KR102803184B1

KR102803184B1 - 누수 검출시스템

Info

Publication number: KR102803184B1
Application number: KR1020240135233A
Authority: KR
Inventors: 나광윤
Original assignee: 주식회사 에스씨솔루션글로벌
Priority date: 2024-10-05
Filing date: 2024-10-05
Publication date: 2025-05-07
Anticipated expiration: 2044-10-05

Abstract

본 발명에 따른 누수 검출시스템은, 배관의 일측에 설치되는 제1 센서(S-1)와 배관의 타측에 설치되는 제2 센서(S-2)와, 상기 제1 및 제2 센서와 연결되는 컨트롤러(100)를 포함하고, 상기 컨트롤러는 진동신호를 입력받고 진동신호 중에서 누수에 의한 진동신호를 검출하고, 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호인 경우, 누수위치를 계산하도록 구성된다.
상기 컨트롤러는 현재 검출된 진동신호를 기 수집된 누수신호와 비교하고, 현재 검출된 진동신호로부터 누수에 의한 진동신호를 검출하는 누수신호 검출부(110)와, 유사도 비교에 의해 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호로 판단된 경우, 해당 진동신호로부터 누수위치를 계산하는 누수위치 계산부(120)를 포함하여 구성된다.

Description

누수 검출시스템{LEAK SENSING SYSTEM}

아래 실시예들은 누수탐지의 정확성을 높이고, 누수신호의 노이즈에 강하며, 다양한 환경 조건에서도 효율적으로 작동하는 누수 검출시스템에 관한 것이다.

생활수준의 향상으로 매년 물의 사용은 날로 증가되고 있다. 물을 공급하기 위한 배관은 일반적으로 지하에 매설되는데, 배관에 누수가 발생될 경우, 누수여부를 육안으로 확인할 수 없다.

배관에서 발생하는 누수지점을 찾기 위하여, 시간차이를 이용한 누수검출방식을 사용하고 있다. 이 방식은 서로 이격된 지점에 각각 진동검출센서를 설치하고, 배관의 길이와 진동검출센서에서 검출되는 누수신호의 도달시간차이를 사용하여 누수위치를 검출하고 있다.

누수위치 계산에 앞서, 진동센서로부터 검출되는 신호가 누수에 의한 진동신호인지 여부를 판단하여야 한다. 현재 검출한 진동신호가 누수로 확인된 이전의 진동신호와 동일성 내지 유사성을 갖는지를 확인하는 과정이 필요하다.

공개특허공보 제10-2010-0014046호, 상수도 배급수관 누수혐의구간검출기 및 누수협의구간검출 시스템 등록특허공보 제10-1454288호, 누수 탐지 시스템 등록특허공보 제10-1563279호, 배관에서 구간별로 측정된 탄성파 속도에 기반한 누수 위치 탐지 방법 및 누수 위치 탐지 시스템 공개특허공보 제10-2011-0032272호, 누수탐지 장치 및 방법

본 발명은 지중에 매설된 배관으로부터 전달되는 진동신호로부터 누수위치를 검출하기 위한 누수 검출시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명은 배관으로부터 전달되는 진동신호가 누수에 의한 진동신호인지를 여부를 판단하기 위한 누수 검출시스템을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 누수 검출시스템은, 배관의 일측에 설치되는 제1 센서(S-1)와 배관의 타측에 설치되는 제2 센서(S-2)와, 상기 제1 및 제2 센서와 연결되는 컨트롤러(100)를 포함하고, 상기 컨트롤러는 진동신호를 입력받고 진동신호 중에서 누수에 의한 진동신호를 검출하고, 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호인 경우, 누수위치를 계산하도록 구성된다.

상기 컨트롤러는 현재 검출된 진동신호를 기 수집된 누수신호와 비교하고, 현재 검출된 진동신호로부터 누수에 의한 진동신호를 검출하는 누수신호 검출부(110)와, 유사도 비교에 의해 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호로 판단된 경우, 해당 진동신호로부터 누수위치를 계산하는 누수위치 계산부(120)를 포함하여 구성된다.

상기 누수신호 검출부(110)는 진동신호를 주파수 도메인으로 변환하는 FFT 변환모듈(111)과, xyz축 주파수 성분을 3차원 벡터로 변환하는 벡터 획득모듈(112)와, 상기 3차원 벡터의 내적과 노름으로부터 주파수 유사도를 계산하는 유사도 계산모듈(113)을 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 주파수 유사도는 현재 검출된 진동 주파수와 누수 진동 주파수의 노름곱에 대한 현재 검출된 진동 주파수와 누수 진동 주파수의 내적으로 계산된다.

누수위치 계산부(120)는 진동신호가 제1 및 제2 센서에 도달하는 시간차와, 제1 및 제2 센서 사이의 배관의 길이를 기초로 계산된다.

본 발명에 따르면, 현재 검출된 진동신호를 주파수 벡터로 변환하고, 신호의 방향성을 기초로 진동신호가 누수신호인지를 판단한다. 때문에 누수검출의 신뢰성을 높일 수 있어 지속적이고 안정적인 누수 모니터링이 가능하다.

도 1은 상수도관으로부터 누수위치를 검출하기 위한 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이다.
도 3은 컨트롤러의 누수위치 계산부의 구성도이다.
도 4는 주파수 도메인에서 설정된 윈도우 영역을 나타낸 이미지이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 설명에서 '시스템', '부', '모듈' 등의 용어는 하드웨어 및 해당 하드웨어에 의해 구동되는 소프트웨어를 포함하여 구성된다.

누수 검출시스템은 배관에서 발생되는 진동신호가 누수에 의한 진동신호인지 여부를 판단하고, 누수에 의한 진동신호인 경우 누수위치를 계산한다.

도 1은 상수도관으로부터 누수위치를 검출하기 위한 시스템의 구성도이다.

누수검출 시스템은 제1 센서(S-1), 제2 센서(S-2), 및 컨트롤러(Controller)를 포함한다.

배관은 지중에 매설되며, 배관에 센서를 설치할 수 있는 위치는 제한된다. 인위적으로 센서를 설치하기 위하여 상수도관을 노출시켜 센서 설치공간을 확보하거나, 지상에 노출된 밸브에 설치하여야 한다.

센서는 배관의 표면에 부착되며, 배관으로부터 전달되는 진동신호를 검출한다. 상기 제1 센서(S-1)는 배관의 일측(AA)에 설치되고, 제2 센서(S-2)는 배관의 타측(BB)에 설치된다. 상기 센서는 3축 가속도 센서로 구성할 수 있다. 센서로부터 검출된 진동신호는 무선 또는 유선으로 컨트롤러로 전송된다.

배관이 노후 또는 파손되어 누수가 발생되면, 누수에 의해 발생되는 진동신호는 누수지점(leak point)로부터 좌측과 우측으로 전달된다. 도면을 참조하면, 제1 센서와 제2 센서 사이에 누수가 발생하였다고 가정할 때, 누수지점(leak point)으로부터 좌측으로 전파되는 진동신호는 제1 센서(S-1)로부터 검출되고, 누수지점으로부터 우측으로 전파되는 진동신호는 제2 센서(S-2)로부터 검출된다.

컨트롤러는 제1 센서와 제2 센서로부터 전송되는 진동신호를 기초로 누수 위치를 계산한다.

도 2는 본 발명에 따른 컨트롤러의 구성도이고, 도 3은 컨트롤러의 누수위치 계산부의 구성도이다.

컨트롤러(Controller, 100)는 진동신호를 입력받고 진동신호 중에서 누수에 의한 진동신호를 검출하고, 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호인 경우, 누수위치를 계산한다. 컨트롤러는 누수신호 검출부(110)와 누수위치 계산부(120)를 포함한다.

상기 누수신호 검출부(110)는 현재 검출된 진동신호를 기 수집된 누수신호와 비교하고, 현재 검출된 진동신호로부터 누수에 의한 진동신호를 검출한다. 센서로부터 검출되는 진동신호에는 누수에 의한 진동신호, 인위적로부터 발생되는 진동신호를 포함할 수 있다. 누수신호 검출부는 진동신호들 중에서 누수에 의한 진동신호를 검출한다.

누수신호 검출부(110)는 FFT 변환모듈(111), 벡터 획득모듈(112), 윈도우 설정모듈(113), 유사도 계산모듈(114)을 포함하여 구성된다.

FFT 변환모듈(111)은 시간 도메인을 갖는 진동신호를 주파수 도메인으로 변환한다. 진동신호에는 혼합된 형태의 복수의 주파수를 갖는다. 고속푸리에 변환(fast fourier transform)은 진동신호를 주파수(frequency)와 해당 주파수의 크기(magnitude)로 나타낸다. 상기 변환된 주파수는 x축 주파수 성분, y축 주파수 성분, 및 z축 주파수 성분을 포함할 수 있다.

벡터 획득모듈(112)은 x축 주파수 성분, y축 주파수 성분, 및 z축 주파수 성분을 이용하여 3차원 벡터 변환한다.

3차원 주파수 벡터(Vf)는 하기 〈수학식 1〉에 의해 계산된다.

여기서, xt는 x축 주파수 성분, yt는 y축 주파수 성분, zt는 z축 주파수 성분을 나타낸다.

이어서, 상기 변환된 3차원 벡터로부터 주파수 내적(dot product)과 주파수 노름(norm)으로부터 유사도를 계산한다.

주파수 유사도 계산에 앞서, 피크 주파수를 분리하는 윈도우 설정모듈이 부가될 수 있다. 주파수는 소정의 윈도우 영역으로 설정하여 수행될 수 있다. 상기 윈도우 영역은 누수로 판단된 누수 진동 주파수에서 특징 주파수 영역으로 설정될 수 있다. 예컨대, 상기 누수 주파수는 제1 내지 제n 피크 주파수를 중심으로 하는 소정의 주파수 영역일 수 있다.

도 4는 주파수 도메인에서 설정된 윈도우 영역을 나타낸 이미지이다. 도면을 참조하면, 제1 윈도우(W1)는 제1 피크 주파수를 중심으로 하는 주파수 대역을 윈도우 영역으로 설정하고 있고, 제2 윈도우(W2)는 재2 피크 주파수를 중심으로 하는 주파수 대역을 윈도우 영역으로 설정하고 있다. 제1 윈도우와 제2 윈도우는 서로 중복되지 않도록 설정되며, 제1 윈도우와 제2 윈도우 사이에 제3 윈도우(W3)가 설정된다. 이때, 제3 윈도우에 포함된 주파수들의 크기의 합은 제2 윈도우에 포함된 주파수들의 크기의 합보다 작아야 한다. 이는 제1 피크 주파수를 포함하는 영역과 제2 피크 주파수를 포함하는 영역을 명확히 분리하여 비교할 수 있다.

유사도 계산모듈에는 기 수집되고 누수로 판단된 누수 진동 주파수(B)의 주파수 벡터가 저장된다. 유사도 계산모듈(114)은 현재 검출된 진동 주파수(A)와 기 수집되고 누수로 판단된 누수 진동 주파수(B) 간의 주파수 유사도(frequency similarity)를 계산한다.

상기 주파수 유사도는 현재 검출된 진동 주파수와 누수 진동 주파수의 노름곱에 대한 현재 검출된 진동 주파수와 누수 진동 주파수의 내적으로 계산될 수 있다.

주파수 유사도(S)는 하기 〈수학식 2〉에 의해 계산된다.

상기 주파수 유사도 계산식에서, 분모는 현재 검출된 진동 주파수 A와 누수 진동 주파수 B의 노름곱을 나타내고, 분자는 현재 검출된 진동 주파수 A와 누수 진동 주파수 B의 주파수 내적을 나타낸다.

주파수 유사도 계산결과, 유사도 값이 0.75이상인 경우 현재 검출된 진동 주파수가 누수에 의한 진동 주파수로 판단한다. 바람직하게는 누수에 의한 진동 주파수 판단기준은 주파수 유사도 값이 0.8 이상으로 설정할 수도 있다.

이러한 유사도 비교는 종래의 상호상관 비교에 더하여 추가적으로 수행될 수도 있고, 단독으로 누수에 의한 신호를 판단하기 위한 비교방식으로 수행될 수도 있다.

누수위치 계산부(120)는 유사도 비교에 의해 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호로 판단된 경우, 해당 진동신호로부터 누수위치를 계산한다.

누수위치는 진동신호의 시간차와 배관의 길이를 기초로 계산된다. 구체적으로 누수위치는 진동신호가 제1 및 제2 센서에 도달하는 시간차와, 제1 및 제2 센서 사이의 배관의 길이를 기초로 계산될 수 있다.

상기 누수지점은 아래 수식에 따라 계산된다.

d₁ = (D - c·Δt)/2

d₂ = (D - c·Δt)/2

여기서, D는 배관의 길이이고, c는 배관에서 진동파의 전달속도이며, Δt는 도달시간차이다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 컨트롤러
110 : 누수신호 검출부
111 : FFT 변환모듈
112 : 벡터 획득모듈
113 : 윈도우 설정모듈
114 : 유사도 계산모듈
120 : 누수위치 계산부
S-1, S-2 : 제1 및 제2 센서

Claims

배관의 일측에 설치되는 제1 센서(S-1)와 배관의 타측에 설치되는 제2 센서(S-2)와, 상기 제1 및 제2 센서와 연결되는 컨트롤러(100)를 포함하고,
상기 컨트롤러(100)는 제1 및 제2 센서로부터 검출된 진동신호를 주파수 도메인으로 변환하는 FFT 변환모듈(111)과, xyz축 주파수 성분을 3차원 벡터로 변환하는 벡터 획득모듈(112)와, 피크 주파수를 포함하는 주파수 영역을 획득하는 윈도우 설정모듈(113)과, 상기 3차원 벡터의 내적과 노름으로부터 주파수 유사도를 계산하는 유사도 계산모듈(114)을 포함하여 구성되는 누수신호 검출부(110)와, 상기 유사도 비교에 의해 현재 검출된 진동신호가 누수에 의한 진동신호로 판단된 경우, 해당 진동신호로부터 누수위치를 계산하는 누수위치 계산부(120)로 이루어지고,
상기 벡터 획득모듈(112)는 고속푸리에 변환으로 의한 주파수를 x축,y축,z축의 3차원 벡터로 변환하고,
상기 윈도우 설정모듈(113)은 제1 피크 주파수를 중심으로 하는 주파수 대역을 윈도우 영역으로 설정하는 제1 윈도우(W1)와, 재2 피크 주파수를 중심으로 하는 주파수 대역을 윈도우 영역으로 설정하는 제2 윈도우(W3)와, 상기 제1 윈도우와 제2 윈도우 사이에 제3 윈도우(W3)를 설정하되, 상기 제3 윈도우는 제1 및 제2 윈도우와 중복되지 않으며,
상기 유사도 계산모듈(114)의 주파수 유사도(S)는 현재 검출된 진동 주파수(A)와 누수 진동 주파수(B)의 노름곱에 대한 현재 검출된 진동 주파수(A)와 누수 진동 주파수(B)의 주파수 내적으로 계산되는 것을 특징으로 하는 누수 검출시스템.
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청구항 1에 있어서,
누수위치 계산부(120)는,
진동신호가 제1 및 제2 센서에 도달하는 시간차와, 제1 및 제2 센서 사이의 배관의 길이를 기초로 계산되는 것을 특징으로 하는 누수 검출시스템.