JPH06132907A

JPH06132907A - 管路内信号伝送方法及び装置

Info

Publication number: JPH06132907A
Application number: JP28173092A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Honjo; 克彦本庄; Sadahiko Nakano; 貞彦中野; Shigeki Ogawa; 茂樹小川; Hiroki Kuwano; 博喜桑野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-10-20
Filing date: 1992-10-20
Publication date: 1994-05-13

Abstract

(57)【要約】【目的】管路内の送配水を伝送媒体として信号を伝播
し、管路内を流れる泥水等の流体の水質や流水状態に影
響されず、送受信精度及び信頼性の高い、管路内信号伝
送方法及び装置を提供する。【構成】常時管路７内に供給されている流体８を伝送媒
体として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数範囲に定め
られた超音波を使用し、１パルスあたり複数波長分の正
弦パルスを１単位とし、その有無を２ｎ個（ｎ≧１）の
ディジタル信号に対応させて信号伝送データ分として定
めて当該信号伝送データをＮ回繰り返してデータ送信す
ることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、土木建設工事，配管の
建設・保守等において、土中等に付設された送水及び配
水用管路を保守している場合、或いは、送水及び配水用
管路を付設しながら掘削する場合に、送配水用管路の一
端でセンサ等を通じて得られる位置、方向、計測データ
信号等の情報を、信号伝送用のケーブルを用いないで、
管路内を流れる送配水などの流体を媒体として利用して
超音波によって信号を伝送する管路内信号伝送方法及び
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の技術の送配水用管路内を
信号伝送させる技術としては、ケーブルを敷設する有線
以外の方法は、電磁波，光，音波等を伝送媒体として用
いる技術が利用されてきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、管路内に水等
の流体が充満或いは流動していては、管路内の流体によ
る減衰，散乱，屈折等による、以下のような状態で、電
磁波，光，音波を長い距離伝播させることは困難であっ
た。

【０００４】まず、電磁波を用いる場合は、水の誘電率
が８１程度であり、水中での電磁波の減衰特性を考慮す
れば、数十ｍ以上の距離を伝播させることは困難であ
る。光を用いる場合は、透明な水が管路内に送配水され
ている場合は、充分伝播は可能であるが、泥水等の濁っ
た流体中では、反射，散乱が大きいために、信号の伝播
は困難である。

【０００５】音波を用いる場合では、管路の内径以上の
波長を用いると管路の長さ方向に伝播し難くなり、管路
の内径以下の波長を用いても、管路内を流れる泥水に生
じる気泡，泥粒子，或いは渦等によって音波の伝送が著
しく減衰するために、伝送に使用する周波数，伝送方
式，送受信機能への選択，工夫がかなり要求されるた
め、技術的な実現はかなり困難である。

【０００６】ここにおいて、本発明は、前記従来の技術
の課題に鑑み、管路内の送配水を伝送媒体として信号を
伝播し、管路内を流れる泥水等の流体の水質や流水状態
に影響されず、送受信精度及び信頼性の高い、管路内信
号伝送方法及び装置を提供せんとするものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明が次に列挙する新規な特徴的構成手法及び手段を採用
する事によって達成される。すなわち、本発明方法の第
１の特徴は、常時管路内に供給されている流体を伝送媒
体として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数範囲に定め
られた超音波を使用し、１パルスあたり複数波長分の正
弦パルスを１単位とし、その有無を２ｎ個（ｎ≧１）の
ディジタル信号に対応させて信号伝送データ分として定
めて当該信号伝送データをｎ回繰り返してデータ送信し
てなる管路内信号伝送方法である。

【０００８】本発明方法の第２の特徴は、前記方法の第
１の特徴におけるデータ送信が、その直前に予め、パイ
ロット信号をデータ信号受信側から発信し、データ信号
送信側で当該パイロット信号の受信を確認してから、デ
ータ送信を開始してなる管路内信号伝送方法である。

【０００９】本発明装置の第１の特徴は、常時管路内に
流体が供給されている管路において、伝送信号を発振す
る超音波振動子と、データ信号をディジタル化するＡ／
Ｄ変換部と、当該Ａ／Ｄ変換部で変換されたディジタル
データ信号で搬送周波数を変調して送出する送信回路部
と、当該送信回路部から出力された信号を増幅して前記
超音波振動子に出力する増幅回路部とを備え、前記管路
の終端或いはその途中に設置される送信器と、超音波振
動子と、当該超音波振動子で受信された伝送データ信号
を予め増幅する前置増幅器とを備え、前記管路の流体が
供給される開口端に設置される受信器と、前記管路内の
性質に応じて前記受信器からの超音波による受信データ
信号を濾波する濾波手段と、当該濾波手段から出力され
た濾波受信データ信号を増幅する増幅器と、当該増幅器
からの増幅濾波受信データ信号を二値化して、更に、二
値化データ信号をＮ回加算平均処理する信号処理部とを
備える信号処理器と、を備えてなる管路内信号伝送装置
である。

【００１０】本発明装置の第２の特徴は、前記装置の第
１の特徴における受信器と送信器において、当該送信器
を作動させるための送信器用電源を超音波信号によって
電源投入・切断するため、管路内の流体に超音波を伝播
させてパイロット信号を送信するパイロット信号発生回
路を前記受信器に、かつ、当該パイロット信号を受信し
て電源投入・切断を行うパイロット信号受信回路を前記
送信器にそれぞれ備えてなる管路内信号伝送装置であ
る。

【００１１】

【作用】本発明は、前記のような手法及び手段を講じる
から、土中等に敷設されている送配水管中の流体を利用
して、超音波を使用して位置，方向，傾き，深さ等の情
報の信号等を伝達するので、簡易に情報伝達を行える。
また、ケーブルを敷設できないような配管を通じても情
報の伝送が効率的に行える。

【００１２】

【実施例】（方法例）本発明の実施例を説明する。ま
ず、本発明方法に用いる装置構成の概略を図面につき説
明する。図１は本実施例を適用して信号伝送を行う際の
装置構成の概略説明図である。Ａは管路内信号伝送装
置、１は送信器、２は受信器、３は信号処理器、４は表
示・記憶部、５は送信器１用電源、６は受信器２及び信
号処理器３用電源、７は送配水管路（以下、単に管路と
する）、８は管路７の中を流れる泥水等の伝達媒体（以
下、単に媒体とする）である。

【００１３】次に、本方法例で用いる超音波の特徴を説
明する。まず、使用する周波数範囲を、数十ｋＨｚ〜数
百ｋＨｚの範囲に定める。超音波の伝送方式は、１パル
スあたり１００〜１，０００波長分の正弦波パルスと
し、このパルスの時間的に連なる２ｎ個を１データ分の
超音波信号パルスとして、繰り返し数Ｎとして送受信す
る。

【００１４】伝送された超音波信号パルスは、受信側に
おいて前記の周波数範囲内のデータ信号だけを濾波して
抽出し、再びディジタル化によって信号パルスを再生
し、再生されたＮ回の繰り返し信号群を加算平均処理し
て伝送データ信号の受信精度及び信頼性を高める。

【００１５】本方法例の実行手順を次に述べる。まず、
受信器２側からパイロット信号を発信する。当該パイロ
ット信号は、超音波信号に変換されて管路７内の媒体８
を通じて送信器１側に受信される。これによって、送信
器１の電源５がＯＮされて、送信器１側からデータ送信
信号が発信される。当該データ送信信号は、管路７内の
媒体８を通じて受信器２側に伝送される。

【００１６】次に、本方法例の信号伝送について図面を
参照して詳述する。図２は送信器１側の送信伝送データ
信号Ｔと受信器２側の受信伝送データ信号Ｒの関係を示
すタイムチャートである。図中、Ｔ１は送信器１側の送
信トーク開始信号、Δｔは信号１ビットの時間単位、Ｔ
ｎは１パルスあたり１００〜１，０００波長分の正弦波
パルスが２ｎ個ずつ１ビット間隔でディジタル信号とし
て組み合わされた送信伝送データ信号、Ｒ１は受信器２
側の受信トーク開始信号、Ｒｎは受信器２側で受信され
た受信伝送データ信号である。

【００１７】送信トーク開始信号Ｔ１と受信トーク開始
信号Ｒ１との間の遅延δは、媒体８の伝播音速ｖによ
り、δ＝Ｌ／ｖで与えられる。本方法例の場合、最小信
号単位は、２×Δｔとしているため、２ⁿ種類の信号が
伝送できる。なお、精度と信頼性確保のため、これらＴ
１からＴｎのデータをＮ回繰り返し送受信する。また、
受信器２側では受信トーク開始信号Ｒ１に同期させて、
加算平均処理して、データ信号Ｒｎの信頼性を高めてい
る。

【００１８】（装置例）次に、本発明方法に用いる装置
例を、図面につき詳述する。図３は送信器１の構成例を
示すブロック・ダイアグラム、図４は受信器２の構成例
を示すブロック・ダイアグラム、図５は信号処理器３の
構成例を示すブロック・ダイアグラムである。なお、図
３乃至図５においては、各回路部への電源供給線は省略
している。

【００１９】図中、９は超音波振動子たる送信用マイク
ロフォン、１０は端子Ｘから得た情報信号をディジタル
信号に変換するＡ／Ｄ変換部、１１はＡ／Ｄ変換部１０
からのディジタル信号を搬送周波数に載せる送信回路
部、１２は送信回路部１１からの信号を増幅して送信用
マイクロフォン９へ送信データ信号Ｔとして送る送信信
号増幅回路部である。

【００２０】１３は受信器２側から送信されてくるパイ
ロット信号Ｓを送信用マイクロフォン９を通して受信す
るパイロット信号受信回路部、１４はパイロット信号受
信回路部１３に常時電力Ｐを供給しかつパイロット信号
Ｓ受信後自動的に電源５を動作させてＡ／Ｄ変換部１
０，送信回路部１１，送信信号増幅回路部１２へ電力Ｐ
の供給を開始する補助電源、１５は送信用マイクロフォ
ン９の送受信の指向性を管路７の軸方向に高めるホーン
である。

【００２１】１６は超音波振動子たる受信用マイクロフ
ォン、１７は送信器１からの送信データ信号Ｔを受信用
マイクロフォン１６を通して受信しそのまま増幅して増
幅受信データ信号Ｒａとして端子Ｙａを通じて信号処理
器３へ送る前置増幅器、１８は端子Ｙｂを通じて電源６
から電力Ｐを供給されかつ伝送開始時にパイロット信号
Ｓを送信するパイロット信号送信回路部である。

【００２２】１９は前置増幅器１７から端子Ｙａを通じ
て受け取った増幅受信データ信号Ｒａを濾波するバンド
・パス・フィルタ（以下、ＢＰＦとする）、２０はＢＰ
Ｆ１９により濾波された濾波受信データ信号Ｒｂを増幅
する信号増幅器、２１は信号増幅器２０からの増幅濾波
データ信号Ｒｃを演算・処理して表示・記憶部４への端
子Ｙｃへ受信データ信号Ｒとして送る信号処理部であ
る。なお、電源６は前置増幅器１７，パイロット信号送
信回路部１８，ＢＰＦ１９，信号増幅器２０及び信号処
理部２１に電力を供給し、かつ、当該電源６のＯＮ後、
自動的にパイロット信号送信回路部１８からパイロット
信号Ｓを送信させるものである。

【００２３】（動作例）本装置例は、以上のような具体
的実施態様を呈するが、次に、その動作について図面を
参照しながら説明する。図６は送信器１側の動作の流れ
を説明するフロー・チャート、図７は受信器２及び信号
処理器３側の動作の流れを説明するフロー・チャートで
ある。

【００２４】送信器１側の動作としては、まず受信器２
からのパイロット信号Ｓを送信用マイクロフォン９を経
てパイロット信号受信回路部１３で受信する（図６のス
テップＩ）。その後、電源５がＯＮになり（図６のステ
ップII）、各部に電源が供給され、伝送データ信号Ｔを
送信し（図６のステップIII ）、これをＮ回繰り返す
（図６のステップIV）。この場合のパイロット信号Ｓ
は、前記方法例で述べた周波数の超音波パルスを用い
る。

【００２５】受信器２及び信号処理器３の動作として
は、まず、電源６をＯＮとする（図７のステップＩ）。
すると、受信器２のパイロット信号送信回路部１８は、
パイロット信号Ｓを送信器１に向けて受信用マイクロフ
ォン１６を通じて自動的に送信する（図７のステップI
I）。

【００２６】そうすると、前記の送信器１側の動作が行
われて伝送データ信号Ｔが媒体８を通じて送信されてく
るので、伝送データ信号Ｔを受信用マイクロフォン１６
を通じて伝送データ信号Ｔを受信する（図７のステップ
III ）。

【００２７】次に、マイクロフォン１６を通じて受信さ
れたデータ信号Ｔは、前置増幅器１７により増幅されて
ＢＰＦ１９に入力され、当該ＢＰＦ１９は、増幅受信デ
ータ信号Ｒａを下限周波数（以下、ｆＬとする）及び上
限周波数（以下、ｆＨとする）の範囲で濾波する（図７
のステップIV）。次に、濾波された濾波受信データ信号
Ｒｂは、信号増幅器２０により増幅され（図７のステッ
プＶ）、信号処理部２１に入力される。

【００２８】信号処理部２１は信号増幅器２０から出力
された増幅濾波データ信号Ｒｃを、まず濾波後の信号波
形の振幅包絡線を元に一定電圧値をしきい値として、パ
ルスデータ信号群を二値化する（図７のステップVI）。

【００２９】そして、以上のような一連の動作をＮ回繰
り返したかどうかを判断し（図７のステップVII ）、Ｎ
回繰り返されたならば、受信・処理された二値化データ
信号を加算平均処理する（図７のステップVIII）。

【００３０】以上のように信号処理器３で処理されたデ
ータ信号Ｒは、端子Ｙｃを通して表示・記憶器４に入力
され、人間が検知可能なように表示されたり、磁気記憶
媒体へ記憶されたりする。

【００３１】（測定例）続いて、管路径８０ｍｍφ，長
さ１７．８ｍの鋼管に泥水を流した場合の超音波信号の
伝送結果について示す。超音波の送信には、マイクロフ
ォンへの印加電圧を正弦パルス波として最大振幅１６０
Ｖp-p で、パルス数Ｎｐ＝１０００として、水温を３２
℃とした。

【００３２】図８は、伝送に用いた超音波の周波数と信
号振幅の利得の関係を示すグラフである。信号振幅の利
得は、送受信マイクロフォン９，１６を１ｍの距離で対
向させた場合の受信利得を基準とした。管路７内を流れ
る泥水の流量Ｖは、０〜１４０（リットル／ｍｉｎ．）
と変化させた。

【００３３】図８より、流量Ｖが増加するに伴って、ｆ
＝１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの範囲で信号の受信利得
は、２０ｄＢから６０ｄＢ程度に減衰することがわか
る。しかし、ｆ＝４００ｋＨｚでは、受信利得の減衰が
１０ｄＢ以下となる。従って、この場合は、ＢＰＦ１９
の通過周波数範囲を、ｆＬ＝３００ｋＨｚ，ｆＨ＝５０
０ｋＨｚと定めると、大幅に信号利得を上昇させること
が可能となる。

【００３４】図９は、流量Ｖ＝１００（リットル／ｍｉ
ｎ．）とし、泥水の濃度の違いによる超音波の周波数と
信号振幅の利得の関係を示すグラフである。泥水の濃度
は、Ｄ１＝０．４（ｖｏｌ．％），Ｄ２＝０．８（ｖｏ
ｌ．％）とした。図９に示すように、信号の利得は、泥
水の濃度が２倍になると、１００ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ
の周波数範囲で２０ｄＢ程度低下する。しかし、２００
ｋＨｚ以上では、１０ｄＢ以内の低下に抑えられる。従
って、この場合も、ＢＰＦ１９の通過周波数範囲をｆＬ
＝３５０ｋＨｚ，ｆＨ＝４５０ｋＨｚと定めると、信号
利得を大きく稼ぐことが可能となる。

【００３５】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、土中等
に敷設されている配管或いは土中を掘削しながら建設さ
れる配管中を用いて管の両端、或いは、その途中におい
て、その場所でのセンサ等から得られる位置，方向，傾
き，深さ等の情報の信号をケーブルを利用することなし
に、他端に伝送することが可能となる。

【００３６】また、土中に限らず、内部に液体が流れ、
ケーブルを敷設できない配管を通して両端或いは途中の
２点間において信号及び情報を伝送する場合に、効率的
に信号の伝送を行うことが実現できる。

【００３７】さらに、こうした技術は、管径及び水流等
の状態に対して超音波の周波数及び伝播モードを適当に
選ぶこと、或いは、これらの条件に従って装置を大型化
したり、送信出力を大きくすることによって、石油プラ
ント、パイプライン、側溝及び河川において、内部を流
れる流体（水，石油等）を媒体に、遠距離間の信号の伝
送が実現可能である等、優れた有用性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法例を適用して信号伝送を行う際の装
置構成の概略説明図である。

【図２】同上、送信器側の送信伝送データ信号と受信器
側の受信伝送データ信号の関係を示すタイムチャートで
ある。

【図３】本発明装置の送信器の構成例を示すブロック・
ダイアグラムである。

【図４】同上、受信器の構成例を示すブロック・ダイア
グラムである。

【図５】同上、信号処理器の構成例を示すブロック・ダ
イアグラムである。

【図６】同上、送信器側の動作の流れを説明するフロー
・チャートである。

【図７】同上、受信器及び信号処理器側の動作の流れを
説明するフロー・チャートである。

【図８】本発明の実施例の実験を示すグラフで、伝送に
用いた超音波の周波数と信号振幅の利得の関係を示すグ
ラフである。

【図９】同上、泥水の濃度の違いによる超音波の周波数
と信号振幅の利得の関係を示すグラフである。

【符号の説明】

Ａ…管路内信号伝送装置１…送信器２…受信器３…信号処理器４…表示・記憶部５…送信器用電源６…受信器及び信号処理器用電源７…送配水管路８…流体９…送信用マイクロフォン１０…Ａ／Ｄ変換部１１…送信回路部１２…送信信号増幅回路部１３…パイロット信号受信回路部１４…補助電源１５…ホーン１６…受信用マイクロフォン１７…前段増幅器１８…パイロット信号送信回路部１９…バンド・パス・フィルタ２０…信号増幅器２１…信号処理部Ｓ…パイロット信号Ｔ…送信データ信号

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【手続補正書】

【提出日】平成４年１２月１日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】請求項１

【補正方法】変更

【補正内容】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者桑野博喜東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】常時管路内に供給されている流体を伝送媒
体として、数十ｋＨｚ〜数百ｋＨｚの周波数範囲に定められた超音
波を使用し、１パルスあたり複数波長分の正弦パルスを１単位とし、
その有無を２ｎ個（ｎ≧１）のディジタル信号に対応さ
せて信号伝送データ分として定めて当該信号伝送データ
をｎ回繰り返してデータ送信することを特徴とする管路
内信号伝送方法。
【請求項２】データ送信は、その直前に予め、パイロッ
ト信号をデータ信号受信側から発信し、データ信号送信
側で当該パイロット信号の受信を確認してから、データ
送信を開始することを特徴とする前記請求項１記載の管
路内信号伝送方法。
【請求項３】常時管路内に流体が供給されている管路に
おいて、伝送信号を発振する超音波振動子と、データ信号をディ
ジタル化するＡ／Ｄ変換部と、当該Ａ／Ｄ変換部で変換
されたディジタルデータ信号で搬送周波数を変調して送
出する送信回路部と、当該送信回路部から出力された変
調データ信号を増幅して前記超音波振動子に出力する増
幅回路部とを備え、前記管路の終端或いはその途中に設
置される送信器と、超音波振動子と、当該超音波振動子で受信された伝送デ
ータ信号を予め増幅する前置増幅器とを備え、前記管路
の流体が供給される開口端に設置される受信器と、前記管路内の性質に応じて前記受信器からの超音波によ
る受信データ信号を濾波する濾波手段と、当該濾波手段
から出力された濾波受信データ信号を増幅する増幅器
と、当該増幅器からの増幅濾波受信データ信号を二値化
して、更に、二値化データ信号をＮ回加算平均処理する
信号処理部とを備える信号処理器と、を備えてなることを特徴とする管路内信号伝送装置。
【請求項４】受信器と送信器において、当該送信器を作
動させるための送信器用電源を超音波パイロット信号に
よって電源投入・切断するため、管路内の流体に超音波
を伝播させてパイロット信号を送信するパイロット信号
発生回路を、前記受信器に、かつ、当該パイロット信号
を受信して電源投入・切断を行うパイロット信号受信回
路を前記送信器にそれぞれ備えてなる請求項３記載の管
路内信号伝送装置。