KR20130064403A - 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법 - Google Patents

매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법 Download PDF

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박진호
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한국원자력연구원
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법은, 탐촉자에 의해 누설 진동파 신호를 획득하는, 신호 획득 단계; 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호로 변환한 후 배관 주변의 회전체들에 의해 발생 가능한 잡음 성분을 제거함으로써 보정 누설 진동파 신호를 생성하는, 잡음 제거 단계;및 보정 누설 진동파 신호를 다시 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호로 변환하는, 재변환 단계;를 포함하며, 재변환 단계 후 상호상관함수기법(Cross-Correlation Function Method)을 통해 배관의 누설 위치를 추정할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 가령 배관에서의 누설 위치를 추정 시에 주변 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에 기인한 주기적인 잡음 성분 제거함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있다.

Description

매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법{A Method for Reducing Mechanical Noise of Cross-Correlation Method for Leak Detection of a Buried Pipe}
매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법이 개시된다. 보다 상세하게는, 배관에서의 누설 위치를 추정 시에 배관 주변의 회전체 기계 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에서 기인한 주기적인 잡음 성분을 제거함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법이 개시된다.
최근 들어, 발전소 및 플랜트의 장기간 운전에 따라, 초기 건설 시 지하에 매설된 소화수관, 용수관 및 외부로부터 유입된 송유관 등에서 장기간의 부식으로 인한 누설이 발생하고 있으며, 이에 경제적인 손실 및 환경 오염 문제가 유발되고 있다.
실제, 미국 전력연구원(Electric Power Research Institute)은 매설배관의 관리문제와 관련된 의제를 도출한 바 있으며, 매설배관 건전성 그룹을 만들고 누설을 평가하는 기술 개발에 대한 지원을 계획 중에 있다.
또한, 현재 국내 연구소 및 대학에서도 매설배관의 누설을 탐지하기 위한 기법을 연구하고 있으나 아직 상용화 단계까지는 연구개발이 수행되지 못하였으며, 주로 상호상관함수(Cross-Correlation Function) 기법을 이용한 외산 장비가 주로 상수도 매설배관의 누설 탐지에 활용되고 있는 실정이다.
그러나 발전소와 같이 매설배관 주변에 진동 및 소음을 발생시키는 기기들이 장착되어 있는 경우 주변 잡음이 상호상관함수에 의한 누설 탐지의 분석 결과에 영향을 끼칠 수 있다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 배관 누설 추정 장치가 배관에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a 내지 도 2c는 잡음의 정도에 따른 상호상관함수를 도시한 그래프들이다.
도 1을 참조하면, 종래의 일 실시예에 따른 배관 누설 추정 장치의 경우, 누설이 추정되는 배관(1)의 양단에 설치되는 한 쌍의 탐촉자(10, 20)를 포함할 수 있으며, 이러한 탐촉자(10, 20)를 이용하여 누설 위치(P)로부터 양단으로 전파되는 누설 진동파 신호(s1(t), s2(t))를 계측한 후 상호상관함수를 분석하여 누설 위치(P)를 추정할 수 있다.
도 1에서 d1 및 d2는
Figure pat00001
,
Figure pat00002
로 정의될 수 있고, τd는 배관(1) 양단 탐촉자(10, 20) 위치에서의 누설 진동파 신호(s1(t), s2(t))의 도달 시간차(t1-t2)를 나타내며, c는 누설에 의해 발생한 누설 진동파 신호(s1(t), s2(t))의 배관에서의 전파속도를 나타낸다. 이 때, 상호상관함수는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
......식
여기서, 누설이 발생되는 경우 배관(1)의 누설 위치(P)에서 발생하는 누설 진동파 신호(s1(t), s2(t))는 배관(1)의 양단으로 전파되며, 상호상관함수기법을 통해 배관(1)의 양단에 설치되는 탐촉자(10, 20)에 도달하는 누설 진동파 신호(s1(t), s2(t))의 도달 시간차(τd : 시간 지연)가 배관(1) 양단의 탐촉자(10, 20)와 누설 위치(P)까지의 거리에 따라 달라지는 현상을 이용하여 누설을 추정할 수 있다.
그런데, 이러한 방법은 주변 소음이 작은 환경에서는 누설 위치(P)를 추정할 수 있으나, 배경 소음이 큰 경우 누설 위치(P) 추정이 어려운 한계가 있다. 예를 들면, 발전소의 경우 지하에 매설된 배관(1)의 주변에는 펌프, 전동기 냉각팬 등의 기계가 발전소의 운전 기간 동안 정지 기간 없이 연속적으로 운행되는 경우가 대부분인데, 발전소 운전 기간 중 누설 탐지를 위하여 주변에서 운전되는 기계류를 정지시키는 것은 용이하지 않다.
따라서, 발전소에서의 누설 탐지는 일반적으로 배관(1) 주변의 기계류가 운전되는 상태에서 수행될 수밖에 없는데, 종래의 방법으로는 배관(1)의 양단에 설치된 탐촉자(10, 20)에서 계측되는 신호로부터 배관의 누설에 의한 진동 성분(s1(t), s2(t))과 기계 진동 성분을 구분하기가 쉽지 않았으며, 따라서 누설 위치(P) 추정의 신뢰성이 저하될 우려가 있다.
즉, 도 2a 내지 도 2c의 그래프를 통해 알 수 있는 것처럼, 기계 잡음이 없는 경우 상호상관함수기법을 이용하여 누설 위치를 정확하게 파악할 수 있으나, 기계 잡음이 있는 경우, 즉 주변 잡음에 대한 누설 진동파 신호의 비를 나타내는 지표인 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)가 1.5인 경우 누설 위치 추정이 다소 어려워지고, 아울러 더 큰 기계 잡음이 있는 경우, 예를 들면 신호대 잡음비가 1.0인 경우 누설 위치 추정이 거의 어려워짐을 알 수 있다.
이에, 예를 들면 배관(1) 주변에 있는 회전체의 기계 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에서 기인한 주기적인 잡음 성분을 제거함으로써 누설 위치(P)를 정확하게 추정할 수 있는 새로운 방법의 개발이 요구되는 실정이다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 가령 배관에서의 누설 위치를 추정 시에 주변 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에 기인한 주기적인 잡음 성분을 제거함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 상호스펙트럼의 위상 정보를 이용하여 시간 지연을 추정함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법은, 배관의 외주면에 배치된 탐촉자를 이용하여 검출된 누설 진동파 신호로부터 배관의 누설을 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법으로서, 상기 탐촉자에 의해 상기 누설 진동파 신호를 획득하는, 신호 획득 단계; 상기 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호로 변환한 후 상기 배관 주변의 회전체들에 의해 발생 가능한 잡음 성분을 제거함으로써 보정 누설 진동파 신호를 생성하는, 잡음 제거 단계; 및 상기 보정 누설 진동파 신호를 다시 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호로 변환하는, 재변환 단계;를 포함하며, 상기 재변환 단계 후 상호상관함수기법(Cross-Correlation Function Method)을 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정함으로써, 가령 배관에서의 누설 위치를 추정 시에 주변 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에 기인한 주기적인 잡음 성분을 제거함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있다.
여기서, 상기 탐촉자는 한 쌍 마련되어 상기 배관의 누설 위치의 양측에서 착탈 가능하게 장착되며, 상기 재변환 단계 시 시간 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호를 통해 상호상관함수를 구함으로써 시간 지연을 구하며, 측정된 상기 시간 지연은 다음의 식에 대입됨으로써 상기 배관의 누설 위치를 추정할 수 있다.
Figure pat00004
......식
Figure pat00005
,
Figure pat00006
......식
(여기서, d1은 누설 위치로부터 하나의 탐촉자와의 거리, d2 는 누설 위치로부터 다른 하나의 탐촉자와의 거리, D는 탐촉자들 사이 거리, c는 누설 진동파의 배관에서의 전파속도임)
상기 잡음 제거 단계에서 주파수 영역에서 표현되도록 변환된 상기 누설 진동파 신호 중 미리 설정된 설정치(threshold)보다 큰 기계 잡음의 피크 성분을 제거함으로써 상기 보정 누설 진동파 신호를 생성할 수 있다.
상기 잡음 제거 단계에서, 시간 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)가 적용될 수 있다.
상기 재변환 단계에서, 주파수 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호를 시간 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호로 변환하기 위해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)가 적용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법은, 배관의 외주면에 배치된 탐촉자를 이용하여 검출된 누설 진동파 신호로부터 배관의 누설을 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법으로서, 상기 배관의 탐촉자들로부터 계측된 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호로 각각 변환한 후 변환된 누설 진동파 신호를 통해 상호스펙트럼을 구하는, 상호스펙트럼 획득 단계; 상기 상호스펙트럼을 통해 위상(phase)을 구한 후 위상의 기울기를 구하는, 위상 기울기 획득 단계; 및 상기 위상의 기울기를 통해 상기 탐촉자들로 전파되는 시간 지연을 구한 후 이러한 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터를 생성하고, 이에 대한 역푸리에변환(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행함으로써 상호상관함수를 구하고 상기 상호상관함수를 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정하는, 누설 위치 추정 단계;를 포함할 수 있으며, 상호스펙트럼의 위상 정보를 이용하여 시간 지연을 추정할 수 있다.
상기 상호스펙트럼 획득 단계 시, FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호를 구한 후 다음의 식에 의해 상기 상호스펙트럼을 획득할 수 있다.
Figure pat00007
......식
(여기서 *는 공액복소수를 나타냄)
상기 상호스펙트럼은 크기 및 위상의 곱으로 표현되며,
Figure pat00008
(여기서,
Figure pat00009
는 위상을 나타냄)
Figure pat00010
식
상기 위상 기울기 획득 단계 시, 획득된 상기 위상은 상기 누설 진동파 신호가 상기 탐촉자로 전파되는 시간 지연 정보와 주변의 회전체에 의해 발생되는 기계 잡음 성분을 나타내며, 상기 상호스펙트럼의 위상을 커브피팅(curve fitting)함으로써 상기 누설 진동파 신호가 상기 탐촉자로 전파되는 시간 지연을 구할 수 있다.
상기 누설 위치 추정 단계 시, 상기 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터(
Figure pat00011
)를 생성하고, 이에 대한 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 통해 상기 시간 지연에 대한 상호상관함수를 구하며, 상기 상호상관함수를 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가령 배관에서의 누설 위치를 추정 시에 주변 잡음이 큰 경우에도 주변 회전체에 기인한 잡음의 성분을 제거함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에 따르면, 상호스펙트럼의 위상 정보를 이용하여 시간 지연을 추정함으로써 배관의 누설 위치를 정확하게 추정할 수 있다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 배관 누설 추정 장치가 배관에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 잡음의 정도에 따른 상호상관함수를 도시한 그래프들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설 추정 장치가 배관에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 도 3의 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a는 기계 잡음 제거 전 시간 지연에 따른 상호상관함수의 변화 그래프를 도시한 그래프이고, 도 6b는 기계 잡음 제거 후 시간 지연에 따른 상호상관함수의 변화 그래프를 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8a 내지 도 8c는 도 7에 도시된 방법을 통해 상호상관함수를 구하는 과정을 표현한 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 배관 누설 추정 장치가 배관에 장착된 상태를 개략적으로 도시한 도면이며, 도 5는 도 3의 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법은, 배관(101)의 외주면에 이격되게 배치되는 한 쌍의 탐촉자(110, 120)를 이용하여 검출된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로부터 배관(101)의 누설을 추정하는 방법에 관한 것으로서, 먼저 이러한 방법이 적용되는 배관 누설 추정 장치에 대해 개략적으로 설명하기로 한다.
본 실시예의 배관 누설 추정 장치는, 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이, 추정되는 누설 위치(P)의 양측에 위치하도록 배관(101)의 외주면에 착탈 가능하게 결합되는 한 쌍의 탐촉자(110, 120)를 포함할 수 있으며, 이러한 탐촉자(110, 120)에 의해 감지된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 토대로 배관(101)의 누설을 추정할 수 있다. 여기서, 배관 누설 추정 장치는 상호상관함수(Cross-Correlation Function)를 이용하여 배관(101)의 누설을 추정할 수 있는데, 이에 대해서는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법의 설명 시 상술하기로 한다.
탐촉자(110, 120)는, 도 4에 도시된 것처럼, 추정되는 누설 위치(P)의 양측에 위치하도록 장착되어 누설 위치(P) 및 회전체(105)로부터 전파되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 감지한다. 이 때, 누설 위치(P) 파악을 위해 초음파 신호가 적용될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.
본 실시예의 배관 누설 추정 장치는, 탐촉자(110, 120)에 의해 감지된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))에 기초하여 누설 위치(P)를 추정하기 위해서, 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로부터 주변 잡음(n1(t), n2(t))에 해당하는 잡음 신호를 제거할 수 있다.
부연 설명하면, 도 4에 도시된 것처럼, 하나의 탐촉자(110)에 누설 위치(P)로부터 누설 신호(s1(t))가 도달될 수 있고, 또한 회전체(105)로부터 기계 잡음 신호(n1(t))가 도달될 수 있다. 마찬가지로 다른 하나의 탐촉자(120)에 누설 위치(P)로부터 누설 신호(s2(t))가 도달될 수 있고, 또한 회전체(105)로부터 기계 잡음 신호(n2(t))가 도달될 수 있다. 즉, 탐촉자(110, 120)들에 누설 신호(s1(t), s2(t)) 및 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))가 혼합된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))가 도달될 수 있다. 이는 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure pat00012
,
Figure pat00013
그런데, 본 실시예에서는 배관(101)에서의 누설 위치(P)를 추정 시에 주변 회전체(105)에 기인한 주기적인 잡음 성분(n1(t), n2(t))을 제거함으로써 배관(101)의 누설 위치(P)를 정확하게 추정할 수 있는 것이다.
한편, 이하에서는 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예의 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법은, 도 3 및 도 5에 도시된 것처럼, 전술한 한 쌍의 탐촉자(110, 120)에 의해 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 획득하는 신호 획득 단계(S100)와, 시간 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역에서의 신호(X1(f), X2(f))로 변환한 후 배관(101) 주변에 장착 가능한 회전체(105)들에 의해 발생되는 주변 잡음(기계 잡음 신호) 성분(n1(f), n2(f))을 제거함으로써 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 생성하는 잡음 제거 단계(S200)와, 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 다시 시간 영역에서 표현되는 신호로 변환하는 재변환 단계(S300)를 포함할 수 있다.
먼저, 본 실시예의 신호 획득 단계(S100)는, 탐촉자(110, 120)에 의해 누설 위치(P)로부터 전파되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 획득하는 단계로서, 이러한 단계에서 획득되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))는 시간 영역에서 표현될 수 있다.
그런데, 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))가 시간 영역(time domain)에서 표현되는 경우, 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))에 포함된 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))를 분리하기가 어려운 단점이 있다. 즉, 전술한 것처럼, 배관(101)의 주변에는 회전체(105)가 장착되고 이로부터 큰 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))가 발생될 수 있는데, 시간 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))의 경우 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))를 분리하기가 어려워 정확한 누설 위치(P)를 판별할 수 없게 한다.
부연 설명하면, 회전체(105)에서 발생되는 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))는 깃통과주파수(BPF, Blade Passing Frequency) 성분 및 이의 배수 성분으로 이루어진 주기적인 신호(periodic signal)이므로, 주파수 영역에서는 피크 성분들로 표현된다. 반면에 배관(101)의 누설에 의해 발생되는 누설 진동파 신호는 랜덤 신호(random signal)의 특성을 갖기 때문에 주파수 영역에서는 평탄한 주파수 성분으로 표현된다. 따라서 시간 영역에서 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로부터 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))를 분리하기가 어려운 것이다.
이를 해결하기 위해, 본 실시예의 잡음 제거 단계(S200)에서는, 시간 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역으로 변환한 후 미리 설정된 설정치(threshold)보다 큰 값을 갖는 기계 잡음 신호(n1(f), n2(f))를 주파수 영역의 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))로부터 제거할 수 있다. 다시 말해, 시간 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))로 변환한 후 변환된 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))로부터 설정된 크기 이상의 피크 성분을 제거함으로써 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 생성할 수 있는 것이다. 이러한 주파수영역에서의 기계잡음 피크 성분의 제거는 피크가 발생한 주파수대역을 선택적으로 차단시키는 주파수대역제거필터(notch filter)를 이용하여서도 구현이 가능하다. 부연 설명하면, 본 실시예의 잡음 제거 단계(S200)에서 시간 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역의 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)가 실행되는 컴퓨터 수단(미도시)이 적용될 수 있다. 다만, 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역의 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))로 바꾸기 위한 수단이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 본 실시예의 재변환 단계(S300)는, 기계 잡음 신호(n1(f), n2(f))가 제거된 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 주파수 영역으로부터 다시 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로 재변환하는 단계로서, 이러한 재변환 단계(S300)에 의해서 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 상호상관함수에 적용할 수 있다.
이 때, 주파수 영역 표현되는 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로 변환하기 위해, IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)가 실행되는 컴퓨터 수단이 적용될 수 있다, 다만, 보정 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))를 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))로 변환하기 위한 수단이 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 재변환 단계(S300) 시 재변환된 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 통해 상호상관함수를 구함으로써 시간 지연(τd)을 구할 수 있으며, 시간 지연(τd)을 통해 배관(P)의 누설 위치(P)를 추정할 수 있다. 이 때 다음의 식이 적용된다.
Figure pat00014
……식
Figure pat00015
,
Figure pat00016
......식
여기서, d1은 누설 위치(P)로부터 하나의 탐촉자(110)와의 거리, d2 는 누설 위치(P)로부터 다른 하나의 탐촉자(120)와의 거리, D는 탐촉자(110, 120)들 사이 거리, c는 누설 진동파 신호의 배관(101)에서의 전파속도이다.
다시 말해, 기계 잡음 신호(n1(t), n2(t))가 제거된 시간 영역의 보정 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 구한 후 이를 통해 상호상관함수를 구함으로써 시간 지연(τd)을 구할 수 있고, 구한 시간 지연(τd)을 통해서 정확한 배관(101)의 누설 위치(P)를 추정할 수 있는 것이다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법에 의해 잡음 제거가 이루어진 경우 누설 위치 추정의 정확성에 대해 비교 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6a는 기계 잡음 제거 전 시간 지연에 따른 상호상관함수의 변화 그래프를 도시한 그래프이고, 도 6b는 기계 잡음 제거 후 시간 지연에 따른 상호상관함수의 변화 그래프를 도시한 그래프이다.
이들 도면에 도시된 것처럼, 잡음의 제거가 이루어지지 않는 경우(도 6a의 경우) 시간 지연(x축)에 따른 상호상관함수(y축)의 값이 누설 위치(P)를 파악하지 못할 정도로 불규칙하게 형성되나, 잡음의 제거가 이루어진 경우(도 6b의 경우) 누설 위치(P)를 정확하게 파악할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 가령 배관(101)에서의 누설 위치(P)를 추정 시에 주변 회전체(105)에 의한 잡음이 큰 경우에도 주변 잡음을 제거함으로써 배관(101)의 누설 위치(P)를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 이하에서는, 도면을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법에 대해 설명하되, 전술한 일 실시예의 방법과 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 8a 내지 도 8c는 도 7에 도시된 방법을 통해 상호상관함수를 구하는 과정을 표현한 그래프이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법은, 배관의 탐촉자(110, 120, 도 4 참조)들로부터 계측된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))를 주파수 영역에서의 신호(X1(f), X2(f))로 각각 변환한 후 변환된 신호(X1(f), X2(f))를 통해 상호스펙트럼(S12(f)), Cross-Spectrum)을 구하는, 상호스펙트럼 획득 단계와, 상호스펙트럼(S12(f))을 통해 위상(φ12(f))을 구한 후, 위상(φ12(f))의 기울기(
Figure pat00017
)를 구하는 위상 기울기 획득 단계와, 위상(φ12(f))의 기울기(
Figure pat00018
)를 통해 탐촉자(110, 120)들로 전파되는 시간 지연(τd)을 구한 후, 이러한 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터(
Figure pat00019
)를 생성하고, 이에 대한 역푸리에변환(Inverse FFT)을 수행하여 시간 영역에서의 상호상관함수를 구하고, 상호상관함수를 통해 배관(101)의 누설 위치(P)를 추정하는 누설 위치 추정 단계를 포함할 수 있다.
먼저 본 실시예의 상호스펙트럼 획득 단계는, 배관(101)의 양단에 설치된 탐촉자(110, 120)들로부터 계측된 누설 진동파 신호(x1(t), x2(t))에 대해 FFT(Fast Fourier Transform)를 수행하여 주파수 영역에서 표현되는 신호(X1(f), X2(f))를 구한 후 이들의 상호스펙트럼(S12(f))을 구하는 단계이다. 이 단계에서 상호스펙트럼(S12(f))을 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00020
......식
여기서 *는 공액복소수를 나타낸다.
한편, 위상 기울기 획득 단계는, 상호스펙트럼(S12(f))은 다음의 식과 같이 크기와 위상(φ12(f))의 곱으로 표현될 수 있다.
Figure pat00021
……식
여기서,
Figure pat00022
는 위상을 나타내며, 다음 식과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00023
……식
상기 위상(φ12(f))을 표현하는 식에서 첫째 항은 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))가 배관(101) 양단의 탐촉자(110, 120)로 전파되는 시간 지연(τd)에 대한 정보(2πfτd)를 갖고 있고, 둘째 항은 기계 잡음 신호 및 주변 환경에 의해 발생되는 위상의 잡음 성분(nφ(f))을 나타낸다.
따라서, 상호스펙트럼(S12(f))의 위상(φ12(f))의 기울기(
Figure pat00024
)가 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))가 배관(101) 양단의 탐촉자(110, 120)로 전파되는 시간 지연(τd)을 나타내므로, 탐촉자(110, 120)에서 계측된 신호에 대한 상호스펙트럼(S12(f))의 위상(φ12(f))을 구한 후 커브피팅(curve fitting)을 수행함으로써 위상(φ12(f))의 기울기(
Figure pat00025
)를 구하며, 이를 통해 누설 진동파 신호(X1(f), X2(f))가 각각의 탐촉자(110, 120)로 전파되는 시간 지연(τd)을 추정할 수 있다.
또한, 본 실시예의 누설 위치 추정 단계 시, 위상(φ12(f))의 기울기(
Figure pat00026
)를 통해 탐촉자(110, 120)들로 전파되는 시간 지연(τd)을 구한 후, 이러한 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터(
Figure pat00027
)를 생성하고, 이에 대한 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 수행하면 상호상관함수를 구할 수 있으며 이를 통해 배관(101)의 누설 위치(P)를 추정할 수 있다.
도 8a 내지 도 8c를 참조하면, 실제 실험을 수행한 결과, 주변 기계 진동이 존재하는 경우 도 8a와 같은 상호상관함수 그래프가 도출되었으나, 도 8b에서처럼 기계 진동이 존재하더라도 상호스펙트럼(S12(f))의 위상(φ12(f))은 선형적으로 계측되는 것을 알 수 있으며, 이를 통해 도 8c 와 같은 상호상관함수 그래프를 얻을 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상호스펙트럼(S12(f))의 위상(φ12(f)) 정보를 이용하여 시간 지연(τd)을 추정함으로써 배관(101)의 누설 위치(P)를 정확하게 추정할 수 있는 장점이 있다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
S100 : 신호 획득 단계
S200 : 잡음 제거 단계
S300 : 재변환 단계

Claims (9)

  1. 배관의 외주면에 배치된 탐촉자를 이용하여 검출된 누설 진동파 신호로부터 배관의 누설을 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법에 있어서,
    상기 탐촉자에 의해 상기 누설 진동파 신호를 획득하는, 신호 획득 단계;
    상기 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호로 변환한 후 상기 배관 주변의 회전체들에 의해 발생 가능한 잡음 성분을 제거함으로써 보정 누설 진동파 신호를 생성하는, 잡음 제거 단계; 및
    상기 보정 누설 진동파 신호를 다시 시간 영역에서 표현되는 보정 누설 진동파 신호로 변환하는, 재변환 단계;
    를 포함하며,
    상기 재변환 단계 후 상호상관함수기법(Cross-Correlation Function Method)을 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탐촉자는 한 쌍 마련되어 상기 배관의 누설 위치의 양측에서 착탈 가능하게 장착되며,
    상기 재변환 단계 시 시간 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호를 이용하여 상호상관함수를 구함으로써 시간 지연을 구하며, 측정된 상기 시간 지연은 다음의 식에 대입됨으로써 상기 배관의 누설 위치를 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법.
    Figure pat00028

    Figure pat00029
    ,
    Figure pat00030

    (여기서, d1은 누설 위치로부터 하나의 탐촉자와의 거리, d2 는 누설 위치로부터 다른 하나의 탐촉자와의 거리, D는 탐촉자들 사이 거리, c는 누설진동파의 배관에서의 전파속도임)
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잡음 제거 단계에서 주파수 영역에서 표현되도록 변환된 상기 누설 진동파 신호 중 미리 설정된 설정치(threshold)보다 큰 기계 잡음의 피크 성분을 제거함으로써 상기 보정 누설 진동파 신호를 생성하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 잡음 제거 단계에서, 시간 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호로 변환하기 위해 FFT(Fast Fourier Transform)가 적용되는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재변환 단계에서, 주파수 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호를 시간 영역에서 표현되는 상기 보정 누설 진동파 신호로 변환하기 위해 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)가 적용되는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 기계 잡음 제거 방법.
  6. 배관의 외주면에 배치된 탐촉자를 이용하여 검출된 누설 진동파 신호로부터 배관의 누설을 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법에 있어서,
    상기 배관의 탐촉자들로부터 계측된 누설 진동파 신호를 주파수 영역에서 표현되는 누설 진동파 신호로 각각 변환한 후 변환된 누설 진동파 신호를 통해 상호스펙트럼을 구하는, 상호스펙트럼 획득 단계;
    상기 상호스펙트럼을 통해 위상을 구한 후 위상의 기울기를 구하는, 위상 기울기 획득 단계; 및
    상기 위상의 기울기를 통해 상기 탐촉자들로 전파되는 시간 지연을 구한 후 이러한 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터를 생성하고, 이에 대한 역푸리에변환(Inverse FFT)를 수행함으로써 상호상관함수를 구하고 상기 상호상관함수를 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정하는, 누설 위치 추정 단계;
    를 포함하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 상호스펙트럼 획득 단계 시, FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 영역에서 표현되는 상기 누설 진동파 신호를 구한 후 다음의 식에 의해 상기 상호스펙트럼을 획득하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법.
    Figure pat00031

    (여기서 *는 공액복소수를 나타냄)
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상호스펙트럼은 크기 및 위상의 곱으로 표현되며,
    Figure pat00032
    (여기서,
    Figure pat00033
    는 위상을 나타냄)
    Figure pat00034

    상기 위상 기울기 획득 단계 시, 획득된 상기 위상은 상기 누설 진동파 신호가 상기 탐촉자로 전파되는 시간 지연 정보와 주변의 회전체에 의해 발생되는 기계 잡음 성분을 나타내며, 상기 상호스펙트럼의 위상을 커브피팅(curve fitting)함으로써 상기 누설 진동파 신호가 상기 탐촉자로 전파되는 시간 지연을 구하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 누설 위치 추정 단계 시, 상기 상호스펙트럼의 위상을 커브피팅(curve fitting)함으로써 시간지연을 구한 후, 이러한 시간지연 정보를 이용하여 보정된 위상데이터를 생성하고, 이에 대한 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)를 통해 상호상관함수를 구하며, 상기 상호상관함수를 통해 상기 배관의 누설 위치를 추정하는 매설배관 누설 탐지용 상호상관함수기법의 정확도 향상을 위한 상호스펙트럼 위상정보를 이용한 시간지연 추정 방법.
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