KR102417558B1 - 멀티모드 음향 신호들을 이용한 금속 구조물들에서의 변화들의 검출 및 모니터링 - Google Patents

멀티모드 음향 신호들을 이용한 금속 구조물들에서의 변화들의 검출 및 모니터링 Download PDF

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알프 티. 핀디코글루
디펜 엔. 시나
다니엘 알. 차프만
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트리아드 내셔널 시큐리티, 엘엘씨
셰브런 유.에스.에이.인크.
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Abstract

멀티모드 음향 신호 전파 및 검출을 이용하여, 기계적 구조물에서의, 및 파이프(18), 베셀 및 저장 탱크의 벽에서의 변화를 검출 및 모니터링하기 위한 방법이 설명된다. 조사중인 구조물에서 복수의 모드를 여기시키는 선택된 진폭-시간-주파수 특성을 갖는 음향 신호(16)가, 파이프의 끝부분 및 베셀 및 저장 탱크의 상단 및 하단 등의 소수의 접근가능한 위치들에서 생성되어 수신되고(20), 검사 영역은 전송 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서 사이이다. 작은 기계적 변화는, 수신된 신호 강도의 변화로서 검출될 수 있는 다양한 모드들 중의 음향 산란 및 감쇠로 이어진다. 이러한 변화에는, 재료 손실, 재료 전환, 및 재료 추가가 포함될 수 있다. 일단 구조물이 알려진 조건에서 특성규정되고 나면, 본 방법은 변화가 발생했는지를 결정하기 위해 나중에 구조를 모니터링하는데 이용될 수 있다. 효과적인 온도 보상을 위한 방법도 역시 설명된다. 또한, 엘보우, 플랜지 등을 포함한, 다양한 파이프 지오메트리 및 복잡한 파이프 지오메트리가 모니터링될 수 있다.

Description

멀티모드 음향 신호들을 이용한 금속 구조물들에서의 변화들의 검출 및 모니터링
관련 출원의 상호참조
본 출원은, 참조로 그 개시되고 교시된 내용 모두가 본 명세서에 포함되는, 2015년 8월 12일 출원된 발명의 명칭이 "Detection And Monitoring Of Changes In Metallic Structures Using Multimode Acoustic Signals"인, 미국 가출원 제62/204,222호의 우선권을 주장한다.
연방의 권리에 관한 진술
본 발명은 미국 에너지 국(Department of Energy)에 의해 수여된 계약 번호 DE-AC52-06NA25396에 따른 정부의 지원으로 이루어진 것이다. 정부는 본 발명에서 소정의 권한을 가진다.
발명의 분야
본 발명은 대체로 기계적 구조물, 파이프, 베셀, 및 저장 용기에서의 변화의 검출 및 모니터링에 관한 것으로, 더 구체적으로는, 기계적 구조물에서의, 및 파이프, 베셀 및 저장 용기의 벽에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 멀티모드 음향 신호 전파 및 신호 검출의 이용에 관한 것이다.
예로서, 절연재 아래 또는 페인트 아래 등의 접근하기 어려운 환경의 기계적 구조물에서의, 및 파이프, 베셀 및 저장 탱크의 벽에서의, 피팅(pitting), 균열(cracking) 및 파쇄(fracture)에 기인한 재료 손실, 부식 및/또는 침식으로부터의 재료 전환, 및 재료 이동 및 축적으로부터 재료 추가, 및 재료 흡수의 검출 및 모니터링은, 액체나 가스 저장 및 흐름을 수반하는 많은 산업에서 중요하다.
현재, 절연재 아래의 부식의 검출은 절연재를 제거함으로써 시각적 검사에 의해 가장 효과적으로 이루어지지만, 시간 소모적이고 비용이 비싸다. 다른 검출 방법은, 방사선 촬영, 와전류 기술, x-선, 원격 TV 모니터링, 전자기 디바이스, 국소 음향 조사, 및 음향 트랜스듀서 어레이를 이용한 장거리 음향 조사를 포함한다. 이들 방법들은, 제공된 정보가 너무 제한적인 범위여서 실용적인 가치가 없기 때문에, 또는 관련된 장치가 구현하기에 너무 번거롭거나 비용이 많이 들기 때문에 널리 이용되지는 않는다.
본 발명의 실시예는, 필요한 경우 온도 보상을 이용하여, 시간 경과에 따른, 기계적 구조물, 파이프, 베셀 및 저장 용기에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법을 제공함으로써, 종래 기술의 단점 및 한계를 극복하는 것을 포함하지만, 이것으로 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 추가의 목적들, 이점들, 및 신규한 피쳐들은 부분적으로는 이하의 설명에서 개시되고, 부분적으로는 이하의 설명의 검토시에 본 기술분야의 통상의 기술자에게 명백하게 되거나, 본 발명의 실시에 의해 학습될 수 있다. 본 발명의 목적들 및 이점들은 첨부된 청구범위에서 특별히 지적된 수단들 및 조합들에 의해 실현되고 달성될 수 있다.
상기 목적 및 다른 목적들을 달성하기 위해, 본 명세서에 구체화되고 광범위하게 설명되는 바와 같은, 본 발명의 실시예의 목적에 따라, 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법은 : 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계; 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계; 선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호(chirp signal)들을 생성하는 단계; 상기 처프 신호를 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계; 상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ; 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 베이스라인 및 모니터링 신호들의 단시간 푸리에 변환을 수행하는 단계; 상기 정규화된 모니터링 신호와 정규화된 베이스라인 신호 사이의 차이를 취함으로써, 2차원 윤곽선 맵을 형성하는 단계; 적어도 하나의 산란 이벤트를 나타내는 상기 윤곽선 맵 내의 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍(frequency-time mode pair)을 식별하는 단계 ―상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 한 피쳐는 최대 양의 값을 갖고, 상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 대응하는 피쳐는 최대 음의 값을 가짐―; 및 상기 최대 양의 값과 상기 최대 음의 값 사이의 진폭 차이를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 또 다른 양태에서 및 그들의 목적 및 의도에 따라, 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법은 : 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계; 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계; 선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호(chirp signal)들을 생성하는 단계; 상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계; 상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ; 상기 모니터링 신호와 상기 베이스라인 신호 사이의 차이를 취하여, 차이 신호를 형성하는 단계; 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 차이 신호의 단시간 푸리에 변환을 수행함으로써, 시간 및 주파수에서의 2차원 어레이를 형성하는 단계; 각각의 주파수에 대해 시간축을 따라 상기 단시간 푸리에 변환 어레이의 표준 편차를 계산하는 단계; 및 상기 표준 편차들을 주파수의 함수로서 합산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 역시 또 다른 양태에서 및 그들의 목적 및 의도에 따라, 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법은 : 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계; 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계; 선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호(chirp signal)들을 생성하는 단계; 상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계; 상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ; 비교 신호로서 상기 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계; 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 베이스라인 및 온도-보상된 모니터링 신호들의 단시간 푸리에 변환들을 수행하는 단계; 상기 정규화된 모니터링 신호와 정규화된 베이스라인 신호 사이의 차이를 취함으로써, 2차원 윤곽선 맵을 형성하는 단계; 적어도 하나의 산란 이벤트를 나타내는 상기 윤곽선 맵 내의 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍(frequency-time mode pair)을 식별하는 단계 ―상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 한 피쳐는 최대 양의 값을 갖고, 상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 대응하는 피쳐는 최대 음의 값을 가짐―; 및 상기 최대 양의 값과 상기 최대 음의 값 사이의 진폭 차이를 계산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 역시 또 다른 양태에서 및 그들의 목적 및 의도에 따라, 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법은 : 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계; 상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계; 선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호(chirp signal)들을 생성하는 단계; 상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계; 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계; 상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ; 비교 신호로서 상기 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계; 상기 온도-보상된 모니터링 신호와 상기 베이스라인 신호 사이의 차이를 취하여, 차이 신호를 형성하는 단계; 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 차이 신호의 단시간 푸리에 변환을 수행함으로써, 시간 및 주파수에서의 2차원 어레이를 형성하는 단계; 각각의 주파수에 대해 시간축을 따라 상기 단시간 푸리에 변환 어레이의 표준 편차를 계산하는 단계; 및 상기 표준 편차들을 주파수의 함수로서 합산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 혜택 및 이점들은, 기계적 구조물, 파이프, 베셀, 및 저장 용기에서의 시간 경과에 따른 재료 손실, 재료 전환, 및 재료 추가를 포함한, 변화의 검출 및 모니터링을 위한 방법을 제공하는 것을 포함하지만 이것으로 제한되는 것은 아니다. 또한, 엘보우(elbow), 플랜지(flange) 등을 포함한, 다양한 파이프 지오메트리 및 복잡한 파이프 지오메트리가 모니터링될 수 있다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 형성하는 첨부된 도면들은 본 발명의 실시예를 나타내며, 상세한 설명과 함께, 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 도면들에서:
도 1a는 선형 파이프 섹션을 도시하는 본 발명의 방법의 실시예를 실시하기에 적합한 기본 장치의 실시예의 개략도인 반면, 도 1b는 본 장치가 이용될 수 있는 더 복잡한 파이프 구성의 개략도이다.
도 2는 10-in 직경 및 1/2-in 벽 두께를 갖는 빈 부식된 파이프를 따라 선형 처프가 20-ft 전송된 이후의 수신 신호를 도시한다.
도 3은, 도 2에서 기술된, 그러나, 파이프 벽에 12개의 작은 자석을 부착함으로써 파이프 벽에서 약 3%의 국소적 체적 변화를 생성함으로써 섭동된(perturbed), 빈 부식된 파이프를 따라 선형 처프 신호가 20-ft 전송된 이후 동일한 수신 신호를 도시한다.
도 4a 내지 도 4c는, 각각 2, 4, 및 12개의 부착된 자석에 대해, 도 2 및 도 3에 도시된 제1 (베이스라인) 및 제2 (섭동된) 신호 강도들 사이의 차이를 취함으로써 계산된 정규화된-차이 단시간-푸리에-변환(ND-STFT) 신호의 그래프들이다.
도 5는, 부착된 자석의 함수로서, ND-STFT 맵에서의 최대 높이와 최소 깊이의 차이의 그래프이다.
도 6은, 20-ft 길이, 2-3/4-in 직경, 및 1/4-in 벽 두께를 갖는 부식되지 않은 파이프를 따라 이동한 신호에 대한, ND-STFT 맵에서의 최대 높이와 최소 깊이의 차이(즉, 최대 신호 차이), 또는 등가적으로, 제거된 재료(또는 피트 체적비)의 함수로서의 STFT 차이 신호 강도의 그래프이다.
도 7은, 4개의 전송 트랜스듀서 및 1개의 수신 트랜스듀서가 이용되는, 원통형 베셀의 길이를 이동한 섭동이 없는 수신 신호(베이스라인)의 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는, 베이스라인과, 0.2 cc, 0.6 cc 및 1.2 cc의 재료가 각각 연삭에 의해 제거된 이후의 ND-STFT 차이 신호의 그래프이다.
도 9는, 빈 베셀로부터 제거된 재료의 함수로서의, ND-STFT 맵의 최대 높이 및 최소 깊이(즉, 최대 신호 차이)의 그래프이다.
도 10은, 빈 베셀에 대해 추가된 재료(자석)의 함수로서의, ND-STFT 맵의 최대 높이와 최소 깊이 사이의 차이(즉, 최대 신호 차이)의 그래프이다.
도 11a는, 105-ft 길이의 파이프 어셈블리의 25 ft 섹션에 대한 온도 보상된 신호 및 온도 보상되지 않은 신호 양쪽 모두에 대한 시간의 함수로서의 신호 차이 진폭의 그래프이고, 도 11b는 도 11a에 도시된 데이터에 대한 (총 25개 빈에 대한) 각각의 빈에 대해 계산된 특정한 지연 시간을 나타내는 그래프이다.
도 12a는, 105-ft 길이의 파이프 어셈블리의 50 ft 섹션에 대한 온도 보상된 신호 및 온도 보상되지 않은 신호 양쪽 모두에 대한 시간의 함수로서의 신호 차이 진폭의 그래프이고, 도 12b는 도 12a에 도시된 데이터에 대한 (총 25개 빈에 대한) 각각의 빈에 대해 계산된 특정한 지연 시간을 나타내는 그래프이다.
도 13a는, 105-ft 길이의 파이프 어셈블리의 100 ft 섹션에 대한 온도 보상된 신호 및 온도 보상되지 않은 신호 양쪽 모두에 대한 시간의 함수로서의 신호 차이 진폭의 그래프이고, 도 13b는 도 13a에 도시된 데이터에 대한 (총 50개 빈에 대한) 각각의 빈에 대해 계산된 특정한 지연 시간을 나타내는 그래프이다.
도 14는, 누적된 국소적 체적 손실의 함수로서, 파이프 안전에 대해 조치가 취해질 필요가 있는지를 결정하기 위한 안내로서 이용될 수 있는, 음향 진폭, 시간 및 주파수 데이터를 맵핑함으로써 계산된 정규화된 실행가능한 출력의 그래프이다.
간단히 말해서, 본 발명의 실시예들은, 예를 들어 절연재 또는 페인트 아래와 같이 접근하기 어려운 환경에서, 파이프, 베셀, 저장 탱크, 엘보우, 플랜지, 리듀서(reducer), 티(tee), 및 용접 등의 금속 구조물의 부식 및/또는 침식의 음향 검출 및 대면적 모니터링을 위한 방법을 포함한다. 또한, 엘보우, 플랜지 등을 포함한, 다양한 파이프 지오메트리 및 복잡한 파이프 지오메트리가 모니터링될 수 있다.
본 방법은 : (i) 구조물/파이프/베셀/탱크 및 예상된 결함(들)에 대해 최적화된 진폭, 시간 및 주파수 특성을 갖는 음향 신호 생성, 전송 및 수신; (ii) 음향 데이터 취득 및 취득된 데이터의 수치 해석; 및 (iii) 결함 식별 및 결함 정량화를 위한, 진폭, 시간 및 주파수의 음향 데이터 특성 및 분석 결과를 실행가능한 정보로 맵핑하는 것을 포함한다.
허용된 복수의 음향 모드들 사이의 신호 에너지 분포에서의 검출가능하고 식별가능한 변화는, 많은 파이프 및 베셀(또는 시스템)을 통한 멀티모드 음향 신호의 전파에 미치는 기계적 변화 또는 결함의 영향으로부터 비롯되지만, 음향 신호의 전체 에너지는 유사보존된다. 즉, 결함은 주로 음향파의 한 모드로부터 또 다른 모드로의 탄성 산란을 야기하는 반면, 총 음향 신호 에너지의 감쇠는 일반적으로 작다. 음향 산란 및 감쇠를 생성하는데 효과적인 기계적 섭동은, 재료 손실(피팅, 균열, 파쇄, 및 침식), 재료 전환(부식 생성물), 재료 첨가(재료 이동 및 축적, 및 재료 흡수, 그 각각은, 진폭, 시간 및 주파수 위상 공간에서 특정한 산란/감쇠 특성을 가짐)를 포함한다.
본 발명의 실시예들의 교시에 따르면, 음향 신호는, 파이프의 끝부분, 또는 베셀, 저장 탱크, 또는 엘보우, 플랜지, 리듀서, 티, 또는 용접 등의 상단 및 하단 섹션 등의, 소수의 접근가능하고 편리한 위치들에서 생성되고 수신된다. 음향 신호는, 파이프, 베셀, 탱크, 엘보우, 플랜지, 리듀서, 티, 또는 용접에서 관심대상의 복수의 모드들을 여기하는데 효과적인 진폭, 시간 및 주파수 특성을 가지며, 이러한 신호들은 전송 트랜스듀서와 수신 트랜스듀서 사이의 검사 구역에서 전파한다. 일단, 구조물, 파이프, 베셀, 탱크, 엘보우, 플랜지, 리듀서, 티, 또는 용접이 설치 직후 또는 상세한 검사 후에 알려진 또는 베이스라인 상태 또는 조건을 특징으로 하면, 본 방법은 검사 구역에서의 음향 신호의 전송 특성에서의 작은 변화를 모니터링하고, 신호 감산(signal subtraction)에 의해, 결함 형성을 지속적으로 또는 요구시, 예를 들어, 매일 수 차례, 1주일에 한번, 또는 한 달에 한번, 수년에 걸쳐, 식별하고 정량화한다. 음향 출력은, 임베딩된 또는 기계적으로-부착된 트랜스듀서들에 의해, 또는 예를 들어 비-접촉 공기 결합에 의해 액세스될 수 있다.
음향 데이터 취득은 관심대상 시스템에서 높은 신호대 잡음비에 대해 최적화될 수 있다. 신호 분석은, 푸리에 변환, 단시간 푸리에 변환, 웨이브렛 변환, 위상 지연 분석, Hilbert 스펙트럼 분석 및 Hilbert-Huang 변환을 이용하여 신호의 진폭-, 시간- 및 주파수-영역 측정들을, 예로서, 베이스라인 상태의 것들로부터의 이러한 다차원 데이터 세트에서의 변화의 식별 및 측정과 결합한다.
측정된 신호 특성과 결함 식별 및 정량화를 위한 분석 결과의 맵핑은 측정되고 분석된 데이터의 실행가능한 정보로서의 해석을 허용한다.
수신된 음향 데이터는 시간의 함수로서의 전송된 전기 신호 진폭의 형태이며, 예를 들어, (신호 소스로부터 수신 기기까지의 트리거 신호를 이용하여) 처프 신호 형태의 반복적인 입력 여기에 관해 정확히 시간결정되어, (대개 64배 내지 4096배의) 시간-평균화를 이용할 수 있게 한다. 시간-평균화는, 신호대 잡음비(SNR)를 향상시키고 이 방법을 환경 내의 다른 음향 (잡음) 소스에 비교적 둔감하게 만든다. 주파수 영역에서 수신 신호를 필터링하는 것은, 관심대상 스펙트럼 성분들만이 수신기에 도달하도록 허용함으로써, SNR을 더욱 향상시킨다.
시간-평균화되고 필터링된 수신 신호는, 파이프(베셀)의 길이 및/또는 파이프 또는 베셀의 특성에 따라 달라질 수 있는, 윈도우 크기 및 단계 크기의 최적화된 파라미터를 동반한 단시간-푸리에-변환(STFT) 알고리즘을 이용하여 2차원 윤곽/표면 맵으로 변환된다. STFT 맵은 수신 신호 강도의 분포를 시간 및 주파수의 함수로서 디스플레이한다; 즉, 전송 신호의 어떤 주파수 성분이 언제, 어떤 강도로 도착했는지를 나타낸다. 결합 스펙트럼 및 시간-지연 정보는, 파이프 또는 베셀의 베이스라인 특성 뿐만 아니라 음향 신호 전송에 미치는 파이프 또는 베셀에 대한 섭동의 영향이 특성규정되는 것을 허용한다.
베이스라인 STFT 맵은, 재료 추가 및 파이프 벽으로부터의 재료 제거, 파이프 벽 상의 물 축적, 파이프 벽과의 재료 접촉, 부식으로 인한 파이프 벽의 재료 변형, 파이프에 액체가 채워짐으로써 야기되는 새깅(sagging)에 기인한 파이프 벽에서의 늘어짐으로 인해 변형 등의 섭동 효과에 대한 기준 레벨을 구성한다.
본 방법의 실시예들의 검출 감도는 재현가능하게 측정될 수 있는 섭동의 최소량이다; 본 방법의 실시예들은 약 100 ft까지의 파이프 길이에서 1 % 미만의 국소적 체적 변화 수준의 파이프 또는 베셀 벽으로부터의 재료 추가 및 재료 제거 둘 다로 인한 섭동 효과를 측정하였다. 검출 선택성은, 파이프 벽 상의 물 축적, 클램핑, 새깅, 부식으로 인한 재료 변환 또는 손실, 부식 피팅으로 인한 재료 손실, 외래 고체 물체와의 파이프 벽 접촉 등의, 음향 섭동의 직접적인 원인들간의 구분을 요구한다. 예를 들어, 파이프 벽 상의 물은 넓은 스펙트럼 범위의 신호에 대해 최소한의 산란으로 비교적 균일한 감쇠를 생성하며, 따라서 파이프 및 베셀의 벽을 따라 특정한 시간 지연을 갖고 다른 음향 모드로 전파되는 특정한 음향 모드들 중에서 주로 탄성 산란으로 이어지는 파이프 상의 부식 피팅 및 기타의 결함과 쉽게 구별된다.
파이프 또는 베셀의 벽 상의 페인트(또는 페인트의 벗겨진 조각)는 부식 및 기타의 결함보다 훨씬 작은 효과를 갖는다. 파이프 및 베셀 주변의 절연은 파이프 및 베셀 상의 부식 또는 기타의 결함 형성에 비해 음향파 전송에 약한 영향을 미친다. 파이프를 클램핑하면 음향 신호가 크게 산란되고 부식 또는 기타의 결함으로 인한 크기 산란 효과를 압도할 수 있다. 그러나, 클램핑에 기인한 산란의 주파수 분포는 국소적 부식 산란으로부터 예상되는 것보다 훨씬 더 넓을 것으로 예상되므로, 산란 신호를 구별할 수 있다. 클램프가 파이프 섹션에 추가되거나 이로부터 제거될 때 새로운 베이스라인을 생성함으로써 클램핑 효과로부터의 잘못된 신호를 피할 수도 있다.
파이프에 맞대어 국소적으로 위치한 외래 고체 물질은, 파이프 또는 베셀 벽에 재료를 첨가하는 것과 유사한 음향 신호 산란을 생성할 것으로 예상되며, 이들 효과를 구별하기 어려울 것으로 예상된다. 시간 경과에 따른 컴포넌트의 무게로 인한 새깅은 파이프에서 공간적으로 확산된 변형 장(spatially diffuse strain field)을 야기할 것으로 예상된다. 이러한 비국소화된 변형 장은 음향파의 약한 산란 및 감쇠로 이어질 수 있다. 그러나, 이러한 산란 및 감쇠의 크기 및 스펙트럼 피쳐 양쪽 모두는 부식 또는 기타의 결함들로부터의 국소화된 섭동으로 인해 산란과 구분가능해야 한다. 현재까지, 섭동 소스들은 개별적으로 특성규정되었다.
검출 확실성 또는 신뢰도란, 본 방법의 장기적 실행가능성을 말하며, 베이스라인은 소정 응용에서 장기간에 걸쳐 수년간 섭동 효과를 모니터링하는데 이용될 수 있다. 이러한 확실성과 신뢰성을 달성하기 위해, 온도의 영향이 보상되고 해로운 환경 소음이 필터링된다. 온도 영향은 다음을 포함한다 : 음향 트랜스듀서 응답; 트랜스듀서와 파이프 등의 조사받는 매체 사이의 결합 계수; 매체에서의 음향 신호 전파; 및 전자기기의 전달 함수. 이들 성분들 각각에 기인한 온도 영향의 특성 및 상대적 중요성은 전체 시스템의 상세사항에 달려 있다. 그러나, 초기 측정을 수행할 때 온도가 기록되고 그 온도의 섭씨 몇 도 내에서 후속된 측정이 이루어진다면, 이러한 온도 효과는 너무 작아서 측정 결과를 변경할 수 없을 것이다. 그러나, 온도 변화가 섭씨 몇 도 이상이면, 온도 보상을 위한 방법을 이용하는 것이 필요할 수 있다. 마찬가지로, 환경 소음은 시스템이 상주하는 위치에 따라 다르다; 따라서, 노이즈 필터링은 환경의 상세사항에 맞게 조정될 수 있다.
후술되는 바와 같이, 온도 보상 알고리즘의 이용은 신호대 잡음(S/N) 비를 증가시킴으로써 측정 감도를 향상시키는 것으로 밝혀졌다.
본 정규화된-차이, 단시간 푸리에 변환(ND-STFT) 방법의 실시예들은, 액세스 위치의 제한된 수와 면적(전송된 음향 신호의 여기와 수신을 위한 파이프의 2개 끝 부분에서의 최소 2개, 2개의 트랜스듀서 사이의 섹션이 모니터링됨)으로부터의 음향 조사를 이용한 파이프, 베셀 및 구조물에서의 부식의 검출을 포함한다. 전형적으로, 전송 및 수신 트랜스듀서들은, 약 10 feet 내지 약 100 feet 이격되어 파이프의 표면에 균일하게 분포되며, 그 사이의 부분이 모니터링된다. 파이프 섹션은, 직선형, 만곡형, 플랜지형, 또는 용접된 부분을 가질 수 있다. 파이프 섹션은 대부분의 경우 10 ft 내지 100 ft일 수 있으며, 파이프의 단면 치수가 파이프의 길이보다 훨씬 작은 상황에도 본 방법은 유사하게 적용될 수 있다. 파이프에 부착된 큰 플랜지, T-섹션, 또는 4-방향 또는 6-방향 교차는 별개로 모니터링될 수 있다.
이제, 본 발명의 본 실시예들을 상세히 참조할 것이며, 그 예들은 첨부된 도면들에 예시되어 있다. 도면들에서, 유사한 구조물은 동일한 참조 문자를 이용하여 식별될 것이다. 도면들은 본 발명의 특정한 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하려는 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다. 이제 도 1a를 참조하면, 본 발명의 방법의 실시예를 실시하기 위한 장치(10)의 개략도가 도시되어 있다. 신호 소스(12)는, 선형 파이프 섹션 또는 베셀 세그먼트(18)의 한 단부에 장착된 것으로 도시된 하나 이상의 전송 트랜스듀서(16)에, 증폭기(14)에 의해 증폭된 선택된 초음파 신호를 제공한다. 파이프 또는 베셀 섹션(18)을 통해 전파된 음향 신호는, 전송 트랜스듀서(16)로부터 파이프 또는 베셀 섹션(18)의 반대편 끝에 배치된 수신 트랜스듀서(20)에 의해 검출된다. 수신 트랜스듀서(20)에 의해 생성된 전기 신호는, 신호 수신기(26)에 보내지기 전에, 증폭기(22)에 의해 증폭되고, 필터(24)에 의해 필터링되어, 신호 소스(12)와 동기화된다(신호 소스(12)에 관해 특정한 시간 지연으로 트리거된다). 이들 신호는 신호 수신기(26)에 의해 처리되고, 처리된 신호는 데이터 취득 및 분석을 위해 컴퓨터(28)에 보내진다. 컴퓨터(28)는 또한, 요소들(12, 14, 22, 24 및 26)을 제어한다.
각각의 트랜스듀서에 대해 별도의 전치증폭기 및 필터 모듈이 이용될 수 있으며, 모든 전자 부품은 동축 케이블 또는 USB 케이블을 이용하여 함께 결선된다. 이 구성에서, 모든 트랜스듀서는 동일하며 수정없이 전송 또는 수신 센서로서 역할할 수 있지만, 임의의 트랜스듀서를 전송 또는 수신 센서로 이용하기 위해서는 배선의 재접속이 요구된다. 기기 제어, 데이터 취득, 및 데이터 분석을 위해 중앙 컴퓨터에 모두 무선으로 접속된 센서 및 통신 장치들의 네트워크가 복수의 트랜스듀서를 수용하는데 이용될 수 있다. 각각의 센서는 고유한 RFID 태그와 전송 및 수신 기능 둘 다를 위한 통합 전자 모듈을 가지고 있다. 이러한 이중 기능은 시스템을 용이하게 재구성가능하게 하고, 결함있는 또는 고장난 센서 컴포넌트에 대한 견고성을 향상시킨다. 센서 및 통합 모듈을 위한 전력은 배터리에 의해 제공될 수 있고, 충전 에너지는 예로서 태양 에너지로부터 수집될 수 있다.
베셀은 세그먼트 단위로 모니터링될 수 있고, 각각의 세그먼트는 비교적 균일한 벽 두께 및 물리적 근접성을 가진다. 베셀 세그먼트들이 용접된 리브(rib) 또는 다른 물리적 부착물 등의 현저한 불균일성을 갖는다면, (하나보다 많은) 전송 트랜스듀서 및 (하나보다 많은) 수신 트랜스듀서가 이용될 수 있다. 전송 및 수신 트랜스듀서의 수는 세그먼트의 불균일성 및 세그먼트의 면적 크기에 비례할 것이다. 전송 트랜스듀서의 수를 증가시키는 것은 더 균일한 음향 여기를 허용하며, 세그먼트의 "모든" 부분의 샘플링은, 더 양호한 감도, 선택도, 부식 및 기타의 결함 검출의 확실성으로 이어질 것이다. 추가로, 증가된 수의 수신 트랜스듀서는 시스템에 중복성을 도입하여, 본 방법을 더욱 신뢰성있고 확실하게 할 것이다.
도 1b는, 본 발명의 실시예들에 따라 모니터링될 수 있는 더 복잡한 일련의 부착된 파이프 섹션(19)들(2개의 90° 엘보우를 갖는 105-ft 길이, 8-in 직경의 스케줄-40 탄소 강 파이프, 8개의 용접 조인트, 및 1 쌍의 플랜지, 10개의 스탠드에 의해 지지되는 어셈블리)을 갖는 파이프 어셈블리의 개략도이다. 5개의 균일하게 이격된(대략 25ft 이격된) 트랜스듀서들(16, 20a, 20b, 20c 및 20d)이, 만곡된 섹션(30)(2개의 90° 엘보우)을 갖는 파이프의 약 100-ft 섹션을 따라 영구 부착되어 있다. 하나의 트랜스듀서(16)만이 전송 트랜스듀서(도 1a)로서 식별되지만, 5개의 트랜스듀서 모두가 전송 및 수신 둘 다를 할 수 있다. 1 내지 4로 마킹된 구역은, 가장 가까운 센서들이 전송 및 수신을 위해 이용될 때, 도 1a에 도시된 장치를 이용한 파이프의 최소 조사 영역(길이 약 25 ft)을 정의한다. 예를 들어, 구역-4는, 센서-4(20c) 및 센서-5(20d) 사이의 파이프 어셈블리의 약 25 ft 섹션이며, 플랜지 접속(32)과 재료 제거 영역(34)을 포함한다. 더 긴 길이의 영역들은 더 분리된 센서들을 이용하여 조사될 수 있다. 예를 들어, 센서-1(16)을 여기 (전송) 센서로서, 센서-5(20d)를 수신 센서로서 이용하여 4개의 구역 모두가 동시에 조사될 수 있다. 3개의 용접된 섹션(36a-36c)도 시판중인 센서 어레이 칼라(38)과 같이 예시되어 있다.
최적의 신호 스트레치(OSS; optimal signal stretch) 방법 등의 기존의 온도 보상 방법들은, 모든 예측된 결과의 복수회 반복을 통해 스트레치 계수를 추정하는데, 이것은 계산적으로 비효율적이다. 또한, 이들 방법은 순수한 시간-스트레치 효과를 갖는 단순한 지오메트리에 가장 적합한 반면, 본 방법의 실시예들은 시간-스트레치 뿐만 아니라 신호 왜곡 효과를 갖는 더 복잡한 지오메트리에도 적용가능하다.
전술된 바와 같이, 부착된 각각의 트랜스듀서는 전송 트랜스듀서 및 수신 트랜스듀서 양쪽 모두로서 기능할 수 있으므로, 상호연결된 파이프 및 베셀 세그먼트들의 네트워크가 모니터링되어야 할 때 소정의 이웃 파이프 섹션들 또는 베셀 세그먼트들에서 추가 트랜스듀서를 부착할 필요성을 제거한다.
파이프 섹션을 모니터링하기 위해 파이프 섹션의 길이를 따라 복수의 센서를 이용하는 것은, 변화가 발생한 지점의 추가적인 국소화 정보로 이어질 수 있다. 소정 구역의 주요 벽 손실의 위치에 관한 어떤 추정치를 인접 구역의 신호 진폭을 모니터링함으로써 제공할 수 있다. 구체적으로, 인접한 구역에서의 신호의 진폭은 공유된 전송 트랜스듀서로부터 주요 벽 손실의 거리의 함수로서 감소한다. 주요 벽 손실의 위치를 추정하는데 이용될 수 있는 또 다른 인접 효과는 주요 산란 신호의 도착 시간과 관련된다. 인접 구역으로부터의 주요 산란 신호의 지연 시간은 인접 구역의 다른 끝에 있는 전송 트랜스듀서 및 수신 트랜스듀서로부터의 주요 벽 손실 영역의 거리와 관련된다.
A. 본 ND-STFT 방법의 실시예:
(1) 본 ND-STFT 방법의 한 실시예는 다음과 같은 단계들을 포함한다 :
(a) 약 1V와 약 100V 사이의 신호 강도를 갖는 주파수 처프 신호를 선택; 약 10 kHz 내지 약 200 kHz의 스펙트럼 콘텐츠. 1/8 in 내지 4 in의 벽 두께를 갖는 파이프 및 베셀에서 kHz-MHz 주파수들에서의 음향 신호 전파를 지원하는 수 개의 종형, 비틀림형, 및 굴곡형 모드(각각 L, T 및 F 모드)가 있다. 따라서, 약 1kHz 내지 약 1MHz, 더욱 유익하게는, 약 10kHz 내지 약 200kHz는 부식 및 다른 결함의 음향 조사에 효과적인데, 그 이유는 이러한 음향 모드가 다양한 결함 및 기계적 섭동에 민감하기 때문이고, 또한 수 백 feet까지의 긴 길이 전파에 걸쳐 크게 소멸되지 않기 때문이다. 약 0.1 ms 내지 약 10 ms의 지속시간, 및 약 10 ms 내지 약 1000 ms의 반복율은 조사 여기 신호에 유용하다.
(a) 제1 수신 신호(베이스라인 또는 기준 신호)에 대한 시간-평균(약 64 내지 약 4096회의 반복) 및 필터(대역 통과, 및/또는 저역 통과 및/또는 고역 통과);
(b) AC 성분만 남도록 제1 수신 신호에서 DC 성분을 제거;
(c) (a) -(c) 단계를 반복하여 제2 수신 신호(모니터링 신호 또는 측정)를 획득;
(d) 제1 수신 신호 및 제2 수신 신호의 신호 강도를 정규화하여 양쪽 신호에서 가장 강한 성분이, 선택된 수, 예를 들어, 1과 같도록 함;
(e) 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들, 및 시간 단계들로 시간-평균화된 제1 및 제2 AC 수신 신호들의 STFT를 수행(예를 들어, 20-ft 길이, 2-3/4-in 직경(1/4 인치 벽 두께) 파이프에 대해, 1024의 Hamming 윈도우 크기, 및 100 ns의 시간 증분 및 1 kHz 주파수 증분을 갖는 32의 단계 크기가 이용되었다).
(f) 섭동이 예상될 때 또는 정기적인 테스팅 동안에 선택된 시간 T에서의 베이스라인 또는 기준 STFT, 또는 T=0에서의 베이스라인 또는 기준 ND-STFT와 유사한 방식으로 획득된 정규화된 제1 및 제2 STFT 2D 표면/윤곽선 맵들 사이의 차이를 취하여, 음향 모드들 사이의 에너지 손실 및 에너지 이득을 나타내는, 새로운 STFT 2D 표면/윤곽선 맵을 형성;
(g) 산란 이벤트(들)(또는 이벤트(들)의 세트)가 식별될 수 있는 2D 맵에서 특정한 주파수-시간 모드 쌍(들)을 식별(ND-STFT 맵에서, 산란 이벤트는, 대응하는 딥(dip) 또는 골(음의 신호)과 함께, 범프 또는 마루(양의 신호)로서 나타날 것이다); 및
(h) ND-STFT 맵에서 최대 높이를 갖는 피쳐의 마루와 최소 깊이를 갖는 대응하는 피쳐의 골 사이의 진폭 차이(즉, 최대 신호 차이)를 계산.
전술된 방법의 실시예에서 단계 8에 따라 계산된 최대 신호 차이(또는, ND-STFT 신호 범위)를 이용하는 것은 2차원 데이터를 스칼라로 맵핑하는 한 방식이다. 예(EXAMPLE)들에서 설명되는 바와 같이, 이 접근법은 파이프 섹션 또는 베셀 세그먼트에서의 부식 또는 결함 수준을 정량화하는데 성공적으로 이용되어 왔고, 파이프 및 베셀에 대한 기계적 섭동 수준(재료 손실 또는 재료 추가)과 ND-STFT 신호 범위 사이의 단조 비선형 관계를 보이는 것으로 드러났다.
본 발명자들은 다른 맵핑 방법들을 고려해 볼 수 있다. 예로서 2D, ND-STFT 맵에서 특정한 주파수-시간 모드 쌍(들)(산란 이벤트(들) 및 대응하는 마루들과 골들)을 식별하기 위해, 다음과 같이 상관 방법이 이용될 수 있다:
(2) (a) 제1 차원을 시간으로 하고 다른 차원을 주파수로 하여 2D, ND-STFT 표면 윤곽선 맵에 관해 2D 자기상관을 수행하여, 2D 자기상관 맵이 생성된다;
(b) "자기상관 마루들"을 ND-STFT 마루-마루 또는 골-골 상관들로서 식별하고, "자동상관 골들"을 ND-STFT 마루-골 상관들로서 식별한다.
(c) 음의 "자기상관 골들"만을 이용하여, "수정된 2D 자기상관 맵"이 생성되고;
(d) "수정된 2D 자기상관 맵" 내의 정보를, 먼저 주파수 차원에 관해 적분한 다음, 시간 차원에 관해 표준 편차를 계산함으로써, 단일 숫자의, 자기상관 산란 표준 편차로 감소시킨다.
2D 자기상관 맵에서 "자기상관 골들"로서 나타나는 ND-STFT 마루-골 상관들은, 부식, 결함 등에 의해 야기되는 산란 이벤트와 직접적으로 관련되기 때문에 중요하다; 따라서, 양의 "자기상관 마루들"은 산란 이벤트에 대한 어떠한 직접적인 정보도 포함하지 않기 때문에 맵에서 수치적으로 제거된다.
본 ND-STFT 방법의 또 다른 실시예는 다음과 같은 단계들을 포함한다 :
(3) (a) 약 1V 내지 약 100V의 신호 강도; 약 1kHz 내지 약 1MHz의, 또는 더욱 유익하게는 약 10kHz 내지 약 200kHz의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는 주파수 처프 신호를 선택한다(1/8 in 내지 4 in의 벽 두께를 갖는 파이프 및 베셀에서 kHz-MHz 주파수들에서의 음향 신호 전파를 지원하는, 수 개의 종형, 비틀림형, 및 굴곡형 모드(각각, L-, T-, 및 F-모드)가 있다. 따라서, 10kHz 내지 200kHz 범위는 부식 및 다른 결함의 음향 조사에 효과적인데, 그 이유는 이러한 음향 모드가 다양한 결함 및 기계적 섭동에 민감하기 때문이고, 또한 수 백 feet까지의 긴 길이 전파에 걸쳐 크게 소멸되지 않기 때문이다). 약 0.1 ms 내지 약 10 ms의 지속시간, 및 약 10 ms 내지 약 1000 ms의 반복율은 조사 여기 신호에 대한 파라미터로서 유용하다.
(b) 제1 수신 신호(베이스라인 또는 기준 신호)에 대한 시간-평균(약 64 내지 약 4096회의 반복) 및 필터(대역 통과, 및/또는 저역 통과 및/또는 고역 통과);
(c) AC 성분만 남도록 수신 신호에서 DC 성분을 제거;
(d) 섭동이 예상될 때 또는 정기적인 테스팅 동안에 선택된 시간 T에서의 베이스라인 또는 기준 신호, 또는 T=0에서의 베이스라인 또는 기준 신호와 유사한 방식으로 획득된 정규화된 제2 수신 신호(나중에 모니터링 측정)를 획득하기 위해 단계들 (a)-(c)를 반복;
(e) 제1 및 제2 수신 신호의 신호 강도들을 정규화하여, 각각의 가장 강한 성분이 선택된 수, 예를 들어, 1과 같게 한다.
(f) 섭동이 예상될 때 또는 정기적인 테스팅 동안에, 제2 수신 신호와 베이스라인 신호 사이의 차이를 취하여, 선택된 시간 T에서 "차이 신호"를 형성한다.
(g) 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들, 및 시간 단계들로 "차이 신호"의 STFT를 수행(예를 들어, 20-ft 길이, 2-3/4-in 직경(1/4 인치 벽 두께) 파이프에 대해, 1024의 Hamming 윈도우 크기, 및 100 ns의 시간 증분 및 1 kHz 주파수 증분을 갖는 32의 단계 크기가 이용되었다).
(h) 각각의 주파수에 대해 시간 축을 따라 STFT 어레이(1차원 어레이)의 표준 편차를 계산하고, 이렇게 계산된 1차원 표준 편차 어레이를 합산하여 스칼라를 획득함으로써, 2차원 STFT 어레이로부터 "정규화된 실행가능한 출력"(스칼라 수)을 계산.
B. 온도 보상 :
전술된 바와 같이, 초음파는 구조적 요소들의 두께를 관통하고 장거리 이동이 가능하므로, 적은 수의 공간적으로 분포된 초음파 센서들을 이용하여 넓은 영역을 동시에 조사할 수 있고, 베이스라인 감산에 의해 손상이 검출된다. 환경 및 동작 조건이 변하면, 전파 매체 및 초음파 거동도 역시 변경되어, 손상을 환경 및 동작상의 효과와 구분하는데 있어서 베이스라인 비교의 유효성을 제한한다. 가장 흔한 환경적 영향은 온도 변화이다. 구조 모니터링 응용에서 온도를 보상하기 위해 많은 방법이 개발되고 구현되었으며, 상이한 조건들에서 유효성은 달라진다. 본 방법의 실시예들의 교시에 따르면, 광범위한 세트의 테스팅된 조건들에 대해 효과적인 온도 보상이 제공된다 : 1) 스펙트럼 및 확산 상황에서, 멀티모드 또는 혼성된 모드의 초음파 여기; 2) 다중 반사, 및 넓은 스펙트럼 및 넓은 시간 범위 신호를 포함하는 균일 및 비균일 매체에서의 초음파 전파; 3) 실제의 전역적 국소적 온도를 알 필요없이 조사받는 매체에서의 광범위한 전역적 및 국소적 온도 변동에 대한 자율적 보상.
온도 보상을 위한 본 방법의 실시예들은, 단일 뿐만 아니라 복수의 및 혼성된 모드들에 대해; 광범위한 반사 성분을 갖는 균일 및 비균일 매체에 대해; 및 전역적 및 국소적 온도 변화의 존재시에 효과적이다. 국소적 및 전역적 온도 변화가 있는 현실의 모니터링 시스템에서 온도 효과를 적절히 보상하기에는 어떠한 단일의 시간-스트레치 인자도 충분하지 않으며, 현실적인 구조물은 다양한 정도의 비균일성을 가지며(이에 따라, 대응하는 다양한 양의 반사로 이어짐), 다양한 온도 효과를 수반한 초음파 전파를 위한 다양한 모드를 지원할 것이다. 따라서, 본 방법은 다른 온도 보상 방법들에서 흔히 이용되는 단일 시간-스트레치 인자를 대체하는 적절한 시간-지연 인자들의 세트를 생성한다.
초음파 신호가 수신 센서에 도달하면, 수신 신호는 파이프에서 만나는 모든 위상 이동을 축적하고, 따라서 이렇게 위상-시프트된 모든 모드 및 반사들이 결합되어 복합 파형을 형성한다. 이 파형은 시간적으로 분산된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 이 시간-분산된 파형은 빈(bin)들로 분할되고, 파형 세그먼트의 각각의 빈은 단일 지연 인자를 이용하여 온도 보상된다. 각각의 빈에 대한 지연 인자는, 조사받는 매체의 온도의 국소적 또는 전역적 변화에 대한 어떠한 직접적인 지식없이도 실시간으로 측정된 데이터와 이전에 측정된 베이스라인 데이터 사이의 상호상관을 이용하여 계산된다. 각각의 빈에 대한 시간 지연은 상호상관 함수의 피크 위치이다. 각각의 빈이 온도 보상되고 나면, 빈들은 결합되어 온도-보상된 파형을 형성한다.
빈의 최소 크기는 관심대상 초음파의 최소 파장에 의해 결정되고, 빈의 최대 크기는 보상될 위상 이동의 시간 지연 의존성에 의해 결정된다. 실제로, 빈 크기는 경험적으로 또는 이론적으로 최적화된다; 이것은, 실용적인 USHM 시스템에서 적절한 온도 보상을 위해, 대개 약 0.01ms 내지 약 1ms이다. 빈의 수는 또한, 모니터링 시스템의 상세사항에 따라 다르다. 실제로, 이것은 약 10 내지 약 1000 사이에서 변할 수 있다.
본 방법의 실시예들은, 다음을 포함하는 변화에 대해 파이프 및 베셀에 대한 민감하고 선택적인 진단을 제공 할 것이다 :
1. 부식의 전구체가 될 수 있는 파이프/베셀 벽 상의 물 축적;
2. 역시 부식의 전구체가 될 수 있는, 현저한 페인트 벗겨짐 또는 주요 절연 저하;
3. 미세균열 및 기타 기계적 열화로 이어질 있는, 과도한 파이프 새깅;
4. 파이프 무결성의 국소화된 열화로 이어질 수 있는, 파이프 또는 베셀 벽에 강하게 기댈 수 있는 고체 물체; 및
5. 흐름 문제 및/또는 내부 부식 등으로 이어질 수 있는, 파이프 벽의 내부 막힘 또는 파이프의 막힘.
50-ft 길이 파이프의 16"×2" 파이프 벽 섹션에서 0.1 % 미만의 체적 변화가 검출되었다.
본 발명을 전반적으로 설명하였지만, 하기 예들은 추가적인 상세사항을 제공한다. 예 1-4는 ND-STFT 방법(1)을 설명한다.
예 1
파이프 벽 상에 작은 자석들을 부착하여 재료 추가의 효과가 설명된다:
도 2는, 베이스라인으로서 이용되는, 10" 직경 및 1/2" 벽 두께를 갖는 비어있는 부식된 파이프를 따라 20ft 전송 후 수신 신호를 도시한다. 전송된 선형 처프는, 10 V 피드-대-피크, 5 kHz와 200 kHz 사이, 1 ms 지속시간을 가졌고, 100 ms마다 반복되었다. 도 3은, 도 2에서 언급된 10" 직경, 1/2" 벽 두께를 갖지만, 파이프 벽 상에 약 3%의 국소적인 체적 변화를 발생시키는 12개의 작은 자석들을 파이프 벽 상에 부착함으로써 섭동된, 비어있는 부식 파이프를 따라 20ft 전송 후 동일한 수신 신호를 도시한다. 2개의 정규화된 신호는, 첫 회에서, 시간/주파수 영역에서 거의 차이를 보이지 않는다.
도 4a 내지 도 4c는, 각각 2개, 4개 및 12의 부착된 자석에 대한, 위에서 논의된 도 2 및 도 3에 도시된 제1 (베이스라인) 및 제2 (섭동된) 신호 강도들 사이의 차이를 취함으로써 계산된 ND-STFT 신호의 그래프인 반면, 도 5는, 부착된 자석의 함수로서의, ND-STFT 맵에서의 최대 높이와 최소 깊이의 차이(즉, 최대 신호 차이)의 그래프이다.
예 2
20'-길이, 2-3/4-직경, 1/4"-벽 두께를 갖는 부식되지 않은 파이프에 대한 파이프 벽 상의 포켓의 드릴링을 통한 재료 제거의 효과 :
도 6은, ND-STFT 맵에서의 최대 높이와 최소 깊이의 차이(즉, 최대 신호 차이), 또는 등가적으로, 제거된 재료(또는 피트 체적비)의 함수로서의 STFT 차이 신호 강도의 그래프이다.
예 3
베셀 벽 상에 구멍을 연삭함에 의한 재료 제거의 효과(이 경우, 베셀 세그먼트는 전체 베셀임), 여기서, 4개의 전송 트랜스듀서와 1개의 수신 트랜스듀서가 이용되었다.
도 7은 섭동이 없는 수신 신호(베이스라인)의 그래프이고, 도 8a 내지 도 8c는 ND-STFT 신호(베이스라인과 0.2cc, 0.6cc 및 1.2cc의 재료가 각각 연삭에 의해 제거된 이후 사이의 차이)의 그래프이다.
도 9는, 빈 베셀에 대해 제거된 재료의 함수로서의, ND-STFT 맵의 최대 높이와 최소 깊이 사이의 차이(즉, 최대 신호 차이)의 그래프이다.
예 4
베셀 벽 상에 자석의 추가에 의한 재료 추가의 효과(이 경우, 베셀 세그먼트는 전체 베셀임), 여기서, 4개의 전송 트랜스듀서와 1개의 수신 트랜스듀서가 이용되었다.
도 10은, 빈 베셀에 대해 추가된 재료(자석)의 함수로서의, ND-STFT 맵의 최대 높이와 최소 깊이 사이의 차이(즉, 최대 신호 차이)의 그래프이다.
예 5는 온도-보상된 ND-STFT 방법(3)의 이용을 나타낸다.
예 5
대략 105 ft 길이의 파이프 어셈블리에 관해 수행된 실험에 대한 온도 보상의 예가 아래에 주어진다. 도 11a, 11b, 12a, 12b, 13a 및 13b에서, 25-ft 센서 거리는 전송기로서 수행하는 트랜스듀서(20a)와 수신 트랜스듀서로서 수행하는 트랜스듀서(20b)에 대한 것이다; 50-ft 센서 거리는 전송기로서 수행하는 트랜스듀서(20b)와 수신기로서 수행하는 트랜스듀서(20d)에 대한 것이다; 105-ft 센서 거리는 트랜스듀서들(16 및 20d)에 대한 것이다.
도 11a는 측정들 사이에 재료 손실, 변환 또는 추가가 없는 상황에서 온도 보상된 신호 및 온도 보상되지 않은 신호들 양쪽 모두에 대한 시간의 함수로서의 신호 차이 진폭의 그래프이다. 온도 보상되지 않은 신호 차이는 시간 영역에서 후속 측정 신호로부터 기준(베이스라인) 신호를 감산함으로써 계산되는 반면, 보상된 신호 차이는 전술된 바와 같이 온도 보상된 후속 측정 신호로부터 기준 신호를 감산함으로써 계산된다. 관찰될 수 있는 바와 같이, 도 11a에서, 차이 신호의 진폭은 온도 보상 이후에 현저하게 감소된다; 즉, 온도 변화로 인한 불요 신호가 현저하게 감소된다. 따라서, 온도 보상은 불요 신호 레벨을 감소시킴으로써, 재료 이득 또는 손실 검출에 대한 개선된 감도 한계를 야기한다.
도 11b는 도 11a에 도시된 데이터에 대해 각각의 빈(총 25개 빈)에 대해 계산된 특정한 지연 시간을 나타내는 그래프이다. 앞서 언급된 바와 같이, 이들 지연 시간은 각각의 빈에서 시간-영역 파형을 시프트하는데 이용되고, 온도 보상된 신호는 각각의 빈으로부터의 이러한 보상된 파형의 조합으로부터 생성된다. 따라서, 도 11a 및 11b는, 신호에 관한 온도 보상의 효과, 및 이 결과를 얻기 위해 각각의 빈에 대해 계산된 특정한 지연을 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 25개의 빈을 이용한 50 ft 트랜스듀서 거리에 대한 동일한 결과를 나타내는 그래프이고, 도 13a 및 13b는 각각 50개의 빈을 이용한 100 ft 트랜스듀서 거리에 대한 동일한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 11b 및 도 12b에 대한 기울기는 온도 변화가 양이기 때문에 양의 값인 반면, 도 13b에 대한 기울기는 온도 변화가 음이기 때문에 음의 값이다.
온도 보상의 유효성은, 보상이 있는 불요 차이 신호 강도에 대한 보상이 없는 불요 차이 신호 강도의 비율로서 정의되는 감도 개선 인자(SIF; sensitivity improvement factor)를 이용함으로써 정량화될 수 있다. 아래의 표는, 다양한 트랜스듀서-대-트랜스듀서 거리에서의, 상이한 파이프들에 대한, 및 수 개의 전역 및 국소적 온도 변화에 대한 SIF 값들을 요약한다.
[표]
Figure 112018015007949-pct00001
주요용어:
TYPE: 파이프 섹션의 유형; 균일(직선) 대 비균일(굽은 부분, 엘보우, 플랜지 연결 등을 가짐)
DIA: 스케쥴-40 파이프 직경
DIST: 센서-대-센서 거리
TEMP: 온도 변화 유형; 전역적(조사대상 영역에서 비교적 균일) 대 국소적(조사대상 영역 내에서 큰 변화도)
△T: 유효 온도 변화
SPAN: 보상될 수신 신호의 시간 범위
NUMB: 보상에 이용되는 빈들의 총 수
SIF: 감도 개선 인자
온도 보정에서, 본 ND-STFT 방법의 실시예 (1)은 다음의 단계들을 포함한다 :
(a) 약 1V 내지 약 100V의 신호 강도; 약 10kHz 내지 약 200kHz의 스펙트럼 콘텐츠, 약 0.1ms 내지 약 10ms의 지속시간, 및 약 10ms 내지 약 1000ms의 반복률을 갖는 주파수 처프 신호를 선택한다;
(b) 제1 수신 신호(베이스라인 또는 기준 신호)에 대한 시간-평균(약 64 내지 약 4096회의 반복) 및 필터(대역 통과, 및/또는 저역 통과 및/또는 고역 통과);
(c) AC 성분만 남도록 제1 수신 신호에서 DC 성분을 제거;
(d) (a)-(c) 단계를 반복하여 제2 수신 신호(나중의 모니터링 측정)를 획득;
(e) 제1 수신 신호 및 제2 수신 신호의 신호 강도를 정규화하여 양쪽 신호에서 가장 강한 성분이, 선택된 수, 예를 들어, 1과 같도록 함;
(f) 수신 신호를 베이스라인 신호와 비교함으로써 수신 신호의 온도 보상을 수행;
(g) 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들, 및 시간 단계들로 시간-평균화된 제1 및 제2 AC 수신 신호들의 STFT를 수행(예를 들어, 20-ft 길이, 2-3/4-in 직경(1/4 인치 벽 두께) 파이프에 대해, 1024의 Hamming 윈도우 크기, 및 100 ns의 시간 증분 및 1 kHz 주파수 증분을 갖는 32의 단계 크기가 이용되었다).
(h) 섭동이 예상될 때 또는 정기적인 테스팅 동안에 선택된 시간 T에서의 베이스라인 또는 기준 STFT, 또는 T=0에서의 베이스라인 또는 기준 ND-STFT와 유사한 방식으로 획득된 정규화된 제1 및 제2 STFT 2D 표면/윤곽선 맵들 사이의 차이를 취하여, 음향 모드들 사이의 에너지 손실 및 에너지 이득을 나타내는, 새로운 STFT 2D 표면/윤곽선 맵을 형성;
(i) 산란 이벤트(들)(또는 이벤트(들)의 세트)가 식별될 수 있는 2D 맵에서 특정한 주파수-시간 모드 쌍(들)을 식별(ND-STFT 맵에서, 산란 이벤트는, 대응하는 딥(dip) 또는 골(음의 신호)과 함께, 범프 또는 마루(양의 신호)로서 나타날 것이다); 및
(j) ND-STFT 맵에서 최대 높이를 갖는 피쳐의 마루와 최소 깊이를 갖는 대응하는 피쳐의 골 사이의 진폭 차이(즉, 최대 신호 차이)를 계산.
온도 보정에서, 본 ND-STFT 방법의 실시예 (3)은 다음의 단계들을 포함한다 :
(a) 조사 여기 신호로서, 약 1V 내지 약 100V의 신호 강도; 약 1 kHz 내지 약 1 MHz의, 또는 더욱 유익하게는, 약 10kHz 내지 약 200kHz의 스펙트럼 콘텐츠, 약 0.1ms 내지 약 10ms의 지속시간, 및 약 10ms 내지 약 1000ms의 반복률을 갖는 주파수 처프 신호를 선택한다;
(b) 수신 신호에 대한 시간-평균(약 64 내지 약 4096회의 반복) 및 필터(대역 통과, 및/또는 저역 통과 및/또는 고역 통과);
(c) AC 성분만 남도록 수신 신호의 DC 성분을 제거;
(d) 수신 신호와 기준 신호 양쪽 모두에 대한 신호 강도를 정규화하여 가장 강한 성분이 선택된 수, 예를 들어, 1과 같도록 한다.
(e) 수신 신호를 베이스라인 신호와 비교함으로써 수신 신호의 온도 보상을 수행;
(f) 섭동이 예상될 때 또는 정기적인 테스팅 동안에, 온도-보상된 수신 신호와 베이스라인 또는 기준 신호 사이의 차이를 취하여, 선택된 시간 T에서 차이 신호를 형성;
(g) 선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들, 및 시간 단계들로 차이 신호의 STFT를 수행; 및
(h) 각각의 주파수에 대해 시간 영역을 따른 STFT 어레이(1차원 어레이)의 표준 편차를 계산한 다음, 각각의 주파수에서의 이렇게 계산된 1차원 표준 편차 어레이를 합산하여 스칼라를 획득함으로써, 2차원 STFT 어레이로부터 실행가능한 출력(예를 들어, 파이프 교체 또는 수리 등의, 교정 동작이 취해질 필요가 있는지를 결정하는데 이용되는 스칼라 수치)을 계산.
실험적 증거는, 이 절차가, 상이한 모드들이 존재하고, 매체가 균일이지 않으며, 상당한 산란파가 있고, 국소적인 온도 변화 뿐만 아니라 전역적인 온도 변화가 있을 때 온도 효과를 적절하게 보상하면서, 시뮬레이션된 또는 실제의 손상으로 인한 파형 변화에 불요 효과를 거의 미치지 않는다는 것을 보여준다.
도 14는 100 ft의 센서-대-센서 거리에 대해 도 1b에서 설명된 105-ft 길이의 파이프 어셈블리에 대한 누적 국소 체적 손실의 함수로서 정규화된 실행가능한 출력(스칼라)의 그래프이다. 파이프 벽의 체적 손실은 연삭기로 파이프 벽으로부터 재료를 제거함으로써 시뮬레이션되었다. 0.1 내지 0.8 %의 국소적인 체적 손실을 위해, 작은 음영 효과(shadowing effect)와 함께 정사각형의 포켓 형상으로 파이프의 축을 따라 재료가 제거되었다. 마지막 정사각형 포켓에 관해 재료가 원주 방향으로 제거되었을 때 1 % 및 1.2 %에 대한 데이터가 획득되었다. 이 경우 중요한 음영 효과는 관찰되지 않는다. 이들 결과는, 본 방법의 실시예들이 상당한 불균일성(플랜지, 엘보우, 굽힘, 스탠드 연결 등)이 존재하는 장거리에 대해 적용가능하고, 넓은 범위(0.1 내지 1 % 국소적 체적 손실)에 걸쳐 선형이라는 것을 보여준다. 이 예에서 약 0.1 % 체적 손실인 감도 한계는, 온도 변화 및 본 온도 방법의 유효성에 관해 미치는 동작 환경의 영향에 의해 결정된다. 0.1 % 국소적인 체적 손실의 감도 한계는 ± 3℃의 환경 온도 등락에 대해 보존된다. ± 10℃의 온도 변화에 대해, 이 감도 한계는 약 0.5 %로 확장된다.
본 방법의 실시예들은, 베셀, 파이프, 항공기, 철도, 교량, 및 건물 등의 광범위한 설계 구조물을 모니터링하는데 이용될 수 있다.
본 발명의 상기 설명은 예시와 설명의 목적으로 제공되었고, 본 발명을 빠짐없이 철저히 드러내거나 개시된 형태 그대로로 제한하기 위한 것이 아니며, 상기 교시에 비추어 명백하게 많은 수정 및 변형이 가능하다. 본 발명의 원리와 그 실제적 적용을 최상으로 설명함으로써 본 기술분야의 통상의 기술자가 다양한 실시예의 본 발명을 고려중인 특정한 이용에 적합한 다양한 수정을 가하여 최상으로 이용할 수 있도록 하기 위하여, 실시예들이 선택되고 설명되었다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해 제한되어야 한다.

Claims (38)

  1. 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호(chirp signal)들을 생성하는 단계;
    상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ;
    선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 베이스라인 및 모니터링 신호들의 단시간 푸리에 변환들을 수행하는 단계;
    상기 정규화된 모니터링 신호와 정규화된 베이스라인 신호 사이의 차이를 취함으로써, 2차원 윤곽선 맵을 형성하는 단계;
    상기 윤곽선 맵에서 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍(frequency-time mode pair)을 식별하는 단계 ―상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 한 피쳐는 최대 양의 값을 갖고, 상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 대응하는 피쳐는 최대 음의 값을 가짐―; 및
    상기 최대 양의 값과 상기 최대 음의 값 사이의 진폭 차이를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 모니터링 신호를 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 상기 단계 이후에 비교 신호로서 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도 보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제2항에 있어서, 온도 보상을 수행하는 상기 단계는,
    상기 모니터링 신호를 시간의 함수로서 선택된 수의 동등한-지속시간 시간 빈(bin)들로 분할하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 모니터링 신호 및 상기 베이스라인 신호에 대한 상호상관 함수를 계산하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 상호상관 함수의 피크를 위치파악함으로써 각각의 시간 빈에 대한 시간 시프트를 결정하는 단계; 및
    상기 모니터링 신호의 값을 상기 모니터링 신호의 값에 대응하는 각각의 빈에 상기 빈에 대한 상기 시프트된 시간에서 할당함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호가 생성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  4. 제1항에 있어서, 베이스라인 신호를 생성하는 상기 단계와 모니터링 신호를 생성하는 상기 단계 양쪽 모두에 대해 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 수신하는 상기 단계 이후에 상기 수신된 진동 신호들을 필터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 처프 신호들은 1kHz와 1MHz 사이의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 길쭉한 금속 구조물은, 금속 파이프, 금속 파이프 어셈블리, 플랜지(flange), 엘보우(elbow), 티(tee), 리듀서(reducer), 용접부(weld), 베셀(vessel), 저장 탱크(storage tank), 및 저장 용기(storage container)의 길이로부터 선택된 적어도 하나의 구조물을 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 신호는 상기 베이스라인 신호가 생성된 후에 생성되는, 방법.
  8. 제1항에 있어서, 2개의 인접한 파이프 세그먼트에 대한 모니터링 신호에서의 변화를 비교함으로써, 상기 세그먼트들 중 하나 내의 상기 금속 구조물에의 변화들의 국소화가 결정되는 단계를 더 포함하는 방법.
  9. 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호들을 생성하는 단계;
    상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ;
    상기 모니터링 신호와 상기 베이스라인 신호 사이의 차이를 취하여, 차이 신호를 형성하는 단계;
    선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 차이 신호의 단시간 푸리에 변환을 수행함으로써, 시간 및 주파수에서의 2차원 어레이를 형성하는 단계;
    각각의 주파수에 대해 시간축을 따라 상기 단시간 푸리에 변환 어레이의 표준 편차를 계산하는 단계; 및
    상기 표준 편차들을 주파수의 함수로서 합산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  10. 제9항에 있어서, 모니터링 신호를 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 상기 단계 이후에 비교 신호로서 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도 보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 온도 보상을 수행하는 상기 단계는,
    상기 모니터링 신호를 시간의 함수로서 선택된 수의 동등한-지속시간 시간 빈(bin)들로 분할하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 모니터링 신호 및 상기 베이스라인 신호에 대한 상호상관 함수를 계산하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 상호상관 함수의 피크를 위치파악함으로써 각각의 시간 빈에 대한 시간 시프트를 결정하는 단계; 및
    상기 모니터링 신호의 값을 상기 모니터링 신호의 값에 대응하는 각각의 빈에 상기 빈에 대한 상기 시프트된 시간에서 할당함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호가 생성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 베이스라인 신호를 생성하는 상기 단계와 모니터링 신호를 생성하는 상기 단계 양쪽 모두에 대해 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 수신하는 상기 단계 이후에 상기 수신된 진동 신호들을 필터링하는 단계들을 더 포함하는 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 처프 신호들은 1kHz와 1MHz 사이의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는, 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 길쭉한 금속 구조물은, 금속 파이프, 금속 파이프 어셈블리, 플랜지, 엘보우, 티, 리듀서, 용접부, 베셀, 저장 탱크, 및 저장 용기의 길이로부터 선택된 적어도 하나의 구조물을 포함하는, 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 모니터링 신호는 상기 베이스라인 신호가 생성된 후에 생성되는, 방법.
  16. 제9항에 있어서, 2개의 인접한 파이프 세그먼트에 대한 모니터링 신호에서의 변화를 비교함으로써, 상기 세그먼트들 중 하나 내의 상기 금속 구조물에의 변화들의 국소화가 결정되는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호들을 생성하는 단계;
    상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ;
    선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 베이스라인 및 모니터링 신호들의 단시간 푸리에 변환들을 수행하는 단계;
    상기 정규화된 모니터링 신호와 정규화된 베이스라인 신호 사이의 차이를 취함으로써, 2차원 윤곽선 맵을 형성하는 단계;
    상기 2차원 윤곽선 맵에 관해 2차원 자기상관을 수행함으로써 ―제1 차원은 시간이고, 제2 차원은 주파수임―, 2차원 자기상관 맵을 형성하는 단계;
    상기 2차원 자기상관 맵에서 자기상관 마루(auto-correlation crest)들을 마루-마루(crest-crest) 또는 골-골(trough-trough) 상관들로서 식별하고, 자기상관 골(auto-correlation trough)들을 마루-골(crest-trough) 상관들로서 식별하는 단계;
    음의 자기상관 골들만을 이용하여 수정된 2차원 자기상관 맵을 생성하는 단계; 및
    상기 수정된 2차원 자기상관 맵에 대한, 상기 주파수 차원에 관한 적분 결과 및 상기 시간 차원에 관한 표준 편차로부터, 자기상관 산란 표준 편차를 획득하는 단계
    를 포함하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 모니터링 신호를 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 상기 단계 이후에 비교 신호로서 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도 보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계를 더 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 온도 보상을 수행하는 상기 단계는,
    상기 모니터링 신호를 시간의 함수로서 선택된 수의 동등한-지속시간 시간 빈(bin)들로 분할하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 모니터링 신호 및 상기 베이스라인 신호에 대한 상호상관 함수를 계산하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 상호상관 함수의 피크를 위치파악함으로써 각각의 시간 빈에 대한 시간 시프트를 결정하는 단계; 및
    상기 모니터링 신호의 값을 상기 모니터링 신호의 값에 대응하는 각각의 빈에 상기 빈에 대한 상기 시프트된 시간에서 할당함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호가 생성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  20. 제17항에 있어서, 베이스라인 신호를 생성하는 상기 단계와 모니터링 신호를 생성하는 상기 단계 양쪽 모두에 대해 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 수신하는 상기 단계 이후에 상기 수신된 진동 신호들을 필터링하는 단계들을 더 포함하는 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 처프 신호들은 1kHz와 1MHz 사이의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는, 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 길쭉한 금속 구조물은, 금속 파이프, 금속 파이프 어셈블리, 플랜지, 엘보우, 티, 리듀서, 용접부, 베셀, 저장 탱크, 및 저장 용기의 길이로부터 선택된 적어도 하나의 구조물을 포함하는, 방법.
  23. 제17항에 있어서, 상기 모니터링 신호는 상기 베이스라인 신호가 생성된 후에 생성되는, 방법.
  24. 제17항에 있어서, 2개의 인접한 파이프 세그먼트에 대한 모니터링 신호에서의 변화를 비교함으로써, 상기 세그먼트들 중 하나 내의 상기 금속 구조물에의 변화들의 국소화가 결정되는 단계를 더 포함하는 방법.
  25. 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호들을 생성하는 단계;
    상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ;
    비교 신호로서 상기 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 베이스라인 및 온도-보상된 모니터링 신호들의 단시간 푸리에 변환들을 수행하는 단계;
    상기 정규화된 모니터링 신호와 정규화된 베이스라인 신호 사이의 차이를 취함으로써, 2차원 윤곽선 맵을 형성하는 단계;
    적어도 하나의 산란 이벤트를 나타내는 상기 윤곽선 맵 내의 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍(frequency-time mode pair)을 식별하는 단계 ―상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 한 피쳐는 최대 양의 값을 갖고, 상기 적어도 하나의 주파수-시간 모드 쌍의 대응하는 피쳐는 최대 음의 값을 가짐―; 및
    상기 최대 양의 값과 상기 최대 음의 값 사이의 진폭 차이를 계산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  26. 제25항에 있어서, 온도 보상을 수행하는 상기 단계는,
    상기 모니터링 신호를 시간의 함수로서 선택된 수의 동등한-지속시간 시간 빈(bin)들로 분할하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 모니터링 신호 및 상기 베이스라인 신호에 대한 상호상관 함수를 계산하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 상호상관 함수의 피크를 위치파악함으로써 각각의 시간 빈에 대한 시간 시프트를 결정하는 단계; 및
    상기 모니터링 신호의 값을 상기 모니터링 신호의 값에 대응하는 각각의 빈에 상기 빈에 대한 상기 시프트된 시간에서 할당함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호가 생성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  27. 제25항에 있어서, 베이스라인 신호를 생성하는 상기 단계와 모니터링 신호를 생성하는 상기 단계 양쪽 모두에 대해 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 수신하는 상기 단계 이후에 상기 수신된 진동 신호들을 필터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제25항에 있어서, 상기 처프 신호들은 1kHz와 1MHz 사이의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는, 방법.
  29. 제25항에 있어서, 상기 길쭉한 금속 구조물은, 금속 파이프, 금속 파이프 어셈블리, 플랜지, 엘보우, 티, 리듀서, 용접부, 베셀, 저장 탱크, 및 저장 용기의 길이로부터 선택된 적어도 하나의 구조물을 포함하는, 방법.
  30. 제25항에 있어서, 상기 모니터링 신호는 상기 베이스라인 신호가 생성된 후에 생성되는, 방법.
  31. 제25항에 있어서, 2개의 인접한 파이프 세그먼트에 대한 모니터링 신호에서의 변화를 비교함으로써, 상기 세그먼트들 중 하나 내의 상기 금속 구조물에의 변화들의 국소화가 결정되는 단계를 더 포함하는 방법.
  32. 벽 및 외측 표면을 갖는 길쭉한 금속 구조물에서의 변화들을 검출 및 모니터링하기 위한 방법으로서,
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하는 적어도 하나의 음향 전송 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    상기 금속 구조물의 외측 표면과 진동 통신하고 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서로부터 선택된 길이만큼 이격된 적어도 하나의 수신 트랜스듀서를 배치하는 단계;
    선택된 신호 강도, 스펙트럼 콘텐츠, 및 지속시간을 갖는 음향 주파수 처프 신호들을 생성하는 단계;
    상기 처프 신호들을 상기 적어도 하나의 전송 트랜스듀서에 지향시키는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 베이스라인 신호를 생성하는 단계;
    상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 상기 수신 트랜스듀서에 의해 수신하고; 선택된 수의 수신된 진동 신호들을 평균하며; 상기 평균된 수신 신호들로부터 임의의 DC 성분을 제거함으로써, 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 모니터링 신호를 상기 베이스라인 신호에 대해 정규화하는 단계 ―이로써 상기 베이스라인 신호 및 상기 모니터링 신호 각각의 최대 값은 선택된 값과 동일함― ;
    비교 신호로서 상기 베이스라인 신호를 이용하여 상기 모니터링 신호의 온도 보상을 수행함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호를 생성하는 단계;
    상기 온도-보상된 모니터링 신호와 상기 베이스라인 신호 사이의 차이를 취하여, 차이 신호를 형성하는 단계;
    선택된 시간 및 주파수 윈도우 크기들 및 시간 단계들을 이용하여 상기 차이 신호의 단시간 푸리에 변환을 수행하여, 시간 및 주파수에서의 2차원 어레이를 형성하는 단계;
    각각의 주파수에 대해 시간축을 따라 상기 단시간 푸리에 변환 어레이의 표준 편차를 계산하는 단계; 및
    상기 표준 편차들을 주파수의 함수로서 합산하는 단계
    를 포함하는 방법.
  33. 제32항에 있어서, 온도 보상을 수행하는 상기 단계는,
    상기 모니터링 신호를 시간의 함수로서 선택된 수의 동등한-지속시간 시간 빈(bin)들로 분할하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 모니터링 신호 및 상기 베이스라인 신호에 대한 상호상관 함수를 계산하는 단계;
    각각의 시간 빈에 대해 상기 상호상관 함수의 피크를 위치파악함으로써 각각의 시간 빈에 대한 시간 시프트를 결정하는 단계; 및
    상기 모니터링 신호의 값을 상기 모니터링 신호의 값에 대응하는 각각의 빈에 상기 빈에 대한 상기 시프트된 시간에서 할당함으로써, 온도-보상된 모니터링 신호가 생성되는 단계
    를 포함하는, 방법.
  34. 제32항에 있어서, 베이스라인 신호를 생성하는 상기 단계와 모니터링 신호를 생성하는 상기 단계 양쪽 모두에 대해 상기 처프 신호에 응답하여 상기 금속 구조물의 벽에서 생성된 진동 신호들을 수신하는 상기 단계 이후에 상기 수신된 진동 신호들을 필터링하는 단계를 더 포함하는 방법.
  35. 제32항에 있어서, 상기 처프 신호들은 1kHz와 1MHz 사이의 스펙트럼 콘텐츠를 갖는, 방법.
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  37. 제32항에 있어서, 상기 모니터링 신호는 상기 베이스라인 신호가 생성된 후에 생성되는, 방법.
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