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문제 정의
- 하지만 누수 시험만을 목적으로 설치하지 않았기 때문에 누수 신호를 측정하는데 한계 요인이 존재할 것으로 판단된다. 따라서 다음 절에서는 누수 발생 시 관에 전달되는 진동 신호의 측정 측면에서 국내 상수도관로 실증 실험시설의 특징을 검토하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 실제 국내 상수도관로에서 발생되는 누수신호의 특성을 파악하기 위하여 기존 문헌과 국내 실험시설을 고찰하여 실증규모의 누수실험 시설을 개발하였으며, 대상 시스템에서 누수 신호 분석을 위한 기초 실험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 2장에서 이론적 고찰로서 음향기법을 이용한 누수탐지 기술의 현황과 누수신호 측정 측면에서 국내 실증실험 시설의 특징을 분석하였으며, 문헌고찰을 통하여 개발된 누수실험 시설의 고려사항과 구성내용을 제시하고자 한다. 또한 개발된 실증 시스템에서 임의로 누수를 발생시킨 후 측정된 누수신호를 시간 영역과 주파수 영역에서 분석한 결과를 기술한다.
- 본 연구에서는 누수 신호 특성을 파악하기 위하여 국내 상수도 실험시설의 특징을 검토하고 누수 신호 측정 시에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 배제하여 누수실험 시설을 개발하였다. 또한 대상 시스템을 통하여 누수신호의 특성을 파악하기 위한 기초 실험을 수행하였으며, 그 결과 도출된 결론은 다음과 같다.
- 기존 상수도관로 실험 시설은 다양한 수리 및 수질 현상을 모의하기 위해서 펌프를 이용하고, 지상 노출형으로 구성되어 있었다. 본 연구의 상수도 누수실험 시설은 기존의 상수도관로 실험시설의 문제점을 개선 및 보완하기 위하여 누수 발생 시 외부 잡음을 최소화하고 누수의 형태와 압력/유량 등을 조절할 수 있도록 개발하였으며, 다양한 누수발생 시나리오를 재현 및 검증할 수 있도록 하였다. 개발된 누수실험 시설의 구성은 Table 2에 나타내었으며, 설치환경과 세부 구성 내용은 다음과 같다.
제안 방법
- 누수공 크기 변화는 Fig. 2의 (j)와 (l)과 같이 관의 상단에 임의로 구멍을 내고, 나사탭(screw tap)을 만든 후 볼트를 체결할 수 있도록 제작하였으며, 수동밸브도 연결하여 누수의 크기를 조절할 수 있도록 구성하였다.
- 가속도계에 의해서 측정된 데이터의 취득은 Fig. 4 (c)의 National Instrument 사의 NI cDAQ-9188와 NI cDAQ-9234를 이용하였으며, 누수신호 측정 시에 샘플링 간격은 다양한 주파수 대역을 확인하기 위하여 51.2kHz로 측정하였으며, 별도의 주파수 필터링 과정을 거치지 않고 누수신호를 분석하였다. 누수신호의 분석을 위해 측정된 가속도 값은 Mathworks사의 Matlab 2015a의 FFT function를 이용하여 고속 푸리에 변환 (Fast Foureir Transform) 한 후 각 실험 조건별 주파수의 특성을 비교･분석하였다.
- 개발된 누수실험 시설을 이용하여 누수 신호 분석을 위한 기초 실험으로 거리에 따른 누수신호를 측정 및 분석하였으며, 분석 방법 및 결과는 다음과 같다.
- 상수도관의 재질은 최근 사용량이 증가하고 있는 덕타일주철관(DCIP)과 플라스틱 계열의 PE와 PVC관을 사용하였다(Ministry of Environment, 2011~2014). 관경은 덕타일주철관의 경우 내경 D80, D100, D150, D200로 직선구간에서 각각 70m로 연결하여 관경의 변화에 따른 누수신호 발생 특성의 변화를 비교/분석 할수 있도록 구성하였다. 플라스틱 계열의 경우 현재 주로 소구경 관로에서 주로 사용되고 있어 본 연구에서는 PE관과 HI-3P관 모두 내경 D75로 구성하여 관 재질별 누수신호 특성을 비교/분석할 수 있도록 구성하였다.
- 관내 수압은 유입구의 전자압력계(Pressure Gauge) 와 약 35m마다 간이 수압계를 설치하여 수압변화를 확인할 수 있도록 하였다. 전자장비의 경우 측정 장비에 전기적인 잡음 신호를 발생시킬 수 있어 물이 유입되는 지점에만 전동밸브를 설치하였으며, 그 밖의 밸브의 운영은 수동으로 조작할 수 있도록 구성하였다.
- 누수 발생 시 누수 지점으로부터 거리에 따른 누수신호의 특성과 부속물들에 의한 영향을 파악하기 위하여 약 7m 간격으로 맨홀을 제작하여 관을 노출 시켜 측정에 활용하였다. Fig.
- 누수신호의 측정은 Fig. 3의 23번 지점에서 33번 지점까지 총 11개의 위치에서 각각 10초씩 측정을 수행하였으며, 측정 지점별로 가속도계는 순차적으로 옮겨가면서 측정을 수행하였다. 각 지점별 거리는 23번이 누수지점으로부터 약 3.
- 시설 설치 당시 분석실에 난방용 전기 장비를 설치하였으나 심각하게 전기 신호가 발생되어 누수신호 측정 시 분석에 어려움이 있었다. 따라서 누수 실험시에는 조건을 변화시킨 후 전기 장비의 사용 없이도 수행가능하도록 시스템을 구성하였다.
- 하지만 누수신호의 측정을 위해서는 지상보다는 지중에 매설되어 있는 경우가 바람직할 것으로 판단되며, 주변에서 발생되는 소음을 최소화하기 위하여 펌프의 사용을 배제한 시설의 설치가 필요할 것으로 판단된다. 따라서 누수실험 시설 개발 시 이와 같은 특징을 반영하였으며, 다음절에 개발된 시스템의 구성 내용을 기술하였다.
- 까지 유지가 가능한 것으로 나타났다. 따라서 실험 시 수용가의 사용에 따라 변화되는 압력을 최소화하기 위하여 유입부에 감압밸브를 이용하여 공급되는 압력보다 낮게 유지하여 측정 시 수압을 일정하게 조절할 수 있도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 누수 신호 특성을 파악하기 위하여 국내 상수도 실험시설의 특징을 검토하고 누수 신호 측정 시에 영향을 미칠 수 있는 요인들을 배제하여 누수실험 시설을 개발하였다. 또한 대상 시스템을 통하여 누수신호의 특성을 파악하기 위한 기초 실험을 수행하였으며, 그 결과 도출된 결론은 다음과 같다.
- 4의 (a)와 같이 15mm 볼밸브를 이용하였으며, 누수 시 100% 개방하여 누수를 발생시켰다. 물의 흐름 방향은 Fig. 3에서 아래쪽 PE관과 HI-3P관을 거쳐 22번 지점으로 흐르도록 밸브를 조작하였으며, 누수 시 관내 수압은 유입구의 감압밸브를 통하여 약 2.6kg/cm2로 유지되도록 실험을 수행하였다.
- 상수도관로는 물 공급 방향을 고려하여 중구경 관에서 소구경관으로 관경이 축소되도록 시스템을 개발하였다. 또한 다양한 누수발생 시나리오를 재현 및 검증할 수 있도록 직관부, 분기관, 제수밸브 등을 고려하였으며, Fig.
- 관경은 덕타일주철관의 경우 내경 D80, D100, D150, D200로 직선구간에서 각각 70m로 연결하여 관경의 변화에 따른 누수신호 발생 특성의 변화를 비교/분석 할수 있도록 구성하였다. 플라스틱 계열의 경우 현재 주로 소구경 관로에서 주로 사용되고 있어 본 연구에서는 PE관과 HI-3P관 모두 내경 D75로 구성하여 관 재질별 누수신호 특성을 비교/분석할 수 있도록 구성하였다.
대상 데이터
- PPI의 시설은 누수탐지 장치를 개발하기 위해 PPI사의 스마트 시험동에 설치되어 있으며, 총 연장 200m로 주철관(D100) 100m, PVC관(D100)로 지하 1m에 매설되어 있다. 하지만 관로 내 압력 유지를 위하여 가압설비를 이용하고 있어 누수에 의한 진동 신호 측정시 펌프의 영향을 배제할 수 없을 것으로 판단된다.
- 거리에 따른 누수신호의 측정을 위해 Fig. 1의 우측에 위치한 덕타일주철관 D150과 D200 관에서 가속도계를 이용하여 누수에 의한 진동을 측정하였다. 누수신호의 발생은 Fig.
- 기존 상수도관로 실험 시설은 다양한 수리 및 수질 현상을 모의하기 위해서 펌프를 이용하고, 지상 노출형으로 구성되어 있었다. 본 연구의 상수도 누수실험 시설은 기존의 상수도관로 실험시설의 문제점을 개선 및 보완하기 위하여 누수 발생 시 외부 잡음을 최소화하고 누수의 형태와 압력/유량 등을 조절할 수 있도록 개발하였으며, 다양한 누수발생 시나리오를 재현 및 검증할 수 있도록 하였다.
- 1의 우측에 위치한 덕타일주철관 D150과 D200 관에서 가속도계를 이용하여 누수에 의한 진동을 측정하였다. 누수신호의 발생은 Fig. 3의 22번 지점(덕타일주철관, D150)에서 Fig. 4의 (a)와 같이 15mm 볼밸브를 이용하였으며, 누수 시 100% 개방하여 누수를 발생시켰다. 물의 흐름 방향은 Fig.
- 누수실험 시설은 Fig. 1 (a)의 한국건설기술연구원의 하천실험센터 실험부지 내 저수지 인근에 설치하였다. 대상 지역의 경우 농촌지역으로 인근에 차량 통행 및 수용가가 극히 제한적이며 외부의 소음원을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
- KRISS는 국내 최초로 누수탐지 기술 개발을 목적으로 설치된 시설이며, 현재는 철거된 상태이다. 당시 이 시설은 강관으로 내경 D65와 D50로 구성된 총 길이 약 150m의 배수관망으로 구성하였으며, 압력 및 유량 등을 조절하기 위하여 펌프로 가압시설을 구성하였다. 하지만 누수신호 측정 시 펌프에 의한 소음은 누수신호 분석에 방해가 되기 때문에 최소화하기 위하여 가압시설에서 관로까지 연성이 강한 고무튜브를 사용하였다고 보고하였다.
- 대상시스템은 총 9,000m2(300m×30m)의 부지에 관의 직선구간이 최대 약 280m가 되도록 설치하였다.
- 상수도관의 재질은 최근 사용량이 증가하고 있는 덕타일주철관(DCIP)과 플라스틱 계열의 PE와 PVC관을 사용하였다(Ministry of Environment, 2011~2014). 관경은 덕타일주철관의 경우 내경 D80, D100, D150, D200로 직선구간에서 각각 70m로 연결하여 관경의 변화에 따른 누수신호 발생 특성의 변화를 비교/분석 할수 있도록 구성하였다.
- 2m 이상)에 설치되어 있다. 총 연장 1.4km로 강관과 덕타일주철관으로 구성되어 있다. 강관의 경우 D200와 D300가 각각 500m씩 루프(Loop) 형태로 매설되어 있으며, 덕타일주철관의 경우 D100 관로가 직선과 루프형태로 약 340m가 매설되어 있다.
- 측정을 위해 사용된 가속도계는 누수탐지 센서의 개발을 위해 테스트용으로 제작하였으며, 제작된 가속도계의 측정 범위는 ±1g이며, 주파수 측정범위는 0 ~ 1.5kHz 였다.
데이터처리
- 계측된 신호를 시간영역과, 주파수영역 그리고 시간영역의 측정결과를 RMS(Root Mean Square)값을 구하여 누수 여부, 누수 크기에 따른 신호의 변화를 분석하였다. Fig.
- 2kHz로 측정하였으며, 별도의 주파수 필터링 과정을 거치지 않고 누수신호를 분석하였다. 누수신호의 분석을 위해 측정된 가속도 값은 Mathworks사의 Matlab 2015a의 FFT function를 이용하여 고속 푸리에 변환 (Fast Foureir Transform) 한 후 각 실험 조건별 주파수의 특성을 비교･분석하였다.
성능/효과
- 1) 누수 신호의 특성을 정확히 파악하기 위해서는 상수도관로가 매설되어있는 지반 조건을 고려하기 위하여 지하에 매설하고, 관의 불연속점과 같은 실제 운영 조건과 동일한 상태에서 펌프 등과 같은 소음원을 배제한 상태에서 측정이 이루어져 한다.
- 2) 본 연구의 분석 조건에서 누수지점으로부터 3m 거리에 전달된 누수 신호의 크기는 약 0.02g 이하였으며, 약 70m 거리 이후부터는 측정되지 않았다. 이러한 특성은 누수탐지 센서를 개발하는데 있어서 센서의 정량적인 성능을 결정하는데 도움이 될 것으로 판단되며, 본 연구에서 사용된 가속도계보다 민감도가 더 높은 센서를 선택하는 것이 누수탐지에 더 경제적일 것으로 판단된다.
- 3) 개발된 시스템에서 누수지점으로부터 거리에 따른 누수 신호를 분석한 결과 누수지점에서 가까울수록 누수신호는 크고 저주파에서 고주파까지 광대역으로 나타났으나 거리가 멀어질수록 점차 감쇄하는 것으로 나타났다. 특히, 누수위치에 가까울수록 누수신호의 감쇄폭은 크게 나타났다.
- 대상 시스템의 경우 외부의 소음원이 거의 없는 지역에 설치되어 있으며, 측정 시 주변에 차량통행 등과 같은 진동을 유발할 수 있는 외부 영향요인은 없었다. 따라서 계측된 결과는 가속도계와 데이터 취득 시스템에 의한 노이즈 신호이며, 사용한 가속도계의 측정 한계치가 될 것으로 판단된다.
- 상수도관 내 수압은 대상 상수도관망이 설치된 주변 급수지역의 물 사용량에 따라서 상이하나 최대 약 5kgf/cm2 까지 유지가 가능한 것으로 나타났다. 따라서 실험 시 수용가의 사용에 따라 변화되는 압력을 최소화하기 위하여 유입부에 감압밸브를 이용하여 공급되는 압력보다 낮게 유지하여 측정 시 수압을 일정하게 조절할 수 있도록 구성하였다.
- 02g 이하였으며, 약 70m 거리 이후부터는 측정되지 않았다. 이러한 특성은 누수탐지 센서를 개발하는데 있어서 센서의 정량적인 성능을 결정하는데 도움이 될 것으로 판단되며, 본 연구에서 사용된 가속도계보다 민감도가 더 높은 센서를 선택하는 것이 누수탐지에 더 경제적일 것으로 판단된다.
후속연구
- 1 (a)의 한국건설기술연구원의 하천실험센터 실험부지 내 저수지 인근에 설치하였다. 대상 지역의 경우 농촌지역으로 인근에 차량 통행 및 수용가가 극히 제한적이며 외부의 소음원을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 경우 관의 굴곡에 의한 누수신호의 반사파 및 왜곡 현상이 발생 될 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 누수 신호의 감쇄효과에 대한 측정 결과가 실제 상수도관로와 유사한지에 대한 추가적인 검증이 필요할 것으로 판단된다.
- 이러한 특징은 누수지점에 가까운 경우 유체에 의한 진동과 관체에 의한 구조적인 진동 특성이 강하게 나타나지만 멀어질수록 구조적인 진동 특성이 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 또한 관 연결부와 밸브 등의 부속물과 같은 불연속점 등에 의한 영향도 있을 것으로 추정되며 향후 개발된 시스템을 이용하여 추가적인 분석이 가능할 것으로 판단된다.
- 일부 매설되어 있는 구간이 있으나 5m 이내로 실제 상수도관로에서 발생되는 누수신호의 전달 특성과는 상이한 결과를 나타낼 것으로 판단된다. 또한 관로 내 압력 유지를 위해서 자연유하식이 아닌 추가적인 가압시설로 운영 중에 있기 때문에 누수신호 측정 시에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 대상 시설의 경우 직관, 분기관(T자관, 十자관), 하향식, 상향식, 수평 굴곡에 위치한 관 등 실제 상수도관로에서 설치 운영하고 있는 다양한 부속설비 등이 시설에 포함되어 있기 때문에 누수에 의한 진동신호 측정을 제외한 다양한 현상에 대해서 실험 및 검증이 가능할 것으로 판단된다.
- 하지만, 실제 상수도관망에서 누수신호를 측정하기 위하여 누수를 임의로 시키고 운영조건을 다변화하는 것은 현실적으로 한계가 있으며, 주변의 소음원 등으로부터 안정된 조건을 유지할 수 없을 것으로 판단된다. 반면, 실험실 규모의 시설에서는 실제 상수도관망과 같이 관을 길게 매설하거나 관의 연결부, 밸브, 분기관 등의 부속물 등의 조건을 반영하기 어렵기 때문에 안정된 조건에서 누수신호를 측정할 수 있는 실증 실험 시설이 필요할 것으로 판단된다.
- 5kHz에서 주요 주파수대역이 나타났다. 본 연구에서는 측정한계가 1.5kHz인 가속도계를 이용하였기 때문에 1.5kHz 이상에서는 확인이 어려우므로 주파수 측정 범위가 넓고 민감도가 높은 가속도계를 통하여 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 7은 시간영역의 값을 전체 측정된 결과에 대해서 RMS(Root mean square) 계산 결과를 나타내었다. 시간영역에서의 결과보다 누수 발생위치에서 거리가 멀어질수록 신호의 크기가 작아지는 것을 더 명확하게 확인할 수 있을 것으로 판단된다. 누수신호는 23지점부터 급격하게 신호감쇄가 나타났다.
- 기존 연구에 의하면, 상수도관로의 누수에 의한 소리 또는 진동 신호는 수용가의 물 사용 및 주변 소음원 등과 관의 종류 및 관경, 누수 부위의 크기나 형태, 주변 지반 특성 등 다양한 요인에 의해서 신호의 크기 및 주파수가 다르게 나타날 수 있는 것으로 알려져 있다(Hunaidi and Chu, 1999). 즉, 실제 시설과 동일한 조건에서 외부 영향요인을 배제하고 누수에 의한 진동 또는 소리를 측정해야 정확한 누수의 특성이 파악될 것으로 판단된다. 하지만, 실제 상수도관망에서 누수신호를 측정하기 위하여 누수를 임의로 시키고 운영조건을 다변화하는 것은 현실적으로 한계가 있으며, 주변의 소음원 등으로부터 안정된 조건을 유지할 수 없을 것으로 판단된다.
- 또한 관로 내 압력 유지를 위해서 자연유하식이 아닌 추가적인 가압시설로 운영 중에 있기 때문에 누수신호 측정 시에 영향을 미칠 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 대상 시설의 경우 직관, 분기관(T자관, 十자관), 하향식, 상향식, 수평 굴곡에 위치한 관 등 실제 상수도관로에서 설치 운영하고 있는 다양한 부속설비 등이 시설에 포함되어 있기 때문에 누수에 의한 진동신호 측정을 제외한 다양한 현상에 대해서 실험 및 검증이 가능할 것으로 판단된다.
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