KR101533539B1 - 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치 - Google Patents

파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법은, 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을, 공명 산란 이론을 이용하여 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 음속의 함수로서 산출하는 (a) 단계; 상기 표적 파이프체의 후방 산란 음파 신호를 측정하여 상기 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b) 단계; 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 음향 공명의 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾는 (c) 단계; 및 상기 (c) 단계에서 찾아진 최다 중첩 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체 내의 유체 물질로 판정하는 (d) 단계;를 포함한다.

Description

파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR REMOTELY IDENDIFYIING FLUID MATERIALS IN PIPE OBJECT}
본 발명은 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 특정적으로는, 표적 파이프체에 대해 음향 공명 산란 이론을 이용하여 이론적인 음향 공명 스펙트로그램을 파이프체 내의 유체 물질 음속의 함수로서 산출하고 상기 표적 파이프체에 대해 음향 공명 스펙트럼을 산출한 후 양자를 비교함으로써 표적 파이프체 내의 유체 물질을 원격 식별하는, 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
해저에 설치되는 기뢰나 어뢰, 또는 해저 또는 지하에 설치되는 각종 배관은 길다란 파이프 형태를 갖는 경우가 많다. 일반적으로 이러한 파이프 형태의 물체(이하 파이프체) 안에는 저마다 특정 유체 물질이 채워져 있다.
기존에도 파이프체 내에 수용된 유체 물질을 음파를 이용하여 식별하기 위한 다양한 방법들이 제안된 바 있다.
미국등록특허 제4145917호는 용기에 담긴 유체의 특성을 파악하기 위하여 용기 벽에 부착한 음파변환기로 초음파 펄스를 입사시켜 그 응답 특성을 측정하는 방법을 제안한다. 하지만 이 특허에서 사용된 방식은 유체가 담긴 용기 내부의 크기가 파장에 비해서 상당히 큰 경우에만 적용되는 한계가 있다.
한편, 한국공개특허 제10-2013-0102580호는 파이프의 외표면에 부착된 센서 요소를 이용하는 비침투적 측정 방안을 제안하고 있는데, 이는 파이프의 외표면과 초음파로 연통되는 초음파변환기 쌍을 이용하여 얻은 투과파의 주파수 스펙트럼 상의 임의의 두 인접한 공명 피크 간의 간격으로부터 유체의 음속을 판정함으로써 파이프를 통해 유동하는 유체의 조성을 결정하는 방법을 포함하고 있다. 그리고, 이와 유사한 방안으로서, 한국공개특허 제10-2014-0020226호의 경우 임의의 두 인접한 공명 피크 간의 간격으로부터 액체의 음속을 판정하는 방식으로 파이프 안의 유체(오일/물)의 조성을 결정하는 방법을 제안한다.
하지만, 한국공개특허 제10-2013-0102580호 및 한국공개특허 제10-2014-0020226호에서 제안된 방안들의 경우, 횡파의 영향이 큰 경우에는 주파수 스펙트럼이 두 인접한 공명 피크 간의 주파수 차가 일정한 양상으로 나타나지 않을 수 있기 때문에 일반적인 파이프 형태에 대해 널리 사용될 수 없는 한계가 있다.
미국등록특허 제4145917호 한국공개특허 제10-2013-0102580호 한국공개특허 제10-2014-0020226호
본 발명은 파이프체의 크기나 종류에 상관 없이 그 내부에 수용된 유체 물질을 원격으로 식별할 수 있는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을, 공명 산란 이론을 이용하여 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 음속의 함수로서 산출하는 (a) 단계; 상기 표적 파이프체의 후방 산란 음파 신호를 측정하여 상기 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b) 단계; 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 음향 공명의 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾는 (c) 단계; 및 상기 (c) 단계에서 찾아진 최다 중첩 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 (d) 단계;를 포함하는, 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법을 제공한다.
상기 (a) 단계에서 상기 음향 공명 스펙트로그램은 상기 공명 산란 이론으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출될 수 있다.
상기 표적 파이프체가 원통 파이프체인 경우 상기 공명 성분 산란 형태함수로서 하기의 수학식이 적용될 수 있다.
Figure 112014122700887-pat00001
상기의 수학식에서 k는 원통 파이프체의 외부 유체 매질에서의 파수이고, a는 원통 파이프체의 외부 반경이며, εn은 노이만 인수(Neumann factor)이며
Figure 112014122700887-pat00002
는 하기의 수학식에 의해 정의된다.
Figure 112014122700887-pat00003
상기 (b) 단계는, 상기 표적 파이프체에 평면 음파를 입사하여 상기 표적 파이프체로부터 방출되는 후방 산란 음파 신호를 측정하는 (b1) 단계; 및 상기 (b1) 단계에서 측정된 후방 산란 음파 신호로부터 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b2) 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (b2) 단계는, 상기 측정된 후방 산란 음파 신호에서 경면 반향(specular echo)을 배제하고 탄성 반향(elastic echo)에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 단계일 수 있다.
상기 (b2) 단계는 MIIR(Method of Isolation and Identification of Resonance) 기법을 사용하여 수행될 수 있다.
상기 (a) 단계는 상기 (b) 단계가 수행되기 이전 또는 이후에 수행될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 또한, 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기; 상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및 상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하는, 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치를 제공한다.
상기 마이크로프로세서는 상기 음향 공명 스펙트럼을 산출할 때 상기 후방 산란 음파 신호에서 경면 반향(specular echo)을 배제하고 탄성 반향(elastic echo)에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 것일 수 있다.
상기 장치는, 상기 신호발생기에 의해 발생된 전기적 음파 신호를 증폭시킨 후 상기 음파 변환기에 출력하는 파워증폭기; 및 상기 음파변환기에 의해 수신된 후방 산란 음파 신호를 증폭시킨 후 상기 마이크로프로세서로 출력하는 전치증폭기;를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는, 상기 마이크로프로세서에 의해 산출된 음향 공명 스펙트로그램과 음향 공명 스펙트럼을 저장하며 상기 마이크로프로세서에 유체 물질들의 고유 음속 데이타를 제공하는 메모리를 더 포함할 수 있다.
상기 장치는, 상기 마이크로프로세서에 의해 산출된 음향 공명 스펙트로그램과 음향 공명 스펙트럼을 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 표적 파이프체에 평면 음파를 입사하여 그 표적 파이프체로부터 후방 산란되는 음파 신호를 측정하여 산출되는 음향 공명 스펙트럼을, 그 이전 또는 이후에 표적 파이프체에 대해 음속의 함수로서 이론적으로 산출된 음향 공명 스펙트럼과 비교함으로써, 표적 파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별할 수 있다.
이에 따르면, 표적 파이프체에 평면 음파를 입사하여 후방 산란 음파를 측정하는 것 이외의 다른 측정 과정이 필요하지 않으므로, 종래 기술과 비교하여 보다 간단하게 파이프체 내부 유체 물질을 식별할 수 있으며, 또한 파이프체의 크기나 종류에 제한받지 않고 폭넓게 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프체 내부의 유체 물질을 원격 식별하는 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프체 내부의 유체 물질을 원격 식별하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 파이프체에 음파를 송신하여 후방 산란 음파를 수신하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 평면파 입사에 따라 파이프체로부터 산란 음파가 방출되는 모습을 나타낸 개략도이다.
도 5는 공명 산란 이론을 이용하여 음속(파이프체 내부 유체 물질의 음속)의 함수로서 산출된 음향 공명 스펙트로그램의 일 예를 나타낸다.
도 6a는 원통 파이프체에 대한 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출되는 스펙트럼 변화를 내부 유체 물질의 밀도에 따라 나타낸 것이다.
도 6b는 전술한 원통 파이프체에 대한 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출되는 스펙트럼 변화를 내부 유체 물질의 음속에 따라 나타낸 것이다.
도 7a는 표적 파이프체의 후방 산란 음파를 측정하여 그것의 시간에 따른 변화를 나타낸 그래프의 일 예이다.
도 7b는 도 7a의 후방 산란 음파에서 경면 반향(specular echo)은 배제하고 탄성 반향(elastic echo) 부분에 대해 그것의 정규화주파수에 따른 진폭 변화를 나타낸 음향 공명 스펙트럼이다.
도 8은 표적 파이프에 대해 이론적으로 산출된 음향 공명 스펙트로그램과 측정을 통해 산출된 음향 공명 스펙트럼을 비교하는 과정을 설명하는 도면이다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 파이프체 내의 유체 물질을 원격 식별하는 장치 및 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프체 내부의 유체 물질을 원격 식별하는 장치를 개략적으로 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 원격 식별 장치(100)에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
도 1의 원격 식별 장치(100)는 해저나 지하에 배치된 표적 파이프체 내의 유체 물질을 식별하기 위한 장치로서, 표적 파이프체 내의 유체 물질을 식별함으로써 표적 파이프체가 어떤 것인지 탐지해낼 수 있다. 예를 들어, 원격 식별 장치(100)는 가스 또는 기름을 수송하는 해저 배관이나 해저에 설치된 침저 기뢰(bottom mine)를 탐지하는 데 사용될 수 있다.
원격 식별 장치(100)는 장치 본체(110)와 음파 변환기(150)를 포함하며, 일 실시예에 따라, 장치 본체(110)는, 입력부(111), 마이크로프로세서(113), 메모리(115), 디스플레이부(117), 신호발생기(121), 및 신호증폭부(123)를 포함할 수 있다.
여기서, 신호발생기(121)는 표적 파이프체의 원격 탐지에 사용될 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 구성이다. 사용자가 입력부(111)를 통해 발생시키고자 하는 음파 신호의 특성(크기, 시간 등)을 입력하면, 마이크로프로세서(113)의 음파 신호 발생과 관련된 제어 신호를 출력하게 되고, 이 제어 신호에 따라 신호발생기(121)가 사용자 입력에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키게 된다.
신호발생기(121)가 발생시킨 전기적인 형태의 신호는 신호증폭부(123) 내의 파워증폭기(123a)에 의해 증폭된 후 음파변환기(150)에 의해 평면 음파로 변환된다. 이러한 평면 음파는 표적 파이프체의 축에 수직한 방향으로 표적 파이프체를 향해 송출된다. 표적 파이프체에 이러한 평면 음파를 입사하면, 그 표적 파이프체로부터 산란 음파가 사방으로 방출된다. 음파변환기(150)는 사방으로 방출되는 산란 음파 중에서 음파변환기(150) 쪽으로 산란된 음파(이하, 후방 산란 음파)를 수신하여 전기적인 형태의 신호로 변환한다. 음파변환기(150)에 의해 전기적인 형태의 신호로 변환된 후방 산란 음파는 전치증폭기(123b)에 의해 증폭된 후 마이크로프로세서(113)에 입력된다.
마이크로프로세서(113)는 전치증폭기(123b)로부터 입력된 후방 산란 음파를 이용하여 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼(spectrum)을 산출한다. 이때, 산출된 음향 공명 스펙트럼은 메모리(115)에 저장될 수 있다. 여기서, 음향 공명 스펙트럼은 표적 파이프체로 입사된 평면 음파에 의해 표적 파이프체가 공명함으로써 발생된 음향 스펙트럼을 의미한다.
또한, 마이크로프로세서(113)는 공명 산란 이론(Resonance Scattering Theory, RST)으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트로그램(spectrogram)을 산출한다. 여기서, 공명 산란 이론(RST)은 파이프체의 산란 형태함수가 공명 성분과 비공명 성분으로 나눠진다는 사실에 기초하여, 산란 음압장으로부터 공명 성분을 수학적으로 구별해 내는 이론을 말한다. 마이크로프로세서(113)는 이러한 공명 산란 이론으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 사용하여 표적 파이프에 대한 음향 공명 스펙트로그램을 산출할 수 있다.
상술한 음향 공명 스펙트로그램은 마이크로프로세서(113)에 의해 산출된 후 장치 본체(110) 내의 메모리(115)이 저장될 수 있고, 또한 디스플레이부(117)를 통해 그래프 등의 형식으로 표시될 수도 있다.
마이크로프로세서(113)는 또한, 표적 파이프체에 대해 산출된 음향 공명 스펙트럼(spectrum)과 음향 공명 스펙트로그램(spectrogram)을 비교하여 표적 파이프체 내부의 유체 물질의 음속을 산출하고, 그 산출된 음속에 기초하여 표적 파이프체의 내부 유체 물질을 판정(식별)하는 것을 수행할 수 있다.
상술한 원격 식별 장치(100)를 이용하여 파이프체 내의 유체 물질을 원격 식별하는 방법에 대해 도 2 내지 4를 참조하여 좀 더 구체적으로 설명한다.
여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 파이프체 내부의 유체 물질을 원격 식별하는 방법을 순차적으로 나타낸 흐름도이고, 도 3은 원통 파이프체에 음파를 송신하여 후방 산란 음파를 수신하는 과정을 설명하기 위한 개략도이며, 도 4는 평면파 입사에 따라 파이프체로부터 산란 음파가 방출되는 모습을 나타낸 개략도이다.
1) 음향 공명 스펙트로그램 산출( S10 ) :
먼저, 공명 산란 이론(Resonance Scattering Theory, RST)으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트로그램(spectrogram)을 산출한다. 이러한 음향 공명 스펙트로그램을 산출하는 데 사용되는 공명 성분 산란 형태함수의 일 예로서 원통 파이프체의 경우에는 하기의 수학식이 적용될 수 있으며, 음향 공명 스펙트로그램 산출 작업은 마이크로프로세서(113)에 의해 수행될 수 있다.
Figure 112014122700887-pat00004
상기의 수학식에서 k는 원통 파이프체의 외부 유체 매질에서의 파수이고, a는 원통 파이프체의 외부 반경이며, εn은 노이만 인수(Neumann factor)이며
Figure 112014122700887-pat00005
는 하기의 수학식에 의해 정의된다.
Figure 112014122700887-pat00006
도 5는 공명 산란 이론을 이용하여 '음속(파이프체 내부 유체 물질의 음속)'의 함수로서 산출된 음향 공명 스펙트로그램의 예를 나타낸다. 이러한 음향 공명 스펙트로그램은 표적 파이프체의 형상을 모델링하여 전술한 원통 파이프체에 대한 공명 성분 산란 형태함수로부터 수학적으로 산출된 것이다. 도 5에서 밝게 나타나는 지점들은 높은 진폭의 음파가 나타나는 영역을 밝게 나타내는 과정을 통해 '음향 공명 피크'가 나타나는 이론적 위치들이 표시된 것이고, 어두운 지점들은 낮은 진폭의 음파가 나타나는 영역을 어둡게 나타내는 과정을 통해 '음향 공명 피크'가 나타나지 않는 이론적 위치들이 표시된 것이다. 이와 같이 산출된 음향 공명 스펙트로그램은 메모리(115)에 저장되어 사용될 수 있으며, 필요 시 디스플레이(117)를 통해 도 5와 같은 이미지 형태로 표시될 수 있다.
도 6a는 전술한 원통 파이프체에 대한 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출되는 스펙트럼의 변화를 파이프체 내의 유체 물질의 음속은 고정시킨 채 그 유체 물질의 밀도에 따라 나타낸 것이고, 도 6b는 전술한 원통 파이프체에 대한 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출되는 스펙트럼의 변화를 파이프체 내의 유체 물질의 밀도는 고정시킨 채 그 유체 물질의 음속에 따라 나타낸 것이다. 도 6a의 경우 밀도 변화에 따라 스펙트럼의 피크 위치가 달라지지 않지만, 도 6b의 경우 음속 변화에 따라 스펙트럼의 피크 위치가 크게 달라짐을 알 수 있다.
이처럼 파이프체 내의 유체 물질의 음속 변화에 따라 후방 산란 공명 스펙트럼의 피크 위치가 달라진다는 사실은, 후방 산란 공명 스펙트럼으로부터 내부 유체 물질의 음속을 추정할 수 있음을 시사한다. 본 발명에서 음속의 함수로서 음향 공명 스펙트로그램을 산출하는 이유가 바로 여기에 있다. 어떤 유체 물질에서의 음속은 물질 고유의 특성이므로, 탐지 대상 물질의 음속이 추정되면 그 물질이 어떤 물질인지를 식별해내는 것이 가능하다.
2) 음향 공명 스펙트럼 측정( S20 ) :
다음으로, 음파변환기를 통해 표적 파이프체에 평면 음파를 송신하고 표적 파이프체로부터 후방 산란되는 음파 신호를 측정하여 음향 공명 스펙트럼을 산출한다.
도 3 및 4는 수중에 있는 표적 파이프체(P)에 대해 후방 산란 음파 신호를 측정하는 예를 개략적으로 도시하고 있다. 이에 도시된 바와 같이, 음파변환기(150)를 통해 수중에 있는 표적 파이프체(P)에 평면 음파를 입사시키면 표적 파이프체(P)는 사방으로 산란 음파를 방출하게 되며, 음파변환기(150)를 통해 그 산란 음파 중에서 후방 산란 음파를 수신할 수 있다. 도 3 및 4에서 'F'는 표적 파이프체(P) 내부에 수용된 유체 물질을 가리킨다.
음파변환기(150)를 통해 측정된 후방 산란 음파신호는 도 7a에 도시된 바와 같은 형태로 나타난다. 도 7a에 표시된 바와 같이, 측정된 후방 산란 음파 신호에는 입사 신호와 매우 유사한 모양과 주파수 성분을 가진 경면 반향(specular echo) 부분, 및 입사 음파에 의해 충격을 받은 표적 파이프체(P)가 공명함으로써 발생된 탄성 반향(elastic echo) 부분이 포함되어 있다.
여기서, 경면 반향(specular echo)은 표적 파이프체(P)의 공명을 통해 발생된 것이 아니고 표적 표면에서 일어나는 순수 반사에 의해 발생된 것이다. 따라서 경면 반향(specular echo)은 내부 유체 물질(F)의 특성과는 아무 상관이 없는 것이어서 내부 유체 물질(F)의 종류를 판정하는 데 이용될 수 없는 부분이다.
따라서, 본 발명에서는 공명 스펙트럼을 산출하는 과정에서 경면 반향(specular echo)은 배제하고 탄성 반향(elastic echo) 부분만을 이용한다. 이러한 공명 스펙트럼 산출 과정은 공지된 MIIR(Method of Isolation and Identification of Resonance) 기법을 통해 수행될 수 있으며, 본 실시예의 경우 마이크로프로세서(113)에 의해 그 산출 과정이 수행될 수 있다.
이러한 MIIR 기법을 이용하여 산출되는 음향 공명 스펙트럼의 예가 도 7b에 도시되어 있다. 도 7b의 음향 공명 스펙트럼은 내부 유체 물질이 물(water)인 경우의 예를 나타내고 있는데, 현 단계(S20)에서 내부 유체 물질의 종류가 무엇인지 알 수는 없다.
3) 공명 스펙트로그램과 공명 스펙트럼을 비교하여 내부 유체의 음속 산출( S30 ) :
다음으로, 이전 단계들에서 산출된 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트로그램(spectrogram)과 음향 공명 스펙트럼(spectrum)을 비교하여 내부 유체 물질의 음속을 산출한다.
도 8은 이러한 음속 산출 과정을 나타내고 있다. 도 8에서 좌측에 배치한 그림은 전술한 도 5에 도시된 음향 공명 스펙트로그램이고, 우측에 배치된 그림은 전술한 도 7b에 도시된 음향 공명 스펙트럼이다. 그리고, 도 7b의 음향 공명 스펙트럼에서 나타나는 피크들의 위치가 도 5의 음향 공명 스펙트로그램 상에 검은색 수평 라인들로 표시되어 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 음향 공명 스펙트로그램(도 8의 좌측 그림)에서 밝게 나타나는 지점들은 '음향 공명 피크'가 나타나는 위치들이 이론적 산출 과정을 통해 표시된 것이고, 어두운 지점들은 음향 공명 피크가 나타나지 않는 위치들이 이론적 산출 과정을 통해 표시된 것이다.
따라서, 음향 공명의 실측 피크치들을 나타내는 검은색 라인들이 음향 공명 스펙트로그램 상의 하얀 지점들과 가장 많이 중첩되어지는 음속을 표적 파이프체 내의 유체 물질의 음속으로 추정할 수 있다. 도 8의 경우 그러한 최다 중첩 음속은 '1482 m/s'로 나타나고 있다. 이 음속값(1482 m/s)이 내부 유체 물질이 갖는 음속으로 추정되는 값에 해당한다.
상술한 음향 공명 스펙트로그램과 음향 공명 스펙트램 간의 비교를 통해 음속을 산출하는 과정 역시 마이크로프로세(113)에 의해 수행될 수 있다.
4) 산출된 음속에 기초하여 내부 유체 물질의 종류 식별( S40 ) :
음속은 물질의 고유 특성에 해당한다. 따라서 어떤 물질의 음속 특성을 알면 그 물질의 종류를 유추할 수 있다. 따라서, 이전 S30 단계에서 내부 유체 물질의 음속이 산출되었으므로, 그 산출된 음속을 가지고 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 종류를 판정할 수 있다.
예로써, 도 8에서와 같이 내부 유체 물질의 음속이 1482 m/s로 산출(추정)된 경우, 이러한 추정값(1482 m/s)에 가장 근접한 고유 음속(1476 m/s)을 갖는 물(water)을 표적 파이프체 내의 유체 물질로 판정(식별)할 수 있다.
본 실시예의 경우 이러한 판정 과정은 마이크로프로세서(113)에 의해 수행될 수 있으며, 예로써 마이크로프로세서(113)는 내부 유체 물질의 추정 음속값을 메모리(115)에 기 저장된 다양한 유체 물질의 음속 데이타와 비교하는 방식으로 그러한 판정 과정을 수행할 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 원격 식별 장치
110 : 장치 본체
111 : 입력부
113 : 마이크로프로세서
115 : 메모리
117 : 디스플레이부
121 : 신호발생기
123 : 신호증폭부
123a : 파워증폭기
123b : 전치증폭기
150 : 음파변환기
P : 표적 파이프체
F : 유체 물질

Claims (12)

  1. 삭제
  2. 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을, 공명 산란 이론을 이용하여 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 음속의 함수로서 산출하는 (a) 단계;
    상기 표적 파이프체의 후방 산란 음파 신호를 측정하여 상기 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b) 단계;
    상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 음향 공명의 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾는 (c) 단계; 및
    상기 (c) 단계에서 찾아진 최다 중첩 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체 내의 유체 물질로 판정하는 (d) 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계에서 상기 음향 공명 스펙트로그램은 상기 공명 산란 이론으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 산출되는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 표적 파이프체가 원통 파이프체인 경우 상기 공명 성분 산란 형태함수로서 하기의 수학식이 적용되며,
    Figure 112014122700887-pat00007

    상기의 수학식에서 k는 원통 파이프체의 외부 유체 매질에서의 파수이고, a는 원통 파이프체의 외부 반경이며, εn은 노이만 인수(Neumann factor)이며
    Figure 112014122700887-pat00008
    는 하기의 수학식에 의해 정의되는,
    Figure 112014122700887-pat00009

    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  4. 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을, 공명 산란 이론을 이용하여 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 음속의 함수로서 산출하는 (a) 단계;
    상기 표적 파이프체의 후방 산란 음파 신호를 측정하여 상기 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b) 단계;
    상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 음향 공명의 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾는 (c) 단계; 및
    상기 (c) 단계에서 찾아진 최다 중첩 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체 내의 유체 물질로 판정하는 (d) 단계;를 포함하며,
    상기 (b) 단계는,
    상기 표적 파이프체에 평면 음파를 입사하여 상기 표적 파이프체로부터 방출되는 후방 산란 음파 신호를 측정하는 (b1) 단계; 및
    상기 (b1) 단계에서 측정된 후방 산란 음파 신호로부터 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b2) 단계;를 포함하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 (b2) 단계는,
    상기 측정된 후방 산란 음파 신호에서 경면 반향(specular echo)을 배제하고 탄성 반향(elastic echo)에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 (b2) 단계는 MIIR(Method of Isolation and Identification of Resonance) 기법을 사용하여 수행되는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  7. 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을, 공명 산란 이론을 이용하여 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질의 음속의 함수로서 산출하는 (a) 단계;
    상기 표적 파이프체의 후방 산란 음파 신호를 측정하여 상기 표적 파이프체에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는 (b) 단계;
    상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 음향 공명의 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾는 (c) 단계; 및
    상기 (c) 단계에서 찾아진 최다 중첩 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체 내의 유체 물질로 판정하는 (d) 단계;를 포함하며,
    상기 (a) 단계는 상기 (b) 단계가 수행되기 이전 또는 이후에 수행되는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 방법.
  8. 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기;
    상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및
    상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하며,
    상기 마이크로프로세서는 상기 공명 산란 이론으로부터 도출되는 공명 성분 산란 형태함수를 이용하여 상기 음향 공명 스펙트로그램을 산출하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치.
  9. 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기;
    상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및
    상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하며,
    상기 마이크로프로세서는 상기 음향 공명 스펙트럼을 산출할 때 상기 후방 산란 음파 신호에서 경면 반향(specular echo)을 배제하고 탄성 반향(elastic echo)에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치.
  10. 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기;
    상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및
    상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하며,
    상기 신호발생기에 의해 발생된 전기적 음파 신호를 증폭시킨 후 상기 음파 변환기에 출력하는 파워증폭기; 및
    상기 음파변환기에 의해 수신된 후방 산란 음파 신호를 증폭시킨 후 상기 마이크로프로세서로 출력하는 전치증폭기;를 더 포함하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치.
  11. 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기;
    상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및
    상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하며,
    상기 마이크로프로세서에 의해 산출된 음향 공명 스펙트로그램과 음향 공명 스펙트럼을 저장하며 상기 마이크로프로세서에 유체 물질들의 고유 음속 데이타를 제공하는 메모리를 더 포함하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치.
  12. 음파 신호에 대응하는 전기적인 형태의 신호를 발생시키는 신호발생기;
    상기 전기적인 형태의 신호를 평면 음파로 변환하여 표적 파이프체에 입사시키며, 상기 표적 파이프체가 방출하는 후방 산란 음파 신호를 수신하는 음파변환기; 및
    상기 표적 파이프체에 대한 이론적인 후방 산란 음향 공명의 피크 위치들을 나타내는 음향 공명 스펙트로그램을 공명 산란 이론을 이용하여 음속의 함수로서 산출하고, 상기 음파변환기에 수신된 상기 후방 산란 음파 신호에 대한 음향 공명 스펙트럼을 산출하며, 상기 음향 공명 스펙트로그램과 상기 음향 공명 스펙트럼을 비교하여 피크 위치가 최다 중첩되는 음속을 찾으며, 상기 음속에 가장 근접한 음속을 나타내는 물질을 상기 표적 파이프체의 내부 유체 물질로 판정하는 마이크로프로세서;를 포함하며,
    상기 마이크로프로세서에 의해 산출된 음향 공명 스펙트로그램과 음향 공명 스펙트럼을 시각적으로 표시하는 디스플레이부를 더 포함하는,
    파이프체 내의 유체 물질을 원격으로 식별하는 장치.
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