KR100966444B1 - 저장고의 내용물을 측정하는 시스템 및 방법 - Google Patents

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에이.피.엠. 오토메이션 솔루션즈 엘티디.
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Abstract

본 발명의 저장고 내용물의 높이를 측정하는 시스템은 내용물의 상부면을 향해 음향 펄스를 송신하는 송신기, 펄스의 에코를 수신하고 에코에 따라 신호를 생성하는 비동일선상의 수신기 어레이, 및 상응하는 측정 거리와 함께 상부면으로부터 어레이까지 신호의 하나 이상의 도달 방향을 연산하는 처리 장치를 포함한다. 수신기는 송신기로서도 기능하는 트랜시버인 것이 바람직하다. 2개 이상의 상기 측정 거리는 저장고 내용물의 양을 추정하기 위한 상부면의 맵을 구성한다. 상기 시스템은 신호에 관한 펄스 형상을 최적화하는 펄스 정형기 및 리피터를 포함하는 것이 바람직하다.
저장고, 음향 펄스, 송신기, 수신기, 처리 장치, 트랜시버

Description

저장고의 내용물을 측정하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING CONTENT OF A BIN}
본 발명은 재고품(inventory)의 모니터링 및 측정 처리에 관한 것으로, 특히 저장고(bin)의 내용물을 측정하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 액체 재고품의 모니터링은 간단하다. 그러나, 사일로(silo) 등의 저장고 내부에 쌓여 있는 분말로 구성되는 대량의 고체 재고품의 모니터링은 매우 어렵다. 이러한 대량의 고체 재고품의 예로서는 건축용 시멘트 및 모래, 곡물, 비료 등이 있다. 사일로 내부의 대량의 재료의 높이 측정은 아직 충분히 해결되지 않은 문제가 있다. 통상적으로, 저장고 내부의 조건은 열악하며(먼지, 극한의 온도 등), 저장고에 보관된 대량의 재료의 내용물은 평탄한 표면을 가지지 않는 경우가 있고 항상 균일한 것은 아니다. 그밖에도, 사용하는 저장고의 형상이 매우 다양하다는 것 및 일부 저장고 내부의 폭발성 분위기로부터도 문제점이 발생한다.
본원에서 사용되는 용어인 "저장고(bin)"의 범위는, 분말 고체를 수용 및 보관하는 내용적을 규정하는 구조의, 대량의 분말 고체용 임의의 저장 컨테이너를 포함한다. 저장고가 사일로, 베슬(vessel) 또는 탱크인 경우에서와 같이, 저장고는 위, 아래 및 모든 측면에서 폐쇄될 수 있거나, 또는 위 또는 하나 이상의 측면에서 개방될 수 있다. 본 발명의 하기의 설명에서 사용되는 "저장고"의 예는 사일로이지만, 본 발명의 원리를 임의 형태의 저장고에 어떻게 적용할지는 당업자에게는 자명하다.
사일로 등의 저장고의 내용물의 연속 측정을 위한 5가지의 주된 방법이 공지되어 있다.
전기기계적인 (yo-yo) 레벨 센서는 본질적으로 테이프의 릴의 일단에 있는 추(weight)로 구성되어 있다. 추는 사일로 내에서 내용물의 상부면이 위치되는 깊이까지 하강하게 된다. 추가 내용물의 상부에 놓이면, 테이프의 장력이 완화된다. 그후, 추는 상부 설정 지점까지 당겨진다. 내용물의 높이는 추를 당기는데 소요된 시간 또는 측정된 테이프 길이로부터 추정된다.
요요(yo-yo) 센서와 같은 기계식 장치는 신뢰도가 낮다. 이러한 장치는 먼지에 의해 움직임이 저해되며, 사일로 내부의 펌프 및 로드 등의 장애물에 부착되는 경향이 있다.
초음파 레벨 센서는 음파 송신 및 수신 원리로 작동한다. 송신기로부터의 고주파의 음파는 내용물의 상부면에 의해 수신기로 반사된다. 내용물의 높이는 왕복 주행 시간(round-trip travel times)으로부터 추정된다. 이러한 센서는 먼지가 있는 환경에서는 제한된 범위를 가지며 불완전하게 작동한다. 또한, 상기 장치는 다양한 사일로의 형태에 따라 주문제작될 필요가 있다.
레이더 레벨 센서는 전자기파 송신 및 수신의 원리로 작동한다. 송신기로부터의 전자기파는 내용물의 상부면에 의해 수신기로 반사된다. 내용물의 높이는 왕 복 주행 시간으로부터 추정된다. 이러한 센서는 복잡하고 고가이다.
용량 센서는 2개의 금속성 로드(rod) 사이의 용량 또는 금속성 로드와 지면 사이의 용량을 측정한다. 사일로의 내용물이 공기와는 다른 유전 상수를 가지기 때문에, 2개의 로드 사이 또는 로드와 지면 사이에서 내용물의 상부면의 레벨에 따라 용량이 변한다. 이러한 센서는 부정확한 경향이 있으며 사일로 내에 보관된 재료의 종류 및 습도에 민감하다.
상술한 모든 종래의 센서는 내용물의 형상에는 둔감하기 때문에, 대량의 분말 고체가 저장고의 저부를 통해 취출될 때 발생하는 소위 "원뿔(coning)"(취출 지점 바로 위에 정점이 위치하는 역 원추 구멍이 대량의 분말 고체에서 형성함)이라는 공통적인 현상의 존재하에서는 부정확하다. 대량의 분말 고체가 상부로부터 저장고에 추가될 때에도 유사한 현상이 발생한다. 즉, 고체는 그 삽입 지점의 바로 아래에 정점이 위치되는 원뿔 형으로 쌓이기 때문이다. 이러한 센서는 형상이 복잡하거나 장애물이 있는 저장고 내에서는 불완전하게 작동한다.
하중 게이지는 사일로를 유지하는 로드의 장력을 측정함으로써 이동식 사일로 및 그 내용물의 무게를 측정한다. 이러한 게이지의 설치는 복잡하며, 금속성 다리를 가진 이동식 사일로에 대해서만 적합한 게이지이다.
따라서, 상술한 바와 같이 현재 공지되어 있는 방법의 단점을 극복하는, 사일로 등의 저장고의 내용물을 측정하는 방법에 대한 필요성이 광범위하게 인식되어 있으며 매우 유익할 것이다. 특히, 저장고 내용물의 상부면을 3차원적으로 매핑(mapping)하는 기술은 종래에는 공지되어 있지 않다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 적어도 하나의 송신기, (b) 펄스의 에코를 수신하는 비동일선상의 적어도 3개의 수신기―각각의 수신기는 에코에 따라 개별 신호를 생성함―로 이루어진 어레이, 및 (c) 신호를 어레이로부터 상부면까지의 적어도 하나의 측정 거리로 함께 변환하는 처리 장치를 포함하고, 처리 장치는, (i) 각각의 수신기에 대하여, 펄스의 파형을 개별 신호에 상관시켜 상관 신호를 생성하는 상관기(correlator)와, (ii) 상부면으로부터 어레이까지의 상관 신호의 적어도 하나의 도달 방향을 연산하는 빔포머(beamformer)를 구비하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 송신기, (b) 펄스의 에코를 수신하며, 에코에 따라 개별 신호를 각각 생성하는 적어도 하나의 수신기, 및 (c) 적어도 하나의 신호를 상부면의 복수의 지점의 추정 좌표로 변환하는 처리 장치를 포함하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 송신기, (b) 펄스의 에코를 수신하며, 에코에 따라 개별 신호를 각각 생성하는 적어도 하나의 수신기, 및 (c) 적어도 하나의 신호가 그로부터 상부면의 적어도 하나의 지점의 추정 좌표를 연산하기에 적합해질 때까지, 적어도 하나의 신호에 따라, 펄스의 길이 및 펄스의 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택된, 펄스의 형상의 적어도 하나의 파라미터를 조절하면서, 송신기를 사용하여, 펄스를 반복적으로 송신하도록 동작하는 펄스 정형기 및 리피터(pulse shaper and repeater)를 포함하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 시스템이 제공된다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 단계, (b) 펄스의 에코를 비동일선상의 적어도 3개의 수신기―각각의 수신기는 에코에 따라 개별 신호를 생성함―로 이루어진 어레이를 이용하여 수신하는 단계, 및 (c) 신호를 어레이로부터 상부면까지의 적어도 하나의 측정 거리로 변환하는 단계를 포함하고, 변환 단계는, (i) 각각의 수신기에 대하여, 펄스의 파형을 개별 신호에 상관시켜 상관 신호를 생성하는 단계와, (ii) 상부면으로부터 어레이까지의 상관 신호의 적어도 하나의 도달 방향을 연산하는 단계와, (iii) 도달 방향 각각에 대하여 상응하는 측정 거리를 연산하는 단계를 구비하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 단계, (b) 펄스의 에코를, 에코에 따라 개별 신호를 각각 생성하는 적어도 하나의 수신기를 사용하여 수신하는 단계, 및 (c) 신호를 상부면의 복수의 지점의 추정 좌표로 변환하는 단계를 포함하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 단계, (b) 펄스의 에코를, 에코에 따라 개별 신호를 각각 생성하는 적어도 하나의 수신기를 사용하여 수신하는 단계, 및 (c) 적어도 하나의 신호가 그로부터 상부면의 적어도 하나의 지점의 추정 좌표를 연산하기에 적합해질 때까지, 펄스의 길이 및 펄스의 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택된, 펄스의 형상의 적어도 하나의 파라미터를 조절하면서, 송신 및 수신을 반복하는 단계를 포함하는, 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 방법이 제공된다.
본 발명의 시스템은 저장고의 내용물의 높이를 측정하고, 측정된 높이로부터 내용물의 용적 및 질량을 추정하는 시스템 및 방법이다. 본 발명이 사일로, 즉 벽체 및 지붕에 의해 에워싸이는 저장고의 내용물을 측정하는 것과 관련하여 후술되지만, 본 발명은 개방형 저장고의 내용물을 측정하는데도 적용 가능하다. 본 발명의 기본적인 시스템은 내용물의 상부면을 향하여 음향 에너지의 펄스를 송신하는 송신기, 펄스의 에코를 수신하고 그 에코에 따라 개별 신호를 생성하는 적어도 3개의 비동일선상의 수신기로 이루어진 어레이, 및 신호를 어레이로부터 상부면까지의 하나 이상의 측정 거리로 함께 변환하는 처리 장치를 포함한다. 처리 장치는 각각의 상기 수신기에 대하여, 펄스의 파형을 수신기의 개별 신호에 상관시켜 상관 신호를 생성하는 상관기와, 상부면으로부터 어레이까지의 상관 신호의 적어도 하나의 도달 방향을 연산하는 빔포머를 구비한다. 이후, 처리 장치는 도달 방향(들 각각)에 대응하는 측정 거리(들)를 연산한다.
바람직하게는, 상기 시스템은 저장고의 내부 온도를 측정하는 온도계를 또한 포함한다. 신호의 측정 거리(들)로의 변환은 측정된 내부 온도에 의거하여 수행된다.
수신기는 송신기로서도 기능하는 음향 트랜시버인 것이 바람직하다. 처리 장치는 트랜시버들 사이로 보정 펄스를 송신함으로써 트랜시버를 보정하는 것이 더 바람직하다. 본 시스템의 가장 바람직한 다양한 실시예들에서, 음향 트랜시버는 동시에 또는 순차적으로 펄스를 송신한다. 트랜시버에 의한 순차 송신은 수신기 어레이의 유효 사이즈 및 가상 수신기의 수를 확대시킨다.
처리 장치는 신호를 수신기 어레이로부터 저장고 내용물의 상부면까지의 복수의 측정 거리로 변환하는 것이 바람직하다. 복수의 측정 거리는 저장고 내용물의 상부면의 맵(map)을 구성한다. 처리 장치는 맵을 저장고 내용물의 양(예를 들면, 용적 또는 질량)의 추정치로 변환하도록 작동한다.
상기 시스템은 신호가 처리 장치에 의해 하나 이상의 측정 거리로 변환되기에 적합할 때까지, 신호에 따라 펄스의 형상을 조절하면서, 적어도 하나의 송신기를 사용하여 펄스를 반복적으로 송신하도록 작동하는 펄스 정형기 및 리피터를 포함하는 것이 바람직하다. 펄스 정형기 및 리피터는 펄스의 길이 및 펄스의 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 펄스 형상의 파라미터를 조절함으로써 펄스 형상을 조절하는 것이 가장 바람직하다. 조절되는 주파수는 펄스의 저역 통과 주파수, 펄스의 고역 통과 주파수 또는 펄수의 변조 주파수와 같이 펄스를 규정하는 임의의 주파수일 수 있다.
빔포머는 중첩 가능한 복수의 시간 절편(time slice) 각각에서 도달 방향(들)을 독립적으로 연산한다. 모든 시간 절편은 동일한 지속시간을 갖는다. 시간 절편의 지속시간은 펄스의 밴드폭에 관련된다.
본 발명은 종래에 비해 적어도 3가지의 새로운 개선점을 포함한다.
제 1 개선점은, 내용물의 상부면으로부터 2개 이상의 수신기로 이루어진 어레이에 의해 수신된 신호의 도달 방향의 계산, 및 어레이로부터 내용물의 상부면까지의 측정 거리의, 상기 도달 방향으로부터의 도출이다. 종래에는 하나 이상의 음향 수신기를 사용하는 것이 공지되어 있다. 신호대 잡음비를 올리고 빔 폭을 좁히기 위해, 모든 수신 신호를 합산하는 것도 종래에 공지되어 있다. 그러나, 수신 신호를 간섭적(coherently)으로 처리하여 특정 방향에 대응하는 거리를 측정하는 것은 공지되어 있지 않다.
제 2 개선점은 저장고 내용물의 상부면의 매핑이다. 종래의 음향 측정 기술은 수신기(들)로부터 저장고 내용물의 상부면까지의 단일의 거리를 측정한다.
제 3 개선점은 음향 펄스의 길이 및/또는 주파수 성분을 최적화하는 것에 의한 음향 펄스의 정형화이다. 종래에 최적화된 펄스 형상 파라미터는 측정 거리에 관하여 최적화된 펄스 파워뿐이다.
본 발명은 첨부도면을 참조로 예로서 기술된다.
도 1은 본 발명의 시스템의 상위의 개략적인 기능 블럭도.
도 2는 도 1의 시스템의 바람직한 유형의 실시예의 개략적인 블럭도.
도 3은 도 1의 시스템이 사일로의 천장에 설치되어 있는 것을 나타내는 사일로의 부분 단면도.
도 4는 대표적인 펄스 형상을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 초지향성(superdirectivity)의 극좌표계.
본 발명은 사일로 등의 저장고에 저장된 재료의 양을 측정하는 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 사일로 내의 재고품을 모니터하는데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 내용물 측정의 원리 및 동작은 첨부도면 및 관련 설명을 참조로 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이제, 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 시스템(10)의 상위의 개략적인 기능 블럭도이다. 도 1에서의 화살표는 신호 흐름의 방향을 나타낸다. 시스템(10)은 하나의 음향 송신기(스피커)(12) 및 세 개의 음향 수신기(마이크로폰)(14)를 포함한다. 펄스 정형기(26)는 후술하는 바와 같이 디지털 펄스 형태들을 합성한다. 디지털 펄스 형태는 D/A 컨버터(22)에 의해 아날로그 전기 펄스로 변환되고 증폭기(16)에 의해 증폭된다. 증폭된 아날로그 전기 펄스는 송신기(12)에 의해 오디오 펄스로 변환된다. 이러한 오디오 펄스의 에코는 수신기(14)에 의해 수신되어 아날로그 전기 신호로 변환되고, 오디오 펄스의 형상에 일치되는 밴드패스 필터(20)에 의해 여파(filtered)되며, 증폭기(18)에 의해 증폭되고, A/D 컨버터(24)에 의해 샘플링되어, 상응하는 디지털 신호를 제공한다. 디지털 신호는 상관기(28)에 의해 상응하는 디지털 펄스 형태와 서로 관련지어진다. 이러한 상관 신호의 도달 방향은 빔포머(30)에 의해 연산된다. 프로세서(32)는 상기 상관 신호를 상응하는 왕복 음향 주행 시간으로 변환한 후에, 디지털 온도계(34)에 의해 얻어진 온도 측정에 의해 주행 시간을 도달 방향을 따라 추정된 주행 거리로 변환한다.
도 2는 시스템(10)의 바람직한 유형의 실시예의 개략적인 블럭도이다. 도 2 에 도시된 실시예에서, 송신기(12) 및 수신기(14)의 기능은 트랜시버(송수신기; transceiver)(36)에 의해 공유된다. 각각의 트랜시버(36)는 개별 스위치(38)의 설정에 따라 송신기(12)로서 또는 수신기(14)들 중 하나로서 동작한다. 시스템(10)의 디지털 기능성(펄스 정형기(26), 상관기(28), 빔포머(30), 프로세서(32))은 플래시 메모리(46)에 저장된 코드를 실행하는 디지털 신호 프로세서(DSP)(40)에 의해 수행된다. 처리 결과는 유저 인터페이스(48)에 있는 디스플레이에 표시된다.
PC(40)는 하나 이상의 트랜시버(36)가 송신기(12)로서 기능하고 다른 트랜시버(36)가 수신기(14)로서 기능하도록 스위치(38)를 설정함으로써 트랜시버(36)들 사이에서 송신기(12)의 기능을 순환시킨다. 이러한 순환은 두가지의 상이한 목적으로 개별적으로 행해진다. 한가지 목적은 후술하는 바와 같이, 빔포머(30)에 의해 합성된 빔을 따라 사일로의 내용물의 상부를 향하는 트랜시버(36)로부터의 일련의 거리를 측정하기 위한 것이다. 다른 목적은 수신기(14)로서 기능하는 트랜시버(36)를 송신기(12)로서 기능하는 트랜시버(36)에 의해 방출된 보정 펄스에 관하여 보정하기 위한 것이다.
내용물의 상부까지의 거리를 측정하기 위해 트랜시버(36)를 송신기 및 수신기로서 사용하는 데는 바람직한 두가지 방식이 존재한다. 제 1 방식에서는, 모든 트랜시버(36)가 동일한 펄스를 간섭적으로 동시에 송신한다. 제 2 방식에서는, 트랜시버(36)가 펄스를 순차적으로 송신한다. 이러한 두가지 방식 하에서, 펄스가 송신된 후에, 모든 스위치(38)가 그들의 하부 위치로 설정되어, 모든 트랜시버(38)가 수신기로서 기능하게 된다. 제 2 방식 하에서는, 이는 n 트랜시버의 어레이를 (n2+n)/2 가상 수신기의 가상 어레이로서 기능시키도록 한다. (M 송신기 및 N 수신기를 사용하게 되면 MN 독립 신호가 주어진다. n 트랜시버를 교대로 송신기 및 수신기로서 사용하게 되면, 각 쌍의 트랜시버에 의한 송수신 대칭으로 인해 독립 신호의 수가 (n2+n)/2로 경감하게 된다.)
또한, 제 2 방식은 유효한 형상의 어레이 사이즈를 두배로 만든다. 수신기 어레이의 방향성은 수신기에 도달하는 신호의 상대적인 지연에 의거한다. 단일의 송신기로부터 수신기 어레이로 송신할 경우에는, 관련 지연은 목표로부터 수신기까지의 주행 시간의 차이이다. 트랜시버의 어레이에 의해 교대로 송신 및 수신할 경우에는, 관련 지연은 목표로부터 수신기까지의 주행 시간의 두배인 왕복 주행 시간의 차이이다. 단일의 송신기를 사용하여 동등한 방향성을 달성하기 위해서는, 수신기 어레이 사이즈를 두배로 해야할 필요가 있다.
시스템(10)의 다른 실시예에서, 펄스 정형기(26), 상관기(28) 및 빔포머(30)의 기능성과 같은 주문형(application-specific; 특정 용도) 기능성은 디지털 신호 프로세서보다는 주문형 집적 회로에서 수행된다. 시스템(10)의 또다른 실시예에서는, 범용(general-purpose) 컴퓨터 시스템이 DSP(40), 플래시 메모리(46) 및 유저 인터페이스(48) 대신 사용된다.
도 3은 시스템(10)이 사일로(50)의 천장(52)에 설치되어 있는 상태를 나타내는 사일로(50)의 부분 단면도이다. 송신기(12)로서 기능하는 트랜시버(36)와 수신기(14)로서 기능하는 나머지 3개의 트랜시버(36)가 비동일선상에 설치되더라도, 4 개의 트랜시버(36)는 정사각형 구조로 설치된다. 시스템(10)의 나머지 구성요소는 마찬가지로 천장(52)에 설치되는 하우징(42) 내에 포함된다. 트랜시버(36)는 와이어(44)에 의해 시스템(10)의 위치에 동작 가능하게 접속된다. 송신기(12)로서 기능하는 트랜시버(36)는 사일로(50)의 내용물(54)의 상부면(55)을 향하여 음향 펄스(56)를 방출한다. 음향 펄스(56)는 트랜시버(36) 중 하나로부터 나오는 파형으로서 도 3에 상징적으로 나타나 있다. 상부면(55)으로부터 트랜시버(36)를 향하여 반사되는 음향 펄스(56)의 에코는 도 3에서 화살표 58로 나타나 있다.
도 3에 도시된 특정 구성에서, 유저 인터페이서(48)의 일부만이 하우징(42) 내부에 있고, 보다 편리한 위치에 있는 유저 인터페이스(48)의 나머지와 통신하는 무선 트랜시버를 포함한다. 대안적인 구성에서는, 하우징(42)은 천장(52)보다 사용자의 접근성이 좋은 위치에 설치된다.
수신기(14)로서 기능하는 트랜시버(36)에 의해 수신되는 에코(58)는 트랜시버(36)에 의해 상응하는 개별 아날로그 전기 신호로 변환된다. 아날로그 전기 신호는 밴드패스 필터(20)에 의해 여파되고, 증폭기(18)에 의해 증폭되며, A/D 컨버터(24)에 의해 상응하는 디지털 신호로 변환된다. 상관기(28)는 디지털 신호를 펄스(56)의 파형에 상관시킨다. 빔포머(30)는 상관 디지털 신호의 도달 방향을 연산하고, 상부면(55)으로부터 곧바로 도달하는 신호를 다른 경로를 따라 도달하는 신호(이 신호는 본 명세서에서는 결정적 노이즈를 구성함)와 구별하기 위해 공지된 알고리즘을 사용한다. 트랜시버(36)가 동일선상에 있지 않다는 것은 빔포머(30)가 상부면(55)을 2차원적으로 스캔하여 상부면(55)의 3차원 맵을 얻을 수 있게 한다. 펄스(56)의 송신 개시와 상부면(55)으로부터 곧바로 도달하는 파형의 선단 사이의 시간차는 그 파형에 의해 샘플링된 상부면(55)상의 패치와 트랜시버의 어레이 사이의 양방향 주행 시간이다. 프로세서(32)는 이러한 주행 시간의 절반을 상부면(55) 위의 대기중의 음속에 곱해서 트랜시버(36)의 어레이로부터 상부면(55)상에 샘플링된 패치까지의 거리를 얻는다. 프로세서(32)는 아래의 관계식을 사용하여 음속(c)을 m/s 단위로 구한다.
[관계식]
Figure 112007068694802-pct00001
여기서, T는 온도계(34)에 의해 측정된 사일로(50) 내측의 섭씨(℃) 온도.
빔포머(30)가 유입 신호의 도달 방향을 연산하는 가장 간단한 방법은, 본 기술분야에 공지되어 있는 바와 같이, 상관 신호의 상대적인 페이즈(또는 상대적인 지연)를 변화시키면서 상관 신호를 합산함으로써 빔들을 합성하는 것이다. 이것이 빔포머(30)가 본원에서 "빔포머"로서 인용되는 이유이다. 다중 신호 분류(MUSIC; MUltiple SIgnal Classfication), 확률적 최대 가능도(SML; Stochastic Maximum Likelihood), 결정적 최대 가능도(DML; Deterministic Maximum Likelihood) 또는 회전 불변 기술을 통한 신호 파라미터의 추정(ESPRIT; Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques) 등의 보다 정교한 적응형 도달 방향(DOA; Direction-Of-Arrival) 알고리즘을 이용함으로써 더 나은 결과가 얻어진다. 몇몇 소스를 동시에 추정하도록, 특히 상이한 방향으로부터 트랜시버(36)의 어레이에 도달하는 펄스(56)의 간섭 에코를 구별하는 것을 돕도록, 상기 알고리즘의 제한된 능력을 극복하기 위해서는, 수신된 신호는 펄스(56)의 밴드폭에 따라 길이가 선택되는 중첩 시간 절편에서 개별적으로 처리된다. 펄스(56)의 밴드폭은 트랜시버(36)의 어레이로부터 상부면(55)까지의 거리의 원하는 분해능을 얻기 위해 차례로 선택된다. 예를 들어, 펄스(56)가 3.5㎑ 내지 4.5㎑의 통과대역을 가지면, 거리 분해능은 대략 340m/sec÷1000sec-1÷2 = 17㎝이다. 상응하는 시간 절편은 대략 1 밀리초(펄스 밴드폭의 역수)이다. 거리 측정의 정확도는 A/D 컨버터(24)의 디지털화 속도 및 신호 대 잡음비에 의존하므로, 분해능보다는 나을 수 있다. 44㎑의 바람직한 샘플링 속도는 높은 신호 대 잡음비에서 340m/sec÷44,000sec-1÷2 = 3.8㎜까지의 정확도를 제공한다.
트랜시버(36)의 어레이로부터 상부면(55)상의 몇몇 패치까지의 거리는 상부면(55)의 맵을 구성한다. 사일로(50)의 내부 형상에 따라, 상기 맵으로부터 내용물(54)의 용적을 간단하게 추정할 수 있다. 내용물(54)의 용적과 내용물(54)의 밀도를 곱해서 내용물(54)의 질량을 구한다.
임의의 적절한 펄스 형상이 펄스(56)로 사용될 수 있다. 도 4는 상기 펄스(56)의 하나, 즉 3㎑에서 변조된 5밀리초의 카이저(Kaiser) 펄스. (도 4에서 가로축은 샘플 번호이고, 펄스 파형은 밀리초 당 44.1 샘플로 샘플링된다.) 또한, 펄스는 레이더 분야에 공지되어 있는 바와 같이, 바커(Barker) 코딩 등의 2위상 코딩 기술에 의해 형상화될 수 있다. 상부면(55) 위에 먼지가 존재하는 상태에서 상 부면(55)을 매핑하기 위한 펄스(56)의 바람직한 주파수 대역은 3㎑와 6㎑ 사이이다.
상부면(55)의 매핑의 각도 분해능은 상관 신호의 초지향성 처리에 의해 개선된다. 예를 들면, M. Brandstein 및 D. Wards(편저)의 Microphone Arrays Signal Processing Techniques and Applications(Springer, 2001)을 참조하면 된다. 도 5는 20㏈의 신호 대 잡음비에서, 수신 신호의 반파장의 거리만큼 이격되어 있는 2개의 수신기의 초지향성의 극좌표계이다. 본 발명이 "원뿔"의 존재하에서도 상부면(55)을 매핑하기에 충분한 각도 분해능을 갖는다는 것은 상기 좌표계로부터 분명해진다.
펄스(56)의 형상은 펄스 정형기(26)에 의해 설정된다. 프로세서(32)는 펄스(56)의 형상의 파라미터들을 반복적으로 조작함으로써 펄스의 형상을 최적화하는 것이 바람직하다. 한가지 중요한 파라미터가 펄스(56)의 길이(즉, 지속시간)이다. 펄스(56)가 길수록, 신호 대 잡음비가 높지만, 상술한 바와 같이 펄스(56)를 송신하는 트랜시버(36)가 수신기(14)로서도 기능하도록 하기 위해서는, 펄스(56)는 펄스(56)의 종단이 수신기(14)에서 에코(58)의 도달과 시간적으로 중첩할 만큼은 길지 않아야 한다. 트랜시버(36)의 어레이로부터 상부면(55)까지의 수직 거리의 초기 추정치에 의거하여 시험 펄스 길이로 개시하면, 프로세서(32)는 펄스 길이를 반복적으로 변화시켜서 펄스 길이를 최적화한다. 펄스 길이가 최적화되면, 펄스(56)의 주파수 성분은 관찰된 감쇠 및 관찰된 주위 잡음에 대하여 최적화된다.
도 3에서는 트랜시버(36)가 사일로(50)의 천장(52)에 배치된 것이 도시되어 있지만, 트랜시버(36)는 상부면(55) 위의 임의의 편리한 위치에, 예를 들면 사일로(50)의 벽에 배치될 수도 있다.
원칙적으로, 임의의 비동일선상에 있는 수신기(14)의 어레이로부터의 신호의 적절한 조작에 의해 빔포머(30)가 상부면(55)을 스캔할 수 있기 때문에, 하나의 트랜시버(36)만을 송신기(12)로서 사용해도 상부면(55)을 매핑하기에 충분하다. 그러나, 중복도(redundancy)를 위해서는, 모든 트랜시버(36)를 교대로 송신기(12)로서 사용하여 측정하는 것이 바람직하다.
본 발명이 한정된 수의 실시예에 대하여 기술하고 있지만, 본 발명의 다양한 변경, 변형 및 다른 적용이 취해질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (26)

  1. 저장고(bin)의 내용물의 높이를 측정하는 시스템으로서,
    (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 적어도 하나의 송신기,
    (b) 상기 펄스의 에코를 수신하는 비동일선상의 적어도 3개의 수신기―각각의 수신기는 상기 에코에 따라 개별 신호를 생성함―로 이루어진 어레이, 및
    (c) 상기 신호를 상기 어레이로부터 상기 상부면까지의 적어도 하나의 측정 거리로 함께 변환하는 처리 장치를 포함하고,
    상기 처리 장치는,
    (i) 각각의 상기 수신기에 대하여, 상기 펄스의 파형을 상기 개별 신호에 상관시켜 상관 신호를 생성하는 상관기(correlator)와,
    (ii) 상기 상부면으로부터 상기 어레이까지의 상기 상관 신호의 적어도 하나의 도달 방향을 연산하는 빔포머(beamformer)를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 각각의 상기 도달 방향에 대하여 상응하는 상기 측정 거리를 연산하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    (d) 상기 저장고의 내부 온도를 측정하는 온도계를 더 포함하고,
    상기 처리 장치는 상기 신호의 상기 적어도 하나의 측정 거리로의 상기 변환을 상기 측정된 내부 온도에 의거하여 행하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신기는 송신기로서도 기능하는 음향 트랜시버인 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 트랜시버들 사이에 보정 펄스를 송신함으로써 상기 트랜시버를 보정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 음향 트랜시버는 상기 펄스를 동시에 송신하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 음향 트랜시버는 상기 펄스를 순차적으로 송신하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 신호를 복수의 상기 측정 거리로 변환하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 측정 거리를 상기 내용물의 양의 추정치로 변환하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    (d) 상기 신호의 상기 적어도 하나의 측정 거리로의 상기 처리 장치에 의한 변환에 대하여 상기 신호가 적합해질 때까지, 상기 신호에 따라 상기 펄스의 형상을 조절하면서, 상기 적어도 하나의 송신기를 사용하여 상기 펄스를 반복적으로 송신하도록 동작하는 펄스 정형기 및 리피터(pulse shaper and repeater)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 펄스 정형기 및 리피터는 상기 펄스의 길이 및 상기 펄스의 주파수로 구성되는 그룹으로부터 선택된 상기 형상의 파라미터를 조절함으로써 상기 펄스의 상기 형상을 조절하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔포머는 상기 펄스의 밴드폭과 관련된 공통의 지속시간을 갖는 복수의 시간 절편(time slice) 각각에서 상기 적어도 하나의 도달 방향을 독립적으로 연산하는 것을 특징으로 하는 측정 시스템.
  13. 저장고의 내용물의 높이를 측정하는 방법으로서,
    (a) 음향 에너지의 펄스를 내용물의 상부면을 향하여 송신하는 단계,
    (b) 상기 펄스의 에코를 비동일선상의 적어도 3개의 수신기―각각의 수신기는 상기 에코에 따라 개별 신호를 생성함―로 이루어진 어레이를 이용하여 수신하는 단계, 및
    (c) 상기 신호를 상기 어레이로부터 상기 상부면까지의 적어도 하나의 측정 거리로 변환하는 단계를 포함하고,
    상기 변환 단계는,
    (i) 각각의 상기 수신기에 대하여, 상기 펄스의 파형을 상기 개별 신호에 상관시켜 상관 신호를 생성하는 단계와,
    (ii) 상기 상부면으로부터 상기 어레이까지의 상기 상관 신호의 적어도 하나의 도달 방향을 연산하는 단계와,
    (iii) 상기 도달 방향 각각에 대하여 상응하는 상기 측정 거리를 연산하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서,
    (d) 상기 저장고의 내부 온도를 측정하는 단계를 더 포함하고,
    상기 신호의 상기 적어도 하나의 측정 거리로의 변환 단계는 상기 측정된 내부 온도에 의거하여 수행되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 신호는 복수의 상기 측정 거리로 변환되고,
    상기 방법은,
    (d) 상기 측정 거리를 상기 내용물의 양의 추정치로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  16. 제 13 항에 있어서,
    (d) 상기 신호의 상기 적어도 하나의 측정 거리로의 상기 변환에 대하여 상기 신호가 적합해질 때까지, 상기 신호에 따라 상기 펄스의 형상을 조절하면서 상기 펄스의 송신을 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 펄스를 송신하는데 사용되는 트랜시버인 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 트랜시버는 상기 펄스를 동시에 송신하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 트랜시버는 상기 펄스를 순차적으로 송신하는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 도달 방향은 상기 펄스의 밴드폭에 관련된 공통의 지속시간을 갖는 복수의 시간 절편 각각에서 독립적으로 연산되는 것을 특징으로 하는 측정 방법.
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