使用聲諧振技術對中間層中的水分進入進行檢測的製作方法

2023-10-10 15:29:14 1

專利名稱：使用聲諧振技術對中間層中的水分進入進行檢測的製作方法
使用聲諧振技術對中間層中的水分進入進行檢測1 引言本發明的目的是檢測如圖5所示的具有圓柱形夾層結構的測量對象的中間層中 的進水。這種管道結構在挪威的^煤氣精煉廠(K如St0 Sas refinery)中使用，並
需要通過本技術來表徵。另一個要表徵的相關測量對象如圖6所示。通常，這些測量對象包括明顯薄於內層的最外面的固體材料層510(如圖5所示)； 與相鄰層相比具有不同聲阻抗的中間層511 ；以及內部固體材料層512。我們需要最外層的 厚度為使得足以從所接收的半波諧振拖尾(half-wave resonance tail)(如圖4所示) 的SNR中提取出厚度特性。或者，該方法可用於僅對所描述的夾層結構的一部分(諸如最外層510以及可能 的中間層511)進行表徵。該方法還可應用於最外層510或者內層512覆蓋有塗層或者被 腐蝕的情況。在後一種情況下，將採用幾種測量方法以去除(smear out)腐蝕拓撲的假設 的隨機特性(參見第3. 4節，塊1040)。2 附1示出了用於中間層中進水的檢測的測量裝置的功能圖。標記涉及以下各項 110函數發生器；120功率放大器；130LF發射匹配濾波器；131HF發射匹配濾波器；140LF超 聲收發器；141HF超聲收發器；150測量對象；160前置放大器；170數據獲取系統；180控制 PC。圖2示出了從函數發生器110發射的普通寬帶寬(sinOO/x)脈衝。脈衝的寬度 和頻率含量適用於包含測量對象150的最外層510或者內層512的諧振頻率。圖3示出了由測量對象150的最外層引起的一次回波(primaryecho)，其與乾燥的 中間層511相關。在時間窗中示出了由最外層510引起的半波厚度諧振拖尾(據此確定最 外層510的厚度)。ADC為模數轉換器的縮寫。圖4示出了用於潮溼的中間層511情況的由測量對象150的最外層引起的一次回 波。示出了由最外層510引起的半波厚度諧振拖尾(據此確定最外層510的厚度)。圖5示出了要測量的管道結構。標記涉及以下各項510最外層；511中間層；512內層。圖6示出了要測量的夾層結構。標記涉及以下各項610最外層；611中間層；612內層。圖7是示出了在數據處理中的整個結構的流程圖。圖8示出了從6個獨立的測量(參見圖4和圖5)中得到的溼-幹、幹-幹、溼-溼 頻譜組合的部分頻譜(division spectra)(參見正文)。在這種情況下，最外層的諧振頻率 約為2MHz。與乾燥(中間圖)條件和潮溼(右側圖)條件所記錄的不同的測量相比，給出 了或多或少的平坦的頻譜，而在諧振頻率處，潮溼條件和乾燥條件之間存在顯著區別(左 側圖)。圖9是示出了用於正確識別諧波頻率並將正確的階次分配給每個諧波頻率的子 過程(sub-procedure)的流程圖。
3 方法3. 1在乾燥區域的參考測量以下描述主要參照

圖1。控制PC 180包括合適的軟體以通過設置相關參數來控 制函數發生器110和數據獲取系統(DAQ) 170。收發器140和141最初夾緊在測量對象150 的抬高的參考位，假設中間層在該位置不會被液體浸溼。現在操作者(通過使用按鈕)啟動函數發生器110，經由控制PC 180將寬帶寬的 電脈衝(諸如「錯誤！沒有找到參考源」的脈衝)傳輸至功率放大器120。寬帶寬的脈衝應 至少覆蓋下式中的一個頻帶(指的是_3dB)，
r C 其中c是最外層510的聲速，屯和d2分別是需要進行表徵的最外層510的最大允 許厚度和最小允許厚度。從而，和f2表示與屯和d2相關聯的基頻半波諧振。優選地，上限頻率應包括多 個諧波。當觸發DAQ 170在其輸入處開始進行數位化並存儲電信號時，在功率放大器 (PA) 120處輸入寬帶寬的脈衝。優選地，PA 120將輸入的寬帶寬脈衝(參見圖2)線性放大 到其電平略小於收發器140的發射高頻(HF)部的最大輸入電平。匹配濾波器131的HF發射部使PA 120與收發器141的發射HF部之間的阻抗失 配最小化，從而使收發器141的發射HF部的電功率輸入最大化。收發器141的HF發射部將輸入的電脈衝轉化為機械振動。機械振動產生通過耦 合介質(coupling medium)傳播至測量對象150的聲波，其中，耦合介質可以是波導或者氣 體。在波導的情況下，優選地，其具有圓形幾何結構，由某種固態材料組成，並擁有在有源收 發器元件141和最外層510 (參見圖5)之間的聲阻抗。聲波在測量對象150的最外層處部分地反射，引起了一次回波。一次回波通過波 導傳播回來，並進入收發器141的HF接收部。在收發器140的低頻(LF)部處也接收一次 回波，但是顯著地衰減了，因此可以在接收方面認為忽略不計。一次回波激勵收發器141的HF接收部進行機械振動，並將這些機械振動轉換為HF 電信號，作為前置放大器160的輸入。前置放大器160將輸入的HF電信號放大到與DAQ 170的輸入範圍相似的電平。可 能地，由於某種原因，如果DAQ飽和，則前置放大器170還可嵌入有用於禁止前置放大器輸 出的開關電路。DAQ 170對所接收的包括一次回波(如圖4所示)的HF信號進行數位化，並作為 參考測量數據結果而對其進行存儲，此後將測量數據結果稱為時間矢量。3. 2在可能的潮溼區域處的測量接下來，將收發器140和141移動到測量對象150的懷疑包括溼中間層511的區 域，優選地，在假設的乾燥位置正下方的位置。然後重複進行3. 1節所描述的測量過程，並 將接收信號看作對應於可能的潮溼區域的測量數據集合。圖4示出了由潮溼的中間層511引起的諧振拖尾的實例。在這種情況下，諸 如3. 1節所描述的測量裝置便於獲取信號。測量對象150與實際上的水的半無限層(half-infinite layer)相鄰，其在室溫下浸入到充當耦合介質的淡水中，且由1. 5mm的鋼 片610構成。3. 3內層厚度的測量為了能表徵內層的特性，需要水柱到達內層。此外，需要中間層的厚度大於 tcw/2，其中T和 分別是包含拖尾的二次回波的持續時間和包含在中間層中的淡水的聲 速。在接收到上述HF信號後，觸發函數發生器110以將與圖2中的脈衝相類似的另一 個寬帶寬的電脈衝傳輸至功率放大器120。現在寬帶寬的脈衝應至少覆蓋下式中的一個頻 帶(指的是_3dB)， 其中c是內層512的聲速，屯和d2分別是需要進行表徵的內層512的最大允許厚 度和最小允許厚度。從而，和f2表示內層512的與屯和d2相關聯的基頻半波諧振。優選地，上限頻 率應包括多個諧波。該寬帶寬的脈衝稱為寬帶寬的LF脈衝。在PA 120處輸入寬帶寬的LF脈衝，優選地，將寬帶寬的LF脈衝線性放大到其電 平略小於收發器140的發射LF部的最大輸入電平。匹配濾波器130的LF發射部使在PA 120和收發器140的發射LF部之間的阻抗 失配最小化，從而使收發器140的發射LF部的電功率輸入最大化。收發器140的LF發射部將輸入的電脈衝轉化為機械振動。這些機械振動產生通 過耦合介質傳播至測量對象150的最外層的聲波。聲波通過測量對象150的最外層部分地透射，通過中間層(如圖5所示)繼續傳 播，在內層表面512(如圖5所示)處反射。我們將該反射稱為「二次回波」。二次回波通過中間層511 (如圖5所示)傳播回來，通過最外層510 (如圖5所示) 部分地透射。二次回波通過波導繼續傳播到收發器140的LF接收部中。二次回波激勵收發器140的LF接收部進行機械振動，並將這些機械振動轉換為LF 電信號。然後在前置放大器160處輸入LF電信號。前置放大器160將輸入的LF電信號放大到其電平與DAQ 170的輸入範圍相似。DAQ 170對所接收的包括二次回波的LF信號進行數位化並存儲。3. 4數據分析710時間矢量對應於來自DAQ單元170的電壓的一組實數。720輸入參數 外層的聲速，c 潮溼的中間層511的聲速，cw 用於譜估計的時間窗的長度，N 沒有諧振拖尾的一次回波的期望寬度，W 譜估計方法 窗函數(window function)的選擇(例如，Hanning，Bartley)
採樣頻率，Fs 在收發器中使用的頻率間隔 外層510的期望厚度 中間層511的厚度，1 根據其理論到達的二次峰值的最大允許的延時，k 參考存儲器中的數據集的個數，M810時-頻分析輸入時間信號、譜估計技術、N、FS使用諸如滑動(sliding)傅立葉變換或者維納(Wigner)分布的任何標準技術，來 估計時_頻域中的功率含量。識別最大能量的時間，由該值和N來找到拖尾開始時間。時-頻分析是集約處理的(processing intensive)，並可以關閉。輸出功率矩陣、時間矢量(以採樣間隔為單位)、頻率矢量(以Hz為單位)、拖尾 開始時間910識別一次回波輸入時間矢量、一次回波的期望寬度找到對應於最大脈衝能量的時間，並使用一次回波的期望寬度來找到回波的開始 時間和停止時間。輸出回波的開始時間和停止時間911識別二次回波輸入cw、1、k、時間矢量、一次回波的開始時間和結束時間二次回波的粗略峰值位
置由下列公式找到
_ 2￡_r' =ro+~'其中^是一次回波的到達時間(其是作為該回波的開始時間和結束時間之間的 中點而被找到的)，1是中間層511的厚度。將信號能量中的最接近的局部最大值視為二次 回波的到達時間。如果局部最大值落到由k給出的範圍之外，則使二次回波的開始和結束 時間保持為空。輸出二次回波的開始時間和結束時間920 中止？輸入二次回波的開始時間和停止時間如果輸入為空，則由於沒有可以識別的回波而中止計算內層512的厚度。輸出是否找到二次回波930譜估計輸入時間矢量、譜估計方法、用於分析的開始時間和停止時間、窗函數、N、FS使用任何標準技術(從基於周期圖的方法到參數方法)，例如使用Yule-Walker模 型，來估計時間信號的頻率功率含量。在兩個窗中執行估計，其中一個僅包括拖尾(從回波 的結束處開始，持續到回波+N的結束)，另一個包括回波及其拖尾(從回波-N的開始時間 開始，持續到回波+N的結束)。輸出功率矢量拖尾、具有對應於功率值的頻率(以Hz為單位)的矢量、功率矢量
回波、具有對應於功率值的頻率(以Hz為單位)的矢量940諧振頻率的識別輸入來自「時-頻分析」和/或「譜估計」的頻率矢量、功率矩陣和/或功率矢量 拖尾、在收發器中使用的頻率間隔、時-頻矢量中的拖尾開始時間以下兩項中的一項或兩項1.將諧振頻率識別為收發器141的頻率間隔內的功率矢量中的最大能量。2.將諧振頻率識別為時_頻矩陣中最顯著地按指數下降(時間上)的頻率，其中 該頻率在拖尾的時間間隔內部以及在由收發器141中使用的頻率間隔所確定的頻率間隔 內部。輸出對應於諧振頻率的時間矢量和頻率矢量的指數970諧振頻率的識別——尋找諧波集(harmonic set)輸入頻率矢量拖尾、頻率矢量回波、功率矢量拖尾、功率矢量回波需要精細的過程來實現可靠地確定屬於多個頻率的諧波階次。該過程將在下面 的971 979中詳述。輸出諧波階次、諧振頻率950厚度計算輸入c、諧振頻率、諧波階次按照下列公式計算層的厚度
(2)其中f,es是諧振頻率。如果由收發器140和141脈衝的寬帶寬的脈衝覆蓋了諧振 頻率的幾個諧波階次，則可以用更可靠的計算厚度的方法來計算




參考功率、參考功率矢量回波、參考衰減時間
(3)
VfreJ
其中這裡的n是指示諧波階次的整數，代表求平均值。
顯示結果。
輸出厚度估計
960顯示結果
1010衰減時間
輸入時-頻功率矩陣、頻率矢量、拖尾開始時間 找到拖尾中諧振的特性衰減時間。 輸出諧振頻率的衰減時間 1020諧振頻率的能量
輸入功率矢量拖尾、功率矢量回波、諧振頻率的指數 讀出功率矢量中的值
輸出拖尾中諧振頻率處的功率、回波中諧振頻率處的功率 1030比較
輸入拖尾中的諧振頻率的功率、功率矢量回波、衰減時間、拖尾中的諧振頻率的
7
參考變量是包括幾個之前實現(realisation)的矢量，其精確值是由輸入變量 M(參見上述的「輸入參數」中的內容)來確定的。比較的初始化在已知的(多個)乾燥位置記錄一個或多個數據集。使用上述步 驟對所讀取的值進行分析，並存儲回波中的功率譜、拖尾中的諧振頻率的衰減時間、最後是 拖尾中的諧振頻率的最大功率。將所有的特徵分類為「幹」。按照下述方式將包括拖尾中的諧振頻率的功率、功率矢量回波以及衰減時間的新 數據與其各自的參考值進行比較1.從參考值中減去衰減時間，此後將其稱之為差分衰減時間2.從參考值中減去拖尾中的諧振頻率的功率，此後將其稱之為差分功率3.功率矢量回波除以參考值，根據這一點將其稱為除法譜其中3)的輸出結果的 實例由圖8示出。已經計算了 6個不同的時間序列Pjf)，i = 1，...，6的譜，其中當i = 1，2，3時中間層中存在水。通過使成對的譜相除，即Pi (f)/P「f)，產生相應圖表。左側的 圖示出了當兩個譜均對應於潮溼條件(i，j = 1,2,3)時的結果，中間的圖示出了乾燥條件 (i，j = 4，5，6)，而最左側的圖示出了一幹一溼的情況(i = 1,2,3以及j = 4，5，6)。當兩 個譜都對應於相同的條件時，比率對所有頻率均是平坦的，而對於不同的條件，最外層的諧 振頻率明顯不同，並且除法譜中顯示出明確的特徵(在這種情況下有個尖峰)。輸出除法譜、差分功率、差分衰減時間1040確定溼/幹輸入除法譜、差分功率、差分衰減時間、功率矢量拖尾、諧振頻率、之前的結果 (溼/幹)、M對於每個比較，必須確定其是否與潮溼條件或乾燥條件相一致。這是按照下述方 式進行的1.衰減時間如果M個潮溼參考和M個乾燥參考是可用的，則在每種情況下計算 平均衰減時間。如果衰減時間接近「幹」的平均值，則將其分類為「幹」，並對「溼」進行相應 操作。如果不是所有的參考都可用，則不用於做決定，而是保留用於參考的數量。2.諧振功率拖尾如果M個潮溼參考和M個乾燥參考是可用的，則在每種情況下 計算平均諧振功率拖尾。如果諧振功率拖尾接近「幹」的平均值，則將其分類為「幹」，並對 「溼」進行相應操作。如果不是所有的參考都可用，則不用於做決定，而是保留用於參考的數 量。3.針對諧振頻率處的區別特徵，對每個除法譜進行分析。該特徵指示(從溼到幹 或者從幹到溼的)變化。將變化/不變化的結果存儲在矢量中。使用簡單的多數表決將測量結果分類為指示「幹」或者「溼」條件。根據決定，將功率矢量拖尾、功率矢量回波和衰減時間作為「溼」類或「幹」類中的 參考進行存儲。如果所存儲的參考的數量等於M，則用當前獲得的結果替換最舊的參考。輸出顯示結果、新的參考值1050用於潮溼情況的參考1060用於乾燥情況的參考1070顯示結果未描述的動作
存儲初始時間矢量。流程圖中所有的顯示功能均表示存儲。971找到局部最大值/最小值輸入功率矢量回波、功率矢量拖尾、雙譜(bispectrum)矢量在雙譜矢量和功率矢量拖尾中找到局部最大值。在功率矢量回波中找到局部最小 值。三個集合的合併是潛在的諧波頻率候選項(candidate)的列表。輸出諧波頻率候選項972最大值/最小值的權重輸入諧波頻率候選項、功率矢量回波、功率矢量拖尾、雙譜矢量、濾波器尺寸 (filter size)1.用零值對權重矢量進行初始化(除了在諧波頻率候選項處之外)，其中來自功 率矢量的值用於雙譜和拖尾。在每種情況下將權重矢量標準化為最大值，例如，將來自雙譜 候選項頻率的所有權重標準化為雙譜矢量中的最大值。2.用功率矢量回波減去其經濾波的形式。在這種情況下局部最小值處的差限定了 權重。進行標準化。3.現在具有三個可用的權重集，Wbisp、Wtail、We。h。，對每個進行標準化，故最大的權重 為1。4.對於每個集合，通過以下公式來定標權重 [OH ] 其中dk是在集合k中到達非零權重的最短距離。W^i)是第j個集合的第i個元
o5.對來自每個集合的權重進行求和，以獲得單個權重矢量在各功率矢量中，下一個(ensuing)權重矢量將權重賦給大的峰值/低的最小值， 但是使每個權重惡化(如果其遠離其他集合中的頻率)。權重是0和1之間的實數。輸出分配給每個諧波頻率候選項的權重973根據權重進行分類輸入權重、諧波頻率候選項對權重矢量進行分類，並使用分類指數對諧波頻率候選項進行重新排列，從而以 權重階次降低的方式列出諧波頻率候選項。輸出經分類的諧波頻率候選項974建立頻率集合輸入經分類的諧波頻率候選項、權重、頻率權重閾值1.抑制閾值以下的所有候選頻率2.將頻率候選項重新排列為多個集合。如果有N個候選項，則建立N個列表{f\，...，fN}、{f\，...，fN_J等等，其中，逐步去除先前列表中的 最小權重的頻率。每個列表此後稱為頻率集合。將每個頻率集合表示為Fn。
輸出頻率集合訊，F2，. . .，Fn}975 通過 n= 1，...，N 的循環976找到諧波集合輸入頻率集{Fi，F2，. . .，Fn}、整數公差、期望的最大厚度、在收發器中使用的頻率 間隔按照下列方式計算用於一個頻率列表&的諧波集首先找到填充有所有可能的頻 率比率的nXn矩陣， 通過按照如下方式連接kM' (k= l，2，...k_)用矩陣M'來構造更大的矩陣M， 根據用戶輸入的允許的厚度最大值來計算整數k_。下一步是將M中的所有元素四捨五入到其最接近的整數，並比較整數值與在M中 的頻率比率之間的差。如果這個差小於用戶指定的閾值(通常為0.1)，則認為該元素是整 數，並得到M中的所有非整數元素等於零的矩陣N。N中的行識別諧波集合對於給定的元 素Nu，其值對應於頻率列表中的頻率。的諧波階次。輸出整數矩陣的集合風，N2，. . .，NJ。977去除凡中的元素輸入整數矩陣{^，^，...，凡}的集合、期望的最大厚度、在收發器中使用的頻率 間隔通過去除包含高於最大階次k_的值的行，有效地化簡了諧波階次矩陣Nn。去除 所有相同的行，並去除給定厚度大於用戶輸入的最大值的行。輸出化簡的整數矩陣風，N2，. . .，NJ的集合978對隊中的諧波的數量進行計數輸入化簡的整數矩陣風，N2，. . .，NJ的集合對於每個凡，記錄具有最大數量的唯一頻率的諧波集。將該數量存儲在矢量中。輸出唯一集合的最大數量的矢量0。979找到最佳頻率子集輸入唯一集合的最大數量的矢量◎、在每個頻率集合中的頻率的數量、化簡的 整數矩陣的集合風，N2，. . .，NJ目標是找到原始頻率列表中的最佳子集。每個子集與存儲在O中的唯一諧波的 數量相關聯。此外，每個子集均具有多個頻率。通過找到除以列表中的頻率數量的O的最高比值，找到最佳子集，這裡我們忽略 只有單個頻率的微不足道的情況。在這個過程中，我們已經完成了頻率的去除，並獲得了諧 波集合。輸出頻率的最佳子集的指數、諧波集合。3. 5液體深度的確定
在肯定地檢測到中間層511中的液體後，將收發器140和141以比方說10mm的步 長朝向測量對象150的升高區域向上移動。同時，重複執行在3. 1 3. 4節中描述的過程， 以確定液體表面出現在哪個深度。
權利要求
一種用於確定包圍管道的隔離層中水分進入的設備，所述隔離層被管狀護套包圍，所述設備包括與激勵器進行通信的聲換能器，所述激勵器用於提供短和寬帶寬的聲信號，所述聲信號具有這樣的頻率，在所述護套的材料中傳播時具有對應於所述護套的厚度的兩倍或者所述護套的厚度的兩倍的奇數倍的波長；信號處理接收器，與所述換能器進行通信，並用於接收和處理響應於從所述換能器傳輸至所述護套的短和寬帶寬的輸出信號而由所述護套發射的迴響信號，其特徵在於，所述信號處理器用於對所接收的迴響信號進行頻率分析以生成頻率響應曲線，建立作為在所述護套的內部上包含水分的隔離材料的特性的頻率響應曲線的特徵，並提供所述水分進入所特有的指示。
2.根據權利要求1所述的設備，其中，寬帶寬的所述換能器用於在約為4，3MHz的頻帶 中心頻率處進行工作。
3.根據權利要求1或2所述的設備，其中，所述信號處理裝置用於對所述頻率響應曲線 進行標準化，並基於經標準化的頻率響應曲線來計算實際的水分含量值。
4.一種用於確定包圍管道的隔離層中水分進入的方法，所述隔離層被管狀護套包圍， 所述設備包括與激勵器進行通信的聲換能器，用於提供短和寬帶寬的聲信號，所述聲信號 具有這樣的頻率，在所述護套中傳播時具有對應於所述護套的厚度的兩倍或者所述護套的 厚度的兩倍的奇數倍的波長；信號處理接收器，與所述換能器進行通信，並用於接收和處理 響應於從所述換能器傳輸至所述護套的短和寬帶寬的輸出信號而從所述護套發射的迴響 信號，其特徵在於，使所述信號處理器對所接收的迴響信號進行頻率分析以生成頻率響應 曲線，建立作為在所述護套的內部上包含水分的隔離材料的特性的響應曲線的特徵，以及輸出所述水分進入所特有的指示。
5.根據權利要求4所述的方法，進一步包括使寬帶寬的所述換能器在約為4，3MHz的頻 帶中心頻率處進行工作。
6.根據權利要求4或5所述的方法，進一步包括使所述信號處理裝置對所述頻率響應 曲線進行標準化，並基於經標準化的頻率響應曲線來計算實際的水分含量值。
全文摘要
一種用於確定包圍管道的隔離層中水分進入的設備和方法，該隔離層被管狀護套包圍。該設備包括與激勵器進行通信的聲換能器，激勵器用於提供短和寬帶寬的聲信號，其具有這樣的頻率，在護套材料中傳播時具有對應於護套厚度兩倍或者護套厚度兩倍的奇數倍的波長，激勵器還用於處理響應於從換能器傳輸至護套的短和寬帶寬的輸出信號而從護套中發射的迴響信號。信號處理器用於對所接收的迴響信號進行頻率分析以生成頻率響應曲線，建立作為在護套內部上包含水分的隔離材料特性的頻率響應曲線的特徵，並輸出水分進入所特有的指示。
文檔編號G01M3/24GK101855547SQ200880115782
公開日2010年10月6日 申請日期2008年9月9日 優先權日2007年9月12日
發明者奧耶·A·奧爾森, 尼爾斯·奧託·奈加德, 彼得·諾利, 託雷·馬涅·哈拉斯斯卡爾, 斯泰納爾·拉格, 約斯泰因·雅各布森, 阿希德·貝格 申請人:挪威船級社