KR20150071392A - 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템 - Google Patents

음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR20150071392A
KR20150071392A KR1020130158380A KR20130158380A KR20150071392A KR 20150071392 A KR20150071392 A KR 20150071392A KR 1020130158380 A KR1020130158380 A KR 1020130158380A KR 20130158380 A KR20130158380 A KR 20130158380A KR 20150071392 A KR20150071392 A KR 20150071392A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
sound
data
acoustic
pipe
piping
Prior art date
Application number
KR1020130158380A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101577733B1 (ko
Inventor
이동훈
양윤상
Original Assignee
서울과학기술대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 서울과학기술대학교 산학협력단 filed Critical 서울과학기술대학교 산학협력단
Priority to KR1020130158380A priority Critical patent/KR101577733B1/ko
Publication of KR20150071392A publication Critical patent/KR20150071392A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101577733B1 publication Critical patent/KR101577733B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/44—Processing the detected response signal, e.g. electronic circuits specially adapted therefor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00—Protection or supervision of installations
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B17/00—Measuring arrangements characterised by the use of infrasonic, sonic or ultrasonic vibrations

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 관한 것으로, 해결하고자 하는 기술적 과제는 실제의 배관 진단에 착수하기 전에 배관계에 대한 사전 정보만을 가지고 음향해석한 결과를 실제 측정 데이터와 비교하는 것에 의하여, 배관 막힘의 위치나 막힘 정도를 진단할 수 있게 하는데 있다.
이를 위해 본 발명의 일 실시예는 배관과 상기 배관에 설치된 적어도 하나의 밸브를 포함하는 배관계; 상기 배관 내부의 일측으로부터 타측방향으로 음파를 입사시키는 음파 발생기; 상기 배관 내부로 입사되고 또한 상기 배관 내부에서 반사되는 음파를 감지하는 음파 감지기; 및 상기 배관계의 사전 정보를 음향 해석 알고리즘에 대입하여 산출된 기준 음향 데이터를 미리 저장하고, 상기 음파 감지기에 의하여 감지된 음파 정보를 상기 음향 해석 알고리즘에 대입하여 측정 음향 데이터를 산출한 후, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교 분석하여 상기 배관 내부에 막힘 영역의 위치 정보 또는 막힘 정보를 산출하는 음향계를 포함하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템을 특징으로 한다.

Description

음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템{DIAGNOSIS SYSTEM FOR CHECKING A CLOGGING IN A PIPELINE USING ACOUSTIC TRANSFER MATRIX}
본 발명의 일 실시예는 배관 내의 막힘 위치나 막힘 정도를 진단할 수 있는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 관한 것이다.
배관을 이용한 유체의 수송은 다른 수송 수단에 비하여 설비투자에 소요되는 초기 비용은 크나, 수송의 효율성 때문에 화학 플랜트를 비롯한 천연가스나 정유의 운송 그리고 상하수도 등에 오래전부터 사용되고 있다. 특히 최근에는 가정용 쓰레기를 환경친화적으로 운송하기 위하여 수십 킬로미터에 이르는 배관망을 이용하여 쓰레기를 집하장까지 운송하여 처리하는 쓰레기 자동집하 시설이 건설 운영되고 있다.
쓰레기 자동집하 시설은 3단계 처리과정, 즉 투입시설, 관로시설 그리고 집하시설의 순서로 쓰레기를 처리하며, 일반쓰레기와 음식물쓰레기가 그 대상이 되고 있다. 이중에서 음식물쓰레기는 기름과 수분 및 전분 등이 다량 포함된 쓰레기로서, 쓰레기 침전물 일부가 장시간에 걸쳐 퇴적됨에 따라 배관내부가 막히게 된다. 이외에도 밸브의 오작동이나 이물질 유입에 의해서도 관 막힘(blockage)을 초래한다. 이러한 관 막힘 현상은 쓰레기 자동집하 시설외에도 송유관이나 각종 유체를 수송하는 화학 플랜트와 천연가스 배관망에서도 문제가 되며, 겨울철 급배수관에서의 얼음생성에 의한 관 막힘도 이에 해당한다. 이와 같이 설비운전중에 관이 막히게 되면 무조건 가동시설을 정지시켜야 하므로 경제적 손실은 물론이거니와 경우에 따라서는 누설이나 폭발로 인한 또 다른 중대한 문제를 일으킬 가능성이 있으므로, 관 막힘 징후를 사전에 파악하고 예방조치를 취하는 일은 시설의 운영과 유지관리 차원에서 대단히 중요하다.
관 막힘을 진단하기 위한 연구로는 단파장 전자파(short wavelength electromagnetic wave) 진단법, 밸브 급속조작에 의한 워터햄머(water hammer) 또는 충격파(shock wave) 발생으로 유발된 압력파(pressure wave) 진단법 그리고 음파(acoustic wave) 진단법을 들 수 있다.
이중에서 단파장 전자파 진단법은 비파괴 검사법으로서, 제한된 진단범위를 갖고 노출된 배관에서는 정확히 진단할 수 있으나, 매설된 배관에는 적용하기 어렵다. 압력파 진단법은 배관내를 흐르는 유체를 대상으로 수십 킬로미터 떨어져 있는 관 막힘까지 진단할 수 있으나, 밸브 또는 단면 변화가 복수개 이상인 경우 그리고 유체 운송중에는 진단할 수 없다는 문제점이 있었다. 더욱이 이 진단법은 매체가 액체인 경우 밸브 하류에서의 캐비테이션 햄머(cavitational hammer)와 상류에서의 워터햄머(water hammer)로 유발된 압력파가 배관과 지지 구조에 물리적 손상을 주게 되므로 일부에서는 사용을 금지하고 있다.
음파 진단법은 관 내부로 입사된 음파가 관 단면 변화 또는 밸브 등에 충돌하여 발생된 반사파로부터 관 막힘의 위치나 막힘 정도를 진단하는 방법이다. Koyama 등이 제안한 음파 진단법은 단면 변화와 분기관이 없는 단일관을 대상으로 관 끝단이 막혀 있고, 관 막힘이 1개소만 있는 배관 조건에서의 수학적 음향모델로부터 계산한 결과가 실험결과와 잘 일치함을 보여주었다. 그러나 Koyama 등의 진단법으로는 배관내의 유체가 정상적으로 운송되는 상태에서는 진단이 불가능하고, 관막힘이 복수 개 이상일 경우에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.
이외에도 Wang 등은 배관에 강한 임펄스를 방사시켜 배관내의 곡관(elbow)부나 관 막힘으로부터 반사되어온 반사파를 측정하여 막힘 위치를 진단하는 연구를 수행하였다. 그러나 Wang 등이 제안한 진단법은 여러 개의 곡관 또는 단면 변화가 있거나 관막힘이 있는 경우에는 막힘 위치를 정확히 판별할 수 없는 문제점이 있었다.
공개특허공보 제10-2011-0032272호 ' 누수 탐지 장치 및 방법' 등록특허공보 제10-0689151호 '음파를 이용한 배관이 퇴적상태 측정장치'
본 발명의 일 실시예는 실제의 배관 진단에 착수하기 전에 배관계에 대한 사전 정보만을 가지고 음향해석한 결과를 실제 측정 데이터와 비교하는 것에 의하여, 배관 내부의 막힘 위치나 막힘 정도를 진단할 수 있는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템은 배관과 상기 배관에 설치된 적어도 하나의 밸브를 포함하는 배관계; 상기 배관 내부의 일측으로부터 타측방향으로 음파를 입사시키는 음파 발생기; 상기 배관 내부로 입사되고 또한 상기 배관 내부에서 반사되는 음파를 감지하는 음파 감지기; 및 상기 배관계의 사전 정보를 음향 해석 알고리즘에 대입하여 산출된 기준 음향 데이터를 미리 저장하고, 상기 음파 감지기에 의하여 감지된 음파 정보를 상기 음향 해석 알고리즘에 대입하여 측정 음향 데이터를 산출한 후, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교 분석하여 상기 배관 내부에 막힘 영역의 위치 정보를 산출하는 음향계를 포함할 수 있다.
상기 배관은 직관, 곡관, 단순 팽창관 및 축소관 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 음파 감지기는 적어도 하나의 마이크로폰을 포함할 수 있다.
상기 배관계의 사전 정보는 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 설치 정보를 포함할 수 있다.
상기 음향계는 상기 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 연산하는 연산부; 상기 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 저장하는 메모리부; 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교하는 비교 분석부; 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 표시하는 디스플레이부; 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교한 결과, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터가 상이한 경우 알람 신호를 출력하는 경보 신호 출력부; 상기 음파 발생기와 음파 감지기로부터 출력 데이터 및 감지 데이터를 전송받고, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터의 측정 결과 및 비교 결과를 외부로 전송하는 통신부; 및 음향 해석 알고리즘을 저장하고, 상기 음향 해석 알고리즘의 실행에 의하여 각 구성들의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 음향 해석 알고리즘은 상기 음파 감지기에 의하여 감지된 배관의 일측에서의 입사음파와 반사음파의 음압 진폭을 이용하여 음압 반사계수를 산출하고, 상기 산출된 음압 반사계수를 퓨리에 역변환하여 시간에 따른 음압 반사계수를 산출한 후, 상기 시간에 따른 음압 반사계수를 이용하여 양의 펄스 응답시간을 산출할 수 있다.
상기 연산부는 상기 배관계의 설치 전에 상기 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 거리 정보를 포함하는 기준 음향 데이터를 산출하여 상기 메모리부에 저장시킬 수 있다.
상기 연산부는 상기 배관계의 설치 후에 상기 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 거리 정보와 상기 배관 내부에 막힘 위치의 거리 정보를 포함하는 측정 음향 데이터를 산출하여 상기 메모리부에 저장시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템은 실제의 배관 진단에 착수하기 전에 배관계에 대한 사전 정보만을 가지고 음향해석한 결과를 실제 측정 데이터와 비교하여 배관 막힘의 위치를 진단하고 있기 때문에, 배관 막힘 징후를 사전에 파악하고 설비 운전 중이라도 상시 진단을 할 수 있고, 곡관부나 밸브 그리고 단면 변화가 복수 개 이상인 배관 및 매설된 배관에서도 관 막힘 여부를 신속하고 정확하게 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 사용되는 음향 해석 알고리즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 사용되는 배관계의 종류를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4a 및 4b는 도 3의 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 의하여 측정된 배관 막힘 위치의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 3의 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템의 음향계를 나타내는 블록도이다.
본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 사용되는 음향 해석 알고리즘을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 사용되는 배관계의 종류를 나타내는 도면이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 사용되는 음향 해석 알고리즘에 사용되는 1차원 음향계의 전달행렬을 간략하게 표현하고 있다.
도 1에서 배관의 일측(즉, 상류 지점)인 r과 타측(즉, 하류 지점)인 r+1에서의 음압 p와 체적속도 q를 이용하여 음향계를 음향 전달 행렬로 표현할 수 있다. 이러한 음향 전달 행렬은 수학식 1과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00001
수학식 1에서 전달행렬 E11,E12,E21,E22는 4단자 정수 또는 음향 전달 행렬 요소라 한다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 배관계는 직관(straight pipe), 곡관(bent pipe), 단순 팽창관(expansion pipe) 및 축소관(contraction pipe), 그리고 밸브 등으로 구성된다. 여기서, 배관 내의 기체의 온도와 압력이 일정하다고 하면, 이상 기체로 간주할 수 있으므로 음속 c는 일정한 값을 가진다. 여기서, 배관 내의 음향 현상은 1차원 파동방정식을 만족하는 평면파로 간주한다. 또한, 배관 내의 파동 현상을 평면파로 간주하였으므로 도 2의 (a)에 도시된 직관이나 곡관에 대한 음향 전달 행렬은 동일하며, 또 길이 l인 단순 팽창 및 축소관에 대한 경우도 직관과 동일한 음향 전달 행렬 [S]로 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, Y는 관의 특성 음향 임피던스로서, Y=ρc/S 이고, ρ는 관 내부의 매질 밀도이고, S는 관의 단면적이며, k는 파수이고,
Figure pat00003
이다.
또한, 도 2에 도시된 밸브는 다른 배관 요소와는 다르게 운전 조건에 따라 개폐 면적이 가변적이므로, 밸브에 대한 음향 전달 행렬 [V]는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00004
여기서, 밸브에서의 음향 임피던스는 Zv는 밸브 양단의 음압차 Δp(f)와 체적속도 q(=Sv μ)의 비로서 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00005
여기서, ω는 각 주파수이고, l v 는 밸브 폭이며, d v 는 밸브 지름을 나타낸다. 한편 도 2에서와 같이 배관계는 직관, 단순 축소 및 팽창관 등과 같은 관 요소와 밸브 요소로 구성되어 있으므로, 배관계의 총괄 음향 전달 행렬 [T]는 수학식 5와 같이 각 요소에 대한 음향 전달 행렬을 각각 곱하여 구할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00006
또한, 상기 배관의 상류측 음향요소 1에 대한 상태 변수(음압과 체적속도)는 총괄 음향 전달 행렬과 하류측 음향요소 n에 대한 상태변수에 의하여 수학식 6과 같이 표현된다.
[수학식 6]
Figure pat00007
한편, 상기 배관의 하류단이 도 2에서와 같이 무반사단인 경우( Bn 0), 상류측 음향요소에서의 입사음과 반사음의 음압진폭을 각각 A1과 B1이라 할 때, 음향계의 상류측과 하류측에서의 음압과 체적속도의 관계는 [수학식 7]과 [수학식 8]과 같다.
[수학식 7]
Figure pat00008
[수학식 8]
Figure pat00009
[수학식 7]과 [수학식 8]을 A1과 B1으로 정리하면 [수학식 9]과 [수학식 10] 과 같다.
[수학식 9]
Figure pat00010
[수학식 10]
Figure pat00011
또한, 음압 반사계수 R=B1/A1이므로, [수학식 9]과 [수학식 10]을 정리하면 수학식 11과 같다.
[수학식 11]
Figure pat00012
그런 다음, [수학식 11]을 퓨리에 역변환하면 [수학식 12]와 같이 시간에 따른 음압 반사계수를 구할 수 있다.
[수학식 12]
Figure pat00013
상기와 같은 관계로부터 [수학식 12]에서 구한 양의 펄스 응답시간인 t1값으로부터 배관 내부의 막힘 위치까지 거리 l1은 [수학식 13]으로 구할 수 있다.
[수학식 13]
Figure pat00014
이러한 수학식 13을 이용하면, 배관과 배관에 설치되는 밸브의 거리 정보를 구할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템을 나타내는 도면이고, 도 4a 및 4b는 도 3의 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 의하여 측정된 배관 막힘 위치의 일 예를 나타내는 그래프이며, 도 5는 도 3의 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템의 음향계를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템은, 배관계(10), 음파 발생기(20), 음파 감지기(30) 및 음향계(40)를 포함한다.
상기 배관계(10)는 매설되어 그 내부에 유체가 수송되는 배관(11)과, 배관(11)에 설치된 적어도 하나의 밸브(12)를 포함한다. 예를 들면, 상기 배관계(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 내경이 D이고, 길이가 L1+L2+L3인 배관(11)의 상류측으로부터 3m되는 지점(L3)에 하나의 밸브(12)가 설치되고, 25m되는 지점(L1+L3)에 또 하나의 밸브(12)가 설치될 수 있으며, 이때, 밸브(12)의 간격(l 1 )은 0.05m가 되고, 밸브(12) 각각은 10% 정도 잠기도록 설계될 수 있다. 상기 배관(11)은 직관(straight pipe), 곡관(bent pipe), 단순 팽창관(expansion pipe) 및 축소관(contraction pipe) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 음파 발생기(20)는 배관(11) 내부의 일측으로부터 타측방향으로 음파를 입사시키는 음원 발생 장치로서, 스피커가 사용될 수 있다. 상기 스피커는 35.4Hz 내지 5kHz의 주파수 범위를 가질 수 있으나, 본 발명에서는 이를 한정하는 것은 아니다. 보다 구체적으로는, 상기 음파 발생기(20)는 음향계(40)의 제어에 의하여 주파수 분석기(21)의 신호 발생기에서 발생되어 증폭기(22)를 거쳐 증폭된 음향 신호를 공급받아, 스피커를 통하여 배관(11) 내부로 음파를 입사시킨다.
상기 음파 감지기(30)는 배관(11) 내부로 입사되고 또한 배관(11) 내부에서 반사되는 음파를 감지하는 음향 센서이다. 이러한 음향센서로서 적어도 하나의 마이크로폰(microphone)이 이용될 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 음향센서의 종류를 한정하는 것은 아니고, 하이드로폰(hydrophone) 등과 같이 배관을 따라 흐르는 음향을 측정할 수 있는 어떠한 소자도 적용될 수 있다.
상기 음향계(40)는 배관계(10)의 사전 정보를 음향 해석 알고리즘(즉, 수학식 1 내지 수학식 13)에 대입하여 산출된 기준 음향 데이터를 미리 저장하고, 음파 감지기(30)에 의하여 감지된 음파 정보를 음향 해석 알고리즘에 대입하여 측정 음향 데이터를 산출한 후, 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 비교 분석하여 배관(11) 내부에 막힘 영역의 위치 정보를 산출한다. 여기서, 상기 배관계(10)의 사전 정보는 배관(11)과 배관(11)에 설치된 밸브(12)의 설치 정보를 포함할 수 있다.
상기 음향계(40)는 도 5에 도시된 바와 같이, 연산부(410), 메모리부(420), 비교 분석부(430), 디스플레이부(440), 경보 신호 출력부(450), 통신부(460) 및 제어부(470)를 포함한다.
상기 연산부(410)는 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 연산하는 장치로서, 배관계(10)의 설치 전에 음향 해석 알고리즘에 의하여 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 배관과 배관에 설치된 밸브의 거리 정보를 포함하는 기준 음향 데이터를 산출하여 메모리부(420)에 저장시킬 수 있다. 또한, 상기 연산부(410)는 배관계(10)의 설치 후에 음향 해석 알고리즘에 의하여 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 배관과 배관에 설치된 밸브의 거리 정보와 배관 내부에 막힘 위치의 거리 정보를 포함하는 측정 음향 데이터를 산출하여 메모리부(420)에 저장시킬 수 있다.
상기 메모리부(420)는 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 저장하는 장치로서, 제어부(470)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입력되거나 출력되는 데이터들의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다. 상기 메모리부(420)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램, 롬 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
상기 비교 분석부(430)는 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 비교한다. 즉, 상기 비교 분석부(430)는 배관계(10) 설치 전에 측정된 기준 음향 데이터와 배관계(10) 설치 후에 측정된 측정 음향 데이터를 비교분석하게 된다. 예를 들면, 상기 비교 분석부(430)는 도 4b에 도시된 디스플레이부(440)에서와 같이, 기준 음향 데이터 이외의 신호가 발생되면 해당 위치가 막혀있다고 판단할 수 있다.
상기 디스플레이부(440)는 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 표시하는 장치로서, 액정 디스플레이(liquid crystal display), 박막 트랜지스터 액정 디스플레이(thin film transistor-liquid crystal display), 유기 발광 다이오드(organic light-emitting diode), 플렉시블 디스플레이(flexible display), 3차원 디스플레이(3D display) 등으로 구현될 수 있다. 본 실시예에서는 디스플레이부(440)를 이용하여 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 그래프로 생성하여 표시하고, 비교 분석 결과에 대한 메시지 또한 디스플레이부(440)를 통해 출력할 수 있다.
예를 들면, 상기 디스플레이부(440)는 도 4a에 도시된 바와 같이, 배관계(10) 설치 전의 정상적인 배관 내부 시스템에 대한 정보를 파형 형태로 출력할 수 있고, 또한 도 4b에 도시된 바와 같이, 배관계(10) 설치 후의 배관 내부 시스템에 대한 정보와 배관 내부에 슬러지(13) 등과 같은 이물질로 인한 막힘영역에 대한 정보를 파형형태로 출력할 수 있다.
상기 경보 신호 출력부(450)는 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교한 결과, 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터가 상이한 경우 알람 신호를 출력하는 장치로서, 디스플레이부(440)를 이용하여 화면 상으로 표시하거나, 스피커 또는 버저 등을 이용하여 음성으로 출력할 수 있다.
상기 통신부(460)는 음파 발생기(20)와 음파 감지기(30)로부터 출력 데이터 및 감지 데이터를 전송받고, 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터의 측정 결과 및 비교 결과를 외부 장치(예를 들면, 관리 서버)로 전송하는 장치이다. 이러한 통신부(460)는 음파 발생기(20)와 음파 감지기(30)의 통신 프로토콜이나 외부 장치의 통신 프로토콜에 대응되는 통신 프로토콜을 가지는 통신 인터페이스로 구성될 수 있다.
상기 제어부(470)는 음향 해석 알고리즘을 저장하고, 음향 해석 알고리즘의 실행에 의하여 각 구성들(즉, 연산부(410), 메모리부(420), 비교 분석부(430), 디스플레이부(440), 경보 신호 출력부(450), 통신부(460))의 동작을 제어하는 장치이다. 즉, 상기 제어부(470)는 음향 해석 알고리즘을 실행시켜 수학식 1 내지 수학식 13에 따라, 음파 감지기(30)에 의하여 감지된 배관(11)의 일측에서의 입사음파와 반사음파의 음압 진폭을 이용하여 음압 반사계수를 산출하고, 상기 산출된 음압 반사계수를 퓨리에 역변환하여 시간에 따른 음압 반사계수를 산출한 후, 시간에 따른 음압 반사계수를 이용하여 양의 펄스 응답시간을 산출할 수 있다. 또한 상기 제어부(470)는 산출된 양의 펄스 응답시간에 따라 배관(11), 밸브(12), 및 배관(11) 내부에 이물질이 축적되어 형성되는 슬러리(13) 등과 같은 막힘 영역까지의 거리 정보를 산출할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템은 우선 음향 전달 행렬을 이용하여 배관(11) 내의 막힘 위치를 진단할 수 있는 음향 해석 알고리즘을 설계하여, 배관(11) 상류 단에서의 상태변수인 음압과 체적속도를 하류 단의 상태변수와 총괄 음향 전달 행렬(overall acoustic transfer matrix)로 표현한다. 이때, 상기 총괄 음향 전달 행렬 요소 즉, 사단자 정수(four-pole parameter)는 배관망을 구성하는 직관과 단면 변화 및 밸브에 대한 각 요소별 음향 전달 행렬을 구하여 곱하므로서 얻어진다. 그런 다음, 상기 총괄 음향 전달 행렬 요소가 얻어지면, 상류단에서의 입사음과 반사음의 음압 진폭비인 음압 반사계수가 계산되며, 이 계산결과를 역퓨리에 변환(inverse Fourier transform)하므로서 배관망을 구성하는 각 요소가 상류단으로부터 얼마만큼 떨어져 있는지를 파악할 수 있게 된다. 이와 같이 음향 해석을 통하여 사전에 알고 있는 배관망에 대한 기준 신호(reference signal)(즉, 기준 음향 데이터)를 확보하면, 배관(11)에서의 자기 스펙트럼(auto spectrum) 또는 상호 스페트럼(cross spectrum) 측정을 통하여 얻은 실제 신호(actual signal)(즉, 측정 음향 데이터)와 기준 신호와의 비교를 통하여 배관의 막힘 위치를 진단하게 된다.
한편, 상기 음향계(40)는 외부 환경으로부터 구성 요소들을 보호하기 위하여 각 구성요소들을 폴리프로필렌 수지 조성물로 조정된 케이스 내부에 구비되도록 설계될 수 있다. 이러한 폴리프로필렌 수지 조성물은 내백화성 및 내충격성이 우수한 조성물로서, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌 함량이 20~50중량%인 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%로 이루어진 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체를 포함하며, 전술한 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체에 대한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체의 고유 점도비가 0.3~1일 수 있다.
보다 구체적으로는 상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 전술한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체 75~95중량% 및 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체 5~25중량%인 것이 바람직한데, 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체가 75중량% 미만이면 강성이 저하되고, 95중량%를 초과하면 내충격성이 저하되며, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 5중량% 미만이면 내충격성이 저하되고, 25중량%를 초과하면 강성이 저하된다.
또한, 상기 폴리프로필렌 랜덤 블록 공중합체는 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체에 대한 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체의 고유 점도비가 0.3~1인 것이 바람직한데, 0.3미만이면 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체의 분자량이 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체보다 상대적으로 낮아 충격 흡수에 어려움이 있으며, 1을 초과하면, 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체의 분산상 크기가 증가하여 내백화성이 저하될 수 있다.
상기 에틸렌-프로필렌-알파올레핀 랜덤 공중합체는 에틸렌 0.5~7중량% 및 탄소수가 4~5인 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물의 기계적 강성유지 및 내열성을 향상시키며 내백화성을 유지하는데 효과적인 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 0.5~5중량%이며, 더욱 바람직하게는 1~3중량%일 수 있으며, 0.5중량% 미만이면 내백화성이 저하되고, 7중량%를 초과하면 수지의 결정화도 및 강성이 저하된다.
상기 알파올레핀은 에틸렌 및 프로필렌을 제외한 임의의 알파올레핀을 의미하며, 바람직하게는 부텐이다. 또한, 상기 알파올레핀은 탄소수가 4 미만이거나 5를 초과하면 랜덤 공중합체의 제조 시, 코모노머와의 반응성이 낮아 공중합체를 제조하는데 어려움이 있다. 또한, 상기 알파올레핀 1~15중량%를 포함하며, 바람직하게는 1~10중량%이고, 더욱 바람직하게는 3~9중량%일 수 있다. 상기 알파올레핀은 1중량% 미만이면, 결정화도가 필요 이상으로 높아져 투명성이 저하되고, 15중량%를 초과하면 결정화도 및 강성이 저하되어 내열성이 현저히 낮아지는 문제점을 가진다.
상기 에틸렌-프로필렌 블록 공중합체는 에틸렌 20~50중량%을 포함하며, 폴리프로필렌 수지 조성물에 내충격적 특성을 부여하고 미세 분산이 가능하여 내백화성 및 투명성을 동시에 부여하는 역할을 한다. 상기 에틸렌 함량은 바람직하게는 20~40중량%일 수 있으며, 20중량% 미만이면 내충격성이 저하되고 50중량%를 초과하면 내충격성 및 내백화성이 저하될 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 의하면, 실제 적용상에 많은 제약과 한계를 가지는 종래의 진단 기술에 비해, 진단이 빠르고, 정확하며, 비용이 적게 들고, 설비가 정상적으로 운전되는 상태에서 진단가능하다는 이점이 있다. 또한, 본 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템에 의하면, 배관이 매설되어 있더라도 진단 가능해고, 곡관부나 밸브 그리고 단면 변화가 복수 개 이상인 배관에서도 진단가능하다는 이점이 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 의한 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
10: 배관계 11: 배관
12: 밸브 13: 슬러리
20: 음파 발생기 21: 주파수 분석기
22: 증폭기 30: 음파 감지기
40: 음향계 410: 연산부
420: 메모리부 430: 비교 분석부
440: 디스플레이부 450: 경보 신호 출력부
460: 통신부 470: 제어부

Claims (8)

  1. 배관과 상기 배관에 설치된 적어도 하나의 밸브를 포함하는 배관계(10);
    상기 배관 내부의 일측으로부터 타측방향으로 음파를 입사시키는 음파 발생기(20);
    상기 배관 내부로 입사되고 또한 상기 배관 내부에서 반사되는 음파를 감지하는 음파 감지기(30); 및
    상기 배관계(10)의 사전 정보를 음향 해석 알고리즘에 대입하여 산출된 기준 음향 데이터를 미리 저장하고, 상기 음파 감지기(30)에 의하여 감지된 음파 정보를 상기 음향 해석 알고리즘에 대입하여 측정 음향 데이터를 산출한 후, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교 분석하여 상기 배관 내부에 막힘 영역의 위치 정보를 산출하는 음향계(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배관은 직관, 곡관, 단순 팽창관 및 축소관 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 음파 감지기(30)는 적어도 하나의 마이크로폰을 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배관계(10)의 사전 정보는 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 설치 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 음향계(40)는
    상기 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 연산하는 연산부(410);
    상기 기준 음향 데이터와 측정 음향 데이터를 저장하는 메모리부(420);
    상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교하는 비교 분석부(430);
    상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 표시하는 디스플레이부(440);
    상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터를 비교한 결과, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터가 상이한 경우 알람 신호를 출력하는 경보 신호 출력부(450);
    상기 음파 발생기(20)와 음파 감지기(30)로부터 출력 데이터 및 감지 데이터를 전송받고, 상기 기준 음향 데이터와 상기 측정 음향 데이터의 측정 결과 및 비교 결과를 외부로 전송하는 통신부(460); 및
    음향 해석 알고리즘을 저장하고, 상기 음향 해석 알고리즘의 실행에 의하여 각 구성들의 동작을 제어하는 제어부(470)를 포함하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 음향 해석 알고리즘은 상기 음파 감지기(30)에 의하여 감지된 배관의 일측에서의 입사음파와 반사음파의 음압 진폭을 이용하여 음압 반사계수를 산출하고, 상기 산출된 음압 반사계수를 퓨리에 역변환하여 시간에 따른 음압 반사계수를 산출한 후, 상기 시간에 따른 음압 반사계수를 이용하여 양의 펄스 응답시간을 산출하는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 연산부(410)는 상기 배관계(10)의 설치 전에 상기 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 거리 정보를 포함하는 기준 음향 데이터를 산출하여 상기 메모리부(420)에 저장시키는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 연산부(410)는 상기 배관계(10)의 설치 후에 상기 산출된 양의 펄스 응답시간을 이용하여 상기 배관과 상기 배관에 설치된 밸브의 거리 정보와 상기 배관 내부에 막힘 위치의 거리 정보를 포함하는 측정 음향 데이터를 산출하여 상기 메모리부(420)에 저장시키는 것을 특징으로 하는 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템.
KR1020130158380A 2013-12-18 2013-12-18 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템 KR101577733B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158380A KR101577733B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020130158380A KR101577733B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150071392A true KR20150071392A (ko) 2015-06-26
KR101577733B1 KR101577733B1 (ko) 2015-12-15

Family

ID=53517690

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020130158380A KR101577733B1 (ko) 2013-12-18 2013-12-18 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101577733B1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110566471A (zh) * 2019-07-19 2019-12-13 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法
WO2022036396A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 William Smith A shock wave signal generator and methods of use thereof
CN117741670A (zh) * 2024-02-19 2024-03-22 北京云庐科技有限公司 一种燃气庭院线水堵监测定位方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020162964A1 (en) * 2019-02-04 2020-08-13 Halliburton Energy Services, Inc. Remotely locating a blockage in a pipeline for transporting hydrocarbon fluids
WO2021015740A1 (en) * 2019-07-23 2021-01-28 Landmark Graphics Corporation Stochastic realization of parameter inversion in physics-based empirical models

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101008210B1 (ko) * 2010-03-18 2011-01-17 조경봉 수동식 초음파 검사 장비의 자동화 시스템

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110566471A (zh) * 2019-07-19 2019-12-13 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法
CN110566471B (zh) * 2019-07-19 2021-04-20 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 一种基于功能参数的便捷式泵声学性能获取方法
WO2022036396A1 (en) * 2020-08-18 2022-02-24 William Smith A shock wave signal generator and methods of use thereof
CN117741670A (zh) * 2024-02-19 2024-03-22 北京云庐科技有限公司 一种燃气庭院线水堵监测定位方法
CN117741670B (zh) * 2024-02-19 2024-04-16 北京云庐科技有限公司 一种燃气庭院线水堵监测定位方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR101577733B1 (ko) 2015-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Meniconi et al. Anomaly pre-localization in distribution–transmission mains by pump trip: preliminary field tests in the Milan pipe system
KR101577733B1 (ko) 음향 전달 행렬을 이용한 배관계의 막힘 진단 시스템
CA2960587C (en) Device and method for fluid leakage detection in pressurized pipes
CN101592288B (zh) 一种管道泄漏辨识方法
EA028919B1 (ru) Способ и система для непрерывного дистанционного контроля целостности трубопроводов под давлением и свойств транспортируемых текучих сред
WO2008075066A2 (en) Leak detection device in fluid filled pipelines
AU2016303356B2 (en) Monitoring of fluid flow in an open channel using an optical fibre sensor
CN104747912A (zh) 流体输送管道泄漏声发射时频定位方法
CN103930777A (zh) 用于对蒸汽质量和流动进行声音监视的装置和方法
Papadopoulou et al. An evaluation of acoustic reflectometry for leakage and blockage detection
CN102197287A (zh) 跟踪管道中的对象
CN105953080B (zh) 基于同侧传感器布置的声波泄漏定位方法
CN101319955A (zh) 提取次声波监测管道泄漏的方法
CN110645483A (zh) 一种基于频谱分析的城市埋地管道早期泄漏诊断方法
CN106813108A (zh) 一种基于速度差的泄漏定位方法
CN104100842A (zh) 一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统
CN106289121A (zh) 一种变径管等效管长的计算方法
Muntakim et al. Interpretation of acoustic field data for leak detection in ductile iron and copper water-distribution pipes
CN102032447A (zh) 一种用于对城市煤气管道进行实时监控的系统及其使用方法
WO2019056121A1 (en) METHODS OF DETECTING A WEAKENING OF A PIPELINE
Siebenaler et al. Evaluation of distributed acoustic sensing leak detection technology for offshore pipelines
Taghvaei et al. Leak detection in pipeline networks using low‐profile piezoceramic transducers
NL2022689B1 (en) Method and system for non-intrusively determining cross-sectional variation for a fluidic channel
CN104100841A (zh) 一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测方法
CN203940243U (zh) 一种基于分布式光纤传感器和声波的管道监测装置及系统

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20181204

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191128

Year of fee payment: 5