JP2015169647A

JP2015169647A - 埋設管路の漏洩判別方法

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Publication number: JP2015169647A
Application number: JP2014047286A
Authority: JP
Inventors: 博昭近藤; Hiroaki Kondo
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2014-03-11
Publication date: 2015-09-28
Anticipated expiration: 2034-03-11
Also published as: JP6275512B2

Abstract

【課題】連続的に振動が発生している振動源が近くに存在する場合であっても、漏洩と誤判定する恐れがない埋設管路の漏洩判別方法を提供する。
【解決手段】１日のうちの所定の第１の時刻より（昼間）一定時間計測された振動の周波数スペクトルと、同一日における別の第２の時刻より（深夜）一定時間計測された振動の周波数スペクトルとを比較するステップを含んでいる。２つの時刻の周波数スペクトルについて、一方の周波数スペクトルが低圧力に相当するもの、他方の周波数スペクトルが高圧力に相当するものの場合に、漏洩有りと判定する。
【選択図】図３

Description

この発明は、埋設管路の漏洩判別方法に関し、特に、振動センサーを使用して水道管などの埋設管路における漏洩を検出するのに適した埋設管路の漏洩判別方法に関する。

従来より、埋設された管路網の一部に振動センサーを設置し、漏洩によって起こる管路の振動から漏洩の有無を判定する方法が存在する。

例えば、特許文献１においては、所定間隔でセンサーを駆動し、複数日に亘って所定回数の振動を検知した場合に漏水と判定する方法が開示されている。また、特許文献２においては、ｄＢ毎に音圧レベルを収集し、度数分布の集中度から漏洩有無を判定する方法が開示されている。これらは、いずれも、漏洩音が連続的に発生することに着眼した手法である。

水道管などの圧力管路において、水道管に穴が開いた場合、水が噴射することにより音が発生する。その音は管と水中を伝わって設置された振動センサーに伝わる。同一の管において圧力が高いほど、当然漏水量は多くなる。そのため、一般的に漏水調査は深夜に行われることが多い。

実用新案第３１５６８６５号公報特許第２８８７４４３号公報

上記従来の方法においては、自動販売機の振動や、管路に備えられたポンプの振動など、連続的に振動が発生している振動源が近くに存在する場合、漏洩と誤判定する恐れがある。

本発明では、連続的に振動が発生している振動源が近くに存在する場合であっても、漏洩と誤判定する恐れがない埋設管路の漏洩判別方法を提供する。

この発明による埋設管路の漏洩判別方法は、埋設管路の一部に振動センサーを設置し、漏洩によって起こる管路の振動から漏洩の有無を判別する方法において、１日のうちの所定の第１の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルと、同一日における別の第２の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルとを比較する比較ステップを含み、いずれの時刻においても連続音が発生しており、かつ、２つの時刻において管路内の流体の圧力に変化がある場合に、漏洩有りと判定することを特徴とするものである。

第１の時刻および第２の時刻は、一方が流体の使用量が多い時刻（そのため流体の圧力が小さくなっている時刻、具体的には例えば昼間）、他方が流体の使用量が少ない時刻（そのため流体の圧力が大きくなっている時刻、具体的には例えば深夜）とされる。

水道管などの埋設管路において、漏洩に伴う振動音は連続的に発生する。したがって、同一の場所で漏洩音の音圧レベルを比較すると、特定の音圧レベルに集中することが多く、振動センサーによって検出された振動音が連続的に発生しているかどうかを判別することで水の漏洩を判定することができる。

ここで、自動販売機からの振動音などは連続的なものなので、このような連続的な振動音と漏洩に伴う振動音との区別が難しく、自動販売機などからの振動音を漏洩と誤判定する恐れがある。

この発明の埋設管路の漏洩判別方法では、圧力変動によって起こる漏洩音の周波数変動を利用して、誤判定を防止している。

漏洩判別に際しては、まず、各時刻における振動の周波数スペクトルについて、特定周波数帯におけるピークの有無によって、漏洩音である可能性が高い連続音が発生しているかどうかが検知される。ここで、漏洩音の場合、測定時刻が違って流体の圧力が違うと、周波数スペクトルも違ってくる。これに対し、漏洩音以外の連続音は、測定時刻が違っても周波数スペクトルが変化しない。そこで、圧力変動によって起こる周波数変動があるかどうかで、漏洩に伴う振動音と漏洩に伴わない振動音とが区別される。

こうして、２つの時刻の周波数スペクトルについて、一方の周波数スペクトルが低圧力に相当するもの、他方の周波数スペクトルが高圧力に相当するものの場合に、漏洩有りと判定することで、連続的に振動が発生している振動源が近くに存在する場合であっても、漏洩と誤判定する恐れがないものとできる。

漏洩判別を複数日に亘って行うとともに、第１の日の比較ステップにおける結果と、第１の日と異なる１または複数の日の比較ステップにおける結果とを求め、少なくとも２日以上に亘る比較結果について、類似度を判別するステップを含むことが好ましい。

類似度については、例えば、周波数スペクトルの変化量の平均値とともに、標準偏差を求め、標準偏差の値が所定値よりも小さい場合に、類似度大（同じ漏洩音に基づく振動音が発生している）と判定すればよい。

圧力変動によって起こる漏洩音の周波数変動について、水が噴き出す音のピーク周波数は、圧力が高いほど高周波側にシフトし、圧力が低いほど低周波側にシフトする。

したがって、周波数スペクトルの比較が特定周波数帯におけるピーク周波数の移動幅によって行われることで、誤判定を防止することができる。

また、圧力変動によって起こる漏洩音の周波数変動について、特定周波数帯のレベルが相対的に大きくなったり、相対的に小さくなったりする。

したがって、周波数スペクトルの比較が第１の特定周波数帯に含まれる第２の特定周波数帯の成分比の変化量によって行われるようにしてもよく、この判定によっても、誤判定を防止することができる。

この発明による埋設管路の漏洩判別方法を実施する装置は、例えば、振動センサー、処理手段（振動センサーからの波形を記録するデータロガー、振動センサーからの波形を解析するための判別回路などからなるもの）、電池などからなるものとされる。装置は、振動センサーからの波形を記録して、波形を解析できるものであれば、種々変更可能である。例えば、振動センサー、データロガー、判別回路、電池を一体の筐体に納め、漏水判定された場合に表示されるものが好ましい。

周波数の比較は、波形をフーリエ変換することにより周波数スペクトルを算出することにより可能であるが、共振点の異なる複数の振動センサーを設置し、それぞれの振動レベルを測定することにより簡略化することもできる。

この発明の埋設管路の漏洩判別方法によると、１日のうちの所定の第１の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルと、同一日における別の第２の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルとを比較することによって、圧力変動によって起こる漏洩音の周波数変動を利用して、漏洩に伴う振動音と漏洩に伴わない振動音とを区別することができ、連続的に振動が発生している振動源が近くに存在する場合であっても、漏洩と誤判定する恐れがないものとできる。

図１は、この発明による埋設管路の漏洩判別方法を実施する装置を模式的に示す図である。図２は、この発明による埋設管路の漏洩判別方法を実施するのに適した振動センサーの一例を模式的に示す図である。図３は、漏洩有りの場合に、圧力の高低によって、振動センサーによって得られる周波数スペクトルが変化する例を示すグラフである。図４は、この発明による埋設管路の漏洩判別方法の１実施形態を示すフローチャートである。図５は、この発明による埋設管路の漏洩判別方法の他の実施形態を示すフローチャートである。図６は、漏洩有りの場合に、振動センサーによって得られる周波数スペクトルの一例を示すグラフである。

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、この発明による埋設管路の漏洩判別方法を実施する埋設管路の漏洩検出装置を模式的に示している。

埋設管路の漏洩検出装置(1)は、管(3)、仕切弁(4)などの配管部材から構成されて地中に埋設された水道管の埋設管路(2)における流体の漏洩を検出するもので、埋設管路(2)の配管部材の所定箇所（この実施形態では、ボックス(4a)内に配置された仕切弁(4)）に設置された振動センサー(5)と、振動センサー(5)から送られてくる情報を受け取って処理する処理手段(6)とを備えている。

振動センサー(5)は、図２に示すように、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(22)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(22)を支持する支柱(23)と、圧電素子(22)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(24)(25)と、上側の薄膜電極(24)の上に積載された錘(26)とを備えている。支柱(23)と上側および下側の薄膜電極(24)(25)との間は絶縁されており、各薄膜電極(24)(25)にリード線(27)(28)が取り付けられている。

１対の電極(24)(25)は、圧電素子(22)の両面に銀ペーストを塗布することで薄膜状に形成されている。

圧電素子(22)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(22)と錘(26)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２π（ｋは圧電素子のバネ定数、Ｍは錘の質量）は、例えば１０Ｈｚ〜１０００Ｈｚに設定される。

埋設管路(2)内で水の漏洩が発生すると、管(3)、仕切弁(4)などの配管部材には、流体漏洩によって生じる振動音である漏洩音が生じる。これによって、仕切弁(4)に貼り付けられた振動センサー(5)の圧電素子(22)に付与される圧力が変動し、圧電素子(22)において、圧力変動が電位差信号に変換される。電位差信号は、リード線(27)(28)により取り出されて、処理手段(6)において処理され、漏洩音が検出された場合に、漏洩有りと判断する。

水道管などの埋設管路(2)において、漏洩に伴う振動音は連続的に発生する。水道使用時にも振動音が発生するが、この振動音は水道の使用を止めれば無くなる。したがって、複数日に亘って、同一の時刻、同一の場所で漏洩音の音圧レベルを比較すると、特定の音圧レベルに集中することが多く、振動センサー(5)によって検出された振動音が連続的に発生しているかどうかを判別することで漏洩の有無を判定することができる。漏洩有りの場合、振動センサー(5)によって得られる周波数スペクトルは、例えば図６に示すように、５００Ｈｚ近傍にピーク周波数があるものとなる。

なお、図６に示すように、漏水によって発生する音として、水が噴き出す音の他に、震えた管が土と接触する音も発生する。水が噴き出す音と比較し、管が土と接触する音は周波数が低い。

振動センサー(5)からの情報には、自動販売機からの振動音のように、漏洩音以外の連続的な振動音がノイズとして含まれている。したがって、漏洩無しの場合であっても、連続的な振動音によって図６に示すような周波数スペクトルとなることがある。このような連続的な振動音と漏洩に伴う振動音との区別は難しく、そのため、自動販売機などからの振動音を漏洩と誤判定する恐れがある。

水道管の埋設管路(2)では、水道の使用量が多い昼間に対し、深夜は水道使用量が少ないことが多く、同一日の間で管路の水圧は一定ではない。検討の結果、図３に示すように、漏洩音は、水圧によって、変化することが分かった。すなわち、図３のグラフから次のことが言える。

１．水が噴き出す音のピーク周波数は、圧力が高いほど高周波側にシフトし、低いほど低周波側にシフトする。金属管と比べ、合成樹脂管の方が特にこの傾向が強い。

２．圧力が高く、漏水量が多い場合、水の噴出口と土の間が水で満たされやすくなる。そのため、圧力が高い時は管が土と接触する音が小さくなり、低周波の音成分が小さくなることが多い。なお、以下では、管と土の接触音の範囲である１００〜５００Ｈｚの周波数を低周波数帯、水の噴き出す音の範囲である５００〜８００Ｈｚの周波数を中周波数帯ということがある。

上記１．の知見から、同一日の別時刻において２回以上、ピーク周波数の有無と、ピーク周波数のシフト量を測定し、このシフト量の大きさによって漏洩があるかどうかを判別することができる（第１の判別方法）。

第１の判別方法においては、図４に示すように、測定を行うに際し(S1)、まず、第１の所定時刻（昼間）における計測を行い、その周波数スペクトル（第１の周波数スペクトル）を求める(S2)。次いで、同じ日の第２の所定時刻（深夜）における計測を行い、その周波数スペクトル（第２の周波数スペクトル）を求める(S3)。そして、まず、第１の周波数スペクトルと第２の周波数スペクトルとにおいて、ピーク周波数を求め、所定値以上の大きさのピーク周波数が所定範囲（例えば５００Ｈｚ近傍）にあるかどうかを判定する(S4)。このようなピーク周波数がない場合には、連続音が発生していないので、漏れ無しと判定される(S10)。ピーク周波数がある（連続音が発生している）場合には、第１の周波数スペクトルと第２の周波数スペクトルとを比較して、ピーク周波数のシフト量Ｓを演算する(S5)。(S2)、(S3)、(S4)および(S5)のステップは、所定の日数の間実施される(S6)。ピーク周波数のシフト量Ｓは、下限設定値Ａ１と比較され(S7)、ピーク周波数のシフト量Ｓが下限設定値Ａ１より小さい場合には、ピーク周波数がシフトしていないということで、漏洩無しと判定される(S10)。(S7)のステップにおいて、ピーク周波数のシフト量Ｓが下限設定値Ａ１以上の場合には、ピーク周波数のシフト量Ｓは、上限設定値Ａ２と比較され(S8)、ピーク周波数のシフト量Ｓが上限設定値Ａ２より大きい場合には、ピーク周波数のシフトが水圧変化に伴う漏洩音に起因するものではないということで、漏洩無しと判定される(S10)。(S8)のステップにおいて、ピーク周波数のシフト量Ｓが上限設定値Ａ２以下の場合には、ピーク周波数のシフトが水圧変化に伴う漏洩音に起因するものということで、漏洩有りと判定される(S9)。

第１の判別方法によると、同一日の別時刻において２回（３回以上でもよい）、ピーク周波数の有無（ピーク周波数の絶対値）と、ピーク周波数のシフト量が測定される。ピーク周波数が存在しても、ピーク周波数がシフトしない場合、自動販売機の騒音などの水圧の変化に関係しない音と判断される。シフト量には一定の下限値Ａ１が設定され、この下限設定値Ａ１は、水道管の場合、例えば、５〜３０Ｈｚが好ましい。さらに、水圧変化に関係しない音が外部から侵入する場合を想定し、上限値Ａ２を設けておくことが好ましい。この上限設定値Ａ２は、例えば１００〜３００Ｈｚとされる。

漏洩があるかどうかの判別は１日だけの測定によっても可能であるが、水圧と周波数の関連性をより確かとするために、別の日においても同様の測定を行い、測定結果が類似していた場合に、水圧によりピーク周波数がシフトしていると判断する方が好ましい。

すなわち、漏洩判別を複数日に亘って行うとともに、第１の日の比較ステップにおける結果と、第１の日と異なる１または複数の日の比較ステップにおける結果とを求め、少なくとも２日以上に亘る比較結果について、類似度を判別するステップを含むことが好ましい。

外騒音などの影響をキャンセルして精度を上げるために、７日間以上の測定で類似度を判定することが望ましい。類似度は、シフト量の平均値に対する差をみる等して数値化できる。例えば、７日間の測定において、シフト量の平均値とともに、標準偏差を算出し、標準偏差の値が基準値より小さいか否かで判定するとよい。

第２の判別方法においては、図５に示すように、測定を行うに際し(S1)、まず、第１の所定時刻（昼間）における計測を行い、その周波数スペクトル（第１の周波数スペクトル）を求める(S2)。次いで、同じ日の第２の所定時刻（深夜）における計測を行い、その周波数スペクトル（第２の周波数スペクトル）を求める(S3)。そして、まず、第１の周波数スペクトルと第２の周波数スペクトルとにおいて、ピーク周波数を求め、所定値以上の大きさのピーク周波数が所定範囲（例えば５００Ｈｚ近傍）にあるかどうかを判定する(S4)。このようなピーク周波数がない場合には、連続音が発生していないので、漏れ無しと判定される(S10)。ピーク周波数がある（連続音が発生している）場合には、第１の周波数スペクトルについて、低周波数帯成分比Ｌ１および中周波数帯成分比Ｍ１を演算し、第２の周波数スペクトルについても、低周波数帯成分比Ｌ２および中周波数帯成分比Ｍ２を演算し、両成分比の変化量Ｌ＝Ｌ２−Ｌ１およびＭ＝Ｍ２−Ｍ１を求める(S5)。(S2)、(S3)、(S4)および(S5)のステップは、所定の日数の間実施される(S6)。そして、低周波数帯成分比の変化量Ｌが所定の範囲内にあるかどうかが演算され(S7)、低周波数帯成分比の変化量Ｌが所定の範囲内にない場合には、水圧が大きくなることに伴う低周波数帯成分の変化ではないということで、漏洩無しと判定される(S10)。(S7)のステップにおいて、低周波数帯成分比の変化量Ｌが所定の範囲内にある場合には、中周波数帯成分比の変化量Ｍが所定の範囲内にあるかどうかが演算され(S8)、中周波数帯成分比の変化量Ｍが所定の範囲内にない場合には、水圧が大きくなることに伴う中周波数帯成分の変化ではないということで、漏洩無しと判定される(S10)。(S8)のステップにおいて、中周波数帯成分比の変化量Ｍが所定の範囲内にある場合には、低周波数帯成分が減少して、中周波数帯成分比が増加しているという水圧変化に伴う漏洩音変化の特徴を示しているということで、漏洩有りと判定される(S9)
第２の判別方法によると、同一日の別時刻において２回以上、特定周波数帯の成分比を比較することで漏水音を判別することができる。

この判別方法では、一例として、０Ｈｚ〜１ｋＨｚの範囲を測定し、その中（第１の特定周波数帯）に含まれる第２の特定周波数帯としての低周波数帯（１００〜５００Ｈｚ）の成分が何％含まれるかが、Ｌ１およびＬ２として求められ、また、第１の特定周波数帯に含まれる第２の特定周波数帯としての中周波数帯（５００〜８００Ｈｚ）の成分が何％含まれるかがＭ１およびＭ２として求められる。圧力が低いときは、低周波数帯成分の割合Ｌ１およびＬ２が大きくなる傾向にあり、中周波数帯成分の割合Ｍ１およびＭ２は少なくなる傾向にある。一方、圧力が高い時は、低周波数帯成分の割合Ｌ１およびＬ２は小さくなる傾向になり、中周波数帯成分の割合Ｍ１およびＭ２は大きくなる傾向にある。

この傾向に対し、例えば次のような基準を設ける。

圧力の低い時（例えば昼間の計測）に対し、圧力の高い時（例えば深夜の計測）は、低周波数帯の成分が−３０％〜±０％（Ｂ１が−３０％、Ｂ２が±０％）変化し、中周波数帯の成分が＋２０％〜＋５０％（Ｃ１が＋２０％、Ｃ２が＋５０％）変化する。

低周波数帯の成分および中周波数帯の成分の両方ともではなく、いずれか一方だけの変化を調べることでも、漏洩の有無の判定ができる。

漏洩があるかどうかの判別は１日だけの測定によっても可能であるが、水圧と周波数の関連性をより確かとするために、別の日においても同様の測定を行い、測定結果が類似していた場合に、水圧により周波数成分が変化していると判断する方が好ましい。

外騒音などの影響をキャンセルして精度を上げるために、７日間以上の測定で類似度を判定することが望ましい。類似度は、各周波数帯の成分比の変化量の平均値に対する差をみる等して数値化できる。例えば、７日間の測定において、各周波数帯の成分比の変化量の平均値とともに、標準偏差を算出し、標準偏差の値が基準値より小さいか否かで判定するとよい。

上記埋設管路の漏洩判別方法は、単独で用いてもよいし、公知の漏洩判別方法と組み合わせて利用してもよい。例えば、本発明による判別に加え、更に同一時刻における振動レベルの類似度を測るなどしてもよい。

上記埋設管路の漏洩判別方法は、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) ：埋設管路
(5) ：振動センサー

Claims

埋設管路の一部に振動センサーを設置し、漏洩によって起こる管路の振動から漏洩の有無を判別する方法において、
１日のうちの所定の第１の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルと、同一日における別の第２の時刻より一定時間計測された振動の周波数スペクトルとを比較する比較ステップを含み、いずれの時刻においても連続音が発生しており、かつ、２つの時刻において管路内の流体の圧力に変化がある場合に、漏洩有りと判定することを特徴とする埋設管路の漏洩判別方法。
漏洩判別を複数日に亘って行うとともに、第１の日の比較ステップにおける結果と、第１の日と異なる１または複数の日の比較ステップにおける結果とを求め、少なくとも２日以上に亘る比較結果について、類似度を判別するステップを含むことを特徴とする請求項１の埋設管路の漏洩判別方法。
周波数スペクトルの比較が、特定周波数帯におけるピーク周波数の移動幅によって行われることを特徴とする請求項１または２に記載の埋設管路の漏洩判別方法。
周波数スペクトルの比較が、第１の特定周波数帯に含まれる第２の特定周波数帯の成分比の変化量によって行われることを特徴とする請求項１または２に記載の埋設管路の漏洩判別方法。