JP5906123B2

JP5906123B2 - 配管網の監視装置

Info

Publication number: JP5906123B2
Application number: JP2012083890A
Authority: JP
Inventors: 博昭近藤
Original assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Current assignee: Sekisui Chemical Co Ltd
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-04-02
Also published as: JP2013213535A

Description

この発明は、配管網の監視装置に関し、特に、水道管、ガス管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管網において、流量監視、異常検知などを行う配管網の監視装置に関する。

従来より、集合住宅などにおける水道の集中検針システムのように流量を遠隔地で管理できるシステムが存在する。例えば特許文献１では無線子機の不必要な受信をなくすことにより、電池寿命を長くした無線検針システムが開示されている。このシステムは電池を用いて無線で流量情報を遠隔地へ送信するものである。

特許文献２には、圧電型超音波トランスジューサを用いた配管検査装置が開示されている。この方法であれば配管の外部からライニングの布設状態を検査することができる。

特開２００１−３１９２８４号公報特開２００３−２９４７１８号公報

上記特許文献１の配管網の監視装置では、電池を使用しているため、電池が消耗すると交換する必要がある。集合住宅用であれば、交換は、比較的容易にできるが、地下に埋設された配管、高所に設けられた配管などでは、電池の交換が困難であるという問題があった。

また、配管の途中にタービンなどの発電機を設置し、その電力を蓄電して無線の送受信に利用することが可能である。しかしながら、タービンなどを配管の途中に設けると障害物となって減圧されてしまうし、異物が挟まるなどしてタービンが破損すると配管としての機能が損なわれる恐れがある。

特許文献２の配管網の監視装置では、検査を行うには、人手による作業が必要であり、地下に埋設された配管や高所にある配管などにおいては、検査が容易ではないという問題があった。

この発明の目的は、地下に埋設された配管や高所にある配管などのように、人手によって検査することが容易ではない配管を検査することが容易でかつ電池交換が不要な配管網の監視装置を提供することにある。

この発明による配管網の監視装置は、電源として電池を用いない配管網の監視装置であって、管および継手からなる配管網の複数箇所にそれぞれ取り付けられて配管内流体の移動に伴う圧力変動を電荷信号に変換する複数の圧電素子と、前記圧電素子に接続され電荷を一時的に蓄える蓄電素子と、前記圧電素子に接続され電荷信号を増幅するチャージアンプと前記チャージアンプから出力された電圧信号を処理する制御回路とより構成される圧電センサユニットと、前記圧電センサユニットに接続されるとともに電荷信号を送信する通信機と、を備え、前記圧電素子で得られた電荷は、一部が前記蓄電素子に供給され、残部が前記チャージアンプに供給されるとともに、前記蓄電素子は電荷を蓄えるとともに所定の電圧を前記圧電センサユニットに供給することを特徴とするものである。

圧電素子としては、ジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸バリウムなどのセラミック材料からなるものやポリフッ化ビニリデンなどの樹脂材料からなるものなどが使用される。

管および継手は、配管網内を流れる流体からの力を受け、管または継手に設けられた圧電素子は、微細な振動や歪みによって変形して、電圧と電荷を生じる。発生した電圧はそのまま信号として送信してもよいし、一度、電荷を蓄電素子に蓄え、信号を送信する通信機に用いる電源としてもよい。信号の送信は有線でも無線でもよいが、地震などの災害での断線する恐れがない無線が好ましい。信号の送信は常時行ってもよいし、間欠的に行ってもよい。また、通常時は信号の送信を行わずに一定の規格範囲を逸脱した場合に限って信号送信を行うようにしてもよい。

個々の圧電素子にはアドレス情報が設定され、電荷信号情報と共に送信される。これにより、場所を特定することができ、複数の圧電素子の電荷信号情報の管理が容易となる。

通常時に蓄電素子に蓄える電荷は全量でもよいし、一部はそのまま信号として用い、残量を蓄えるようにしてもよい。また、電気信号情報を取得する圧電素子と蓄電素子に電荷を蓄える圧電素子は同一でなくともよい。蓄電素子としては、例えば電気二重層キャパシタなどのキャパシタが使用されるが、これに限定されるものではない。

圧電素子は、チャージアンプを介して、制御回路に接続されており、制御回路に、圧電素子で得られる電荷信号が正常かどうかを判定する判定手段が設けられていることがある。

一般に、上記の圧電素子は出力インピーダンスが非常に大きいため、ノイズの影響を少なくし、信号として正確に取り出すためにはチャージアンプによって電荷を増幅させて電圧出力に変換することが好ましい。

信号から異常を判定するための通常範囲は、電圧出力の上下限や、振動の周波数帯域などで設定しておけばよい。通常範囲内であるか否かは受信側で判別してもよいし、送信側に制御回路を組んで判別してもよい。送信側に制御回路を設けて、異常を判定することで、不要な情報をカットし、先に記載したアドレス情報とともに情報化すれば不必要な無線通信を行うことがないために好適である。

表示装置としては、例えばパソコンが使用されるが、これに限定されるものではない。異常時には、音または光によって警報が出されることが好ましい。必ずしも数値情報等を表示する必要はなく、異常時の警報のみとすることもできる。

圧電素子は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムとされて、継手に設けられていることが好ましい。

ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムは、可撓性があって耐衝撃性に優れ、化学的に安定である点で、圧電素子材料として優れている。

圧電素子を取り付ける場所は、管や継手などの配管網の一部であればよく、特に限定されないが、一定間隔で設置され、施工時に切断等の加工がない継手に組み込むことが好ましい。また、地震等の大きな外力が配管網に加わった場合も継手に応力が加わりやすいために配管網の異常を検知しやすく好適である。

配管網を構成する管や継手の材質もステンレス、鋳鉄、コンクリート、繊維強化プラスチック、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、フッ素樹脂等、特に限定されない。

また、配管網を流れる流体の種類は水やガス、薬液やオイル、スラリーなど、特に限定されない。

この発明の配管網の監視装置によると、圧電素子から得られた電荷信号が遠隔地にある表示装置に表示され、この電荷信号情報が配管網が通常時と異常時とで相違することで、配管網が正常かどうかを監視することができる。

図１は、この発明による配管網の監視装置の１例を模式的に示す図である。図２は、この発明による配管網の監視装置で使用されている圧電センサユニットを示すブロック図である。図３は、圧電センサユニットを継手に取り付けた１例を示す図である。図４は、圧電センサユニットを管に取り付けた１例を示す図である。図５は、配管網の監視装置の通常時の出力状態の１例を示す図である。図６は、配管網の監視装置の異常時の出力状態の１例を示す図である。

この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。

図１は、この発明による配管網の監視装置の１実施形態を示している。

配管網の監視装置(1)は、複数の管(3)および複数の継手(4)(5)で構成された配管網（図示は水道管路網）(2)と、各継手(4)(5)に設けられた圧電センサユニット(6)と、各圧電センサユニット(6)にそれぞれ接続された無線通信機(7)と、各無線通信機(7)から送られてくる情報を受け取って表示する表示装置(8)とを備えている。

圧電センサユニット(6)は、図２および図３に示すように、圧電素子(9)と、圧電素子(9)に電気的に接続された制御基板(10)とからなる。圧電素子(9)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）とされている。

配管網(2)内を流体が流れると、管(3)および継手(4)(5)には、流体から作用する力によって、微細な振動や歪みが生じる。これに伴って、継手(4)(5)に貼り付けられた圧電素子(9)に付与される圧力が変動し、圧電素子(9)において、圧力変動が電荷信号に変換される。

図３に示すように、制御基板(10)には、電源用キャパシタ（蓄電素子）(11)、チャージアンプ(12)、制御回路(13)、無線回路(14)などが設けられている。

圧電素子(9)で得られた電荷は、その一部がキャパシタ(11)に送られ、残部がチャージアンプ(12)に送られる。

キャパシタ(11)は、電荷を蓄えて、所定の電圧を圧電センサユニット(6)の各部（チャージアンプ(12)、制御回路(13)、無線回路(14)など）に供給している。電源として電池を使用した場合には、その交換が必要であるが、圧電素子(9)で得られた電荷を電源用に使用することで、電池交換が不要となる。

チャージアンプ(12)において、圧電素子(9)で得られた電荷信号が増幅される。圧電素子(9)は、出力インピーダンスが非常に大きいため、ノイズの影響が出やすいが、チャージアンプ(12)を使用することで、電荷信号を増幅させて電圧信号として正確に取り出すことができる。

チャージアンプ(12)から出力された電圧信号は、制御回路(13)において処理された後、監視情報として無線回路(14)を介して表示装置(8)に送信される。各圧電センサユニット(6)には、アドレス情報が付されており、パソコンなどの表示装置(8)により、配管網(2)の所定箇所における圧力変動を監視することができる。

圧力変動には、通常の流体の流れによって生じるものと、異常時に生じるものとがあるので、制御回路(13)に適宜な判定手段を設けておくことで、異常が起きたときにのみ、監視情報（異常情報）を出力するようにすることができる。

図１において、Ａ、ＢおよびＣで示す位置における通常の電荷信号は、例えば、図５に示すようなものとなる。仮に、図１において、Ｐで示す位置において管(3)が破損して漏水が生じた場合、電荷信号は、例えば、図６に示すようなものとなる。すなわち、破損箇所近傍（位置Ｂおよび位置Ｃ）にある圧電センサユニット(6)の電圧信号は、流体の流れによって通常範囲を超えて大きく振動し、破損箇所に最も近い位置（位置Ｃ）にある圧電センサユニット(6)の電圧信号が、最も大きく（電圧の大きさだけでなく振動の周波数も）変動する。

したがって、チャージアンプ(12)から出力された電圧信号について、電圧出力の上下限および／または振動の周波数帯域の基準値を設定しておき、電圧信号と基準値を比較して、電圧信号が基準値を超えた場合に異常と判定することができる。こうして、漏水による過剰な振動を検知することができ、漏水箇所の特定が可能となる。

表示装置(8)は、中央処理室などに設けられ、地下に埋設された配管や高所にある配管などのように、人手によって検査することが容易ではない配管からなる配管網(2)であっても、その異常を容易に知ることができる。

圧電センサユニット(6)は、継手(4)(5)に代えて、管(3)に取り付けるようにしてもよく、この場合は、図４に示すように、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムからなる圧電素子(9)を管(3)の周囲に貼り付けて、この圧電素子(9)と制御基板(10)とを接続するようにすればよい。

なお、圧電素子(9)としては、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムに代えて、ジルコン酸チタン酸鉛やチタン酸バリウムなどのセラミック材料やポリフッ化ビニリデン以外の樹脂材料などが使用できる。

また、上記実施形態では、制御回路(13)に適宜な判定手段を設けておくことで、異常が起きたときにのみ、監視情報（異常情報）を出力するようにしているが、判定手段を表示装置(8)に設けるようにして、圧電センサユニット(6)からは、チャージアンプ(12)から出力された電圧信号をそのまま表示装置(8)に送信するようにしてもよい。

(1) 配管網の監視装置
(2) 配管網
(3) 管
(4)(5) 継手
(6) 圧電センサユニット
(7) 無線通信機
(8) 表示装置
(9) 圧電素子
(11) キャパシタ（蓄電素子）
(13) 制御回路

Claims

電源として電池を用いない配管網の監視装置であって、
管および継手からなる配管網の複数箇所にそれぞれ取り付けられて配管内流体の移動に伴う圧力変動を電荷信号に変換する複数の圧電素子と、
前記圧電素子に接続され電荷を一時的に蓄える蓄電素子と、
前記圧電素子に接続され電荷信号を増幅するチャージアンプと前記チャージアンプから出力された電圧信号を処理する制御回路とより構成される圧電センサユニットと、
前記圧電センサユニットに接続されるとともに電荷信号を送信する通信機と、を備え、
前記圧電素子で得られた電荷は、一部が前記蓄電素子に供給され、残部が前記チャージアンプに供給され、前記蓄電素子は、電荷を蓄えるとともに、所定の電圧を前記圧電センサユニットに供給することを特徴とする配管網の監視装置。
前記圧電素子で得られた電荷信号が通常範囲かどうかを判定する判定手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の配管網の監視装置。
前記圧電素子は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムとされて、継手に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の配管網の監視装置。