泄露检测器、泄露检测方法及配管网的监视装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及泄露检测器、泄露检测方法及配管网的监视装置，特别涉及在由自来 水管、建筑物配管、工厂内配管等形成的各种配管中高精度地检测是否有流体泄露的泄露 检测器、使用这样的泄露检测器的泄露检测方法、及使用这样的泄露检测器在由自来水管、 煤气管、建筑物配管、工厂内配管等形成的各种配管网中进行流量监视、异常检测等的配管 网的监视装置。
【背景技术】
[0002] 以往以来，一般是用传感器检测由漏水产生的自来水管的振动。例如，在专利文献 1中公开了用橡胶材料将内置有压电元件的检测部和由刚性材料形成的基座部连结而成的 泄露检测器。据此，能够通过共振使传递到合成树脂管的低频振动放大。另外，在自来水管 路中的灭火栓等处设置2个检测器，通过对所得的相关波形进行解析，能够确定漏水部位。 [0003]另外，以往以来，存在如公众住宅等中的自来水的集中用量检查系统那样能够在 远处对流量进行管理的系统。例如专利文献2中公开了 ：通过消除无线分机的不必要的接 收，延长电池寿命的无线用量检查系统。该系统使用电池以无线方式将流量信息向远处发 送。
[0004] 专利文献3中公开了使用压电型超声波转换器的配管检查装置。如果是该方法则 能够从配管的外部检查管线的布设状态。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:日本特许第3223337号公报
[0008] 专利文献2:日本特开2001-319284号公报
[0009] 专利文献3:日本特开2003-294718号公报
【发明内容】
[0010] 发明要解决的课题
[0011] 上述专利文献1的泄露检测器中，对于合成树脂管中的微小振动声的灵敏度不够 充分，设置于灭火栓等处的检测器的设置间距短，所以要进行大范围的漏水调查则存在工 作量巨大这一问题。
[0012] 另外，在上述专利文献2的配管网的监视装置中，因为使用电池，所以若电池消耗 殆尽则必须进行更换。如果是公众住宅用的，则更换比较容易完成，但是对于埋设于地下的 配管、设置于高处的配管等，就存在电池更换困难这一问题。
[0013]另外，也可以在配管的中途中设置涡轮机等发电机，对其电力进行蓄电并用于无 线信号的发送接收。但是，若将涡轮机等设置于配管的中途中，则其成为障害物而被减压， 而且若因夹杂有异物等各种情况而导致涡轮机破损，则作为配管的功能恐会受损。
[0014]另外，在专利文献3的配管网的监视装置中，为了进行检查，由人工完成的作业是 必需的，在埋设于地下的配管和处于高处的配管等中，存在不容易检查这一问题。
[0015] 本发明的目的在于提供对于由合成树脂管的漏水产生的振动声灵敏度高且能够 将设置间距取得较长、所以能够实现更高效的合成树脂管的流体泄露调查的泄露检测器。
[0016] 另外，本发明的目的在于提供容易检查埋设于地下的配管、处于高处的配管等那 样的难以通过人工进行检查的配管、且不需要更换电池的配管网的监视装置。
[0017] 用于解决课题的技术方案
[0018] 本发明涉及的泄露检测器，检测由于来自配管的流体泄露而产生的振动声，其特 征在于，具备：基座；压电元件，被支承于基座而将振动声转换为电信号；重物，被负载于压 电元件，压电元件由高分子压电材料形成。
[0019] 以往，这种检测器所用的压电材料，一般是钛酸钡、锆钛酸铅等压电性陶瓷。根据 本发明的泄露检测器，压电元件由高分子压电材料形成，由此，压电元件的弹性常数变低、 将重物负载于压电元件的系统的共振频率也变低。因此，对由合成树脂管的流体泄露产生 的振动声而言灵敏度变高，能够将设置间距取得较长，所以能够实现更高效的合成树脂管 的漏水调查。
[0020] 关于将重物负载于压电元件的系统的共振频率进行说明。
[0021] 将弹性常数为k(N/m)的弹簧的一端固定并对另一端附加质量M(kg)的重物时的 共振频率f〇由f〇 =V(k/M)/2π表示。
[0022] 在此，能够将压电元件视为弹簧。若将压电元件的弹性常数设为Ε，则弹性常数的 k能够用k=Ε·A/t表示（Α表示压电元件的截面积（m2)、t表示压电元件的厚度（m)。）。 聚偏氟乙烯（高分子压电材料）的弹性常数E为2~5X109(N/m2)。相对于此，锆钛酸铅 (陶瓷压电材料）的弹性常数为2~lOXlO^N/m2)，大一位数。因此，使用陶瓷系压电元 件的振动传感器，容易设定为高共振频率，多将共振频率设为数kHz。若要降低共振频率就 必需减少重物，但是如果这样作则施加于压电元件的应力会变小，得不到大的输出。也可以 如专利文献1那样、使用橡胶材料使共振频率变换为低频，但是振动由于橡胶材料而衰减， 所以无法高效地将振动传递到压电元件。本发明涉及的泄露检测器中，通过用高分子压电 材料构成压电元件，从而降低压电材料自身的弹性常数、成为低共振频率。根据需要，在高 分子压电材料上安装银、镍铜等的电极。
[0023]高分子压电材料的压电元件，与陶瓷系的压电元件相比较，压电输出常数高。例 如，聚偏氟乙烯的压电输出常数g33为300X10 _3 (Vm/N)左右，相对于此，锆钛酸铅的压电输 出常数g33为20X10 _ 3 (Vm/N)左右。这表明高分子压电材料在施加恒定的力F时输出电压 V较高。
[0024]V=F·g33 ·t/A
[0025]V:输出电压g33:压电输出常数F:施加于压电材料的力t:厚度A:截面积。
[0026] 本发明中的高分子压电材料没有特别限定，可以列举聚偏氟乙烯的拉伸膜和多孔 质的聚丙烯拉伸膜等。其中，聚偏氟乙烯，耐久性高而适合。另外，压电材料通过多个层叠 这样等等，能够进一步提高灵敏度。通过将重物负载于压电膜之上而对其付与厚度方向的 变形，从而能够产生电位差。此外，膜的厚度没有特别限定，也可以是被称为"片"的厚度。
[0027] 优选，压电元件仅一部分被支承于基座，重物被负载于压电元件的未被支承于基 座的部分。
[0028] 例如，若通过支承膜的一端或两端并对膜施加弯曲变形而产生电位差，则因能够 减小弹性常数、能够进一步降低共振频率，由于这一点而优选。
[0029] 在支承压电元件的一端的情况下，弹性常数k可如下这样表示。
[0030] k=3EJ/L3(J=bh3/12)
[0031] E:压电材料的弹性常数J:截面惯性矩L:长度b:宽度h:高度。
[0032] 支承压电元件的一端的结构，例如设为：在基座上设置有支承压电元件的一端部 的支承机构，压电元件的一端部被支承于支承机构，重物被负载于压电元件的另一端部。
[0033] 在支承压电元件的两端的情况下，弹性常数k可如下这样表示。
[0034] k=192EJ/L3(J=bh3/12)
[0035] 支承压电元件的两端的结构，例如设为：在基座上设置有支承压电元件的两个端 部的支承机构，压电元件的各端部被支承于所对应的各支承机构，重物被负载于压电元件 的中央部。
[0036] 支承压电元件的一端或两端，根据上述弹性常数计算式和上述共振频率的计算 式，能够按所期望的共振频率来设定检测器。
[0037] 优选，将重物负载于压电元件的系统的共振频率被设定为10Hz~1000Hz之间。通 过使得压电元件仅一部分被支承于基座、重物被负载于压电元件的未由基座支承的部分， 从而容易将共振频率设为1000Hz以下。通过这样设定，能够使本发明的泄露检测器适于上 述那样的合成树脂管的流体泄露调查。
[0038] 优选，压电元件层叠于加强材料层的上下的至少一个面。
[0039] 通过这样设置，压电元件层的位置从层叠体的中立轴离开，能够使灵敏度变高。因 此，对于由合成树脂管的流体泄露产生的振动声、灵敏度变高，能够将设定间距取得较长， 所以变得适于合成树脂管的流体泄露调查之用。
[0040] 为了使得层叠体仅一部分被支承于基座、重物被负载于层叠体的未被支承于基座 的部分，例如，只要对层叠有膜状的压电元件与片状的加强材料层的层叠体的一端或两端 进行支承、并通过重物的负载对压电元件层施加弯曲变形（弹性变形）从而产生电流、电位 差即可。由此，压电元件层的弹性常数变小、共振频率变低。
[0041] 若对膜状的压电元件沿面方向施加拉伸应力、压缩应力则在厚度方向上产生电位 差。在膜状的压电元件中，在施加拉伸应力时和在拉伸应力被释放而施加压缩应力时，电位 差的产生方向不同。也就是，被转换为交流电。在弯曲应力施加于层叠体时，在层叠体的比 中立轴靠一侧的面施加拉伸应力，在另一侧的面施加压缩应力。中立轴是应力为零的位置， 越远离中立轴拉伸应力和压缩应力越大。
[0042] 通过使层叠体弯曲变形从而在压电元件产生大的应力，与此相伴，在压电元件所 得的电信号也变大。
[0043] 在此，在中立轴位于压电元件的厚度内的情况下，在同一压电元件的内部分为承 受拉伸应力的部分和承受压缩应力的部分，抵消电流和电位差、信号强度急剧降低。在压电 元件层层叠于加强材料层的上下的至少一个面的结构中，压电元件的位置从层叠体的中立 轴离开，能够增大电信号输出（灵敏度）。
[0044] 例如关于聚偏氟乙烯的拉伸膜，厚度为100μm左右，为了提高灵敏度，优选，设为 由在上下两面设置有薄膜电极的多个膜状压电元件形成的层叠构造。通过将压电元件层设 为层叠构造，能够增大承受拉伸应力和压缩应力的膜状压电元件的面积，能得到高输出。
[0045] 在将膜状压电元件设为层叠构造时，既可以隔着绝缘层1枚1枚地贴合短条状的 (具有1层量的宽度及长度）膜状压电元件而按每层提取电信号，也可以通过将在上下两面 设置有薄膜电极的长条状的（具有1层量的宽度及多层量的长度）膜状压电元件折叠成曲 折状来形成压电元件层。
[0046] 当将带薄膜电极的膜状压电元件折叠为曲折状时，薄膜电极不会短路，所以无需 绝缘层、无需将各个薄膜电极连接，所以能够简单地得到层叠构造。
[0047] 在压电元件层层叠于加强材料层的上下两面的情况下，以不抵消电信号的方式， 上侧的压电元件层的一个薄膜电极和与其对应的下侧的压电元件层的一个薄膜电极连接， 电信号从上侧的压电元件层的另一个薄膜电极和与其相对应的下侧的压电元件层的另一 个薄膜电极被提取出来。
[0048] 在压电元件层被层叠于加强材料层的上下两面的情况下，关于原本的压电元件层 的一个薄膜电极和另一个薄膜电极，哪一个为上下都可以，在将薄膜电极彼此连接时，以不 抵消电信号的方式相连接。例如，在上侧的压电元件层的最上侧的面的薄膜电极与下侧的 压电元件层的最下侧的面的薄膜电极是一个薄膜电极、且上侧的压电元件层的最下侧的面 的薄膜电极与下侧的压电元件层的最上侧的面的薄膜电极是另一个薄膜电极的情况下，只 要将另一个薄膜电极彼此用连结线（用于连结的电线）连接、将一个薄膜电极彼此用引线 (用于提取信号的电线）连接即可。
[0049] 在将压电元件层配置于中立轴的上侧和下侧时，在上下产生的应力方向不同。此 时通过以不抵消电信号的方式将薄膜电极彼此连结，能够得到大的电信号。
[0050] 优选，加强材料层的弯曲弹性模量比压电元件层的弯曲弹性模量大。
[0051] 在重叠有多种材料时中立轴的位置靠近弹性模量高的材料侧。在层叠压电元件层 与加强材料层、且作成规定厚度的层叠体的情况下，若加强材料层的弹性模量高则能够增 大压电元件层的比例。
[0052] 通过使加强材料层的厚度比压电元件层的厚度大、且使加强材料层的弯曲弹性模 量比压电元件层的弯曲弹性模量大，从而能够使得在压电元件层的内部不存在容易弯曲的 中立轴。
[0053] 如果压电元件材料是高分子，则比较而言能够减小弹性模量，容易使中立轴靠近 加强材料层侧。另外，在折叠地层叠的情况下，如果也是高分子则柔软、不会在折叠时破损。 在压电元件材料为高分子的情况下，优选，加强材料层也是高分子，例如，作为加强材料层 使用PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯），将厚度设为比压电元件层的厚度大，因此得到优选的 层叠体。
[0054] 优选，通过将压电元件的由支承机构支承的支承位置与重物的负载位置的距离设 为能够以机械方式改变，从而使共振频率成为可变