专利名称：检测和表征介质的声学方法和装置的制作方法
1t测和表征介质的声学方法和装置
背景技术：
音波共振技术(ART)是一种提供声波能量产生共振的技术。如果一块平 板或者一根管道受到声波能量脉冲的作用，且该声波能量所包含的带有一定频 率的波动分量具有与平板厚度或，壁厚的两倍或M倍相对应的波长，那么， 这些频率将穿过平板或管壁产生驻波。当脉冲结束时，将检测到再辐射共振能
量，特别是用于与平板有一定距离的水下测音器。
需要理解的是，本发明所描述的内容中，术语"容器"包括任何能够把一 种介质限定在其周围的装置，例如一种管道线，其被设计成用来传输油、气或 者其他能够被管道装置传输的介质。
特别的，应用在声波能量脉冲中的频率将会比传，声波技术产生的频率 要低十倍或者更低，因此具有穿透分层材料并描述不同介质特征的能力。平板 或管壁两侧的介质都會詢多影响受声波作用返回的能量的"共振部分"和全反射 能量中的能量含量。海底气管线典型的的外部介质是海水，而在管线内部的介 质可能是气体、冷凝物或者有时候是水化物。这些内部介质的声学特性会导致 ，受声学能量的声波影响而产生的返回的声学能量发生变化。
目前，本发明人发现气体、7K化物和冷凝物的声阻抗各不相同，返回共振
能量至少在三种情况下表现出不同的性质就^M5i在容器例如管道中的不同
位置的气体、水化物和冷凝物，用来决定介质的种类。
发明内容
本发明提供一种解决方法，M响应于换能器向容器发射的一定宽频带的
声波信号来识别从容器(的壁)发射的声波信号的特定特征，来检测容器特别
是W中的水化物沉淀物或者冷凝物的存在。 本发明提供的方法参见独立权利要求l。 本发明提供的装置参见3te权利要求2。
图l是测量情况的简图，换能器向输气管壁的一部分鄉声波能量。相比于气体在管道内的情况，当水化物在管道内时，由该管道内部反射的能量是不 同的；
图2是一刊氏频换能器元件的湖信号的时间序列的实施例，x;
图3是一个低频换能器元件的RI寸信号的时间序列的实施例，y;
图4是一4M氐频换能器元件的反射信号的时间序列的实施例，z;
图5是一个所有换能器元件放在一起的"尾状"波谱；
图6是一个所有换能器元件放在一起的反射频谱；
图7是一 现本发明的算法应用在样本频谱上的实例的曲线亂
图8是一个表现本发明的进一步算法应用在样本频谱上的实施例的曲线
图9表明4顿水化物检测单元作为固定安装设施的选择； 图10表明将水化物检测单元安装在ROV上的选择； 图11表明将水化物检测单元安装在手持单元上的选择。 反射频谱这种频谱是在第一反射脉冲的第一能量达至嗾收器之前计算从 数字n开始的一个时间串的一部分使用FFT后得到的结果。数字n取决于脉冲 和应用的AD转换器。图4给出了一个例子，其中垂直的(红色)实线表示FFT
、"尾部"频谱这种频谱是计算包含从管壁发出的共振能量的时间串的一部 分的的FFT结果。该FFT在第一反射脉冲之后开始计算，从该第一反射的最大 值开始计数数字n。该数字n取决于脉冲和应用的AD换能器。图5和图6给出 了例子，其中垂直的(红色)实线表示FFT的极限。
两种频谱都能很容易地由第一全反射达到接收换能器中产生，但也是将 FFT算法应用在第二次、第三次和接下来的信噪比在肖餱受的范围内的反射信 号上的结果。
具体实施例方式
一条时间线显示返回信号包括表示从容器的前壁发出的多个反射的能量， 此外，还有从具有对边界的各个侧面为不同声阻抗的材料之间的其他边界发出 的其它声波能量。同时还包括在声 过程中在管壁内部建立并且随后从边界 再辐射的可能的共振能量。
从容器返回的声波信号是随时间变化的时间信号，图4—6给出了实例，通过将FFT算法应用在从前壁发出的第一反射的一部分来处理该时间信号，目的
^E这部分时间信号转为频谱。
进一步得至啲频谱叫做"皿频谱"或"尾部频谱"，这取决于FFT应用 到的随时间变化的信号的那部分。
为了确定髓中的气体、冷凝物或7]C化物的存在，将一个或多个算法应用 已经得到的频谱或多个频谱上，如前面建议的。这些算法被设计自来从"反 射频谱"或"尾部频谱"中计算和求出特定参数和相应值，而且用这些参数的 结果tK确定位于管道内进行测量的特定位置处的介质的类型。这些算法可以 应用在信号测量上，或者应用到通过应用涉及一些观懂作为输入的对比和过滤 技术获得的结果反射频谱和"尾部"频谱。
本发明提供了一种检测在容器的选定区域上的管道线内的气体7K化物的方
法，其特征在于包括
1) 在讨论的观赋区域中产生包含频率分量的宽频带电、漏信号；
2) 将所述宽频带电、 信号转化成宽频带声波信号； 3 ) 将所述宽频带声波信号传送到被测目标；
4) 接收被测目标响应所述宽频带声波信号而发出的声波响应信号； 5 ) 将所述目标发出的所述声波响应信号转换成电子接收信号；
6) 调M^述接收信号；
7) 分析所述调整的接收信号以得出所述调整的接收信号的信号能量的 频谱分配；
8) 应用算法，并基于所应用的算法推导出的值将，内的介质分成"气 体"、"冷凝物"或"水化物"。
为了存储观懂结果用于后续处理，例如，用于后面计划和开展相似的研究， 上述方法也包括存储不同分类过程的结果。这意味着储存由接收传感器记录的 两个时间串、计算出的反射频谱和"尾部"频谱、以及被应用算法的计算值，
和分类，如"气体"、"水化物""和"冷凝物"，该分类是与每次测量都有联 系的最终结果。
此外，给操作人员或监测人员一个结果的即时表示也是本发明的优点，例 如，既能够监测结果质量，又能根据结果立即决定进行任何所需要的测量。因 此，本方法也包括给出与作出适当行为的表示相联系的结果的步骤。宽频带激励信号可以典型的在电子信号发生器的帮助下产生，这个信号发生器可被设置用于适当的信号形式和信号强度，最好由监测返回信号的控制单^it行设置。合适的激励信号具有以下特征
' 信号分裂成一些独立的激励脉冲；
每个单独的激励脉冲具有覆盖讨论的全部频率范围的频率容量的任何形
式；
脉冲形式的实施例包括sin(x)/x，线性调频脉冲，瞬时和白噪声；每个单独的激励脉冲的持续时间都是可调整的，这样就不会干扰来自需要
被观糧的物体的湖信号(响应)；
调整每次激励脉冲之间的时间间隔以使来自结构件的反射脉冲降到低于给定的水平；
调整每个单独的脉冲中的功率能量， 在给定限制内自动调整，直到反射信号中的功率达到期望水平；
ffiil控制单元中的软件来控制脉冲的特征参数。
在例如管道的物体受声波的作用时，被通过宽频带声波脉冲信号，典型的根据本发明的方法接收和处理的返回信号具有以下特征信号主要由"初级反射"和"尾部"两个部分组成；
"初级反射"和"尾部"两个部分的任何一个都離多表征管道内部的介质特
征；
计嶽/UI行的分析和计算的软件基于给定的标准来确定目信号和"尾部"信号中的哪一部分在表征将要被分析的管道内的介质的特征中是设定的重要性；
M31控制发射功率和/或调整接收至啲返回信号的放大f織，返回信号中用于表征的那部分的功率龟平被采用于以AD转换器的测量范围；由lt体发明的优点在于M软件的自动控制(自动距离修正)执行接收至啲返回信号的振幅。本发明的方法进行信号处理和介质表征包括以下步骤4顿FFT (快速傅立叶变换)计算返回信号的期望用在介质表征的那部分；基于FFT，形成描舰回信号中能量内容的育g量频谱作为频率的函数；应用一个或多个展开的算法到被计算的一个或多个能量频谱；然后 内的特定位置的介质被表征为"气体"、"水化物"或者"冷凝物"；
7为进一步提高测量，可以选择地连同能量考虑一起或者单独地分析响应信 号中的相位。
本发明还提供一种检测或表征位于容器目标的一部分中的介质的设备，该 介质在所容器的选定的部分上要被测量，其特征在于包括
1) 信号发生器，产生宽频带电子、WM言号；
2) 宽频带传感器，包括至少一个换能器，其将电子激励信号转换成声 波激励信号，传送所述声波激励信号，接收声波响应信号并将该声波响应信号 转换成电子接收信号；
3) M装置，对接收信号进fiH周节和频谱分析；
4) 计算装置，将检测或表征算法的至少一种应用于，装置的输出， 由lt该征该介质为"气体"、"水化物"或者"冷凝物"；以及
5) 控制装置，可操作地连接所述信号源、传感器、处理装置和计算装 置，用于对它们进行控制。
为了存储测量结果，该设备还要包括一个或多个连接到所述控制装置和计 算装置的登记装置。多个不同设备可以用于保存结果，例如光盘存储装置、机 器可读纸打印输出、穿孔带以及类似的设备。
为了让例如操作人员或监测人员能观察信号处理、算法的应用等不同阶段 的结果，该设备还包括一个或多个与控制装置和计算装置连接的数据输出装置， 其中计算装置用来处理和表^i十算得到的介质特征。
能够实现上述目的的输出装置可以是例如纸打印机、具有阴极射线管类型、等 离子体类型、液晶 或相似类型的彩色或单色再现的显示屏幕。
换能器和提供激励信号或接收声波返回信号的构itM:以下被描述
换能器元件，适合只能发送或只能接收，或者既能发送也能接收；
如果需要，能够在多个换能器传感器中进行选择以在一个被选定的元件上 发送，在另一个部件上接收；
激励脉冲能够被同时发送到多个换能器传感器的所有元件，或者只能给发 送到选定的换能器元件；
控制系统中的软件能够控制' 转换器的配置；
因此，发出激励信号的第一换能器装置和接收返回信号的第二换能器装置 育滩合成为单——^H奂能器體。
8以下将详细介绍本发明的算法算法l:
现在将结合图6进1，军释算法1 。如图6所示，这个算法用于鄉频谱并且计算第n个最大值和相应的最小值之间的比率，其中该最小值就在反射频谱中
第n个最大值的左侧。然后其针对表征不同介质的预设范围，检查结果值。Al=nMax/nMin算法2;
将结合图6进fi^军释算法2。如图6所示，这个算法用于反射频谱并计算反射频谱的第n个最大值禾嗨(n-k)个最大值之间的比率，其中k是l到n中的值。这个比率是频谱的一部分的一种梯度。然后针对表征在特定 中的不同介质的预置数字范围，检查该比率。
A2=nMax/(n-k)Min
算法3:
将结合图5进^l 释算法3。如图5所示，本算法应用在"尾部"频谱中，并基于管壁厚度的知识计算在第n次谐波的预设值与从"尾部"频谱中提取的实际值之间的差值，并且比较该差值与表征在特定管道中的不同介质的频移的预设范围。
A3《理论值-fn测量值
算法4:
将结合图5进行解释算法4。如图5所示，本算法应用在"尾部"频谱中，计算"尾部"频谱的n个谐波的能级，并将结果值与表征在特定管道中的不同可能介质的预设范围值进行比较。
A4-S能级(fn) 其中11=0丄*",最大谐波
算法5:
将结合图5和图6进纟，军释算法5。如图5和图6所示，本算法应用在RM频谱或者"尾部"频谱上，并计算在多个连续的反射频谱或者"尾部"频谱上的应用算法l、 2、 3或4所得到结果的标准偏差，比较该结果与表征不同介质的预设范围值。
A5=STDEV(ANm) 其中N=l,2,3或4，且m是计算标准偏差的结果值算法6:将结合图5和图6进行解释算法6。如图5和图6所示，本算法应用在则寸 频谱，"尾部"频谱或应用在这两种频谱上，并合并2个或多个上述的算法，例 如
A6=A1+A2
实例
结合图l、图6 、图8和图9进^l军释本实例。如图l，应用宽频带声波换 能器以测量含有气体、冷凝物和水化物的不同髓部分。在如图6所示的调节 信号以得到反射频谱之后，把11=10(110.1)和11=11(110.2)应用到算法八1，把11=11 和1^5(no.3)应用到算法A2 ，结果在图8和图9中被示出。
气体水化物检测^W 1
将结合图9进纟， 释选择1 。在气体管道内的预先确定的位置安装组合的换 能器和电子模块(雌包括信号处理)，讨论中如石油公司所限定的那样。固定 安装将为石油公司提供关于在早期阶段检测水化物建立的有价值的信息，这样 能够进行调整措施，例如注入甲醇以避免水化物堵塞发展到妨碍气体流动的程 度。
育,通过例如海水电池提供动力给换能器模块，尽管更好方案是从通过调 查船降低的通信模土央感应供电，或者从被称为AUV的自主式7jCF航行器感应供 电，或者从被称为ROV的遥控运输工具感应供电。观察船、AUV或ROV与固 定换能器模i央之间的优M信通常可以是无线通信，通过^ffl被称为ELF的极 低频率通信。
气体水化物检测^ 2
将结合图10进fi^ 释选择2。用于扫描(Mii^续并且变化的循环速率) 和识另何能的水化物阻塞的一种4继方法是^f柳在管道顶端鹏f的ROV。该 ROV将具有安装的传 ，该传^l包括具有一个或多个换能器的换能器阵列， 该阵列被布置成可以覆盖管道圆周的预先确定的部分。数据被发《过对于信 号处理顶测的脐带的ROV。换能器与管道线之间的繊巨离不是至关重要的，可 以优选在50mm至300mm之间。
气体水化物检测^^择3
将结合图11进fi^释选择3。换能器和电子模块能够与传输音波信号的波导装置结合在一起，并且观察员自由用在例如炼油厂里暴露在7jC化物中的魏。
这个单元需要与魏接触。拥喊专利N0314554描述了一种更雌的波导设计。
通过包含在手持单元中的处理，执行信号处理，且能够在现场实时地显示结果。
权利要求
1、一种检测或表征包含在结构件中的介质的声学方法，该方法包括如下步骤通过第一换能器装置向所述结构件发出宽频带声波能量脉冲；通过第二换能器装置响应于所述的发出从所述结构件返回的声波能量中生成返回信号；从所述返回信号中得到返回信号频谱，该返回信号频谱表示从所述结构件中返回的所述声波能量的声波频谱分量；和通过对所述返回信号频谱应用返回信号处理介质检测或表征算法，检测或表征所述介质。
2、 一种检测廳征包含在结构件中的介质的声学设备，该设备包括 第一换能器装置，其向所述结构件发出宽频带声波能量脉冲； 第二换能器装置，其响应于所述的发出从所述结构件返回的声波能量中生成返回信号；频谱取得装置，其从所述返回信号中得到返回信号频谱，该返回信号频谱 表示从所述结构件中返回的所述声波能量的声波频谱分量；和介质检测或表征驢，其用于检测或表征所述介质，所述介质检测或表征 ，M对所述返回信号频谱应用返回信号处理介质检测或表征算法来检测或 表征所述介质。
3、 一种用于检测传输碳氢化合物的管道中的水化物存在的声学方法，该管 道包括前壁、后壁和位于该前壁与该后壁之间的内腔，所述方法包括从发射点向所述管道的前壁发射第一声波串，该第一声波串包括多种不同 频率的声波；在发射点或者发射点附近接收由于在前壁中的共振产生的从该前壁返回的 第二声波串，该第二声波串具有所述多种声波中的至少一种声波； 确定在该第二声波串中具有不同频率的波量；和至少在确定的所述第二声波串中具有不同频率的波量的基础上，确定管道 的内腔中的水化物的存在。
4、 根据权利要求3所述的声学方法，该方纟跑括在发射点^射点附近接收由前壁反射产生的从该前壁返回的第三波串； 确定在该第三波串中具有不同频率的波量；禾口在确定的所述第三波串中具有不同频率的波量的基础上，进一步确定管道 的内腔中的水化物的存在。
5、 根据权利要求3或4所述的声学方法，该方纟跑括 在发射点或者发射点附近接收由在后壁中的共振产生的从后壁返回的第四声波串，该第四声波串具有所述多种声波中的至少一种声波；确定在该第四声波串中具有不同频率的波量；和在确定的所述第四声波串中具有不同频率的波量的基础上，进一步确定管 道的内腔中水化物的存在。
6、 根据权利要求3或4或5所述的声学方法，该方法包括 在划寸点^lt点附近接收由后壁反射产生的从后壁发出的第五波串； 确定在第五波串中具有不同频率的波量；和在确定的所述第五波串中具有不同频率的波量的基础上，进一步确定管道 的内腔中7jC化物的存在。
7、 一种用于检测传输碳氢化合物的管道中的7jC化物存在的声学方法，该管 道包括前壁、后壁和在前壁与后壁之间的内腔，所述方、跑括从发射点向所述管道的前壁^l寸出第一声波串，该第一声波串包括在频率 范围内的不同频率的多种声波，该频率范围是对于所述前壁或后壁的主导声波 共振频率的区域；在发射点或者发射点附近接收由前壁或后壁中的主导共振产生的从所述前 壁或后壁返回的第二波串，織二波串具有来自所述多种声波的至少一种声波; 确定i5^f述第二波串中具有在主导共振频率范围内的多种频率的波量；和 在该第二波串中的主导共振频率波的频率偏移的基础上，确定管道的内腔 中的水化物的存在。
8、 一种检测传输aa化合物的M中的水化物存在的声学设备，该设备被设计鹏于实现如权利要求3至7之一的方法。
全文摘要
一种用于检测或表征包含在结构件中的介质的声学方法和装置。特别的，所述结构件是一种容器，例如传输油、气或碳氢化合物冷凝物的管道。第一换能器装置向所述结构件发射一宽频带脉冲声波能量脉冲。第二换能器响应于所述的发射从所述结构件返回的声波能量中生成返回信号。从所述返回信号中得到返回信号频谱，该返回信号频谱表示从所述结构件中返回的所述声波能量的声波频谱分量，并且通过对所述返回信号频谱应用返回信号处理介质检测或表征算法来检测或表征所述介质。
文档编号G01N29/02GK101479597SQ200780014688
公开日2009年7月8日 申请日期2007年4月25日 优先权日2006年4月26日
发明者A·贝格, J·雅各布森, S·维尔明 申请人:挪威船级社