WO2014046237A1 - 漏洩検出器、漏洩検知方法および配管網の監視装置 - Google Patents

漏洩検出器、漏洩検知方法および配管網の監視装置 Download PDF

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WO2014046237A1
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leakage
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leak detector
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博昭 近藤
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積水化学工業株式会社
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    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M3/00—Investigating fluid-tightness of structures
    • G01M3/02—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum
    • G01M3/04—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point
    • G01M3/24—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations
    • G01M3/243—Investigating fluid-tightness of structures by using fluid or vacuum by detecting the presence of fluid at the leakage point using infrasonic, sonic, or ultrasonic vibrations for pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00—Protection or supervision of installations
    • F17D5/02—Preventing, monitoring, or locating loss
    • F17D5/06—Preventing, monitoring, or locating loss using electric or acoustic means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/0073—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using vibrations generated by the fluid

Definitions

  • the present invention relates to a leak detector, a leak detection method, and a piping network monitoring device, and more particularly, to a leak detector that accurately detects a fluid leak in various pipes including water pipes, building pipes, factory pipes, and the like.
  • the present invention relates to a piping network monitoring device.
  • Patent Document 1 discloses a leak detector in which a detection unit incorporating a piezoelectric element and a pedestal unit made of a rigid material are connected by a rubber material. According to this, it is said that the low frequency vibration transmitted to the synthetic resin tube can be amplified by resonance. In addition, it is said that a leak point can be identified by installing two detectors on a fire hydrant in a water pipe and analyzing the obtained correlation waveform.
  • Patent Document 2 discloses a wireless meter reading system that extends battery life by eliminating unnecessary reception of a wireless slave unit. This system wirelessly transmits flow rate information to a remote location using a battery.
  • Patent Document 3 discloses a pipe inspection apparatus using a piezoelectric ultrasonic transducer. With this method, the laying state of the lining can be inspected from the outside of the pipe.
  • the monitoring device for the piping network of Patent Document 2 uses a battery, it needs to be replaced when the battery is exhausted. If it is for an apartment house, it can be replaced relatively easily, but there is a problem that it is difficult to replace the battery with a pipe buried underground or a pipe provided at a high place.
  • a generator such as a turbine in the middle of the pipe, store the electric power, and use it for wireless transmission and reception.
  • a turbine or the like is provided in the middle of the piping, the pressure will be reduced as an obstacle, and if the turbine is damaged due to foreign matter being caught, the function as the piping may be impaired.
  • Patent Document 3 requires manual work to perform the inspection, and it is not easy to inspect underground pipes or underground pipes. was there.
  • An object of the present invention is to provide a leakage detector that is highly sensitive to vibration noise caused by water leakage from a synthetic resin pipe and can take a longer installation span, and thus can more efficiently investigate the leakage of synthetic resin pipe fluid. It is in.
  • Another object of the present invention is to provide a piping network that is easy to inspect piping that is not easy to inspect manually, such as underground piping or piping in high places, and that does not require battery replacement. It is to provide a monitoring device.
  • a leak detector according to the present invention is a leak detector that detects vibration sound generated by fluid leakage from a pipe, and includes a pedestal, a piezoelectric element that is supported by the pedestal and converts vibration sound into an electrical signal, and a piezoelectric element. And a weight that is loaded, and the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material.
  • the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material, which lowers the elastic constant of the piezoelectric element and lowers the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element. Become. Accordingly, the sensitivity to vibration sound due to fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased, and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the leakage of the synthetic resin pipe is possible.
  • the piezoelectric element can be regarded as a spring.
  • the elastic constant E of polyvinylidene fluoride (polymer piezoelectric material) is 2 to 5 ⁇ 10 9 (N / m 2 ).
  • the elastic constant of lead zirconate titanate (ceramic piezoelectric material) is 2 to 10 ⁇ 10 10 (N / m 2 ), which is an order of magnitude larger.
  • a vibration sensor using a ceramic piezoelectric element is easily designed to have a high resonance frequency, and the resonance frequency is often set to several kHz.
  • the resonance frequency is often set to several kHz.
  • the stress applied to the piezoelectric element is reduced, and a large output cannot be obtained.
  • the piezoelectric element is made of a polymer piezoelectric material, so that the elastic constant of the piezoelectric material itself is lowered and the resonance frequency is lowered. Electrodes such as silver and nickel copper are attached to the polymer piezoelectric material as necessary.
  • a piezoelectric element made of a polymer piezoelectric material has a higher piezoelectric output constant than a ceramic piezoelectric element.
  • the piezoelectric output constant g 33 of polyvinylidene fluoride is about 300 ⁇ 10 ⁇ 3 (Vm / N)
  • the piezoelectric output constant g 33 of lead zirconate titanate is 20 ⁇ 10 ⁇ 3 (Vm / N ) This indicates that the polymer piezoelectric material has a higher output voltage V when a constant force F is applied.
  • V F ⁇ g 33 ⁇ t / A
  • F force applied to the piezoelectric material
  • t thickness A: cross-sectional area.
  • the polymer piezoelectric material in the present invention is not particularly limited, and examples thereof include a stretched polyvinylidene fluoride film and a stretched porous polypropylene film.
  • polyvinylidene fluoride has high durability and is preferable.
  • the sensitivity can be further increased by laminating a plurality of piezoelectric materials.
  • a potential difference can be generated by loading a weight on the piezoelectric film and applying deformation in the thickness direction.
  • the thickness of the film is not particularly limited, and may be a thickness called “sheet”.
  • the piezoelectric element is supported by the pedestal, and the weight is loaded on a portion not supported by the pedestal of the piezoelectric element.
  • the spring constant can be reduced and the resonance frequency can be further reduced.
  • the spring constant k is expressed as follows.
  • the structure for supporting one end of the piezoelectric element includes, for example, a support means for supporting one end of the piezoelectric element on the pedestal, and the one end of the piezoelectric element supported by the support means. It is assumed that a weight is loaded on the other end of the.
  • the spring constant k is expressed as follows.
  • the structure for supporting both ends of the piezoelectric element is, for example, provided with support means for supporting both ends of the piezoelectric element on the pedestal, and each end of the piezoelectric element is supported by the corresponding support means, It is assumed that a weight is loaded at the center of the piezoelectric element.
  • the detector can be set to a desired resonance frequency by supporting one end or both ends of the piezoelectric element and using the above spring constant calculation formula and the above resonance frequency calculation formula.
  • the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element is preferably set between 10 Hz and 1000 Hz. Only a part of the piezoelectric element is supported on the pedestal, and the weight is loaded on the part not supported by the pedestal of the piezoelectric element, so that the resonance frequency can be easily set to 1000 Hz or less. It becomes.
  • the leak detector of the present invention can be suitable for the fluid leak investigation of the synthetic resin pipe as described above.
  • the piezoelectric element is preferably laminated on at least one surface above and below the reinforcing material layer.
  • the position of the piezoelectric element layer is separated from the neutral axis of the laminate, and the sensitivity can be increased. Therefore, the sensitivity to vibration sound due to fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased, and the installation span can be increased, so that it is suitable for investigation of fluid leakage of the synthetic resin pipe.
  • a film-like piezoelectric element and a sheet-like reinforcing material layer Is supported by one end or both ends of the laminate, and a bending deformation (elastic deformation) is applied to the piezoelectric element layer by a weight load to generate a current or a potential difference.
  • a bending deformation elastic deformation
  • a potential difference is generated in the thickness direction.
  • the direction in which a potential difference occurs differs between when a tensile stress is applied and when a compressive stress is applied after being released from the tensile stress. That is, it is converted into alternating current electricity.
  • tensile stress is applied to the surface on one side of the neutral axis of the laminate, and compressive stress is applied to the other surface.
  • the neutral axis is a position where the stress is zero, and the tensile stress and the compressive stress increase as the distance from the neutral axis increases.
  • a large stress is generated in the piezoelectric element by bending and deforming the laminated body, and accordingly, an electric signal obtained by the piezoelectric element also becomes large.
  • the neutral axis when the neutral axis is located within the thickness of the piezoelectric element, it is divided into a part that receives tensile stress and a part that receives compressive stress inside the same piezoelectric element, and the signal strength rapidly increases by canceling the current and potential difference. Decreases.
  • the piezoelectric element layer is laminated on at least one of the upper and lower surfaces of the reinforcing material layer, the position of the piezoelectric element is separated from the neutral axis of the laminate, and the electric signal output (sensitivity) can be increased. .
  • a stretched film of polyvinylidene fluoride has a thickness of about 100 ⁇ m, and in order to increase sensitivity, it is preferable to have a laminated structure composed of a plurality of film-like piezoelectric elements provided with thin film electrodes on both upper and lower surfaces.
  • the piezoelectric element layer By making the piezoelectric element layer into a laminated structure, the area of the film-like piezoelectric element that receives tensile stress and compressive stress can be increased, and high output can be obtained.
  • the piezoelectric element layer may be formed by folding a long film-like piezoelectric element (having a width corresponding to one layer and a length corresponding to a plurality of layers) in which thin film electrodes are provided on both upper and lower surfaces into a bellows shape. May be formed.
  • the thin film electrode When a film-like piezoelectric element with a thin film electrode is folded in a bellows shape, the thin film electrode is not short-circuited, so that an insulating layer is not necessary, and there is no need to connect individual thin film electrodes, so that a laminated structure can be easily obtained. .
  • one thin film electrode of the upper piezoelectric element layer and one of the lower piezoelectric element layers corresponding thereto are arranged so as not to cancel electrical signals. Are connected to each other so that an electric signal is taken out from the other thin film electrode of the upper piezoelectric element layer and the other thin film electrode of the lower piezoelectric element layer corresponding thereto.
  • either the thin film electrode or the other thin film electrode of the original piezoelectric element layer may be up or down, but the thin film electrodes are connected to each other. In this case, the electrical signals are connected so as not to cancel.
  • the thin film electrode on the uppermost surface of the upper piezoelectric element layer and the thin film electrode on the lowermost surface of the lower piezoelectric element layer are one thin film electrode, and the lowermost surface of the upper piezoelectric element layer
  • the other thin film electrodes are connected to each other by a connecting line (electric wire for connection), and one thin film electrode What is necessary is just to connect each other with a lead wire (electric wire for signal extraction).
  • the piezoelectric element layers are arranged on the upper side and the lower side of the neutral axis, the direction of stress generated at the top and bottom is different. At that time, a large electrical signal can be obtained by connecting the thin film electrodes so as not to cancel the electrical signal.
  • the flexural modulus of the reinforcing material layer is larger than that of the piezoelectric element layer.
  • the position of the neutral axis is closer to the material side with higher elastic modulus.
  • the ratio of the piezoelectric element layer can be increased if the elastic modulus of the reinforcing material layer is high.
  • the neutral axis of bending can be easily piezoelectric It can be made not to exist inside the element layer.
  • the piezoelectric element material is a polymer
  • the elastic modulus can be relatively reduced, and the neutral axis can be easily moved closer to the reinforcing material layer side.
  • a polymer is flexible and does not break when folded.
  • the reinforcing material layer is also preferably a polymer.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the thickness is larger than the thickness of the piezoelectric element layer.
  • the resonance frequency is variable because the distance between the support position of the piezoelectric element support means and the load position of the weight is mechanically variable.
  • the piezoelectric element that converts the vibration sound into an electric signal since the piezoelectric element that converts the vibration sound into an electric signal, the supporting means that supports one end of the piezoelectric element, and the weight that loads the other end of the piezoelectric element, the spring constant is provided. Becomes smaller and the resonance frequency becomes lower. Accordingly, the sensitivity to vibration sound due to fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased, and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the leakage of the synthetic resin pipe is possible.
  • the resonance frequency can be freely controlled. Therefore, using the same leak detector, it is possible to cope with different piping members simply by changing the distance between the support position by the support means and the load position of the weight.
  • the resonance frequency is changed without changing the leakage detector according to the material of the piping member and the pipe diameter, using the leakage detector whose resonance frequency is variable.
  • highly accurate leakage detection can be performed. Therefore, the system can be simplified as compared with the leak detection method in which the leak detector is changed according to the material of the piping member and the diameter of the pipe.
  • a film (or sheet) A potential difference may be generated by supporting one end of the piezoelectric element and bending the piezoelectric element with a weight load. Thereby, a spring constant becomes small and a resonance frequency becomes low. Accordingly, the sensitivity to vibration sound due to fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased, and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the leakage of the synthetic resin pipe is possible.
  • the resonance frequency can be changed on the leak detector side, by using the same leak detector and changing the resonance frequency, fluid leakage in various piping members can be achieved. Can be detected.
  • L is the length of the cantilever beam, and the distance between the support position of the piezoelectric element support means and the load position of the weight corresponds to this. That is, the resonance frequency is variable by changing the distance between the support position and the load position of the weight.
  • ⁇ Leakage vibration caused by pipe leakage differs in peak frequency depending on the pipe material and diameter.
  • the resonance frequency can be freely controlled by mechanically changing the length of the beam in accordance with the material and the diameter of the pipe.
  • the supporting means includes a supporting means fixed to the pedestal and a portion on one end side of the piezoelectric element.
  • a slider that changes the length of the portion of the piezoelectric element supported by moving on the pedestal sandwiched from both sides is provided.
  • the distance between the support position and the load position of the weight can be changed with a simple configuration, and the operation for changing the distance between the support position and the load position of the weight can be facilitated.
  • the resonance frequency of the leak detector when the distance between the support position and the load position of the weight is maximum is set to 150 Hz or less, and the resonance frequency of the leak detector when the distance between the support position and the load position of the weight is minimum is set to 400 Hz or more. It is preferable that
  • a leak detector with a resonance frequency of 150 Hz or less is suitable when the pipe member to be leaked is made of synthetic resin and has a relatively large diameter.
  • a leak detector with a resonance frequency of 400 Hz or more is suitable for leak detection. This is suitable when the piping member is made of metal and has a relatively small diameter.
  • the leakage detection method according to the present invention is characterized in that any one of the above leakage detectors is installed in the vicinity of a piping member, and the presence or absence of fluid leakage is determined by detecting vibration caused by fluid leakage from the piping. It is.
  • the resonance frequency of the leak detector can be varied within a variable range for a pipe member made of synthetic resin, corresponding to whether the pipe member to be leaked is made of synthetic resin or metal.
  • the resonance frequency of the leak detector is preferably set to a relatively high value within the variable range, and the leak detection target pipe member Corresponding to whether the pipe diameter is relatively large or small, the resonance frequency of the leak detector is set to a relatively low value within the variable range for piping members having a relatively large diameter.
  • the leak detector is not changed according to the material of the piping member or the diameter of the pipe, and the resonance frequency is changed, thereby achieving high accuracy. Leak detection can be performed. Therefore, the system can be simplified as compared with the leak detection method in which the leak detector is changed according to the material of the piping member and the diameter of the pipe.
  • a piping network monitoring device includes a plurality of piezoelectric elements that are attached to a plurality of locations of a piping network composed of pipes and joints to convert pressure fluctuations accompanying movement of fluid in the piping into electric charge signals, and each piezoelectric element.
  • a communication device that transmits the obtained charge signal, and a display device that receives and displays transmission information from the communication device at a remote location are provided.
  • the piezoelectric element one made of a ceramic material such as lead zirconate titanate or barium titanate or one made of a resin material such as polyvinylidene fluoride is used.
  • the pipe and the joint receive a force from the fluid flowing in the pipe network, and the piezoelectric element provided in the pipe or the joint is deformed by a minute vibration or strain, and generates a voltage and an electric charge.
  • the generated voltage may be transmitted as it is as a signal, or may be used as a power source used for a communication device that once accumulates electric charge in a storage element and transmits a signal.
  • Signal transmission may be wired or wireless, but wireless is preferred because there is no fear of disconnection due to a disaster such as an earthquake.
  • Signal transmission may be performed constantly or intermittently. Further, signal transmission may be performed only when the signal deviates from a certain standard range without performing signal transmission in normal times.
  • Address information is set for each piezoelectric element and transmitted together with charge signal information. Thereby, the location can be specified, and the charge signal information of a plurality of piezoelectric elements can be easily managed.
  • the total amount of electric charge stored in the electric storage element during normal operation may be used, or a part of the electric charge may be used as a signal as it is to store the remaining amount.
  • the piezoelectric element that acquires electrical signal information and the piezoelectric element that stores electric charge in the power storage element do not have to be the same.
  • the power storage element for example, a capacitor such as an electric double layer capacitor is used, but it is not limited to this.
  • the piezoelectric element is connected to a control circuit via a charge amplifier, and the control circuit may be provided with a determination means for determining whether or not a charge signal obtained from the piezoelectric element is normal.
  • the above piezoelectric element has a very large output impedance, it is preferable to amplify the charge by a charge amplifier and convert it into a voltage output in order to reduce the influence of noise and to accurately extract it as a signal.
  • the normal range for determining an abnormality from the signal may be set by the upper and lower limits of the voltage output, the frequency band of vibration, etc. Whether it is within the normal range may be determined on the reception side, or may be determined by assembling a control circuit on the transmission side. By providing a control circuit on the transmission side and determining abnormality, it is preferable that unnecessary information is cut off and converted into information together with the previously described address information so that unnecessary wireless communication is not performed.
  • the display device for example, a personal computer is used, but it is not limited to this.
  • an alarm is given by sound or light. It is not always necessary to display numerical information or the like, and only an alarm at the time of abnormality can be provided.
  • the piezoelectric element is preferably a stretched film of polyvinylidene fluoride and provided in the joint.
  • the stretched film of polyvinylidene fluoride is excellent as a piezoelectric element material in that it is flexible, excellent in impact resistance, and chemically stable.
  • the place where the piezoelectric element is attached is not particularly limited as long as it is a part of a pipe network such as a pipe or a joint. However, it is preferably incorporated into a joint that is installed at regular intervals and has no processing such as cutting during construction. In addition, when a large external force such as an earthquake is applied to the piping network, it is easy to detect an abnormality in the piping network because stress is easily applied to the joint.
  • the material of the pipes and joints constituting the pipe network is not particularly limited, such as stainless steel, cast iron, concrete, fiber reinforced plastic, polyvinyl chloride, polyethylene, crosslinked polyethylene, polypropylene, polybutene, and fluororesin.
  • the type of fluid flowing through the piping network is not particularly limited, such as water, gas, chemical solution, oil, slurry, and the like.
  • the piezoelectric element is formed of a polymer piezoelectric material, the elastic constant of the piezoelectric element is lowered, and the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element is also lowered. Therefore, the sensitivity to vibration sound caused by the fluid leakage of the synthetic resin pipe is increased and the installation span can be increased, so that a more efficient investigation of the fluid leakage of the synthetic resin pipe becomes possible.
  • the charge signal obtained from the piezoelectric element is displayed on a remote display device, and this charge signal information is different between when the piping network is normal and when abnormal, It is possible to monitor whether the piping network is normal.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a piping network monitoring device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a leak detector used in the piping network monitoring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example in which a leak detector is attached to a joint.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example in which a leak detector is attached to a pipe.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the normal output state of the piping network monitoring device.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an output state when the piping network monitoring apparatus is abnormal.
  • FIG. 7 is a diagram schematically showing a first embodiment of a leak detector according to the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a piping network monitoring device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a block diagram showing a leak detector used in the piping network monitoring apparatus according to the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing a second embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing a third embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view of FIG.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing a fourth embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 12 is a plan view of FIG.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing a fifth embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram schematically showing a sixth embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram schematically showing a seventh embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing an eighth embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 15 is a diagram schematically showing a seventh embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 16 is a diagram schematically showing an eighth embodiment of the leak detector according to the present
  • FIG. 17 is a diagram schematically illustrating the operation of the comparative example with respect to the leak detector according to the eighth embodiment.
  • FIG. 18 is a diagram schematically illustrating the operation of the leak detector according to the eighth embodiment.
  • FIG. 19 is a diagram schematically showing a ninth embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 20 is a diagram schematically showing a tenth embodiment of a leak detector according to the present invention.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating how to obtain the neutral axis in the leak detector according to the eighth embodiment.
  • FIG. 22 is a diagram schematically showing an eleventh embodiment of the leak detector according to the present invention.
  • FIG. 23 is a diagram showing a state when the slider is moved from the state of FIG.
  • FIG. 24 is a diagram showing an example of water leakage sound obtained by using the leakage detector according to the present invention.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating an example of water leakage sound obtained by using a conventional leakage detector.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a piping network monitoring device according to the present invention.
  • the pipe network monitoring device (1) includes a pipe network (shown as a water pipe network) (2) composed of a plurality of pipes (3) and a plurality of joints (4) (5), and each joint (4).
  • the leak detector (6) provided in (5), the radio communication device (7) connected to each leak detector (6), and the information sent from each radio communication device (7) are received.
  • an analysis device (8) for analyzing is included in the pipe network monitoring device (1).
  • the leakage detector (6) includes a piezoelectric element (9) and a control board (10) electrically connected to the piezoelectric element (9).
  • the piezoelectric element (9) is a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride.
  • control board (10) is provided with a power supply capacitor (storage element) (11), a charge amplifier (12), a control circuit (13), a wireless circuit (14), and the like.
  • a part of the electric charge obtained by the piezoelectric element (9) is sent to the capacitor (11), and the remaining part is sent to the charge amplifier (12).
  • the capacitor (11) stores electric charge and supplies a predetermined voltage to each part of the leak detector (6) (charge amplifier (12), control circuit (13), wireless circuit (14), etc.).
  • the capacitor (11) may be omitted by using an external power source.
  • the battery When a battery is used as the power source, the battery needs to be replaced. However, when the electric charge obtained by the piezoelectric element (9) is used for the power source, the battery need not be replaced.
  • the charge signal obtained by the piezoelectric element (9) is amplified. Since the piezoelectric element (9) has a very large output impedance, it is easily affected by noise. However, by using the charge amplifier (12), the charge signal can be amplified and accurately extracted as a voltage signal.
  • the voltage signal output from the charge amplifier (12) is processed in the control circuit (13) and then transmitted as monitoring information to the analyzer (8) via the wireless circuit (14).
  • Each leak detector (6) is provided with address information, and the pressure fluctuation at a predetermined location of the pipe network (2) can be monitored by an analyzer (8) such as a personal computer.
  • normal charge signals at positions indicated by A, B, and C are, for example, as shown in FIG.
  • the charge signal is, for example, as shown in FIG. That is, the voltage signal of the leak detector (6) in the vicinity of the damaged part (position B and position C) vibrates greatly beyond the normal range due to the fluid flow, and is at the position closest to the damaged part (position C).
  • the voltage signal of the leak detector (6) fluctuates the most (not only the magnitude of the voltage but also the frequency of vibration).
  • the upper and lower limits of the voltage output and / or the reference value of the frequency band of vibration are set, and the voltage signal is compared with the reference value.
  • the value is exceeded, it can be determined as abnormal.
  • excessive vibration due to water leakage can be detected, and the location of water leakage can be identified.
  • the analysis device (8) is installed in a central processing room, etc., and is a piping network (2) consisting of piping that is not easy to inspect manually, such as piping buried underground or piping in high places. Even if there is, the abnormality can be easily known.
  • the leak detector (6) may be attached to the pipe (3) instead of the joints (4) and (5).
  • it is made of a stretched film of polyvinylidene fluoride.
  • a piezoelectric element (9) may be attached to the periphery of the tube (3) to connect the piezoelectric element (9) and the control board (10).
  • control circuit (13) is provided with appropriate determination means so that monitoring information (abnormal information) is output only when an abnormality occurs.
  • monitoring information abnormal information
  • the voltage signal output from the charge amplifier (12) may be directly transmitted to the analysis device (8) from the leak detector (6).
  • the first embodiment of the leak detector (6) includes an iron base (21), a piezoelectric element (9) installed on the base (21), and a piezoelectric element (9). It has a pair of upper and lower thin film electrodes (22), (23) formed by applying silver paste on both sides, and a weight (24) loaded on the upper thin film electrode (22). Lead wires (25) and (26) are attached to the base (21) and the weight (24), respectively. An oscilloscope, a data logger, etc. that make up the analysis device (8) are connected to the lead wires (25) and (26), so that the potential difference between the pedestal (21) and the weight (24) is measured, and the analysis device Recorded in (8).
  • the piezoelectric element (9) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride which is a polymer piezoelectric material.
  • the resonance frequency fo ⁇ (k / M) / 2 ⁇ (k is the spring constant of the piezoelectric element and M is the mass of the weight) of the system comprising the piezoelectric element (9) and the weight (24) is set to 10 Hz to 1000 Hz. Yes.
  • a pedestal (21) is fixed to a polyvinyl chloride pipe (2) with a diameter of 75mm, and a synthetic resin pipe (3) made of polyvinyl chloride is used with a constant force at a point 10m away from it. I hit it.
  • the frequency spectrum of the waveform (leakage sound) at that time is shown in FIG. A large signal was recorded in a frequency band lower than 1000 Hz.
  • FIG. 25 shows a frequency spectrum of a waveform (water leakage sound) when the piezoelectric material is lead zirconate titanate.
  • FIG. 25 it can be seen that almost no signals in the low frequency region, which are characteristic vibrations of the synthetic resin pipe (3) obtained in FIG. 24, are picked up.
  • the leak detector (6) shown in FIG. 7 the sensitivity to vibration noise caused by water leakage of the synthetic resin pipe (3) made of polyvinyl chloride, which has been difficult in the past, becomes high. Therefore, since the installation span of the leak detector (6) can be made long, it is possible to efficiently investigate the leak of the synthetic resin pipe (3).
  • the entire surface of the piezoelectric element (9) is supported by the pedestal (21), but the supporting method is not limited to this, and an embodiment as shown below may be adopted.
  • the second embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (21), a piezoelectric element (9) installed on the pedestal (21), and a lower end (21) ) And a support (support means) (27) that supports the piezoelectric element (9) at the upper end, and a pair of upper and lower thin-film electrodes (22) formed by applying silver paste on both sides of the piezoelectric element (9) ) (23) and a weight (28) loaded on the upper thin film electrode (22).
  • the column (27) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (22) and (23), and lead wires (25) and (26) are attached to the respective thin film electrodes (22) and (23). .
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the upper thin film electrode (22) and the lower thin film electrode (23) is measured, and the analysis device ( Recorded in 8).
  • the support of the piezoelectric element (9) by the support (27) is cantilevered, and one end of the piezoelectric element (9) is supported by the upper end of the support (27).
  • the weight (28) is stacked on the other end of the piezoelectric element (9).
  • the piezoelectric element (9) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride which is a polymer piezoelectric material. Since one end of the piezoelectric element (9) is supported, the spring constant k is expressed as follows.
  • E Elastic constant of piezoelectric material
  • J Second moment of section
  • L Length (dimension in the horizontal direction in FIG. 8)
  • b Width (dimension in the front and back direction in FIG. 8)
  • h Height (vertical direction in FIG. 8) Size)
  • the resonance frequency fo ⁇ (k / M) / 2 ⁇ of the system composed of the piezoelectric element (9) and the weight (28) is set to 10 Hz to 1000 Hz.
  • one piezoelectric element is fixed to one support means.
  • the present invention is not limited to this.
  • a plurality of piezoelectric elements are fixed to one support means and a weight corresponding to the piezoelectric element is provided. By doing so, it can also be set as the structure with multiple cantilever beams.
  • the third embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (21), a piezoelectric element (9) installed on the pedestal (21), and a lower end portion of the pedestal (21 ) And a pair of struts (support means) (29), (30) that support the piezoelectric element (9) at the upper end, and upper and lower parts 1 formed by applying silver paste on both sides of the piezoelectric element (9).
  • a pair of thin film electrodes (22) and (23) and a weight (31) mounted on the upper thin film electrode (22) are provided.
  • Each column (29) (30) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (22) (23), and lead wires (25) (26) are connected to each thin film electrode (22) (23). It is attached.
  • the lead wires (25) and (26) are connected to the analyzer (8), whereby the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (22) and (23) is measured and recorded in the analyzer (8). .
  • the support of the piezoelectric element (9) by the support columns (29) and (30) is a both-end support, and both ends of the piezoelectric element (9) are the upper ends of the support columns (29) and (30).
  • the weight (31) is loaded on the center of the piezoelectric element (9).
  • the piezoelectric element (9) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride. Since both ends of the piezoelectric element (9) are supported, the spring constant k is expressed as follows.
  • E Elastic constant of piezoelectric material
  • J Secondary moment of section
  • L Length (dimension in the horizontal direction in FIG. 9)
  • b Width (dimension in the front and back direction in FIG. 9)
  • h Height (vertical direction in FIG. 9) Size)
  • the resonance frequency fo ⁇ (k / M) / 2 ⁇ of the system composed of the piezoelectric element (9) and the weight (31) is set to 10 Hz to 1000 Hz.
  • the shapes of the piezoelectric element (9) and the thin film electrodes (22) (23) in the leak detector (6) of the third embodiment are not particularly limited, but as shown in FIG.
  • the length corresponding to the distance of the rectangle By making the length corresponding to the distance of the rectangle longer than the width orthogonal to the distance, the amount of bending deformation can be increased. When it is desired to reduce the resonance frequency, it can be dealt with by making it a more elongated rectangular shape.
  • FIG. 10 shows a diagram corresponding to the third embodiment.
  • the piezoelectric element (9) is supported at both ends with respect to the relationship between the support position of the rectangular piezoelectric element (9) and the load position of the weight (31) (
  • the weight of the weight (31) is loaded at the center of the piezoelectric element (9), but the center of the piezoelectric element is supported and the weight is loaded at both ends.
  • the support of the piezoelectric element can be regarded as having two cantilevers, and the spring constant k can be made as large as that of the second embodiment.
  • both end portions of the rectangular piezoelectric element (9) are supported.
  • the piezoelectric element (9) has a square or circular shape. The same effect can be obtained even if the weight (33) is stacked on the central portion of the piezoelectric element (9) by supporting the peripheral portion (not both ends).
  • This embodiment is shown in FIG. 11 and FIG.
  • the fourth embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (21), a circular piezoelectric element (9) installed on the pedestal (21), and a lower end portion of the pedestal.
  • the column (32) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (22) and (23), and lead wires (25) and (26) are attached to the respective thin film electrodes (22) and (23).
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (22) and (23) is measured and recorded in the analysis device (8). .
  • the support of the piezoelectric element (9) by the support pillar (32) is the peripheral edge support, and the peripheral edge part (annular) of the piezoelectric element (9) is at the upper end of the support pillar (32). It is supported. Further, the weight (33) is stacked on the central portion of the circular piezoelectric element (9).
  • the piezoelectric element (9) is formed of a stretched film (PVDF film) of polyvinylidene fluoride. Since the peripheral portion of the piezoelectric element (9) is supported, the compression deformation is small and the bending deformation is large, and the spring constant k can be made as large as the both-end support. .
  • the peripheral portion of the piezoelectric element (9) according to the fourth embodiment is supported and the relation of the weight (33) is reversed to the central portion, and the central portion of the piezoelectric element (9) is supported by a cylindrical support means.
  • an annular weight may be loaded on the peripheral edge of the piezoelectric element (9).
  • the load is applied by loading the weights (24), (28), (31), and (33) on the upper surface of the piezoelectric element (9), but the weight is suspended from the lower surface of the piezoelectric element.
  • the load may be applied to the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element is supported to be suspended at the lower end of the support means. May be. Examples thereof are shown in FIGS.
  • the pedestal (34) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (34a), a top wall (34b) and a side wall (34c), Columnar support means (35) is provided on the top wall (34b) in a hanging manner.
  • the piezoelectric element (9) has a rectangular shape shown in FIG.
  • a pair of upper and lower thin film electrodes (22), (23) is formed on both surfaces of the piezoelectric element (9) by applying silver paste.
  • the upper surface of the central portion of the piezoelectric element (9) is fixed to the lower end surface of the support means (35) via the upper thin film electrode (22).
  • Two cuboids are used for the weights (36) and (37), and the upper surfaces thereof are respectively bonded to the lower surfaces of both end portions of the lower thin film electrode (23).
  • the lower end of the support means (35) and the upper thin film electrode (22) are insulated, and lead wires (25) and (26) are attached to the thin film electrodes (22) and (23), respectively.
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (22) and (23) is measured and recorded in the analysis device (8). .
  • the central portion of the piezoelectric element (9) is supported, and weights (36) and (37) are loaded on both ends of the piezoelectric element (9).
  • the spring constant k can be increased.
  • the piezoelectric element (9) is changed into a circular shape or a rectangular shape, and the weights (36) and (37) are changed into a cylindrical shape or a rectangular tube shape (first embodiment shown in FIGS. 11 and 12). (Embodiment similar to the fourth embodiment).
  • FIG. 14 shows a modification in the case of cantilever.
  • the pedestal (38) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (38a), a top wall (38b) and a side wall (38c), Near the end of the top wall (38b), columnar support means (39) is provided in a hanging manner.
  • the piezoelectric element (9) has a rectangular shape shown in FIG. A pair of upper and lower thin film electrodes (22), (23) is formed on both surfaces of the piezoelectric element (9) by applying silver paste.
  • the piezoelectric element (9) is cantilevered, that is, one end is fixed to the lower surface of the support means (39) via the upper thin film electrode (22), and the other end is a free end.
  • the weight (40) has a rectangular parallelepiped shape and is loaded on the other end of the piezoelectric element (9).
  • the lower end of the support means (39) is insulated from the upper thin film electrode (22), and lead wires (25) and (26) are attached to the thin film electrodes (22) and (23).
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (22) and (23) is measured and recorded in the analysis device (8). .
  • one end of the piezoelectric element (9) is supported and a weight (40) is loaded on the other end of the piezoelectric element (9).
  • a weight (40) is loaded on the other end of the piezoelectric element (9).
  • FIG. 15 shows another modification in the case of cantilever.
  • the pedestal (41) has a rectangular parallelepiped hollow shape having a bottom wall (41a), a top wall (41b) and side walls (41c) (41d). ing.
  • the top wall (41b) is not provided with support means, but any one of the side walls (41d) is used as support means, and the piezoelectric element (9) has the rectangular shape shown in FIG. Then, one end thereof is fixed to the side wall (support means) (41d).
  • a pair of thin film electrodes (22) and (23) are formed on both surfaces of the piezoelectric element (9) by applying silver paste.
  • the weight (42) has a rectangular parallelepiped shape, and its upper surface is bonded to the lower surface of the other end of the lower thin film electrode (23).
  • the side wall (41d) as the support means is insulated from the upper and lower thin film electrodes (22) (23), and lead wires (25) (26) are attached to the respective thin film electrodes (22) (23). ing.
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the pair of upper and lower thin film electrodes (22) and (23) is measured and recorded in the analysis device (8). .
  • one end of the piezoelectric element (9) is supported and a weight (42) is loaded on the other end of the piezoelectric element (82).
  • a weight (42) is loaded on the other end of the piezoelectric element (82).
  • the piezoelectric element (9) of the first embodiment is more advantageous than the embodiment in which the entire surface is supported and the weight (24) is loaded on the entire surface.
  • the eighth embodiment of the leak detector (6) includes an iron pedestal (21), and upper and lower piezoelectric element layers (9A) (9B) and upper and lower piezoelectric element layers (9A) (9B).
  • a laminated body (51) composed of a reinforcing material layer (52) interposed between and a support (support means) (27) having a lower end fixed to a pedestal (21) and supporting the laminated body (51) at the upper end And a weight (28) loaded on the end of the laminated body (51) on the non-fixed side.
  • Thin film electrodes (22A) (23A) (22B) (23B) are formed on the piezoelectric element layers (9A) (9B) by applying silver paste on both upper and lower surfaces.
  • the column (27) and the thin film electrodes (22A) (23A) (22B) (23B) are insulated, and the upper thin film electrode (22A) and the lower piezoelectric element layer (upper side of the upper piezoelectric element layer (9A) (
  • the lead wires (25) and (26) for signal extraction are attached to the lower thin film electrode (23B) of 9B).
  • the thin film electrode (23A) on the lower side of the upper piezoelectric element layer (9A) and the thin film electrode (22B) on the upper side of the lower piezoelectric element layer (9B) are connected by an electric wire (53).
  • An analysis device (8) is connected to the lead wires (25) and (26), whereby the potential difference between the upper thin film electrode (22A) and the lower thin film electrode (23B) is measured, and the analysis device Recorded in (8).
  • the support of the laminate (51) by the support column (27) is cantilevered, and one end of the laminate (51) is supported by the upper end of the support column (27).
  • the weight (28) is stacked on the other end of the laminate (51).
  • the piezoelectric element layers (9A) and (9B) are formed of a stretched film of polyvinylidene fluoride.
  • E elastic constant in the piezoelectric material
  • L Length (dimension in the horizontal direction in FIG. 16)
  • b Width (dimension in the front and back direction in FIG. 16)
  • h Height (dimension in the vertical direction in FIG. 16)
  • the resonance frequency fo ⁇ (k / M) / 2 ⁇ of the system composed of the laminate (51) and the weight (28) is set to 10 Hz to 1000 Hz.
  • the piezoelectric element layers (9A) (9B) are laminated on the reinforcing material layer (52). This effect is demonstrated with reference to FIG. 17 and FIG.
  • the neutral axis of the piezoelectric element layer (9) indicated by the alternate long and short dash line coincides with the center plane of the piezoelectric element layer (9) and is located within the thickness of the piezoelectric element layer (9). is doing. For this reason, there is a problem that the positive and negative potentials generated inside the piezoelectric element layer (9) cancel each other, the potential difference is canceled and the signal intensity is reduced.
  • the position of the upper and lower piezoelectric element layers (9A) (9B) is the neutral axis of the laminate (51) (in this embodiment, the reinforcing material layer (52)
  • the potential difference signal output (sensitivity) can be increased.
  • the piezoelectric element layers (9A) (9B) are provided on both the upper and lower sides of the reinforcing material layer (52), but either one of the upper and lower piezoelectric element layers (9A) is provided. (9B) may be used.
  • each of the upper and lower piezoelectric element layers (9A) (9B) is represented by one layer, but each piezoelectric element layer (9A) (9B) is formed by one film-like piezoelectric element.
  • the present invention is not limited to this, and is preferably formed by laminating a plurality of film-like piezoelectric elements.
  • the neutral axis of the laminate (51) and the upper and lower piezoelectric element layers (9A) (9B) are separated from each other.
  • the distance between the boundary surface between the upper and lower piezoelectric element layers (9A) and (9B) and the reinforcing material layer (52) and the neutral axis is 1/10 or more of the total thickness of the laminate (51), more preferably 1 / 6 or more.
  • the neutral axis of the laminated body (51) is defined as follows: the elastic modulus of the piezoelectric element layers (9A) and (9B) is E 1 , the thickness is h 1 , the elastic modulus of the reinforcing layer (52) is E 2 , and the thickness is h 2 . As shown in FIG. 21, a distance h na from the upper surface of the laminate (51) to the neutral axis is obtained by the following equation.
  • h na ⁇ (E 1 / E 2) h 1 (h 1/2) + h 2 (h 1 + h 2/2) ⁇ / ⁇ (E 1 / E 2) h 1 + h 2 ⁇
  • film-like piezoelectric elements having thin film electrodes formed on both upper and lower surfaces are laminated one by one via an insulating layer, and lead wires are provided for each pair of piezoelectric element layers corresponding to the upper and lower sides. And the signal may be taken out.
  • the film-like piezoelectric elements having thin film electrodes formed on the upper and lower surfaces are elongated and folded into a bellows shape.
  • a laminated structure composed of film-like piezoelectric elements (9a), (9b) and (9c) with three layers of thin film electrodes (22a), (22b) and (22c) may be used.
  • the lead wires (25) and (26) are provided so as to connect the uppermost thin film electrode (22a) and the lowermost thin film electrode (thin film electrode on the back side of the thin film electrode indicated by reference numeral (22c)).
  • the thin film electrode indicated by reference numeral (22b) and the thin film electrode indicated by reference numeral (22c) are superposed, but these are originally thin film electrodes on the same side of the piezoelectric element layer (9), so that the short circuit There is nothing to do. Therefore, since an insulating layer is not required and it is not necessary to connect individual thin film electrodes, a laminated structure can be easily obtained as compared with a case where film-like piezoelectric elements are laminated one by one through an insulating layer.
  • the laminated structure consisting of the three layers of film-like piezoelectric elements (9a), (9b) and (9c) folded in a bellows shape shown in FIG. 19 is vertically symmetrical with respect to the center plane of the reinforcing material layer (52).
  • positioned also so that it may become lower is shown.
  • the thin film electrode on the lower side of the film-like piezoelectric element (9c) in contact with the reinforcing material layer (52) in the upper piezoelectric element layer (9A) (the thin film on the back side of the thin film electrode indicated by reference numeral (22c)). Electrode) and the thin film electrode (22f) on the upper side of the film-like piezoelectric element (9f) in contact with the reinforcing material layer (52) in the lower piezoelectric element layer (9B)
  • the thin film electrodes on the same side of the element film are connected to each other by an electric wire (53).
  • the uppermost thin film electrode (22a) of the uppermost piezoelectric film (9a) of the upper piezoelectric element layer (9A) and the lowermost film of the lower piezoelectric element layer (9B) The thin film electrode on the lower side of the piezoelectric element (9d) (the thin film electrode on the back side of the thin film electrode indicated by reference numeral (22d)) is the thin film electrode on the same side of the original long piezoelectric element film and the above-mentioned
  • the thin film electrodes are opposite to the thin film electrodes connected by the electric wire (53), and lead wires (25) and (26) are connected to them.
  • the film-like piezoelectric elements (9a) (9b) (9c) (9d) (9e) (9f) are folded in a bellows shape, so that the thin-film electrodes (22b) (22c) (22d) (22e) Since a short circuit can be prevented, an insulating layer is not necessary, and it is only necessary to connect the upper and lower thin film electrodes, so that a laminated structure can be easily obtained.
  • the laminate (51) composed of the piezoelectric element layers (9A) (9B) and the reinforcing material layer (52) is only a part thereof. Since it is supported by the pedestal (21) and the weight (28) is loaded on the portion of the laminate (51) that is not supported by the pedestal (21), the resonance frequency is the same as in the second embodiment. Can be reduced.
  • the detector can be set to a desired resonance frequency by the above-described spring constant calculation formula and the above-described resonance frequency calculation formula.
  • the resonance frequency of a system in which a weight is loaded on the piezoelectric element is preferably set between 10 Hz and 1000 Hz. Only a part of the piezoelectric element is supported by the pedestal, and the weight is loaded on the part not supported by the pedestal of the piezoelectric element, so that the resonance frequency can be easily set to 1000 Hz or less.
  • the leak detector (6) described above can be made suitable for investigating fluid leaks in synthetic resin pipes.
  • the configuration for bending and deforming the piezoelectric element may be an embodiment corresponding to the third to seventh embodiments in addition to the above embodiment (corresponding to the second embodiment).
  • the reinforcing material layer (52) has a length (horizontal dimension in FIG. 16) of 40 mm, a width (dimension in the paper direction of FIG. 16) 25 mm, and a thickness of 700 ⁇ m.
  • the piezoelectric element layers (9A) and (9B) are formed by stacking three PVDF films having a thickness of 110 ⁇ m. By providing thin film electrodes on the piezoelectric element layers (9A) and (9B), the thickness of one layer of the piezoelectric element layers (9A) and (9B) is 122 ⁇ m.
  • the bending elastic modulus of the piezoelectric element layers (9a), (9b) and (9c) with the thin film electrodes (22a), (22b) and (22c) is 21 GPa, and the bending elastic modulus of the reinforcing material layer (52) is 3.0 GPa. It was.
  • the mass of the weight (28) was 1.2 g.
  • the thickness of the piezoelectric element layers (9A) and (9B) is 366 ⁇ m, which is the total thickness of three layers, and the total thickness of the laminate (51) is 1066 ⁇ m.
  • the neutral axis at this time is calculated as a position of 673 ⁇ m from the upper surface of the laminate (51) using the relationship shown in FIG. 21, and this position is inside the reinforcing material layer (52) made of a PET sheet. .
  • the distance from the neutral axis of the laminate (51) to the lower surfaces of the piezoelectric element layers (9A) and (9B) is 207 ⁇ m. This corresponds to about 1/5 of the thickness of the laminate (51).
  • the reinforcing material layer (23) is the same as that of Example 1, and the upper and lower piezoelectric element layers (9A) and (9B) are both in Example 1. From the same film. Therefore, the total thickness of the laminate (51) is 1432 ⁇ m.
  • the position of the neutral axis is a position of 716 ⁇ m from the upper surface of the laminate (51) and is inside the reinforcing material layer (52) made of a PET sheet.
  • a distance from the neutral axis of the laminate (51) to the boundary surface between each piezoelectric element layer (9A) (9B) and the reinforcing material layer (52) is 350 ⁇ m. This corresponds to about 1/4 of the thickness.
  • the second embodiment it is possible to obtain a signal having a magnitude necessary for detecting a water leakage sound as shown in FIG. 24, and it is possible to obtain a larger signal than that of the first embodiment.
  • the bending frequency can be used for vibration, so that the resonance frequency of the system in which the weight (28) is loaded on the piezoelectric element layers (9A) (9B) is reduced to a desired small value. It can be set easily. That is, according to the leak detector (6) of each of the above embodiments, a large signal can be recorded in a frequency band lower than 1000 Hz, and a synthetic resin tube such as polyvinyl chloride, which has been difficult in the past, can be recorded.
  • the leak detector (6) is installed on an iron pedestal (21) and a pedestal (21).
  • the support means (61) includes a support (62) whose lower end is fixed to the pedestal (21) and supports the piezoelectric element (9) at the upper end, and a slider (63) that moves on the pedestal (21). ing.
  • the column (62) is insulated from the upper and lower thin film electrodes (14) (15), and lead wires (17) (18) are attached to the thin film electrodes (14) (15). .
  • the analysis device (8) is connected to the lead wires (17) and (18), whereby the potential difference between the upper thin film electrode (14) and the lower thin film electrode (15) is measured and the analysis device ( Sent to 8).
  • the support of the piezoelectric element (9) by the support (62) is cantilevered, and one end of the piezoelectric element (9) is supported by the upper end of the support (62).
  • the weight (28) is stacked on the other end of the piezoelectric element (9).
  • the slider (63) is a cantilevered piezoelectric element (9) and thin film electrodes (22) (23) on the upper and lower holding plates (64 ) (65) and a connecting plate (66) for connecting the upper and lower clamping plates (64) and (65).
  • the cantilever structure increases sensitivity to vibration noise caused by fluid leakage of the synthetic resin pipe (3).
  • the installation span of the leak detector (6) can be increased, so that more efficient water leakage investigation of the synthetic resin pipe (3) becomes possible.
  • the slider (63) is separated from the piezoelectric element (9) when in the initial position shown in FIG.
  • the slider (63) is movable to the right in the figure from the initial position shown in FIG. 22.
  • the piezoelectric element (9) and the thin film electrodes (22) (23) It is possible to move on the pedestal (21) by sandwiching the portion close to the column (62) from both the upper and lower sides. As a result, the length of the supported portion of the piezoelectric element (9) is increased, and the length of the cantilever beam (that is, the length L in the above formula) is decreased.
  • the leak detector (6) has the same resonance frequency as the leak detector (6) shown in FIG. 8 when the slider (63) is at the initial position shown in FIG. In addition, the resonance frequency increases as the slider (63) moves to the right.
  • ⁇ Leakage vibration caused by pipe leakage differs in peak frequency depending on the pipe material and diameter.
  • a synthetic resin pipe tends to have a lower frequency than a metal pipe, and the frequency tends to be smaller as the diameter is larger.
  • a leakage frequency peak at 10 to 200 Hz
  • a cast iron pipe of ⁇ 75 there is often a leakage frequency peak at 300 to 500 Hz.
  • a leakage frequency peak at 100 to 300 Hz.
  • the peak of the leakage frequency is various, but if the above leakage detector (6) is used, the resonance phenomenon is used, and the length of the beam is mechanically changed according to the material and the diameter of the pipe, The resonance frequency can be freely controlled.
  • the distance between the support position by the support means (13) and the load position of the weight (16) is the maximum (in the state of FIG. 22).
  • the resonance frequency of the leak detector (6) is 150 Hz or less and the distance between the support position by the support means (13) and the load position of the weight (16) is the minimum (from the state of FIG. 23, the slider (20) is further to the right
  • the resonance frequency of the leak detector (6) in the state where the connecting plate (33) is in contact with the support means (19) is set to 400 Hz or higher.
  • the thickness of the piezoelectric element 12 of the leak detector 6 is 2 mm, the length is 60 mm, the width is 25 mm, the elastic modulus as a beam is 3 GPa, and the weight of the weight 16 is 1 g (Example 3) ).
  • the resonance frequency of the leak detector (6) shown in FIG. 22 is 133 Hz. If the leak detector (6) is in the state shown in FIG. 23 and the length of the beam is 35 mm, the resonance frequency is 298 Hz, and if the length of the beam is 25 mm, the resonance frequency is 493 Hz.
  • the leakage frequency is within the variable range of the resonance frequency of the leakage detector (6) regardless of any of ⁇ 75 polyvinyl chloride piping, ⁇ 75 cast iron pipe and ⁇ 250 cast iron pipe. This can be done by changing the frequency.
  • the minimum value that is, the variable range of the resonance frequency of the leak detector (6) can be changed.
  • this leak detector (6) fluid leaks in various piping members can be detected by using the same leak detector (6) and changing its resonance frequency.
  • the leak detector (6) of each of the above embodiments is used for detecting leaks from water pipe devices, for detecting leaks in various pipes other than water pipes, and for example, pipes for chemicals in factories, etc. It is also used in applications for detecting leakage of fluids such as chemicals.
  • fluid leakage can be detected with high accuracy in various pipes including water pipes, building pipes, factory pipes, etc., it is possible to improve the accuracy of flow rate monitoring and abnormality detection in the pipes.

Abstract

　合成樹脂管の漏水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、より効率的な合成樹脂管の漏水調査が可能となる漏洩検出器を提供する。　漏洩検出器6は、台座11と、台座21に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子9と、圧電素子9に積載された錘28とを備えている。圧電素子9が高分子圧電材料によって形成されている。圧電素子9の一方の端部が支柱27の上端部に支持されており、錘28は、圧電素子9の他方の端部に積載されている。

Description

漏洩検出器、漏洩検知方法および配管網の監視装置
　この発明は、漏洩検出器、漏洩検知方法および配管網の監視装置に関し、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、精度よく流体漏洩を検出する漏洩検出器、このような漏洩検出器を使用した漏洩検知方法、および、このような漏洩検出器を使用して、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、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漏洩検出器が開示されている。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。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できるとされている。
　また、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２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３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。
特許第３２２３３３７号公報 特開２００１－３１９２８４号公報 特開２００３－２９４７１８号公報
　上記特許文献１の漏洩検出器では、合成樹脂管における微小な振動音に対する感度が充分でなく、消火栓等に設置する検出器の設置スパンが短いために、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。
　また、上記特許文献２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。
　また、特許文献３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、合成樹脂管の漏水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、より効率的な合成樹脂管の流体漏洩調査が可能となる漏洩検出器を提供することにある。
　また、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。
　この発明による漏洩検出器は、配管からの流体漏洩によって生じる振動音を検知する漏洩検出器であって、台座と、台座に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子に負荷された錘とを備えており、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されていることを特徴とするものである。
　従来、この種の検出器に用いられる圧電材料は、チタン酸バリウムやジルコン酸チタン酸鉛などの圧電性セラミックが一般的であった。この発明の漏洩検出器によると、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されているものとされ、これにより、圧電素子の弾性定数が低くなり、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数も低くなる。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。
　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。
　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。
　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。）。ポリフッ化ビニリデン（高分子圧電材料）の弾性定数Ｅは２～５×１０９（Ｎ／ｍ２）である。それに対し、ジルコン酸チタン酸鉛（セラミック圧電材料）の弾性定数は、２～１０×１０１０（Ｎ／ｍ２）であり、一桁大きい。このため、セラミック系の圧電素子を使った振動センサーは高い共振周波数に設計しやすく、共振周波数を数ｋＨｚとされることが多い。共振周波数を低くしようとすると錘を減らす必要があるが、そうすると圧電素子にかかる応力が小さくなり、大きな出力が得られない。特許文献１のように、ゴム材料を用いて共振周波数を低周波にシフトさせることも可能であるが、ゴム材料によって振動が減衰するために、圧電素子に効率よく振動を伝達することが出来ない。本発明による漏洩検出器では、高分子圧電材料から圧電素子が構成されることで、圧電材料自体の弾性定数を低くし、低い共振周波数にしている。高分子圧電材料には銀やニッケル銅などの電極が必要に応じて取り付けられる。
　高分子圧電材料の圧電素子は、セラミック系の圧電素子と比較して圧電出力定数が高い。例えば、ポリフッ化ビニリデンの圧電出力定数ｇ３３が３００×１０－３（Ｖｍ／Ｎ）程度であることに対し、ジルコン酸チタン酸鉛の圧電出力定数ｇ３３は２０×１０－３（Ｖｍ／Ｎ）程度である。これは、高分子圧電材料の方が一定の力Ｆをかけた時に出力電圧Ｖが高いことを示している。
Ｖ＝Ｆ・ｇ３３・ｔ／Ａ
Ｖ：出力電圧　ｇ３３：圧電出力定数　Ｆ：圧電材料にかかる力　ｔ：厚み　Ａ：断面積。
　本発明における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。また、圧電材料は複数積層するなどしてさらに感度を高めることができる。圧電フィルムの上に錘を負荷して厚み方向の変形を与えることで電位差を発生させることができる。なお、フィルムの厚みは、特に限定されるものではなく、「シート」と称されている厚みのものであってもよい。
　圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の台座に支持されていない部分に負荷されていることが好ましい。
　例えば、フィルムの片端ないしは両端を支持し、フィルムに曲げ変形を加えることによって電位差を発生させると、バネ定数を小さくでき、共振周波数をより低くできるという点で好ましいものとなる。
　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。
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。
　圧電素子の片端を支持する構成は、例えば、台座上に圧電素子の一方の端部を支持する支持手段が設けられて、圧電素子の一方の端部が支持手段に支持されており、圧電素子の他方の端部に錘が負荷されているものとされる。
　圧電素子の両端を支持する場合、バネ定数kは下記のように表される。
ｋ＝１９２ＥＪ／Ｌ３（Ｊ＝ｂｈ３／１２）
　圧電素子の両端を支持する構成は、例えば、台座上に圧電素子の両方の端部を支持する支持手段が設けられて、圧電素子の各端部が対応する各支持手段に支持されており、圧電素子の中央部に錘が負荷されているものとされる。
　圧電素子の片端または両端を支持し、上記のバネ定数算出式と上記の共振周波数の算出式とにより、所望の共振周波数に検出器を設定することができる。
　圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数は、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚの間に設定されていることが好ましい。圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の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ことで、共振周波数を１０００Ｈｚ以下とすることが容易となる。このように設定することで、この発明の漏洩検出器を上記のような合成樹脂管の流体漏洩調査に好適なものとできる。
　圧電素子は、補強材層の上下の少なくとも一方の面に積層されていることが好ましい。
　このようにすると、圧電素子層の位置が積層体の中立軸から離れることになり、感度を大きくすることができる。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、合成樹脂管の流体漏洩調査用として適したものとなる。
　積層体の一部のみが台座に支持されて、錘が積層体の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、フィルム状の圧電素子とシート状の補強材層とを積層した積層体の片端ないしは両端を支持し、錘の負荷によって圧電素子層に曲げ変形（弾性変形）を加えることによって電流や電位差を発生させるようにすればよい。これにより、圧電素子層のバネ定数が小さくなり、共振周波数が低くなる。
　フィルム状の圧電素子に面方向に引張応力や圧縮応力が加わると厚み方向に電位差が発生する。フィルム状の圧電素子においては、引張応力をかけた時と、引張応力から解放されて圧縮応力が加わった時とで電位差の生じる方向が異なる。つまり、交流電気に変換される。積層体に曲げ応力が加わった時、積層体の中立軸より一側の面では引張応力がかかり、他側の面では圧縮応力がかかる。中立軸は応力がゼロの位置であり、中立軸より離れるほど引張応力や圧縮応力は大きくなる。
　積層体を曲げ変形させることで圧電素子に大きな応力が生じ、これに伴って、圧電素子で得られる電気信号も大きなものとなる。
　ここで、中立軸が圧電素子の厚み内に位置した場合、同一圧電素子の内部で引張応力を受ける部分と圧縮応力を受ける部分とに分かれてしまい、電流や電位差を相殺して急激に信号強度が低下する。圧電素子層が補強材層の上下の少なくとも一方の面に積層されている構成では、圧電素子の位置が積層体の中立軸から離れることになり、電気信号出力（感度）を大きくすることができる。
　例えばポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムでは、厚みが１００μｍ程度であり、感度を高めるために、上下両面に薄膜電極が設けられた複数枚のフィルム状圧電素子からなる積層構造とすることが好ましい。圧電素子層を積層構造とすることで、引張応力や圧縮応力を受けるフィルム状圧電素子の面積を大きくすることができ、高い出力が得られる。
　フィルム状圧電素子を積層構造とするに際しては、短尺状の（１層分の幅および長さを有する）フィルム状圧電素子１枚ずつを絶縁層を介して貼り合わせて各層ごとに電気信号を取り出すようにしてもよく、上下両面に薄膜電極が設けられた長尺状の（１層分の幅および複数層分の長さを有する）フィルム状圧電素子が蛇腹状に折り畳まれることで圧電素子層が形成されているようにしてもよい。
　薄膜電極のついたフィルム状圧電素子を蛇腹状に折り畳むと、薄膜電極がショートしないので、絶縁層が不要となり、個々の薄膜電極を結線する必要がないので、積層構造を簡単に得ることができる。
　圧電素子層が補強材層の上下両面に積層されている場合には、電気信号を相殺しないように、上側の圧電素子層の一方の薄膜電極とこれに対応する下側の圧電素子層の一方の薄膜電極とが接続されて、上側の圧電素子層の他方の薄膜電極とこれに対応する下側の圧電素子層の他方の薄膜電極とから電気信号が取り出されるようになされる。
　補強材層の上下両面に圧電素子層が積層される場合、もともとの圧電素子層の一方の薄膜電極と他方の薄膜電極とについては、どちらが上下になってもよいが、薄膜電極同士を接続する際には、電気信号を相殺しないように接続される。例えば、上側の圧電素子層の最も上側の面の薄膜電極と下側の圧電素子層の最も下側の面の薄膜電極とが一方の薄膜電極で、上側の圧電素子層の最も下側の面の薄膜電極と下側の圧電素子層の最も上側の面の薄膜電極とが他方の薄膜電極の場合、他方の薄膜電極同士を連結線（連結のための電線）で接続し、一方の薄膜電極同士をリード線（信号取出しのための電線）で接続すればよい。
　圧電素子層を中立軸の上側と下側とに配置した際、上下で発生する応力方向が異なる。その時に電気信号を相殺しないように薄膜電極同士を連結することで、大きな電気信号を得ることができる。
　補強材層の曲げ弾性率が圧電素子層の曲げ弾性率より大きいことが好ましい。
　複数の材料を積層した時に中立軸の位置は弾性率の高い材料側に寄る。圧電素子層と補強材層とを積層し、所定の厚みの積層体とする場合、補強材層の弾性率が高いと圧電素子層の割合を大きくすることができる。
　補強材層の厚みを圧電素子層の厚みよりも大きいものとして、かつ、補強材層の曲げ弾性率が圧電素子層の曲げ弾性率より大きいものとすることで、容易に曲げの中立軸が圧電素子層の内部に存在しないようにすることができる。
　圧電素子材料が高分子であれば、比較的弾性率を小さくすることができ、中立軸を補強材層側に寄らせることが容易になる。また、折り畳んで積層する場合にも高分子であれば柔軟であり折り畳んだ際に破壊することがない。圧電素子材料が高分子の場合、補強材層も高分子であることが好ましく、例えば、補強材層として、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を使用して、厚みを圧電素子層の厚みよりも大きいものとすることで、好ましい積層体が得られる。
　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が好ましい。
　このようにすると、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。
　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、同じ漏洩検出器を使用して、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。
　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漏洩検出器を使用して、配管部材の材料や管の口径に応じて、漏洩検出器は変更せずに、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、漏洩検出器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。
　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。
　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。この発明による漏洩検出器によると、漏洩検出器側で、共振周波数を変化させることができるので、同じ漏洩検出器を使用して、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。
　上記のように、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数ｆｏは、ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πで表され、圧電素子の片端を支持する場合、バネ定数kは、ｋ＝３ＥＪ／Ｌ３　（Ｊ＝ｂｈ３／１２）で表される。
　ここで、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。
　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。
　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。この発明の漏洩検出器によると、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。
　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持手段と、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。
　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。
　支持位置と錘の負荷位置との距離が最大時の漏洩検出器の共振周波数が１５０Ｈｚ以下に、支持位置と錘の負荷位置との距離が最小時の漏洩検出器の共振周波数が４００Ｈｚ以上に設定されていることが好ましい。
　共振周波数が１５０Ｈｚ以下の漏洩検出器は、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以上の漏洩検出器は、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、同じ漏洩検出器を使用して、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。
　この発明による漏洩検知方法は、上記いずれかの漏洩検出器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。
　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、漏洩検出器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、漏洩検出器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、漏洩検出器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、漏洩検出器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。
　こうして、共振周波数が可変とされた漏洩検出器を使用して、配管部材の材料や管の口径に応じて、漏洩検出器は変更せずに、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、漏洩検出器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。
　この発明による配管網の監視装置は、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、各圧電素子で得られた電荷信号を送信する通信機と、通信機からの送信情報を遠隔地で受信して表示する表示装置とを備えてい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。
　この発明の漏洩検出器によると、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されているので、圧電素子の弾性定数が低くなり、圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数も低くなる。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流体漏洩調査が可能となる。
　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漏洩検出器を示すブロック図である。 図３は、漏洩検出器を継手に取り付けた１例を示す図である。 図４は、漏洩検出器を管に取り付けた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。 図７は、この発明による漏洩検出器の第１実施形態を模式的に示す図である。 図８は、この発明による漏洩検出器の第２実施形態を模式的に示す図である。 図９は、この発明による漏洩検出器の第３実施形態を模式的に示す図である。 図１０は、図９の平面図である。 図１１は、この発明による漏洩検出器の第４実施形態を模式的に示す図である。 図１２は、図１１の平面図である。 図１３は、この発明による漏洩検出器の第５実施形態を模式的に示す図である。 図１４は、この発明による漏洩検出器の第６実施形態を模式的に示す図である。 図１５は、この発明による漏洩検出器の第７実施形態を模式的に示す図である。 図１６は、この発明による漏洩検出器の第８実施形態を模式的に示す図である。 図１７は、第８実施形態の漏洩検出器に対する比較例の作用を模式的に示す図である。 図１８は、第８実施形態の漏洩検出器の作用を模式的に示す図である。 図１９は、この発明による漏洩検出器の第９実施形態を模式的に示す図である。 図２０は、この発明による漏洩検出器の第１０実施形態を模式的に示す図である。 図２１は、第８実施形態の漏洩検出器における中立軸の求め方を示す図である。 図２２は、この発明による漏洩検出器の第１１実施形態を模式的に示す図である。 図２３は、図２２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２４は、この発明による漏洩検出器を使用して得られる漏水音の１例を示す図である。 図２５は、従来の漏洩検出器を使用して得られる漏水音の１例を示す図である。
(1)：配管網の監視装置、(2)：配管網、(3)：合成樹脂管、(4)(5)：継手、(6)：漏洩検出器、(7)；無線通信機、(8)：解析装置、(9)：圧電素子、(11)：キャパシタ（蓄電素子）、(13)：制御回路、(21)(34)(38)(41)：台座、(24)(28)(31)(33)(36)(37)(40)：錘、(27)(29)(30)(32)：支柱（支持手段）、(35)(39)：支持手段、(41d)：側壁（支持手段）、(51)：積層体、(52)：補強材層、(61)：支持手段、(63)：スライダー
　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)に設けられた漏洩検出器(6)と、各漏洩検出器(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解析する解析装置(8)とを備えている。
　漏洩検出器(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、所定の電圧を漏洩検出器(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。
　なお、外部電源を使用するようにして、キャパシタ(11)を省略するようにしてもよい。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)を介して解析装置(8)に送信される。各漏洩検出器(6)には、アドレス情報が付されており、パソコンなどの解析装置(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）にある漏洩検出器(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）にある漏洩検出器(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。
　解析装置(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。
　漏洩検出器(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、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、判定手段を解析装置(8)に設けるようにして、漏洩検出器(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解析装置(8)に送信するようにしてもよい。
　以下に、漏洩検出器(6)の好ましい実施形態を示す。
　漏洩検出器(6)の第１実施形態は、図７に示すように、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(9)と、圧電素子(9)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(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(24)とを備えている。台座(21)と錘(24)にはそれぞれ、リード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)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、台座(21)と錘(24)との間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　圧電素子(9)は、高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(9)と錘(24)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２π（ｋは圧電素子のバネ定数、Ｍは錘の質量）は、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚに設定されている。
　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)に貼り付けられた漏洩検出器(6)の圧電素子(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。
　実験的に口径７５ｍｍのポリ塩化ビニル製の配管(2)に台座(21)を固定し、そこから１０ｍ離れた地点においてポリ塩化ビニル製の合成樹脂管(3)を一定の力でハンマーを用いて叩いた。その時の波形（漏水音）の周波数スペクトルを図２４に示す。１０００Ｈｚより低周波数側の周波数帯域において大きな信号が記録された。
　比較として、圧電材料をジルコン酸チタン酸鉛とした場合の波形（漏水音）の周波数スペクトルを図２５に示す。図２５においては、図２４で得られている合成樹脂管(3)の特徴的な振動である低周波領域の信号がほとんど拾えていないことが分かる。
　すなわち、図７に示した漏洩検出器(6)によると、従来困難であった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感度が高くなる。したがって、漏洩検出器(6)の設置スパンを長くとれるため、効率的な合成樹脂管(3)の漏水調査が可能となる。
　図７において、圧電素子(9)は、全面が台座(21)に支持されているが、支持する方法はこれに限られるものではなく、以下に示すような実施形態とすることもできる。
　漏洩検出器(6)の第２実施形態は、図８に示すように、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(9)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(9)を支持する支柱（支持手段）(27)と、圧電素子(9)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(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(28)とを備えている。支柱(27)と上側および下側の薄膜電極(22)(23)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)が接続され、これにより、上側の薄膜電極(22)と下側の薄膜電極(23)との間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態では、支柱(27)による圧電素子(9)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(9)の一方の端部が支柱(27)の上端部に支持されており、錘(28)は、圧電素子(9)の他方の端部に積載されている。
　圧電素子(9)は、高分子圧電材料であるポリフッ化ビニリデンの延伸フィルム（ＰＶＤＦフィルム）によって形成されている。圧電素子(9)の片端が支持されていることで、バネ定数kは下記のように表される。
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８の左右方向の寸法）　ｂ：幅（図８の紙面表裏方向の寸法）　ｈ：高さ（図８の上下方向の寸法）
　圧電素子(9)と錘(28)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚに設定されている。
　この実施形態においても、リード線(25)(26)より電位差を測定することで、図２４に示したのと同じように、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た。
　上記では一つの支持手段に対して圧電素子を一つ固定した例を示したが、これに限定されず、一つの支持手段に対して複数の圧電素子を固定し、それに応じた錘を備えるようにすることで、片持ち梁が複数個ある構成とすることもできる。
　漏洩検出器(6)の第３実施形態は、図９に示すように、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された圧電素子(9)と、下端部が台座(21)に支持されて上端部で圧電素子(9)を支持する１対の支柱（支持手段）(29)(30)と、圧電素子(9)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(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(31)とを備えている。各支柱(29)(30)と上側および下側の薄膜電極(22)(23)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)に接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(22)(23)間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態では、支柱(29)(30)による圧電素子(9)の支持は、両持ち支持とされており、圧電素子(9)の両方の端部が支柱(29)(30)の上端部に支持されており、錘(31)は、圧電素子(9)の中央部に積載されている。
　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）によって形成されている。圧電素子(9)の両端が支持されていることで、バネ定数kは下記のように表される。
ｋ＝１９２ＥＪ／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９の左右方向の寸法）　ｂ：幅（図９の紙面表裏方向の寸法）　ｈ：高さ（図９の上下方向の寸法）
　圧電素子(9)と錘(31)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚに設定されている。
　この実施形態においても、リード線(25)(26)より電位差を測定することで、図２４に示したのと同じように、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た。
　上記第３実施形態の漏洩検出器(6)における圧電素子(9)および薄膜電極(22)(23)の形状は、特に限定されないが、図１０に示すように支柱(29)(30)間の距離に対応する長さがこれに直交する幅に比べて長い長方形状とすることで、曲げ変形量を大きいものとすることができる。共振周波数を小さくしたい場合には、より細長い長方形状とすることで対応できる。図１０には、第３実施形態に対応する図を示しているが、図８に示す第２実施形態の漏洩検出器(6)における圧電素子(9)および薄膜電極(22)(23)の形状についても、同様である。
　図９および図１０に示す第３実施形態では、長方形状の圧電素子(9)の支持位置と錘(31)の負荷位置との関係について、圧電素子(9)が両端部で支持されて（すなわち両持ち）、錘(31)の重量が圧電素子(9)の中央部に負荷されているが、圧電素子の中央部が支持されて、両端部に錘が負荷されているようにしてもよく、この場合には、圧電素子の支持は、片持ちが２つと見なすことができ、第２実施形態と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。
　また、図９および図１０に示す第３実施形態では、長方形状の圧電素子(9)の両端部が支持されているが、圧電素子の形状を正方形または円形として、圧電素子(9)の（両端部ではなく）周縁部を支持して、錘(33)を圧電素子(9)の中央部に積載するようにしても、同様の効果を得ることができる。この実施形態を図１１および図１２に示す。
　図１１および図１２において、漏洩検出器(6)の第４実施形態は、鉄製の台座(21)と、台座(21)上に設置された円形の圧電素子(9)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(9)を支持する円筒状の支柱（支持手段）(32)と、圧電素子(9)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(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(33)とを備えている。支柱(32)と上側および下側の薄膜電極(22)(23)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(22)(23)間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態では、支柱(32)による圧電素子(9)の支持は、周縁部支持とされて、圧電素子(9)の周縁部（環状となっている）が支柱(32)の上端部に支持されている。また、錘(33)は、円形の圧電素子(9)の中心部分に積載されている。
　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）によって形成されている。圧電素子(9)の周縁部が支持されていることで、圧縮変形が小さくて、曲げ変形が大きいものとなっており、両持ち支持と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。
　図示省略するが、第４実施形態における圧電素子(9)の周縁部支持・中心部分に錘(33)の関係を逆にして、圧電素子(9)の中央部を円柱状の支持手段で支持するとともに、圧電素子(9)の周縁部に環状の錘を積載するようにしてもよい。圧電素子(9)の中央部を円柱状の支持手段で支持するとともに、圧電素子(9)の中央部支持・周縁部に錘とすることで、圧縮変形が小さくて、曲げ変形が大きいものとなり、両持ち支持と同程度にバネ定数kを大きいものとすることができる。
　上記各実施形態では、圧電素子(9)の上面に錘(24)(28)(31)(33)を積載することで負荷を与えるようにしているが、圧電素子の下面に錘を吊り下げるように固定して、圧電素子に負荷を与えるようにしてもよい。また、圧電素子(9)を支持手段としての支柱(27)(29)(30)(32)の上端部で支持する形態に代えて、圧電素子を支持手段の下端部で吊り下げるように支持してもよい。その例を図１３から図１５までに示す。
　図１３に示す第５実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(34)は、底壁(34a)、頂壁(34b)および側壁(34c)を有する直方体の中空状とされており、頂壁(34b)に柱状の支持手段(35)が垂下状に設けられている。圧電素子(9)は、図１０に示した長方形状とされている。圧電素子(9)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(22)(23)が形成されている。圧電素子(9)は、上側の薄膜電極(22)を介して、その中央部上面が支持手段(35)の下端面に固定されている。錘(36)(37)は、直方体状のものが２つ使用されて、その上面が下側の薄膜電極(23)の両端部の下面にそれぞれ接着されている。支持手段(35)の下端部と上側の薄膜電極(22)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(22)(23)間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態（第５実施形態）は、圧電素子(9)の中央部を支持して、圧電素子(9)の両端部に錘(36)(37)を負荷するようになっており、第２～第４実施形態と同様にバネ定数kを大きいものとすることができる。
　なお、図１３において、圧電素子(9)を円形状または方形状に変更するとともに、錘(36)(37)を円筒状または角筒状に変更した実施形態（図１１および図１２に示す第４実施形態と類似の実施形態）としてもよい。
　図１４には、片持ちの場合の変形例を示している。同図に示す第６実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(38)は、底壁(38a)、頂壁(38b)および側壁(38c)を有する直方体の中空状とされており、頂壁(38b)の端部近くに柱状の支持手段(39)が垂下状に設けられている。圧電素子(9)は、図１０に示した長方形状とされている。圧電素子(9)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(22)(23)が形成されている。圧電素子(9)は、片持ち、すなわち、一方の端部が上側の薄膜電極(22)を介して支持手段(39)の下面に固定されて、他端が自由端とされている。錘(40)は、直方体状とされて、圧電素子(9)の他端部に積載されている。支持手段(39)の下端部と上側の薄膜電極(22)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(22)(23)間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態（第６実施形態）は、圧電素子(9)の一端部を支持して、圧電素子(9)の他端部に　錘(40)を負荷するようになっており、図８に示した第２実施形態と同様の特性を奏することができる。
　図１５には、片持ちの場合の別の変形例を示している。同図に示す第７実施形態の漏洩検出器(6)において、台座(41)は、底壁(41a)、頂壁(41b)および側壁(41c)(41d)を有する直方体の中空状とされている。そして、頂壁(41b)に支持手段を設けるのではなく、いずれか１つの側壁(41d)を支持手段として使用する構成とされて、圧電素子(9)は、図１０に示した長方形状とされて、その一端部が側壁（支持手段）(41d)に固定されている。
　圧電素子(9)の両面には、銀ペーストを塗布することで上下１対の薄膜電極(22)(23)が形成されている。錘(42)は、直方体状とされて、その上面が下側の薄膜電極(23)の他方の端部の下面に接着されている。支持手段とされた側壁(41d)と上下の薄膜電極(22)(23)との間は絶縁されており、各薄膜電極(22)(23)にリード線(25)(26)が取り付けられている。リード線(25)(26)に、解析装置(8)が接続され、これにより、上下１対の薄膜電極(22)(23)間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態（第７実施形態）は、圧電素子(9)の一端部を支持して、圧電素子(82)の他端部に錘(42)を負荷するようになっており、図８に示した第２実施形態と同様の特性を奏することができる。
　第２から第７までの実施形態によると、圧電素子(9)は、その一部のみが台座(21)(34)(38)(41)に支持されており、錘(28)(31)(36)(37)(40)(43)は、圧電素子(9)の台座(21)(34)(38)(41)に支持されていない部分に負荷されており、曲げ変形を利用できることで、圧電素子(9)に錘(28)(31)(36)(37)(40)(43)を負荷した系の共振周波数を所望の小さな値に容易に設定することができ、この点で、第１実施形態の圧電素子(9)の全面が支持されて全面に錘(24)が負荷されている形態に比べて有利となっている。
　漏洩検出器(6)の第８実施形態は、図１６に示すように、鉄製の台座(21)と、上下圧電素子層(9A)(9B)および上下圧電素子層(9A)(9B)間に介在させられた補強材層(52)からなる積層体(51)と、下端部が台座(21)に固定されて上端部で積層体(51)を支持する支柱（支持手段）(27)と、積層体(51)の反固定側の端部上に積載された錘(28)とを備えている。
　圧電素子層(9A)(9B)には、上下両面に銀ペーストを塗布することで薄膜電極(22A)(23A)(22B)(23B)が形成されている。
　支柱(27)と薄膜電極(22A)(23A)(22B)(23B)との間は絶縁されており、上側圧電素子層(9A)の上側の薄膜電極(22A)と下側圧電素子層(9B)の下側の薄膜電極(23B)とに信号取出し用のリード線(25)(26)が取り付けられている。上側圧電素子層(9A)の下側の薄膜電極(23A)と下側圧電素子層(9B)の上側の薄膜電極(22B)とは、電線(53)によって接続されている。リード線(25)(26)には、解析装置(8)が接続され、これにより、上側の薄膜電極(22A)と下側の薄膜電極(23B)との間の電位差が測定されて解析装置(8)に記録される。
　この実施形態では、支柱(27)による積層体(51)の支持は、片持ち支持とされており、積層体(51)の一方の端部が支柱(27)の上端部に支持されており、錘(28)は、積層体(51)の他方の端部に積載されている。
　圧電素子層(9A)(9B)は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムによって形成されている。圧電素子層(9A)(9B)の片端が支持されていることで、バネ定数kは、上記のように、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１６の左右方向の寸法）　ｂ：幅（図１６の紙面表裏方向の寸法）　ｈ：高さ（図１６の上下方向の寸法）と表される。
　積層体(51)と錘(28)からなる系の共振周波数ｆｏ＝√（ｋ／Ｍ）／２πは、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚに設定されている。これにより、この実施形態の漏洩検出器(6)によると、ポリ塩化ビニル製のような合成樹脂管の漏水による振動音に対して、感度が高いものとできる。
　上記の漏洩検出器(6)においては、圧電素子層(9A)(9B)が補強材層(52)に積層されている。この作用効果について、図１７および図１８を参照して説明する。
　まず、図１７（ａ）に示すように、補強材層がない圧電素子層(9)が１層だけの場合、これに振動が加わると、図１７（ｂ）に示す上向きに凸の状態と図１７（ｃ）に示す下向きに凸の状態とが繰り返される。図１７（ｂ）では、上面が引張りに、下面が圧縮になっており、図１７（ｃ）では、上面が圧縮に、下面が引張りになっている。このように、圧電素子層(9)の面方向に引張り応力または圧縮応力が作用することにより、厚み方向に引張りまたは圧縮に応じた正または負の電位差が生じる。したがって、この電位差を信号として取り出すことで、振動の大きさを検出することができる。
　ここで、図１７においては、１点鎖線で示す圧電素子層(9)の中立軸は、圧電素子層(9)の中心面に一致していて、圧電素子層(9)の厚み内に位置している。このため、圧電素子層(9)の内部に生じた正負の電位が打ち消し合って、電位差が相殺され信号強度が低下するという問題がある。
　これに対し、図１８（ａ）に示すように、補強材層(52)の上下面に上下圧電素子層(9A)(9B)が積層されている場合、これに振動が加わることで、図１８（ｂ）に示す上向きに凸の状態と図１８（ｃ）に示す下向きに凸の状態とが繰り返される。これにより、図１７の場合と同様に、圧電素子層(9A)(9B)の面方向に引張り応力または圧縮応力が作用することにより、厚み方向に引張りまたは圧縮に応じた正または負の電位差が生じる。図１８において、図１７の場合と相違している点は、各圧電素子層(9A)(9B)の内部に正および負の両方の電位が生じるのではなく、上側の圧電素子層(9A)全体に正（または負）の電位差が生じるとともに、下側の圧電素子層(9B)全体に負（または正）の電位差が生じる。したがって、圧電素子層の内部に生じた正負の電位が打ち消し合って電位差が相殺され信号強度が低下するという問題が解消され、この電位差を信号として取り出すことで、振動の大きさを感度よく検出することができる。
　すなわち、図１６に示した漏洩検出器(6)によると、上下圧電素子層(9A)(9B)の位置が積層体(51)の中立軸（この実施形態では、補強材層(52)の中心面に一致）から離れることになり、電位差信号出力（感度）を大きくすることができる。
　図１６に示した漏洩検出器(6)では、補強材層(52)の上下両方に圧電素子層(9A)(9B)が設けられているが、上下いずれか一方の圧電素子層(9A)(9B)としてもよい。また、図では、上下圧電素子層(9A)(9B)をそれぞれ１層で表現しているが、各圧電素子層(9A)(9B)は、１枚のフィルム状圧電素子で形成されているものに限定されるものではなく、好ましくは、複数枚のフィルム状圧電素子が積層されることで形成される。
　いずれにしろ、積層体(51)の中立軸と上下圧電素子層(9A)(9B)とは離れれば離れるほどよい。好ましくは、上下圧電素子層(9A)(9B)の補強材層(52)との境界面と中立軸との距離が積層体(51)の総厚みの１／１０以上、より好ましくは１／６以上とされる。
　積層体(51)の中立軸は、圧電素子層(9A)(9B)の弾性率をＥ１、厚みをｈ１、補強層(52)の弾性率をＥ２、厚みをｈ２として、図２１に示すように、積層体(51)の上面から中立軸までの距離ｈｎａが次式で求められる。
　ｈｎａ＝｛（Ｅ１／Ｅ２）ｈ１（ｈ１／２）＋ｈ２（ｈ１＋ｈ２／２）｝／｛（Ｅ１／Ｅ２）ｈ１＋ｈ２｝
　複数枚のフィルム状圧電素子を積層する場合、上下両面に薄膜電極が形成されたフィルム状圧電素子を１枚ずつ絶縁層を介して積層し、上下で対応する圧電素子層の組ごとにリード線を設けて信号を取り出すようにすればよい。
　複数枚のフィルム状圧電素子を積層する場合、図１９（第２実施形態）に示すように、上下両面に薄膜電極が形成されたフィルム状圧電素子を長尺状として、これを蛇腹状に折り畳むことで、３層の薄膜電極(22a)(22b)(22c)付きフィルム状圧電素子(9a)(9b)(9c)からなる積層構造としてもよい。リード線(25)(26)は、最も上側の薄膜電極(22a)と最も下側の薄膜電極（符号(22c)で示す薄膜電極の裏側の薄膜電極）とを接続するように設けられる。この場合、例えば、符号(22b)で示す薄膜電極と符号(22c)で示す薄膜電極とが重ね合わせられるが、これらは、もともと圧電素子層(9)の同じ側にある薄膜電極同士なので、ショートすることがない。したがって、絶縁層が不要となり、個々の薄膜電極を結線する必要がないので、フィルム状圧電素子を１枚ずつ絶縁層を介して積層する場合に比べて、積層構造を簡単に得ることができる。
　図２０には、図１９に示した蛇腹状に折り畳んだ３層のフィルム状圧電素子(9a)(9b)(9c)からなる積層構造を補強材層(52)の中心面に対して上下対称となるように下側にも配置した実施形態（第１０実施形態）を示す。
　図２０において、上側の圧電素子層(9A)のうち補強材層(52)に接しているフィルム状圧電素子(9c)の下側の薄膜電極（符号(22c)で示す薄膜電極の裏側の薄膜電極）と、下側の圧電素子層(9B)のうち補強材層(52)に接しているフィルム状圧電素子(9f)の上側の薄膜電極(22f)とは、もともとの長尺状の圧電素子フィルムにおける同じ側にある薄膜電極同士であり、これらが電線(53)で接続されている。また、上側の圧電素子層(9A)のうち最も上側にあるフィルム状圧電素子(9a)の上側の薄膜電極(22a)と、下側の圧電素子層(9B)のうち最も下側にあるフィルム状圧電素子(9d)の下側の薄膜電極（符号(22d)で示す薄膜電極の裏側の薄膜電極）とは、もともとの長尺状の圧電素子フィルムにおける同じ側にある薄膜電極でかつ上記の電線(53)で接続されている薄膜電極とは逆の薄膜電極同士であり、これらにリード線(25)(26)がつながれている。
　この実施形態でも、フィルム状圧電素子(9a)(9b)(9c)(9d)(9e)(9f)を蛇腹状に折り畳むことで、薄膜電極(22b)(22c)(22d)(22e)がショートしないようにできるので、絶縁層が不要となり、上下の薄膜電極同士を結線するだけでよいので、積層構造を簡単に得ることができる。
　上記第８から第１０までの実施形態の漏洩検出器(6)によると、圧電素子層(9A)(9B)および補強材層(52)からなる積層体(51)は、その一部のみが台座(21)に支持されており、錘(28)は、積層体(51)の台座(21)に支持されていない部分に負荷されているので、第２実施形態などと同様に、共振周波数を低下させることができる。
　そして、圧電素子の片端または両端を支持し、上記のバネ定数算出式と上記の共振周波数の算出式とにより、所望の共振周波数に検出器を設定することができる。
　圧電素子に錘を負荷した系の共振周波数は、１０Ｈｚ～１０００Ｈｚの間に設定されていることが好ましい。圧電素子の一部のみが台座に支持されて、錘が圧電素子の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ことで、共振周波数を１０００Ｈｚ以下とすることが容易となる。このように設定することで、上記の漏洩検出器(6)を合成樹脂管の流体漏洩調査に好適なものとできる。
　圧電素子を曲げ変形させる構成は、上記実施形態（第２実施形態に対応）の他、第３から第７までの実施形態に対応した実施形態としてもよい。
　図１９に示したものの１例（実施例１）として、補強材層(52)は、長さ（図１６の左右方向寸法）４０ｍｍ、幅（図１６の紙面方向寸法）２５ｍｍ、厚み７００μｍのＰＥＴシートからなるものとされ、圧電素子層(9A)(9B)は、厚み１１０μｍのＰＶＤＦ製のフィルムが３枚積層されることで形成されたものとされる。圧電素子層(9A)(9B)に薄膜電極が設けられることで、圧電素子層(9A)(9B)の１層分の厚みは、１２２μｍとなる。
　薄膜電極(22a)(22b)(22c)付きの圧電素子層(9a)(9b)(9c)の曲げ弾性率は２１ＧＰａであり、補強材層(52)の曲げ弾性率は３．０ＧＰａであった。錘(28)の質量は、１．２ｇとした。
　圧電素子層(9A)(9B)の厚みは、３層分のトータル厚みの３６６μｍであり、積層体(51)の総厚みは１０６６μｍである。この時の中立軸は、図２１に示した関係を使用して、積層体(51)上面から６７３μｍの位置と計算され、この位置は、ＰＥＴシートからなる補強材層(52)の内部となる。積層体(51)の中立軸から圧電素子層(9A)(9B)の下面までは２０７μｍ離れている。これは積層体(51)の厚みの約１／５に相当する。
　この実施例１のものでは、図２４に示したような漏水音の検出に必要な大きさの信号を得ることができる。
　図２０に示したものの１例（実施例２）として、補強材層(23)は、実施例１のものと同じとされ、上下圧電素子層(9A)(9B)は、いずれも実施例１のものと同一のフィルムから切り出したものとされる。したがって、積層体(51)の総厚みは１４３２μｍである。中立軸の位置は積層体(51)の上面から７１６μｍの位置であり、ＰＥＴシートからなる補強材層(52)の内部となる。積層体(51)の中立軸から各圧電素子層(9A)(9B)と補強材層(52)との境界面までは３５０μｍ離れている。これは厚みの約１／４に相当する。
　実施例２のものによると、図２４に示したような漏水音の検出に必要な大きさの信号を得ることができ、また、実施例１比べても大きな信号を得ることができる。
　上記の漏洩検出器(6)によると、振動に対して、曲げ変形を利用できることで、圧電素子層(9A)(9B)に錘(28)を負荷した系の共振周波数を所望の小さな値に容易に設定することができる。すなわち、上記各実施形態の漏洩検出器(6)によると、１０００Ｈｚより低周波数側の周波数帯域において大きな信号を記録することができ、従来困難であったポリ塩化ビニル製のような合成樹脂管の漏水による振動音に対して感度が高くなる。また、曲げ変形を利用する場合に、圧電素子層だけからなる漏洩検出器では、内部で圧縮と引張りとが打ち消し合うことになるが、圧電素子層(9A)(9B)と補強材層(52)との積層体(51)とされることで、圧電素子層(9A)(9B)の位置が積層体(51)の中立軸から離れているものとできて、上側または下側の各圧電素子層(9A)(9B)内では、圧縮と引張りとのうちのいずれかしか生じないことになり、感度を大幅に上げることができる。
　したがって、この漏洩検出器(6)を使用することで、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。
　図２２および図２３は、この発明による漏洩検出器(6)の第１１実施形態を示すもので、漏洩検出器(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(9)と、圧電素子(9)を支持する支持手段(61)と、圧電素子(9)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(22)(23)と、上側の薄膜電極(22)の上に積載された錘(28)とを備えている。
　支持手段(61)は、下端部が台座(21)に固定されて上端部で圧電素子(9)を支持する支柱(62)と、台座(21)上を移動するスライダー(63)とを備えている。
　この実施形態は、図８に示した第２実施形態にスライダー(63)が追加されたものとなっている。
　支柱(62)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)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。
　第２実施形態と同様に、支柱(62)による圧電素子(9)の支持は、片持ち支持とされており、圧電素子(9)の一方の端部が支柱(62)の上端部に支持されて、錘(28)は、圧電素子(9)の他方の端部に積載されている。
　スライダー(63)は、片持ち支持とされている圧電素子(9)および薄膜電極(22)(23)の支柱(62)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(64)(65)と、上下挟持板(64)(65)を連結する連結板(66)とからなる。
　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、漏洩検出器(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。
　スライダー(63)は、図２２に示す初期位置にある場合、圧電素子(9)から離れている。スライダー(63)は、図２２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２３に示すように、圧電素子(9)および薄膜電極(22)(23)の支柱(62)に近い側の部分を上下両側から挟んで台座(21)上を移動することができる。これにより、圧電素子(9)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。
　したがって、漏洩検出器(6)は、共振周波数の最小値として、スライダー(63)が図２２に示す初期位置にある場合に、図８に示す漏洩検出器(6)と同じ共振周波数を有しているとともに、スライダー(63)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。
　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、上記の漏洩検出器(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。
　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２２の状態における）漏洩検出器(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２３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)が支持手段(19)に当接した状態）の漏洩検出器(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。
　漏洩検出器(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（実施例３）。このときの図２２に示した状態の漏洩検出器(6)の共振周波数は、１３３Ｈｚとなる。この漏洩検出器(6)を図２３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。
　この実施例３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、漏洩周波数が漏洩検出器(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。
　圧電素子(9)の厚み、長さ、幅および弾性率ならびに錘(28)の重さを変更することで、漏洩検出器(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、この漏洩検出器(6)によると、同じ漏洩検出器(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。
　上記の各実施形態の漏洩検出器(6)は、水道の配管装置からの漏水を検出する用途の他、水道以外の各種配管内の漏水を検出する用途や、例えば工場内の薬液等の配管における薬液等の流体の漏洩を検出する用途などでも使用される。
　この発明によると、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、精度よく流体漏洩を検出することができるので、配管における流量監視や異常検知などの精度を高めることができる。

Claims (8)

  1. 　配管からの流体漏洩によって生じる振動音を検知する漏洩検出器であって、台座と、台座に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子に負荷された錘とを備えており、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されていることを特徴とする漏洩検出器。
  2. 　圧電素子は、その一部のみが台座に支持されており、錘は、圧電素子の台座に支持されていない部分に負荷されていることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検出器。
  3. 　圧電素子に錘を負荷した系における共振周波数が１０Ｈｚ～１０００Ｈｚの間に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の漏洩検出器。
  4. 　圧電素子は、補強材層の上下の少なくとも一方の面に積層されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の漏洩検出器。
  5. 　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請求項１から４までのいずれかに記載の漏洩検出器。
  6. 　圧電素子は、ポリフッ化ビニリデンの延伸フィルムである請求項１から５までのいずれかに記載の漏洩検出器。
  7. 　請求項１から６までのいずれかに記載の漏洩検出器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。
  8. 　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漏洩検出器と、各漏洩検出器で得られた電荷信号を送信する通信機と、通信機からの送信情報を遠隔地で受信して表示する表示装置とを備えており、漏洩検出器は、台座と、台座に支持されて振動音を電気信号に変換する圧電素子と、圧電素子に負荷された錘とを備えており、圧電素子が高分子圧電材料によって形成されていることを特徴とする配管網の監視装置。
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