JP4074154B2 - Pipe breakage detector - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、音波を使用して被検体である配管上の破損位置を探査する配管破損探査装置に係り、特にガス管や水道管等のライフラインの保守・改善に好適な配管破損探査装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、例えばガス管や水道管等の配管上の破損位置を探査するための破損探査においては、平常時は、配管の破損により発生する漏水音を検出することで、破損位置を探査するようにしている。
【0003】
また、被災等で配管の水が抜けた状態では、外部から配管内に再度、水を供給して漏水を発生させ、漏水音を検出するようにしている。
【0004】
一方、空管の破損探査に関しては、上記の方法の他に、ロボットやスモークを注入して、破損箇所からの漏れを検出する方法が提案されてきている。
【0005】
また、音波を使用して、配管上の破損位置を探査する方法も提案されてきている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような方法においては、そのいずれの方法でも探査精度が低いという問題点がある。
【0007】
本発明の目的は、音波を使用して被検体である配管上の破損位置を検知する場合に、配管上の破損位置の探査精度の向上を図ることが可能な配管破損探査装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項1に対応する発明では、音波を使用して、被検体である配管上の破損位置を探査する配管破損探査装置において、音波を生成する信号発生手段と、配管の内部に設置され、信号発生手段により生成された音波を送信する複数の音波送信手段と、配管の内部に各音波送信手段と対向して設置され、音波を受信する複数の音波受信手段と、各音波送信手段から同時に音波を発生させて、同時に各音波受信手段で検出した信号に基づいて、各音波受信手段間の空間伝播特性を計測する計測手段と、計測手段により計測された空間伝播特性に基づいて、配管上の破損位置で発生する反射波伝播時間を算出する算出手段とを備え、算出手段により算出された反射波伝播時間と、音速と、各音波受信手段間の距離とに基づいて、配管上の破損位置を特定するようにしている。
【0009】
従って、請求項1に対応する発明の配管破損探査装置においては、音波を使用して配管上の破損位置を検知する場合に、複数の音波送信手段から同時に音波を発生させることで、配管上の破損位置で発生する反射波伝播時間から破損位置を特定することにより、複数の音波同士の干渉効果を利用して、配管上の破損位置の探査精度の向上を図ることができる。
【0010】
また、請求項2に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、計測手段としては、各音波受信手段間の空間伝播特性として空間伝達関数を計測し、算出手段としては、計測手段により計測された空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に反射波伝播時間を算出するようにしている。
【0011】
従って、請求項2に対応する発明の配管破損探査装置においては、各音波受信手段間の空間伝播特性として空間伝達関数を計測し、当該空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に反射波伝播時間を算出することにより、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることができる。
【0012】
さらに、請求項3に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、計測手段としては、各音波受信手段間の空間伝播特性として相互相関関数を計測し、算出手段としては、計測手段により計測された相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に反射波伝播時間を算出するようにしている。
【0013】
従って、請求項3に対応する発明の配管破損探査装置においては、各音波受信手段間の空間伝播特性として相互相関関数を計測し、当該相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に反射波伝播時間を算出することにより、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることができる。
【0014】
一方、請求項4に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、信号発生手段としては、音波の振幅、位相の調整を行なう振幅・位相調整部を有し、各音波送信手段から振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管の内部に定在波を作り、当該配管上の破損位置で音圧振幅が大きくなるように振幅、位相調整するようにしている。
【0015】
従って、請求項4に対応する発明の配管破損探査装置においては、複数の音波送信手段から振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管の内部に定在波を作り、当該配管上の破損位置で音圧振幅が大きくなるように、振幅、位相調整することにより、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることができる。
【0016】
また、請求項5に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、信号発生手段としては、周波数を変化させるスイープ信号を用いるようにしている。
【0017】
従って、請求項5に対応する発明の配管破損探査装置においては、信号発生手段において、周波数を変化させるスイープ信号を用いることにより、音波受信手段からの検出信号の対雑音特性を向上させて、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることができる。
【0018】
さらに、請求項6に対応する発明では、上記請求項1、請求項3、または請求項5のいずれか1項に対応する発明の配管破損探査装置において、信号発生手段としては、振幅あるいは位相を複数回変化させる毎に得た相互相関関数を加算処理するようにしている。
【0019】
従って、請求項6に対応する発明の配管破損探査装置においては、振幅あるいは位相を複数回変化させる毎に得た相互相関関数を加算処理することにより、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることができる。
【0020】
一方、請求項7に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、音波送信手段から定期的に音波を送信させて、計測手段により計測された空間伝播特性をモニタリングすることで、配管上の破損位置の発生状況と破損位置を推定するようにしている。
【0021】
従って、請求項7に対応する発明の配管破損探査装置においては、音波送信手段から定期的に音波を送信させて、計測手段で計測された空間伝播特性をモニタリングすることにより、仮にはっきりインパルス応答のピークが卓越しなくても、1回前のデータとの比較で、配管上の破損位置の発生状況と破損位置を推定して、配管の特性変化を把握することができる。
【0022】
また、請求項8に対応する発明では、上記請求項1に対応する発明の配管破損探査装置において、音波送信手段としては、通常は情報伝達手段に使用し、当該情報伝達に異常が起こった場合に、信号発生手段から模擬信号を発生させて、配管内部の破損を含む状態変化を推定するようにしている。
【0023】
従って、請求項8に対応する発明の配管破損探査装置においては、音波送信手段は、通常は情報伝達手段に使用し、当該情報伝達に異常が起こった場合には、信号発生手段から模擬信号を発生させることにより、配管内部の破損を含む状態変化を推定して、配管破損探査装置自体を有効利用することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
本発明は、音波を使用して被検体である配管上の破損位置を検知する場合に、複数の音波送信手段から同時に音波を発生させることで、配管上の破損位置で発生する反射波伝播時間から破損位置を特定することにより、複数の音波同士の干渉効果を利用して、配管上の破損位置の探査精度の向上を図るようにするものである。
【0025】
以下、上記のような考え方に基づく本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0026】
(第1の実施の形態:請求項1に対応)
図1は、本実施の形態による音波を使用して被検体である配管上の破損位置を探査する配管破損探査装置の概略構成例を示すブロック図である。
【0027】
すなわち、本実施の形態による配管破損探査装置は、図1に示すように、信号発生部3と、複数の音波送信部4a,4bと、複数の音波受信部5a,5bと、計測部6と、算出部7とから構成している。
【0028】
信号発生部3は、音波を生成するものである。
【0029】
複数の音波送信部4a,4bは、破損部1が存在する配管2の内部に設置され、信号発生部3により生成された音波を送信する。
【0030】
複数の音波受信部5a,5bは、破損部1が存在する配管2の内部に各音波送信部4a,4bと対向して設置され、音波を受信する。
【0031】
計測部6は、各音波送信部4a,4bから同時に音波を発生させて、同時に各音波受信部5a,5bで検出した信号に基づいて、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性を計測する。
【0032】
算出部7は、計測部6により計測された空間伝播特性に基づいて、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間を算出する。
【0033】
そして、この算出部7により算出された反射波伝播時間と、音速と、各音波受信部5a,5b間の距離とに基づいて、配管2上の破損部1位置を特定するようにしている。
【0034】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0035】
図1において、信号発生部3から、複数の音波送信部4a,4bに信号を送って、各音波送信部4a,4bから同時に音波を発生させて、同時に複数の音一波受信部5a,5bで検出した信号を用いて、計測部6で各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性を計測する。
【0036】
さらに、この計測された空間伝播特性に基づいて、算出部7で配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間を算出する。
【0037】
そして、この反射波伝播時間に音速を乗じることで、配管2上の破損部1位置を特定する。
【0038】
以上のようにして、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間から破損部1位置を特定することにより、複数の音波同士の干渉効果を利用して、配管2上の破損部1位置の探査精度の向上を図ることができる。
【0039】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、音波を使用して配管2上の破損部1位置を検知する場合に、複数の音波送信部4a,4bから同時に音波を発生させることで、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間から破損位置を特定するようにしているので、配管2上の破損部1位置の探査精度の向上を図ることが可能となる。
【0040】
(第2の実施の形態:請求項2に対応)
本実施の形態による配管破損探査装置は、前述した第1の実施の形態の配管破損探査装置において、計測部6としては、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性として、空間伝達関数を計測し、算出部7としては、計測部6により計測された空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間を算出する構成としている。
【0041】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0042】
計測部6で、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性を、空間伝達関数として計測する。
【0043】
また、算出部7で、空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間を算出する。
【0044】
以下、かかる点について、図2に示すような破損配管モデルを用いて詳細に説明する。
【0045】
図2において、空管(内部は全て空気)配管2の断面積をS、破損部1はピストン放射と仮定し、破損部1の音響インピーダンスをZ、破損半径をaとする。
【0046】
音波送信部4a,4bと音波受信部5a,5bの位置を同じとした時、音波受信部5a,5b間の距離をL、図示左の音波受信部5aから破損部1位置までの距離をL1、図示右の音波受信部5bから破損部1位置までの距離をL2、音速をc、密度(空気)をρとすると、空管配管2の図示左端の音圧P1、粒子速度U1と、図示右端の音圧P2、粒子速度U2との関係は、伝達マトリックスで表わすと、下記式のようになる。
【0047】
【数1】
【0048】
なお、行列の2番目の項は、破損部1の伝達項を表わす。
【0049】
ここで、空管配管2の図示右端が閉端の場合には、粒子速度U2=0となり、両者の音圧比、すなわち空間伝達関数は、下記式のようになる。
【0050】
【数2】
【0051】
このように、式では単純化されるものの、実際の配管において閉端を作ることは、あまり実用的であるとは言い難い。
【0052】
これに対して、本実施の形態のように、空管配管2の図示左端、右端の音波送信部4a,4bから同時に音波を発生し、これらの振幅位相をあらかじめ決定できる場合には、粒子速度の関係が、下記式のように定められる。
【0053】
【数3】
【0054】
この時の空管配管2の図示左端、右端の音圧比、すなわち空間伝達関数は、下記式のようになる。
【0055】
【数4】
【0056】
音速c=340m/s、受信部間距離L=6m、破損部1位置L1=0.6m、破損部1半径2cm、音響インピーダンス(密度×音速)ρc=400、振幅・位相調整においては、振幅α=1、位相は一次遅れ(直線位相遅れ)とし、遅れ時間τ=0.Lsec、すなわち位相遅れθ=2πfτとし、1000HZまでの空間伝達関数、そのインパルス応答の絶対振幅を計算すると、図3(a)(b)に示すようになる。
【0057】
図3において、インパルス応答の横軸は時間を表わし、はじめのピークは下記式に相当し、左端音波送信部からの音波が破損部で反射して受信部に到達した時間となる。
【0058】
【数5】
【0059】
また、2番目のピークは下記式に相当し、空管配管2の図示左端からの送信音波が直接、右端の音波受信部5bに到達した時間となる。
【0060】
【数6】
【0061】
なお、空管配管2に破損部1が存在しない場合、また破損部1位置L1=0.6m、1.2m、1.8mの場合には、同様にそれぞれ図4(a)(b)乃至図7(a)(b)(c)に示すようになる。
【0062】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性として空間伝達関数を計測し、当該空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に反射波伝播時間を算出するようにしているので、配管2上の破損部1位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0063】
(第3の実施の形態:請求項3、請求項5、請求項6に対応)
本実施の形態による配管破損探査装置は、前述した第1の実施の形態の配管破損探査装置において、計測部6としては、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性として、相互相関関数を計測し、算出部7としては、計測部6により計測された相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に反射波伝播時間を算出する構成としている。
【0064】
また、信号発生部3においては、周波数を変化させるスイープ信号を用いるようにしている。
【0065】
さらに、信号発生部3としては、振幅あるいは位相を複数回変化させる毎に得た相互相関関数を加算処理するようにしている。
【0066】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0067】
計測部6で、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性を、相互相関関数として計測する。
【0068】
また、算出部7で、相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に、配管2上の破損部1位置で発生する反射波伝播時間を算出する。
【0069】
以下、かかる点について、図2に示すような破損配管モデルを基に、図8に示すようなアルゴリズムを用いて詳細に説明する。
【0070】
信号発生部3から、下限周波数fa(Hz)、上限周波数fb(Hz)の範囲で、△fの周波数間隔で周波数をスイープさせる。
【0071】
この時、空管配管2の図示左端、右端の音波送信部4a,4bには、同じく、振幅α=1、位相は一次遅れ(直線位相遅れ)とし、遅れ時間τ=0.1secの信号を入力する。
【0072】
信号発生部3から周波数を変化させる毎に、計測部6で得られた相互相関関数を加算していき、スイープ発生が上限周波数fbに達し、終了した時点で、相互相関の加算値の絶対振幅を計算する。
【0073】
先に示した図2の破損配管モデルを用いて、計算した結果を示すと図9(a)(b)(c)のようになる。
【0074】
図9からわかるように、前述した第2の実施の形態に示したインパルス応答結果と比べて、一致している。
【0075】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、各音波受信部5a,5b間の空間伝播特性として相互相関関数を計測し、当該相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に反射波伝播時間を算出するようにしているので、配管2上の破損部1位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0076】
また、信号発生部3において、周波数を変化させるスイープ信号を用いるようにしているので、音波受信部5a,5bからの検出信号の対雑音特性を向上させて、配管2上の破損部1位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0077】
さらに、振幅あるいは位相を複数回変化させる毎に得た相互相関関数を加算処理するようにしているので、配管2上の破損部1位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0078】
(第4の実施の形態:請求項4に対応)
本実施の形態による配管破損探査装置は、前述した第1の実施の形態の配管破損探査装置において、信号発生部3としては、音波の振幅、位相の調整を行なう振幅・位相調整部を有し、各音波送信部4a,4bから振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管2の内部に定在波を作り、当該配管2上の破損部1位置で音圧振幅が大きくなるように振幅、位相調整する構成としている。
【0079】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0080】
信号発生部3の有する振幅、位相を調整部で、複数の音波送信部4a,4bから、振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管2内部に定在波を作り、破損部1位置で音圧振幅が大きくなるように振幅位相調整する。
【0081】
以下、かかる点について、図10に示すような解析結果を用いて詳細に説明する。
【0082】
図10は、両端が閉端の破損部1を有する配管2内部の音圧分布特性と周波数特性との解析結果の一例を示す図である。
【0083】
図10から明らかなように、破損部1において、音圧が大きい周波数ほど、破損部1が存在しない配管2に比べて、周波数のずれ、振幅のずれが共に大きくなる。
【0084】
すなわち、空間伝達特性上、破損部1の影響を受け易くなり、破損部1で反射波が発生し易くなることを意味する。
【0085】
こうした音圧最大最小の特性は、配管2の両端が閉端であることにより起こる共鳴現象である。
【0086】
配管2の図示左端から発生した音波と、その音波が右端で反射した音波とが干渉して定在波となり、音圧最大最小の部分が形成される。
【0087】
これに対して、配管2の両端が開放端の場合には、配管2の図示左端で発生した音波は、右端で反射しないことから、上記のような定在波を作り出すことはできない。
【0088】
従って、定在波を作って、その時の音圧最大位置を破損部1位置に一致させるようにする程、破損部1位置の探査精度を向上させることができる。
【0089】
以上のような理由により、前述した従来手法のように、1つの音波送信部だけでは、破損探査は可能であるが、定在波は作れず、破損位置探査精度を向上させることはできないのに対して、本実施の形態では、配管2の右端に音波送信部4bをさらに設置し、同時に音波を発生させることで、配管2の右端が上記反射波の代わりとなって、定在波を作り出すことができるようになる。
【0090】
これにより、振幅、位相の調整の仕方次第で、破損部1で音圧最大にすることができる。
【0091】
なお、この場合、破損部1は予想することは難しいが、周波数毎に、振幅、位相の調整を微調整する等することにより、破損部1で音圧最大を探すことは可能である。
【0092】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、複数の音波送信部4a,4bから振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管2の内部に定在波を作り、当該配管2上の破損部1位置で音圧振幅が大きくなるように、振幅、位相調整するようにしているので、配管2上の破損部1位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0093】
(第5の実施の形態:請求項7に対応)
本実施の形態による配管破損探査装置は、前述した第1の実施の形態の配管破損探査装置において、音波送信部4a,4bから定期的に音波を送信させて、計測部6により計測された空間伝播特性をモニタリングすることで、配管2上の破損部1位置の発生状況と破損位置を推定する構成としている。
【0094】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0095】
配管2に常設した音波送信部4a,4bから、定期的に音波を発生させ、前記音波受信部5a,5b間の空間伝播特性を計測する計測部6で得られた信号を、モニタリングする。
【0096】
すなわち、例えば、1回前の計測時には、図4に示すようであった伝達関数やインパルス応答が、図5に示すようになった場合を考える。
【0097】
伝達関数計測の段階で、波形の形が全く異なることから、異常ありと判断することが可能となる。
【0098】
そして、次のインパルス応答で、両者の違いが明確になり、さらに破損部1位置を推定することが可能となる。
【0099】
このモニタリングによる利点は、仮にはっきりインパルス応答のピークが卓越しなくても、1回前のデータとの比較で、配管2の特性変化を把握することができることである。
【0100】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、音波送信部4a,4bから定期的に音波を送信させて、計測部6で計測された空間伝播特性をモニタリングするようにしているので、仮にはっきりインパルス応答のピークが卓越しなくても、1回前のデータとの比較で、配管2上の破損部1位置の発生状況と破損位置を推定して、配管2の特性変化を把握することが可能となる。
【0101】
(第6の実施の形態:請求項8に対応)
本実施の形態による配管破損探査装置は、前述した第1の実施の形態の配管破損探査装置において、音波送信部4a,4bを、通常は情報伝達手段に使用し、当該情報伝達に異常が起こった場合に、信号発生部3から模擬信号を発生させて、配管2内部の破損部1を含む状態変化を推定する構成としている。
【0102】
次に、以上のように構成した本実施の形態による配管破損探査装置の作用について説明する。
【0103】
常設した音波送信部4a,4bを、配管監視用のみに使用せずに、通常は情報伝達手段に使用する。
【0104】
そして、当該情報伝達に異常が起こった際には、信号発生部3から模擬信号を発生させて、配管2内部の破損部1を含む状態変化を推定する。
【0105】
これにより、配管破損探査装置自体を有効利用することができる。
【0106】
上述したように、本実施の形態による配管破損探査装置では、音波送信部4a,4bは、通常は情報伝達手段に使用し、当該情報伝達に異常が起こった場合には、信号発生部3から模擬信号を発生させることにより、配管2内部の破損部1を含む状態変化を推定するようにしているので、配管破損探査装置自体を有効利用することが可能となる。
【0107】
(その他の実施の形態)
尚、本発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で、種々に変形して実施することが可能である。
また、各実施の形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合には組み合わせた作用効果を得ることができる。
さらに、上記各実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組み合わせにより、種々の発明を抽出することができる。
例えば、実施の形態に示される全構成要件から幾つかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題(の少なくとも一つ)が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果(の少なくとも一つ)が得られる場合には、この構成要件が削除された構成を発明として抽出することができる。
【0108】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の配管破損探査装置によれば、音波を使用して被検体である配管上の破損位置を検知する場合に、複数の音波送信手段から同時に音波を発生させることで、配管上の破損位置で発生する反射波伝播時間から破損位置を特定するようにしているので、配管上の破損位置の探査精度の向上を図ることが可能となる。
【0109】
また、複数の音波送信手段から振幅、位相の異なった音波を送信することで、配管の内部に定在波を作り、当該配管上の破損位置で音圧振幅が大きくなるように振幅、位相調整するようにしているので、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【0110】
さらに、信号発生手段において、周波数を変化させるスイープ信号を用いるようにしているので、音波受信手段からの検出信号の対雑音特性を向上させて、配管上の破損位置の探査精度をより一層向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態による破損探査装置の概略構成例を示すブロック図。
【図2】本発明の第2の実施の形態による破損探査装置を説明するための破損配管モデルの一例を示す図。
【図3】同第2の実施の形態による破損探査装置における破損探査結果を説明するための特性図。
【図4】同第2の実施の形態による破損探査装置における配管に破損部が存在しない場合の破損探査結果を説明するための特性図。
【図5】同第2の実施の形態による破損探査装置における破損部位置が0.6mの場合の破損探査結果を説明するための特性図。
【図6】同第2の実施の形態による破損探査装置における破損部位置が1.2mの場合の破損探査結果を説明するための特性図。
【図7】同第2の実施の形態による破損探査装置における破損部位置が1.8mの場合の破損探査結果を説明するための特性図。
【図8】本発明の第3の実施の形態による破損探査装置における反射波伝播時間を算出するためのアルゴリズムの一例を示す図。
【図9】同第3の実施の形態による破損探査装置における破損探査結果を第1の実施の形態による破損探査装置における破損探査結果と比較して示す特性図。
【図10】本発明の第4の実施の形態による破損探査装置における解析結果を説明するための概要図。
【符号の説明】
1…破損部
2…配管
3…信号発生部
4a,4b…音波送信部
5a,5b…音波受信部
6…計測部
7…算出部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a pipe breakage exploration apparatus that uses sound waves to explore a breakage position on a pipe that is a subject, and particularly relates to a pipe breakage exploration apparatus suitable for maintenance and improvement of lifelines such as gas pipes and water pipes. Is.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a damage investigation for exploring a broken position on a pipe such as a gas pipe or a water pipe, the broken position is normally detected by detecting a leak sound generated by the broken pipe. I have to.
[0003]
In addition, when the water in the pipe is drained due to a disaster or the like, water is again supplied from the outside into the pipe to cause a water leak and detect a water leak sound.
[0004]
On the other hand, with respect to exploration of breakage of an empty tube, in addition to the above-described method, a method of detecting leakage from a broken portion by injecting a robot or smoke has been proposed.
[0005]
In addition, a method for searching for a broken position on a pipe using sound waves has been proposed.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, the method as described above has a problem that the exploration accuracy is low in any of the methods.
[0007]
An object of the present invention is to provide a pipe breakage exploration device capable of improving the exploration accuracy of a breakage position on a pipe when the breakage position on the pipe that is the subject is detected using sound waves. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, in the invention corresponding to claim 1, in a pipe breakage exploration apparatus for exploring a breakage position on a pipe as a subject using sound waves, a signal generating means for generating sound waves is provided. A plurality of sound wave transmitting means that are installed inside the pipe and transmit sound waves generated by the signal generating means; and a plurality of sound wave receiving means that are installed inside the pipe so as to face each sound wave transmitting means and receive the sound waves. And a sounding means that simultaneously generates sound waves from each sound wave transmitting means and simultaneously measures spatial propagation characteristics between the sound wave receiving means based on signals detected by the sound wave receiving means, and a space measured by the measuring means. A calculation means for calculating a reflected wave propagation time generated at a damaged position on the pipe based on the propagation characteristics, the reflected wave propagation time calculated by the calculation means, the sound speed, and the distance between the sound wave receiving means; In And Zui, so that to identify the damage location on the pipe.
[0009]
Accordingly, in the pipe breakage exploration device according to the first aspect of the present invention, when a breakage position on the pipe is detected using sound waves, sound waves are simultaneously generated from a plurality of sound wave transmitting means, thereby By identifying the breakage position from the reflected wave propagation time generated at the breakage position, it is possible to improve the search accuracy of the breakage position on the pipe using the interference effect between a plurality of sound waves.
[0010]
In the invention corresponding to
[0011]
Therefore, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0012]
Furthermore, in the invention corresponding to
[0013]
Therefore, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0014]
On the other hand, in the invention corresponding to claim 4, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0015]
Therefore, in the pipe breakage exploration device according to the fourth aspect of the present invention, by transmitting sound waves having different amplitudes and phases from a plurality of sound wave transmitting means, a standing wave is created inside the pipe, By adjusting the amplitude and phase so that the sound pressure amplitude becomes large at the breakage position, the search accuracy of the breakage position on the pipe can be further improved.
[0016]
Further, in the invention corresponding to claim 5, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0017]
Therefore, in the pipe breakage exploration device according to the fifth aspect of the present invention, the signal generating means uses the sweep signal that changes the frequency, thereby improving the anti-noise characteristics of the detection signal from the sound wave receiving means, and the pipe The search accuracy of the upper broken position can be further improved.
[0018]
Furthermore, in the invention corresponding to
[0019]
Therefore, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0020]
On the other hand, in the invention corresponding to claim 7, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to
[0021]
Therefore, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to claim 7, by periodically transmitting sound waves from the sound wave transmitting means and monitoring the spatial propagation characteristics measured by the measuring means, the impulse response clearly becomes apparent. Even if the peak is not prominent, it is possible to estimate the occurrence state of the breakage position on the pipe and the breakage position by comparison with the previous data, and to grasp the characteristic change of the pipe.
[0022]
Further, in the invention corresponding to
[0023]
Therefore, in the pipe breakage exploration device of the invention corresponding to claim 8, the sound wave transmitting means is normally used for the information transmitting means, and if an abnormality occurs in the information transmitting, the simulated signal is sent from the signal generating means. By generating it, it is possible to estimate a state change including damage inside the pipe, and to effectively use the pipe damage search device itself.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the present invention, when a damaged position on a pipe as a subject is detected using sound waves, a reflected wave propagation time generated at the damaged position on the pipe is generated by simultaneously generating sound waves from a plurality of sound wave transmitting means. By identifying the breakage position from the above, the interference effect between a plurality of sound waves is utilized to improve the search accuracy of the breakage position on the pipe.
[0025]
Hereinafter, embodiments of the present invention based on the above-described concept will be described in detail with reference to the drawings.
[0026]
(First embodiment: corresponding to claim 1)
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a schematic configuration of a pipe breakage exploration apparatus for exploring a breakage position on a pipe as a subject using sound waves according to the present embodiment.
[0027]
That is, as shown in FIG. 1, the pipe breakage exploration apparatus according to the present embodiment includes a
[0028]
The
[0029]
The plurality of sound
[0030]
The plurality of sound
[0031]
The measuring
[0032]
The calculation unit 7 calculates the reflected wave propagation time generated at the position of the damaged
[0033]
Then, the position of the damaged
[0034]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0035]
In FIG. 1, a
[0036]
Furthermore, based on the measured spatial propagation characteristics, the calculation unit 7 calculates the reflected wave propagation time generated at the position of the
[0037]
Then, the position of the damaged
[0038]
As described above, by identifying the position of the damaged
[0039]
As described above, in the pipe breakage exploration apparatus according to the present embodiment, when detecting the position of the
[0040]
(Second embodiment: corresponding to claim 2)
The pipe breakage exploration apparatus according to the present embodiment is the same as the pipe breakage exploration apparatus according to the first embodiment described above, and the
[0041]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0042]
The measuring
[0043]
Further, the calculation unit 7 calculates the reflected wave propagation time generated at the position of the
[0044]
Hereinafter, this point will be described in detail using a damaged piping model as shown in FIG.
[0045]
In FIG. 2, it is assumed that the cross-sectional area of the empty pipe (all inside is air)
[0046]
When the positions of the
[0047]
[Expression 1]
[0048]
The second term of the matrix represents the transmission term of the
[0049]
Here, when the illustrated right end of the
[0050]
[Expression 2]
[0051]
Thus, although simplified by the formula, it is not very practical to make a closed end in actual piping.
[0052]
On the other hand, as in this embodiment, when sound waves are simultaneously generated from the sound
[0053]
[Equation 3]
[0054]
The sound pressure ratio at the left end and the right end of the
[0055]
[Expression 4]
[0056]
Sound velocity c = 340 m / s, distance between receivers L = 6 m, damaged
[0057]
In FIG. 3, the horizontal axis of the impulse response represents time, and the first peak corresponds to the following expression, which is the time when the sound wave from the left end sound wave transmitting part is reflected by the damaged part and reaches the receiving part.
[0058]
[Equation 5]
[0059]
The second peak corresponds to the following equation, and is the time when the transmitted sound wave from the left end of the
[0060]
[Formula 6]
[0061]
In the case where the damaged
[0062]
As described above, in the pipe breakage exploration device according to the present embodiment, an impulse obtained by measuring a spatial transfer function as a spatial propagation characteristic between the sound
[0063]
(Third Embodiment: Corresponding to
The pipe breakage exploration device according to the present embodiment is the same as the pipe breakage exploration device according to the first embodiment described above, and the
[0064]
Further, the
[0065]
Further, the
[0066]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0067]
The measuring
[0068]
Further, the calculation unit 7 calculates the reflected wave propagation time generated at the position of the
[0069]
Hereinafter, this point will be described in detail using an algorithm as shown in FIG. 8 based on a damaged piping model as shown in FIG.
[0070]
The
[0071]
At this time, the sound
[0072]
Each time the frequency is changed from the
[0073]
9A, 9B, and 9C show the calculation results using the above-described damaged piping model of FIG.
[0074]
As can be seen from FIG. 9, the result is consistent with the impulse response result shown in the second embodiment.
[0075]
As described above, in the pipe breakage exploration device according to the present embodiment, the cross-correlation function is measured as the spatial propagation characteristic between the sound
[0076]
Further, since the
[0077]
Furthermore, since the cross-correlation function obtained every time the amplitude or phase is changed a plurality of times is added, it is possible to further improve the search accuracy of the position of the damaged
[0078]
(Fourth embodiment: corresponding to claim 4)
The pipe breakage exploration device according to the present embodiment has an amplitude / phase adjustment unit that adjusts the amplitude and phase of sound waves as the
[0079]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0080]
By adjusting the amplitude and phase of the
[0081]
Hereinafter, this point will be described in detail using an analysis result as shown in FIG.
[0082]
FIG. 10 is a diagram showing an example of the analysis result of the sound pressure distribution characteristic and the frequency characteristic inside the
[0083]
As is clear from FIG. 10, in the damaged
[0084]
That is, it means that it is easily affected by the damaged
[0085]
Such a sound pressure maximum / minimum characteristic is a resonance phenomenon that occurs when both ends of the
[0086]
The sound wave generated from the left end of the
[0087]
On the other hand, when both ends of the
[0088]
Therefore, as the standing wave is made and the maximum sound pressure position at that time is made to coincide with the position of the damaged
[0089]
For the above reasons, as in the conventional method described above, it is possible to search for damage with only one sound wave transmission unit, but it is not possible to make a standing wave, and it is not possible to improve damage position search accuracy. On the other hand, in the present embodiment, a sound
[0090]
Thus, the sound pressure can be maximized at the damaged
[0091]
In this case, although it is difficult to predict the damaged
[0092]
As described above, in the pipe breakage exploration device according to the present embodiment, a standing wave is created inside the
[0093]
(Fifth embodiment: corresponding to claim 7)
The pipe breakage exploration device according to the present embodiment is a space measured by the
[0094]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0095]
A sound wave is periodically generated from the sound
[0096]
That is, for example, consider a case where the transfer function and impulse response as shown in FIG. 4 at the time of the previous measurement are as shown in FIG.
[0097]
Since the waveform shape is completely different at the transfer function measurement stage, it can be determined that there is an abnormality.
[0098]
In the next impulse response, the difference between the two becomes clear and the position of the damaged
[0099]
The advantage of this monitoring is that the characteristic change of the
[0100]
As described above, in the pipe breakage exploration apparatus according to the present embodiment, the sound
[0101]
(Sixth embodiment: corresponding to claim 8)
The pipe breakage exploration device according to the present embodiment is the same as the pipe breakage exploration device of the first embodiment described above, but the sound
[0102]
Next, the operation of the pipe breakage exploration device according to the present embodiment configured as described above will be described.
[0103]
The permanent
[0104]
When an abnormality occurs in the information transmission, a simulation signal is generated from the
[0105]
Thereby, the piping breakage survey apparatus itself can be used effectively.
[0106]
As described above, in the pipe breakage exploration device according to the present embodiment, the sound
[0107]
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention at the stage of implementation.
In addition, the embodiments may be combined as appropriate as possible, and in that case, the combined effects can be obtained.
Further, the above embodiments include inventions at various stages, and various inventions can be extracted by appropriately combining a plurality of disclosed constituent elements.
For example, even if some constituent requirements are deleted from all the constituent requirements shown in the embodiment, the problem (at least one) described in the column of the problem to be solved by the invention can be solved, and the effect of the invention can be solved. When (at least one of) the effects described in the column can be obtained, a configuration in which this configuration requirement is deleted can be extracted as an invention.
[0108]
【The invention's effect】
As described above, according to the pipe breakage exploration apparatus of the present invention, when a breakage position on a pipe as a subject is detected using sound waves, sound waves are generated simultaneously from a plurality of sound wave transmitting means. Since the damaged position is specified from the reflected wave propagation time generated at the damaged position on the pipe, it is possible to improve the search accuracy of the damaged position on the pipe.
[0109]
Also, by transmitting sound waves with different amplitudes and phases from a plurality of sound wave transmission means, a standing wave is created inside the pipe, and the amplitude and phase are adjusted so that the sound pressure amplitude increases at the damaged position on the pipe. Therefore, it is possible to further improve the accuracy of searching for a damaged position on the pipe.
[0110]
Furthermore, since the signal generating means uses a sweep signal that changes the frequency, the noise detection characteristic of the detection signal from the sound wave receiving means is improved, and the accuracy of searching for a damaged position on the pipe is further improved. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration example of a damage surveying apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a damaged piping model for explaining a damage search device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining a damage search result in the damage search apparatus according to the second embodiment;
FIG. 4 is a characteristic diagram for explaining a damage search result when a damaged portion is not present in a pipe in the damage search apparatus according to the second embodiment;
FIG. 5 is a characteristic diagram for explaining a damage search result when the position of a damaged portion is 0.6 m in the damage search apparatus according to the second embodiment;
FIG. 6 is a characteristic diagram for explaining a damage search result when the position of a damaged portion is 1.2 m in the damage search apparatus according to the second embodiment.
FIG. 7 is a characteristic diagram for explaining a damage search result when the position of a damaged portion is 1.8 m in the damage search apparatus according to the second embodiment.
FIG. 8 is a diagram showing an example of an algorithm for calculating a reflected wave propagation time in a damage exploration device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a damage search result in the damage search apparatus according to the third embodiment in comparison with a damage search result in the damage search apparatus according to the first embodiment;
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining an analysis result in the damage investigation device according to the fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Damaged part
2 ... Piping
3 ... Signal generator
4a, 4b ... sound wave transmitter
5a, 5b ... sound wave receiver
6 ... Measurement unit
7: Calculation unit.
Claims (8)
音波を生成する信号発生手段と、
前記配管の内部に設置され、前記信号発生手段により生成された音波を送信する複数の音波送信手段と、
前記配管の内部に前記各音波送信手段と対向して設置され、音波を受信する複数の音波受信手段と、
前記各音波送信手段から同時に音波を発生させて、同時に前記各音波受信手段で検出した信号に基づいて、前記各音波受信手段間の空間伝播特性を計測する計測手段と、
前記計測手段により計測された空間伝播特性に基づいて、前記配管上の破損位置で発生する反射波伝播時間を算出する算出手段とを備え、
前記算出手段により算出された反射波伝播時間と、音速と、前記各音波受信手段間の距離とに基づいて、前記配管上の破損位置を特定するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In a pipe breakage exploration device that uses sound waves to find the breakage position on the pipe that is the subject,
Signal generating means for generating sound waves;
A plurality of sound wave transmitting means installed inside the pipe and for transmitting sound waves generated by the signal generating means;
A plurality of sound wave receiving means installed inside the pipe so as to face each of the sound wave transmitting means, and receiving sound waves;
Measuring means for simultaneously generating sound waves from the respective sound wave transmitting means and measuring spatial propagation characteristics between the sound wave receiving means based on signals simultaneously detected by the sound wave receiving means;
Based on the spatial propagation characteristics measured by the measuring means, comprising a calculating means for calculating the reflected wave propagation time generated at the breakage position on the pipe,
A pipe breakage exploration device characterized in that the breakage position on the pipe is specified based on the reflected wave propagation time calculated by the calculation means, the sound velocity, and the distance between the sound wave receiving means. .
前記計測手段としては、前記各音波受信手段間の空間伝播特性として空間伝達関数を計測し、
前記算出手段としては、前記計測手段により計測された空間伝達関数を逆フーリエ変換することで得られるインパルス応答関数の振幅ピーク値を基に反射波伝播時間を算出するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
As the measuring means, a spatial transfer function is measured as a spatial propagation characteristic between the sound wave receiving means,
The calculation means is characterized in that a reflected wave propagation time is calculated based on an amplitude peak value of an impulse response function obtained by performing an inverse Fourier transform on the spatial transfer function measured by the measurement means. Pipe breakage detector.
前記計測手段としては、前記各音波受信手段間の空間伝播特性として相互相関関数を計測し、
前記算出手段としては、前記計測手段により計測された相互相関関数で卓越した振幅発生時間を基に反射波伝播時間を算出するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
As the measuring means, a cross-correlation function is measured as a spatial propagation characteristic between the sound wave receiving means,
The pipe breakage exploration apparatus characterized in that, as the calculating means, the reflected wave propagation time is calculated based on the amplitude generation time that is excellent by the cross-correlation function measured by the measuring means.
前記信号発生手段としては、音波の振幅、位相の調整を行なう振幅・位相調整部を有し、
前記各音波送信手段から振幅、位相の異なった音波を送信することで、前記配管の内部に定在波を作り、当該配管上の破損位置で音圧振幅が大きくなるように振幅、位相調整するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
As the signal generating means, it has an amplitude / phase adjustment unit for adjusting the amplitude and phase of a sound wave,
By transmitting sound waves having different amplitudes and phases from each of the sound wave transmitting means, a standing wave is created inside the pipe, and the amplitude and phase are adjusted so that the sound pressure amplitude becomes large at the damaged position on the pipe. A pipe breakage exploration device characterized by that.
前記信号発生手段としては、周波数を変化させるスイープ信号を用いるようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
A pipe breakage exploration device characterized in that a sweep signal that changes the frequency is used as the signal generating means.
前記信号発生手段としては、振幅あるいは位相を複数回変化させる毎に得た相互相関関数を加算処理するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to any one of claims 1, 3, or 5,
As the signal generating means, a pipe breakage exploration apparatus characterized in that the cross-correlation function obtained every time the amplitude or phase is changed a plurality of times is added.
前記音波送信手段から定期的に音波を送信させて、前記計測手段により計測された空間伝播特性をモニタリングすることで、前記配管上の破損位置の発生状況と破損位置を推定するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
By periodically transmitting sound waves from the sound wave transmitting means and monitoring the spatial propagation characteristics measured by the measuring means, it is possible to estimate the occurrence state and the break position of the break position on the pipe. A pipe breakage exploration device.
前記音波送信手段としては、通常は情報伝達手段に使用し、当該情報伝達に異常が起こった場合に、前記信号発生手段から模擬信号を発生させて、前記配管内部の破損を含む状態変化を推定するようにしたことを特徴とする配管破損探査装置。In the piping breakage exploration device according to claim 1,
The sound wave transmission means is normally used for information transmission means, and when an abnormality occurs in the information transmission, a simulated signal is generated from the signal generation means to estimate a state change including damage inside the pipe. A pipe breakage exploration device characterized by that.
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JP2013253836A (en) * | 2012-06-06 | 2013-12-19 | Natl Inst For Land & Infrastructure Management Mlit | Gas leak detection device |
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JP2004061361A (en) | 2004-02-26 |
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