KR20110010316A - 파손탐지용 파이프라인 시스템 - Google Patents

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KR20110010316A
KR20110010316A KR1020090067815A KR20090067815A KR20110010316A KR 20110010316 A KR20110010316 A KR 20110010316A KR 1020090067815 A KR1020090067815 A KR 1020090067815A KR 20090067815 A KR20090067815 A KR 20090067815A KR 20110010316 A KR20110010316 A KR 20110010316A
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Abstract

본 발명은 파손탐지용 파이프라인 시스템에 관한 것으로서, 본 발명의 목적은 간단하고 저렴한 시스템 구축 비용으로 파이프의 파손 및 누수는 물론 부등침하에 의한 변형까지 파악할 수 있고, 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있는 파손탐지용 파이프라인 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 파이프라인 시스템은 파이프라인의 길이방향을 따라 그 외면에 감겨지는 센싱용 광케이블과; 상기 파이프라인에 상호 간에 이격 부착되고, 상기 센싱용 광케이블 상에 직렬연결되는 다수 개의 FBG 센서와; 상기 파이프라인을 따라 다수 개 구비되고, 상기 파이프라인의 소정 위치마다 각각 하나씩 상기 센싱용 광케이블에 연결되어 다수 개의 통신채널을 형성하는 통신용 광케이블들과; 상기 다수 개의 통신채널 중 어느 하나를 선택하는 광학 스위치와; 상기 FBG 센서로부터 전송되는 센서신호를 이용해 파이프 파손을 검출하는 계측장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
파이프라인, 파손, 누수, 변형, 광섬유케이블, FBG센서

Description

파손탐지용 파이프라인 시스템{BREAKAGE DETECTING PIPELINE SYSTEM}
본 발명은 파손탐지용 파이프라인 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 한 가닥의 센싱용 광케이블과 다수 개의 통신용 광케이블 그리고 FBG센서를 이용하여 파이프의 파손 및 누수는 물론 부등침하에 의한 변형까지 파악할 수 있고, 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있는 파손탐지용 파이프라인 시스템을 제공하는 것이다.
상수도/하수도 등에 사용되는 파이프라인은 통상적으로 지하에 매설되어 사용된다. 이러한 액체관은 노후 또는 기타 원인 등으로 인해 일정 위치에 파손 및 누수가 발생되고, 지하에 매설된 관계로 파손 여부 및 파손 위치의 파악이 용이하지 않다.
상수도의 경우를 예로 들면, 현재 노후된 상수도관이 교체되지 않아 누수되는 수도물이 약 20 % 에 이르고 있다. 그러나 종래의 누수 및 파손탐지 기술의 경우, 소량의 누수를 탐지하는데 곤란함이 있고, 누수위치를 정확히 파악하지 못하는 문제점이 있었다. 종래의 누수탐지 방법을 설명하면 다음과 같다.
첫째로, 지상에서 청음식으로 탐지하는 방법이 있다. 이 경우, 청음봉과 같은 도구를 사용하거나 훈련된 전문가의 청각을 이용한다. 또한 누수에 의해 발생하는 소리가 지표면에 전달될 때 지표면에서 이 소리를 탐지하여 증폭한 후 리시버로 듣거나 미터기로 분석하여 누수를 탐지할 수 있다.
그러나, 청음봉 또는 사람의 청각에 의존하므로, 일정량 이상의 누수가 일어나야만 탐지가 가능하다. 더구나 상수도관로는 규정상 지상에서 1.2 미터 이하의 깊이에 매설하도록 되어 있으므로, 소량씩 누수되는 경우에는 탐지가 곤란하고 누수 지점을 정확히 탐지하기가 어렵다. 또한 전용 부지가 아닌 교통이 빈번한 도로 밑에 설치된 상수도관로의 경우, 차량 통행에 따른 교통 소음이 같이 전달되기 때문에 탐지가 거의 불가능하다.
둘째로, 배관 외부에 수분 탐지 센서를 설치하여 누수가 발생하면 외부로 유출되는 수분을 센서에서 검출하는 방법이 있다. 음파를 이용하거나 수분 센서를 이용하는 방법은 배관 부착식으로, 누수가 발생하면 알람 신호 등을 통해서 바로 알 수 있는 장점이 있어 온라인 모니터링과 같은 개념으로 사용될 수 있다. 그러나, 토양 자체가 수분을 함유하고 있어서 배관 외부에 수분 센서를 설치하는 것이 용이하지 않다.
셋째로, 바이패스(bypass) 라인을 이용해 파이프 라인을 관망으로부터 격리시킨 후 검사를 수행하는 격리식 방법이 있다. 이 방법은 라인을 격리시킨 후 배관 라인의 한쪽 끝을 막고 지름이 관의 내경보다 약간 큰 구를 수압으로 밀어 진행 시키는 것으로서, 구가 수압에 의해 진행하다가 누수가 일어나는 위치에 도달하면 더 이상 구가 진행되지 않는 현상을 이용한다. 즉, 수압에 의해 밀리던 구가 더 이상 진행하지 않으면 그 위치에 누수 부위가 있다는 것을 의미한다.
그러나, 서로 멀리 떨어진 두 개 이상의 누수 부위가 있을 경우에는 가운데에 위치한 누수 부위의 위치를 탐지하기 어렵고, 응력 부식 균열과 같이 매우 미세한 관통 균열의 탐지가 거의 불가능하거나 많은 시간이 소요되는 문제점이 있었다.
그리고, 종래는 전체 상수도 네트워크를 형성하는 각 상수도/하수도 관로의 상태에 대한 정보를 관리자에게 일괄적으로 제공하고 점검할 수 있는 시스템이 구축되어 있지 않음으로써, 이상 발생시 각 상수도/하수도 관로마다 일일이 점검해야 하고, 이에 따라 효율성이 저하되고 시간 및 비용이 증대되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 바, 최근에는 도선 내지 광케이블을 이용한 파손 및 누수 탐지 시스템이 개발 적용되고 있는 실정이다.
도 1a는 종래 한 쌍의 도선을 이용한 파이프 파손탐지 시스템을 나타낸 사시도이다. 도 1a를 참조하면, 두 개(1,3)의 도선이 한 쌍을 형성하며 파이프라인(10)의 외주면을 따라 감겨져 있고, 펄스시험기를 이용하여 펄스 신호를 도선으로 송출하여 수신된 신호를 검사하여 파이프관의 손상 여부 및 손상 위치를 파악하도록 구성된다.
그러나 이러한 한 쌍의 도선을 이용한 종래 파손탐지 시스템은 다음과 같은 문제점이 있었다. 한 채널당 측정가능한 거리는 1km 라는 제한이 있고, 도선의 단선, 단락에 의하여, 파손 및 누수 위치는 감지가 가능하지만, 파이프의 부등침하에 의한 변형, 수송관로의 막힘 및 기압, 유압 등 정량적인 데이터 측정은 불가능한 한계가 있으며 또한, 필수적으로 두 가닥 이상의 나선형 도선의 포설하여야 했다.
도 1b는 분포형 OTDR 광섬유 센서 케이블의 파이프 분기지점에서의 종래 루프식 연속 광섬유 케이블 설치에 관한 것으로 연속식은 파이프라인(10)를 따라서 루프식으로 광섬유 케이블(2)을 설치하여야 하기 때문에, 분기되는 모든 파이프라인을 루프식으로 감아 돌아와야 하기 때문에 설치가 번거롭고, 소요되는 광섬유 케이블도 증가되어야 하는 단점이 있었다. 또한, 시스템 구축 비용이 매우 고가이고, 파손, 누수, 변형의 측정은 가능하지만, 수송관로의 막힘이나 기압, 유압 등 정량적인 데이터 측정이 불가능한 한계가 있으며, 또한, 두가닥 이상의 나선형 케이블의 포설이 필요한 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 간단하고 저렴한 시스템 구축 비용으로 파이프라인의 파손 및 누수 탐지는 물론 부등침하에 의한 변형도 함께 측정할 수 있는 파손탐지용 파이프라인 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 한 대의 측정장비로 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있어, 종래 시스템의 측정거리 한계를 극복하고, 파이프라인 전체 네트워크를 형성하는 각 파이프관의 상태 정보를 관리자에게 일괄적으로 제공하고 점검할 수 있는 파손탐지용 파이프라인 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 내부에 액체, 고체 또는 기체의 물건을 이송하는 관로로서, 다수 개의 파이프를 연속적으로 연결하여 형성되는 파이프라인과; 상기 파이프라인의 길이방향을 따라 그 외면에 감겨지는 센싱용 광케이블과; 상기 파이프라인에 상호 간에 이격 부착되고, 상기 센싱용 광케이블 상에 직렬연결되는 다수 개의 FBG 센서와; 상기 파이프라인을 따라 다수 개 구비되고, 상기 파이프라인의 소정 위치마다 각각 하나씩 상기 센싱용 광케이블에 연결되어 다수 개의 통신채널을 형성하는 통신용 광케이블들과; 상기 다수 개의 통신채널 중 어느 하나를 선택하는 광학 스위치와; 상기 FBG 센서 로부터 전송되는 센서신호를 이용해 파이프 파손을 검출하는 계측장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템에 의하면, 한 대의 측정장비로 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있어, 종래 시스템의 측정거리 한계를 극복 가능할 수 있음과 동시에, 파이프라인 전체 네트워크를 형성하는 각 파이프 관로의 상태 정보를 관리자에게 일괄적으로 제공하고 점검할 수 있는 시스템을 구축할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 파손 및 누수 뿐만 아니라 부등침하에 의한 변형도 함께 측정이 가능함은 물론, 필요에 따라서 FBG 진동센서, FBG 압력센서를 추가적으로 설치하기만 하면 관로의 막힘이나 누기, 누수도 측정할 수 있으며, 한 대의 측정장비에 광학 스위치를 구비하여 다수 채널의 선택적 센싱이 가능하여 저렴하게 다수의 센싱 기능을 구현할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 센싱용 케이블과 통신용 케이블이 각 파이프에 일체로 구비되어 있기 때문에, 작업자는 각 파이프를 배치하고 FBG 센서의 설치 및 광융착 작업만을 실시하기만 하면 파이프라인 시스템 구축을 손쉽게 완료할 수 있고 시공비가 절감되는 현저한 효과가 있다.
또한, 한 가닥의 광케이블을 통해 센싱을 수행하도록 구성함으로써 파이프라인 분기 지점에서 광학 커플러를 사용하여 1:n 으로 손쉽게 분기할 수 있는 현저한 효과가 있다.
본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 적어도 두 가닥 이상의 도선을 나선형 포설하여 파이프라인의 파손 및 누수를 센싱하였던 종래 파이프라인 파손감지 시스템과는 달리, 한 가닥의 광섬유케이블과 상기 광섬유케이블 상에 직렬 구비된 FBG 센서를 포함하는 구성을 통해, 분기가 용이하고, 시스템 구축 비용이 저렴하고, 측정가능한 센싱거리를 수십Km 까지 확장시킬 수 있으며, 파이프 자체의 파손은 물론 특정 파이프의 부등침하에 의한 변형도 검출할 수 있는 기술적 특징을 제시한다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예, 특징 및 장점에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
먼저, 이하에서 사용하는 용어 "파이프라인"이란 각각의 개별 파이프를 연속적으로 연결함으로써 형성되는 관로를 지칭하고, 내부에 액체를 이송하는 통상의 상하수도관, 송유관은 물론 기체를 이송하는 가스관 및 쓰레기와 같은 고체를 수송하기 위한 수송관 모두를 포함하며, 직관 또는 곡관 등 다양한 형태의 파이프를 포함한다
도 2는 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템을 구성하는 개별 파이프의 구성을 개략적으로 도시한 사시도이다.
본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 한 가닥의 센싱용 광케이블(100)과 다수 개의 통신용 광케이블(200) 그리고 상기 센싱용 광케이블(100) 상에 구비되는 FBG 센서(50,51)를 포함하는 개별 파이프들(10)을 연속적으로 연결해나감으로써 하나의 총괄적인 파손탐지 시스템을 구축하게 된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템을 구성하는 개별 파이프(10)는 상기 파이프(10)의 외부면을 감고 있는 센싱용 광케이블(100)과, 상기 센싱용 광케이블(100)상에 구비되는 다수 개의 FBG 센서(50,51)와, 상기 파이프(10)의 길이방향을 따라 다수 개 구비되는 통신용 광케이블(200)을 포함하도록 구성된다.
또한, 상기 센싱용 광케이블(100)과 통신용 광케이블은(200)은 상기 FBG 센서들(50,51)로부터 출력되는 센서신호를 이용하여 파이프의 파손 및 변형을 검출하기 위한 계측장치(300)와 연결된다.
본 발명의 센싱용 광케이블(100)은 파이프(10)의 외면 곡률을 따라 나선형으로 감겨진 형태로 구비되어 상기 파이프(10)에 가해지는 외력 또는 외부침입에 의한 파손발생 여부 및 파손위치를 감지하는 역할을 수행한다. 바람직하게는 상기 센싱용 광케이블(100)의 나선 간격은 균일한 피치를 유지하며 감겨 있도록 하며, 그 간격이 조밀할 수록 파손발생 감지능력의 향상에 유리하다.
도 3은 도 2의 단면도로서, 본 발명의 파이프 외부면에 설치된 센싱용 케이블과 통신용 케이블의 포설구조를 나타낸 일 실시예이고, 도 4는 도 3의 "A" 부분 상세도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 파이프(10)에 나선형으로 감겨지는 센싱용 광케이블(100)은 그 외주면에 견고하게 부착 고정될 수 있으면서, 외부 물체와 직접적으로 접촉하지 않도록 별도의 보호층(400)을 구비하는 것이 바람직하다. 이는 센싱용 광케이블(100)이 포설된 파이프의 운반시 지면 등에 접촉할 경우에도 케이블(100)이 훼손되지 않도록 하기 위함이다.
상기와 같은 바, 본 발명의 센싱용 광케이블(100)은 에폭시를 포함하는 고착재를 충분히 두껍게 도포하여 상기 파이프(10)의 외부면에 부착 고정시키거나 또는 상기 파이프(10)의 외부면에 폴리에틸렌 코팅층이 형성함으로써 상기 코팅층(400) 내부에 센싱용 광케이블(100)이 함침 고정될 수 있도록 구성된다.
상기 센싱용 광케이블(100)을 이용한 파손 감지 원리를 설명하면 다음과 같다. 상기에 설명한 바와 같이, 본 발명의 센싱용 광케이블(100)은 파이프(10)의 외주면에 견고하게 부착되어 파이프와 일체를 형성하고 있다.
상기와 같은 바, 파이프(10)의 특정 영역에 외력이 가해지거나 외부침입이 발생하여 누수가 야기될 정도의 파손이 발생된다면, 상기 파손이 발생된 영역에 부착된 센싱용 광케이블(100) 역시 상기 외력에 의한 손상이 발생되고 이에 따라 특정 지점 상에 단선 내지 단락(이하, 단선으로 통칭한다.)이 유발될 것이다.
본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 상기와 같이 파이프의 파손발생시 이에 연계하여 야기되는 "센싱용 광케이블 단선" 현상을 이용하여, 파이프 파손발생을 감지하고 더 나아가 파손이 발생된 파이프의 구체적 위치를 찾아낼 수 있도록 한다. 단선 현상을 이용한 파손 검출방법에 대한 상세한 설명은 첨부도면 7을 참조하여 후술하기로 한다.
본 발명의 통신용 광케이블(200)은 상기 센싱용 광케이블(100)과는 구분되는 별도의 통신선로서, 상기 파이프(10)의 외측면에 그 길이방향을 따라 일직선 형태를 형성하며 구비되도록 설치하는 것이 바람직하다.
이는, 상기 통신용 광케이블(200)은 파이프 파손을 탐지하는 센싱용 광케이블(100)과는 달리, 파이프라인을 구성하는 각 파이프에 포설된 센싱용 케이블(100)에 연결되어 다수 개의 통신채널 및 통신선로를 제공해 주는 역할을 수행하기 때문이다.
일반적으로, 하나의 광섬유케이블 상에는 서로 다른 파장의 FBG 센서를 여러개 구비하여 상호 독립적인 센서기능을 수행하는 멀티플레싱이 가능하지만, 그 설치 가능한 개수에는 한계가 있다.
따라서, 수십㎞에 이르는 파이프라인을 감고 있는 센싱용 광케이블(100)에 많은 수의 FBG 센서(50,51)를 설치하되 상호 구분되는 센싱기능을 수행할 수 있도록 하기위한 효율적인 방법은 하나의 계측장치(300)로 연결되는 다수 개의 통신채널을 구성하여 채널별 모니터링을 수행하도록 하는 것이다.
따라서, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 상기 다수 개의 통신채널 중 어느 하나를 임의대로 선택할 수 있도록 하는 광학 스위치를 더 포함하도록 구성된다. 즉, 작업자는 광학 스위치(310)에 의해 복수 개 통신채널 중 어느 하나가 계측장치(300)와 연결되도록 작동시킴으로써 각 채널별 파손탐지를 실시할 수 있게 된다.
또한, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 파이프(10) 외측부에 통신용 광케이블 하우징 (430)을 형성하여, 통신용 광케이블(200)이 상기 통신용 광케이블 하우징(430)에 매입되어 파이프 상에 일체로 구비될 수 있도록 구성된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 파이프(10)의 외면에 통신용 광케이블 하우징 (430)이 길게 설치된다. 이러한 통신용 광케이블 하우징(430)은 그 절단면이 대략 크레즌트(crescent) 모양으로 형성되고, 중앙부에 통신용 광케이블(200)이 수납되는 수납공간(410)를 갖는 구조로 이루어진다. 통신용 광케이블 하우징(430)을 크레즌트 모양으로 형성하게 되면, 양쪽 끝단부가 양쪽으로 갈수록 점차 좁아진 상태에서 파이프의 외면에 단차 없이 부착될 수 있게 된다.
따라서, 상기 하우징(430)은 파이프(10)의 둘레면과 같이 거의 원형에 가깝게 형성됨으로써, 파이프(10) 둘레의 걸리는 면을 최소화한 상태에서 통신용 광케이블(200)을 일체로 수용하며 안정되게 보호할 수 있게 된다.
이러한 통신용 광케이블 하우징(430)은, 별도로 몰딩 제작되어 파이프(10)에 부착하거나 또는 센싱용 광케이블(100) 포설을 위해 파이프(10) 외면에 코팅층 (400)을 형성할 때, 코팅 공정을 진행하면서 함께 부착하여 설치하는 방법도 가능하다.
폴리에틸렌 코팅층(400)에 통신용 광케이블 하우징(430)이 일체화되게 접착 부재를 이용하여 부착한다. 이때 사용할 수 있는 접착 부재는, 상기 폴리에틸렌 코팅층(400)과 통신용 광케이블 하우징(430)과의 접착성을 강화하기 위해서, 폴리에틸렌 코팅층(400)에 사용되는 재질인 폴리올레핀을 주원료로 하는 접착제로 구성되는 것이 바람직하다.
즉, 폴리에틸렌 코팅층(400)과 접착 부재에 동일한 성분을 포함시켜 구성함으로써, 통신용 광케이블 하우징(430)이 파이프(10)에 접착되는 접착 강도를 향상시킬 수 있고, 이로 인하여 파이프(10)과 하우징(20)의 일체화 정도를 높일 수 있게 된다.
한편, 통신용 광케이블 하우징(430)에 구비되는 수납부(410)는 도 4에서와 같이 대략 사각홈 구조로 길게 형성되는 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 실시 조건에 따라서는 그 모양은 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.
통신용 광케이블 하우징(430)에는 수납부(410)를 개폐할 수 있도록 하우징 커버(420)가 결합되는데, 하우징 커버(420)는 도 4에서와 같이 양쪽에 후크 구조의 결합부(450)를 구성하여 통신용 광케이블 하우징(430)에 결합되어 내부를 밀폐시키도록 구성할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구조 외에도 상호 결합되어 고정할 수 있는 구조이면 실시 조건에 맞게 공지의 결합 고정 구조를 선택하여 다양하게 적용할 수 있음은 물론이다. 예컨데, 하우징 커버(420)의 한쪽은 힌지 구조로 통신용 광케이블 하우징(430)에 연결된 상태에서 다른 쪽 부분이 후크 방식으로 결합되면서 여닫을 수 있도록 구성하는 것도 가능하다.
본 발명의 센싱용 광케이블(100) 상에 구비되는 FBG 센서(50,51)는 대상의 변위 발생을 감지하는 변형률 센서로 구성하는 것이 바람직하다.
이는, 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 센싱용 광케이블 (100)의 단선 현상을 이용한 파이프의 파손 및 누수 탐지 기능은 물론 상기 변형률 센서 자체에서 검출하는 변형률 센서값을 통해 특정 파이프가 불균등하게 침하를 일으키는 부등침하 변형도 측정할 수 있도록 하기 위함이다.
상기 변형률 센서의 작동 원리를 간단히 설명하면, 광케이블에 특정파장을 반사시키는 브래그 격자를 생성시키고, 인장-압축에 따라서 반사되는 파장이 달라지는 성질을 이용하여 초기 파장에서 변화된 반사파장의 변화량을 계산함으로써 변형률 센서 동작을 수행한다.
도 5는 도 2의 파손탐지용 파이프를 다수 개 연결하여 구성한 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템 설치예이다.
도 5에 도시된 파손탐지용 파이프라인 시스템은 3개의 개별 파이프가 하나의 채널을 형성하도록 구성하였다. 즉, 파이프"10,11,12"이 상호간에 연결 접합되어 파이프라인"A"를 구성하고, 파이프"10"에 감겨진 센싱용 케이블"100"의 일단은 파이프"11"에 감겨진 센싱용 케이블"101"의 일단에 접속되고, 파이프"11"에 감겨진 센싱용 케이블"101"의 타단은 파이프"12"에 감겨진 센싱용 케이블"102"의 일단에 접속됨으로써 하나의 센싱구간(A)을 형성하게 된다. 또한, 하나의 센싱구간(A)을 구성하는 각 파이프 (10,11,12)에 구비된 통신용 광케이블(200,201,202) 각각은 상호 간에 접속되어 진다.
마찬가지로, 파이프"20,21,22"은 상호간에 연결 접합되어 파이프라인"B"를 구성하고, 파이프"20"에 감겨진 센싱용 케이블"110"의 일단은 파이프"21"에 감겨진 센싱용 케이블"111"의 일단과 접속되고, 파이프"21"에 감겨진 센싱용 케이블"111"의 타단은 파이프"22"에 감겨진 센싱용 케이블"112"의 일단과 접속됨으로써 또 다른 하나의 센싱구간(B)을 형성하게 된다. 또한, 센싱구간"B"를 구성하는 각 파이프(20,21,22)에 구비된 통신용 광케이블(210,211,212) 각각은 상호 간에 접속되어 진다.
또한, 센싱구간"A"의 단부에 위치한 파이프(12)와 센싱구간"B"의 단부에 위치한 파이프(20)가 상호 연결 접합되어 파이프라인을 구성할 경우, 센싱구간"B"를 구성하는 센싱용 광케이블(20,21,22)은 센싱구간"A"의 단부 파이프(12)에 구비된 다수 개의 통신용 광케이블(202) 중에서 선택된 어느 하나(202-1)와 접속됨으로써 하나의 통신채널(도6: Ch-2)을 갖게 된다.
또한, 센싱구간"B"의 센싱용 광케이블과 연결되지 않은 나머지 통신용 광케이블(202-2,202-3,202-4)은 센싱구간"B"를 구성하는 파이프"20"에 구비된 통신용 광케이블(210-1,210-2,210-3)과 각각 접속됨으로써, 또 다른 센싱구간(미도시)을 형성하는 센싱용 광케이블에 또 다른 통신채널을 각각 제공해 주게 된다.
또한, 상기 센싱용 광케이블 및 통신용 광케이블들을 접속하는 방법은 광융착 접속법(Fusion Splicing)을 이용하여 하나의 선으로 연결할 수 있으며, 이는 당 업자라면 쉽게 알 수 있는 공지기술로서 자세한 설명은 생략한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템을 구성하는 다수 개의 센싱구간(A,B..) 각각은 본 발명의 파이프에 각각 구비된 다수 개의 통신용 광케이블을 통해 고유 통신채널을 갖게 되고, 상기 다수 개의 통신채널은 광학 스위치(도2: 310)가 구비된 계측장치 한 대에 연결된다.
따라서, 작업자는 광학 스위치(310)를 이용하여 복수 개의 통신채널 중 어느 하나의 채널이 계측장치(300)와 연결되도록 작동시킴으로써 각 센싱구간(A,B..)별 파손탐지를 실시할 수 있게 된다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 수십km에 이르는 파이프라인을 다수 개의 독립된 통신채널이 부여된 센싱구간으로 구분하고, 상기 다수 개의 센싱구간은 한 가닥의 센싱용 광케이블을 통하여 파손 및 누수를 감지할 수 있도록 구성함으로써 다음과 같은 현저한 효과를 발휘하게 된다.
종래 도선을 이용한 파이프 파손감지 시스템의 경우는 한 채널당 측정가능 거리가 1km라는 거리제한이 있어 하나의 측정장치로 수십km에 이르는 파이프라인 전체를 센싱하는데 한계가 있었다.
그러나, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 상기와 같은 기술적 구성을 통해 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있어, 종래 시스템의 측정거리 한계를 극복 가능하다.
또한, 종래 분포형 광섬유센서 시스템은 하나의 의미있는 데이터 결과 산출 을 위해서는 수십 초에서 수 분의 데이터 측정과 신호처리 과정이 필요하여 동적 측정이 불가능하고, 그 측정장비가 매우 고가이며, 관로의 막힘이나 기압, 유압 등의 정량적인 데이터 측정은 현실적으로 어려운 한계가 있었다.
그러나, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 파손 및 부등침하에 의한 변형의 동적 측정이 가능함은 물론, 필요에 따라서 FBG 진동센서, FBG 압력센서를 추가적으로 설치하기만 하면 관로의 막힘이나 누기, 누수 등의 영향을 측정할 수 있는 장점이 있으며, 한 대의 측정장비에 광학 스위치를 구비하여 다수 채널의 선택적 센싱이 가능하여 저렴하게 다수의 센싱 기능을 구현할 수 있는 현저한 효과가 있다.
또한, 센싱용 케이블과 통신용 케이블이 각 파이프에 일체로 구비되어 있기 때문에, 작업자는 각 파이프를 배치하고 FBG 센서의 설치 및 광융착 작업만을 실시하기만 하면 파이프라인 시스템 구축을 완료할 수 있다.
즉, 종래와 달리 케이블 내지 도선의 포설 및 설치를 위한 별도의 작업이 필요없어, 그 시공이 매우 용이하며 비용이 절감되는 이점이 있다.
또한, 종래 분포형 센서의 경우에는 모든 분기 파이프에 광섬유 케이블을 루프식으로 설치하여야 하나, 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 한 가닥의 광케이블을 통해 센싱을 수행하도록 구성함으로써 파이프라인 분기 지점에서 광학 커플러를 사용하여 1:n 으로 손쉽게 분기할 수 있는 장점이 있다. 여기서 n은 분기되는 파이프의 갯수를 의미한다.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 파손탐지용 파이프라인 시스템을 광섬유 케이블을 중심으로 도시한 시스템도이다. 도 6에 제시된 파손탐지용 파이프라인 시스템은 네 개의 센싱구간(A,B,C,D)으로 나뉘어져 있음을 보여주며, 각 센싱구간은 3개의 개별 파이프에 각각 구비된 센싱용 광케이블(100,101,102/110,111,112)이 연결 접속되어 하나의 센싱구간을 형성하고 있고, 하나의 센싱구간을 형성하는 한 줄의 센싱용 광케이블(100,101,102)에는 4개의 FBG 센서가 일정 간격으로 부착되어 있음을 도시한다. 물론 각 센싱구간에 설치된 광케이블(100,101,102/200,201,202)은 파이프에 매설 구비되는 것이나 도 6에서는 파이프는 생략 도시하였다.
또한, 각 센싱구간(예: B)을 형성하는 센싱용 광케이블(예: 110,111,112)은 통신용 광케이블에 각각 연결되어 고유 통신채널(예: ch-2)을 소유하며 광학 스위치로 집결되어 있어 있음을 알 수 있다.
또한, 도시하지는 않았으나, 특정 센싱구간 내지 파이프라인을 두 개 이상으로 분기하고자 할 경우에는 분기 지점에 광학 커플러를 사용하여 1:n으로 광케이블을 분기시킬 수 있다.
예컨데, 작업자가 광학 스위치(310)를 조작하여 통신채널 "ch-2"를 선택하였다면, 상기 통신채널 "ch-2"에 해당하는 센싱구간(B)에 구비된 센싱용 광케이블과 FBG 센서에 의한 측정 결과가 계측장치(300)로 전송되고, 상기 계측장치(300)로 전송된 측정결과는 디스플레이장치(320)에 출력된다.
즉, 작업자는 광학 스위치를 통해 다수 개의 통신채널을 차례로 선택해가며 파이프라인의 각 구간 별(A,B,C,D)로 모니터링 해나갈 수 있게 된다. 또한, 도 6 에서는 광학 커플러, 계측장치 및 디스플레이장치가 상호 분리된 것처럼 도시되었으나, 상기 광학 커플러와 디스플레이장치는 하나의 계측장치 내에 모두 포함되도록 구성할 수 있음은 물론이다.
도 7은 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템을 이용하여 파손이 발생된 파이프를 검출하는 방식을 설명하는 설명도로서, 도 5에 제시된 A센싱구간의 파이프"11"에 파손(80)이 발생하였고, 작업자는 광학 스위치(310)를 조작하여 A센싱구간에 해당하는 ch-1 을 선택하고 있음을 가정하고 있다.
파이프(11)의 특정 영역에 외력이 가해지거나 외부침입이 발생하여 누수가 야기될 정도의 파손(80)이 발생된다면, 상기 파손이 발생된 영역(80)에 부착된 센싱용 광케이블(101) 역시 상기 외력에 의한 손상이 발생되고 이에 따라 특정 지점 상에 단선 내지 단락(이하, 단선으로 통칭한다.)이 유발될 것이다.
따라서, 본 발명의 계측장치(300)는 단선이 발생된 지점(80)을 기준으로 상기 계측장치(300)와 상기 단선 발생 지점(80) 사이에 설치된 FBG 센서들(50,51)로부터는 데이터신호를 입력받게되나 상기 단선 발생 지점(80) 이후에 설치된 FBG 센서들(52,53)로부터는 데이터신호를 전송받지 못하게 된다.
그 결과, 계측장치(300)로부터 측정결과를 전송받은 모니터링 장치(320)는 도 7과 같이 "50,51"에 해당하는 결과만을 출력하게 되고, 이를 통해 작업자는 적어도 "51"FBG센서가 부착된 지점과 "52"FBG센서가 부착된 지점 사이에 파이프 파손에 의한 단선이 발생했음을 파악할 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 파이프의 파손발생시 이에 연계하여 야기되는 "센싱용 광케이블 단선"과 "신호전송에 실패한 FBG센서의 부착 위치 정보"를 이용하여, 파이프 파손발생을 감지하고 더 나아가 파손이 발생된 파이프의 구체적 위치를 찾아낼 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 광케이블 자체도 센서 역할을 수행할 수 있도록 구성하고, 상기 센서 역할을 수행하는 광케이블과 이에 연결된 FBG 센서 그리고 다수 개의 통신채널을 부여하는 통신용 광케이블을 유기적으로 결합 구성함으로써, 대상의 국부적 영역 즉 점단위 센싱에만 국한되었던 종래 FBG센서가 면단위 센싱까지 수행할 수 있도록 그 기능을 확장시킬 수 있게 되었다.
본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 파이프에 구비되는 다수 개의 FBG센서를 최대한 조밀하게 부착할 수록 그 파손발생 위치를 정밀하게 파악할 수 있으나, 이는 시공비용을 증대시키는 문제점이 발생한다. 따라서, 최소한의 FBG 센서를 사용하면서도 파손발생 위치를 충분히 검출할 수 있는 간격으로 상기 FBG 센서가 부착되도록 구성하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 바, 도 8에 도시된 바와 같이, FBG 센서(50,51,52)는 적어도 점검구(1,2,3)가 설치된 수직 하부영역에 위치할 수 있도록 구성하면 다음과 같은 방법을 통해 파손발생 위치를 충분히 파악할 수 있게 된다.
즉, 각 점검구의 수직하부 영역에 부착되어 있는 FBG 센서(50,51)를 통해 점 검구-1과 점검구-2 사이에 파손(80)이 발생되었음을 감지할 수 있게 되고, 상기 파손이 발생된 지점을 사이에 끼고 있는 점검구-1로 포터블(Portable) OTDR 장비를 들고가서, 상기 OTDR에 의해 정확한 위치를 파악할 수 있다.
또는, FBG 계측장치가 위치한 집하장 또는 상황실에 OTDR을 병행설치하고, 파이프라인 분기점에는 온/오프(On/Off) 스위치를 설치함으로써, 파이프 라인 상의 정확한 파손위치의 파악이 가능하다.
상기 온/오프(On/Off) 스위치는 파이프라인 분기점에서 분기되는 케이블을 제어하여, 검색 대상에 해당하는 특정 파이프로 향하는 케이블을 선택하기 위한 역할을 수행한다.
즉, 파이프라인의 길이방향을 따라 감겨있는 센싱용 광케이블과 상기 센싱용 광케이블 상에 구비되는 다수 개의 FBG 센서를 이용하여 파손이 발생된 대략적인 위치 범위를 파악하고, 파악된 상기 범위에서 OTDR 장비를 이용하여 검색을 실시함으로써 정확한 파손 위치를 손쉽고 신속하게 찾아 낼 수 있게 된다.
도 9는 FBG 진동센서가 추가로 구비된 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템의 또 다른 실시예이다.
본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 센싱수단으로 광섬유케이블을 채용하고 있기 때문에, 필요에 따라서 FBG 진동센서, FBG 압력센서를 추가적으로 설치하기만 하면 관로의 막힘이나 누기, 누수 등의 영향을 측정할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 파이프를 감고있는 센싱용 광케이블에 FBG 진동센 서(70,71,73)를 추가적으로 삽입 연결하면, 특정 FBG 진동센서(73)가 위치한 지점에서 검출되는 진동이 기준치를 초과할 경우 상기 지점에 막힘(5)이 발생하였음을 탐지할 수 있게 된다.
FBG 진동센서는 반드시 동일한 간격으로 설치할 필요는 없으며 파이프가 분기되는 곳, 또는 굴곡이 발생하는 곳 등에 집중 설치하는 등의 다양한 방법으로 설치가 가능하다.
도 10은 FBG 압력 센서가 구비된 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템의 또 다른 실시예이다.
도 9에서 설명 및 도시한 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템은 한 가닥의 센싱용 광케이블(100)에 FBG 변형률 센서를 구비하여 파이프의 파손 및 변형을 탐지하고, 추가로 FBG 진동센서를 설치하여 파이프의 막힘까지 측정할 수 있도록 구성하였다.
그러나 도 10(a)에 도시된 바와 같이, 파이프를 천공한 후 FBG 압력센서를 설치할 경우, 파이프의 파손 및 막힘을 측정할 수 있다.
즉, 본 발명의 센싱용 광케이블 상에 FBG 변형률 센서 내지 진동센서가 아닌 FBG 압력센서를 설치하게 되면, 전술한 "센싱용 광케이블 단선" 현상을 이용하여 파이프의 파손 발생을 감지할 수 있고, 또한 파이프 막힘(예: 점검구-2와 점검구-3 사이)에 발생되면 흡입력의 차이가 발생되어 막힘구간을 정량적으로 파악할 수 있게 된다.
만약, 파이프의 파손, 막힘 이외에 파이프 변형까지 측정하고자 할 경우에는, 도 10(b)에 도시된 바와 같이 중심파장이 서로 다른 FBG 변형률 센서와 FBG 압력센서를 동시에 설치한다면 파이프의 파손, 막힘은 물론 변형까지 측정할 수 있게 된다.
도 11은 본 발명의 파손탐지용 파이프라인의 외면에 장착된 FBG 압력센서를 도시한 설치예이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 파손탐지용 파이프라인에 설치되는 FBG 압력센서는 기본적으로, 내부가 비어 있는 케이스(500)에 FBG 광섬유센서가 부착된 캔틸레버를 포함하도록 구성되어 있다.
상기 케이스(500)는 전면(全面)이 외부로부터 폐쇄되는 박스형 부재로 구성하되, 일면에는 내부 중공볼트(510)가 그 두께부를 관통하며 결합 고정되어 있다. 따라서, 외부 공기는 상기 내부 중공볼트(510)를 통해 상기 케이스(500) 내부로 출입할 수 있게 된다.
상기 중공볼트(510)의 외측 둘레면에는 나사산이 형성되어 있어, 파이프(10) 외부에 원형으로 천공 후 나사 탭을 내고, 상기 중공볼트(510)를 삽입 체결함으로써 본 발명의 FBG 압력센서를 파이프 외부면에 설치 고정할 수 있다.
상기와 같은 설치 구조를 통해, 파이프 내부에 흐르는 유체(예컨데, 물, 공기, 가스, 기름)의 막힘 등에 의한 압력 변화는 중공볼트(510)의 내부를 통해 상기 케이스(500)에 구비된 캔틸레버로 전달될 수 있게 된다.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도이다.
도 12를 참조하면, 케이스(500) 내부에는 FBG 광섬유센서(521)가 부착된 캔틸레버(520)가 구비된다. 상기 캔틸레버(520)의 일단부는 케이스(500)의 내벽면에 고정되고, 타단부에는 판형상의 압력전달판(523)이 형성되어 있다. 상기 압력전달판(523)은 중공볼트(510)를 통해 유입되는 유체압력이 상기 압력전달판(523)에 그대로 전해져 상기 캔틸레버(520)의 벤딩을 유발시키기 위한 수단에 해당한다. 따라서, 상기 압력전달판(523)은 상기 중공볼트(510)의 수직 상부 영역에 위치할 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
즉, 파이프(10) 내부의 막힘으로 인한 유압 또는 공기압 증가에 따른 압력 변화는 상기 압력전달판(523)을 통해 캔틸레버(520)의 벤딩을 유발하고, 이는 캔틸레버(520) 표면에 부착된 FBG 광섬유센서(521)에 의하여, 변형률로 측정이 가능하다.
상기 FBG 광섬유센서(521)를 통해 측정된 변형률은 "변형률-벤딩-압력" 상호작용의 선형적인 관계식에 의해 상기 압력전달판에 작용된 압력을 측정할 수 있고, 이를 통해 파이프 내부에 발생한 막힘 정도를 파악할 수 있게 된다.
도 13a는 본 발명의 제2실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도이고 도 13b는 본 발명의 제2실시예에 따른 FBG 압력센서의 작동예이다.
도 13a를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 FBG 압력센서는 제1실시예의 FBG 압력센서와 마찬가지로 FBG 광섬유센서(521)가 부착된 캔틸레버(520)가 케이스(500) 내부에 구비되고, 상기 캔틸레버(520)의 일단은 케이스(500)의 내벽면에 고정되도록 구성하되, 상기 캔틸레버(520)의 벤딩을 유발하는 수단으로서 압력전달 판이 아닌 "ㄱ" 형상의 막대 피스톤(533)으로 구성하였다.
본 발명의 케이스(500)에 구비된 중공볼트(510)의 내부에는 외부 압력에 따른 수직왕복운동이 가능하도록 구성된 고무 재질의 바킹(530)이 삽입 배치되어 있고, 상기 바킹(530)의 수직 상부 영역에는 상기 고무 바킹(530)에 탄성력을 부여하기 위한 스프링(531)이 구비되어 케이스(500) 내부의 상면에 닿아 있으며, 상기 막대 피스톤(533)의 일단은 상기 바킹(530)에 결합 고정되어 있고 타단은 상기 캔틸레버(520) 일단부의 밑면에 닿아 지지하도록 배치된다.
또한, 상기 바킹(530)은 파이프 내부 압력 변화와 상기 스프링(531)의 탄성작용에 의해 상기 중공볼트(510) 내부에서 수직 왕복운동을 수행할 수 있도록 구성된다.
상기와 같은 구성을 통해, 파이프 내부의 막힘으로 인한 유압 또는 공기압 증가에 따른 압력 증가는 상기 바킹(530)의 수직 상승 운동을 유발하고, 이는 도 13b에 도시된 바와 같이 막대 피스톤(533)의 상승 동작을 유도하게 된다.
이에 따라, 캔틸레버(520) 일단부의 밑면에 닿아 있는 막대 피스톤(533)의 상승 동작으로 인해 상기 캔틸레버(520)의 벤딩을 유발하고, 이는 캔틸레버 표면에 부착된 FBG 광섬유센서(521)에 의하여, 변형률로 측정이 가능하다.
상기 FBG 광섬유센서(521)를 통해 측정된 변형률은 "변형률-벤딩-압력" 상호작용의 선형적인 관계식에 의해 상기 막대 피스톤에 작용된 압력을 측정할 수 있고, 이를 통해 파이프 내부에 발생한 막힘 정도를 파악할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 막대 피스톤(533)이 압력에 반응하는 정도는 바킹(530)과 연결된 스프링의 강성 정도의 선택을 통해 달성 가능하다.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도이다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 FBG 압력센서는 FBG 광섬유센서가 부착된 캔틸레버 대신, 원형 또는 사각형상의 얇은 판형 부재(이하, 압력전달기판: 540)상에 FBG 광섬유센서(541)를 부착하고, 상기 압력전달기판(540)이 사각형상일 경우 적어도 양측 모서리는 케이스(500)의 내벽면에 부착 고정되며, 상기 기판이 원형일 경우 그 원주 둘레는 케이스(500)의 내벽면에 부착 고정된다.
상기 압력전달기판(540)은 외력이 가해질 경우 쉽게 휘어질 수 있으면서도, 외력이 제거되면 평평한 상태로 복원하여 평면의 형태를 유지할 수 있는 두께와 재질로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 압력전달기판(540)의 중심부 하면에는 일자형 막대 피스톤(543)의 일단이 접촉 배치되고, 중공볼트(510)의 내부에는 고무 재질의 바킹(530)이 삽입 배치되며, 상기 일자형 막대 피스톤(543)의 일단은 상기 바킹(530)에 결합 고정되어 있다.
상기와 같은 구성에 의한 FBG 압력센서의 동작을 살펴보면, 파이프 내부의 막힘으로 인한 유압 또는 공기압 증가에 따른 압력 증가는 상기 바킹(530)의 수직 상승 운동을 유발하고, 이는 일자형 막대 피스톤(543)의 상승 동작을 유도하게 된다.
이에 따라, 압력전달기판(540)의 밑면에 접촉하고 있는 일자형 막대 피스톤(543)의 상승 동작으로 인해 상기 압력전달기판(540)의 변형을 유발하고, 이는 압력전달기판(540)의 상면에 부착된 FBG 광섬유센서(541)에 의하여, 변형률로 측정이 가능하다.
상기 FBG 광섬유센서(541)를 통해 측정된 변형률은 "변형률-벤딩-압력" 상호작용의 선형적인 관계식에 의해 상기 압력전달기판에 작용된 압력을 측정할 수 있고, 이를 통해 파이프 내부에 발생한 막힘 정도를 파악할 수 있게 된다.
또한, 상술한 판형상의 압력전달기판 대신, I-빔 형상의 일자형 들보(Beam)로 구성하여 상기 들보의 양단부는 케이스(500)의 내벽면에 고정되도록 하고, 상기 들보의 상측에 FBG 광섬유센서를 부착하고 하측 중심부는 일자형 막대 피스톤이 받치고 있도록 구성할 수도 있음은 물론이다.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 FBG 압력센서는 제3실시예와 마찬가지로, 중공볼트(510)의 내부에는 고무 재질의 바킹(530)이 삽입 배치되어 외부 압력에 따른 수직 왕복 운동 가능하도록 구성되고, 상기 바킹(530)의 상측부에는 일자형 막대 피스톤(553)이 결합 고정되도록 구성되어 있다.
다만, 상기 일자형 막대 피스톤의 상부에 압력전달기판이 구비되는 제3실시예와는 달리 본 발명의 제4실시예에 따른 FBG 압력센서는 FBG 광섬유센서(551)가 부착된 판형 스프링(550)이 구비되어 있다.
구체적으로 살펴보면, 본 발명의 판형 스프링(550)은 강철 와이어를 나선형으로 감아 형성한 코일 스프링과는 달리, 길다란 판형 부재를 좌우 방향으로 번갈아 가며 반복적으로 접철하여 제작함으로써 탄성복원력을 부여한 스프링을 지칭한 다.
본 발명의 판형 스프링(550)의 일단부에 해당하는 바닥면은 상기 일자형 막대 피스톤(553)의 일단부와 접촉하도록 배치되고, 상기 판형 스프링(550)의 타단부에 해당하는 최상면은 FBG 압력센서 케이스(500)의 상측 내벽면에 부착 고정된다.
또한, FBG 광섬유센서(551)는 상기 판형 스프링(550)의 장축 길이방향을 따라 측면에 부착되어 진다.
상기와 같은 구성에 의한 FBG 압력센서의 동작을 살펴보면, 파이프 내부의 막힘으로 인한 유압 또는 공기압에 따른 압력 변화는 상기 바킹(530)의 수직 상승/하강 운동을 유발하고, 이는 일자형 막대 피스톤(553)의 상승/하강 동작을 유도하게 된다.
이에 따라, 판형 스프링(550)의 바닥면에 접촉하고 있는 일자형 막대 피스톤(553)의 운동으로 인해 상기 판형 스프링(550)의 압축-인장을 유발하고, 이는 판형 스프링(550)의 측면에 부착된 FBG 광섬유센서(551)에 변형률로 작용한다.
상기 FBG 광섬유센서(551)를 통해 측정된 변형률은 "변형률-벤딩-압력" 상호작용의 선형적인 관계식에 의해 상기 판형 스프링에 작용된 압력을 측정할 수 있고, 이를 통해 파이프 내부에 발생한 막힘 정도를 파악할 수 있게 된다.
상기에서 본 발명의 특정한 실시예가 설명 및 도시되었지만, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당업자에 의하여 다양하게 변형되어 실시될 가능성이 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명에 첨부된 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템은 간단하고 저렴한 시스템 구축 비용으로 파이프의 파손 및 누수는 물론 부등침하에 의한 변형까지 파악할 수 있고, 측정가능 거리를 수십km 까지 확보할 수 있으며, 센싱용 케이블과 통신용 케이블이 각 파이프에 일체로 구비되어 있기 때문에, 작업자는 각 파이프를 배치하고 FBG 센서의 설치 및 광융착 작업만을 실시하기만 하면 파이프라인 시스템 구축을 손쉽게 완료할 수 있어 그 산업상 이용가능성이 매우 높다.
도 1a는 종래 한 쌍의 도선을 이용한 파이프 파손탐지 시스템 예.
도 1b는 종래 분포형 OTDR 광섬유 센서 케이블의 파이프 분기지점에서의 종래 루프식 연속 광섬유 케이블 설치 예.
도 2는 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템을 구성하는 개별 파이프의 구성을 개략적으로 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 단면도로서, 본 발명의 파이프 외부면에 설치된 센싱용 케이블과 통신용 케이블의 포설구조를 나타낸 일 실시예.
도 4는 도 3의 "A" 부분 상세도.
도 5는 도 2의 파손탐지용 파이프를 다수 개 연결하여 구성한 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템 설치예.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예의 파손탐지용 파이프라인 시스템을 광섬유 케이블을 중심으로 도시한 시스템도.
도 7은 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템을 이용하여 파손이 발생된 파이프를 검출하는 방식을 설명하는 설명도.
도 8은 본 발명에 따른 파손탐지용 파이프라인 시스템의 현장 설치 예.
도 9는 FBG 진동센서가 추가로 구비된 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템의 또 다른 실시예.
도 10 (a) 및 (b)는 FBG 압력 센서가 구비된 본 발명의 파손탐지용 파이프라인 시스템의 또 다른 실시예
도 11은 본 발명의 파손탐지용 파이프라인의 외면에 장착된 FBG 압력센서를 도시한 설치예.
도 12는 본 발명의 제1실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도.
도 13a는 본 발명의 제2실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도.
도 13b는 본 발명의 제2실시예에 따른 FBG 압력센서의 작동예.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도.
도 15는 본 발명의 제4실시예에 따른 FBG 압력센서의 세부 구성도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
10 : 파이프 50, 51 : FBG 센서
100 : 센싱용 광케이블 200 : 통신용 광케이블
300 : 계측장치 310 : 광학 스위치
400 : 코팅층 420 : 하우징 커버
430 : 통신용 광케이블 하우징 500 : 케이스
510 : 중공볼트 520 : 캔틸레버
521,541,551 : FBG 광섬유센서 523 : 압력전달판
540 : 압력전달기판 550 : 판형 스프링
530 : 고무 바킹 533,543,553 : 막대 피스톤

Claims (21)

  1. 내부에 액체, 고체 또는 기체의 물건을 이송하는 관로로서, 다수 개의 파이프를 연속적으로 연결하여 형성되는 파이프라인;
    상기 파이프라인의 길이방향을 따라 그 외면에 감겨지는 센싱용 광케이블;
    상기 파이프라인에 상호 간에 이격 부착되고, 상기 센싱용 광케이블 상에 구비되는 다수 개의 FBG 센서;
    상기 파이프라인을 따라 다수 개 구비되고, 상기 파이프라인의 소정 위치마다 각각 하나씩 상기 센싱용 광케이블에 연결되어 다수 개의 통신채널을 형성하는 통신용 광케이블들;
    상기 다수 개의 통신채널 중 어느 하나를 선택하는 광학 스위치; 및
    상기 FBG 센서로부터 전송되는 센서신호를 이용해 파이프 파손을 검출하는 계측장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계측장치는 상기 파이프라인의 특정위치에 파손발생시 야기되는 상기 센싱용 광케이블의 단선과, 상기 단선으로 인해 신호전송에 실패한 FBG센서의 부착 위치 정보를 이용하여 파손발생 및 파손위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 FBG 센서는 FBG 변형률 센서이고,
    상기 계측장치는 상기 변형률 센서로부터 입력받는 변형률 센서값을 이용하여 파이프의 변형 발생도 검출하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 파이프라인은 상호 연결된 제1파이프와 제2파이프를 포함하고,
    상기 제1파이프에 감겨진 제1센싱용 광케이블의 일단은 상기 제2파이프에 감겨진 제2센싱용 광케이블의 일단과 광융착 접속되고,
    상기 제1파이프에 구비된 다수 개의 제1통신용 광케이블은 상기 제2파이프에 구비된 다수 개의 제2통신용 광케이블과 각각 광융착 접속됨으로써 하나의 센싱구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 파이프라인은 상호 연결된 제3파이프와 제4파이프를 더 포함하고,
    상기 제3파이프에 감겨진 제3센싱용 광케이블의 일단은 상기 제2파이프에 구 비된 다수 개의 제2통신용 광케이블 중에서 선택된 어느 하나와 광융착 접속되고,타단은 상기 제4파이프에 감겨진 제4센싱용 광케이블과 광융착 접속되며,
    상기 제3센싱용 광케이블과 접속되지 않은 나머지 제2통신용 광케이블은 상기 제3파이프에 구비된 다수 개의 제3통신용 광케이블의 일단과 각각 광융착 접속되고, 상기 다수 개의 제3통신용 광케이블의 타단은 상기 제4파이프에 구비된 다수 개의 제4통신용 광케이블과 각각 광융착 접속됨으로써 또 다른 하나의 센싱구간을 형성하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    이웃하는 파이프 사이에 구비된 센싱용 광케이블 및 통신용 광케이블을 분기하기 위한 광학 커플러가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 센싱용 광케이블은 상기 파이프라인의 외면 곡률을 따라 나선 형태로 감겨져 있는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 FBG 센서가 부착된 지점의 상부 영역에는 각각 점검구가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 센싱용 광케이블 상에는 FBG 진동센서가 더 구비되고,
    상기 계측장치는 상기 FBG 진동센서로부터 입력받는 진동센서값을 이용하여 상기 파이프라인에 막힘이 발생하였는지 여부를 검출하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  10. 제 2항에 있어서,
    상기 FBG 센서는 FBG 압력센서이고,
    상기 계측장치는 상기 압력센서로부터 입력받는 압력센서값을 이용하여 파이프의 누수 및 막힘 발생도 검출하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 FBG 압력센서는
    내부가 비어 있는 박스형 부재로서, 일면에 내부 중공볼트가 그 두께부를 관통하며 결합되어 있는 케이스;
    일면 상에 FBG 광섬유센서가 부착되고, 일단부는 상기 케이스의 내벽면 고정되는 캔틸레버; 및
    상기 캔틸레버의 타단부에 구비되며, 상기 중공볼트의 수직 상부 영역에 위치하는 판형상의 압력전달판을 포함하도록 구성되고,
    상기 중공볼트는 파이프의 두께부를 관통하며 삽입 고정되어 파이프 내부와 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 FBG 압력센서는
    내부가 비어 있는 박스형 부재로서, 일면에 내부 중공볼트가 그 두께부를 관통하며 결합되어 있는 케이스;
    일면 상에 FBG 광섬유센서가 부착되고, 일단부는 상기 케이스의 내벽면 고정되는 캔틸레버;
    상기 중공볼트 내부에서 수직왕복운동 가능하도록 삽입 배치되는 고무 바킹; 및
    일단은 상기 고무 바킹에 결합 고정되고, 타단은 상기 캔틸레버의 단부를 지 지하고 있는 막대 형상의 피스톤을 포함하도록 구성되고,
    상기 중공볼트는 파이프의 두께부를 관통하며 삽입 고정되어 파이프 내부와 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 고무 바킹의 수직 상부 영역에 배치되어, 상기 고무 바킹에 탄성력을 부여하는 스프링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  14. 제 10항에 있어서,
    상기 FBG 압력센서는
    내부가 비어 있는 박스형 부재로서, 일면에 내부 중공볼트가 그 두께부를 관통하며 결합되어 있는 케이스;
    상기 중공볼트 내부에서 수직왕복운동 가능하도록 삽입 배치되는 고무 바킹;
    일면 상에 FBG 광섬유센서가 부착되어 있는 판형 부재로서, 적어도 그 둘레의 일정 부분이 상기 케이스의 내벽면에 부착됨으로써 상기 케이스 내부에 고정되어지는 압력전달기판; 및
    일단은 상기 고무 바킹에 결합 고정되고, 타단은 상기 압력전달기판의 하면 을 지지하고 있는 막대 형상의 피스톤을 포함하도록 구성되고,
    상기 중공볼트는 파이프의 두께부를 관통하며 삽입 고정되어 파이프 내부와 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  15. 제 10항에 있어서,
    상기 FBG 압력센서는
    내부가 비어 있는 박스형 부재로서, 일면에 내부 중공볼트가 그 두께부를 관통하며 결합되어 있는 케이스;
    상기 중공볼트 내부에서 수직왕복운동 가능하도록 삽입 배치되는 고무 바킹;
    상기 중공볼트의 수직 상부 영역에 배치되고, 길다란 판형 부재를 좌우 방향으로 번갈아 가며 반복적으로 접철함으로써 탄성력을 갖도록 구성한 판형 스프링;
    상기 판형 스프링의 장축 길이방향을 따라 측면에 부착되는 FBG 광섬유센서; 및
    일단은 상기 고무 바킹에 결합 고정되고, 타단은 상기 판형 스프링의 바닥면을 지지하고 있는 막대 형상의 피스톤을 포함하도록 구성되고,
    상기 중공볼트는 파이프의 두께부를 관통하며 삽입 고정되어 파이프 내부와 연결되도록 구성됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 파손탐지용 파이프라인 시스템은
    상기 FBG 센서가 부착된 지점의 상부 영역에는 각각 구비된 점검구; 및
    상기 계측장치로부터 검출된 파이프 파손 영역의 구체적 위치를 검색하기 위한 OTDR 장비를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 OTDR 장비는 상기 계측장치와 함께 설치되고, 상기 파이프 라인의 분기점에는 온/오프(On/Off) 스위치를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프라인 시스템.
  18. 다수 개가 연속적으로 연결되어 내부에 액체, 고체 또는 기체의 물건을 이송하는 파이프라인을 구성하는 파이프;
    상기 파이프의 길이방향으로 그 외면 곡률을 따라 감겨져 파손탐지 기능을 수행하는 하나의 센싱용 광케이블;
    상기 파이프에 부착되고, 상기 센싱용 광케이블 상에 구비되는 FBG 센서;
    상기 파이프의 길이방향을 따라 상기 파이프에 일체로 구비되어 다수 개의 통신채널을 제공하는 복수의 통신용 광케이블을 포함하는 것을 특징으로 하는 파손 탐지용 파이프.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 센싱용 광케이블은 에폭시를 포함하는 고착재를 도포하여 상기 파이프 외부면에 부착 고정됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 파이프의 외부면은 폴리에틸렌 코팅층이 형성되어 있고,
    상기 센싱용 광케이블은 상기 폴리에틸렌 코팅층 내부에 함침 고정됨을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프.
  21. 제 18항에 있어서,
    내부에 상기 통신용 광케이블이 수납되는 수납부를 갖고, 상기 파이프의 외면에 길이방향으로 길게 부착되는 통신용 광케이블 하우징; 및
    상기 통신용 광케이블 하우징에 결합되어 수납부를 밀봉하는 하우징 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 파손탐지용 파이프.
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