JP2877156B2 - 導電管路信号伝送方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木用管路建設工事，
配管の建設保守工事，或いは地質調査などにおいて、土
中等に付設された送排水用金属等導電管路、或いは、ケ
ーブル等の金属等導電材製収容管、或いは、土中を掘削
推進する金属等導電管路の建設・保守に関わる分野にお
いて、一端でセンサ等を通じて得られる位置，方向，計
測データ等の情報を信号伝送用ケーブルを用いることな
しに伝送する技術、或いは導電管路の隔てられたる２点
間の通信に供せられる導電管路信号方法及びその実施に
直接使用する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、土中に付設された金属管路、或い
は土中を掘削推進する金属管路を信号伝送の媒体として
用いられた技術は、振動による伝送、通電による電流伝
送、あるいは、管路が磁性体の場合に限って管路自体の
内部に磁束を走らせる磁気伝送といった技術が存在し
た。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】振動伝送技術では、金
属管路が土等と接している場合、或いは、金属管路が外
部の構造物と接している場合、距離に対する伝播の減衰
が非常に大きいために、信号の伝送は困難であるという
問題点が存在する。

【０００４】また、金属管路内部に駆動装置などが存在
する場合には、当該駆動装置によりノイズが発生するた
めに、信号の品質が著しく低下する為に伝送が困難であ
るという問題点も存在する。通電による電流伝送技術に
は、誘導磁界によって金属管路に誘導電流を流す方法、
或いは、直接管に端子をつけて通電する方法がある。

【０００５】しかし、誘導磁界を用いる方法では、屋外
環境においては中波，短波，ラジオ或いは送電線等の空
中を飛来する電波によって伝送信号が著しく妨害される
という問題点がある。また、端子をつけて通電する方法
では、接触抵抗や、土との接地を原因とする減衰が大き
いため、通常の信号として伝送することは困難であると
いう問題点がある。

【０００６】磁気伝送を用いる方法では、鉄等の磁性体
に限られること、また、漏洩磁束により磁束の距離に対
する減衰が大きくなるため、遠距離間の伝送は困難であ
るという問題点がある。ここにおいて、本発明は、ケー
ブルを用いることなしに伝送する事が可能で、かつ金属
管路等導電管路の隔てられた２点間で通信を行うことが
可能な、導電管路信号伝送方法及び装置を提供せんとす
るものである。

【０００７】

【課題を解決する手段】前記従来の技術の課題の解決
は、本発明が次に列挙する新規な特徴的構成手法及び手
段を採用することにより達成される。すなわち、本発明
方法の第１の特徴は、導電管路を伝送媒体とし、管路内
の一端或いはその途中に施された送信手段によって、管
路内部から伝送信号を交流誘導磁界として励起させ、管
路内壁に生じて伝達される誘導電流を、管路他端或いは
その途中に施された受信手段によって送受信してなる導
電管路信号伝送方法である。

【０００８】本発明方法の第２の特徴は、前記方法の第
１の特徴における伝送信号磁界が、周波数範囲を数十ｋ
Ｈｚ〜数百ｋＨｚと定めた、１つ或いは２つ以上の複数
周波数の搬送周波数を用いて、信号振幅を変調すること
によって情報を変換した伝送データとしてなる導電管路
信号伝送方法である。

【０００９】本発明方法の第３の特徴は、前記方法の第
１の特徴における伝送信号磁界が、周波数範囲を数十ｋ
Ｈｚ〜数百ｋＨｚと定めた、１つ或いは２つ以上の複数
周波数の搬送周波数を用いて、１パルスあたり複数波長
分の正弦波群を１単位とし、当該１単位あたりのパルス
をｎ単位（ｎ＞１）の時系列１／０信号に対応させた伝
送データとしてなる導電管路信号伝送方法である。

【００１０】本発明方法の第４の特徴は、前記方法の第
１，第２又は第３の特徴における伝送信号が、複数回繰
り返し送受信して加算平均化処理される導重管路信号伝
送方法である。

【００１１】本発明装置の特徴は、導電管路内におい
て、交流誘導磁界を振幅変調或いはパルス変調によって
当該導電管路内壁に生じさせた誘導電流或いはパルス電
流を伝送信号として複数回繰り返して送信する、当該導
電管路の一端またはその途中に設置される送信器と、前
記誘導電流或いはパルス電流を受信して電気信号を発生
する、前記導電管路の他端またはその途中に設置される
受信器と、当該受信器からの電気信号のうち、外界から
の雑音電波を濾波して送信されてきた信号を抽出して増
幅し、受信信号の最大値及びノイズレベルを基準に受信
信号を規格化する濾波増幅器と、受信されるアナログ信
号の振幅変調情報を数値化或いは受信されるパルス群信
号を数値化し、更に、複数回繰り返して伝送されてくる
信号を加算平均処理することにより信号を再生検知する
再生検知器とからなる導電管路信号伝送装置である。

【００１２】

【作用】本発明は前記のような手法及び手段を講じて、
交流誘導磁界により誘起する誘導電流を通す導電材の管
路自体を利用して減衰雑音に強い搬送周波数により変調
された信号を複数回繰り返し伝送し平均化処理するの
で、互いに離れた２点間の信号伝送及び通信が容易に実
現可能である。

【００１３】

【実施例】（方法例）本発明の方法例を図面につき説明
する。図１は本方法例の導電管路信号伝送方法の実施に
直接用いる装置のシステム構成例を示す土壌縦断側面
図、図２は本方法例の伝送信号の方式を示すグラフであ
る。

【００１４】図中、１は送信コイル，信号搬送回路，信
号変換部等から回路構成される送信器、２は受信コイ
ル，同期回路等から回路構成される受信器、３はフィル
タ等から回路構成される増幅器、４は信号処理部等から
回路構成される検知器、５は電源、６は表示部、７は伝
送媒体たる金属管路、８は空気或いは（泥）水、９は金
属管路７内に設けられた機器等の遮蔽物である。

【００１５】本方法例の導電管路信号伝送方法の実施に
用いられるシステム装置構成の具体的態様は、以上の様
になるが、次に本方法例の位送方式とその伝送信号の特
徴を説明する。まず、使用する送信コイルによる発生す
る交流誘導磁界の搬送周波数を数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚ
とする。

【００１６】次に、信号の伝送方式を、１つの周波数或
いは２つ以上の複数周波数を搬送周波数に用いて信号振
幅を変調することにより情報を伝送信号に変換して伝送
データとし、それを複数回繰り返して送受信する振幅率
変調方式か、１つの周波数或いは２つ以上の複数周波数
を搬送周波数に用いて１パルス当たり複数波長分の正弦
波群を１単位とし、当該パルスをｎ単位（ｎ＞１）の時
系列１／０信号に対応させて伝送データとし、当該伝送
データを複数回繰り返して送受信するパルス符号化によ
るディジタル伝送方式かに決定する。

【００１７】そして、送信器１並びに受信器２は、外界
のノイズを極力抑えるため、金属管路７内から当該金属
管路７内壁に向けて誘導磁界を励発し、誘起された誘導
電流を効率よく送信或いは受信できる手段構成であると
する。

【００１８】次に図２をもとに、本方法例の伝送信号を
具体的に説明する。図２中におけるＴ１は信号を振幅変
調に乗せて伝送する方式を採用した場合の信号を具体的
に時間との関数で示したグラフ、Ｔ２はディジタル符号
化によるパルス信号を伝送する方式を採用した場合の信
号を具体的に時間との関数で示したグラフである。Ｈは
送信時のヘッダ信号，Ｓはデータ信号であり、搬送周波
数は、前記の数十〜数百ｋＨｚの範囲内である。

【００１９】Ｔ２の信号方式を採用した場合、１パルス
あたり複数波長分の正弦波群を１単位とし、１ビットの
時間間隔Δｔは１パルス幅の２倍程度とし、隣合うパル
スが時間的なジッタの影響で重複しないようにしてい
る。このようにしてパルス符号化したｎ単位のパルス列
によって２ⁿ 種の信号を伝送することが可能となる。こ
の場合も、パルス符号化する正弦波群は、１つ或いは２
つ以上の互いに干渉しにくい周波数を搬送波として、前
記の数十〜数百ｋＨｚの周波数範囲内から選択してい
る。

【００２０】なお、これら全ての信号伝送方式は、送信
側の送信器１からヘッダ信号Ｈ及びデータ信号Ｓからな
る伝送信号をＮ回繰り返して送信し、受信側の送信器２
ではヘッダ信号Ｈに時間的に同期させて受信し、Ｎ回の
加算平均処理を行って、伝送信号の品質を高めている。

【００２１】（装置例）次に、本発明に用いる装置例を
図面につき説明する。図３は送信器の回路構成例を示す
ブロック・ダイアグラム、図４は受信器の回路構成例を
示すブロック・ダイアグラム、図５は増幅器及び検知器
の回路構成を示すブロック・ダイアグラムである。

【００２２】図中、１０は信号変換部、１１は信号搬送
回路、１２は定電流増幅回路、１３は電磁誘導コイル等
の送信コイル、１４は電源、１５は電磁シールド、１６
は電磁誘導コイル等の受信コイル又は磁気センサ、１７
は同期回路、１８はバンドパスフィルタ、１９は信号増
幅回路、２０はオートゲインコントロール、２１は信号
再生回路、２２は信号処理部、２３は信号ストレージ
部、２４は再生信号変換部である。

【００２３】本装置例の仕様は、このような具体的実施
態様を呈するが、次にその動作を説明する。まず、Ｘ端
子から得たデータや通信内容等の電気信号Ｅ１は、信号
変換部１０で図２に示したＴ１によるＡＭ変調、或いは
Ｔ２によるパルス変調を行って、データ信号Ｓ１に信号
変換する。変調された信号Ｓ１は信号搬送回路１１で搬
送周波数に乗せて搬送信号Ｓ２とし、定電流増幅回路１
２で定電流増幅して、送信コイル１３に誘導電流又はパ
ルス電流の伝送信号Ｓ３としての交流電流Ｐを供給す
る。

【００２４】送信コイル１３からの金属管路７を媒体と
して伝えられた伝送通信信号Ｓ３は、受信器２に伝播さ
れる。受信器２の受信コイル又は磁気センサ１６は、伝
送信号Ｓ３を受信して、同期回路１７に受信信号Ｓ４と
して入力する。同期回路１７は受信信号Ｓ４を同期受信
信号Ｓ５として、Ｙ端子へ送る。

【００２５】受信器２のＹ端子から得られた同期受信信
号Ｓ５は、送信コイル１３の周波数成分を受信するため
に、バンドパスフィルタ１８によって外部ノイズにフィ
ルタをかけて除外し、信号増幅回路１９で増幅して増幅
受信信号Ｓ６とする。

【００２６】こうした信号Ｓ６は、金属管路７の長さ、
材質、或いは、管壁が接している条件によって信号電圧
が大きく変化するため、ヘッダ信号Ｈの振幅電圧を基準
に、オートゲインコントローラ２０で受信電圧値を自動
的に規格化する。規格化された規格化信号Ｓ７は、信号
再生回路２１にて搬送波周波数成分を取り除き、図２に
示すＴ１方式では、振幅率の包絡線を基準に、アナログ
信号波形Ｓ８として再生するか若しくはＴ２方式では、
時系列のパルス信号Ｓ８を再生する。

【００２７】信号処理部２２では、Ｎ回繰り返し受信さ
れる同波形信号Ｓ８或いは同パルス信号Ｓ８群を、信号
ストレージ部２３に一旦ストレージしながら加算平均化
する。最後に、再生信号変換部２４で、これら加算平均
化された標準化波形信号Ｓ９或いは標準化パルス信号Ｓ
９群を再生して数値データ化して表示部６へのＺ端子へ
電気信号Ｅ２として出力する。

【００２８】（測定例）しかして、実際の測定例につい
て示す。金属管路７は、径８０ｍｍφ，長さ１７ｍの鋼
管とした。また、鋼管は地面と接地してある。誘導磁界
の送信には、巻数２０００回の送信コイル１３を用い、
正弦連続波で励起した。受信には、受信コイル１６とし
て、巻数２０００回のものを使用した。

【００２９】図６は、伝送に用いた誘導磁界の周波数と
受信信号の電圧利得の関係を示す。電圧利得は、１Ｖを
０ｄＢＶとしている。印加電圧は、２０Ｖ_p-p とし、送
信電流は、４０ｍＡとした。この場合、信号の受信には
バンドパスフィルタ１８によるフィルタ処理を施してい
ない。Ａｉｒ８は金属管路７内が空洞の場合、Ｗａｔｅ
ｒ８は金属管路７内が水で充填されている場合を示す。

【００３０】受信の電圧利得は、２００ｋＨｚから５０
０ｋＨｚの範囲にブロードなピークをとる。また、金属
管路７内に水８が充填されている場合は、空気８の場合
に比べて２０ｄＢＶ程度電圧利得が大きくなる。なお、
５００ｋＨｚ以上の周波数帯域は、ラジオ波の影響が強
く、伝送にはあまり適さない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、導電管路
を媒体として、内部に水等が存在しても、効率的に遠距
離の信号伝送が実現できる。さらに導電管路内に金属，
非金属を問わず遮蔽物が存在しても、ほとんど受信利得
に変化がないため、効率的な信号伝送が実現可能であ
る。

【００３２】また、管の両端或いはその途中の間におい
てセンサ等から得られる情報（位置，深さ，方向等）の
信号を、ケーブルを用いることなしに、伝送することが
可能である。そして、信号を伝送する場合の搬送周波数
帯域を、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚに示す範囲内で２種類
の周波数帯域を使用することによって、一端及び他端の
間で双方向の通信が実現可能である。更に、本発明は、
管路自体を伝送媒体にしているため、地中に限らず、管
路が導通して屈曲かつ輻輳している場合でも、信号の伝
送が可能である。

【００３３】本発明による技術は、導電管路の両端が開
放可能であり、コイルによるセンサを実装できる余地が
あれば、互いに離れた２点間を信号伝送或いは通信が可
能であるため、配水管保守、石油プラント、地質調査等
の場合に、遠距離間を信号伝送できることが期待される
等、優れた有用性，至便性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の管路信号伝送方法の実施に用
いる装置のシステム構成例を示す縦断側面図である。

【図２】同上、伝送信号の方式を示すグラフである。

【図３】本発明装置における送信器の回路構成例を示す
ブロック・ダイアグラムである。

【図４】同上、受信器の回路構成例を示すブロック・ダ
イアグラムである。

【図５】同上、増幅器及び検知器の構成例を示すブロッ
ク・ダイアグラムである。

【図６】本発明の実施例を実際に適用した測定例であ
り、伝送に用いた誘導磁界の周波数と受信信号の電圧利
得の相互関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１…送信器 ２…受信器 ３…増幅器 ４…検知器 ５…電源 ６…表示部 ７…金属管路 ８…空気或いは（泥）水 ９…遮蔽物 １０…信号変換部 １１…信号搬送回路 １２…定電流増幅回路 １３…送信コイル １４…電源 １５…電磁シールド １６…受信コイル １７…同期回路 １８…バンドパスフィルタ １９…信号増幅回路 ２０…オートゲインコントロール ２１…信号再生回路 ２２…信号処理部 ２３…信号ストレージ部 ２４…再生信号変換部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04B 5/00

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】導電管路を伝送媒体とし、 管路内の一端或いはその途中に施された送信手段によっ
   て、 管路内部から伝送信号を交流誘導磁界として励起させ、 管路内壁に生じて伝達される誘導電流を、 管路他端或いはその途中に施された受信手段によって送
   受信することを特徴とする導電管路信号伝送方法。
2. 【請求項２】伝送信号は、周波数範囲を数十ｋＨｚ〜数
   百ｋＨｚに定めた１つ或いは２つ以上の複数周波数の搬
   送周波数を用いて、信号振幅を変調することによって情
   報を変換した伝送データとすることを特徴とする請求項
   １記載の導電管路信号伝送方法。
3. 【請求項３】伝送信号は、周波数範囲を数十ｋＨｚ〜数
   百ｋＨｚに定めた１つ或いは２つ以上の複数周波数の搬
   送周波数を用いて、１パルスあたり複数波長分の正弦波
   群を１単位とし、 当該１単位あたりのパルスをｎ単位（ｎ＞１）の時系列
   １／０信号に対応させた伝送データとすることを特徴と
   する請求項１記載の導電管路信号伝送方法。
4. 【請求項４】伝送信号は、複数回繰り返し送受信して加
   算平均化処理されることを特徴とする請求項１，２又は
   ３記載の導電管路信号伝送方法。
5. 【請求項５】導電管路内において、 交流誘導磁界を振幅変調或いはパルス変調によって当該
   導電管路内壁に生じさせた誘導電流或いはパルス電流を
   伝送信号として複数回繰り返して送信する、当該導電管
   路の一端またはその途中に設置される送信器と、 前記誘導電流或いはパルス電流を受信して電気信号を発
   生する、前記導電管路の他端またはその途中に設置され
   る受信器と、 当該受信器からの電気信号のうち、外界からの雑音電波
   を濾波して送信されてきた信号を抽出して増幅し、受信
   信号の最大値及びノイズレベルを基準に受信信号を規格
   化する濾波増幅器と、 受信されるアナログ信号の振幅変調情報を数値化或いは
   受信されるパルス群信号を数値化し、更に、複数回繰り
   返して伝送されてくる信号を加算平均処理することによ
   り信号を再生検知する再生検知器と、 からなることを特徴とする導電管路信号伝送装置。