시간영역반사계(time domain reflectometry, TDR)는 한 쌍의 도선에 입력한 파동의 진행 및 반사 현상을 분석하여 도선의 상태를 감시하는 기술이다. 이를 이용하여 본 논문에서는 파이프 연결부의 누수 감지 시스템을 개발하였다. 파이프 표면에 설치된 도선을 통해 TDR 신호를 송신하면, 누수에 의해 도선의 특성 임피던스가 달라지는 지점에서는 반사가 일어나게 되고 이를 기반으로 누수의 발생지점을 추론할 수 있다. 이를 위해, 유한차분 시간영역법(finite difference time domain, FDTD)을 이용한 전진 모델을 만들고, 이의 역문제를 풀어 누수 위치를 추론하였다.
시간영역반사계(time domain reflectometry, TDR)는 한 쌍의 도선에 입력한 파동의 진행 및 반사 현상을 분석하여 도선의 상태를 감시하는 기술이다. 이를 이용하여 본 논문에서는 파이프 연결부의 누수 감지 시스템을 개발하였다. 파이프 표면에 설치된 도선을 통해 TDR 신호를 송신하면, 누수에 의해 도선의 특성 임피던스가 달라지는 지점에서는 반사가 일어나게 되고 이를 기반으로 누수의 발생지점을 추론할 수 있다. 이를 위해, 유한차분 시간영역법(finite difference time domain, FDTD)을 이용한 전진 모델을 만들고, 이의 역문제를 풀어 누수 위치를 추론하였다.
Time domain reflectometry (TDR) is widely used for wire failure detection. It transmits a pulse that is reflected at the boundaries of different characteristic impedances. By analyzing the reflected signal, TDR makes it possible to locate the failure. In this study, TDR was used to detect the water ...
Time domain reflectometry (TDR) is widely used for wire failure detection. It transmits a pulse that is reflected at the boundaries of different characteristic impedances. By analyzing the reflected signal, TDR makes it possible to locate the failure. In this study, TDR was used to detect the water leakage at a pipe joint. A wire attached to the pipe surface was soaked by water when a leak occurred, which affected the characteristic impedance of the wet part, resulting in a change in the reflected signal. To infer the leakage from the TDR signal, we first developed a finite difference time domain-based forward model that provided the output of the TDR signal given the configuration of the transmission line. Then, by solving the inverse problem, the locations of the leaks were found.
Time domain reflectometry (TDR) is widely used for wire failure detection. It transmits a pulse that is reflected at the boundaries of different characteristic impedances. By analyzing the reflected signal, TDR makes it possible to locate the failure. In this study, TDR was used to detect the water leakage at a pipe joint. A wire attached to the pipe surface was soaked by water when a leak occurred, which affected the characteristic impedance of the wet part, resulting in a change in the reflected signal. To infer the leakage from the TDR signal, we first developed a finite difference time domain-based forward model that provided the output of the TDR signal given the configuration of the transmission line. Then, by solving the inverse problem, the locations of the leaks were found.
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문제 정의
|y)를 추론할 수 있다. 그 유효성을 검증하기 위한 실험을 진행하였다. 먼저 우도 함수의 파라미터 σM을 실험적으로 계산하였다.
본 논문에서는 TDR을 이용한 파이프 연결부의 누수 감지 시스템을 다루었다. 전송선로의 특성에 따른 TDR 신호를 생성하는 전진 모델을 만들었고, 베이지안 추론을 통해 임의의 TDR 신호가 주어졌을 시 전송선로의 파라미터, 특히 누수의 위치에 관련한 파라미터의 추론을 통해 누수의 발생여부 및 누수 발생 위치를 효과적으로 알 수 있었다.
본 연구의 목적은 배관의 연결부위에서 발생하는 누수를 강건하게 감지하는 시스템의 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서도 TDR과 배관 외부에 부착된 전도선을 이용한다.
본 장에서는 누수 시 획득한 TDR 측정 신호로 부터 전진모델의 파라미터, 즉 전송선로의 특성을 추론하는 베이지안 방법에 대해 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다.
본 장에서는 전송선로의 특성이 주어질 때, 이에 대응하는 TDR 신호를 산출하는 전진 모델을 개발한다.
가설 설정
노이즈 벡터의 각 원소는 서로 독립인 가우시안 분포 v~(0, σM)로 가정하였다.
제안 방법
특히 TDR 신호 변화를 육안에 의존하여 판단하지 않고, 정량화하기 위해 신호 분석에 베이지안 기법을 도입하였다.
를 실험적으로 구하였다. 8m 길이 전송선로에 대한 TDR 측정신호와 모델 신호간의 RMS(root mean square) 오차를 최소로 하는 값으로 각 파라미터를 선정하였다. Table 1에 전진모델에 쓰이는 파라미터를 정리하였고 Fig.
다음으로 전체 8m 길이 평행도선의 5.7m 지점에 누수 환경을 조 성하 고 그 때 의 TDR 신호를 측정하였다(Fig. 6). 측정된 신호와 식 (7, 8, 10)으로부터θ에 대한 사후확률분포를 계산할 수 있다.
본 연구의 목적은 배관의 연결부위에서 발생하는 누수를 강건하게 감지하는 시스템의 개발에 있다. 이를 위해 본 연구에서도 TDR과 배관 외부에 부착된 전도선을 이용한다. 그러나 전술한 예와 같이 누수 시 전도선이 끊어지는 단선 신호 대신에 전도선이 젖으며 발생하는 단락 신호에 의존하여 누수 여부와 위치를 추정한다.
전송선로의 경계부 모델링은 다음과 같이 수행하였다. 전송선로의 한쪽 경계는 펄스를 발생시키는 TDR 전압원 Vg가 연결되어 있고 이는 내부저항 Rg를 가지는 것으로 모델링하였다. 반대편 경계에 대해서는 부하 저항 RL로 마감된 것으로 생각한다.
대상 데이터
전술한 전진 모델을 이용하기 위해 파라미터 L, C, Rg를 실험적으로 구하였다. 8m 길이 전송선로에 대한 TDR 측정신호와 모델 신호간의 RMS(root mean square) 오차를 최소로 하는 값으로 각 파라미터를 선정하였다.
이론/모형
이 같은 분포는 전송선로상의 어느 위치에서든 누수가 일어날 수 있음을 의미한다. Rf에 대한 사전확률분포 Pr(Rf)는 가우시안(Gaussian) 분포를 이용하여 Rf~(30, 15)로 선정하였다. 이는 전진모델에서 물에 대한 Rf값인 45 Ω 에서 의도적으로 벗어난 값이다.
전송선로의 모델링은 FDTD (finite difference time domain) 방법을 이용하였다. FDTD 방법에 따라 지배방정식을 중앙차분으로 이산화하여 식 (4)를 얻는다.
성능/효과
(1) 청음식 탐지 방식은 일정량 이상의 누수가 발생하고 나서야 누수감지가 가능하며 잡음이 심한 곳에서는 정확한 감지가 어렵다. 배관 외부에 부착하는 수분 탐지 센서는 토양 자체의 수분 함량으로 인해 배관 외부에 수분 센서를 설치하는 것이 용이하지 않다.
만일 누설을 감지하려는 매질의 사전확률분포를 정확히 알 수 있다면 추정값은 개선될 수 있다. 또한 Lf의 사후확률분포로부터 누수의 위치가 실제 누수위치인 5.7m 부근임을 알 수 있고 이로부터 제시한 방법이 유효함을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 TDR을 이용한 파이프 연결부의 누수 감지 시스템을 다루었다. 전송선로의 특성에 따른 TDR 신호를 생성하는 전진 모델을 만들었고, 베이지안 추론을 통해 임의의 TDR 신호가 주어졌을 시 전송선로의 파라미터, 특히 누수의 위치에 관련한 파라미터의 추론을 통해 누수의 발생여부 및 누수 발생 위치를 효과적으로 알 수 있었다.
후속연구
그러나 본 연구는 단일 전송선로에 대한 TDR 신호만을 다루었으나 전송선로가 네트워크로 구성된 경우 및 다중 누수에 대한 신호 분석은 아직 이루어지지 않았다. 관련한 연구는 후속 연구에서 수행할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
누수는 어디에서 발생하는가?
누수는 파이프의 직관부와 연결부에서 발생하며 직관부 누수의 경우, 외부 충격에 의한 배관의 파손에서 기인하는 경우가 대부분이다. 이는 충격을 가한 당사자가 쉽게 누수 여부를 파악할수 있다는 점에서 누수 감지 시스템의 필요성이 상대적으로 덜하다.
상/하수도에 사용되는 액체관에 발생하는 문제는 무엇인가?
상/하수도에 사용되는 액체관은 통상적으로 지하에 매설되어 사용된다. 이러한 액체관은 노후화 등의 이유로 손상이 발생하고 누수가 일어나지만, 지하에 매설된 관계로 손상 여부 및 손상 위치의 파악이 용이하지 않다. 누수 문제를 방치하게 되면 불필요한 자원 낭비를 초래할 뿐 아니라 토양 오염과 같은 2차적 피해를 발생시키므로 이를 방지하기 위한 누수 탐지 기술의 개발이 필요하다.
시간영역반사계란 무엇인가?
시간영역반사계(time domain reflectometry, TDR)는 한 쌍의 도선에 입력한 파동의 진행 및 반사 현상을 분석하여 도선의 상태를 감시하는 기술이다. 이를 이용하여 본 논문에서는 파이프 연결부의 누수 감지 시스템을 개발하였다.
참고문헌 (5)
Hunaidi, O. and Giamou, P., 1998, "Ground-Penetrating Radar for Detection of Leaks in Buried Plastic Water Distribution Pipes," 7th International Conference on Ground-Penetrating Radar, pp. 783-786.
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Gedney, S. D., 2011, Introduction to the Finite-DifferenceTime-Domain (FDTD) Method for Electromagnetics, Morgan & Claypool, California, pp. 21-37.
Bishop, C. M., 2006, Pattern Recognition and Machine Learning, Springer, New York.
Schuet, S., Timucin, D. and Wheeler, K., 2011, "A Model-Based Probabilistic Inversion Framework for Characterizing Wire Fault Detection Using TDR," IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. 60, No. 5. 1654-1663.
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