KR20210098437A

KR20210098437A - 센서 장치

Info

Publication number: KR20210098437A
Application number: KR1020217013341A
Authority: KR
Inventors: 벤자민 윌킨슨; 토마스 채니; 라이안 트리포디
Original assignee: 우드사이드 에너지 테크놀로지스 피티와이 리미티드
Priority date: 2018-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-08-10
Also published as: US12001198B2; CA3114676A1; WO2020069579A1; JP7454565B2; AU2019352637A1; EP3861444A4; JP2022504363A; SG11202103430UA; CN113196240A; US20210223763A1; EP3861444A1; CN113196240B

Abstract

센서에 인접한 감지된 시간 의존적 특성을 나타내는 시간 도메인 데이터를 생성하도록 구성된 센서, 및 신호 처리 구성요소를 포함하는 센서 장치가 개시되고, 신호 처리 구성요소는 시간 도메인 데이터를 사용하여 시간 도메인 데이터에 존재하는 주파수 구성요소를 나타내는 주파수 영역 데이터를 생성하도록 구성된다. 센서 장치는 또한 주파수 도메인 데이터의 적어도 일부를 전송하도록 구성된 데이터 전송 구성요소를 포함한다. 센서 장치는 주파수 도메인 데이터에서 정의된 최고 피크 수에 대응하는 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하고 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성된다.

Description

센서 장치

본 발명은, LNG 플랜트 구성요소의 진동 및 온도 특성과 같은, 산업 시설에서 구성요소의 작동 특성을 감지하기 위한 센서 장치, 복수의 이러한 센서 장치를 포함하는 센서 네트워크, 및 산업 시설에서 구성요소의 작동 특성 감지하는 방법에 관한 것이다.

산업 시설의 구성요소의 진동, 온도 등의 작동 특성을 감지할 수 있는 센서 장치가 제공되는 것으로 알려져 있으며, 일반적으로 이러한 센서 장치는 분석을 위해 캡처된 온도 및 진동 신호를 원격 시설에 전달하도록 구성된다. 일반적으로, 이러한 장치는 적어도 산업 시설 근처에서 신호를 통신하기 위해, 예를 들어, 802.11x, LTE, 또는 802.15.4 프로토콜에 기반한 기존 케이블링 또는 무선 통신 장치를 사용한다.

통신에 필요한 캡처된 데이터의 양이 크기 때문에, 작동 특성을 감지하기 위한 기존 센서 장치는 일반적으로 상대적으로 정교해야 한다. 기존 센서 장치 역시 비싸고 상대적으로 많은 양의 전력을 소비하는 경향이 있어 장치의 수명이 2년 정도, 경우에 따라 몇 개월 정도가 되고 일반적으로 많은 수의 센서 장치가 사용되기 때문에 산업 시설에 큰 부담이 된다.

또한, 802.11x, LTE 또는 802.15.4 프로토콜을 기반으로 하는 기존의 통신 케이블링 및 통신 장치는 많은 장치를 지원하는 데 필요한 인프라로 인해 산업 시설에 센서 장치를 제공하는 데 비용이 많이 든다.

또한, 802.11x와 같은 프로토콜에 기반한 무선 통신 장치는 상대적으로 높은 반송파 주파수(일반적으로 2.4GHz), 및 관련된 제한된 범위(일반적으로 100m 미만)와 장애물, 특히 금속 장애물을 통한 낮은 침투 특성을 가지고 있다.

따라서, 산업 시설에서 구성요소의 작동 특성을 감지하기 위한 기존 센서 장치는 비용이 많이 들고 비효율적이며 구현에 문제가 있다.

본 발명의 제1 측면에 따르면,

센서-여기서 센서는 센서에 인접한 감지된 시간 의존적 특성을 나타내는 시간 도메인 데이터를 생성하도록 구성됨-;

시간 도메인 데이터 내에 존재하는 주파수 구성요소를 나타내는 주파수 도메인 데이터를 생성하기 위해 시간 도메인 데이터를 사용하도록 구성된 신호 처리 구성요소; 및

주파수 도메인 데이터의 일부를 전송하도록 구성된 데이터 전송 구성요소를 포함하는 센서 장치가 제공되고,

센서 장치는 정의된 기준에 기초하여 주파수 도메인 데이터로부터 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하고, 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성된다.

일 실시예에서, 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 주파수 도메인 데이터에서 주파수 피크의 정의된 수에 대응한다.

일 실시예에서, 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 주파수 피크의 정의된 수에 대응한다.

일 실시예에서, 센서는 시간 도메인 데이터가 생성되는 데이터 캡처의 적어도 일부 인스턴스에 대해 단일 데이터 패킷에서 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성된다.

일 실시예에서, 주파수 피크의 정의된 수는 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 데이터의 양에 따라 결정된다.

일 실시예에서, 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 33개의 주파수 피크에 대응한다.

일 실시예에서, 센서 장치는 또한 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트 이외에 다른 데이터를 전송하도록 구성된다.

일 실시예에서, 다른 데이터의 양은 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 데이터의 양에 따라 결정된다.

일 실시예에서, 다른 데이터는:

최대 피크 가속 진폭;

최소 피크 가속 진폭;

평균 가속 진폭;

시간 도메인 가속 파고율(crest factor);

주파수 도메인 rms 값;

주파수 영역 양의 피크 평균값;

주파수 영역 음의 피크 평균값;

가속 주파수 영역 데이터를 통합하여 도출된 피크 속도 데이터값-여기서, 예를 들어, 각각의 속도값은 빈(bins)의 세트의 빈 내에 있는 여러 최대값 중 하나임-; 및/또는

센서가 부착된 구성요소의 회전부의 회전 속도 중 어느 하나 이상을 포함한다.

일 실시예에서, 센서는 진동 센서에 인접한 진동을 나타내는 시간 도메인 진동 데이터를 생성하도록 구성된다.

일 실시예에서, 센서는 시간 도메인 가속 데이터, 시간 도메인 속도 데이터, 및/또는 시간 도메인 변위 데이터를 생성하도록 구성된다.

일 실시예에서, 데이터 전송 구성요소는 LPWAN 프로토콜을 사용하도록 구성된다. LPWAN 프로토콜은 LoRaWAN 프로토콜일 수 있다.

일 실시예에서, 센서 장치는 신호 처리 구성요소 및 데이터 전송 구성요소와 분리된 외부 메모리를 포함하고, 센서 장치는 시간 도메인 데이터를 외부 메모리에 저장하며 처리를 위해 상기 시간 도메인 데이터를 신호 처리 구성요소에 로드하도록 구성된다. 센서 장치는 시간 도메인 데이터가 여러 배치(batches)에서 처리될 수 있도록 시간 도메인 데이터의 연속적인 부분을 신호 처리 구성요소로 로드하도록 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 정의된 주파수 대역에서 선택된다.

일 실시예에서, 센서 장치는 정의된 전원 관리 기준에 기반하여 적어도 하나의 센서 장치 구성요소에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성된 전원 관리자를 포함한다. 적어도 하나의 센서 장치 구성요소는 센서, 하나 이상의 센서 포트, 신호 처리 구성요소 및 데이터 전송 구성요소와 분리된 외부 메모리, 및/또는 재 프로그래밍 포트를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 정의된 전원 관리 기준은, 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나의 센서 장치 구성요소가 사용되지 않을 때, 적어도 하나의 센서 장치 구성요소에 대한 전원이 차단되도록 할 수 있다.

일 실시예에서, 정의된 전원 관리 기준은 웨이크업 및 슬립(sleep) 시간을 정의함으로써, 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 대한 전원이 웨이크업 시간 동안에 연결되게 하며, 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 대한 전원이 슬립 시간 동안 차단되게 한다.

일 실시예에서, 센서 장치는 전원 관리자의 활성화 신호에 응답하는 적어도 하나의 전원 스위치를 포함하고, 전원 스위치는 활성화 신호에 응답하여 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 전원이 공급되며 활성화 신호가 없을 때 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 전원이 공급되지 않도록 구성된다. 적어도 하나의 전원 스위치는 MOSFET일 수 있는 적어도 하나의 FET를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 전원 관리자는 데이터 전송 구성요소의 사용을 제어하기 위해 정의된 기준에 따라 데이터 전송 구성요소에 의해 주파수 도메인 데이터의 전송을 제어하도록 구성된다.

일 실시예에서, 전원 관리자는 버퍼 내의 데이터 양이 데이터 전송 구성요소에 의해 사용되는 데이터 패킷의 페이로드(payload)를 채우기에 충분할 때까지 버퍼를 점진적으로 데이터로 채우며, 버퍼에 충분한 데이터가 존재할 때 버퍼 내의 데이터가 데이터 전송 구성요소에 의해 전송되도록 구성된다.

일 실시예에서, 전원 관리자는 적어도 하나의 정의된 기준이 충족되면 데이터 패킷을 채우기에 충분한 데이터가 있는지 여부에 관계없이 데이터를 전송하도록 구성된다.

적어도 하나의 정의된 기준에는 센서와 관련된 최대 및/또는 최소 허용값이 포함될 수 있고, 전원 관리자는 센서와 관련된 현재값이 최대 또는 최소값을 초과하는 경우 현재값이 전송되도록 구성될 수 있다.

적어도 하나의 정의된 기준은 센서와 관련된 최대 허용 가능한 차이값을 포함할 수 있고, 최대 허용 가능한 차이값은 현재값과 대응하는 이전값 간의 차이량을 나타내며, 전원 관리자는 전류 차이값이 최대 차이값을 초과하면 현재값을 전송하도록 구성된다.

일 실시예에서, 센서 장치는 모니터링된 구성요소가 수신된 센서값을 기반으로 예상대로 작동하고 있음을 나타내기 위해 하트비트(heartbeat) 통신을 전송하도록 그리고 적어도 하나의 정의된 기준이 충족되면 주파수 도메인 데이터를 전송하도록 구성된다.

일 실시예에서, 신호 처리 구성요소는 시간 도메인 데이터를 사용하여 FFT 데이터를 생성하기 위해 고속 푸리에 변환(FFT) 프로세스를 수행하도록 구성된다.

센서 장치는 시간 도메인 데이터 샘플을 생성하도록 구성된 샘플러를 포함 할 수 있고, 신호 처리 구성요소는 시간 도메인 샘플 내에 존재하는 주파수 구성요소를 나타내는 주파수 도메인 데이터를 생성하기 위해 시간 도메인 데이터 샘플을 사용하도록 구성된다.

일 실시예에서, 센서 장치는 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함하고, 데이터 전송 구성요소는 적어도 하나의 추가적인 센서로부터 도출된 센서 데이터의 적어도 일부를 전송하도록 구성된다. 적어도 하나의 추가적인 센서는 온도 센서를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 센서는 서로 직교하는 3개의 축에서 진동을 감지하도록 구성 될 수 있는 가속도계를 포함한다.

일 실시예에서, 가속도계는 가속도, 속도, 또는 변위를 나타내는 시간 영역 데이터를 생성하도록 구성된다.

일 실시예에서, 센서 장치는 SoC(System on Chip) 장치의 일부를 형성하는 프로세서를 포함하며, SoC 장치는 데이터 전송 구성요소를 포함한다.

일 실시예에서, 센서 장치는 SoC 장치의 데이터 입력과 센서 장치의 구성요소 간을 다중화하는 디코더를 포함한다.

일 실시예에서, 센서 장치는 센서 장치와 관련된 고유 식별자를 나타내는 머신 판독 가능 코드를 포함한다. 머신 판독 가능 코드는 QR 코드를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 센서 장치의 구성요소가 주변 조건으로부터 격리되도록, 센서 장치의 구성요소가 캡슐화된다.

일 실시예에서, 센서 장치는 배터리로부터 센서 장치의 모든 전기 구성요소으로의 전력 공급을 제어하도록 구성된 본질 안전 스위치(intrinsically safe switch)를 포함한다. 본질 안전 스위치는 리드(reed) 스위치와 리드 스위치에 인접하게 배치된 리세스 내에 수용 가능한 자석을 포함할 수 있고, 자석이 리세스 내에 수용되지 않을 경우, 리드 스위치가 폐쇄되며, 자석이 리세스 내에 수용되는 경우, 자석에 의해 제공된 자기력이 리드 스위치를 개방시킨다.

일 실시예에서, 센서 장치는 센서 장치를 산업 시설 구성요소에 부착하기 위한 자기 풋(magnetic foot)과 같은 적어도 하나의 자기 부분(magnetic portion)을 포함한다.

본 발명의 제2 측면에 따르면,

본 발명의 제1 측면에 따른 복수의 센서 장치;

센서 장치의 데이터 전송 구성요소로부터 데이터 전송을 용이하게 할 수 있는 통신 네트워크; 및

데이터 전송 구성요소로부터의 데이터 전송이 원격 시설에서 수신될 수 있도록, 통신 네트워크를 통해 복수의 센서 장치와 네트워크 통신하는 원격 시설을 포함하는 센서 네트워크가 제공된다.

본 발명의 제3 측면에 따르면, 센서 장치를 사용하여 구성요소의 동작 특성을 감지하는 방법이 제공되며, 방법은:

구성요소 상에 센서 장치를 배치하는 단계;

센서에 인접한 감지된 시간 의존적 특성을 나타내는 시간 도메인 데이터를 생성하도록 구성된 센서를 센서 장치에 제공하는 단계;

시간 도메인 데이터를 사용하여 주파수 도메인 데이터-여기서 주파수 도메인 데이터는 시간 도메인 데이터에 존재하는 주파수 구성요소를 나타냄-를 생성하기 위해 센서 장치의 신호 처리 구성요소를 사용하는 단계;

센서 장치의 데이터 전송 구성요소를 사용하여 주파수 도메인 데이터의 일부를 전송하는 단계를 포함하고,

센서 장치는 주파수 도메인 데이터로부터 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하고 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성된다.

이제 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로서만 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 센서 장치의 개략도이다.
도 2는 본질 안전 스위치를 보여주는 도 1의 센서 장치의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 1 및 2에 도시된 복수의 센서 장치를 포함하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 센서 네트워크의 개략도이다.
도 4는 도 1과 2에 도시된 센서 장치의 구성요소를 보여주는 블록 다이어그램이다.
도 5는 도 1 및 2에 도시된 센서 장치의 프로세서에 의해 구현된 기능적 구성요소 및 기능적 구성요소의 다이어그램 표현이다.
도 6a 내지 6c는 3축 가속도계에서 캡처된 원시 샘플 진동 데이터이다.
도 7a 내지 7c는 도 6a 내지 6c에 표시된 원시 샘플 진동 데이터로부터 획득된 FFT 데이터를 나타낸다.
도 8은 도 1 내지 도 5에 도시된 센서 장치의 작동 과정을 나타내는 흐름도이다.

도면을 참조하면, 도 1에서, 산업 시설에서 구성요소의 작동 특성, 이러한 예에서는 LNG 플랜트에서 구성요소의 진동 및 온도 특성을 얻기 위해 산업 시설에서 사용하기에 적합한 센서 장치(10)가 도시되어 있다. 이러한 구성요소는, 예를 들어, 압축기, 펌프, 모터 및 팬을 포함하는 적어도 하나의 이동부; 열교환기; 스위치 기어; 및 구조 모니터링 장치를 포함하는 구성요소를 포함할 수 있다. 구성요소의 속도 및/또는 변위를 포함하는 다른 작동 특성이 추가적으로 또는 대안적으로 획득될 수 있다.

센서 장치(10)는, 구성요소가 주변 조건으로부터 격리되도록 센서 장치의 구성요소를 캡슐화하는 하우징(12)을 포함하고, 이러한 예 4에서, 이러한 예에서는 센서 장치(10)의 자석을 모니터링을 하도록 의도된 특성이 있는 산업 시설 내의 구성요소에 부착하는 것을 용이하게 하기 위한 자석인 복수의 피트(feet)(14)를 포함한다. 자석 부착의 대안으로, 센서 장치(10)는, 예를 들어, 케이블 타이를 사용하여 임의의 다른 방식으로 산업 시설 구성요소에 부착될 수 있음이 이해될 것이다.

이러한 예에서, 식별 표시는, 예를 들어, 시운전 프로세스의 일부로 센서 장치를 고유하게 식별하기 위해 하우징(12) 상에 배치되고, 센서 장치(10)를 센서 장치가 모니터링할 특정 산업 시설 구성요소와 연관시키는 것이 바람직하다. 이러한 예에서, 식별 표시는 QR 코드(16)와 같은 머신 판독 가능 코드를 포함한다.

센서 장치(10)는 또한 센서 장치(10)의 구성요소에 전원을 연결하거나 구성요소로부터의 전원을 차단함으로써 센서 장치를 활성화 또는 비활성화하는 역할을하는 본질 안전 스위치(17)를 포함한다. 이러한 예에서, 본질 안전 스위치(17)는 리드 스위치(18) 및 리드 스위치(18)에 인접하게 배치된 긴 리세스(22) 내에 수용될 수 있는 긴 자석(20)을 포함한다. 구성은 자석(20)이 리세스(22) 내에 수용되지 않을 때 리드 스위치(18)가 폐쇄되고, 자석(20)이 리세스(22) 내에 수용될 때 자석에 의해 제공되는 자력으로 인해 리드 스위치(18)가 개방되도록 한다.

본질 안전 스위치(17)는, 사용자에 의한 센서 장치를 활성화 및 비활성화하기 위한 효과적인 장치를 제공하면서, 센서 장치 구성요소가 캡슐화된 상태로 유지되고 주변으로부터 격리될 수 있도록 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

대안적인 구성에서, 센서 장치의 활성화 및 비활성화를 용이하게 하기 위한 리드 스위치(18)와 자석(20)을 사용하는 대신, 센서 장치는, 예를 들어, 전압 분배기의 저항을 사용하여 스위치 전류가 제한되는 기계적 스위치 및 MOSFET을 포함할 수 있다.

복수의 산업 시설, 이러한 예에서는 2개의 산업 시설(32a, 32b)에 배치된 복수의 센서 장치(10a, 10b)를 보여주는 센서 네트워크(30)가 도 3에 도시되어 있다.

각각의 산업 시설(32a, 32b)은 복수의 산업 시설 구성요소(34a, 34b)를 포함하며, 이들 각각은, 이러한 예에서 자석 피트(14)를 사용하는, 산업 시설 구성요소에 부착된 관련 센서 장치(10a, 10b)를 구비한다.

각각의 센서 장치(10a, 10b)는, 이러한 예에서는 방화벽(38a, 38b)을 통해, 복수의 센서 장치(10a, 10b)로부터 무선 통신을 수신하고 로컬 서버(40a, 40b)와 무선으로 통신하기 위해 구성된 게이트웨이(36a, 36b)와 통신한다. 각각의 로컬 서버(40a, 40b)는, 예를 들어, 센서 장치(10a, 10b)로부터 수신된 데이터를 분석하는 데 사용될 수 있는 공통 원격 분석 시설(44)이 있는 인터넷(42)과 같은 광역 네트워크를 통해 기존 방식으로 통신한다.

이러한 예에서, 분석 시설(44)은, 로컬 터미널(50)에 의해 직접적으로 또는 원격 터미널(52)에 의해, 예를 들어 인터넷(42)을 통해, 원격으로 액세스 가능한 방화벽(46) 및 원격 서버(48)를 포함한다.

각각의 산업 시설(32a, 32b)에서의 통신 네트워크는 저전력에서 (그러나 낮은 비트 전송률에서) 장거리 통신을 용이하게 하기 위해 구성되는 저전력 광역 네트워크(LPWAN)에 따라 구성된다. LPWAN은 일반적으로 최대 10km의 범위를 가지며 채널당 약 0.3kbit/s에서 50kbit/s의 비트 전송률을 가지며, LPWAN 기반 장치는 일반적으로 배터리 교체가 필요하기 전에 10년 이상 작동할 수 있다. 본 예에서는, 다른 LPWAN 프로토콜이 사용될 수 있음이 이해될지라도, 저전력, 장거리, 용이하게 확장 가능한 LoRaWAN 무선 통신 네트워크 프로토콜이 사용된다.

호주의 LoRaWAN은 915 내지 930MHz 캐리어 주파수를 사용하여 작동한다. LoRaWAN 프로토콜을 사용하는 통신 네트워크는 약 16km 거리에서 통신할 수 있으며, LoRaWAN 신호는, 예를 들어, 802.11x 프로토콜 신호보다 밀도가 높은 금속 환경을 더 용이하게 통과한다. 또한, LoRaWAN 프로토콜은 802.11x, LTE 및 802.15.4 프로토콜과 비교하여 확장성이 뛰어난 네트워크를 제공하는 각각의 게이트웨이에 수천 개의 노드를 연결할 수 있게 하는 확산 신호 처프 기술(spread signal chirp technology)을 사용한다.

또한, LPWAN 프로토콜을 사용하는 장치는 예를 들어 802.11x, LTE 또는 802.15.4 프로토콜을 사용하는 장치보다 훨씬 적은 전력을 사용하기 때문에, 본 센서 장치(10a, 10b)의 전력 소비는 지금까지 알려진 관련 센서 장치보다 상당히 적다.

또한, LPWAN 프로토콜을 사용하는 통신 네트워크의 구성요소는 802.11x, LTE 또는 802.15.4 네트워크에 필요한 구성요소보다 훨씬 저렴하기 때문에, 본 센서 장치(10a, 10b)는 지금까지 알려진 관련 센서 장치보다 상당히 저렴하다.

그러나, LPWAN은 예를 들어 802.11x보다 훨씬 낮은 주파수를 사용하기 때문에, 데이터를 전송하기 위해 센서 장치(10)에서 이용 가능한 대역폭은 802.11x에 비해 상당히 감소한다.

도 4를 참조하면, 센서 장치(10)의 구성요소(60)가 도시되어 있다. 구성요소들(60) 간의 상호 연결은 데이터 연결(70) 및 전원 연결(72)을 포함한다.

구성요소(60)는 프로세서(64) 및 관련 내부 메모리(66)를 갖는 통신 시스템 온 칩(communications system on a chip, SoC) 장치(62), 및 RF 신호를 게이트웨이(36)에 무선으로 송신하고 게이트웨이(36)로부터 RF 신호를 무선으로 수신하도록 구성된 무선 주파수 모뎀(68)을 포함한다. 이러한 예에서, 적절한 SoC 장치가 고려된다는 것이 이해될 것이라도, SoC 장치(62)는 Arm Cortex 3 마이크로컨트롤러를 포함하는 Multitech xDot 장치이다.

매우 낮은 전력 사용 특성을 갖는 SoC가 선택되었으나, 그 결과 내부 메모리(66)의 양이 너무 적어서 원하는 수의 진동 데이터 샘플을 처리할 수 없다. 이러한 이유로, 외부 메모리(90)도 포함된다.

구송요소(60)는 이러한 예에서 3.7V 배터리인 배터리(74), 및 배터리 전압을 모니터링하고 예를 들어 배터리 전압을 나타내는 통신을, 예를 들어 주기적으로 분석 시설(44)에 송신하도록 구성된 배터리 모니터링 장치(76)를 포함한다.

구성요소(60)는 또한 활성화 신호의, 활성화 신호의 수신에 응답하여 배터리(74)로부터 프로세서(64), RF 모뎀(68), 및 디코더(82)에 전력을 제공하는, 제1 전원 스위치(80)로의 통신을 제어하도록 구성된 본질 안전 스위치(17)를 포함한다.

이러한 예에서, 제1 전원 스위치(80)는 MOSFET과 같은 FET 장치를 포함한다.

유사하게, 활성화 신호 수신에 대한 응답하여, 제2 전원 스위치(84)가 배터리(74)로부터 가속도계(86), 온도 센서(88), 외부 메모리(90), 재 프로그래밍 포트(92), 제1 센서 포트(94), 및 제2 센서 포트(96)에 전력을 제공하도록, 제2 전원 스위치(84)는 프로세서(64)로부터의 활성화 신호에 응답한다.

이러한 예에서, 제2 전원 스위치(84)는 MOSFET과 같은 FET 장치를 포함한다.

SoC 장치(62)는 매우 낮은 고유 전력 사용 특성을 가지는 반면에, 구성요소가 사용되고 있지 않을 경우 센서 장치(10)의 전력 사용 프로파일은 제2 전원 스위치(84)를 사용하여 센서 장치(10)의 구성요소로부터 전원을 능동적으로 제거함으로써 낮은 레벨로 유지된다는 것이 이해될 것이다.

선택된 SoC 장치(62)의 형태 및 센서 장치(10)의 전원 관리 장치에 기초하여, 본 센서 장치(10)는 10년 정도의 생산 수명을 가질 것으로 예상된다.

SoC 장치(62)에 연결된 유효한 포트 수가 증가할 수 있도록 디코더(82)가 포함되며, 디코더(82)는 SoC 장치(62)와 가속도계(86)/외부 메모리(90)/제1 센서 포트(94)/ 및 제2 센서 포트(96) 간의 데이터 입력에서 멀티플렉서로 기능한다. 디코더(82)는 디코더(82)의 다중화 기능을 제어하기 위해 프로세서(64)의 칩 선택 제어 라인(Chip Select control line)을 사용할 수 있다.

가속도계(86)는 진동을 감지하고 진동을 나타내는 신호를 생성하도록 구성된다. 이러한 예에서, 가속도계(86)는 서로 직교하는 3개의 축에서 진동을 감지하고 x, y, 및 z 직교 진동을 나타내는 3개의 신호를 생성한다. 진동을 나타내는 신호는 가속도, 속도, 및/또는 변위를 나타내는 신호일 수 있으며, 이러한 예에서는 서로 직교하는 3개의 방향으로 표시된다.

이러한 예에서, 임의의 적절한 가속도계가 예상된다는 것이 이해될 것이라 하더라도, 가속도계(86)는 ADXL345 MEMS 기반 가속도계이다.

가속도계(86)로부터 수신된 원시 진동 신호를 나타내는 데이터는 프로세서(64)의 제어하에 외부 메모리(90)에 임시로 저장되고, 고속 푸리에 변환(FFT) 프로세스가 프로세서(64)에 의해 진동 데이터에 대해 수행될 수 있도록 진동 데이터는 후속적으로 프로세서 내부 메모리(66)로 로드된다. 이러한 예에서, 수행된 FFT 프로세스는 가속도계(86)에 의해 생성된 원시 진동 신호를 샘플링하여 얻은 약 65,536개의 진동 데이터 포인트를 기반으로 한다.

LPWAN과 관련된 대역폭, 이러한 예에서는 LoRaWAN, 프로토콜이 많은 양의 샘플링된 진동 데이터를 전송할 수 없을 정도로 낮으나 대역폭이 FFT 분석 결과를 나타내는 데이터를 전송하기에 충분하기 때문에, 센서 장치(10)에 의한 온보드 FFT 분석이 필요하다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 센서 장치(10)에 대한 FFT 분석의 구현은 정보가 풍부한 비교적 작은 데이터 세트가 전송될 수 있게 한다. 이러한 예에서, 전송된 데이터 세트는 LoRaWAN 패킷 페이로드의 크기이므로 200바이트 정도이다.

이러한 예에서, 임의의 적절한 온도 센서가 고려된다는 것이 이해될 것이라도, 온도 센서(88)는 DS18B20 온도 센서이다.

이러한 예에서, 외부 메모리(90)는 4Mb의 SRAM이며, 임의의 적절한 외부 메모리가 예상된다는 것을 이해할 것이라도, SRAM은 휘발성이며 플래시 메모리와 달리 많은 수의 기록을 견딜 수 있기 때문에 SRAM이 사용된다.

재 프로그래밍 포트(94)는, 예를 들어, SoC 장치(62)를 재 프로그래밍하기 위해 센서 장치(10)와 직접 통신하는데 사용된다.

제1 및 제2 센서 포트(94, 96)는 다른 센서, 예를 들어 오디오 센서에 연결하기 위한 것이다.

도 5를 참조하면, 프로세서(64)에 의해 구현되는 기능적 구성요소(100)가 도시된다. 프로세서(64)는 프로세스를 구현하고 데이터를 일시적으로 저장하는 데 사용되는 관련된 임시 메모리(66)를 포함한다. 프로세서(64)는 또한, 예를 들어, 비 휘발성 메모리(미도시)에 저장된 프로그램을 사용하여 프로세스를 구현한다.

프로세서(64)에 의해 구현된 기능적 구성요소(100)는:

온도 센서(88)로부터 온도를 나타내는 데이터의 캡처를 제어 및 조정하고, 캡처된 온도 데이터를 외부 메모리(90)에 저장하도록 구성된 데이터 캡처기(102);

가속도계(86)로부터의 진동 데이터 샘플의 캡처를 제어 및 조정하고 샘플을 외부 메모리(90) 내에 저장하도록 구성된 샘플러(104);

FFT 진동 데이터를 생성하고 FFT 진동 데이터를 외부 메모리(90)에 저장하기 위해, 샘플링된 진동 데이터에 대해 고속 푸리에 변환을 구현하도록 구성된 고속 푸리에 변환(FFT) 구현기(106);

특히 제2 전원 스위치(84)를 사용하여 센서 장치 구성요소(60)의 일부에 대한 전원 공급을 관리함으로써, 센서 장치(10)에 의한 전력 사용을 관리하도록 구성된 전원 관리자(108);

프로세서(64)와 외부 메모리(90) 간의 데이터 전송을 관리하도록 구성된 데이터 핸들러(110); 및

RF 모뎀(68)을 제어하고 RF 모뎀에 의한 데이터의 송수신을 조정하도록 구성된 송신기 제어기(112)를 포함한다.

기능적 구성요소(100)는 또한, 예를 들어:

온도 센서(88)로부터의 온도를 나타내는 데이터 캡처 타이밍;

가속도계(86)로부터의 진동 데이터 샘플의 캡처 타이밍 및 샘플링 속도를 포함하는 샘플링 특성;

FFT 특성;

전송을 위해 RF 모뎀(68)에 제공될 FFT 진동 데이터로부터 도출된 데이터 세트를 정의하는 특성을 포함하는 전송 데이터 특성; 및

절전 및 웨이크 시간을 포함하는 전원 관리 특성, 및 RF 모뎀(68)에 의해 수행되는 전송 횟수를 최소화하기 위한 구성과 관련된 구성 설정(114)을 포함한다.

이러한 예에서, 임의의 적절한 데이터 캡처 타이밍 체제가 예상된다는 것이 이해될 것이라도, 설정은 온도를 나타내는 데이터가, 15분마다와 같이, 주기적으로 캡처되도록 정의한다.

이러한 예에서, 임의의 적절한 데이터 캡처 타이밍 체제가 예상된다는 것이 이해될 것이라도, 설정은 진동 데이터 샘플이 15분마다와 같이 주기적으로 캡처되도록 정의한다. 이러한 예에서, 적절한 샘플링 속도가 예상된다는 것을 알 수 있다고 하더라도, 샘플링 속도는 약 3.2kHz 이다.

이러한 예에서, 임의의 적절한 FFT 알고리즘이 예상된다는 것을 이해할 것이라도, FFT 구현자(106)는 Cooley-Tukey 알고리즘을 사용한다.

이러한 예에서, 전송을 위해 FFT 진동 데이터로부터 데이터 세트를 선택하기 위해 임의의 적절한 기준이 사용될 수 있음이 이해되더라도, RF 모뎀(68)에 의한 전송을 위해 FFT 진동 데이터에서 도출된 데이터 세트는 정의된 주파수 피크 수, 예를 들어 FFT 진동 데이터에서 33개의 최고 주파수를 기반으로 선택된다. 예를 들어, 데이터 세트는 정의된 주파수 대역 내의 정의된 수의 주파수 피크에 기초하여 선택될 수 있다. 대안적으로, 전송을 위한 데이터 세트는 최대 피크 수까지 정의 된 값을 초과하는 모든 피크와 같은 정의된 기준을 기반으로 할 수 있다.

이러한 예에서, 리세스(22)로부터 자석(20)을 제거함으로써 센서 장치(10)를 활성화한 후, 센서 장치(10)의 전원 관리는 프로세서(64)에 의해 관리되는 전원 관리 특성에 기반하여 제2 전원 스위치(84)에 의해 제어된다. 전원 관리 특성은 가속도계(86), 온도 센서(88), 외부 메모리(90), 재 프로그래밍 포트(92), 제1 센서 포트(94), 및 제2 센서 포트(96)의 구성요소 중 어느 하나에서 동작을 수행해야 하는 경우에만 이들에 전원이 공급됨을 정의할 수 있다. 예를 들어, 구성 설정이 온도 및 진동 데이터를 캡처해야 함을 나타내는 경우 전원 관리 특성은 전원이 구성요소에 제공된다는 것을 정의할 수 있고, 온도 데이터 및 FFT 진동 데이터가 RF 모뎀(68)에 의해 전송된 후 전원이 구성요소로부터 제거된다.

원시 진동 데이터와 FFT 진동 데이터의 예는 도 6과 7에 도시되어 있다.

도 6a 내지 6c는 가속도계(86)로부터 캡처된 원시 샘플 진동 데이터를 나타낸다. 도 6a는 x축의 원시 샘플 진동 데이터를 도시하고, 도 6b는 y축의 원시 샘플 진동 데이터를 도시하며, 도 6c는 z축의 원시 샘플 진동 데이터를 도시한다.

도 7a 내지 7c는 도 6a 내지 6c에 표시된 원시 샘플 진동 데이터에서 얻은 FFT 데이터를 도시한다. 도 7a는 x축의 FFT 데이터를, 도 7b는 y축의 FFT 데이터를, 도 7c는 z축의 FFT 데이터를 도시한다.

이러한 예에서, 각각의 FFT x, y, 및 z축 데이터에 대해, 33개의 최고 피크에 대응하는 데이터는 RF 모뎀(68)을 사용하여 선택되고 원격 분석 시설(44)로 전송된다.

원격 분석 시설(44)에서, 예를 들어, 구성요소(34)와 관련하여 문제가 있는지 확인하기 위해, 수신된 선택된 FFT 데이터 및 수신된 온도 데이터는 모니터링되는 구성요소(34)의 진동 및 온도 특성을 분석하는 데 사용될 수 있다.

사용된 센서 형태 또는 센서에 사용된 구성에 따라, 수신된 FFT 데이터는 가속도, 속도, 또는 변위를 나타낼 수 있다.

이러한 예에서, 원격 분석 시설(44)은 복수의 산업 시설(32)과 관련된 구성요소(34)의 작동 특성을 모니터링하도록 구성된다는 것과, 이러한 방식으로, 원격 분석 시설(44)에서 적절한 소프트웨어를 사용하여 운영자가 산업 시설의 측면을 개선할 수 있도록 운영 동향을 나타내는 유용한 데이터를 개발할 수 있다는 것이 이해될 것이다.

센서 장치(10)는:

내부 열 방출에 더하여 안전 계수에 의해 생성된 온도를 견딜 수 있는 재료로 센서 장치 구성요소를 캡슐화;

40옴 저항기를 사용하여 모든 외부 전자요소를 제한하는 전류;

밀봉 재료 내에, 장치에 전원을 공급하기에 충분한, 3.7V 배터리를 포함;

밀봉 재료 내에 안테나를 포함;

보호되지 않은 모든 내부 회로 트레이스의 간격이 최소 0.5mm인지 확인하는 특징을 포함함으로써 IECEx 인증 요구 사항을 준수하기 위해 구성된다.

본 실시예에서, 전력 사용량을 더 최소화하기 위해, 비교적 높은 전력을 소모하는 RF 모뎀(68)의 사용이 최소화되도록, 센서 장치(10)는 정의된 기준에 따라 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 데이터가 수집된 직후에 데이터를 전송하는 대신, 전원 관리자(108)는 데이터 버퍼를 유지하도록 구성될 수 있고, 예를 들어 CPU(64) 내에서 구현되며, 버퍼의 데이터 양이 LoRaWAN 패킷의 페이로드를 채우기에 충분할 때까지 점진적으로 버퍼를 채우도록 구성될 수 있다. 필요한 패킷 길이가 달성된 후, 전원 관리자(108)는 데이터가 전송되게 한다.

본 실시예에서, FFT 진동 데이터는 획득 직후 전송되며, 온도 데이터는 버퍼를 채우는 데 사용되며 버퍼가 가득찬 경우에만 전송된다.

이러한 구성의 변형에서, LoRaWAN 패킷을 채우기에 충분한 데이터가 있는지 여부에 관계없이 최소한 하나의 정의된 기준이 충족되는 경우, 그럼에도 불구하고 전원 관리자(108)는 생성되는 데이터를 전송하도록 구성될 수 있다.

예를 들어, 감지된 온도 데이터 값이 최대값 또는 최소값을 초과하면 현재 온도 데이터가 전송되도록, 최대 및 최소 허용 온도 값의 기록이 저장될 수 있고 전원 관리자(108)가 구성된다.

유사하게, 최대 허용 FFT 진동 또는 온도 차이값에 대한 기록이 저장될 수 있고, 허용되는 차이값은 현재 값과 대응하는 이전값 간의 차이를 나타낸다. 이러한 예에서, 전원 관리자(108)는 차이값이 최대 차이값을 초과하면 현재 데이터가 전송되도록 구성될 수 있다. 또한, 이 구성로, 모니터링된 구성요소가 예상대로 작동하고 있음을 분석 시설(44)에 표시하기 위해 차이 임계값을 초과하지 않는 경우 센서 장치(10)는 하트비트 통신(heartbeat communication)을 전송하도록 구성될 수 있고, 임계값을 초과하는 경우에만 데이터가 전송되며, 구성요소 특성이 눈에 띄게 변경되었음을 나타낸다.

도 8을 참조하면, 센서 장치(10)의 동작의 예시적인 프로세스를 도시하는 흐름도(130)가 도시된다.

웨이크업 시간을 정의하는 데이터 캡처 및 전원 관리 구성 설정(114)을 기반으로, 가속도계(86), 온도 센서(88), 외부 메모리(90), 재 프로그래밍 포트(92), 제1 센서 포트(94), 및 제2 센서 포트(96)에 전력이 제공되게 함으로써, 프로세서(64)는 활성화 신호를 제2 전원 스위치(84)로 전송하여 센서 장치(10)가 웨이크업되게 한다(132). 웨이크업 이후에, 프로세서(64)는 온도 센서(88) 및 가속도계(86)로부터 온도 및 진동 데이터를 캡처하기 위하여 사용할 설정을 결정하기 위해 저장된 구성 설정(114)을 판독하고(134), 설정을 사용하여 원시 3축 진동 데이터의 온도 데이터와 샘플을 획득하여(136, 138, 140) 외부 메모리(90)에 저장한다.

구성요소에 여전히 전원이 제공되지만, 슬립(Sleep) 신호 수신에 응답하여, 구성요소가 전력을 덜 사용하도록 구성요소가 절전 상태에 있도록, 가속도계(86)를 포함하는 센서 장치(10)의 구성요소 중 적어도 일부는 슬립 신호에 응답하는 입력을 포함할 수 있다.

본 예에서, 가속도계(86)는 가속도계 신호가 포착된 후에 슬립 상태(144)에 놓인다.

데이터 핸들러(110)를 사용하는 프로세서(64)는 원시 진동 데이터의 연속적인 부분(146)을 외부 메모리(90)로부터 내부 메모리(66)로 로드하고, FFT 구현자(106)를 사용하여 원시 진동 데이터에 대해 FFT 프로세스를 수행하여 FFT 진동 데이터를 생성한다. FFT 진동 데이터는 외부 메모리(150)에 저장된다.

저장된 FFT 진동 데이터를 사용하여, 데이터가 구성 설정(114)에서 정의된 FFT 특성에 기반하여 저장된 FFT 데이터로부터 선택되고(152), 선택된 FFT 데이터는 RF 모뎀(68)에 의해 LoRaWAN 프로토콜을 사용하여 원격 분석 시설(44)로 전송된다.

원격 분석 시설(44)에 의해 센서 장치(10)로부터 선택된 FFT 데이터를 수신 한 후, 원격 분석 시설(44)은 센서 장치(10)가 웨이크업 되어 있는 동안 센서 장치(10)에 명령을 전송할 기회를 가질 수 있다. 예를 들어, 명령은 샘플 시간, 웨이크/슬립 시간, 샘플 속도 등을 변경하기 위한 새로운 구성 데이터를 포함할 수 있거나, 또는 명령은 센서 장치(10)를 재부팅하기 위한 명령을 포함할 수 있다. 수신된 임의의 새로운 구성 데이터는 저장되고(160), 절전 시간을 정의하는 전원 관리 구성 설정(114)을 기반으로, 프로세서(64)는 비활성화 신호를 제2 전원 스위치(84)로 전송하여 센서 장치(10)가 다음 예정된 웨이크 시간까지 슬립 하게 한다(164).

위의 실시예는 FFT 주파수 영역 데이터가 시간 영역 진동 데이터로부터 얻어지고 FFT 데이터의 서브세트가 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 피크의 정의 된 수(예: 33)와 같은 RF 모뎀(68)에 의한 전송을 위해 선택되는 구성과 관련하여 설명되었다. 이러한 데이터는 각각의 LPWAN 패킷으로 전송될 수 있다. 예를 들어, LPWAN 패킷은 다음의 표에 표시된 데이터를 포함하는 약 200 바이트를 포함할 수 있다.

항목	바이트 수	소수점 이하 자릿수	최소값	최대값
설명	1
33 피크(주파수 & 진폭 값)	198
각각의 피크 주파수(HZ)	2	1	0	6500
각각의 피크 진폭(m/s²)	4	5	0	42200

이러한 구성로, 센서(10)로부터 데이터를 캡처한 후, 데이터는 일반적으로 단일 LPWAN 패킷으로 전송될 수 있으며, 결과적으로 센서(10)에 의한 전력 소비가 낮다는 것이 이해될 것이다. 그러나, 각각의 데이터 캡처 인스턴스와 관련된 데이터는 일반적으로 단일 LPWAN 패킷을 사용하여 전송되지만, 일부 경우에는, 전송되어야 하는 데이터에 따라, 하나 보다 많은 패킷이 전송될 수 있다.

대안적인 실시예에서, FFT 데이터의 선택된 서브세트는 상이한 수의 최고 피크, 및/또는 피크 데이터를 통신하는데 사용되는 상이한 수의 바이트를 포함할 수있다. 예를 들어, 발명가들은 165m/s²이 주파수 영역 데이터에서 가속도 진폭에 대해 충분히 높은 최대값이며, 그리고 결과적으로 LPWAN 패킷의 진폭 데이터를 나타 내기 위해 더 적은 수의 바이트가 사용될 수 있다는 것을 인지하였다. 이러한 예에서는 피크 진폭 데이터에 4 대신 3바이트가 사용되므로, 데이터의 각각의 주파수 피크에 대해 LPWAN 패킷에서 1비트를 사용할 수 있기 때문에, 캡처된 시간 도메인 진동 데이터에서 도출될 수 있는 추가적인 데이터가 각각의 LPWAN 패킷에 포함될 수 있다.

예를 들어, LPWAN 패킷에는:

최대 피크 가속 진폭;

최소 피크 가속 진폭;

평균 가속도 진폭;

시간 도메인 가속 파고율;

주파수 도메인 rms 값;

주파수 도메인 양의 피크 평균값;

주파수 도메인 음의 피크 평균값;

가속 주파수 도메인 데이터를 통합하여 도출된 피크 속도 데이터값-예를 들어, 각각의 속도값은 빈 세트의 빈(bin of a set of bins)에 있는 여러 최대값 중 하나-; 및/또는

센서가 부착된 구성요소의 회전 가능한 부분의 회전 속도 중 하나 이상을 나타내는 데이터가 포함될 수 있다.

위의 데이터를 전송하는 실시예는 다음의 표와 같은 데이터를 포함하는 LPWAN 패킷을 포함할 수 있다.

항목	바이트 수	소수점 이하 자릿수	최소값	최대값
주요 그룹	198
공통의 서브 그룹	26
설명	1
34 피크(주파수 & 진폭값)	170
각각의 피크 주파수(Hz)	2	1	0	6500
각각의 피크 진폭(m/s²)	3	5	0	165
공통의 서브 그룹
가속 피크-피크(m/s²)	2	3	0	65
파고율	2	3	0	65
속도 빈 1(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 2(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 3(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 4(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 5(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 6(mm/s)	2	3	0	65
속도 빈 7(mm/s)	2	3	0	65
회전 속도(Hz)	2	2	0	650
가속 rms	2	3	0	65
가속 양의 피크	2	3	0	65
가속 음의 피크	2	3	-65	0

따라서, 단일 LPWAN 패킷만이 여전히 각각의 데이터 캡처 인스턴스와 함께 전송되는 경우에도, 추가적인 정보가 이러한 구성로 전송된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러나, 시간 도메인 및/또는 주파수 도메인 데이터로부터 센서에서 도출될 수 있는 임의의 적절한 데이터가 LPWAN 패킷에 포함될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

임의의 공지된 선행 기술이 본원에서 언급되는 경우, 그러한 참조는 공지된 선행기술이 호주 또는 기타 국가에서 해당 기술 분야의 일반적인 일반 지식의 일부를 형성하는 것을 구성하지 않음을 이해해야 한다.

문맥이 표현 언어 또는 필요한 암시로 인해 달리 요구하는 경우를 제외하고 본 발명의 이후의 청구 범위 및 앞선 설명에서, "포함하다" 라는 단어 또는 "포함하는" 또는 "포함하고 있는"과 같은 변형은 포괄적인 의미로 사용된다. 즉, 언급 된 특징의 존재를 명시하지만 본 발명의 다양한 실시예에서 추가적인 특징의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

당업자에게 명백한 수정 및 변경은 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims

센서 장치로서, 상기 센서 장치는:
센서-여기서 센서는 상기 센서에 인접한 감지된 시간 의존적 특성을 나타내는 시간 도메인 데이터를 생성하도록 구성됨-;
상기 시간 도메인 데이터 내에 존재하는 주파수 구성요소를 나타내는 주파수 도메인 데이터를 생성하기 위해 상기 시간 도메인 데이터를 사용하도록 구성된 신호 처리 구성요소; 및
상기 주파수 도메인 데이터의 일부를 전송하도록 구성된 데이터 전송 구성요소
를 포함하고,
상기 센서 장치는 정의된 기준에 기초하여 상기 주파수 도메인 데이터로부터 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하고, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 주파수 피크의 정의된 수에 대응하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제2항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 주파수 피크의 정의된 수에 대응하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제3항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 33개의 주파수 피크에 대응하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 센서는 시간 도메인 데이터가 생성되는 데이터 캡처의 적어도 일부 인스턴스에 대해 단일 데이터 패킷에서 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제5항에 있어서, 주파수 피크의 상기 정의된 수는 상기 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 데이터의 양에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치는 또한 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트 이외에 다른 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제7항에 있어서, 상기 다른 데이터의 양은 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 상기 데이터의 양에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 다른 데이터는:
최대 피크 가속 진폭;
최소 피크 가속 진폭;
평균 가속 진폭;
시간 도메인 가속 파고율(crest factor);
주파수 도메인 rms 값;
주파수 영역 양의 피크 평균값;
주파수 영역 음의 피크 평균값;
가속 주파수 영역 데이터를 통합하여 도출된 피크 속도 데이터값-여기서, 예를 들어, 각각의 속도값은 빈(bins)의 세트의 빈 내에 있는 여러 최대값 중 하나임-; 및/또는
상기 센서가 부착된 구성요소의 회전부의 회전 속도
중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 진동 센서에 인접한 진동을 나타내는 시간 도메인 진동 데이터를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제10항에 있어서, 상기 센서는 시간 도메인 가속 데이터, 시간 도메인 속도 데이터, 및/또는 시간 도메인 변위 데이터를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 데이터 전송 구성요소는 LPWAN 프로토콜을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제12항에 있어서, 상기 데이터 전송 구성요소는 LoRaWAN 프로토콜을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치는 상기 신호 처리 구성요소 및 상기 데이터 전송 구성요소와 분리된 외부 메모리를 포함하고, 상기 센서 장치는 상기 시간 도메인 데이터를 상기 외부 메모리에 저장하며 처리를 위해 상기 시간 도메인 데이터를 상기 신호 처리 구성요소 내로 로드하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제14항에 있어서, 상기 센서 장치는 상기 시간 도메인 데이터가 여러 배치(batches)에서 처리될 수 있도록 상기 시간 도메인 데이터의 연속적인 부분을 상기 신호 처리 구성요소 내에 로드하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 정의된 주파수 대역에서 선택되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 정의된 전원 관리 기준에 기반하여, 적어도 하나의 센서 장치 구성요소에 대한 전력 공급을 제어하도록 구성된 전원 관리자를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제17항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서 장치 구성요소는 상기 센서, 적어도 하나의 센서 포트, 상기 신호 처리 구성요소 및 상기 데이터 전송 구성요소와 분리된 외부 메모리, 및/또는 재 프로그래밍 포트를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 정의된 전원 관리 기준은, 상기 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나의 센서 장치 구성요소가 사용되지 않을 때, 상기 적어도 하나의 센서 장치 구성요소에 대한 전원이 차단되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제17항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 정의된 전원 관리 기준은 웨이크업 및 슬립(sleep) 시간을 정의함으로써, 상기 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 대한 전원이 웨이크업 시간 동안에 연결되게 하며, 상기 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 대한 전원이 슬립 시간 동안 차단되게 하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치는 상기 전원 관리자로부터의 활성화 신호에 응답하는 적어도 하나의 전원 스위치를 포함하고, 상기 전원 스위치는 상기 활성화 신호에 응답하여 상기 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 전원이 공급되며 상기 활성화 신호가 없을 때 상기 센서 장치 구성요소 중 적어도 하나에 전원이 공급되지 않도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제21항에 있어서, 상기 적어도 하나의 전원 스위치는 MOSFET일 수 있는 적어도 하나의 FET를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제17항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전원 관리자는 상기 데이터 전송 구성 요소의 사용을 제어하기 위해 정의된 기준에 따라 상기 데이터 전송 구성요소에 의해 주파수 도메인 데이터의 전송을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제23항에 있어서, 상기 전원 관리자는 버퍼 내의 데이터 양이 상기 데이터 전송 구성요소에 의해 사용되는 데이터 패킷의 페이로드(payload)를 채우기에 충분할 때까지 상기 버퍼를 점진적으로 데이터로 채우며, 상기 버퍼에 충분한 데이터가 존재할 때 상기 버퍼 내의 데이터가 상기 데이터 전송 구성요소에 의해 전송되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제24항에 있어서, 상기 전원 관리자는 적어도 하나의 정의된 기준이 충족되면 데이터 패킷을 채우기에 충분한 데이터가 있는지 여부에 관계없이 상기 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제25항에 있어서, 상기 적어도 하나의 정의된 기준은 센서와 관련된 최대 및/또는 최소 허용값을 포함하고, 상기 전원 관리자는 상기 센서와 관련된 현재값이 상기 최대 또는 최소값을 초과하는 경우 상기 현재값이 전송되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제25항 또는 제26항에 있어서, 상기 적어도 하나의 정의된 기준은 센서와 관련된 최대 허용 가능한 차이값을 포함하고, 상기 최대 허용 가능한 차이값은 현재값과 대응하는 이전값 간의 차이량을 나타내며, 상기 전원 관리자는 전류 차이값이 상기 최대 차이값을 초과하면 상기 현재값이 전송되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치는 모니터링된 구성요소가 수신된 센서값을 기반으로 예상대로 작동하고 있음을 나타내기 위해 하트비트(heartbeat) 통신을 전송하도록 그리고 상기 적어도 하나의 정의된 기준이 충족되면 주파수 도메인 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 처리 구성요소는 상기 시간 도메인 데이터를 사용하여 FFT 데이터를 생성하기 위해 고속 푸리에 변환(FFT) 프로세스를 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 시간 도메인 데이터 샘플을 생성하도록 구성된 샘플러를 포함하고, 상기 신호 처리 구성요소는 상기 시간 도메인 샘플 내에 존재하는 주파수 구성요소를 나타내는 주파수 도메인 데이터를 생성하기 위해 상기 시간 도메인 데이터 샘플을 사용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 추가적인 센서를 포함하고, 상기 데이터 전송 구성요소는 상기 적어도 하나의 추가적인 센서로부터 도출된 센서 데이터의 적어도 일부를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제31항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가적인 센서는 온도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 서로 직교하는 3개의 축에서 진동을 감지하도록 구성된 가속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제33항에 있어서, 상기 가속도계는 가속도, 속도, 또는 변위를 나타내는 시간 영역 데이터를 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제34항 중 어느 한 항에 있어서, SoC(System on Chip) 장치의 일부를 형성하는 프로세서를 포함하며, 상기 SoC 장치는 상기 데이터 전송 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제35항에 있어서, 상기 SoC 장치의 데이터 입력과 상기 센서 장치의 구성요소 간을 다중화하는 디코더를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치와 관련된 고유 식별자를 나타내는 머신 판독 가능 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제37항에 있어서, 상기 머신 판독 가능 코드는 QR 코드를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 센서 장치의 구성요소가 주변 조건으로부터 격리되도록, 상기 센서 장치의 구성요소가 캡슐화되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제39항 중 어느 한 항에 있어서, 배터리로부터 상기 센서 장치의 모든 전기 구성요소으로의 전력 공급을 제어하도록 구성된 본질 안전 스위치(intrinsically safe switch)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제40항에 있어서, 상기 본질 안전 스위치는 리드(reed) 스위치와 상기 리드 스위치에 인접하게 배치된 리세스 내에 수용 가능한 자석을 포함하고, 상기 자석이 상기 리세스 내에 수용되지 않을 경우, 상기 리드 스위치가 폐쇄되며, 상기 자석이 상기 리세스 내에 수용되는 경우, 상기 자석에 의해 제공된 자기력이 상기 리드 스위치를 개방시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
제1항 내지 제41항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치를 산업 시설 구성요소에 부착하기 위한 적어도 하나의 자기 부분(magnetic portion)을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
센서 네트워크로서, 상기 센서 네트워크는:
제1항 내지 제42항에 따른 복수의 센서 장치;
상기 센서 장치의 상기 데이터 전송 구성요소로부터 데이터 전송을 용이하게 할 수 있는 통신 네트워크; 및
상기 데이터 전송 구성요소로부터의 상기 데이터 전송이 원격 시설에서 수신될 수 있도록, 상기 통신 네트워크를 통해 상기 복수의 센서 장치와 네트워크 통신하는 원격 시설
을 포함하는 것을 특징으로 하는 센서 네트워크.
센서 장치를 사용하여 구성요소의 동작 특성을 감지하는 방법으로서, 상기 방법은:
상기 구성요소 상에 센서 장치를 배치하는 단계;
상기 센서에 인접한 감지된 시간 의존적 특성을 나타내는 시간 도메인 데이터를 생성하도록 구성된 센서를 상기 센서 장치에 제공하는 단계;
상기 시간 도메인 데이터를 사용하여 주파수 도메인 데이터-여기서 상기 주파수 도메인 데이터는 상기 시간 도메인 데이터에 존재하는 주파수 구성요소를 나타냄-를 생성하기 위해 상기 센서 장치의 신호 처리 구성요소를 사용하는 단계;
상기 센서 장치의 데이터 전송 구성요소를 사용하여 상기 주파수 도메인 데이터의 일부를 전송하는 단계를 포함하고,
상기 센서 장치는 주파수 도메인 데이터로부터 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하고 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 주파수 피크의 정의된 수에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 주파수 피크의 정의된 수에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
제46항에 있어서, 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트는 상기 주파수 도메인 데이터에서 가장 높은 33개의 주파수 피크에 대응하는 것을 특징으로 하는 방법.
제45항 내지 제47항 중 어느 한 항에 있어서, 시간 도메인 데이터가 생성되는 데이터 캡처의 적어도 일부 인스턴스에 대해 단일 데이터 패킷에서 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제48항에 있어서, 상기 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 데이터의 양에 따라 주파수 피크의 상기 정의된 수를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제44항 내지 제49항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 장치는 또한 상기 주파수 도메인 데이터의 선택된 서브세트 이외에 다른 데이터를 전송하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방법.
제50항에 있어서, 상기 다른 데이터의 양은 단일 데이터 패킷에 포함될 수 있는 상기 데이터의 양에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
제50항 또는 제51항에 있어서, 상기 다른 데이터는:
최대 피크 가속 진폭;
최소 피크 가속 진폭;
평균 가속 진폭;
시간 도메인 가속 파고율;
주파수 도메인 rms 값;
주파수 영역 양의 피크 평균값;
주파수 영역 음의 피크 평균값;
가속 주파수 영역 데이터를 통합하여 도출된 피크 속도 데이터값-여기서, 예를 들어, 각각의 속도값은 빈(bins)의 세트의 빈 내에 있는 여러 최대값 중 하나임-; 및/또는
상기 센서가 부착된 구성요소의 회전부의 회전 속도
중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제52항에 있어서, 진동 센서에 인접한 진동을 나타내는 시간 도메인 진동 데이터를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제52항 또는 제53항에 있어서, LPWAN 프로토콜을 사용하여 상기 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제54항에 있어서, LoRaWan 프로토콜을 사용하여 상기 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제52항 내지 제55항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 도메인 데이터를 외부 메모리에 저장하는 단계 및 처리를 위해 상기 시간 도메인 데이터를 상기 신호 처리 구성요소 내로 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제56항에 있어서, 상기 시간 도메인 데이터가 여러 배치에서 처리될 수 있도록 상기 시간 도메인 데이터의 연속적인 부분을 상기 신호 처리 구성요소 내로 로딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제52항 내지 제57항 중 어느 한 항에 있어서, 정의된 주파수 대역으로부터 상기 주파수 도메인 데이터의 서브세트를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제58항에 있어서, 버퍼 내의 상기 데이터의 양이 상기 데이터 전송 구성요소에 의해 사용되는 데이터 패킷의 페이로드를 채우기에 충분할 때까지 상기 버퍼를 점진적으로 데이터로 채우는 단계, 및 상기 버퍼에 충분한 데이터가 존재할 때 상기 버퍼 내의 상기 데이터가 상기 데이터 전송 구성요소에 의해 전송되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제59항에 있어서, 적어도 하나의 정의된 기준이 충족되면 데이터 패킷을 채우기에 충분한 데이터가 있는지 여부에 관계없이 상기 데이터를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
제60항에 있어서, 상기 적어도 하나의 정의된 기준은 센서와 관련된 최대 및/또는 최소 허용값을 포함하고, 상기 센서와 관련된 현재값이 상기 최대 또는 최소값을 초과하는 경우 상기 현재값이 전송되는 것을 특징으로 하는 방법.
제60항 또는 제61항에 있어서, 상기 적어도 하나의 정의된 기준은 센서와 관련된 최대 허용 가능한 차이값을 포함하고, 상기 최대 허용 가능한 차이값은 현재값과 대응하는 이전값 간의 차이의 양을 나타내며, 현재 차이값이 상기 최대 차이값을 초과하면 상기 현재값이 전송되는 것을 특징으로 하는 방법.