(57)【要約】【課題】 合成樹脂管や大口径管の流体漏洩による振動音に対して感度が高く、設置スパンを長くとれるため、より効率的な流体漏洩調査が可能となる圧電型振動センサーおよびこれを用いた漏洩検知方法を提供する。【解決手段】  圧電型振動センサー6は、振動音を電気信号に変換する圧電素子12と、圧電素子12の一端部を支持する支持手段13と、圧電素子12の他端部に荷重を負荷する錘16とを備えている。圧電素子12の支持手段13による支持位置と錘16の負荷位置との距離が機械的に可変とされている。これにより、圧電型振動センサー6の共振周波数が可変とされている。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子の一端部を支持する支持手段と、圧電素子の他端部に荷重を負荷する錘とを備えており、圧電素子の支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離が機械的に可変とされていることにより、共振周波数が可変とされていることを特徴とする圧電型振動センサー。
【請求項２】
支持手段は、台座に固定された支柱と、圧電素子の一端側にある部分を上下両側から挟んで台座上を移動することによって圧電素子の支持される部分の長さを変化させるスライダーとを備えていることを特徴とする請求項１に記載の圧電型振動センサー。
【請求項３】
支持位置と錘の負荷位置との距離が最大時の圧電型振動センサーの共振周波数が１５０Ｈｚ以下に、支持位置と錘の負荷位置との距離が最小時の圧電型振動センサーの共振周波数が４００Ｈｚ以上に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電型振動センサー。
【請求項４】
請求項１から３までのいずれかに記載の圧電型振動センサーを配管部材の近傍に設置し、配管からの流体漏洩によっておこる振動を検知することで流体漏洩の有無を判定することを特徴とする漏洩検知方法。
【請求項５】
漏洩検知対象の配管部材が合成樹脂製か金属製かに対応して、合成樹脂製の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に低い値とし、金属製の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に高い値とすることを特徴とする請求項４に記載の漏洩検知方法。
【請求項６】
漏洩検知対象の配管部材の管の口径が相対的に大か小かに対応して、口径が相対的に大の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に低い値とし、口径が相対的に小の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に高い値とすることを特徴とする請求項４または５に記載の漏洩検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電型振動センサーおよびこれを用いた漏洩検知方法に関し、特に、水道管、建物配管、工場内配管などからなる各種配管において、流体漏洩を検出する用途に適した圧電型振動センサーおよびこれを用いた漏洩検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、漏水による水道管の振動をセンサーで検知することが一般になされている。例えば、特許文献１においては圧電素子を内蔵した検出部と剛性材料からなる台座部をゴム材料で連結した圧電型振動センサーが開示されている。これによれば、合成樹脂管に伝わる低周波振動を共振により増幅させることができるとされている。
【０００３】
また、水道管路における消火栓等に２個の検出器を設置し、得られた相関波形を解析することで漏水箇所を特定する方法がある。例えば、特許文献２には、導管の漏れを特定する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第３２２３３３７号公報
【特許文献２】特開平８−２２６８６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
管の材質が合成樹脂製であったり、管の口径が大きいと、流体漏洩によって起きる振動の減衰が大きい。上記従来のものでは、合成樹脂管や大口径の金属管における微小な振動に対する感度が十分でなく、例えば消火栓に設置する場合、検出器の設置スパンを短くする必要があり、広域の漏水調査を行おうとすると労力が大きいという問題があった。
【０００６】
この発明の目的は、合成樹脂管や大口径管の流体漏洩による振動音に対して感度が高く、設置スパンを長くとれるため、より効率的な流体漏洩調査が可能となる圧電型振動センサーおよびこれを用いた漏洩検知方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による圧電型振動センサーは、振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子の一端部を支持する支持手段と、圧電素子の他端部に荷重を負荷する錘とを備えており、圧電素子の支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離が機械的に可変とされていることにより、共振周波数が可変とされていることを特徴とするものである。
【０００８】
圧電素子の一端部が台座に支持されて、錘が圧電素子の他端部（台座に支持されていない部分）に負荷されているようにするには、例えば、フィルム状（またはシート状）の圧電素子の片端を支持し、錘の負荷によって圧電素子に曲げ変形を加えることによって電位差を発生させるようにすればよい。これにより、バネ定数を小さくなり、共振周波数が低くなる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる。
【０００９】
流体漏洩の検出対象となる配管部材には、金属管か合成樹脂管かの材料違いの他に、口径についても、種々のものがあり、これらの相違点によって、共振周波数が異なっている。この発明による圧電型振動センサーによると、圧電型振動センサー側で、共振周波数を変化させることができるので、同じ圧電型振動センサーを使用して、その共振周波数を変化させることによって、種々の配管部材における流体漏洩の検出が可能となる。
【００１０】
圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数について、バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）のバネの片端を固定し、片端に質量Ｍ（ｋｇ）の錘をつけたときの共振周波数ｆｏはｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表せる。
【００１１】
圧電素子の片端を支持する場合、バネ定数kは下記のように表される。
【００１２】
ｋ＝３ＥＪ／Ｌ３  （Ｊ＝ｂｈ３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数  Ｊ：断面２次モーメント  Ｌ：長さ  ｂ：幅  ｈ：高さ（厚さ）。
【００１３】
Ｌは、片持ちの梁の長さであり、圧電素子の支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離がこれに対応している。すなわち、支持位置と錘の負荷位置との距離を変更することで、共振周波数が可変となる。
【００１４】
梁の長さＬを大きくすると共振周波数ｆｏは低くなり、Ｌを小さくするとｆｏは高くなる。上式より、ｆｏはＬの３／２乗に反比例することが分かる。
【００１５】
配管の漏洩によって発生する漏洩振動は配管の材質や口径によってピークとなる周波数が異なる。この発明の圧電型振動センサーによると、配管の材質や口径に合わせて梁の長さを機械的に変更し、共振周波数を自在にコントロールすることができる。
【００１６】
圧電素子は、セラミック材料または高分子材料で形成される。
【００１７】
セラミック材料の場合には、スパッタリング等の方法を用いてガラス基板上にチタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛（PZT）などの圧電体を製膜することでシート状のセラミック製圧電素子とすることが好ましい。
【００１８】
圧電素子は、高分子材料で形成されていることが好ましい。高分子材料のフィルム状圧電素子は、曲げに対する強度が大きく、破壊しにくいため好ましい。高分子圧電材料は特に限定されないが、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムや多孔性のポリプロピレン延伸フィルムなどが挙げられる。中でも、ポリフッ化ビニリデンは耐久性が高く、好適である。圧電素子の厚みは、特に限定されるものではなく、「フィルム」と称されている厚みのものであってもよく、「シート」と称されている厚みのものであってもよい。
【００１９】
圧電素子における錘の負荷位置との距離が機械的に可変とする構成は、特に限定されないが、例えば、支持手段は、台座に固定された支柱と、圧電素子の一端側にある部分を上下両側から挟んで台座上を移動することによって圧電素子の支持される部分の長さを変化させるスライダーとを備えているものとされる。
【００２０】
このようにすると、簡単な構成で支持位置と錘の負荷位置との距離を変更することができ、また、支持位置と錘の負荷位置との距離を変更するための操作を容易なものとできる。
【００２１】
支持位置と錘の負荷位置との距離が最大時の圧電型振動センサーの共振周波数が１５０Ｈｚ以下に、支持位置と錘の負荷位置との距離が最小時の圧電型振動センサーの共振周波数が４００Ｈｚ以上に設定されていることが好ましい。
【００２２】
共振周波数が１５０Ｈｚ以下の圧電型振動センサーは、漏洩検知対象の配管部材が合成樹脂製でかつ口径が相対的に大きい場合に適しており、共振周波数が４００Ｈｚ以上の圧電型振動センサーは、漏洩検知対象の配管部材が金属製でかつ口径が相対的に小さい場合に適している。共振周波数が１５０Ｈｚ以下および４００Ｈｚ以上のいずれにも適用可能とすることで、例えば対象とする水道管路で異なる配管部材が使用されていても、同じ圧電型振動センサーを使用して、圧電素子の支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離の変更だけで対応することができる。
【００２３】
この発明による漏洩検知方法は、上記いずれかの圧電型振動センサーを配管部材の近傍に設置し、配管からの流体漏洩によっておこる振動を検知することで流体漏洩の有無を判定することを特徴とするものである。
【００２４】
この発明による漏洩検知方法において、漏洩検知対象の配管部材が合成樹脂製か金属製かに対応して、合成樹脂製の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に低い値とし、金属製の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に高い値とすることが好ましく、また、漏洩検知対象の配管部材の管の口径が相対的に大か小かに対応して、口径が相対的に大の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に低い値とし、口径が相対的に小の配管部材に対しては、圧電型振動センサーの共振周波数を可変可能範囲のうちの相対的に高い値とすることが好ましい。
【００２５】
こうして、共振周波数が可変とされた圧電型振動センサーを使用して、配管部材の材料や管の口径に応じて、圧電型振動センサーは変更せずに、その共振周波数を変更することで、精度の高い漏洩検出を行うことができる。したがって、配管部材の材料や管の口径に応じて、圧電型振動センサーを変更する漏洩検知方法に比べて、システムを簡素化することができる。
【発明の効果】
【００２６】
この発明の圧電型振動センサーによると、振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子の一端部を支持する支持手段と、圧電素子の他端部に荷重を負荷する錘とを備えているので、バネ定数が小さくなり、共振周波数が低くなる。したがって、合成樹脂管の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなり、設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる。
【００２７】
さらに、圧電素子の支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離が機械的に可変とされているので、共振周波数を自在にコントロールすることができる。したがって、同じ圧電型振動センサーを使用して、異なる配管部材に対し、支持手段による支持位置と錘の負荷位置との距離を変更するだけで対応することができる。
【００２８】
この発明の漏洩検知方法によると、共振周波数が可変とされた圧電型振動センサーを使用して、配管部材の材料や管の口径に応じて、圧電型振動センサーは変更せずに、その共振周波数を変更することで、精度の高い漏洩検出を行うことができる。したがって、配管部材の材料や管の口径に応じて、圧電型振動センサーを変更する漏洩検知方法に比べて、システムを簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、この発明による圧電型振動センサーが使用される一例としての配管の監視装置を模式的に示す図である。
【図２】図２は、この発明による圧電型振動センサーの１実施形態を模式的に示す図である。
【図３】図３は、図２の状態からスライダーを移動させたときの状態を示す図である。
【図４】図４は、この発明の圧電型振動センサーに対する比較例を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
この発明の実施の形態を、以下図面を参照して説明する。
【００３１】
図１は、この発明による圧電型振動センサーが使用される一例としての配管の監視装置を示している。
【００３２】
配管の監視装置(1)は、複数の合成樹脂管(3)および複数の合成樹脂継手(4)(5)で構成された配管（図示は水道管路網）(2)と、各継手(4)(5)に設けられた圧電型振動センサー(6)と、各圧電型振動センサー(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処理する解析装置(8)とを備えている。
【００３３】
配管(2)内で漏水が発生すると、合成樹脂管(3)および合成樹脂継手(4)(5)には、振動音が生じる。これに伴って、合成樹脂継手(4)(5)に貼り付けられた圧電型振動センサー(6)の圧電素子に付与される圧力が変動し、圧電素子において、圧力変動が電荷信号に変換される。
【００３４】
図４には、この発明の圧電型振動センサー(6)に対する比較例の圧電型振動センサー(6')を示している。比較例の圧電型振動センサー(6')は、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置されたフィルム状圧電素子(22)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(22)を支持する支持手段としての支柱(23)と、圧電素子(22)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(24)(25)と、上側の薄膜電極(24)の上に積載された錘(26)とを備えている。支柱(23)と上側および下側の薄膜電極(24)(25)との間は絶縁されており、各薄膜電極(24)(25)にリード線(27)(28)が取り付けられている。リード線(27)(28)に、解析装置(8)を構成するオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上側の薄膜電極(24)と下側の薄膜電極(25)との間の電位差が測定されて解析装置(8)に送信される。
【００３５】
この比較例では、支柱(23)による圧電素子(22)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(22)の一方の端部が支柱(23)の上端部に支持されて、錘(26)は、圧電素子(22)の他方の端部に積載されている。
【００３６】
このような片持ち支持により、合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号を検出することができ、ポリ塩化ビニル製のような合成樹脂管(3)の漏水による振動音に対して、好ましいものとなっている。
【００３７】
図２および図３は、この発明による圧電型振動センサー(6)の１実施形態を示すもので、圧電型振動センサー(6)は、鉄製の台座(11)と、台座(11)上に設置されたフィルム状圧電素子(12)と、圧電素子(12)を支持する支持手段(13)と、圧電素子(12)の両面に銀ペーストを塗布して形成した上下１対の薄膜電極(14)(15)と、上側の薄膜電極(14)の上に積載された錘(16)とを備えている。
【００３８】
支持手段(16)は、下端部が台座(11)に固定されて上端部で圧電素子(12)を支持する支柱(19)と、台座(11)上を移動するスライダー(20)とを備えている。
【００３９】
支柱(19)は、図４に示した支柱(23)と同じもので、この実施形態は、図４に示した比較例にスライダー(20)が追加されたものとなっている。
【００４０】
支柱(19)と上側および下側の薄膜電極(14)(15)との間は絶縁されており、各薄膜電極(14)(15)にリード線(17)(18)が取り付けられている。リード線(17)(18)に、解析装置(8)を構成するオシロスコープやデータロガー等が接続され、これにより、上側の薄膜電極(14)と下側の薄膜電極(15)との間の電位差が測定されて解析装置(8)に送信される。
【００４１】
比較例と同様に、支柱(19)による圧電素子(12)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(12)の一方の端部が支柱(19)の上端部に支持されて、錘(16)は、圧電素子(12)の他方の端部に積載されている。
【００４２】
スライダー(20)は、片持ち支持とされている圧電素子(12)および薄膜電極(14)(15)の支柱(19)に近い側の部分を上下両側から挟んで対向する上下挟持板(31)(32)と、上下挟持板(31)(32)を連結する連結板(33)とからなる。
【００４３】
圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数について説明する。
【００４４】
バネ定数ｋ（Ｎ／ｍ）のバネの片端を固定し、片端に質量Ｍ（ｋｇ）の錘をつけたときの共振周波数ｆｏはｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表せる。
【００４５】
ここで、圧電素子をバネと見なすことができる。バネ定数のｋは圧電素子の弾性定数をＥとすると、ｋ＝Ｅ・Ａ／ｔで表すことができる（Ａは圧電素子の断面積（ｍ２）、ｔは圧電素子の厚み（ｍ）を表す。）。
【００４６】
圧電素子(12)の支持が片持ち支持とされていることで、圧電素子(12)のバネ定数kは下記のように表される。
【００４７】
ｋ＝３ＥＪ／Ｌ３  （Ｊ＝ｂｈ３／１２）
Ｅ：圧電材料の弾性定数  Ｊ：断面２次モーメント  Ｌ：長さ（図２の左右方向の寸法）  ｂ：幅（図２の紙面表裏方向の寸法）  ｈ：高さ（図２の上下方向の寸法）
合成樹脂管(3)の流体漏洩による振動音に対して感度を高めるには、合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号を計測することができるようにすることが好ましく、片持ち構造とすることで、合成樹脂管(3)の流体漏洩による振動音に対して感度が高くなる。これにより、配管の監視装置(1)において、圧電型振動センサー(6)の設置スパンを長くとれるため、より効率的な合成樹脂管(3)の漏水調査が可能となる。
【００４８】
スライダー(20)は、図２に示す初期位置にある場合、圧電素子(12)から離れている。スライダー(20)は、図２に示す初期位置から図の右方に移動可能とされており、この際、図３に示すように、圧電素子(12)および薄膜電極(14)(15)の支柱(17)に近い側の部分を上下両側から挟んで台座(11)上を移動することができる。これにより、圧電素子(12)の支持される部分の長さが長くなり、片持ちの梁の長さ（すなわち、上記の式における長さＬ）が短くなる。
【００４９】
したがって、圧電型振動センサー(6)は、共振周波数の最小値として、スライダー(20)が図２に示す初期位置にある場合に、図４に示す圧電型振動センサー(6')と同じ共振周波数を有しているとともに、スライダー(20)が右方に移動するに連れて共振周波数が大きくなる可変の共振周波数を有している。
【００５０】
配管の漏洩によって発生する漏洩振動は配管の材質や口径によってピークとなる周波数が異なる。例えば、合成樹脂管は金属管と比較して周波数が小さい傾向にあり、口径が大きいほど周波数が小さい傾向にある。例えば、φ７５の塩化ビニル製配管であれば、１０〜２００Ｈｚに漏洩周波数のピークがあることが多く、φ７５の鋳鉄管であれば３００〜５００Ｈｚに漏洩周波数のピークがあることが多い。φ２５０の鋳鉄管であれば１００〜３００Ｈｚに漏洩周波数のピークがあることが多い。このように漏洩周波数のピークは様々であるが、上記の圧電型振動センサー(6)を用いれば、共振現象を利用し、配管の材質や口径に合わせて梁の長さを機械的に変更し、共振周波数を自在にコントロールすることができる。
【００５１】
φ７５の塩化ビニル製配管とφ７５〜φ２５０の鋳鉄管とが対象となる場合、支持手段(13)による支持位置と錘(16)の負荷位置との距離が最大時の（図２の状態における）圧電型振動センサー(6)の共振周波数が１５０Ｈｚ以下に、支持手段(13)による支持位置と錘(16)の負荷位置との距離が最小時（図３の状態からスライダー(20)がさらに右方に移動して連結板(33)が支柱(19)に当接した状態）の圧電型振動センサー(6)の共振周波数が４００Ｈｚ以上に設定されているようにすればよい。
【実施例】
【００５２】
圧電型振動センサー(6)の圧電素子(12)の厚みを２ｍｍ、長さを６０ｍｍ、幅を２５ｍｍとし、梁としての弾性率を３ＧＰａ、錘(16)の重さを１ｇとした。このときの図２に示した状態の圧電型振動センサー(6)の共振周波数は、１３３Ｈｚとなる。この圧電型振動センサー(6)を図３の状態として、梁の長さを３５ｍｍとすると、共振周波数は、２９８Ｈｚとなり、梁の長さを２５ｍｍとすると、共振周波数は、４９３Ｈｚとなる。
【００５３】
この実施例によると、φ７５の塩化ビニル製配管、φ７５の鋳鉄管およびφ２５０の鋳鉄管のいずれであっても、漏洩周波数が圧電型振動センサー(6)の共振周波数の可変範囲内にあり、共振周波数を変更することで対応できる。
【００５４】
圧電素子(12)の厚み、長さ、幅および弾性率ならびに錘(16)の重さを変更することで、圧電型振動センサー(6)の共振周波数の最小値すなわち可変範囲を変更することができる。こうして、この圧電型振動センサー(6)によると、同じ圧電型振動センサー(6)を使用して、その共振周波数を変化させることによって、種々の配管部材における流体漏洩の検出を行うことができる。
【符号の説明】
【００５５】
(2) ：配管
(3) ：合成樹脂管（配管部材）
(6) ：圧電型振動センサー
(11)：台座
(12)：圧電素子
(13)：支持手段
(16)：錘
(19)：支柱
(20)：スライダー
【図１】
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【図２】
2014219343.tif 000004
【図３】
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【図４】
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