KR101967405B1 - 상수도관의 누수 감지 시스템 - Google Patents

상수도관의 누수 감지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내부에 적어도 하나의 광섬유 케이블을 수용한 광섬유케이블보호관, 상기 광섬유 케이블에 광을 보내는 광원부, 상기 광섬유 케이블의 산란광을 수신하는 수신부 및 상기 산란광을 이용하여 상기 상수도관의 누수 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 상수도관의 누수 감지 시스템에 있어서, 상기 광섬유케이블보호관은, 지하수위보다 높고 상수도관보다 낮은 높이에 상기 상수도관으로부터 이격하여 포설되되, 상기 상수도관을 향한 적어도 일 영역에 다수의 투수공을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제어부는, 상기 산란광를 이용하여 측정된 온도를 근거로 상기 상수도관의 누수 여부나 누수 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템을 제공한다.

Description

상수도관의 누수 감지 시스템 {SYSTEM FOR DETECTING WATER LEAKAGE OF WATER PIPE}
본 발명은 상수도관의 누수 감지 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광섬유 케이블을 이용하여 상수도관의 누수를 감지하기 위한 시스템에 관한 것이다.
종래 상수도관의 누수 여부 및 파손 여부를 감지하기 위해서는 상수도관의 양쪽 제수변, 소화전 계량기 등에 센서를 부착시켜 누수 지점에서 전해지는 동일한 누수음이 쌍방의 감지기에 전해지는 시간차를 계산해 누수 지점을 산출하였다. 그러나 이러한 방법으로는 주기적으로 상수도관이 매설되어 있는 현장에 직접 인력을 투입하여 누수 여부를 탐지하는 탐지반을 운영해야 하는 문제가 있을 뿐만 아니라 누수 탐지 작업시 주변 잡음으로 인해 작업자가 누수음을 정확하게 감지하기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국특허등록번호 제0803377호에서는 상수도관 매설시 상수도관에 광섬유 케이블을 부착하고 광섬유 케이블을 이용하여 측정된 온도 및 변형률을 이용하여 상수도관의 누수 여부나 파손 여부를 감지하는 내용을 개시하고 있다. 구체적으로, 위 선행특허에서 개시하고 있는 기술은 도 1에 도시한 바와 같이, 상수도관(10)의 측하부에 광섬유 케이블(20)을 에폭시 등의 고착재(30)를 이용하여 고정하고, 광섬유에 광을 보내고 이로부터 수신된 산란광을 이용하여 상수도관의 누수 및 파손을 감지한다.
그러나 상수도관(10)의 파손이 광섬유 케이블(20)이 위치한 반대 측면에 발생한 경우, 광섬유를 이용한 온도 측정시 온도 변화가 없거나 적을 수 있어 정확한 누수 탐지가 어려운 문제가 있고, 광섬유 케이블(20)이 고착재(30)에 의해 상수도관(10)에 고정되어 있기 때문에 상수도관(10)을 그대로 둔 채로 광섬유(21~24)나 광섬유 케이블(20)을 교체할 수 없는 문제가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제점을 해소할 수 있는 새로운 기술에 대한 제시가 절실히 요구되는 실정이다.
(특허문헌 1) 한국특허등록번호 제0803377호
본 발명은, 광섬유 케이블의 용이한 교체가 가능하고 상수도관의 파손 위치와 상관없이 상수도관의 누수 여부 및 누수 위치를 감지할 수 있는 상수도관의 누수 감지 시스템을 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 내부에 적어도 하나의 광섬유 케이블을 수용한 광섬유케이블보호관, 상기 광섬유 케이블에 광을 보내는 광원부, 상기 광섬유 케이블의 산란광을 수신하는 수신부 및 상기 산란광을 이용하여 상기 상수도관의 누수 여부를 판단하는 제어부를 포함하는 상수도관의 누수 감지 시스템에 있어서, 상기 광섬유케이블보호관은, 지하수위보다 높고 상수도관보다 낮은 높이에 상기 상수도관으로부터 이격하여 포설되되, 상기 상수도관을 향한 적어도 일 영역에 다수의 투수공을 포함하는 것을 특징으로 하고, 상기 제어부는, 상기 산란광를 이용하여 측정된 온도를 근거로 상기 상수도관의 누수 여부나 누수 위치를 산출하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템을 제공한다.
일 실시예에 따라, 상기 광섬유케이블보호관은, 상기 상수도관을 향한 적어도 일 영역에 배치되어, 외부 토양의 투과는 차단하되 외부 물의 투과는 허용하기 위한 필터를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 제어부는, 상기 산란광를 이용하여 측정된 변형률을 근거로 지반 침하 위치를 산출하되, 상기 지반 침하 위치는, 기 설정된 변형률을 초과한 인접한 두 위치의 사이일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 광섬유케이블보호관은, 상기 광섬유 케이블이 늘어지지 않도록 상기 광섬유 케이블을 지지하기 위한 케이블 지지선을 더 수용할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 외기를 유입시키기 위한 압축기를 더 포함하되, 상기 압축기에 의해 형성된 고압의 외기로 상기 광섬유케이블보호관의 관내 이물질이 타 측 선단부로 밀려 배출될 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 외기를 유입시키기 위한 압축기 및 상기 광섬유케이블보호관의 타 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력을 측정하기 위한 압력측정기를 더 포함하되, 상기 압축기는, 상기 광섬유케이블보호관의 내부에 고압의 분위기를 형성하고, 상기 압력측정기는, 내부가 밀폐된 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력을 일정시간 동안 측정하며, 상기 제어부는, 상기 일정시간 동안 측정된 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력이 일정 레벨을 유지하는지 판단하여 상기 광섬유케이블보호관의 파손 여부를 판정할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 열풍을 유입시키기 위한 열풍기를 더 포함하고, 상기 광섬유케이블보호관은, 상기 광섬유 케이블이 수용된 주관과, 상기 주관으로부터 분기되고 다시 상기 주관으로 연결되는 바이패스관을 포함하되, 상기 바이패스관은, 상기 상수도관에 인접하도록 설치되어 상기 열풍에 의해 상기 상수도관의 동파를 방지할 수 있다.
본 발명에 따른 상수도 누수 감지 시스템은, 상수도관의 파손 위치와 무관하게 상수도관의 누수 여부 및 누수 위치를 감지할 수 있다. 나아가 광섬유 케이블의 교체가 용이하다.
또한 본 발명에 따른 상수도 누수 감지 시스템은, 상수도관의 누수뿐 아니라 지반 침하 여부를 감지할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 상수도 누수 감지 시스템을 이용하여, 상수도관의 동파를 방지할 수 있다.
도 1은 종래 상수도관의 누수 감지 시스템의 광섬유케이블의 설치 개념도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 산란파를 이용하여 온도 또는 변형률을 측정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유케이블보호관이 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4b는 도 4a의 광섬유케이블보호관 내부의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5a는 도 4a의 광섬유케이블보호관 일 외부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5b는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유케이블보호관의 일 외부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 5c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유케이블보호관의 일 외부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템이 지반 침하 위치를 감지하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유케이블보호관의 관내 이물질을 청소하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유케이블보호관 또는 상수도관의 파손 여부를 감지하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광섬유케이블보호관이 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 8b는 도 8a의 광섬유케이블보호관이 설치된 예시를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성 요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
누수 감지
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템의 개념도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은, 광섬유 케이블을 수용하고 있는 광섬유케이블보호관(110), 상기 광섬유 케이블(또는 광섬유)에 광을 보내는 광원부(120), 상기 광섬유 케이블(또는 광섬유)의 산란광을 수신하는 수신부(130), 상기 산란광을 이용하여 상수도관의 누수 여부를 판단하는 제어부(140)를 포함한다.
본 발명에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)과 관련하여, 도 2에 도시한 구성요소들이 필수적인 것은 아니어서, 그보다 많은 구성요소들을 갖거나 그보다 적은 구성요소들을 갖는 누수 감지 시스템이 구현될 수 있음은 물론이다.
이하, 각 구성요소들에 대해 살펴보기로 한다.
광섬유케이블보호관(110)은 내부에 적어도 하나의 광섬유 케이블(113)을 수용하여, 상기 광섬유 케이블(113) 또는 이에 포함된 광섬유가 외력 등에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 광섬유 케이블(113)은 적어도 하나의 광섬유를 포함한 것으로 후술하는 바와 같이, 싱글모드 광섬유, 멀티모드 광섬유, 그리고 예비용 광섬유 등을 포함할 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유케이블보호관이 설치된 상태를 나타낸 도면이고, 도 4b는 도 4a의 광섬유케이블보호관 내부의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4a 및 4b에 도시한 바와 같이, 상기 광섬유 케이블(113)은 한국특허등록번호 제0803377호(이하, "특허문헌 1"이라고 함)에서 개시하고 있는 기술과 다르게, 상수도관(10)과 서로 밀착 고정되지 않는다. 구체적으로, 상기 광섬유 케이블(113)이 광섬유케이블보호관(110) 내부에 인입되거나 또는 인출 가능하도록, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내측면과 상기 광섬유 케이블(113)의 외측면은 상호 고정되지 않으며, 바람직하게는 상기 광섬유 케이블(113)이 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내측면과 서로 이격된 채로 수용될 수 있다. 이에 따라, 작업자는 굴착 없이 상기 광섬유케이블보호관(110) 내부에 수용된 상기 광섬유 케이블(113)을 용이하게 교체하거나 설치할 수 있다.
또한, 적어도 하나의 광섬유 케이블(113)은 특허문헌 1에서 개시하고 있는 기술과 다르게 상수도관(10)의 일 측면에 설치되지 않고, 상수도관(10)의 하부에 이격하여 포설된 광섬유케이블보호관(110) 내부에 수용된다.
종래 특허문헌 1에 따를 경우, 상기 광섬유 케이블(113)이 상수도관(10)의 측하부에 고착 설치되어야 하기 때문에, 기 포설된 상수도관(10)의 누수 탐지를 하려면, 상기 기 설치된 상수도관(10)을 굴착하고 굴착된 상수도관(10)의 일 측면에 광섬유 케이블(113)을 고착시킨 후 상기 상수도관(10)을 재포설해야 하는 문제가 있다. 또한, 노후나 파손 등으로 상수도관(10)의 교체가 요구되는 경우 불필요하게 상기 광섬유 케이블(113)을 탈거하고 다시 고착시켜야하는 문제가 있다.
그러나 본 발명에 따를 경우 상기 광섬유 케이블(113)이 수용된 광섬유케이블보호관(110)을 상수도관(10)과 이격 설치하기 때문에, 기 설치된 상수도관(10)의 누수 탐지를 위해 상기 기 설치된 상수도관(10)의 굴착을 필수로 하지 않고, 상수도관(10)의 교체가 요구되더라도 광섬유 케이블(113)에 대한 작업까지 요구하지 않는다.
한편, 광섬유 케이블(113)을 센서로 한 상수도관(10)의 누수 탐지를 위해, 상기 상수도관(10)에서 누출된 물이 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부로 유입될 수 있도록, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 외면 중 적어도 일부 영역에는 다수의 투수공(111)이 형성될 수 있다.
즉, 상기 광섬유케이블보호관(110)은 상기 상수도관(10)을 향한 적어도 일 영역에 다수의 투수공(111)을 가져, 상기 상수도관(10)으로부터 누출된 물이 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부로 유입될 수 있도록 한다.
따라서, 상기 광섬유 케이블(113)을 내부에 수용한 광섬유케이블보호관(110)은 상기 상수도관(10)의 하부에 이격 설치되는 것이 바람직하되, 상기 광섬유케이블보호관(110)에 지하수가 유입되지 않도록, 상기 광섬유케이블보호관(110)은 지하수위보다 높고, 상기 상수도관(10)보다 낮은 위치에 포설되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 상수도관(10)과 상기 광섬유케이블보호관(110) 간의 이격 거리는 특별히 한정하지 않으나, 광섬유 케이블(113)을 센서로 한 누수 탐지의 정확도를 높이기 위해, 가급적 상기 상수도관(10)과의 이격 거리를 좁히는 것이 바람직하다.
전술한 바와 같이, 상기 투수공(111)은 상기 상수도관(10)으로부터 누출된 물이 광섬유케이블보호관(110) 내부로 용이하게 유입될 수 있도록 상기 상수도관(10)을 향한 상기 광섬유케이블보호관(110)의 외면에 형성되는 것이 바람직하고, 그 직경은 물은 투과할 수 있는 크기이지만 흙은 투과할 수 없는 크기인 것이 바람직하다. 구체적으로, 광섬유케이블보호관(110)으로 흙을 제외한 물만 투과할 수 있도록 상기 투수공(111)은 그 구경이 수 ㎛일 수 있다.
상기 투수공(111)은 도 5a에 도시한 바와 같이, 광섬유케이블보호관(110)의 외면에 다수의 투수공(111)이 모여서 이루어진 하나의 투수공그룹(111a, 111b)이 일정한 간격으로 배열 형성될 수 있다. 여기서 하나의 투수공그룹(111a, 111b)에 속하는 투수공의 배치, 투수공의 개수와, 투수공의 크기는 인접한 투수공그룹(111a, 111b)의 것과 동일한 것이 바람직하며, 인접한 두 투수공그룹(111a, 111b) 간의 거리는 일정한 것이 바람직하다.
이에 따라, 투수공그룹(111a, 111b)마다 광섬유케이블보호관(110) 내부로 유입되는 물의 양이 균일하고, 또 물이 유입되는 위치가 동일한 간격을 두기 때문에 상수도관의 누수 위치가 오류 없이 산출될 수 있다.
일 예로, 인접한 두 투수공그룹(111a, 111b) 간의 거리(한 투수공그룹(111a, 111b)의 중간 위치와 인접한 투수공그룹(111a, 111b)의 중간 위치 간의 거리)는, 최대 제어부(140)에 의해 측정되는 온도 또는 변형률의 계측 구간 거리와 동일한 50cm 또는 1m일 수 있다.
한편, 상기 투수공(111)은 일 실시예에 따라 도 5a에 도시한 바와 같이, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 외측면에 직접 타공 형성될 수 있고, 또 다른 실시예에 따라 도 5b에 도시한 바와 같이, 상기 투수공(111)은 적어도 두 광섬유케이블보호관(110)이 연통하도록 연결하기 위한 커플링(1110c)의 외측면에 타공되어 형성될 수도 있다.
또한, 위 실시예와 다르게, 상기 투수공(111)은 도 5c에 도시한 바와 같이, 망 형태의 필터(115)에 형성된 구멍일 수 있으며, 상기 필터(115)는 상기 광섬유케이블보호관(110)의 일 측면에 형성된 개구부를 덮은 형태로 설치될 수 있다. 상기 개구부는 상기 상수도관(10)을 향해 형성되는 것이 바람직하며, 상기 필터(115)에 의해 상기 광섬유케이블보호관(110) 내부로 외부 토양의 유입은 차단되고, 외부 물의 유입은 허용된다. 여기서, 필터(115)의 메쉬(mesh) 수는 투수만 가능한 크기의 구경을 가진 것이면 특별히 한정하지 않는다. 일 예로, 상기 필터(115)는 외부 하중을 지지할 수 있도록 지지력을 갖춘 철망(바람직하게는 알루미늄이나 스테인레스가 도금될 수 있다)일 수 있다.
또한, 위 실시예와 다르게, 작은 직경의 투수공(111)과 지지력을 갖춘 필터(115)를 제조하거나 작은 직경의 투수공(111)을 광섬유케이블보호관(110)을 타공하는 데 드는 비용 등을 고려하여, 타공 형성된 투수공(111)과 망 형태의 필터(115)를 조합할 수 있다. 즉, 상기 필터(115)는 투수만 가능하도록 적절한 메쉬를 가진 면이나 부직포 따위의 소재일 수 있고, 상기 필터(115)의 상측 및/또는 하측에 상기 필터(115)의 구멍보다 직경이 큰 투수공(111)을 형성할 수 있다.
제어부(140)는 광원부(120)로부터 광섬유 케이블(113)(또는 광섬유)에 송신된 광이 산란된 산란광을 이용하여 상기 상수도관(10)의 누수 여부나 누수 위치 등을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 광섬유 케이블(113)(또는 광섬유) 자체를 센서로 이용하여 상기 상수도관(10)의 누수 여부나 누수 위치 등을 산출할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부가 산란파를 이용하여 온도 또는 변형률을 측정하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 광원부(120)가 광섬유에 파장이 짧은(1064 nm 또는 1550nm) 레이저 빛을 약 10nsec 정도의 시간 동안 보내면 약 50cm 또는 1m마다 3가지의 역산란광(Rayleigh-Scattering, Raman-Scattering, Brillouin-Scattering)이 반사되어 돌아오며, 수신부(130)는 상기 산란광을 수신한다.
레일레이(Rayleigh) 산란파는 입사된 빛의 파장과 동일하게 반사되어 오며, 제어부(140)는 이를 이용하여 빛 에너지의 손실율을 측정할 수 있다. 이러한 손실율 측정은 바로 광섬유 센서 케이블의 단선의 위치를 정확하게 감지하는 데 사용할 수 있다.
라만(Raman) 산란파는 입사된 빛의 파장과는 달리 두 개의 파장으로 분리되어 반사되는데 입사광보다 큰 파장 영역을 안티스톡스(Anti-Stokes) 영역이라 하고, 작은 파장 영역을 스톡스(Stokes) 영역이라고 한다. 여기서 스톡스 영역의 산란파는 온도 변화에 거의 무관한 반면 안티스톡스 영역은 온도 변화에 따라 그의 진폭이 예민한 반응을 나타낸다. 따라서 제어부(140)는 스톡스 및 안티스톡스 영역의 라만 산란 조도를 분석하여 온도 측정을 할 수 있다.
브릴로인(Brillouin) 산란파도 입사된 빛의 파장과는 다른 안티스톡스 및 스톡스 영역의 산란파로 분리되어 반사된다. 온도 변화가 일어나면 두 영역 모두 진폭의 변화가 일어나고 파장(또는 주파수)의 변화는 미세하게 일어난다. 또 변형률이 변하게 되면 두 영역 모두에서 진폭의 변화는 미세하지만 오히려 파장(또는 주파수)가 크게 변하게 된다. 따라서 제어부(140)는 스톡스 및 안티스톡스 영역의 브릴로인 산란파의 진폭 및 파장(또는 주파수)의 변화를 이용하여 온도 및 변형률 측정할 수 있다.
제어부(140)는 브릴로인(Brillouin) 산란파를 이용하여 온도를 측정할 수 있지만 그의 분해능은 라만(Raman)의 것(약 0.01℃)보다 낮지만(약 0.5℃), 온도변화에 따른 변형률 값의 교정을 위해서는 바람직한 결과를 도출할 수 있다.
한편, 라만(Raman) 산란파를 이용한 온도 측정의 경우 전체 광섬유 센서 케이블에 대해 약 50cm 간격으로 온도를 측정할 수 있으며, 온도 최고 분해능은 0.01℃이고 하나의 측정시스템(예를 들자면, 분산 온도 감지 장치 DTS: Distributed Temperature Sensing)에 의해 측정할 수 있는 최대 거리는 약 30km에 달한다.
또 브릴로인(Brillouin) 산란파를 이용한 변형률 측정은 전체 광섬유 센서 케이블에 대해 1m 간격으로 변형률을 측정할 수 있으며, 온도 보정을 한 변형률의 경우 그 분해능은 20με이고 하나의 측정 시스템(예를 들자면, 분산 온도 및 변형 감지 장치 DTSS: Distributed Temperature & Strain Sensing)에 의해 측정할 수 있는 최대 거리는 약 10km에 달한다.
이러한 온도 및 변형률의 분포 개념의 계측(distributed sensing)은 하나의 점에서 계측이 수행되는 점 계측(point sensing) 개념과는 차이가 있다. 즉, 상기 분포 개념 계측에서 50cm 또는 1m 간격마다 온도 및 변형률을 계측한다는 것은 50cm 또는 1m 구간마다의 평균 온도를 계측한다는 것을 의미하고, 점 계측은 점 센서가 위치한 지점의 온도 및 변형률만을 측정한다는 것이다.
따라서, 상수도관에 온도 및 변형률 계측을 위해 점 센서를 사용한다면 센서를 부착한 사이의 구간에 대해 누수 및 변형이 발생하더라도 그에 대한 위치를 확인할 수 없으나 분포 개념의 계측을 이용한다면 광섬유 센서 케이블이 포설된 어느 위치에서 누수 및 변형이 발생되더라도 그 위치를 정확하게 확인할 수 있다는 장점이 있다.
제어부(140)가 온도를 측정하거나 변형률을 측정하는 구체적인 방법에 대한 설명은 특허문헌 1과 광해방지기술 Vol. 2, No. 1 (2008) pp. 28~40에 개시된 내용으로 갈음하기로 한다.
한편, 광섬유 케이블(113)은 싱글모드 및 멀티모드 두 가지 종류의 광섬유를 포함할 수 있으며, 여기서 싱글모드 광섬유는 변형률을 측정하는 데 사용될 수 있고, 멀티모드 광섬유는 온도를 측정하는 데 사용될 수 있다.
결국, 제어부(140)는 수신부(130)가 수신한 산란광을 이용하여 광섬유 케이블(113)의 온도 변화 및 온도 변화 위치를 산출하고, 측정된 온도가 상수도관(10)으로부터 누출된 물에 의해 낮아진다면 해당 위치에서 상기 상수도관(10)의 누수가 발생하였음을 판단할 수 있다.
통상 상수도관(10)을 통과하는 물의 온도는 지반의 온도보다 낮기 때문에, 상수도관(10)이 파손되어 새어나간 물이 광섬유케이블보호관(110) 내부로 유입되면 광섬유 케이블(113)의 온도가 낮아진다. 다만, 상수도관(10)으로부터 새어나간 물이 지반을 거쳐 광섬유케이블보호관(110) 내부로 유입되기 때문에, 전술한 바와 같이 온도 측정의 정확도를 높이기 위해 상기 상수도관(10)과 광섬유케이블보호관(110)의 이격 거리는 좁히는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은 상수도관(10)의 파손 위치와 무관하게 상수도관의 누수 여부 및 누수 위치를 감지할 수 있음은 물론, 나아가 광섬유 케이블(113)의 교체가 용이하다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유케이블보호관(110)은 상수도관(10)의 하부에 이격 설치되어, 제어부(140)가 상기 상수도관(10)의 누수 여부나 누수 위치 등을 산출할 수 있으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 상기 상수도관(10) 이외에 하수도관(미도시) 등에도 적용하여 하수도관의 누수 여부나 누수 위치 등을 산출할 수 있음은 물론이다.
지반 침하 감지
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은 지반 침하 여부 및 지반 침하 위치를 산출할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템이 지반 침하 위치를 감지하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다. 도 6에 도시한 바와 같이, 지반 침하가 일어나는 경우 침하된 지반에 의해 가요성의 광섬유케이블보호관(110)과 그 내부에 수용된 광섬유 케이블(113)은 하방으로 늘어질 수 있다. 다만, 가요성 없이 일정한 횡방향의 힘에 대해 저항력을 가진 상수도관(10)은 지반 침하에도 파손되지 않고 그 형태를 유지할 수 있다.
특허문헌 1에서 개시한 기술에 따르면, 광섬유 케이블(113)이 상기 상수도관(10)의 일 측면에 고착되어 있기 때문에, 도 6에 도시한 바와 같이 상수도관(10)의 파손이 없는 지반 침하의 경우 이를 감지할 수 없는 문제가 있다.
그러나 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은, 상기 상수도관(10)과 이격 설치된 광섬유케이블보호관(110)의 내부에 수용되는 상기 광섬유 케이블(113)을 센서로 하여 제어부(140)가 변형률을 측정하기 때문에, 도 6에 도시한 바와 같이 상수도관(10)의 파손 없는 지반 침하의 경우에도 상기 제어부(140)는 광섬유 케이블(113)의 변곡점(S1, S2) 위치를 감지할 수 있고, 이를 이용하여 지반 침하 위치를 감지할 수 있다. 즉, 제어부(140)는 기 설정된 기준 변형률을 초과한 인접한 두 변곡점(S1, S2) 사이, 일 예로 두 변곡점(S1, S2)의 중간 부분을 지반 침하 위치로 산출할 수 있다.
광섬유케이블보호관의 관내 관리
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내 이물질을 제거하기 위해, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내측으로 외기를 고압으로 유입시키기 위한 압축기(150)를 더 포함할 수 있다.
앞선 실시예에 따라, 상수도관(10)의 누수나 지반 침하 탐지를 위해 상기 광섬유케이블보호관(110)의 적어도 일 측 선단부에는 광원부(120) 및 수신부(130)가 장착될 수 있으나, 본 실시예에 따라 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내 이물질을 제거하기 위해서는 상기 광원부(120) 및 수신부(130)는 광섬유 또는 광섬유케이블(113) 나아가 광섬유케이블보호관(110)과 장착 및 탈착이 가능하도록 결합되는 것이 바람직하다.
도 7a에 도시한 바와 같이, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 일 측 선단부(116)에 압축기(150)의 노즐이 연결되어, 상기 압축기(150)의 구동에 따라 고압의 외기는 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부로 유입될 수 있다. 고압의 외기에 따라 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내 이물질은 타 측 선단부(117)로 밀려 배출됨으로써, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내는 깨끗하게 소제될 수 있다.
다만, 상기 압축기(150)에 의해 공급된 고압의 외기로 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내에 수용된 광섬유 케이블(113)은 변형이 발생하거나 타 측 선단부(117) 방향으로 밀릴 수 있다. 따라서 바람직하게는, 상기 광섬유케이블보호관(110) 내부에 상기 광섬유 케이블(113)이 늘어지지 않고 고압의 외기에 밀리지 않도록 상기 광섬유 케이블(113)을 지지하기 위한 케이블 지지선(112)을 더 수용할 수 있다.
상기 광섬유 케이블(113)은 도 4a 및 4b에 도시한 바와 같이, 케이블 지지선(112)과 케이블 행거(hanger)(114)에 의해 결합될 수 있다.
케이블 지지선(112)은 강선(鋼線)일 수 있으며, 상기 케이블 행거(114)는 체결 따위에 의해 케이블을 그립하기 위한 클램프와, 상기 케이블 지지선(112)과 상기 광섬유 케이블(113) 각각에 결합된 두 클램프를 연결하는 연결와이어를 포함할 수 있다.
상기 케이블 지지선(112)은 상기 광섬유케이블보호관(110)을 관통하여 양 선단부가 맨홀 함체 내벽 따위에 고정될 수도 있고, 이와 달리 상기 광섬유케이블보호관(110)의 양 선단부의 내벽에 고정될 수도 있다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따라 광섬유케이블보호관 또는 상수도관의 파손 여부를 감지하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
전술한 바와 같이, 압축기(150)의 구동에 의해 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내를 소제할 수 있음은 물론, 나아가 도 7b에 도시한 바와 같이, 상기 압축기(150)가 설치되지 않은 광섬유케이블보호관(110)의 타 측 선단부(117)에 압력측정기(160)를 연결하여 상기 광섬유케이블보호관(110)의 관내 압력을 측정할 수 있다.
이에 따라, 제어부(140)는 상기 압력측정기(160)에 의해 측정된 광섬유케이블보호관(110)의 관내 압력을 근거로 상기 광섬유케이블보호관(110)의 파손 여부를 판단할 수 있다. 구체적으로, 상기 압축기(150)는 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부에 고압의 분위기를 형성할 수 있고, 압축기(150)의 구동 이후 압력측정기(160)는 밀폐된 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부 압력을 일정시간 동안 측정할 수 있다. 이에 따라, 상기 제어부(140)는 상기 압력측정기(160)에 의해 일정시간 동안 측정된 내부 압력이 일정 레벨을 유지하는지 판단하고, 그렇지 않다면 제어부(140)는 상기 광섬유케이블보호관(110)에 파손이 있음을 판정할 수 있다.
상수도관의 동파 방지
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 상수도관의 누수 감지 시스템(100)은 상수도관(10)의 동파를 방지할 수 있다. 이를 위해, 상기 광섬유케이블보호관(110)은 상기 광섬유 케이블(113)이 수용된 주관(主管)(118)과 상기 주관으로부터 분기되고 다시 상기 주관으로 연결되는 바이패스관(119)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 바이패스관(119)은 상기 상수도관(10)에 인접 설치될 수 있으나, 바람직하게는 상기 바이패스관(119)이 상기 상수도관(10)을 감싸도록, 도 8a 및 8b에 도시한 바와 같이 설치될 수 있다.
아울러 상기 광섬유케이블보호관(110)의 일 측 선단부(116)에는 상기 광섬유케이블보호관(110) 내측으로 열풍을 유입시키기 위한 열풍기(170)의 노즐이 연결되어, 열풍기(170)의 구동에 의해 상기 광섬유케이블보호관(110)의 내부는 고온의 분위기가 형성될 수 있다.
통상 상수도관(10)은 지표면으로부터 일정 깊이만큼 깊은 곳에 포설되어 동파될 우려가 없다. 그러나 상수도관(10)이 굴다리에 설치된 경우, 도 8b에 도시한 바와 같이 상수도관(10)이 굴(a)의 주위에 포설될 수 있다. 이 경우 상수도관(10)의 매립 깊이가 통상 매립 깊이에 못 미치기 때문에 상기 굴(a)을 통과하는 냉기에 의해 상기 상수도관(10)은 동파될 수 있다.
본 실시예에 따른 상기 광섬유케이블보호관(110)의 주관(118)은 상수도관(10)을 따라 상기 상수도관(10)의 하부에 이격 설치될 수 있으나, 상기 광섬유케이블보호관(110)의 바이패스관(119)은 상기 상수도관(10)을 나선형으로 둘러싸도록 설치될 수 있다.
상기 열풍기(170)가 상기 광섬유케이블보호관(110) 특히 바이패스관(119)에 열풍을 공급함으로써, 고온의 분위기가 형성된 바이패스관(119)을 열원으로 상수도관(10)에 열을 제공하기 때문에 상기 상수도관(10)의 동파 우려를 씻을 수 있다.
한편, 상기 열풍기(170)가 연결되지 않은 상기 광섬유케이블보호관(110)의 타 측에는 광원부(120) 및 수신부(130)가 설치되어 상기 상수도관(10)의 누수 여부 및 누수 위치를 산출할 수 있고, 나아가 지반 침하도 판단할 수 있음은 물론이나, 이 경우 온도 변화를 감지하는 제어부(140)가 오계측을 하지 않도록 상기 열풍기(170)는 상기 광섬유케이블보호관(110), 특히 주관(118)의 내부 온도가 항상성을 유지하도록 제어되는 것이 바람직하다.
이와 달리, 제어부(140)가 정확한 온도 변화 감지 및 변형률 감지를 위해, 상기 제어부(140)가 누수 감지나 지반 침하 판단 등을 할 때에는 열풍기(170)의 구동을 정지할 수도 있음은 물론이다.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 상수도관 20: 광섬유 케이블
21~24: 광섬유 30: 고착재
100: 상수도관의 누수 감지 시스템 110: 광섬유케이블보호관
111: 투수공 112: 케이블 지지선
113: 광섬유 케이블 114: 케이블 행거
115: 필터 116: 유입구
117: 배출구 118: 주관
119: 바이패스관 120: 광원부
130: 수신부 140; 제어부
150: 압축기 160: 압력측정기
170: 열풍기

Claims (7)

  1. 내부에 적어도 하나의 광섬유 케이블을 수용한 광섬유케이블보호관;
    상기 광섬유 케이블에 광을 보내는 광원부;
    상기 광섬유 케이블의 산란광을 수신하는 수신부; 및
    상기 산란광을 이용하여 상수도관의 누수 여부를 판단하는 제어부;
    를 포함하는 상수도관의 누수 감지 시스템에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관은, 지하수위보다 높고 상수도관보다 낮은 높이에 상기 상수도관으로부터 이격하여 포설되되, 상기 상수도관을 향한 적어도 일 영역에 다수의 투수공을 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 광섬유케이블보호관은, 가요성을 가져 지반 침하시 하방으로 늘어지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제어부는, 상기 산란광를 이용하여 측정된 온도를 근거로 상기 상수도관의 누수 여부나 누수 위치를 산출하거나, 상기 산란광을 이용하여 측정된 변형률을 근거로 기 설정된 기준 변형률을 초과한 인접한 두 위치의 사이를 지반 침하 위치로 산출하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관은,
    상기 상수도관을 향한 적어도 일 영역에 배치되어, 외부 토양의 투과는 차단하되 외부 물의 투과는 허용하기 위한 필터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관은,
    상기 광섬유 케이블이 늘어지지 않도록 상기 광섬유 케이블을 지지하기 위한 케이블 지지선을 더 수용하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
  5. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 외기를 유입시키기 위한 압축기;
    를 더 포함하되, 상기 압축기에 의해 형성된 고압의 외기로 상기 광섬유케이블보호관의 관내 이물질이 타 측 선단부로 밀려 배출되는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
  6. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 외기를 유입시키기 위한 압축기; 및
    상기 광섬유케이블보호관의 타 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력을 측정하기 위한 압력측정기;
    를 더 포함하되,
    상기 압축기는, 상기 광섬유케이블보호관의 내부에 고압의 분위기를 형성하고, 상기 압력측정기는, 내부가 밀폐된 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력을 일정시간 동안 측정하며, 상기 제어부는, 상기 일정시간 동안 측정된 상기 광섬유케이블보호관의 내부 압력이 일정 레벨을 유지하는지 판단하여 상기 광섬유케이블보호관의 파손 여부를 판정하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광섬유케이블보호관의 일 측 선단부에 위치하여 상기 광섬유케이블보호관의 내측으로 열풍을 유입시키기 위한 열풍기;
    를 더 포함하고,
    상기 광섬유케이블보호관은,
    상기 광섬유 케이블이 수용된 주관과, 상기 주관으로부터 분기되고 다시 상기 주관으로 연결되는 바이패스관을 포함하되,
    상기 바이패스관은, 상기 상수도관에 인접하도록 설치되어 상기 열풍에 의해 상기 상수도관의 동파를 방지하는 것을 특징으로 하는 상수도관의 누수 감지 시스템.
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