Utviklingen av en Lavkost Autonom Rørlekkasje Sonar-enhet

Abstract

40% av de 81 deltagende kommunene taper mer en 40% av deres drikkevann til distribusjonsnettet deres, i følge rapporten Norsk Vann (2017). Kun 50% av de studerte distribusjonsnettene hadde en tilfredsstillende standard. Lekkasjer kan føre til trykkfall, som kan forårsake at distribusjonsnettet blir forurenset. Forurenset drikkevann kan være farlig og medføre sykdom og, til og med, død. Dette er ikke bærekraftig med helsemessige, miljømessige eller økonomiske hensyn. Hensikten med denne masteroppgaven er å utvikle et nytt lavkost-konsept for å lokalisere vannlekkasjer i rør, ved å bruke Wayfaring Method i et rammeverk av Engineering Design. Utforskende prototypebygging med raske design iterasjoner har blitt brukt for å undersøke ideer med design-build-test sykluser. På denne måten har kunnskapshull blitt tettet og oppdukkende behov for løsningen blitt definert. Fra et før-prosjekt hvor flere lavkost måter å måle avstander under vann ble utforsket, ble det uttenkt et konsept som kunne brukes til å lokalisere rørlekkasjer. Konseptet lar en passiv sonar flyte med vannstrømmen i et rør, og måler avstanden tilbakelagt med en pinger posisjonert på et kjent punkt. I dette konseptet har to nøkkelvariabler blitt identifisert, som tilsammen bestemmer lokasjonen til en lekkasje. Disse variablene er avstanden mellom pingeren og sonaren, og lydtrykket rundt sonaren. Tre delsystem av prototypen ble designet, bygget og testet parallelt til å møte sine individuelle krav satt fra starten, samt krav oppdaget under prosessen. Da de individuelle kravene ble møtt, ble delsystemene satt sammen og testet i mer relevante testmiljø. Den siste prototypen ble testet til å være i stand til å måle de to nøkkelvariablene på et tilstrekkelig vis. Selv om avstandsmålingen var nøyaktig i et vannbassengmiljø med en mer en tilstrekkelig ekstrapolert rekkevidde, var den ikke i stand til å gjøre tilsvarende målinger da plassert i det faktiske rørnettet. Dette avslørte ikke bare utilstrekkelig kunnskap om problemrommet men også utilstrekkelig kunnskap om hvordan prototypen samhandler med den tiltenkte miljøet. Derfor blir det foreslått at produktutviklere bør fra tidlig fase aktivt alternere mellom å teste prototypen i dens tiltenkte miljø og konstruert testmiljø, i fremtidig arbeid. I forbindelse med prosjektet ble det sent inn en vitenskapelig artikkel til NordDesign 2020 konferansen, som omhandlet dette. Basert på resultatene blir konseptet vurdert som gjennomførbart, men med viktige ubesvarte spørsmål. Videre blir det foreslått et sett med spesifikke endringer på prototypen som kan øke rekkevidden, samt andre forbedringer som kan legge til kapasiteter og øke konseptets bruksområde. Utfallet av dette prosjektet er en fungerende prototype av en ny lavkost løsning med lovende resultater, og et behov for videre utvikling.

40 % of the 81 participating Norwegian municipalities lose more than 40 % of their freshwater to their water distribution network, according to Norsk Vann (2017). Only 50% of the studied network had a sufficient standard. Leakages may cause drops in pressure, which may release contaminants into the distribution network. Contaminated water can be dangerous and may cause sickness and even death. This is not sustainable in terms of health, environment or economy. This master thesis aims to develop a new low-cost concept to locate water pipe leakages through the use of the Wayfaring Method within a framework of engineering design. Exploratory prototyping with rapid design iterations has been used to probe ideas with design-build-test cycles. In this way, knowledge gaps have been bridged, and emerging requirements for the solution have been defined. From a pre-project where several ways of measuring distances underwater in low-cost manners were explored, a concept that could be applied in locating leakages emerged. The concept lets a passive sonar flow with the water stream in a pipe, and measures the distance traveled with a pinger positioned at a known point. With this concept, two key variables have been identified, which together determine the location of a leakage. These are the distance between the pinger and the sonar, and the sound pressure level (SPL) ambient to the sonar. Three subsystems of the prototype were designed, built, and tested concurrently to meet individual requirements set from the start, as well as emerging requirements. When the individual requirements were met, the subsystems were integrated into more relevant test environments. The final prototype was tested to measure the two key variables successfully. Although the distance measurement was accurate and had a sufficient extrapolated range in an underwater environment, the results were not equal when tested in an actual pipe system. This unveiled not only insufficient knowledge of the problem space but also insufficient knowledge of how the integrated prototype interacts with its intended environment. Therefore, it is suggested that the product developer should early-on actively alternate testing the prototype integrated into the actual intended environment and prototyped test environments in future work. During the project a paper concerning this experience was submitted to the NordDesign 2020 conference. Based on the results of the project, the concept is considered feasible, with important unanswered questions. Furthermore, it is suggested a set of specific alterations on the prototype that may increase range, as well as other improvements that may add capabilities and increase the concept’s application field. The outcome of this project is a prototype of a new low-cost solution with promising results, and a need for further development.