用於管道中物體的基於磁強計的探測器的製作方法

2023-09-20 12:08:10

專利名稱：用於管道中物體的基於磁強計的探測器的製作方法
用於管道中物體的基於磁強計的探測器
背景技術：
本發明大體上涉及管道監測系統，更具體地涉及用於探測物體如清管器在管道中通過的傳感器。已開發各種裝置以用於探測清管器在管道中通過。可通過侵入式機械裝置如具有彈簧加載軸的螺紋適配器來探測「非智能型(dumb)清管器」或「智能型清管器」。軸具有裸露端部和相對端部，其中裸露端部具有彈簧加載杆或標記物，相對端部延伸到管的內部空間中。然而，侵入式探測裝置需要在工作管路中制孔或熱攻絲(hot-tapping)，這對於管道操作者而言常常是昂貴且不便的過程。因此，管道操作者常常優先選擇完全位於管道之外且無需附加的熱攻絲或焊接的非侵入式探測裝置。存在兩種主要類型的非侵入式探測裝置聲波探測器/超聲探測器，其探測聲音改變；以及電磁探測器，其探測周圍磁場改變。被動聲波探測器可對由穿過管道行進的物體所引起的聲音改變進行探測，但無法容易地在這種聲音改變與由環境噪聲如泵或機動車輛所引起的聲音改變之間進行區分。主動聲波探測器可通過傳遞超聲波信號來消除此問題， 但這種裝置昂貴且需要高水平的功率，並且因功率需要而限制或阻止電池供電選擇。電磁探測器常常使用一個或多個線圈來探測磁通量隨時間的改變。周圍磁場的改變在一個或多個線圈中感應生成與磁場隨時間的改變成比例的電壓。因此，緩慢行進的鐵磁體可能無法在線圈中產生足夠的電壓來產生探測事件。磁強計不依賴於物體的速度，其通過隨時間測量瞬時通量來確定磁通量的改變。 因此，磁強計可對引起電磁場改變的任何物體進行探測，而無論物體速度如何。然而，磁強計可受到錯誤警報的影響。因此，必須使用合適的方法以進行噪聲消除、信號處理、以及周圍磁場屏蔽。

發明內容
用於對物體管道中通過進行探測的系統和方法包括非侵入式探測裝置，容納一個或多個被屏蔽的磁強計傳感器；以及微控制器，具有自適應閾值探測裝置。採用具有備用電池源的AC/DC電源向裝置供電。優選地，電池備用電源配置為在暴露於周圍環境之前將電接觸斷開，由此使探測裝置適用於防爆區域。優選地，磁強計傳感器為使用磁導率可變的材料的磁通量傳感器以直接測量通量，並且磁強計傳感器彼此正交布置。圍繞傳感器的內部屏蔽件為電隔絕材料。外部屏蔽件為透磁材料。與微處理器通信的顯示單元顯示各種統計數據，其中包括所探測到的物體數目和其通過時間。探測裝置可以具有可調整端部，以對顯示單元進行定向並將磁強計傳感器定位在管道外表面附近。當將裝置定位在管道上時或使裝置移動至管道上的不同位置時，可以使用簧片開關或其他裝置以鎖定探測裝置。一旦探測裝置處於其適當位置並解鎖，則處理輸入磁通量數據流的磁強計傳感器和微控制器可發出探測信號。所採用的自適應閾值探測裝置首先將異常數據從磁通量數據流去除。然後，使該無異常值的數據流經過4個低通濾波器。第一低通濾波器通過將偏差值從磁通量數據流去除以及將數據流限制為不大於異常值極限的值來估計基線。然後，第二低通濾波器使用基線估計來產生噪聲估計。第三低通濾波器為矩形波串(boxcar)濾波器，其提供數據流的經平滑的量值。將經平滑的量值與一組上探測極限和下探測極限進行比較，然後使其經過第四低通濾波器以確定通過事件的長度。如果發生了通過事件，則使顯示單元的計數器遞增， 並且記錄通過事件。由於單個物體可產生多個探測或探測事件，因此可將探測器在通過事件之後鎖定預定時期，以阻止當同一物體經過探測器時對其進行的第二次探測。為此，優選貝葉斯鎖定估計器。通過以下結合附圖和所附的權利要求對優選實施方式的詳細描述，可以更好地理解本發明。


圖1為根據本發明製成的非侵入式探測器的實施方式的正視圖。傳感器插板(參見圖8至圖11B)包括微控制器，至少一個磁強計傳感器(「傳感器」)位於傳感器殼體的下部。傳感器殼體旋入可拆卸地緊固至管的基座結構中，直至殼體底部與管表面接觸。位於導管組件部分上端處的顯示器殼體容納數字顯示器，數字顯示器對管道內的物體在其經過探測器之下時的探測進行指示。設置現場接線的導管盒以將探測器連接至AC/DC電源以及容納接線以例如與控制管道閥開啟和關閉的控制室連通。圖2為圖1所示實施方式的側視圖。顯示器殼體容納包括數字顯示器插件和DC 電源(參見圖6和圖7)的組件。當位於顯示器殼體後部的帶螺紋的蓋被旋鬆時，DC電源斷開連接，由此提供在防爆區域使用探測器的安全環境。圖3為圖1的顯示器面板的正視圖。位於顯示器面板前部的磁簧開關對位於顯示器上的計時器進行重置。第二磁簧開關使探測器處於鎖定模式或解鎖鎖模式，並允許操作者滾動瀏覽物體探測歷史。當處於鎖定模式時，裝置無法探測物體，探測器可在管道上的多個位置之間移動而不會引起無用的探測。如果探測器是電池供電的，則電池圖標顯示電池使用時間。圖4為圖1的顯示板的另一正視圖，其示出探測器線連接至AC/DC電源(例如，24v 電源)且電池並未處於使用中。設置視覺指示以顯示統計數據，如所探測的物體的數目、自歷史中探測到任意物體以來的時間、以及自重置後逝去的時間。圖5為圖2所示的顯示器插件的立體圖。顯示器面板和數字顯示器位於組件的上端。繞插件體的外周設有對稱的槽，以將插件保持在顯示器殼體中，並確保顯示器的正確定向及提供適當的內部接線訪問。圖6為後蓋從顯示器殼體移除的圖1所示探測器的立體圖。由於電池與位於顯示單元內的彈簧加載觸點接觸，因此與電池的所有電接觸在後蓋完全移除之前斷開。在電池與蓋之間設置有優選地固定至後蓋下側得隔絕墊，以阻止與蓋的電接觸。圖7為圖1所示顯示器殼體的部分後側立體圖。電池位於由插件體接納的支架/ 電池保持器中。圖8為傳感器殼體的視圖。傳感器殼體接納包括微控制器和磁強計傳感器的傳感器插板。
圖9為用於圖8的傳感器插板的屏蔽件的視圖。內護罩優選地為電隔絕材料。外護罩優選地為磁滲透材料。圖10為圖8的傳感器插板的視圖。傳感器插板包括用於與顯示器(可以是遠程設置的顯示器)或控制系統通信的接口、運行自適應閾值算法(參見圖12至圖19)的微控制器以及傳感器。優選地，傳感器為使用磁導率可變材料來直接測量磁通量的磁通傳感器。圖IlA和圖IlB示出圖8的傳感器插板的可替代實施方式。兩個傳感器彼此正交設置。傳感器插板可使用傳感器的1-D、2-D、3-D或n-D陣列，陣列的區別可在於傳感器元件的定向和分離。然而，正交定向是優選的。圖12為信號處理算法的流程圖，該算法由微控制器執行以處理n-D傳感器陣列所採集的數據。探測方案為對一個或多個傳感器使用實時噪聲估計的自適應閾值算法。圖13為圖12所示算法的異常值去除步驟的流程圖。圖14為圖12所示算法的基線估計步驟的流程圖。圖15為圖12所示算法的噪聲估計步驟的流程圖。圖16為圖12所示算法的矩形波串或輸入平滑步驟的流程圖。圖17為圖12所示算法的探測器步驟的流程圖。圖18為圖12所示算法的時間鑑別器步驟的流程圖。圖19為圖12所示算法的貝葉斯鎖定步驟的流程圖。
具體實施例方式下面對基於磁強計的探測器進行描述，該基於磁強計的探測器的應用不限於附圖中所示的構造、部件設置、和處理流程的細節。本發明能夠具有其他實施方式並且能夠以各種方式來實踐或實施。本文所採用的用語和術語出於說明目的而並非限制。附圖中所示元件由以下數字標識10探測器73物體計數累計指示20傳感器殼體/模塊7472中的槽2120的上端75物體計數歷史指示2320的下端77物體圖標2520的螺紋部79自最後重置指示以來的時間30導管組件部分81自歷史指示器中物體通過以來的時間31填充塞83電源狀態指示33現場接線導管盒85鎖定/非鎖定狀態指示35三通接頭87發光二極體3730的上端89簧片開關40安裝基座90顯示器殼體41託架91前蓋43鉤環銷93後蓋45螺絲扣94電池組47鏈95支架/電池保持器50傳感器插板97電池51微控制器99隔絕墊53振蕩器100探測算法55通信接口110異常值去除算法60磁強計傳感器130基線估計算法61內部隔絕屏蔽件150噪聲估計算法63外部屏蔽件170輸入平滑算法70顯示器插件/模塊190探測事件算法71數字顯示器210時間鑑別器算法72插件體230鎖定鑑別器算法
首先參照圖1、圖10和圖12，位於管道部分P外側的探測器10採用磁強計1
60和探測算法100來對物體在管道中的存在進行探測。物體可以在管道部分P內運動，且探測器10在管道上固定不動。管道中的物體可以是用於管道維護或檢查的「清管器」。該物體可攜帶磁源或者物體的固有性質可允許進行探測。從明顯的物體示例可以是包含相當大量鐵磁材料的「刷式」清管器或清管器。 通過探測算法100對來自磁強計傳感器60的測量進行處理以產生「通過事件」，探測算法100為自適應閾值算法。該事件可通過數字顯示器70或發光二極體87顯示和/或計數。該事件還可觸發用於信號遠程裝置的輸出，信號遠程裝置諸如用於對管道中閥門的開啟和關閉進行控制的控制系統。如圖1和圖2所示，探測器10通過安裝基座40可拆卸地緊固至管道部分P，安裝基座40接納傳感器殼體20的螺紋部25。這種設置提供以下功能(1)對傳感器殼體20的下端23與管道部分P的外壁表面之間的距離進行調整；以及( 對顯示器殼體90的方向進行定向。優選地，螺紋部25旋入基座40中直至螺紋部25的下端23與管道部分P的外壁表面接觸。基座40的兩個相對的託架41每一個都接納鉤環銷43和鏈47的端部。鏈47 與螺絲扣45 —同用於將基座40緊固在管道部分P上的所需位置。探測器10的上述可調整特徵提供對磁強計傳感器60進行定位的功能，以實現最大探測能力。在導管組件部分30的上端37設有顯示器殼體90。優選地，顯示器殼體90可拆卸地緊固至導管組件部分30。顯示器殼體90接納顯示器插件70，顯示器插件70提供各種指示和統計數據(參見討論圖3至圖5的下文)。位於插件體72外周的對稱槽74確保顯示器71的正確定向並提供必要的接線訪問。顯示器殼體90的前蓋91提供顯示器插件70的數字顯示器71用的窗口。導管組件部分30位於傳感器殼體20的上端21。導管組件部分30包括三通接頭 35，以將探測器10連接至現場接線導管盒33。導管盒33可包括接線，以使探測器10與AC/ DC電源連通、使探測器10與控制室線連接、或者向遠程顯示器插件70提供接線。還可以對填充塞31進行設置以添加填料、填充物、充填複合物或密封劑。現在參照圖3至圖5，顯示器插件70可包括顯示各種指示和統計數據的數字顯示器71。在優選實施方式中，數字顯示器71顯示物體計數指示73、物體通過歷史指示75、物體圖標77、自最後重置指示以來的時間79、以及自歷史指示中最後物體以來的時間81。顯示器71上的微控制器(未示出)從位於傳感器插板50 (參見圖8)上的微控制器51和磁強計傳感器60接收信息。顯示器插件70還包括電源指示83，其指示探測器10在電池電源(圖幻下運行還是在AC/DC電源(圖4)下運行。當處於電池電源時，電源指示83優選地顯示指示電池使用時間的電池圖標83。數字顯示器71還包括鎖定/非鎖定狀態指示85。磁簧開關89B使探測器10處於鎖定或非鎖定模式，由此提供控制無用探測的功能。當處於鎖定模式時，探測器10被阻止探測物體，並可在管道上的多個位置之間移動。磁簧開關89B還允許使用者與統計數據互動並滾動瀏覽如指示75和81所指示的整個物體歷史。第二磁簧開關89A對計時器79 進行重置。顯示單元70還包括發光二極體指示87來指示近期通過是否發生。當簧片開關 89A和89B被觸發時，發光二極體指示87A和87B分別變亮。如圖6和圖7所示，顯示單元70優選地包括電池組94。電池97置於其中的支架 /電池保持器95由顯示器插件70的內部空間所接納。位於顯示器插件70內的彈簧加載觸點(未示出)壓靠電池組94的遠端，從而當使用者將顯示殼體90的後蓋93旋鬆時，電池組94被迫遠離觸點並移向後退的後蓋93。因此，在後蓋從殼體90完全移除之前，彈簧加載觸點與電池組94之間的連接斷開。該特徵用於探測器10在防爆區域中的使用。在電池組 94的近端與後蓋93之間設有隔絕墊99。現在參照圖8至圖11B，傳感器殼體20容納傳感器插板50。位於傳感器插板50上的微控制器51接收由磁強計傳感器60採集的數據並運行探測算法100(參見圖12)以確定是否發生通過事件。作為現有技術已知類型的微控制器51通過通信接口 55與顯示單元70或其他系統通信。在優選實施方式中，接口 55為RS485接口。插板50還包括振蕩器 53，振蕩器53由比較器、模擬開關陣列和與門陣列構成。探測器10可使用磁強計傳感器60的1-D、2-D、3_D或n_D陣列，其中上述陣列的區別在於相對於彼此的定向；單個傳感器元件的分離；或者相對於彼此的定向和單個傳感器元件的分離這兩者。當使用多個傳感器60時，如圖IlA和圖IlB所示的正交定向是優選的。可以使用偏置但具有共同定向的傳感器60來改進使用符合選擇(或相關)算法的探測過程。各種磁強計技術可用於傳感器60。在優選實施方式中，傳感器60為使用磁導率可變材料的磁通量傳感器。通量的改變將磁強計的有效電感改變。由PNI Corporation, Inc. (Santa Rosa, CA)製造的通量傳感器是有效的磁通量傳感器60。數位訊號處理對於探測過程而言是必要的，數字的、自適應探測算法是優選的信號處理算法。如圖12所示，探測方案是基於用於傳感器60的實時噪聲估計的自適應閾值探測過程100。參數化允許過程100被調整以用於最廣泛應用，並具有最少的錯誤警報和高的探測可能性。在下面對過程100的說明中指示關鍵參數的優選範圍和值。通過微處理器51執行的探測過程100可包括所有以下處理步驟異常值的自動消除、測量偏差的計算和去除、測量噪聲的估計、建立具有和不具有滯後的閾值、順序探測、以及事件時間鑑別/探測。傳感器60採集磁強計數據101 ( "mag數據」或mag)以進行處理， 探測事件103通過包括但不限于振幅、持續時間、和先前事件在內的多個標準來確定。還可通過使用圖樣識別技術來說明傳感器60的響應的細微結構。首先，通過處理步驟110即異常值的消除，來處理mag數據101 magi = min (magi-基線估計 P^signum(Iiiagi)，異常值極限)(公式 1)參見圖13和子步驟113-117。在偏差(基線)從測量值去除之後，輸入被限制成少於或等於異常值極限。在整個運行過程中保留標記。「sigrmm」函數返回自變量的符號。 「min」函數返回自變量列表的算術最小值。然後，無異常值的磁強計數據被返回到過程100 並經過低通濾波器以對基線進行估計。處理步驟130即基線的估計為基線估計i =基線估計η+Onagi-基線估計^Rf/65536 (公式2)參見圖14和子步驟131-137。處理步驟130為低通濾波器，其用於為測量估計從零的偏差。低通濾波器為簡單的指數類型。用於濾波器的傳遞函數(transfer function) 為(公式3)其中
權利要求
1.一種用於對物體在管道中通過進行探測的系統，該系統包括 探測器，繞管道的外表面布置並且包括至少一個磁強計傳感器； 屏蔽件，環繞所述至少一個磁強計傳感器；以及微控制器，與所述至少一個磁強計傳感器通信並且具有自適應閾值探測裝置。
2.根據權利要求1所述的系統，還包括第二磁強計傳感器，所述第二磁強計傳感器正交於所述至少一個磁強計傳感器定向。
3.根據權利要求1所述的系統，還包括顯示模塊，所述顯示模塊與所述微控制器通信。
4.根據權利要求1所述的系統，還包括具有低通濾波器的所述自適應閾值探測裝置。
5.根據權利要求4所述的系統，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
6.根據權利要求5所述的系統，其中，參數「f」處於1至4096的範圍內。
7.根據權利要求4所述的系統，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
8.根據權利要求7所述的系統，其中，參數「fn」處於1至256的範圍內。
9.根據權利要求4所述的系統，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
10.根據權利要求9所述的系統，其中，矩形窗的長度處於2至128的範圍內。
11.根據權利要求4所述的系統，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
12.根據權利要求1所述的系統，還包括用於阻止探測的裝置。
13.根據權利要求12所述的系統，其中，所述阻止裝置為簧片開關。
14.根據權利要求12所述的系統，其中，所述阻止裝置為貝葉斯鎖定估計器。
15.根據權利要求1所述的系統，還包括用於將所述探測器相對於所述管道的外表面的位置進行調整的裝置。
16.根據權利要求1所述的系統，還包括可拆卸地緊固的基座，所述可拆卸地緊固的基座能夠接納所述探測器的一部分。
17.根據權利要求1所述的系統，還包括為透磁屏蔽件的所述屏蔽件。
18.根據權利要求1所述的系統，還包括為電隔絕屏蔽件的所述屏蔽件。
19.根據權利要求1所述的系統，還包括備用電源，所述備用電源配置成在暴露於周圍環境之前將電接觸斷開。
20.一種用於對物體在管道中通過進行探測的方法，該方法包括以下步驟 將至少一個磁強計傳感器定位在所述管道的外表面附近；從所述至少一個磁強計傳感器採集磁通量數據流； 通過自適應閾值探測算法處理所述磁通量數據流；以及對通過事件進行探測。
21.根據權利要求20所述的方法，所述處理步驟還包括以下步驟 使所述磁通量數據經過至少一個低通濾波器。
22.根據權利要求20所述的方法，所述處理步驟還包括以下步驟 將異常數據從所述磁通量數據流去除，以提供無異常值的磁通量數據流。
23.根據權利要求22所述的方法，所述去除步驟包括以下步驟 將基線值從所述磁通量數據流去除；以及將所述磁通量數據流限制為不大於異常值極限的值。
24.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟使所述無異常值的磁通量數據流經過第一低通濾波器，以對基線進行估計。
25.根據權利要求M所述的方法，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
26.根據權利要求25所述的方法，其中，參數「f」處於1至4096的範圍內,
27.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟使所述無異常值的磁通量數據流經過低通濾波器，以產生噪聲估計。
28.根據權利要求27所述的方法，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
29.根據權利要求觀所述的方法，其中，參數「fn」處於1至256的範圍內。
30.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟使所述無異常值的磁通量數據流經過低通濾波器，以產生所述無異常值的磁通量數據流的經平滑的量值。
31.根據權利要求30所述的方法，其中，所述低通濾波器的傳遞函數為
32.根據權利要求31所述的方法，其中，所述矩形波串的長度處於2至128的範圍內。
33.根據權利要求22所述的方法，還包括以下步驟將所述無異常值的磁通量數據流的經平滑的量值與一組探測極限進行比較。
34.根據權利要求33所述的方法，還包括以下步驟使經平滑的量值經過至少低通濾波器，以確定探測事件的長度。
35.根據權利要求34所述的方法，其中，所述至少一個低通濾波器的傳遞函數為
36.根據權利要求20所述的方法，還包括以下步驟 響應於探測事件使計數器遞增。
37.根據權利要求20所述的方法，還包括以下步驟 顯示探測事件。
38.根據權利要求20所述的方法，還包括 基於通過事件向遠程裝置發出信號。
39.根據權利要求20所述的方法，還包括以下阻止步驟 阻止非通過事件的探測。
40.根據權利要求39所述的方法，還包括具有以下子步驟的所述阻止步驟 將所述至少一個磁強計傳感器鎖定。
41.根據權利要求39所述的方法，還包括具有以下子步驟的所述阻止步驟 在通過事件之後將探測器鎖定預定時期。
42.根據權利要求20所述的方法，所述處理步驟還包括以下子步驟 估計噪聲估計。
43.根據權利要求20所述的方法，所述處理步驟還包括以下子步驟 對所述磁通量數據流的量值進行平滑。
44.根據權利要求20所述的方法，所述處理步驟還包括以下子步驟 確定上探測閾值和下探測閾值；將所述磁通量數據流的經平滑的量值與所述上探測閾值和下探測閾值至少之一進行比較；以及基於比較的結果對探測值進行更新。
45.根據權利要求44所述的方法，每個探測閾值為所述噪聲估計的多個「ρ」，「ρ」處於 1至10的範圍內。
46.根據權利要求20所述的方法，還包括具有以下子步驟的所述處理步驟確定探測事件的時間長度。
全文摘要
用於對物體在管道中通過進行探測的系統和方法，包括非侵入式探測裝置，容納一個或多個被屏蔽的磁強計傳感器；以及微控制器，具有自適應閾值探測裝置。自適應閾值探測裝置將異常值數據從磁通量數據流去除，然後使無異常值的數據流經過4個低通濾波器。將數據流的經平滑得數值與探測極限進行比較，如果發生了通過事件，則指示近期探測，使顯示單元的計數器遞增並且記錄通過時間，這些統計數據都顯示在顯示單元上。由於單個物體可產生多個磁場，因此可將探測器在通過事件之後鎖定預定時期，以阻止當同一物體經過探測裝置時對其進行的第二次探測。
文檔編號G01N27/72GK102439434SQ201080022512
公開日2012年5月2日 申請日期2010年5月19日 優先權日2009年5月22日
發明者勞埃德·N·薩爾斯曼, 埃裡克·N·弗裡曼, 威廉·J·蘭金, 史蒂芬森·J·米斯卡, 菲利普·M·莫爾特比, 馬修·W·洛根, 馬克·G·雷吉斯特 申請人:Tdw德拉瓦公司