KR20120020127A - 자력계 기반 파이프라인 내부 객체 감지기 - Google Patents

자력계 기반 파이프라인 내부 객체 감지기 Download PDF

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KR20120020127A
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스테판 제이. 미스카
윌리암 제이. 랜킨
매튜 더블유. 로간
마크 쥐. 레지스터
에릭 엔. 프리맨
필립 엠. 몰트바이
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Abstract

파이프라인 내부의 객체의 통과를 감지하는 시스템 및 방법은, 하나 이상의 차폐 자력계 센서 및 조정가능한 문턱 감지 수단들을 구비한 마이크로컨트롤러를 갖는 비파괴 감지 장치를 포함한다. 조정가능한 임계 장치 수단들은 자속 데이터 스트림으로부터 이상치를 제거하고 이상치가 제거된 데이터 스트림을 4개의 저역통과필터를 통과시킨다. 데이터 스트림의 원만해진 진폭은, 감지 제한과 비교되어, 통과 이벤트가 발생하는 경우 최근 감지가 표시되며, 디스플레이 장치의 카운터가 증가되고, 통과 시간이 기록되며, 두 통계들이 디스플레이 장치에 디스플레이된다. 단일 객체가 복수의 자기장을 형성할 수도 있기 때문에, 감지기는 통과 이벤트 이후 소정의 시간의 기간동안 잠기어서, 객체가 감지 장치를 통과할 대, 동일한 객체에 대한 2차 감지를 방지한다.

Description

자력계 기반 파이프라인 내부 객체 감지기{Magnetometer-based Detector for Objects in a pipeline}
본 발명은 일반적으로 파이프라인 모니터링 시스템에 관한 것이며, 보다 구체적으로 파이프를 내부에서, 파이프라인 피그(Pipeline pig)와 같은 객체의 통과를 감지하는 센서에 관한 것이다.
파이프라인을 통한 피그의 통과를 감지하기 위해 다양한 방법들이 개발되었다. 덤 피그(Dumb pig) 또는 스마트 피그(smart pig)들은 용수철이 있는 축(shaft)을 구비한 나사식 어댑터(threaded adapter)같은 침입형(intrusive) 기계 장치들에 의하여 감지될 수도 있다. 축(shaft)은 용수철이 있는 레버 또는 플래그를 구비하여 노출된 종단 및 파이프의 내부 공간 안쪽으로 연장될 수 있는 노출된 종단을 갖는다. 그러나 침입형(intrusive) 장치들은 구멍을 형성하거나 동작하는 파이핑 내부로 핫 태핑(hot-tapping)을 요하며, 이들은 때때로 많은 비용이 들거나 파이프라인 오퍼레이터에 불필요한 과정이 된다. 그 결과, 파이프라인의 외부에 전체가 위치하고 추가적인 핫 태핑 또는 웰딩(welding)을 요구하니 않는 비파괴 감지 장치(non-intrusive detection device)들이 파이프라인 오퍼레이터에게 선호된다.
비파괴 감지 장치들은 크게 2가지 종류인데, 소리의 변화를 감지하는 음파/초음파 장치, 주변 자기장의 변화를 감지하는 전자기 감지기이다. 수동 음향 감지기들은 파이프라인을 따라 움직이는 객체에 의하여 야기되는 소리의 변화를 감지할 수 있지만, 이러한 소리의 변화와 펌프 또는 자동차와 같은 주변 소음에 의해 야기되는 소리인지를 쉽게 구분할 수 없다. 능동 음향 감지기들은 초음파신호를 전송함으로써 이러한 문제를 제거할 수 있지만, 이러한 장치들은 비용이 비싸며, 전력 필요에 의한 전력 및 배터리 전력옵션의 제한 또는 예방에 있어서 높은 수준을 필요로 한다.
전자기 감지기들은 시간이 흐르는 동안의 자속의 변화를 감지하기 위해 하나 이상의 코일을 사용한다. 주변 자기장의 변화는, 시간이 흐르는 동안 자기장의 변화에 비례하는 전압을 코일 또는 코일들에 유도한다. 그 결과, 느리게 이동하는 강자성체는, 감지 이벤트를 생성시키기에 코일 내부의 충분한 전압을 생성하지 못할 수도 있다.
시간에 따른 순간 자속을 측정함으로써 자속의 변화를 결정하는 자력계는 객체의 속도에 구속되지 않는다. 그러므로, 자력계는 객체의 속도에 관계없이 자기장에서의 변화를 야기하는 객체를 감지할 수 있다. 그러나, 자력계는 오류 신호에 의해 구속될 수 있다. 그러므로, 노이즈 제거, 신호 처리 및 주변 자기장의 차폐를 위한 적절한 방법이 사용되어야만 한다.
파이프라인의 객체의 통과를 감지하기 위한 시스템 및 방법은 하나 이상의 차폐된 자력계 센서 및 조정가능한(adaptive) 문턱 감지 수단을 구비한 마이크로컨트롤러를 갖는 비파괴 감지 장치를 포함한다. 백업 배터리 전원을 구비한 AC/DC 전원이 장치에 전원을 공급하기 위하여 사용된다. 배터리 백업 전원은 바람직하게 주위 환경의 노출에 앞서서 전기적 접촉을 차단함으로써, 방폭구역(explosion-proof zone)에서의 사용에 적절한 감지 장치를 구성한다.
자력계 센서들은 바람직하게 가변 투자 물질(variable permeability material)을 사용하여 자속을 직접적으로 측정하며, 서로 직각으로 배치된다. 센서를 감싸는 내부 차폐기(inner shield)는 전기적 절연 물질이다. 외부 차폐기(outer shield)는 자기적 투자(permeable) 물질이다. 마이크로컨트롤러를 구비하여 통신하는 디스플레이 장치는 다양한 통계들을 디스플레이하며, 통계들은 감지된 객체의 수 및 그들의 통과시간을 포함한다.
감지 장치는 적절한 종단을 갖음으로써, 디스플레이 장치를 정렬하고 파이프라인의 외부 표면 근처에 자력계 센서들을 배치한다. 파이프라인 상의 감지 장치를 배치하거나 파이프라인 상의 다른 위치로 감지 장치를 이동시키는 경우, 리드 스위치(reed switch) 또는 감지 장치를 잠그기(locking out) 위한 다른 수단들이 사용될 수도 있다. 감지 장치가 적절한 위치에 놓여있고 잠기지 않으면, 입력 자속 데이터 스트림을 처리하는 자력계 센서 및 마이크로컨트롤러는 신호를 감지할 수 있다.
사용된 조정가능한 문턱 감지 수단들은 먼저 자속 데이터 스트림으로로부터 이상치(outlier) 데이터를 제거한다. 이상치가 제거된 데이터 스트림은 그후 4개의 저역 통과 필터(low pass filter)를 통과한다. 제1저역통과필터는 자속 데이터 스트림으로부터 바이어스값을 제거하고 이상치 한계보다 높은 값을 갖는 데이터 스트림을 제한함으로써 베이스라인을 추정한다. 제2저역통과필터는 베이스라인 추정치를 사용하여 노이즈 추정치를 생성한다. 제3저역통과필터는 데이트 스트림의 원만한(smoothing) 진폭을 제공하는 박스카 필터(boxcar filter)이다. 원만한 진폭은 상한 및 하한 세트와 비교되어, 통과 이벤트의 길이를 측정하기 위하여 제4저역 통과 필터를 통과한다. 통과 이벤트가 발생하는 경우, 디스플레이 장치의 카운터는 증가되고 통과 시간이 기록된다. 단일 객체가 복수의 감지 또는 감지 이벤트를 생성할 수 있으므로, 감지기는 통과 이벤트 이후의 소정의 기간동안 잠기어 객체가 감지기를 통과하는 동안 동일 객체에 의한 2차 감지를 방지한다. 베이시안 차단 추정기(Bayesian lockout estimator)가 이러한 취지를 위하여 바람직하다.
본 발명의 보다 나은 설명은, 도면과 첨부하는 청구항이 결합된 바람직한 실시예의 상세한 설명으로 인해 이루어질 것이다.
도1은 본 발명에 따라 구성된 비파괴적 감지기의 실시예의 정면도이다. 마이크로컨트롤러 및 적어도 하나의 자력계 센서(이하 센서)를 포함하는 센서 보드(도8 및 도11b 참조)는 센서 하우징(housing)의 하부부분에 배치된다. 센서 하우징은, 하우징의 바닥이 파이프 표면에 접촉할 때까지, 파이프에 분리가능하게 부착된 베이스 구조로 나사선을 따라 삽입된다. 도관 조립체 섹션(conduit assembly section)의 상부 종단에 위치한 디스플레이 하우징은 객체가 감지기를 통과하는 동안, 파이프라인 내부의 객체의 감지를 나타내는 디지털 디스플레이를 갖는다. 필드 와이어링 도관 박스가 제공되어 감지기를 AC/DC 전원에 연결하고 와이어링을 수용하여 예를 들어, 파이프라인 밸브의 개폐를 제어하는 제어 공간과 통신을 하게 한다.
도2는 도1에 도시된 실시예의 측면도이다. 디스플레이 하우징은 디지털 디스플레이 삽입물 및 DC 전원(도6 및 7 참조)를 포함하는 조립체를 갖는다. 디스플레이 하우징의 후면에 위치한 삽입된 캡(cap)이 삽입되지 않는 경우, DC 전원은 연결되지 않으며, 그에 따라 방폭구역에서의 감지기의 사용에 안전한 환경을 제공한다.
도3은 도1의 디스플레이 패널의 전면도이다. 패널의 전면 상에 위치한 자기 리드 스위치는 디스플레이 상의 타이머를 리셋한다. 제2자기 리드 스위치는 잠김 모드(locked mode)또는 비잠김 모드(un-locked mode)에서의 감지기에 위치하며, 오퍼레이터가 객체 감지 히스토리를 통해 스크롤하도록 허용한다. 잠김모드에서, 장치는 객체를 감지하는 것이 방지되고, 감지기는 원하지 않은 감지 결과를 낳지 않고 파이프라인 상의 위치들 사이로 이동할 수도 있다. 배터리 아이콘은 감지기가 배터리에 의해 전원의 공급 받는 경우, 배터리의 함량을 디스플레이한다.
도4는 도1의 디스플레이 패널의 또 다른 전면도로, 감지기가 AC/DC 전원(예를 들어 24V 전원)에 하드와이어드(hard-wired)되고 배터리는 사용되지 않는다. 시각적인 표시(indidcator)가 제공되어, 감지된 객체의 수, 기록상 어떤 객체의 감지 이후의 시간, 리셋 이후 경과시간과 같은 통계들을 디스플레이한다.
도5는 도2에 도시된 디스플레이 삽입물의 사시도(isometric view)이다. 디스플레이 패널 및 디지털 디스플레이가 조립체의 상부 종단에 위치한다. 대칭적인 슬롯들이 삽입체의 주변에 제공되어 디스플레이 하우징 내부의 삽입을 유지하고 디스플레이의 정확한 위치를 보증하고 적절한 내부 와이어링 접근을 제공한다.
도6은 디스플레이 하우징으로부터 제거된 후면 캡을 구비한 도1에 도시된 감지기의 후면 사시도이다. 배터리들이 디스플레이 장치 내부의 용수철 접촉에 관여되어있기 때문에, 배터리를 구비한 모든 전기적 접촉들은 후면 캡이 완전이 제거되기 전에 차단되어야 한다. 바람직하게 후면 캡의 하단에 고정된 절연 패딩(padding)의 시트(sheet)는 배터리와 캡 사이에 위치하여 캡과의 전기적 접촉을 차단한다.
도7은 도1에 도시된 디스플레이 하우징의 후면 사시도이다. 배터리는 삽입체에 의하여 받는 크래들(cradle)/배터리 홀더 내부에 위치한다.
도8은 센서 하우징의 도면이다. 센서하우징은 마이크로컨트롤러 및 자력계 센서를 포함한 센서보드를 받는다.
도9는 도8의 센서보드의 차폐기의 도면이다. 내부 차폐기(inner shield)는 바람직하게 전기적으로 절연인 물질이다. 외부차폐기는 바람직하게 자기적으로 투자적인(permeable) 물질이다.
도10은 도8의 센서 보드의 도면이다. 센서 보드는 디스플레이(원격에 위치한 디스플레이도 가능) 또는 컨트롤 시스템, 적절한 문턱 알고리즘(도12 내지 19 참조)을 작동시키기 위한 마이크로컨트롤러 및 센서와 통신하기 위한 인터페이스를 포함한다. 센서는 바람직하게 가변 투자 물질을 사용한 자속 센서여서 직접 자속을 측정한다.
도11a 및 11b는 도8의 센서보드의 대체적인 실시예를 도시한다. 2개의 센서들은 서로 직각으로 배치된다. 센서보드는 1차원, 2차원, 3차원 또는 n차원의 센서들의 배열을 사용할 수도 있으며, 센서들의 배열은 센서 요소들의 위치 및 분리에 따라 다양할 수 있다. 그러나 직각의 배치가 바람직하다.
도12는 n차원 센서의 배열에 의해 수집된 데이터를 처리하는 마이크로컨트롤러에 의해 실행되는 신호처리 알고리즘의 순서도이다. 감지 구성(scheme)은 하나 이상의 센서의 실시간 노이즈 추정을 이용하는 조정가능한 문턱 알고리즘이다.
도13은 도12에 도시된 알고리즘의 이상치 제거 단계의 순서도이다.
도14는 도12에서 도시된 알고리즘의 베이스라인 추정 단계의 순서도이다.
도15는 도12에서 도시된 알고리즘의 노이즈 추정 단계의 순서도이다.
도16은 도12에서 도시된 알고리즘의의 박스카 또는 입력 원만화(smoothing) 하는 단계의 순서도이다.
도17은 도12에서 도시된 알고리즘의 감지 단계의 순서도이다.
도18은 도12에서 도시된 알고리즘의 시간 판별 단계의 순서도이다.
도19는 도12에서 도시된 알고리즘의 베이시안(Bayesian) 잠금 단계의 순서도이다.
후술할 자력계 기반의 감지기는, 구성의 상세, 부분의 배치, 첨부하는 도면에 도시된 단계의 흐름의 활용에 제한되지 않는다. 본 발명은 다른 실시예가 될 수도 있으며 다양한 방법으로 실행되거나 수행될 수 있다. 본 명세서에서의 어법과 용어는 설명의 목적을 위한 것이며, 이에 제한되지 않는다.
도1, 도10 및 도12를 먼저 참조하면, 파이프라인 섹션 P의 외부에 위치한 감지기(10)는 자력계 센서(60) 및 감지 알고리즘(100)을 사용하여 파이프라인 내부의 객채의 존재를 감지한다. 객체는 파이프라인 상에 고정된 감지기(10)를 구비한 파이프라인 섹션 P의 내부에서 이동할 수도 있다. 파이프라인 내부의 객체는 파이프라인 유지 또는 조사에 사용되는, 피그(pig)일 수도 있다. 객체는 자력원(magnetic source) 또는 검색될 수도 있는 객체의 본질적인 특성을 가질 수도 있다. 본질적인 특징있는 객체의 사례는 브러시 피그(brush pig) 또는 강자성 물질의 상당한 양을 포함하고 있는 피그일 수도 있다.
자력계 센서(60)로부터의 측정은 조정가능한 문턱 알고리즘인 감지 알고리즘(100)에 의해서 처리되며, "통과 이벤트"를 생성한다. 이 이벤트는 디지털 디스플레이(70) 또는 발광 다이오드(87)에 의하여 디스플레이 및/또는 카운트될 수 있다. 이벤트는 파이프라인 내부의 밸브의 개폐를 제어하는 제어시스템 같은 신호 원격 장치들에 사용되는 출력값을 트리거할 수 있다.
도1 및 도2에서 도시된 것처럼 감지기(10)는 센서 하우징(20)의 나선부분(25)을 받는 마운팅 베이스(40)의 방식에 의하여 파이프라인 섹션 P에 분리가능하게 부착된다. 이러한 구성은 센서 하우징(20)의 하부 종단(23)과 파이프라인 섹션P의 외부 벽 표면 사이의 거리를 조절하고 디스플레이 하우징(90)의 방향을 맞출 수 있는 능력을 제공한다. 나선 부분(25)은 바람직하게, 나선 부분(25)의 하부 종단(23)이 파이프라인 섹션 P의 외부 벽 표면과 접촉할 때까지, 베이스(40) 내부로 삽입된다. 베이스(40)의 2개의 마주보는 브라켓(41)은 각각 연결핀(43, shackle pin) 및 체인(47)의 종단을 받는다. 턴버클(45, turnbuckle)과 같이 체인(47)은 파이프 라인 섹션 P의 소정의 위치에 베이스(40)를 부착하기 위하여 사용된다. 감지기(10)의 전술한 조정 특징은 최대의 감지 능력을 갖게 하기 위하여 자력계 센서(60)를 배치하는 기능을 제공한다.
도관 조립체 섹션(30)의 상부 종단(37)에 디스플레이 하우징(90)이 위치한다. 디스플레이 하우징(90)은 바람직하게 도관 조립체 섹션(30)에 분리가능하게 부착된다. 디스플레이 하우징(90)은 다양한 표시기와 통계들을 제공하는 디스플레이 삽입물(70)을 받는다(후술할 도3 내지 도5의 내용 참조). 삽입체(72)의 주변에 위치한 대칭적인 슬롯들(74)은 디스플레이(71)의 정확한 위치를 보증하고 필요한 와이어링 접근을 제공한다. 디스플레이 하우징(90)의 전면 캡(91)은 디스플레이 삽입물(70)의 디지털 디스플레이(71)를 위한 창을 제공한다.
도관 조립체 섹션(30)은 센서 하우징(20)의 상부 종단(21)에 위치한다. 도관 조립체 섹션(30)은 감지기(10)를 필드 와이어링 도관 박스(33)에 연결하기위한 티(Tee) 피팅(35)을 포함한다. 도관 박스(33)은 AC/DC 전원과 연결하기 위해 감지기(10)를 배치하고, 제어 공간에 감지기(10)를 하드웨어 내장하고, 또는 원격 디스플레이 삽입물(70)에 배선을 제공하는, 배선을 포함한다. 채움 마개(31, fill plug)는 또한 제공되어 패킹(packing), 주입(filler), 혼합물 채우기(potting compound), 실런트(sealant)를 추가할 수 있다.
도3 내지 도5를 참조하면, 디스플레이 삽입물(70)은 다양한 표시기 및 통계들을 디스플레이할 수 있는 디지털 디스플레이(71)를 포함할 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 디지털 디스플레이(71)는 객체 카운트 표시기(73), 객체 통과 기록 표시기(75), 객체 아이콘(77), 최근 리셋 이후의 시간 표시기(79), 기록상 객체 통과 이후의 시간 표시기(81)를 디스플레이한다. 디스플레이(71) 상의 마이크로컨트롤러(미도시)는 센서 보드(50)에 위치한 마이크로컨트롤러(51) 및 자력계 센서(60)로부터 정보를 수신한다(도8 참조).
디스플레이 삽입물(70)은 또한 전원 표시기(83)을 포함하며, 전원 표시기(83)는 감지기(10)가 배터리 전원(도3) 또는 AC/DC 전원(도4)에 의하여 동작하는지 여부를 나타낸다. 배터리 전원의 경우, 전원 표시기(83)는 바람직하게 배터리잔량을 표시하는 배터리 아이콘(83)을 디스플레이한다.
디지털 디스플레이(71)는 또한 잠김/비잠김(locked/unlocked) 상태 표시기(85)를 포함한다. 자기적 리드 스위치(89B)는 감지기(10)를 잠김모드 또는 비잠김모드로 변경함으로써, 원하지 않는 감지를 제어하는 능력을 제공한다. 잠김모드의 경우, 감지기(10)는 객체를 감지하는 것이 차단되고, 파이프라인 상의 위치 사이에서 이동될 수도 있다. 리드 스위치(89B)는 또한 사용자로 하여금 통계치와 상호작용하게 하고, 표시기(75, 81)에 의하여 나타내지는 객체의 기록을 통해 스크롤하게 한다. 제2 자계 리드 스위치(89A)는 타이머(79)를 리셋한다. 디스플레이 장치(70)는 또한 최근 통과가 발생하였는지 아닌 지 여부를 나타내는 발광 다이오드 표시기(8)를 포함한다. 발광 다이오드 표시기(87A, 87B)는 리드 스위치(89A, 89B)가 트리거될 때 각각, 밝아진다.
도6, 도7에서 도시한 바와 같이, 디스플레이 장치(70)는 바람직하게 배터리 팩(94)을 포함한다. 배터리들(97)이 있는 크래들/배터리(cradle/battery) 홀더(95)는 디스플레이 삽입물(70)의 내부 공간에 의하여 받아진다. 디스플레이 삽입물(70) 내부의 용수철이 든 접촉들(미도시)은 배터리 팩(94)의 먼 쪽의 종단을 압박하여 사용자가 디스플레이 하우징(90)의 후면 캡(93)을 푸를 때, 배터리팩(94)이 접촉으로부터 떨어지지 않고 후퇴한 후면캡(93)을 향하도록 한다. 그러므로, 용수철이 든 접촉과 배터리 팩(94) 사이의 연결은 하우징(90)으로부터 후면 캡(93)이 완전히 제거되기 전에 깨어진다. 이러한 특성은 방폭구조에서의 감지기의 사용을 제공한다. 절연 패드(99)는 배터리 팩(94)의 중심 종단과 후면캡(93) 사이에서 제공된다.
도8 내지 도11b를 참조하면, 센서 하우징(20)은 센서보드(50)를 갖는다. 센서 보드(50) 상의 마이크로컨트롤러(51)는 자력계 센서(60)로부터 수집된 데이터를 수신하고 통과 이벤트가 발생하였는지를 판단하는 감지 알고리즘(100, 도12 참조)을 실행한다. 종래에 잘 알려진 형태의 마이크로컨트롤러(51)는 디스플레이 장치(70) 또는 다른 시스템과 통신 인터페이스(55)의 수단으로써 통신한다. 바람직한 실시예에서, 인터페이스(55)는 RS485 인터페이스이다. 보드(50)는 또한 비교기(comparator), 아날로그 스위치 어레이 및 AND 게이트 어레이로 구성된 오실레이터(53)를 포함한다.
감지기(10)는 1차원, 2차원, 3차원 또는 n차원 자력계 센서들(60)의 어레이를 사용할 수도 있으며, 자력계 센서(60)들의 어레이는 서로에 관한 방향, 각각의 센서 요소의 분할(separation)이 상이할 수 있으며, 둘 다 상이할 수도 있다. 센서(60)가 사용되는 경우, 도11a 및 11b에서 도시한 바와 같이 직각 방향이 바람직하다. 일반적인 방향을 갖지만 오프셋이 된 센서들(60)은 동시(상호) 알고리즘을 사용하여 감지 프로세스를 향상시키는데 사용될 수도 있다.
다양한 자력계 기술들이 센서(60)에 사용될 수도 있다. 바람직한 실시예에서, 센서(60)는 가변 투자물질을 사용하는 자속 센서이다. 자속의 변화는 자력계의 실효 인덕턴스를 변화시킨다. PNI사(미국, 캘리포니아 산타 로사 소재)에서 제조된 자속 센서가 실효 자속 센서(60)이다.
디지털 신호처리는 감지 프로세스에서 필수적이며, 조정가능한 감지 알고리즘이 바람직한 신호 처리 알고리즘이다. 도12에 도시된 바와 같이, 감지 구성(scheme)은 센서(60)용 실시간 노이즈 추정에 기반한 조정가능한 문턱 감지 프로세스(100)이다. 파라미터 결정과정(parametrization)은 프로세스(100)가 최소의 오류 알람 및 높은 감지 확률을 갖는 다양한 어플리케이션에 적합하도록 하게 한다. 결정적인 파라미터의 바람직한 범위 및 값은 후술할 프로세스(100)의 설명에서 나타난다.
마이크로컨트롤러(51)에 의해 구현되는 감지 프로세스(100)는 후술할 처리 단계들 인 자동 이상치 제거, 계산 및 측정 오프셋 제거, 측정 노이즈의 추정, 히스테리스 유무에 따른 문턱치 설정, 순차적 감지, 이벤트 시간 판별/감지를 포함할 수 있다. 센서(60)들은 프로세싱을 위하여 자력계 데이터(101, 매그 데이터, 또는 매그(mag)를 수집하고 감지 이벤트(103)는 진폭, 지속기간, 이전 이벤트 등을 포함하는 다수의 기준에 의해 결정될 수 있지만, 이에 제한되지는 아니한다. 센서(60)의 반응의 미세 구조는 또한 패턴 인식 기술을 사용함으로써 설명될 수 있다.
매그 데이터(101)는 먼저 이상치 제거 처리 단계(110)에 의하여 처리된다.
[수학식1]
Figure pct00001
도13과 부속 단계 113 내지 117을 참조하자. 측정으로부터 오프셋(베이스라인)을 제거한 이후, 입력은 이상치 제한보다 적거나 동일하게 제한된다. 부호는 작동 동안에 유지된다. SIGNUM 함수는 변수의 부호를 반환한다. MIN 함수는 변수 리스트 중 산술적인 최소값을 리턴한다. 이상치가 없는 자력계 데이터는 그 후 프로세스(100)로 입력되고 저역통과 필터를 통과하여 베이스라인을 추정한다.
베이스라인을 추정하는 처리 단계(130)은 수학식2이다.
[수학식2]
Figure pct00002
도14 및 부속 단계 131 내지 137을 참조하자. 처리 단계(130)는 측정을 위하여 0으로부터의 오프셋을 추정하는데 사용되는 저역통과필터이다. 저역통과필터는 간단한 지수형태이다. 필터의 전달함수는 수학식3과 같다.
[수학식3]
Figure pct00003
시간상수 f의 값은 1 내지 4096의 범위에 있을 수도 있다. 바람직한 f의 값은 128이다. 베이스라인 추정(baseline estimate)은 수학식 4와 같다.
[수학식4]
Figure pct00004
노이즈를 추정하는 처리 단계(150)는 수학식 5와 같다.
[수학식5]
Figure pct00005
도15와 부속 단계 151 내지 163을 참조하자. 감지 프로세스에 의하여 필요한 조정가능한 문턱치 선택을 위한, 노이즈 추정치를 생산하는 저역 통과 필터이다. 노이즈 레벨은 항상 양(+)이나 최소치에 의해 제한된다. 필터의 전달함수는 수학식6과 같다.
[수학식6]
Figure pct00006
시간상수 fn의 값은 1 내지 256 사이의 범위 일 수도 있다. 바람직한 fn의 값은 32이다. 노이즈 추정치는 수학식7과 같다.
[수학식7]
Figure pct00007
입력 자력계 값은 처리단계(170)의 박스카(box car) 저역 통과 필터를 사용하여 원만해진다. 도16의 171 내지 181의 부속 단계를 참조한다. 필터의 구조는 수학식8과 같다.
[수학식8]
Figure pct00008
필터는 진폭 처리(절대값) 이후의 반응을 형성하는데 사용된다. 사각 윈도우(rectangular window)의 길이는 2내지 128의 범위일 수도 있다. 바람직한 구성에서, 길이는 32이다.
입력값 원만화에 이어서, 처리 단계(190)에서 감지 프로세스가 발생한다. 도17 및 부속단계 191 내지 201을 참조한다. 감지 프로세스는 감지기의 이전 값들을 포함하는 순차적인 프로세스이다. 감지기의 현재 값이 오프(off)이고 원만화된 진폭이 상위 문턱치보다 높은 경우, 감지기는 스위치 온(on)된다. 감지기가 온(on)되어 있고 원만화된 진폭이 하부 문턱치보다 적은 경우, 감지기는 스위치 오프(off)된다. 입력의 다른 조건들은 감지값들을 변화시키지 않는다. 방정식 형태는 하기와 같다.
[수학식9a]
Figure pct00009
[수학식9b]
Figure pct00010
[수학식9c]
Figure pct00011
[수학식10a]
Figure pct00012
[수학식10b]
Figure pct00013
p1 및 p2의 값은 1 내지 10의 범위일 수도 있다. 바람직한 p1의 값은 3이다. 바람직한 p2의 값은 1이다.
이벤트 감지에 후속하여 처리단계(210)는 이벤트의 양을 결정하기 위하여 시간을 사용한다. 도18 및 부속 단계 211 내지 221을 참조하자. 후술할 종류의 하나 이상의 필터들은 이벤트를 특성화하는 데 사용되어 단일 또는 복수의 이벤트들이 현존하는지를 결정할 수 있다.
[수학식11]
Figure pct00014
수학식11의 전달함수는 0 또는 1의 값을 갖는 감지 출력 상에서 동작한다. 다양한 길이의 사각 윈도우들이 짧은 이벤트와 긴 이벤트 사이를 구분하기 위하여 사용된다. 감지한도를 통과하는 가장 긴 윈도우는 수학식 12와 같이 단일 이벤트의 양을 나타낸다.
[수학식12]
Figure pct00015
싱글 피그 또는 객체는 복수의 자기장을 나타낼 수 있으며, 잠김 판별기 처리단계(230)는 객체가 통과할 때, 감지기(10)에 의하여 감지된 단일 객체에 복수의 통과 이벤트가 감지되는 것을 방지하기 위하여 사용될 수도 있다. 도19 및 부속단계 231 내지 253을 참조한다. 바람직한 실시예에서, 처리단계(230)은 베이시안(Bayesian) 잠김 추정기를 사용한다. 통과 이벤트가 있는 경우, 감지 타이머가 증가되고 추가적인 감지가 소정의 시간 기간 동안 잠긴다. 소정의 시간 기간이 초과되면, 감지기는 비잠김되어 초기화되고 잠김 타이머는 정지되며 다음 감지 이벤트 전까지 초기화된다. 리드 스위치(89B)와 유사하게, 처리 단계(230)는 원하지 않는 감지를 조정하는 기능을 제공한다.
감지기(10) 및 프로세스(100)가 특정 정도로 기술이 되었지만, 본 발명의 사상과 영역을 벗어나지 않고 구성의 세부사항, 구성요소 또는 단계의 배치에서, 다양한 변형이 만들어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 예시적인 목적으로 본 명세서에서 설명된 실시예들에 의하여 제한되지 않으며, 각각의 구성요소의 균등물 전체 범위를 포함하는 첨부되는 청구항 의 범위에 의하여만 제한된다.
10: 감지기
20: 센서 하우징/모듈
21: 센서 하우징/모듈(20)의 상부 종단
23: 센서 하우징/모듈(20)의 하부 종단
25: 센서 하우징/모듈(20)의 나선 부분
30: 도관 조립체 섹션
31: 채움 마개(fill plug)
33: 필드 와이어링 도관 박스
35: 티(Tee) 피팅
37: 도관 조립체 섹션의 상부 종단
40: 마운팅 베이스(mounting base)
41: 브라켓(bracket)
45: 턴버클(Turnbuckle)
47: 체인(Chain)
50: 센서 보드(Sensor board)
51: 마이크로컨트롤러(Microcontroller)
53: 오실레이터(Oscillator)
55: 통신 인터페이스
60: 자력계 센서
61: 내부 절연 차폐기
63: 외부 차폐기
70: 디스플레이 삽입/모듈
71: 디지털 디스플레이
72: 삽입체
73: 객체 카운트 축적 표시기
74: 삽입체의 슬롯
75: 객체 카운트 기록 표시기
77: 객체 아이콘
79: 최근 리셋 이후의 시간 표시기
81: 기록상 객체 통과 이후의 시간 표시기
83: 전원 상태 표시기
85: 잠김/비잠김 상태 표시기
87: 발광 다이오드
89: 리드 스위치(Reed switch)
90: 디스플레이 하우징
91: 전면 캡(front cap)
93: 후면 캡(rear cap)
94: 배터리 캡
95: 크래들/배터리 홀더(Cradle/ Battery Holder)
97: 배터리들
99: 절연 패드
100: 감지 알고리즘
110: 이상치 감지 알고리즘
130: 베이스라인 추정 알고리즘
150: 노이즈 추정 알고리즘
170: 입력 원만화 알고리즘
190: 감지 이벤트 알고리즘
210: 시간 판별기 알고리즘
230: 잠김 판별기 알고리즘

Claims (46)

  1. 파이프라인의 객체의 통과를 감지하는 시스템에 있어서,
    상기 파이프라인의 외부 표면에 배치되고 적어도 하나의 자력계 센서를 포함하는 감지기;
    상기 적어도 하나의 자력계 센서를 감싸는 차폐기; 및
    상기 적어도 하나의 자력계 센서와 통신하며 조정가능한 문턱 감지 수단을 갖는 마이크로컨트롤러를 갖는, 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자력계 센서에 직각 방향인 제2 자력계 센서를 더 포함하는, 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로컨트롤러와 통신하는 디스플레이 모듈을 더 포함하는, 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 저역 통과 필터를 포함하는 상기 조정가능한 문턱 감지 수단을 더포함하는, 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00016

    인, 시스템
  6. 제5항에 있어서,
    상기 f는 1 내지 4096의 범위인, 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00017

    인, 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 fn은 1 내지 256 범위인, 시스템.
  9. 제4항에 있어서, 상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00018

    인, 시스템
  10. 제9항에 있어서,
    상기 rectangular window의 길이는 2 내지 128 범위인, 시스템.
  11. 제4항에 있어서, 상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00019

    인, 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    감지 방지 수단을 더 포함하는, 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 방지 수단은 리드 스위치인, 시스템
  14. 제12항에 있어서,
    상기 방지 수단은 베이시안 감지 잠김 추정기인, 시스템
  15. 제1항에 있어서,
    상기 파이프라인의 외부 표면에 관하여 감지기의 위치를 조정하는 수단을 더 포함하는, 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 감지기를 받을 수 있는 분리가능하게 부착된 베이스를 더 포함하는, 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    자기 투자(permeable) 차폐기인 상기 차폐기를 더 포함하는, 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    전기 절연차폐기인 상기 차폐기를 더 포함하는, 시스템
  19. 제1항에 있어서,
    백업 전원을 더 포함하되,
    상기 백업 전원은 주변 환경의 노출에 앞서 전기 접촉을 차단하는 구성인, 시스템.
  20. 파이프라인 내부의 객체의 통과를 감지하는 방법에 있어서,
    파이프라인의 외부 표면 주위에 적어도 하나의 자력계를 배치하는 단계;
    상기 적어도 하나의 자력계 센서로부터 자속 데이터를 수집하는 단계;
    조정가능한 문턱 감지 알고리즘을 통해 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계; 및
    통과 이벤트를 감지하는 단계를 포함하는, 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는, 적어도 하나의 저역통과필터를 통해 자속 데이터를 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는, 이상치(outlier)가 없는 자속데이터 스트림을 제공하기 위하여 상기 자속 데이터 스트림으로부터 이상치 데이터를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 이상치 데이터를 제거하는 단계는,
    상기 자속 데이터 스트림으로부터 베이스라인을 제거하는 단계; 및
    이상치 제한보다 크지 않게 상기 자속 데이터 스트림을 제한하는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제22항에 있어서,
    베이스라인을 추정하기 위하여 제1저역통과필터를 통하여 상기 이상치 데이터를 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00020

    인, 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 f는 1 내지 4096의 범위인, 방법.
  27. 제22항에 있어서,
    노이즈 추정치를 생성하기 위해 저역통과필터를 통해 이상치가 없는 자속 데이터 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00021

    인, 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 fn은 1 내지 256 범위인, 방법.
  30. 제22항에 있어서,
    이상치가 없는 자속 데이터 스트림의 원만화된 진폭을 생성하기 위해, 저역 통과필터를 통해 이상치 없는 자속 데이터 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00022

    인, 방법.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 rectangular window의 길이는 2 내지 128 범위인, 시스템.
  33. 제22항에 있어서,
    상기 이상치가 제거된 자속 데이트 스트림의 진폭을 감지 제한 세트와 비교하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    감지 이벤트의 길이를 결정하기 위해 적어도 하나의 저역 통과 필터를 통해 원만화된 진폭을 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 저역통과필터의 전달함수는
    Figure pct00023

    인, 방법.
  36. 제20항에 있어서,
    상기 감지 이벤트에 반응하여 카운터를 증가시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  37. 제20항에 있어서,
    상기 감지 이벤트를 디스플레이하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  38. 제20항에 있어서,
    상기 통과 이벤트에 기반하여 원격장치를 시그널링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  39. 제20항에 있어서,
    비통과 이벤트의 감지를 방지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  40. 제39항에 있어서,
    적어도 하나의 자력계 센서를 잠그는 부속단계를 포함하는 상기 방지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  41. 제39항에 있어서,
    상기 통과 이벤트 이후 소정의 시간 기간 동안 감지기를 잠그는 부속 단계를 포함하는 상기 방지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  42. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는, 노이즈 추정치를 추정하는 부속 단계를 더 포함하는, 방법.
  43. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는, 자속 데이터 스트림의 진폭을 원만하게 하는 부속단계를 더 포함하는, 방법.
  44. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는,
    상부 감지 문턱값 및 하부 감지 문턱값을 결정하는 단계;
    상기 상부 감지 문턱값, 상기 하부 감지 문턱값 중 적어도 어느 하나와 상기 자속 데이터 스트림의 원만화된 진폭과 비교하는 단계; 및
    상기 비교의 결과에 기반하여 감지기 값을 업데이트하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  45. 제44항에 있어서,
    각각의 감지 문턱값은 노이스 추정의 복수의 p이며, p는 1 내지 10의 범위인, 방법.
  46. 제20항에 있어서,
    상기 자속 데이터 스트림을 처리하는 단계는,
    감지 이벤트의 시간 길이를 결정하는 부속단계를 더 포함하는, 방법.
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