenientemente, las mediciones de radiación cósmica secundaria se realizan en el suelo para aumentar la precisión de medición (por ejemplo, las mediciones se pueden realizar convenientemente por medio de dispositivos de medición que se fijan y/o instalan en vehículos que se mueven en la región donde se extiende la red de tuberías de agua). En este sentido, se debe señalar que, a medida que aumenta la altura desde el nivel del suelo en el que se realizan las mediciones, disminuye la precisión en la detección del contenido de agua en/sobre el suelo, a saber, la fiabilidad y precisión en la detección de fugas de agua. Sin embargo, es importante señalar que, dado que el progreso tecnológico se desarrollará inevitablemente en un futuro próximo, la altura desde el suelo a la que se pueden realizar mediciones de la radiación cósmica secundaria puede incluso aumentar, asegurando en cualquier caso un alto nivel de fiabilidad y precisión en la detección de las fugas de agua (por ejemplo, en el futuro, las mediciones pueden incluso ser posibles mediante drones que vuelan a baja altitud en la región donde se extiende la red de tuberías de agua).
En mayor detalle, las técnicas para detectar neutrones de rayos cósmicos secundarios para monitorear el contenido de agua en el suelo ya se conocen actualmente y los dispositivos/sistemas de medición relativos ya están disponibles. Esta tecnología es conocida con el nombre de "Detección de Neutrones de Rayos Cósmicos" o "Sensor de Neutrones de Rayos Cósmicos" (CRNS).
A este respecto, se puede hacer referencia, por ejemplo, al artículo de M. O. Kohli et al., titulado "Footprint Characteristics Revised for Field-Scale Soil Moisture Monitoring with Cosmic-Ray Neutrons", Water Resources Research, 51, junio de 2015, doi: 10.1002/ 2015WR017169.
A diferencia de los sistemas en los que los neutrones son generados activamente por fuentes radiactivas por lo que se deben tener en cuenta diferentes problemas (por ejemplo, alta radiactividad, destrucción del suelo, enfoque invasivo, rango de acción limitado), la radiación cósmica secundaria (y en consecuencia también sus partículas, entre las que se encuentran los neutrones) está, por naturaleza, siempre presente en la superficie de la tierra.
Como se explicó anteriormente, una vez que se llega a la atmósfera terrestre, los rayos cósmicos primarios generan neutrones de alta energía que se propagan al suelo siendo moderados por el aire. El hidrógeno (y por lo tanto el agua) contenido en el suelo tiene un efecto moderador mayor que el aire. Estos procesos conducen a una densidad de neutrones en el aire que representa un promedio de la abundancia de hidrógeno (y por lo tanto de agua) en el suelo, en el aire y en la vegetación y que se puede muestrear localmente mediante sensores sensibles a los neutrones.
En particular, la presencia de agua (y por lo tanto de hidrógeno) dentro/sobre el suelo reduce de forma predecible la
cantidad de neutrones que se pueden medir en la unidad de tiempo. Por lo tanto, la cantidad de agua en/sobre el suelo se puede evaluar monitoreando la cantidad de neutrones en el aire.
Con respecto al espectro de energía de los neutrones de los rayos cósmicos secundarios, se debe observar que:
• los neutrones de alta energía (aproximadamente, más de 1 MeV) son relativamente insensibles al agua;
• a energías más bajas (aproximadamente, entre 1ev y 1 MeV), el hidrógeno (y, por lo tanto, el agua) puede, de hecho, moderar los neutrones;
• los neutrones térmicos (aproximadamente, con energía inferior a 1 eV) son lentos y sensibles a otros elementos/compuestos quími cos/m ateriales.
Con respecto a esto, vale la pena llamar la atención sobre el hecho de que los valores extremos mencionados anteriormente de las diversas bandas de energía son puramente indicativos. De hecho, es posible que, con futuros avances tecnológicos (y/o nuevos descubrimientos científicos), los intervalos de valores de las diversas bandas de energía puedan variar y/o las mediciones puedan enfocarse en uno o más sub-intervalos específicos de una o más bandas de energía específicas.
Por lo tanto, para determinar la cantidad de agua, es decir, humedad, presente sobre/en el suelo en una región dada de la superficie de la tierra donde también está presente una red de tuberías de agua, es posible utilizar uno o más dispositivos de medición que son:
• instalados
- de manera fija en posiciones respectivas en la región de la superficie terrestre y/o
- vehículos a bordo que se mueven en la región (por ejemplo, vehículos específica y meramente destinados a este servicio de medición, o vehículos destinados a otros servicios (por ejemplo, recolección de desechos, transporte público, asistencia en carretera, etc.) ventajosamente explotados también para este servicio de medición) o aeronaves (por ejemplo, drones) que vuelan (por ejemplo, a baja altitud) en la región;
• configurados para llevar a cabo mediciones de radiación cósmica secundaria - convenientemente, mediciones de neutrones de rayos cósmicos secundarios (por ejemplo, mediante uno o más sensores CRNS) y/o de otras partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios (por ejemplo, muonios) - más convenientemente, para medir cantidades de neutrones en el dominio de las energías intermedias, a saber, con energía entre aproximadamente 1 eV y 1 MeV; y
• configurados para almacenar datos indicativos de las mediciones realizadas (en particular, indicativos de los resultados de estas mediciones).
Preferentemente, los dispositivos de medición también comprenden:
• un dispositivo de localización satelital del tipo GNSS (por ejemplo, del tipo GPS, Galileo, GLONASS, etc.) para determinar la posición (en el caso de un dispositivo de medición fijo) o las posiciones (en el caso de un dispositivo de medición instalado en un vehículo) - y, convenientemente, incluso la hora (es decir, fecha y hora) - en la que se realizan las mediciones de radiación cósmica secundaria;
• una unidad de control electrónica programada para georreferenciar las mediciones de radiación cósmica secundaria realizadas, con base en los datos proporcionados por el dispositivo de localización satelital y para almacenar (por ejemplo, en una memoria de datos debidamente proporcionada en el dispositivo de medición) datos indicativos de las radiaciones cósmicas secundarias georreferenciadas realizadas; y,
• convenientemente, también un dispositivo de radiocomunicación (por ejemplo, con base en la tecnología GSM/GPRS/UMTS/LTE/5G o wi-fi) para transmitir datos indicativos de las medidas realizadas (por ejemplo, a un sistema de procesamiento) y/o para controlar a distancia las medidas realizadas y/o, más en general, para controlar remotamente el dispositivo de medición.
Como se explicará a continuación, podría ser conveniente proporcionar además dispositivos de medición con sensores de presión atmosférica y humedad del aire para asociar adicionalmente, con las mediciones georreferenciadas, también los datos de presión atmosférica y humedad del aire correspondientes.
A este respecto, en la figura 1 se ilustra esquemáticamente un ejemplo de arquitectura de nivel superior de un dispositivo de medición (indicado en su conjunto por 1) de acuerdo con una realización preferida (aunque no en absoluto limitante, ni vinculante) de la presente invención.
En particular, como se muestra en la figura 1, el dispositivo 1 de medición comprende un sensor 11 de CRNS, un dispositivo 12 de localización satelital, una unidad 13 de control electrónico, una memoria 14 de datos, un sensor 15 de presión atmosférica y un sensor 16 de humedad del aire. Estos componentes del dispositivo de medición 1 están configurados obviamente para funcionar como se explicó anteriormente.
Convenientemente, el sensor CRNS 11 se configura para:
• realizar mediciones de neutrones en un intervalo de energía predefinido; y
• garantizar una eficiencia de detección sustancialmente constante en el intervalo de energía predefinido, lo que hace innecesarios los factores de corrección de la señal ponderada en diferentes niveles de energía (se considera que 3 sensores moderados por He garantizan este requisito).
Además, el dispositivo de medición 1 puede comprender convenientemente un sensor de temperatura del aire (no ilustrado en la figura 1) con el fin de adquirir también datos de temperatura correspondientes a mediciones realizadas por el sensor de CRNS 11.
Cabe señalar que el dispositivo de localización satelital también puede no proporcionarse para dispositivos de medición fijos, para lo cual determinar la posición del dispositivo de medición durante la instalación puede ser suficiente.
Gracias al uso de estos dispositivos de medición es posible crear una o más bases de datos que contienen datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundarias georreferenciadas realizadas por todos los dispositivos de medición empleados. Convenientemente, la o las bases de datos pueden comprender también datos que indiquen la fecha y la hora de cada medición realizada y, aún más convenientemente, también datos de presión atmosférica y humedad del aire correspondientes.
Con el fin de comprender mejor la presente invención, un método para buscar fugas en una red de tuberías de agua (indicado en su conjunto por 2) de acuerdo con una realización preferida de la presente invención se ilustra en la figura 2.
En particular, como se muestra en la figura 2, el método 2 incluye:
• adquirir datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua y datos indicativos de mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 21);
• llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos y generar, con base en el procesamiento realizado, un mapa digital georreferenciado que muestre la red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 22); y
• detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado (bloque 23).
Convenientemente, el paso de detección y localización de fugas en la red de tuberías de agua (bloque 23) se basa en un análisis del mapa digital georreferenciado, donde el análisis tiene como objetivo identificar áreas por donde pasa la red de tuberías de agua (o inmediatamente adyacentes a las tuberías de la red de agua) y donde el contenido de humedad del suelo es alto (por ejemplo, mayor que un umbral predefinido indicativo de, o calculado con base en, un valor de humedad promedio del suelo circundante y/o un promedio de los valores de humedad del suelo calculados en el pasado para la misma posición).
Convenientemente, el procesamiento de datos (bloque 22) incluye estimar el contenido de humedad del suelo (es decir, la cantidad de agua en el suelo) en la región donde se extiende la red de tuberías de agua con base en los datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en la región, mediante el uso de factores de corrección para las mediciones que tienen en cuenta convenientemente las siguientes variables:
• sensibilidad radial: la mayoría de los neutrones medidos reproducen el suelo tan fielmente como disminuye la distancia del dispositivo de medición;
• anisotropía: presencia de caminos, así como diferentes tipos de suelos, etc.;
• humedad del aire: el aire, debido a su contenido de agua, afecta la presencia de neutrones detectables;
• presencia de vegetación: dependiendo de la altura de la vegetación, el recuento de neutrones varía (a medida que aumenta la altura, el recuento disminuye);
• presión atmosférica: dependiendo de la presión atmosférica, el recuento de neutrones varía (si la presión disminuye, el recuento aumenta; de hecho, cuando la presión es menor, la densidad de aire más baja permite que los neutrones cubran distancias más largas entre colisiones);
• intensidad de la radiación cósmica secundaria incidente: un enfoque en general aceptado acepta la similitud entre el componente de alta energía incidente y la dinámica de los neutrones incidentes.
Además, la distancia máxima a la que se origina un cierto porcentaje de neutrones detectados es una función, no solo del contenido de humedad del suelo (lo que resulta en la posibilidad de detectar fugas de agua en la tubería de agua), sino también de la humedad del aire (cuando el aire está seco, la distancia máxima aumenta).
Además, la profundidad en el suelo alcanzada por un cierto porcentaje de neutrones detectados es una función del contenido de humedad del suelo.
En el pasado, estas conclusiones fueron el resultado de estudios realizados a través de métodos numéricos, integrando la función que describe el número de neutrones detectados procedentes de un área colocada a una distancia predefinida
de la sonda y estudiando el comportamiento de los mismos a medida que varían los diferentes parámetros. Los efectos que los diferentes parámetros ambientales tienen sobre la velocidad de los neutrones detectados se pueden implementar convenientemente en el algoritmo de software de procesamiento de datos (bloque 22), haciendo de esta manera que el algoritmo sea extremadamente poderoso en términos de la precisión resultante y las indicaciones sobre la presencia de agua en las proximidades de los dispositivos de medición.
En particular, con el fin de determinar el contenido de humedad de la tierra, el algoritmo de software de procesamiento de datos (bloque 22) puede emparejar convenientemente los datos relacionados con el recuento de neutrones y/o con otras partículas atómicas y/o subatómicas derivadas de rayos cósmicos secundarios (por ejemplo, muones) con datos relacionados con la humedad del aire, la presión atmosférica y, posiblemente, también otros factores de anisotropía.
Un ejemplo de principio de funcionamiento que se puede utilizar para estimar el contenido de humedad de la tierra se muestra esquemáticamente en la figura 3, en donde se puede ver que un valor N (indicado por 31) de partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios medidas en un suelo que contiene una cierta cantidad de humedad U (indicado por 32) y normalizado con respecto a un valor Ns (indicado por 33) de partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios medidas en presencia de suelo seco, está vinculado al valor de humedad de la tierra U 32 de acuerdo con una cierta relación que puede tener en cuenta uno o más parámetros y que se representa en la figura 3, para fines meramente de ejemplo, como una relación proporcional inversa (indicada en su conjunto por 34). Por lo tanto, si hay una fuga de agua, el número medido de partículas disminuye con respecto al suelo circundante del secador.
En cuanto al paso de adquisición de datos (bloque 21 en la figura 2), los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua pueden comprender convenientemente uno o más mapas georreferenciados de la red de tuberías de agua. De manera conveniente, los datos de georreferenciación son proporcionados por la administración/ institución/empresa que administra la red de tuberías de agua a inspeccionar. Se pueden proporcionar mapas georreferenciados de la red de tuberías de agua, por ejemplo, en formato Gauss Boaga 198432N o 33N e informar convenientemente todas las tuberías de interés, ya sea líneas de suministro o secundarias.
Además, el método 2 también incluye convenientemente:
• llevar a cabo mediciones cósmicas secundarias (preferentemente, como se explicó anteriormente, mediciones de cantidades de neutrones y/u otras partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios) en diferentes posiciones en la superficie de la tierra, en donde las mediciones se georeferencian, como se explicó anteriormente (y convenientemente, también se asocian con datos adicionales que indican la fecha y hora en la que se llevan a cabo las mediciones y la presión atmosférica y la humedad del aire medidas simultáneamente con las mediciones); y
• crear una o más bases de datos que contienen datos indicativos de las mediciones georeferenciadas de radiación cósmica secundaria realizadas y, convenientemente, también los datos adicionales asociados con las mediciones.
En este caso, con referencia al paso de adquisición de datos (bloque 21 en la figura 2), la adquisición de datos indicativos de mediciones georreferenciadas de radiación cósmica secundaria comprende convenientemente:
• buscar en la (s) base(s) de datos y seleccionar datos indicativos de mediciones secundarias de radiación cósmica realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua a inspeccionar (es decir, una región correspondiente a datos de georreferenciación (es decir, las coordenadas geográficas) de la red de tuberías de agua); y
• adquirir los datos seleccionados.
Preferentemente, el paso de buscar y seleccionar datos indicativos de la radiación cósmica secundaria llevada a cabo en la región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua comprende:
• para cada medición de radiación cósmica secundaria llevada a cabo en la región,
- controlar las condiciones meteorológicas y/o ambientales en, y/o condiciones de radiación cósmica secundaria incidente en, la región en la fecha de ejecución de la medición y,
- si las condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente cumplen con requisitos predefinidos, seleccionar los datos indicativos de la medición.
La selección de las mediciones realizadas con base en el control de las condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente permite:
• descartar las mediciones realizadas con condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente que no son adecuadas para, o incluso interfieren con, la estimación del contenido de humedad del suelo (es decir, agua) (por ejemplo, mediciones realizadas durante períodos de alta humedad y/o baja presión, lluvias intensas y nevadas);
• seleccionar solo mediciones realizadas con condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente que son adecuadas para estimar el contenido de humedad del suelo (por ejemplo, mediciones realizadas durante períodos de baja humedad y alta presión, clima claro y/o clima seco);
• seleccionar solo mediciones realizadas con condiciones de radiación cósmica secundaria incidente promedio; y
• realizar correcciones adecuadas dependiendo de la radiación cósmica secundaria incidente en la región en la fecha y hora de ejecución de las mediciones.
De esta manera, la fiabilidad y precisión de los resultados obtenidos se mejoran gracias a la implementación del método 2. Convenientemente, el control de las condiciones de radiación cósmica secundaria meteorológica y/o ambiental y/o incidente se puede llevar a cabo con base en datos e información recuperados de bases de datos adecuadas.
Además, con respecto al paso de generación del mapa digital georreferenciado (bloque 22 en la figura 2), como se explicó anteriormente, en el mapa digital georreferenciado la red de tuberías de agua se imagina junto con el contenido de humedad del suelo (es decir, agua) (por ejemplo, usando diferentes niveles cromáticos/de intensidad adecuadamente escalados y provistos de leyenda). De esta manera, se obtienen representaciones gráficas fácilmente comprensibles que permiten a un operador humano reconocer de un vistazo dónde se encuentran posibles fugas.
A este respecto, en la figura 4 se muestra un ejemplo de un mapa digital georreferenciado generado gracias al método 2.
En particular, en el mapa de la figura 4, que muestra una red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua, se indican las fugas de agua detectadas mediante la ejecución del método 2, así como los elementos identificados mediante el procesamiento de las mediciones de radiación secundarias (en particular, un curso de agua y vegetación).
Gracias al uso del método 2, es por lo tanto posible enviar un operador en los puntos geográficos identificados para una búsqueda final en el lugar (realizada, por ejemplo, por un geófono) con el fin de encontrar la fuga, o mejor para identificar la causa de la fuga y, por lo tanto, retirarla.
Convenientemente, gracias al uso del método 2, también es posible producir un documento digital que contenga la lista de las fugas provista con los datos de georeferenciación respectivos, de acuerdo con la gravedad de la fuga de agua. Este documento se puede cargar convenientemente en sistemas adecuados instalados a bordo de los vehículos del equipo para buscar fugas de agua a fin de permitir la conducción, por un navegador de satélite integrado en los vehículos, de los equipos que buscan fugas de agua directamente donde se encuentran las fugas, comenzando por las más graves.
El método 2 se puede implementar convenientemente por medio de un sistema adecuado. A este respecto, un sistema para buscar fugas en una red de tuberías de agua (indicado en su conjunto por 5) diseñado para llevar a cabo el método 2, en particular incluyendo un dispositivo/sistema de procesamiento 51 (por ejemplo, hecho por una computadora, un servidor, una red de computadora/servidor, o un sistema de procesamiento basado en una arquitectura de computación en la nube) programado (por medio de uno o más programas de software adecuados) para implementar el método 2 se ilustra esquemáticamente en la figura 5.
Preferentemente, el sistema 5 también incluye medios de interfaz de usuario 52 diseñados para permitir que un usuario ingrese datos y/o dé comandos (por ejemplo, a través de un teclado y/o un ratón y/o una pantalla táctil) y para mostrar los resultados de las búsquedas realizadas, en particular para mostrar en una pantalla los mapas digitales georreferenciados con la indicación de las fugas identificadas.
El dispositivo/sistema de procesamiento 51 está convenientemente configurado para conectarse (por ejemplo a través de una o más redes de telecomunicaciones):
• a una o más bases de datos 6 que almacenan datos indicativos de mediciones georreferenciadas de radiación cósmica secundaria en diferentes posiciones en la superficie de la tierra, con el fin de llevar a cabo la búsqueda, selección y adquisición de datos de interés en la búsqueda de fugas en una red de tuberías de agua específica; y,
• preferentemente, también a una o más bases de datos adicionales 7 que almacenan datos que permiten que el dispositivo/ sistema de procesamiento 51 lleve a cabo el control de las condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente.
Además, incluso si no se muestra en la figura 5, el sistema 5 puede comprender convenientemente también una pluralidad de dispositivos de medición tal como el dispositivo de medición 1 ilustrado en la figura 1 y descrito anteriormente, con el fin de llevar a cabo las mediciones secundarias de radiación cósmica en la superficie de la tierra. En particular, como se explicó anteriormente, estos dispositivos de medición se pueden instalar convenientemente de una manera fija en posiciones predefinidas y/o vehículos a bordo (o, más en general, cualquier tipo de vehículo o medio de transporte) o aeronaves/drones, con un conductor/piloto, o guiado remotamente o autónoma.
Ahora es importante llamar la atención sobre el hecho de que la presente invención también puede aprovechar convenientemente otros tipos de mediciones de radiación cósmica secundaria, con el fin de buscar fugas en una red de tuberías de agua, además o como alternativa a las mediciones de neutrones (convenientemente, además o como alternativa a las mediciones de recuento de neutrones), por ejemplo, mediciones de partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios distintos de los neutrones, por ejemplo, mediciones de muonio (convenientemente, mediciones de recuento de muonio).
Las características innovadoras y las ventajas técnicas de la presente invención son inmediatamente claras para un experto en la técnica a partir de la divulgación anterior.
A este respecto, en primer lugar es importante subrayar que la presente invención enseña cómo aprovechar, de una manera totalmente innovadora e inventiva, para una aplicación completamente nueva (es decir, detección de fugas en redes de tuberías de agua), de una tecnología ya existente tal como la detección del contenido de humedad/agua del suelo basado en mediciones de radiación cósmica secundaria (en particular, mediciones de recuentos de neutrones de rayos cósmicos secundarios), cuya tecnología se ha utilizado hasta la fecha solo para aplicaciones distintas de la detección de fugas de agua, tal como pronósticos meteorológicos, monitoreo de cambios climáticos, monitoreo de nieve en el suelo y monitoreo de biomasa.
Además, vale la pena llamar la atención sobre el hecho de que la presente invención permite reducir drásticamente los tiempos y costos para la búsqueda de una fuga de agua si se compara con los métodos y técnicas utilizados actualmente. De hecho, la presente invención permite monitorear de forma remota una red de tuberías de agua en un tiempo muy corto si se compara con el tiempo requerido a los operadores que buscan en el lugar a lo largo de toda la extensión de la red de tuberías de agua (como se explicó anteriormente, con la presente invención los operadores solo se emplean en la etapa final de identificación y reparación de fugas en las posiciones geográficas identificadas usando, de hecho, la presente invención).
Más específicamente, la presente invención permite reducir los tiempos y costos en la búsqueda de fugas de agua, aumentar la fiabilidad y precisión de la búsqueda y reducir la presencia de fugas en una red de tuberías de agua, si se compara con los métodos y técnicas utilizados actualmente para la búsqueda de fugas de agua (específicamente, los métodos/técnicas basadas en el uso de geófonos, correlacionadores, gases de trazado, pruebas de pasos, así como aquellos basados en el procesamiento y análisis de imágenes generadas por sistemas de detección remota). Además, la presente invención se puede explotar ventajosamente en sinergia con estos métodos/técnicas actualmente conocidos para buscar fugas de agua.
Además, la presente invención ofrece las siguientes ventajas:
• alta fiabilidad y alta precisión en la identificación y localización de fugas;
• posibilidad de estimar el tamaño de las fugas identificadas, así como de proporcionar posibles inconvenientes resultantes de las fugas;
• aumento de la capacidad de respuesta en la identificación y clasificación de fugas con la consiguiente reducción de los costos de producción y distribución de agua;
• reducción drástica de la presencia de fugas en una red de tuberías de agua;
• imágenes inmediatas de fugas en un mapa digital georreferenciado;
• sin límite de extensión;
• puntos identificados de alta resolución (aproximadamente 5 m);
• tecnología no invasiva, sin contacto con el suelo y sin daños para el medio ambiente;
• sin inconvenientes para los usuarios finales;
• dispositivos de medición que se pueden realizar de acuerdo con diferentes métodos (específicamente, dispositivos de medición de tipo fijo y/o móvil que se pueden instalar en cualquier tipo de medio de transporte);
• reducción de los costos, riesgos y mano de obra necesarios para buscar y reparar tuberías;
• reducción de los costos de mantenimiento, trabajo, productos utilizados, etc.
• reducción de los costos de suministro de agua a los usuarios;
• breve período de amortización;
• ausencia de burocracia.
Finalmente, refiriéndose nuevamente a la hipótesis anterior de búsqueda de fugas de agua sobre un área de 100 km2 donde hay una red de tuberías de agua formada de 500 kms de tuberías, es importante llamar la atención sobre el hecho de que la presente invención implicaría un costo total de 40,000/50,000 euros, ahorrando hasta un 30/40% si se compara con 75,000 euros requeridos por los presentes métodos de búsqueda.
En conclusión, es importante señalar que, si bien la invención descrita anteriormente se refiere en particular a realizaciones muy específicas, no se debe pretender que se limite a estas realizaciones, incluyendo dentro de su alcance todas las variantes, modificaciones o simplificaciones cubiertas por las reivindicaciones adjuntas. Por ejemplo, como se explicó anteriormente, con el fin de implementar la presente invención, las mediciones de radiación cósmica secundarias que no sean el recuento de neutrones (por ejemplo, recuentos de muonio) también se pueden explotar convenientemente, además, o en alternativa, a las mediciones de recuento de neutrones. Además, para llevar a cabo las mediciones secundarias de radiación cósmica, los dispositivos de medición (aparte de los de tipo fijo y los instalados en los vehículos) se pueden instalar en aeronaves, por ejemplo, drones.
Claims (12)
1. Método (2) para buscar fugas en una red de tuberías de agua, que comprende:
• adquirir datos de georreferenciación de una red de tuberías de agua y datos indicativos de mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 21);
• realizar un procesamiento de los datos adquiridos y generar, con base en el procesamiento realizado, un mapa digital georreferenciado que muestre la red de tuberías de agua y el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua (bloque 22); y
• detectar y localizar una o más fugas en la red de tuberías de agua con base en el mapa digital georreferenciado generado (bloque 23); caracterizado porque llevar a cabo un procesamiento de los datos adquiridos incluye estimar el contenido de humedad del suelo en la región donde se extiende la red de tuberías de agua, con base en los datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciada realizadas en esta región, mediante el uso de factores de corrección para las mediciones que toman en cuenta:
• efectos de sensibilidad radial y anisotropía de las mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas;
• valores de humedad del aire, presión atmosférica e intensidad de la radiación cósmica secundaria incidente detectada/medida simultáneamente a la ejecución de las mediciones en la región donde se extiende la red de tuberías de agua o en posiciones de la superficie de la tierra donde se realizan las mediciones; • efectos relacionados con la presencia de vegetación y/o humedad artificial o natural.
2. El método de la reivindicación 1, que comprende, además:
• realizar mediciones secundarias de la radiación cósmica en diferentes posiciones de la superficie de la tierra;
• georreferenciar las mediciones secundarias de radiación cósmica realizadas; y
• crear una base de datos (6) que contenga datos indicativos de las mediciones de radiación cósmica secundaria realizadas y georreferenciadas; en donde la adquisición de datos indicativos de mediciones de radiación cósmica secundaria georreferenciadas realizadas en una región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua incluye:
• buscar en la base de datos (6) y seleccionar, sobre la base de los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua, datos indicativos de mediciones secundarias de radiación cósmica realizadas en la región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua; y • adquirir los datos seleccionados.
3. El método de la reivindicación 2, en donde buscar en dicha base de datos (6) y seleccionar, sobre la base de los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua, datos indicativos de mediciones secundarias de radiación cósmica llevadas a cabo en la región de la superficie de la tierra donde se extiende la red de tuberías de agua incluye:
• para cada medición de radiación cósmica secundaria realizada en la región,
- controlar las condiciones meteorológicas y/o ambientales en, y/o condiciones de radiación cósmica secundaria incidente en, la región simultáneamente a la ejecución de la medición y,
- si las condiciones meteorológicas y/o ambientales y/o de radiación cósmica secundaria incidente cumplen con requisitos predefinidos, seleccionar los datos indicativos de la medición.
4. El método de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en donde las mediciones secundarias de radiación cósmica se llevan a cabo mediante dispositivos de medición (1) que se instalan:
• de forma fija en las posiciones respectivas de la superficie de la tierra; y/o
• vehículos y/o aeronaves a bordo que se mueven/vuelan sobre/sobre la superficie de la tierra;
en donde cada dispositivo de medición (1) comprende un dispositivo de localización satelital respectivo (12) para determinar, para cada medición de radiación cósmica secundaria realizada por el dispositivo de medición (1), una posición correspondiente donde se realiza la medición;
y en donde la georreferenciación de las mediciones de radiación cósmica secundaria llevadas a cabo incluye asociar, por cada dispositivo de medición (1), las mediciones de radiación cósmica secundaria llevadas a cabo por dicho dispositivo de medición (1) con las posiciones correspondientes determinadas por el dispositivo de localización satelital respectivo (12).
5. El método de la reivindicación 4, en donde la georreferenciación de las mediciones de radiación cósmica secundarias llevadas a cabo incluye asociar, por cada dispositivo de medición (1), cada medición de radiación cósmica secundaria llevada a cabo por el dispositivo de medición (1):
• con la posición correspondiente determinada por el respectivo dispositivo de localización satelital (12); y
• con fecha y hora en que se ha realizado la medición.
6. El método de acuerdo con la reivindicación 4 o 5, en donde cada dispositivo de medición (1):
• también comprende un sensor de presión atmosférica respectivo (15) y un sensor de humedad del aire respectivo (16) para medir, para cada medición de radiación cósmica secundaria realizada por el dispositivo de medición (1), los valores de presión atmosférica y humedad del aire correspondientes; y
• se configura para asociar cada medición de radiación cósmica secundaria realizada por el dispositivo de medición (1) también con los valores correspondientes de presión atmosférica y humedad del aire medidos por los sensores respectivos de presión atmosférica (15) y humedad del aire (16).
7. El método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde las mediciones de radiación cósmica secundaria son mediciones de partículas atómicas y/o subatómicas de rayos cósmicos secundarios.
8. El método de la reivindicación 7, en donde las mediciones de radiación cósmica secundaria son recuentos de neutrones y/o muonios de rayos cósmicos secundarios.
9. El método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde las fugas en la red de tuberías de agua se detectan y ubican mediante la realización de un análisis del contenido de humedad del suelo en, o cerca de, la red de tuberías de agua en el mapa digital georreferenciado.
10. El método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente, en donde los datos de georreferenciación de la red de tuberías de agua comprenden uno o más mapas georreferenciados de la red de tuberías de agua.
11. El sistema (5) configurado para llevar a cabo el método (2) para buscar fugas en una red de tuberías de agua como se reivindica en cualquier reivindicación precedente.
12. Producto de programa de computadora que comprende porciones de código de software que son:
• ejecutable por un dispositivo/sistema de procesamiento (51); y
• tal que haga que, cuando se ejecute, el dispositivo/sistema de procesamiento (51) implemente el método (2) para buscar fugas en una red de tuberías de agua como se reivindica en cualquier reivindicación de 1 a 10.
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