KR100431777B1 - 누수검출장치 및 그 안테나 - Google Patents

Abstract

안테나 (60) 는, 금속으로 이루어지는 안테나 박스 (62) 와 안테나 소자 (64) 를 가지고 있다. 안테나 소자 (64) 는 폭과 길이가 땅속으로 방사하는 전자파 파장 (λ) 의 절반인 λ/2 로 되어 있고, 반파장 평면 다이폴 안테나 소자를 구성하고 있다. 안테나 박스 (62) 는, 바닥면의 2 변 (l,m) 과 높이 (h) 가 파장 (λ) 의 절반인 λ/2 를 기본 치수로 한 공동공진형으로 형성되어 있으며, 땅속의 매설관으로부터의 누수에 의한 도플러 주파수를 용이하게 검출할 수 있도록 되어 있다.

Description

누수검출장치 및 그 안테나 {WATER LEAK DETECTOR AND ANTENNA THEREOF}

종래에는 땅속에 매설한 수도관으로부터의 누수를 검출하는 경우 지표면에 마이크로폰을 대고 수도관으로부터 누출되는 물의 소리를 마이크로폰에 의해 확대하여 청취하도록 하고 있었다. 그러나, 이 마이크로폰에 의해 물이 누출되는 소리를 청취하는 방법은, 누수의 유무를 판단하기에 있어서 숙련도를 필요로 하며, 도로를 통과하는 차량의 소음이나 진동이 장해가 되는 것 등과 같은 이유에서 검출정확도가 반드시 높지는 않았다. 따라서, 본원 출원인은 단일 주파수의 전자파를 땅속으로 방사하여 그 반사파를 수신하고, 수신한 반사파로부터 누수부의 유동에 의한 도플러 주파수를 검파하여 땅속의 수도관으로부터의 누수의 유무를 검지하는 장치를 개발했다 (일본 공개특허공보 평 9-5200 호). 도 9 는 전자파를 사용한 종래의 누수검출장치의 일례를 나타내는 블록도이다.

도 9 에 있어서, 누수검출장치 (10) 는 송신 안테나 (12) 와 수신 안테나(14) 를 가지고 있다. 송신 안테나 (12) 는 고주파 송신 신호를 생성하는 발진기 등으로 이루어지는 신호 발생기 (16) 에 접속되어 있어, 신호 발생기 (16) 가 출력한 전자파인 송신 신호를 땅속으로 방사한다.

한편, 수신 안테나 (14) 는 송신 안테나 (12) 로부터 방사된 송신 신호의 반사파를 수신한다. 수신 안테나 (14) 에는 수신한 반사파인 반사 신호를 증폭하는 고주파 증폭기 (RF 증폭기: 18) 가 접속되어 있다. 이 RF 증폭기 (18) 의 출력측에는 RF 증폭기 (18) 의 출력 신호를 수신 신호로서 입력하는 복조기 (20) 가 접속되어 있다. 또한, 복조기 (20) 에는 위상 시프터 (22) 를 통하여 참조 신호 발생기 (24) 가 출력하는 참조 신호가 입력되도록 되어 있다. 참조 신호 발생기 (24) 는 신호 발생기 (16) 에 접속되어 있어, 신호 발생기 (16) 가 출력한 송신 신호의 일부를 입력하고, 송신 신호와 동일한 주파수의 신호를 참조 신호로서 위상 시프터 (22) 에 출력한다.

복조기 (20) 는 수신 안테나 (14) 가 받은 반사 신호 (수신 신호) 와 위상 시프터 (22) 를 통하여 입력하는 참조 신호를 혼합하고, 수신 신호로부터 송신 신호의 성분 (송신 신호와 동일 위상의 신호 성분) 을 제거한다. 그 후에, 복조기 (20) 는 송신 신호에 대한 위상 어긋남에 따른 복조 신호 (중간 주파 (IF) 신호) 를 로우패스 필터 (26) 와 증폭기 (28) 에 출력한다. 로우패스 필터 (26) 는 땅속의 매설관이나 공동(空洞:구멍) 등의 고정적인 것으로부터의 신호 성분 (송신 신호에 대한 일정한 위상 어긋남 성분, 즉 직류성분) 을 투과하고 오실로스코프 (30) 에 출력하여 표시한다. 또, 증폭기 (28) 는 복조기 (20) 가 출력한 복조 신호를 증폭하여 출력한다. 그리고 도시하지 않은 작업자는 위상 시프터 (22) 의 손잡이를 통하여 위상 시프터 (22) 의 출력을 조정하고, 복조기 (20) 의 출력 신호 중 매설관이나 공동 등의 고정적인 것으로부터 반사된 신호 성분이 0 이 되도록 즉 로우패스 필터 (26) 의 출력이 0 이 되도록 한다.

즉, 땅속으로 전자파를 방사하여 땅속 매설관으로부터의 누수를 검출하는 경우, 송수신 안테나 사이의 결합 신호 (도 10 에 나타낸 지표면 (32) 에서 반사되어 송신 안테나 (12) 로부터 수신 안테나 (14) 에 직접 입사하는 전자파 (34) 나, 땅속 (36) 을 통과하여 직접 수신 안테나 (14) 에 들어가는 전자파 (38)), 땅속 (36) 에 존재하는 배관 (40) 등과 같은 인공적인 것, 및 땅속 (36) 에 생긴 공동 (42) 이나 도시하지 않은 암석, 지층 (지질) 의 변화부 등과 같은 자연계에 존재하는 것 등, 매설물로부터의 위상이 변화하지 않는 고정적인 반사 신호를 제거한다. 그 결과, 복조기 (20) 는 누수부 (44) 의 유동에 의한 도플러 주파수에 기초한 신호만을 출력하고, 이 신호가 복조기 (28) 에 의해 증폭된다.

누수검출장치 (10) 가 전자파를 이용하여 누수부 (44) 로부터의 도플러 효과에 의한 도플러 주파수를 검출함으로써, 매설한 수도관으로부터 누수되고 있는지 여부를 작업자의 숙련도나 도로를 통과하는 차량 등의 영향 등을 받지 않고 검출할 수 있다.

그러나, 상기한 종래의 전자파를 사용한 누수검출장치 (10) 에서는, 송신 안테나 (12) 및 수신 안테나 (14) 로서 일반적인 땅속 매설물 탐사 레이더용을 사용하고 있기 때문에 충분한 검출 정밀도를 얻을 수 없었다. 즉, 종래의 누수검출장치 (10) 의 안테나는 도 11 과 같이 되어 있다.

이 안테나 (46) 는 땅속 탐사 레이더용의 안테나로서, 안테나 소자 (48) 는 소위 보우타이 안테나로 되어 있으며 안테나 소자 (48) 의 일측면을 덮는 금속제의 안테나 박스 (50) 가 설치되어 있다. 이 안테나 박스 (50) 의 폭 (a), 길이 (b), 높이 (c) 는 일반적으로 소인(sweep) 주파수의 중심 주파수에 기초하여 설정된다. 그리고, 안테나 박스 (50) 의 내부에는 펠라이트나 카본우레탄 등으로 이루어지는 전파흡수재 (52) 가 설치되어 있다. 전파흡수재 (52) 는, 주파수에 대한 진폭의 특성을 평탄하게 함과 동시에 안테나 박스 (50) 내에서의 다중 반사를 방지하도록 되어 있다. 그 결과, 땅속 매설물 탐사용 안테나 (46) 는 주파수에 대한 안테나 게인 (주파수 특성) 이 도 12 에 나타낸 바와 같이 광대역으로 되어 있다.

이는 땅속 탐사 레이더의 경우, 주파수를 수 10 MHz ∼ 1 GHz 정도까지 소인하고, 땅속의 고정적인 이물 (배관 등과 같은 인공적인 것, 공동, 지층의 변화 등과 같은 자연적인 것) 로부터의 반사 신호의 위상변화를 인위적으로 일으키고, 그 위상 변화를 해석하여 땅속 이물의 탐지와 지표로부터 이물까지의 거리를 구하기 때문이다. 이 때문에 종래의 안테나 (46) 는 도 12 에 나타낸 바와 같이 광대역 특성이 우수하여 넓은 주파대역의 전자파를 비교적 일정한 레벨로 송신하거나 수신할 수 있다. 그러나, 종래의 안테나 (46) 는 광대역 전자파에 대응하기 위해 게인을 희생하지 않을 수 없다. 따라서, 종래의 안테나 (46) 는 특정한 단일 주파수의 전자파를 땅속으로 방사하여 도플러 주파수를 검파하는 누수검출장치의 안테나에는 적합하지 않아, 검출 정밀도 향상의 방해가 되고 있다.

즉 안테나 (46) 는 송신 안테나 (12) 로서 사용한 경우, 특정 주파수의 전자파를 방사할 때에 충분한 강도의 전자파를 방사할 수 없다. 또 안테나 (46) 는 수신 안테나 (14) 로서 사용한 경우, 광대역의 전자파를 수신하기 위해 특정 주파수 이외의 각종 노이즈를 수신하게 되어 누수부로부터의 미약한 반사 신호를 끄집어내는 것이 용이하지 않다.

또, 종래의 도플러 주파수를 검파하는 누수검출장치 (10) 는, 상기한 바와 같이 작업자가 위상 시프터 (22) 의 손잡이를 조정하여, 복조기 (20) 가 출력한 IF 신호로부터 고정적인 반사 신호 (직류 신호 성분) 를 제거하도록 하고 있다. 그 결과, 다음과 같은 문제가 있다.

(1) 전압 비교기 및 위상 시프터 (22) 가 필요하게 되어 회로가 복잡해진다. (2) 안테나의 설치 상태가 변했을 때는 그 때마다 위상 시프터 (22) 를 조정할 필요가 있다. (3) 발진 주파수 (송신 신호의 주파수) 및 위상 시프터 (22) 의 특성이 온도에 따라 드리프트되기 때문에 시간의 경과에 따라 미세 조정이 필요해진다. (4) 그 때문에 안테나간 결합 신호나 매설물 등과 같은 고정적인 것으로부터의 반사 신호 등이 강한 직류 신호 성분을 충분히 제거할 수 없다. 또 미약한 누수 신호를 얻기 위해 증폭기 (28) 의 증폭율을 크게 하면, 증폭기 (28) 의 출력이 포화되기 때문에 증폭율을 크게 할 수 없고 S/N 비를 크게 취할 수 없다.

본 발명은 전자파를 사용하여 땅속에 매설한 배관으로부터의 누수의 유무를 검지하는 누수검출장치에 관한 것으로, 특히 누수부에서의 유동에 의해 발생하는 도플러 효과를 이용하여 누수를 검출하기에 적합한 누수검출장치용 안테나 및 누수검출장치에 관한 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관한 누수검출장치용 안테나의 설명도이다.

도 2 는 실시형태에 관한 안테나 소자의 평면도이다.

도 3 은 실시형태에 관한 안테나의 게인의 주파수 특성도이다.

도 4 는 다른 실시형태에 관한 안테나의 요부 설명도이다.

도 5 는 다른 실시형태에 관한 안테나의 게인의 주파수 특성도이다.

도 6 은 본 발명의 실시형태에 관한 누수검출장치의 블록도이다.

도 7 은 실시형태에 관한 누수검출장치에 의해 검파한 누수부로부터의 반사 신호의 주파수 분석 결과를 나타내는 도이다.

도 8 은 누수검출장치의 작동 주파수에 대한 도플러 주파수의 관계를 나타내는 도이다.

도 9 는 종래의 누수검출장치의 블록도이다.

도 10 은 전자파를 사용하여 누수를 검출하는 원리의 설명도이다.

도 11 은 종래의 누수검출장치에 사용되는 안테나의 사시도이다.

도 12 는 종래의 누수검출장치용 안테나의 게인의 주파수 특성도이다.

본 발명은 상기 종래 기술의 결점을 해소하기 위하여 이루어진 것으로, 누수부에서 발생된 미약한 도플러 주파수의 검파를 용이하게 수행하여 누수의 검출정밀도를 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.

또, 본 발명은 회로의 간소화가 도모되어 조작성을 개선하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기 목적을 달성하기 위해서는, 본 발명에 관한 누수검출장치용 안테나는 땅속으로 전자파를 방사하여 그 반사파를 수신하고 도플러 주파수를 검파하여 땅속 매설관으로부터의 누수의 유무를 검지하는 누수검출장치의 안테나로서, 폭과 길이가 땅속으로 방사하는 상기 전자파의 파장의 1/2 로 형성된 평면 다이폴 안테나 소자와, 이 안테나 소자의 일측면을 덮어 공진공동을 형성하는 케이스를 갖는 구성으로 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 관한 누수검출장치용 안테나는 평면 다이폴 안테나 소자의 길이와 폭의 치수가 땅속으로 방사하는 전자파의 파장 (λ) 의 1/2 로 형성된 소위 반파장 안테나로서, 또한 케이스를 공동공진형으로 하고 있다. 그 결과, 본 발명의 안테나는 커다란 공진특성을 얻을 수 있어, 특정 파장 (λ) 에 상당하는 주파수 (f) 에 대한 게인을 크게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 안테나는 송신 안테나로서 사용한 경우 특정 주파수가 강한 전자파를 방사할 수 있으며, 수신 안테나로서 사용한 경우 노이즈가 적은 반사파를 수신할 수 있어, 그 결과 본 발명의 안테나는 도플러 주파수의 검파를 용이하게 수행하여 땅속에 매설한 수도관으로부터의 누수의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또, 안테나는 평면 다이폴 안테나 소자의 전송로에 유전체 공진기를 설치하는 것이 바람직하다. 안테나는, 안테나 소자를 접속한 전송로에 세라믹 등으로 이루어지는 유전체 공진기를 설치함으로써 공진의 예리함을 나타내는 Q 값을 크게 할 수 있다. 따라서, 유전체 공진기를 갖는 안테나는 원하는 주파수에서의 공진 특성이 향상되어 송신 신호의 협대역화를 도모할 수 있고, 도래 노이즈의 영향을 더욱 줄일 수 있음과 동시에 송수신의 게인을 향상시킬 수 있다.

그리고, 본 발명에 관한 누수검출장치는, 전자파로 이루어지는 송신 신호를 땅속으로 방사하는 송신 안테나와, 이 송신 안테나가 방사한 상기 송신 신호의 반사파를 받는 수신 안테나를 갖추고, 상기 수신 안테나가 받은 상기 반사파에 기초하여 땅속 매설관으로부터의 누수의 유무를 검지하는 누수검출장치에 있어서, 상기 송신 안테나가 방사한 상기 송신 신호와 동일 주파수의 참조 신호가 참조 신호 발생기로부터 입력됨과 동시에, 상기 수신 안테나로부터 수신 신호가 입력되고 이들 신호로부터 상기 송신 신호에 대한 위상 어긋남에 따른 복조 신호를 출력하는 복조기와, 이 복조기가 출력한 상기 복조 신호가 입력되고, 복조 신호 중 누수부의 유동에 의해 발생한 도플러 주파수에 대응하는 성분이 투과되는 대역 필터를 갖는 구성으로 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 관한 누수검출장치는, 복조기의 출력측에 대역 필터를 설치하고 복조기가 출력하는 복조 신호 중 누수부의 유동에 의한 도플러 효과에 의해 발생한 도플러 주파수에 대응하는 성분을 투과하도록 함으로써, 도플러 주파수의 검파를 용이하고 확실하게 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 누수검출장치는, 종래와 같이 복조기에 주어지는 참조 신호의 위상을 위상 시프터에 의해 조정할 필요가 없어, 전압 비교기나 위상 시프터가 불필요하게 되어 회로를 간소화할 수 있다. 그리고, 본 발명에 관한 누수검출장치는 참조 신호의 위상을 조정할 필요가 없기 때문에, 안테나의 설치 상태가 변하거나 온도 변화에 의해 발신 주파수가 드리프트(drift)되었다 해도 장치를 반입한 장소에 있어서 바로 누수검출작업을 수행할 수 있어, 메인터넌스 프리(maintenance-free)가 되어 조작성이 비약적으로 향상된다. 또, 본 발명의 누수검출장치는, 대역 필터를 투과한 신호를 증폭하는 최종 단계에서의 증폭율을 크게 할 수 있기 때문에 S/N 비를 크게 할 수 있다.

또한, 대역 필터는 대역 주파수가 0.5 Hz ∼ 1 kHz 인 것을 사용할 수 있다. 땅속에 존재하는 배관으로부터의 누수를 검출하는 경우, 땅속에서의 전자파의 감쇠가 크기 때문에 사용하는 주파수 (송신 신호의 주파수) 는 일반적으로 공중 탐사용 레이더보다 낮다. 또, 누수부에서의 물이나 토사의 움직임의 속도도 작기 때문에 도플러 주파수도 작아진다. 따라서 대역 필터의 대역 주파수는 직류 성분을 제거할 수 있는 0.5 Hz 이상 1 kHz 이하인 것이 좋고, 바람직하게는 0.5 ∼ 100 Hz 이다.

본 발명에 관한 누수검출장치용 안테나 및 누수검출장치의 바람직한 실시형태를 첨부 도면에 따라 상세하게 설명한다. 또, 상기 종래기술에 있어서 설명한 부분에 대응하는 부분에 대해서는 동일 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다.

도 1 은 본 발명의 실시형태에 관한 누수검출장치용 안테나의 설명도이고, 도 2 는 실시형태에 관한 안테나 소자의 평면도이다.

이들 도면에 있어서, 안테나 (60) 는 금속으로 이루어지는 케이스인 안테나 박스 (62) 를 가지고 있고, 안테나 박스 (62) 의 하면에 안테나 소자 (64) 가 설치되어 있다. 또, 안테나 (60) 는 소위 보우타이 안테나로서, 안테나 소자 (64) 가 도 2 에 나타낸 바와 같이 삼각형상의 한쌍의 소자편 (64a, 64b) 의 하나의 정상부를 대향시켜 배치한 평면 다이폴 안테나 소자로 되어 있다. 또, 안테나 소자 (64) 는 도 2 의 상하 방향이 되는 폭 (d) 의 치수와, 소자편 (64a, 64b) 방향의 길이 (e) 의 치수가 땅속으로 방사하는 전자파의 파장 (λ) 의 절반 길이, 즉 λ/2 로 되어 있어 소위 반파장 다이폴 안테나를 구성하고 있다.

한편, 안테나 박스 (62) 는 바닥면의 2 변 (l,m) 의 치수가 파장 (λ) 의 절반인 λ/2 에 안테나 소자 (64) 를 고정하기 위한 고정값 (α) 을 더한 (λ/2)+α로 되어 있다. 또, 안테나 박스 (62) 는 높이 (h) 가 λ/4, λ/2 또는 이들의 정수배인 λ로 되어 있다. 따라서, 안테나 박스 (62) 는 λ/2 를 기본치수로 한 소위 공동공진형으로 되어 있어 내부에 공진공동이 형성되어 있다.

이렇게 구성된 안테나 (60) 는, 소정 주파수 f₀= c / λ₀(c 는 광의 속도) 에서 공진하고, 주파수 특성 즉 주파수에 대한 안테나 게인은 도 3 에 나타낸 바와 같이 공진 주파수 f₀를 중심으로 한 가우스 곡선이 된다. 따라서 공진 주파수 (f₀) 의 송신 신호를 안테나 (60) 로 이루어지는 송신 안테나로부터 방사함으로써, 큰 안테나 게인을 얻어 강한 전자파를 땅속으로 방사할 수 있다. 또, 안테나 (60) 로 이루어지는 수신 안테나는 공진 주파수 (f₀) 의 반사 신호를 선택적으로 수신하기 때문에 노이즈가 적은 반사 신호를 수신할 수 있다. 따라서, 안테나 (60) 를 송신 안테나와 수신 안테나에 사용한 누수검출장치는, 매설한 수도관으로부터의 누수에 의한 도플러 주파수를 확실하게 검파할 수 있어 누수의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또, 실시형태에 관한 안테나 (60) 는 진폭 특성을 평탄하게 할 필요가 없어 안테나 박스 (62) 의 내부에 전파흡수재를 설치할 필요가 없기 때문에 저가에 공급할 수 있다.

도 4 는 다른 실시형태에 관한 안테나의 요부 설명도이다. 도 4 에서, 본 도에 도시하지 않은 안테나 박스 (62) 의 내부에는 전송로인 동축 케이블 (66) 에 세라믹 등으로 이루어지는 유전체 공진기 (68) 가 설치되어 있다. 그리고, 동축 케이블 (66) 의 선단에는 임피던스 변환하는 변성기인 발룬 (70) 이 접속되어 있다. 이 발룬 (70) 의 선단은 안테나 소자 (64) 의 각 소자편 (64a,64b) 에 접속되어 있다.

이렇게 구성된 본 실시형태의 안테나에 있어서는, 유전체 공진기 (68) 를 동축 케이블 (66) 에 설치함으로써 도 5 에 주파수 특성을 나타낸 바와 같이 공진의 예리함(sharpness)을 나타내는 Q 값을 크게 할 수 있다. 따라서, 이 실시형태의 안테나는, 원하는 주파수로 공진시킬 수 있어 송신 신호의 협대역화를 도모할 수 있기 때문에 수신 안테나에 도달하는 텔레비젼 전파나 이동전화의 전파 등의 노이즈의 영향을 저감할 수 있으며 송수신 게인을 더욱 향상시킬 수 있어 누수의 검출 정밀도를 한층 높일 수 있다.

도 6 은 본 발명의 실시형태에 관한 누수검출장치의 블록도이다. 도 6 에 있어서 누수검출장치 (80) 는 위상 시프터가 생략되어 있으며, 복조기 (20) 에 참조신호 발생기 (24) 가 직접 접속되어 있다. 따라서, 누수검출장치 (80) 는 신호발생기 (16) 가 출력하는 송신 신호와 동일한 주파수의 참조 신호가 위상 조정되지 않고 참조 신호 발생기 (24) 로부터 복조기 (20) 에 직접 입력하도록 되어 있다. 그리고, 복조기 (20) 의 출력측에는 로우 노이즈의 프리 앰프 (82) 가 접속되어 있다. 이 프리 앰프 (82) 의 출력측에는 대역 필터 (84) 가 설치되어 있다. 이 대역 필터 (84) 는 실시형태의 경우 OP 앰프(연산증폭기)를 사용한 소위 액티브 필터이다. 대역 필터 (84) 는 복조기 (20) 가 출력한 복조 신호 (IF 신호) 중 땅속의 누수부에서의 물이나 물과 토사의 혼합물의 움직임에 의해 발생한 도플러 주파수에 대응한 성분을 투과시킨다. 그리고, 대역 필터 (84) 는 대역 주파수가 실시형태의 경우 0.5 ∼ 1 kHz 로 되어 있다. 또 대역 필터 (84) 의 출력측에는 증폭기 (86) 가 접속되어 있어 대역 필터 (84) 를 투과한 신호를 증폭할 수 있도록 되어 있다. 증폭기 (86) 의 출력은 도시하지 않은 누수 판별기나 표시 장치, 미터 등의 표시기, 기록장치 등에 출력되어 누수의 유무의 판별에 사용된다.

이렇게 구성된 실시형태의 누수검출장치 (80) 에 있어서는 신호 발생기 (16) 가 송신 신호를 생성하여 출력하고, 그 일부가 송신 안테나 (12) 를 통하여 땅속으로 방사되며 일부가 참조 신호 발생기 (24) 에 주어진다. 송신 안테나 (12) 에서 방사된 송신 신호는 땅속에 존재하는 배관이나 공동 등과 같은 이물이나 땅속 수도관으로부터의 누수부로부터 반사되어 반사 신호로서 수신 안테나 (14) 에 도달한다. 수신 안테나 (14) 가 수신한 반사 신호 (반사파) 는 RF 증폭기 (18) 에 의해 10⁴배 정도 증폭되고, 수신 신호로서 복조기 (20) 에 입력된다.

한편, 참조 신호 발생기 (24) 는 신호 발생기 (16) 로부터 입력한 신호를 참조 신호로, 즉 송신 신호와 동일 주파수의 참조 신호를 복조기 (20) 에 입력한다. 복조기 (20) 는 입력된 수신 신호와 참조 신호를 혼합하여 송신 신호와 동일한 위상의 신호 성분을 제거한다. 그리고, 복조기 (20) 는, 송신 신호와 위상이 다른 IF 신호를 복조 신호로서 프리 앰프 (82) 를 통하여 대역 필터 (84) 에 입력한다. 대역 필터 (84) 는 프리 앰프 (82) 에 의해 10 배 정도 증폭된 복조 신호 중 땅속 배관이나 공동 등으로부터의 반사에 기초한 직류 신호 성분과 각종 고주파 노이즈를 제거한다. 그 후에, 대역 필터 (84) 는 누수에 고유한 현상을 나타내는 주파수를 통과시킨다. 특히, 대역 필터 (84) 는 누수부에서의 물 (또는 물과 토사의 혼합물) 의 유동에 의해 발생하는 도플러 주파수에 대응한 주파수에 대응하는 0.5 Hz ∼ 1 kHz 의 신호 성분만을 통과시켜 출력한다. 그 후에, 대역 필터 (84) 를 투과한 신호는 증폭기 (86) 에 의해 10⁴배 정도 증폭되고 표시 레벨 (수 볼트) 의 전압으로 되어 표시기 등에 보내어진다.

상술한 실시형태에 있어서는, 위상 시프터에 의해 참조 신호의 위상을 조정하지 않고 참조 신호를 복조기 (20) 에 부여하고 있다. 또, 누수검출장치 (80) 는 복조기 (20) 의 출력측에 대역 필터 (84) 를 설치하여, 복조기 (20) 가 출력한 복조 신호로부터 누수에 기초하여 도플러 주파수에 대응한 성분을 투과시키도록 하고 있다. 이 때문에, 실시형태의 누수검출장치 (80) 는, 누수에 의한 도플러 주파수를 용이하고 확실하게 검출할 수 있어, 땅속에 매설한 수도관으로부터의 누수의 유무를 고정밀도로 용이하게 판별할 수 있다.

또한, 누수검출장치 (80) 는, 종래와 같이 복조기 (20) 에 주어지는 참조 신호의 위상을 위상 시프터에 의해 조정할 필요가 없기 때문에 전압 비교기나 위상 시프터가 불필요하게 되어 회로를 간소화 할 수 있다. 또, 누수검출장치 (80) 는 참조 신호의 위상을 조정할 필요가 없기 때문에, 안테나 (12, 14) 의 설치 상태가 변화하거나 온도 변화에 따라 신호 발생기 (16) 가 출력하는 송신 신호의 발신 주파수가 드리프트되었다고 해도 누수검출장치 (80) 를 반입한 장소에 있어서 바로 누수검출작업을 수행할 수 있어, 메인터넌스 프리가 되어 조작성이 비약적으로 향상된다. 또, 실시형태의 누수검출장치 (80) 는, 대역 필터 (84) 를 투과한 신호를 증폭하는 증폭기 (86) 의 증폭율을 크게 할 수 있기 때문에 S/N 비를 크게 할 수 있다.

또, 누수검출장치 (80) 는 송신 안테나 (12) 와 수신 안테나 (14) 로서, 상기 실시형태에 관한 안테나 (64) 를 사용함으로써 누수의 검출 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다.

(실시예)

시험지(試驗地)의 깊이 1.2 m 의 위치에 수도관을 매설하고, 지정된 아스팔트 포장의 공사 사양에 기초하여 다시 메웠다. 그 후에, 아스팔트 포장을 실시한 후 매설한 수도관으로부터 매분 5 리터의 누수를 발생시키고, 이 누수를 실시형태에 관한 누수검출장치 (80) 를 사용하여 검출하는 실험을 수행하였다. 누수검출장치 (80) 의 작동 주파수, 즉 신호 발생기 (16) 가 출력하는 송신 신호의 주파수를 400 MHz 로 하여 누수의 검출을 실시한 결과, 용이하게 누수를 검출할 수 있었다.

도 7 은 이 때의 누수부로부터의 반사 신호의 주파수 분석을 실시한 결과를 나타낸 것이다. 도 7 은 가로폭이 대역 필터 (84) 를 투과한 신호의 주파수 (도플러 주파수) 를 나타내고 (단위는 Hz), 세로폭이 계기의 신호 진폭 (단위는 mV) 을 나타내고 있다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 누수부로부터의 반사 신호에 포함되어 있는 도플러 주파수는 작동 주파수가 400 MHz 인 경우 10 Hz 이하가 주성분이다. 특히, 실시예의 도플러 주파수는 2 ∼ 5 Hz 의 성분이 탁월함을 알 수 있다. 그리고, 이 결과로부터 누수부에서의 물 (또는 물과 토사의 혼합물) 의 움직임 (유동) 의 속도는 약 0.1 ∼ 0.2 m/s 임을 알 수 있다.

따라서, 도플러 주파수 (f_d) 는 주지된 바와 같이 다음 식에 의해 구할 수 있다.

단, 수학식 1 에 있어서, V_r은 물 (또는 물과 토사의 혼합물) 의 속도이고, C 는 전자파의 진공중에서의 전파 속도, ε₂는 땅속의 비유전율, f 는 송신 신호의 주파수이다.

여기서, 물의 속도 V_r= 0.1 m/s 로 가정하고, 대기의 유전율을 진공과 동일하게 1 로 했을 때의 전자파의 속도 C = 3 ×10⁸m/s, ε₂= 81, f = 400 MHz 로 하면, 도플러 주파수 f_d는 다음과 같이 된다.

= 0.2 ×9 ×400 ×10⁶/3 ×10⁸

= 2.4 Hz

여기서, 물의 속도가 0.2 m/s 라고 가정하면, f_d= 4.8 Hz 가 된다.

도 8 은 작동 주파수에 대한 도플러 주파수의 값을 상기 수학식 1 에 의해 구한 것이다. 도 8 의 가로축은 단위를 MHz 로 나타낸 작동 주파수이고, 세로축이 도플러 주파수를 단위 Hz 로 나타내고 있다. 그리고, 도면 중에 나타낸 ◆ 표시는 물의 속도가 0.1 m/s, ■표시는 물의 속도가 0.2 m/s, ×표시는 물의 속도가 0.4 m/s, ○표시는 물의 속도가 0.5 m/s 로 가정한 경우이다. 단, 물로 포화된 땅속의 비유전율을 81 로 하고 있다.

이러한 도 8 로부터 계산상의 도플러 주파수는, 작동 주파수가 400 MHz 인 경우 수도관에서 새어나온 물의 속도가 0.5 m/s 인 경우라도 12 Hz 이다. 따라서 도 7 을 고려하면, 대역 필터 (84) 의 대역 주파수는 0.5 ∼ 50 Hz 정도로 설정하면 된다. 또, 작동 주파수를 600 MHz 로 한 경우, 대역 필터 (84) 의 대역 주파수는 0.5 ∼ 100 Hz 정도로 설정하면 되는 것을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 관한 안테나는 평면 다이폴 안테나 소자의 길이과 폭의 치수가 땅속으로 방사하는 전자파의 파장 (λ) 의 1/2 로 형성된 소위 반파장 안테나로서, 또 케이스를 공동공진형으로 하고 있기 때문에 큰 공진 특성을 얻을 수 있어 특정 파장 λ에 상당하는 주파수에 대한 게인을 크게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 안테나는, 송신 안테나로서 사용한 경우 특정 주파수가 강한 전자파를 방사할 수 있고, 수신 안테나로서 사용한 경우 노이즈가 적은 반사파를 수신할 수 있다. 이 때문에, 본 발명의 안테나는 도플러 주파수의 검파를 용이하게 수행할 수 있어, 땅속에 매설한 수도관으로부터의 누수의 검출 정밀도를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 안테나 소자에 접속한 전송로에 세라믹 등으로 이루어지는 유전체 공진기를 설치함으로써, 공진의 예리함을 나타내는 Q 값을 크게 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 관한 안테나는, 원하는 주파수에서의 공진 특성이 향상되어 송신 신호의 협대역화를 도모할 수 있고, 노이즈의 영향을 저감시킬 수 있음과 동시에 송수신 게인을 향상시킬 수 있다.

그리고 본 발명에 관한 누수검출장치에 의하면, 복조기의 출력측에 대역 필터를 설치하고 복조기가 출력하는 복조 신호 중 누수부의 유동에 의한 도플러 효과 에 의해 발생한 도플러 주파수에 대응하는 성분을 투과하도록 함으로써, 도플러 주파수의 검파를 용이하고 확실하게 수행할 수 있다. 또한, 본 발명의 누수검출장치는, 종래와 같이 복조기에 주어지는 참조 신호의 위상을 위상 시프터에 의해 조정할 필요가 없고 전압 비교기나 위상 시프터가 불필요하게 되어 회로를 간소화할 수 있다. 그리고, 본 발명의 누수검출장치는 참조 신호의 위상을 조정할 필요가 없기 때문에, 안테나의 설치 상태가 변하거나 온도 변화에 의해 발신 주파수가 드리프트되었다고 해도 바로 누수검출작업을 수행할 수 있어, 메인터넌스 프리가 되어 조작성이 비약적으로 향상된다. 또, 본 발명의 누수검출장치는, 대역 필터를 투과한 신호를 증폭하는 최종 단계에서의 증폭율을 크게 할 수 있기 때문에 S/N 비를 크게 할 수 있다.

또, 누수검출장치는, 대역 필터의 대역 주파수를 직류 성분을 제거할 수 있는 0.5 Hz 이상 1 kHz 이하로 설정함으로써 노이즈의 저감을 도모할 수 있다.

Claims (4)

1. 땅속으로 전자파를 방사하여 그 반사파를 수신하고, 도플러 주파수를 검파하여 땅속 매설관으로부터의 누수의 유무를 검출하는 누수검출장치의 안테나에 있어서,

   폭과 길이가 지중으로 방사하는 상기 전자파의 파장(λ)의 1/2 로 형성한 평면 다이폴 안테나 소자; 및

   상기 안테나 소자의 일측면을 덮어 공진 공동을 형성하는 케이스를 구비하며,

   상기 케이스의 높이는 λ/4, λ/2 또는 이들의 정수배인 λ인 것을 특징으로 하는 누수검출장치용 안테나.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 평면 다이폴 안테나 소자는 접속되는 전송로에 유전체 공진기가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 누수검출장치용 안테나.
3. 전자파로 이루어지는 송신 신호를 지중으로 방사하는 송신 안테나 및 상기 송신 안테나가 방사한 상기 송신 신호의 반사파를 받는 수신 안테나를 갖추고, 상기 수신 안테나가 받은 상기 반사파에 기초하여 지중 매설관으로부터의 누수 유무를 검출하는 누수검출장치에 있어서,

   상기 송신 안테나가 방사한 상기 송신 신호와 동일 주파수의 참조 신호가 참조 신호 발생기로부터 입력됨과 동시에 상기 수신 안테나로부터 수신 신호가 입력되고, 이러한 신호들로부터 상기 송신 신호에 대한 위상 어긋남에 따른 복조 신호를 출력하는 복조기; 및

   상기 복조기가 출력한 상기 복조 신호가 입력되고, 복조 신호 중 누수부의 유동에 의해 발생한 도플러 주파수에 대응하는 성분이 투과되는 대역 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 누수검출장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 대역 필터는 통과 대역이 0.5 Hz ∼ 1 kHz 인 것을 특징으로 하는 누수검출장치.