TW201241410A - TDR apparatus and method for liquid level and scour measurements - Google Patents

Description

201241410 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種可同時量測液面與刷深行為之裝置與方法，特別是 關於_種__反射法CtimecbmainrefleetGmetiy ’ TDR)來量測液面與 刷深之量測裝置及其方法，以藉此同時監測液面與沖刷深度變化。 【先前技術】 時域反射法（TDR)為-種電魏感應技術，電磁波之傳輸系統包括 作為延長線的同軸纜線與感測導波器（Waveguide)，導波器為同轴遭線之 延伸，同時作為訊號傳輸與感測元件，導波器之設計主要在將所需監測之 環境變化轉換為感測導波器之傳輸阻抗變化，如此可藉由反射訊號得知環 境變化參數。導波器為將電磁波從同軸靦線延伸導入待測介質的導波器。 TDR含水量導波器通常是由兩根或三根導體桿所組成，如Yu㈣Yu( 2〇1 〇 ) 提出三根導體型式’而YankielunandZabUansky⑴99)提出之沖刷 導波器i式貝為利用兩根鋼管形成感測導波器。前述技術與一般丁⑽含 水1導波器雷同，只是尺寸較大，在現地應用時，導波器底部可加裳—鋼 管帶動貫入（U.S. patent # 6,9G9,669)，其他相關顏專利也都基於相同概 ，念’例如，美國專利 US 6,541，985、6，121，894、6，100,700 及 5J84,338 等。 •但上述型式在實務上應用，尤其是在台灣地區，仍存在有下列潛在問題： 一、訊號衰減引起之傳輸距離問題： -般河水與祕_有—定的導電度，導電度將造成電魏傳遞隨距 離而衰減ϋ此-般土壤含水量的導波器很少超過i爪，若直接採用類似土 壤含水量的導波H ’沖刷感測範圍勢必相當有限，不適合台灣許多河段劇 201241410 烈沖刷的觀測。以 Yan^ielun and Zabilansky ( 1999)與 Yu and Yu (2010) 提出導波器初步測試，可以發現訊號衰減隨水深增加而增加的現象，預計 若導波器與水深超過2 m以上，水土界面以及導波器末端的反射訊號將會 難以分辨》 二、 安裝實務與耐衝擊性問題： 上述相關類似土壤含水量導波器的型式並不適合現地沖刷監測的安 裝，在沖積河床尚可以在導波器底部加裝一鋼管帶動貫入，但並不適合礫 石或岩質河床之應用，且當沖刷感測範圍超過3 m以上時’勢必導波器必 須分段在現場連接，這些安裝實務問題都需要考慮。此外，上述之剛性感 測器在夾雜塊石與高流速的河川環境下，其耐衝擊性堪虞，特別是當刷深 較深時，可能容易變形損壞。 三、 沖刷深度的訊號分析演算法： TDR量測由於接頭、水-土界面及導波器末端產生的反射訊號，當水位 低於TDR導波器頂部時，尚有空氣·水界面的反射訊號，在如此複雜的反射 訊號要決定沖刷深度並非簡易或容易自動化的工作。若電磁波由下往上傳 遞’可以確保在水-土界面反射之前沒有空氣-水界面的反射訊號，水_土界 面反射訊號較容易分辨，但如此的配置將使得導波器的安裝困難度增加。 若電磁波由上往下且當水位低於導波器頂部時，在水_土界面反射發生之前 即產生接頭、空氣-水界面反射及之間的多重反射，造成水_土界面反射訊號 較難以分辨。基於上述分析複雜度，亦即無法穩定快速地提供一自動化有 效的分析演算流程。 有鑑於此，本發明提出一種時域反射式液面與刷深之量測裝置及其方 201241410 法，以改善上述缺失。 【發明内容】 本發明之主要目的係在提供一種時域反射式液面與刷深量測裝置，其 係利用時域反射法同時量測液面與概行為，細同時監驗面與沖刷深 - 度變化’採用結合類似地錫鋼索的導波器設計，提出符合安裝實務的設計， . 並考慮導體絕緣處理’解決訊號衰減問題。 本發明之另一目的係在提供一種時域反射式液面與刷深量測方法，其 係為量測液面與沖刷深度的訊號分析演算法，基於不同介質之電磁波速不 同，本發明結合反射訊號辨識與波傳速度標定與分析流程，提出一種較可 靠的訊號分析演算法。 為達到上述目的，本發明之時域反射式液面與刷深量測裝置其係安 裝於一待監測環境，以監測其液面與沖刷深度變化，此液面與刷深之量測 裝置包括有至少一同轴繞線’其係利用一轉接探頭連接一時域反射式金屬 感測導波器，同軸纜線傳送一時域反射儀產生之電磁脈波至金屬感測導波 器，其係接收電磁脈波並根據該深度變化產生一反射訊號傳回至同轴纜 線，以利用同軸纜線傳輸回時域反射儀；並有至少一錨定器連接金屬感測 導波器末端，以固定金屬感測導波器。 . 本發明之另一實施態樣則為一種時域反射式液面與刷深量測方法，其 係利用前述之液面與刷深量測裝置對待監測環境進行液面與沖刷深度變化 的量測，此量測方法包括下列步驟：首先，利用量測裝置量測一已知液面 及水深之量測波形作為參考波形，且經過標定步驟得知空氣段波傳速度、 清水段波傳速度及淤積土段波傳速度；再利用量測裝置自待監測環境中取 5 201241410 得一量測波形，並量測量測波形之量測水位面走時位置與該參考波形之參 考水位面走時位置的走時差，再配合已知的空氣段波傳速度，即可取得量 測波形對應的液面位置與液面深度（清水與淤積土加總深度）；最後，於量 測波形中取得一終點走時位置，並配合量測水位面走時位置、液面深度、 清水段波傳速度及淤積土段波傳速度計算出待監測環境中的清水段與淤積 土段的介面實際位置，進而取得待監測環境的沖刷變化。 底下藉由具體實施例配合所附的圖式詳加說明，當更容易瞭解本發明 之目的、技術内容、特點及其所達成之功效。 【實施方式】 本發明提出一種利用時域反射（TimeDomainReflect〇metry，tdr)量 測液面與概的制裝置及方法jDR技術為—種新興測技術，利用 其原理可設計不同的導波器（Waveguide ’或稱探湘），可制不同的物 理量。本發明針對利用TDR監測沖刷所遭遇之問題提出對策，首先在導波 器設計方面’採縣合_地姻索設計概念，提崎合絲實務與耐衝 擊的設計’並考慮祕ϋ導舰緣處理，職峨衰減在量測方法 方面，由於空氣、水及地層之介電度不同，其電磁波速也_不同，本發 明將結合反射域韻與_波速定與分析，翻财靠的訊號分析 演算法。 由於本發明制露-種時域反射技_液面與刷深量職置及其 方法’其巾所到的-些關於電磁波或導波轉之定義、^細製造或處 理過程’侧用現倾術來賴，故在下述_巾，並不作完整描述。而 且下勒文巾之圖式’《未依猶際之蝴尺寸完歸製，其作用僅在 201241410 表達與本發明特徵有關之示意圖。 _第-圖為本發明之液面與刷深量赚置的架構示意圖，請參閱第—圖 所示’此液面與刷深之量測裝置包括有—時域反射式金屬感測導波器10、 TDR擷取系統12、峡器14以及—_ π等；時域反射式金屬感測導 波器1〇之頂部係咖定器16峡於待監測環境之橋梁18之頂部或橋缴 基座’時域反射式金屬_導波器⑺底侧可配合—般翻設備，於何床 預定位置鑽掘-孔洞20 ’提供時域反射式金屬感測導波器1〇置入固定使 用，且時域反射式金屬感測導㈣1G於孔洞2()底部之末端連接缺器… 以配口知Μ 14 gj定之’並利崎置混擬土進行感測導波器⑴固定，雜 疋器Η係可為金屬、非金屬或複合材料等；既有河床面細定^ μ之孔 洞工隙則係以回填料22回填’模擬原河床淤積深度，藉以提供沖刷量測使 用。 其中TDR掏取系統π之架構請同時參閱第二圖所示，此丁抓操取 系統12包括有至少—同軸纜線24，電性連接時域反射丨金誠測導波器 1〇 ’並利賴軸纜線24連接至-_纜線多工器% 及-時域反雜（Timed_inrefleetGm咖）28，輯紙射顏則利用 控制線30電性連接_纜線多卫器26及_ f 取系統32。 再者，在本發明之量置巾制之時域反射式金屬躺導波器ι〇的 較佳實施例如第三賴不，同械線24與時域反射式金脑測導波器1〇 之間係_ -轉接綱34相互連接，錢雜連接綱滅線，以接收該 電磁脈波’並監測該環境變化’並據此產生_反射訊號；時域反射式金屬 感測導波!i 1G之結構係為至少二金屬桿之多桿式或是至少二金屬纜線之多 201241410 徵式’以分別作為傳導電磁脈波或反射電磁脈波的正負極通道，且金屬感 測導波器ω之末端邊界為斷路式連接或短路式連接，斷面形狀係為圓形、 橢圓形或任意多邊形等；並在金屬感測導波器ι〇的至少一通道之外表面更 ^覆有轉層，如第三圖所示，在此細二條金顧線為例，包括有一 多鋼H線102、-鋼缓線1〇4，並於多心鋼絞繞線1〇2 &覆絕緣層， 主要構造乃利用同軸纜線24將其内外導體透過轉接探頭％内之電線祀 與多心鋼絞觀102和峨線1〇4電性連結，轉接探頭更包括有一金屬或 其他導電材質之外殼撕，其内有絕緣或非導電材質之填充材料_定同 軸欖線24與多心鋼絞纜線1〇2和峨線1〇4，此外殼糾主要在保護轉換 接頭34並將内部外舰場廠遮蔽，減少軸電磁場所造成之干擾。此多心 鋼賴線Η)2與舰線1G4提供正、貞極通道，以作電磁波料使用，另 外多心鋼賴線102則可依照現場安裝環境，選擇不同尺寸，符合設計張 力強度，作為整體時域反射式金屬感測導波器1〇保護使用；絕緣層ι〇6則 可保護多峨_線1G2與魄線1G4，不受賴影響，且可魏水體導電 度’減少電磁波能量損耗。 請同時參考第-、二、三圓所示，時域反射式金屬感測導波器連接 至同軸纜線24 ’再依序連接至_纜線多工器％ ;時域反射儀28係發射 電磁脈波並接收時域反射式金屬感測導波器1〇之反射訊號，此反射訊號可 進-步分析電磁波於時域反射式金屬感須蹲波器1〇遇到不同外在介質（空 氣與水）之反射訊號，經由同轴徵線多工器26之切換，時域反射儀28可 以連接複數僻同_域反料麵_導心ω，贿供徹―機多點 佈設之優勢。 201241410 前述電磁波於日辑聽歧屬_導波器走時之典财形，其較佳實 施例如第四圖所示，第四刚為時域反射式金屬感測導波器於實際量測時 之不意圖’由於空歧介電度為丨，—般水之介電度為81，因此電磁波在 兩者介面有明顯反射訊號，而當電磁波到達金屬感測導波器底部（開放型 態）’則有明顯之正反射訊號’如第四⑼圖所示。然而，受限於水與水下齡 積土介電常數撼不翻況下，加上皿反射波形受到職電阻（即 延長舰長度）_現帽的·，献外在水與_土導電度影響 下，因此水無積土介科料清楚判釋，無法由此—位置直接提供游積 土位置，亦即無法反應沖刷變化。 因此’為避免此問題，本發明除了上述量測裝置之外，也同時提出一 對應沖刷分_量财法。在本發明之4财法巾，主要係制感測裝置 在不同材料介面所產生之電磁波反射訊號走時，並_ —已建立之沖刷感 測導波n裝置之純參數標定與量測程序，藉以來分析沖刷變化^因此， 在完整說明本發明之方法前，先就標定轉之流餅細說明如下： 首先’請參閱第五⑷圖所示’利用前述之量測裝置，可於現場或室内 得到-已知相關配置之TDR第—量測波形，可設定為參考波形，已知相關 配置係包含導波ft波形起點走雜^(可域線_或其他人缺義固定 位置）參考水位面走時位置^以及對應之液面深度（清水與齡積土加總 深度）、導波器波形終點走時位置、、清水段深度L叫以及淤積土段深 度 Ls，r 〇 接續，基於前述參考波形，則可以再利用已知另一組至多組不同水位 下之二量測波形，如較佳實施例第五(b)圖所示，並計算水位面走時位置 201241410 ta/W，m ’在已知與參考波形水位差異，則可以基於下列方程式(1)，計算出 空氣段波傳速度Va : (’α/vty- (’a…r -ί〇) =-S- ^ V〇 ⑴ 最後，基於前述參考波形，則可以額外再提供至少一組不同水位下之 第二量測波形’並計算制波形之雜面走雜置t_、導波驗形終點 走時位置te，m ’且需提供對紅清水段深度Lwm，以及雜土段深度km， 其較佳實施例如第五(b)圖所示’利用參考波形（第—量測波形）與第二量 測波形兩«料，則可以基軒财程式(2),藉由此聯立方程式，可以計 算出清水段波傳速度vw以及淤積土段波傳速度Vs :

4 ^ W ^ S (2) ' ^ s 至此，即完成整個標定流程，且藉由上述的標定步驟，則可提供量測 裝置相關的空氣段波傳速度Va、清水段波傳速度vw以及淤積土段波傳速度 VS。 在說明完整個標定流程後，接續將本發明之實際沖刷量測方法的詳細 流程說明如下： 首先，可直接沿用或重新進行上述標定步驟，如第五(a)圖所示，可於 現場得到一已知相關配置之TDR量測波形，設定為參考波形，已知相關配 置係包含金屬感測導波器波形起點走時位置t〇、參考水位面走時位置tg/w，r 以及對應之液面深度（清水與淤積土加總深度）La/wr、金屬感測導波器波形 終點走時位置V、清水段深度Lw,r，以及淤積土段深度Lsr。 201241410 接續，基於前述參考波形，則可以進行量測波形分析，如第五(b)圖所 不’先計算水位面走時位置^，在已知空氣段波傳速度％ ’則可以基於 前述方程式⑴’計算出與參考波形水位差異ALa，亦#求得量測波形之對 應液面深度（水土深度）L-m。 最後’由上述步料算取狀制水位面㈣位置以及對應液面 /罙度L— ’ ^外則可根顧驗料算金屬感測導波器波形終點走時位置 te，m，再配合已知清水段波傳速度\以及灣土段波傳速度％，即可利用 下列方程式(3) ’計算量測時齡積土段深度Lsm，對應參考（初始）波形齡 積土深度W，則可得知鱗監晴境巾的清水段無積土㈣介面實際位 置，進而求得待監測環境的冲刷變化 (( _ t e,m o/wtm /hv/j —L·

2L s9m , K ⑶ 知、上所述，本發明之量測裝置及方法主要係利用時域反射法同時量測 液U’木行為’藉以同時監測液面與沖刷深度變化，配合裝置採用結合 類似地油索的導波器設計，提出符合安裝實務的設計，並考慮導體絕緣 處理’解決訊餘減問題。再加上本發赌合反射城職與祕速度標 定與分析流程，實為-翻當可靠的喊量測方法。 以上所述之實施例僅係為說明本發明之技術思想及特點，其目的在使 熟習此項技藝之人士能夠瞭解本發明之内容並據以實施，當不能以之限定 本發明之專利範圍，即大凡依本發明所揭示之精神所作之均等變化或修 飾，仍應涵蓋在本發明之專利範圍内。 【圖式簡單說明】 201241410 第一圖為本發明之液面與刷深量測裝置的架構示意圖。 第二圖為本發明使用之TDR擷取系統的架構示意圖。 第三圖為本發明使用之時域反射式金屬感測導波器的結構示意圖 第四(a)圖為本發明利用時域反射式金屬感測導波器於實際量測時之亍 圖。 *、 第四(b)圖為本發明利用金屬感測導波器量剛到之波形示意圖。 第五⑷第五幡本發败別於獨環境下之制波__反射式金 屬感測導波器之分析標示示意圖。 【主要元件符號說明】 10 時域反射式金屬感測導波器 102 多心鋼絞規線 106 絕緣層 12 TDR擷取系統 14 錨定器 16 固定器 18 橋樑 20 孔洞 22 回填料 24 同軸纜線 26 同抽藏線多工is 28 時域反射儀 30 控制線 1Q4鋼纜線 12 201241410 32 資料擷取系統 34 轉接探頭 342電線 344外殼 346填充材料 13

Claims (1)

1. 201241410 七、申請專利範圍： 1. 一種時域反射式液面與刷深量測裝置’其係安裝於一待監測環境，以監 測其液面與沖刷深度變化，該液面與刷深之量測裝置包括： 至少一同軸纜線，其係傳送一電磁脈波； 至少一時域反射式金屬感測導波器，其係電性連接該同軸纜線，以接收 該電磁脈波，並㈣娜賴化，麟此產生—反射訊號； 至J一錨疋器，連接該金屬感測導波器末端，該錨定器係埋設於該待監 測環境中’以固定該金屬感測導波器；以及 至少-轉接探頭，其係連接該同軸徵線與該金屬感測導波器。 2,如睛求項1所述之時域反射式液面與刷深量測裝置，其中該金屬感測導 波器之、構係為至少二金屬桿之多桿式或至少m線之多，、 分別作為傳導該電磁脈波的正負極通道。 以 其中該金屬感測導 其中該金屬感測導 該金屬桿或金 其中該錦定器係為 其中該轉接探頭係 -月求項2所述之時域反射式液面與刷深量測裝置， 波器的至少—該通道之外表面更包覆有-絕緣層。 如叫求項2所述之時域反射式液面與刷深量測裝置， 波器之末端邊界為斷路式連接或短路式連接。 月求項2所述之時域反射式液面與刷深量測裝置， 屬徵線之斷面係為圓形、橢圓形或任意多邊形。 6·如請求項1所述辦域反射式液面與獅量測裝置， 金屬、非金>1或複合_。 ^求項1所奴時域反射麵面翻深量測裝置， 201241410 -外殼，以包覆該同軸 -填充材料，係彳 〜、該金屬感測導波11相連接之部份；以及 ;s亥外殼内部並直 8.如請求項7所述之時域龙真滿之。 非導電材f。 射式液面與卿制裝置，射填充材料係為 9. 如請求項7所述之時域 屬或其他導電材質/反射式液面與刷深量測裝置，其中該外殼係為金 10. 如請求項1所述之 金屬感測導坡器之I L射式液面與概量測裝置，其中該錯定器及該 回填料填龄 ％她餅靖朗顧之河魏财，並利用- ”孔洞’以模擬該待監測環境的原捕於 其㈣嫩购则繼，嫩—固定器， _編敵賴親座^ 線更連接至-同抽射式液面與刷深量測裝置，其中透過該同抽規 縵線夕工器’以利用該同軸纜線及該同軸纜線多工 將二個以上的該金屬感測導波器連接至一時域反射儀。 ㈣與崎糧，細^物爾測裝置 待監測環境進行液面與沖刷深度變化的量測，該液面與刷深量測方 法包括下列步驟： 利用該液__嶋济⑽驗形作為參考 波形且魏Φ與槪4測裝置已輯狀步麟知轉氣段波傳速 度β水|又波傳速度及淤積土段波傳速度； 利用麵面與卿量測裝置自該待監賴境巾取得-#測波形，並量測 該量測波形之量測水位面走時位置與該參考波形之參考水位面走時位 15 201241410 置的走時差’再利用該空氣段波傳速度，求得該量測波形對應的液面 深度；以及 根據該量獄形取得-物鱗健，並配合該量财位錢時位置、 該液面、料水段賴輕·_域_速料算該待監測 環境中的清水段與淤積土段的介面實際位置。 M.如請求項13所述之日概射趣面與獅制方法，其巾職面與刷深 量測裝置的該標定步驟更包括： 取得量測該已知液面及水深之該液面與卿感測裝置的第—量測波形， 並取得至少另-組已知不同液面位置及搞之該液面與卿感測裝置 的第二量測波形，由該第-量測波形及該第二量測波形的液面位置之 時域反射走時差可蚊職面與獅感職置的雜氣段波傳速度； 以及 由該第-量測波形及該第二量測波形的終點走時位置及水位面走時位 置’配合該第一、第二量職形之已知液面與水深，可蚊轉該液 面與刷深感測裝置的該清水段波傳速度及該淤積土段波傳速度。 15.如請求項14所述之_反射錢面與卿制方法，其愧清水段波傳 速度及該淤積土段波傳速度係利用下列方程式求得： U 令+ψ· 其中，Vw為該清水段波傳速纟，Vs為該_土段波傳速度，該第一量測 波形的水位面走時位置為W、終點走時位置為、、清水段深度為Lwr 201241410 置為ta/w，m、終點 及游積土段深度為Ls，r，該第二_波形的水位面走時位 走時位置為^、清水段深度為‘及 此如請求項Η或15所述之時域 X木度句S。 量測波形係可為該參考坡形。：之面與刷深量測方法，其〇亥第一 17·如請求項13所述之峙蜮反 環境中的歸水料知^麵_深量财法，射計算該待監測 afw，m

   〜段的介面實際位置係利用下列方程式·· 其中，vw鱗清水㈣傳迷度， 、終點走時位置為（ 的水位面走時位置為心 又s :，’該淤積土段波傳速度，該量測波形 土段深度為Ls，m 咖、液面深度La/W,m及淤積