地下電纜管路變形在線偵測技術

前言

過往台積電纜事故案例，皆為電纜處理頭施工因素造成故障。因此裝設On-Line PD監測，避免相同事故發生。2018南科六廠發生電纜短路故障，首次故障點發生在地下線路段。其故障定位採用TDR時域反射，以標準脈波輸入正常電纜，將測得反射波型與電纜長度做標準；再量測故障電纜所得反射波型做比對，導出相對距離，定位地下線路段故障。發生故障的電纜雖有裝設F6自製On-Line PD，量測到放電波型，但廠商複檢電纜處理頭無訊號，因此判定盤外雜訊。

此次經驗得知，因建築物有深基樁防護不受地層下陷影響，但聯外管線無基樁設施，受當地地層下陷影響，造成外牆管線交界處受力不均產生彎曲或斷裂。電纜故障位置位於建築物外壁地下管線出口處。目前並無法巡視產生盲點風險。本文提出有效經濟檢視方法，選擇適合flex-sensor、導波管對地下管線變形能有效量測。

供電中地下電纜量測，常用PLC或DCS方式，若量測電纜發生故障，造成量測設備絕緣破壞，引發系統性的風險；採用電池獨立供電的低功耗物聯網單晶片量測儀器，可避免絕緣破壞引起系統風險，並易於大量部屬，可攜性高。本文設計一個通用型的檢測儀器介面，除了可以量測管線變形外；依據使用環境與條件另可以外接IR、UV感測器，可量測地下高壓電管線，以及電盤內的溫度與紫外線適用範圍。

文獻探討

國內外管線檢測技術

美國石油協會(API)推出API 510壓力容器檢測規範、API 570管線檢測規範、API 653儲槽檢測規範。本文參考API 570規範，節錄出金屬管線施工注意事項與檢測方式。

3.41 土壤—空氣介面soil-to-air (S/A)interface：部分埋地管道可能發生外部腐蝕的區域。腐蝕的區域將隨著濕度、土壤中氧含量和操作溫度等因素的變化而改變。腐蝕通常易發生在土壤表面下方305mm到表面上150mm之間的區域,也包括平行放置在地上的管道，建議安裝陰極防鏽保護。國內經濟部於2017年參考ISO 15589-1：2015發布CNS 15993-1「石油、石化及天然氣業－地下管線陰極保護系統－第1部：陸上地下管線」國家標準。

6.2 金屬管線分類：

第一級管線：高度潛在性危險(如易燃性、爆炸性或高毒性物質)，當管線內容物發生洩漏時會產生立即危急的災害

第二級管線：潛在性危險，當管線內容物發生洩漏時會產生工安或環保之危害

第三級管線: 內容物洩漏時具有潛在危險，或距離人員較遠之管線

第四級管線 :管線內容物不會燃燒、不具毒性

6.3.3 金屬管線檢測週期 表1。

9.1.4 土壤的電阻率：低電阻率土壤比高電阻率土壤的腐蝕性更大

9.1.6 檢測管線內部狀態：Intelli-gent Pig (IP) & Pipeline Inspection Tool (PIT) 表2。

Intelligent Pig (IP)架構 圖1。

Pipeline Inspection Tool (PIT)架構 圖2。

工作方式比較 圖3。

9.1.6 檢測管線內部狀態：下水道攝影機 圖4。

前方和周遭總共裝設了4架攝影機。機器人拍下下水道管路內的照片，並儲存在電腦，以人臉辨識基礎進行影像分析，自動偵測出下水道管路內的異常位置。

Other：地面管線檢測方式 表3。

超音波測厚UTM 圖5。

檢測出管線剩餘管壁厚度、管內缺陷探傷、材質變異， 圖5使用陣列式超音波PHASOR量測示意。

管內表面剝離 圖6。

紅外線檢測 圖7：管線保溫材料破損、劣化、滲水

導波Guided Wave 圖8：利用超音波蘭姆波(Lamb wave)量測，針對管壁內外腐蝕做定性分析，適用於長途或保溫管線。

檢查位置只需50cm，量測距離前後各30米。不須停機線上檢測，穿牆或過路RC管段可進行全面性管線GUI檢測，針對異常訊號部位再以其他NDT檢測進行精準評估 圖9。但會因為管線的連續彎頭、法蘭面接合處、連續性的嚴重氧化層、支撐結構腐蝕造成量測誤差 圖10。

廠內高壓電纜管線

地下電纜管線，在新建時由建築物牆壁兩側採用PVC套管，作為建築物穿牆路徑，出建築物外牆側也用PVC管連接到人孔，建築物出線處與人孔出線處如 圖11所示。前文所述的管線偵測技術，因空間問題，是無法檢測已裝設電纜的PVC管線。

廠內使用中的25kV電纜管線套管，需要克服空間限制才能檢測套管是否完好。25kV電纜管線套管，標準鋪設78mm直徑/5.5mm厚度PVC管，若以WALSIN單相400mm²的25kV電纜完成外徑50mm，表示最高量測高度為28mm。

廠內電纜事故

南科廠區經歷兩次規模5級以上地震，分別為2010年3月4日8時18分甲仙地震，台南震度5級與2016年2月6日3點57分美濃地震，台南震度7級。這兩次地震造成CUP周遭地面高度明顯下沉 圖12。建築物周遭犬走與抿石子鋪面產生4-12公分垂直裂縫。MTR水泥樓梯向前傾倒。

圖13紫框處為地層下陷嚴重區域，由紫框可知，建物左邊為環西路與BP2B大門，沒有建築物的基樁防護，因此整區地面由右往左降低。

由 圖13爆炸綠圖塊所示， 圖14的電纜管線遭受土壤位移使建築物壁外的管線產生斷裂位移，並重壓在供電中的高壓電纜上，造成電纜絕緣層變薄導致短路故障熔毀 圖15。

計畫方法

對於電纜PVC管線的量測環境，存有浸水、泥砂、微生物。對於感測器耐用是很大的挑戰。本文量測設備採用開源Arduino架構，因可由官網，取得硬體設計資源，調整電路及元件，符合現場設計需求。並擁有各式感測器、通訊、顯示、驅動晶片程式庫，是開發最快速且經濟實用的微控器解決方案。

廠區大部分使用標準4-20mA感測器搭配PLC或DCS，受限通訊與電源無法隨意即時放置量測位置，並接收端硬體&軟體點位有所限制；市售感測器有空間與能耗問題，因內建(感測器、電源、ADC、處理器、通訊元件)具有一定體積，無法安裝於已安裝電纜所剩28mm高度限制。大多Arduino感測器模組電源由Arduino板提供，只透過訊號線就能連結感測器，大幅減少感測器體積，擴大感測器可安裝範圍。

廠區通訊架構，仍以有線RS-485為主；傳輸大量資料使用Modbus TCP/IP或是TCP/IP。這些需要另外配管線，不像家裡網路插座隨手可及。因此採用Sub-G的LoRa通訊，其高穿透性與長距離的優點，於地下室環境都可以傳送至地面，通訊距離高達數公里解決空間限制(管道間、管溝、地下室)。缺點是每分鐘傳送資料量只有20Byte，但是對於變形、溫度、聲波、紫外線讀值卻是足夠的。

選擇感測器

當PVC管線發生位移，會造成X軸物理量相對距離改變，如 圖16所示。

X軸物理量

可以用測距感測器做偵測；有紅外線、電容、超音波測距感測器可使用。第一種紅外線測距常用於手持測距儀，但水分會吸收紅外線，無法穿透水，因此無法使用在浸水的管線中。第二種防水的電容式接近開關，感應器前端產生電容器電場，若有物體通過電容器電場，電容感測器測到電容值變化，判斷有物體，並可以偵測非導電物體如塑膠管、土壤。長偵測距離電容感測器，需要大面積的感測器前端40mm，無法裝入既有電纜管線剩下28mm高度限制。第三種是防水的超音波倒車雷達可以偵測距離，大小在25mm內符合空間限制；但管線空間狹小產生超音波回波而無法測距。至此距離量測感測方式仍無法使用。

當管線發生彎曲或斷裂，會造成Y軸物理量相對高度改變，如 圖17。

Y軸物理量

可以用形變相關感測器做偵測；微動開關、軟片電阻可以使用。第一種首先想到的是微動開關，當管線發生彎曲時壓下微動開關長金屬片使其導通，就能知道管線已彎曲。但微動開關無法長期防水，需定期更換造成維護成本過高。第二種是軟片電阻，原裝設在機器轉軸內部，可以得知彎曲角度；本文將軟片電阻貼於管壁內部，若管線發生彎曲可以得知彎曲角度，可判斷嚴重性與相對應變時間。因此軟片電阻適用於量測電纜管線彎曲或斷裂。

震波物理量

可以使用微震感測器做偵測；有超音波、震動感測器可使用。因為PVC管線發生位移、斷裂時，會產生聲響與震波；一般使用超音波感測器貼於PVC管壁，但超音波價格昂貴且無法於浸水、泥砂、微生物環境使用。本文使用導波管技術、將實心玻璃棒貼置於PVC管線上，可將PVC本體產生的聲響與震波藉由玻璃棒傳導 圖18。可於浸水、泥砂、微生物的PVC管線使用，其高絕緣強度，在管線發生斷裂壓迫高壓電纜時，不會造成導電路徑。玻璃棒末端加上震動感測器，就能偵測PVC管發生斷裂時的聲響與震波，安全傳遞訊號。

X軸物理量，目前感測器皆無法使用。但透過軟片電阻搭配導波管+震動感測器，在PVC管線位移情況下，找出差異，仍可以偵測Y軸物理量、聲響與震波物理量。發生水平位移時，受限電纜彎曲半徑，其位移距離如 圖19是綠色範圍是受限制的，在3inch的PVC管中，搭配100mm電纜最大位移量在40mm內。因此軟片電阻或是導波管必需超過外牆與PVC管交接處40mm以上。才能在位移情況下，偵測Y軸物理量、聲響與震波物理量。

Arduino & LoRa通訊

Arduino控制器具備多功能接腳，如數位 I/O、ADC接腳、PWM接腳、軟體UART；多功能通訊界面如I2C、SPI、UART界面。可以堆疊安裝Shields擴充版增加Arduino硬體沒有的功能，如馬達控制、GPS、WiFi、Ethernet、USB Host、液晶顯示器、SD卡或者是麵包板。

收集到的資料通常需要運算與資料傳輸，加上運算晶片擴充板太佔空間，發展整合不同運算晶片的Arduino控制器，如 圖20 7688 Duo Arduino控制器作為代表；上層是由MT7688AN 580MHz CUP做物聯網功能，具有WiFi、Ethernet、USB Host、UART、SD卡。下層ATmega32U4提供27組數位 I/O、12組ADC接腳、8組PWM接腳、各1組I2C、SPI通訊界面、2組軟體UART介面。其效能足以作為小型Data-Gateway，為Arduino原生的資料收集功能增加應用範圍及效能。

LoRa是低功率廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)通信技術中的一種，是美國Semtech公司採用和推廣的一種基於擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案。目前，LoRa主要在全球免費頻段運行，包括433、868、915MHz等，NCC開放的是915MHz。LoRa接收端靈敏度要歸功於直接序列擴頻技術。LoRa採用了高擴頻因子，從而獲得了較高的信號增益。一般FSK的信噪比需要8dB，而LoRa只需要-20dB。

LoRa網絡將終端設備劃分成A/B/C三類：

Class A 圖21：雙向通信終端設備。這一類的終端設備允許雙向通信，每一個終端設備上行傳輸會伴隨著兩個下行接收窗口。終端設備的傳輸時隙是基於其自身通信需求，其微調基於ALOHA協議。Class A設備的功耗最低，基站下行通信只能在終端上行通信之後。

Class B 圖22：具有預設接收時隙的雙向通信終端設備。這一類的終端設備會在預設時間中開放多餘的接收窗口，為了達到這一目的，終端設備會同步從網關接收一個Beacon，通過Beacon將基站與模塊的時間進行同步。Class B終端可以使基站知道終端正在接收數據

Class C 圖23：具有最大接收窗口的雙向通信終端設備。這一類的終端設備持續開放接收窗口，只在傳輸時關閉。Class C設備擁有最長的接收窗口，也最耗電。

感測器原理

Y軸物理量_Flex-sensor:軟片電阻

1989年power glove手套使用Flex-sensor量測手指關節彎曲度，作為遊戲控制。Flex-sensor傳感器的一側印有聚合物油墨，其中嵌入有導電顆粒。當傳感器是直的時，顆粒使墨水的電阻約為30k歐姆，如 圖24所示。

當傳感器遠離墨水彎曲時，導電顆粒進一步分開，增加此電阻(當傳感器彎曲到90°時，大約為50k-70K歐姆，如 圖25所示)。

當傳感器再次伸直時，電阻恢復到原始值。通過測量電阻，您可以確定傳感器彎曲的程度。

聲響與震波物理量：震動感測器

將感測器固定在玻璃棒尾端，偵測玻璃棒上的震動。採用彈簧繼電器，輕微震動會造成內部滾珠位移，使繼電器兩端接點短路；該訊號經由LM393電壓比較器，將短暫的短路狀態能將DO穩態輸出+5VDC，使ARDUINO能偵測玻璃棒上的震動 圖26。

紅外線溫度感測器：電子耳溫槍元件

紅外測溫感測器 圖27內建溫度梯度補償，具有下面特點。

• 出廠校准設置寬溫度範圍
• 高(醫用)精度：在36°C至39°C的關鍵溫度範圍內絕對準確度達到了極高的解析度、寬溫度範圍內的出廠校準設置：傳感器溫度範圍-40…+125物體溫度範圍-70…+380
• 多區域溫度控制─兩線通信可支持多達100個傳感器

一個薄型微機械加工隔膜，量測物體紅外線放射加熱。熱量由車用級矽晶片熱電偶測得。內建低噪音放大器放大微小的熱電偶電壓，採用17-bit的ADC類比數位轉換器，經DSP數位信號處理並比對EEPROM儲存設定校準參數，計算出物體的溫度。在0.01°C溫度解析度，允許-40°C到125°C的超大工作溫度範圍，並有-70°C到380°C的擴展物體溫度範圍。

紫外線感測器

使用絕緣上覆矽( SOI )-CMOS，類比電壓輸出、無濾光器的UV傳感器 圖28。

OKI的UV傳感器IC由於採用了容易高整合度的SOI-CMOS技術，適合於數位及類比電路。

ML8511可與UV光量成正比輸出類比電壓。因此可以直接連接內建MCU的ADC，無需光電轉換電路。而且使用小型、薄型表面封裝方式，適合於便攜式設備用途。

計畫方法

設計一個通用型的檢測儀器介面，除了可以量測管線變形外；依據使用環境與條件另可以外接IR、UV、超音波感測器，可量測高位的CDA管線至地下的高壓電管線與電盤(例：UPS、INV、ACB)內的溫度與紫外線適用範圍。

管線變形感測器
軟片電阻，玻璃導波棒

軟片電阻是直的時，顆粒使墨水的電阻約為30k歐姆；彎曲時，導電顆粒進一步分開，增加此電阻(當傳感器彎曲到90°時，大約為50k-70k歐姆)，再次伸直時，電阻恢復到原始值。通過測量電阻，確定傳感器彎曲的程度。使用分壓器電路量測電壓來判斷彎曲度。這裡使用47k歐姆做分壓電阻，接地側的47kΩ電阻連接5V側的軟片電阻，兩者相連點接回A0。軟片電阻彎曲使電阻增加，A0上的電壓將降低。設定軟片電阻在伸直與彎曲90度的A0電壓值做比例，就能得出軟片電阻的彎曲程度 圖29。

首先需實驗驗證PVC管震動可以用玻璃導波棒傳導。將1英寸PVC管，實心玻璃棒採用熱熔膠貼於PVC管壁內。實心玻璃棒另一側裝上震動感測器SW-420。實驗方式以踩斷PVC管，量測SW-420輸出波型；SW-420內部是滾珠開關，因此無方向性感測，適用於此次量測環境。其結果如 表4所示。

因此程式設定ADC超過1.2msec就判定為震動；玻璃導波棒貼近PVC管線，其安裝方式如 圖30所示。

管線變形測試

彎曲警告值定義，在3inch的PVC管中，搭配100mm²電纜水平位移量在40mm內，彎曲度落於35度；若裝設最大的400mm²高壓電纜水平位移量在28mm內，彎曲度落於45度。如 圖31綠圈處所示。

因此程式設定彎曲超過15度會發出Urgent警報，超過30度發出Danger警報，以符合彎曲度35度限制。

系統透過LORA每分鐘傳送軟片電阻彎曲度到網站上，若發生超過彎曲上限會有Email與聲音警示 圖32。

可擴充紅/紫外線感測器

使用耳溫槍的紅外線感測器，對於UPS、INV內部電子零件細微溫度變化可靈敏量測，由於MLX90614紅外線感測器具有I2C通訊功能，因此只要用4芯訊號線連接電源與SDA/SCL接腳，就能連線感測器讀取數值。

由 圖33可知左方紅外線感測器量測到背景溫度為26.37度，右方於紅外線感測器上方放置冰飲量測到21.79度；並可與軟片電阻整合於同一塊電路與程式。

ML8511 UV感測器可量測280-390nmUV強度(mW/cm²)。與軟片電阻相同接往類比輸入接腳A1，UV感測器在無UV時輸出電壓從1V開始，最大UV量測值為15mW/cm²，輸出電壓約為2.8V。可使用驗鈔UV LED照射到UV感測器上來測試 圖34。

結果與分析

使用Arduino控制器加上LORA通訊，軟片電阻、導波管可以裝設在地下電纜管線有限的空間，並克服浸水、土砂、微生物惡劣的環境；提供精確量測管線彎曲程度與震動量測。根據實際3inch PVC管裝設100~400mm²25kV電纜，測得位移距離在40mm，彎曲角度在35度範圍內；因此設定彎曲超過15度會發出Urgent警報，超過30度發出Danger警報，以符合彎曲度35度限制。在PVC管斷裂實驗，得知SW-420滾珠震動開關，開路時間1.2~1.6ms，因此設定計時器>1.2ms發出警報。透過無線通訊可連接到廠內監控系統，避免配線導電與設置費用高的風險。並且可用鋰電池供電，可隨意放置量測地點，若在戶外還可加上太陽能板永久使用。

紅外線與紫外線感測器，可用四芯耳機訊號線連接提供低功耗高精度的量測，並且體積小，可以放置於UPS、INV、電盤內量測。其經濟性與準確度，可擴大量測範圍，提供大量量測數據，藉由數據分析得到預知檢測保養能力。

結論

隨著台積電製程的進步，促使運算成本大幅降低，使低功耗微處理器及遠距通訊晶片以親民價格在我們手中運用。13年前研究所課程為了製作無線血壓機，高價購買I2C通訊壓力感測晶片，並購置一台掌上任天堂遊戲機分解，因為內部電路有I2C通訊與螢幕驅動電路，使用邏輯分析儀量測I2C通訊，改寫內部程式才完成無線血壓計，花費許多金錢與時間。如今壓力感測晶片加上Arduino控制器費用不超過500元，與不到百行的程式碼就能完成無線血壓計，形成強烈的對比。

展望未來—改變廠務既有運轉生態，透過Arduino控制器搭配各種感測器可以量測廠務運轉設備不同的物理量，達成鋪天蓋地的量測能量。在冰機系統上若可以同時量測冰水迴路、冷卻水迴路、冷媒、潤滑、排氣迴路的物理量，就能找到系統的最弱點，並加以改善，可以避免單一系統失效造成整部冰機故障產生龐大維修費用、降低運轉容量。