JP2002040154A

JP2002040154A - 導体の位置探査に用いられる方法と装置

Info

Publication number: JP2002040154A
Application number: JP2001170715A
Authority: JP
Inventors: Mark I Howell; イアンハウエルマーク
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2001-06-06
Publication date: 2002-02-06
Also published as: GB2367897B; GB0013620D0; US20020075150A1; GB0113817D0; US6556136B2; EP1202076A1; GB2367897A

Abstract

(57)【要約】【課題】特に、埋設された細長の導体の位置を探査す
るために使用される装置及び方法を実現する。【解決手段】一方が他方の上に配置された２つの同等
な列（Ａ〜Ｅ及びＦ〜Ｊ）に並べられた、１０個の垂直
なコイル（Ａ〜Ｊ）のアンテナアセンブリを用いて、埋
められた細長の導体（例えば、パイプやケーブル）の位
置が探査される。埋められた導体の交流電流により上記
コイルに誘起される電流は、信号処理回路（１２）に供
給される。この装置は、ある導体が上記アンテナの垂直
方向の下にある場合その値を確実に表示することがで
き、かつその深さを表示できるパラメータを計算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は細長の導体（elonga
te conductor）の位置探査（location）に用いられる方
法と装置に関し、特に例えばパイプ、ケーブルまたはそ
の他の公共設備のような、埋められた導体の位置探査に
用いられる方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術と発明が解決しようとする課題】現在市販
されている計器は、一つまたはそれ以上の「サーチ」コ
イルに誘起される電流を測定することにより、交流電流
が流れている埋められた細長の導体に起因する交流磁場
を測定することが出来る。計器を特定の配置にすること
によって、極大またはゼロの磁界及び誘起電流が、導体
が直下にあることを指示する。しかしながら、現在市販
されている計器は、いくつかの異種の導体から合成され
た結果の磁界（field）内では、個々の導体を区別する
ことが出来ない。その捜索物に近接して他の導体が存在
する場所では、それらの電流は結果を誤らせかねない合
成磁界（combined field）を生じさせて導体の位置に関
して誤った推論へ導くことになる。実際に極めてしばし
ば、地下設備や一般の現場の安全性が、そのような不正
確な検出により脅かされている。

【０００３】

【課題を解決するための手段】本発明は、その軸が垂直
であるコイルが、離れた（典型的には埋められた）長い
導体の直ぐ上に存在する場合に、その導体を流れる交流
電流から受ける誘起電流はゼロであるという事実を用い
るものである。これは、導体中の電流の大きさやそれと
コイルとの間の距離に無関係である。電気式秤装置（ba
lance device）の方法に用いるように提案されているの
は、この現象である。導体の両側ではコイルに誘起され
る電流は、左側に対してマイナスであれば右側に対して
はプラス、またはその逆というように、位相が逆ではあ
るが、等しく増加する。

【０００４】垂直軸のコイルにより受け取られる誘起電
流は、２つの因子の積である。まず第１に、それはコイ
ルと導体の間の距離（コイルの中心から測定した）の逆
数に従って変化する。第２に、それは、コイルの軸を
（コイルの中心で）導体の上方の垂直方向の最近接点と
結ぶ水平線と、コイルの軸を（コイルの中心で）導体の
軸へ結ぶ線であってその導体の軸と垂直な線との間の角
度のコサイン（cosine）で変化する。従って、第２の因
子および上記の２つの因子の積は、コイルが導体の上方
にあるところではゼロとなる。

【０００５】本発明の第１の態様に従えば、支持構造
と、水平な列になるようにそれに取付けられた５個の実
質的に同等なコイルのアレイとで構成されたアンテナか
らなり、上記の各々のコイルが直線軸（linear axis）
を有し、それらの軸が垂直でかつ同一平面上にあり、等
しい直線距離間隔を有するように配置されている、水平
に伸びた細長の導体の位置探査に用いられる装置が提供
される。

【０００６】上記のアレイの５個のコイルは一般に１つ
の信号処理ユニットに接続され、それらのコイルに誘起
される信号電流がそのユニットに同時に入力されて、そ
れにより処理されるようにされる。

【０００７】本発明のいくつかの実施例を添付の図面に
関連する例として詳細に以下に説明する。

【０００８】

【発明の実施の形態】図１は本発明を具体化した装置を
示す。

【０００９】本発明の装置は、垂直で同一面内にある軸
を有して支持構造体１０に取付けられた、１０個の同じ
コイルＡ〜Ｊからなるアンテナアレイを有する。コイル
は、同一の間隔（ｈ）（この例では１０ｃｍ）で一列に
配置された５個のコイルＡ〜Ｅの第１の水平アレイと、
この第１のアレイの上に間隔Ｖ（この例では２５ｃｍ）
で垂直に隔てられた５個のコイルＦ〜Ｊの第２の水平の
アレイ内にあり、第２の上側のアレイの各々のコイルは
第１の下側のアレイの各コイルの直上にある。各々のコ
イルは、ディスプレイ１４と制御ボタン１６を有する信
号処理ユニット１２に接続されている。この装置は、例
えば持ち運びハンドル１８により地面を横切らせること
ができるようになっている。図１は、地表面２０とその
下に埋められた５個の延伸された導体２２，２４，２
６，２８，３０を示している。

【００１０】１つの導体２６は、中央のコイルＣ、Ｈの
直下にある。

【００１１】２つの導体２２、２４は左に外れており、
２つの導体２８、３０は右に外れている。

【００１２】図１の導体２６のようにアンテナアレイの
中心の直下に位置する導体を、以下では「Ｃｖ」と称す
る。その中心の垂直な下にはないが、Ｃｖ位置での合計
磁界（total field）に影響を与える程度に十分に近接
している他の導体はいずれも、以下では「Ｃｏ」と称す
る。

【００１３】第１のアレイのコイルへの、導体の影響を
考察する。中央のコイルＣの左に隔たったコイルＢに
は、合算されたＣｏ源（combined Co source）による信
号成分と、それプラスまたはマイナスの、Ｃｖが上記の
特定の位置に１個あるとすればそのＣｖによる成分の信
号とがあり、また、Ｃから右側に等しく隔たったコイル
Ｄでは、コイルＢではＣｖによる成分が全体の磁界（ge
neral field）から差し引かれたとすると、この場合は
それに足し合わされることを別にすれば、同様である。

【００１４】このように、アレイの中心が１つの導体の
上にあるコイルＣの左右の信号の大きさには不等性（in
equality）がある。１つ以上の導体が近傍に存在する場
合、それらの磁界は左右からＣｖの磁界に合計され、Ｃ
ｖ位置ではそれらは中央のコイルが検出する唯一の磁界
となる。アレイ位置自身ではコイルＣの左の導体による
これらの磁界はその右に位置するそれらとは反対になる
結果、アンテナの位置では、特に導体群の中心に向かっ
て一般的に全体レベルが低いレベルの磁界強度になる。
しかしながらＣｖの存在で、アレイの左から右への強度
にはかなりの差異が現れる。

【００１５】ＢおよびＤから等しい距離で、Ｃからも等
しい距離にある、アレイに付加された第４および第５の
コイル（コイルＡおよびＥ）が、Ｃｖの存在に起因して
生ずる、アレイ全体にわたっての磁界の強度の不等性の
定量化、即ちそれがコイルＤおよびＥで全体の磁界に付
加された場合、コイルＢおよびＡでその全体の磁界から
差し引くこと、を可能にする特別な機能を果たす。

【００１６】コサイン（cosine）の小さい値（導体の最
近接点とコイルとを結ぶ線と水平線との間の角度が大き
い）では、Ｃｖの磁界強度の距離の逆比例成分（recipr
ocal-distance component）は中央コイルからのコイル
の距離が変わっても殆ど変化しないが、Ｃｖ位置での中
央と外側のコイルの間の距離が２倍になるとこのコサイ
ン成分はほぼ正確に２倍になるので、アレイがＣｖの真
上を通過するときにアレイの内側のコイルと外側のコイ
ルで受取られる信号の大きさの関係が「ゼロクロス」応
答（“zero-crossing”response）を与える信号を得る
実際的な方法を提供する。これが、パラメータＰが、Ｐ
＝［（２Ｃ−Ａ−Ｅ）／４（２Ｃ−Ｂ−Ｄ）］−１＝０
（ここでＣ、Ａ等はコイルＣ、Ａ等に誘起される信号電
流を表す）：（式１）、すなわち、（２Ｃ−Ａ−Ｅ）−４（２Ｃ−Ｂ−Ｄ）＝０であればコイルの信号が、アレイがＣｖの真上である状
態に非常に近接しているに違いないような信号になる理
由である。磁界のＣｖ成分は、式１において、左から右
へアレイを横切るときそのフェーズ（phase）が変るた
めにきわだったものになるが、より離れた発生源に起因
するもので、Ｃｖに由来しない残りの磁界のその部分は
全て同相であり、アンテナの中央位置を横切るときの突
然の変化を生じさせないことに注目すべきである。図３
は、図の下側に示された８個の導体が埋められた道路を
アンテナが横切ったときの、Ｐ（式１）の変化を示して
いる。これら全てのグラフにおいて、右側に示した目盛
りは導体の深さに関するものである。左側に示した目盛
りは、任意の相対単位（arbitrary unit）である。１
（unity）は、コイルのうちの１つが単位電流（unit cu
rrent）が流れている長い導体に対して垂直に、かつ水
平には１ｍ上方に置かれた場合にそのコイルに誘起され
るであろう電流を表している。図５は、議論しているア
ンテナ中央が２．８ｍ横断した時の式１のＡからＥの成
分の値を示す。「位置」はＰ（式１）の値で、「ピー
ク」はＱ（式２；後述）の値である。

【００１７】いくつかの疑似ゼロクロスが、与えられた
例では０．５６ｍ、１．１６ｍ、２．３ｍ、３．２２
ｍ、４．８１ｍおよび５．４６ｍの横断位置で発生して
いる。これは、アンテナ内の瞬間的な「バランス」点が
導体群の間において発生することによる。これらは、以
下において議論される方法で取り除くことが出来る。他
のゼロクロスは導体の位置を高精度で同定しており、同
様に以下で詳細に議論される。例外は導体番号５および
６（図３の左から数えた番号）であり、それらは深さ
１．１ｍおよび１．２ｍに僅かに０．４ｍだけ離れて存
在し、それら自身の間のほぼ中間でゼロクロスを生じさ
せており、それによりこの導体対の各々について＋／−
０．２ｍの位置精度を達成している。導体番号６の電流
の大きさを半分だけ減少させることは、その導体対につ
いて表示されている位置が導体５の方向に僅か４９ｍｍ
シフトさせるだけであり、またその導体対の表示深さが
単に１．１６ｍから０．９９ｍに変化するだけという結
果になる、ということをここに記載しておく。これは、
信号電流の大きさと導体の深さの変化に応答することに
関しての、本技術の少なからぬ安定性を強調している。
図３の調査では、どの導体も位置の探査結果により「位
置」表示に基づく通常の巾の溝での発見から漏れること
はなかった。（「ピーク」プロフィール）上述の位置のゼロクロス表
示の式は、その間の信号のピークキング（signal peaki
ng between）で導体の位置の両側でゼロクロスを生じさ
せるように変形することができ、次のようになる（図４
参照）：［（Ａ−Ｅ）＋２（Ｄ−Ｂ）］＝Ｑ（式２）これはまた、Ｑ＝Ａ−Ｅ−２（Ｂ−Ｄ）と書くことがで
きる。

【００１８】この式は、二つの重要な用途を有してい
る。すなわち、第１に、疑似位置表示が生ずるところで
は、この信号の極性は通常負であって、正しい応答に対
しては正である。従って、誤った位置のゼロクロス表示
は無視されるようにすることができる。（コイルＡから
Ｅの誘起電流の真実の符号は、必要であればコイルＣの
位相を、水平軸を有し導体軸に垂直な面内にあり、コイ
ルＣの軸が上、下または同軸方向でそれと交差するよう
に隔てられたコイルと比較することにより、決定するこ
とが出来る。）（導体の深さ）第２に、「位置」応答で表された導体の
深さは、第１の５個のコイルのセットの上方の短かい距
離に配置された、第２の５個のコイルのセットＦ、Ｇ、
Ｈ、Ｉ、Ｊを用いることにより、通常精度良く概算する
ことができる。

【００１９】もしＱ＝Ａ−Ｅ＋２（Ｄ−Ｂ）で、かつ
Ｑ’＝Ｆ−Ｊ＋２（Ｉ−Ｇ）であれば、このとき、２
Ｑ’／（Ｑ−Ｑ’）＝任意位置での深さとなる。

【００２０】アンテナコイルの第２のセットを用いる代
案として、手動または機器の内部の簡単なトラック（tr
ack）４０（図２参照）上の電気的手段によりコイルＡ
からＥを持ち上げるように配置するか、またはゼロクロ
ス点の「位置」の上で手動で機器の高さを高くして第１
および第２の読みを測定し、２つの測定値を深さの計算
のために記憶しておいてもよい。（実配線の逆位相のアレイ）以上に説明した５個のコイ
ルＡからＥの代案は、各々の組が逆の位相に配線され、
図６の平面図に示されたように配置された４組のコイル
に置きかえることに見いだしてもよい。４つの信号が既
に議論された上記の式の（Ａ−Ｂ）、（Ｂ−Ｃ）および
（Ｃ−Ｄ）および（Ｄ−Ｅ）に匹敵する。一つの利点
は、入力電圧の変動が緩和され、必要な計算の数が減ら
されることであり、また受信機とプロセッサへの入力が
５から４に低減される。さらなる４つの入力セットが、
深さのデータを提供することが出来よう。（反復計算によるノイズ低減）信号の１つのサイクル
で、ここに述べた計算を実行するために必要な電圧測定
には理論上十分であるが、信号と回路におけるノイズを
低減するために、それらを多くのサイクルにわたって、
例えば数千サイクルも繰り返して再実行する場合があ
る。（無線や信号発生源を可能にする逆相コイル対）この技
術は全ての動作モードで有用な逆相のコイル対（oppose
d-phase coil pair）を必要とするので、埋められた公
共設備を探査するために、周囲にある無線エネルギーま
たは専用の信号発生源のどちらかを使用することが可能
である。（埋められた公共設備の探査に適した周波数帯域）異な
る種類の公共設備に対して作業する場合に、計器（inst
rument）が最大の能力を発揮することが出来るようにす
るために、現存の装置が切換可能な周波数帯域を用いる
ことができるようにしてもよい。この新しい技術はま
た、例えば５０Ｈｚより下から２ＭＨｚを越えるまでの
探査周波数を使用するのが有利になりうるかも知れな
い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の使用状態を示す概略図であ
る。

【図２】第２の実施例を示す小規模の同様の図である。

【図３】下部に示す埋められた導体のパターンを有する
街路を本装置が横切った時の、表示パラメータＰの変動
を示すグラフを示す図である。

【図４】第２の表示パラメータＱの変動を示す同様のグ
ラフを示す図である。

【図５】個々のコイルの信号の強さとその他の重要な変
数の値を示す図である。

【図６】代替のコイルアレイを平面図で示す図である。

【符号の説明】

１０…支持構造１２…信号処理ユニット１４…ディスプレイ１６…制御ボタン１８…ハンドル２２、２４、２６、２８、３０…導体Ａ〜Ｊ…コイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持構造（１０）と、該支持構造に水平
な列にして取付けられた５個の実質的に同じコイル
（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）のアレイとを具備するアンテナ
であって、各々の前記コイルが直線の軸を有し、該コイ
ルの軸が垂直でかつ同一平面上に等しい直線距離間隔で
配置されているアンテナを含む、水平に延びた細長の導
体の位置探査に用いられる装置。
【請求項２】前記アレイの前記５個のコイル（Ａ〜
Ｅ）は、該コイルに誘起される信号電流が信号処理ユニ
ット（１２）に同時に、該ユニットによる処理のために
入力されることが出来るように前記信号処理ユニットに
接続されている請求項１に記載の装置。
【請求項３】交流電流が流れている前記細長の導体の
直上を前記アンテナが通過するときに値がゼロである第
１の表示パラメータを決定するために、前記信号処理ユ
ニット（１２）が前記の５つの入力信号電流の瞬時値の
計算を実行できるように適合されている請求項２に記載
の装置。
【請求項４】前記コイルＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥの前
記信号電流がＡ、Ｂ、Ｃ、ＤおよびＥと表記されると
き、前記信号処理ユニット（１２）が［（２Ｃ−Ａ−
Ｅ）／４（２Ｃ−Ｂ−Ｄ）］−１＝Ｐ、あるいは、（２Ｃ−Ａ−Ｅ）−４（２Ｃ−Ｂ−Ｄ）＝Ｐの値を計算する請求項３に記載の装置。
【請求項５】前記アンテナが、交流電流が流れている
前記細長の導体の直上にあるときに値が最大であり、か
つ、前記アンテナが前記導体のどちらかの側に移動する
ときにゼロを通過する、第２の表示パラメータＱを決定
するために、前記信号処理ユニット（１２）が前記入力
信号電流の瞬時値の計算を実行できるようにも適合され
ている請求項３または４に記載の装置。
【請求項６】前記第２の表示パラメータＱは、式Ｑ＝Ａ−Ｅ＋２（Ｄ−Ｂ）から計算される請求項５に記載の装置。
【請求項７】前記５個のコイル（Ａ〜Ｅ）のアレイ
が、第１の位置から該第１の位置より所定の距離だけ垂
直方向に上にある第２の位置に移動させることができる
ように、前記支持構造（１０）が適合されている請求項
１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】前記アレイの前記５個のコイル（Ａ〜
Ｅ）は、該コイルに誘起される信号電流が前記信号処理
ユニット（１２）に同時に、該信号処理ユニットによる
処理のために入力されることが出来るように前記信号処
理ユニットに接続されており、かつ該信号処理ユニット
が、前記第１と第２の位置で受取った信号電流を比較し
て導体の深さを表示する値を決定するように適合されて
いる請求項７に記載の装置。
【請求項９】前記アレイ（Ａ〜Ｅ）が前記第１および
第２の位置にある時に、前記第２の表示パラメータＱの
それぞれの値Ｑ_１およびＱ_２を計算して、式Ｄ＝２Ｑ₂／（Ｑ₁−Ｑ₂）から深さのパラメータＤを計算するように、前記信号処
理ユニット（１２）が適合されている請求項６に従属す
る請求項８に記載の装置。
【請求項１０】前記第１のアレイ（Ａ〜Ｅ）と同等で
該第１のアレイの上に垂直に隔てられた第２の５個のコ
イル（Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）のアレイを含む請求項１〜
９のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１１】前記信号処理ユニット（１２）は、前
記第２のアレイ（Ｆ〜Ｊ）のコイルに誘起される信号電
流Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊを受取り、式Ｑ’＝Ｆ−Ｊ＋２（Ｉ−Ｇ）から第３の表示パラメータＱ’を計算し、かつ式Ｄ＝２Ｑ’／（Ｑ−Ｑ’）から深さのパラメータＤを計算するように適合されてい
る請求項６に従属する請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】前記５個のコイルのアレイまたは該ア
レイの各々が４組の縦のコイル（Ａ、Ｂ１；Ｂ２，Ｃ
１；Ｃ２、Ｄ１；Ｄ２，Ｅ）によって置き換えられ、該
各組のコイルが該組の２個のコイルに誘起される電流の
差を表す出力信号を提供するように逆相に接続され、該
各組のコイルが水平に隔てられた状態で該組が水平の列
に配置され、かつ、各組（Ａ、Ｂ１）が該隣りの組（Ｂ
２、Ｃ１）の１つのコイル（Ｂ２）に隣接するコイル
（Ｂ１）を有する、請求項１〜１１のいずれか１項に記
載の装置。
【請求項１３】支持構造（１０）と、該支持構造に水
平な列にして取付けられた５個の実質的に同等なコイル
（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ）のアレイとを具備するアンテナ
であって、各々の前記コイルが直線の軸を有し、該コイ
ルの軸が垂直でかつ同一平面上にあり、かつ等しい直線
距離間隔であるように前記コイルが配置されているアン
テナを備えることと、該アンテナを導体上を横断させる
ことと、該アンテナのコイルに誘起された信号を検出す
ることと、前記導体の位置を表すデータを提供するため
に該信号を処理することと、を含む、水平に延びた細長
の導体の位置探査のための方法。
【請求項１４】請求項１〜１２のいずれか１項に記載
の装置を用いた請求項１３に記載の方法。