NL2001354C2 - Meetsysteem, werkwijze en computerprogrammaproduct. - Google Patents

Description

·-* P83933NL00

Titel: Meetsysteem, werkwijze en computerprogrammaproduct

De aanvrage heeft betrekking op een meetsysteem voor het waarnemen van fysische parameters in infrastructurele werken, omvattende een meervoudig aantal meeteenheden die in en/of aan infrastructurele werken zijn aangebracht, voorts omvattende een netwerk 5 waarop de meeteenheden zijn aangesloten.

Een dergelijk meetsysteem is bijvoorbeeld bekend voor het bewaken van zeedijken waarbij meeteenheden, uitgevoerd als mechanische meetinstrumenten, aan een datanetwerk zijn gekoppeld om het verzamelen van meetgegevens te vergemakkelijken. De mechanische meetinstrumenten 10 meten bijvoorbeeld een verplaatsing of trilling op een specifieke locatie in het dijklichaam waar de meeteenheden zijn aangebracht.

Ook zijn meetsystemen bekend voor het verschaffen van seismische data, waarbij aan elkaar gekoppelde verplaatsingsopnemers juist onder het maaiveld zijn aangebracht voor het detecteren van locale verplaatsingen in 15 het veld.

Opgemerkt wordt dat octrooipublicaties WO 02/46701, US 2005/0017873 en US 2007/0093975 een draadloos systeem beschrijven voor het meten van één of een meervoudig aantal parameters.

De uitvinding beoogt een meetsysteem overeenkomstig een in de 20 aanhef genoemde soort, waarbij de nauwkeurigheid van de waarneming van een momentane toestand van het infrastructurele werk groter is. Overeenkomstig de uitvinding omvat een meeteenheid een behuizing en sensorelementen die in de behuizing zijn ondergebracht voor het meten van verschillende soorten fysische parameters.

25 Door sensorelementen die verschillende fysische parameters meten, te integreren in een enkelvoudige behuizing, kunnen op één specifieke locatie van een infrastructureel werk verschillende fysische parameters worden gemeten, waardoor de fysische toestand ter plaatse 2001354- 2 I ' nauwkeuriger kan worden bepaald. Door optioneel het meetproces van de sensorelementen in de behuizing gelijktijdig of nagenoeg gelijktijdig uit te voeren kunnen de gewenste fysische parameters bovendien op praktisch hetzelfde tijdstip worden bepaald, hetgeen de nauwkeurigheid voor het 5 bepalen van de fysische toestand op de meetlocatie verder kan vergroten. Uiteraard kunnen de individuele metingen binnen de behuizing ook sequentieel plaatsvinden, bijvoorbeeld om energie te besparen.

Op voordelige wijze is een groot aantal van de op het netwerk aangesloten meeteenheden aldus overeenkomstig de uitvinding elk voorzien 10 van sensorelementen voor het bepalen van verschillende fysische parameters. Doordat de fysische toestand dan op een groot aantal posities in het infrastructurele werk relatief nauwkeurig kan worden bepaald, kan een nauwkeuriger en betrouwbaar beeld worden verkregen van de toestand waarin het infrastructurele werk als geheel verkeert, dan voorheen het 15 geval was.

Opgemerkt wordt dat door toepassing van in een enkelvoudige behuizing geïntegreerde sensorelementen de afmetingen en de kostprijs van de meeteenheid op voordelige wijze kunnen reduceren. Een dergelijke reductie in afmetingen en kostprijs is met name mogelijk indien gebruik 20 wordt gemaakt van sensorelementen die vervaardigd zijn via halfgeleidertechnologie. Zo kan een enkelvoudige package worden toegepast rondom een meervoudig aantal sensorelementen, zodat een besparing op packages kan worden gerealiseerd. Door geringe afmetingen kan de meeteenheid als sensormodule relatief eenvoudig worden aangebracht, 25 bijvoorbeeld met behulp van sondeerstaven, en neemt de kans op beschadiging gedurende de economische levensduur van de module in of aan het infrastructurele werk af. Bovendien is destructie van het infrastructurele werk beperkt. Daarnaast kan met vrucht gebruik gemaakt worden van sensorelementen die reeds voor andere doeleinden zijn l 3 ontworpen, zodat ontwikkelkosten voor een nauwkeurige en betrouwbare meeteenheid relatief gering kunnen zijn.

Door voorts in de meeteenheid sensorelementen toe te passen voor het meten van waterdruk, beweging, temperatuur en/of vochtgehalte 5 worden fysische parameters bepaald die van relatief groot belang zijn voor het middels modellering karakteriseren van de toestand van een infrastructureel werk, zoals een dijklichaam. Uiteraard kunnen in plaats van genoemde sensorelementen, of in toevoeging daarop, ook sensorelementen worden geïntegreerd voor het meten van andere fysische 10 parameters, zoals temperatuur, luchtdruk en/of concentratie van een specifieke chemische stof.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een werkwijze voor het waarnemen van fysische parameters in infrastructurele werken.

De uitvinding heeft daarnaast betrekking op een 15 computerprogrammaproduct.

Verdere voordelige uitvoeringsvormen van de uitvinding zijn weergegeven in de volgconclusies.

De uitvinding zal nader worden toegelicht aan de hand van uitvoeringsvoorbeelden die in de tekening zijn weergegeven. In de tekening 20 toont:

Figuur 1 een schematisch perspectivisch aanzicht van een meetsysteem overeenkomstig de uitvinding; en

Figuur 2 een schematisch bovenaanzicht van een meetmodule van het meetsysteem van Figuur 1.

25 De figuren zijn slechts een schematische weergave van een voorkeursuitvoering van de uitvinding. In de figuren zijn gelijke of corresponderende onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers aangegeven.

Figuur 1 toont een schematisch perspectivisch aanzicht van een infrastructureel werk, meer in het bijzonder een dijklichaam. Voor het 30 waarnemen van fysische parameters van het dijklichaam ten behoeve van » 4 inspectiedoeleinden is een meetsysteem 1 geïnstalleerd. Het meetsysteem 1 bevat een meervoudig aantal meeteenheden 4, 6-9 die onder het maaiveld 2, in de ondergrond 3 van het dijklichaam zijn aangebracht, namelijk een eerste reeks meeteenheden 4, 6-8 op een specifieke locatie onder het 5 maaiveld 2 op verschillende dieptes in de ondergrond 3. De reeks meeteenheden 4, 6-8 is aangesloten op een eerste deelnetwerk 5, zodat meetgegevens via het gemeenschappelijke deelnetwerk 5 beschikbaar kunnen worden gesteld.

Evenzo is een tweede reeks meeteenheden 9 in een traject op 10 ongeveer dezelfde diepte onder het maaiveld 2 van het dijklichaam 1 aangebracht. De meeteenheden 9 uit de tweede reeks zijn op een tweede deelnetwerk 10 aangesloten. Beide deelnetwerken 5,10 omvatten een bovengronds zendstation 11, 12 voor koppeling aan een (niet getoond) extern netwerk.

15 De deelnetwerken 5, 10 vormen tezamen een netwerk waarop de meeteenheden van het meetsysteem zijn aangesloten. Voorts vormt het eerste deelnetwerk 5 met de daarop aangesloten meeteenheden 4, 6-8 een eerste meetketen. Evenzo vormt het tweede deelnetwerk 10 met de daarop aangesloten meeteenheden 9 een tweede meetketen.

20 Figuur 2 toont een schematisch perspectivisch aanzicht van een meeteenheid 4, 6-9, 20 van het meetsysteem 1 uit Figuur 1 in meer detail.

De meeteenheid 20 omvat een enkelvoudige behuizing 26 en sensorelementen 21, 22 die in de behuizing 26 zijn ondergebracht. Elk sensorelement 21, 22 is ingericht voor het meten van een specifieke fysische 25 parameter. Figuur 2 toont twee sensorelementen 21, 22. De meeteenheid 20 kan echter ook een ander aantal sensorelementen accommoderen, bijvoorbeeld drie, vier of meer sensorelementen. In een voorkeursuitvoering volgens de uitvinding omvat een meeteenheid 20 een viertal sensorelementen, namelijk voor het meten van waterdruk (bijvoorbeeld voor 30 de positie van de freatische lijn), beweging, temperatuur en vochtgehalte, 5 zodat verschillende bezwijkmechanismen zoals macro-instabiliteit, micro-instabiliteit, piping en overslag/overloop/erosie vroegtijdig kunnen worden gedetecteerd. Uiteraard kan de meeteenheid 20 zelfs meer dan vier sensorelementen omvatten, bijvoorbeeld vijf, zes of meer sensorelementen, 5 zoals een tiental sensorelementen. Andere fysische parameters die kunnen worden gemeten zijn bijvoorbeeld geofysische en hydrologische parameters zoals waterspanning, elektrische geleidbaarheid, buitentemperatuur, luchtdruk, relatieve vochtigheid, waterstanden. Voorts kan zowel passief als actieve geluidsdetectie worden toegepast, eventueel in combinatie met 10 patroonherkenning en concentratiemeting van vloeistoffen en/of gassen. Het meten van beweging kan bijvoorbeeld het bepalen van acceleratie, snelheid, verplaatsing, tilt, draaiing, schok en/of trilling inhouden.

Overeenkomstig de uitvinding wordt een sensormodule 20 verschaft die als platform is ingericht voor aansluiting van verschillende 15 aantallen en/of typen sensorelementen. Aldus is een sensormodule 20 verkregen die uit oogpunt van ontwerp flexibel kan worden ingezet voor uiteenlopende applicaties.

De sensorelementen zijn via halfgeleidertechnologie vervaardigd, bijvoorbeeld als Micro Electro Mechanical Systems (MEMS), en worden ook 20 wel “sensors on chip” genoemd. Hierbij vindt de meting in of aan een chip plaats, waarbij tevens op dezelfde of een daaraan gekoppelde, separate chip dataverwerkingsstappen, zoals een omzetting naar een digitaal signaal, kunnen worden uitgevoerd. Door de aard van de toegepaste technologie zijn de sensorelementen gering van afmetingen en kan met voordeel een 25 integratiestap worden uitgevoerd. In dit kader wordt opgemerkt dat in plaats van een enkelvoudige behuizing ook een set dicht bijeen geplaatste behuizingen kan worden toegepast die elk één of meer sensorelementen accommoderen, zodat de dicht bijeen geplaatste behuizingen tezamen een samengestelde behuizing vormen voor de enkelvoudige als sensormodule 6 uitgevoerde meeteenheid waarin een meervoudig aantal sensorelementen is geïntegreerd.

De sensormodule 20 omvat voorts een netwerkinterface 25 voor aansluiting van de sensorelementen 21, 22 aan het netwerk 5, 10. Hierbij 5 omvat het netwerk een voedingslijn 23 en een dataverbinding 24. De voedingslijn 23 voorziet het interface 25 en de sensorelementen 21, 22 van elektrische voeding. De dataverbinding 24 is ingericht voor het transporteren van door de sensormodule gegenereerde meetgegevens en is bij voorkeur geconfigureerd als een digitaal bus-systeem. Aldus worden 10 meetgegevens van de sensorelementen 21, 22 op de sensorelementen zelf, op het interface 25 of op een extra daartussen gelegen elektrische eenheid geconverteerd naar een digitaal signaal via een analoog-digitaal omzetter. Voorts is het netwerk optioneel ingericht voor het adresseren van meeteenheden, zodat gericht specifieke metingen kunnen worden verricht. 15 Op gemerkt wordt dat in een specifieke uitvoeringsvorm van de uitvinding het interface en/of de sensorelementen in principe althans tijdelijk ook zonder externe voeding kunnen functioneren, bijvoorbeeld met behulp van een locale oplaadbare energieopslageenheid of via een separate energietoevoer, bijvoorbeeld gekoppeld aan een zonnecel. Voorts wordt 20 opgemerkt dat de als bus-systeem uitgevoerde dataverbinding ook anders kan worden uitgevoerd, bijvoorbeeld als een analoge dataverbinding. Door de aard van het netwerk is er een grote mate van flexibiliteit waarin een patroon van sensormodules kan worden gepositioneerd, bijvoorbeeld langs een horizontaal, verticaal of anderszins georiënteerd pad. Genoemd pad kan 25 in hoofdzaak recht zijn of gekromde segmenten omvatten zoals een V-vorm. Ook kan het meetsysteem vrij gemakkelijk worden uitgebreid met meeteenheden en/of met additionele deelnetwerken en daarop aangesloten meeteenheden, zelfs als het systeem reeds in gebruik is genomen. Voorts is de bedrading van het netwerk 5, 10 zodanig flexibel dat de sensormodules 7 min of meer onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen, ten einde onderlinge interactie tegen te gaan.

De behuizing 26 van de sensormodule 20 omvat materiaal voor het beschermen van kwetsbare delen van de sensorelementen 21, 22 tegen 5 ongewenste fysische invloeden, zodat de module 20 gedurende een relatief lange levensduur betrouwbaar kan functioneren. In een specifieke uitvoeringsvorm strekt de behuizing zich uit rondom de sensorelementen en het interface 25 ter vorming van een package of sonde. In een andere uitvoeringsvorm is de behuizing 26 geïntegreerd met de buitenmantel van 10 het netwerk 5, 10.

De afmetingen van het netwerk 5, 10 kunnen per applicatie variëren. Zo kan het netwerk zich bijvoorbeeld uitstrekken over een afstand van enkele meters tot een afstand van tientallen kilometers, of meer. Zo kan de lengte van een netwerk bijvoorbeeld enkele honderden meters of enkele 15 kilometers bedragen. Ook het aantal op het netwerk aangesloten sensormodules kan variëren van enkele tot tientallen, honderdtallen, duizendtallen of meer. Daarnaast kan de afstand tussen naburige meeteenheden variabel zijn, bijvoorbeeld variërend in een bereik van enkele centimeters tot enkele kilometers, bijvoorbeeld enkele meters, enkele 20 tientallen meters of enkele honderden meters.

Het bovengrondse zendstation 11, 12 van beide netwerken 5, 10 vormt een praktische implementatie van eën interface voor koppeling aan een extern netwerk. Het externe netwerk is hierbij bijvoorbeeld een open of gesloten draadloos datacommunicatiesysteem, waarbij draadloze 25 technologie voor relatief lange afstand, zoals enkele kilometers, bijvoorbeeld voor een continue verbinding, of voor relatief korte afstand, zoals enkele meters, bijvoorbeeld voor een tijdelijke, mobiele verbinding, wordt toegepast. Het externe netwerk kan bijvoorbeeld Internet, intranet of een telefonienetwerk omvatten. In andere uitvoeringsvormen volgens de 30 uitvinding is het interface voor koppeling aan een extern netwerk anders 8 uitgevoerd, bijvoorbeeld als een ondergronds zendstation, of als een vaste verbinding met het externe netwerk, gebruik makend van een modem. Voorts wordt opgemerkt dat beide deelnetwerken 5, 10 ter plaatse aan elkaar gekoppeld kunnen worden of separaat in verbinding kunnen staan 5 met een extern netwerk. Ook kan het meetsysteem zonder interface met een extern netwerk worden uitgevoerd, zodat, bijvoorbeeld vanuit oogpunt van betrouwbaarheid, een lokaal functionerend systeem is verkregen.

Volgens een aspect van de uitvinding omvat het meetsysteem voorts een geheugen voor het opslaan van meetgegevens en/of een processor 10 voor het verwerken van meetgegevens. Het geheugen en de processor kunnen in het lokale netwerk 5, 10, in het externe netwerk of in beide typen netwerken zijn geïmplementeerd. Door meetgegevens op te slaan en te verwerken, kunnen de metingen worden geïnterpreteerd, bijvoorbeeld ten behoeven van het ontwikkelen van modellen van de infrastructurele 15 werken, voor het periodiek of doorlopend, moge lijk op afstand en eventueel automatisch of juist handmatig inspecteren van de fysische toestand van de infrastructurele werken, en/of voor het signaleren van buitengewone situaties voor tijdige alarmering. Zo kunnen de verschillende soorten fysische parametermetingen die zijn gegenereerd door een meervoudig 20 aantal in en/of aan infrastructurele werken aangebrachte meeteenheden worden verzameld, waarbij wordt gecontroleerd of één of meer meetwaarden een afwijkend patroon vertonen, zodat een alarmsignaal kan worden geïnitieerd. Een afwijkend meetwaarden patroon kan bijvoorbeeld worden gevormd door meetwaarden die zich buiten een vooraf bepaald meetbereik 25 bevinden of door één of meer meetwaarden die op significante wijze afwijken van eerder geregistreerde metingen. De toetsing van dergelijke significante afwijken kunnen bijvoorbeeld worden uitgevoerd in samenhang met een trendanalyse van de eerder geregistreerde metingen. De werkwijze omvattende de stappen van het verzamelen van meetgegevens, het 30 controleren van de meetwaarden en het initiëren van een alarmsignaal kan t 9 handmatig, maar ook met behulp van een computerprogrammaproduct, zoals programmatuur, worden uitgevoerd.

Het meetsysteem kan zijn ingericht voor het periodiek of doorlopend uitvoeren van metingen. De structuur van het meetsysteem laat 5 een snelle waarneming toe, zodat tijdig kan worden geanticipeerd op dreigende calamiteiten. Door gebruik van het meetsysteem kan de ontwikkeling van fysische waarden als functie van de tijd worden waargenomen. Zo kunnen op één specifieke locatie gelijktijdig of nagenoeg gelijktijdig verschillende fysische parameters worden gemeten. Het is echter 10 ook mogelijk om specifieke metingen te verrichten, bijvoorbeeld ten aanzien van een specifieke fysische parameter in een bepaald gebied of ten aanzien van relatief veel soorten fysische parameters op een specifieke locatie, eventueel in afhankelijkheid van eerdere meetresultaten. Daartoe is het bus-systeem ingericht om bijvoorbeeld vanaf een extern netwerk 15 besturingssignalen te kunnen verzenden die specifieke sensormodules en/of specifieke sensorelementen in een module adresseren voor het uitvoeren van de gewenste metingen. Voorts kunnen storingen als zodanig worden gedetecteerd. In reactie hierop kunnen individuele sensormodules en/of individuele sensorelementen worden uitgeschakeld.

20 De uitvinding is niet beperkt tot dé hier beschreven uitvoeringsvoorbeelden. Vele varianten zijn mogelijk.

Uiteraard behoeven de meeteenheden van het meetsysteem niet alle identiek te zijn uitgevoerd. Zo kan een specifieke meeteenheid van het meetsysteem een enkelvoudig, mechanisch meetinstrument omvatten. Meer 25 in het algemeen kunnen in het meetsysteem één of meer meeteenheden met een meervoudig aantal sensorelementen zijn uitgerust die verschillende fysische parameters, meten, terwijl één of meer andere meeteenheden slechts meetgegevens van één fysische parameter verschaffen. Ook kan het aantal en het type van de sensorelementen per meeteenheid verschillen.

10

Het meetsysteem kan dienen voor het bewaken van de grondstabiliteit van waterkerende lichamen, zoals dijken en duinen. Voorts kan het meetsysteem overeenkomstig de uitvinding niet alleen voor het monitoren van dijklichamen, maar ook voor andere infrastructurele werken 5 worden toegepast, zoals (spoor)wegen, bruggen, sluizen, waterkeringen en andere werken in spoor-, weg- en waterbouw, zoals bouwputten. Daarnaast kan het systeem worden ingezet voor kunstwerken in de olie- en gaswinning. Zo kan een meeteenheid bijvoorbeeld een sensorelement voor meting van een mechanische parameter en een sensorelement voor meting 10 van een chemische parameter omvatten. Voorts kan het meetsysteem niet alleen als statische toepassing worden ingezet, maar in principe ook voor mobiele toepassingen, bijvoorbeeld voor het monitoren van kwetsbare structuren van voer-, vaar- en/of vliegtuigen. Ook kan het meetsysteem als waarschuwingssysteem dienen in gebieden, zoals berghellingen, die 15 onderhevig zijn aan andere natuurdreigingen, zoals vulkanen en lawinegevaar.

Dergelijke varianten zullen de vakman duidelijk zijn en worden geacht te liggen binnen het bereik van de uitvinding, zoals verwoord in de hiernavolgende conclusies.

2001354-

Claims (14)

1. Meetsysteem voor het waarnemen van fysische parameters in infrastructurele werken, omvattende een meervoudig aantal meeteenheden die in en/of aan infrastructurele werken zijn aangebracht, voorts omvattende een netwerk waarop de meeteenheden zijn aangesloten, waarbij 5 een meeteenheid een behuizing omvat en sensorelementen die in de behuizing zijn ondergebracht voor het meten van verschillende soorten fysische parameters, zoals waterdruk, beweging, temperatuur, vochtgehalte, luchtdruk, concentratie van een specifieke chemische stof, waterspanning, elektrische geleidbaarheid, buitentemperatuur, relatieve vochtigheid, 10 waterstanden, actieve geluidsdetectie, passieve geluidsdetectie, patroonherkenning, concentratiemeting van vloeistoffen en/of gassen, acceleratie, snelheid, verplaatsing, tilt, draaiing, schok en/of trilling.

2. Meetsysteem volgens conclusie 1, waarbij de sensorelementen via halfgeleidertechnologie zijn vervaardigd.

3. Meetsysteem volgens conclusie 1 of 2, waarbij twee, drie of vier sensorelementen zijn ondergebracht in een enkelvoudige behuizing.

4. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij een sensorelement is ingericht voor het meten van waterdruk, beweging, temperatuur en/of vochtgehalte.

5. Meetsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de sensorelementen zijn ingericht voor het meten van waterdruk, beweging en temperatuur.

6. Meetsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij de sensorelementen in een behuizing zijn ingericht voor het gelijktijdig of 25 nagenoeg gelijktijdig uitvoeren van een meting van de verschillende soorten fysische parameters. 2001354-

7. Meetsysteem volgens een der voorgaande conclusies, waarbij een meervoudig aantal meeteenheden in de ondergrond van een dijklichaam zijn aangebracht.

8. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het 5 netwerk is ingericht voor het transporteren van door de meeteenheden bepaalde meetgegevens, voor het adresseren van meeteenheden en/of voor het voeden van de meeteenheden.

9. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij het netwerk zich over een afstand van enkele meters tot tientallen kilometers 10 uitstrekt.

10. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, voorts omvattende een interface voor koppeling aan een extern netwerk.

11. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, voorts omvattende een geheugen voor het opslaan van meetgegevens en/of een 15 processor voor het verwerken van meetgegevens.

12. Meetsysteem volgens één der voorgaande conclusies, waarbij de afstand tussen naburige meeteenheden variabel instelbaar is, bijvoorbeeld instelbaar in een bereik van enkele centimeters tot enkele kilometers.

13. Werkwijze voor het waarnemen van fysische parameters in 20 infrastructurele werken, omvattende het verzamelen van verschillende soorten fysische parametermetingen die zijn gegenereerd door een meervoudig aantal in en/of aan infrastructurele werken aangebrachte meeteenheden, voorts omvattende het initiëren van een alarmsignaal als één of meer meetwaarden een afwijkend patroon vertonen.

14. Computerprogrammaproduct voor het waarnemen van fysische parameters in infrastructurele werken, omvattende voor een processor leesbare code om de processor de stappen te laten uitvoeren van het verzamelen van verschillende soorten fysische parametermetingen die zijn gegenereerd door een meervoudig aantal in en/of aan infrastructurele werken aangebrachte meeteenheden, en van het initiëren van een alarmsignaal als één of meer meetwaarden een afwijkend patroon vertonen. 2001354-