用于可旋转元件的传感器的制作方法

本发明涉及一种用于可旋转元件的传感器。

背景技术：

在许多应用中，希望感测可旋转的可旋转元件的方向，例如以在可旋转元件的操作期间提供安全性。在可旋转元件的机械故障或致动系统(可以是例如气动的)失效的情况下，则可旋转元件可能不在预期位置，这可能产生安全问题。

存在各种类型的感测技术用于感测连续旋转的可旋转元件的旋转。然而，这种传感技术通常依赖于由连续运动产生的周期性测量值，并且因此不能直接应用于可在有限旋转范围内旋转的可旋转元件，或者其中方向的变化通常偶尔发生的地方。

当可旋转元件安装在本身可移动的平台(例如浮动平台或移动车辆或摇摆容器，例如可用于海上钻井或勘探的浮动平台)上时，本发明的第一方面解决了潜在的困难。理论上，如果传感器单元设置有方向传感器以检测可旋转元件的绝对方向，那么所获取的测量值受平台的运动影响，而不仅仅是可旋转元件相对于平台的方向(旋转位置)。这可能导致难以感测可旋转元件的方向，并且可能导致错误的感测。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种可安装在自身可移动的平台上的可旋转元件上的传感器单元，该传感器单元包括：方向传感器，布置为获取取决于传感器单元的方向的测量值；处理器，布置为从测量值中导出表示可旋转元件的方向的旋转位置信号；缓冲器，布置为缓冲由方向传感器在预定时间段内获取的一系列近期测量值，其中处理器布置为导出旋转位置信号，从而进行校正以基于缓冲器中缓冲的一系列测量值的整体补偿平台运动对测量值的影响。

传感器单元安装在可旋转元件上并包括方向传感器，该方向传感器获取取决于传感器单元的方向的测量值。原则上，这种测量值允许简单且可靠地检测可旋转元件的旋转位置。特别地，它允许使用比具有足够可靠的感测的典型外部传感器更简单的传感器类型。类似地，传感器单元可以具有相对低的功耗，允许使用诸如电池等内部电源并且能够长时间运行。

如上所述的当可旋转元件安装在本身可移动的平台上时的潜在困难问题通过在缓冲器中缓冲在预定时间段内获取的一系列近期测量值并使用所缓冲的一系列测量值的整体进行校正以补偿平台运动对测量值的影响来解决。

已经意识到平台的运动可以通过在预定时间段内在缓冲器中缓冲的一系列测量值的整体来表征，尽管传感器单元安装在可旋转元件上。这是因为平台随平台移动，因此与可旋转元件相对于平台的移动相比，该移动通常以相对慢的速率发生，例如在浮动平台的情况下主要由波浪引起。因此，在预定时间段内获取的一系列测量值的整体表征平台的运动，并且可用于进行校正，该校正在从测量值导出旋转位置信号时补偿该运动。

处理器还可以布置为将元数据与旋转位置信号相关联。这种元数据可以包括以下中的一个或多个：时间信息、传感器标识、可旋转元件标识、可旋转元件转圈次数、可旋转元件处于打开位置的计数、可旋转元件处于关闭位置的计数、可旋转元件速度、可旋转元件加速度、可旋转元件角度、电池电量水平、方向传感器信号水平、信号极化、天线信号强度、传感器位置、信号三角测量以及位置，位置可以由传感器单元中的地理定位单元检测。

传感器单元还可以包括无线通信接口，该无线通信接口布置为无线地传送旋转位置信号。这允许远程定位传感器单元，而无需进行有线连接。这减少了安装困难并避免了与电线损坏相关的风险。

传感器单元可以进一步包括光源并且布置为调制光源的光输出以表示可旋转元件的方向。这允许提供适合在远程位置使用的无线传感器单元，而不需要进行电连接，因为可以监控光源的输出。

此外，根据本发明的第一方面，提供了一种与传感器单元的操作相对应的方法。

本发明的第二方面涉及使用加速度计获取取决于传感器单元的方向的测量值。原则上，加速度计适合于通过检测相对于惯性坐标系的加速度来检测可旋转元件的方向，因此指示由于地球的重力场引起的加速度方向。此外，加速度计提供具有相对低功耗的解决方案，这在许多应用中和/或在可旋转元件远程定位的地方是重要的，例如以减少维护要求。

根据本发明的第二方面，提供了一种用于可旋转元件的传感器单元，该传感器单元可安装在可旋转元件上，该传感器单元包括：加速度计，布置为获取表示相对于惯性坐标系并且取决于传感器单元的方向的测量值的加速度；处理器，布置为从测量值导出表示可旋转元件的方向的旋转位置信号；低通滤波器，布置为对从方向传感器提供给处理器的测量值进行滤波。

虽然加速度计适合于在良性条件下可靠地检测可旋转元件的方向，但是在许多应用中，存在由于可旋转元件旋转的力与可旋转元件上来自振动和冲击(例如，来自碰撞或撞击)的其他力相比较小的变化引起的困难。当可旋转元件旋转(这是期望被感测到的)时，这些力的作用可能掩盖加速度的变化。然而，提供低通滤波器允许从振动和/或冲击引起的可旋转元件上的力中去除信号，而不需要对处理器中的测量值进行低通滤波，从而降低的传感器单元的功耗。

进一步根据本发明的第二方面，提供了一种与传感器单元的操作相对应的方法。

附图说明

现在将参考附图通过非限制性示例描述本发明的实施例，在附图中

图1是包括可旋转元件和传感器元件的第一类型组件的侧视图；

图2是包括可旋转元件和传感器元件的第二类型组件的侧视图；

图3是浮动平台的示意图，组件可以安装在浮动平台上；

图4至8是具有不同安装布置的传感器单元的立体图；

图9和10是安装在阀手轮上的传感器单元的立体图；

图11是安装在棘轮带上的传感器单元的立体图；

图12是安装在门把手上的传感器单元的立体图；

图13是安装在起重机臂上的传感器单元的立体图；

图14是安装在运输容器上的多个传感器单元的立体图；

图15是安装在管道上的传感器单元的剖视图；

图16是安装在装有流体的罐上的传感器单元的剖视图；

图17是指板闩锁组件的立体图，该指板闩锁组件上安装有传感器单元；

图18是传感器单元的壳体的剖视图；

图19是垂直于图17的剖视图截取的传感器单元的电子元件的剖视图；

图20是传感器单元的传感器电路图；

图21是传感器电路的一个实施方式中的加速度计芯片的详细图；

图22是传感器电路执行的感测方法的流程图；

图23是在感测方法中导出旋转位置信号的步骤的流程图；以及

图24是监控系统的示图。

具体实施方式

图1示出了第一类型的组件2，其包括安装元件3和通过铰链6可旋转地安装在安装元件3上的可旋转元件5。可旋转元件6可在有限的旋转范围内旋转。在该非限制性示例中，可旋转元件5从铰链6大致线性地延伸，并且具有大约90°的有限旋转范围，在打开位置o和关闭位置c之间延伸。传感器单元10安装在可旋转元件5上。

图2示出了第二类型的组件2，其包括安装元件3和通过轴6可旋转地安装在安装元件3上的可旋转元件5。可旋转元件6可在有限的旋转范围内旋转。在该非限制性示例中，可旋转元件5具有圆形形状并且具有有限的旋转范围，该旋转范围可以是一整圈或多圈(不一定是多圈完整的圈)。在图2中，示出了传感器元件10垂直对准的第一位置v和传感器元件水平对准的第二位置h，但这些不是旋转范围的极限。传感器单元10安装在可旋转元件5上。

在这两个示例中，可旋转元件2安装在安装元件3上，但是传感器单元10同样可以是不是这样安装的可旋转元件2，但是可以在使用中旋转以使其方向改变，一些示例以下给出。因此，更一般地，可旋转元件2可以是其方向可以改变的任何可旋转元件。

传感器单元10可以以任何合适的方式安装在可旋转元件5上。传感器单元10可以使用机械固定装置(例如，螺母和螺栓、夹具或推入配合)安装在可旋转元件5上。传感器单元10可以以集成方式安装在可旋转元件上。传感器单元10可以通过粘合剂安装在可旋转元件5上。

用于将传感器单元10安装在可旋转元件5上的安装装置可包括密封件，例如o形环，密封件可以是在安装传感器单元10时压缩的弹性构件。用于这种密封件的合适材料包括viton或橡胶。

传感器单元10可以以允许其重新装配到可旋转元件5的方式安装。或者，传感器单元10可以在可旋转元件5的制造期间安装在可旋转元件5上。

多个传感器单元10可以安装到一组多个组件2上，以提供组件2的整个系统的感测。

组件2可以安装在可移动平台上。图3示出了作为组件2可以安装在其上的平台的示例的浮动平台11。浮动平台11可以是包括船的任何类型的平台，通常是适用于海上油气勘探或钻井操作的平台。浮动平台11可包括井架12和其他模块13。根据可旋转元件5的性质，组件2可安装在浮动平台上的任何位置，例如安装在井架12或其他模块13上。

虽然图1和2示出了具有不同形式的可旋转元件5的两种类型的组件2，通常，组件2可包括具有有限旋转范围的任何类型的可旋转元件5。组件2通常可以具有海上应用。

现在将描述传感器单元10的一些非限制性安装示例。在这些示例中的每一个中，传感器单元10包括壳体11和安装装置14，壳体11容纳传感器单元10的部件，如下面进一步描述的，传感器单元10固定到安装装置14。在每个示例中，壳体11是相同的，但是安装装置14是不同的。这通过允许壳体10及其内部部件制成共同的设计而简化了制造，同时允许为不同类型的可旋转元件5和不同的应用选择安装装置14的类型。

图4示出了一个示例，其中安装装置14是具有两个带子部分16的带子或吊带15，带子部分16可以通过带扣17(或其他连接器，例如扣钩)连接在一起，以将带子15安装在物体周围。

图5示出了一个示例，其中安装装置14是安装夹18，安装夹18可以夹在安装到可旋转元件5的接收元件(未示出)中。

图6示出了一个示例，其中安装装置14是底座19，底座19具有设置在下表面(未示出)上的粘合剂，允许传感器单元10粘附地安装到可旋转元件5上。

图7示出了一个示例，其中安装装置14是夹具20，夹具20包括具有中心孔22的两个夹具部分21。夹具部分21可以夹紧到布置在孔21中的元件，例如管道。

图8示出了一个示例，其中安装装置14是具有凸缘24的底座23，凸缘24设有孔25，用于接收标准紧固件，例如螺栓、螺钉、铆钉或钉子，传感器单元10可通过该孔安装到可旋转元件。

传感器单元20可以安装在各种类型的可旋转元件2上，而不限于图1和2中所示的那些。可安装传感器单元10的可旋转元件5的非限制性示例包括：

·舱口、把手、轮子或水密门，用于为船舶周围的舱室提供船舶完整性，以便监控其位置和状况，以证明船舶是安全的；

·船舶应用中的轮阀或任何其他工程应用；

·阀门或加压管路(例如液压、气动)，监控位置和压力、流量和温度等其他方面可能很关键的应用场合；

·铰链、闸、门、百叶窗和/或支架，对完整性或安全监控可能需要其方向或状态的反馈；

·用于处置管道的电梯，管道可能会在电梯的项部和底部轨道之间不对齐；

·指板闩锁组件的闩锁；

·用于在管道处置过程中夹紧或固定管件的爪子，确保位置(打开/关闭状态)已知，并监控其他特性，如应变、振动和温度；

·用于固定大型重型设备的夹具，如防喷器、滑板、卡车、推车或泵；

·用于在绞车或顶部驱动器中固定管子的箍；

·起重机或起重机臂，以提供方向反馈并监控安全操作和/或设计参数内的操作，例如，在公海提升负载；

·集装箱支架和/门，提供货物安全和完整性数据；

·用于在钻孔时对管件施加负载和扭矩的绞车、冠部、顶部驱动器或块，以监控它们的状态和位置、振动、振荡、磨损和温度；

·吊带、吊索或支架，用于提升负载或固定物体，用于监控它们的方向、振动或振荡，并在不安全操作、危险情况、过度摇摆、带子磨损或负载超过规定质量时发出警报或反馈，例如集成监控装置，以在提升或固定负载时监控带子的方向；

传感器单元10安装在不同的可旋转元件5上的一些应用的非限制性示例如下。

图9和10示出了安装在用于操作阀27的手轮26上的传感器单元10的两个示例。在图9的示例中，传感器单元10具有安装装置14，该安装装置14是图7所示类型的夹具20。在图10的示例中，传感器单元10具有安装装置14，该安装装置14是图8所示类型的底座23。在这些示例中，所示的阀27是蝶阀，但通常，阀27可以是由手轮控制的任何类型的阀，例如球阀、闸阀、截止阀等。

图11示出了安装在棘轮带30的棘轮机构29的手柄28上的传感器单元10。在该示例中，传感器单元10具有安装装置14，该安装装置14是图7所示类型的夹具20。

图12示出了安装在门把手31上的传感器单元10。在该示例中，传感器单元10具有安装装置14，该安装装置14是图7中所示类型的夹具20。类似地，传感器单元10可以安装在其他把手(如窗户或舱口把手)上。

图13示出了安装在起重机臂32上的传感器单元10。在该示例中，传感器单元10具有安装装置14，该安装装置14是图8中所示类型的底座23。

图14示出了安装在作为起重机(未示出)的负载的运输容器33上的多个传感器单元10。一些传感器单元10安装到运输容器33自身的可旋转元件上，特别是安装到铰链34、手柄35和锁36上。一些传感器单元10安装在起重机绳索或吊索37上。类似地，传感器单元10可以安装到任何其他起重机负载上。起重机绳索37和容器33自身的方向随着起重机的操作而改变，并且这种旋转可以由传感器单元10监控。

图15示出了安装在管38上的传感器单元10，管38可包含沿管38流动的流体39。通常，管38可具有任何尺寸和类型，并且流体39可为任何类型，例如，油气提取或生产中的流体，其可以是乳液。管38的方向可以在使用中改变，并且这种旋转可以由传感器单元10监控。

图16示出了安装在容纳流体41的容器40上的多个传感器单元10，在该非限制性示例中，流体41包括两个不混溶的部件42和43。通常，容器40可以是任何类型的容器，并且流体41可以是任何类型。例如，容器40可以是用于油气提取、生产或储存的容器。容器40可以是分离器。

图17示出了安装在组件2的闩锁44上的传感器单元10，组件2是指板闩锁组件。多个这样的组件可以沿指板101安装，以保持任何类型的管，例如钻杆、钻铤或套管。闩锁44可旋转地安装在支架45上，并且是图1中所示的第一类型的组件的示例。闩锁44由气动缸46致动。传感器单元10安装到闩锁44，在本示例中是安装在锁闩44中的孔47内，传感器单元10通过与传感器单元10接合的保持构件48保持在其中。在pct/gb2017/051972中公开了允许安装在闩锁105上的壳体11的可能配置的进一步细节，参考该文献。

现在将更详细地描述传感器单元10。如图18和19所示，壳体11容纳传感器电路50，如下所述。

壳体11的结构如下。

壳体11包括底座76和固定在底座76上的盖79。

底座76和盖79形成外壳78，传感器电路50的电子元件包含在外壳78中。外壳78密封电子元件并且没有可能损害完整性的外部电连接。外壳78能够抵抗流体和紫外线，达到合适的标准，例如ip67标准。

外壳78包含电池77，电池77用作传感器电路50的电源。在电池77上方提供其上形成有传感器电路50的电路板80。电容器81固定到电路板80上，邻近电池77，电容器81旁边的第一隔离物82将电路板80与电池77隔开。

第一发光器83(通常是发光二极管)布置在壳体11的底部，在电池77下方，通过第二隔离物84与电池77隔开。第一发光器83是光源，可以如下面进一步描述的那样使用。如图19中最佳示出的，柔性电路85将第一发光器83连接到电路板80。

附加地或替代地，第二发光器87(通常是发光二极管)布置在壳体11的顶部，在电路板80的顶部上。盖79足够薄或透明薄以允许光输出，因此，第二发光器87形成来自第一发光器83的附加或替代光源。

壳体11可以由任何合适的材料制成，通常是非金属材料。壳体11可以由坚韧耐用的材料制成，以承受冲击、振动、极端温度、冰、阳光直射、uv降解以及用超过200psi的高压水射流冲洗。壳体11可以由任何合适的材料制成。合适的材料包括但不限于：碳纤维；玻璃纤维(玻璃纤维增强塑料)；纤维材料，如凯夫拉纤维；塑料，例如聚醚醚酮(peek)或任何类型的聚芳醚酮(paek)；弹性体，例如橡胶；或其他工程热塑性塑料。材料可以是增强材料，例如用碳纤维增强的peek或玻璃纤维。该材料可以是复合材料。

壳体11还可以包括至少一个非金属衬里。这种衬里可以在传感器单元10和它的安装件之间提供压缩接合，以适应可旋转元件5的尺寸的公差，从而增加摩擦和完整性。这种衬里可以提供和/或密封，例如以防止油和碎屑。这种衬里可以是o形环或套管。作为传感器单元10的第二配置中的这种衬里的示例，壳体11包括o形环形式的衬垫。

衬里的材料可以是已知适合用作油气应用中的衬里的类型。用于非金属衬里的合适材料可包括聚异戊二烯、苯乙烯丁二烯橡胶、乙烯丙烯二烯单体橡胶、聚氯丁二烯橡胶、氯磺化聚乙烯橡胶、′viton′、丁腈橡胶。该列表是非限制性的，可以使用其他弹性体。材料也可以是这些和/或其他材料的混合物。

在上面的示例中，提供电池77作为电源。更一般地，电池77可以由本领域已知的能够向传感器单元10提供电力的任何类型的独立电源代替。例如，电源可包括电池、太阳能电池、燃料电池、超级电容器或电容器。电源可以可选地包括能量收集设备，该能量收集设备被配置为从组件2获取能量。例如，电源可以被配置为从可旋转元件5的运动、冲击或振动中获取能量。电源可以与传感器单元10一体地提供，或者可移除地附接到传感器单元10。因此可以提供易于维护的传感器单元10。

在电源是电池77的示例中，优选地，电池77具有长寿命特性。电池77理想地紧凑以适合传感器单元10。为了避免频繁更换传感器单元10，电池77将具有足够的容量来在几年内为传感器电路50供电数万次(例如20,000次和五年)。可选地，电池77可以是锂亚硫酰氯电池，其已经被选择和配置为持续设备的寿命。

如现在将描述的，传感器电路50可以如图20所示布置。

传感器电路50包括方向传感器18(或多个方向传感器)、处理器52、无线通信接口57、作为光源的第一发光器83和/或第二发光器87以及电源56，电源56可以是如上所述的电池77或如上所述的任何其他已知类型的电源。

方向传感器18获取取决于传感器单元10的方向的测量值。通常，方向传感器18可以是适合于检测可旋转元件5的方向的任何类型的传感器。传感器18可以优选地是低功率传感器。例如mems传感器，其可以例如配置为倾斜计、加速度计、磁力计或陀螺仪。可以使用的替代类型的传感器的示例包括：倾斜球传感器；红外；激光；光学，数字成像，声学；电容；磁性、天线极化或霍尔效应传感器。当传感器单元10安装在可旋转元件5上时，与安装在安装元件3上的间接感测可旋转元件5的传感器相比，传感器10可以是相对简单且功率低的类型。传感器单元10便宜并且能够在电源56具有有限容量(例如是电池)的地方运行。

向处理器52提供来自方向传感器18的测量值并处理它们。处理器52从测量值导出表示可旋转元件5相对于安装元件3的旋转位置的旋转位置信号。一般而言，这是可能的，因为传感器单元10安装在可旋转元件5中，并且因此，传感器单元10的方向指示可旋转元件5的方向。

在图1的示例和旋转范围小于整圈的其他示例中，旋转位置由来自加速度计53的测量值指示的方向唯一地识别。在图2的示例中和在旋转范围是整圈或更多圈的其他示例中，旋转位置可以从加速度计53的测量值指示的方向导出，以提供圈内的旋转位置，并且可以从由来自加速度计53的测量值指示的方向的历史导出，以在不同圈之间导出旋转位置，例如通过确定和计数由改变方向指示的圈数。

旋转位置信号可以表示可旋转元件5的当前旋转位置相对于安装元件3在其运动范围内的值。

或者，旋转位置信号可以简单地表示可旋转元件5的当前旋转位置是对应于旋转范围的一个极限的打开状态、对应于旋转范围的另一个极限的关闭状态、或者是对应于旋转范围的极限中间的任何位置的中间状态。例如，打开状态和关闭状态可以被认为对应于可旋转元件5在旋转范围的相应极限的预定角度范围内，例如6度。在这种情况下，可以通过对由连续测量值指示的旋转位置应用合适的阈值条件来导出打开和关闭状态。在这种情况下，表示可旋转元件5的旋转位置的值的旋转位置信号可以或可以不明确地导出，但是阈值条件与基于类似几何计算的测量值相关。

无线通信接口57提供无线通信，并且可以是布置成使用射频电磁波发送信号的无线电通信接口。可以选择具有适合于使用领域的波长的频率。所选频率不应干扰船舶通信设备。可选地，所选频率可在2至3ghz之间。

作为使用射频em波的替代方案，无线通信接口57可以采用任何其他形式的无线通信来传送方向信号，例如声学、微波、超声波或光学通信。

无线通信接口57可以是单向的并且仅仅从传感器单元10发送信息，或者可以是双向的并且发送和接收信息。无线通信接口57可以实现任何合适的传输协议。

无线通信接口57用于在处理器52的控制下将旋转位置信号无线地传送到下面进一步描述的监控系统65。

另外，处理器可以将元数据与旋转位置信号相关联。这种相关联的元数据可以与旋转位置信号无线通信。

元数据可以由传感器单元10在整个组件阵列2中监控可旋转元件5来生成。元数据可以包括时间信息，例如日期和时间。元数据可以包括可旋转元件特征，例如传感器标识、可旋转元件标识、可旋转元件转圈数、可旋转元件处于打开位置的计数、可旋转元件处于关闭位置的计数、可旋转元件速度、可旋转元件加速度、传感器电池电量水平、方向传感器信号电平、信号极化、天线信号强度、传感器位置或自诊断信息，例如关于冲击或振动或记录的记录异常或警告。

传感器电路50可以包括布置成检测传感器单元50的位置的地理定位单元58，例如全球定位系统(gps)单元。在这种情况下，元数据可以包括地理定位单元58检测到的位置。这对于指示跨组件阵列2布置的多个传感器单元10的位置是有用的。

传感器电路50可以包括另外的传感器59，其通常可以是任何类型的传感器，用于与旋转位置一起监控可旋转元件5的另一特征。可以包括一个以上这样的另外的传感器59。

作为非限制性示例，另外的传感器59可以是以下任何一种：

·感测作为容器或管道的可旋转元件5的内容物的传感器，例如感测材料特性的传感器或测量表面或界面水平的传感器；

·称重传感器或应变计等；

·接近传感器，可选择是光学传感器；

·压力传感器；

·温度传感器；

·光强度传感器；

·传感器；

·腐蚀传感器；

·硬度传感器；

·磁传感器；

·滚珠轴线承座圈

·表面磨损传感器

这种另外的传感器59可以提供在恶劣环境中无线地操作的组合状态监控装置，例如用于海上运输、碳氢化合物生产、浮式生产储油卸油装置fpso)、钻探或勘探的浮动平台；

可选地与地理定位单元58组合，这种另外的传感器59可以提供对货物(例如，iso容器、固定支架、密封件和门)的位置、状况、完整性、安全性和方向的监控。

这种另外的传感器59可以监控流体，包括流体的组成(油、固体和水)、ph、电导率、盐度、电磁、磁共振、粘度、密度和表面张力，例如，监控罐、分离器、管道、导管、歧管、振动器集管箱、通道或其他容器中相对于浮动平台11的方向的液位(在精确测量组成时可能是必要的)。

举例来说，在传感器单元10安装在如图15所示的管道38上的情况下，另外的传感器59可以监控流体39的水平44或组成，其可以随着管道38的方向而变化。

举例来说，在传感器单元10安装在如图16所示的容器40上的情况下，另外的传感器59可以监控表面45和/或界面46的水平，其可以随着容器40的方向而变化。例如，这在储存和生产油和水时可能是重要的。

传感器电路50系统可以包括其他电子和处理能力，包括用于存储软件、固件、数据和记录的存储器。

作为无线通信接口57的替代，可以使用传送旋转位置信号的任何其他方法。

第一发光器83和/或第二发光器87用作一个或多个光源，如下所述。通常，光源的设置是可选的，但是除了使用无线通信接口57来通信旋转位置信号和其他信息(例如元数据)或者作为其替代，可以提供光源。

通常，也可以使用其他形式的光源，作为第一发光器83和/或第二发光器87的替代。光源可以设置在传感器单元10中的任何位置，该位置是可见的或在使用中具有视线。

传感器单元10可以安装成使得在安装在高位置的组件2的情况下光源向下指向，使得它们从下方可见。这还使它们更清洁，降低了遮挡输出光的风险。

光源可以发射任何合适波段的光，例如红外、可见或紫外。

在处理器52的控制下，根据由传感器18感测的可旋转元件5的方向来调制一个或多个光源的光输出。因此，可以提供可旋转元件5的方向的可靠指示。

调制光源以表示可旋转元件5的方向允许提供适用于远程位置而无需进行电连接的无线传感器单元。光源可以提供可旋转元件或监控装置的位置、安全性或状况的即时指示。

光源的调制可以以多种方式实现，一些非限制性示例如下。

在最简单的情况下，光源可以处于对应于可旋转元件5的两个不同旋转位置(例如，打开和关闭位置)的开或关状态。例如，点亮的光源可以识别出可旋转元件5处于关闭位置，并且未点亮的光源可以指示可旋转元件5处于打开位置。

或者，调制可以是光源的照明定时(例如闪烁速率)的变化。例如，两个(或可选地更多个)照明定时可以指示可旋转元件5的两个(或可选地更多个)旋转位置，例如关闭位置和打开位置(以及可选地一个或多个其他中间旋转位置)。

在一个示例中，光源的输出闪开和闪关，但是通过改变周期来调制。这是有利的，因为与连续输出光相比节省了功率。

在这种情况下，在每个不同的照明定时中，每个周期中光源闪开的时间可以足够长，以便由人类观察者或相机系统检测，这取决于哪一个用于监控输出。对于人类观察者而言，考虑到视觉的持久性，光源闪开的时间足够长以至于可见，例如至少5ms、优选至少8ms、至少10ms或至少20ms。对于相机系统，考虑到所使用的相机和处理技术，光源闪开的时间足够长以便可靠地检测。

为了使功耗最小化，对于每个调制，光源闪开的时间可以相同，即与周期的长度无关。在这种情况下，可以通过改变不输出光的时间(即光源关闭的时间)来实现调制。例如，对于可旋转元件5的一个方向，未输出光的时间可以是48ms，并且可以是480ms以指示可旋转元件5的另一个方向。

或者，调制可以是光源输出的光的颜色的变化。例如，两种(或可选地更多)颜色可指示可旋转元件5的两个(或可选地更多)旋转位置，例如关闭位置和打开位置(以及可选地一个或多个其他中间旋转位置)。光源输出的光可以由人监控或通过诸如闭路电视等相机系统远程监控。图像处理可用于提供自动监控。

光源10的光输出的调制还可以表示除了感测到的可旋转元件5的旋转位置之外的信息。

在一个示例中，在不同组件2的光源之间的调制可以另外表示可旋转元件5的空间位置。当传感器单元10安装在阵列的多个组件2上时，这是有利的，因为调制可以指示阵列内的可旋转元件5的旋转位置和空间位置。例如，不同传感器单元10的光源可以输出不同颜色的光，以便在传感器单元10所安装到的组件2的空间位置之间提供区分。

在另一个示例中，调制可以指示维护信息，例如关于可旋转元件5的运动的信息，其指示磨损，例如在打开和关闭位置之间移动的过多时间，或者可旋转元件5在到达打开或关闭位置时的显著弹跳。

在表示可旋转元件5的方向的附加信息的情况下，可旋转元件5的方向和附加信息可以由不同类型的调制表示，例如通过调制照明定时来表示可旋转元件5的方向，通过调制颜色来指示维护信息，例如指示正状态的绿灯和指示需要维护的红灯。

作为替代方案，传感器单元10可以适于安装在安装元件3上。在这种情况下，传感器单元10相对于安装元件3处于固定位置，因此方向传感器18将由传感器代替，当可旋转元件5相对于安装元件3并因此相对于传感器单元3旋转时，该传感器通过检测可旋转元件5的接近度来检测可旋转元件5的方向。

举例来说，方向传感器18可以由如图21所示的加速度计芯片51中的加速度计53实现。加速度计芯片51如下布置。

加速度计53可以是微机电系统(mems)设备。这种类型的装置有利地是可靠的并且成本低。

加速度计芯片51还包括低通滤波器60和adc(模数转换器61和缓冲器54以及加速度计处理单元55。加速度计处理单元55执行加速度计芯片51的基本控制功能。

低通滤波器60对从加速度计53输出的测量值进行滤波，加速度计53在该实施方式中是方向传感器。由于测量值是模拟的，在该示例中，低通滤波器60是模拟设备。

经滤波的测量值从低通滤波器60提供给adc61，adc61对滤波后的测量值进行模数转换。得到的数字测量值被提供给缓冲器54，缓冲器54在提供给处理器42之前缓冲测量值，如下所述。

提供低通滤波器60在加速度计芯片中并不常见，但是由于以下原因，使用包括低通滤波器60的加速度计芯片51在本申请中是有利的。

一般而言，加速度计适合于通过检测由于地球的重力场引起的加速度的方向在良性条件下可靠地检测可旋转元件5的方向。然而，可旋转元件5在图1和图2所示的两个位置之间移动(即，图1中的打开位置o和关闭位置c以及图2中的第一位置v和第二位置h)的力的变化与可旋转元件5受到碰撞或撞击(可能是几十克)的振动(可能高达4g)和冲击的其他力相比较小(1g)。当可旋转元件5移动(这是期望被感测到的)时，这些力的作用可能掩盖了变化。

然而，已经意识到这种力的影响在相对高的频率下是最显著的。例如，振动力在例如3hz时可小于0.5g，但在例如25-100hz时可小于4g。

典型的低成本加速度计(例如使用mems技术)具有相对高的固有频率，通常约为1khz。这种加速度计将响应高频振动。在许多应用中，这是一个优点。结果，这种加速度计可以被设计成具有大于固有频率的两倍的采样率，以避免混叠的风险。

为了消除由于管道碰撞的振动和冲击引起的可旋转元件5上的力的信号，一种方法是在处理器42处理测量值时在处理器42中应用数字低通滤波。然而，这会显著增加功耗，因为每次adc转换都会消耗功率。因此，使用高采样率将限制电源56的寿命和/或需要大电源56，从而限制了可以制造传感器单元10的大小。

可以考虑的另一种方法是使用具有较低固有频率的加速度计。原则上，这将具有允许较低采样频率的优点，但是它还具有从冲击负载恢复较长时间的缺点。此外，具有适当低固有频率的加速度计不太容易获得，特别是作为小尺寸、低成本、低功率的装置。

因此，低通滤波器60的设置允许从碰撞或撞击的振动和冲击引起的可旋转元件5上的力中去除信号，而不需要对处理器42中的测量值进行低通滤波。通过在adc61之前提供低通滤波器60，可以在adc61中以有限的功耗消除高频噪声。因此，加速度计芯片51的布置允许设计具有减少的adc采样频率的鲁棒系统。

可以选择低通滤波器60的截止频率(其可以被定义为例如信号开始减小的频率响应中的3db角边界)以在以足够短从而提供有用的监控的响应时间通过表示可旋转元件5的运动的信号时考虑至少一些噪声。通常，截止频率可以是至多50hz，优选至多25hz。在一种应用中，选择12.5hz的截止频率。这些量级的截止频率足够低，以降低功耗，同时仍提供有用的测量信号。低至1hz的较低值可以在减少振动的影响方面提供进一步的益处，但是会引入小的延迟。

理想地，低通滤波器60可以是非线性的，使得来自管道的高冲击负载对加速度计53的影响减小。例如，可以收集测量值200ms，即50hz的10个样本。两个最大值和两个最小值可能被拒绝，其余6个样本被平均。这进一步有助于消除可旋转元件5上的管道冲击的瞬态。

理想地，选择加速度计芯片51以具有相对低的功耗。举例来说，加速度计芯片51可以是adxl363或者adxl362，两者都可以从analogdevices^tm公司商购获得。

传感器电路50如图22所示操作，其中在加速度计芯片51中执行步骤s1和s2，并且在处理器42中执行步骤s3。

在步骤s1中，加速度计53沿着垂直于可旋转元件5的旋转轴线的两个轴线获取表示相对于惯性坐标系的加速度的测量值。因此，这些测量值取决于当可旋转元件5旋转时传感器单元10的方向。

这例如在图1和2中示出。在图1中示出了两个轴线x和z，加速度计42沿着这两个轴线获取加速度的测量值，其中示出了两个位置(即图1中的打开位置o和关闭位置c以及图2中的第一位置v和第二位置h)。轴线x和z与可旋转元件5一起旋转。因此，在图1中的打开位置和图2中的第一位置v，沿轴线x的加速度为零，沿轴线z的加速度为g，由于重力引起的加速度，而在图1中的关闭位置c和图2中的第二位置h，沿轴线x的加速度是g，沿轴线z的加速度是零。类似地，在图1和2中所示的两个位置中间的方向处，沿轴线x和z的加速度随着方向相对于重力变化而变化。因此，沿轴线x和z的加速度的测量值表示传感器单元5的方向。

沿着轴线x和z的加速度的测量值由处理器42组合使用，以使用简单的几何计算(取决于如下所述的安装元件3的移动)导出传感器单元10的方向。作为替代方案，可以替代地使用沿着轴线x和z中的单个轴线的加速度的测量值来导出传感器单元10的方向，但是这不是优选的，因为它不太准确。

因此，加速度计53用作方向传感器。作为替代方案，加速度计53可以由任何合适的替代形式的方向传感器(例如陀螺仪或磁力计)代替。然而，加速度计53提供了具有相对较低功耗的优点，这在本申请中是重要的，因为在组件2的正常使用中传感器单元10的不可接近的位置，改变电源56可能是麻烦的。

在步骤s2中，缓冲器54缓冲加速度计53在预定时间段内获取的一系列近期测量值，并通过低通滤波器60和adc61提供给缓冲器54。处理器42在步骤s3中处理测量值，如下所述。

一般而言，在步骤s3中，表示可旋转元件5相对于安装元件3的旋转位置的旋转位置信号是从测量值导出的。如果安装元件3是静止的，则这可以以直接的方式得出，因为测量值表示传感器单元10的方向，并且因此表示可旋转元件5相对于如上所述的地球重力场的方向。然而，由于安装元件3安装在其上的浮动平台11在波浪的影响下移动，浮动平台11的运动以及因此安装元件3的运动也影响测量值。

这会对测量值产生两种类型的影响。

第一个效果是安装元件3自身的方向随着浮动平台11在与可旋转元件5的旋转相同的平面中与波浪一起俯仰或滚动而改变。通常，这种俯仰或滚动可达到+/-15度。当旋转元件5相对于安装元件3静止时，安装元件3的方向的变化改变了可旋转元件5的方向。这改变了沿x轴线和y轴线的加速度测量值，其方式与可旋转元件5相对于安装元件3的方向变化时相同。因此，单独的测量值不能提供指示导出的方向是否源于可旋转元件5相对于安装元件3的方向或安装元件3相对于地球重力场的方向。

第二个效果是浮动平台11的实际运动除了由相对于地球磁场的方向变化引起的加速度之外还沿轴线x和y产生加速度。加速度可能由浮动平台11的俯仰和滚动引起。这些加速度被安装组件2的高度放大。通常，这个高度高几十米，因此放大倍数非常大。由俯仰和滚动引起的这种加速度将根据可旋转元件5的方向以不同的方式影响沿轴线x和y的加速度。例如，俯仰和滚动引起沿着相对于组件2水平的弧的运动，如图1和2所示，当可旋转元件5处于打开位置o时，加速度主要沿轴线x，并且当可旋转元件5处于关闭位置时，加速度主要沿轴线z。加速度也可能由浮动平台11的起伏、冲击和摇摆引起，但是这些加速度受到浮动平台11的惯性的限制。

这两种效果都改变了否则将针对可旋转元件5相对于安装元件3的当前方向测量的加速度。

然而，由浮动平台11的运动引起的安装元件3的这些运动以比可旋转元件5相对于安装元件3的运动慢得多的速率发生。可旋转元件5的运动在不超过500毫秒的一段时间内发生。相反，足以影响测量值的波动通常在至少5秒(更通常至少10秒)的时间段内发生，尽管这在某种程度上取决于浮动平台11的特性(例如质量和长度/光束)。这意味着在这样的时间段内测量值的变化可以被认为是由波动引起的并且因此表征安装元件3的运动。这允许在预定时间段内获取的一系列测量值的整体用作校正安装元件3的运动对测量值的影响的基础。

随着幅度的增加，典型的波动在周期中增加。因此，选择缓冲测量值的预定时间段足够长以表征在实践中可能遇到的最长周期的波动。这可能取决于传感器单元10在地理上部署的位置。通常，预定时间段是至少20秒，优选至少30秒。

执行步骤s3以导出旋转位置信号，进行校正以补偿安装元件3的运动对测量值的影响，如图23所示并且现在描述。

在步骤s3-1中，估计由安装元件3的运动引起的每个连续测量值的分量是从缓冲器54中缓冲的一系列测量值的整体导出的。如上所述，可以在预定周期内获取测量值的变化，以从安装元件5的运动导出。因此，可以根据先前在缓冲器54中缓冲的一系列测量值的整体来估计每个连续测量值的分量。

可以通过任何合适的分析过程(例如滤波过程)对缓冲器54中的一系列测量值的整体执行步骤s3-1。例如，如果可以分析一系列测量值的整体以导出该系列测量值的基频分量的幅度、频率和相位，这又可以用于导出估计由安装元件3的运动引起的每个连续测量值的分量。更复杂的分析过程可以考虑一系列测量值的谐波。

在步骤s3-2中，从相应的连续测量值本身中减去在步骤s3-1中导出的每个连续测量值的分量。这可以导出校正测量值。

在步骤s3-3中，使用在步骤s3-2中导出的校正测量值来导出旋转位置信号。由于在步骤s3-1和s3-2中进行的校正补偿了安装元件3的运动对测量值的影响，所导出的旋转位置信号表示可旋转元件5相对于安装元件3的旋转位置，而不是可旋转元件5相对于地球重力场的旋转位置。

在旋转位置信号表示可旋转元件5相对于安装元件3的当前旋转位置在移动范围内的值的情况下，可以使用上面讨论的类型的简单的几何计算从校正的测量值导出当前旋转位置的值。

或者，在旋转位置信号表示可旋转元件5的当前旋转位置是处于打开状态、关闭状态还是中间状态的情况下，可以通过对校正的测量值应用合适的阈值条件来导出打开和关闭状态。

由处理器42导出的旋转位置信号被提供给无线通信接口57，无线通信接口57将旋转位置信号无线地传送到监控系统65。

可以应用对传感器单元10的各种修改，例如如下。

在上面的示例中，校正应用于连续的测量值本身。作为替代方案，可以通过首先从连续测量值中导出表示可旋转元件5的绝对旋转位置的绝对旋转位置信号，然后对绝对旋转位置信号进行校正来基于缓冲器54中的一系列测量值的整体补偿安装元件3的运动对测量值的影响。例如，可以通过从缓冲器54中缓冲的一系列测量值的整体中导出表示安装元件3的估计方向的估计旋转位置信号然后从绝对旋转位置信号中减去估计的旋转位置信号来进行校正。因此，校正的绝对旋转位置信号是表示可旋转元件5相对于安装元件3的方向的旋转位置信号。

可以应用各种技术来降低传感器电路50的功耗。

用于降低功耗的一种可能技术使用处理器42，处理器42具有可以执行处理的活动状态和不能执行处理的非活动状态，其中处理器42在非活动状态下比在活动状态下消耗更少的功率。在这种情况下，缓冲器54布置为连续缓冲一系列近期测量值，但是处理器42最初处于不执行步骤s3的非活动状态。然而，加速度计处理单元55监控缓冲的一系列近期测量值，并在一系列近期测量值超过阈值条件时向处理器42提供中断信号。该阈值条件对应于可能对应于可旋转元件5的方向变化的显著程度的运动，尽管加速度计处理单元55不处理测量值并且因此不能确定运动是否对应于可旋转元件5的方向的变化或安装元件3的方向的变化。

在接收到中断信号之前处于非激活状态的处理器42进入激活状态并执行步骤s3以在接收到中断信号时导出旋转位置信号。结果，具有相对高功耗的处理器42仅执行步骤s3以在一系列近期测量值超过可能对应于可旋转元件5的移动的阈值条件时处理测量值。否则，当一系列近期测量值不超过阈值条件时，处理器42不消耗功率。当处理器42处于非活动状态时，加速度计芯片51的功耗相对较低。

在可旋转元件5已经将状态改变为打开状态或关闭状态之后，处理器42可以在预定时间段内或者连续地保持处于执行步骤s3的活动状态，以便检测随后的改变。

监控系统65的非限制性示例在图24中示出，现在将对其进行描述。

监控系统65包括多个无线通信收发器66，每个无线通信收发器66布置为从多个传感器单元10无线地接收旋转位置信号。无线通信收发器66可以由传统的无线网络设备实现，例如作为路由器/集中器。无线通信收发器66充当网关并且被分布以提供阵列中的组件2的整体覆盖。例如，无线通信收发器66可以位于阀柜处，以最大化接收和信号覆盖。可选地，无线通信收发器66可以位于组件阵列2的东西南北四个位置。

由于无线信号将根据可旋转元件5的方向而被不同地极化，无线通信收发器66可包括以空间分集布置的多个天线，以便最大化信号强度，而不管接收信号的极化如何。

监控系统65还包括中央单元67，无线通信收发器66还利用中央单元67进行无线通信，以便将来自无线通信收发器66的旋转位置信号和其他信息中继到中央单元67。中央单元67执行旋转位置信号和其他信息的整体监控和处理，并且可以由包括无线通信接口的任何合适的设备实现。例如，中央单元67可以包括用于处理接收的信息的传统计算机。中央单元67位于合适的位置以与所有无线通信收发器66通信。例如，中央单元67可位于钻探者舱和/或本地设备室(ler)处或附近。

用于监控系统65的这种拓扑提供了宽覆盖和可靠性的优点，特别是在无线通信收发器66具有重叠覆盖的情况下。然而，图24中所示的监控系统65不是限制性的，并且通常可以具有任何合适的配置。

监控系统65从组件阵列中的每个组件2上的传感器单元10接收旋转位置信号和其他信息，用于同时监控所有组件2。上述监控系统65主要通过来自无线通信接口57的通信接收来自传感器单元10的信息。可选地或另外地，监控系统65可以例如使用相机来监控光源。

监控系统65向用户提供可旋转元件5的方向的指示，例如在显示器上或听觉上。当任何可旋转元件5的方向是意外的和/或处于危险状态时，监控系统65可以提供警告。

监控系统65还可以监控从传感器单元10发送的其他信息。可以记录和分析表示可旋转元件5的特征的这种信息，以识别不符合规范或可能需要维护或更换的可旋转元件5。可以分析该信息以基于状态监控可旋转元件5，从而最小化停机时间，并且通过基于故障可能性来规划维护，从而最大化可用性和操作效率。此外，数据日志和元数据可以提供给制造商、供应商、客户或监管机构，以验证设备保修、指示安全性能并证明符合最佳实践和遵守法规。

监控系统65可用于结合旋转位置监控和跟踪来自地理定位单元58和/或另外的传感器59的信息。

监控系统执行的监控的一些非限制性示例如下。

监控系统65可用于跟踪容器(包括运输容器)的状况和完整性，例如通过将传感单元10安装在容器33上，如图14所示。

监控系统65可以比较来自不同传感器单元10的旋转位置信号并检测其中的异常，例如特定可旋转元件5的方向之间的意外关系。例如，在图14中，多个传感器单元10安装在提升负载(在该示例中是容器33)的起重机绳索37上，并且可以与作为称重传感器和/或应变仪的另外的传感器59集成，来自多个传感器单元10的方向的比较或者与诸如应变和/或负载之类的其他参数的比较可以被监控为指示异常状况，例如起重机绳索、吊索或带子37磨损或振动、负载变得不安全、负载摇摆、或起重机在设计规范之外操作。类似地，作为称重传感器的另外的传感器59可以包括在传感器单元10中，以检测在托盘、篮筐或托架72上提供的异常负载或负载的移位。

例如，在如图15所示安装在管道38上的传感器单元10的情况下，监控系统65可以监控流体39相对于管道方向的水平44或组成，如另一传感器59所感测到的那样。

举例来说，在传感器单元10安装在如图16所示的容器40上的情况下，监控系统65可以监控表面45和/或接口46的水平，如另一传感器59所感测的，例如，关于在油和水的储存和生产中可能是重要的方向，或者可以监控另外的传感器59(例如称重传感器)的输出并且使用该输出来计算相对于旋转位置校正的质量或体积。