SE0901324A1 - Anordning och metod för detektering av vattenflöde - Google Patents

Abstract

Uppfinningen avser en anordning och en metod för att fastställa huruvida detföreligger ett vattenflöde i marken medelst dopplerradar. Anordning inbegriper enradarutsändande anordning för att sända ned elektromagnetiska vågor i marken, enmottagardei för att ta emot signaler reflekterade fràn en fluktuerande vattenyta, enslgnalbehandlingsenhet som bandpassfiltrerar den emottagna signalen, för atterhàllla en signal som enbart inbegriper de dopplerskiftade frekvenserna, skapar ettmått på derivatan hos den reflekterade signalen och i en beslutsprocessor jämfördettabakgrundsstörningen l marken. Om måttet pà derivatan överstiger nämnda mätt med ett tröskelvärde som svarar mot signalvärdet på tröskelvärde föreligger det en läcka.

Description

10 2 en markstruktur. Att ytan rör sig i vertikalled motsvarar att reflektorn (vattenytan) i sak rör sig relativt den radarutsändande anordningen (se Fig 1). I och med att uppfinningen tillhandahåller ett signalbehandlingssystem som är utformat för att detektera synnerligen små dopplersklften krävs det inte att flödet är speciellt stort.

Allmänt sett kan man säga att storleken på ett vattenflöde beror av en kombination av bla. vattenmängd, djup och flödeshastighet. Sammantaget ger dessa parametrar upphov till hastighetsfluktuationer i vertikalplanet från långsamma rörelser i storleksordning 0,01 m/s till mycket snabba förändringar i storleksordning 5-10 m/s.

Positiva effekter av en anordning och metod enligt föreliggande uppfinning är att det blir möjligt att snabbt kunna detektera vattenläckage och möjligt att sätta in åtgärder innan läckan åstadkommit väsentliga skador eller lett till stora vätske- eller gas- förluster.

Det sätt pà vilket detta uppnås är genom att använda en anordning enligt patentkrav 1 eller en metod enligt patentkrav 9.

Figurer Fig 1 återger schematiskt principen bakom föreliggande uppfinning.

Fig 2 återger en möjlig antenn och mikrovågsdel som kan användas enligt föreliggande uppfinning.

Fig 3 återger i kretsform de signalbehandlingsenheter som används för att kunna detektera de små ytfluktuationer som detekteras enligt föreliggande uppfinning.

Detaljerad beskrivning l det som följer kommer en mer detaljerad beskrivning av uppfinningen ges. För att underlätta förståelsen presenteras en kortfattad beskrivning av de i anordningen ingående delarna. Flertalet av dessa delar utgör känd teknik och kommer inte att beskrivas närmare här. Det är den specifika kombinationen av dessa kända signalbehandlingsenheter som möjliggör att problemet med att snabbt detektera ytfluktuationer löses. Det är primärt de funktioner hos delarna som används i föreliggande uppfinning som kommer att definieras. 3 Med radarutsändande anordning avses en antenn och mikrovàgsdel enligt exempelvis figur 2, detta utgör en konventionell design. Den parameter som är av vikt för föreliggande användning är att den kan anpassas till att sända radar av sådan frekvens att det erforderliga nedträngningsdjupet kan uppnås. Generellt sett krävs det en frekvens på 300 MHz till 10 GHz. Frekvensen anpassas lämpligen till hur djupt rören ligger i kombination med de markförhållanden som råder i det avsökta området.

Med bandpassfilter avses en anordning som sorterar ut vissa specifika frekvenser. I föreliggande fall kommer den inkommande signalen (det vill säga, signalen som reflekterats från vattenytan) att filtreras så att enbart dopplerfrekvenserna kommer att signalbehandlas. Vanligtvis ligger dessa frekvenser i bandet 0,5 till 45 Hz för svagt till ett relativt kraftigt flöde och mellan 45 Hz och 700 Hz för ett mycket kraftigt flöde i direkt anslutning till röret.

Med benämningen detektor eller derivata-detektor avses en för detekteringen väsentlig signalbehandlingsenhet som är utformad för att kontinuerligt jämföra signalens amplitud för att därmed skapa en derivata (lutning på kurvan) som återspeglar signalens förändring. Med kontinuerligt avses här att signalen samplas många gånger under ett kort tidsintervall, till exempel 100 gånger per sekund. Det är utifrån dessa samplingar som en jämförelse görs och en derivata erhålles. positiv eller negativ. För att erhålla för Amplitudens derivata är noll, flödesdetekteringen relevant information om derivatan skapar denna signalbehandlingsenhet även ett absolutbelopp av derivatan. För att minska derivatans fluktuationer och eventuella felaktigheter i händelse av multiplar av samplingsfrekvensen är denna specifika dopplerfrekvensen gentemot signalbehandlingsenhet även utformad för att medelvärdesbilda detta belopp (vanligtvis 2-5 ggr).

En beslutsprocessor avser en signalbehandlingsenhet som sätter en tröskelnivå i processorn som svarar mot att nivån på bakgrundsstörningar överstigs. För att en flödesdetektering skall anses föreligga skall värdet på derivatan som erhållits från detektorn överstiga nämnda satta nivå. Denna nivå utgör därmed ett tröskelvärde för en möjlig flödesdetektering. 4 Med presentationsanordning avses en anordning som presenterar resultatet av signalbehandlingen för en användare. Denna anordning kan exempelvis utgöras av en display men det kan även vara en presentation baserad på ljud.

Med DFT avses Discrete Fourier Transform vilken transformerar den inkommande signalen till frekvensdomänen. FFT avser Fast Fourier Transform, vilket är en snabb beräkningsform av DFT.

Med Frekvens/Amplitud-detektor avses en anordning som här detekterar signalens frekvensförändringar eller amplitudförändringar. Detta kan erhållas via inom tekniken kända metoder.

Nedan ges en mer detaljerad beskrivning av hur en flödesdetektion enligt föreliggande uppfinning går till.

Metodstegen för detektering av ytfluktuationer delas lämpligen upp i två separata delar, en basdetektektion och en tilläggsdetektion. Här utgör basdetektionen de essentiella stegen som krävs för detektion. Basdetektion klarar alla flöden eftersom även mycket snabba flöden i direkt anslutning till läckage klingar av snabbt i dopplerfrekvens i förhållande till avståndet från läckaget.

Vid basdetektion krävs det en anordning som är försedd med signalutsändande medel och signalmottagande medel. Dessa är vanligtvis integrerade och utgörs av ett antenn-mottagarsystem. Vidare inbegriper anordningen ett bandpassfilter, en detektor och en beslutsprocesser enligt vad som beskrevs ovan. Företrädesvis ingår även en presentationsanordning för att upplysa användaren om resultatet av signalbehandlingen.

Denna anordning kommer nu att beskrivas vid användning för att fastställa huruvida det förekommer ett läckage i markbundna rör.

I ett första steg sänds signaler ned i marken fràn den markbundna anordningen.

Antennen i antenn-mottagarsystemet tillser detta första steg. Som framgått tidigare måste frekvensen hos signalen som sänds ned vara tillräckligt låg för att nå inträngningsdjupet, här åtminstone ned till röret. Valet beror framförallt på parametrar som dielektricitetskonstant, konduktivitet och fuktighet i marken. l det andra steget reflekteras signalerna från vattenytan och àtersänds till den markbundna anordnlngen. Mottagardelen i antenn-mottagarssystemet tar emot signalen och överför den till signalbehandlingsenheten i systemet.

I det tredje steget utförs en första signalbehandling av den mottagna signalen genom att ett bandpassfilter filtrerar signalen för att sortera bort sådana delar av signalen som inte svarar mot dopplerfrekvenser från ytfluktuationer. Det som blir kvar av signalen och som kommer att utsättas för ytterligare signalbehandling är signalkomponenter med frekvenser mellan ungefär 0.5 och 45 Hz, det vill säga frekvenser som svarar mot ett svagt till relativt kraftigt flöde. Lämpligen sker detta steg i tidsplanet för att säkerställa att långsamma flöden detekteras.

I det fjärde steget överförs dessa signalkomponenter till detektorn. Här samlas signalkomponenternas amplituder ett större antal gånger för att erhålla en derivata på amplituden. Absolutbeloppet pà derivatan tas. Ett icke-nödvändigt steg är även att skapa ett medelvärde utifrån ett antal erhållna värden på absolutbeloppet.

Vanligen räcker det med 2-5 värden.

I det femte steget överförs värdet på absolutbeloppet på amplitudderivatan till en beslutsprocesser som jämför detta värde med ett i förhand inlagt tröskelvärde som svarar mot ett högsta värde på bakgrundssignalen. Detta värde fastställs lämpligen genom experiment på plats och matas sedan in i processorn. Beslutsprocessorn jämför som sagt värdet på amplitudderivatans absolutbelopp och tröskelvärdet. Om beloppet är större än tröskelvärde anses en flödetsdetektering föreligga.

Om så önskas kan steg 5 överföras till en resultatet av jämförelsen i presentationsanordning som återger resultatet för användaren.

De ovan nämnda punkterna utför basdetektionen. För att ytterligare komplettera basdetektionen kan tilläggsdetektion utföras. Detta är speciellt lämpligt för att fastställa mycket snabba ytfluktuationer som kan uppkomma i anslutning till sprickor eller bristningar i rör.

Gemensamma metodsteg för tilläggsdetektion och basdetektion är utsändandet och mottagandet av signalen likväl som överförandet av den mottagna signalen till signalbehandlingsenheten. När signalen överförts till denna signalbehandlingsenhet sker det första steget att bandpassfiltrera signalen för att sortera bort 6 signalkomponenter som inte svarar mot att mycket kraftiga flöden förekommer. De signalkomponenter som därmed blir kvar för ytterligare Signalbehandling har frekvenser som vanligtvis ligger mellan ungefär 45 Hz och 700 Hz. signalen transformeras till Nästa steg i tilläggsdetektionen medför att frekvensdomänen via DFT (FFT).

Utifrån den transformerade signalen utförs nu en frekvens/amplitud-detektion. Här detekteras signalens frekvensförändringar eller amplitudförändringar. Detta kan erhålles via kända metoder.

Värdet som erhålles under ovan givna steget jämförs sedan med ett tröskelvärde i en beslutsprocessor. Tröskelvärdet svarar mot ett värde på bakgrunden. Om värdet eller som erhålles ur amplitudförändringarna från frekvensförändringarna detektionen överstiger tröskelvärdet anses en flödesdetektion föreligga.

Som ett möjligt sista steg i tilläggsdetektionen överförs nu resultatet av processen till en presentationsenhet som upplyser användaren om det erhållna resultatet.

Basdetektion och tilläggsdetektion kan ske parallellt för samma mottagna signal, se fig 3. Men det är även möjligt att utföra processerna separat för olika mottagna signaler.

Så genom att använda basdetektionen beskriven tidigare, eventuellt tillsammans med tilläggsdetektionen, är det möjligt att spåra läckage från alla typer av rör genom att följa rörledningar och mäta vid konstanta avståndsintervall med en radarfrekvens som är anpassad för att uppnå erforderligt nedträngningsdjup.

Om ett läckage är miljöfarligt eller om man av någon annan anledning väljer att kartlägga dess utbredning i marken, möjliggör uppfinningen även detta. Vidare kan man med anordning eller metod enligt uppfinningen även lokalisera möjliga avrinningar från ett område.

Det vill säga att utan att gräva i marken kan anordningen eller metoden enligt uppfinningen ge en klar bild av en läcka och dess utbredning och avrinning vilket minimerar kostnaderna för att åtgärda felet.

Claims (1)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav 1. Anordning för att detektera vattenflöde i mark, anordningen inbegriper en radarutsändande anordning (1), en detekteringsanordning (2) för att detektera reflekterade radarsignaler, en signalbehandlingsenhet (3) för att i tidsplanet analysera de reflekterade radarsignalerna för att fastställa huruvida frekvenserna hos radarsignalerna är dopplerskiftade, anordningen k ä n n e t e c k n a s av att signalbehandlingsenheten (3) inbegriper ett bandpassfilter för att bandpassfiltrera frekvenserna i de reflekterade radarsignalerna, en detektor för att fastställa derivatan av den reflekterade signalens amplitud och fastställa ett mått på derivatans absoluta förändring, samt en beslutsprocessor för att jämföra nämnda mått på derivatans absoluta förändring med ett på förhand inmatat tröskelvärde som motsvarar signalvärdet på bakgrundsstörningen. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den radarutsändande anordningen är anpassad för att sända radarsignaler med en frekvens mellan 300 MHz och 10 GHz. Anordning enligt patentkrav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att bandpassfiltret filtrerar bort frekvenser som ligger utanför frekvensintervallet 0,5 till 45Hz. Anordning enligt något av ovanstående patentkrav k ä n n e t e c k n a d av att måttet på derivatans absolutbelopp skapas genom medelvärdesbildning av ett flertal värden. Anordning enligt något av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att signalbehandlingsenheten även inbegriper signalbehandlingsenheter för tilläggsdetektion, nämnda signalbehandlingsenheter inbegriper ett bandpassfilter för att filtrera bort frekvenser som inte svarar mot dopplerskiftade frekvenser från kraftiga flöden, en signaltransformeringsenhet som transformerar signalen till frekvensdomänen, en frekvens/amplituddetektionsenhet för att detektera 10 15 20 25 30 35 8 signalens frekvens eller amplitudförändring och skapa ett mått på denna förändring, en beslutsprocessor för att jämföra nämnda mått på frekvens/amplitudförändringen med ett på förhand inmatat tröske|värde, om nämnda mätt ligger över nämnda tröske|värde föreligger det en flödesdetektion. . Anordning enligt patentkrav 5, k ä n n e t e c k n a d av att bandpassflltret filtrerar bort frekvenser som inte ligger inom frekvensintervallet 45 Hz till 700 Hz. . Anordning enligt patentkrav 5 eller 6, k ä n n e t e c k n a d av att transformeringen av signalen till frekvensdomänen sker genom DFT eller FFT. _ Anordning enligt något av ovanstående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d av att anordningen även inbegriper en presentationsenhet för att återge resultatet från jämförelsen i beslutsprocessorn. Metod för att detektera ett vattenflöde i mark, metoden inbegriper att sända ned radarsignaler i marken, detektera de reflekterade signalerna medelst en detekteringsanordning, överföra de detekterade signalerna till en signalbehandlingsanordning för att i tidsplanet fastställa huruvida de reflekterade signalerna är dopplerförskjutna, metoden kännetecknas av att den även inbegriper stegen att: a) bandpassfiltrera den reflekterade signalen för att filtrera bort frekvenskomponenter som inte utgör dopplerfrekvenser genererade av vattenytans fluktuationer, b) överföra nämnda bandpassfiltrerade signal till en detektor, för att i nämnda detektor jämföra den bandpassfiltrerade signalens amplitud ett flertal gånger för att därmed erhålla ett mått på förändringen på signalens derivata, c) låta en absolutbeloppsbildning ge ett mått på derivatans absoluta förändring, d) låta en beslutsprocesser jämföra måttet på derivatans absoluta förändring med ett på förhand inmatat tröske|värde som motsvarar signalvärdet på bakgrundsstörningen, 9 varvid en flödesdetektion föreligger om värdet på absolutbeloppet av derivatan överstiger nämnda tröskelvärde.