TWI650574B - 時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明係一種時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法，包括一時域反射式感測裝置裝設在一待測環境中，以擷取一量測波形。一資料處理器比對量測波形之一量測基準波段，與一參考波形之一參考基準波段比對，以取得一誤差值，並比對量測波形之一量測沉陷波段以及參考波形之一參考沉陷波段，產生一沉陷差值，最後根據誤差值及沉陷差值之差異量，產生形成一波形時間差值，並帶入一實際沉陷量方程式取得一實際沉陷量。本發明利用時域反射可用於多個深度，且自動化偵測沉陷量，並可濾除系統中所產生的誤差值，以達到精確數值量測。

Description

時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法

本發明係有關一種測量地層沉陷量之技術，特別是指一種時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法。

隨著水資源需求的增加，河川以及水庫中的水已供不應求，導致人們開始抽取地下水以彌補水資源的不足，導致超抽地下水的情形日益嚴重，不斷超抽地下水的結果造成地下水鹽化、土壤鹽化以及地層下陷等影響，因此如何有效監控土壤沉陷量變化，以預防土壤下陷，以及保護環境，儼然已成為一個相當重要的課題。

目前傳統量測下陷的方法，係於地表面定期實施大面積或局部性之水準測量，以掌握地形地物地貌之變化。在量測沉陷量時，需設置適量之基準點，並由各基準點的地層下陷量，可繪出下陷量等高線，以求出下陷中心，並經由多次不同時間之測量結果比較，求出地層隨時間之下陷量。但是此種方法相當耗費人力以及時間，且測量之時間間隔較大，平均二至三月才能量側一次，較不易獲得連續之地層下陷資料。

除了上述地表面傳統偵測方式之外，地下監測可分為單點式或多點式，單點式指的是量測監測井中固定位置的沉陷變化，詳細來說，一般會以監測井的底部作為固定量測點，再以裝設在地表或量測井內之地層的監測儀器，量測地層目前的深度，以比較原先深度來產生的沉陷值。

多點式可分為兩種，其中一種係靠設置伸張儀置入監測井內，並灌入水泥和皂土混合漿，固結後即可量測。當地層發生下陷時，伸張儀內彈性鋼伸縮桿在尼龍質保護管內滑動，其位移量顯示該點至地表之壓縮量，於地表以游標尺測定位移量。多點式的另一種則採用磁性環配合量測管放置於地下不同深度，然後透過銦鋼尺加上磁性探測器，於量測管下放探測磁性環位置，藉以確認不同時間下之位置差異，即為該深度點之沉陷值。

但無論是單點式或多點式的量測方式，其事前所需安裝的手續皆相當繁複，且必須採用人為操作才可進行監測，無法使用儀器不間斷的即時反映出每個時間點土壤的沉陷的變化。再者，除了地層下陷所須蒐集的數值除了土壤沉陷量之外，監測井中水壓的數據也相當的重要。目前量測水壓的方式是額外再鑽出一個監測井，並放入水壓計量測水壓，因此傳統水壓量測方法並無法在一地點，量測水壓以及土壤的沉陷量，導致數據之間可能因地點不同等因素，使蒐集的參數不完整，造成後續資料所演算出數據不準確。

有鑑於此，本發明遂針對上述習知技術之缺失，提出一種時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法，以有效克服上述之該等問題。

本發明之主要目的在提供一種時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法，其利用時域反射之電磁脈波量測多點深度之土壤沉陷量，且可自動化偵測沉陷量，並可濾除原先系統中所產生的誤差值，以達到精確數值量測，係為較可靠的量測技術。

本發明之另一目的在提供一種時域反射式監測沉陷變化裝置及其方法，其利用電磁脈波量測可達到快速量測以及量測數據精確等優點，同時可一併在量測沉陷量的同一地點中，取得水壓之參數，能避免不同地點的量測而產生誤差，有利於提升地層下陷之的演算精確度。

為達上述之目的，本發明提供一種時域反射式監測沉陷變化裝置，其係安裝在一待測環境中，以監測待測環境的土壤沉陷變化量，其中時域反射式監測沉陷變化裝置包括至少一傳輸線，傳輸線的一內導體連接至少一同軸纜線，傳輸線的一外導體則連接一導電管體，且傳輸線可傳送一電磁脈波至同軸纜線及導電管體；其中導電管體設置於待測環境中，同軸纜線則穿設在導電管體中，使傳輸線傳送的電磁脈波在導電管體中流動，導電管體內更設有至少一感測裝置，感測裝置的外表面設有至少一錨定器，錨定器穿設出導電管體，以將感測裝置固定在待監測環境之土壤；導電管體內更設有至少一水壓計，以偵測待監測環境之液體，產生一水壓訊號；至少一資料處理器電性連接水壓計以及傳輸線，資料處理器可接收水壓訊號，並控制傳輸線發出電磁脈波，且資料處理器更可透過傳輸線感測電磁脈波觸碰到感測裝置以及水壓計，所產生的一量測波形，資料處理器再擷比對量測波形與資料處理器中的一參考波形，以取得一波形時間差值後，再將波形時間差值帶入一實際沉陷量方程式中，將波形時間差值轉換成一實際沉陷量。

另外，本發明亦提供一種時域反射式監測沉陷變化方法，其包括下列步驟，首先擷取一量測波形，量測波形包括一量測基準波段以及一量測沉陷波段；接著比對量測波形之量測基準波段，與一參考波形之一參考基準波段，以取得一誤差值；再比對量測波形之量測沉陷波段，以及參考波形之一參考沉陷波段，以產生一沉陷差值；最後根據誤差值及沉陷差值之差異量，產生形成一波形時間差值，並帶入一實際沉陷量方程式，以取得一實際沉陷量。其中實際沉陷量方程式為： △S係為實際沉陷量；(△T ₂-△T ₁)為波形時間差值；△T ₂量測器所偵測到的沉陷差值；△T ₁係為水壓計的誤差質；c為光速；ε _m 為導電管體內之介質的介電度；a係為量測效能比例係數；ε _c 為同軸纜線之絕緣層的介電度。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

請參照第一圖與第二圖，本發明之時域反射式監測沉陷變化裝置1係安裝於一待監測環境中，本實施例舉例待測環境為地下水之監測井60，以監測其土壤沉陷變化量以及監測井60中的水壓變化，本實施例之在土壤62鑿出一監測井60，且監測井60的開口上設有一蓋體66，供安裝時域反射式監測沉陷變化裝置1。其中時域反射式監測沉陷變化裝置1包括，一資料處理器10、一導電管體20、至少一時域反射式的感測裝置30以及一水壓計40。其中資料處理器10設置在監測井60之蓋體66上，且電性連接至少一傳輸線12；導電管體20則設置在蓋體66上，且伸入監測井60中直接插入監測井60的土壤62中，並使土壤62內的地下水可滲入導電管體20中，導電管體20電性連接傳輸線12，導電管體20內更設有一同軸纜線22，其包括一導體222，其外表面更包覆有一絕緣層224，此絕緣層224可有效減緩地下水造成之電磁波能量衰減問題，同軸纜線22亦電性連接傳輸線12，請配合參照第三圖，以進一步詳細說明導電管體20之構造，其中導電管體20可為鋁管、銅管等金屬或可導電材質管體，且導電管體20至少一側更設有一開槽24，使土壤62內的地下水亦可由開槽24滲入導電管體20中。

接下來請參照第一圖與第四圖，以詳細說明導電管體20、同軸纜線22以及傳輸線12的連接關係。如圖所示，資料處理器10之傳輸線12係透過設置在蓋體66上的一轉接頭14之固定環142，將傳輸線12的一內導體122連接同軸纜線22之導體222，傳輸線12的外導體124則連接導電管體20，使資料處理器10能控制傳輸線12傳送一電磁脈波至同軸纜線22及導電管體20之間，使電磁脈波在導電管體20中流動。

請回復參照第一圖與第二圖，感測裝置30設置在導電管體20內，本發明可串接多個感測裝置30在導電管體20內，本實施例僅以一個感測裝置30作為舉例說明，但不以設置一個感測裝置30為限制，同軸纜線22則穿過感測裝置30，感測裝置30係為活動式的，可在導電管體20內移動，感測裝置30外表包含一錨定器34，錨定器34可穿設出導電管體20的開槽24，以將感測裝置30固定在土壤62，由於感測裝置30可在導電管體20內移動，且固定在土壤62上，因此當土壤62下陷時感測裝置30就能跟著土壤62一起下陷，使感測裝置30的目前所在的位置能作為量測下陷的基準；導電管體20內更設有一置中器26，使同軸纜線22穿設於置中器26中，將同軸纜線22及感測裝置30置中在導電管體20中，以提升量測波形穩定性。本實施例舉例感測裝置30包括有一金屬感測器36以及一非金屬感測器38，金屬感測器36之材料係為鋁、銅或其他導電之材質，非金屬感測器38之材料則為塑膠、聚苯乙烯或不可導電之材質；金屬感測器36與非金屬感測器38係串接在一起，且金屬感測器36位於非金屬感測器38的上方，當導電管體20中的電磁脈波觸碰到金屬感測器36與非金屬感測器38時，可產生不同的波形變化，以利用此波形的變化作為特徵點，以取得金屬感測器36與非金屬感測器38在監測井60中的位置。

水壓計40亦設置在導電管體20內，以偵測從土壤中滲進導電管體20內的地下水水壓，且水壓計40更電性連接一類比轉換器42，類比轉換器42再電性連接至資料處理器10。水壓計40能偵測待環境中液體的水壓，產生一水壓訊號，並將水壓訊號傳遞給類比轉換器42經訊號轉換後，再傳遞給資料處理器10。當導電管體20內的電磁脈波觸碰到水壓計40時，亦可產生不同的波形變化，本發明則可利用此波形的變化作為特徵點，以取得水壓計40的位置。

接下來請持續參照第一圖與第二圖，以詳細說明資料處理器10之結構，資料處理器10更包括一時域反射儀16以及一計算機18，其中時域反射儀16電性連接傳輸線12，以發出電磁脈波至傳輸線12，並透過傳輸線12接收量測波形。計算機18則電性連接時域反射儀16以及類比轉換器42，計算機18可接收時域反射儀16的量測波形，以及類比轉換器42所轉換之水壓計40的水壓訊號，並顯示水壓訊號於電性連接計算機18的一顯示器19中給使用者參考；計算機18內更儲存有一參考波形，以及一實際沉陷量方程式，計算機透過傳輸線12感測電磁脈波觸碰到感測裝置30以及水壓計40所產生的量測波形，以比對量測波形與參考波形，取得一波形時間差值後，再帶入實際沉陷量方程式中，將波形時間差值轉換成一實際沉陷量，並在顯示器19中顯示實際沉陷量。

在說明完上述之結構，接續說明本發明之監測沉陷值之方法，請參照第一圖、第二圖以及第五圖。在進行量測沉陷值之前，必須先取得監測井60之土壤62尚未沉陷時的參考波形，以作為往後比對實際沉陷量的基準，參考波形的擷取係在一開始裝設時域反射式監測沉陷變化裝置1於待監測環境時，控制時域反射儀16發出量測電磁脈波至導電管體20內，電磁脈波在觸碰到導電管體20內的水壓計40以及感測裝置30後，產生波形的變化，並反射回參考波形時域反射儀16中，時域反射儀16再將參考波形儲存至計算機18中。其中參考波形包括一參考基準波段50以及一參考沉陷波段52，參考基準波段50為電磁脈波觸碰到水壓計40之波段，參考沉陷波段52則為電磁脈波觸碰到感測裝置30之波段，然而參考沉陷波段52呈現出波浪形的原因在於，本實施例的感測裝置30包括有不同材質的金屬感測器36以及非金屬感測器38，因此電磁脈波觸碰到金屬感測器36以及非金屬感測器38時，會產生不同的波形，如第五圖所示，參考沉陷波段52的上半段，往左邊方向突出的波段係為觸碰到金屬感測器36的波形，下半段往右邊方向突出的波形，則係觸碰到非金屬感測器38的波形。

在取得參考波形後，請接續參照第一圖、第二圖以及第六圖，以詳細說明資料處理器10之計算機18係如何利用參考波形比對量測波形，計算出實際沉陷量。首先進入步驟S10，資料處理器10之時域反射儀16發出一電磁脈波至導電管體20以及同軸纜線22，使導電管體20內的電磁脈波觸碰到水壓計40以及感測裝置30後，反射量測波形給時域反射儀16擷取。請配合參照第六圖與第七圖，其中量測波形包括一量測基準波段54以及一量測沉陷波段56，量測基準波段54指的是電磁脈波觸碰到水壓計40之波段，量測沉陷波段56則是導電管體內電磁脈波觸碰到感測裝置30的波段。其中量測沉陷波段56呈現出波浪形的原因與參考沉陷波段52相同，故不重複敘述。

接下請參照步驟S12，計算機18透過時域反射儀16取得量測波形後，比對量測波形之量測基準波段54，及參考波形之參考基準波段50，以取得一誤差值。請配合第八圖，由於感測裝置30係透過錨定器34固定在土壤62，當土壤62沉陷時感測裝置30也一併跟著沉陷，因此量測波形與未沉陷時所量測到的參考波形也會有所不同，但量測波形也可能存在的誤差值。詳細來說，如第八圖所示，本實施例中的水壓計40係未移動的狀態，但資料處理器10所擷取到的量測波形中，代表水壓計40位置的量測基準波段54的位置卻下降了，表示量測波形可能因某些因素產生誤差，因此計算機18必須擷取參考波形之參考基準波段50，以及量測波形之量測基準波段54進行比對，以取得一誤差值 ，來作為校正的參數。

接著請參照步驟S14，計算機18再比對量測波形之量測沉陷波段56，及參考波形之參考沉陷波段52，產生一沉陷差值 ，沉陷差值 係使用互相關係分析法(cross-correlation)比較量測波形之沉陷波段以及參考波形之沉陷波段，其中互相關係分析法係透過一互相關係分析法方程式計算出來，互相關係分析法方程式(1)如下所示： (1)

其中 係為參考波形， 係為量測波形， 係為時間， 係為時間差。除了上述利用互相關係分析法判斷出沉陷差值 之外，更可直接在量測沉陷波段56以及參考沉陷波段52擷取相對的一特徵點來進行比對，舉例來說可以擷取參考沉陷波段52代表金屬感測器36以及非金屬感測器38的交接處作為特徵點a，以及擷取量測沉陷波段56中代表金屬感測器36以及非金屬感測器38的交接處作為特徵點b，特徵點a以及特徵點b之間的差即為沉陷差值 。

最後進入步驟S16，計算機18即可比對步驟S12所計算出的誤差值 ，及步驟S14演算出的沉陷差值 的差異，產生形成一波形時間差值 ，波形時間差值 再帶入一實際沉陷量方程式，以取得一實際沉陷量 。其中實際沉陷量方程式(2)如下所示： (2) 其中 係為實際沉陷量； 為波形時間差值； 為沉陷差值； 係為誤差值； 為光速； 為導電管體內之介質的介電度； 為一量測效能比例係數； 係為同軸纜線之絕緣層的介電度。

綜上所述，本發明可利用時域反射之電磁脈波，量測多點深度土壤的沉陷量，可自動化、快速並不斷偵測到每一個時間點的沉陷量，同時更可濾除原先系統中所產生的誤差值，以達到精確數值量測，係為較可靠的量測技術。除此之外，本發明更可同時一併在量測沉陷量的同一地點中，取得水壓之參數，避免不同地點產生數值上的誤差，有利於提升地層下陷之的演算精確度。

唯以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍。故即凡依本發明申請範圍所述之特徵及精神所為之均等變化或修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

1‧‧‧時域反射式監測沉陷變化裝置

10‧‧‧資料處理器

12‧‧‧傳輸線

122‧‧‧內導體

124‧‧‧外導體

14‧‧‧轉接頭

142‧‧‧固定環

16‧‧‧時域反射儀

18‧‧‧計算機

19‧‧‧顯示器

20‧‧‧導電管體

22‧‧‧同軸纜線

222‧‧‧導體

224‧‧‧絕緣層

24‧‧‧開槽

26‧‧‧置中器

30‧‧‧感測裝置

34‧‧‧錨定器

36‧‧‧金屬感測器

38‧‧‧非金屬感測器

40‧‧‧水壓計

42‧‧‧類比轉換器

50‧‧‧參考基準波段

52‧‧‧參考沉陷波段

54‧‧‧量測基準波段

56‧‧‧量測沉陷波段

60‧‧‧監測井

62‧‧‧土壤

66‧‧‧蓋體

a‧‧‧特徵點

b‧‧‧特徵點

第一圖係為本發明之時域反射式監測沉陷變化裝置裝設示意圖。

第二圖係為本發明之時域反射式監測沉陷變化裝置方塊圖。

第三圖係為本發明之導電管體立體示意圖。

第四圖係為本發明之導電管體、同軸纜線以及傳輸線的連接關係示意圖。

第五圖係為本發明之參考波形示意圖。

第六圖係為本發明計算實際沉陷量之步驟流程圖。

第七圖係為本發明之量測波形示意圖。

第八圖係為本發明計算實際沉陷量方法示意圖。

Claims (13)

1. 一種時域反射式監測沉陷變化裝置，其係安裝於一待監測環境，以監測其土壤沉陷變化量，該時域反射式監測沉陷變化裝置包括：至少一傳輸線，其一內導體連接至少一同軸纜線，一外導體則連接一導電管體，以傳送一電磁脈波至該同軸纜線及該導電管體，其中該導電管體設置於該待測環境中，該同軸纜線則穿設在該導電管體中，使該電磁脈波在該導電管體中流動；至少一感測裝置，設置於該導電管體內，該感測裝置外表面設有至少一錨定器，該錨定器穿設出該導電管體，以將該感測裝置固定在該待監測環境之該土壤；至少一水壓計，設置於該導電管體內，以偵測該待監測環境之液體，產生一水壓訊號；以及至少一資料處理器，其電性連接該水壓計以及該傳輸線，該資料處理器可接收該水壓訊號，並控制該傳輸線發出該電磁脈波，該資料處理器可透過該傳輸線感測該電磁脈波觸碰到該感測裝置以及該水壓計所產生的一量測波形，以比對該量測波形中的一量測基準波段與一參考波形之一參考基準波段，以取得一誤差值，再比對該量測波形之一量測沉陷波段以及該參考波形之一參考沉陷波段，產生一沉陷差值，並根據該誤差值及該沉陷差值之差異量，產生一波形時間差值並帶入一實際沉陷量方程式中，將該波形時間差值轉換成一實際沉陷量，其中該實際沉陷量方程式為： 其中該△S係為該實際沉陷量；該(△T ₂-△T ₁)為該波形時間差值；該 △T ₂為該一沉陷差值；△T ₁係為一誤差值；該c為光速；該ε _m 為該導電管體內之介質的介電度；該a為一量測效能比例係數；該ε _c 係為該同軸纜線絕緣層的介電度。
2. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該資料處理器更包括：一時域反射儀，電性連接該傳輸線，以發出該電磁脈波，並接收該量測波形；以及一計算機，電性連接該時域反射儀以及該水壓計，該計算機儲存該參考波形以及該實際沉陷量方程式，並接收該時域反射儀傳遞之該量測波形，以計算該實際沉陷量。
3. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該量測基準波段以及該參考基準波段，為該電磁脈波觸碰到該水壓計之波段；該量測沉陷波段以及該參考沉陷波段，為該電磁脈波觸碰到該感測裝置之波段。
4. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該同軸纜線更包括一導體，該導體外表面更包覆一絕緣層。
5. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該沉陷差值係使用互相關係分析法(cross-correlation)比較該量測波形之該沉陷波段以及該參考波形之沉陷波段。
6. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該時域反射式感測裝置更包括一金屬感測器以及一非金屬感測器。
7. 如請求項6所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該金屬感測器之材料係為鋁、銅或其他導電之材質。
8. 如請求項6所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該非金屬感測 器之材料係為塑膠、聚苯乙烯或不可導電之材質。
9. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，更包括一置中器設置於該導電管體內，且該同軸纜線穿設於該置中器中，使該同軸纜線及該感測裝置可置中在該導電管體中。
10. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該導電管體係為金屬管體，其可為鋁管或銅管。
11. 如請求項1所述之時域反射式監測沉陷變化裝置，其中該導電管體之其中一側更設有至少一開槽，以供該錨定器穿設出該導電管體之該開槽，將該感測裝置固定在該待監測環境之該土壤。
12. 一種時域反射式監測沉陷變化方法，包括下列步驟：擷取一量測波形，該量測波形包括一量測基準波段以及一量測沉陷波段；比對該量測波形之該量測基準波段，及一參考波形之一參考基準波段，以取得一誤差值；比對該量測波形之該量測沉陷波段，及該參考波形之一參考沉陷波段，產生一沉陷差值；以及根據該誤差值及該沉陷差值之差異量，產生一波形時間差值，並帶入一實際沉陷量方程式，以取得一實際沉陷量，其中該實際沉陷量方程式為： 其中該△S係為該實際沉陷量；該(△T ₂-△T ₁)為該波形時間差值；該△T ₂該沉陷差值；△T ₁係為該誤差值；該c為光速；該ε _m 為該導電管體內之介質的介電度；該a係為一量測效能比例係數；該ε _c 為該 同軸纜線之絕緣層的介電度。
13. 如請求項12所述之時域反射式監測沉陷變化方法，其中該沉陷差值係使用互相關係分析法(cross-correlation)比較該量測波形之該沉陷波段以及該參考波形之沉陷波段。