JPH0772705B2

JPH0772705B2 - 漏水および漏水位置検出装置

Info

Publication number: JPH0772705B2
Application number: JP62180940A
Authority: JP
Inventors: 粛斎藤; 省三谷口; 輝芳松沢; 武次久保田
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Metropolitan Government
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Metropolitan Government
Priority date: 1987-07-22
Filing date: 1987-07-22
Publication date: 1995-08-02
Anticipated expiration: 2010-08-02
Also published as: JPS6425026A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（発明の技術分野）本発明は水道管からの水漏れを検出し、かつその水漏れ
位置を推定する漏水および漏水位置検出装置に関する。

（従来の技術）浄水場、または配水池から需要家まで配水される途中の
配水管および給水管から漏れる漏水量は現在、全配水量
の10数％になっている。これによる損失を金額に換算す
ると、1mm³当りの上水価格を100円として１年当り約2,0
00億円にも達する。漏水分を補うために新規に水源を開
発するには更に莫大な資金を必要とする。従って、漏水
の発生を速やかに知り、漏水量を抑制することが急務と
される。しかし大部分の漏水は地中で発生するため、こ
れを地上から発見することは困難である。

従来、実用に供されている代表的な地下漏水検出法に音
聴棒による方法がある。これは音聴棒を管路が埋設され
ている地上に当てるか、ボーリングした穴を通して直接
埋設管路に接触させるか、あるいは消火栓、量水器など
の地上へ露出している部分へ接触させて、音聴棒から伝
わる振動音を機械的又は電気的に増幅し、ヘッドホーン
を通して調査員が聴くことにより漏水の有無を判定する
方法である。しかし、この方法では、漏水音とその他の
雑音を区別するための熟練技術を要する。また、この技
術を有する調査員が全市街地を巡回するためには膨大な
労力と時間を要するため、漏水個所の発見が遅々として
進まない等の問題がある。

このため、漏水発見の自動化を目指して近時試用が開始
された相関式漏水発見装置が開発されている。これは２
箇所の消火栓に振動センサを取付け、これらからの信号
の相互相関をとることによって、漏水位置を計呈しよう
とするものである。しかし、これには次の問題がある。
第一に調査区間の管路の分岐、管の材質、管の長さのデ
ータの正確度が漏水位置の推定精度に直接影響を及ぼす
ことである。第二に、２箇所のセンサ間に管路の分岐が
ある場合、分岐管については、別途調査しなければなら
ない。第三に、熟練技術を要さないが、市内を巡回点検
する必要があるため、漏水の早期発見には限界がある。

現在、漏水件数はその約90％が、配水管からの分岐個所
を含めて需要家へ引き込まれる給水管で占められてい
る。そこで、漏水検出装置を各需要家の給水管に固定設
置することによって、需要家周辺の漏水を早期発見する
ことができる。

このような漏水検出装置は発明者らの研究によって開発
されている。即ち、一旦発生した漏水は修理されない限
り継続して発生し、自然復旧することは有り得ない。一
方雑音源である水道の水使用音は水を使用する時にのみ
雑音を発生することが明白である。その他の外部雑音源
も連続して発生することはきわめて少ない。この基本的
現象の違いを利用して漏水と漏水以外の原因による信号
を区別するものである。

この種の装置としては、例えば、特開昭60−209117号公
報に示されたものが知られている。この装置はセンサで
検出された漏水音および雑音、または漏水による振動お
よび雑音による振動を電気信号に変換して波形整形回路
へ入力させる。波形整形回路ではセンサからの電気信号
の増幅、周波数によるフィルタリング、および波高値に
よる弁別などが行われ、漏水信号として有意な信号を例
えば高レベルに、有意でない信号を低レベルに波形整形
する。信号継続時間積分回路は入力信号が高レベルの時
間を積分して時間積分信号を出力する。漏水判定回路は
信号継続時間積分回路で積分された時間が予め設定した
判定基準を越えた場合にのみ漏水有りの判定信号を出力
する回路である。

（発明が解決しようとする問題点）ところが、センサ取付け位置での漏水による振動の大き
さは、漏水位置までの距離と漏水の規模によって影響を
受けるので、時間積分信号の大きさだけから漏水の有無
を判定する従来の方法では、漏水の規模と漏水位置まで
の距離を別々に推定することが困難である。

本発明の目的は、漏水の規模とは別に漏水位置までの距
離を推定することが可能な漏水および漏水位置検出装置
を提供することにある。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明による漏水および漏水位置検出装置は、水道管又
はこれに付属する機器に装着され、その音圧変動又は振
動を検知して電気信号に変換するセンサーと、このセン
サーからの電気信号を入力し、予定の判定基準と比較し
てこの判定基準以上の信号を出力する波形整形手段と、
この波形整形手段から出力される信号の継続時間を、予
め定めた時間内において積分する信号継続時間積分手段
と、この信号継続時間積分手段による時間積分値が予め
設定した判定基準を越えると漏水有りと判定する漏水判
定手段と、前記波形整形手段から出力される信号の個数
を予め定めた時間内において計数し、かつこの計数値を
基に１秒当りの計数値を漏水位置推定用の平均周波数と
して求める平均周波数検出手段とを備えたことを特徴と
する。

（作用）本発明は、管路における振動の伝搬特性が周波数によっ
て異なる性質を利用したもので、測定地点における振動
の平均周波数を求めているので、この平均周波数に基づ
いて信号源までの距離を推定することができる。

すなわち、水道管で漏水が発生すると、その亀裂から水
道水の圧力により水が噴出する水道水はほぼ一定の圧力
に管理されており、漏水状態では漏水点の周囲は水が充
満しているため、水中への水道水の噴出により発生する
周波数はほぼ一定の値の周波数を含んでいる。また、水
道管を伝搬する周波数は管の材質により決まり、ほぼ一
定の値の固有振動数となる。従って、漏水により発生す
る信号は発生地点では固有振動数以外の周波数帯が強
く、水道管を伝搬していく内にこの周波数は徐々に減衰
し、固有振動数だけが残る。

以下、漏水に伴って発生する振動の周波数と減衰係数と
の関係を詳細に説明する。

ここで、漏水に伴い、水道管に発生する振動の周波数ｆ
は、水道管の設置状態により多少は変動するが、管の種
類・設置状況によりほぼ一定の減衰係数（gn（ｘ））で
減衰する。この関係を（１）式に示す。

ｆ＝g₀（ｘ）f₀＋g1（ｘ）f1＋g2（ｘ）f2 ＋・・gm（ｘ）fm＋・・＋gn（ｘ）fn （１） fm:管の固有振動数 f1,f2,f3・・・fn:周波数 f1＜f2＜f3・・＜fm＜・・＜fn g1（ｘ）,g2（ｘ）・・gm（ｘ）・・gn（ｘ）：それぞれの周波数に対する減衰係数特に漏水発生地点では漏水により数kHz（fn）までの全
周波数に付いて発生しその中でも数kHzの高周波数帯fp
が強く発生するが、管の固有振動数fm（1kHz前後）以外
の周波数f1〜fnは、管の固有振動数fmに比べて距離の減
衰係数gn（ｘ）（ｎ＝１〜∞）により大幅に減衰する。

漏水点での減衰係数は管の固有振動数fm以外の周波数で
は減衰が大きく、この減衰係数と漏水点からの距離とは
（２）式の関係にあると言える。

gm（ｘ）＜＜g1（ｘ）,g2（ｘ）・・、 gp（ｘ）・・、gn（ｘ）（２）この関係をグラフで表すと第５図のようになる。

すなわち、水道管の材質によっても異なるが、漏水に伴
って生じる振動成分の内、高い周波数成分は大きな減衰
係数gp（ｘ）及びgp−１（ｘ）のため、漏水地点から近
い地点（gp（ｘ）ではｘ＝2m程度、gp−１（ｘ）ではｘ
＝3m程度）で急激に振動が減衰する。これに対し、管の
固有振動数fmに対応する減衰係数gmでは、漏水点からの
距離ｘが10m程度の比較的高い地点まで徐々に低下し、
それ以上では急激に低下する。

また、上述の内容をまとめると次のとおりとなる。

（１）漏水発生点では管の固有振動数fm（800Hz〜1kH
z程度）に比べ高い周波数の振動が発生する。

これは、次の理由による。水道管の内部圧力は約2kg/cm
²と大気に比べて高圧のため、水道管に亀裂が入るとそ
の穴から水道水が噴出し、この噴出に従い振動が発生す
る。この振動周波数の周波数帯は一概に特定できない
が、数kHzまでの周波数が含まれ、特に管の固有振動数f
m（800Hz〜1kHz程度）より高い周波数fpが大きく発生し
第１ピークとなる。実験によると２〜3kHz帯の成分が大
きく発生し第１ピークと成っている。

（２）漏水点から距離が増えるに従い、第５図に示す如
く、管の固有振動数fmの減衰係数gm（ｘ）以外の減衰係
数gp（ｘ）及びgp−１（ｘ）により、高周波成分の振動
は大きく減衰する。このため、管の固有振動数fm（800H
z〜1kHz程度）以外の周波数成分は、漏水点からの距離
が増すに従い減衰が大きく、最後には管の固有振動数の
みとなり最終的には全ての振動が減衰する。

このことから周波数で考えると、漏水が発生している漏
水点付近の周波数は高周波（数kHz）を含んだ周波数が
強く第１ピークも高周波となる。漏水点から離れるに従
い高周波の減衰が大きく管の固有振動数fm（800Hz〜1kH
z程度）の周波数が現れてくる。

従ってこの管の振動数が測定できる範囲内で、１個のセ
ンサーに入力される振動波形の周波数（平均周波数）を
求め、この結果から各周波数成分の減衰を距離の関数と
して想定することにより漏水点までの距離の推定（近く
に漏水点が有るか無いかの判定）が可能である。

なお、センサーに入力される振動波形は、高周波成分を
多く含んでいると複雑な形状になるため、あるレベル以
上の波形の時間幅は様々な長さとなり、ミクロ的な範囲
で見ると振動波形の周波数に変動が生じる。そこで、あ
る時間にわたって、あるレベル以上の信号波形の個数を
計数し、その個数を計数時間で割算することにより、そ
の計数時間内における入力振動波形の周波数の平均値、
すなわち平均周波数を得ている。

ここで、第４図は、給水管の管壁に取付けたセンサによ
り実測した市街地の漏水例11例についてのデータであ
り、横軸はセンサ取付位置から漏水位置までの距離を示
し、縦軸は信号波形のパワースペクトラムが最大となる
周波数の分布を示している。第４図から明らかなごと
く、距離と共に高周波成分が減衰し、水道管の固有振動
数fm（800Hz〜1kHz）まではほぼ一定の割合で減衰する
ので、この固有振動数fm（800Hz〜1kHz程度）に対応す
る距離（10m程度）の範囲では、漏水検出器の設置位置
から漏水点までの大略の距離を推定することができる。

なお、漏水点では水道管の固有振動数fmの他に、（１）
式で示すように、漏水によって生じる幾つかの高周波成
分が重畳された合成波形が発生しているが、前記平均周
波数は、前述のように、あるレベル（判定基準）以上の
信号の数を計数して、これを基に算出しているので、前
述した合成波形の周波数ｆを算出したことになる。

ここで、漏水によって生じる高周波成分は、漏水点の近
くでは高パワーであるが、周波数が高いほど距離による
減衰が大きい。例えば第５図において、減衰係数gp
（ｘ）とgp−１（ｘ）との交点までの距離（図の例では
2m程度）では、上記減衰係数gp（ｘ）に対応する周波数
（これをfpとする）の成分が最も高パワーであるため、
前記2m程度以内の地点に位置するセンサーへの入力信号
は、この周波数fpの影響を最も強く受けた合成波形とな
る。そして、この合成波形のうち判定基準以上の信号数
を計数した結果を基に得られる平均周波数は、センサー
に入力された合成波形の周波数ｆでもある。言い換える
と、各周波数成分の中の主要周波数を表すものである。

同様に、減衰計数gp−１（ｘ）とgm（ｘ）との交点まで
の距離（図の例では3m程度）では、上記減衰係数gp−１
（ｘ）に対応する周波数（これをfp−１とする）の成分
が最も高パワーであるため、前記3m程度以内の地点に位
置するセンサーへの入力信号は、この周波数fp−１の影
響を最も強く受けた合成波形であり、その合成波形の周
波数ｆが平均周波数として算出される。

第５図は説明を簡単にするため、３つの減衰係数gp
（ｘ）,gp−１（ｘ）,gm（ｘ）を示しただけであるが、
実際には多くの周波数成分（多くの減衰係数）が組み合
わさっており、前記合成波形の周波数は第４図で示すよ
うに、距離と共に変化する。この第４図で示した漏水振
動の第１ピーク周波数は、漏水によって生じる波形のう
ち、周波数的に見て一番多い（パワーの強い）周波数を
指しており、前述の主要周波数のことと同一となり、前
記平均周波数と同意語である。

したがって、この平均周波数を算出することにより、セ
ンサーから漏水発生地点までの距離を推定することがで
きる。

（実施例）次に本発明の実施例を図面を参照して説明する。第１図
において、１はセンサで、水道管又は水道管に付属する
機器に設けられ、そこからの漏水によって発生する音圧
変動又は管壁の振動を検知して電気信号に変換する。

２は波形整形手段で、センサ１からの電気信号1aを所定
の波高値信号に増幅し、この増幅された波高値信号のう
ち、予め定められた判定基準電圧以上の変換信号のみを
出力する。

３は信号継続時間積分手段で、波形整形手段２の出力の
信号継続時間をディジタル化すると共に、このディジタ
ル化された出力パルス列をカウンタ43により予め定めら
れた時間だけ計数する。また予め整定された時刻に積分
開始信号INI、積分終了信号INO、判定実施信号DIOおよ
び前記計数回路の復帰信号RSを出力する機能を有する。

４は平均周波数検出手段で、波形整形手段２の出力の信
号継続時間波形の立上り又は立下がりを、予め整定され
た積分開始信号INIから積分終了信号INOの間だけ計数す
る。またこの計数値を基に判定実施信号DIOに基づいて
１秒間当りの計数値、すなわち、周波数に変換する演算
手段を持つ。

５は漏水判定手段で、信号継続時間積分手段３によって
測定された時間積分値Ｔ及び予め設定された定数Ｃとを
比較判定して判定信号P₀を出力する。

６は表示手段で、平均周波数検出手段４の出力信号S₀、
及び漏水判定手段の出力信号P₀を入力し、表示する。

上記構成ではセンサ１で検出された漏水音および雑音、
又は漏水による振動および雑音による振動は電気信号に
変換されて波形整形手段へ２入力される。波形整形手段
２ではセンサ１からの電気信号の増幅、および波高値に
よる弁別などが行なわれ、例えば漏水信号として有意な
信号を高レベルに、有意でない信号を低レベルに波形整
形する。信号継続時間積分手段３は入力信号が高レベル
の時間を積分して時間積分値Ｔを出力する。この測定
は、通常、内蔵されている時間回路によって、深夜の雑
音が少ない時間帯に１日１回測定する。漏水判定手段５
は漏水がない状態での時間積分値Taを記憶しておき、時
間積分値Ｔがそれぞれ設定された判定基準値より大きい
ときに限って漏水有りの判定信号を出力する。平均周波
数検出手段４は、信号継続時間積分手段が動作中の全期
間についての信号周波数の平均値を求める。

以下にこれらの構成について第２図により詳細に述べ
る。センサ１は音響信号または振動による偏位、速度、
加速度などを電気信号変換する変換器である。

信号継続時間積分手段３はパルス発振回路40を有し、そ
の周波数は波形整形手段２内のフィルタの高域遮断周波
数の数倍以上として分解能を確保する。タイミング回路
44はタイマを内蔵し、設定された時刻に積分信号INI、
積分終了信号INO、判定実施信号DIO、カウンタ43に対す
るリセット信号RSなど、一連の指令信号を発生する。こ
れらの信号は通常は一日周期で発生し、例えば、深夜の
０時に積分開始信号INIが、午前４時に積分終了信号INO
が出るように設定される。

記憶回路45は積分開始信号INIから積分終了信号INOまで
の間、論理“1"の状態を保持し、アンドゲート41によっ
てパルス発振回路40からのパルスと波形整形手段２の出
力信号の論理積をとり、波形整形手段２の出力信号継続
時間をディジタル化する。カウンタ43はアンドゲート41
の出力パルス列を計数することによって、積分開始信号
INIが発生してから積分終了信号INOが発生するまでの波
形整形回路出力信号の時間積分を行う。

平均周波数検出手段４の入力部にはアンドゲート42が設
けられており、前記記憶回路45からの論理“1"と波形整
形手段２の出力信号との論理積をとることによって、積
分時間内の交流信号分を得、カウンタ46でこの交流信号
分を計数する。このカウンタ46の計数は、積分終了信号
INOによって記憶回路45が論理“0"の状態になることに
より中止される。また、この計数値（カウンタ46の値）
は、判定実施信号DIOによって、１秒当りの計数値にな
るように割算回路47により割算され、積分時間内の平均
周波数として、端子S₀に出力される。

第３図のａはセンサ１の出力信号波形の一例を示してい
る。なお、図では簡略化して描いているが、この波形は
漏水によって生じる高周波成分が重畳されたものであ
る。また、ｂは波形整形手段２内の増幅回路の出力信号
波形の一例を示す。この場合、入力電圧の正負にかかわ
らず、出力電圧が正となる絶大値増幅回路を使用してい
る。ｃは判定基準電圧＋Erよりも信号が大きいときに高
レベルになる比較回路の出力信号波形で、波形整形手段
２の出力信号になる。

ｄはアンドゲート41の出力パルス列で、波形整形手段２
の出力信号ハイレベル期間に比例したパルス数となって
いる。ｅは積分開始信号INI、ｆは積分終了信号INO、ｇ
は記憶回路45の論理“1"の状態を示す積分期間信号、ｈ
は判定実施信号DIOで積分終了信号INOの後に出力され、
カウンタ46の割算及び漏水判定回路５を動作させるため
のものである。リセット信号RSはさらにこの後に出され
て、カウタ43をイニシャライズする。カウンタ46は積分
開始信号INIによってリセットされるので、翌日の測定
が開始されるまで平均周波数の検出値は保持される。

上記構成において、漏水等により、水道管やその付属機
器に振動等が発生すると、センサ１はこれらを捕らえ、
電気信号として波形整形手段２に出力する。波形整形手
段２ではこの電気信号を増幅した後、第３図ｂのように
予定の基準値Erと比較し、第３図ｃで示すように基準値
を越える信号を出力する。この基準値Erの大きさは、漏
水による振動入力であれば基準値Erを越えるように設定
する。上記波形整形手段２の出力は信号継続時間積分手
段３と平均周波数検出手段４との双方に加えられる。信
号継続時間積分手段３では、タイミング回路44から生じ
る積分開始信号INI、積分終了信号INOによって決定され
る時間内において、前記波形整形手段２からの出力信号
をアンドゲート41により第３図ｄのようにパルス化し、
このパルスをカウンタ43にて計数する。このようにして
得られた時間積分値は漏水判定回路５に出力され、ここ
で、判定基準と比較され、漏水の有無が判定される。

これに対し、平均周波数検出手段４に入力された第３図
ｃで示す波形整形手段２の出力は、アンドゲート42によ
り、前記積分開始信号INI、積分終了信号INOによって決
まる時間内のみカウンタ46に加わり、計数される。この
後、カウンタ46の計数値は割算回路47にて１秒当りの計
数値となるように割算される。この結果、積算時間内に
おける平均周波数が得られる。

このようにして、入力信号の積分時間内における平均周
波数を得るようにしたので、第４図に関係に従って、測
定点から漏水発生点までの大略の距離を推定することが
でき、漏水点検出の上から効果がある。

すなわち、判定基準以上のレベルの信号数を積算して周
波数を算出するため、漏水による振動のみ（漏水の無い
場合は判定基準以下となるため平均周波数の検出が無
い）検出して、主要周波数（漏水振動の第１ピーク周波
数）を算出しており、漏水点からの距離があるほど管の
固有振動数以外の周波数は急激に減衰し管の固有振動数
も徐々に減衰する。このため、この該当水道管の減衰率
と平均周波数とから漏水点までの距離が推定できる。

このように、漏水による振動の大きさを表わす時間積分
信号T₀と、振動の周波数を表わす平均周波数S₀とを同時
に測定、表示することができるので、漏水の規模と漏水
位置までの距離を別々に推定することができる。すなわ
ち、時間積分信号T₀の大きさからは漏水規模の大きさ
が、平均周波数S₀からは漏水位置までの距離が推定でき
る。

［発明の効果］以上のように本発明によれば、センサに入力される所定
レベル以上の信号の平均周波数を検出するようにしたの
で、この平均周波数から漏水点までの大略の距離を推定
することができ、漏水点を発見する上で大きな効果を生
じる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による漏水および漏水位置検出装置の一
実施例を示すブロック図、第２図は第１図で示した装置
の要部構成を示す構成図、第３図は本発明の動作を説明
するための構成各部の波形説明図、第４図は給水管の管
壁に取付けた振動センサから得られた漏水による信号、
波形の周波数特性を示す説明図、第５図は発生周波数の
減衰係数の距離との関係を表わす特性図である。１……センサ２……波形整形手段３……信号継続時間積分手段４……平均周波数検出手段５……漏水判定手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者谷口省三東京都府中市東芝町１番地株式会社東芝府中工場内 (72)発明者松沢輝芳東京都八王子市東浅川町1084番地 (72)発明者久保田武次東京都北区上十条２丁目30番12号 (56)参考文献特開昭60−209117（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水道管又はこれに付属する機器に装着さ
れ、その音圧変動又は振動を検知して電気信号に変換す
るセンサーと、このセンサーからの電気信号を入力し、予定の判定基準
と比較してこの判定基準以上の信号を出力する波形整形
手段と、この波形整形手段から出力される信号の継続時間を、予
め定めた時間内において積分する信号継続時間積分手段
と、この信号継続時間積分手段による時間積分値が予め設定
した判定基準を越えると漏水有りと判定する漏水判定手
段と、前記波形整形手段から出力される信号の個数を予め定め
た時間内において計数し、かつこの計数値を元に１秒当
りの計数値を漏水位置推定用の平均周波数として求める
平均周波数検出手段と、を備えたことを特徴とする漏水および漏水位置検出装
置。