JPS637335B2

JPS637335B2 -

Info

Publication number: JPS637335B2
Application number: JP7257780A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Tanaka; Yoshijiro Watanabe
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1980-05-30
Filing date: 1980-05-30
Publication date: 1988-02-16
Also published as: JPS56168527A

Description

【発明の詳細な説明】本発明はパイプラインに於ける漏洩位置検知方
法に関するものである。パイプラインに於ける漏
洩を検知する従来の方法には、例えば区間の一端
と他端に於いて流量や圧力を計測し、それらの差
が漏洩時に異常に増大することを利用して検知す
る、いわゆる間接検知法や、予めパイプラインに
沿つて適宜間隔毎に検知器を敷設し、該検知器に
よつて直接に検知する、いわゆる直接検知法があ
る。しかしながら前記従来の間接検知法は一部、
圧縮性のない液体などの輸送パイプラインでは使
用されているが、気体の場合には、少量の漏洩で
は殆んど検知できず、また漏洩の有無を区間毎に
検知し得るものの、漏洩区間内の特定の漏洩位置
を検知することはできないという欠点がある。ま
た前記直接検知法は漏洩位置の検知には優れてい
るが、長距離に渡る連続的な検知は、検知器の費
用、保守が厖大となるので実際上は行ない難いと
いう欠点がある。

本発明は従来のかかる間接検知法並びに直接検
知法の両者の欠点を全く解消し、パイプラインに
於ける気体の微少な漏洩をも検知し得るようにす
ると共に、かかる漏洩の位置の検知精度が良く、
しかも費用もたいしてかからないという新規な間
接検知法を提供するものであり、即ちパイプライ
ンに於いて漏洩を検知すべき区間の一端に音響白
色ノイズの発信装置を、並びに他端に受信装置を
設置して、該区間のパイプ内に音響白色ノイズを
伝搬させ、前記受信装置で受信した音響信号の偏
自己相関より、前記区間の一端から他端に渡つて
のパイプの音圧反射係数並びに等価管断面積を
得、このようにして得られた夫々の値と、漏洩の
無い場合に得られる夫々の値とを比較して漏洩位
置を検知するようにしたことを要旨とするもので
ある。次に本発明の原理を説明する。

まず漏洩のないパイプの音響特性について、以
下に説明する。

いま、対象となるパイプが、断面積の異なる長
さの等しい単管を継いで作られるパイプとした場
合、その音響数学モデルは次のような一次元波動
方程式で記述される。

−∂U／∂t＝１／Ｌ ∂P／∂x＋Ｒ／ＬＵ −∂P／∂t＝１／Ｃ ∂U／∂x＋Ｇ／ＣＰ ……(1) 〔但しｘ：距離，ｔ：時間，Ｕ：体積速度，
Ｐ：音圧，Ｌ：単位長さ当りの音響イナータンス
（Ｌ（ｘ）＝ρ／Ａ（ｘ）），Ｃ：単位長さ当りの音響
コンプライアンス（Ｃ（ｘ）＝Ａ（ｘ）／ρC² _p），
Ｒ：単位長さ当りの音響抵抗，Ｇ：単位長さ当り
のシヤントコンダクタンス，C_p：音速，Ａ（ｘ）：
断面積，ρ：気体の密度〕そして前記パイプの各単管断面積が、第１図ａ
に示すように、列〔A_k〕で与えられる場合、(1)
式は等価的に第１図ｂに示す分布定数四端子回路
網によつて表わされる。尚、第１図ｂに於いて、
Z_kはｋセクシヨンから右方を見たパイプの音響入
力インピーダンス、Z_kはｋ単管の音響特性インピ
ーダンス（但し図面ではZ_kとして示す。）、ζ_kは音
響減衰定数である。もしも、このパイプが無歪音
響管ならば、Z_kとζ_kは次式で与えられる。以下無
歪音響管の場合を考考える。

ζ_k＝R_k／L_k＝G_k／C_k＝ζ ……(2) Z_k＝ρC_p／A_k ……(3) いま第ｋ番単管の左方が音響特性インピーダン
スZ_k-1の無限長管と仮定し、第１図ｂのｘ＝ｏに
於いてP_k＝Z_kU_k，ｘ＝ｌに於いてP_k+1＝Z_k+1
U_k+1とすると、Z_kは次式(4)で与えられる。但し、
次式のτ＝2l／C_pであり、e^-s〓はシフト演算子で
ある。

Z_k＝Z_kZ_k（１−e^-〓k〓e^-s〓）＋Z_k+1（１＋e^-〓k
〓e^-s〓）／Z_k（１＋e^-〓k〓e^-s〓）＋Z_k+1（１−e^-〓k
〓e^-s〓）……(4) また、ｋ番単管に於ける音圧反射係数Г_kは次
式(5)で与えられる。

Г_k＝Z_k-1−Z_k／Z_k-1＋Z_k＝γ_k＋e〓k〓Г_k+1e^-s〓
／１＋γ_ke^-〓k〓Г_k+1e^-s〓……(5) ここでγ_kは次式で与えられる係数である。

γ_k＝Z_k-1−Z_k／Z_k-1＋Z_k＝A_k−A_k-1／A_k＋A_k-1…
…(6) パイプの減衰が大きい場合には、(5)式よりГ_k
→γ_kとなり、γ_kはГ_kの近似となる。ここでパイ
プの区間の一端から音響白色ノイズを発信して他
端で受信した音響信号の偏自己相関係数を求める
と、これは(6)式の列〔γ_k〕に対応し、PARCOR
係数と呼ばれている。また、列〔γ_k〕並びに最初
の単管断面積A_pが与えられていれば、前記単管
断面積の列〔A_k〕は次式(7)より逐次求めること
ができる。

A_k＝〔（１＋γ_k）／（１−γ_k）〕A_k-1 ……(7) 以上の通り、パイプの区間の一端から音響白色
ノイズを発信して他端で受信した音響信号の偏自
己相関より、前記区間の一端から他端に渡つての
パイプの音圧反射係数Г_k（γ_kで近似）並びに管
断面積A_kを逐次求めることができる。これは次
に示す漏洩のあるパイプについても同様である。

次に漏洩のあるパイプの音響特性について以下
に説明する。

いま第１図ａで示したパイプに於いて、第２図
ａに示すようにｋ番目の単管に小漏洩があるとす
ると、この音響特性は第２図ｂに示す分布定数四
端子回路網で与えられる。この場合Ｚは漏洩の音
響インピーダンスであり、音響抵抗で近似してい
る。かかる第２図ｂの回路網に於いて、ｋセクシ
ヨン以降の特性を考えると、該ｋセクシヨンから
右方を見た音響入力インピーダンスZ^* _kは Z^* _k＝Z_k／（１＋Z_k／Ｚ） ……(8) となり、上式に(4)式を代入すると次式を得る。

Z^* _k＝Z^* _kZ^*／_k（１−e^-〓k〓e^-s〓）＋Z^*／_k+1（１
＋e^-〓k〓e^-s〓）／Z^*／_k（１＋e^-〓k〓e^-s〓）＋Z^*／_k
+1（１−e^-〓k〓e^-s〓）……(9) ここでZ^* _kはｋ単管に漏洩がある場合の、この単
管の等価音響特性インピーダンスであり、次式で
与えられる。

Z^* _k＝Z_k／（１＋Z_k／Ｚ）＝ρC_p／（１＋Z_k／Ｚ）A_k ……(10) (10)式は、漏洩のある断面積A_kの単管を漏洩のな
い等価な単管でおき換えると、その断面積が（１
＋Z_k／Ｚ）A_k（＝A_k ^*）となることを示している。
同様に(9)式に示したZ^* _k+1も(8)式と同様次式で与え
られる。

Z^* _k+1＝Z_k+1／（１＋Z_k／Ｚ） ……(11) 従つて（ｋ＋１）単管に於いても(9)式，(10)式と同
様な関係が成り立ち、等価音響特性インピーダン
スもZ_k+1／（１＋Z_k／Ｚ），断面積も（１＋Z_k／
Ｚ）A_k+1となる。かかる関係は（ｋ＋２）以降
の単管でも同様であり、結局漏洩のある単管以降
の単管の断面積は夫々実際の断面積よりも（１＋
Z_k／Ｚ）倍だけ広く見なされる。

次に（ｋ−１）単管以前の特性を考えると、(4)
式より第２図ｂに於ける（ｋ−２）単管以前の単
管から右方を見た音響入力インピーダンスに漏洩
の影響が現われないことが理解される。また（ｋ
−１）番単管から右方を見た音響入力インピーダ
ンスZ^* _k-1は次式で与えられ、 Z^* _k-1＝Z_k-1 Z_k-1（１−e〓^(k-1)〓e^-s〓）＋Z^*／_k（１＋e^-〓
^(k-1)〓e^-s〓）／Z_k-1（１＋e^-〓^(k-1)〓e^-s〓）＋Z^*／
_k（１−e^-〓^(k-1)〓e^-s〓）……(12) 漏洩の影響を受けるが、音響特性インピーダンス
Z_k-1は影響を受けず、断面積にも変化が現われな
い。

以上をまとめると、ｋ単管に漏洩がある場合、
各単管の音響特性インピーダンスは第３図ａのよ
うに、管断面積は第３図ｂのようになり、かかる
漏洩の影響はｋ単管以降の漏洩のない単管に対し
ても及ぶことが理解できる。またPARCOR係数
については、漏洩のあるときの係数γ^* _kと、ない
ときの係数γ_kとの差違は、(6)式により、漏洩のあ
るｋ単管にのみ現われ、第３図ｃのように示され
る。

本発明は以上に詳述した原理に基づき、パイプ
ラインに於いて漏洩を検知すべき区間の一端に音
響白色ノイズの発信装置１、並びに他端に受信装
置２を設置して、該区間のパイプ３内に音響白色
ノイズを伝搬させ、前記受信装置２で受信する。
かかる際、スピーカー４等によるパイプ３内への
音響白色ノイズの印加方法は、第４図に示すよう
に電圧源的に印加しても良いし、第５図に示すよ
うに電流源的に印加するようにしても良く、また
マイクロフオン５等による、前記音響信号の受信
方法も自由である。しかして前記受信装置２で受
信した音響信号の偏自己相関をとることにより、
前述したように前記区間の一端から他端に渡つて
のパイプ３の音圧反射係数（PARCOR係数で近
似）並びに等価管断面積を得ることができ、この
ようにして得られた夫々の値と、漏洩の無い場合
に得られる夫々の値とを比較することにより前述
した原理に示すように、前記区間内の漏洩位置ｋ
を精度良く検知することができる。かかる夫々の
値の比較を行なうため、PARCOR係数について
は次式で示すように漏洩のあるパイプの実測特性
と、漏洩のない場合の特性の差をとり、 PARCOR係数の差γ＝γ^*−γ ……(13) また等価断面積については次式の如く夫々の比を
とる。

断面積比Ｒ＝A^*／Ａ ……(14) 尚、Ｒは(7)式より R_k＝１＋γ^*／_k−γ_k−γ^*／_kγ_k／１−γ^*／_k＋γ_k
−γ^*／_kγ_kR_k-1……(15) と表わすことができ、従つて逐次計算することが
できる。かかる断面積比Ｒ並びにPARCOR係数
の差γを前記区間に渡つて求めて図示すると、夫
夫第６図ａ，ｂのように表わすことができ、即ち
Ｒは漏洩位置ｋに於いてステツプ的に変化し、ま
たγはＲを微分した様に漏洩位置ｋに於いてピー
ク値を持つ特性であることがわかる。尚、かかる
特性はパイプの形状等に依存することがない。従
つて本発明方法は区間内の特定の漏洩位置ｋをパ
イプの形状等に係らず明確に検知し得ることがわ
かる。例えば本発明方法を適用して長距離に渡る
パイプライン中の漏洩位置を検知する場合には、
まず断面積比Ｒよりパイプライン全体の中から大
まかな区間を限定し、次にその付近のPARCOR
係数の差γを調べて、γの変化率の最大の所を見
い出すことにより、極めて容易に、しかも精度良
く漏洩位置を検知することができる。

（実施例）次に本発明の具体的な実施例を説明する。

第７図ａ，ｂは、夫々異なつた位置に５mmφの
穿孔を形成した、長さ13.6mのパイプの夫々に対
して、ラジオ受信機の雑音（250Hz〜4kHzの範囲
でスペクトラムの均一なもの）を前記音響白色ノ
イズとして、スピーカーにより一端に印加し、そ
して他端のマイクロホンで受信した音響信号を
Ａ／Ｄ変換して所定の演算を行なつて、パイプの
一端から他端に至る夫々の区分に於ける
PARCOR係数の差γ_k並びに断面積比R_kを求めた
測定結果を示すものである。

尚かかる測定に於いて、音速C₀＝343m／ｓ（温
度20℃）、区分長ｌ＝99.5mm、サンプリング間隔
τ＝0.59ms、サンプリング数Ｎ＝10000である。

以上の測定の結果、第７図ａでは、第34区分
（一端からの距離＝34×99.5mm）に於いてＲがス
テツプ的に変化すると共に、γが高いピーク値の
パルス状に変化することにより、この区分を他の
区分と識別して漏洩位置として特定することがで
きた。また第７図ｂでは、第39区分に於いてＲが
ステツプ的に変化すると共に、γが高いピーク値
のパルス状に変化することにより、この区分を他
の区分と識別して漏洩位置として特定することが
できた。

本発明は以上の通り、パイプラインに於ける気
体の漏洩を、パイプの音響特性の変化として把握
し、かかる音響特性の変化を検知するために適宜
区間のパイプ内に一端から音響白色ノイズを伝搬
させて他端で受信し、受信した音響信号中に含ま
れる漏洩信号を、偏自己相関によつて前記区間の
一端から他端に渡つてのパイプの音圧反射係数並
びに等価管断面積の形で顕在化させ、かかる音圧
反射係数並びに等価管断面積を、漏洩のない場合
の対応値と比較することにより漏洩を検知するも
のである。従つて本発明は漏洩を間接的に検知す
る方法であるにも関らず、従来の間接検知法と異
なり、気体の少量の漏洩でも検知することができ
ると共に、かかる漏洩の有無だけでなく特定の漏
洩位置まで検知することができるばかりでなく、
パイプ外で漏洩を検知する直接検知法と比較して
も、相関技術を適用したことにより漏洩の有無並
びに漏洩位置の検知精度が良く、また気象条件等
にも左右されない他、埋設管でも必要に応じて所
望の漏洩検査を行ない得ると共に、その費用も大
幅に低減し得るという極めて大きな特徴がある。
本発明は以上の通りであるので、例えば燃料ガス
等の気体輸送パイプラインに於ける漏洩の監視に
適用し得るのは勿論の事、液体輸送パイプライン
でも建造時に於ける漏洩の検査に適用することも
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂは夫々漏洩のないパイプのモデル
並びに音響特性を示す説明図、第２図ａ，ｂは
夫々漏洩のあるパイプのモデル並びに音響特性を
示す説明図、第３図ａ，ｂ，ｃは漏洩の有無によ
る音響特性の変化を示す説明図、第４図は本発明
の構成図、第５図は本発明の構成の他例図、第６
図ａ，ｂは漏洩位置検知の状態を示す説明図であ
る。また、第７図ａ，ｂは具体的な実施例に於け
る測定結果を示す説明図である。符号１……発信装置、２……受信装置、３……
パイプ、４……スピーカー、５……マイクロフオ
ン、ｌ……区間、ｋ……漏洩位置。

Claims

【特許請求の範囲】

１パイプラインに於いて漏洩を検知すべき区間
の一端に音響白色ノイズの発信装置を、並びに他
端に受信装置を設置して、該区間のパイプ内に音
響白色ノイズを伝搬させ、前記受信装置で受信し
た音響信号の偏自己相関より、前記区間の一端か
ら他端に渡つてのパイプの音圧反射係数並びに等
価管断面積を得、このようにして得られた夫々の
値と、漏洩の無い場合に得られる夫々の値とを比
較して漏洩位置を検知するようにしたことを特徴
とするパイプラインに於ける漏洩位置検知方法。