JP4306409B2

JP4306409B2 - 配管の漏洩位置検知方法および装置

Info

Publication number: JP4306409B2
Application number: JP2003372522A
Authority: JP
Inventors: 和久壁矢; 知充野村
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2009-08-05
Anticipated expiration: 2023-10-31
Also published as: JP2005134300A

Description

本発明は、上水道管における漏水検知など配管網の漏洩検知に関するものである。

水道管、ガス管などの配管網における漏洩を早期に検知し、その漏洩の継続を阻止することは、省資源あるいは重大災害防止の観点から極めて重要である。

上水道における漏水を検知する方法としては、従来、音聴棒を用いる方法が一般的に使われてきた。これは作業者が音聴棒の一端を埋設された水道管に押し当てたり、消火栓など地上に露出している部分に接触させたりして、音聴棒から伝わる振動音を聞き取り、その音から漏水の有無を判断する方法である。

しかし、この方法では作業者の感覚を主体に漏水の判断を行うため能率が悪く、また漏水個所を精度良く特定できないという問題があった。さらに、漏水音と他の雑音との区別が難しいため、熟練技術を要したり、雑音の少ない深夜の作業を強いられたりする問題もあった。

これらの問題を解決するため、最近では振動センサを用いて配管を伝播してきた漏水音を検知し、その情報に、ある信号処理を施すことで、漏水の有無および発生位置を特定する方法が提案されており、漏水検知システムとして商品化もされている。

図４は、上述の、振動センサを用いて漏水音を検知し、その情報に信号処理を施すことで、漏水の発生位置を特定する方法を説明する図である。

配管１上の距離Ｌだけ離れた２点に振動センサ２ａと振動センサ２ｂを設置する。もしも漏水位置３で漏水が起こると漏水音が発生し、配管１を伝播して、振動センサ２ａおよび振動センサ２ｂで検知することができる。一般に漏水音は不規則な変化を示す雑音なので、振動センサ２ａおよび振動センサ２ｂで検知される信号の相互相関関数を求めれば、漏水位置３から振動センサ２ａおよび振動センサ２ｂに漏水音が到達するまでの時間差Δｔを算出することができる。漏水音の伝播速度をｖとし、振動センサ２ａへの到達の方が早い（振動センサ２ａの方が漏水位置３に近い）とすると、振動センサ２ｂから漏水位置３までの距離Ｌ_bは振動センサ２ａから漏水位置３までの距離Ｌ_aよりもｖΔｔだけ長いことになる。したがって、振動センサ２ａから漏水位置３までの距離Ｌ_aは次式により求めることができる。すなわち、
Ｌ＝Ｌ_a＋Ｌ_b＝Ｌ_a＋（Ｌ_a＋ｖΔｔ）
の関係から、
Ｌ_a＝（Ｌ−ｖΔｔ）／２
となる。これにより、漏水の発生位置を特定することができることになる。

しかしながら、現実の配管網では、多くの場合、漏水音以外の様々な雑音も混入するため、相互相関関数処理によって得られるピークが明瞭でないことが多い。それゆえ、到達時間差Δｔの正確な導出が困難となり、漏水位置３の特定ができないという問題があった。

そこで、図８に示すように、相互相関関数処理の前処理として、振動センサによる検知信号に、ある特定の周波数特性を持ったバンドパスフィルタを通すことで、漏洩音以外の雑音を除去し、漏洩位置特定の可能性を高める方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１１−２１０９９９号公報

しかし、雑音の周波数成分は、測定環境によって千差万別であるので、カットオフ周波数を適切に選択しなければ効果は期待できない。前記の特許文献１に記載の方法においては、予めいくつかのカットオフ周波数を設定し、異なったカットオフ周波数を有するバンドパスフィルタを通した信号を用いた相互相関関数処理の結果を比較し、良さそうな結果を採用する手法を提案しているが、予め設定するカットオフ周波数の中に適切な組み合わせがある保証はないので、充分な雑音除去ができず、漏洩位置を特定できないこともある。設定するカットオフ周波数の組み合わせを増やせば、漏洩位置検知性能は上がるが、多大なフィルタ処理や比較処理を必要とするので、非効率となる。

本発明は、かかる事情を鑑みてなされたものであり、水道管やガス管など流体を輸送する配管網からの漏洩の位置を、配管に沿って設置した複数の振動センサにより検知した漏洩音の信号の相互相関関数処理を用いて特定する方法において、振動センサに漏洩音以外の雑音が混入する場合にも漏洩音成分を確実に抽出することで、漏洩位置の特定を効率的かつ精度良く行うことができる漏洩位置検知方法および装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、まず本発明者らは振動センサに混入する漏洩音以外の雑音について調査することにした。調査は工場地域に埋設された水道管を対象に行った。

意図的に漏水を発生させ、振動センサが捉える漏水音とそれ以外の雑音との大小関係や周波数帯域などを調べたところ、様々な設備から発生する雑音が漏水音のレベルよりも遥かに大きく、さらに雑音の周波数帯が対象によって千差万別なことが分かった。従来の相互相関関数法による漏水位置の特定ができないのはもちろんのこと、漏水有無の判断すら困難なケースもあった。

そこで、送水圧を変化させて、振動センサが捉える信号がどのように変化するかを調べてみた。信号を周波数分析し、それぞれの送水圧におけるパワースペクトルを比較すると、ある特定の周波数帯域でレベルの変化が見られた。一般に送水圧を上げると、漏水個所で発生する漏水音・振動は大きくなるの対して、配管周辺の設備などから発生する雑音は送水圧に依存しないことから、前記のレベル変化は漏水に起因するものであり、レベル変化が見られた周波数帯域に漏水音の成分がより多く含まれていると考えることができる。

本発明者らは、この現象を利用して漏洩音信号を抽出することを思いついた。具体的には、異なる流体輸送圧力水準のもとで振動センサによって捉えた信号のパワースペクトルを比較し、レベル変化が大きい周波数帯域を漏洩音信号成分と見なし、その周波数帯域の信号成分をバンドパスフィルタなどで抽出し、抽出した信号を用いて漏洩位置の特定を図ろうとするものである。

以上により、本発明は次のように構成されている。

［１］液体を輸送する配管網から液体が漏洩した位置を、振動センサにより測定した音信号を用いて検知する漏洩位置検知方法であって、配管の一部または配管の近傍に複数の振動センサを設置し、前記複数の振動センサを用いて異なる２水準以上の０を含む正の液体輸送圧力のもとで測定した音信号の大きさを周波数領域で比較し、信号の大きさの変化が相対的に大きい周波数成分をバンドパスフィルタによって抽出し、抽出した周波数成分の信号に対して相互相関関数演算を施して、その周波数成分の信号が前記複数の振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から液体の漏洩位置を特定することを特徴とする配管の漏洩位置検知方法。

［２］液体を輸送する配管網から液体が漏洩した位置を、振動センサにより測定した音信号を用いて検知する漏洩位置検知装置であって、配管の一部または配管の近傍に設置した複数の振動センサと、異なる２水準以上の０を含む正の液体輸送圧力のもとで前記複数の振動センサによって測定した音信号の大きさを周波数領域で比較する信号比較手段と、信号の大きさの変化が相対的に大きい周波数成分をバンドパスフィルタによって抽出する信号抽出手段と、抽出した周波数成分の信号に対して相互相関関数演算を施して、その周波数成分の信号が前記複数の振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から液体の漏洩位置を特定する漏洩位置特定手段とを有することを特徴とする配管の漏洩位置検知装置。

なお、上記［１］［２］において、「配管の一部に」は、配管そのものだけでなく、消火栓などの配管と直結した部分も含んでいる。「配管の近傍に」は、信号が検知できるところ、例えば、配管が埋設されている直上の地表面や、配管が埋設されている個所に近い地中などを指している。

また、「流体輸送圧力」としては、流体を輸送していない状態（場合によっては圧力ゼロ）も含んでいる。

本発明によれば、流体を輸送する配管網からの流体漏洩を音信号によって検知するに際して、周囲に雑音を発生する設備や機械が存在し、漏洩音がその雑音に埋もれてしまって従来技術では漏洩検知が困難な環境下においても、流体輸送圧力の変化によって漏洩音の大きさが変化することを利用して、測定された音信号から漏洩音成分を的確に抽出することができるので、漏洩位置の特定を精度良く行うことが可能となる。

本発明の一実施形態として、本発明を地中埋設水道配管網に適用した場合について、図１〜図３を用いて説明する。

まず、図２は本発明の一実施形態における振動センサの配置状態を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

図２において、配管１の一部に間隔をおいて２つの振動センサ２ａと振動センサ２ｂが設置されている。地中埋設水道配管の場合、地中の配管に直接振動センサを設置するのは困難な場合が多いが、消火栓など配管１と直結した部分が、ある間隔をおいて地上に露出していることも多いので、その部分に振動センサ２ａと振動センサ２ｂを設置すれば良い。

図３は本発明の一実施形態における振動センサの他の配置状態を示す図である。（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。

図３においては、配管１が埋設されている直上の地表面に間隔をおいて２つの振動センサ２ａと振動センサ２ｂが設置されている。埋設深さが比較的浅く、漏水音が地表面に十分伝わる場合には、配管１と直結した部分でなく、このような配管１の近傍に振動センサ２ａと振動センサ２ｂを設置しても良い。

また、配管１からの漏水音が十分伝わる範囲内であれば、配管１が埋設されている個所に近い地中に振動センサ２ａと振動センサ２ｂを設置しても良い。

そして、図１は本発明の一実施形態における配管の漏洩位置検知の手順を示す流れ図である。

図１に示すように、この実施形態における漏洩位置検知の手順は以下の通りである。
（Ｓ１）２個の振動センサを、図２又は図３に示すように、配管の一部あるいは近傍に間隔をおいて設置する。
（Ｓ２）流体（ここでは水）の輸送圧力（ここでは送水圧）を設定する。
（Ｓ３）設定した流体輸送圧力のもとでの振動センサの時刻歴信号を収録する。
（Ｓ４）流体輸送圧力を変更し、Ｓ２〜Ｓ３を繰り返す。必要な回数繰り返したらＳ５に移る。通常は、流体輸送圧力の変更は２水準で十分である。
（Ｓ５）収録した時刻歴信号を周波数解析し、パワースペクトルを求める。
（Ｓ６）異なった流体輸送圧力におけるパワースペクトルを比較する。
（Ｓ７）レベル変化の大きな帯域に注目し、バンドパスフィルタのカットオフ周波数を決める。
（Ｓ８）レベルが大きい方の流体輸送圧力における信号にバンドパスフィルタをかけ、漏洩音成分を抽出する。
（Ｓ９）バンドパスフィルタをかけた時刻歴信号を用いて相互相関関数演算を行う。
（Ｓ１０）相互相関関数から伝播時間差を求め、漏洩位置を算出する。

このようにして、この実施形態においては、流体輸送圧力の変化によって漏洩音の大きさが変化することを利用して、異なる流体輸送圧力のもとで測定した音信号から、信号のレベルの変化が大きい周波数帯域に着目し、その周波数帯域に対応してバンドパスフィルタのカットオフ周波数を設定しているので、漏洩音成分を抽出するためのカットオフ周波数を適切に設定することができる。その結果、測定された音信号から漏洩音を的確に抽出することができ、その漏洩音に基づいて漏洩位置を精度良く特定することができる。

これに対して、図８に示した従来技術では、予め推測でカットオフ周波数を設定するので、的確に漏洩音を抽出できる保証はなく、場合によっては、予め設定した周波数帯が適切でないために雑音を除去することができず、正確な漏洩位置の検知ができないということになる。

本発明の実施例として、本発明の一実施形態に係る漏洩位置検知方法と、図８に示した従来の漏洩位置検知方法とを具体例を用いて比較することで、本発明の優位性を説明する。

図５は、この実施例における地中埋設水道配管に対する振動センサの配置と漏水位置の関係を示す図である。漏水位置を挟むように、振動センサＣＨ１と振動センサＣＨ２がそれぞれ埋設配管に直結した消火栓の地上露出部に設置されており、振動センサＣＨ１と振動センサＣＨ２との距離は１１７ｍで、漏水位置と振動センサＣＨ１との距離は６６．５ｍとなっている。

上記のような条件のもとで、図１に示した本発明の一実施形態によって漏水位置を検知した結果を図６と図７に示す。

まず、図６は、送水圧が０．３ｋｇｆ／ｃｍ²（低送水圧）の場合に測定した信号のパワースペクトルと、送水圧を１．０ｋｇｆ／ｃｍ（高送水圧）にした場合に測定した信号のパワースペクトルとを比較したものを示している。図６（ａ）は振動センサＣＨ１の測定信号であり、図６（ｂ）は振動センサＣＨ２の測定信号である。低送水圧時の測定信号と高送水圧時の測定信号を比較すると、振動センサＣＨ１及び振動センサＣＨ２が測定したいずれの信号とも４００〜７００Ｈｚの周波数帯域において、高送水圧時のレベルが低送水圧時に比べて上がっていることが分かる。すなわち、４００〜７００Ｈｚの周波数帯域において、送水圧の違いによる信号のレベルの変化が他の周波数帯域に比べて相対的に大きいことが分かる。このことから、４００〜７００Ｈｚの周波数帯域に漏水音の成分がより多く含まれていると判断される。

そして、図７は、上述の情報に基づいて、４００〜７００Ｈｚの周波数成分を通過させるバンドパスフィルタを用いて高送水圧時の信号から漏水音成分を抽出し、抽出した高送水圧時の漏水音成分に対して相互相関関数演算を施したものである。図中の縦軸は相互相関関数を２乗した値であるが、明瞭なピークが現われており、そのピーク位置から、振動センサＣＨ１に対する振動センサＣＨ２への遅延時間が−１３．７５ｍｓであることが分かる。すなわち、振動センサＣＨ２の方に振動センサＣＨ１よりも漏水音が１３．７５ｍｓ早く到達していることを示している。

その結果、この水道配管中を伝わる音の伝播速度は１２３０ｍ／ｓであることから、振動センサＣＨ１から漏水位置までの距離は、
（１１７−１２３０×（−１３．７５×１０^-3））／２＝６６．９ｍ
と算出され、実際の漏水位置６６．５ｍに極めて近い値が導かれている。

これに対して、同様の条件のもとで、図８に示した従来の漏洩位置検知方法によって漏水位置を検知した結果を図９に示す。

図９では、バンドパスフィルタとして、予め推測で設定した１０００〜１５００Ｈｚの周波数成分を通過させるバンドパスフィルタを用いており、それで得られた周波数成分に相互相関関数演算を施したものからは、明瞭なピークを特定することが困難である。その結果、振動センサＣＨ１に対する振動センサＣＨ２への遅延時間を求めることはできない。したがって、漏水位置を推定することも不可能である。

このことから、本発明の漏洩位置検知方法が従来技術に比べて優れた性能を有していると言える。

本発明の漏洩位置検知方法の手順を示す流れ図である。本発明の一実施形態における振動センサの配置を示す図である。本発明の一実施形態における振動センサの他の配置を示す図である。相互相関関数を用いた漏洩位置検知の方法を説明するための図である。本発明の実施例における振動センサと漏水位置の関係を示す図である。本発明の実施例において求めたパワースペクトルの変化を示す図である。本発明の実施例において求めた相互相関関数を示す図である。従来技術の説明図である。従来技術によって求めた相互相関関数を示す図である。

符号の説明

１配管
２ａ、２ｂ振動センサ
３漏洩位置

Claims

液体を輸送する配管網から液体が漏洩した位置を、振動センサにより測定した音信号を用いて検知する漏洩位置検知方法であって、配管の一部または配管の近傍に複数の振動センサを設置し、前記複数の振動センサを用いて異なる２水準以上の０を含む正の液体輸送圧力のもとで測定した音信号の大きさを周波数領域で比較し、信号の大きさの変化が相対的に大きい周波数成分をバンドパスフィルタによって抽出し、抽出した周波数成分の信号に対して相互相関関数演算を施して、その周波数成分の信号が前記複数の振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から液体の漏洩位置を特定することを特徴とする配管の漏洩位置検知方法。
液体を輸送する配管網から液体が漏洩した位置を、振動センサにより測定した音信号を用いて検知する漏洩位置検知装置であって、配管の一部または配管の近傍に設置した複数の振動センサと、異なる２水準以上の０を含む正の液体輸送圧力のもとで前記複数の振動センサによって測定した音信号の大きさを周波数領域で比較する信号比較手段と、信号の大きさの変化が相対的に大きい周波数成分をバンドパスフィルタによって抽出する信号抽出手段と、抽出した周波数成分の信号に対して相互相関関数演算を施して、その周波数成分の信号が前記複数の振動センサのそれぞれに到達する時間の差を算出し、その時間差から液体の漏洩位置を特定する漏洩位置特定手段とを有することを特徴とする配管の漏洩位置検知装置。