JP3619893B2 - 配管内部状態識別方法とその装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、配管内部での配管の相互接続状態や分岐状態、曲り状態、エルボ状態、異常状態などが音波により高精度に識別されるようにした配管内部状態識別方法とその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、地中や地上、あるいは建物内部等にはガスや上下水道用の配管を始めとして、電力ケーブルや各種通信ケーブルを収容するための配管が多数埋設、あるいは敷設されているが、これら配管一般は内外からの物理・化学的影響により経時的に次第に劣化される傾向にあるものとなっている。したがって、それら配管に対しては、定期的点検により、あるいは必要に応じ随時その内部状態（果たして、設計通りに配管が敷設されているか否かの確認を含む）が点検された上、必要に応じ随時適当な補修（内壁への防水コーティング処理等）が施される必要があるものとなっている。配管に対し補修が行われるに際しては、それに先立って、その配管内部の劣化状態や配管相互接続状態が詳細に把握されるべく、パイプカメラやファイバスコープが配管内部に挿入されることによって、その配管内部が可視化画像として表示されたり、あるいは配管内部に通線体、またはセンサが挿入されることによって、配管内部の各種状態が間接的に知れるものとなっている。これによって、配管内部での配管の継手による相互接続状態や分岐状態やベント（曲り）状態を始めとして、異物や折損の有無、偏平状態などが知れるわけである。
【０００３】
なお、この種の技術に関するものとしては、特開昭６１ー２０２１５８号公報が挙げられる。これによる場合、超音波、あるいは音波の周波数可変として、管路端より管路内部に超音波、あるいは音波が送信される度に、送信超音波、あるいは送信音波に対する反射波についてはその伝播時間と反射係数が求められた上、送信超音波、あるいは送信音波対応に得られる伝播時間と反射係数は後に平均化処理されることによって、管路変形等が推定可とされたものとなっている。また、特開昭６１ー２９７５７号公報による場合、開放端より管内部に送信された音波パルスに対する反射音波より、管路内空断面積の変化程度とその変化位置が定量的、あるいは定性的に知れるものとなっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、配管内部の状態が詳細に把握されるべく、パイプカメラやファイバスコープが配管内部に挿入される場合は、大掛かりなその挿入作業に多くの時間が要される結果として、配管内部の状態が速やかに把握され得ないものとなっている。また、上記特開昭６１ー２０２１５８号公報による場合には、一般に配管内部で反射波の発生箇所としての空断面積の変化位置は、通常使用される音波の波長より短い距離内に連続して位置しており、その変化位置各々について反射率を求めることは困難となっており、反射率の平均値から反射部位の形状を識別することは困難となっている。更に、上記特開昭６１ー２９７５７号公報による場合、反射部位の識別方法や装置としての実現方法については何等具体的には記述されておらず、単に記憶された反射波形より判定する方法では、距離が短く途中に配管の分岐等が無い通信ケーブル収容管や電力ケーブル収容管のように、極めて限定された用途にしか適用し得ないものとなっている。
本発明の目的は、配管一般のその内部での配管の相互接続状態や分岐状態、曲り状態、エルボ状態、異常状態などが、反射部位とその反射部位での形状として、音波により高精度に、しかも速やかに識別され得る配管内部状態識別方法とその装置を供するにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、送信音波パルスの周波数が更新される度に、配管内部に送信された該周波数の送信音波パルスに対する反射音波パルスは電気信号として受信された後にＡ／Ｄ変換された状態として、予め記憶されている該周波数対応の送信音波パルス波形との間で相関処理された上、相関処理結果として一時記憶されるようにし、周波数対応に一時記憶されている相関処理結果各々からは、特徴量としての極大点、極小点各々についての情報が抽出された上、周波数対応に抽出された特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターンを予め複数記憶されている標準変化パターン各々と比較照合することによって、配管内部での各種状態が反射位置と該反射位置での形状として識別されることで達成される。
【０００６】
また、装置構成としては、その構成要素として、配管の一端部に取付けされた状態で、該配管の内部にｎ種類の周波数の送信音波パルスを平面波として順次送信する音波送信子と、該音波送信子に対しｎ種類の周波数対応の電気信号パルスを順次印加する信号発生回路と、上記音波送信子と同一位置に取付けされた状態で、上記送信音波パルス各々に対する反射音波パルスを受信する音波受信子と、該音波受信子で順次受信される反射音波パルスをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路からの、Ａ／Ｄ変換された反射音波パルスを予め記憶されている該周波数対応の送信音波パルス波形との間で相関処理した上、相関処理結果として一時記憶した後、周波数対応に一時記憶されている相関処理結果各々からは、特徴量としての極大点、極小点各々についての情報が抽出された上、周波数対応に抽出された特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターンを予め複数記憶されている標準変化パターン各々と比較照合することによって、配管内部での各種状態を反射部位と該反射部位での形状として識別する信号処理回路とを少なくとも含むようにして構成することで達成される。
【０００７】
【作用】
送信音波パルスの周波数更新の度に、配管内部に送信されたその周波数の送信音波パルスに対する反射音波パルスは電気信号として受信された後にＡ／Ｄ変換された状態として、予め記憶されている該周波数対応の送信音波パルス波形との間で相関処理された上、相関処理結果として一時記憶されるようにしたものである。これにより周波数対応の相関処理結果が得られるが、これら相関処理結果各々からは、特徴量としての極大点、極小点各々についての情報が抽出された上、これら周波数対応に抽出された特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターンが予め複数記憶されている標準変化パターン各々と比較照合される場合は、配管内部での各種状態を反射部位と該反射部位での形状として識別され得るものである。
【０００８】
【実施例】
以下、本発明を図１から図４により説明する。
先ず本発明に係る識別対象について説明すれば、図２は識別対象としての一例での配管内部状態を示したものである。図示のように、配管（例えば鋼管として構成）２０一般は各種継手２１，２３，２４を介し、複数組合された状態として様々に接続されることによって、その内部が途中で分岐管２２に分岐接続されたり、その方向がベント状態やエルボ状態を以て変更可とされているが、これら分岐状態やベント状態、エルボ状態の存否は勿論のこと、その配管内部での異物や配管自体の折損の有無などを音波により識別しようというものである。具体的には、配管２０の一端開口部にはアダプタ１９を介し、音波送信子としてのスピーカ１と音波受信子としてのマイクロホン４が取付けられており、スピーカ１から配管２０内部に向けては、音波がその周波数更新可として送信されるものとなっている。その音波は配管２０内部で様々な要因により反射されるが、その反射音波はマイクロホン４を介し受信された後、反射位置とその反射位置での物理的形状にもとづく周波数特定に着目の上、所望に処理されることによって、配管内部での各種状態が反射位置と該反射位置での形状として識別されているものである。
【０００９】
さて、本発明による配管内部状態識別装置について説明すれば、図１はその一例での構成を示したものである。図示のように、ＣＰＵ１４による制御下に、信号発生回路３からはｎ種類の周波数対応の電気信号パルス（正弦波１サイクル分）が適当な時間間隔を以て順次発生された上、電力増幅回路２を介しスピーカ１に印加されることによって、スピーカ１からは送信音波パルスが平面波として順次配管２０内部に順次送信されるものとなっている。一方、その配管２０内部からの、送信音波パルス各々に対する反射音波パルスはマイクロホン４で受信された上、増幅回路５、利得制御回路６を介しＡ／Ｄ変換器７でＡ／Ｄ変換されるものとなっている。Ａ／Ｄ変換器７からの、送信音波パルス各々に対する反射音波パルスはＡ／Ｄ変換された状態として、ＣＰＵ１４を介しディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１５で、メモリ１６に予め記憶されている対応送信音波パルス波形との間で相関処理された上、その相関処理結果はメモリ１６に一旦退避記憶されているものである。送信音波パルス対応に得られる相関処理結果は後に所定に処理されるが、これについては後述するところである。なお、本例では、マイクロホン４以外にマイクロホン８が用意された上、マイクロホン４，８が配管２０内部に適当な間隔を以て設置された上、これらマイクロホン４，８各々で受信される反射音波パルスの位相差が識別可とされたものとなっている。これにより反射音波パルスの到来方向が可能となり、２方向に対する同時識別処理が可能となるものである。また、反射音波パルスの受信に際して、その反射音波パルスはその発生位置に応じた利得を以て増幅されるべく、利得制御回路６，１０各々での利得はＣＰＵ１４により連続的に可変設定されるものとなっている。
【００１０】
ここで、反射音波パルスの発生メカニズムについて説明すれば、以下のようである。
即ち、図４（Ａ）に示すように、送信音波パルスはその波長が配管２０の内径（直径）に比し十分大きく設定されており、したがって、このような条件下では、送信音波パルスは配管２０内部を平面波として伝播され得るものとなっている。さて、配管２０内部では、送信音波パルスは粒子速度に着目した場合、その内空断面積が変化する位置で反射率Ｙ（＝Ｘ（Ａ２−Ａ１）／（Ａ２＋Ａ１））を以て反射されるものとなっている。但し、Ａ１，Ａ２は内空断面積が変化する位置前後での内空断面積、Ｘは空断面積が変化する位置へ入射される音波パルスの振幅である。反射率Ｙは空断面積が変化する位置から反射される音波パルスの振幅として定義されているわけである。図４（Ｂ）に示すように、内空断面積が小から大に変化する位置では、反射音波パルスは送信音波パルスと同位相の相似波形として発生される一方、これとは逆に、内空断面積が大から小に変化する位置では、反射音波パルスは送信音波パルスと逆位相の相似波形として発生されるものとなっている。内空断面積が変化する２つの位置間の距離Ｌが送信音波パルスの１／２波長以上離れている場合には、上記した如くにして、単純な反射音波パルス波形が得られるが、それら２つの位置間の距離Ｌが送信音波パルスの１／２波長以内にある場合は、それら２つの位置各々からの反射音波パルスが相互干渉する結果として、送信音波パルスに対する反射音波パルスとしては、その送信音波パルスとは非相似な波形（２つの位置各々からの反射音波パルスの合成波形）として得られるものとなっている。
【００１１】
ところで、図２で既に説明したように、配管２０一般は配管構成部品としての各種継手２１，２３，２４を介し複数組合された状態として構成された上、反射部位としての継手各々ではまた、内空断面積が２つの位置で変化するものとなっているが、内空断面積が変化する２つの位置間の距離Ｌは送信音波パルスの１／２波長以内にある場合が殆どであることから、反射音波パルス波形一般は複雑な波形としてマイクロホン４で受信されるものであることは否めないものとなっている。しかしながら、反射音波パルス波形は配管構成部品の物理的寸法と送信音波パルスの波長との関係から一意的に定まることから、反射音波パルス波形から識別上、有効とされた特徴量を送信音波パルスの周波数対応に抽出した上、予め標準的に得られている特徴量と比較照合することによっては、送信音波パルスの反射部位とその部位での形状が高精度に識別され得るものである。もしも、予期せぬ位置から反射音波パルスが受信された場合には、何等かの異常、即ち、設計通りに配管が接続されていないか、または異物、あるいは折損が存在するものとして、詳細に解析処理されればよいものである。
【００１２】
ここで、本発明に係る配管内部状態識別処理について図４（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ、図３により説明すれば以下のようである。
即ち、図４（Ａ）に示すように、ある継手を反射部位として、これに送信音波パルスが入射される場合を想定すれば、その反射部位における内空断面積が変化する２つの位置（前縁位置、後縁位置）各々からは反射音波パルスが発生された上、それら反射音波パルスが合成された状態としてマイクロホン４で受信された後、Ａ／Ｄ変換器７でＡ／Ｄ変換された上、元の反射音波情報が得られるべく、ディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１５で、メモリ１６に予め記憶されている対応送信音波パルス波形との間で、１波長分のウインドウが設定された状態で相関処理されるが、このような相関処理は送信音波パルスの周波数が更新された上、送信音波パルスが発生される度に行われるものとなっている。これを図３により一連の処理として説明すれば、送信音波パルスの周波数が更新された上、送信音波パルスが発生される度に、その送信音波パルスに対する反射音波パルス３２はその送信音波パルス波形３１との間で相関処理３３が行われているものである。その相関処理結果３４からは、具体的には、対としての極大点（極大値Ｐ１）および極小点（極小値Ｐ２）、更にはそれら極大点、極小点間の距離Ｔが周波数対応の特徴量として求められた上、メモリ１６に一時記憶されているものである。このように、反射部位対応に複数の特徴量の抽出処理３６がディジタルシグナルプロセッサ１５で行われているものであるが、これら反射部位対応に抽出された特徴量（特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターン）は同じくメモリ１６に予め複数記憶されている標準特徴量（特徴量の標準変化パターン）各々とディジタルシグナルプロセッサ１５で比較照合されることによって、反射部位とその反射部位での形状の識別決定３７が行われているものである。なお、図１に示す表示制御回路１７および表示器１８はディジタルシグナルプロセッサ１５による中間処理結果や識別結果をモニタ表示するためのものである。
【００１３】
【発明の効果】
以上、説明したように、請求項１，２による場合は、配管一般のその内部での配管の相互接続状態や分岐状態、曲り状態、エルボ状態、異常状態などが、反射部位とその反射部位での形状として、音波により高精度に、しかも速やかに識別され得る配管内部状態識別方法とその装置が得られるものとなっている。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による配管内部状態識別装置の一例での構成を示す図
【図２】図２は、本発明に係る識別対象としての一例での配管内部状態を示す図
【図３】図３は、本発明に係る配管内部状態識別処理を説明するための図
【図４】図４（Ａ），（Ｂ）は、送信音波パルスに対する、反射部位からの反射音波パルスの発生メカニズムとその反射音波パルスの受信処理を説明するための図
【符号の説明】
１…スピーカ（音波送信子）、３…信号発生回路、４…マイクロホン、７…Ａ／Ｄ変換回路、１４…ＣＰＵ、１５…ディジタルシグナルプロセッサ、１６…メモリ

Claims (2)

1. 送信音波パルスの周波数がｎ（ｎ：２以上の整数、以下、同様）種類に亘って順次更新可として、配管内部に平面波として送信された送信音波パルスに対する反射音波パルスを受信処理することによって、該配管内部での各種状態が反射位置と該反射位置での形状として識別されるようにした配管内部状態識別方法であって、送信音波パルスの周波数が更新される度に、配管内部に送信された該周波数の送信音波パルスに対する反射音波パルスは電気信号として受信された後にＡ／Ｄ変換された状態として、予め記憶されている該周波数対応の送信音波パルス波形との間で相関処理された上、相関処理結果として一時記憶されるようにし、周波数対応に一時記憶されている相関処理結果各々からは、特徴量としての極大点、極小点各々についての情報が抽出された上、周波数対応に抽出された特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターンを予め複数記憶されている標準変化パターン各々と比較照合することによって、配管内部での各種状態が反射部位と該反射部位での形状として識別されるようにした配管内部状態識別方法。
2. 送信音波パルスの周波数がｎ種類に亘って順次更新可として、配管内部に平面波として送信された送信音波パルスに対する反射音波パルスを受信処理することによって、該配管内部での各種状態が反射位置と該反射位置での形状として識別されるようにした配管内部状態識別装置であって、配管の一端部に取付けされた状態で、該配管の内部にｎ種類の周波数の送信音波パルスを平面波として順次送信する音波送信子と、該音波送信子に対しｎ種類の周波数対応の電気信号パルスを順次印加する信号発生回路と、上記音波送信子と同一位置に取付けされた状態で、上記送信音波パルス各々に対する反射音波パルスを受信する音波受信子と、該音波受信子で順次受信される反射音波パルスをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路と、該Ａ／Ｄ変換回路からの、Ａ／Ｄ変換された反射音波パルスを予め記憶されている該周波数対応の送信音波パルス波形との間で相関処理した上、相関処理結果として一時記憶した後、周波数対応に一時記憶されている相関処理結果各々からは、特徴量としての極大点、極小点各々についての情報が抽出された上、周波数対応に抽出された特徴量の、周波数の更新に伴う変化パターンを予め複数記憶されている標準変化パターン各々と比較照合することによって、配管内部での各種状態を反射部位と該反射部位での形状として識別する信号処理回路と、を少なくとも含む構成の配管内部状態識別装置。

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