KR101969097B1 - 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되며, 전단부 및 후단부 중 적어도 하나의 단부로 상기 유체가 유동하는 배관이 결합되는 관 연결부, 상기 관 연결부에 설치되는 센서부 및 상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템을 제공한다.

Description

센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템{Connecting pipe for volume flow measuring and leakage sensing using sensor}

본 발명은 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템에 대한 것으로서, 보다 상세하게는 관 연결부에 설치된 센서를 이용하여 스트레인을 계산함으로써 유량, 압력 측정 및 누수 여부 감지가 가능한 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템에 관한 것이다.

현재 국내 및 국외에서 누수, 수압상태를 예측할 수 있는 기술을 보면 옥외부에는 전기저항식 및 초음파 유량/유속계가 있고, 지하매설부에서는 누수탐지만 가능한 청음, 상관법, 가스탐사가 있다. 현재 이러한 기술을 가지고는 상수관망의 정확한 누수부위 및 수압변화를 예측하기 어렵다. 따라서 옥외 및 지하매설부에 적용이 가능하여 상수관망의 정확한 누수 및 수압을 측정할 수 있는 제품과 해석을 통해 누수부위를 예측 및 검측 할 수 있는 기술이 절실히 필요한 상태이다.

또한 현재 성수관의 유량을 정확하게 측정하기 어렵기 때문에 정확한 누수량과 상수량을 확보하기 어려운 상태이다. 따라서 상수관의 누수여부, 누수지점, 수압변화를 정확히 예측하기 어렵기 때문에 신속한 대응이 어렵고 수돗물 누수로 인한 비용이 증가되고 국민에게 신뢰를 받지 못하는 상태이다.

한국등록특허 10-10-1807739

본 발명의 목적은, 관 연결부에 설치된 센서를 이용하여 스트레인을 계산함으로써 유량, 압력 측정 및 누수 여부 감지가 가능한 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되며, 전단부 및 후단부 중 적어도 하나의 단부로 상기 유체가 유동하는 배관이 결합되는 관 연결부, 상기 관 연결부에 설치되는 센서부 및 상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은 3개 이상의 배관들, 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되고, 상기 배관들 사이에 설치되어, 상기 배관들을 연결하는 관 연결부들, 상기 관 연결부들에 설치되는 청구항 2 또는 청구항 6의 센서를 포함하는 센서부, 상기 관 연결부들의 센서부들을 연결하는 케이블 및 상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 배관과 배관을 연결하는 관 연결부에 센서를 설치하여 유량 측정 및 누수감지를 함으로써, 각각의 배관바다 센서를 설치하지 않고도 효율적으로 유량 측정 및 누수감지가 가능한 장점이 있다.

둘째, 관 연결부에 설치되는 센서를 FBG 센서로 할 경우에는 별도의 전원, 증폭기 및 통신설비 없이 측정이 가능하고 신호를 분석하여 상수관의 유량 및 누수를 용이하게 확인할 수 있다.

셋째, 복수 개의 배관들을 복수 개의 관 연결부들로 연결하여 관 연결부들에 설치되는 센서들을 전기적으로 서로 연결할 경우에는, 관 연결부들에 설치되는 각각의 센서들에서 감지한 압력이나 유량을 상호 비교하여 누수 지점을 쉽게 찾을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부의 정면도 및 측면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부의 분해도 및 결합도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부에 포함되어 있는 센서부의 분해도, 단면도 및 결합도이다.
도 4는 일반적인 신호처리와 주파수 영역의 신호처리를 각각 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 관 연결부가 배관들에 설치되어 FBG 센서들에 의하여 FBG 네트워크가 형성될 경우, 배관들의 절단 위치를 감지하는 원리를 보여준다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부에 포함되어 있는 센서부의 분해도, 단면도 및 결합도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부에 포함되어 있는 센서부의 모식도이다.
도 8은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 센서의 신호 분석 알고리즘을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 8의 알고리즘 중에서 각종 모드의 스펙트럼 산출과 관련된 그래프 및 설명이다.
도 10은 도 8의 알고리즘 중에서 스펙트럼상에서의 고유진동수 자동 검출과 관련된 그래프 및 설명이다.
도 11은 도 8의 알고리즘 중에서 모드 형상의 노이즈 소거를 위한 보간에 관련된 그래프 및 설명이다.
도 12는 도 8의 알고리즘 중에서 밴드패스 필터링을 통한 감쇠비의 산출과 관련된 그래프 및 설명이다.
도 13은 도 8의 알고리즘 중에서 시간이력에서의 각종모드의 성분의 분리와 관련된 그래프 및 설명이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.

기존 상수관망의 누수 및 수압을 측정하는 방법은, 전기저항 또는 초음파를 이용한 유량 및 유속계를 사용하고 있으나, 대부분 상수관이 노출된 옥외에 설치하여 측정하고 있고 땅속에 매립된 상수관의 경우에는 유속 및 유량을 측정할 방법이 없는 상태이다.

특히, 누수부위를 사전에 예측하기 보다는 누수발생 후 청음법, 상관법, 가스탐사법을 적용하여 누수부위를 찾고 있는 실정이다. 이러한 방법으로는 정확한 누수부위를 찾기 어렵고 그로 인해 보수 시 착오로 인한 공사비가 많이 발생되고 있는 상황이다.

본원 발명은 누수부위를 정확히 예측할 수 있고 저비용이며, 케이블 길이에 관계없이 노이즈가 없어서 데이터 신뢰도를 확보하고, 별도의 증폭기 없이 30km 이상 센싱이 가능하면서 별도의 전원설비와 통신설비가 불필요한 FBG 기반의 센서를 통하여 정확한 누수부위를 측정할 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)은 관 연결부(1100), 센서부(1200) 및 제어부(1300)를 포함한다. 상기 관 연결부(1100)은 유체가 유동하는 배관과 배관을 연결하는 관을 의미한다. 물론 상기 관 연결부(1100)는 일측에만 상기 배관이 연결되고 타측은 개방되거나 다른 종류의 장치와 연결될 수도 있다.

상기 관 연결부(1100)는 강질이고 녹이 잘 슬지 않는 스테인리스강관으로 형성하는 것이 바람직하다. 다만 상기 스테인리스강관의 경우 값이 비싸고 가공이 쉽지 않기 때문에 값이 싸고 가공하기 편리한 철관을 이용할 수도 있다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 배관들을 서로 연결하여 소정의 강성을 가질 수 있는 것이라면 변경이 가능하다.

상기 센서부(1200)는 몸체부(1210), 제1 체결부(1220), 제2 체결부(1230), 제1 체결 유닛(1240) 및 제2 체결 유닛(1250)을 포함한다. 상기 몸체부(1210)는 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서(1211) 및 덮개(1212)를 포함한다. 또한 상기 몸체부(1210)는 바(bar) 형태이고, 유체가 유동하는 상기 관 연결부(1100)의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치된다. 물론 상기 몸체부(1210)는 원통형 또는 다른 형상으로 변경이 가능하고, 설치 방향도 유체가 유동하는 방향과 평행하게 배치되거나, 유체가 유동하는 방향과 비스듬하게 배치될 수도 있다.

상기 몸체부(1210)의 일 측과 타 측에는 홈(1210a)이 각각 형성되어 있다. 본 실시예에서는 상기 홈(1210a)이 상기 몸체부(1210)의 양 측에 형성되어 있지만, 상기 홈(1210a)은 상기 몸체부(1210)의 일 측에만 형성될 수도 있다. 상기 홈(1210a)은 상기 FBG 센서(1211)를 삽입하기 위한 공간이다. 상기 FBG 센서(1211)는 물에 강한 성질을 가지고 있어서 노출된 상태로 상기 관 연결부(1100)에 설치될 수도 있지만, 이러한 경우 파손의 위험이 증가하기 때문에 상기 몸체부(1210)에 형성되어 있는 홈(1210a)에 삽입된 상태로 센싱을 한다.

상기 홈(1210a)은 상기 몸체부(1210)가 상기 관 연결부(1100)에 설치되는 방향과 동일한 방향으로 형성된다. 또한 상기 홈(1210a)은 양 단부의 폭이 각각 중간부의 폭보다 넓게 형성된다. 이는 상기 홈(1210a)의 양 단부에는 상기 FBG 센서(1210)를 고정하기 위한 고정 장치(1212)가 배치되고, 상기 고정 장치(1212)에 고정되는 얇은 섬유 가닥인 상기 FBG 센서(1210)가 중간부에 배치되기 때문이다.

상기 몸체부(1210)는 유체가 유동하는 상기 관 연결부(1100)의 내부에 배치되기 때문에 높은 수압을 받을 수 있다. 이러한 경우 상기 몸체부(1210)는 높은 압력을 받아 파손될 위험이 높다. 따라서 상기 몸체부(1210)의 강성을 높이기 위해서는 상기 몸체부(1210)에 형성되는 홈(1210a)의 공간을 줄일 필요가 있다. 즉 상기 홈(1210a)은 상기 FBG 센서(1211)를 보호하는 순기능을 갖지만, 상기 몸체부(1210)의 강성을 약화시키는 역기능을 갖기 때문에 상기 FBG 센서(1210)가 배치되는 부분은 상기 홈(1211a)의 폭을 줄일 필요가 있다.

상기 FBG 센서(1211)는 광섬유격자센서를 의미한다. 상기 FBG 센서(1211)는 광섬유가 외부 물리량에 의해서 미리 새겨져 있는 격자의 간격이 변화(인장 또는 압축)되면, 반사되는 빛(광)의 파장이나 굴절율이 변화하게 되는데, 이러한 파장이나 굴절율의 변화를 통하여 데이터를 측정한다. 즉 본 실시예에서 상기 FBG 센서(1211)는 상기 배관을 통해 흐르는 유체에 의해 유압을 받을 경우 변형이 발생하고, 이 때 상기 FBG 센서(1211)에 미리 새겨져 있는 상기 격자에서 빛 굴절 변화가 유발된다. 상기 굴절 변화를 측정하여 상기 FBG 센서(1211)의 변형율을 측정함으로써 상기 배관 및 관 연결부(1100)에 흐르는 유체의 유량 및 유압의 측정이 가능하다. 또한 상기 유량 및 유압을 기존에 미리 구축해 놓은 데이버베이스 상의 유량 및 유압 등과 비교 분석하면 누수가 발생한 배관의 위치를 쉽게 알 수 있다.

상기 FBG 센서(1211)는 실리카(silica) 유리로 형성된다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 FBG 센서(1211)의 소재를 변경 가능하다. 상기 FBG 센서(1211)는 상기 몸체부(1210)의 일 측과 타 측에 각각 형성되어 있는 상기 홈(1211a)의 각각 배치된다. 상기 FBG 센서(1211)의 양 단은 상기 홈(1211a)의 일 단 및 타 단에 배치되어 있는 고정 장치(1212)에 각각 결합하여 고정된다. 본 실시예에서는 상기 FBG 센서(1211)가 상기 몸체부(1210)의 양 측에 형성되어 있는 상기 홈(1211a)에 각각 배치되었지만, 상기 FBG 센서(1211)는 상기 몸체부(1210)의 일 측 또는 타 측에 형성되어 있는 상기 홈(1211a) 중 하나에만 배치될 수도 있다.

상기 덮개(1212)는 상기 홈(1211a)을 차폐하여 상기 FBG 센서(1210)가 외부에 노출되지 않도록 한다. 즉, 상기 덮개(1212)는 상기 FBG 센서(1210)를 보호하여 상기 FBG 센서(1210)가 파손되는 것을 방지한다. 상기 덮개(1212)는 상기 몸체부(1210)와 동일한 재질로 형성된다. 물론 상기 덮개(1212)를 상기 몸체부(1210)와 다른 재질로 변경하는 것은 가능하다. 상기 덮개(1212)는 상기 몸체부(1210)에 용접으로 일체화 되도록 결합한다. 상기 덮개(1212)가 높은 수압에 의해 상기 몸체부(1210)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위함이다. 하지만 본 발명은 이에 한정되지 않고 상기 덮개(1212)를 상기 몸체부(1210)에 결합하는 방법을 변경 가능하다.

상기 제1 체결부(1220)는 상기 몸체부(1210)의 일 단으로부터 연장되어 형성된다. 이 때 상기 제1 체결부(1220)는 상기 몸체부(1210)의 일 단보다 폭이 좁게 형성된다. 상기 제1 체결부(1220)의 외주면에는 나사산이 형성되어 있다. 상기 제1 체결부(1220)는 상기 관 연결부(1100)의 어느 한 부분을 관통하여 돌출된다. 이는 돌출된 상기 제1 체결부(1220)에 상기 제1 체결 유닛(1240)을 나사 결합하여 상기 제1 체결부(1220)와 일체로 형성되어 있는 상기 몸체부(1210)를 상기 관 연결부(1100)에 고정하기 위함이다. 상기 제1 체결부(1220)는 상기 몸체부(1210)와 동일한 소재로 형성된다. 또한 상기 제1 체결부(1220)는 상기 몸체부(1210)와 일체로 형성된다. 물론 상기 제1 체결부(1220)의 소재 및 상기 몸체부(1210)와 결합 형태는 변경이 가능하다.

상기 제2 체결부(1230)는 상기 몸체부(1210)의 타 단으로부터 연장되어 형성된다. 이 때 상기 제2 체결부(1230)는 상기 몸체부(1210)의 타 단보다 폭이 좁게 형성된다. 상기 제2 체결부(1230)의 외주면에는 나사산이 형성되어 있다. 상기 제2 체결부(1230)는 상기 제1 체결부(1220)가 상기 관 연결부(1100)를 관통한 부분을 통과하는 직선이 상기 관 연결부(1100)와 만나는 부분을 관통하여 돌출된다. 돌출된 상기 제2 체결부(1230)는 상기 제2 체결 유닛(1250)과 나사 결합하여 상기 제2 체결부와 일체로 형성되어 있는 상기 몸체부(1210)를 상기 관 연결부(1100)에 고정한다. 상기 제2 체결부(1230)는 상기 몸체부(1210)와 동일한 소재로 형성된다. 또한 상기 제2 체결부(1230)는 상기 몸체부(1210)와 일체로 형성된다. 물론 상기 제2 체결부(1230)의 소재 및 상기 몸체부(1210)와 결합 형태는 변경이 가능하다.

상기 제1 체결 유닛(1240)은 내주면에 나사산이 형성되어 있다. 상기 제1 체결 유닛(1240)은 상기 제1 체결부(1220)와 나사 결합하여 고정된다.

상기 제2 체결 유닛(1250)은 내주면에 나사산이 형성되어 있다. 상기 제2 체결 유닛(1250)은 상기 제2 체결부(1230)와 나사 결합하여 고정된다.

상기 제어부(1300)는 상기 센서부(1200)에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단하고, 상기 배관의 유량을 도출한다. 상기 제어부(1300)는 상기 센서부(1200)에서 출력된 신호를 이용하여 스트레인을 계산하고, 상기 계산된 스트레인을 이용하여 상기 배관의 유량을 도출한다. 또한 상기 계산된 스트레인을 이용하여 도출된 압력 값과 상기 유량을 토대로 상기 배관의 누수를 판단한다.

상기 제어부(1300)는 상기 센서부(1200)로부터 감지된 값을 이용하여 판단하고 계산한 정보를 무선으로 송신할 수 있는 무선 송신 장치(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 무선 송신 장치(미도시)를 이용하여 상기 배관의 누수 여부를 모니터링 하는 중앙 관리 장치에 신호를 전달함으로써 편리하게 상기 배관의 누수 여부를 모니터링 가능하다.

도 4를 참조하면, 도 4의 좌측은 시간영역의 신호처리를 보여주는 그래프이고, 우측은 주파수 영역의 신호처리를 보여주는 그래프이다. 즉 좌측의 그래프는 기존의 시간 영역의 신호처리 그래프로써, 시간영역의 신호만을 비교하여 분석한다. 반면에 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)이 도입한 우측의 주파수 영역의 신호처리 그래프는, 정상상태의 센서에 야기되는 진동의 주파수 성분과 비정상 상태에 의하여 야기되는 주파수 성분은 상이하다는 점을 이용하여 분석하기 때문에, 상수관로 모니터링의 정밀도를 향상시킴으로써 오경보 발생을 최소화 할 수 있다.

도 2 내지 도 4에 본 발명의 FBG 센서(Fiber Bragg Grating Sensor, 광섬유격자 센서)가 설치되어 있는 관 연결부들이 도시되어 있다. FBG 센서는 아주 미약한 움직임이 상수관에 발생할 경우에도 신호를 감지할 수 있는 민감도를 가진다. 각 FBG 센서는 경보를 발령하기 전에 끊임없이 입력 데이터와 인접 센서의 데이터를 비교하여, 각 FBG 센서는 진동을 감지해야 한다. 즉, 일 FBG 센서가 유사한 파장 변화를 야기하는 동일한 움직임을 감지함에 따라, 시스템은 이러한 움직임이 관로 파손으로 인한 것이 아니라는 것으로 파악할 수 있으나 동시에 특정 위치에서 나머지 센서와 다른 움직임을 감지할 경우에는, 경보가 발령하도록 한다.

도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)이 배관들에 설치되어 FBG 센서(1211)들에 의하여 FBG 네트워크가 형성될 경우, 배관들의 절단 위치를 감지하는 원리를 보여준다. 즉, 하나의 케이블에 설치된 상기 FBG 센서(1211)는 고유 파장값을 가지는 다수개의 피크가 존재한다. 그런데 관로 파손으로 중간에서 상기 케이블이 절단되면, 절단면 이후의 피크가 사라지기 때문에 절단된 위치를 정확히 파악할 수 있다. 또한 절단된 케이블은 광통신에서 사용되는 일반적인 기법인 광융착에 의하여 쉽게 보수가 가능하다. 설치 또한 상수관 길이방향으로 고정설치만 하면 되기 때문에 설치와 유지보수가 용이한 장점이 있다

기존 상수관은 강관계열과 PE계열이 대부분이며 이를 연결하는 연결제품은 동일재질로만 연결이 가능하고 긴급 보수 및 상수관 분기시에는 상수관 재질이 다를 경우에는 적용하기가 어려운 문제점이 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)을 이용하면 상수관 재질과 별개로 연결이 가능하고 상수관 내부에 누수 및 수압을 측정할 수 있는 장점이 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(2000)은 관 연결부(미도시), 센서부(2200) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 상기 관 연결부(미도시) 및 상기 제어부(미도시)는 상기 도 1에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)과 유사하므로 설명을 생략한다.

상기 센서부(2200)는 몸체부(2210), 제1 체결부(2220), 제2 체결부(2230), 제1 체결 유닛(미도시) 및 제2 체결 유닛(미도시)을 포함한다. 상기 제1 체결부(2220), 제2 체결부(2230), 제1 체결 유닛(미도시) 및 제2 체결 유닛(미도시)은 도 1에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)과 유사하므로 설명을 생략한다.

상기 몸체부(2210)는 스트레인 센서(2211) 및 덮개(2212)를 포함한다. 또한 상기 몸체부(2210)는 바(bar) 형태이고, 유체가 유동하는 상기 관 연결부(2100)의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치된다. 물론 상기 몸체부(2210)는 원통형 또는 다른 형상으로 변경이 가능하고, 설치 방향도 유체가 유동하는 방향과 평행하게 배치되거나, 유체가 유동하는 방향과 비스듬하게 배치될 수도 있다.

상기 몸체부(2210)의 일 측과 타 측에는 홈(2210a)이 각각 형성되어 있다. 상기 홈(2210a)은 상기 스트레인 센서(2211)를 삽입하기 위한 공간이다. 상기 스트레인 센서(2211)는 유체에 노출될 경우 파손될 위험이 크므로 상기 몸체부(2210)에 형성되어 있는 홈(2210a)에 삽입된 상태로 센싱을 한다.

상기 홈(2210a)은 상기 몸체부(2210)가 상기 관 연결부(2100)에 설치되는 방향과 동일한 방향으로 형성된다. 또한 상기 홈(2210a)은 상기 몸체부(2210)의 중심부에서 상부로 형성된다. 물론 상기 홈(2210a)은 상기 몸체부(2210)의 중심에서 하부로 형성될 수도 있다. 상기 홈(2210a)은 중심부의 폭이 상부의 폭보다 넓게 형성된다. 이는 중심부에 상기 스트레인 센서(2210)가 삽입되기 때문이다.

도 1 내지 3에 따른 상기 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)에서 설명한 것처럼 상기 몸체부(2210)의 강성을 높이기 위해 상기 홈(2210a)이 형성되는 공간이 최소한으로 하는 것이 바람직하다.

상기 스트레인 센서(2211)는 전기식 스트레인 센서로서, 외부에서 힘이 가해지면 상기 가해지는 힘에 따라 저항이 변하는 센서이다. 상기 스트레인 센서(2211)는 압력센서로 형성된다. 하지만 본 발명의 이에 한정되지 않고 상기 스트레인 센서(2211)의 종류를 변경 가능하다. 상기 스트레인 센서(2211)는 도전성 라인을 통해서 제어부(미도시)와 전기적으로 연결된다. 물론 상기 스트레인 센서(2211)는 상기 제어부(미도시)와 무선 통신을 이용해서 전기적인 신호를 주고 받을 수도 있다.

상기 스트레인 센서(2211)는 상기 몸체부(2210)의 일 측 및 타 측에 각각 형성되어 있는 상기 홈(2210a)에 각각 형성된다. 이 때 상기 스트레인 센서(2211)는 각각의 상기 홈(2210a)에 하나씩 배치될 수도 있고, 복수 개가 배치될 수도 있다. 또한 상기 스트레인 센서(2211)를 상기 홈(2210a)에 고정하기 위한 고정 장치가 더 부가될 수도 있다.

상기 스트레인 센서(2211)는 상기 관 연결부(미도시)를 유동하는 유체에 의한 압력에 의해 상기 스트레인 센서(2211)에 가해지는 힘이 변하면 저항도 함께 변화한다. 따라서 상기 스트레인 센서(2211)의 저항변화를 측정하여 스트레인을 계산하고, 상기 계산된 스트레인으로부터 상기 관 연결부(미도시)를 유동하는 유량 및 유체에 의한 압력을 계산하고, 이를 바탕으로 누수 여부도 함께 감지가 가능하다. 상기 덮개(2212)는 도 1 내지 3에 따른 상기 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)과 유사하므로 설명을 생략한다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(3000)은 관 연결부(미도시), 센서부(3200) 및 제어부(미도시)를 포함한다. 상기 관 연결부(미도시) 및 상기 제어부(미도시)는 상기 도 1에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)과 유사하므로 설명을 생략한다.

상기 센서부(3200)는 몸체부(3210), 제1 체결부(3220), 제2 체결부(3230), 제1 체결 유닛(미도시) 및 제2 체결 유닛(미도시)을 포함한다. 상기 제1 체결부(3220), 제2 체결부(3230), 제1 체결 유닛(미도시) 및 제2 체결 유닛(미도시)은 도 1에 따른 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템(1000)과 유사하므로 설명을 생략한다.

상기 몸체부(3210)는 스트레인 센서(3211) 및 방수 물질(3212)을 포함한다. 또한 상기 몸체부(3210)는 바(bar) 형태이고, 유체가 유동하는 상기 관 연결부(미도시)의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치된다. 물론 상기 몸체부(3210)는 원통형 또는 다른 형상으로 변경이 가능하고, 설치 방향도 유체가 유동하는 방향과 평행하게 배치되거나, 유체가 유동하는 방향과 비스듬하게 배치될 수도 있다.

상기 몸체부(3210)의 상부 및 하부의 양 측면에는 내부 방향으로 그루브(groove)(3210a)가 형성되어 있다. 상기 그루브(3210a)에는 상기 스트레인 센서(3211)가 고정되어 배치된다. 상기 그루브(3210a)는 상기 몸체부(3210)에 작용하는 외력에 의한 응력 및 변위를 줄이기 위하여 형성된다. 즉 상기 몸체부(3210)에 상기 그루브(3210a)가 없을 때보다 상기 그루브(3210a) 형성되어 있을 때가 외력에 더 잘 견딜 수 있는 장점이 있다. 상기 스트레인 센서(3211)는 상기 도 6에 따른 스트레인 센서(2211)와 유사하므로 설명을 생략한다.

상기 스트레인 센서(3211)가 고정되어 배치되어 있는 상기 그루브(3210a)는 상기 방수 물질(3212)로 채워진다. 상기 스트레인 센서(3211)는 유체에 접촉될 경우 파손 위험이 있고 정상적인 기능을 발휘하기 어려울 수 있다. 따라서 상기 그루브(3210a)를 방수 물질로 채워서 상기 스트레인 센서(3211)를 유체로부터 보호함으로써, 상기 스트레인 센서(3211)의 기능 유지를 돕는다.

이상에서는 관 연결부가 하나인 경우를 예로 들어 설명했으나, 상기 관 연결부들은 복수개가 다수의 배관들 사이에 배치될 수도 있다. 이 때도 상기 관 연결부가 하나인 경우와 마찬가지로 상기 센서들에 의해 출력된 신호를 이용하여 상기 배관들의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관들의 유량을 제어부를 통해 도출한다. 다만 이 때는 상기 관 연결부들에 배치되는 센서들을 무선 장비를 이용하여 연결하거나 유선 케이블을 통해 연결해서 각각의 센서들 사이의 신호를 주고 받을 수 있도록 한다. 즉, 상기 센서들에 의해 출력된 신호의 상대적인 차이를 이용하여 상기 배관들 중에서 어느 부분에 누수가 발생했는지를 판단할 수 있고 아울러 상기 배관들의 유량을 도출할 수도 있다.

도 8을 참조하면, 도 8은 본 발명의 각각의 실시예에 따른 FBG 센서(1211), 스트레인 센서(2211, 3211)의 신호를 분석하는 순서도를 나타낸다. 상기 신호 분석의 순서는 시간이력의 전처리 및 각종 주파수를 분석하는 단계, 노이즈 플로어를 고려하여 노이즈를 제거하는 단계, 각종 모드에서의 스펙트럼을 산출하는 단계, 스펙트럼 상에서의 고유진동수를 검출하는 단계, 모드 형상의 노이즈 소거를 위한 보간을 하는 단계, 밴드패스 필터링을 통해서 감쇠비를 산출하는 단계, 시간영역에서의 고유진동수를 산출하는 단계 및 시간 이력에서의 각종모드의 성분을 분리하는 단계를 포함한다.

이 때 시간이력의 전처리 및 각종의 주파수를 분석하는 단계는 시간 이력에 따른 각종의 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기반으로 주파수를 분석한다.

그리고 노이즈 플로어를 고려하여 노이즈를 제거하는 단계에서는 ⅰ)시간별로 측정된 데이터의 스펙트럼을 산술평균하여 무작위 노이즈를 감소시키고, ⅱ)스펙트럼의 노이즈 플로어를 분석하여 노이즈 플로어에 인접한 크기를 가진 주파수 성분들을 소거하며, ⅲ)측정점과 기준점에서 동시에 측정된 시간이력으로 코히런스를 계산하여 코히런스가 작은 주파수 성분을 소거하고, ⅳ)측정점과 기준점에서 동시에 측정된 데이터의 위상각 스펙트럼을 비교하여 위상각이 0(정위상)이나 3.14(반위상) 인근 영역에 포함되지 않는 나머지 주파수 성분을 소거한다.

도 9를 참조하면, 도 9는 각종 모드에서의 스펙트럼을 산출하는 것을 나타낸다. 본 단계에서는 원시가속도 시간이력과 전처리된 시간이력에 대한 스펙트럼, 단일 시간이력의 파워 스펙트럼(Power Spectral Density), 평균 진폭 스펙트럼(Averaged Fourier Magnitude Spectrum), 코히런스 스펙트럼(Coherence Window Function), 위상차 스펙트럼(Averaged Phase Difference Spectrum)을 산출한다. 그리고 위상 윈도 함수(Phase Window Function), 코히런스 윈도 함수Coherence Window Function)를 산출하고, 상기 위상 윈도 함수와 상기 코히런스 윈도 함수를 이용하여 PCW(f)=PW(f)CW(f) 관계식을 통해서 PCW를 산출한다.

도 10을 참조하면, 도 10은 스펙트럼 상에서의 고유진동수를 검출하는 것을 나타낸다. ⅰ)절대평균 스펙트럼은 전 측정점의 MAFM의 절대값에 대한 평균으로, 전체 모드가 비교적 균일하게 표시되는 특징이 있다. ⅱ)산술평균 스펙트럼은 전 측정점의 MAFM의 평균에 대한 절대값으로, 1차 휨모드가 두드러지게 표시되는 특징이 있다. ⅲ)휨모드 스펙트럼은 측정 단면내의 두 측정점의 MAFM을 합한 값에 대한 절대평균으로, 휨 모드를 식별하는데 적합하다. ⅳ)비틂모드 스펙트럼은 측정 단면재의 두 측정점 MAFM의 차이값에 대한 절대평균으로, 비틂모드의 식별에 적합하다.

도 11을 참조하면, 도 11은 모드 형상의 노이즈 소거를 위해 보간하는 것을 나타낸다. 본 단계에서는 모드 벡터를 이동점과 고정점의 평균 진폭 스펙트럼 비율로 산출한다. 그리고 과소한 신호에 따른 모드 형상의 왜곡을 효과적으로 방지한다. 이 때 모드 벡터의 누락 문제는 자주 발생될 수 있다. 이러한 누락 문제는 2차 보간법을 이용하여 해결한다.

도 12를 참조하면, 도 12는 밴드패스 필터링을 통해 감쇠비를 산출하는 것을 나타낸다. 본 단계에서는 밴드패스 필터의 통과 특성, 필터링 전후의 시간이력, 필터링 전후의 진폭 스펙트럼 및 시간 이력에서의 대수감소 파장의 검색을 통해 감쇠비를 산출한다.

도 13을 참조하면, 도 13은 시간이력에서의 각종모드의 성분을 분리하는 것을 나타낸다.본 단계에서는 1, 2차의 휨 모드 및 비틂 모드를 이용하여 시간이력에서의 각종 성분을 분리한다.

상기 설명한 신호 분석은 상기 FBG 센서(1211) 및 스트레인 센서(2211, 3211)로부터 수신한 신호로부터 스트레인을 계산하고, 상기 계산된 스트레인으로부터 상기 FBG 센서(1211) 및 스트레인 센서(2211, 3211)를 통과하는 유체의 유량 및 상기 유체의 압력을 산출한다. 또한 상기 산출된 유체의 유량 및 유체의 압력을 기 저장된 데이터 베이스의 자료와 비교하여 누수가 발생한 지점을 감지하거나, 복수 개가 설치된 상기 FBG 센서(1211) 및 스트레인 센서(2211, 3211) 사이의 상대적인 값을 이용하여 누수가 발생한 지점을 감지할 수도 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1100: 관 연결부
1200, 2200, 3200: 센서부
1210, 2210, 3210: 몸체부
1210a, 2210a: 홈
1211: FBG 센서
1211a: 고정 장치
1212, 2212: 덮개
1220, 2220, 3220: 제1 체결부
1230, 2230, 3230: 제2 체결부
1240: 제1 체결 유닛
1250: 제2 체결 유닛
2211, 3211: 스트레인 센서
3210a: 그루브
3212: 방수 물질

Claims (10)

1. 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되며, 전단부 및 후단부 중 적어도 하나의 단부로 상기 유체가 유동하는 배관이 결합되는 관 연결부;
   상기 관 연결부에 설치되는 센서부; 및
   상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하고,
   상기 센서부는,
   FBG(Fiber Bragg Grating) 센서;
   바(bar) 형태로 형성되고, 상기 유체가 유동하는 관 연결부의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치되며, 상기 바의 양 측면에 각각 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에 상기 FBG 센서가 삽입되어 있으며, 상기 홈을 차폐하는 덮개를 포함하는 몸체부;
   상기 몸체부의 일단으로부터 상기 몸체부의 일단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 일측을 관통하여 돌출되는 제1 체결부;
   상기 몸체부의 타단으로부터 상기 몸체부의 타단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 타측을 관통하여 돌출되는 제2 체결부;
   상기 제1 체결부와 나사결합 되는 제1 체결 유닛; 및
   상기 제2 체결부와 나사결합 되는 제2 체결 유닛을 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 홈은,
   상기 몸체부의 양 측면의 일 단부로부터 타 단부까지 각각 형성되고, 상기 몸체부가 상기 관 연결부에 설치되는 방향과 동일한 방향으로 형성되되, 양 단부의 폭이 각각 중간부의 폭보다 넓게 형성되며,
   상기 FBG 센서는,
   상기 몸체부의 일 측과 타 측에 각각 형성되어 있는 상기 홈에 각각 배치되되, 상기 홈의 양 단부에 각각 삽입되어 있는 고정 장치에 고정되어 있는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 센서부로부터 감지된 값을 이용하여 판단하고 계산한 정보를 무선으로 송신할 수 있는 무선 송신 장치를 더 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
6. 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되며, 전단부 및 후단부 중 적어도 하나의 단부로 상기 유체가 유동하는 배관이 결합되는 관 연결부;
   상기 관 연결부에 설치되는 센서부; 및
   상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하고,
   상기 센서부는,
   스트레인 센서;
   바(bar) 형태로 형성되고, 상기 유체가 유동하는 관 연결부의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치되며, 상기 바의 일 측과 타 측에는 각각 홈이 형성되어 있고, 상기 홈에 상기 스트레인 센서가 삽입되어 있으며, 상기 홈을 차폐하는 덮개를 포함하는 몸체부;
   상기 몸체부의 일 단으로부터 상기 몸체부의 일 단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 일 측을 관통하여 돌출되는 제1 체결부;
   상기 몸체부의 타 단으로부터 상기 몸체부의 타 단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 타 측을 관통하여 돌출되는 제2 체결부;
   상기 제1 체결부와 나사결합 되는 제1 체결 유닛; 및
   상기 제2 체결부와 나사결합 되는 제2 체결 유닛을 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
7. 삭제
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 홈은,
   상기 몸체부의 일 측과 타 측에 각각 형성되되, 상기 몸체부가 상기 관 연결부에 설치되는 방향인 상기 몸체부의 길이방향을 따라서 상기 몸체부의 중심부에서 일 단 또는 타 단으로 형성되며, 중심부의 폭이 일 단 또는 타 단의 폭보다 넓게 형성되며,
   상기 스트레인 센서는,
   상기 몸체부의 일 측과 타 측에 각각 형성되어 있는 상기 홈에 각각 배치되되, 상기 홈에 삽입 고정되어 있는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
9. 길이방향을 따라 내부에는 유체가 유동하는 유동로가 형성되며, 전단부 및 후단부 중 적어도 하나의 단부로 상기 유체가 유동하는 배관이 결합되는 관 연결부;
   상기 관 연결부에 설치되는 센서부; 및
   상기 센서부에 출력된 신호를 이용하여 상기 배관의 누수를 판단함과 아울러 상기 배관의 유량을 도출하는 제어부를 포함하고,
   상기 센서부는,
   스트레인 센서;
   바(bar) 형태로 형성되고, 상기 유체가 유동하는 관 연결부의 길이방향과 교차하는 방향으로 설치되며, 상기 바의 일 단 및 타 단의 양 측면에는 내부 방향으로 그루브(groove)가 형성되어 있고, 상기 그루브에 상기 스트레인 센서가 고정 배치되어 있으며, 상기 스트레인 센서가 배치되어 있는 상기 그루브에 채워져서 상기 스트레인 센서가 상기 유체와 접촉되지 않도록 하는 방수 물질을 포함하는 몸체부;
   상기 몸체부의 일단으로부터 상기 몸체부의 일단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 일 측을 관통하여 돌출되는 제1 체결부;
   상기 몸체부의 타 단으로부터 상기 몸체부의 타 단보다 폭이 좁게 연장되어 형성되며, 외주면에 나사산이 형성되어 있고, 상기 관 연결부의 타 측를 관통하여 돌출되는 제2 체결부;
   상기 제1 체결부와 나사결합 되는 제1 체결 유닛; 및
   상기 제2 체결부와 나사결합 되는 제2 체결 유닛을 포함하는 센서가 설치된 관 연결부를 이용한 유량 측정 및 누수 감지시스템.
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