SE537785C2 - Sensorsystem baserat på kabel med integrerade sensornoder - Google Patents

Abstract

537 78 Sammandrag Foreliggande uppfinning tillhandah011er ett sensornatverk baserat p5 en kabel (1) innefattande integrerade sensornoder (2) nned konnnnunikationsanordningar (3) och en skyddande mantel (4). Anden av kabeln är ansluten till en huvudenhet (6). De integrerade sensorerna och konnnnunikationselektroniken Ostadkonnnner ett robust system nned long livslangd och sonn är enkelt att installera. Kabeln är foretradesvis tillverkad av tv5 eller tie elektriska tr5dar (5), isolering, fyllnadsnnaterial, tradar och mantlar av en polymer eller en mantel av forstarkt polymer (4). Sensorerna och konnnnunikationsarrangennanget är baserat p5 elektriska kretsar och elektriska utlasningssignaler och har mojligheten att Oven verka sonn en lank far att detektera, lokalisera och konnnnunicera nned tr5dlosa sensorer. Designen hos en s5dan sensorkabel (1) och de vanliga anvandningarna av en s5dan sensorkabel beskrivs.

Description

Uppfinningens omrade Foreliggande uppfinning avser ett sensornatverk baserat p5 en sensorkabel.

Teknisk bakgrund 1 m5nga situationer finns det ett behov av att overvaka fysiska parametrar s5som temperatur Over ett I5ngt ayst5nd. N5gra exempel är branddetektion i tunnlar, pipelines eller hogeffektselkablar. Andra anyandningsomr5den 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.

Kabelsensorer har anyants 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 anyJnde exempelvis ett polymermaterial som smalte och som kortslot kablar vid en specifik temperatur. Kortslutningspunkten kunde lokaliseras, och sAledes tillhandah51Ia positionen f6r omr5det med f6rh6jd temperatur. Flogkansliga kalorimetrar anyands s5val som optokablar baserade p5 laseravkanningstekniker. Digitala elektronikkommunikationer har inforts senare. Vanligtvis behovs dock mer an tv5 parallella ledningar i kabeln, med 5tskilda ledare far stromtillforsel, dataoverforing och adressering av den sensor som data ska harntas fr5n.

ManuelIt hanterbara system är idag tillgangliga p5 nnarknaden, men vad som verkligen behovs är ett robust och automatiskt system med I5ng livslangd och som inte star det dagliga arbetet som bedrivs p5 anlaggningen.

Sammanfattning av uppfinningen Kand teknik har nackdelar med avseende p5 form5gan att tillhandah51Ia robusthet, p5litlighet, 15ng livslangd, kombinerade tr5danslutna och tr5dlosa sensorer och att vara en lattinstallerad losning for sensorsystem.

Syftet med foreliggande uppfinning är att overvinna nackdelarna hos den kanda tekniken. Detta uppn5s medelst kommunikationsarrangemanget i varje sensornod, I5g energiforbrukning och 1 537 78 positioneringen av sensorkablar i kombination med majligheten att inkludera tr5dlosa sensorer. Tack vare uppfinningen är det majligt att erh51Ia en permanent installation med I5ng livslangd och som är lamplig far lager for fast avfall och fast biobransle.

Foreliggande uppfinning avser ett sensornatverk baserat p5 en sensorkabel innefattande a stort antal sensorer som är integrerade i kabeln, s5 val som kommunicerande med tr5dlasa sensorer utanfor kabeln.

En lamplig teknik for s5dan overvakning är kabelsensorn. Vid m5nga positioner utmed kabeln 5terfinns inbaddade sensorelement som mater 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 s5val som information om hur branden sprider sig.

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 mojliggor uppfinningen ett enkelt satt att lokalisera de tr5dlosa sensorerna s5val 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, traavfallshogar, pelletslager, fastavfallslager, transportband, kabeltunnlar, silos, trafiktunnlar, oljeindustri och havsbaserad industri.

Andra andam51, fordelar och nya sardrag hos uppfinningen kommer att bli uppenbara fr5n den foljande, detaljerade beskrivningen av uppfinningen nar den betraktas tillsammans med de medfoljande ritningarna och kraven. 2 537 78 Kortfattad beskrivning av ritningarna Foredragna utforingsformer hos uppfinningen kommer nu beskrivas med hanvisning till de medfoljande ritningarna, p5 vilka fig. 1 är en schematisk illustration av en sensorkabel innefattande en huvudenhet, kabel och sensornoder i enlighet med uppfinningen, fig. 2 är en schematisk illustration av den tra'clanslutna sensornoden i enlighet med uppfinningen, och fig. 3 är en schematisk illustration av ett sensorsystem innefattande en inbaddad sensorkabel och tr5dlosa sensornoder i enlighet med uppfinningen.

Detaljerad beskrivning av utforingsformer Kabeln är en tv5tr5ds- eller tretr5dskabel, och i fiesta fall är den en robust kabel far anvandning i kravande miljoforh5llanden. Varje sensordel i v5r uppfinning best5r av en liten elektronikmodul som är integrerad i kabeln. Sensornoden innefattar en liten mikroprocessor, analogdigitalomvandlare och ett sensorelement. I fallet av temperaturmatning är sensorelementet vanligtvis en temperaturkanslig resistor. Systemet har tv5vagsdatakommunikation mellan huvudenheten och sensorelementen i kabeln, medelst spanningsskift av spanningen mellan tr5darna.

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 inkonnnnande data som triggas av en spanningsforandring mellan kabeltr5darna (5). Belastningsmotst5ndet (8) anvands for overforing av trAdbaserad 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 anvands for matning av forandringar i temperaturen som skiljer sig fra'n den normala.

Sensorkabeln kan interagera med tr5dlosa sensornoder (9) och lokalisera dessa individuellt, cI5 de är placerade inuti en lagerhog med lattantandligt material (10) som kan vara, men inte är 3 537 78 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 for ett lager, baserat p5 kablar med integrerade sensornoder, aven kommunicera med tr5dlosa 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 mojligheten 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 ar integrerade i kabeln och som är slumpvist placerade i de storre omgivningarna av kabeln. Den tr5dlosa sensornoden detekteras och lokaliseras automatiskt.

I en utf6ringsform 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 är alla valdigt I5ga.

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

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

I enlighet med utforingsformer ar kabeln installerad s5 att den är inbaddad i fast, antandbart material.

I enlighet med utforingsformer har kabeln endast tre elektriska tr5dar till huvudenheten. I enlighet med utforingsformer anyands kabeln for overvakning av brandantandningar.

I enlighet med utforingsformer anvands kabeln for overvakning av mikrobiologiska aktiviteter. 4 537 78 I enlighet med utforingsformer anvands kabeln for overvakning av gaser.

I 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 anyands 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 är forbranning.

Claims (17)

537 78 Patentkrav

1. Sensorsystem for ett lager, innefattande minst en kabel med integrerade sensornoder, varvid varje integrerad sensornod innefattar en kommunikationsanordning for att p5 sA satt ha mojlighet att verka som en lank for att detektera, lokalisera och kommunicera med tr5dlosa sensorer, som är inkluderade i systemet, utanfor den minst en kabeln.

2. Sensorsystem enligt krav 1, varvid ett stort antal tr5dlosa sensorer Sr placerade och lamnade/h5lIna i lagrat material under dess livstid.

3. Sensorsystem enligt krav 1 eller 2, varvid den minst en kabeln endast har tv5 trAdar anslutna till ett flertal sensorer.

4. Sensorsystem enligt n5got av de fOreg5ende kraven, vilket Sr anslutet till en huvudenhet och ett mobilt modem, och som kommunicerar med en mobilenhet och/eller Internet.

5. Sensorsystem enligt n5got av de foregAende kraven, varvid den minst en kabeln laser signaler fr5n trAdlosa sensornoder som är anslutna till solceller.

6. Sensorsystem enligt n5got av de foregAende kraven, varvid den minst en kabeln har maximalt tre tr5dar som är parallellkopplade till ett flertal sensorer.

7. Sensorsystem enligt n5got av de foregAende kraven, med ett flertal sensortyper i samma minst en kabel.

8. Sensorsystem enligt n5got av de foreg5ende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar ett flertal kemiska sensorer.

9. Sensorsystem enligt n5got av de foreg5ende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar kemiska sensorer for koncentrationer av syre och koloxider.

10. Sensorsystem enligt n5got av de foregAende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar ett flertal fuktnivadetektorer.

11. Sensorsystem enligt n5got av de foregaende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar en eller flera transient hot strip-sensorer.

12. Sensorsystem enligt n5got av de foreg5ende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar en sensorelementmodul innefattande en mikroprocessor med stromforbrukning p5 1-100 p.A.

13. Sensorsystem enligt n5got av de foreg5ende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar en typisk dataaverforingshastighet mellan 10 och 1000 bit/s. 6 537 78

14. Sensorsystem enligt nagot av de foregaende kraven, varvid den minst en kabeln har en langd p5 10 till 10000 meter.

15. Sensorsystem enligt nagot av de foregaende kraven, varvid den minst en kabeln innefattar mer an en sensornod som skyddas med atminstone polymer och metal!.

16. Sensorsystem enligt nagot av de foregaende kraven, varvid den minst en kabeln är inbaddad i rnarken under en hag av fasta biobranslen eller avfallsnnaterial. 7 537 78 1/1 6 2 i ;3 [)/ L)1L111LtilLEL111161)11