動態機構磁性定位儀及管線測位方法
2024-01-18 01:27:15 1
專利名稱：動態機構磁性定位儀及管線測位方法
技術領域：
本發明是為一種具動態機構磁性定位儀及管線測位方法，特別是關於一種用以量測地下金屬管線三維空間定位、交叉管線定位及管線深度計算等的具動態機構磁性定位儀及管線測位方法。
背景技術：
目前在地下管線錯縱複雜，加上管理資源需求高、自然或非自然地貌變更及竣工圖製作不確實，使得各單位皆不易由現存的資料確認管線的位置，致常有挖損地下管線的事件發生，且資料管理相當困難。
當地下工程施工時，會以地下管線資料做為相關施工的參考，以會勘施工地點有那些管線，但目前的管線資料並無確切地理座標的標定，均必須賴以實際試挖為準，且實際確切位置及埋設深度則亦需試挖才可確定，不僅浪費社會成本，更延誤施工時間，亦無法確保工程的施工風險。
目前世界先進國家皆有所謂國土資訊系統，可說是國土E化(電子化)的模型，也是資訊時代政府所必備的資訊工具，但目前在地下管線量測的精確性與地理資訊的結合尚未開發完成，而相關單位對於地下管線資料的建置仍處於尚待整合階段，這主要是因為地下管線探測儀器皆是由國外所進口，且售價頗高，例如簡型電磁波管路探測儀(Locator)售價約50萬元臺幣，而透地雷達(GPR)售價更達約200萬元臺幣，且操作的便易性和實際量測的位置精度皆有待強化，在管線三維空間定位、交叉管線定位及管線深度計算等功能，更明顯不足。
為此，本案發明人即為解決上述現有地下管線探測儀器所具有的不便與缺點，乃特潛心研究並配合學理的運用，提出一種動態機構磁性定位儀的管線測位方法，可提高金屬管線測位準確度，且輕巧、成本低、偵測方便是為一設計合理的發明。
發明內容
本發明的目的是提供一種動態機構磁性定位儀，用以偵測地下金屬管線的三維空間定位、交叉管線定位及管線深度，且可提高金屬管線測位準確度，具有輕巧、成本低及偵測方便的功效。
為達成上述目的，本發明的一種動態機構磁性定位儀，是偵測至少一地下金屬管線的三維空間定位、交叉管線定位及管線深度，其特徵在於，該定位儀包括一連動機構，是連動一第一感測元件，使其可水平移動或旋轉；一第二感測元件，是水平設於該第一感測元件旁；一第三感測元件，是垂直設定該第二感測元件上；及一操控模組，是連接該些感測元件，用以接收該些感測元件所偵測該地下金屬管線的磁信號，並控制該連動機構水平移動或旋轉該第一感測元件的量測位置，以獲得複數磁信號，經計算後獲得該地下金屬管線的管位及管深資訊。
其中該些感測元件，是為繞有線圈的磁性鐵心。
其中該些感測元件，還包括一模擬數字轉換單元，是連接於該線圈，用以將該線圈所感測的磁信號轉換為數位訊號；及一取樣單元，是連接於該模擬數字轉換單元及該操控模組，用以將該模擬數字轉換單元所轉換的數位訊號傳送至該操控模組。
其中該操控模組是包括一顯示單元，用以顯示該管位及管深資訊；一鍵盤單元，用以輸入或調整該連動機構的動態命令值；一記錄單元，用以記錄該些感測元件的磁信號最大值；及一處理器，是連接該些感測元件、該顯示單元、該鍵盤單元及該記錄單元，用以計算該地下金屬管線的管位及管深資訊。
其中該處理器是由下列公式計算該地下金屬管線的管位及管深資訊Co(Flx)f(x1,x2)d2;]]>其中，Co鐵心處磁通值函數；Flx磁通計算的函數值集合；f通用磁通值函數；d管深；X1管處磁通計算的函數值集合；及X2鐵心處磁通計算的函數值集合。
為達上述目的，本發明一種動態機構磁性定位儀的管線測位方法，是用以偵測至少一地下金屬管線的三維空間定位、交叉管線定位及管線深度，其特徵在於，該方法包括備置一可水平移動或旋轉的第一感測元件；水平於該第一感測元件，備設一第二感測元件；垂直於該第二感測元件，備設一第三感測元件；偵測該第一與第二感測元件的磁信號相等時，即定位該第下金屬管線；及水平移動該第一感測元件，以偵測並計算得該地下金屬管線的管深資訊。
其中水平移動該第一感測元件的步驟，是以下列公式計算以求得該地下金屬管線的管深資訊Co(Flx)f(x1,x2)d2;]]>其中，Co鐵心處磁通值函數；Flx磁通計算的函數值集合；f通用磁通值函數；d管深；X1管處磁通計算的函數值集合；及X2鐵心處磁通計算的函數值集合。
其中水平移動該第一感測元件的步驟中，當該第三感測元件的磁信號為零，且該第一感測元件的磁信號等於該第二感測元件的磁信號最大值的70％時，則表示該第一感測元件的位移距離的兩位即為管線深度。
其中偵測該第三感測元件的步驟中，當該第三感測元件的磁信號不為零時，表示附件仍有另一地下金屬管線，則水平移動或旋轉該第一感測元件，以偵測該磁信號的最大值即為該另一地下金屬管線的位置。
為了使審查員能更進一步了解本發明為達成預定目的所採取的技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明的詳細說明與附圖，相信本發明的目的、特效與特點，當可由此得一深入且具體的了解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制，其中圖1是為本發明磁性定位儀的架構示意圖；圖2是為本發明磁性定位儀的系統架構示意圖；圖3是為本發明驗證2D管線的測試示意圖；圖4是為本發明利用公式(1)的相關位置示意圖；圖5即為本發明的驗證三維管線測試示意圖；及圖6即為本發明驗證交叉管線的測試示意圖。
具體實施例方式
本發明的構想起始於繞有線圈(coil)的磁性鐵心(core)，不論是以被動的環境磁信號或是主動外接的電信號，都會依據磁學定理(Faraday’s law，and Lenz’s law)，或是磁場的時通率的感應輸出信號，獲得地下金屬管線的相關資訊，而用以定位地下管線。
請參閱圖1所示，是顯示本發明磁性定位儀的架構示意圖，本發明主要利用一連動機構10連動一第一感測元件11，使其可水乎移動或旋轉，並在該第一感測元件11旁水平固設一第二感測元件12，又於該第二感測元件12的上方垂直固設一第三感測元件13，該第一、第二及第三感測元件皆為繞有線圈的磁性鐵心(Core)，並由該連動機構10移動或旋轉該第一感測元件11的量測位置和相對關係，即可獲得複數磁信號的組合解，再由下列公式(1)即可解出地下全屬管線1定位及深度，以提升量測的精度。
Co(Flx)f(x1,x2)d2---(1)]]>其中，Co鐵心處磁通值函數；Flx磁通計算的函數值集合；f通用磁通值函數；d管深；X1管處磁通計算的函數值集合；及X2鐵心處磁通計算的函數值集合；請參閱圖2所示，是為本發明磁性定位儀的系統架構示意圖，本發明的該些感測元件中還包括一模擬數字轉換單元21及一取樣單元22，該模擬數字轉換單元21是連接於該線圈，用以將該線圈所感測的磁信號轉換為數位訊號，而該取樣單元22是連接於該模擬數字轉換單元21及一橾控模組30，用以將該模擬數字轉換單元所轉換的數位訊號傳送至該操控模組30。
其中該操控模組30連接該些感測元件，用以接收該些感測元件所偵測該地下金屬管線1的磁信號，並控制該連接機構水平移動或旋轉該第一感測元件11的量測位置，以獲得複數磁信號，經計算後獲得該地下金屬管線1的管位及管深資訊。
該操控模組30中是包括一顯示單元31、一鍵盤單元32、一記錄單元33及一處理器34，其中該顯示單元31是用以顯示該管位及管深資訊，而該鍵盤單元32則用以輸入或調整該連動機構的動態命令值，該記錄單元33用以記錄該些感測元件的磁信號最大值，該處理器34是連接該些感測元件、該顯示單元31、該鍵盤單元32及該記錄單元33，用以計算該地下金屬管線的管位及管深資訊。
本發明配合變換該第一感測元件的量測位置，可利用公式(1)的計算關係式，即可在多組求解下獲得管深、管位的答案，準確度亦能提升，即如圖1所示，本發明的感測元件數為三個，其配置空間關係為三角點配置。
為驗證本發明可量測地下管線三維空間定位、交叉管線定位及管線深度計算等的量測性能，使用的磁路模擬軟體為ANSOFT公司出版的MaxwellEM模擬軟體，此套軟體可以依據2D、3D結構上的磁性材料做模擬分析。
請參閱圖3所示，是為本發明驗證2D管線的測試示意圖，當該第一感測元件11與該第二感測元件12所偵測的磁信號相同時，則表示本發明的磁性定位儀定位於該地下金屬管線1的上方。
接著利用公式(1)求出該地下金屬管線1的深度，請參閱圖4是為本發明利用公式(1)的相關位置示意圖，假設當該第三感測元件13所偵測的磁信號為零，且該第二感測元件12所偵測的磁信號為最大值時，水平位移該第一感測元件11，由公式(1)計算得公式(2)及公式(3)，Co(flx)=f(x1,x2)d2=a---(2);]]>Co(flx)=f(x1,x2)Angle(Tri)(5d/2)20.7a---(3);]]>其中，a線圈於第一感測元件所測得的信號最大值；Angle特定三角函數(Sin或cos)；Tri角度值；求得當該第一感測元件11所偵測的磁信號等於該第二感測元件11所偵測磁信號最大值的70％時，則表示該第一感測元件11的位移距離的兩倍即為該地下金屬管線1的深度。如圖5即為本發明的驗證三維管線測試示意圖。
請參閱圖6所示，即為本發明驗證交叉管線的測試示意圖，假設當該第三感測元件13所偵測的磁信號不為零時，即表示附近仍有另外的地下金屬管線2，因此可水平位移該第一感測元件11，且旋轉該第一感測元件11以偵測該磁信號的最大值，即為該另外地下金屬管線2的所在位置。
由前述的驗證結果顯示，本發明的磁性定位儀利用外繞線圈(Coil)測磁鐵心(Core)隨控制命令水平位移或旋轉，以改變量測位置，來偵測得最大磁力線位置，並得記錄此值的設備，確實可適用提升於偵測地下金屬管線三維空間定位、交叉管線定位及管線深度計算等的精確性。
職定，本發明確能由上述所揭露的技術，提供一種回然不同於已知者的設計，堪能提高整體的使用價值，又其申請前未見於刊物或公開使用，誠已符合發明專利的條件，故依法提出發明專利申請。
惟，上述所揭露的附圖、說明，僅為本發明的實施例而已，凡精於此項技術者當可依據上述的說明作其他種種的改良，而這些改變仍屬於本發明的發明精神及以下所界定的專利範圍中。
權利要求
1.一種動態機構磁性定位儀，是偵測至少一地下金屬管線的三維空間定位、交叉管線定位及管線深度，其特徵在於，該定位儀包括一連動機構，是連動一第一感測元件，使其可水平移動或旋轉；一第二感測元件，是水平設於該第一感測元件旁；一第三感測元件，是垂直設定該第二感測元件上；及一操控模組，是連接該些感測元件，用以接收該些感測元件所偵測該地下金屬管線的磁信號，並控制該連動機構水平移動或旋轉該第一感測元件的量測位置，以獲得複數磁信號，經計算後獲得該地下金屬管線的管位及管深資訊。
2.如權利要求1所述的動態機構磁性定位儀，其特徵在於，其中該些感測元件，是為繞有線圈的磁性鐵心。
3.如權利要求2所述的動態機構磁性定位儀，其特徵在於，其中該些感測元件，還包括一模擬數字轉換單元，是連接於該線圈，用以將該線圈所感測的磁信號轉換為數位訊號；及一取樣單元，是連接於該模擬數字轉換單元及該操控模組，用以將該模擬數字轉換單元所轉換的數位訊號傳送至該操控模組。
4.如權利要求1所述的動態機構磁性定位儀，其特徵在於，其中該操控模組是包括一顯示單元，用以顯示該管位及管深資訊；一鍵盤單元，用以輸入或調整該連動機構的動態命令值；一記錄單元，用以記錄該些感測元件的磁信號最大值；及一處理器，是連接該些感測元件、該顯示單元、該鍵盤單元及該記錄單元，用以計算該地下金屬管線的管位及管深資訊。
5.如權利要求4所述的動態機構磁性定位儀，其特徵在於，其中該處理器是由下列公式計算該地下金屬管線的管位及管深資訊Co(Flx)f(x1,x2)d2;]]>其中，Co鐵心處磁通值函數；Flx磁通計算的函數值集合；f通用磁通值函數；d管深；X1管處磁通計算的函數值集合；及X2鐵心處磁通計算的函數值集合。
6.一種動態機構磁性定位儀的管線測位方法，是用以偵測至少一地下金屬管線的三維空間定位、交叉管線定位及管線深度，其特徵在於，該方法包括備置一可水平移動或旋轉的第一感測元件；水平於該第一感測元件，備設一第二感測元件；垂直於該第二感測元件，備設一第三感測元件；偵測該第一與第二感測元件的磁信號相等時，即定位該第下金屬管線；及水平移動該第一感測元件，以偵測並計算得該地下金屬管線的管深資訊。
7.如權利要求6所述的動態機構磁性定位儀的管線測位方法，其特徵在於，其中水平移動該第一感測元件的步驟，是以下列公式計算以求得該地下金屬管線的管深資訊Co(Flx)f(x1,x2)d2;]]>其中，Co鐵心處磁通值函數；Flx磁通計算的函數值集合；f通用磁通值函數；d管深；X1管處磁通計算的函數值集合；及X2鐵心處磁通計算的函數值集合。
8.如權利要求6所述的動態機構磁性定位儀的管線測位方法，其特徵在於，其中水平移動該第一感測元件的步驟中，當該第三感測元件的磁信號為零，且該第一感測元件的磁信號等於該第二感測元件的磁信號最大值的70％時，則表示該第一感測元件的位移距離的兩位即為管線深度。
9.如權利要求6所述的動態機構磁性定位儀的管線測位方法，其特徵在於，其中偵測該第三感測元件的步驟中，當該第三感測元件的磁信號不為零時，表示附件仍有另一地下金屬管線，則水平移動或旋轉該第一感測元件，以偵測該磁信號的最大值即為該另一地下金屬管線的位置。
全文摘要
一種動態機構磁性定位儀，是包括一連動機構連動一第一感測元件，使其可水平移動或旋轉，並於該第一感測元件旁水平設一第二感測元件，又於該第二感測元件上垂直設定一第三感測元件，由一操控模組接收該感測元件所偵測的磁信號，並控制該連動機構水平移動或旋轉該第一感測元件的量測位置，以獲得複數磁信號，經計算後獲得該地下金屬管線的管位及管深資訊。
文檔編號G01V3/08GK1963563SQ20051011768
公開日2007年5月16日 申請日期2005年11月8日 優先權日2005年11月8日
發明者陳柏燊, 黃文楠, 陳慕平 申請人:財團法人工業技術研究院