使用多模声信号对金属结构中的变化进行检测与监控的制作方法

文档序号:14943305发布日期:2018-07-13 21:40
本申请要求2015年8月12日提交的名称为“DetectionAndMonitoringOfChangesInMetallicStructuresUsingMultimodeAcousticSignals”的美国临时专利申请No.62/204,222的优先权,其公开和教导的全部内容在此通过引用特意并入本申请。关于联邦权利的声明本发明是在美国能源部授予的第DE-AC52-06NA25396号合同的政府支持下作出的。政府对本发明具有某些权利。
技术领域
本公开的内容总体上涉及对机械结构、管道、器皿以及贮藏容器中的变化进行检测与监控,并且更具体地涉及对多模声信号传播和信号检测的使用,以用于检测和监控机械结构中的以及管道、器皿及贮藏容器的壁中的变化。
背景技术
:对例如在诸如绝缘条件或喷涂条件下的难以接近的环境中的机械结构、以及管道、器皿及贮藏罐的壁中由于蚀损、破裂、断裂而产生的材料损耗、源于腐蚀和/或侵蚀的材料转换、和源于材料迁移和累积的材料添加、以及材料吸收的检测和监控在涉及液体或气体贮藏和流动的许多行业中是重要的。目前,在绝缘条件下对腐蚀的检测最有效地通过视觉检查去除绝缘来完成,这是耗时且昂贵的。其它的检测方法包括射线照相术、涡电流技术、x-射线、远程TV监控、电磁设备、本地声询问(localacousticinterrogation)、以及使用声换能器阵列的远距离声询问。这些方法不被广泛使用,因为所提供的信息对于实际值的范围太局限,或者所涉及的装置实施起来太麻烦或昂贵。技术实现要素:根据本发明的实施例包括但不限于,通过以下方式克服现有技术的缺点和局限性:提供了一种用于检测和监控机械结构、管道、器皿和贮藏容器随时间变化的方法,在需要时使用温度补偿。本发明的附加目标、优点和新颖特征将在本文后面的描述中部分阐述,并且部分地将在以下技术的审查中变得明显,或者可以通过本发明的实践来学习。本发明的目的和优势可以借助于特别在所附权利要求中所指出的工具和组合来实现和得到。为了实现上述和其它目标,并根据本发明的实施例的目的,如本文所体现和广泛描述的,用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括:放置至少一个声发送换能器,使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信;放置至少一个接收换能器,使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度;生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号;将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器;通过以下方式产生基线信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;通过以下方式产生监控信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;将所述监控信号标准化为所述基线信号,借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值;使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述监控信号的短时傅里叶变换;取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差,由此形成二维轮廓图;识别所述轮廓图中的指示至少一个散射事件的至少一个频率-时间模式对,其中,所述至少一个频率-时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率-时间模式对的对应特征具有最大负值;以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。在本发明的另一方面,并根据本发明的实施例的目标和目的,用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括:放置至少一个声发送换能器,使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信;放置至少一个接收换能器,使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度;生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号;将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器;通过以下方式产生基线信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;通过以下方式产生监控信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;将所述监控信号标准化为所述基线信号,借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值;取所述监控信号与所述基线信号之间的差,形成差信号;使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述差信号的短时傅里叶变换,由此形成时间和频率上的二维阵列;针对每个频率计算所述短时傅里叶变换阵列沿着时间轴的标准偏差;以及将所述标准偏差作为频率的函数进行求和。在本发明的又一方面,并根据本发明的实施例的目标和目的,用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括:放置至少一个声发送换能器,使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信;放置至少一个接收换能器,使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度;生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号;将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器;通过以下方式产生基线信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;通过以下方式产生监控信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;将所述监控信号标准化为所述基线信号,借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值;使用所述基线信号作为比较信号来执行对所述监控信号的温度补偿,由此产生温度补偿监控信号;使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述温度补偿监控信号的短时傅里叶变换;取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差,由此形成二维轮廓图;识别所述轮廓图中的指示至少一个散射事件的至少一个频率-时间模式对,其中,所述至少一个频率-时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率-时间模式对的对应特征具有最大负值;以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。在本发明的又一方面,并根据本发明的实施例的目标和目的,用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法,包括:放置至少一个声发送换能器,使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信;放置至少一个接收换能器,使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度;生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号;将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器;通过以下方式产生基线信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;通过以下方式产生监控信号:响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号;求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值;以及从平均接收信号中去除任何DC分量;将所述监控信号标准化为所述基线信号,借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值;使用所述基线信号作为比较信号来执行对所述监控信号的温度补偿,由此产生温度补偿监控信号;取所述温度补偿监控信号与所述基线信号之间的差,形成差信号;使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述差信号的短时傅里叶变换,由此形成时间和频率上的二维阵列;针对每个频率计算所述短时傅里叶变换阵列沿着时间轴的标准偏差;以及将所述标准偏差作为频率的函数进行求和。本发明的实施例的益处和优点包括但不限于,提供了一种用于对机械结构、管道、器皿和贮藏容器中随着时间的变化(包括材料损耗、材料转换和材料添加)进行检测和监控的方法。另外,可以对包含弯管、凸缘等的各种管道几何结构和复杂管道几何结构进行监控。附图说明被并入说明书中并形成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例,并连同说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中:图1是适用于实践本发明的方法的实施例的基本装置的实施例的示意图,其示出了线性管道部分;而图1B是更复杂的管道构造的示意图,对其采用了本装置。图2示出了在线性啁啾(linearchirp)沿着具有10英寸的直径和1/2英寸的壁厚度的空腐蚀管道发送20英尺之后所接收到的信号。图3示出了在线性啁啾信号沿着图2中所述的空腐蚀管道发送20英尺之后所接收到的相同信号,然而其通过在管道壁上附接12个小磁体进行干扰从而在管道壁上产生约3%的局部体积变化。图4A-4C是通过取图2和图3中所示的第一(基线)与第二(干扰)信号强度之间的差而计算出的标准差短时傅里叶变换(ND-STFT)信号的图表,其分别附接了2、4和12个磁体。图5是根据所附接的磁体的ND-STFT图中的最大高度和最小深度的差的图表。图6是根据针对沿着具有20英尺的长度、2-3/4英寸的直径且1/4英寸的壁厚度的非腐蚀管道行进的信号所去除的材料(或蚀损体积比)的ND-STFT图中的最大高度和最小深度的差(即,最大信号差)或STFT差信号强度的图表。图7是具有圆柱形器皿的行进长度的无干扰(基线)接收信号的图表,其中采用了4个发送换能器和1个接收换能器。图8A-8C是基线与在0.2cc、0.6cc和1.2cc的材料分别通过研磨被去除之后之间的ND-STFT差信号的图表。图9是根据从空器皿所去除的材料的ND-STFT图中的最大高度和最小深度(即,最大信号差)的图表。图10是根据对空器皿添加的材料(磁体)的ND-STFT图中的最大高度和最小深度之间的差(即,最大信号差)的图表。图11A是根据针对105英寸长管道组件的25英寸部分的温度补偿信号和非温度补偿信号两者的时间的信号差幅度的图表,而图11B是示出针对图11A中所示的数据的每个二进制位(总共25个二进制位)所计算出的具体延迟时间的图表。图12A是根据针对105英寸长管道组件的50英寸部分的温度补偿信号和非温度补偿信号两者的时间的信号差幅度的图表,而图12B是示出针对图12A中所示的数据的每个二进制位(总共25个二进制位)所计算出的具体延迟时间的图表。图13A是根据针对105英寸长管道组件的100英寸部分的温度补偿信号和非温度补偿信号两者的时间的信号差幅度的图表,而图13B是示出针对图13A中所示的数据的每个二进制位(总共50个二进制位)所计算出的具体延迟时间的图表。图14是通过映射声幅度、时间和频率数据计算出的标准可操作输出的图表,其可以用作根据累积的局部体积损耗来确定是否需要相对于管道安全所采用的操作的引导。具体实施方式简略地,本发明的实施例包括用于对例如在诸如绝缘条件或喷涂条件下的难以接近的环境中的金属结构(例如管道、器皿、贮藏罐、弯管、凸缘、异径管(reducer)、三通管(tee)以及焊缝)的腐蚀和/或侵蚀和其它缺陷的声学检测和大面积监控的方法。另外,可以对包含弯管、凸缘等的各种管道几何结构和复杂管道几何结构进行监控。本方法包括:(ⅰ)声信号生成、发送以及接收,其中,针对结构/管道/器皿/罐以及(多个)预期缺陷对幅度、时间和频率特性进行优化;(ⅱ)对所获取的数据进行声数据采集和数值分析;以及(ⅲ)将幅度、时间和频率声数据特性和分析结果映射到可操作信息,以用于缺陷识别和缺陷量化。尽管声信号的总能量是准守恒的,但在所允许的多声模式当中的信号能量分布中的可检测和可识别变化由在多模声信号通过许多管道和器皿(或系统)的传播上的机械变化或缺陷的效应产生。即,缺陷原则上导致声波从一种模式弹性散射成另一种模式,而总声信号能量的衰减总体上是小的。用于生成声散射和衰减的机械干扰效率包括材料损耗(蚀损、破裂、断裂和侵蚀)、材料转换(腐蚀产物)、材料添加(材料迁移和累积)以及材料吸收,其中的每种具有在幅度、时间和频率相空间上的特定散射/衰减特性。根据本发明的实施例的教导,在小数量的可接近且方便的位置处(例如,管道的端部,器皿、贮藏罐、或弯管、凸缘、异径管、三通管或焊缝等的顶部或底部部分)生成和接收声信号。具有幅度、时间和频率特性的声信号对于激励多模式的管道、器皿、罐、弯管、凸缘、异径管、三通管或焊缝有效,并且这样的信号在发送和接收换能器之间的检查区域中传播。一旦结构、管道、器皿、罐、弯管、凸缘、异径管、三通管或焊缝的特性在于已知或基线状态或条件,例如立即在安装或详细检查之后,本方法就对检查区域中的声信号的发送特性中的小变化进行监控,并对缺陷形成进行连续或按需求的识别和量化,例如通过信号相减在许多年内每天若干次、一周一次、或一月一次。可以例如通过嵌入式或机械附接换能器或通过非接触空气耦合来获取声输出。可以在感兴趣的系统中针对高信噪比优化声数据采集。信号分析使用例如傅里叶变换、短时傅里叶变换、小波变换、相位延迟分析、希伯特谱分析和希伯特-黄变换来结合信号的幅度、时域和频域测量,其中这样的多维数据中的变化的识别和测量由基线条件中的那些来设定。针对缺陷识别和量化所测量的信号特性和分析结果的映射允许将所测量的和所分析的数据解释为可操作信息。所接收的声数据采用发送电信号幅度作为时间的函数的形式,并且相对于采用啁啾信号形式的重复输入激励进行精确定时,作为示例(使用从信号源到接收器仪器的触发信号),使得其可以使用时间平均(通常在64次与4096次之间)。时间平均提高了信噪比(SNR)并且使得方法对于环境中的其它声(噪声)源相对不敏感。对频域中的接收信号进行滤波仅允许感兴趣的谱组分到达接收器,从未进一步提高SNR。随后使用具有优化的窗口大小和步长大小的参数(其可以根据管道(器皿)的长度和/或管道或器皿的特性而变化)的短时傅里叶变换(STFT)算法将时间平均且经滤波的接收信号转换成二维轮廓/表面图。STFT图显示出接收信号强度作为时间和频率的函数的分布;即,在何时和什么强度,达到发送信号的什么频率组分。联合谱和时间延迟信息允许管道或器皿的基线特性以及干扰声信号发送的管道或器皿的效应被特征化。基线STFT图针对以下干扰效应组成参考水平,例如材料从管道壁的添加和去除、在管道壁上的水累积、材料与管道壁接触、管道壁由于腐蚀的材料转换、管道壁由于下垂而产生的应变(其可能是由于用液体填充管道而引起的)等。本方法的实施例的检测敏感性是可以可重复测量的最小量干扰;本发明的实施例具有测量干扰效应,其由于在高达约100英寸的管道长度下以<1%局部体积变化的水平从管道或器皿壁的材料添加和材料去除两者而产生。检测敏感性需要在直接引起声干扰当中进行区分,例如在管道壁上的水累积、夹合、下垂、材料转换或由于腐蚀产生的损耗、由于腐蚀蚀损而产生的材料损耗、管道壁与外部固态对象的接触等。例如,管道壁上的水在广范围的信号谱内(具有最小散射)生成相对均匀的衰减,并且由此可容易地与腐蚀蚀损或管道上的其它缺陷进行区分,这主要导致特定声模式当中的弹性散射,其沿着管道和器皿的壁传播到具有特定时间延迟的其它模式中。管道或器皿的壁上喷涂(或喷涂的薄片)具有比腐蚀或其它缺陷小得多的影响。管道和器皿周围的绝缘产生了相比于在管道和器皿上的腐蚀或其它缺陷形成的对声波的弱影响。夹合管道导致声信号的大散射并且可能由于腐蚀或其它缺陷而产生大散射效应的优势。然而,由于夹合而产生的散射的频率分布预期比局部腐蚀散射所预期的那些宽得多,并且从而可以区分散射信号。可以通过在从管道部分添加或去除夹合时生成新的基线来避免由夹合效应产生的错误信号。抵靠管道局部放置的外部固态材料预期产生声信号,该声信号类似于由于将材料添加到管道或器皿壁而产生的那些信号,并且预期这将难以区分这些效应。由于组分的重量而随着时间的下垂预期导致管道中的空间扩散应变场。这样的非定域应变场可能导致声波的弱散射和衰减。然而,这样的散射和衰减的大小和谱特征应是可从散射中识别的,其由于来自腐蚀或其它缺陷的局部干扰而产生的。到目前为止,干扰源已各自被特征化。检测鲁棒性和可靠性指的是本方法的长期可行性,其中基线可以用于在长时间段内(在特定应用中几年)监控干扰效应。为了实现这样的鲁棒性和可靠性,对温度效应进行补偿并且滤除掉有害的环境噪声。温度效应包括:声换能器响应;换能器与询问媒介(例如管道)之间的耦合系数;介质中的声信号传播;以及电子设备的转移函数。由于这些组分中的每一个而产生的温度效应的特性和相对重要性将取决于整个系统的细节。然而,如果在进行初始测量时记录温度,并且在该温度左右的几摄氏度内进行随后的测量,则这样的温度效应可能太小而无法改变测量结果。然而,如果温度变化大于几摄氏度,则可能需要采用温度补偿的方法。类似地,环境噪声取决于系统存在的位置;从而,可以针对环境的细节来制定噪声过滤。如以下将描述的,温度补偿算法的使用被发现增大了信噪(S/N)比,从而提高了测量敏感性。本标准差短时傅里叶变换(ND-STFT)方法的实施例包括使用来自有限数量和面积的接近位置(最少两个,在用于激励和接收发送声信号的管道的两端处,两个换能器之间的部分由此被监控)的声询问对管道、器皿和结构中的腐蚀进行检测。通常,发射和接收换能器均匀地分布在管道的表面上,间隔开约10英尺至约100英尺,要监控的部分位于其间。管道部分可以是直的、弯曲的、凸缘的,或者其上可以有焊接部分。在大多数情况下,管道部分可能在10英尺至100英尺之间,并且本方法同样适用于管道的截面尺寸比管道长度小得多的情况。可以单独监控附接到管道的大型凸缘、T形截面、或4或6路交叉。现在详细参考本发明的实施例,其中的示例在附图中示出。在附图中,相似的结构将使用相同的附图标记来识别。应理解的是,附图是出于描述本发明的具体实施例的目的而非是要限制本发明。现在转到图1A,示出了装置10的示意图,其用于实践本发明的方法的实施例。信号源12(通过放大器14放大将选择的超声波信号提供到一个或多个发送换能器16)被示出为安装在线性管道部分或器皿部分18的一端处。通过管道或器皿部分18传播的声信号由接收换能器20进行检测,接收换能器20设置在管道或器皿部分18的与发送换能器16的相对端处。由接收换能器20生成的电信号通过放大器22进行放大,并通过滤波器进行滤波,在被引导到信号接收器26之前,是与信号源12同步的(相对于特定的时间延迟被触发)。这些信号由信号接收器和26处理,并且经处理的信号被引导到计算机28,以用于数据采集和分析。计算机28还控制元件12、14、22、24和26。单独的前置放大器和滤波器模块可用于每个换能器,所有电子部件都通过同轴电缆或USB电缆连接在一起。在这种配置中,对于使用任何换能器作为发送或接收传感器而言需要重新连接导线,尽管所有换能器都是相同的,并且可以作为发送或接收传感器而无需任何修改。传感器和通信装置的网络(所有都无线连接到中央计算机以用于仪器控制、数据采集和数据分析)可用于容纳多个换能器。每个传感器都有一个独特的RFID标签和一个集成的电子模块,以用于发送和接收功能。这种双重功能将使系统易于重新配置,并增强对缺陷或失败的传感器组件的鲁棒性。传感器和集成模块的电源可以由电池提供,并且充电能量可以从例如太阳能中获取。容器可以分段监控,其中各区段具有相对均匀的壁厚和物理接近性。如果器皿区段有明显的不均匀性,如焊接筋或其它物理附接物,则(一个以上)发送换能器和(一个以上)接收换能器可以被使用。发送和接收换能器的数量将与区段的非均匀性和区段的面积大小相称。增加发送换能器的数量将允许更均匀的声激励,并且采样区段的“所有”部分将产生对检测腐蚀和其它缺陷的更好的灵敏度、选择性和鲁棒性。另外,接收换能器数量的增加将给系统带来冗余,这将使本方法更加可靠和鲁棒。图1B是管道组件的示意图,其具有更复杂的一系列附接管道区段19(105英尺长、8尺寸直径附表-40碳钢管、带90°弯管、8焊接接头和一对凸缘,该组件由10个台支撑),可以根据本发明的实施例对该管道组件进行监控。五个均匀间隔开(约25英尺)的换能器16、20a、20b、20c和20d沿着管道的约100英尺的部分永久性地附接,其具有弯曲部分30(两个90°弯管)。尽管只有一个传感器16被识别为发送传感器(图1A),但所有五个换能器都可以发送和接收。当最近的传感器用于发送和接收时,标记为1至4的区域使用图1A中所示的装置来限定管道的最小询问区域(长度约25英尺)。例如,区域-4之间是约25英尺的传感器-4(20c)与传感器-5(20d)之间的管道组件的部分,并且包括凸缘连接32以及材料去除区域34。较大长度的区域可以通过使用进一步分离的传感器进行询问。例如,可以通过使用传感器-1(16)作为激励(发送)传感器和使用传感器-5(20d)作为接收传感器,来同时询问所有的四个区域。还示出了三焊接部分36a-36c以及商业传感器阵列圈38。现有的温度补偿方法(例如最佳信号拉伸(OSS)方法)通过对所有预期结果的多次迭代来估计拉伸因数,这在计算上是无效的。此外,这些方法最适合于具有纯时间拉伸效应的简单几何形状,而本方法的实施例适用于具有时间伸缩和信号失真效应的更复杂的几何形状。如上所述,每一个附接的换能器可以作为发送和接收换能器两者,从而可以在监控相互连接的管道和器皿区段的网络时,消除了在某些相邻的管道部分或器皿区段附接额外换能器的需要。沿着管道部分的长度使用多个传感器来监控管道区段可能产生发生变化的附加局部信息。通过监控相邻区域的信号振幅,可以估计出某一区域内主要壁损耗的位置。具体而言,相邻区域中的信号的振幅随共用发射换能器的主要壁损耗的距离的减小而减小。另一个相邻效应可以用来估计主壁损耗的位置,这与占主导地位的散射信号到达时间有关。相邻区域占主导地位的散射信号的延迟时间与相邻区域另一端的发送换能器和接收换能器的主要壁损耗面积的距离有关。A.本ND-STFT方法的实施例:(1)本ND-STFT方法的一个实施例包括以下步骤:(a)选择频率啁啾信号,其信号强度在约1和约100V之间并且频谱内容在约10kHz和约200kHz之间。存在支持在kHz-MHz频率下的管道和器皿(具有1/8英寸和4英寸之间的壁厚度)中的声信号传播的几个纵向、扭转和弯曲模式(分别为L,T,和F模式)。因此,1kHz至1MHz之间,更有利的是,在约10kHz到200kHz范围内是有效的腐蚀等缺陷声询问,因为这样的声模式对于各种缺陷和机械扰动是敏感的,还因为他们不明显耗尽长的长度传播,高达数百英尺。持续时间约为0.1ms和约10ms之间,并且重复率在约10ms和约1000ms之间,用于询问激励信号;(a)时间平均(约64~约4096次重复)和滤波(带通和/或低通和/或高通)第一接收信号(基线或参考信号);(b)从第一接收信号去除DC分量,从而只保留AC分量;(c)重复步骤(a)-(c),以获得第二接收信号(监控信号或测量);(d)将第一接收信号和第二接收信号的信号强度标准化,使得信号中的最强部分就是所选的数字,例如1;(e)用选择的时间和频率窗口大小和时间步长(例如,1024的汉明窗大小、和32的步长和1kHz的频率增量、以及100ns的时间增量用于20英尺长、2-3/4英寸直径(1/4英寸壁厚度)管道)来执行时间平均的第一和第二AC接收信号的STFT;(f)当扰动被预期,或在常规测试期间和在T=0的基线或参考ND-STFT期间,取以类似于在选择的时间T下的基线或参考STFT的方式得到的标准第一和第二的STFT的2D表面/轮廓图之间的差,形成了新的STFT的2D表面/轮廓图,其示出了在声模式中的能量损耗和能量增益;(g)识别在2D图中的特定频率-时间模式对,其中散射事件(或事件集合)可以看出(在ND-STFT图中,散射事件会出现一个凸起或波峰(正信号),以及对应的下凹或波谷(负信号));以及(h)计算ND-STFT图中的具有最大高度的特征的波峰和具有最小深度的对应特征的波谷之间的振幅差(即最大信号差)。使用根据上文中所述的方法的实施例中的步骤8计算出的最大信号差(或ND-STFT信号范围)是二维的数据映射到一个标量的方式之一。如示例中将描述的,这种方法已被成功地用于量化管道部分或器皿区段中的腐蚀或缺陷的水平,并已发现产生单调的机械扰动水平之间的近线性关系(材料损耗或材料添加)以及管道和器皿的ND-STFT信号范围。本发明人考虑了其它映射方法。作为示例,来识别2DND-STFT图中的具体的频率-时间模式对(散射事件和对应的波峰和波谷),ND-STFT地图,可以采用如下相关方法:(2)(a)执行2DND-STFT表面轮廓图上的2D自相关,其中第一维度是时间,并且另一维度是频率,借此创建了2D自相关图;(b)将“自相关波峰”识别为ND-STFT波峰-波峰或波谷-波谷的相关性,并且将“自相关波谷”识别为ND-STFT波峰-波谷的相关性;(c)只使用负的“自相关波谷”,建立“修改的2D自相关图”;(d)通过首先对频率维度进行积分,然后计算时间维度上的标准偏差,将“修改的2D自相关图”中的信息减少到单数自相关散射标准差。ND-STFT波峰波谷的相关性(在2D自相关图中出现“自相关波谷”),因为它们直接与散射事件(其由于腐蚀、缺陷等产生)相关而显著的;因此,正“自相关波峰”在数值上从图中被去除,因为它们不包含散射事件的任何直接信息。本ND-STFT方法的另一个实施例包括以下步骤:(3)(a)选择频率啁啾信号,其信号强度在约1和约100V之间并且频谱内容在约1kHz和约1MHz之间,或更有利地在约10kHz与约200kHz之间。存在支持在kHz-MHz频率下的管道和器皿(具有1/8英寸和4英寸之间的壁厚度)中的声信号传播的几个纵向、扭转和弯曲模式(分别为L,T,和F模式)。因此,10kHz至200MHz之间对于腐蚀等缺陷声询问是有效的,因为这样的声模式对于各种缺陷和机械扰动是敏感的,还因为他们不明显耗尽长的长度传播,高达数百英尺。持续时间约为0.1ms和约10ms之间,并且重复率在约10ms和约1000ms之间,可用作询问激励信号的参数;(b)时间平均(约64~约4096次重复)和滤波(带通和/或低通和/或高通)第一接收信号(基线或参考信号);(c)从接收信号去除DC分量,从而只保留AC分量;(d)重复步骤(a)-(c),以获得第二接收信号(稍后的监控测量),其当扰动被预期,或在常规测试期间和在T=0的基线或参考ND-STFT期间,以类似于在选择的时间T下的基线或参考信号的方式得到;(e)将第一接收信号和第二接收信号的信号强度标准化,使得信号中的最强部分就是所选的数字,例如1;(f)当扰动被预期,或在常规测试期间,在选择的时间T下取第二接收信号与基线信号之间的差,从而形成“差信号”;(g)用选择的时间和频率窗口大小和时间步长(例如,1024的汉明窗大小、和32的步长和1kHz的频率增量、以及100ns的时间增量用于20英尺长、2-3/4英寸直径(1/4英寸壁厚度)管道)来执行“差信号”的STFT;(h)首先通过计算STFT阵列沿时间轴的每个频率的标准偏差(一维阵列),并对所计算出的一维标准偏差阵列求和以得到标量,来从二维STFT阵列计算“标准化可操作输出”(标量)。B.温度补偿:如上所述,超声波穿透结构元件的厚度并可以远距离行进,允许使用少量空间分布的超声波传感器立即询问大面积,其中通过基线相减来检测损伤。当环境和操作条件发生变化时,传播介质和超声波性能也会发生变化,从而限制了基线比较的有效性,从而将损害与环境和运行效果区分开来。最普遍的环境效应是温度变化。许多方法已被开发和实施,以补偿在结构监控应用中的温度,在不同条件下具有不同的效果。根据本方法的实施例的教导,有效的温度补偿提供了一套广泛的测试条件:1)在镜面反射和漫反射的机制下的多模式超声激励或混合模式;2)在均匀和非均匀介质的包含多次反射的超声波的传播,和宽光谱且宽时间范围的信号;以及3)具有广泛的全局和局部的温度波动在询问介质中而不需要知道实际的全局或局部的温度自动补偿。用于温度补偿的本方法的实施例对以下项而言是有效的:单个以及多个和混合的模式;均匀和非均匀介质,其具有广泛的反射组分;以及在存在全局和局部温度变化的情况下。没有单一的时间拉伸因子足以补偿温度在实际监控系统的作用,其中将存在局部和全局温度的变化,并且现实的结构会有不同程度的不均匀性(导致对应不同量的反射),并将支持具有不同温度影响的超声波传播的多种模式。因此,本方法生成一组适当的时延因子来代替其它温度补偿方法中常用的单时间拉伸因子。当超声波信号到达接收传感器时,它们积累管道中遇到的所有相移以及所有的模式和反射,从而进行相移,组合成一个复杂波形。这种波形是按时间分布的。如下所述,该时间分布式波形被划分为二进制位,波形区段的每个二进制位使用单个延迟因子进行温度补偿。每个二进制位的延迟因子是使用实时测量的数据和先前测量的基线数据之间的互相关来进行计算的,而不直接了解被询问介质中温度的局部或全局变化。每个二进制位的时间延迟是互相关函数的峰值位置。一旦对每个二进制位进行温度补偿,则二进制位被组合,以形成温度补偿波形。二进制位的最小尺寸是由感兴趣的超声波的最小波长确定的,并且二进制位的最大尺寸是由要补偿的相移的时间延迟相关性来确定的。在实践中,二进制位大小在经验或理论上被优化;其通常在大约0.01毫秒和1毫秒之间,在实际USHM系统中有足够的温度补偿。二进制位的数量还取决于监控系统的具体情况。在实践中,其可能在10到1000之间变化。本方法的实施例将为包括以下项的变化在内的管道和器皿提供灵敏和选择性的诊断:1、管到/器皿壁上的积水,可能是腐蚀的前兆;2、显著的油漆剥落或主要的绝缘劣化,这可能是腐蚀的前兆;3、过量的管道下垂,导致微裂纹和其它机械劣化;4、固态物体强烈地靠在管道或容器壁上,这可能导致管道完整性的局部劣化;5、管壁内部堵塞或管道堵塞,这可能导致流动问题和/或内部腐蚀等。检测到50英尺长的长管道的16x2管壁区段中的小于0.1%的体积变换。已大致描述了本发明,下面的示例提供了附加的细节。示例1-4描述了ND-STFT方法(1)。示例1通过小磁铁附接在管壁上的材料添加的效果表现如下:图2示出了沿着具有10”直径和1/2”壁厚度的空腐蚀管道传输20英尺之后所接收到的并被用作基线的信号。发送啁啾信号是10V峰值-峰值,在5kHz和200kHz之间,具有1ms的周期,并每100ms重复。图3示出了在沿着具有如图2中所提及的10”直径和1/2”壁厚度的空腐蚀管道传输20英尺之后所接收到相同信号,然而其通过在管道壁上附接12个小磁体进行干扰从而在管道壁上生成约3%的局部体积变化。两个标准化信号在第一印象中示出了时域/频域中的小差异。图4A-4C是通过取如上文所讨论的图2和图3中示出的第一(基线)和第二(干扰)信号强度之间的差而计算出的ND-STFT信号的图表,其分别附接了2、4和12个磁体;而图5是根据所附接的磁体的ND-STFT图中的最大高度和最小深度的差的图表。示例2针对具有20’长度、2-3/4”直径、1/4”壁厚度的非腐蚀管道,通过对管道壁上的凹部进行钻孔来去除材料的效果如下:图6是根据所去除的材料(或蚀损体积比)的ND-STFT图中的最大高度和最小深度的差(即,最大信号差)或等效地STFT差信号强度的图表。示例3通过在器皿壁上对孔进行研磨来去除材料的效果如下(在这种情况下,器皿区段是整个器皿),其中采用了4个发送换能器和1和接收换能器:图7是无干扰(基线)的接收信号的图表,而图8A-8C是基线与在0.2cc、0.6cc和1.2cc的材料分别通过研磨被去除之后之间的ND-STFT差信号的图表。图9是根据从空器皿所去除的材料的ND-STFT图中的最大高度和最小深度之间的差(即,最大信号差)的图表。示例4通过在器皿壁上附接磁体来去除材料的效果如下(在这种情况下,器皿区段是整个器皿),其中采用了4个发送换能器和1和接收换能器:图10是根据对空器皿添加的材料(磁体)的ND-STFT图中的最大高度和最小深度之间的差(即,最大信号差)的图表。示例5示出了对温度补偿ND-STFT方法(3)的使用。示例5温度补偿的示例针对大约105英尺长的管道组件上进行的实验在以下给出。在图11A、11B、12A、12B、13A和13B中,25英寸的传感器距离用于换能器20a(用作发射器)以及20b(用作接受换能器);50英尺传感器距离用于换能器20b(用作发射器)以及换能器20d(用作接收器);并且105英尺的传感器距离用于换能器16和20d。图11A是根据在没有测量之间的材料损耗、转换或添加的情况下针对温度补偿信号和非温度补偿信号两者的时间的信号差幅度的图表。非温度补偿信号差是通过在时域减去来自后续测量信号的基准(基线)信号来计算的,而补偿信号差则是通过从温度补偿后的测量信号中减去参考信号来计算的,如上所述。可以观察到,在图11A中,差信号的振幅是温度补偿后明显减少;即,由于温度变化的杂散信号明显降低。因此,温度补偿降低了杂散信号电平,从而提高了检测材料增益或损耗的灵敏度极限。图11B是示出针对图11A中所示的数据的每个二进制位(总共25个二进制位)所计算出的具体延迟时间的图表。如上所述,这些延迟时间用于改变每个二进制位中的时域波形,并且温度补偿信号由来自每个二进制位的这种补偿波形的组合生成。图11a和11b显示温度补偿对信号的影响,以及针对每个二进制位计算出的具体延迟以达到该结果的具体延迟。图12A和12B是示出针对使用25个二进制位的50英寸换能器距离相同结果的图表,并且图13A和13B是示出针对使用50个二进制位的100英寸换能器距离相同结果的图表。图11B和12B的斜率是正的,因为温度变化是正的;而图13B的斜率是负的,因为温度变化是负的。可以通过使用灵敏度改进因子(SIF)来量化温度补偿的效率,灵敏度改进因子被定义为无补偿的杂散差信号强度与有补偿的差分杂散信号强度的比值。下列表总结了针对在各种换能器-换能器距离下的不同管道的以及针对若干全局和局部温度变化的SIF值。表类型直径距离温度ΔT跨度数量SIF均匀2in25ft全局4℃5ms2518均匀2in25ft局部20℃5ms5075非均匀8in25ft全局3℃5ms2529非均匀8in50ft全局2.5℃5ms5052非均匀8in100ft全局3℃10ms5058非均匀8in25ft局部6℃5ms2526非均匀8in50ft局部10℃5ms2531关键词:类型:管道部分的类型;均匀(直)vs.非均匀(由弯曲、弯管、凸缘连接等)直径:附表40管道直径距离:传感器-传感器距离ΔT:有效温度变化跨度:要补偿的接收信号的时间跨度数量:用于补偿的二进制位的总数量SIF:敏感度提高因数针对温度校正,本ND-STFT方法的实施例(1)包括以下步骤:(a)选择频率啁啾信号,其信号强度在约1和约100V之间;频谱内容在约10kHz和约200kHz之间;持续时间约为0.1ms和约10ms之间;并且重复率在约10ms和约1000ms之间;(b)时间平均(约64~约4096次重复)和滤波(带通和/或低通和/或高通)第一接收信号(基线或参考信号);(c)从第一接收信号去除DC分量,从而只保留AC分量;(d)重复步骤(a)-(c),以获得第二接收信号(稍后的监控测量);(e)将第一接收信号和第二接收信号的信号强度标准化,使得信号中的最强部分就是所选的数字,例如1;(f)通过将接收信号与基线信号进行比较来执行接收信号的温度补偿;(g)用选择的时间和频率窗口大小和时间步长(例如,1024的汉明窗大小、和32的步长和1kHz的频率增量、以及100ns的时间增量用于20英尺长、2-3/4英寸直径(1/4英寸壁厚度)管道)来执行时间平均的第一和第二AC接收信号的STFT;(h)当扰动被预期,或在常规测试期间和在T=0的基线或参考ND-STFT期间,取以类似于在选择的时间T下的基线或参考STFT的方式得到的标准第一和第二的STFT的2D表面/轮廓图之间的差,形成了新的STFT的2D表面/轮廓图,其示出了在声模式中的能量损耗和能量增益;(i)识别在2D图中的特定频率-时间模式对,其中散射事件(或事件集合)可以看出(在ND-STFT图中,散射事件会出现一个凸起或波峰(正信号),以及对应的下凹或波谷(负信号));以及(j)计算NDSTFT中的具有最大高度的特征的波峰和具有最小深度的对应特征的波谷之间的振幅差(即最大信号差)。并且针对温度校正,本ND-STFT方法的实施例(3)包括以下步骤:(a)选择频率啁啾信号,其信号强度在约1和约100V之间;频谱内容在约1kHz和约1MHz之间或更有利地在约10kHz与约200kHz之间;持续时间约为0.1ms和约10ms之间;并且重复率在约10ms和约1000ms之间,用作询问激励信号;(b)时间平均(约64~约4096次重复)和滤波(带通和/或低通和/或高通)第一接收信号(基线或参考信号);(c)去除接收信号的DC分量,从而只保留AC分量;(d)将第一接收信号和第二接收信号的信号强度标准化,使得信号中的最强部分就是所选的数字,例如1;(e)通过将接收信号与基线信号进行比较来执行接收信号的温度补偿;(f)当扰动被预期,或在常规测试期间,在选择的时间T下取温度补偿信号与基线信号之间的差,从而形成差信号;(g)用选择的时间和频率窗口大小和时间步长来执行差信号的STFT;(h)通过计算STFT阵列沿时间轴的每个频率的标准偏差(一维阵列),并对每个频率下所计算出的一维标准偏差阵列求和以得到标量,来从二维STFT阵列计算可操作输出(用于判断是否需要采取拯救措施(例如管道替换或修理)的标量)。实验证据表明,在以下情况时该过程充分地补偿温度的影响:存在不同模式时,介质不均匀,有明显的散射波,以及有局部和全局的温度变化,同时具有对由于模拟或实际损害的波形变化不大的寄生效应。图14是针对100英尺的传感器-传感器距离的根据图1B中所述的105英尺长管道组件的累积局部体积损耗的标准可操作输出(标量)的图表。管壁上的体积损失是通过用研磨器从管壁去除材料来模拟的。在0.1到0.8%的局部体积损失中,材料沿着正方形凸部中的管道轴被去除,具有很小的阴影效果。当材料在圆周方向上相对于上一个方形凸部被去除时,得到1%和1.2%的数据。在这种情况下,没有观察到明显的阴影效应。这些结果表明,本方法的实施例适用于存在显著的非均匀性(凸缘、弯管、弯头台连接,等等)的长距离并且在广范围(0.1至1%局部体积损失)内时线性的。在该示例中,灵敏度极限约为体积损失的0.1%,其由操作环境对温度变化的影响和本温度方法的有效性确定。这种灵敏度为0.1%的局部体积损失保持在环境温度波动为3℃的范围内。对于温度变化为10℃的情况,灵敏度极限扩展到0.5%。本方法的实施例可以用于监控广范围的工程结构,例如器皿、管道、飞机、铁路、桥梁和建筑物。为了说明和描述的目的而提出了本发明的前述描述,而并不旨在用于排他的或将本发明限制到所公开的确切形式,并且根据上面的教导,显然能够进行多种修改和变形。选择并描述实施例,以便最好地说明本发明的原理及其实际应用,从而使本领域技术人员能够在各种实施例中以及采用各种如适合于所设想的特定使用的各种修改来最好地利用本发明。旨在由所附权利要求来限定本发明的范围。当前第1页1 2 3 
再多了解一些
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