KR100402685B1 - 타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링시스템 및 가스배관의 충격위치 산출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매설되는 가스배관에 충격이 가해지는 충격을 실시간으로 모니터링하고, 충격 위치를 정도 높게 산출할 수 있는 매설 가스배관 모니터링 시스템 및 충격위치 산출방법에 관한 것이다.

본 발명은 매설되는 가스배관(10)의 양쪽 가장자리 설치되어 가스배관에 충격이 가해질 경우 배관 내부의 가스를 매질로 하여 양방향으로 전파되는 충격파를 감지하는 가속도센서A, B(20)(30), 상기 감지된 충격파 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭된 신호를 A/D로 변환하며 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 모뎀(60)을 통해 실시간으로 데이터 분석 처리기(70)에 전송하여 이를 모니터(80)를 통해 출력하도록 구성되어 있으며, 가속도센서A의 감지 신호를 증폭기가 10V/g로 증폭하여 증폭기에 내장된 대역여파기(bandpass filter)로 1∼1kHz대역의 신호를 필터링하고, 신호처리기(50)에서 정해진 크기보다 큰 신호가 들어오면 트리거하며, 트리거시간과 웨이브는 모뎀(60)을 통하여 데이터 분석 처리기(70)에 보내고, 가속도센서B에 감지되어 증폭기를 거친 신호는 이더넷(ethernet)으로 트리거하고, 트리거 신호와 웨이브를 데이터 분석 처리기(70)로 보내면, 상기 데이터 분석 처리기(70)는 양쪽 구간의 충격신호 데이터를 비교하여 위험판단시 알람(90) 발생 및 충격파를 감지한 가속도센서 A,B의 시간차를 구하여 충격위치를 연산하는 것을 특징으로 한다.

Description

타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링 시스템 및 가스배관의 충격위치 산출방법{The same time damage perception monitering system of buried pipes in underground by the other construction and the impact position calculation method of gas pipes}

본 발명은 매설된 가스배관의 상태를 감지하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스배관에 가해지는 충격을 무선데이터 통신망을 이용하여 실시간으로 모니터링하여 이를 감시자가 인식할 수 있도록 표시하거나 위험신호를 발생함으로써 사고발생을 미연에 방지할 수 있는 가스배관 감시 시스템에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 타공사에 의한 가스배관의 손상 위치를 보다 더 정도 높게 산출하여 아무런 보수없이 매설되는데 따른 가스폭발 사고 예방에 만전을 기할 수 있는 가스배관 충격위치 산출방법을 제공함에 있는 것이다.

일반적으로 송유관 또는 대형 가스배관에는 배관을 통해 공급되는 물질이 외부로 누출시 자칫 대형 폭발사고를 유발하게 된다.

가스배관은 부식 등의 화학작용에 의해 파손되지 않도록 피복 등으로 코팅이 되어 있다. 그런데, 상기 피복은 제품의 자체불량 또는 외부로부터 인가되는 충격에 의해 피복이 벗겨지거나 배관의 표면이 외부로 노출이 되면 배관의 표면이 부식됨으로써 가스누출 등의 사고가 종종 발생하게 된다. 특히, 매설된 가스배관은 지반침하, 단층변화 등과 같은 일부 자연 환경외에 타공사에 의한 손상이 대부분을 차지한다.

이처럼 타공사에 의한 가스배관의 손상은 사고 즉시 보고되지 않는 경향이 있어, 시간이 경과함에 따라 커다란 위험을 초래하기도 한다. 만약, 그러한 손상부위가 보고되지 않고 보수없이 매설되는 경우 가스배관에 부식을 야기해 가스누설로 인한 가스폭발을 발생시킬 수 있다.

따라서, 타공사에 의해 배관에 가해지는 충격을 실시간으로 감시할 수 있는 시스템이 필요하다.

일예로 미국의 경우 GRI(Gas Research Institute)에서는 가속도센서 및 수중음향기를 모의배관에 설치하여 5.1Km 떨어진 거리에서도 감지를 꾀하기도 하였고, 일본의 경우는 배관의 방식전위의 변화량을 측정하여 배관에 가해지는 충격을 실시간으로 감지하는 연구가 진행되었으나 이는 일본에서만 적용 가능하고 그리 실용적이지 못하였다.

그리고, 본 발명의 출원인도 가속도센서를 운영중인 활배관에 설치하여 5.3Km 구간의 충격 감지를 꾀하였고, 충격위치를 구하고자 모의배관에서 연구를 수행한 바 있었다.

하지만 이들 대부분은 배관에 가해지는 충격을 실시간으로 감지할 수 있는 센서를 이용한 방법들로서 충격 감지 기법에 초점을 둔 기초적인 단계의 수준이어서 실제 현장에는 적용되지 못하였다.

그리고, 매설 가스배관에 가해지는 충격을 실시간으로 모니터링하여 충격의 유, 무를 감지한다 하더라도 충격의 위치를 산출하는데 가장 큰 어려움을 안고 있었다.

상기한 문제점 해소를 위해 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 매설되는 가스배관에 충격이 가해질 경우 그 충격파가 배관 내부의 가스 매질을 통해 양방향으로 전파되는 점에 착안하여 배관에 가해지는 충격을 실시간으로 모니터링 할 수 있는 실시간 가스배관 모니터링 시스템을 제공하려는 것이다.

또한, 본발명의 실시간 모니터링 시스템을 통하여 원거리에서도 실기간 감시가 가능할 뿐만 아니라, 배관에 가해지는 충격 위치를 정도 높게 산출하기 위한 실시간 가스배관 모니터링 시스템의 충격위치 산출방법을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적 달성에 따라 본 발명의 실시간 가스배관 모니터링 시스템은 매설되는 가스배관의 양쪽 가장자리 설치되어 가스배관에 충격이 가해질 경우 배관 내부의 가스를 매질로 하여 양방향으로 전파되는 충격파를 감지하는 가속도센서A, B를 설치하고, 여기에 부수적인 장치 즉, 감지된 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭 및 대역여파기, 상기 증폭 및 대역여파기에 의해 증폭된 신호를 A/D로 변환하고 트리거 (trigger)하는 신호처리기, 트리거된 신호를 실시간으로 데이터 분석 처리기에 전송하는 모뎀, 상기 데이터 분석 처리기의 데이터를 출력하는 모니터를 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.

상기 데이터 분석 처리기는 양쪽 구간의 충격신호를 모니터링하여 이를 감시자에 알려주는 알람이 구비되어 위험발생 신호를 발생 및 시간차를 구하여 충격위치를 연산하는 방법을 그 특징으로 하고 있다.

이하, 본 발명에 따른 실시간 가스배관 모니터링 시스템의 구성 및 작용 효과 등을 첨부 도면을 참고하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 나타낸 블록도,

도 2는 본 발명에 따른 타공사에 의한 매설배관의 실시간 손상감지 모니터링 시스템의 흐름도,

도 3은 본 발명의 구체적인 실시예를 나타내는 모식도,

도 4는 도 3의 실시예에 있어서 5kg 추에 의한 센서 A와 센서 B의 입력신호에 대한 결과치를 나타내는 선도,

도 5는 도 3의 실시예에 있어서 추의 무게를 달리한 센서 A의 입력신호 주파수 분석 결과치를 나타낸 선도,

도 6은 도 3의 실시예에 있어서 추의 무게를 달리한 센서 B의 입력신호 주파수 분석 결과치를 나타낸 선도,

도 7은 20kg 바벨의 충격에 의한 센서 A의 주파수 분석 결과치를 나타낸 선도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10 : 가스배관 20,30: 센서

40 : 증폭기/대역여파기 50 : 신호처리기

60 : 모뎀 70 : 데이터 분석 처리기

80 : 모니터 90 : 알람

도 1은 본 발명의 가스배관 모니터링 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.

가스배관(10)에 충격이 가해질 경우 충격파는 배관의 가스를 타고 양방향으로 전파하게 되므로 가스배관(10)의 양쪽 가장자리에 배관의 충격을 감지할 수 있도록 된 가속도센서A, B(20)(30)를 설치하고, 상기 가속도센서A, B(20,30)에 의해 감지된 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭된 신호를 A/D로 변환하여 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 모뎀(60)을 통해 실시간으로 데이터 분석 처리기(70)에 전송함과 아울러 이를 모니터(80)를 통해 출력하도록 되어 있다.

상기 데이터 분석 처리기(70)는 양쪽 구간의 충격신호 데이터를 비교하여 위험발생 신호를 발생하는 알람(90) 및 시간차를 구하여 충격위치를 연산한다.

도 2는 본 발명에 따른 실시간 가스배관 모니터링 시스템의 흐름도를 도시하였다.

배관의 양쪽 끝단에 고정되게 설치된 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서A, B(20,30)가 배관에 가해지는 충격 신호를 감지하면, 상기 감지 신호는 먼저 증폭기에서 10V/g로 증폭되어 증폭기에 내장된 대역여파기(bandpass filter)로 1 ∼ 1kHz대역의 신호를 필터링하고, 필터링 신호에 따라 신호처리기(50)에서는 정해진 크기보다 큰 신호가 들어오면 이를 트리거하고, 이때 트리거시간과 웨이브를 RS232C의 19,200bps로 모뎀(60)을 통하여 데이터 분석 처리기(70)에 보낸다.

배관의 반대쪽에 설치된 가속도센서(30)에 의해 감지된 신호는 증폭기를 거친 신호를 이더넷(ethernet)으로 트리거하고, 트리거 신호와 웨이브를 데이터 분석 처리기(70)로 보내면 상기 데이터 분석 처리기(70)는 이들 데이터를 비교 분석하여 감시자가 알 수 있도록 알람을 발생시킨다.

한편, 충격위치를 알기 위해서는 두개의 센서(20,30)를 배관(10)의 양쪽에 설치하고 충격 신호의 속도 및 도달된 시간차를 알면 충격위치를 파악할 수 있다.

x₁은 충격지점 C에서 센서 A까지의 거리, x₂는 충격지점 C에서 센서 B까지의 거리이다. D는 센서 A와 센서 B 사이의 배관 실제거리라고 가정하면 x₁,x₂의 거리는 다음 식 (1), (2)로 나타낼 수 있다.

여기서, v는 매질내의 음향파 속도이고, t₁은 음향파가 센서 A에 도달하는데 걸리는 시간, t₂는 음향파가 센서 B에 도달하는데 걸리는 시간이다

(실험 1)

도 3에 나타낸 바와 같이 해저 가배관 설치지점의 직선거리(L)는 1,334m, 심해의 평균 깊이(d)는 13m이고, 배관 실제 거리(D)는 1,365m이다.

이상적인 충격실험을 위해서는 직선거리(L) 구간내에서 실험을 해야 했으나 이 구간은 심해의 한 가운데인 관계로 도 3에 도시한 바와 같이 센서 B(30)와 0.3m 이격된 P점에서 충격을 가하였으며, 이 실험을 위해 별도의 충격기를 사용하였으며, 이때 사용되는 충격기에는 5kg의 추를 사용하였고, 배관은 실제 운용중인 두께 1.7cm, 직경은 12inch, 압력은 약 8.6kgf/㎠의 배관을 이용하였다.

그리고, 충격신호를 감지하는 가속도센서(20,30)는 312pC/g의 감도를 가진 가속도센서가 이용되고, 증폭기는 10V/g로 증폭하여 이를 증폭기에 내장된 대역여파기(bandpass filter)로 1 ∼ 1kHz대역의 신호로 필터링하고 신호처리기에서 정해진 크기보다 큰 신호가 들어오면 트리거 한다.

그리고, 매질의 상태를 이상적인 천연가스로 가정하고, 각각의 상수는 한국가스공사 경남지사 통제소의 당시 가스 분석표를 이용하여 천연가스 배관내에서 충격 음파의 속도를 식(5)와 같이 구한다.

: 비열 상수 [1.32]

R : 가스 상수 [8,318J/kmol·K]

T : 절대 온도 [291K]

M : 분자량 [18kg/kmol]

도 4는 5kg추 충격시 센서 A와 센서 B의 입력신호를 나타내고 있다.

충격을 가하는 센서 B 구간의 신호분석기의 샘플링 타임은 10ms, 반대편 센서 A 구간의 신호분석기의 샘플링 타임은 100㎲로 하였다.

도 5의 첫번째 입력신호가 센서 B의 입력신호이고, 두번째 입력신호가 센서 A의 신호이다. 센서 A와 센서 B의 시간차이는 3.9322sec의 결과치를 얻을 수 있었다.

이와 같은 방법으로 동일 실험을 20회 실시한 결과는 이 시간에 크게 벗어나지 않음을 알 수 있었다.

센서 B의 충격레벨은 약 600mg 정도의 큰 신호가 입력되었고, 1,365m 떨어진 센서 A의 입력신호는 거리에 따라 약 3.5mg 정도로 감쇠가 일어났다. 이때 추 5kg의 충격은 실제 천공기나 포크레인의 타공사에 비교할 때 사실상 미미한 충격으로 간주할 수 있다.

이와 같은 실험은 충격레벨의 범위가 어떻게 주어짐에 따라 미미한 타공사나 광범위 충격위치 검출범위 거리를 얻을 수 있다는 것을 보여 주었다.

또한, 정상 상태의 주변 노이즈 신호 또는 차량이나 기타 장비등의 신호를 극복할 수 있다.

도 4에서는 x₁,x₂의 트리거 시간차가 3.9322sec임을 보였다.

따라서, 실제거리((D) 도달거리 시간은 3.24sec가 소요되고, D의 거리는 1,365.012m가 된다.

그러므로, 충격지점 C와 센서 A의 거리인 x₁은 식 (1)로부터 1.365.312m로서 오차가 4.213m 이내의 오차가 발생됨을 알 수 있다.

이 오차는 충격점의 거리가 약 1.3km 인 것을 감안하면 상당한 정확성을 보이고 있음을 알 수 있다.

도 5와 도 6은 센서 A와 센서 B의 임력신호를 주파수 분석한 결과로서 1.365m 떨어진 센서 A의 주파수는 36.2Hz이고, 36.2Hz의 주파수 대역은 사용된 추 5kg, 10kg, 20kg에 상관없이 같은 재질의 충격물체에서는 항상 같은 대역으로 나타났다.

(실험 2)

도 6은 30cm 이격거리에서 충격을 가했기 때문에 주파수 대역이 저주파 영역에서 나타났다. 이처럼 같은 재질 이외의 충격재인 다른 물체로 충격 실험을 동일하게 실시해 보았다.

이것은 20kg의 바벨로서 일정 높이 없이 임의로 10회 충격을 가한 것으로서, 위의 추보다는 충격에너지가 많은 상태이다. 이때의 센서 A의 주파수 분석을 도 7에 나타내고 있다.

이와 같이 같은 재질의 충격주파수는 같은 매질에서 일정하기 때문에 실제 현장 적용시 충격량에 관계없이 자주 발생되는 타공사의 몇가지 종류 재질의 주파수 분석표를 만들면 타공사시 충격 원인을 바로 분석할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 실제 운용중인 가스배관에 가속도센서를 설치하고 상기 신호는 무선데이터 통신을 통하여 배관에 가해지는 충격을 실시간으로 모니터닝할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에서는 실시간으로 가스배관에 가해지는 충격으로부터 배관 내부의 가스 매질을 통해 양측으로 전달되는 충격파를 감지하여 충격지점의 위치를 오차범위 내에서 정확하게 산출할 수 있고, 동일 매질에서 충격물체의 재질이 결정되면 충격량에 관계없이 전달되는 음향과 진동의 주요 주파수로부터 주파수분석을 통하여 구현함으로서 타공사시 주파수 분석을 통하여 충격원인을 바로 분석할 수 있는 등의 효과를 가지는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (2)

1. 매설되는 가스배관(10)의 양쪽 가장자리 설치되어 가스배관에 충격이 가해질 경우 배관 내부의 가스를 매질로 하여 양방향으로 전파되는 충격파를 감지하는 가속도센서A, B(20)(30), 상기 감지된 충격파 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭된 신호를 A/D로 변환하며 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 모뎀(60)을 통해 실시간으로 데이터 분석 처리기(70)에 전송하여 이를 모니터(80)를 통해 출력하도록 구성됨을 특징으로 하는 실시간 가스배관 모니터링 시스템.
2. 매설되는 가스배관(10)의 양쪽 가장자리 설치되어 가스배관에 충격이 가해질 경우 배관 내부의 가스를 매질로 하여 양방향으로 전파되는 충격파를 감지하는 가속도센서A, B(20)(30), 상기 감지된 충격파 신호를 증폭 및 필터링하는 증폭기 및 대역여파기(40), 증폭된 신호를 A/D로 변환하며 트리거(trigger)하는 신호처리기(50), 트리거된 신호를 모뎀(60)을 통해 실시간으로 데이터 분석 처리기(70)에 전송하여 이를 모니터(80)를 통해 출력하도록 구성되는 가스배관 모니터링 시스템의 충격위치 산출방법에 있어서,

   가속도센서A의 감지 신호를 증폭기가 10V/g로 증폭하여 증폭기에 내장된 대역여파기(bandpass filter)로 1∼1kHz대역의 신호를 필터링하고, 신호처리기(50)에서 정해진 크기보다 큰 신호가 들어오면 트리거하며, 트리거시간과 웨이브는 모뎀(60)을 통하여 데이터 분석 처리기(70)에 보내고,

   가속도센서B에 감지되어 증폭기를 거친 신호는 이더넷(ethernet)으로 트리거하고, 트리거 신호와 웨이브를 데이터 분석 처리기(70)로 보내면,

   상기 데이터 분석 처리기(70)는 양쪽 구간의 충격신호 데이터를 비교하여 위험판단시 알람(90) 발생 및 충격파를 감지한 가속도센서 A,B의 시간차를 구하여 충격위치를 연산하는 것을 특징으로 하는 가스배관의 충격위치 산출방법.