KR101110070B1 - 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템에 관한 것으로, 파이프라인에 설치되어 파이프라인의 진동을 생성하는 진동발생기(11)와, 파이프라인의 진동을 측정하는 다수의 진동감지 센서모듈(12)과, 음파를 생성하는 음향발생기(13) 및, 파이프라인 내벽에 설치되어 파이프라인의 내부 음향을 측정하는 음향감지 센서모듈(14)로 이루어지는 감지 데이터 수집부(10)와; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 분석하여 파이프의 내벽 상태를 모니터링하는 모니터링부(20) 및; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 위급사항을 경보하고 파이프라인 내부의 침전과 감육정보를 안전관리자 또는 관리자에게 통지하며 시설물을 통제 및 제어하는 중앙감시서버(30)로 구성되어 배관에 음파를 발생시켜 반사된 음파의 파장을 비교 분석함으로써 배관 내에 유체가 흐르는 경우에도 인체오염과 같은 위험요소나 발전소의 가동 중단없이 짧은 시간에 간단하게 파이프라인의 두께 및 퇴적물을 정확하게 측정하여 배관의 교체시기를 알아낼 수 있고, 음향센서 채용하여 배관 내 퇴적물을 정확하게 측정할 수 있으므로 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 각별한 장점이 있는 유용한 발명이다.

센서 네트워크, 파이프라인, 모니터링 시스템, 퇴적물, 가진파.

Description

센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템{Monitoring system of pipeline inner wall using sensor networks}

본 발명은 파이프라인 내벽을 모니터링하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 센서 네트워크 기술을 기반으로 음향센서와 진동센서를 이용하여 파이프라인 내부의 침전물 유무를 측정하고, 파이프라인에 특정 주파수인 가진파를 발생시켜 가진파의 전파속도를 측정한 결과값을 관계식에 대입하여 두께를 예측함과 더불어 진동센서에서 수신한 주파수를 비교 분석함으로써 파이프라인 내 존재하는 침전물을 정확하게 측정할 수 있는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템에 관한 것이다.

종래의 배관 내 침전물을 측정하는 기술로는 방사선을 이용하는 방법이 알려져 있다. 방사선을 이용하는 방법은 배관에 방사선을 조사하고 이를 이미지로 획득하는데, 이를 위해서는 고가의 대형장비가 필요하고 측정자가 방사선에 노출된다고 하는 결점이 있다.

또한 전자기력을 이용하여 배관 내 침전물을 측정하는 종래의 방법은 배관의 주위에 전기를 인가하여 발생하는 전자기를 검출하여 배관 내의 퇴적물을 측정한 다. 이와 같은 종래의 전자기력을 이용한 방법은 배관이 도체인 금속으로 이루어진 경우 전자기의 누설이 발생하여 정확하게 퇴적물을 측정할 수 없는 문제점이 있다.

이외에도 종래의 배관의 두께를 검사하는 방법으로 초음파를 이용하는 방법은 현재까지 가장 보편적으로 사용되는 방법이다. 초음파에 의해 배관의 두께를 측정하는 경우 파이프라인에 격자를 나눈 후 각 점에 대해 두께를 측정해야 하기 때문에 두께를 검사하는데 시간이 오래 걸린다는 문제점이 있다.

이러한 종래의 배관 검사장치는 가동 중에 두께 측정이 어렵다는 문제점이 있을 뿐만 아니라 파이프라인을 통해 유체가 이동하는 경우 신호대 잡음비가 저하되기 때문에 파이프라인 두께검사의 정확도가 현저히 떨어지는 문제점이 발생한다.

더구나 초음파 측정방법은 신호의 감쇄가 커서 초음파의 발생지점 부근에서만 측정이 가능하다고 하는 문제점이 있고, 이외에도 배관의 내부를 검사하는 측정하는 종래의 방법들은 시스템 자체가 복잡하여 실제 적용하기에는 많은 어려움이 존재하였다.

한편 유비쿼터스 컴퓨팅의 중요한 인프라 중 하나로 센서 네트워크를 들 수 있으며, 센서 네트워크는 "정보수집(sensing), 처리(processing), 무선통신(wirele ss communication)의 기능을 가진 센서노드들로 구성된 무선 네트워크"로 정의된다. 센서 네트워크는 여러 개의 센서노드가 싱크노드를 통해 외부 네트워크에 연결되는 구조를 갖는다. 센서노드는 주변 상황을 센싱하여 싱크노드로 전송하며, 싱크 노드에서 원격 관리자에게 전달되는 데이터는 유무선 인터넷 등을 통해 전송된다. 즉, 관측이 필요로 하는 곳에 센서 노드들을 배치하고, 배치된 센서노드들을 통해 주변의 상황을 지속적으로 관찰할 수 있다. 센서노드는 주변의 상황을 지속적으로 모니터링하여 데이터를 서버에 전달하고, 서버에 전달된 데이터는 분석 및 가공 처리되어 필요한 정보로 가공된다. 센서노드와 싱크노드들 사이에서는 무선으로 통신되고, 게이트웨이를 통해 백본망과 연결되어 필요한 정보를 제공하여 관심지역을 지속적으로 모니터링한다.

본 발명의 발명자 들은 거듭된 연구의 결과로 상기한 모니터링 기술을 파이프라인의 내벽을 감시하는데 채용할 수 있었다.

본 발명은 상기한 실정을 감안하여 종래 배관 감시장치에서 야기되는 여러 가지 결점 및 문제점들을 해결하고자 발명한 것으로서, 그 목적은 배관에 음파를 발생시켜 반사된 음파의 파장을 비교 분석함으로써 배관 내에 유체가 흐르는 경우에도 인체오염과 같은 위험요소나 발전소의 가동 중단없이 짧은 시간에 간단하게 파이프라인의 두께 및 퇴적물을 정확하게 측정하여 배관의 교체시기를 알아낼 수 있는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 진동센서 외에 음파를 발생시켜 음파의 파장을 비교 분석하는 음향센서 채용하여 배관 내 퇴적물을 정확하게 측정할 수 있으므로 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템은 파이프라인에 설치되어 파이프라인의 진동을 생성하는 진동발생기와, 파이프라인의 진동을 측정하는 다수의 진동감지 센서모듈과, 음파를 생성하는 음향발생기 및, 파이프라인 내벽에 설치되어 파이프라인의 내부 음향을 측정하는 음향감지 센서모듈로 이루어지는 감지 데이터 수집부와; 상기 감지 데이터 수집부의 감지 데이터를 전송받아 분석하여 파이프의 내벽 상태를 모니터링하는 모니터링부 및; 상기 감지 데이터 수집부의 감지 데이터를 전송받아 위급사항을 경 보하고 파이프라인 내부의 침전과 감육정보를 안전관리자 또는 관리자에게 통지하며 시설물을 통제 및 제어하는 중앙감시서버로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 배관에 음파를 발생시켜 반사된 음파의 파장을 비교 분석함으로써 배관 내에 유체가 흐르는 경우에도 인체오염과 같은 위험요소나 발전소의 가동 중단없이 짧은 시간에 간단하게 파이프라인의 두께 및 퇴적물을 정확하게 측정하여 배관의 교체시기를 알아낼 수 있고, 진동센서 외에 음파를 발생시켜 음파의 파장을 비교 분석하는 음향센서 채용하여 배관 내 퇴적물을 정확하게 측정할 수 있으므로 측정의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 각별한 장점이 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템의 구성도, 도 2a는 본 발명에 채용되는 진동감시 센서모듈의 사진, 도 2b는 본 발명에 채용되는 음향감지 센서모듈의 사진으로서, 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템은 파이프라인에 설치되어 파이프라인의 진동을 생성하는 진동발생기(11)와, 파이프라인의 진동을 측정하는 다수의 진동감지 센서모듈(12)과, 음파를 생성하는 음향발생기(13) 및, 파이프라인 내벽에 설치되어 파이프라인의 내부 음향을 측정하는 음향감지 센서모듈(14)로 이루어지는 감지 데이터 수집부(10)와; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 분석하여 파이프의 내벽 상태를 모니터링하는 모니터링부(20) 및; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 위급사항을 경보하고 파이프라인 내부의 침전과 감육정보를 안전관리자 또는 관리자에게 통지하며 시설물을 통제 및 제어하는 중앙감시서버(30)로 구성되어 있다.

여기서 상기 침전과 감육정보는 감육의 위치를 포함하고 상기 중앙감시서버(30)는 상기 누수정보를 안전관리자 또는 관리자의 이동통신 단말기에 SMS 방식을 이용하여 전송하게 된다.

상기 진동감지 센서모듈(12)과 음향감지 센서모듈(14)은 다수의 센서 노드에서 측정된 데이터를 전송하기 위한 지그비 통신모듈로 이루어진다.

여기서 지그비 통신모듈은 진동감지 센서모듈(12)과 음향감지 센서모듈(14)의 감지 데이터 전송 순서를 결정하게 된다.

또한 상기 음향감지 센서모듈(14)은 기전파를 송출하고 파이프라인 내의 침전물 또는 내벽에서 반사된 파형을 수집하는 센서모듈이고, 상기 감지 데이터 수집부(10)로부터 모니터링부(20)로의 감지 데이터의 전송 및 감지 데이터 수집부(10)로부터 중앙감시서버(30)로의 감지 데이터의 전송은 게이트웨이 싱크노드에 의해 유선 또는 무선 네트워크로 이루어지고, 상기 모니터링부(20)와 중앙감시서버(30) 각각에는 전송받은 감지 데이터를 저장하는 데이터베이스가 구비되어 있다.

상기 게이트웨이 싱크노드는 설정된 라우팅을 통해 다수의 센서노드로부터 받은 감지 데이터를 모니터링부(20)와 중앙감시서버(30)로 전송하게 된다.

다음에는 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템의 구성로서, 도 1에 도시한 바와 같이 파이프 내의 침전 및 감육을 감지하기 위해 진동발생기(11)와 다수의 진동감지 센서모듈(12), 음향발생기(13) 및 음향감지 센서모듈(14)을 파이프라인의 다양한 곳에 장착한 후 파이프라인의 진동 및 음향 신호를 감지하게 된다.

또한 파이프라인에 설치한 2개의 진동감지 센서모듈(12)을 이용하여 진동 전파속도를 측정한 후 그 결과 값을 두께예측 계산식에 대입하여 두께를 예측하게 된다.

여기서 파이프라인의 진동측정을 위해 임의의 충격을 헤머 대신 특정 주파수를 발산하는 가진기 및 진동발생기(11)를 설치한다. 또한 상기 모니터링부(20)는 파이프라인의 경로를 따라 전달된 진동파의 파형을 검출하고, 전달된 진동파의 신호는 퇴적물이 존재하는 위치를 통과하는 경로의 길이가 서로 상이하므로 그 파형이 서로 상이하게 된다. 즉, 퇴적물에 의해 전달되는 진동파의 일부가 흡수되므로 퇴적물이 존재하는 위치를 통과하는 경로의 길이가 서로 다르게 되면, 검출되는 진동파의 진폭, 진동수가 서로 상이하게 되며, 이에 따라 진동파가 도달하는 시간도 서로 상이하게 된다. 상기 중앙감시서버(30)는 이러한 두 개의 진동파를 각각 검출하게 된다.

더구나 신뢰성 높은 퇴적물 감지를 위해 파이프라인 내부에 설치한 음향발생기(13)를 통해 주기적으로 음향신호를 방출하고 방출파 및 반사음향 신호를 비교 분석하여 파이프라인 내 침전물을 감지하게 된다.

또한 상기 모니터링부(20)는 파이프라인의 경로를 따라 전달된 진동파의 파형을 검출하고, 전달된 진동파의 신호는 퇴적물이 존재하는 위치를 통과하는 경로의 길이가 서로 상이하므로 그 파형이 서로 상이하게 된다. 즉, 퇴적물에 의해 전달되는 진동파의 일부가 흡수되므로 퇴적물이 존재하는 위치를 통과하는 경로의 길이가 서로 다르게 되면, 검출되는 진동파의 진폭, 진동수가 서로 상이하게 되며, 이에 따라 진동파가 도달하는 시간도 서로 상이하게 된다. 상기 중앙감시서버(30)는 이러한 두 개의 진동파를 각각 검출하게 된다.

본 발명에 따른 구조물 즉, 파이프라인의 두께감소 감시방법은 대상 구조물인 파이프라인에 진동발생기(11)로 충격파를 가하여 진동파를 발생시키는 단계, 상기 대상 구조물의 표면에서 상기 진동파의 진행방향을 따라 일정 간격을 가진 두 지점에서의 상기 진동파의 신호를 진동감지 센서모듈(12)로 측정하는 단계, 측정된 진동파의 신호를 인가받아 두 지점 사이의 진동파 지연시간에 기초한 군속도(group velocity)를 산출하는 단계 및 산출된 군속도와 기 설정된 기준 군속도와 비교하여 상기 두 지점 사이에서 대상 구조물의 두께감소를 감시하는 단계를 포함하여 이루어져 있다.

음파를 이용한 파이프라인의 퇴적 모니터링은 매질 속을 전파하는 음파 탄성파가 매질에 따라서 진동수가 다르고 이에 따라 파장 또한 다르다. 그에 따라 배관 내 퇴적물이 쌓여 있는 부분과, 그렇지 않은 부분의 울리는 진동수는 다르고, 따라서 각각의 위치에서 음파를 보내서 진동수에 대응하는 파장을 측정하여 기록한 다음 측정된 파장을 비교 분석하는 것이다.

배관 내부에 퇴적물이 쌓이게 되면 퇴적물이 흡음재 역할을 수행하여 충격파의 진동수와 진폭이 일반적으로 낮아지게 된다.

상기 파이프라인의 구조는 직선부분, 곡선부분 급확대관 부분 등 다양한 형태로 구성되어 있다. 유체 나 가스가 이러한 곳을 지나칠 때 퇴적물이 쌓이거나 파이프라인 내부 표면이 얇아지는 감육현상이 발생하게 되는데, 이러한 퇴적물과 감육상태를 측정하기 위해 도 2a 및 도 2b에 나타낸 진동감지 센서모듈(12)과 음향감지 센서모듈(14)을 파이프라인에 부착하여 파이프라인 내 발생하는 침전물과 감육을 주기적으로 측정 비교함으로써 배관의 상태를 신속하게 감지할 수 있게 된다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 발명의 요지를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템의 구성도,

도 2a는 본 발명에 채용되는 진동감시 센서모듈의 사진,

도 2b는 본 발명에 채용되는 음향감지 센서모듈의 사진이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 보호의 설명〉

10 : 감지 데이터 수집부 11 : 진동발생기

12 : 진동감지 센서모듈 13 : 음향발생기

14 : 음향감지 센서모듈 20 : 모니터링부

30 : 중앙감시서버

Claims (6)

1. 파이프라인에 설치되어 파이프라인의 진동을 생성하는 진동발생기(11)와, 다수의 센서 노드에서 측정된 데이터를 전송하기 위한 지그비 통신모듈로 이루어져 파이프라인의 진동을 측정하는 다수의 진동감지 센서모듈(12)과, 음파를 생성하는 음향발생기(13) 및, 다수의 센서 노드에서 측정된 데이터를 전송하기 위한 지그비 통신모듈로 이루어져 파이프라인 내벽에 설치되어 파이프라인의 내부 음향을 측정하는 음향감지 센서모듈(14)로 이루어지는 감지 데이터 수집부(10)와; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 분석하여 파이프의 내벽 상태를 모니터링하는 모니터링부(20) 및; 상기 감지 데이터 수집부(10)의 감지 데이터를 전송받아 위급사항을 경보하고 파이프라인 내부의 침전과 감육위치 정보를 안전관리자 또는 관리자에게 통지하며 시설물을 통제 및 제어하는 중앙감시서버(30)로 구성된 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템에 있어서;

   상기 지그비 통신모듈은 진동감지 센서모듈(12)과 음향감지 센서모듈(14)의 감지 데이터 전송 순서를 결정하고;

   상기 음향감지 센서모듈(14)은 기전파를 송출하고 파이프라인 내의 침전물 또는 내벽에서 반사된 파형을 수집하는 센서모듈이고, 상기 감지 데이터 수집부(10)로부터 모니터링부(20)로의 감지 데이터의 전송 및 감지 데이터 수집부(10)로부터 중앙감시서버(30)로의 감지 데이터의 전송은 게이트웨이 싱크노드에 의해 유선 또는 무선 네트워크로 이루어지고, 상기 모니터링부(20)와 중앙감시서버(30) 각각에는 전송받은 감지 데이터를 저장하는 데이터베이스가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서, 상기 게이트웨이 싱크노드는 설정된 라우팅을 통해 다수의 센서노드로부터 받은 감지 데이터를 모니터링부(20)와 중앙감시서버(30)로 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템.
6. 제 1항에 있어서, 상기 침전과 감육위치 정보는 감육의 위치를 포함하고 상기 중앙감시서버(30)는 누수정보를 안전관리자 또는 관리자의 이동통신 단말기에 SMS 방식을 이용하여 전송하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크를 이용한 파이프라인 내벽 모니터링 시스템.

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