KR101944690B1 - 이상 원인 판정 기능이 구비된 상수관로 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 상수관로 모니터링 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 상수관로에 이상이 발생한 경우 이상 원인을 판정할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 상수관로에 누수와 같은 이상이 발생한 경우 이상 원인을 판정할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 발명의 본 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템은 송수관로에 부착되는 압력센서; 송수관로에 부착되는 초음파센서; 송수관로에 감겨지는 광섬유; 및 상기 압력센서, 초음파센서, 광섬유를 사용해 송수관로에 누수가 발생한 경우, 누수 원인을 판정하는 모니터링 장치를 포함한다.
Description
본 발명은 상수관로 모니터링 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는, 상수관로에 이상이 발생한 경우 이상 원인을 판정할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템에 관한 것이다.
현재 국내 상수관로는 대부분 지하에 매설되어 있으나, 노후화된 관로가 상당 비중을 차지하고 있으며, 또한 유지관리 미흡으로 관로의 노후화가 가속화되고 있는 실정이다. 따라서 용수를 공급하는 과정에서 발생되는 연간 누수량은 상당할 것으로 예상된다. 이것은 수자원의 큰 손실이며, 압력손실로 인한 추가적인 가압 설비가 필요할 수 있고 또한 누수가 발생한 관로 주변의 토질 약화 등을 초래하여 관로망의 유지관리를 더욱 어렵게 할 수 있다.
누수가 발생하는 원인은 부식에 의한 강도 저하, 관로 연결 부위의 재질 및 구조의 부적절, 설계 및 시공기술, 수압이나 수질로 인한 내부 부식의 내부요인과 매설된 관로의 주변환경이나 도로공사, 건설, 지진 등에 의한 손상을 포함하는 외부요인 등 다양하다. 이러한 다양한 원인에 의한 누수 발생을 최소화하기 위해서는 다양한 방지 대책과 함께 실제 누수가 발생했을 경우, 이를 조기에 탐지하여, 평가하고 후속 대책을 세울 필요가 있다.
기존의 누수위치 탐지는 휴대용 장비를 이용하여 누수가 예상되는 위치를 직접 순회하며 탐지하는 방식으로 이루어졌다. 이는 매우 비효율적인 방식으로, 이를 보완하기 위한 방식으로, 가속도계나 하이드로폰을 이용하여 전파되는 초저주파수의 누수신호를 측정하고, 도착지연 시간차를 이용하여 탐지하는 방식, 누수에 따른 수압강하를 이용하여 누수 위치를 탐지하는 방식, 관로 상에 다수의 센서를 설치하여 누수가 발생한 지점의 양 센서를 기준으로 탄성파를 측정하여 탐지하는 방식, 관로에 등이 주로 제시되었다.
본 발명은 정밀하게 누수 위치를 탐지할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 단일 종류의 센서 만을 사용함에 따른 예측치 못하는 오차 인자에 의한 영향을 최소화할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 누수 위치에서의 압력을 측정할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상수관로에 누수와 같은 이상이 발생한 경우 이상 원인을 판정할 수 있는 상수관로 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.
발명의 본 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템은 송수관로에 부착되는 압력센서; 송수관로에 부착되는 초음파센서; 송수관로에 감겨지는 광섬유; 및 상기 압력센서, 초음파센서, 광섬유를 사용해 송수관로에 누수가 발생한 경우, 누수 원인을 판정하는 모니터링 장치를 포함한다.
여기서, 상기 모니터링 장치는 상기 압력센서의 센싱값을 이용한 이상 징후 감지, 상기 초음파센서의 센싱값을 이용한 이상 징후 감지, 상기 광섬유를 이용한 이상 징후 감지의 순서에 따라 이상 징후를 판정할 수 있다.
그리고, 상기 모니터링 장치는 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과는 정상인 경우 누수 원인이 내부요인인 것으로 판단하고, 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과가 이상인 경우 누수 원인이 외부요인인 것으로 판단할 수 있다.
본 발명은 압력센서 및 초음파센서를 이용해 정밀하게 누수 위치를 탐지할 수 있다.
본 발명은 단일 종류의 센서 만을 사용함에 따른 예측치 못하는 오차 인자에 의한 영향을 압력센서와 초음파센서를 혼합하여 최소화할 수 있다.
본 발명은 누수 위치를 기준으로 양측으로 압력이 비선형적으로 변하는 특성에 기인하여 누수 위치에서의 압력을 측정할 수 있다.
본 발명은 다양한 진단 툴을 사용해 상수관로 이상의 원인을 내적 또는 외적 요인으로 구분할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템의 개략도이다.
도 2는 도 1의 모니터링 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 누수에 따른 압력센서와 초음파 센서의 센싱값의 변화를 나타낸 그래프이다
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템의 개략도이다.
도 10는 도 9의 모니터링 장치의 기능 블록도이다.
도 11은 이상 원인 판정 테이블이다.
도 2는 도 1의 모니터링 장치의 기능 블록도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 누수에 따른 압력센서와 초음파 센서의 센싱값의 변화를 나타낸 그래프이다
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템의 개략도이다.
도 10는 도 9의 모니터링 장치의 기능 블록도이다.
도 11은 이상 원인 판정 테이블이다.
첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
따라서, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예들을 가질 수 있으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소는 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서 및 청구 범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 8을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템에 대하여 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템의 개략도이다. 도 2는 도 1의 모니터링 장치의 기능 블록도이다. 도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 위치를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 누수에 따른 압력센서와 초음파 센서의 센싱값의 변화를 나타낸 그래프이다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 상수관로에서 누수 이벤트 발생 예상 범위를 산출하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 누수 위치에서의 수압 산출 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 모니터링 시스템은 상수관로 상에 적어도 2 개의 측정 포인트(110, 120)를 포함할 수 있다. 복수의 측정 포인트는 동일 간격으로 이격될 수 있다. 예를 들어, 복수의 측정 포인트는 500 M 간격으로 이격되어 위치할 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 도면부호 ‘110’을 ‘제 1 측정 포인트’라 칭하고 도면보후 ‘120’을 ‘제 2 측정 포인트’라고 칭한다.
각각의 측정 포인트(110, 120) 상에는 압력센서와 초음파센서가 설치될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 제 1 측정 포인트(110) 상에 설치된 압력센서(SP1)를 제 1 압력센서(110a)라 칭하고, 제 1 측정 포인트(110) 상에 설치된 초음파센서(SS1)를 제 1 초음파센서(110b)라 칭하며, 제 2 측정 포인트(120) 상에 설치된 압력센서(SP2)를 제 2 압력센서(120a)라 칭하고, 제 2 측정 포인트(120) 상에 설치된 초음파센서(SS2)를 제 2 초음파센서(120b)라 칭한다.
제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b)는 통신전원장치(200-1)로부터 전원을 공급 받아 동작하며, 통신전원장치(200-1)을 통해 센싱값을 모니터링 장치에 실시간 전송할 수 있다. 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)는 통신전원장치(200-2)로부터 전원을 공급 받아 동작하며, 통신전원장치(200-2)를 통해 센싱값 및 센싱시각정보를 모니터링 장치(400)에 실시간 전송할 수 있다. 모니터링 장치(400)가 원격에 위치한 경우, 중계장치(300)를 통해 통신전원장치(200-1, 200-2)는 모니터링 장치(400)와 통신할 수 있다.
제 1 압력센서(110a), 제 1 초음파센서(110b), 제 2 압력센서(120a) 및 제 2 초음파센서(120b)는 GPS를 통해 시간 동기화 될 수 있다. 제 1 압력센서(110a), 제 1 초음파센서(110b), 제 2 압력센서(120a) 및 제 2 초음파센서(120b)의 샘플링 속도는 예를 들어, 1 KHz일 수 있다.
도 2를 참조하면 모니터링 장치(400)는 데이터 수집부(410) 및 판정부(420)를 포함할 수 있다.
데이터 수집부(410)는 제 1 압력센서(110a), 제 1 초음파센서(110b), 제 2 압력센서(120a) 및 제 2 초음파센서(120b)로부터 센싱값 및 센싱시각정보를 수집할수 있다.
판정부(420)는 제 1 압력센서(110a), 제 1 초음파센서(110b), 제 2 압력센서(120a) 및 제 2 초음파센서(120b)로부터 센싱값 및 센싱시각정보를 사용해 후술하는 바와 같이, 누수 여부, 누수 위치, 누수 이벤트 발생 예상 범위 및 누수 위치에서의 압력을 감지할 수 있다.
이하, 판정부(420)가 누수 여부, 누수 위치, 누수 이벤트 발생 예상 범위 및 누수 위치에서의 압력을 감지하는 사항에 대하여 구채적으로 설명한다. 판정부(420)는 후술하는 바와 같이, 압력센서(110a, 120a)가 감지한 압력값이 기 설정된 비율 이하로 하강한 때 또는 초음파센서(110b, 120b)가 임계값 이상의 피크값을 감지한 때 송수관로에 누수 이벤트가 발생하였다고 판단할 수 있다.
도 3을 참조하면, 상수관로를 통해 유체가 흐르는 방향을 기준으로, 제 1 압력센서(110a) 및 제 1 초음파센서(110b), 제 2 압력센서(120a) 및 제 2 초음파센서(120b)가 순차로 설치되어 있다. 이때, 도 3은 Pl에서 누수가 발생한 경우를 상정하여 도시되어 있다.
도 4을 참조하면, 제 1 압력센서(110a)의 초기 압력값(정상상태일 때의 압력값)은 P01이고 제 2 압력센서(120a)의 초기 압력값은 P02이다. 수압원(예를 들어, 펌프)으로부터 제 2 압력센서(120a)가 제 1 압력센서(110a) 보다 멀리 있기 때문에, 제 2 압력센서(120a)의 초기 압력값(P02)은 제 1 압력센서(110a)의 초기 압력값(P01) 보다 작을 수 있다. 누수가 발생한 경우, 제 1 측정 포인트(110) 및 제 2 측정 포인트(120)의 압력은 저하된다. 이때, 누수 위치에서의 압력 저하는 압력파 속도로 양측으로 전달되어 제 1 측정 포인트(110) 및 제 2 측정 포인트(120)에서의 압력 저하를 야기한다. 유체에서의 압력파 전파 속도는 1000m/sec로 알려져 있다. 다만, 외적 요인에 의해 압력파 전파 속도는 차이가 있다. 따라서, 다음과 같은 수학식에 의해 본 발명이 적용되는 송수관로의 압력파 전파 속도가 산출될 수 있다.
여기서,
v: 압력파 전파속도 (m/sec)
K: 액체의 채적 탄성율
E: 관재료의 종탄성 계수
D: 관내경
T: 관두께
상대적으로 수압원에 가까이 있는 제 1 압력센서(110a)에 의해 감지되는 기 설정 비율(-3dB) 만큼의 압력 저하를 감지하는 시간(t11)은 상대적으로 수압원에서 제 1 압력센서(110a) 보다 멀리 있는 제 2 압력센서(120a)에 의해 감지되는 기 설정된 비율(-3dB) 만큼의 압력 저하를 감지하는 시간(t12) 보다 빠르다. 만일, 제 1 압력센서(110a)와 제 2 압력센서(120a) 간의 공간 중 중간에서 누수가 발생하였다면 t11과 t12는 동일할 것이다. 이와 같은 원리에 기초하여 본 발명은 두 압력센서(110a, 120a)가 감지한 시간차로 누수 위치를 아래의 수학식으로 감지할 수 있다.
여기서,
t11: 제 1 압력센서(110a)에 의해 감지되는 기 설정 비율(-3dB) 만큼의 압력 저하를 감지하는 시간
t21: 제 2 압력센서(120a)에 의해 감지되는 기 설정된 비율(-3dB) 만큼의 압력 저하를 감지하는 시간
v: 상기 수학식 1에 따라 산출된 압력파 전파 속도
L: 제 1 압력센서(110a)와 제 2 압력센서(120a) 간의 거리
xL: 제 1 압력센서(110a)와 제 2 압력센서(120a) 사이의 공간의 중심에서 제 2 압력센서(120a) 측으로 치우친 거리
수학식 2에 따라, xL이 양(+)의 값을 가지면 수학식 2에 따라 계산된 수치의 크기 만큼 누수 위치는 중심에서 제 2 압력센서(120a) 측으로 치우친 위치이고, xL이 음(-)의 값을 가지면 수학식 2에 따라 계산된 수치의 크기 만큼 누수 위치는 중심에서 제 1 압력센서(110a) 측으로 치우친 위치로 판정될 수 있다.
이에 따라, 두 압력센서를 사용해 누수 위치를 정확히 판정할 수 있다. 이하 상기 수학식 2에 따라 판정된 누수 위치를 Pp라 칭한다.
다시 도 4를 참조하면, 송수관로에서 누수가 발생한 경우, 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 초음파 센서(120b)는 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지할 수 있다. 이때, 소음원의 위치에 따라, 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 초음파 센서(120b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각은 상이할 수 있다. 도 4는 누수 위치가 제 2 초음파 센서(120b) 보다 제 1 초음파센서(110b)에 가까이 위치한 경우를 예시한다. 이 경우, 제 1 초음파센서(110b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각(t21)은 제 2 초음파센서(120b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각(t22) 보다 빠르다. 누수 위치가 제 1 초음파센서(110b)와 제 2 초음파센서(120b) 사이의 공간에서 중심에 위치한 경우에 제 1 초음파센서(110b)와 제 2 초음파센서(120b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각은 동일하고 그 첫 피크 신호의 크기는 동일할 것이다. 도 4의 경우 제 1 초음파센서(110b)가 제 2 초음파센서(120b) 보다 소음원(누수위치)에 가까이 있어 신호 감쇄가 적으므로 제 1 초음파센서(110b)의 첫 피크 신호는 제 2 초음파 센서의 첫 피크 신호 보다 클 수 있다. 이와 같이, 소음원과의 상대적 거리에 따라 제 1 초음파센서(110b)가 감지하는 첫 피크 신호 크기와 제 2 초음파센서(120b)가 감지하는 첫 피크 신호의 크기는 상이하므로, 첫 피크 신호를 감지하는 시각을 이용해 누수 위치를 감지하는 것이 바람직하다.
두 초음파 센서(120b)를 이용해 다음의 수학식에 따라 누수 위치를 감지할 수 있다.
여기서,
t21: 제 1 초음파센서(110b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각
t21: 제 2 초음파센서(120b)가 임계값 이상의 첫 피크 신호를 감지하는 시각
v: 초음파 속도(일반적으로, 유체에서의 초음파 속도는 1500 m/s이며, 유체의 종류에 따라 전파 속도는 선택적으로 적용될 수 있음)
L: 제 1 초음파센서(110b)와 제 2 초음파센서(120b) 간의 거리
xL: 제 1 초음파센서(110b)와 제 2 초음파센서(120b) 사이의 공간의 중심에서 제 2 초음파센서(120b) 측으로 치우친 거리
수학식 3에 따라, xL이 양(+)의 값을 가지면 수학식 3에 따라 계산된 수치의 크기 만큼 누수 위치는 중심에서 제 2 초름파센서(120b) 측으로 치우친 위치이고, xL이 음(-)의 값을 가지면 수학식 3에 따라 계산된 수치의 크기 만큼 누수 위치는 중심에서 제 1 초음파센서(110b) 측으로 치우친 위치로 판정될 수 있다.
이에 따라, 두 초음파센서를 사용해 누수 위치를 정확히 판정할 수 있다. 이하 상기 수학식 3에 따라 판정된 누수 위치를 Ps라 칭한다.
다양한 누수 위치를 상정하여 두 압력센서를 사용해 누수 위치를 판정하고 동일한 방식으로 두 초음파 센서를 사용해 누수 위치를 판정하였다. 그 결과, 두 초음파 센서를 사용해 누수 위치를 판정하는 것이 압력센서를 사용하는 방식 대비 정확도가 높은 것으로 판정되었다. 이는 초음파 센서의 센싱값은 초음파 전달 매질 이외의 요인에 영향을 덜 받으나 압력센서의 센싱값은 매질, 관재로, 관내경 및 관두께(제조사 또는 제조시기에 따라 균일성이 보장되지 않는 요인)에 의한 영향을 많이 받는 것에 기인한 것으로 파악된다. 이에, 다양한 관에 대하여 실험을 하여 그 오차율을 분석하였다. 그 결과, 압력센서를 사용해 샹기와 같은 방식으로 누수 위치를 추적할 경우 압력센서 간의 거리가 500m인 것을 기준으로 약 5 %의 평균 오차를 보이는 것으로 파악되었으며 초음파센서를 사용해 상기와 같은 방식으로 누수 위치를 추적할 경우 초음파센서 간의 거리가 500m인 것을 기준으로 약 3 %의 평균 오차를 보이는 것으로 파악되었다.
이하, 설명의 편의를 위해, 상기와 같은 방식으로 누수 위치를 판정한 것 중,
i) 두 압력센서를 사용해 판정한 누수 위치를 Pp
ii) 두 초음파센서를 사용해 판정한 누수 위치를 Ps
라 칭한다.
도 5를 참조하면, Dp는 Pp를 중심으로 하는 기 설정된 압력센서 누수 위치 오차 범위 
영역 폭이고, Ds는 Ps를 중심으로 하는 기 설정된 초음파센서 누수 위치 오차 범위 
영역 폭이고, Dol은 상기 두 오차 범위가 겹치는 영역 폭일 수 있다. 이때, 도 5는 Dp와 Ds가 일부 겹치는 것을 예시하며 도 6은 Ds 전부가 Dp와 겹치는 경우를 예시한다. 이때, 실제 누수 위치는 Pl일 수 있다. 확률적 개념에서, 누수 위치가 존재할 확률은 R1<R3<R2 일 수 있다. 즉, Dp와 Ps가 겹치는 영역에 실제 누수 위치가 존재할 확률이 가장 높을 수 있다. 아울러, Pp와 Ps 간의 간격(Ddiff)이 좁을수록 달리 표현하면, 압력센서와 초음파센서가 인지한 누수 위치가 서로 가까울수록 두가지 종류의 센서를 통해 파악한 누수 위치의 신뢰도가 높을 수 있다.
이에 본 발명은 다음과 같은 수학식에 따라 누수 이벤트 발생 예상 범위를 판정할 수 있다.
여기서, 
= 겹치는 영역(Dol) 중심을 기준으로 하는 누수 이벤트 발생 예상 범위 구간
겹치는 영역의 좁고 넓음에 관계없는 일관된 기준 적용을 위해, Ds(상대적으로 신뢰도가 높은 구간)를 기준으로 하였으며, 수학식 4에서 
는 겹치는 정도에 기초하여 Ds를 확장하는 확장계수를 산출하는 식이며, 수학식 4에서 
는 이종의 센서가 감지한 누수 위치 간의 차이에 기초하여, Ds을 축소하는 축소 계수를 산출하는 식일 수 있다. 여기서, 
는 이종의 센서가 감지한 누수 위치 간의 차이의 최대값을 의미할 수 있다.
상기와 같이, 이종의 센서를 사용해 누수 위치를 감지하고, 신뢰도가 높은 구간을 기준으로 이종의 센서가 누수 위치를 감지한 양상에 따른 확장계수 및 축소계수를 적용해 누수 이벤트 발생 예상 범위를 확정하는 것에 의해, 누수 보수를 위한 공사 구간을 신뢰도 있게 산출할 수 있다.
누수 위치에서의 압력 저하가 선형적으로 양측으로 전달된다고 가정하면 도 7과 같은 양상일 수 있다.
이때, 다음과 같은 2개의 기울기가 도출될 수 있고, 2개의 기울기는 같을 수 있다.
여기서,
P1: 제 1 압력센서(110a)에 의해 계측된 누수 이벤트 발생 시점에서의 압력값
P2: 제 2 압력센서(120a)에 의해 계측된 누수 이벤트 발생 시점에서의 압력값
x1: 두 압력센서(110a, 110b)를 기초로 산출된 누수 위치(Pp)에서 제 1 압력센서(110a)까지의 거리
x2: 두 압력센서(110a, 110b)를 기초로 산출된 누수 위치(Pp)에서 제 2 압력센서(110a)까지의 거리
이에, 다음의 수학식에 따라 두 압력센서를 이용해 파악한 누수 위치에서의 압력(Pl)이 산출될 수 있다.
다만, 상기 수학식에 의하는 경우, 두 압력센서(110a, 110b) 사이의 중간에서 누수가 발생한 경우(x1=x2) Pl이 무한대가 되어 누수 위치에서의 압력을 계측할 수 없다.
이 경우, 두 압력센서(110a, 110b) 중 어느 하나의 외측에 이웃한 압력센서(130a)를 이용하여 누수 위치에서의 압력을 산출할 수 있다. 도 8은 x1=x2여서 제 2 입력센서(120a)의 외측에 이웃한 제 3 압력센서(130a)를 이용해 누수 위치에서의 압력을 산출하는 경우를 예시한다. 이때, 누수위치를 기준으로 양측으로 압력이 선형적으로 변한다고 가정하면, 다음의 수학식이 성립할 수 있다.
이에, 다음의 수학식에 따라 누수 위치에서의 압력이 산출될 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 누수 위치에서의 압력을 산출하는 것에 의해 상수관로 운영자가 누수 발생에 따른 피해 범위를 용이하게 인지하게 할 수 있다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템에 대하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 상수관로 모니터링 시스템의 개략도이다. 도 10는 도 9의 모니터링 장치의 기능 블록도이다. 도 11은 이상 원인 판정 테이블이다. 이하의 실시예는 상수관로에 이상이 발생한 경우, 이상 원인(특히, 누수 원인)을 구분할 수 있는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 앞서 설명된 사항과 중복되는 사항은 생략하거나 간단히 한다. 도 9 내지 도 11에서 도 1 내지 도 8과 동일한 도면 부호는 도 1 내지 도 8에서와 동일한 기능을 수행할 수 있다.
도 9를 참조하면, 앞서 실시예와 같이, 제 1 측정포인트(110)에 제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b)가 설치되고, 제 2 측정포인트(120)에 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)가 설치될 수 있다.
그리고, 제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)의 계측값은 통신·전원장치(200-1, 200-2)를 통해 모니터링 장치(400)로 전송될 수 있다. 광섬유(600)는 나선형 형태로 송수관로 외측에 감겨질 수 있다. 그리고, 광계측기(500)가 광섬유(600)에 연결될 수 있다. 광 계측기(500)는 광섬유(600)에 시험광을 조사하고 시험광이 광섬유(600)를 진행하면서 반사되어 오는 반사광을 수집할 수 있다. 그리고, 반사광에 대한 트레이스(Trace)를 분석하는 것에 의해 송수관로의 휘어진 위치/파손위치를 감지할 수 있다. 참고로, 송수관로가 휘어진 지점/파손위치에서 반사광은 비정상적으로 커지므로 비정상적인 반사광 패턴을 분석하는 것에 의해 이상 위치를 판정할 수 있다. 본 발명은 광섬유(600)를 이용한 송수관로 이상 판정 방법을 제한하는 것은 아니며, 기 공지된 다양한 광섬유를 이용한 송수관로 이상 판정 방법이 적용될 수 있다.
도 10을 참조하면, 모니터링 장치(400-1)는 데이터 수집부(410-1) 및 판정부(420-1)를 포함할 수 있다. 데이터 수집부(410-1)는 제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)의 계측값 및 광계측기(500)의 이상 판정 결과 정보(이상 유무에 대한 정보, 이상 지점에 대한 정보)를 수신할 수 있다. 도 1 내지 도 8에서 본 바와 같이, 판정부(420-1)는 제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)의 계측값을 사용해, 송수관로 누수 여부, 누수 위치, 누수 이벤트 발생 예상 범위 및 누수 위치에서의 압력을 감지할 수 있다. 이와 더불어, 판정부(420-1)는 제 1 압력센서(110a)와 제 1 초음파센서(110b) 및 제 2 압력센서(120a)와 제 2 초음파센서(120b)의 계측값 및 광계측기(500)의 이상 판정 결과 정보를 사용해 누수가 발생한 경우, 그 이상 원인을 분석할 수 있다.
도 11은 판정부(420-1)의 이상 원인 분석 기준이 되는 이상 원인 판정 테이블이다. 광섬유에 대한 이상 징후는 광계측기(500)를 통한 계측 결과, 비정상적인 반사광 패턴이 발생한 경우이고, 압력센서(110a, 120a)에 대한 이상 징후는 초기 압력(정상상태 압력) 보다 기 설정치 이하(예: -3dB)로 압력이 하강한 경우이고, 초음파센서(110b, 120b)에 대한 이상 징후는 임계값 이상의 피크가 감지된 경우일 수 있다.
도 11을 참조하면, 이상요인은 상수관로 외부요인과 상수관로 내부요인으로 구분될 수 있다. 그리고, 상수관로 외부요인은 공사로 발생되는 충격으로 인한 누수, 지반의 침하에 의한 누수 등으로 분류될 수 있다. 상수관로 내부요인은 부식에 의한 배관 손상으로 인한 누수, 배관과 배관 사이의 결속력이 약화됨에 다른 누수, 수압 조절 이상에 따른 수압 저하 등으로 분류될 수 있다.
먼저, 외부요인의 경우 광섬유, 압력센서, 초음파센서를 통해 이상징후가 감지되는 순서에 대하여 설명한다.
i) 먼저, 공사로 발생되는 충격으로 인한 누수의 경우, 공사로 인한 소음을 초음파센서(110b, 120b)가 가장 먼저 감지할 수 있다. 이때 초음파센서(110b, 120b)의 센싱값을 사용해 이상 징후를 판정함에 있어, 도로를 주행하는 차량에 의해 발생하는 소음은 노이즈로 취급될 수 있다. 이를 위해, 상대적으로 단주기 성 소음은 이상 징후로 판정하고 상대적으로 장주기 성 소음(차량에 의한 소음)은 노이즈로 판단할 수 있다. 그리고, 공사로 발생되는 충격으로 인한 누수의 경우, 공사로 인해 소음이 발생한 후 송수관로 파손으로 이어지므로 파손 상태를 광계측기(500)가 인지할 수 있고, 송수관로 파손에 의한 누수를 압력센서(110a, 120a)의 센싱값을 통해 인지할 수 있다. 즉, 공사로 발생되는 충격으로 인한 누수의 경우, 초음파센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 -> 광계측기에서 이상 징후 감지 -> 압력 센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 순으로 이상 징후가 감지될 수 있다.
ii) 지반 침하로 인한 누수의 경우, 지반이 침하하는 것에 의해 송수관로가 침하되는 이벤트를 광계측기(500)가 감지할 수 있다(휘어지는 구간에서의 비정상적인 반사광을 통해 감지). 그리고, 송수관로가 침하되는 것에 의해 발생되는 소음을 초음파센서(110b, 120b)의 센싱값을 통해 감지할 수 있다. 그리고, 침하의 정도가 심해 송수관로가 파손되면 압력센서(110a, 120a)의 센싱값을 통해 이를 감지할 수 있다. 즉, 지반 침하로 인한 누수의 경우, 광계측기에서 이상 징후 감지 -> 초음파센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 -> 압력 센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 순으로 이상 징후가 감지될 수 있다.
이하, 내부요인의 경우 광섬유, 압력센서, 초음파센서를 통해 이상징후가 감지되는 순서에 대하여 설명한다. 내부요인의 경우, 광계측기의 진단 결과는 정상인 것으로 가정한다. 이는 광계측기에서 이상으로 판정하는 이벤트는 내부요인에 의한 영향이 매우 미비하기 때문이다.
i) 부식에 의한 배관 손상으로 인한 누수의 경우, 초음파센서(110b, 120b)의 센싱값을 통해 가장 먼저 누수 이벤트를 감지하고, 그 다음 압력센서(110a, 120a)의 센싱값을 통해 누수이벤트를 감지할 수 있다. 이는 누수 이벤트가 발생한 경우 초음파가 압력파 보다 빠른 속도로 전파되기 때문이다. 이때, 광계측기(500)에 의한 진단 결과는 정상일 수 있다.
ii) 배관과 배관 사이의 결속력이 약화됨(예: 조인트 풀림)에 따른 누수의 경우, 초음파센서(110b, 120b)의 센싱값을 통해 가장 먼저 누수 이벤트를 감지하고, 그 다음 압력센서(110a, 120a)의 센싱값을 통해 누수이벤트를 감지할 수 있다. 이때, 광계측기(500)에 의한 진단 결과는 정상일 수 있다.
iii) 수압 조절 이상에 따른 수압 저하의 경우 압력센서(110a, 120a)의 센싱값에 의하여만 이상 여부를 감지할 수 있다. 수압 조절 이상에 따른 수압 저하의 경우 소음은 발생하지 않기 때문이다. 이때, 광계측기(500)에 의한 진단 결과는 정상일 수 있다.
상기와 같은 결과에 기초하여 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과는 정상인 경우 판정부(420-1)는 누수 원인이 내부요인인 것으로 판단할 수 있고, 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과가 이상인 경우 판정부(420-1)는 누수 원인이 외부요인인 것으로 판단할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 다양한 이상 징후 감지 수단(압력센서, 초음파센서, 광섬유)을 구비하고 그 감지 수단의 이상 징후 감지 여부 및 이상 징후 감지 순서에 따라 이상 징후를 판단할 수 있다. 이에 의해, 유지 보수시 필요한 작업 공정이 용이하게 파악될 수 있다.
110, 120: 측정포인트
110a, 120a: 압력센서
110b, 120b: 초음파센서
200-1, 200-2: 통신·전원장치
400: 모니터링 장치
500: 광계측기
600: 광섬유
110a, 120a: 압력센서
110b, 120b: 초음파센서
200-1, 200-2: 통신·전원장치
400: 모니터링 장치
500: 광계측기
600: 광섬유
Claims (3)
- 송수관로에 부착되는 압력센서;
송수관로에 부착되는 초음파센서;
송수관로에 감겨지는 광섬유; 및
상기 압력센서, 초음파센서, 광섬유를 사용해 송수관로에 누수가 발생한 경우, 누수 원인을 판정하는 모니터링 장치를 포함하고,
상기 모니터링 장치는 상기 압력센서의 센싱값을 이용한 이상 징후 감지, 상기 초음파센서의 센싱값을 이용한 이상 징후 감지, 상기 광섬유를 이용한 이상 징후 감지의 순서에 따라 이상 원인을 판정하고,
상기 모니터링 장치는 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과는 정상인 경우 누수 원인이 내부요인인 것으로 판단하고, 송수관로에 누수가 발생하였는데 광섬유에 의한 진단 결과가 이상인 경우 누수 원인이 외부요인인 것으로 판단하며,
상기 모니터링 장치는 광계측기를 통한 계측 결과 비정상적인 반사광 패턴이 발생한 경우 상기 광계측기에서 이상 징후를 감지한 것으로 판단하고, 초기 압력 보다 기 설정치 이하로 압력이 하강한 경우 상기 압력 센서에서 이상 징후를 감지한 것으로 판단하고, 상기 초음파 센서에서 임계값 이상의 피크가 감지된 경우 초음파 센서에서 이상 징후를 감지한 것으로 판단하고,
상기 모니터링 장치는 상기 초음파센서의 센싱값으로 이상 징후 감지, 상기 광계측기에서 이상 징후 감지, 상기 압력 센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 순으로 이상 징후를 감지한 경우, 이상 징후가 상기 송수관로 외적 요인 중 공사로 발생되는 충격에 의한 누수인 것으로 판단하고, 상기 광계측기에서 이상 징후 감지, 상기 초음파센서의 센싱값으로 이상 징후 감지, 상기 압력 센서의 센싱값으로 이상 징후 감지 순으로 이상 징후가 감지된 경우, 이상 징후가 상기 송수관로의 외적 요인 중 지반 침하로 인한 누수인 것으로 판단하고, 상기 초음파센서의 센싱값을 통해 누수 이벤트를 감지한 후 상기 압력센서의 센싱값을 통해 누수이벤트를 감지하고 상기 광계측기의 진단 결과는 정상인 경우 상기 송수관로의 내적 요인 중 부식에 의한 상기 송수관로의 배관 손상 또는 상기 송수관로의 배관과 배관 사이의 결속력이 약화됨에 따른 누수인 것으로 판단하고, 상기 압력센서, 초음파센서, 광섬유 중 상기 압력센서에 의하여만 이상 여부가 감지된 경우 수압 조절 이상에 따른 수압 저하로 판정하고, 상기 모니터링 장치는 상대적으로 장주기성 소음은 노이즈로 판단하고 상대적으로 단주기성 소음은 이상 징후로 판정하는 것을 특징으로 하는 송수관로 모니터링 시스템.
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2018
- 2018-10-22 KR KR1020180125851A patent/KR101944690B1/ko active IP Right Grant
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