KR102263232B1 - 광산 및 건설, 유전 시추용 로드 파이프를 통한 주파수 변조 기반의 센서 데이터 전송방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 원유 시추하기 위한 수직 및 수평 굴착과정에서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정를 전송하는 방법과 장치에 관한 것으로, 방향센서로부터 방위각, 경사, Toolface를 포함하는 센서 신호를 측정한 후, 잡음 제거와 센서 데이터를 변조하고, 변조된 신호에 따라서 파이프 진동을 구동시키면 파이프의 재질면을 따라서 데이터가 전송되도록 하며, 재질면을 통해 진동이 지상에 도달하면 진동을 전기적 신호로 변환한 후 변환 신호는 복조를 통해 원 신호로 검출한 후 신호처리 과정을 거친 후 센서 데이터를 측정하고 표시하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 원유 시추하기 위한 수직 및 수평 굴착과정에서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정보(온도, 압력, 수질, 유량, 오일상태 가스) 등의 정보를 지상수신 장치에 고속으로 전송하는 방법과 장치에 관한 것이다.
일반적으로 해저 및 지하 석유개발은 탐사작업, 시추작업, 그리고 생산작업으로 구분되는데, 원유 보존이 높은 지역에서 항공기나 선박을 사용하여 해저 및 지하 지질과 지각구조를 조사하기 위해 지질조사, 자기탐사, 중력탐사, 지진탐사 등을 수행한다.
이러한 탐사작업을 통해 원유보존 지역이 발견되면 그 지역에 적합한 시추용 구조물을 사용하여 실제 해저 및 지하면을 시추하여 산출능력 테스트를 수행하는 시굴작업(Exploration drilling)이 수행된다. 시굴에 성공하면 석유층의 분포를 조사하기 위해 다시 몇 개의 유정을 더 시추하는 채굴작업(Appraisal drilling)을 하는 것이다.
종래 해양 및 지상에서의 원유 시추에서 초기 방법은 수직으로 드릴링을 하여 아래에 있는 원유를 시추하고 시추가 끝나면 다음 위치로 6~9m 정도 이동하여 다시 시추 작업을 시작하는 시간적으로나 경제적으로 낭비가 심하였다. 하지만 시추기술의 개발로 인하여 실시간으로 지질 층의 정보나 드릴의 위치 확인이 가능해짐에 따라 수평시추가 가능해졌다.
수평시추는 이전과 같이 계속 이동하면서 시추를 반복하는 것이 아니라, 처음 시추 장소에서 지하로 시추한 후 수평으로 방향을 틀어 여러 장소로 시추하는 방식으로서, 시추 비용이나 위치로 이동 시간을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 이러한 수직 및 수평 시추를 수행하기 위해서는 드릴링 도중 드릴의 위치를 실시간으로 파악하는 것이 반드시 필요하다.
상기와 같이 시추를 수행하는 과정에서 드릴 비트 포인터 부근에 설치된 센서를 통해 드릴 포인터의 위치 및 지질형태 등 각종 데이터를 측정하게 되는데, 이러한 기술이 MWD(Measurement While Drilling) 및 LWD(Logging While Drilling)라 불리워진다.
LWD와 MWD에서 센서 데이터를 전달하기 위한 기존의 원격통신 방법은 머드 펄스(Mud-Pulse, MP) 방식과 전자기(Electromagnetic, EM), 음향(Acoustic) 통신 방법들이 있는데, 이러한 방식들은 전송속도와 신뢰성(통신의 정확도, 주변 환경의 영향, 깊이 혹은 거리에 따른 통신 불확실성 증대)의 문제가 있었다.
이를 해결하기 위한 대책으로 머드 펄스와 전자기 원격통신을 결합하여 두 가지 방법을 동시 혹은 번갈아 가며 전송하여 전송 방식을 발전시켰으나, 기존 통신방식의 한계로 인해 근본적인 해결이 되지 못하고 있다.
상기와 같은 기존의 데이터 전송 통신방식을 개선하기 위한 본 발명은 기존 방식과 전혀 달리 시추 파이프 면을 통해 측정 데이터를 변조하여 전송하는 방식을 제안하고 제안된 방식을 구현한 통신 시스템을 개발하고자 한다. 변조기반 전송은 주변 잡음 및 왜란에 강하므로 파이프의 공진주파수를 변조 신호로 사용하여 측정 데이터를 송신하고 수신부에서는 복조를 통해 센서 데이터를 추출함으로써 기존 방식에 비해 높은 통신 신뢰성과 진동에 의한 빠른 전송속도 구현이 가능하게 함을 목적으로 한다.
본 발명에서 발명된 원격통신 방식을 구현하기 위해서는 최적의 변조 주파수를 선정하여야 하는데 이를 위해 파이프의 공진주파수 측정이 선행되어야 한다. 또한, 파이프와 파이프를 연결할 때 사용되는 연결관에서의 신호 크기 감쇄 현상과 같은 문제가 발생하는지를 파악하여야 한다. 따라서 최적의 공진 주파수와 이음부분의 감쇄를 최소화할 수 있는 파이프의 공진특성을 CPU에서 분석하고 처리하여 송신부에서는 검출된 공진주파수를 반송 주파수로 사용하여 센서 데이터와 변조하여 파이프를 통해 전송하고, 수신부에서는 변조 신호를 검출한 후 복조를 통해 센서 데이터를 검출할 수 있는 장치를 제공하려는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수단은 다음과 같다.
센서에 의한 신호가 데이터에 손상이 발생하는 것을 최소화하기 위해 일차적으로 아날로그 고역 또는 저역 통과 필터를 사용한 후 CPU에서 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 신호를 수집하는 단계를 구비한다.
변조 과정에서 반송 주파수로 사용하기 위해 연결관에서의 신호손실을 최소화함과 동시에 시추 파이프의 최대 진동을 야기시키는 공진주파수를 측정하는 단계와 사용되는 시추 파이프의 최적 공진주파수를 사용하여 센서 데이터를 변조시키는 단계를 구비한다.
변조된 전기적 신호를 진동 신호로 변환하기 위하여 파이프에 설치되어 진동시킬 수 있는 기구부 모듈과 이를 구동하기 위해 진동을 발생시키는 단계를 구비한다.
변조 신호에 따라서 구동되는 파이프의 진동을 전기적 신호로 변환할 수 있도록 진동센서 등을 포함한 회로부를 통해 변조 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
변조된 신호를 원래의 신호로 복원하는 단계와,
복조된 신호인 센서 데이터를 사용하여 드릴의 현재 위치를 계산하는 단계 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 수직 및 수평 굴착과정에서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정보 등을 지상으로 고속으로 전송하게 되는 장치로서, 특히 주변 잡음 및 왜란에 강하도록 파이프의 공진주파수를 변조 신호로 사용하여 측정 데이터를 송신하고 수신부에서는 복조를 통해 센서 데이터를 추출하도록 발명된 것으로, 기존 방식에 비해 높은 통신 신뢰성과 진동에 의한 빠른 전송속도 구현이 가능하게 되는 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명의 전체구성 블럭도
도 2는 본 발명의 전체구성 작동 개념도
도 3은 본 발명의 신호처리 순서도
도 4는 본 발명의 신호 흐름도
도 5, 도 6은 본 발명의 구성 예시도
도 2는 본 발명의 전체구성 작동 개념도
도 3은 본 발명의 신호처리 순서도
도 4는 본 발명의 신호 흐름도
도 5, 도 6은 본 발명의 구성 예시도
이하 본 발명은 구현하기 위한 바람직한 구성 실시 예를 첨부된 도면에 의거 상세 설명하면 다음과 같다.
기본적으로 시추과정에서 사용되는 기존 원격통신으로는 크게 머드 펄스(Mud pulse), 전자기(Electromagnetic), 음향(Acoustic) 등 3가지 원격통신 방법이 있는데, 머드 펄스와 전자기파가 주로 사용되고, 가장 대표적으로 사용되는 방법이 머드 펄스 원격통신이다.
머드 펄스 방식은 머드 밸브의 개폐에 의한 머드가 파이프를 통해 회수될 때 의 펄스를 부호화하여 머드를 부호화하는 기계식 신호전송 방법이며, 전송속도가 매우 느리고 머드의 상태에 따라 부호 해석이 매우 어려울 경우가 있다.
전자기 방식은 저주파를 이용하여 지형을 통해서 센서 신호를 전송하는 방법이며, 음향방식은 파이프를 통해 센서 신호를 음파로 전송하는 방법이다.
음향 원격통신 방법은 드릴링에 의한 소음과 주변 환경에 민감하여 거의 사용되지 않는 방법이다.
본 발명에서는 수직 굴착 및 수평 굴착 시추를 진행하면서 드릴 머신의 헤드의 지하위치를 각종 센서를 통해 수집하고 CPU는 수집된 정보를 파이프의 공진특성을 이용한 최적의 효율성으로 최적화된 전송 조건으로 지상에 지하의 위치정보와 필요한 환경정보(온도, 압력, 수질, 유량, 오일상태 가스) 등의 정보를 지상수신 장치에 안정적이면서 고속으로 전송하는 장치이다.
본 발명은 기존의 이러한 어려움을 해결하고 지하의 굴착 시추의 진행 방향과 지하환경을 실시간으로 파악할 수 있도록 한다.
각종 시추용 로드 파이프의 재질에 따라 공진 주파수를 측정하고 최적의 공진특성을 갖는 즉 시추용 파이프에 가장 적합한 파동전달 특성이 유리한 조건을 CPU는 탐색하여 공진 특성을 알고리즘을 통해 분석하고 찾아진 최적의 공진 주파수에 각종 데이터를 변조하여 전송토록 한다.
이하 본 발명에서 언급되는 데이터(date)는 각종 센서가 감지한 정보(진동, 환경, 위치 등)를 전기적 신호로 변환한 자료를 의미한다.
이하 본 발명에서 언급되는 데이터(date)는 각종 센서가 감지한 정보(진동, 환경, 위치 등)를 전기적 신호로 변환한 자료를 의미한다.
이하, 도 1을 통하여 본 발명의 기본적인 구성과 작용에 대하여 살펴본다.
공진특성
분석용 송수신 장치(100)
시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프 재질 특성이 다양하여 고유진동 주파수 즉 파형을 전달하는 특성이 다양하므로 다양한 재질의 특성과 성질에 따라 파동전달 특성은 매우 달라진다. 본 장치는 이런 경우 재질의 특성에 맞추어 최적의 고유 공진 주파수를 찾아서 파동의 전달특성을 극대화할 수 있도록 재질에 고유 공진 주파수 측정을 수행한다.
이를 위해 우선 송신장치에서 진동을 발생시키고 파이프를 통해 전송하고 수신부에서는 발생된 진동의 파형을 CPU에 전달하여 파형을 시간으로 스캔하여 값을 메모리에 저장한 후 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리듬을 사용하여 주파수 분석을 수행하여 최적의 공진특성을 가지는 주파수를 확인한다.
이때 전기적 진동 파형은 Sweep Generator에서 발생시켜 파이프에 전기적 힘을 전달하는 것과 파이프에서 미세하게 일어나는 파동 신호 즉, 파이프의 미세한 파형을 감지한 신호를 CPU에서 수집하고 주파수 특성을 분석하는 장치이다.
데이터 송수신 장치(200)
본 장치는 시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프에 최적의 공진 주파수로 변조된 데이터를 전달하는 것이다. 즉 CPU에서 최적의 공진 주파수와 환경 센서 데이터, 지하 위치 데이터를 일정한 지상의 관제 시스템과의 송수신 절차에 따라서 가공된 데이터를 최적화 공진 주파수에 변조하여 보내어지고, 이렇게 보내진 신호를 받아서 수신부에서 CPU로 전달하는 역할을 하게 된다.
CPU에서는 지하 위치 데이터와 환경 센서 데이터를 지상의 일정한 관제 시스템과의 송수신 절차에 따라서 가공된 데이터를 최적화 공진 주파수에 변조하여 보내어지고, 이렇게 보내진 신호를 지상 관제에서 수신하여 CPU로 전달되어 신호를 복원하게 된다.
여러 종류의 변조 방식을 사용할 수 있으나 본 발명에서는 SSB(Single Side Band) 혹은 DSB(Double Side Band) AM 방식을 사용하며, 이 변복조 과정에서 FIR(Finite Impulse Response) 혹은 IIR(Infinite Impulse Response) 방식의 디지털 필터 설계도 요구되는데, 변복조 외 필터링을 실시간으로 수행하기 위해서는 고속 신호처리가 가능한 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서를 사용한다.
환경 센서 데이터 수집 장치(300)
본 장치는 시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프의 지하 굴착 시 주위 환경 정보 및 드릴 비트의 위치센서 데이터를 수집하는 것이다. 즉 지상관측소에서 필요한 환경정보로서 온도, 압력, 가스, 오일, 수량, 수질, 자력 등의 정보로서 방위각, 경사, 드릴 각도 등 각종 센서를 탑재하고 센서로부터 입력되는 값을 ADC를 거쳐 CPU에 센서 데이터를 수집하는 장치이다.
반송파 주파수 결정
변조에 사용될 반송파(Carrier) 신호로 정현파를 사용하는데 파이프를 통해 송신 효율을 최대화(최대 전력 전송)하기 위해서는 파이프의 공진주파수를 확인하여야 한다. 공진주파수는 파이프 재질에 따라서 변화될 수 있으므로 공진주파수 검출을 위해 다음과 같은 실험을 통해서 최적의 공진주파수를 결정한다.
도 2 및 도 3은 공진주파수 검출을 위한 구성도와 신호 흐름도를 보여주고 있다.
Sweep Generator(가변주파수 발생기)에서 낮은 주파수로부터 서서히 주파수를 상승시켜 설정된 최대 주파수까지 정현파를 생성하여 파이프를 통해서 신호를 전송한다. 파이프의 다른 끝단에서 검출된 신호에서 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 분석을 수행하여 고조파(Harmonics) 성분들을 찾아낸다.
최대 주파수에 도달할 때까지 이러한 과정을 반복하여 최대 크기의 고조파 성분을 검출하는데 이때의 주파수가 파이프의 공진주파수에 해당된다. 검출된 공진주파수의 정현파 신호를 반송파 신호로 사용하여 변조를 구현한다.
CPU는 센서 데이터 획득, 변조, 복조, 그리고 잡음 제거를 위한 필터링 등을 수행하기 위해서는 고속 및 고성능의 프로세서가 사용된다.
CPU 및 신호처리 장치(400)
CPU는 추가적으로 외부 장치와의 통신을 위해 I2C, SPI, UART 및 McBSP를 포함하는 직렬 인터페이스와 CAN 및 LIN과 같은 프로토콜, 그리고 USB 및 FSI와 같은 표준 입출력 장치와 애플리케이션을 동기화하는 다양한 외부 장치와의 연결 옵션을 제공한다.
구성된 회로에서 수집된 센서 데이터는 측정된 공진주파수를 사용하여 변조를 수행한다. 그리고 변조된 신호를 받게 되면 드릴의 진동이나 혹은 주변 잡음의 신호들을 제거하기 위해 복조 전 대역통과 필터가 필요하며, 신호 왜곡을 방지하기 위해 선형 위상이어야 되므로 선형 위상으로 구현하기 좋은 디지털 FIR 필터로 구현한다.
또한, 대역통과 필터와 동일하게 비동기 검파 과정의 저역통과 필터 또한 선형 위상을 가져야 하므로 대역통과 필터와 비동기 검파를 동일한 고속 프로세서에서 구현한다.
비동기 검파에서 Rectifier는 조건문을 통해 구현하고, RC 저역통과 필터는 FIR 저역 통과 필터로 대체하여 구현한다.
본 발명에서는 선형위상 특성과 안정성이 보장된 FIR 디지털 필터를 사용하고자 하며, FIR 필터 설계는 대표적으로 창(Window) 함수 기법을 가장 많이 사용하는데 본 발명에서는 Hamming 창을 적용한다. 필요에 따라 창(Window) 함수 기법을 선택적으로 사용할 수 있다.
필터는 센서에서 출력되는 데이터 전송 속도에 따라 통과 대역이 변화되고, 주변 잡음 정도에 따라 저역통과 및 대역통과의 차단 대역과 차단 크기가 변하므로 FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 주파수 분석을 통해서 필터 사양을 결정한다.
아래 참고도 1은 IIR 필터의 구조를 보여주고 있으며 다음과 같은 식을 통해 필터링이 계산된다. 입력 신호와 출력 신호 값이 재귀적(feedback)으로 적용되어 필터링을 수행한다.
[참고도 1]
지하 위치 센서 데이터 수집 장치(500)
본 장치는 시추 및 굴착용 로드 비트 파이프의 지하 굴착 시 드릴 비트의 위치 및 방향제어 정보를 수집하는 것이다.
위치 및 방향제어에 필요한 데이터는 경사와 방위각, 드릴 각도이며, 이러한 데이터를 측정하기 위한 센서가 Directional Sensor이며, 센서로부터 입력되는 갑을 ADC를 거쳐 CPUI에서 센서 데이터를 수집한다.
위치 센서는 방위각 및 경사 센서의 정확도는 RPM과 기울기에 따라 달라짐을 전기적 신호로 전달된다.
충전식 및 진동 자가발전형 전원 장치(600)
CPU, 송수신 장치, 그리고 수집 장치에 필요한 전원을 공급하는 장치로서 외부에서 충전 후 사용하는 충전식 전원 혹은 자체적으로 전기를 발전시킬 수 있는 자가 발전형 전원을 사용한다.
통신 장치 구성도의 동작
도 4를 통하여 설명하면, 방향센서로부터 방위각, 경사, Toolface 등 센서 신호를 측정한다.
잡음 포함 시 필터를 적용한 후 반송신호를 사용하여 센서 데이터를 변조한다.
변조된 신호에 따라서 파이프 진동을 구동시키면 파이프의 표면을 따라서 데이터가 전송된다.
표면을 통해 진동이 지상에 도달하면 진동을 전기적 신호로 변환한다.
전기적 변환 신호는 복조를 통해 원 신호로 검출한 후 신호처리 과정을 거친 후 센서데이터를 측정하고 표시한다.
이하 본 발명의 센서데이터 전송장치에 관하여 구체적으로 시추파이프에 적용되는 상태와 작용을 도 5 및 도 6을 통하여 살펴본다.
a. 신호처리 및
노이즈제거
일반적으로 센서 신호는 시추과정에서 외부 잡음 및 왜란으로 인해 데이터에 손상이 발생하는데 이러한 잡음 영향을 최소화하기 위해 일차적으로 아날로그 고역 또는 저역통과 필터를 사용한 후 CPU에서 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 신호를 수집한다.
b. Modulation(변조)
변조는 변조된 신호와 다른 신호 간의 간섭을 최소화하기에 매우 효과적이므로 데이터 전송 정확도를 향상시킨다. 따라서 사용되는 시추 파이프의 최적 공진주파수를 사용하여 센서 데이터를 변조시킨다. b의 샘플링 과정과 변조 과정은 고속의 CPU에서 수행한다.
c. Vibration(진동)
변조된 전기적 신호는 시추 파이프를 통해 수신부로 전송하기 위해서는 전기적 신호를 진동 신호로의 변환이 요구된다. 이를 위해서는 파이프에 설치되어 진동시킬 수 있는 기구부 모듈과 이를 구동하기 위해 진동을 발생시킬 수 있는 회로부가 필요하다.
d. Signal acquisition(신호검출)
변조 신호에 따라서 구동되는 파이프의 진동을 전기적 신호로 변환할 수 있도록 진동센서 등을 포함한 회로부를 통해 변조 신호가 검출된다. 검출된 변조 신호 크기가 작을 때는 다음 단계의 신호처리를 위해 증폭시키거나 잡음이 포함될 경우 아날로그 필터가 필요하다.
e. Demodulation(복조)
복조는 변조된 신호를 원래의 신호로 복원하는 과정으로서, 복조 방식은 반송파 신호 여부에 따라 동기 검파 방법과 비동기 검파 방법으로 구분되며, 본 발명에서 통신 시스템에서 출력되는 변조 신호는 반송파 신호가 포함되어 있으며 비동기 검파 방법을 사용하고자 한다.
비동기 검파 방법에서 반송파에 실려오는 센서 데이터를 검출하기 위해 필터가 요구되는데, 본 과제에서는 고속의 디지털 프로세서를 사용하여 디지털 필터를 구현하여 복조과정을 수행한다.
복조과정 및 주변 잡음 제거를 위한 필터링에서는 FIR 대역통과 필터와 FIR 저역통과 필터를 동시에 사용하고자 한다.
f. Sensor data measurement(측정)
복조된 신호인 센서 데이터를 사용하여 드릴의 현재 위치를 계산해야 하는데, 이를 위한 계산식으로써 Tangential Method, Balanced Tangential Method, Average Angle Method, Radius Curvature, Minimum Curvature의 5가지 방법이 있다.
본 발명의 통신 시스템에 적용될 계산 방식은 Radius Curvature와 Average Angle Method 두 가지 방법을 사용하여 위치를 계산하고자 한다.
계산된 센서 데이터 및 현재 위치 등을 사용자에게 보여주기 위해 개인용컴퓨터를 사용하여 윈도우 기반에서 GUI(Graphic User Interface)를 설계하고 운용 프로그램을 개발하고자 하는 것이다.
상기와 같은 구성에 의한 동작 과정 및 내용은 다음과 같다.
방향센서로부터 방위각, 경사, Toolface 등 센서 신호를 측정한다.
잡음 포함 시 필터를 적용한 후 반송신호를 사용하여 센서 데이터를 변조한다.
변조된 신호에 따라서 파이프 진동을 구동시키면 파이프의 재질면을 따라서 데이터가 전송된다.
재질면을 통해 진동이 지상에 도달하면 진동을 전기적 신호로 변환한다.
전기적 변환 신호는 복조를 통해 원 신호로 검출한 후 신호처리 과정을 거친 후 센서 데이터를 측정하고 표시한다.
Claims (3)
- 송신장치에서 진동을 발생시키고 파이프를 통해 전송하고 수신부에서는 발생된 진동의 파형을 CPU에 전달하여 파형을 시간으로 스캔하여 값을 메모리에 저장한 후 FFT(Fast Fourier Transform) 알고리듬을 사용하여 주파수 분석을 수행하고, 이때 전기적 진동 파형은 Sweep Generator에서 발생시켜 파이프에 전기적 힘을 전달하는 것과 파이프의 미세한 파형을 감지한 신호를 CPU에서 수집하고 주파수 특성을 분석하는 공진특성 분석용 송수신 장치(100)와;
CPU에서 공진 주파수와 환경 센서 데이터, 지하 위치 데이터를 일정한 지상의 관제 시스템과의 송수신 절차에 따라 가공하고, 가공된 데이터를 공진 주파수에 변조하여 보내어지고, 이렇게 보내진 신호를 받아서 수신부에서 CPU로 전달하는 역할을 하며, 변조 방식으로는 SSB(Single Side Band) 또는 DSB(Double Side Band) AM 방식을 사용하며, 변복조 과정에서 FIR(Finite Impulse Response) 또는 IIR(Infinite Impulse Response) 방식의 디지털 필터로서 고속 신호처리가 가능한 DSP(Digital Signal Processing) 프로세서를 사용하는 데이터 송수신 장치(200)와;
시추 및 굴착용 로드 비트의 파이프의 지하 굴착 시 주위 환경 정보 및 드릴 비트의 위치센서 데이터를 수집하는 것으로, 지상관측소에서 필요한 환경정보로서 온도, 압력, 가스, 오일, 수량, 수질, 자력을 포함하는 정보로서 방위각, 경사, 드릴 각도를 포함하는 각종 센서를 탑재하고 센서로부터 입력되는 값을 ADC를 거쳐 CPU에 센서 데이터를 수집하는 환경 센서 데이터 수집 장치(300)와;
Sweep Generator(가변주파수 발생기)에서 낮은 주파수로부터 서서히 주파수를 상승시켜 설정된 최대 주파수까지 정현파를 생성하여 파이프를 통해서 신호를 전송하고, 파이프의 다른 끝단에서 검출된 신호에서 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 분석을 수행하여 고조파(Harmonics) 성분들을 찾아내며, 최대 주파수에 도달할 때까지 이러한 과정을 반복하여 최대 크기의 고조파 성분을 검출하여 검출된 공진주파수의 정현파 신호를 반송파 신호로 사용하여 변조를 구현하는 반송파 주파수 결정 과정을 포함하고;
CPU에 구성된 회로에서 수집된 센서 데이터를 변조하고, 변조된 신호를 받게 되면 드릴의 진동이나 혹은 주변 잡음의 신호들을 제거하기 위해 복조 전 대역통과 필터로서 선형 위상으로 구현하기 좋은 디지털 FIR 필터로 구현하며, FIR 필터 설계는 대표적으로 창(window) 함수 기법을 사용하되, Hamming 창 또는 창(window) 함수 기법을 선택적으로 사용하며, FFT(Fast Fourier Transform)를 사용하여 주파수 분석을 통해서 필터 사양을 결정하는 CPU 및 신호처리 장치(400)와;
시추 및 굴착용 로드 비트 파이프의 지하 굴착 시 드릴 비트의 위치 및 방향제어 정보를 수집하는 것으로, 위치 및 방향제어에 필요한 경사와 방위각, 드릴 각도를 측정하기 위한 센서가 Directional Sensor이며, 센서로부터 입력되는 값을 ADC를 거쳐 CPUI에서 센서 데이터를 수집하고, 위치 센서는 방위각 및 경사 센서의 정확도는 RPM과 기울기에 따라 달라짐을 전기적 신호로 전달되는 지하 위치 센서 데이터 수집장치(500);와
CPU, 송수신 장치, 그리고 수집 장치에 필요한 전원을 공급하는 장치로서 충전식 또는 진동 자가발전형 전원 장치(600);
로 구성됨을 특징으로 하는 광산 및 건설, 유전 시추용 로드 파이프를 통한 주파수 변조 기반의 센서 데이터 전송장치. - 방향센서로부터 방위각, 경사, Toolface 를 포함하는 센서 신호를 측정하고, 잡음 포함 시 필터를 적용한 후 반송신호를 사용하여 센서 데이터를 변조하며, 변조된 신호에 따라서 파이프 진동을 구동시키면 파이프의 재질면을 따라서 데이터가 전송되도록 하며, 재질면을 통해 진동이 지상에 도달하면 진동을 전기적 신호로 변환하고, 전기적 변환 신호는 복조를 통해 원 신호로 검출한 후 신호처리 과정을 거친 후 센서 데이터를 측정하고 표시하는 광산 및 건설 유전 시추용 로드 파이프를 통한 주파수 변조 기반의 센서 데이터 전송방법에 있어서,
센서에 의한 신호가 데이터에 손상이 발생하는 것을 최소화하기 위해 일차적으로 아날로그 고역 또는 저역 통과 필터를 사용한 후 CPU에서 샘플링하여 디지털 신호로 변환하여 신호를 수집하는 신호처리 및 노이즈제거 단계와;
사용되는 시추 파이프의 공진주파수를 사용하여 센서 데이터를 변조시키는 Modulation(변조) 단계와;
변조된 전기적 신호를 진동 신호로의 변환하기 위하여 파이프에 설치되어 진동시킬 수 있는 기구부 모듈과 이를 구동하기 위해 진동을 발생시키는 Vibration(진동) 단계와;
변조신호에 따라서 구동되는 파이프의 진동을 전기적 신호로 변환할 수 있도록 진동센서 등을 포함한 회로부를 통해 변조 신호를 검출하는 Signal acquisition(신호검출) 단계와;
변조된 신호를 원래의 신호로 복원하기 위하여 복조 방식은 비동기 검파 방법을 사용하며, 비동기 검파 방법에서 반송파에 실려오는 센서 데이터를 검출하기 위해 요구되는 필터로는 고속의 디지털 프로세서를 사용하여 디지털 필터를 구현하여 복조과정을 수행하되, 복조과정 및 주변 잡음 제거를 위한 필터링에서는 FIR 대역통과 필터와 FIR 저역통과 필터를 동시에 사용하는 Demodulation(복조) 단계와;
복조된 신호인 센서 데이터를 사용하여 드릴의 현재 위치를 계산하되, 계산 방식은 Radius Curvature와 Average Angle Method 두 가지 방법을 사용하여 위치를 계산하는 Sensor data measurement(측정) 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 광산 및 건설 유전 시추용 로드 파이프를 통한 주파수 변조 기반의 센서 데이터 전송방법. - 삭제
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| KR20230049374A (ko) | 2021-10-06 | 2023-04-13 | 로비트코리아 주식회사 | 자체 전력 발전 기능을 갖는 지반굴착 로드 비트용 센서하우징 |
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