(57)【要約】【課題】水道の漏水検知を行う際に、騒音の多い昼間の時間帯や場所でも雑音除去が出来る装置で漏水箇所が容易に発見できる方法を提供する。【解決手段】従来の装置はセンサが一つまたは複数個のセンサを使用して任意地表面の振動を採取する方法であった。このため漏水波とノイズ波が混在した波として捕らえるしかなかった。本装置は水平方向より到来するノイズ波と垂直方向から到来する漏水波の到来方向の特徴を複数のセンサ配置方法によって到来する波の時間差（位相差）がセンサ信号間に現れこの信号をアンプユニットで位相処理することによりノイズ波と漏水波に分離することに特徴がある。またフィルター等に依り周波数帯域を限定する方法で漏水波を抽出しようとするとする従来の方式とは全く異なる方式である。センサユニットにおいては、地表面の振動を確実に捕らえるためフレキシブル結合材に依るセンサと地表面との面接触により安定な振動検出が出来るところに特徴がある。【選択図】図１
2014238380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された水道管の漏水箇所を地表から発見する作業において、騒音の多い昼間の時間帯でも使用できることを特徴とする漏水検知装置で未経験者でも本装置を使用することにより漏水箇所が発見できることを特徴とする検出方式。
【請求項２】
漏水箇所の検出方法は、地中レーダーシステムや最少流量測定法などがあるが、高額な装置やシステムを必要とするためにコストがかかる。また最終的な判断は、検査者による漏水音での検査で行われ、これには検査者の熟練が必要である。以上の問題点を解決するための新たな漏水検出機器。
【請求項３】
本装置のセンサユニットはセンサを複数個使用することによりノイズ波と漏水波の位相差を利用してノイズ波と漏水波を分離識別できることに特徴があり、本センサユニットはフレキシブル結合材を介して地表の振動を安定的に捉える検出方式。
【請求項４】
地表の振動を複数個、少なくとも５つのセンサで安定的に捕らえられる構造であることが重要であり、センサを取り付ける地表の状態に関係なく感度及び特性が安定している必要がある。５つのセンサ間の感度の個体差は回路ゲインにて調整し、接触方式は地表とセンサ間を「振動伝達特性が良好なフレキシブル結合材」で接続するため地表の振動を安定に検出できる装置。
【請求項５】
データ処理システムはアンプユニットから無線により送られた漏水波データとノイズ波データを受信し、人間の耳では識別困難な漏水音をコンピュータにより波形分析して、オペレータをサポートするシステム。
【請求項６】
本装置の特徴はセンサを複数個使用した位相差相殺方式にあり、センサユニット周りのセンサの合成信号ＷＲＳと中央のセンサ信号ＷＣＳの位相差Ｔから、水平方向からの波と垂直方向からの波を識別して検出することが出きる機能を要する装置。
【請求項７】
信号処理はセンサユニットのセンサ配置方法と信号演算方法により水平方向からのノイズ波を相殺しながら垂直方向からの漏水波を取り込む事ができ漏水波はアンプユニットで増幅されヘッドフォンで聴き取ることができる装置で漏水音判断が人では難しい場合、この音をコンピュータでデータ処理を行う装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  水道の漏水を検知する際に、従来の装置はセンサが一つまたは複数個であり任意地表面の振動を採取する方法で、漏水波とノイズをフィルターで選択して、振動波が混在した波として捕らえるしかなかった。本装置のセンサユニットは水平方向からのノイズ波と垂直方向からの漏水波の振幅及び位相差を利用してノイズ波と漏水波を分離識別できるためのセンサ配置方法と演算方法に特徴がある。
センサは正方形の頂点にそれぞれ１個、正方形の中心に１個の、計５個の配置となる。【０００２】  このことにより周囲から到来する波の時間差（位相差）がセンサ信号間に現れこの信号をアンプユニットで位相処理することによりノイズ波と漏水波に分離することが出来る。【０００３】  従来のセンサユニットは地表との接触が金属等硬質のもので接触させる方式であったが地表の振動を捉えるには接触面が不安定である。本センサユニットはフレキシブル結合材を介して地表の振動を安定的に捉える。【０００４】  従来の装置にあるフィルターを使用する方法が知られているが周囲の外来雑音をフィルターだけで除去しても、水道の漏水音が感知しきれないため、センサ部に複数センサを配置してノイズ波と漏水波の進行方向の特徴を活用して周囲の雑音と水道の漏水音を識別する。更に識別能力を高めるためにコンピュータのＦＦＴ処理技術を駆使して水道漏水音のみを検出する。
【背景技術】
【０００５】  水道は国民生活をはじめ都市基盤を支える重要な基幹施設であり、近代都市で生活する上で欠かせない存在である。水道管は、主に道路下に埋設され、常時２ｋｇ／ｃｍ２から１０ｋｇ／ｃｍ２にも及ぶ水圧が加えられており、常に漏洩の危険性をはらんでいる。地中で起こる漏水は発見が困難であり、地下での漏水が見過ごされれば、無駄な水道料金の支払いのみならず、水資源の損失、給水不良、道路陥没、建物への浸水等の二次的災害を引き起こす恐れもある。【０００６】  これまでの測定方法では周囲の雑音や振動等により、深夜や人通りのない時間帯に熟練した経験者が測定し漏水箇所を特定する特許文献１に記載されている方法であったが、本発明による周囲の雑音等に影響されずに測定できる装置により時間帯や熟練者による制約がなく水道漏水箇所の特定ができる。
【特許文献１】特開２００６−１３８８８０
【発明が解決しようとしている課題】
【０００７】  位相差方式による漏水音検出方式は図１．図２．漏水箇所の真上に置かれたセンサユニットに対し、水平方向から到来するノイズ波と真下から垂直方向に到来する漏水波がある場合を想定すると中心位置のセンサＣＳのセンサ出力信号（ＷＣＳ）とセンサユニットの外周に配置したセンサＲＳ１〜ＲＳ４の平均センサ出力信号（ＷＲＳ）と間には以下の特徴がある。
▲１▼水平方向から到来するノイズ波に対して  振幅はＷＣＳ≧ＷＲＳ  位相はＷＣＳ＝ＷＲＳ
▲２▼垂直方向から到来する漏水波に対して    振幅はＷＣＳ＝ＷＲＳ  位相はＷＣＳ≠ＷＲＳ
センサユニットのセンサ配置方法から得られた▲１▼▲２▼の特徴を信号演算方法により水平方向からのノイズ波を相殺しながら垂直方向からの漏水波を取り込むことができ、漏水波はアンプで増幅されヘッドフォンで聴き取ることができる。周りの騒音が気になる場合はノイズキャンセラー機能のヘッドフォンを使用し、漏水音判断が人では難しい場合この音をコンピュータでデータ処理する。
【０００８】  本装置の特徴はセンサを複数個使用した位相差方式にある。
▲１▼センサユニットの外周に配置したセンサの合成信号ＷＲＳと外周のセンサの重心位置に配置した中央のセンサ信号ＷＣＳの位相差から、水平方向のノイズ波を相殺しながら垂直方向からの漏水波を取り出すことができ、センサ外径が大きいほど漏水波の検知能力は向上する。
センサユニットが漏水箇所の真上に位置した場合、水平方向から到来する波＝ノイズ波と垂直方向から到来する波＝漏水波を識別することが出来る。
▲２▼  ▲１▼にて説明の位相差による水平、垂直感度変化を利用して得られた波形データをコンピュータの波形処理が活用できるようになり、ノイズ波と漏水波を識別出来た場合と識別できてない場合においてコンピュータで波形処理した場合、識別された波形の処理結果の優位性は明らかである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  位相差方式による漏水音検出方式の詳細は図１、図２に示す。
センサユニットに対しノイズ波は水平方向から漏水波は垂直方向から到来し、漏水音やノイズを含めあらゆる振動が大地を伝わる伝播速度は波形及び周波数に無関係に一定である。中心のセンサＣＳは周りのセンサＲＳ１〜ＲＳ４の重心位置に配置され個々のセンサ感度は全て同じとする。
センサユニットの周りから到来したノイズ波ＷＮはセンサユニットの外周に配置したセンサＲＳ１〜ＲＳ４及び中心位置のセンサＣＳで検出される。
ＣＳで検出されたノイズ波ＷＣＳと  ＲＳ１〜ＲＳ４で検出されたノイズ波の平均ＷＲＳとは同位相の信号波であるが振幅が僅かに異なる。  振幅はノイズ波の周波数により異なりノイズ波ン対する補正関数をＦ（Ｘ）とすると、補正関数を加味したこの二つの信号の引き算結果はゼロとなりノイズは消えることになる。
ノイズ波ＷＮに対してＷＣＳ＊Ｆ（Ｘ）−ＷＲＳ＝０となる。
センサユニットが漏水箇所の真上にある場合、真下から到来した漏水波ＷＬはセンサユニットの外周に配置したセンサＲＳ１〜ＲＳ４と中心位置のセンサＣＳで検出される。しかし漏水箇所と外周に配置したセンサ間距離、漏水箇所と中心位置のセンサ間距離が異なるため位相差が発生することになる。
ＣＳで検出された漏水波＝ＷＣＳはＲＳ１〜ＲＳ４で検出された漏水波の平均＝ＷＲＳと振幅が同等で位相が異なる信号波である。ノイズ取り込みと同様の引き算結果は漏水波（漏水音）である。
漏水波ＷＬに対しＷＣＳ＊Ｆ（Ｘ）−ＷＲＳ＝位相差に依る振幅
ノイズ波と漏水波が混在した波を  ＷＣＳ＊Ｆ（Ｘ）−ＷＲＳの演算式により漏水波だけを抽出することが可能となる。
よってセンサユニットが漏水箇所の真上にある場合、ノイズを除去して漏水波を取り出すことができ、増幅してヘッドフォンに繋げれば漏水音を聞くことができ、結果として騒音の中において漏水箇所を発見できるのである。
【００１０】  図８．はセンサＣＳ、ＲＳ１，ＲＳ３のノイズ波位相の違いを利用したノイズ波除去方法である。ノイズ波Ｓｉｎ  Ｘがセンサユニットに対して通過した場合のセンサ信号は
センサＣＳ＝ＳｉｎＸ  センサＲＳ１＝Ｓｉｎ（Ｘ＋α）  センサＲＳ３＝Ｓｉｎ（Ｘ−α）
である。
ＷＣＳ＝センサＣＳ＝ＳｉｎＸ
ＷＲＳ＝（ＲＳ１＋ＲＳ３）／２＝（Ｓｉｎ（Ｘ＋α）＋Ｓｉｎ（Ｘ−α））／２
三角関数の加法定理により
ＷＲＳ＝（ＲＳ１＋ＲＳ３）／２＝（Ｓｉｎ（Ｘ＋α）＋Ｓｉｎ（Ｘ−α））／２
＝｛（Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα＋ＣｏｓＸ＊Ｓｉｎα）＋（Ｓｉｎ  θ＊Ｃｏｓα−Ｃｏｓ  Ｘ＊Ｓｉｎ  α）｝／２＝Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα
上記を整理するとノイズ波Ｓｉｎ  Ｘに対してＷＣＳ＝Ｓｉｎ  Ｘ
ＷＲＳ＝Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα    ＷＣＳとＷＲＳは同位相であるが振幅が異なる。
【００１１】  中心のセンサＣＳで検出されたノイズ波ＷＣＳ＝Ｓｉｎ  Ｘで、周囲のセンサＲＳ１〜ＲＳ４で検出されたノイズの合成波ＷＲＳ＝Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα  ＷＣＳ  ≧ＷＲＳの関係が成り立ち、センサ間距離ｌｓが一定で地中の伝播速度が周波数に関係なく一定であれば周波数が高いほど波長λが短いほど顕著に現れる。到来するノイズ波は、波長λと周波数ｆ（速度Ｖ一定）が常に変化し、センサ間距離ｌｓが一定のため到来するノイズ波の波長λの変化によりセンサ間の位相差が変化する。この対策としてＷＣＳ＊Ｆ（ｘ）−ＷＲＳ＝０となるための周波数ゲイン補正関数Ｆ（ｘ）の要素を加味すると、ＷＣＳ＝Ｓｉｎ  Ｘ  ＷＲＳ＝Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓαの関係から補正関数Ｆ（ｘ）＝Ｃｏｓ  αを求める。
ノイズ波の波長：λ    ノイズ波の速度：Ｖ    ノイズ波の周波数：ｆ
ＣＳーＲＳｎ間距離：ｌｓ  ノイズ波の位相差：α  周波数ゲイン補正関数Ｆ（ｘ）を求めると、ｌｓ／λ＝α／２π    λ＝Ｖ／ｆ    α＝  ２π＊ｆ  ＊ｌｓ／Ｖ
Ｆ（ｘ）＝Ｃｏｓα＝Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）
ＷＣＳ＊Ｆ（ｘ）−ＷＲＳ＝０によりノイズ波がキャンセルされることになる。
図７．に周波数ゲイン補正関数Ｆ（ｘ）の具体例を示す。
【００１２】  漏水波（垂直到来波）検出方式図９．は、漏水箇所から発せられる漏水波Ｓｉｎ  ｙがセンサＣＳ位置で位相ｙの場合の漏水検知信号を求める。
外周に配置したセンサＲＳ１，ＲＳ２，ＲＳ３、ＲＳ４の平均センサ出力信号（ＷＲＳ）と中心位置のセンサＣＳのセンサ出力信号（ＷＣＳ）との位相差をβとし、漏水波長λの位相差βを求めるとβ＝｛（√（ｌｓ＾２＋ｌｃ＾２）−ｌｃ）／λ｝＊２π［ｒａｄ］
上記を整理すると漏水波Ｓｉｎ  ｙに対してＷＣＳ＝Ｓｉｎ  ｙ  ＷＲＳ＝Ｓｉｎ（ｙ−β）
ＷＣＳとＷＲＳは振幅は同じで位相が異なる。
漏水検知信号＝ＷＣＳ−ＷＲＳ＝Ｓｉｎ  ｙ−ＳＩＮ（ｙ−β）
【００１３】  漏水波抽出計算はノイズ波と漏水波が混在した中から漏水波を抽出する。
▲１▼ノイズ波  Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ  をセンサが取り込む信号は
ＷＣＳ＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ
ＷＲＳ＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα
▲２▼漏水波    Ｌ＊Ｓｉｎ  ｙ  をセンサが取り込む信号は
ＷＣＳ＝Ｌ＊Ｓｉｎ  ｙ
ＷＲＳ＝Ｌ＊Ｓｉｎ（ｙ−β）
▲３▼ノイズ波と漏水波が混在したＷＣＳとＷＲＳを求める。
ＷＣＳ＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＋Ｌ＊Ｓｉｎ  ｙ
ＷＲＳ＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα＋Ｌ＊Ｓｉｎ（ｙ−β）
▲４▼ノイズ波と漏水波が混在した中から漏水波を抽出する
ノイズ波に対して振幅：ＷＣＳ≧ＷＲＳ  位相：ＷＣＳ＝ＷＲＳ
漏水波に対して振幅：ＷＣＳ＝ＷＲＳ  位相：ＷＣＳ≠ＷＲＳ
上記の特徴からノイズ波の振幅に対するＷＣＳーＷＲＳ＝０の関係を維持すれば漏水波の位相差のみが抽出でき位相差の結果が漏水波に等しくなる。
ノイズ波に対するゲイン補正関数をＦ（ｘ）とし下記の計算により漏水波抽出が可能である。
漏水波＝ＷＣＳ＊Ｆ（ｘ）−ＷＲＳ
＝｛Ｎ＊ＳｉｎＸ＋Ｌ＊Ｓｉｎｙ｝＊Ｆ（ｘ）−｛Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα＋Ｌ＊    Ｓｉｎ（ｙ−β）｝＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｆ（ｘ）＋Ｌ＊Ｓｉｎ  ｙ＊Ｆ（ｘ）−Ｎ＊    Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα−Ｌ＊Ｓｉｎ（ｙ−β）
＝Ｎ｛Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｆ（ｘ）−Ｓｉｎ  Ｘ＊Ｃｏｓα｝＋Ｌ｛Ｓｉｎ  ｙ＊Ｆ（ｘ）−    Ｓｉｎ（ｙ−β）｝
＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊｛Ｆ（ｘ）−Ｃｏｓα｝→ノイズ波成分
＋Ｌ｛Ｆ（ｘ）＊Ｓｉｎ  ｙーＳｉｎ（ｙ−β）｝→漏水波成分
｛Ｆ（ｘ）−Ｃｏｓα｝をゼロにするつまりＦ（ｘ）＝Ｃｏｓαとなる
補正関数Ｆ（ｘ）＝Ｃｏｓα＝Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）を代入すると
＝Ｎ＊Ｓｉｎ  Ｘ＊｛Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）ーＣｏｓα｝  →ノイズ波成分
＋Ｌ｛Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）＊Ｓｉｎ  ｙーＳｉｎ（ｙ−β）｝→漏水波成分
アンダーライン部分がゼロとなりノイズ波がなくなるので漏水波のみとなる
＝Ｌ｛Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）＊Ｓｉｎ  ｙーＳｉｎ（ｙ−β）｝→漏水波成分
Ｃｏｓ（２π＊ｆ＊ｌｓ／Ｖ）は概ね０．９から１．０の値をとるため１．０とみなすと≒Ｌ｛Ｓｉｎ  ｙ−Ｓｉｎ（ｙ−β）｝→漏水波成分
ノイズ波＋漏水波の混在波を取り込む際にバンドパスフィルター等により帯域制限すればＦ（Ｘ）の値変化が小さくなり漏水波が抽出しやすくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例１】
【００１４】  センサユニットの特徴は図４．従来の装置はセンサが一つであり任意地表面の振動を採取する方法であった。このため漏水波とノイズ波が混在した波として捕らえるしかなかった。本装置のセンサユニットはセンサを複数個使用することによりノイズ波と漏水波の位相差を利用してノイズ波と漏水波を分離識別できることに特徴がある。このことにより到来する波の時間差（位相差）がセンサ信号間に現れこの信号をアンプユニットで位相処理することによりノイズ波と漏水波に分離することが出来る。
従来のセンサユニットは地表との接触が金属等硬質のもので接触させる方式であったが地表の振動を捉えるには接触面が不安定である。本センサユニットはフレキシブル結合材を介して地表の振動を安定的に捉えるところに特徴がある。【００１５】  センサユニットの接触構造は図６．地表の振動を４つのセンサで安定的に捕らえられる構造であることが重要であり、センサを取り付ける地表の状態に関係なく感度及び特性が安定している必要がある。４つのセンサ間の感度の個体差は回路ゲインにて調整し、接触方式は地表とセンサ間を「振動伝達特性が良好なフレキシブル結合材」で接続するため地表の振動を安定に検出できる。【００１６】  センサユニットは携帯性、耐久性、操作性を考えた構造とし、検査員が歩きながら片手で扱える軽量・小型なものとする【００１７】  アンプユニットの内部構成を図５．に示す。
ヘッドフォンはアンプユニットから出力される外来ノイズと漏水音が混在した音からノイズ除去後の微弱な漏水音を騒音の中で聴き取るためノイズキャンセラー機能付きの市販ヘッドフォンを使用する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】上空から見たノイズ伝播予想図
【図２】地中断面から見たノイズ伝播予想図
【図３】装置の構成
【図４】センサユニットの構成
【図５】アンプユニット内部構成図
【図６】センサユニットの接触方式
【図７】周波数ゲイン補正関数Ｆ（ｘ）グラフ
【図８】ノイズ波（水平方向到来波）検出方式
【図９】漏水波（垂直方向到来波）検出方式
【符号の説明】１  センサユニット
２  振動センサ
３  アンプユニット
４  タブレットＰＣ
５  ヘッドフォン
６  漏水波
【図１】
2014238380.tif 000003
【図２】
2014238380.tif 000004
【図３】
2014238380.tif 000005
【図４】
2014238380.tif 000006
【図５】
2014238380.tif 000007
【図６】
2014238380.tif 000008
【図７】
2014238380.tif 000009
【図８】
2014238380.tif 000010
【図９】
2014238380.tif 000011