JP2015102486A - 欠陥位置の特定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低周波振動に共振点を合わせた振動センサーを使用し、しかも、センサー間隔を長くとっても位置特定の精度が高い欠陥位置の特定方法を提供する。
【解決手段】 配管網1の少なくとも２カ所に振動センサー2,3を設置し、配管の欠陥によって発生する振動をこれらの振動センサー2,3により検知する。各振動センサー2,3に入力された波形の相関から振動の伝達時間差を求め、伝達時間差と振動の伝搬速度から欠陥位置を特定する。伝達時間差を求めるに際し、各センサー2,3で得られた波形から各周波数の位相情報を抽出し、この位相情報の相互相関関数から求める。
【選択図】 図１

Description

この発明は、欠陥位置の特定方法に関し、特に、水道管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管網において、流体漏洩位置を欠陥位置として検出するのに適した欠陥位置の特定方法に関する。

従来より、配管の漏れの位置を決定する方法として、センサーにより振動を検知し、検知された信号から相互相関関数を生成し、音響の伝搬速度を用いて欠陥位置を特定する方法が存在する。例えば特許文献１においては、蒸気管に対してセンサー（加速度計）を設置し、各センサーで得られた波形の相互相関を求めることにより伝達時間差を求め、欠陥位置を特定する方法が開示されている。

通常、相互相関関数は、図６に示されたフローによって算出される。すなわち、配管網の２カ所に設置された振動センサー（センサーＡおよびセンサーＢ）のそれぞれから得られた波形をフーリエ変換して、それぞれのフーリエスペクトルＡおよびＢを求め、これら２つのフーリエスペクトルのクロススペクトルを求め、これをフーリエ逆変換して相互相関関数を求め、Ｎ乗してグラフ化する。

特開平８−２２６８６５号公報

上水道やガス管などの老朽化が進み、欠陥からの流体漏洩が問題となっている。そこで、特許文献１に記載の方法を適用して、欠陥位置を特定することが考えられる。

ここで、管を伝わる振動は距離を負うごとに減衰するため、各センサーに伝わる振動エネルギーの大きさは同一とならない。各センサーに到達する波形は、管種、口径、埋設状況などの影響を受け、特定の周波数成分比に偏る。一般的に低周波成分の方が遠距離まで到達する。

上記特許文献１の位置特定方法で使用されている相関法は、各センサーに伝わる波形（振幅情報と位相情報の両方を含む）の相互相関をとるものである。この手法では特定の周波数成分比に偏った波形を採用することになる。すなわち、特定周波数の振幅情報を多く採用して相互相関関数を算出するため、振幅の小さな周波数帯が相互相関関数に与える影響が相対的に小さくなる。

センサー間隔を広くとり、上記相関法を行うと、振幅情報が大きい低周波成分が多く採用されることになる。しかしながら、低周波の波形から算出した相互相関関数から、伝達時間差を求めると、個々の波形の周期が長いために精度が悪い。つまり、従来の相関法を用いた位置特定方法ではセンサー間隔を短くする必要がある。

一方、位置特定をする前段階において、漏洩を検知する場合には、低周波を効率よく検知できるセンサーの方が異常な振動を検知しやすい。特に、低周波振動に共振点を合わせた振動センサーを用いると検知がしやすい。

本発明では、低周波振動に共振点を合わせた振動センサーを使用し、しかも、センサー間隔を長くとっても位置特定の精度が高い欠陥位置の特定方法を提供する。

この発明による欠陥位置の特定方法は、配管網の少なくとも２カ所に振動センサーを設置し、配管の欠陥によって発生する振動を前記振動センサーにより検知し、各振動センサーに入力された波形の相関から振動の伝達時間差を求め、伝達時間差と振動の伝搬速度から欠陥位置を特定する欠陥位置の特定方法であって、各振動センサーで得られた波形から各周波数の位相情報を抽出し、位相情報の相互相関関数から伝達時間差を求めることを特徴とするものである。

配管網の２カ所に振動センサーを設置し、配管の欠陥によって発生する振動をこれら２つの振動センサーにより検知した場合、欠陥に近い方の振動センサーから欠陥位置までの距離Ｌは、漏洩音の伝搬速度をＶ、２つの振動センサー間の距離をＤ、２つの振動センサーに到着する波形の伝達時間差をＴｄとして、Ｌ＝（Ｄ−Ｖ・Ｔｄ）／２で求めることができる。ここで、ＶおよびＤは、既知であるので、２つの振動センサーで得られる波形からＴｄを演算すれば、欠陥位置までの距離Ｌを求めることができる。

本発明におけるＴｄは、以下のようにして求められる。

配管網の２カ所に設置された振動センサーのそれぞれから得られた波形をフーリエ変換して、それぞれのフーリエスペクトルを求め、この後、各フーリエスペクトルを振幅で正規化して、正規化フーリエスペクトルとし、これら２つのフーリエスペクトルのクロススペクトルを求めて、これをフーリエ逆変換して相互相関関数を求める。相互相関関数を示すグラフにおいて、ピーク値に対応する時間がＴｄとなる。

こうして求められたＴｄは、正規化により振幅情報が排除されていることで、各周波数における振幅情報の偏りに影響されないものとなり、精度のよいものであり、このＴｄを使用することで、欠陥位置までの距離Ｌを精度よく求めることができる。

振動センサーは欠陥振動の周波数帯域において少なくとも１つの共振点を有する共振型振動センサーであることが好ましい。共振型振動センサーの共振周波数は０．１〜５００Hzであることがより好ましい。

このような共振型振動センサーとしては、例えば、台座と、台座に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子に負荷された錘とを備えており、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されているとともに、圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の台座に支持されていない部分に負荷されているものとされる。

このような高分子圧電材料製の共振型振動センサーでは、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数を０．１〜５００Ｈｚ程度に低くすることができ、共振周波数が低くなることで、合成樹脂管などの流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な漏洩検知ができる。

この発明の欠陥位置の特定方法によると、各センサーで得られた波形から各周波数の位相情報を抽出し、位相情報の相互相関関数から伝達時間差を求めることにより、各周波数における振幅情報の偏りに影響されない伝達時間差が得られ、この伝達時間差を使用することで、欠陥位置までの距離を精度よく求めることができる。

図１は、この発明による欠陥位置の特定方法を実施する構成を模式的に示す図である。 図２は、この発明の欠陥位置の特定方法のフローを示す図である。 図３は、この発明の欠陥位置の特定方法で得られる結果の一例を示す図である。 図４は、振動センサーの１例を示す図である。 図５は、従来の欠陥位置の特定方法で得られる結果の一例を示す図である。 図６は、従来の欠陥位置の特定方法（相互相関関数の求め方）のフローを示す図である。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明の欠陥位置の特定方法を実施する構成を示すもので、配管網（図示は水道管網）(1)の２カ所に振動センサー(2)(3)が設置されており、配管の欠陥(Q)によって発生する振動をこれら２つの振動センサーＡ(2)およびＢ(3)により検知するようになっている。

２つの振動センサー(2)(3)で得られた波形は、欠陥(Q)の位置を特定するために、パソコンなどを含んだ処理手段によって処理される。

図１において、振動センサーＡ(2)から距離Ｌの位置で流体の漏洩が発生したとすると、漏洩音は、振動センサーＢ(3)に到達するまでに、距離にしてＮだけ長い距離を伝搬する。したがって、振動センサーＡ(2)およびＢ(3)間の距離をＤとして、漏洩音が振動センサーＡ(2)と振動センサーＢ(3)とに到着する際の伝達時間差をＴｄとすると、漏洩音の伝搬速度をＶとして、Ｔｄ＝Ｎ／Ｖで求めることができる。Ｎ＝Ｄ−２Ｌなので、Ｌ＝（Ｄ−Ｖ・Ｔｄ）／２となる。すなわち、伝達時間差Ｔｄが分かれば、漏洩音の発生位置を発生位置に最も近い振動センサーＡ(2)からの距離として特定することができる。

伝達時間差Ｔｄを求めるには、図６に示した従来の相互相関関数の求め方を適用することができる。図５には、図６に示した従来の求め方で得られた相互相関関数とＴｄとの関係を示している。図５から明らかなように、従来の方法では、相互相関関数として、複数のピークが現れており、Ｔｄが不明瞭となっている。

そこで、この発明においては、図２に示すようにして、伝達時間差Ｔｄが求められている。

まず、配管網(1)の２カ所に設置された振動センサー（センサーＡおよびセンサーＢ）(2)(3)により、漏洩音の波形が求められ(S1)(S2)、従来と同様に、これらのセンサーＡおよびセンサーＢのそれぞれから得られた波形がフーリエ変換されて、それぞれのフーリエスペクトルＡおよびＢが求められる(S3)(S4)。

この後、フーリエスペクトルＡおよびＢのそれぞれを振幅で正規化して、正規化フーリエスペクトルＡ’およびＢ’が求められる(S5)(S6)。

次いで、これら２つの正規化フーリエスペクトルＡ’およびＢ’のクロススペクトルが求められる(S7)。クロススペクトルは、正規化フーリエスペクトルＡ’およびＢ’の周波数成分を相互に掛け合わせた上で平均したものである。クロススペクトルが、大きな値を示すことは、その周波数帯域においては、２つのスペクトルの周波数成分同士の相関が大きく、両者の周波数成分の大きさが大きいことを意味する。

クロススペクトルは、フーリエ逆変換されて相互相関関数が求められる(S8)。相互相関関数は、Ｎ乗され、これにより、相関波形のピーク点が保存された状態で、それ以外の点が圧縮される。

フーリエ変換に際しては、振動センサーＡ(2)およびＢ(3)で得られた波形から、同時刻を始点とする一定時間の波形を取り出して、その波形をフーリエ変換にかける。フーリエスペクトルをＸ（ｆ）とすると、Ｘ（ｆ）は、（１）式のように、複素関数として表現される。

Ｘ（ｆ）＝∫_−∞ ^∞ｘ（ｔ）ｅ^{−ｊ２πｆｔ}ｄｔ …… （１）
（１）式、（２）式のように、実数部と虚数部に分けて表現することができる。

Ｘ（ｆ）＝Ｘ_Ｒ（ｆ）＋ｊＸ_Ｉ（ｆ）＝｜Ｘ（ｆ）｜ｅ^{ｊθ（ｆ）} …… （２）
（２）式において、｜Ｘ（ｆ）｜はフーリエスペクトルの振幅を表し、θ（ｆ）は位相を表す。｜Ｘ（ｆ）｜は（３）式で求めることができる。

｜Ｘ（ｆ）｜＝√｛Ｘ_Ｒ（ｆ）^２＋Ｘ_Ｉ（ｆ）^２｝ …… （３）
ここで、Ｘ（ｆ）を｜Ｘ（ｆ）｜で割ることにより、正規化し、この正規化したものをＡ（ｆ）とすると、Ａ（ｆ）は、（４）式で求まる。

Ａ（ｆ）＝Ｘ（ｆ）／｜Ｘ（ｆ）｜＝ｅ^{ｊθ（ｆ）} …… （４）
（４）式の位相スペクトルをフーリエ逆変換することで、（５）式に示すような振幅情報を排除した波形ｘ’（ｔ）を得ることができる。

ｘ’（ｔ）＝∫_−∞ ^∞Ａ（ｆ）ｅ^{ｊ２πｆｔ}ｄｆ …… （５）
このｘ’（ｔ）を各振動センサー(2)(3)の波形より算出し、これらの相互相関をとることによって伝達時間差Ｔｄが求められる。

すなわち、図２に示すように、振動センサー（センサーＡおよびセンサーＢ）(2)(3)で得られた波形に対し、(S5)(S6)のステップにおいて、(S3)(S4)のステップで得られたフーリエスペクトルＸ（ｆ）を振幅で正規化して、フーリエスペクトルＡ（ｆ）を得た後、これらのフーリエスペクトルＡ（ｆ）のクロススペクトルから相互関数を得ることにより、伝達時間差Ｔｄを求めることができる。

こうして、得られた相互相関関数とＴｄとの関係を図３に示している。図３は、塩化ビニル管の漏水を２つの振動センサー(2)(3)で計測して、漏水振動のデータを採取し、相互相関関数を求めたものである。図３は、上記のようにして、振幅情報を排除した相互相関関数を求めたものであり、先に示した図５は、同一のデータに対して、従来の相互相関関数を求めたものである。なお、Ｎ乗のＮは、視覚しやすいように、いずれも、Ｎ＝１４とされている。図３と図５との比較から分かるように、振幅情報を排除したこの方法では、相互相関関数として、Ｔｄが明瞭なものとなっている。

すなわち、この発明の欠陥位置の特定方法によると、各周波数における振幅情報の偏りに影響されず、精度よく伝達時間差Ｔｄを求めることができる。

上記において、振動センサー(2)(3)は、特に限定されるものではないが、例えば、図４に示す共振型のものが好ましい。

図４において、振動センサー(2)(3)は、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(9)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(9)を支持する支柱（支持手段）(27)と、圧電素子(9)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(28)とを備えている。支柱(27)と上側および下側の薄膜電極(22)(23)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。振動波形は、上側の薄膜電極(22)と下側の薄膜電極(23)との間の電位差として測定され、リード線(25)(26)により、処理手段に送られる。

支柱(27)による圧電素子(9)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(9)の一方の端部が支柱(27)の上端部に支持されており、錘(28)は、圧電素子(9)の他方の端部に積載されている。

圧電素子(9)は、高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(9)の片端が支持されていることで、バネ定数kは下記のように表される。

ｋ＝３ＥＪ／Ｌ^３ （Ｊ＝ｂｈ^３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数 Ｊ：断面２次モーメント Ｌ：長さ（図４の左右方向の寸法） ｂ：幅（図４の紙面表裏方向の寸法） ｈ：高さ（図４の上下方向の寸法）
圧電素子(9)と錘(28)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、０．１Ｈｚ〜５００Ｈｚに設定されている。このような共振周波数は、例えば合成樹脂管の流体漏洩調査用として適したものとなる。

なお、上記欠陥位置の特定方法は、水道の配管からの漏水を検出する他、水道以外の各種配管内の漏水を検出する用途や、例えば工場内の薬液等の配管における薬液等の流体の漏洩を検出する用途などでも使用される。

(2)(3) ：振動センサー

Claims (3)

1. 配管網の少なくとも２カ所に振動センサーを設置し、配管の欠陥によって発生する振動を前記振動センサーにより検知し、各振動センサーに入力された波形の相関から振動の伝達時間差を求め、伝達時間差と振動の伝搬速度から欠陥位置を特定する欠陥位置の特定方法であって、
   各振動センサーで得られた波形から各周波数の位相情報を抽出し、位相情報の相互相関関数から伝達時間差を求めることを特徴とする欠陥位置の特定方法。
2. 振動センサーは欠陥振動の周波数帯域において少なくとも１つの共振点を有する共振型振動センサーであることを特徴とする請求項１に記載の欠陥位置の特定方法。
3. 共振型振動センサーの共振周波数が０．１〜５００Hzであることを特徴とする請求項２に記載の欠陥位置の特定方法

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