基于磁场传感的膜检查方法与流程

本发明总体上涉及合成膜的质量保证领域。

背景技术

合成膜(如土工膜和土工合成材料)在全球范围内用于围堵应用。合成膜通常用于围堵例如由矿山开采、废物管理和石油化学而产生的污染物。合成膜也可以用于蓄水以及许多其他应用。

举几个例子来说，对于如采矿、废物管理和水产养殖等多种应用，膜完整性是环境保护的关键，在大面积安装膜期间，由于各种原因(包括热约束和使用切割工具)，可能会出现结构缺陷。验证膜完整性对于符合政府机构设定的允许泄漏率至关重要。

膜初始安装后，其表面易于接近，便于进行完整性验证，通过比如漏电位置勘测方法，可以有效地发现并修补针孔大小的孔。然而，在许多应用中，如当由膜围堵固体材料时，在膜上添加一层保护性土(例如，沙子或岩石)，这可能导致移动，并且使围堵系统中有薄弱点(例如，受环境约束)。此外，添加一层保护性土的行为涉及在膜上使用机械设备，这可能会在添加土之前或期间使膜有褶皱和其他缺陷。一旦膜被掩埋，就无法直观地检测这些缺陷。保留流体的膜也是如此。

一种已经用于这种难以接近的被掩埋或覆盖的膜的技术是将导电膜与高电压扫帚配对来检测针孔大小的孔。例如，迄今为止，在一些设施中，在膜顶部添加了1米厚的沙层(即，约0.5-2.0米厚，优选地约0.6-1米厚)，以保护膜免受危险物体和/或重型机械的影响。然而，用于添加例如沙子的土方工程作业本身可能由于机械使用不当而导致膜破裂或发生缺陷，需要在交付客户之前再次验证膜完整性(添加沙子后)。一种已经用于在膜被覆盖后验证膜完整性的方法是ASTM 7007，其利用偶极子技术，该技术基于将被覆盖的膜、膜背衬上的孔与连接在勘测区域外的电极之间的电气回路的闭合。该方法可以用于检测约1米土质材料下直径至少为1毫米的漏洞。然而，偶极子技术需要将仪器现场校准，并且取决于环境条件，如土湿度或未冻结土。测试现场必须电绝缘，土质覆盖材料必须存在适当的导电环境和组分。因此，土必须湿润，这使得该技术对环境变化敏感。此外，操作员必须接受培训，设备必须定期重新校准，并且高电压设备必须在数千平方米上逐米地移动。

上述偶极子检查技术用于缺陷检测，但由于设备人工移位非常缓慢、使用便利性低以及环境因素(比如雨、雪、冻土和湿/干土)，该技术的现场应用面临采用阻碍。这些因素对采用和部署防止污染物泄漏到环境中的膜造成了负担，尤其是在立法不断增加、允许泄漏率和精度不断降低的情况下。

技术实现要素：

通过一种基于磁场传感的新的检查方法来总体上降低现有技术的缺点。

在一个实施例中，详细描述了一种独立于环境约束并且基于磁性的无创性方法。将膜组分改变成包含金属磁性颗粒，金属磁性颗粒以可以由磁力计检测到的方式改变地球磁场线。磁力计是用于确定磁场的强度和取向的系统，并且可以基于各种物理实施方案。膜可以是单层或多层(比如国际公开号WO/2017/173548 A1中描述的膜)，其中金属磁性颗粒包含在多层膜的中一层或多层中。

膜可以完全磁化至饱合，或者经由添加至膜的颗粒的增强的磁化率而简单地极化。覆盖的膜材料的移位或缺失会产生来自膜背景信号的磁场异常。具有足够灵敏度的磁力计在膜区域上扫描以映射异常曲线图。所获得的偶极子特征直接导向缺陷位置或梯度测量装置中的轮廓。对于在约0.5米的距离或深度处的直径为厘米大小的孔，AlNiCo掺杂膜的异常可以达到几纳特斯拉(nT)，这是可由市场上的磁力计很容易检测到的强度。

矢量磁力计(比如David Roy-Guay在国际公开号WO/2017173548中公开的矢量磁力计)可以用于提供关于缺陷的形状、距离或体积的附加信息。各个场分量用于以无法通过仅获取磁场强度而获得的方式来区分相近的单独的缺陷。

在另一实施例中，本发明的方法可以用于检测位于暴露的膜上或具有回填层的被掩埋(或覆盖)的膜上的缺陷。

磁力计还可以被布置成提供传感器之间的相互关系的阵列，可以被用于降低噪声并增强定位准确度、空间分辨率和分类质量。张量梯度测量勘测还可以有利地加速测量速度以及广泛区域的覆盖。

在理解将要描述或将在所附权利要求中指示的示例性实施例后，本发明的其他以及进一步的方面和优点将是显而易见的，并且通过在实践中应用本发明，本领域技术人员将想到本文没有提及的各种优点。

附图说明

参考附图，从以下描述中，本发明的上述和其他方面、特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：

图1是安装在土工现场中的磁性功能化土工膜的示意图，该磁性功能化土工膜在填充材料下具有土工膜缺陷；

图2是不同膜磁化技术的图示；

图3是数字模拟磁场分量的图示；

图4是利用整合有一个或多个磁力计的替代性运输工具的膜检查方法的图示；以及

图5是根据本文的方法获得的确定缺陷的实验梯度测量数据的图示。

具体实施方式

下问描述了基于磁场传感的新型膜检查方法。尽管根据具体的说明性实施例描述了该方法，但是应当理解，本文描述的实施例仅作为示例，并且不旨在由此限制所公开的改进范围。

如本文所用的，“％(按重量计)”是指与所讨论的相或组合物的总重量百分比相比的重量％。

“约”、“近似”或“大概”是指％(按重量计)、时间、pH或温度的值可以取决于用于评估这些％(按重量计)、时间、pH或温度的方法或装置的误差界限而在一定范围内变化。通常接受的误差界限是10％。

就本申请而言，术语“膜”包括衬垫、片材、层或通常对应于膜的任何其他材料，尤其包括土工膜，如本领域技术人员所理解的。

本文公开了一种使用磁敏装置检查膜以检测膜中漏洞的方法，磁敏装置包括如磁通门磁力计和原子蒸气磁力计等磁力计。可以有利地用于该方法中以检测磁场的多个方面的其他装置包括用于检测磁阻、超导量子干涉、霍尔效应和/或晶体中的质子、磁光或自旋杂质的微机电系统(MEMS)和装置，这些微机电系统和装置可以作为标量磁力计或矢量磁力计。

根据所公开的方法的至少一个方面，在覆盖区域的屏障膜中检测漏洞，其中磁性颗粒遍及该膜分散。将至少一个装置经过该区域，以测量并映射铺设膜的区域中的磁场的方面。可以通过与测量位置相关联地(比如X-Y网格系统上的网格点)存储所测得的磁场的方面，来完成映射。位置可以基于例如具有所需精确度的GPS坐标，比如通过实时动态(RTK)(实时动态可以提供厘米范围内的精确度)，其中网格点之间的间距与磁力计阵列间距相关。可以有利地在地面中邻近该区域放置柱体，以用作同一地点处的恒定网格点，用于后续的检查、测量和修补。

该区域将具有由地球自然地产生的大致均匀的磁场，并且膜中的磁性颗粒将大致均匀地影响该磁场。然而，磁性颗粒在膜异常处(例如，在存在穿过膜的孔的缺陷处，或者不存在任何膜的缺陷处)将是不均匀的，因为磁性颗粒的存在将不同于在膜根据需要配置的区域处的基本上均匀的磁性颗粒。因此，由装置检测到的磁场将是异常的(即，不同于其他情况下膜中基本上均匀的磁场)。通过映射这些异常的位置，可以确定这些缺陷的位置等，并且这些位置可以用于将修补工作引导至需要修补的地点，即使膜被覆盖而不可见。

即，如本文所公开的，可以通过使合适的设备在区域上移动以测量磁场的多个方面(如强度和/或矢量分量)并记录该输出以提供将设备异常读数与膜缺陷相关联的地理映射图，来验证膜的完整性，而与土壤条件无关。(除非另有说明，否则本文所用的在具有膜的区域“上”包含在膜上方和下方。)该设备可以以任何合适的方式移动通过正在调查的区域，包括利用无人机、机器人、船或挖掘设备以扫描方式人工地以及自主地进行。输出可以有利地被收集并存储在合适的存储器上，包括磁力计上的存储器和/或有线(例如，USB或以太网)或无线(例如，无线电信号、WiFi、蓝牙或其他无线协议)连接至远程数据存储存储器(例如，利用微控制器或计算机)。

检测到的磁性特征可以用于确认膜的定位、深度或焊接图案，以及评估膜缺陷的深度和形状，以便指导修补操作。该方法还可以有利地用于不仅检测膜中的孔和/或焊缝，而且检测膜的褶皱、隆起、移位、老化、裂纹、管靴或可能影响磁场分布的任何特征。

如图1所示，通过包含并且极化金属磁性颗粒14而产生的磁性功能化膜10被埋在填充材料18(例如，沙子)下方。颗粒14可以仅通过地球磁场极化，或者最有利地可以在膜制造过程中并且在安装在区域中之前，通过使具有金属磁性颗粒14的膜10靠近包含强磁体的磁化器设备20而极化。如图2A至图2B所示，膜10可以平面内磁化、平面外磁化或者用适当的永磁体配置(或通过所提及的地球磁场)进行任意磁化。例如，图2A示出了膜10A被极化，其中磁力线垂直于膜平面；图2B示出了极化膜，其中磁力线平行于膜10B(即，与膜的平面对齐)。

更具体地，磁性功能化膜10可以有利地是一层或多层聚合物材料，其中聚合物材料选自以下合成聚合物，包括但不限于聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)和聚氯乙烯(PVC)，如本领域技术人员将理解的。此外，PE可以但不限于选自由线性低密度PE(LLDPE)、低密度PE(LDPE)、中密度PE(MDPE)和高密度PE(HDPE)组成的组。

磁性颗粒可以包含在膜10的至少一层，例如，通过在挤出之前与母料中的聚乙烯或其他树脂混合，并且/或者喷涂在膜10上，其中磁性颗粒分散在并且大体上均匀遍及该膜。颗粒可以是具有磁特性的任何合适的化合物及其混合物，有利地包括坡莫合金、AlNiCo、SmCo、Co、CoO、FeCoO、钕和/或磁铁矿(Fe³O⁴)，其中按重量计颗粒占包含颗粒的膜层的约1％至30％。磁性颗粒的量可以根据膜层的厚度以及颗粒对磁化的敏感性而变化，其中该量应不降低膜完整性，并且应提供能够由该方法中使用的装置检测到的足够强的磁信号。

在膜中具有磁性颗粒的情况下，通过将膜10放置在强力磁体20A、20B(图2A至图2B中)附近，膜10可以被有利地磁化，或者特别地，具有高磁化敏感性颗粒的膜可以在安装在土工现场中时通过地球磁场来极化。

膜10从平坦均匀的构型到存在任何结构偏差(例如包括如孔、裂缝和焊缝等偏差或缺陷)，改变了对地球磁场的磁场贡献。结构缺陷或结构偏差特有的磁场分量造成改变，也称为磁场异常。磁场异常在沙子、水和冻土下持续存在，并且不受如世界各地现场所经历的典型的温度变化的影响。

如磁力计22(例如，矢量或标量单个磁力计或磁力计阵列)等的灵敏度适当的装置在平面内或者在膜区域中的不同深度处进行扫描，以检测磁场的任何异常变化(例如，磁场矢量分量或磁场强度的变化)。所需的灵敏度将取决于如所包含的磁性颗粒的百分比以及包含在膜10中的颗粒的类型等因素而变化。例如，测量磁场强度的标量磁力计可以用于信号强(例如10nT)的情况，其中梯度测量模式的标量磁力计阵列可以提高信噪比。矢量磁力计还可以用于提供可以明确地确定缺陷的数据丰富度，并且多个矢量磁力计可以添加另一层面来通过张量梯度测量进行缺陷分类和定位。

图3展示了对于膜平面外磁化，在1m距离处，由具有大约1-30％(按重量计)的FeCoO的1mm厚的掺杂膜中的直径大约1cm的孔(例如，图1中的24)产生的模拟磁场分量的预期曲线图。可以看出，标量或单个磁力计提供了孔的中心位置，而多个磁力计可以用于不仅有效地再现缺陷的位置，而且再现缺陷的特征。由磁力计装置或矢量磁力计提供的磁场矢量分量(Bx,Bz)还可以用于提供附加分类信息，其中矢量分量用于通过利用多个磁力计的张量梯度测量和利用磁场的矢量性质的AI/ML算法来增强缺陷形状识别。例如，磁场强度或偶极近似偏差可以提供出现异常的缺陷区域。对于大于膜深度的区域的缺陷，可以重现形状。

包括载有磁力计22的运输工具26的适当扫描系统可以用于勘测大的现场。例如，图4中展示了整合有一个或多个磁力计的无人机26A和推车26B(可以是机器人控制的或手动推动的)。这种整合有一个磁力计或磁力计22的阵列30A、30B以覆盖扩展区域的自主导向运输工具或者手动运输工具可以用于通过扫描膜表面来进行有效的完整性验证。通常，由于磁场快速衰减(例如，磁场以距离的立方(1/距离³)减小，使得磁场的强度在1米的距离处是10米处的1000倍)，所以地面扫描系统是优选的。然而，在一些设置中，膜组分可以允许更大的传感器-膜距离，使得可以在较小的地下自主运输工具(如潜艇)中从地面、在空中或在水下完成映射。运输工具26可以有利地具有高振动稳定性和减小的或最小化的磁特征并且/或者具有杆，杆支撑与运输工具26间隔开的磁力计22以将由运输工具26引起的干扰降到最低。运输工具26还可以包括附加部件，如GPS系统和用于GPS数据和磁场的相关测量方面的存储器。

图5是在具有大约10％(按重量计)的AlNiCo颗粒的磁性功能化膜上的样线勘测，其中可以看出矢量磁力计确定出在湿沙下5cm的20cm x 20cm的孔。应当理解，膜上方的湿沙不影响测得的磁特征，从而确认完整性评估可以在没有直观接触或特定土壤组分的情况下完成。测得的信号强度与对于具有7密耳磁性表层的30密耳膜芯部中的20cm直径的孔进行的模拟一致。

应当理解，本文公开的方法可以用于验证磁化膜的完整性，而无需考虑所使用的磁化方法。还应当理解，膜的完整性验证可以利用各种不同类型的磁力计、磁力计装置和/或运输工具，包括但不限于本文描述和/或展示的那些。在一些情况下，也可以使用手持设备、飞机、直升机或手动运输工具，以及使用低灵敏度磁力计。还应当理解，本方法可以用于在放置在土工现场之前的制造过程中验证如土工膜等聚合物片材的完整性。

尽管上文已经详细描述了本发明的说明性和当前优选的实施例，但是应当理解，本发明的概念可以以其他方式不同地实施和采用，并且所附权利要求旨在被解释为包括除了现有技术限制之外的这些变化。