JPH07229876A - 音波による導管内ガスの識別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 掘削して露出した導管がガス管か否かを現場
で容易に識別する。 【構成】 信号発生装置５によって送波器３が駆動され
ると、導管１に向かって、導管１の共振周波数で振動す
る音波がパルス状に１μ秒間発信される。発信された送
信波Ｓ１のうち、一部の音波は透過波Ｓｔとして導管１
内を透過する。導管１の共振周波数から予め定める周波
数だけずれた周波数で振動する音波が同様に発信され
る。発信された送信波Ｓ２は、導管１の表面および管材
質中を伝搬する。送信波Ｓ１，Ｓ２は受波器４で受信さ
れる。受信信号は、それぞれ信号増幅器６を介して信号
解析装置７に入力される。信号解析装置７で、上記２つ
の入力結果の差がとられ、導管１内を透過する透過波Ｓ
ｔの信号のみが検出される。同時に、透過波Ｓｔの時間
遅れを計測し、媒質２内での音速を算出する。音速の違
いから、媒質２を特定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土壌の掘削工事などに
おいて、露出した導管がガス管として使用中か否かを識
別するための音波による導管内ガスの識別方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】地中には都市ガスの供給管や上下水道管
などの導管が埋設されている。新たに土壌の掘削工事を
行うようなときには、埋設されているガス管が露出す
る。ガス管が露出したようなときには、危険防止のため
の保安処置を取る必要がある。しかしながら、掘削して
露出した導管がガス管であるか否か、さらに使用中の活
管であるか否かは識別が困難である。

【０００３】従来からの識別方法としては、電磁誘導
式パイプロケータによる方法と、穿孔による方法が取
られている。の方法では、導管に信号電流を流しなが
ら、ガス管であることが確認されている地点から信号電
流によって発生する磁界を検出して、埋設管の位置を追
跡し、露出している導管に至ればガス管であると判断す
る。の方法では、導管に直接孔をあけ、ガスが出てく
るか否かで確認する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】導管がガス管であるか
否かを識別するための方法としては、従来から前述のよ
うに２つの方法が取られている。しかし、のパイプロ
ケータによる方法は、ガス管が別の管と接触あるいは近
傍に配管されているとき、あるいは機能していない管が
隣接しているようなときには、地図情報を基にするだけ
では識別することができない。また導管の追跡中に、埋
設管の地上位置に建設物がある場合には、追跡は困難と
なる。の穿孔による方法は、穿孔作業と、確認後の復
旧作業とが必要となり、決して効率的な方法ではない。
さらに穿孔中にガスが流出したりするので、避けたい方
法である。

【０００５】本発明の目的は、掘削して露出した導管が
ガス管か否かを現場で容易に識別することができる音波
による導管内ガスの識別方法を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、導管の管厚を
音波を用いて測定し、測定した管厚に基づいて導管の共
振周波数を算出し、共振周波数で振動する音波と予め定
める周波数だけ前記共振周波数からずれた周波数で振動
する音波とを、導管の外周面上から導管内に向けて発信
し、発信位置と対向する外周面上で音波を受信し、前記
共振周波数の信号と前記共振周波数からずれた周波数の
信号との差から導管内を伝搬した透過信号を検出し、検
出された透過信号の伝搬時間を求めて、導管内ガスの識
別を行うことを特徴とする音波による導管内ガスの識別
方法である。

【０００７】また本発明は、導管の管厚を音波を用いて
測定し、測定した管厚に基づいて導管の共振周波数を算
出し、共振周波数で振動する音波と予め定める周波数だ
け共振周波数からずれた周波数で振動する音波とを、導
管の外周面上から導管内に向けて発信し、発信位置とを
対向する側の導管の内周面で反射する音波を発信位置で
受信し、前記共振周波数の信号と前記共振周波数からず
れた周波数の信号との差から導管内を伝搬した反射信号
を検出し、検出された反射信号の時間を求めて、導管内
ガスの識別を行うことを特徴とする音波による導管内ガ
スの識別方法である。

【０００８】

【作用】本発明に従えば、２種類の音波を導管の外周面
上から導管内に向けて発信する。１つは、導管の共振周
波数で振動する音波であり、もう１つは前記共振周波数
から予め定める周波数だけずれた周波数で振動する音波
である。導管内の気体と鋼とは音響抵抗が大きく異なる
ため、導管外部からの音波は、管と気体との界面におい
てほとんど反射する。導管の共振周波数の音波は、導管
を共振させ、界面を透過する。前記導管の共振周波数を
求めるためには、導管の管厚を音波を用いて測定する。
測定した管厚に基づいて導管の共振周波数が算出され
る。

【０００９】導管の共振周波数で振動する音波は、導管
の表面または管材質中を伝搬するとともに、導管内側の
媒質内を透過する。導管の共振周波数から予め定める周
波数だけずれた周波数で振動する音波は、導管内側の媒
質内を透過せず、導管の表面または管材質中のみを伝搬
する。前記両者の音波を発信位置と対向する導管の外周
面上で受信する。受信された前記共振周波数の信号と、
前記共振周波数からずれた周波数の信号との差をとれ
ば、音波が導管内側の媒質内を透過する透過信号を検出
することができる。検出された透過信号に対応する音波
の音速は、導管内側の媒質の種類によって異なる。透過
信号の伝搬時間を基にして、媒質中を伝搬する音波の音
速を求めることによって、導管内ガスの識別を行うこと
ができる。

【００１０】また本発明に従えば、２種類の音波を導管
の外周面上から導管内に向けて発信する。１つは、導管
の共振周波数で振動する音波であり、もう１つは前記共
振周波数から予め定める周波数だけずれた周波数で振動
する音波である。導管の共振周波数で振動する音波は、
導管内側の媒質内を透過し、発信位置と対向する側の導
管の内周面で反射する。導管の共振周波数から予め定め
る周波数だけずれた周波数で振動する音波は、導管内側
の媒質内を透過せず、導管の表面または管材質中のみを
伝搬する。前記両者の音波を発信位置で受信する。受信
された前記共振周波数の信号と、前記共振周波数からず
れた周波数の信号との差をとれば、導管内側の媒質内を
通過し導管の内周面で反射される反射信号を検出するこ
とができる。検出された反射信号に対応する音波の音速
は、導管内側の媒質の種類によって異なる。透過信号の
伝搬時間を測定し、媒質中を伝搬する音波の音速を求め
ることによって、導管内ガスの識別を行うことができ
る。

【００１１】また、反射信号を発信位置で受信するの
で、送受信を１ケ所で行うことができる。したがって、
導管の内周面の一部のみを露出させるだけで、導管内ガ
スの識別を行うことができる。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例の概略的な構成を
示す。導管１の媒質２を識別するために、導管１の外周
面には送波器３が配置される。導管１の外周面で、軸線
を挟んで対向する側には、受波器４が配置される。送波
器３は、信号発生装置５によって駆動される。送波器３
が駆動されると、導管１に向かって導管１の共振周波数
で振動する音波がパルス状に１μ秒間発信される。発信
された送信波Ｓ１のうち、一部の音波は横波または表面
波Ｓｈとして導管表面または管材質中を伝搬するが、一
部の音波は、透過波Ｓｔとして導管１内を透過する。受
波器４からの受信出力は、信号増幅器６で増幅される。
音波Ｓｈは、導管の管体を伝送媒体として伝わる。音波
Ｓｔは、媒質２を伝送媒体として伝送し、受波器４で受
信される。その後、マイクロコンピュータなどの演算処
理回路を含んで実現される信号解析装置７に入力され
る。

【００１３】導管１の共振周波数から予め定める周波数
だけずれた周波数で振動する音波が、同様に発信され
る。発信された送信波Ｓ２は、横波または表面波Ｓｈと
して、導管１の表面および管材質中を伝搬して受波器４
に受信される。受波器４からの受信出力は、信号増幅器
６を介して信号解析装置７に入力される。信号解析装置
７では、上記２つの入力結果の差がとられ、導管１内を
透過する透過波Ｓｔの信号のみが検出される。

【００１４】信号解析装置７は、透過波Ｓｔの時間遅れ
を計測し、媒質２内での音速を算出する。算出された音
速から媒質２を特定することができる。送波器３および
受波器４は、圧電素子などを含むトランジューサであ
り、シリコンゴムなどの整合層９．１０を介して導管１
の外周面に接合される。送波器３および受波器４は、導
管１の外周面で軸線を挟んで対向させて配置される。し
たがって、送波器３から発信され、受波器４で受信され
る音波が導管１内を透過する経路は最短となる。こうし
て音波の減衰を最小にして、受波器４で受信される音波
の信号強度を最大にすることができる。

【００１５】空気と導管１の材料である鋼とは音響抵抗
が大きく違う。そのため通常では、外部からの音波は導
管１とガス表面との境界でほとんど反射してしまう。し
かし空気中での音速はほぼ３．４×１０² （ｍ／ｓ）で
あり、ガスはその主体であるメタン（ＣＨ₄）中での音
速４．５×１０²（ｍ／ｓ）に近い。このような差があ
るので、音波を管内に伝搬させることができれば、この
差によって管内の媒質を識別することが可能になる。外
部から与えた音波と導管１とが共振を起こすとき、音波
が導管１内を伝搬する。

【００１６】具体的には、導管の厚さをｄ、音波の波長
をλ、音波の周波数をｆ、導管１の管材質中での音速を
ｃとすると，ｍを正の整数とし次の第１式が成立すると
き音波が管内を透過する。

【００１７】 ｄ ＝ ｍλ ／ ２ ＝ ｍｃ ／ ２ｆ …（１） 第１式を周波数ｆについて書き直すと、次の第２式のよ
うになる。

【００１８】 ｆ ＝ ｍｃ ／ ２ｄ …（２） ところが現実には音響抵抗が５桁程度違うため、透過率
はｄまたはｆに対して敏感であり、ｄまたはｆには同程
度の精度が要求される。また、気体中では縦波しか存在
しないけれども、固体中では横波や表面波といった複数
のモードが存在するので、信号処理が難しくなる。この
ため本実施例では、第２式で表わされる導管の共振周波
数を求めるため、導管の厚さを音波を用いて測定する。
測定した管厚に基づいて、導管の共振周波数が第２式か
ら算出される。次に、算出された共振周波数で振動する
音波、および共振周波数から予め定める周波数だけずれ
た周波数で振動する音波を導管１内に向けて発信する。
受信された両者の音波の差をとることによって、導管１
内の透過波を検出する。送波と受波との時間差から伝搬
時間を算出する処理によって、導管１内を伝搬する透過
波の速度を求め、媒質２の物質の識別を行う。

【００１９】さらに、送波器３または受波器４と導管と
の間に整合層９，１０を設ける。整合層９，１０には、
音響抵抗が空気よりも大きく導管の材質である鋼よりも
小さい物質を用いる。整合層９，１０の物質として、た
とえば表１の物質が用いられる。

【００２０】

【表１】

【００２１】この中でも、シリコンゴムは固体であるた
め、整合層の厚さを特定し易いなどの利点を有し、使用
されやすい。整合層９，１０を設けることによって、導
管内に入射できる音波の周波数帯域を広げることができ
る。これによって、導管の厚さｄが微妙に変化しても、
音波を送波器３から導管１内に容易に入射させることが
できる。

【００２２】本実施例において、整合層９，１０にシリ
コンゴムを用いた場合、導管の共振周波数±３ｋＨｚで
振動する音波が導管１内を透過することができた。これ
によって、管厚が約１％変化しても音波を導管１内に透
過させることができ実用的測定ができる。

【００２３】図２は、導管１の共振周波数で振動する音
波の信号強度を示すグラフである。図２は、導管の直径
６００ｍｍ、管厚１０ｍｍのとき、共振周波数２９０ｋ
Ｈｚを中心に半値幅１０ｋＨｚの帯域幅をもつ音波を、
パルス状に１０μ秒間発信させたときの受信結果を表
す。導管１の共振周波数で振動する音波は、管内の媒質
中を透過する。しかし、前記音波には導管表面および管
材質中を伝搬する横波および表面波も含まれている。そ
のため、図２に示される信号には、管内を透過する音波
の信号以外にも、導管表面および管材質中を伝搬する音
波の信号が含まれる。

【００２４】図３は、導管１の共振周波数から予め定め
る周波数だけずれた周波数で振動する音波の受信信号強
度を示すグラフである。図３は、共振周波数２９０ｋＨ
ｚに対し、予め定める周波数３０ｋＨｚだけずれた周波
数３２０ｋＨｚを中心に半値幅１０ｋＨｚの帯域幅をも
つ音波を、パルス状に１０μ秒間発生させたときの受信
結果を表す。受信される音波は、導管の共振周波数で振
動していないため、導管内を透過せず、導管表面および
管材質中のみを伝搬する。

【００２５】そこで、図２に示される信号から図３に示
される信号を差し引けば、図４に示されるように導管１
内を透過する信号のみが得られる。

【００２６】図５は、信号解析装置７内部の構成を示す
ブロック図である。導管１の共振周波数で振動する音波
の受信信号が信号解析装置７に入力される。受信信号は
フィルタ１１を透過する。フィルタ１１で、共振周波数
以外の余分な周波数で振動する音波の信号が除去され
る。受信信号はアナログデジタル変換回路（「Ａ／Ｄ変
換回路」という）１２でデジタル信号に変換された後、
メモリ１３に記憶される。なお、予めメモリ１３には、
各物質中での音速データが記憶される。

【００２７】次に、導管の共振周波数から予め定める周
波数だけずれた周波数で振動する音波の受信信号が信号
解析装置７に入力される。この受信信号も同様に、フィ
ルタ１１、Ａ／Ｄ変換回路１２を介してメモリ１３に記
憶される。演算処理回路１４で、メモリ１３に記憶され
ている両者の信号の差がとられる。この差をとることに
よって、導管１の媒質内を透過する音波の透過信号を検
出することができる。演算処理回路１４では、透過信号
の検出と同時に透過波Ｓｔの時間の遅れを計測し、媒質
内での音速を算出する。ガス種判別回路１５で、メモリ
１３に記憶されているデータと算出された音速とが比較
され、導管１内のガス種の判別が行われる。

【００２８】本実施例を用いた測定結果によれば、導管
１の媒質が空気であるときの音波の伝搬時間は約１．７
６ｍ秒、メタンガスであるときの音波の伝搬時間は約
１．３３ｍ秒となった。この伝搬時間の違いを基に算出
した音波の導管内伝搬速度の違いから、ガス種を判別す
ることができる。

【００２９】図６は、本発明の他の実施例の概略的な構
成を示す。図１に示される実施例と同一の構成部分には
同一の参照符号を付す。図１の実施例と異なる点は、導
管１の外周面上の１点で音波を発信し、導管１内を透過
して導管１の内周面で反射された音波を発信位置で受信
する点である。導管１の外周面上の１点に、シリコンゴ
ムなどの整合層９を介して信号発生装置２５が接合され
る。信号発生装置２５には、送波器および受波器が含ま
れる。送波器から導管の共振周波数で振動する音波が、
導管１内に向かって発信される。発信された送信波Ｓ１
のうち、一部の音波は導管１の表面および管材質中を横
波または表面波Ｓｈとして伝搬する。残りの音波は管内
を通過し、導管の内周面で反射される。この反射された
反射波Ｓｒを音波の発信位置で受波器によって受信す
る。

【００３０】導管の共振周波数から予め定める周波数だ
けずれた周波数で振動する音波も、同様に信号発生装置
２５内の送波器および受波器で送受信される。この音波
は、導管１の表面および管材質中を横波または表面波Ｓ
ｈとして伝搬し、導管をまわり込んで音波の発信位置で
受信される。２種類の周波数で振動する音波の受信信号
は、それぞれ信号増幅器６で増幅された後、信号解析装
置７に入力される。信号解析装置７で、実施例１と同様
の信号処理が行われ、反射波Ｓｒのみが検出される。同
時に、信号発生装置２５では反射波Ｓｒの遅れ時間が測
定され、管内を通過する音波の音速が算出される。

【００３１】本実施例を用いた測定結果によれば、導管
１内の媒質が空気であるときの音波の伝搬時間は約３．
５２ｍ秒、メタンガスであるときの音波の伝搬時間は約
２．６６ｍ秒となった。

【００３２】本実施例によれば、音波の送受信を１ケ所
で行うので、測定を行うにあたり、導管表面の一部のみ
を露出するだけでよい。このため、実施例１の場合より
も測定作業を簡易なものにすることができる。

【００３３】ただし、本実施例では管内の反射波Ｓｒを
受信するので、導管内を通過する音波の往復経路を計測
することになる。したがって、音波の減衰は実施例１の
場合に比べ大きい。このため、実施例１の方が信号強度
が大きい音波を受信することができる点で有利である。

【００３４】図７は、本発明のさらに他の実施例の構成
を示す。前述の実施例と同一の構成部分には同一の参照
符号を付す。本実施例では、予め行っておく導管の管厚
測定と、導管内ガスの判別測定とを一時に行うことがで
きる。本実施例では、導管内ガスの識別方法として、実
施例２で示される方法を用いているが、実施例１で示さ
れる方法を用いてもよい。

【００３５】ガス判別用装置３１には信号発生装置と信
号増幅器と信号解析装置とが含まれる。管厚測定用装置
３２は、マイクロコンピュータなどの処理回路を含んで
実現される。送波器３３および受波器３４は、導管１表
面上にシリコンゴムなどの整合層９を介して接合され
る。送波器３３および受波器３４は、導管１表面上に所
定の間隔をあけて配置される。

【００３６】管厚測定用装置３２からの応答に従い、ガ
ス判別用装置３１内の信号発生装置は、送波器３３を駆
動する。送波器３３から発生された任意の周波数で振動
する音波Ｓ３は、整合層９および導管１の管材質中を通
過する。この音波Ｓ３は、入射した側の導管の内周面で
反射し、再び管材質中および整合層９を通過して受波器
３４で受信される。受信された音波Ｓ３は、管厚測定用
装置３２に入力される。管厚測定用装置３２では、整合
層９の厚み、物質の音響抵抗、物質中での音速、整合層
９および導管１に入射する音波の屈折角などを基に、導
管１の厚みが算出される。なお、整合層９にエタノール
などの液体を用いる場合には、整合層９の厚みは実際に
は導管１の厚みに比べて薄く、その影響は小さいと考え
られる。導管１の厚みが算出されると、導管１の共振周
波数を算出することができる。この算出結果はガス判別
用装置３１へ送信される。

【００３７】ガス判別用装置３１は送波器３３を駆動し
て導管１の共振周波数で振動する音波を発信する。この
音波は、導管１内を通過し、導管１の軸線と対向する側
の導管の内周面で反射される。この反射波Ｓｒは、受波
器３４で受信されガス判別用装置３１に入力される。

【００３８】導管１の共振周波数から予め定める周波数
だけずれた周波数で振動する音波が、同様に送波器３３
から発信される。この音波は導管１の表面および管材質
中を伝搬し、導管１をまわり込んで受波器３４で受信さ
れガス判別用装置３１に入力される。ガス判別用装置３
１の中の信号解析装置７で、両者の音波の入力結果が処
理され、導管１の媒質中の音速が算出される。音速の違
いから、導管１内のガス種を判別することができる。

【００３９】媒質２がガスや空気以外の物質であって
も、識別は可能である。むしろ水などの液体は、ガスや
空気などの気体とは大きく物性が異なるので、音速も異
なる。したがって、ガス管と水道管との識別は容易であ
る。

【００４０】さらに、管厚測定装置を使い信号強度を精
度良く測定することによって、管内のガス圧力の変化に
伴う透過信号強度の変化を検出することができるので、
ガス圧力の測定にも適用できる。

【００４１】また、導管１内の温度条件などを考慮すれ
ば、音速を温度補正することでより正確に本発明の測定
を行うことができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明によれば、導管内側の媒質中を透
過する音波の透過信号を検出し、検出された透過信号の
伝搬時間から、導管内側の媒質中の音速を算出する。し
たがって、算出された音速の違いから媒質を識別するこ
とができる。これによって、導管がガス供給用に使用さ
れているか、または単に空気など他の気体が存在してい
るだけなのかを容易に識別することができる。また水道
管など、ガスとは音速が非常に異なる液体などの物質が
媒質であるときには、さらに容易に識別することができ
る。このような識別のために、電磁誘導式パイプロケー
タや配管図によるガス管の追跡や、穿孔の必要がないの
で、迅速に管内識別を行うことができる。

【００４３】また本発明によれば、導管内側の媒質中を
通過し、導管の内周面で反射される反射信号の伝搬時間
から、導管内側の媒質中の音速を算出する。したがっ
て、算出された音速の違いから媒質を識別することがで
きる。反射信号を発信位置で受信して、送受信を１ケ所
で行うので、導管の外周面の一部のみを露出させるだけ
で、容易に導管内ガスの識別を行うことができる。この
ため、導管内ガスを識別するための作業性を向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の概略的な電気的構成を示す
ブロック図である。

【図２】導管１の共振周波数で振動する音波の受信信号
強度を示すグラフである。

【図３】導管１の共振周波数から予め定める周波数だけ
ずれた周波数で振動する音波の受信信号強度を示すグラ
フである。

【図４】導管１内を透過する音波の信号強度を示すグラ
フである。

【図５】信号解析装置７内部の構成を示すブロック図で
ある。

【図６】本発明の他の実施例の概略的な電気的構成を示
すブロック図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例の概略的な電気的構
成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１ 導管 ２ 媒質 ３，３３ 送波器 ４，３４ 受波器 ５，２５ 信号発生装置 ６ 信号増幅器 ７ 信号解析装置 ８ タイマ ９，１０ 整合層 ３１ ガス判別用装置 ３２ 管厚測定用装置

フロントページの続き (72)発明者 横尾 雅一 京都府京都市西京区山田平尾町43番１ ダ イアパレスロイヤル京都桂508号

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導管の管厚を音波を用いて測定し、 測定した管厚に基づいて導管の共振周波数を算出し、 共振周波数で振動する音波と予め定める周波数だけ前記
   共振周波数からずれた周波数で振動する音波とを、導管
   の外周面上から導管内に向けて発信し、 発信位置と対向する外周面上で音波を受信し、 前記共振周波数の信号と前記共振周波数からずれた周波
   数の信号との差から導管内を伝搬した透過信号を検出
   し、 検出された透過信号の伝搬時間を求めて、導管内ガスの
   識別を行うことを特徴とする音波による導管内ガスの識
   別方法。
2. 【請求項２】 導管の管厚を音波を用いて測定し、 測定した管厚に基づいて導管の共振周波数を算出し、 共振周波数で振動する音波と予め定める周波数だけ共振
   周波数からずれた周波数で振動する音波とを、導管の外
   周面上から導管内に向けて発信し、発信位置とを対向す
   る側の導管の内周面で反射する音波を発信位置で受信
   し、 前記共振周波数の信号と前記共振周波数からずれた周波
   数の信号との差から導管内を伝搬した反射信号を検出
   し、検出された反射信号の時間を求めて、導管内ガスの
   識別を行うことを特徴とする音波による導管内ガスの識
   別方法。