DE68915527T2

DE68915527T2 - Elektromagnetisches Impulsverfahren zur Detektion von Unregelmässigkeiten an leitfähigen Behältern.

Info

Publication number: DE68915527T2
Application number: DE68915527T
Authority: DE
Inventors: Michael F Gard
Original assignee: Atlantic Richfield Co
Current assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1988-12-29
Filing date: 1989-12-21
Publication date: 1994-10-20
Anticipated expiration: 2009-12-22
Also published as: DE68915527D1; NO895276D0; NO895276L; EP0379804A3; EP0379804A2; JPH02298852A; NO302634B1; CA2005549C; AU4736489A; AU612533B2; US4906928A; CA2005549A1; HK1005471A1; EP0379804B1; JP2834813B2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die elektromagnetische Impulsphänomene zum Detektieren von Unregelmäßigkeiten auf bzw. an leitenden bzw. leitfähigen Wänden von Behältern, wie etwa Rohren bzw. Pipelines, Speicherkesseln, Druckkesseln und dergleichen, verwenden.

Hintergrund der Erfindung

Es ist entdeckt worden, daß Verfahren, die elektromagnetische Impulsphänomene verwenden, Wandschäden an den leitfähigen Wänden von Rohren bzw. Pipelines und anderen Typen von Behältern detektieren können, die typischerweise, jedoch nicht ausschließlich, auf Korrosion beruhen. Bei dem elektromagnetischen Impulsverfahren (TEM) werden eine Sendeantenne und eine Empfangsantenne in der Nähe einer Rohrwand bzw. Pipelinewand angeordnet. Die Sendeantenne wird mit einem sich abrupt ändernden Strom beaufschlagt, um auf diese Weise einen Strom in der Wand des Rohres bzw. der Leitung zu induzieren. Der induzierte Strom fällt über eine kurze Zeit- Periode ab; der Abfall des induzierten Stromes wird durch die Empfangsantenne und einen Empfänger detektiert. Das TEM- Verfahren ist besonders zur Detektion von Wandfehlern bzw. -mängeln aufgrund von Korrosion an Rohren bzw. Pipelines zweckmäßig, die mit isolierenden Materialien umgeben und in einen schützenden Metallmantel eingehüllt sind. Verfahren nach dem Stand der Technik, wie etwa Ultraschall und Röntgen, haben sich bei der Messung von Korrosion durch Isolations- und Metallummantelungen als ungenau und sehr aufwendig erwiesen. Isolierte Rohrleitungen bzw. Pipelines können nicht wirtschaftlich geprüft werden, wenn die Isolation für die Prüfung bzw. Inspektion entfernt werden muß.
Beim Prüfen der Durchführbarkeit des TEM-Verfahrens zur Detektion von Korrosion wurde die kommerziell verfügbare SIROTEM-Einheit verwendet, die von Geoex Pty. Ltd. aus Adalaide, Australien, hergestellt wird. Die SIROTEM-Einheit ist in dem US-Patent Nr. 4,247,821 von Buselli et al. beschrieben worden. Buselli offenbart einen elektromagnetischen Impulssignal-Transceiver zur Verwendung bei der geophysikalischen Erkundung. Die Vorrichtung weist Merkmale zur Unterdrückung "kultureller" umgebungsbedingter Störungen und atmosphärisch-elektrischer Störungen auf. Menschenverursachte Störungen werden unterdrückt, indem die Datengewinnung zeitabhängig vorgenommen wird und durch die Verwendung eines Tiefpaßfilters, der Signale mit sehr niedrigen Frequenzen (VLF) zurückweist. Atmosphärisch-elektrische Störungen werden unterdrückt, indem die Datengewinnung unterbrochen wird, sobald die atmosphärisch -elektrischen Störungen einen voreingestellten Schwellwert übersteigen.
Die SIROTEM-Einheit ist zur geophysikalischen Erkundung konstruiert worden. Folglich sind viele Merkmale der SIRO- TEM-Einheit sowohl unbefriedigend als auch unzureichend für die Detektion von Korrosion. Dieses trifft besonders bei der Unterdrückung von Rauschen bzw. Störungen zu. Die Messung von Korrosion durch Isolations- und Metallabdeckungen erfordert eine Datengewinnung zu relativ späten Zeitpunkten, wenn es schwierig wird, das Signal von einer Störung bzw. Rauschen zu unterscheiden. Durch die Verringerung oder Unterdrückung der Störung bzw. Rauschens kann die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung erhöht werden. Beim Reduzieren von Störungen muß die Vorrichtung die zeitabhängigen Signale zuverlässig verstärken und verarbeiten, um die Verzerrung der Phase und phasenbezogener Parameter der Signale zu verhindern.
Ein anderer Nachteil der SIROTEM-Einheit ist ihre Unflexibilität bei der Adaption an andere Verfahren. Die SIROTEM- Einheit ist mit einer Übertragungsantenne und einer Empfangssantenne ausgerüstet. Es ist schwierig, die SIROTEM- Einheit für Detektionseinsätze an Behältern, und insbesondere an Rohren bzw. Pipelines, anzupassen. Rohre bzw. Pipelines weisen Symmetrie-Eigenschaften auf, die für Detektionsvorrichtungen mit mehreren Empfangsantennen ausgenutzt werden können.
Deshalb wird eine TEM-Vorrichtung mit verbesserten Störungs- bzw. Rauschunterdrückungseigenschaften und mit einer erhöhten Flexibilität zur Verwendung bei Korrosionsdetektionseinsätzer benötigt.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine TEM- Vorrichtung zur Verwendung bei der Detektion von Unregelmäßigkeiten an elektrisch leitenden Wänden von Behältern bzw. Containern zur Verfügung zu stellen, welche verbesserte Störungsunterdrückungseigenschaften aufweist.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine TEM-Vorrichtung zur Verwendung bei der Detektion von Unregelmäßigkeit an leitenden bzw. leitfähigen Wänden von Containern bzw. Behältern zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Flexibilität bei der Konfiguration des Systems der Vorrichtung für verschiedene Behälter ermöglicht.
Die Erfindung schlägt vor:
Eine elektromagnetische Impulsvorrichtung zur Detektion von Unregelmäßigkeiten an leitenden Wänden von Behältereinrichtungen mit einer Sendeantenne, die angepaßt ist, um in der Nähe einer leitenden Wand der Behältereinrichtung angeordnet zu werden; mit einer Sendeeinrichtung, die an die Sendeantenne angeschlossen ist, wobei die Sendeeinrichtung die Sendeantenne dazu veranlaßt, einen Strom in den Wänden zu induzieren; mit einer Empfangsantenne, die angepaßt ist, um in der Nähe der Wand angeordnet zu werden; und einer Empfängereinheit, die an die Empfangsantenne angeschlossen ist, wobei die Empfängereinheit einen Vorverstärker, einen Tiefpaßfilter und einen Analog/Digital-Wandler aufweist; wobei der Vorverstärker, der Tiefpaßfilter und der Analog/Digital- Wandler in Serie untereinander geschaltet sind und wobei der Analog/Digital-Wandler analoge Signale von dem Vorverstärker und dem Tiefpaßfilter in digitale Signale umsetzt, dadurch gekennzeichnet
a) daß die Empfängereinheit eine Gleichtakt-Rauschunterdrückungseinrichtung mit einer Gleichtakt-Drossel und balancierten Eingangsimpedanzen in den Vorverstärker aufweist, wobei die Drossel in Reihe mit der Empfangsantenne geschaltet ist;
b) daß der Tiefpaßfilter ein Filter vom Bessel-Typ ist;
c) daß die Empfängereinheit ferner einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich aufweist, der mit dem analogen Faktorbereich-Eingang des Analog/Digital-Wandlers verbunden ist, wobei der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich die Rückkopplung von dem digitalen Ausgang des Analog/Digital-Wandlers empfängt, so daß der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich von dem digitalen Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers abhängig ist, wodurch der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich für kleine empfangene Signalpegel eine größere Auflösung zur Verfügung stellt;
d) daß eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der Sender- und Empfängereinheiten durch Steuern der Induktion des Stromes durch die Sendeantenne und Synchronisieren der Funktion der Empfängereinheit vorgesehen ist, um so das Vorhandensein und die Dämpfung bzw. das Abklingen eines Stromes zu detektieren, der durch die Sendeantenne in der Wand der Behältereinrichtung induziert wird.
Folglich enthält die vorliegende Erfindung eine Sendeantenne, eine Sendereinrichtung, die an die Sendeantenne angeschlossen ist, eine Empfangsantenne, eine Empfängereinheit, die an die Empfangsantenne angeschlossen ist, und eine Steuereinrichtung, um die Funktion einer beliebigen Anzahl von Sender- und Empfangseinheiten steuern zu können. Die Sendereinheit stellt einen sich Plötzlich bzw. abrupt ändernden Strom für die Sendeantenne zur Verfügung, um so ein elektromagnetisches Feld um die Sendeantenne aufzubauen.
Die Empfängereinheit enthält Elemente, welche Störungen bzw. Rauschen in dem von der Empfangsantenne erhaltenen Signal unterdrücken. Diese empfangenen Signale stellen den abklingenden Induktionsstrom in einer Wand einer Behältereinrichtung dar, welche auf Unregelmäßigkeiten untersucht wird. Die Empfängereinheit enthält einen Vorverstärker, einen Tiefpaßfilter und einen A/D-Wandler, die in Reihe miteinander verbunden sind. Die Empfängereinheit enthält auch eine Gleichtakt-Entstörungseinrichtung und einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich ist an den analogen Eingang des A/D-Wandlers angeschlossen und empfängt den Rückkopplungswert von dem Ausgang des A/D-Wandlers, so daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkers mit Verstärkungsfaktor-Bereich von dem digitalen Ausgangssignal des A/D-Wandlers abhängig ist. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich sieht für kleine empfangene Signalpegel eine größere Auflösung vor. Der Tiefpaßfilter ist ein Filter vom Bessel-Typ. Die Gleichtakt-Rauschunterdrückungs- bzw. Entstörungseinrichtung enthält eine Gleichtakt-Drossel, die in Reihe mit dem Eingang der Empfangsantenne verbunden ist und balancierte bzw. ausgeglichene Eingangsimpedanzen in dem Vorverstärker.
Bei einem Aspekt der Erfindung ist der Tiefpaßfilter ein erster Tiefpaßfilter, und die Vorrichtung enthält einen zweiten Tiefpaßfilter vom Bessel-Typ, wobei der erste Tiefpaßfilter an den Eingang des Vorverstärkers und der zweite Tiefpaßfilter an den Ausgang des Vorverstärkers angeschlossen sind.
Bei einer anderen Ausführungsform sind die Tiefpaßfilter zumindest Filter dritter Ordnung, um Verfälschungen des digitalisierten empfangenen Signals zu verhindern.
Bei einer weiteren Ausführungsform enthält die Vorrichtung zumindest eine Sendeantenne, zumindest eine Sendereinheit, mehrere Empfangsantennen, die an mehrere Empfangskanäle angeschlossen sind, und mehrere Empfängereinheiten, die die Empfangskanäle aufweisen, um so ein mehrkanaliges verteiltes System auszubilden. Die Vorrichtung stellt Flexibilität beim Auslegen von Konfigurationen zur Verfügung, die an eine Vielzahl von Behältern angepaßt werden und Vorteile aus beliebigen geometrischen Charakteristiken der Behälter ziehen kann.
Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält die Vorrichtung einen Median- bzw. Zentralfilter, um atmosphärisch-elektrische Störungen bzw. Rauschen herauszufiltern.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm der TEM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform.
Fig. 2 ist eine schematische Seitenansicht eines Abschnitts der TEM-Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die ausgebildet ist, um Korrosion entlang eines Abschnitts eines Rohres bzw. einer Pipeline zu detektieren.
Fig. 3 ist ein schematisches Schaltungs-Diagramm einer Empfängereinheit.
Fig. 4 ist eine Kurve, die eine idealisierte Wellenform zeigt, die durch den Sender erzeugt wird.
Fig. 5 ist eine Kurve, die die idealisierte Wellenform eines induzierten Stroms zeigt, der aus der übertragenen Wellenform nach Fig. 4 resultiert, wie er durch eine Empfängereinheit empfangen wird.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

In Fig. 1 wird ein Blockdiagramm einer elektromagnetischen Impulsvorrichtung (TEM) 11 nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, die in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform ist. Die Vorrichtung wird verwendet, um Unregelmäßigkeiten, wie etwa Wandfehler durch Korrosion, an leitfähigen Wänden von Behältern, wie etwa Rohren bzw. Pipelines, Speichertanks bzw. -kesseln, Druckkesseln und dergleichen, zu messen. Die Vorrichtung 11 nach der vorliegenden Erfindung enthält zumindest eine Sendeantenne 13, zumindest eine Sendeeinheit 15, mehrere Empfangsantennen 17, mehrere Empfängereinheiten 19 und einen üblichen Digitalcomputer bzw. -rechner 21. Die Sendeeinheit 15 und die Empfängereinheit 19 sind getrennt voneinander und etwas unabhängig betätigbar, um so ein verteiltes TEM-System zur Detektion von Unregelmäßigkeiten in bzw. an Behälterwänden auszubilden. Eine beliebige Anzahl von Sendeantennen, Sendeeinheiten, Empfangsantennen und Empfängereinheiten kann verwendet werden, wie in Fig. 1 gezeigt wird. Jedoch wird in der bevorzugten Ausführungsform nur eine Sendeantenne und eine Sendeeinheit verwendet. Folglich wird die Vorrichtung in der nachfolgenden Beschreibung als nur eine Sendeantenne und eine Sendeeinrichtung enthaltend beschrieben.
Die Sendeantenne 13 ist eine Spule bzw. Wendel aus einem leitfähigen Draht, der um eine Kerneinrichtung herumgewikkelt ist. Die Kerneinrichtung ist aus einem nicht-magnetischen und nicht-leitfähigen Material, wie etwa Plastik, hergestellt. Die Sendeantennenspule bzw. -wicklung 13 ist aus einem relativ schwer kalibrierten bzw. dicken Draht hergestellt, der einen Strom mit 2 bis 5 Ampere aufnehmen kann. Die Anzahl von Windungen der Sendeantennenspule bzw. -wicklung wird auf einem Minimum gehalten, um die Selbstinduktion der Spule zu minimieren und um eine abrupte Änderung des Stromes, der durch die Spule bzw. Wicklung fließt, zur Verfügung zu stellen.
Die Spule bzw. Wicklung 13 der Sendeantenne ist an die Sendeeinheit 15 angeschlossen. Die Sendeeinheit 15 stellt einen Zug von Impulsen mit alternierender Polarität (siehe Fig. 4) zur Verfügung. Ein bipolarer Betrieb bzw. eine bipolare Betätigung wird durch eine übliche elektronische H-Brücke (nicht dargestellt) zur Verfügung gestellt, wodurch die Spule 13 der Sendeantenne das zentrale Segment der H-Brücke ist. Die Impulse weisen abrupte Anstiegs- und Abfallzeiten in einer Größenordnung von 10 bis 100 Mikrosekunden auf. Die Dauer jedes Impulses und die Dauer der Auszeit bzw. der Pause zwischen Impulsen sind ausreichend lang, so daß der Strom oder dessen Nichtvorhandensein stabilisiert sind, um induzierte Ströme vor den vorlaufenden bzw. Anstiegs- oder nachlaufenden bzw. Abfall-Flanken eines Impulses zu minimieren.
Jede Empfangsantenne 17 ist eine Spule bzw. Wicklung aus leitendem bzw. leitfähigem Draht, der um eine Kerneinrichtung gewickelt ist, welche der Kerneinrichtung der Spule der Sendeantenne ähnlich bzw. gleich ist. Jede Spule einer Empfangsantenne ist um eine individuelle Kerneinrichtung gewickelt, die von der jeweiligen Kerneinrichtung der anderen Spulen bzw. Wicklungen von Empfangsantennen und der Spule der Sendeantenne unterschiedlich ist. Jede der Empfangsantennenspulen ist aus relativ leicht kalibriertem bzw. dünnem Draht hergestellt.
Jede Empfangsantennenspule 17 ist an eine Empfängereinheit 19 angeschlossen. Die Empfängereinheit 19 der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung enthält verschiedene Aspekte, die Störungen verringern. Bei der TEM-Detektion von Unregelmäßigkeiten an Behälterwänden erzeugen die Empfängereinheiten 19 empfangene Signale, welche den Abfall bzw. das Abklingen des induzierten Stromes in der Behälterwand darstellen. Die empfangenen Signale fallen über eine Zeitdauer ab, bis die Signale von den Störungen bzw. Rauschen nicht mehr unterscheidbar sind. Die Abschnitte der empfangenen Signale, welche bei der TEM-Detektion von Interesse sind, sind die Zwischen- und Spätzeitabschnitte, welche auftreten, wenn sich die Signalpegel an die Störungen annähern. Die Spätzeitabschnitte sind insbesondere von Interesse, wenn die Behälterwand mit einer Isolations- und Metallverkleidung beschichtet ist. Wenn die Störungen bzw. das tauschen reduziert werden, können die empfangenen Signale über eine größere Zeitdauer geprüft werden, wodurch mehr Informationen über die Behälterwand zur Verfügung gestellt werden.
Die Fig. 3 zeigt ein schematisches Schaltdiagramm der Elektronik in einer Empfängereinheit 19, wie sie an eine Empfangsantenne 17 angeschlossen ist. Jede Empfängereinheit enthält eine Gleichtakt-Drossel 23, einen ersten Tiefpaßfilter 25, einen Vorverstärker 27, einen zweiten Tiefpaßfilter 29, einen Verstärker 31 mit Verstärkungsfaktor-Bereich, einen Analog/Digital-(A/D)-Wandler 33, eine Steuerlogik 35 und einen Speicher 37.
Die Empfängereinheit hat abgeschirmte Eingangsleitungen 39, die an die jeweiligen Empfangsantennenspulen 17 angeschlossen sind. Die Eingangsleiter bzw. -leitungen 39 sind an die Gleichtakt-Drossel 23 angeschlossen, welche die Gleichtaktstörung bzw. -störungen, wie etwa Netzstörungen bzw. -rauschen und atmosphärische Störungen bzw. Rauschen, reduziert. Die Drossel 23 ist an den Eingang des ersten Tiefpaßfilters 25 angeschlossen.
Der erste Tiefpaßfilter 25 dämpft VLF-Sendesignale mit sehr niedriger Frequenz. Die ersten und zweiten Tiefpaßfilter 25, 29 dienen als gegen Verfälschungen wirkende Filter. Der erste und der zweite Tiefpaßfilter 25, 29 sind Bessel-Typ- Filter. TEM ist eine zeitabhängige Technik im Gegensatz zu einer frequenzabhängigen Technik. Deshalb sollte die Elektronik der Empfängereinheit die durch die Empfangsantennenspule empfangenen Signale so verstärken und verarbeiten, daß die Zeitcharakteristiken der Signale und insbesondere die Phase und phasenbezogenen Parameter entweder unverändert oder unbeeinträchtigt auf vorhersagbaren oder kompensierbaren Wegen sind. Bessel-Filter sind sehr für zeitabhängige Anwendungen geeignet, weil sie genaue Zeitabhängigkeit bzw. Zeitansprechverhalten aufweisen. Bessel-Filter haben eine kleine oder keine Verzerrung hinsichtlich der Phase oder phasenbezogener Parameter der empfangenen Signale. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und zweiten Tiefpaß-Bessel-Filter 25, 29 passiv und Filter fünfter Ordnung. Der erste Tiefpaßfilter 25 ist ein ausbalancierter bzw. ausgeglichener (Differential-)Filter. Die höhere Ordnung, welche einen starken Anstieg in der Dämpfung nach dem 3db Durchgangspunkt zur Verfügung stellt, verhindert die Verfälschung des empfangenen Signals. Tiefpaßfilter niedriger Ordnung, z.B. Filter dritter Ordnung, können verwendet werden, wenn weniger steile Dämpfungen akzeptabel werden. Eine Verfälschung tritt während der Digitalisierung der empfangenen Signale auf, wenn hochfrequente Abschnitte der empfangenen Signale in die niederfrequenten Abschnitte übergehen. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Abtastrate 20 KHz; folglich beträgt die Nyquist-Frequenz 10 KHz; der erste Tiefpaßfilter weist seinen -3db-Knickpunkt bei 4 KHz auf, und bei 10 KHz beträgt die Response -25db; der zweite Tiefpaßfilter weist seinen -3db-Knickpunkt bei 2,5 KHz auf und die Response bei 10 KHz beträgt -40db.
Der Ausgang des ersten Tiefpaßfilters 25 wird an den Eingang des Vorverstärkers 27 angeschlossen. Ein primärer Zweck des Vorverstärkers 27 ist es, irgendwelche Gleichtaktstörungen bzw. Gleichtaktrauschen zu reduzieren, die bzw. das durch die Drossel 23 gehen und noch in dem empfangenen Signal vorhanden sind. Der Vorverstärker 27 minimiert Gleichtaktstörungen durch ausgleichende Eingangsimpedanzen 41. Wegen der Notwendigkeit, Gleichtaktstörungen bzw. -rauschen in dem Vorverstärker zu reduzieren, kann die Verstärkung des Vorverstärkers relativ gering sein.
Der Ausgang des Vorverstärkers 27 ist an den Eingang des zweiten Tiefpaßfilters 29 angeschlossen, welcher hier oben beschrieben worden ist. Der Ausgang des zweiten Tiefpaßfilters 29 wird an den Eingang des Verstärkers 31 mit Verstärkungsfaktor-Bereich angeschlossen. Der Ausgang des Verstärkers mit Verstärkungsfaktor-Bereich ist an den analogen Eingang des A/D-Wandlers 33 angeschlossen.
Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich empfängt über die Steuerlogik 35 ein Rückkopplungssignal von dem digitalen Ausgang des A/D-Wandlers, wie hierin nachfolgend im einzelnen erörtert wird. Der Verstärker 31 mit Verstärkungsfaktor Bereich ist ein variabler Verstärker mit Verstärkungsfaktor Bereich, dessen Verstärkung abhängig ist von dem Signalpegel des digitalisierten empfangenen Signals, das durch den A/D- Wandler erzeugt wird. Der Verstärker mit Verstärkungsfaktor Bereich 31 vergrößert den effektiven dynamischen Wertebereich des A/D-Wandlers 33, insbesondere für sehr kleine Signalpegel. Ohne einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor- Bereich erscheinen sehr kleine Signale, welche bei TEM-Detektionsverfahren von Interesse sind, an dem unteren Ende der Eingangsskala des A/D-Wandlers mit einer kleinen oder keinen Auflösung zwischen den Signalen selbst zusammengedrängt und einer kleinen oder keiner Auflösung zwischen den Signalen und den Störungen bzw. dem Rauschen. Dies geschieht, weil der A/D-Wandler Eingangssignale zu einer spezifischen Anzahl von Bits über eine feste Eingangsskala (typischerweise 0-10 Volt) digitalisiert. Wenn ein kleines oder sehr kleines Signal detektiert wird, wird die Verstärkung in dem Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich erhöht, wodurch die Signale veranlaßt werden, über die Eingangsskala des A/D-Wandlers hinauszuschießen. Die Auflösung zwischen kleinen Signalen wird folglich erhöht.
Der Ausgang des A/D-Wandlers 33 wird an den Eingang der Steuerlogik 35 angeschlossen. Die Steuerlogik 35 erzeugt ein Verstärkungskode-Ausgangssignal 40A für den Verstärker mit Vestärkungsfaktor-Bereich 31, welches die Verstärkung des Verstärkers mit Verstärkungsfaktor-Bereich einstellt; ein Konvertierungskode-Ausgangssignal 40B für den A/D-Wandler 33, welches den A/D-Wandler dazu veranlaßt, eine Wandlung zu beginnen; und ein anderes Verstärkungskode-Ausgangssignal 40C für den Vorverstärker 27, welches die Verstärkung des Vorverstärkers einstellt. Die Verstärkung des Vorverstärkers wird üblicherweise durch die Bedienungsperson vorgegeben und ist für die Dauer der Messungen unverändert. Die Verstärkung des Verstärkers mit Verstärkungsfaktor-Bereich wird unverzüglich während einer Einzelmessung durch die Steuerlogik gesteuert. Die Steuerlogik vergleicht das digitale Signal von dem A/D-Wandler mit einem Referenzfenster, welches bei der bevorzugten Ausführungsform 20-80% der gesamten Skala des Ausgangsignals des A/D-Wandlers beträgt. Wenn herausgefunden wird, daß das digitale Signal außerhalb dieses Fensters liegt, dann instruiert die Steuerlogik den Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich, die Verstärkung entsprechend zu ändern. Die Verstärkungskodes werden Teil der Daten zur Verwendung bei der nachfolgenden Verarbeitung. Die Steuerlogik steuert die Betätigung bzw. den Betrieb der Empfängereinheit auf Kommando des Computers. Der Computer kann folglich einzelne Funktionen bzw. Operationen einer Empfängereinheit zu anderen Funktionen bzw. Operationen, wie etwa dem Betrieb der Sendeeinheit und dem Betrieb anderer Empfängereinheiten synchronisieren. Der Speicher 37 in jeder Empfängereinheit 19 dient zur Speicherung von Instruktionssätzen für die Steuerlogik und zur Speicherung der digitalisierten Empfangssignale. Die Größe des Speichers hängt davon ab, wie oft die Daten in den Computer hineingeladen werden. Umso weniger häufig die Daten in den Computer hineingeladen werden, umso größer muß der Speicher 37 sein.
Die Steuerlogik 35 und der Speicher 37 in der Empfängereinheit 19 sind über das Steuer- und Datenübertragungssystem 43 an den Computer 21 angeschlossen. Die Sendeeinheit 15 wird ebenfalls über eine separate Steuerleitung 45 (siehe Fig. 1) an den Computer 21 angeschlossen (siehe Fig. 1). Der Computer 21 weist eine Interface-Einrichtung auf, wie etwa ein Tastenfeld oder einen Monitor, um es einer Bedienungsperson person zu ermöglichen, die Vorrichtung interaktiv zu steuern. Die Bedienungsperson kann z.B. die Verstärkung des Vorverstärkers 27 in jeder Empfängereinheit 19 einstellen, indem sie den Computer so instruiert. Der Computer 21 instruiert dann die Steuerlogik 35, welche den zutreffenden Verstärkungskode für den Vorverstärker 27 erzeugt. Der Computer 21 sieht auch die Synchronisation der Betätigung zwischen der Sende- und der Empfängereinheit 15, 19 vor, ungeachtet der verwendeten Anzahl der Sende- und Empfängereinheiten. Der Computer sorgt auch für die Verarbeitung der empfangenen Signale und die Wiedergabe bzw. Darstellung der verarbeiteten Signale.
Jede Empfängereinheit 19 ist zumindest an eine Empfangsantennenspule bzw. -wendel 17 angeschlossen. Mehrere Empfangsantennen 17 können an eine einzelne Empfängereinheit 19 angeschlossen sein. Der Anschluß zwischen den Empfangsantennenspulen und den jeweiligen Empfängereinheiten wird mittels kurzer, verdrillter, abgeschirmter Paare von Drähten 39 hergestellt, um die aufgefangenen Störungen bzw. das aufgefangene Rauschen (noise pick up) zu minimieren. In Fig. 2 sind eine Sendeeinheit 15 mit ihrer verbundenen Sendeantennenspule 13 und eine Empfängereinheit 1 mit ihrer verbundenen Empfangsantennenspule 17 gezeigt. Die jeweiligen Elektroniken der Sende- und Empfängereinheiten sind in zugehörigen Gehäusen 46, 47 enthalten. Jede Einrichtung enthält zusätzlich einen Batterieblock zu Zwecken der Energiezufuhr. Die Sendeantennenspule 13 und die Empfangsantennenspule 17 sind unter den jeweiligen Gehäusen 46, 47 angeordnet. Folglich kann die Leitungsverbindung 39 zwischen der Empfangsantennenspule 17 und der Elektronik der Empfängereinheit sehr kurz gemacht werden. Die Empfängereinheiten 19 können relativ weit von dem Computer entfernt angeordnet werden. Die Empfängereinheiten erzeugen an den Datenübertragungsanlagen 43 große digitale Signale für den Computer, welche relativ störungs- bzw. rauschunempfindlich sind.
Die Einstellung und Funktion der Vorrichtung 11 gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf ein Rohr bzw. eine Pipeline 49 beschrieben. In der Fig. 2 sind eine Sendeeinheit 15 und eine Empfängereinheit 19 mit den jeweiligen Antennenspulen 13, 17 an bzw. auf dem Rohr bzw. der Pipeline 49 in der Nähe der Rohrwand bzw. Pipeline-Wand 51 angeordnet. Die Einheiten werden mittels zweckmäßiger Einrichtungen an bzw. auf der Pipeline gehalten, wie etwa Sandsäcken 53, die von den Seiten jeder Einrichtung her abhängen. Die Senderantennenspule 13 und die Empfangsantennenspule 17 bilden eine Schleifen-Schleifen-Konfiguration, in der die jeweiligen Spulen auf separate Kerneinrichtungen gewickelt sind, die über eine gewisse Entfernung voneinander getrennt sind. Mehrere Empfängereinheiten mit mehreren Empfangsantennenspulen können an bzw. auf der Pipeline bzw. dem Rohr angeordnet sein, um so ein mehrkanaliges verteiltes System auszubilden. Zum Beispiel könnten die Empfängereinheiten in Längsrichtung der Pipeline bzw. des Rohrs an jeder Seite der Sendeeinrichtung angeordnet werden. Um die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung zu betreiben, stellt die Sendeeinheit 15 einen Impulszug mit alternierender bzw. abwechselnder Polarität (siehe Fig. 4) für die Sendeantennenspule 13 zur Verfügung, um so ein elektromagnetisches Feld um die Spule herum einzurichten und in der Rohr- bzw. Leitungswand 51 einen Strom zu induzieren. Jeder Impuls weist eine Aufstiegsflanke E, sobald das elektromagnetische Feld in der Rohr- bzw. Leitungswand 51 aufgebaut wird, und eine abfallende bzw. Endflanke C auf, sobald der das elektromagnetische Feld in der Rohr- bzw. Leitungswand in sich zusammenfällt. Der Computer 21 synchronisiert die Funktionen der Empfängereinheit 19, so daß, wenn sich der Strom in der Sendrantennenspule abrupt zu ändern beginnt, die Empfängereinheit den in der Rohrwand bzw. der Leitungswand induzierten Strom zu messen beginnt. Der induzierte Strom erzeugt in jeder Empfangsantennenspule 17 ein empfangenes Signal. Das empfangene Signal (siehe Fig. 5) wird durch die Filter und die Verstärker verarbeitet, digitalisiert und in dem Speicher der jeweiligen Empfängereinheit gespeichert. Das empfangene Signal wird dann in den Computer zur weiteren Verarbeitung und zur Darstellung bzw. Wiedergabe hineingeladen.
Jede Empfängereinheit kann mit einem Signalmittler 55 ausgestattet sein. Der Signalmittler 55 stapelt eine Anzahl von empfangenen Signalen, die mit der Empfangsantennenspule erhalten worden sind, an der gleichen Position, indem das Mittel bzw. der Mittelwert der empfangenen Signale genommen wird. Das Stapeln kann durch jede Empfängereinheit 19, um die Datenübertragung zu minimieren, oder durch den Computer 21 durchgeführt werden.
Der Computer 21 kann zusätzlich die Verarbeitung der empfangenen Signale durchführen. Ein Typ der Verarbeitung, den der Computer durchführen kann, ist es, die empfangenen Signale durch einen Medianfilter 57 zu schicken, um Störimpulse bzw. Rauschimpulse zu entfernen, die durch atmosphärisch-elektrische Störungen erzeugt werden. Wenn ein empfangenes Signal digitalisiert wird, wird aus ihm eine zeitliche Folge von digitalisierten Werten. Der Medianfilter 57 tastet die zeitliche Reihe eines empfangenen Signals mit einem Fenster bzw. Meßfenster fester Länge ab. Das Fenster enthält eine konstante Anzahl von digitalen Zeitabtastungen aus der zeitlichen Serie bzw. Reihe. Für jedes Fenster nimmt der Medianfilter einen medianen Wert der digitalen zeitlichen Abtastungen, die in dem Fenster vorhanden sind. Dann wird das Fenster um eine digitale zeitliche Abtastung verschoben, und der Medianwert der digitalen zeitlichen Abtastungen, die in dem Fenster vorhanden sind, wird bestimmt. Das Fenster wird entlang der Länge der Zeitreihe bzw. -serie verschoben, wobei Medianwerte des Inhalts des Fensters entlang des Weges genommen werden. Eine erste neue Zeitreihe bzw. -serie wird aus den Medianwerten erzeugt. Der Medianfilter verarbeitet die empfangenen Signale iterativ, bis die verarbeiteten, empfangenen Signale konvergieren. Die Iteration tritt auf, indem der Medianfilter die erste neue Zeitreihe bzw. -serie abtastet, die Medianwerte bzw. zentralen Werte der abgetasteten ersten neuen Zeitreihe bestimmt und eine zweite neue Zeitserie bzw. Zeitreihe aus den neuen Medianwerten bzw. Mittel- oder Zentralwerten erzeugt. Die zweite neue Zeitreihe wird durch den Medianfilter zurückgegeben, um eine dritte neue Zeitserie bzw. -reihe zu erzeugen usw., bis Konvergenz eintritt, in der es nur noch eine geringe Änderung zwischen aufeinanderfolgenden neuen Zeitserien bzw. -reihen gibt. Die Anzahl der Iteriationen hängt von der Breite des Fensters ab. Je breiter das benutzte Fenster (je mehr Zeitabtastungen in dem Fenster), umso mehr Iterationen sind notwendig, um die Konvergenz zu erhalten. Die mediane Filterung kann durch Software in dem Computer realisiert werden.
Mit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine beliebige Anzahl von Empfangsantennenspulen und Sendeantennenspulen verwendet werden. Wenn mehrere Empfangsantennenspulen verwendet werden, bildet die Vorrichtung ein vielkanaliges, verteiltes System, das eine bemerkenswerte Flexibilität beim Anpassen der Vorrichtung an eine Vielzahl von Behältern ermöglicht. Die Flexibilität bei der Konfiguration der Vorrichtung ist insbesondere nützlich, wenn der Zugriff auf den Behälter eingeschränkt ist oder wo der Behälter bzw. Container eine geometrische Konfiguration aufweist, die die erhaltenen Informationen beeinflussen würde. Zum Beispiel könnten, indem Empfangsantennenspulen an jeder Seite der Sendeantennenspule an einer Pipeline bzw. an einem Rohr vorgesehen werden, Quotientenmessungen bzw. Verhältnismessungen erhalten werden. Andere Konfigurationen können Vorteile aus irgendwelchen Krümmungen bzw. Knien, Ventilen und Flanschen ziehen, die an Rohren bzw. Pipelines zu finden sind. Die Vorrichtung kann auf vielen Wegen konfiguriert werden, wozu die Anzahl, Größe und der Typ der Empfangsantennenspulen, die Anzahl der Empfängereinheiten, die Anzahl, Größe und der Typ der Sendeantennenspulen sowie die Anzahl der Sendeeinrichtungen gehören. Durch Hinzufügen von Empfängerkanälen könnte eine Empfängereinheit zwei oder mehr Empfangsantennenspulen zur gleichen Zeit bedienen. Auch können Empfangsantennenspulen vertauschbar hergestellt werden, so daß verschiedene Typen und Größen von Spulen von jeder der Empfängereinheiten verwendet werden können.
Die Vorrichtung bietet logistische Vorteile gegenüber den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik. Dieses trifft insbesondere zu, wenn relativ unzugängliche Rohre bzw. Pipelines, wie sie beispielsweise in einer Raffinerie zu finden sind, überwacht werden. Die Antennen und Einrichtungen können physikalisch bzw. körperlich klein hergestellt werden, um in kleine Räume zwischen Rohrleitungen bzw. Pipelines zu passen. Mit der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung verwendet eine Bedienungsperson viele Sende- und Empfangsantennen, so daß sie die Anzahl der Anfahrten bzw. Fußmärsche zu den Rohren bzw. Pipelines, um die Anlage einzustellen, minimieren kann. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung die Datengewinnung sowohl auf der Anstiegs- bzw. anfänglichen Flanke als auch der abfallenden bzw. Endflanke der Sendeimpulse, wodurch die Geschwindigkeit der Datengewinnung gegenüber Vorrichtungen nach dem Stand der Technik, die nur die End- bzw. Abfallsflanke verwenden, verdoppelt wird.
Die vorstehende Offenbarung und die Darstellungen, die in den Figuren gemacht sind, sind für die Prinzipien dieser Erfindung lediglich illustrativ und sind nicht in einem einschränkenden Sinne zu interpretieren.

Claims

1. Elektromagnetische Impulsvorrichtung zur Detektion von Unregelmäßigkeiten an leitenden Wänden (51) von Behältereinrichtungen mit einer Sendeantenne (13), die angepaßt ist, um in der Nähe einer leitenden Wand der Behältereinrichtung angeordnet zu werden; mit einer Sendereinrichtung (15), die an die Sendeantenne angeschlossen ist, wobei die Sendeeinheit die Sendeantenne dazu veranlaßt, einen Strom in die Wände zu induzieren; mit einer Empfangsantenne (17), die angepaßt ist, um in der Nähe der Wand angeordnet zu werden; einer Empfängereinheit (19), die an die Empfangsantenne angeschlossen ist, wobei die Empfängereinheit einen Vorverstärker (27), einen Tiefpaßfilter (25) und einen Analog/Digital-Wandler (33) aufweist; wobei der Vorverstärker, der Tiefpaßfilter und der Analog/Digital-Wandler in Serie untereinander verbunden sind, und der Analog/Digital-Wandler analoge Signale von dem Vorverstärker und dem Tiefpaßfilter in digitale Signale umsetzt; gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Empfängereinheit weist eine Gleichtakt-Rauschunterdrückungseinrichtung mit einer Gleichtakt-Drossel (23) und balancierte bzw. ausgeglichene Eingangsimpedanzen in den Vorverstärker auf, wobei die Drossel in Reihe mit der Empfangsantenne geschaltet ist;

b) der Tiefpaßfilter ist ein Filter vom Bessel-Typ;

c) die Empfängereinheit weist ferner einen Verstärker (31) mit Verstärkungsfaktorbereich auf, der mit dem analogen Eingang des Analog/Digital-Wandlers verbunden ist, wobei der Verstärker mit Verstärkungsfaktorbereich die Rückkopplung von dem digitalen Ausgang des Analog/Digital-Wandlers empfängt, so daß der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich von dem digitalen Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers abhängig ist, wobei der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich für kleine empfangene Signalpegel eine größere Auflösung zur Verfügung stellt;

d) eine Steuereinrichtung (21) zum Steuern des Betriebs der Sender- und Empfängereinheiten durch Steuern der Induktion des Stromes durch die Sendeantenne und Synchronisieren des Betriebs der Empfängereinheit, um so das Vorhandensein und die Dämpfung bzw. das Abklingen eines Stromes festzustellen, der durch die Sendeantenne in der Wand der Behältereinrichtung induziert wird.

2. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach Anspruch 1, worin die Empfängereinheit (19) und die Sendeeinheit (15) voneinander getrennt sind, um so ein verteiltes bzw. verzweigtes System zu bilden, das durch die Steuereinrichtung (21) gesteuert wird, wobei die Empfängereinheit an die Empfangsantenne (17) durch Leiter (39) mit Längen angeschlossen ist, die so kurz sind, daß der Betrag des elektromagnetischen Umgebungsrauschens, das von den Leitern aufgenommen wird, wesentlich reduziert ist.

3. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach Anspruch 1, in welcher vorgesehen sind:

a) mehrere Empfangsantennen (17), die angepaßt sind, um in der Umgebung bzw. Nähe der Wand angeordnet zu werden, wobei sämtliche Empfangsantennen an separaten Stellen entlang der Wand angeordnet werden können;

b) mehrere Empfängerkanäle, wobei jeder Empfängerkanal an eine jeweilige Empfangsantenne durch Leiter (39) mit Längen angeschlossen ist, welche so kurz sind, daß der Betrag der elektromagnetischen Rausch- bzw. Störsignale, die durch die Leiter aufgenommen werden, wesentlich reduziert ist, wobei jeder der Empfängerkanäle einen Vorverstärker (27), einen Tiefpaßfilter (25) vom Bessel-Typ, einen seriell geschalteten Analog/Digital- Wandler (37), wobei der Analog/Digital-Wandler analoge Signale von dem Vorverstärker und dem Tiefpaßfilter in digitale Signale konvertiert, und eine Gleichtakt-Rauschenunterdrückungseinrichtung mit einer Gleichtaktdrossel (23) und symmetrische bzw. abgeglichene Eingangsimpedanzen in dem jeweiligen Vorverstärker aufweist, wobei die Drossel seriell mit der jeweiligen Empfangsantenne verbunden ist;

c) die Empfängerkanäle sind in der Empfängereinheit (19) angeordnet, wobei die Empfängereinheit und die Sendeeinheit (15) voneinander getrennt sind, um so ein verteiltes System zu bilden.

4. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach Anspruch 3, worin jeder der Empfängerkanäle ferner einen Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich (31) aufweist, der an den analogen Eingang des jeweiligen Analog/Digital-Wandlers (33) angeschlossen ist, wobei jeder der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich eine Rückkopplung von dem digitalen Ausgang des jeweiligen Analog/Digital-Wandlers empfängt, so daß der Verstärkungsfaktor des Verstärkungsfaktor-Bereich- Verstärkers von dem digitalen Ausgangssignal des jeweiligen Analog/Digital-Wandlers abhängig ist, wobei der Verstärker mit Verstärkungsfaktor-Bereich für kleine empfangene Signalpegel eine größere Auflösung zur Verfügung stellt.

5. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der oder jeder Tiefpaß-Bessel- Filter ein erster Tiefpaßfilter (25) ist, und der oder jeder erste Tiefpaßfilter an den Eingang des zugehörigen Vorverstärkers (27) angeschlossen ist, und ein zugehöriger zweiter Tiefpaß-Bessel-Filter (29) an den Ausgang des Vorverstärkers angeschlossen ist, wobei der zweite Tiefpaßfilter eine Grenz- bzw. Trennfreguenz hat, welche niedriger ist als die Grenz bzw. Trennfrequenz des ersten Tiefpaßfilters.

6. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach Anspruch 5, worin der oder jeder der ersten und zweiten Tiefpaßfilter zumindest ein Filter dritter Ordnung ist bzw. sind, um Verfälschungen ("aliasing) zu verhindern.

7. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Steuereinrichtung einen Digitalcomputer (120) bzw. Digitalrechner aufweist.

8. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin der Computer bzw. Rechner einen Zentralwert- bzw. Medianwertfilter (57) aufweist, um atmosphärisch-elektrische Störungen bzw. Rauschen herauszufiltern.

9. Elektromagnetische Impulsvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, worin die Steuereinrichtung (35) die Funktion der Empfängereinheit so synchronisiert, daß das Vorhandensein und die Abnahme der von in der Wand der Behältereinrichtung induzierten Ströme durch abrupte Erregung der Sendeantenne und durch abrupte Entregung der Sendeantenne feststellen kann.