CN101855547A - 使用声谐振技术对中间层中的水分进入进行检测 - Google Patents

Abstract

一种用于确定包围管道的隔离层中水分进入的设备和方法，该隔离层被管状护套包围。该设备包括：与激励器进行通信的声换能器，激励器用于提供短和宽带宽的声信号，其具有这样的频率，在护套材料中传播时具有对应于护套厚度两倍或者护套厚度两倍的奇数倍的波长，激励器还用于处理响应于从换能器传输至护套的短和宽带宽的输出信号而从护套中发射的回响信号。信号处理器用于对所接收的回响信号进行频率分析以生成频率响应曲线，建立作为在护套内部上包含水分的隔离材料特性的频率响应曲线的特征，并输出水分进入所特有的指示。

Description

使用声谐振技术对中间层中的水分进入进行检测

1引言

本发明的目的是检测如图5所示的具有圆柱形夹层结构的测量对象的中间层中的进水。这种管道结构在挪威的煤气精炼厂(

gas refinery)中使用，并需要通过本技术来表征。另一个要表征的相关测量对象如图6所示。

通常，这些测量对象包括明显薄于内层的最外面的固体材料层510(如图5所示)；与相邻层相比具有不同声阻抗的中间层511；以及内部固体材料层512。我们需要最外层的厚度为：使得足以从所接收的半波谐振拖尾(half-wave resonance tail)(如图4所示)的SNR中提取出厚度特性。

或者，该方法可用于仅对所描述的夹层结构的一部分(诸如最外层510以及可能的中间层511)进行表征。该方法还可应用于最外层510或者内层512覆盖有涂层或者被腐蚀的情况。在后一种情况下，将采用几种测量方法以去除(smear out)腐蚀拓扑的假设的随机特性(参见第3.4节，块1040)。

2附图

图1示出了用于中间层中进水的检测的测量装置的功能图。标记涉及以下各项：110函数发生器；120功率放大器；130LF发射匹配滤波器；131HF发射匹配滤波器；140LF超声收发器；141HF超声收发器；150测量对象；160前置放大器；170数据获取系统；180控制PC。

图2示出了从函数发生器110发射的普通宽带宽(sin(x)/x)脉冲。脉冲的宽度和频率含量适用于包含测量对象150的最外层510或者内层512的谐振频率。

图3示出了由测量对象150的最外层引起的一次回波(primaryecho)，其与干燥的中间层511相关。在时间窗中示出了由最外层510引起的半波厚度谐振拖尾(据此确定最外层510的厚度)。ADC为模数转换器的缩写。

图4示出了用于潮湿的中间层511情况的由测量对象150的最外层引起的一次回波。示出了由最外层510引起的半波厚度谐振拖尾(据此确定最外层510的厚度)。

图5示出了要测量的管道结构。标记涉及以下各项：510最外层；511中间层；512内层。

图6示出了要测量的夹层结构。标记涉及以下各项：610最外层；611中间层；612内层。

图7是示出了在数据处理中的整个结构的流程图。

图8示出了从6个独立的测量(参见图4和图5)中得到的湿-干、干-干、湿-湿频谱组合的部分频谱(division spectra)(参见正文)。在这种情况下，最外层的谐振频率约为2MHz。与干燥(中间图)条件和潮湿(右侧图)条件所记录的不同的测量相比，给出了或多或少的平坦的频谱，而在谐振频率处，潮湿条件和干燥条件之间存在显著区别(左侧图)。

图9是示出了用于正确识别谐波频率并将正确的阶次分配给每个谐波频率的子过程(sub-procedure)的流程图。

3方法

3.1在干燥区域的参考测量

以下描述主要参照图1。控制PC 180包括合适的软件以通过设置相关参数来控制函数发生器110和数据获取系统(DAQ)170。收发器140和141最初夹紧在测量对象150的抬高的参考位，假设中间层在该位置不会被液体浸湿。

现在操作者(通过使用按钮)启动函数发生器110，经由控制PC 180将宽带宽的电脉冲(诸如“错误！没有找到参考源”的脉冲)传输至功率放大器120。宽带宽的脉冲应至少覆盖下式中的一个频带(指的是-3dB)，

f∈[f₁，f₂]， $f_i=\frac{c}{{2d}_i},$ i＝1，2，(1)

其中c是最外层510的声速，d₁和d₂分别是需要进行表征的最外层510的最大允许厚度和最小允许厚度。

从而，f₁和f₂表示与d₁和d₂相关联的基频半波谐振。优选地，上限频率应包括多个谐波。

当触发DAQ 170在其输入处开始进行数字化并存储电信号时，在功率放大器(PA)120处输入宽带宽的脉冲。优选地，PA 120将输入的宽带宽脉冲(参见图2)线性放大到其电平略小于收发器140的发射高频(HF)部的最大输入电平。

匹配滤波器131的HF发射部使PA 120与收发器141的发射HF部之间的阻抗失配最小化，从而使收发器141的发射HF部的电功率输入最大化。

收发器141的HF发射部将输入的电脉冲转化为机械振动。机械振动产生通过耦合介质(coupling medium)传播至测量对象150的声波，其中，耦合介质可以是波导或者气体。在波导的情况下，优选地，其具有圆形几何结构，由某种固态材料组成，并拥有在有源收发器元件141和最外层510(参见图5)之间的声阻抗。

声波在测量对象150的最外层处部分地反射，引起了一次回波。一次回波通过波导传播回来，并进入收发器141的HF接收部。在收发器140的低频(LF)部处也接收一次回波，但是显著地衰减了，因此可以在接收方面认为忽略不计。

一次回波激励收发器141的HF接收部进行机械振动，并将这些机械振动转换为HF电信号，作为前置放大器160的输入。

前置放大器160将输入的HF电信号放大到与DAQ 170的输入范围相似的电平。可能地，由于某种原因，如果DAQ饱和，则前置放大器170还可嵌入有用于禁止前置放大器输出的开关电路。

DAQ 170对所接收的包括一次回波(如图4所示)的HF信号进行数字化，并作为参考测量数据结果而对其进行存储，此后将测量数据结果称为时间矢量。

3.2在可能的潮湿区域处的测量

接下来，将收发器140和141移动到测量对象150的怀疑包括湿中间层511的区域，优选地，在假设的干燥位置正下方的位置。然后重复进行3.1节所描述的测量过程，并将接收信号看作对应于可能的潮湿区域的测量数据集合。

图4示出了由潮湿的中间层511引起的谐振拖尾的实例。在这种情况下，诸如3.1节所描述的测量装置便于获取信号。测量对象150与实际上的水的半无限层(half-infinite layer)相邻，其在室温下浸入到充当耦合介质的淡水中，且由1.5mm的钢片610构成。

3.3内层厚度的测量

为了能表征内层的特性，需要水柱到达内层。此外，需要中间层的厚度大于τc_w/2，其中τ和c_w分别是包含拖尾的二次回波的持续时间和包含在中间层中的淡水的声速。

在接收到上述HF信号后，触发函数发生器110以将与图2中的脉冲相类似的另一个宽带宽的电脉冲传输至功率放大器120。现在宽带宽的脉冲应至少覆盖下式中的一个频带(指的是-3dB)，

f∈[f₁，f₂]， $f_i=\frac{c}{{2d}_i},$ i＝1，2，(2)

其中c是内层512的声速，d₁和d₂分别是需要进行表征的内层512的最大允许厚度和最小允许厚度。

从而，f₁和f₂表示内层512的与d₁和d₂相关联的基频半波谐振。优选地，上限频率应包括多个谐波。该宽带宽的脉冲称为宽带宽的LF脉冲。

在PA 120处输入宽带宽的LF脉冲，优选地，将宽带宽的LF脉冲线性放大到其电平略小于收发器140的发射LF部的最大输入电平。

匹配滤波器130的LF发射部使在PA 120和收发器140的发射LF部之间的阻抗失配最小化，从而使收发器140的发射LF部的电功率输入最大化。

收发器140的LF发射部将输入的电脉冲转化为机械振动。这些机械振动产生通过耦合介质传播至测量对象150的最外层的声波。

声波通过测量对象150的最外层部分地透射，通过中间层(如图5所示)继续传播，在内层表面512(如图5所示)处反射。我们将该反射称为“二次回波”。

二次回波通过中间层511(如图5所示)传播回来，通过最外层510(如图5所示)部分地透射。二次回波通过波导继续传播到收发器140的LF接收部中。

二次回波激励收发器140的LF接收部进行机械振动，并将这些机械振动转换为LF电信号。然后在前置放大器160处输入LF电信号。

前置放大器160将输入的LF电信号放大到其电平与DAQ 170的输入范围相似。

DAQ 170对所接收的包括二次回波的LF信号进行数字化并存储。

3.4数据分析

710时间矢量

对应于来自DAQ单元170的电压的一组实数。

720输入参数

●外层的声速，c

●潮湿的中间层511的声速，c_w

●用于谱估计的时间窗的长度，N

●没有谐振拖尾的一次回波的期望宽度，W

●谱估计方法

●窗函数(window function)的选择(例如，Hanning，Bartley)

●采样频率，F_s

●在收发器中使用的频率间隔

●外层510的期望厚度

●中间层511的厚度，l

●根据其理论到达的二次峰值的最大允许的延时，k

●参考存储器中的数据集的个数，M

810时-频分析

输入：时间信号、谱估计技术、N、F_s

使用诸如滑动(sliding)傅立叶变换或者维纳(Wigner)分布的任何标准技术，来估计时-频域中的功率含量。识别最大能量的时间，由该值和N来找到拖尾开始时间。

时-频分析是集约处理的(processing intensive)，并可以关闭。

输出：功率矩阵、时间矢量(以采样间隔为单位)、频率矢量(以Hz为单位)、拖尾开始时间

910识别一次回波

输入：时间矢量、一次回波的期望宽度

找到对应于最大脉冲能量的时间，并使用一次回波的期望宽度来找到回波的开始时间和停止时间。

输出：回波的开始时间和停止时间

911识别二次回波

输入：c_w、l、k、时间矢量、一次回波的开始时间和结束时间二次回波的粗略峰值位置由下列公式找到

${\mathrm{\τ}}_1={\mathrm{\τ}}_0+\frac{2l}{c_w},$

其中τ₀是一次回波的到达时间(其是作为该回波的开始时间和结束时间之间的中点而被找到的)，l是中间层511的厚度。将信号能量中的最接近的局部最大值视为二次回波的到达时间。如果局部最大值落到由k给出的范围之外，则使二次回波的开始和结束时间保持为空。

输出：二次回波的开始时间和结束时间

920中止？

输入：二次回波的开始时间和停止时间

如果输入为空，则由于没有可以识别的回波而中止计算内层512的厚度。

输出：是否找到二次回波

930谱估计

输入：时间矢量、谱估计方法、用于分析的开始时间和停止时间、窗函数、N、F_s

使用任何标准技术(从基于周期图的方法到参数方法)，例如使用Yule-Walker模型，来估计时间信号的频率功率含量。在两个窗中执行估计，其中一个仅包括拖尾(从回波的结束处开始，持续到回波+N的结束)，另一个包括回波及其拖尾(从回波-N的开始时间开始，持续到回波+N的结束)。

输出：功率矢量拖尾、具有对应于功率值的频率(以Hz为单位)的矢量、功率矢量回波、具有对应于功率值的频率(以Hz为单位)的矢量

940谐振频率的识别

输入：来自“时-频分析”和/或“谱估计”的频率矢量、功率矩阵和/或功率矢量拖尾、在收发器中使用的频率间隔、时-频矢量中的拖尾开始时间

以下两项中的一项或两项：

1.将谐振频率识别为收发器141的频率间隔内的功率矢量中的最大能量。

2.将谐振频率识别为时-频矩阵中最显著地按指数下降(时间上)的频率，其中该频率在拖尾的时间间隔内部以及在由收发器141中使用的频率间隔所确定的频率间隔内部。

输出：对应于谐振频率的时间矢量和频率矢量的指数

970谐振频率的识别——寻找谐波集(harmonic set)

输入：频率矢量拖尾、频率矢量回波、功率矢量拖尾、功率矢量回波

需要精细的过程来实现：可靠地确定属于多个频率的谐波阶次。该过程将在下面的971～979中详述。

输出：谐波阶次、谐振频率

950厚度计算

输入：c、谐振频率、谐波阶次

按照下列公式计算层的厚度

$d=\frac{c}{2f_{\mathrm{res}}},---\left(2\right)$

其中f_res是谐振频率。如果由收发器140和141脉冲的宽带宽的脉冲覆盖了谐振频率的几个谐波阶次，则可以用更可靠的计算厚度的方法来计算

$d=<\frac{c_{o}n}{2f_{\mathrm{res}}}>---\left(3\right)$

其中这里的n是指示谐波阶次的整数，<·>代表求平均值。

显示结果。

输出：厚度估计

960显示结果

1010衰减时间

输入：时-频功率矩阵、频率矢量、拖尾开始时间

找到拖尾中谐振的特性衰减时间。

输出：谐振频率的衰减时间

1020谐振频率的能量

输入：功率矢量拖尾、功率矢量回波、谐振频率的指数

读出功率矢量中的值

输出：拖尾中谐振频率处的功率、回波中谐振频率处的功率

1030比较

输入：拖尾中的谐振频率的功率、功率矢量回波、衰减时间、拖尾中的谐振频率的参考功率、参考功率矢量回波、参考衰减时间

参考变量是包括几个之前实现(realisation)的矢量，其精确值是由输入变量M(参见上述的“输入参数”中的内容)来确定的。

比较的初始化：在已知的(多个)干燥位置记录一个或多个数据集。使用上述步骤对所读取的值进行分析，并存储回波中的功率谱、拖尾中的谐振频率的衰减时间、最后是拖尾中的谐振频率的最大功率。将所有的特征分类为“干”。

按照下述方式将包括拖尾中的谐振频率的功率、功率矢量回波以及衰减时间的新数据与其各自的参考值进行比较：

1.从参考值中减去衰减时间，此后将其称之为差分衰减时间

2.从参考值中减去拖尾中的谐振频率的功率，此后将其称之为差分功率

3.功率矢量回波除以参考值，根据这一点将其称为除法谱其中3)的输出结果的实例由图8示出。已经计算了6个不同的时间序列P_i(f)，i＝1，...，6的谱，其中当i＝1，2，3时中间层中存在水。通过使成对的谱相除，即P_i(f)/P_j(f)，产生相应图表。左侧的图示出了当两个谱均对应于潮湿条件(i，j＝1，2，3)时的结果，中间的图示出了干燥条件(i，j＝4，5，6)，而最左侧的图示出了一干一湿的情况(i＝1，2，3以及j＝4，5，6)。当两个谱都对应于相同的条件时，比率对所有频率均是平坦的，而对于不同的条件，最外层的谐振频率明显不同，并且除法谱中显示出明确的特征(在这种情况下有个尖峰)。

输出：除法谱、差分功率、差分衰减时间

1040确定湿/干

输入：除法谱、差分功率、差分衰减时间、功率矢量拖尾、谐振频率、之前的结果(湿/干)、M

对于每个比较，必须确定其是否与潮湿条件或干燥条件相一致。这是按照下述方式进行的：

1.衰减时间：如果M个潮湿参考和M个干燥参考是可用的，则在每种情况下计算平均衰减时间。如果衰减时间接近“干”的平均值，则将其分类为“干”，并对“湿”进行相应操作。如果不是所有的参考都可用，则不用于做决定，而是保留用于参考的数量。

2.谐振功率拖尾：如果M个潮湿参考和M个干燥参考是可用的，则在每种情况下计算平均谐振功率拖尾。如果谐振功率拖尾接近“干”的平均值，则将其分类为“干”，并对“湿”进行相应操作。如果不是所有的参考都可用，则不用于做决定，而是保留用于参考的数量。

3.针对谐振频率处的区别特征，对每个除法谱进行分析。该特征指示(从湿到干或者从干到湿的)变化。将变化/不变化的结果存储在矢量中。

使用简单的多数表决将测量结果分类为指示“干”或者“湿”条件。

根据决定，将功率矢量拖尾、功率矢量回波和衰减时间作为“湿”类或“干”类中的参考进行存储。如果所存储的参考的数量等于M，则用当前获得的结果替换最旧的参考。

输出：显示结果、新的参考值

1050用于潮湿情况的参考

1060用于干燥情况的参考

1070显示结果

未描述的动作

存储初始时间矢量。

流程图中所有的显示功能均表示存储。

971找到局部最大值/最小值

输入：功率矢量回波、功率矢量拖尾、双谱(bispectrum)矢量

在双谱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。

三个集合的合并是潜在的谐波频率候选项(candidate)的列表。

输出：谐波频率候选项

972最大值/最小值的权重

输入：谐波频率候选项、功率矢量回波、功率矢量拖尾、双谱矢量、滤波器尺寸(filter size)

1.用零值对权重矢量进行初始化(除了在谐波频率候选项处之外)，其中来自功率矢量的值用于双谱和拖尾。在每种情况下将权重矢量标准化为最大值，例如，将来自双谱候选项频率的所有权重标准化为双谱矢量中的最大值。

2.用功率矢量回波减去其经滤波的形式。在这种情况下局部最小值处的差限定了权重。进行标准化。

3.现在具有三个可用的权重集，W_bisp、W_tail、W_echo，对每个进行标准化，故最大的权重为1。

4.对于每个集合，通过以下公式来定标权重

$W_j\left(i\right)=W_j\left(i\right)\underset{k\&NotEqual;j}{\mathrm{\&Pi;}}\exp (-d_k)$

其中d_k是在集合k中到达非零权重的最短距离。W_j(i)是第j个集合的第i个元素。

5.对来自每个集合的权重进行求和，以获得单个权重矢量

在各功率矢量中，下一个(ensuing)权重矢量将权重赋给大的峰值/低的最小值，但是使每个权重恶化(如果其远离其他集合中的频率)。权重是0和1之间的实数。

输出：分配给每个谐波频率候选项的权重

973根据权重进行分类

输入：权重、谐波频率候选项

对权重矢量进行分类，并使用分类指数对谐波频率候选项进行重新排列，从而以权重阶次降低的方式列出谐波频率候选项。

输出：经分类的谐波频率候选项

974建立频率集合

输入：经分类的谐波频率候选项、权重、频率权重阈值

1.抑制阈值以下的所有候选频率

2.将频率候选项重新排列为多个集合。如果有N个候选项，

则建立N个列表{f₁，...，f_N}、{f₁，...，f_N-1}等等，其中，逐步去除先前列表中的最小权重的频率。每个列表此后称为频率集合。

将每个频率集合表示为F_n。

输出：频率集合{F₁，F₂，...，F_N}

975通过n＝1，...，N的循环

976找到谐波集合

输入：频率集{F₁，F₂，...，F_N}、整数公差、期望的最大厚度、在收发器中使用的频率间隔

按照下列方式计算用于一个频率列表F_i的谐波集：首先找到填充有所有可能的频率比率的n×n矩阵，

$M_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}=\frac{f_i}{f_j}$

通过按照如下方式连接kM′(k＝1，2，...k_max)用矩阵M′来构造更大的矩阵M，

$M=\left[\begin{array}{c}1\&CenterDot;M^{\&prime;}\\ .\\ .\\ .\\ k_{\max }\&CenterDot;M^{\&prime;}\end{array}\right]$

根据用户输入的允许的厚度最大值来计算整数k_max。

下一步是将M中的所有元素四舍五入到其最接近的整数，并比较整数值与在M中的频率比率之间的差。如果这个差小于用户指定的阈值(通常为0.1)，则认为该元素是整数，并得到M中的所有非整数元素等于零的矩阵N。N中的行识别谐波集合：对于给定的元素N_ij，其值对应于频率列表中的频率f_j的谐波阶次。

输出：整数矩阵的集合{N₁，N₂，...，N_N}。

977去除N_n中的元素：

输入：整数矩阵{N₁，N₂，...，N_n}的集合、期望的最大厚度、在收发器中使用的频率间隔

通过去除包含高于最大阶次k_max的值的行，有效地化简了谐波阶次矩阵N_n。去除所有相同的行，并去除给定厚度大于用户输入的最大值的行。

输出：化简的整数矩阵{N₁，N₂，...，N_n}的集合

978对N_i中的谐波的数量进行计数：

输入：化简的整数矩阵{N₁，N₂，...，N_n}的集合

对于每个N_n，记录具有最大数量的唯一频率的谐波集。将该数量存储在矢量Ф中。

输出：唯一集合的最大数量的矢量Ф。

979找到最佳频率子集

输入：唯一集合的最大数量的矢量Ф、在每个频率集合中的频率的数量、化简的整数矩阵的集合{N₁，N₂，...，N_n}

目标是找到原始频率列表中的最佳子集。每个子集与存储在Ф中的唯一谐波的数量相关联。此外，每个子集均具有多个频率。

通过找到除以列表中的频率数量的Ф的最高比值，找到最佳子集，这里我们忽略只有单个频率的微不足道的情况。在这个过程中，我们已经完成了频率的去除，并获得了谐波集合。

输出：频率的最佳子集的指数、谐波集合。

3.5液体深度的确定

在肯定地检测到中间层511中的液体后，将收发器140和141以比方说10mm的步长朝向测量对象150的升高区域向上移动。同时，重复执行在3.1～3.4节中描述的过程，以确定液体表面出现在哪个深度。

Claims (6)

1.一种用于确定包围管道的隔离层中水分进入的设备，所述隔离层被管状护套包围，所述设备包括：与激励器进行通信的声换能器，所述激励器用于提供短和宽带宽的声信号，所述声信号具有这样的频率，在所述护套的材料中传播时具有对应于所述护套的厚度的两倍或者所述护套的厚度的两倍的奇数倍的波长；信号处理接收器，与所述换能器进行通信，并用于接收和处理响应于从所述换能器传输至所述护套的短和宽带宽的输出信号而由所述护套发射的回响信号，其特征在于，所述信号处理器用于对所接收的回响信号进行频率分析以生成频率响应曲线，建立作为在所述护套的内部上包含水分的隔离材料的特性的频率响应曲线的特征，并提供所述水分进入所特有的指示。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，宽带宽的所述换能器用于在约为4,3MHz的频带中心频率处进行工作。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中，所述信号处理装置用于对所述频率响应曲线进行标准化，并基于经标准化的频率响应曲线来计算实际的水分含量值。

4.一种用于确定包围管道的隔离层中水分进入的方法，所述隔离层被管状护套包围，所述设备包括：与激励器进行通信的声换能器，用于提供短和宽带宽的声信号，所述声信号具有这样的频率，在所述护套中传播时具有对应于所述护套的厚度的两倍或者所述护套的厚度的两倍的奇数倍的波长；信号处理接收器，与所述换能器进行通信，并用于接收和处理响应于从所述换能器传输至所述护套的短和宽带宽的输出信号而从所述护套发射的回响信号，其特征在于，使所述信号处理器对所接收的回响信号进行频率分析以生成频率响应曲线，

建立作为在所述护套的内部上包含水分的隔离材料的特性的响应曲线的特征，以及

输出所述水分进入所特有的指示。

5.根据权利要求4所述的方法，进一步包括使宽带宽的所述换能器在约为4,3MHz的频带中心频率处进行工作。

6.根据权利要求4或5所述的方法，进一步包括使所述信号处理装置对所述频率响应曲线进行标准化，并基于经标准化的频率响应曲线来计算实际的水分含量值。

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