[0001] 本
发明设计
超声波测试领域。更具体地说，本发明涉及对壁表面的变化的检测。
[0002] 从WO-A-2007/051959已知，提供了超声波检测器，其可被用于执行无损测试。一个期望的类型的测试是检测壁表面的变化。例如，这种壁可以是包含
流体(例如
腐蚀性流体或
多相流体)的管道壁。这种流体可腐蚀或侵蚀壁的内表面且期望监测壁的厚度的这种变化或内壁粗糙度的变化。通过以这种方式监测，潜在的故障和危险可在问题出现前识别。作为实例，使用监测技术以
跟踪在炼油厂中的管道内表面的腐蚀或侵蚀可允许油的安全提炼，否则由于油腐蚀或侵蚀炼油厂的管道的方式，这被认为是非常困难的。
[0003] 上述类型的测量的问题是管道的内表面可被腐蚀或侵蚀以致形成粗糙的表面，其具有散射被用于测量壁厚度的超声波振动的影响，以这样的方式导致壁厚度测量的不可接受的
精度。该粗糙表面散射的讨论可在贾维斯(Jarvis)和塞格拉(Cegla)在美国声学学会杂志132(3)(Journal of the Acoustical Society of America 132(3))，2012年9月，1325至1335页中的“Application Of The Distributed Point Source Method To Rough Surface Scattering And Ultrasonic Wall Thickness Measurement(对粗糙表面散射和超声波壁厚度测量的分散点源方法的应用)”中找到。
[0004] 从一个方面来看，本发明提供了检测壁表面变化的方法，所述方法包括下列步骤：
[0005] 将输入超声波振动的脉冲传送进所述壁的近端表面，所述输入超声波振动的脉冲传播通过所述壁以在所述近端表面形成当前输出超声波振动的脉冲；
[0006] 在所述近端表面接收超声波振动；
[0007] 比较所接收的超声波振动与在所述近端表面接收的之前检测的输出超声波振动脉冲以检测所述壁的所述表面的变化。
[0008] 本技术认为粗糙表面散射可显著地改变检测的超声波振动脉冲的形式(如
相位变化、
波形变化、色散等)，这样的方式导致精确地和可靠地检测用于检测壁表面变化的输出超声波振动脉冲的到达时间变得困难。当前输出超声波振动脉冲的更精确的到达时间可通过比较所接收的超声波振动与之前检测的输出超声波振动脉冲来找到。之前检测的输出超声波振动脉冲将可能具有与待检测的当前输出超声波振动脉冲类似的形式并且相应地与该之前检测的输出超声波振动脉冲的比较可用于更精确地确定当前输出超声波振动脉冲的到达时间。因此，期望从中确定当前输出超声波振动脉冲的所接收的超声波振动与将可能已经受到粗糙表面散射将施加的相似的
相移、色散和波形变化的历史检测的超声波振动脉冲相比较。
[0009] 为了测量壁厚度，输入超声波振动脉冲传播穿过壁厚度、从壁的远端表面反射并穿过壁厚度返回至近端表面以便形成当前输出超声波振动脉冲。因此，向其中送入输入超声波振动脉冲的壁的近端表面可以是管道的外表面而远端表面可以是管道的内表面，该内表面可能受到导致来自该远端表面的粗糙表面散射的腐蚀或侵蚀。
[0010] 当壁的近端表面是可触及的，输入超声波振动在壁的近端表面产生。输入超声波振动可被直接应用于近端表面或可经由楔形物、耦合流体或将对本技术领域中的技术人员来说熟悉的其他间接机构被应用于近端表面。这些传送和接收来自壁的超声波振动的各种间接方式被全部包含在本技术中。
[0011] 在一些实施方案中，在近端表面的输出
位置处被接收作为输出超声波振动的参考脉冲之前，超声波振动的输入的脉冲还可从近端表面的输入位置在实质上平行于近端表面的方向上传播，输出超声波振动的参考脉冲在输出位置处在当前超声波振动脉冲之前被接收。沿着壁的近端表面的直接传播生成可用于补偿在传送和接收操作中的变化的参考脉冲并因此更精确地隔离涉及超声波振动通过壁厚度至壁远端表面的传播的测量。
[0012] 所接收的超声波振动与之前检测的超声波振动脉冲的比较可采用各种不同的形式。该比较可使用不同的时间偏移量计算互相关值、互协方差值或相似性值并接着使用这些值中的最大值确定当前超声波振动脉冲的到达时间。将当前输出超声波振动脉冲与之前检测的输出超声波振动脉冲相关联更有可能精确地确定到达时间(最大相关性时间)，因为被比较的两个脉冲将可能受到相似的粗糙表面散射的影响。
[0013] 如上面讨论的用于确定相关性值的不同的时间偏移量对应于超声波振动穿过被监测的壁的不同传播时间。该传播时延一般地可以是一阶传播时延，其中，超声波在每一个方向上穿过壁一次，但是也可能检测到更高阶的传播时延，其中，超声波在每一个方向上穿过壁多于一次(尽管粗糙表面散射的增加的影响很可能使这些脉冲越来越难以准确测定)。
[0014] 可能所接收的超声波
信号和之前检测的输出超声波信号脉冲之间的比较可通过直接地比较所关注的振动的检测样本值来执行。然而，也可能该比较可在另一个域中执行，诸如通过在做出比较之前对振动进行傅里叶变换或使振动受到
小波变换。在与比较相关的
信号处理中的这些变化被全部包含在本技术中。
[0015] 在由本技术检测的壁的变化可以是上面讨论的壁厚度的变化。也可能的是，壁的变化可以是在壁的全体厚度中没有出现任何显著变化时产生的壁的表面轮廓的变化。例如，壁的轮廓的这种变化可指示出现在不可触及的远端表面上的任何不期望的过程的性质，这是因为不同的过程可导致远端表面的轮廓的不同变化。
[0016] 该比较可需要储存先前的输出超声波振动脉冲的表示以用作之前检测的输出超声波振动脉冲。例如，该表示可以是
采样值(可能是上采样)序列或可以是储存在另一个域的表示，例如频域或与小波变换相关的域。
[0017] 该表示可直接理解为包括从之前检测的输出超声波振动脉冲中采集的采样值的序列。在其它实施方案中，该表示可以是输出超声波振动的模型化脉冲，其已经从之前检测的输出超声波振动脉冲得到(如之前检测的脉冲可以被用于生成管道的远端表面的模型并且该表面模型进而被用于模型化超声波振动的输出脉冲，该超声波振动可与从随后的脉冲中接收的超声波振动相比较)。
[0018] 用于比较的之前的输出超声波振动脉冲可以是前面紧邻的输出超声波振动脉冲，因为这很可能与当前的输出超声波振动脉冲具有最高的关联性，但是可能在时间上更大地分离的之前的脉冲可被利用，具有可接受的结果。
[0019] 当确定管道壁厚度时，则所测量的厚度可随时间的推移被使用以监测管道的内部腐蚀率，以这样的方式给出该管道潜在故障的预先警告。
[0020] 从另一个方面来看，本发明提供了使用传送进所述壁的近端表面的输入超声波振动的脉冲检测壁表面变化的信号处理的方法，所述输入超声波振动的脉冲传播穿过所述壁以形成在所述近端表面处的当前输出超声波振动的脉冲和在所述近端表面的超声波振动，所述方法包括下列步骤：
[0021] 比较所接收的超声波振动与在所述近端表面接收的之前检测的输出超声波振动脉冲以检测所述壁的所述表面的变化。
[0022] 应理解，超声波振动的传送和接收可发生在
传感器位置处，传感器位置远离比较被执行的位置，该比较检测超声波振动的脉冲的到达时间和例如对应的壁厚度检测。传感器可执行超声波振动的传送和接收并将所采集的信号传送给远程设施，然后远程设施执行比较并检测所需的壁的变化，然后返回结果至原始点或用于监测系统的用户的解释和行动的潜在的不同的点。
[0023] 从另一个方面来看，本发明提供了用于检测壁表面变化的系统，所述系统包括：
[0024] 传送器，该传送器配置成将输入超声波振动的脉冲传送进所述壁的近端表面，所述输入超声波振动的脉冲传播通过所述壁以在所述近端表面形成当前输出超声波振动的脉冲；
[0025] 接收器，其被配置为在所述近端表面接收超声波振动；
[0026] 处理
电路，其被配置为比较所接收的超声波振动与在所述近端表面接收的之前检测的输出超声波振动脉冲以检测所述壁的所述表面的变化。
[0027] 从另一个方面来看，本发明提供了用于使用传送进所述壁的近端表面的输入超声波振动的脉冲检测壁表面变化的信号处理装置，所述输入超声波振动的脉冲传播穿过所述壁以在所述近端表面处形成当前输出超声波振动的脉冲和在所述近端表面的超声波振动，所述信号处理装置包括：
[0028] 处理电路，其被配置为比较所接收的超声波振动与在所述近端表面接收的之前检测的输出超声波振动脉冲以检测所述壁的所述表面的变化。
[0029] 现在将参考
附图仅以示例的方式描述本发明的实施方案，其中：
[0030] 图1示意性地示出用于监测管道壁厚度的系统；
[0031] 图2示意性地示出通过管道壁的超声波振动脉冲的传播；
[0032] 图3示意性地示出了来自光滑表面的超声波振动的反射；
[0033] 图4示意性地示出了来自粗糙表面的超声波振动的反射；
[0034] 图5示意性地示出了从壁的远端表面反射的参考脉冲和检测到的脉冲的接收；
[0035] 图6示意性地示出之前检测的输出超声波振动脉冲和所接收的超声波振动之间的互相关；
[0036] 图7是当执行互相关(滑点积)时的比较步骤的数学表示；以及
[0037] 图8是示意性地示出使用超声波振动和互相关与之前检测的脉冲来确定管道壁厚度的
流程图。
[0038] 图1示意性地示出用于监测管道壁厚度的系统2，包括每一个附接到各自管道10、12、14的多个传感器4、6、8。每一个管道具有对应于近端表面的外表面和对应于远端表面的内表面，传感器4、6、8中的一个传感器被附接到近端表面，从远端表面检测到超声波振动脉冲的反射。管道可运送使管道的内表面受到腐蚀和/或侵蚀的腐蚀性流体或混合相流体(如
原油中的沙可侵蚀管道的内表面)。传感器4、6、8中的每一个传感器与网关16直接或经由传感器形成的网状网进行无线通信。网关16进而与
服务器18通信。图1中示出的传感器4、6、8是很适合于高温应用的
波导传感器，但是其他传感器类型也是可能的，例如可适合于较低
温度环境的脉冲回声模式传感器(相同的换能器发送和接收)。
[0039] 以周期性的间隔，如每12个小时(或如果需要更频繁的监测，则更小)，传感器4、6、8中的每一个传感器可执行对其附接的管道10、12、14的管道壁厚度的确定。可通过将输入超声波振动脉冲(直接地或经由楔形物、耦合流体间接地)传送进管道壁的近端表面来执行测试并且然后反射的超声波振动被返回至近端表面。所接收的振动可用高比率的
模数转换器采样并然后经由网关16无线传输至服务器18。然后服务器18可在这些表示在近端表面接收的超声波振动的信号上实施信号处理以确定穿过管道壁的超声波脉冲的传播时延和相应地确定管道壁厚度。该信号处理使用所接收的超声波振动与在近端表面处接收的之前检测的输出超声波振动的脉冲的比较，以便确定当前输出超声波振动的脉冲的到达时间。该比较可使用互相关、互协方差、相似性函数或其它形式的比较，该比较寻求将所接收的超声波振动与之前检测的输出超声波振动脉冲相匹配。所执行的分析可确定管道壁厚度，但也可或可选地被用于检测管道的远端(内)表面的其它变化，例如由于不同类型的腐蚀/侵蚀的管道的内表面轮廓的变化。
[0040] 由服务器18分析的结果可被发送给用户终端20，这些结果可在用户终端20中被显示和被系统的用户解释。应理解，管道10、12、14、传感器4、6、8和网关16可以是与服务器18并进而相对用户终端20在不同的物理位置(诸如在完全不同的国家)。本技术很适合于对诸如炼油厂或化学处理工厂等的大规模工厂的远程监测。
[0041] 图2示意性地示出通过管道壁的超声波振动脉冲的传播。超声波脉冲可沿着传送波导22被传送至管道壁的近端表面24。与近端表面24的耦合可以是直接或间接的。在输入脉冲被发送进管道壁之后的一段时间，所接收的超声波振动从近端表面24被传递进接收波导26。
[0042] 在图2中所示出的是传送波导22和接收波导26之间的直接路径28。该直接路径产生可被用于补偿沿着波导22、26的传送时间以及诸如在脉冲的触发和传送中的时延的其它影响的超声波振动的参考脉冲。(在脉冲回声模式中操作的其它换能器可使用来自近端表面的反射作为时间触发器)。穿过壁的一阶反射路径30被示出，显示了输入超声波振动穿过壁厚度传播、从壁的远端表面32反射并然后穿过壁厚度返回至近端表面24，在近端表面24它们形成当前输出超声波振动脉冲，其到达时间使用互相关、互协方差、相似性函数或之前讨论的其它类型的比较来检测。确定相对于参考脉冲的到达时间的此当前输出超声波振动脉冲的到达时间允许使用三
角法计算对应于穿过管道壁厚度的传播的传播时延时间。该传播时延可进而被用于确定壁厚度和诸如壁的腐蚀率或侵蚀率的监测因子。
[0043] 图3示意性地示出了来自光滑的远端表面32的超声波振动脉冲的反射。在这种情况中，由于远端表面32是光滑的(至少在相对于超声波振动的
波长的程度)，然后该反射将是一致的并且所反射的超声波将不经历相位上不可预见的变化、不希望的色散或在其波形中的其它变化。
[0044] 图4示意性地示出了来自粗糙的远端表面32的超声波振动脉冲的反射。粗糙的远端表面32产生粗糙表面散射，其中，来自粗糙的表面中的波峰和波谷的反射互相干扰并生成反射的超声波振动脉冲，反射的超声波振动脉冲受到很大程度随着后壁形状改变的相位、色散的变化和波形的其它变化。由不可预见的后壁形状的变化导致的所反射的超声波振动脉冲的波形的这些变化使精确确定所反射的超声波振动脉冲的到达时间变得困难。
[0045] 图5示意性地示出了在近端表面处所接收的输出超声波振动。在输入超声波振动脉冲被传送进壁内的短时间后，超声波振动的参考脉冲将被接收，其对应于与壁表面平行的那些超声波振动的传播。稍后，检测的从壁的远端表面反射的脉冲被接收。所反射的一阶脉冲将是第一个被接收的。在实践中，当后壁不光滑时，二阶和更高阶脉冲可能太分散/混乱而不能精确地被检测，但是对于光滑后壁可提供有用的附加信息。图5示意性地示出检测到的从壁的远端表面反射的脉冲已经因为来自不均匀远端表面的反射而受到相位变化和色散，以致在时间上延长脉冲并改变信号的精细的调相。由来自不均匀远端表面的反射引入的这些畸变的结果是检测到的脉冲与输入脉冲或输入脉冲模型的相关性将导致不可靠的到达时间。
[0046] 图6示意性地示出可使用诸如互相关的技术将来自从壁的远端表面反射的检测到的脉冲的接收的超声波振动与之前检测的输出超声波振动脉冲进行比较以确定在所接收的超声波振动中的当前的输出超声波振动脉冲的到达时间的方式。由于之前检测的超声波振动脉冲将很可能已经和当前输出超声波振动脉冲类似受到相似的畸变(因为远端壁的粗糙度中的变化是相对低的)，则可根据互相关比较中获得更精确的结果并且更精确的到达时间被确定。该到达时间大约对应于穿过管道壁的脉冲的传播时延并且相应地可被用于确定壁厚度和诸如由于腐蚀/侵蚀的厚度变化率的因子。
[0047] 在图6的上部示出的之前检测的输出超声波振动脉冲可作为采样值序列从前面紧邻的检测到的脉冲开始被储存在服务器18中。图6中示出的比较是随着时间变化的采样值的直接比较。比较也可在不同的域被执行，例如使用小波变换将所接收的超声波振动和之前的检测脉冲都进行变换并接着在该不同的域进行比较或通过变换值频域并在该不同的域进行比较。另一个可选方案是，代替直接针对之前检测的输出超声波振动脉冲或该脉冲的变换版本执行比较，也可能针对已经从之前检测的超声波振动的输出的脉冲得到的模型化脉冲执行比较。该模型化脉冲可旨在模拟波形中的改变，该改变由远端壁的粗糙度的当前状态产生，而反射从远端壁产生。在粗糙度确定的情况中，连续信号之间的对比可以是间接的，如比较连续信号与一些简单形状并监测比较测量中的变化。这些可选方案被全部包含在本技术中。
[0048] 图7示意性地示出作为比较的一个示例形式执行互相关(滑点积)以确定到达时间的数学函数。该互相关被表示为连续函数和离散函数。在实践中，极有可能相对于离散函数变量执行信号处理，因为所接收的超声波振动的采样值将是离散值。
[0049] 图8是依据本技术的一个示例性实施方案示意性地示出壁厚度的测量的流程图。在步骤40处，在执行下一次测量的时间之前等待处理。这些测量可周期性地执行，如每天或每两天。在步骤42处，输入超声波振动脉冲被传送进壁的近端表面。接着步骤44接收来自壁的近端表面的输出超声波振动。所接收的超声波振动可被传送至远程服务器18。也可能在一些实施方案中，所有信号处理在传感器4、6、8本身处被执行以便降低所需的数据传输量(如，在海底应用中)。
[0050] 在步骤46处，使用不同的时间偏移量(因为在确定互相关中固有的)，在所接收的超声波振动和之前检测的输出超声波振动脉冲之间执行互相关，有时之前检测的输出超声波振动脉冲可被模型化表示代替或尤其是当当没有之前采集的脉冲时处理采集的第一信号时被理想短纯音代替。产生用于该互相关的最大值的时间偏移量对应于所接收的超声波振动和之前检测的脉冲之间的最佳匹配并相应地对应于当前超声波振动脉冲的到达时间。在一些实施方案中，在比较被执行之前，模型化脉冲可被拟合到接收的超声波振动。所接收的和之前检测的振动还可在比较步骤之前被上采样。互相关值中的峰值在步骤50处被检测并接着在步骤52处被用于确定壁厚度(使用三角法和在所关注的温度(温度补偿可被使用)处通过壁材料的已知的超声波振动速度)。壁厚度进而可被用于获取诸如壁的腐蚀率或侵蚀率的数据。该结果数据可被传送至用户终端20用于用户的解释和行动。
[0051] 作为对壁厚度的确定的可选方案或附加方案，所接收的超声波振动在步骤48处可被用于监测后壁的变化而不是厚度变化，如指示后壁中不希望的变化的后壁粗超度变化。这些变化可不显著地改变所反射的脉冲的到达时间，但其它变化(如相位、形状、色散)可被用于确定后壁的表面粗糙度的变化。
[0052] 最初第一个测量的信号不能与之前测量的信号互相关因为其不存在。在这种情况下，理想的短纯音可被用作参考。理想的短纯音可用与用作发送信号的短纯音使用的参数相同的参数生成，但是可具有不同的相位值-精确信号对于该初始化不是关键的。在非常粗糙的后壁表面的情况下，与理想短纯音的比较可导致大的偏移误差，因为到达时间不能被可靠地确定。然而，厚度损失(腐蚀率)可依然被可靠地跟踪。
