专利名称：用于管道中物体的基于磁强计的探测器的制作方法
用于管道中物体的基于磁强计的探测器
背景技术：
本发明大体上涉及管道监测系统，更具体地涉及用于探测物体如清管器在管道中通过的传感器。已开发各种装置以用于探测清管器在管道中通过。可通过侵入式机械装置如具有弹簧加载轴的螺纹适配器来探测“非智能型(dumb)清管器”或“智能型清管器”。轴具有裸露端部和相对端部，其中裸露端部具有弹簧加载杆或标记物，相对端部延伸到管的内部空间中。然而，侵入式探测装置需要在工作管路中制孔或热攻丝(hot-tapping)，这对于管道操作者而言常常是昂贵且不便的过程。因此，管道操作者常常优先选择完全位于管道之外且无需附加的热攻丝或焊接的非侵入式探测装置。存在两种主要类型的非侵入式探测装置声波探测器/超声探测器，其探测声音改变；以及电磁探测器，其探测周围磁场改变。被动声波探测器可对由穿过管道行进的物体所引起的声音改变进行探测，但无法容易地在这种声音改变与由环境噪声如泵或机动车辆所引起的声音改变之间进行区分。主动声波探测器可通过传递超声波信号来消除此问题， 但这种装置昂贵且需要高水平的功率，并且因功率需要而限制或阻止电池供电选择。电磁探测器常常使用一个或多个线圈来探测磁通量随时间的改变。周围磁场的改变在一个或多个线圈中感应生成与磁场随时间的改变成比例的电压。因此，缓慢行进的铁磁体可能无法在线圈中产生足够的电压来产生探测事件。磁强计不依赖于物体的速度，其通过随时间测量瞬时通量来确定磁通量的改变。 因此，磁强计可对引起电磁场改变的任何物体进行探测，而无论物体速度如何。然而，磁强计可受到错误警报的影响。因此，必须使用合适的方法以进行噪声消除、信号处理、以及周围磁场屏蔽。

发明内容
用于对物体管道中通过进行探测的系统和方法包括非侵入式探测装置，容纳一个或多个被屏蔽的磁强计传感器；以及微控制器，具有自适应阈值探测装置。采用具有备用电池源的AC/DC电源向装置供电。优选地，电池备用电源配置为在暴露于周围环境之前将电接触断开，由此使探测装置适用于防爆区域。优选地，磁强计传感器为使用磁导率可变的材料的磁通量传感器以直接测量通量，并且磁强计传感器彼此正交布置。围绕传感器的内部屏蔽件为电隔绝材料。外部屏蔽件为透磁材料。与微处理器通信的显示单元显示各种统计数据，其中包括所探测到的物体数目和其通过时间。探测装置可以具有可调整端部，以对显示单元进行定向并将磁强计传感器定位在管道外表面附近。当将装置定位在管道上时或使装置移动至管道上的不同位置时，可以使用簧片开关或其他装置以锁定探测装置。一旦探测装置处于其适当位置并解锁，则处理输入磁通量数据流的磁强计传感器和微控制器可发出探测信号。所采用的自适应阈值探测装置首先将异常数据从磁通量数据流去除。然后，使该无异常值的数据流经过4个低通滤波器。第一低通滤波器通过将偏差值从磁通量数据流去除以及将数据流限制为不大于异常值极限的值来估计基线。然后，第二低通滤波器使用基线估计来产生噪声估计。第三低通滤波器为矩形波串(boxcar)滤波器，其提供数据流的经平滑的量值。将经平滑的量值与一组上探测极限和下探测极限进行比较，然后使其经过第四低通滤波器以确定通过事件的长度。如果发生了通过事件，则使显示单元的计数器递增， 并且记录通过事件。由于单个物体可产生多个探测或探测事件，因此可将探测器在通过事件之后锁定预定时期，以阻止当同一物体经过探测器时对其进行的第二次探测。为此，优选贝叶斯锁定估计器。通过以下结合附图和所附的权利要求对优选实施方式的详细描述，可以更好地理解本发明。


图1为根据本发明制成的非侵入式探测器的实施方式的正视图。传感器插板(参见图8至图11B)包括微控制器，至少一个磁强计传感器(“传感器”)位于传感器壳体的下部。传感器壳体旋入可拆卸地紧固至管的基座结构中，直至壳体底部与管表面接触。位于导管组件部分上端处的显示器壳体容纳数字显示器，数字显示器对管道内的物体在其经过探测器之下时的探测进行指示。设置现场接线的导管盒以将探测器连接至AC/DC电源以及容纳接线以例如与控制管道阀开启和关闭的控制室连通。图2为图1所示实施方式的侧视图。显示器壳体容纳包括数字显示器插件和DC 电源(参见图6和图7)的组件。当位于显示器壳体后部的带螺纹的盖被旋松时，DC电源断开连接，由此提供在防爆区域使用探测器的安全环境。图3为图1的显示器面板的正视图。位于显示器面板前部的磁簧开关对位于显示器上的计时器进行重置。第二磁簧开关使探测器处于锁定模式或解锁锁模式，并允许操作者滚动浏览物体探测历史。当处于锁定模式时，装置无法探测物体，探测器可在管道上的多个位置之间移动而不会引起无用的探测。如果探测器是电池供电的，则电池图标显示电池使用时间。图4为图1的显示板的另一正视图，其示出探测器线连接至AC/DC电源(例如，24v 电源)且电池并未处于使用中。设置视觉指示以显示统计数据，如所探测的物体的数目、自历史中探测到任意物体以来的时间、以及自重置后逝去的时间。图5为图2所示的显示器插件的立体图。显示器面板和数字显示器位于组件的上端。绕插件体的外周设有对称的槽，以将插件保持在显示器壳体中，并确保显示器的正确定向及提供适当的内部接线访问。图6为后盖从显示器壳体移除的图1所示探测器的立体图。由于电池与位于显示单元内的弹簧加载触点接触，因此与电池的所有电接触在后盖完全移除之前断开。在电池与盖之间设置有优选地固定至后盖下侧得隔绝垫，以阻止与盖的电接触。图7为图1所示显示器壳体的部分后侧立体图。电池位于由插件体接纳的支架/ 电池保持器中。图8为传感器壳体的视图。传感器壳体接纳包括微控制器和磁强计传感器的传感器插板。
图9为用于图8的传感器插板的屏蔽件的视图。内护罩优选地为电隔绝材料。外护罩优选地为磁渗透材料。图10为图8的传感器插板的视图。传感器插板包括用于与显示器(可以是远程设置的显示器)或控制系统通信的接口、运行自适应阈值算法(参见图12至图19)的微控制器以及传感器。优选地，传感器为使用磁导率可变材料来直接测量磁通量的磁通传感器。图IlA和图IlB示出图8的传感器插板的可替代实施方式。两个传感器彼此正交设置。传感器插板可使用传感器的1-D、2-D、3-D或n-D阵列，阵列的区别可在于传感器元件的定向和分离。然而，正交定向是优选的。图12为信号处理算法的流程图，该算法由微控制器执行以处理n-D传感器阵列所采集的数据。探测方案为对一个或多个传感器使用实时噪声估计的自适应阈值算法。图13为图12所示算法的异常值去除步骤的流程图。图14为图12所示算法的基线估计步骤的流程图。图15为图12所示算法的噪声估计步骤的流程图。图16为图12所示算法的矩形波串或输入平滑步骤的流程图。图17为图12所示算法的探测器步骤的流程图。图18为图12所示算法的时间鉴别器步骤的流程图。图19为图12所示算法的贝叶斯锁定步骤的流程图。
具体实施例方式下面对基于磁强计的探测器进行描述，该基于磁强计的探测器的应用不限于附图中所示的构造、部件设置、和处理流程的细节。本发明能够具有其他实施方式并且能够以各种方式来实践或实施。本文所采用的用语和术语出于说明目的而并非限制。附图中所示元件由以下数字标识10探测器73物体计数累计指示20传感器壳体/模块7472中的槽2120的上端75物体计数历史指示2320的下端77物体图标2520的螺纹部79自最后重置指示以来的时间30导管组件部分81自历史指示器中物体通过以来的时间31填充塞83电源状态指示33现场接线导管盒85锁定/非锁定状态指示35三通接头87发光二极管3730的上端89簧片开关40安装基座90显示器壳体41托架91前盖43钩环销93后盖45螺丝扣94电池组47链95支架/电池保持器50传感器插板97电池51微控制器99隔绝垫53振荡器100探测算法55通信接口110异常值去除算法60磁强计传感器130基线估计算法61内部隔绝屏蔽件150噪声估计算法63外部屏蔽件170输入平滑算法70显示器插件/模块190探测事件算法71数字显示器210时间鉴别器算法72插件体230锁定鉴别器算法
首先参照图1、图10和图12，位于管道部分P外侧的探测器10采用磁强计1
60和探测算法100来对物体在管道中的存在进行探测。物体可以在管道部分P内运动，且探测器10在管道上固定不动。管道中的物体可以是用于管道维护或检查的“清管器”。该物体可携带磁源或者物体的固有性质可允许进行探测。从明显的物体示例可以是包含相当大量铁磁材料的“刷式”清管器或清管器。 通过探测算法100对来自磁强计传感器60的测量进行处理以产生“通过事件”，探测算法100为自适应阈值算法。该事件可通过数字显示器70或发光二极管87显示和/或计数。该事件还可触发用于信号远程装置的输出，信号远程装置诸如用于对管道中阀门的开启和关闭进行控制的控制系统。如图1和图2所示，探测器10通过安装基座40可拆卸地紧固至管道部分P，安装基座40接纳传感器壳体20的螺纹部25。这种设置提供以下功能(1)对传感器壳体20的下端23与管道部分P的外壁表面之间的距离进行调整；以及( 对显示器壳体90的方向进行定向。优选地，螺纹部25旋入基座40中直至螺纹部25的下端23与管道部分P的外壁表面接触。基座40的两个相对的托架41每一个都接纳钩环销43和链47的端部。链47 与螺丝扣45 —同用于将基座40紧固在管道部分P上的所需位置。探测器10的上述可调整特征提供对磁强计传感器60进行定位的功能，以实现最大探测能力。在导管组件部分30的上端37设有显示器壳体90。优选地，显示器壳体90可拆卸地紧固至导管组件部分30。显示器壳体90接纳显示器插件70，显示器插件70提供各种指示和统计数据(参见讨论图3至图5的下文)。位于插件体72外周的对称槽74确保显示器71的正确定向并提供必要的接线访问。显示器壳体90的前盖91提供显示器插件70的数字显示器71用的窗口。导管组件部分30位于传感器壳体20的上端21。导管组件部分30包括三通接头 35，以将探测器10连接至现场接线导管盒33。导管盒33可包括接线，以使探测器10与AC/ DC电源连通、使探测器10与控制室线连接、或者向远程显示器插件70提供接线。还可以对填充塞31进行设置以添加填料、填充物、充填复合物或密封剂。现在参照图3至图5，显示器插件70可包括显示各种指示和统计数据的数字显示器71。在优选实施方式中，数字显示器71显示物体计数指示73、物体通过历史指示75、物体图标77、自最后重置指示以来的时间79、以及自历史指示中最后物体以来的时间81。显示器71上的微控制器(未示出)从位于传感器插板50 (参见图8)上的微控制器51和磁强计传感器60接收信息。显示器插件70还包括电源指示83，其指示探测器10在电池电源(图幻下运行还是在AC/DC电源(图4)下运行。当处于电池电源时，电源指示83优选地显示指示电池使用时间的电池图标83。数字显示器71还包括锁定/非锁定状态指示85。磁簧开关89B使探测器10处于锁定或非锁定模式，由此提供控制无用探测的功能。当处于锁定模式时，探测器10被阻止探测物体，并可在管道上的多个位置之间移动。磁簧开关89B还允许使用者与统计数据互动并滚动浏览如指示75和81所指示的整个物体历史。第二磁簧开关89A对计时器79 进行重置。显示单元70还包括发光二极管指示87来指示近期通过是否发生。当簧片开关 89A和89B被触发时，发光二极管指示87A和87B分别变亮。如图6和图7所示，显示单元70优选地包括电池组94。电池97置于其中的支架 /电池保持器95由显示器插件70的内部空间所接纳。位于显示器插件70内的弹簧加载触点(未示出)压靠电池组94的远端，从而当使用者将显示壳体90的后盖93旋松时，电池组94被迫远离触点并移向后退的后盖93。因此，在后盖从壳体90完全移除之前，弹簧加载触点与电池组94之间的连接断开。该特征用于探测器10在防爆区域中的使用。在电池组 94的近端与后盖93之间设有隔绝垫99。现在参照图8至图11B，传感器壳体20容纳传感器插板50。位于传感器插板50上的微控制器51接收由磁强计传感器60采集的数据并运行探测算法100(参见图12)以确定是否发生通过事件。作为现有技术已知类型的微控制器51通过通信接口 55与显示单元70或其他系统通信。在优选实施方式中，接口 55为RS485接口。插板50还包括振荡器 53，振荡器53由比较器、模拟开关阵列和与门阵列构成。探测器10可使用磁强计传感器60的1-D、2-D、3_D或n_D阵列，其中上述阵列的区别在于相对于彼此的定向；单个传感器元件的分离；或者相对于彼此的定向和单个传感器元件的分离这两者。当使用多个传感器60时，如图IlA和图IlB所示的正交定向是优选的。可以使用偏置但具有共同定向的传感器60来改进使用符合选择(或相关)算法的探测过程。各种磁强计技术可用于传感器60。在优选实施方式中，传感器60为使用磁导率可变材料的磁通量传感器。通量的改变将磁强计的有效电感改变。由PNI Corporation, Inc. (Santa Rosa, CA)制造的通量传感器是有效的磁通量传感器60。数字信号处理对于探测过程而言是必要的，数字的、自适应探测算法是优选的信号处理算法。如图12所示，探测方案是基于用于传感器60的实时噪声估计的自适应阈值探测过程100。参数化允许过程100被调整以用于最广泛应用，并具有最少的错误警报和高的探测可能性。在下面对过程100的说明中指示关键参数的优选范围和值。通过微处理器51执行的探测过程100可包括所有以下处理步骤异常值的自动消除、测量偏差的计算和去除、测量噪声的估计、建立具有和不具有滞后的阈值、顺序探测、以及事件时间鉴别/探测。传感器60采集磁强计数据101 ( "mag数据”或mag)以进行处理， 探测事件103通过包括但不限于振幅、持续时间、和先前事件在内的多个标准来确定。还可通过使用图样识别技术来说明传感器60的响应的细微结构。首先，通过处理步骤110即异常值的消除，来处理mag数据101 magi = min (magi-基线估计 P^signum(Iiiagi)，异常值极限)(公式 1)参见图13和子步骤113-117。在偏差(基线)从测量值去除之后，输入被限制成少于或等于异常值极限。在整个运行过程中保留标记。“sigrmm”函数返回自变量的符号。 “min”函数返回自变量列表的算术最小值。然后，无异常值的磁强计数据被返回到过程100 并经过低通滤波器以对基线进行估计。处理步骤130即基线的估计为基线估计i =基线估计η+Onagi-基线估计^Rf/65536 (公式2)参见图14和子步骤131-137。处理步骤130为低通滤波器，其用于为测量估计从零的偏差。低通滤波器为简单的指数类型。用于滤波器的传递函数(transfer function) 为(公式3)其中
权利要求
1.一种用于对物体在管道中通过进行探测的系统，该系统包括 探测器，绕管道的外表面布置并且包括至少一个磁强计传感器； 屏蔽件，环绕所述至少一个磁强计传感器；以及微控制器，与所述至少一个磁强计传感器通信并且具有自适应阈值探测装置。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括第二磁强计传感器，所述第二磁强计传感器正交于所述至少一个磁强计传感器定向。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括显示模块，所述显示模块与所述微控制器通信。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括具有低通滤波器的所述自适应阈值探测装置。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述低通滤波器的传递函数为
6.根据权利要求5所述的系统，其中，参数“f”处于1至4096的范围内。
7.根据权利要求4所述的系统，其中，所述低通滤波器的传递函数为
8.根据权利要求7所述的系统，其中，参数“fn”处于1至256的范围内。
9.根据权利要求4所述的系统，其中，所述低通滤波器的传递函数为
10.根据权利要求9所述的系统，其中，矩形窗的长度处于2至128的范围内。
11.根据权利要求4所述的系统，其中，所述低通滤波器的传递函数为
12.根据权利要求1所述的系统，还包括用于阻止探测的装置。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阻止装置为簧片开关。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述阻止装置为贝叶斯锁定估计器。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将所述探测器相对于所述管道的外表面的位置进行调整的装置。
16.根据权利要求1所述的系统，还包括可拆卸地紧固的基座，所述可拆卸地紧固的基座能够接纳所述探测器的一部分。
17.根据权利要求1所述的系统，还包括为透磁屏蔽件的所述屏蔽件。
18.根据权利要求1所述的系统，还包括为电隔绝屏蔽件的所述屏蔽件。
19.根据权利要求1所述的系统，还包括备用电源，所述备用电源配置成在暴露于周围环境之前将电接触断开。
20.一种用于对物体在管道中通过进行探测的方法，该方法包括以下步骤 将至少一个磁强计传感器定位在所述管道的外表面附近；从所述至少一个磁强计传感器采集磁通量数据流； 通过自适应阈值探测算法处理所述磁通量数据流；以及对通过事件进行探测。
21.根据权利要求20所述的方法，所述处理步骤还包括以下步骤 使所述磁通量数据经过至少一个低通滤波器。
22.根据权利要求20所述的方法，所述处理步骤还包括以下步骤 将异常数据从所述磁通量数据流去除，以提供无异常值的磁通量数据流。
23.根据权利要求22所述的方法，所述去除步骤包括以下步骤 将基线值从所述磁通量数据流去除；以及将所述磁通量数据流限制为不大于异常值极限的值。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤使所述无异常值的磁通量数据流经过第一低通滤波器，以对基线进行估计。
25.根据权利要求M所述的方法，其中，所述低通滤波器的传递函数为
26.根据权利要求25所述的方法，其中，参数“f”处于1至4096的范围内,
27.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤使所述无异常值的磁通量数据流经过低通滤波器，以产生噪声估计。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述低通滤波器的传递函数为
29.根据权利要求观所述的方法，其中，参数“fn”处于1至256的范围内。
30.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤使所述无异常值的磁通量数据流经过低通滤波器，以产生所述无异常值的磁通量数据流的经平滑的量值。
31.根据权利要求30所述的方法，其中，所述低通滤波器的传递函数为
32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述矩形波串的长度处于2至128的范围内。
33.根据权利要求22所述的方法，还包括以下步骤将所述无异常值的磁通量数据流的经平滑的量值与一组探测极限进行比较。
34.根据权利要求33所述的方法，还包括以下步骤使经平滑的量值经过至少低通滤波器，以确定探测事件的长度。
35.根据权利要求34所述的方法，其中，所述至少一个低通滤波器的传递函数为
36.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤 响应于探测事件使计数器递增。
37.根据权利要求20所述的方法，还包括以下步骤 显示探测事件。
38.根据权利要求20所述的方法，还包括 基于通过事件向远程装置发出信号。
39.根据权利要求20所述的方法，还包括以下阻止步骤 阻止非通过事件的探测。
40.根据权利要求39所述的方法，还包括具有以下子步骤的所述阻止步骤 将所述至少一个磁强计传感器锁定。
41.根据权利要求39所述的方法，还包括具有以下子步骤的所述阻止步骤 在通过事件之后将探测器锁定预定时期。
42.根据权利要求20所述的方法，所述处理步骤还包括以下子步骤 估计噪声估计。
43.根据权利要求20所述的方法，所述处理步骤还包括以下子步骤 对所述磁通量数据流的量值进行平滑。
44.根据权利要求20所述的方法，所述处理步骤还包括以下子步骤 确定上探测阈值和下探测阈值；将所述磁通量数据流的经平滑的量值与所述上探测阈值和下探测阈值至少之一进行比较；以及基于比较的结果对探测值进行更新。
45.根据权利要求44所述的方法，每个探测阈值为所述噪声估计的多个“ρ”，“ρ”处于 1至10的范围内。
46.根据权利要求20所述的方法，还包括具有以下子步骤的所述处理步骤确定探测事件的时间长度。
全文摘要
用于对物体在管道中通过进行探测的系统和方法，包括非侵入式探测装置，容纳一个或多个被屏蔽的磁强计传感器；以及微控制器，具有自适应阈值探测装置。自适应阈值探测装置将异常值数据从磁通量数据流去除，然后使无异常值的数据流经过4个低通滤波器。将数据流的经平滑得数值与探测极限进行比较，如果发生了通过事件，则指示近期探测，使显示单元的计数器递增并且记录通过时间，这些统计数据都显示在显示单元上。由于单个物体可产生多个磁场，因此可将探测器在通过事件之后锁定预定时期，以阻止当同一物体经过探测装置时对其进行的第二次探测。
文档编号G01N27/72GK102439434SQ201080022512
公开日2012年5月2日 申请日期2010年5月19日 优先权日2009年5月22日
发明者劳埃德·N·萨尔斯曼, 埃里克·N·弗里曼, 威廉·J·兰金, 斯蒂芬森·J·米斯卡, 菲利普·M·莫尔特比, 马修·W·洛根, 马克·G·雷吉斯特 申请人:Tdw特拉华公司