SE1230092A1 - Sensor network based on sensor cable with integrated sensornodes - Google Patents

Abstract

Sammanfattning Foreliggande uppfinning tillhandah011er ett sensornatverk baserat pO en kabel (1) innefattande integrerade sensornoder (2) nned komnnunikationsanordningar (3) och en skyddande mantel (4). Anden av kabeln är ansluten till en huvudenhet (6). De integrerade sensorerna och konnnnunikationselektroniken Astadkonnnner ett robust system nned long livslangd och som är enkelt att installera. Kabeln är foretradesvis tillverkad av tvA eller tre elektriska trOdar (5), isolering, fyllnadsnnaterial, trOdar och nnantlar av en polymer eller en mantel av forstarkt polymer (4). Sensorerna och konnnnunikationsarrangennanget är baserat pO elektriska kretsar och elektriska utlasningssignaler och har nnojligheten att Oven verka sonn en lank far att detektera, lokalisera och konnnnunicera med trAdlosa sensorer. Designen hos en sOclan sensorkabel (1) och de vanliga anvandningarna av en sOclan sensorkabel beskrivs.

Description

Uppfinningens omrade Foreliggande uppfinning avser ett sensornatverk baserat p5 en sensorkabel innefattande ett stort antal sensorer som är integrerade i kabeln, s5val som att den kommunicerar med tr5dlosa sensorer utanfor kabeln.

Teknisk bakgrund I m5nga situationer finns det ett behov av att overvaka fysiska parametrar s5som temperatur over ett I5ngt avst5nd. N5gra exempel är branddetektion i tunnlar, pipelines eller hogeffektselkablar. Andra anvandningsomr5den är overvakning av stora omr5den av avfallslager eller biobranslelager.

Brand är ett frekvent forekommande problem i biobransleprocesser och lagringsstallen. S5dana brander är sv5ra att forutsaga och upptacka i ett tidigt skede, och de kan fortsatta i veckor och till och med m5nader innan de upptacks. De kan spridas utom kontroll och orsakar vanligen hoga kostnader for brandbekampning s5val som forlust av branslet sjalvt. Omgivningarna p5verkas vanligtvis av odor och skadlig rok.

En lamplig teknik for s5dan overvakning är kabelsensorn. Vid m5nga positioner utmed kabeln 5terfinns inbaddade sensorelement som ma-ter temperaturen eller andra fysiska parametrar. Sensorelementen overfor data p5 kabeln till en huvudenhet som är belagen vid en eller b5da andar av kabeln. Kabelns typiska langd är fr5n ett par meter anda upp till m5nga kilometrar. Antalet sensorelement kan vara upp till flera hundra. I ett natverk av ett flertal temperatursensorer är de med fordel placerade b5de i marken och är inbaddade i avfallsbransle i form av tr5dlosa sensornoder. Dessa tillhandah5lIer tidigt information om okad brandrisk s5v51 som information om hur branden sprider sig.

ManuelIt hanterbara system är idag tillgangliga p5 marknaden, men vad som verkligen behOvs är en installation av ett robust och automatiskt system med I5ng livslangd och som inte stor det dagliga arbetet som bedrivs p5 anlaggningen.

Kabelsensorer har anvants i mer an 40 Sr. De forsta tillampningarna var branddetektion i tunnlar. Andra tillampningar är branddetektion i petrokemiska anlaggningar och pipelines. Tidiga inforanden av tekniken anvande exempelvis ett polymermaterial som smalte och som kortslot kablar vid en specifik temperatur. Kortslutningspunkten kunde lokaliseras, och s5ledes tillhandah51Ia positionen for omr5det med forhojd temperatur. Flogkansliga kalorimetrar anvands s5val som optokablar baserade p5 laseravkanningstekniker. Digitala elektronikkommunikationer har inforts senare. Vanligtvis behovs dock mer an tv5 parallella ledningar i kabeln, med 5tskilda ledare for stromtillforsel, dataaverforing och adressering av den sensor som data ska hamtas fr5n.

Sammanfattning av uppfinningen Kand teknik har nackdelar med avseende 135 formAgan att tillhandahAlla robusthet, p5litlighet, I5ng livslangd, kombinerade tr5danslutna och tr5dlosa sensorer och att vara en lattinstallerad losning for sensorsystem.

Syftet med foreliggande uppfinning är att overvinna nackdelarna has den kanda tekniken. Detta uppna's medelst kommunikationsarrangemanget i varje sensornod, 15g energiforbrukning och positioneringen av sensorkablar i kombination med mojligheten att inkludera trAdlosa sensorer. Tack vare uppfinningen är det mojligt att erhAlla en permanent installation med I5ng livslangd och som är lamplig for lager far fast avfall och fast biobransle.

Tack vare uppfinningen är det majligt att overvaka brandantandningar, mikrobiologiska aktiviteter och gaser.

Uppfinningen har vidare fordelen att tillhandah51Ia losningen att detektera och overvaka nedsmutsning fr5n avfallsdeponeringar, att analysera lakvatten s5val som koncentrationer av vaxthusgaser och damm.

En ytterligare fordel är att samma huvudenhet kan samtala 135cle med kabelsensorer s5val som tr5dlosa sensorer som är fordelade i hogen. Vidare majliggor uppfinningen ett enkelt satt att lokalisera de trAdlosa sensorerna sAval som att den hjalper till att overvinna dampningen av tr5dlosa signaler som orsakas av de fasta materialen som lagras.

I en andra aspekt majliggor tv5- eller tretr5dskablarna en kostnadseffektiv framstallning av en kabel med integrerade sensornoder.

Vidare hjalper uppfinningen till att overvinna sv5righeter med sensorintegrering for anvandningar inom jordbruk, avfallsdeponering, traavfallshagar, pelletslager, fastavfallslager, transportband, kabeltunnlar, silos, trafiktunnlar, oljeindustri och havsbaserad industri.

Andra andam51, fordelar och nya sardrag hos uppfinningen kommer att bli uppenbara frAn den foljande, detaljerade beskrivningen av uppfinningen nar den betraktas tillsammans med de medfoljande ritningarna och kraven.

Detaljerad beskrivning av utforingsformer Kabeln är en tv5tr5ds- eller tretr5dskabel, och i fiesta fall är den en robust kabel far anvandning i kravande miljaforhAllanden. Varje sensordel i \far uppfinning bestAr av en liten elektronikmodul som är integrerad i kabeln. Sensornoden innefattar en liten mikroprocessor, analog- digitalomvandlare och ett sensorelement. I fa Ilet av temperaturmatning är sensorelementet vanligtvis en tem peratu rka nslig resistor. Systemet har tv5vagsdatakom mu nikation mellan huvudenheten och sensorelementen i kabeln, medelst spanningsskift av spanningen mellan tr5clarna.

Varje sensorelementsmodul matas medelst strom fr5n kabeln. Eftersom antalet sensorelement kan vara i storleksordningen av flera hundra är stromforbrukningen hos var och en av sensorelementsmodulerna I5g.

Sensornoden (2) innefattar vanligtvis en FET-transistor (7), ett motst5nd (8) tillsammans med en elektrisk krets (9) hos en mikroprocessor, en analog-digitalomvandlare, ett sensorelement, tr5dbaserad kommunikation, antenn och tr5dlos kommunikation. FET-transistorn (7) kanner av inkommande data som triggas av en spanningsforandring mellan kabeltr5darna (5). Belastningsmotst5ndet (8) anyands for overforing av tr5dbaserad data p5 kabeln genom sankning av spanningen mellan kabeltr5darna.

Sensorelement är uppbyggda baserat p5 olika tekniker och är ofta kommersiellt tillgangliga. Samma typ av sensor eller ett flertal typer av sensorer är integrerade i kabeln eller i de flera kablarna. Den s.k. transient hot strip-metoden anvands for att mata termiska egenskaper hos omgivande material. Ett temperaturberoende motst5nd anyands for matning av forandringar i temperaturen som skiljer sig fr5n den normala.

Sensorkabeln kan interagera med trklosa sensornoder (9) och lokalisera dessa individuellt, cI5 de är placerade inuti en lagerhog med lattantandligt material (10) som kan vara, men inte är begransat till, avfallsmaterial, biobransle eller damm. Sensorkabeln är vanligtvis inbaddad p5 marken (12) under hogen (10) i ett grundmaterial (11). Grundmaterialet kan vara, men är inte begransat till, asfalt, grus, betong, cement, jord eller gras.

Kabelsensornoderna (2) och/eller tr5dlosa sensornoder (9), som är belagna p5 avst5nd fr5n 0,1 till 10 meter fr5n kabeln, kan detektera temperatur, fuktighet, kemikalier och termiska egenskaper I omgivningarna. Kemikalier är vanligtvis metan, koloxider, kvaveoxider, syre, rok och vatten. Sensorelementet innefattar sensorer for matning av kemiska koncentrationer, gaskoncentrationer av exempelvis syre, koloxider och metan, fuktniv5er.

I en utforingsform är systemet kopplat till en huvudenhet och ett mobilt modem, och kommunicerar med en mobiltelefon och/eller Internet.

I en utforingsform kan ett sensorsystem far ett lager, baserat p5 kablar med integrerade sensornoder, aven kommunicera med tr5dlasa sensornoder. Sensorkabeln är belagen nara materialet som ska lagras, vanligtvis inbaddad i markytan, p5 en sidovagg och/eller i taket. Den innefattar ett flertal integrerade sensornoder med fordelen att den har majligheten att aven verka som en lank for att vidare detektera, lokalisera och kommunicera med tr5dlosa sensorer att inkluderas i systemet. Detta bildar ett stort sensornatverk med sensorer som b5de Or integrerade i kabeln och som Or slumpvist placerade i de storre omgivningarna av kabeln. Den tr5dlosa sensornoden detekteras och lokaliseras automatiskt.

I en utforingsform har kabeln ett stort antal parallellkopplade, integrerade sensornoder. Den am/ander tv5vagsdatakommunikation mellan huvudenheten och de integrerade sensornoderna medelst spanningsskift av spanningen mellan tr5darna. Energiforbrukningen, datahastigheten och uppdateringsfrekvensen Jr alla valdigt I5ga.

I enlighet med utforingsformer har sensorkabeln fordelen att den har en dubbelanvandning och kan Oven verka far detektering, overvakning och lokalisering av tr5dlosa sensorer i omgivningarna.

I enlighet med utforingsformer har kabeln en eller flera sensornoder som Or utformade av polymer eller forstarkt polymer.

I enlighet med utforingsformer Or kabeln installerad sO att den Or inbaddad i fast, antandbart material. enlighet med utforingsformer har kabeln endast tre elektriska tr5dar till huvudenheten. enlighet med utforingsformer anvands kabeln for overvakning av brandantandningar. enlighet med utforingsformer anvands kabeln for overvakning av mikrobiologiska aktiviteter. enlighet med utforingsformer anyands kabeln for overvakning av gaser. enlighet med utforingsformer anvands kabeln for overvakning av koncentrationer av vaxthusgaser.

I enlighet med utforingsformer anvands kabeln for detektering och overvakning av fororeningar fr5n avfallsdeponeringar.

I enlighet med utforingsformer anvands kabeln for kemisk analys av lakvatten. I enlighet med utforingsformer drivs kabeln medelst solceller.

I enlighet med utforingsformer placeras ett stort antal tr5dlosa sensorer och lamnas/h5lls i lagrat material under dess livstid. I sjalva verket lagras det p5 olika stallen, och sensorerna foljer materialet anda till den slutliga destinationen som vanligtvis ar forbranning.

Detaljerad beskrivning av ritningarna Foredragna utforingsformer hos uppfinningen kommer nu beskrivas med hanvisning till de medfoljande ritningarna, p5 vilka fig. 1 ar en schematisk illustration av en sensorkabel innefattande en huvudenhet, kabel och sensornoder i enlighet med uppfinningen, fig. 2 ar en schematisk illustration av den tr5danslutna sensornoden i enlighet med uppfinningen, och fig. 3 är en schematisk illustration av ett sensorsystem innefattande en inbaddad sensorkabel och tradlosa sensornoder i enlighet med uppfinningen.

Claims (17)

Patentkrav

1. Sensorsystem far ett lager, baserat p kablar med integrerade sensornoder som aven har nnojlighet att komnnunicera med trAdlosa sensornoder. Sensorkabeln är belagen nara nnaterialet som ska lagras, och är vanligtvis inbaddad i nnarkytan, pA en sidovagg och/eller i taket. Den innefattar ett flertal integrerade sensornoder med fordelen av den kan verka som en lank for att vidare detektera, lokalisera och konnnnunicera med tradlosa sensorer att inkluderas i systemet. Detta bildar ett stort sensornatverk med sensorer som bAcle är integrerade i kabeln och som är slunnpvis placerade i de storre omgivningarna av kabeln. De tr5dlosa sensornoderna detekteras och lokaliseras automatiskt. Sensorkabeln har ett stort antal parallellkopplade, integrerade sensornoder. Jamte sensorer och intelligens har varje sensornod sitt eget kommunikationsarrangemang, dar alit är integrerat i kablarna. Det anvander tvAvagsdatakommunikation mellan huvudenheten och de integrerade sensornoderna medelst spanningsskift av spanningen mellan de tv5 tr5darna. Far mojliggorandet av ett stort antal sensorer och en I5ng kabellangd är energiforbrukningen, datahastigheten och uppdateringsfrekvensen alla valdigt I5ga.

2. Sensorsystem enligt krav 1, varvid ett stort antal tr5dlosa sensorer är placerade och lamnade/h5lIna i lagrat material under dess livstid. I sjalva verket lagras det p5 olika stallen, och sensorerna foljer materialet anda till den slutliga destinationen som vanligtvis är forbranning.

3. Sensorkabel enligt krav 1, med endast 2 tr5dar anslutna till ett flertal sensorer.

4. Sensorsystem enligt n5got av krav 1-3, vilket är anslutet till en huvudenhet och ett mobilt modem, och som kommunicerar med en mobilenhet och/eller Internet.

5. Sensorkabel enligt krav 2, vilken laser signaler fr5n tr5dlosa sensornoder som är anslutna till solceller.

6. Sensorkabel enligt krav 1, med maximalt 3 tr5dar som Or parallellkopplade till ett flertal sensorer.

7. Sensorkabel enligt n5got av krav 1-3, med ett flertal sensortyper i samma kabel.

8. Sensorkabel enligt n5got av de foreg5ende kraven, med ett flertal kemiska sensorer.

9. Sensorkabel enligt n5got av de foreg5ende kraven, med kemiska sensorer for koncentrationer av syre och koloxider.

10. Sensorkabel enligt nAgot av de foreg5ende kraven, med ett flertal fuktniv5detektorer.

11. Sensorkabel enligt nAgot av de foreg5ende kraven, med en eller flera transient hot stripsensorer.

12. Sensorkabel enligt nAgot av de foreg5ende kraven, med en sensorelementmodul innefattande en mikroprocessor med stromforbrukning p5 1-10011A.

13. Sensorkabel enligt nAgot av de foregAende kraven, varvid sensorkabeln inte innefattar nAgra transformatorer eller induktiva komponenter som behovs for datakommunikationen till huvudenheten.

14. Sensorkabel enligt nAgot av de foregaende kraven, med en typisk dataoverforingshastighet mellan 10 och 1000 bit/s.

15. Sensorkabel enligt nAgot av de foreg5ende kraven, med en langd p5 10 till 10000 meter.

16. Sensorkabel enligt nAgot av de foregAende kraven, med mer an en sensornod som skyddas med 5tminstone, men inte begransat till, polymer och metall.

17. Sensorkabel enligt nAgot av de foreg5ende kraven, vilken är inbaddad i marken under en hog av fasta biobranslen eller avfallsmaterial. Dn:wings