KR102008345B1 - 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법 - Google Patents

이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법 Download PDF

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KR102008345B1 KR1020180170068A KR20180170068A KR102008345B1 KR 102008345 B1 KR102008345 B1 KR 102008345B1 KR 1020180170068 A KR1020180170068 A KR 1020180170068A KR 20180170068 A KR20180170068 A KR 20180170068A KR 102008345 B1 KR102008345 B1 KR 102008345B1
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Abstract

본 발명은 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 이를 위해 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100); 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 평가하기 위해 전산기로 전달하는 유선 또는 무선의 수신 및 동기화 장치(모국)(200); 및 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 평가하기 위한 데이터 분석부(300);가 포함된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 이동형 장치에 관한 것이다.

Description

이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법{Portable Type Buried Pipe Leak Detection System and Control Method}
본 발명의 실시예는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 이동형 장치에 관한 것이다.
주지하다시피 매설된 배관은 전형적으로 주변에 수많은 기계적 소음과 진동이 공존하고 있으며 지상의 표면은 콘크리트, 아스팔트 또는 토양으로 덮여 있다. 배관이 매설되어 그 운용연한이 증가할수록 배관의 누설로 인한 땅 꺼짐 현상이나 토양 오염이 발생되고 있어 이를 처리, 복원하는 데 소요되는 비용이 급격히 증가하고 있다. 최근 보도되고 있는 지하 열수송관 파열 사고 등 사회 기반시설로 구축된 매설배관의 건전성 진단 및 파열 사고 예방이 요구되는 실정이다.
종래 매설된 배관의 누설을 탐지하는 방법은 도 1 과 같이 누설지점에서 발생되는 누설진동신호가 배관 양단에 설치된 센서까지 도달하는 데 걸리는 시간 차이를 이용하는 상호상관함수 기법을 적용하여 누설을 탐지하는 것으로, 기계잡음과 반사파의 영향을 제거하여 누설 진위여부와 누설 위치의 정확도를 향상시켰다.
종래의 음향 센서를 사용하여 매설배관의 누설부위를 탐지할 경우 일정한 간격(5 ~ 30m)으로 굴착하여 음향 센서를 배관위치에 설치해야 하는 어려움이 있고, 토양 등의 매설환경에 의해 신호가 감쇄되어 일정 간격을 반복적으로 계속 측정해야 하는 커다란 문제점이 발생 되었다.
아울러 종래 기술은 콘크리트와 에폭시, 시멘트, 아스팔트 또는 토양으로 덥혀있는 매설구간 전체를 굴착하여 확인하여야 하는 커다란 문제점도 발생 되었다.
상기한 문제점을 해결하기 위해 종래에는 아래와 같은 선행기술문헌들이 개발되었으나, 여전히 상기한 종래 기술의 문제점을 일거에 해결하지 못하는 커다란 문제점이 발생 되었다.
대한민국 등록특허공보 제1381469호(2014. 03. 28)가 등록된바 있다. 대한민국 등록특허공보 제1414374호(2014. 06. 25)가 등록된바 있다. 대한민국 등록특허공보 제1525329호(2015. 05. 27)가 등록된바 있다. 대한민국 등록특허공보 제1590467호(2016. 01. 26)가 등록된바 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출한 것으로, 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)와 수신 및 동기화 장치(모국) 그리고 데이터 분석부가 구비됨을 제1목적으로 한 것이고, 상기한 기술적 구성에 의한 본 발명의 제2목적은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에 위치한 센서로 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 누설을 탐지하는 장치로써 이동형으로 고안되어 누설이 의심되는 장소에 즉시 적용할 수 있도록 한 것이고, 제3목적은 해당 매설구간을 굴착하지 않고도 누설위치를 탐지할 수 있도록 한 것이며, 제4목적은 이러한 장점으로 인해 방사성 물질의 누출을 원천적으로 방지해야 하는 원자력발전소, 원유 정유 및 석유화학 생산 공정별로 복잡한 배관이 연계되어 있는 석유화학 플랜트, 사회 기반시설로써 안전이 담보되어야 하는 도시가스, 송유관, 열수송관, 상수도 등의 매설된 배관의 누설 확인에 적용할 수 있도록 한 것이고, 제5목적은 그리고 매설배관에서 발생하는 누설이 대형사고로 확대되기 전에 사전 탐지가 가능해지므로, 사회적/경제적 사고처리비용의 저감을 기대할 수 있고, 사회기반시설의 안전진단에 활용될 것으로 기대할 수 있도록 한 것이며, 제6목적은 이로 인해 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 제품의 신뢰성과 품질을 대폭 향상시켜 작업자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 이동형 매설배관 누설 탐지 장치를 제공한다.
이러한 목적 달성을 위하여 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 장치에 관한 것으로, 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국); 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 평가하기 위해 전산기로 전달하는 유선 또는 무선의 수신 및 동기화 장치(모국); 및 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 평가하기 위한 데이터 분석부;가 포함됨을 특징으로 하는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치를 제공한다.
또한 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 방법에 관한 것으로, 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)가 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 단계; 수신 및 동기화 장치(모국)가 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 평가하기 위해 전산기로 유선 또는 무선으로 전달하는 단계; 데이터 분석부가 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 평가하는 단계; 및 상기 누설신호 전송시 유선 또는 무선으로 방식으로 동작시키는 단계;가 포함되되, 상기 무선 방식으로 동작할 때는 누설신호 취득 당시 위치정보시스템(GPS)의 시간정보를 활용하여 복수의 자국에서 취득된 누설신호를 동기화하여 신호간 시간지연(time delay)를 최소화하고, 자국의 자체 전원(내장 베터리)으로 동작하도록 하고, 상기 유선 방식으로 동작할 때는 자국과 모국을 동축케이블로 연결하여 단일 케이블로 모국의 전원(내장 베터리)으로 자국에 전원을 공급하고 자국에서 모국으로 취득신호를 전송할 수 있도록 하였으며, 자국과 모국간 거리가 설정거리까지 떨어진 위치에서도 취득신호 전송에 지장이 없도록 신호감쇄를 고려함을 특징으로 하는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 제어방법을 제공한다.
상기에서 상세히 살펴본 바와 같이 본 발명은 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)와 수신 및 동기화 장치(모국) 그리고 데이터 분석부가 구비되도록 한 것이다.
상기한 기술적 구성에 의한 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에 위치한 센서로 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 누설을 탐지하는 장치로써 이동형으로 고안되어 누설이 의심되는 장소에 즉시 적용할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 해당 매설구간을 굴착하지 않고도 누설위치를 탐지할 수 있도록 한 것이다.
그리고 본 발명은 이러한 장점으로 인해 방사성 물질의 누출을 원천적으로 방지해야 하는 원자력발전소, 원유 정유 및 석유화학 생산 공정별로 복잡한 배관이 연계되어 있는 석유화학 플랜트, 사회 기반시설로써 안전이 담보되어야 하는 도시가스, 송유관, 열수송관, 상수도 등의 매설된 배관의 누설 확인에 적용할 수 있도록 한 것이다.
아울러 본 발명은 그리고 매설배관에서 발생하는 누설이 대형사고로 확대되기 전에 사전 탐지가 가능해지므로, 사회적/경제적 사고처리비용의 저감을 기대할 수 있고, 사회기반시설의 안전진단에 활용될 것으로 기대할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 상기한 효과로 인해 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 제품의 신뢰성과 품질을 대폭 향상시켜 작업자로 하여금 좋은 이미지를 심어줄 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.
이하에서는 이러한 효과 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 종래 매설 배관 누설 탐지 장치의 이론적 개념도.
도 2 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 유선모드 구성
도.
도 3 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 무선모드 구성
도.
도 4 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장
치(자국)의 무선모드 블럭 구성도.
도 5 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장
치(자국)의 유선모드 블럭 구성도.
도 6 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장
치(자국)의 실제 제품 사진.
도 7 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장
치(모국)의 무선모드 블럭 구성도.
도 8 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장
치(모국)의 유선모드 블럭 구성도.
도 9 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장
치(모국)의 실제 제품 사진.
도 10 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 누설 유체 진
동에 의한 누설 분석 화면 예시도.
본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법은 도 2 내지 도 10 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
또한 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
먼저, 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 장치에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 구비된다.
또한 본 발명은 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위해 데이터 분석부(300)로 전달하는 유선 또는 무선의 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 구비된다.
그리고 본 발명은 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위한 데이터 분석부(300)가 포함된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치를 제공한다.
본 발명에 적용된 상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)은 다음과 같이 구성된다.
즉, 진동(가속도)센서에서 취득된 미세한 출력신호를 증폭하고 필터링하는 아날로그-프론트-엔드(AFE)(110)로부터 전달된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter)(111)가 구비된다.
또한 ADC(Analog Digital Converter)(111)와 연결되며, GPS 위성에서 수신된 시간을 이용하여 ADC(111) 샘플링 데이터에 GPS 시각을 태깅(Time Stamp) 처리하는 FPGA (Field Programmable Gate Array)(112)가 구비된다.
그리고 ADC(111) 샘플링 데이터를 압축하고, SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(114)을 이용하여 샘플링 데이터를 버퍼 처리하는 MCU(Micro Controller Unit)(113)가 구비된다.
또한 MCU(Micro Controller Unit)(113)에서 압축된 데이터를 Wi-Fi 모듈(116)로 전송하는 PHY(Physical Layer)(115)가 구비된다.
그리고 무선 환경에서 기본적으로 사용되는 리튬배터리(Li Battery)가 내장되고, MCU(Micro Controller Unit)(113)은 내장된 리튬배터리와 DC/DC 컨버터(DC-DC Power Converter)(118)를 사용하여 소모 전력을 관리하며 지속적으로 리튬 배터리의 잔량을 체크한다(Voltage Monitor).
누설진동 신호 취득장치가 유선 환경에서 동작할 때는 무선모드와 마찬가지로 장착된 진동(가속도) 센서로부터 취득된 누설진동 신호를 ADC에 의해 디지털 신호로 변환한다. 다만, 무선모드와는 달리 별도의 GPS 시각을 태깅하지 않고 변환된 디지털 신호를 FPGA가 실시간으로 유선을 통해 모국으로 전송한다.
모국과 연결된 동축케이블을 통해 신호(자국→모국)와 전원(모국→자국)을 모두 전송하며, 분배기(Splitter)는 신호와 전원을 분리한다.
유선모드에서는 모국으로부터 전송되는 전력으로 DC/DC 컨버터를 이용하여 자국에 필요한 소모 전력을 충당한다.
한편, 상기 Wi-Fi 모듈(116)에는 이중와선(Twisted Pair) LAN 연결에 많이 사용하는 RJ45(Registered Jack)(117)이 연결된다.
그리고 FPGA (Field Programmable Gate Array)(112)에는 전송기(Transmitter) 및 수신기(Receiver)를 하나로 합친 장치(송,수신기)인 Transceiver(120)가 연결된다.
또한 트랜시버(Transceiver)(120)에는 일반적으로 특정 신호들을 특성에 맞게 분리해 주는 장치인 스플리터(Splitter)(119)가 연결된다.
아울러 상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)에는 무선통신용 와이파이안테나(125)와 유선통신용 BNC연결단자(126) 그리고 디스플레이부(127)와 센서입력부(128)가 구비된다.
상기 본 발명 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)의 용어설명은 다음과 같다.
DAQ (Data Acquisition): 자료 취득.
ADC (Analog Digital Converter): 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 전자 회로.
FPGA (Field Programmable Gate Array): 설계 가능 논리 소자와 프로그래밍 가능 내부선이 포함된 반도체 소자.
MCU (Micro Controller Unit): 마이크로프로세서와 입출력 모듈이 하나의 칩으로 만들어져 정해진 기능을 수행하는 컴퓨터(= 마이크로컨트롤러 Micro-controller).
Wi-Fi: 전자기기들이 무선랜(Wireless LAN)에 연결할 수 있게 하는 기술로서, 주로 2.4 GHz 및 5 GHz 무선 대역을 사용.
PHY (Physical Layer): 단말기기와 전송 매체 간의 인터페이스를 정의하고, 데이터링크 계층 간 자료 전송을 위한 물리적(기계적, 전기적, 기능적, 절차적)인 수단을 제공하는 계층.
RJ45 (Registered Jack): 8 가닥 (4 쌍)을 갖는 모듈러 형태의 연결용 잭(Jack), 이중와선(Twisted Pair) LAN 연결에 많이 사용.
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory): DRAM의 발전된 형태, 보통 DRAM과 달리 제어장치 입력을 클록펄스(Clock Pulse)와 동시에 일어나도록 하는 동기식 DRAM.
DC/DC Cnv (DC-DC Power Converter): DC 전압을 강압 또는 승압시키는 일종의 직류 변압기 (교류로 동작하고 권선비에 의해 전압을 변환하는 교류 변압기에 대응됨).
Transceiver: 일반적으로 전송기(Transmitter) 및 수신기(Receiver)를 하나로 합친 장치 (송수신기).
Splitter: 일반적으로 특정 신호들을 특성에 맞게 분리해 주는 장치.
한편, 본 발명에 적용된 상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)는 다음과 같이 구성된다.
즉, 적어도 하나 이상의 자국(DAQ)(100) 장비로부터 무선(Wi-Fi)(212)으로 수신된 ADC(Analog Digital Converter) 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(211)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 복수의 ADC 샘플링 데이터를 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 DSP(Digital Signal Processing/Processor)(210)가 구비된다.
그리고 상기 통합 데이터를 다시 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터분석부(300)로 전송한다.
상기 신호 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 유선모드로 동작할 때는 동축케이블을 통해 자국(100)으로부터 전달된 실시간 데이터를 FPGA에서 GPS 정보를 태깅하여 DSP로 전달하고, DSP가 통합된 데이터로 조합한 후에 무선 모드와 동일한 프로토콜로 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터 분석부(300)로 전달한다.
또한 FPGA (Field Programmable Gate Array)(216), 전송기(Transmitter) 및 수신기(Receiver)를 하나로 합친 장치인 Transceiver(217) 및 트랜시버(Transceiver)(217)에 연결되어 일반적으로 특정 신호들을 특성에 맞게 분리해 주는 장치인 스플리터(Splitter)(218)가 포함된다.
이때 상기 스플리터(Splitter)(218)에는 부스트 컨버터(Boost Cnv)가 연결된다.
또한 상기 부스트 컨버터(Boost Cnv)에는 리튬베터리(214)가 연결되고, 이 리튬베터리(214)에는 DC/DC 컨버터(DC-DC Power Converter)가 연결된다.
그리고 상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)에는 GPS안테나와 직류전원충전단자 그리고 전원스위치와 와이파이안테나 및 유선모드용 BNC 연결단자가 구비된다.
상기 본 발명 수신 및 동기화 장치(모국)(200)의 용어설명은 다음과 같다.
FPGA (Field Programmable Gate Array): 설계 가능 논리 소자와 프로그래밍 가능 내부선이 포함된 반도체 소자.
DSP (Digital Signal Processing/Processor): 디지털 신호처리 또는 신호처리 연산기.
디지털 신호를 유용한 정보로 만들기 위해 추출, 강화, 저장, 전달하기 위한 신호처리 (시간 및 진폭이 모두 이산적인 신호의 변환 및 이산 신호 연산을 다루는) 기술들 또는 (Digital Signal Processing 기술에 기반을 둔) 디지털 신호처리에 전용코자 연산 처리속도 향상을 위한 칩을 말함.
Wi-Fi AP (Wireless Access Point; WAP): 컴퓨터 네트워크에서 와이파이를 이용한 관련 표준을 이용하여 무선 장치들을 유선 장치에 연결할 수 있게 하는 장치.
RJ45 (Registered Jack): 8 가닥 (4 쌍)을 갖는 모듈러 형태의 연결용 잭(Jack), 이중와선(Twisted Pair) LAN 연결에 많이 사용.
SDRAM (Synchronous Dynamic Random Access Memory): DRAM의 발전된 형태, 보통 DRAM과 달리 제어장치 입력을 클록펄스(Clock Pulse)와 동시에 일어나도록 하는 동기식 DRAM.
DC/DC Cnv (DC-DC Power Converter): DC 전압을 강압 또는 승압시키는 일종의 직류 변압기 (교류로 동작하고 권선비에 의해 전압을 변환하는 교류 변압기에 대응됨).
Transceiver: 일반적으로 전송기(Transmitter) 및 수신기(Receiver)를 하나로 합친 장치 (송수신기).
Splitter: 일반적으로 특정 신호들을 특성에 맞게 분리해 주는 장치.
한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
우선, 본 발명은 매설배관 누설신호의 도달시간차를 이용하는 상호상관함수 기법을 적용하여 누설 진위판별의 정확도를 향상시켰다. 그리고 금속, 폴리머 등의 다양한 배관 재질과 토양, 콘크리트 등의 매설환경에서 곡관부(bend), 직경변화, 밸브, 분기관(branch), 중첩매설 등의 복합적인 배관의 실제 지하매설 환경에서도 비굴착 방식으로 정확한 누설부위(오차범위: ± 0.5m, 50m 구간)를 탐지할 수 있는 장치이다.
본 발명 콘크리트와 에폭시, 시멘트, 아스팔트 또는 토양으로 덥혀있는 매설배관의 지상 표면을 굴착하지 않고, 맨홀 등의 작업자가 접근 가능한 지점의 배관 표면에 자국과 연결된 진동(가속도) 센서를 부착하여 누설진동 신호를 측정하는 방식으로 운용할 수 있어 매설구간 전체를 굴착하여 확인하던 기존의 누설탐지 방식과 차별화된다.
이를 위해 본 발명에 적용된 도 2 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 유선모드 블럭 구성도이고, 도 3 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 무선모드 블럭 구성도이다.
상기한 본 발명은 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 배관 양단에서 취득하고 누설신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 방법에 관한 것으로, 이하의 각 단계를 거치게 된다.
즉, 본 발명은 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설(진동)신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위해 데이터 분석부(300)로 유선 또는 무선으로 전달하는 단계를 거친다.
이어서 본 발명은 데이터 분석부(300)가 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하는 단계를 거친다.
본 발명은 상기 누설신호 전송시 유선 또는 무선 방식으로 전송이 가능하며, 무선 방식으로 동작할 때는 누설신호 취득 당시 위치정보시스템(GPS)의 시간정보를 활용하여 복수의 자국에서 취득된 누설신호를 동기화하여 신호간 시간지연(time delay)를 최소화하고, 자국의 자체 전원(내장 베터리)으로 동작하도록 하고, 상기 유선 방식으로 동작할 때는 자국(100)과 모국(200)을 동축케이블로 연결하여 단일 케이블로 모국의 전원(내장 베터리)으로 자국에 전원을 공급하고 자국에서 모국으로 취득신호를 전송할 수 있도록 하였으며, 자국과 모국간 거리가 설정거리까지 떨어진 위치에서도 취득신호 전송에 지장이 없도록 신호감쇄를 고려하게 된다.
한편, 도 4 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장치(자국)의 무선모드 블럭 구성도이고, 도 5 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장치(자국)의 유선모드 블럭 구성도이며, 도 6 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 신호 취득 장치(자국)의 실제 제품 사진이다.
상기한 본 발명 상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 무선으로 자료를 전송하는 단계는 다음과 같다.
즉, 본 발명은 진동(가속도)센서에서 취득한 미세한 출력신호를 증폭하고 필터링하는 아날로그-프론트-엔드(AFE)(110)로부터 전달된 누설진동 신호를 ADC(Analog Digital Converter)(111)가 디지털 신호로 변환하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 FPGA (Field Programmable Gate Array)(112)가 GPS 위성에서 수신된 시간을 이용하여 ADC(111) 샘플링 데이터에 GPS 시각을 태깅(Time Stamp) 처리하는 단계를 거친다.
이어서 본 발명은 MCU(Micro Controller Unit)(113)에서 ADC(111) 샘플링 데이터를 압축하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(114)을 이용하여 샘플링 데이터를 버퍼 처리하는 단계를 거친다.
이어서 본 발명은 압축된 데이터를 PHY(Physical Layer)(115)를 통해 Wi-Fi 모듈(116)로 전송하는 단계를 거친다.
마지막으로 본 발명은 무선 환경에서 기본적으로 사용되는 리튬배터리와 이 리튬배터리와 DC/DC 컨버터(DC-DC Power Converter)(118)를 이용하여 소모 전력을 관리하면서 지속적으로 배터리 잔량을 체크하는 단계를 거치게 된다.
한편, 본 발명 상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 유선으로 자료를 전송하는 단계는 다음의 각 단계를 거친다.
즉, 본 발명은 진동(가속도) 센서로부터 취득된 누설진동 신호를 ADC로 디지털 신호로 변환하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 무선모드와는 달리 별도의 GPS 시각을 태깅하지 않고 FPGA가 ADC 샘플링 데이터를 실시간으로 유선을 통해 모국으로 전송하는 단계를 거친다.
이어서 본 발명은 모국과 연결된 동축 케이블로 신호(자국→모국)와 전원(모국→자국)을 모두 전송하는 단계를 거친다.
이때 본 발명은 분배기(splitter)를 이용하여 신호와 전원을 분리한다.
마지막으로 본 발명은 유선 환경에서는 모국으로부터 전송되는 전력으로 고효율 DC/DC 컨버터를 이용하여 소모 전력을 충당하며, 내장 배터리는 신호/전원용 케이블이 아닌, 별도의 충전단자와 어댑터 사용하여 충전한다.
한편, 도 7 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장치(모국)의 무선모드 블럭 구성도이고, 도 8 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장치(모국)의 유선모드 블럭 구성도이며, 도 9 는 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치인 동기화하는 장치(모국)의 실제 제품 사진이다.
상기한 본 발명 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 누설신호를 무선으로 전달하는 단계는 다음과 같다.
즉, 본 발명은 DSP(Digital Signal Processing/Processor)(210)가 적어도 하나 이상의 자국(DAQ)(100) 장비로부터 무선(Wi-Fi)(212)으로 수신된 ADC(Analog Digital Converter) 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(211)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 복수의 ADC 샘플링 데이터를 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 상기 통합 데이터를 다시 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터분석부(300)로 전송하는 단계를 거친다.
이어서 본 발명은 무선 환경에서 기본적으로 사용되는 리튬배터리와 이 리튬배터리와 DC/DC 컨버터 (DC-DC Power Converter)(215)를 이용하여 소모 전력을 관리하면서 지속적으로 배터리 잔량을 체크한다.
또 한편, 본 발명 상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 누설신호를 유선으로 전달하는 단계는 다음과 같다.
즉, 본 발명은 유선(동축케이블)으로 연결된 복수(최대 4개)의 자국(DAQ)과 통신하는 단계를 거친다.
이후 본 발명은 자국에서 전달된 실시간 샘플링 데이터를 FPGA에서 태깅하여 DSP로 전달하는 단계를 거친다.
이어서 DSP(Digital Signal Processing/Processor)는 수신된 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 단계를 거친다.
그리고 상기 통합 데이터를 무선모드와 동일한 프로토콜로 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터분석부(300)로 전송하는 단계를 거친다.
이때 본 발명은 자국과 연결된 동축 케이블로 신호(자국→모국)와 전원(모국→자국)을 모두 전송한다.
마지막으로 본 발명은 별도의 외장 배터리 또는 내장의 리튬배터리의 전원을 고효율 DC/DC 컨버터를 이용해 승압하여 자국에 공급하고 모국에 내장 배터리는 별도의 충전단자와 어댑터 사용하여 충전한다.
삭제
도 10 은 본 발명에 적용된 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 데이터 분석부(300)에 포함되어 누설 진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위한 분석프로그램의 화면 예시도이다.
데이터 분석부(300)는 배관의 위치정보와 누설 분석프로그램을 포함하고 있으며 입력된 누설 진동 신호를 분석한 결과에 따라 배관의 누설 여부 및 누설 위치를 추정한다.
본 발명은 상기한 매설된 배관에서 누설이 발생되었는지 누설여부를 확인하고, 누설위치를 탐지하는 이동형 장비에 관한 것이며, 본 장비의 목표 성능은 아래 표 1 과 같다.
매설배관 누설탐지 장치의 성능 목표
목표 성능 사양 단위 개발 목표치
1. 최소 탐지 누설률
(2.5기압차, 1 시간 이내)		 gpm 1
2. 누설진위 판별률
(1gpm/2.5기압차, 50m 기준)		 % 90
3. 누설위치 정확도 (50m 기준) m ±0.5
4. 무선전송 거리 m 200
5. 무선전송 지연시간 sec 3
위의 성능 목표를 달성하기 위한 본 장비에 대한 요구사항은 다음과 같다.
2채널 DAQ 2대의 ADC 신호를 동기화시켜 HMI에 이더넷(WI-FI, UDP/TCP)를 통해 전달.
취득신호의 대역폭: 0 ~ 10 kHz.
2대의 신호취득(DAQ) 장비의 취득신호 동기화 오차: ±50 μsec 이내.
누설신호 취득 장치(DAQ 자국)와 신호 수신 및 동기화 장치(모국)에 배터리 내장.
자국과 모국 사이에 유선(케이블)과 무선(Wi-Fi)을 통해 데이터 전달.
최대 신호전송 거리: 유선 300m, 무선 200m.
24bit ADC 사용.
자국에 사용되는 진동(가속도) 센서에 대응하는 아날로그 입력 회로 내장.
한편, 본 발명의 실시를 위해 매설배관의 누설진동 신호를 측정/전송하는 신호 취득 장치와 복수의 자국으로부터 전송된 누설진동 신호를 수신하고 이를 동기화하는 모국의 시제품을 제작하였다. 매설배관 누설탐지 시스템 시제품의 성능에 대한 공인기관의 인증시험을 수행(2018.12.05.)하였고 결과는 아래 표 2와 같다.
매설배관 누설탐지 장치의 성능시험 결과
목표 성능 사양 단위 개발 목표치 시험 결과
1. 최소 탐지 누설률
(2.5기압차, 1 시간 이내)		 gpm 1 0.37
2. 누설진위 판별률
(1gpm/2.5기압차, 50m 기준)		 % 90 100
3. 누설위치 정확도 (50m 기준) m ±0.5 ±0.26
4. 무선전송 거리 m 200 200
5. 무선전송 지연시간 sec 3 0.53
본 발명 이동형 매설배관 누설 탐지 장치 및 제어방법의 기술적 사상은 실제로 동일결과를 반복 실시 가능한 것으로, 특히 이와 같은 본원발명을 실시함으로써 기술발전을 촉진하여 산업발전에 이바지할 수 있어 보호할 가치가 충분히 있다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)
200: 수신 및 동기화 장치(모국)
300: 데이터 분석부

Claims (8)

  1. 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동 신호를 배관 양단에서 취득하고 누설진동 신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 장치에 관한 것으로,
    매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동 신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100);
    복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위해 데이터 분석부로 전달하는 유선 또는 무선의 수신 및 동기화 장치(모국)(200); 및 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위한 데이터 분석부(300);가 포함되며,
    상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)은, 진동(가속도)센서에서 취득된 미세한 출력신호를 증폭하고 필터링하는 아날로그-프론트-엔드(AFE)(110)로부터 전달된 신호를 디지털 신호로 변환하는 ADC(Analog Digital Converter)(111); ADC(Analog Digital Converter)(111)와 연결되며, GPS 위성에서 수신된 시간을 이용하여 ADC(111) 샘플링 데이터에 GPS 시각을 태깅(Time Stamp) 처리하는 FPGA (Field Programmable Gate Array)(112); GPS 시각이 태깅된 샘플링 데이터를 압축하고, SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(114)을 이용하여 버퍼 처리하는 MCU(Micro Controller Unit)(113);
    MCU(Micro Controller Unit)(113)에서 압축된 데이터를 Wi-Fi 모듈(116)로 전달하는 PHY(Physical Layer)(115); 리튬배터리 및 DC/DC 컨버터(DC-DC Power Converter)(118); 무선통신용 와이파이 안테나(125); 유선통신용 BNC 연결단자(126); 디스플레이부(127) 및 센서입력부(128);를 포함하며,
    무선 환경에서 기본적으로 내장된 리튬배터리가 사용되고, 내장된 리튬배터리와 DC/DC 컨버터(DC-DC Power Converter)(118)를 사용하여 소모 전력을 관리하면서 지속적으로 리튬배터리 잔량을 체크하며,
    유선 환경에서 모국과 연결되어 신호와 전원을 모두 전송할 수 있는 동축케이블; 신호와 전원을 분리할 수 있는 분배기(Splitter);를 포함하여, 자국은 GPS 시각을 태깅하지 않고 FPGA가 디지털 신호를 실시간으로 동축케이블을 통해 모국으로 전송하고, 모국으로부터 전송되는 전력으로 DC/DC 컨버터를 이용하여 소모전력을 충당하며,
    상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)는, 적어도 하나 이상의 자국(DAQ)(100) 장비로부터 무선(Wi-Fi)(121)으로 수신된 ADC(Analog Digital Converter) 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(211)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 복수의 ADC 샘플링 데이터를 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 DSP(Digital Signal Processing/Processor)(210);
    DSP(Digital Signal Processing/Processor)(210)와 연결되며, 설계 가능한 논리 소자와 프로그래밍 가능 내부선을 포함하며, 유선(동축케이블)을 통해 자국에서 전달된 실시간 샘플링 데이터에 GPS 정보를 태깅하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)(216); 전송기(Transmitter)와 수신기(Receiver)를 하나로 합친 Transceiver(217) 및 트랜시버(Transceiver)(217)에 연결되어 특정 신호들을 특성에 맞게 분리해 주는 스플리터 (Splitter)(218);를 포함하며,
    상기 데이터 분석부(300)는 배관의 위치정보와 누설 분석프로그램을 포함하고 있으며, 입력된 측정신호를 분석한 결과에 따라 배관의 누설 여부 및 누설 위치를 추정함으로써, 비굴착 방식으로 매설된 배관의 누설을 탐지하는 것을 특징으로 하는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치.

  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동 신호를 배관 양단에서 취득하고 누설진동 신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 방법에 관한 것으로,
    누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동신호를 측정하여 유선 또는 무선으로 자료를 전송하는 단계;
    수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설진동 신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위해 데이터 분석부(300)로 유선 또는 무선으로 전달하는 단계;
    데이터 분석부(300)가 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하는 단계를 포함하며,
    상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 누설진동 신호를 측정하여 무선으로 자료를 전송하는 단계는,
    진동(가속도)센서에서 취득된 미세한 출력신호를 증폭하고 필터링하는 아날로그-프론트-엔드(AFE)(110)로부터 전달된 신호를 ADC(Analog Digital Converter)(111)가 디지털 신호로 변환하는 단계;
    FPGA (Field Programmable Gate Array)(112)가 GPS 위성에서 수신된 시간을 이용하여 ADC(111) 샘플링 데이터에 GPS 시각을 태깅(Time Stamp) 처리하는 단계;
    MCU(Micro Controller Unit)(113)에서 GPS 시각이 태깅된 샘플링 데이터를 압축하고 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(114)을 이용하여 버퍼 처리하는 단계;
    압축된 데이터를 PHY(Physical Layer)(115)를 통해 Wi-Fi 모듈(116)로 전송하는 단계;를 포함하며,
    상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 누설진동 신호를 데이터 분석부로 전달하는 단계는,
    DSP(Digital Signal Processing/Processor)(210)가 적어도 하나 이상의 자국(DAQ)(100) 장비로부터 무선(Wi-Fi)(121)으로 수신된 ADC(Analog Digital Converter) 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)(211)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 복수의 ADC 샘플링 데이터를 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 단계;
    상기 통합 데이터를 다시 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터분석부(300)로 전송하는 단계;를 포함하며,
    무선 환경에서 기본적으로 사용되는 리튬배터리와 DC/DC 컨버터를 이용하여 소모 전력을 관리하면서 지속적으로 배터리 잔량을 체크하며, 누설진동 신호 취득 당시 GPS 시각을 활용하여 복수의 자국에서 취득된 누설진동 신호를 동기화하여 신호간 시간지연(time delay)를 최소화는 것을 특징으로 하는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 제어방법.
  5. 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동 신호를 배관 양단에서 취득하고 누설진동 신호의 도달 시간차를 이용하여 비굴착 방식으로 매설배관의 누설을 탐지하는 방법에 관한 것으로,
    누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 매설된 배관에서 누설이 발생할 때 동반되는 누설진동 신호를 측정하여 무선 또는 유선으로 자료를 전송하는 단계;
    수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 복수의 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)로부터 전송된 누설진동 신호를 동기화하여 누설 여부 및 위치를 추정하기 위해 데이터 분석부로 유선 또는 무선으로 전달하는 단계;
    데이터 분석부(300)가 상기 누설진동 신호를 분석하여 누설 여부 및 위치를 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 누설 신호 취득 및 송신 장치(자국)(100)가 누설진동 신호를 측정하여 유선으로 자료를 전송하는 단계는,
    진동(가속도)센서에서 취득된 미세한 출력신호를 증폭하고 필터링하는 아날로그-프론트-엔드(AFE)(110)로부터 전달된 신호를 ADC(Analog Digital Converter)(111)가 디지털 신호로 변환하는 단계;
    FPGA가 GPS 시각을 태깅하지 않고 변환된 샘플링 데이터를 트랜시버와 스플리터를 거쳐 실시간으로 유선을 통해 모국으로 전송하는 단계;를 포함하며,
    상기 수신 및 동기화 장치(모국)(200)가 누설진동 신호를 데이터 분석부로 전달하는 단계는,
    복수의 자국에서 전달된 실시간 샘플링 데이터를 FPGA에서 태깅하는 단계;
    DSP(Digital Signal Processing/Processor)가 수신된 샘플링 데이터를 SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)에 버퍼링한 후 태깅된 GPS 시각 데이터를 이용하여 동기화하여 통합된 데이터로 조합하는 단계;
    상기 통합 데이터를 무선모드와 동일한 프로토콜로 유선 또는 무선 랜을 통해 동일 네트워크에 위치한 데이터분석부(300)로 전송하는 단계;를 포함하며,
    자국과 모국을 연결한 동축 케이블로 신호와 전원을 모두 전송하고, 별도의 외장 배터리 또는 내장의 리튬배터리의 전원을 고효율 DC/DC 컨버터를 이용해 승압하여 자국에 공급하고, 모국에 내장 배터리는 별도의 충전단자와 어댑터를 사용하여 충전하는 것을 특징으로 하는 이동형 매설배관 누설 탐지 장치의 제어방법.

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