CN102105783A

CN102105783A - 腐蚀监测

Info

Publication number: CN102105783A
Application number: CN2009801290136A
Authority: CN
Inventors: 阿尔诺·韦莱姆·弗雷德里克·福尔克尔; 朱斯特·格瑞达斯·皮特瑞斯·布鲁姆; 皮埃特·雅克布斯·吉耶斯波特斯·万比克; 阿元·马斯特
Original assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Current assignee: Nederlandse Organisatie voor Toegepast Natuurwetenschappelijk Onderzoek TNO
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: CA2731796A1; CA2731796C; US9026376B2; EP2304422B1; JP2011529182A; US20110191035A1; BRPI0916304B1; EP2304422A2; RU2011106497A; CN102105783B; WO2010011140A3; RU2501007C2; BRPI0916304A2; WO2010011140A2

Abstract

一种通过使用沿物体的表面传输的超声波来对该表面进行建模的方法，该方法包括以下步骤：沿着沿表面的路径传输超声波；以及确定沿着路径的超声波的传播时间。超声波中至少一些具有S0模式且具有依赖频率的速度。对于达到第一反弯点(BP1)的频率，该速度(c)相对较高，对于处于第一反弯点(BP1)与第二反弯点(BP2)之间的频率，该速度(c)相对较快地下降，对于超出第二反弯点(BP2)以外的频率，该速度(c)相对较低。超声波具有处于第一反弯点(BP1)处或处于该第一反弯点(BP1)下方的频率范围。

Description

腐蚀监测

技术领域

本发明涉及腐蚀监测。更具体地，本发明涉及这样的腐蚀监测，其使用单路径或多路径超声测量，来检查物体如金属管的状况并且通过使用断层射影方法以任选地产生该物体的表现。

背景技术

在于2008年8月20日作为EP 1959229A1、以及于2008年8月28日作为WO 2008/103036A1公布的欧洲专利申请07102653(TNO)中，描述了通过使用断层射影进行腐蚀监测的方法和装置。

在所述欧洲专利申请中，超声信号从发射单元沿物体的表面被发送至接收单元，并且只有直接信号被分析。直接信号是在不以至少小于360°围绕(圆柱形或球形)物体的周边传播的情况下到达接收单元的信号。然而，还可以使用多路径或间接信号，即以多于360°围绕物体周边传播的信号。这导致了接收单元将接收多路径信号的现象，其中多路径信号中的一些围绕物体且与(圆柱形)物体的长度成锐角传播。这样的角度允许更详细地检查某些变质部分，因为不仅可以估计变质部分的宽度(在周向上)还可以估计其长度(在纵向上)。

日本专利申请JP 2007-3537(日立)公开了使用直接声波和间接声波这两者的监测管的方法。所述日本专利申请的图7示出可如何利用以不同角度传播的波。同一专利申请的图3示出了对于不同的波的模式(在具体示示例中为兰姆波(Lamb wave))，即对于A0和S0而言的相对速度(竖直轴)和厚度与频率的乘积的关系的曲线图示。可以看出，代表S0模式的曲线具有两个反弯点(或“拐点”)：第一反弯点，处于相对较低的频率处(在引用的示例中，厚度与频率的乘积约等于2)；第二反弯点，处于相对较高的频率处(在引用的示例中，厚度与频率的乘积约等于3)，这是众所周知的。由于使用非分散的波，因此这必须是具有均匀速度(图10)的SH0模式。然而，也使用分散校正，这意味着S0模式的速度与SH0模式的速度相等。

因此，可从所述日本专利申请中得出这样的结论，建议的工作范围处于第二折弯点处或处于其附近，并且该工作范围由S0模式(图3)的曲线与代表SH0模式(图10)的(基本水平的)线的交点给出。以下对此进行了证实：日本专利申请提到500kHz(＝0.5MHz)的频率和6mm的厚度，其导致3MHz.mm的频率乘以厚度的值并且与第二反弯点准确对应。

然而可以证明，在一些应用中，处于第二折弯点处的频率经历极高的衰减，因而使现有技术的监测方法在那些应用中实际上无用。当监测填充有液体的管或容器时，尤其是这样，因为液体抵抗压缩并因此引起非常高的衰减。

发明内容

本发明的一个目的是克服现有技术的这些和其它问题，以及提供用于超声监测和/或建模的方法和系统，其甚至当用于填充有液体的管或容器时在其工作范围内没有高衰减。

因此，本发明提供一种通过使用沿物体的表面传输的超声波来对该表面进行建模的方法，该方法包括以下步骤：

·沿着沿表面的路径传输超声波；以及

·确定沿着路径的超声波的传播时间，其中，超声波中至少一些具有S0模式且具有依赖频率的速度，对于达到第一反弯点的频率，该速度相对较高，对于处于第一反弯点与第二反弯点之间的频率，该速度相对较快地下降，对于超出第二反弯点以外的频率，该速度相对较低，该方法的特征在于，超声波具有处于第一反弯点处或处于第一反弯点下方的频率范围。

通过使用处于第一反弯点处或处于该第一反弯点下方的频率范围，实现了显著更低的衰减，并且仍保持现有技术方法的优点。因此，避免了现有技术的极高的衰减，并且该方法可用于填充有液体的物体如管或容器。此外，通过使用处于第一反弯点处或处于该第一反弯点下方的操作范围，曲线在反弯点间的陡峭部分被用于实现对于物体(通常为但不限于管或容器)的壁厚度变化的最高敏感度。

应注意，上述的频率范围可具有相对较窄的带宽，并且因此可被称为频率而不是频带。在实践中，一般使用包括多重频率的频率范围。频率范围的优选带宽小于150kHz，更优选地小于120kHz，但是也可以使用具有小于100kHz例如为50kHz的带宽的频率范围。

虽然根据本发明所使用的频率(范围)可取决于管或容器的壁厚度，但是频率与厚度的乘积优选地小于大致2MHz.mm(或kHz.m)，在壁厚度为6mm时，意味着频率范围小于约0.33MHz。因此，选择频率范围以使得处于所述频率范围中的壁厚度与频率的乘积等于或小于2.0MHz.mm。

超声波优选地包括脉冲波。进一步优选地，超声波包括导波和/或瑞利波(Rayleigh wave)。

当一些信号路径围绕物体的周边至少一次而延伸从而导致超声波多重到达某些传感器单元时，本发明的方法特别有利。

超声信号可被用于监测和/或用于建模，例如通过使用断层射影方法进行建模。

此外，本发明提供用于执行如上文所限定的方法的计算机程序产品。计算机程序产品可包括存储在数据载体如CD或DVD上的一组计算机可执行指令。允许可编程的计算机执行如上文所限定的方法的该组计算机可执行指令还可用于例如通过互联网从远程服务器下载。

本发明还提供处于S0曲线的第一反弯点处或处于该第一反弯点下方进行操作的装置。更具体地，本发明提供一种用于通过使用沿物体的表面传输的超声波来对该表面进行建模的装置，该装置包括：

·第一传感器和至少一个第二传感器，第一传感器和每个第二传感器限定沿表面的路径；

·传输单元，用于将超声波从第一传感器沿路径传输至每个第二传感器；以及

·处理单元，被设置为用于确定超声波沿路径的传播时间，

其中，超声波中至少一些具有S0模式且具有依赖频率的速度，对于达到第一反弯点的频率，该速度相对较高，对于处于第一反弯点与第二反弯点之间的频率，该速度相对较快地下降，对于超出第二反弯点以外的频率，该速度相对较低，该方法的特征在于，超声波具有处于第一反弯点处或处于第一反弯点下方的频率范围。

本发明还提供用于对物体进行监测的系统，该系统包括如上文所限定的装置，其中，物体优选地为管路，更优选地为用于输送液体的管路。

附图说明

在下文中，将参照附图所示的示例性的实施方式对本发明进行进一步地解释，其中：

图1示意性地示出一物体，根据本发明对该物体的表面建模；

图2示意性地示出可根据本发明产生的3维物体模型；

图3示意性地示出可根据本发明产生的2维物体模型；

图4示意性地示出对于本发明中使用的超声波的几种模式的超声波的速度和频率与壁厚度的乘积之间的关系；

图5示意性地示出图4的S0模式关系以及作为频率与壁厚度的乘积的函数的衰减；

图6A和图6B示意性地示出本发明中使用的超声脉冲；以及

图7示意性地示出根据本发明的表面建模装置。

具体实施方式

在图1中仅作为非限制性示例示出的管2包括待建模的表面3。在示出的示例中，表面3具有例如可能因碰撞而形成的凹陷部6。通过对表面3适当地建模，可确定凹陷部6的范围和(相对)高度。

第一传感器单元4和第二传感器单元5安装在管2上且位于表面3两侧。尽管第一传感器单元和第二传感器单元二者均可能能够发送且接收超声波，但是在本发明中，第一传感器单元4用于发送超声脉冲波，而第二传感器单元5用于接收这些波。传感器单元本身可以是已知单元且可以是压电单元。

由第一传感器4产生的脉冲波或脉冲具有例如为几微秒(μs)的限定持续时间。实际的持续时间可取决于具体应用，例如传感器单元的尺寸和彼此的距离。传感器的数量可以变化。应提供至少一个第一传感器4和至少一个第二传感器5，但是优选地使用多个第二传感器5，例如两个、3个、4个、8个或更多第二传感器5。使用多个第二传感器5导致供脉冲波传播的多个路径并且因此导致表面的改善的建模。类似地，优选地使用多于一个的第一传感器4。在图2和图3的示例中，使用8个第一传感器4和8个第二传感器5，但是本发明不限于这些具体数量。多个第一传感器和/或第二传感器的传感器优选地均匀间隔开，但是这并非必需。

图2中示出示例性3维模型，并且在图3中以2维模型示出供脉冲波传播的路径。图2的3维模型70基于图3的2维模型72。

图2的模型70代表管的(外)表面，例如图1的管2的(外)表面。x轴和y轴在管状模型的横截面中延伸，并且z轴在其纵向上延伸。该示例的量纲设置为米(m)。图2的3维模型实际上图1的物体2的重建。3维重建本身在断层射影领域中是已知的。

在图2中建模的表面在一组第一传感器4与一组第二传感器5之间延伸。路径71在每个第一传感器4与每个第二传感器5之间延伸。脉冲沿这些路径的传播时间与路径的长度成比例。沿平滑、笔直的表面延伸的路径比横过图1的凹陷部6的路径断。因此，沿这些路径的传播时间不同，并且脉冲以不同时间到达。

模型将计算脉冲沿各种路径的到达时间。如果模型最初假设所有路径具有相等长度，则对于横过凹陷部6的路径而言，将出现测量的传播时间与计算的传播时间之间的差异。可通过调整模型来补偿该差异。模型的初始值可基于实际物体(如管)的测量和/或基于理论的考虑。

在图3的2维示例中，水平轴沿管状模型的周边R延伸，并且z轴在其纵向上延伸。量纲设置为米(m)。

在图3中可以看出，第一传感器4和第二传感器5沿模型的周边均匀间隔开。由第一传感器产生的脉冲将由第二传感器探测到。到达时间、因此传播时间至少大致地对应于在每个第一传感器4与第二传感器5之间延伸的成组路径71。为了附图的清晰，在图3中仅示出一组这种路径71。

如上所述，模型包括关于物体的表面(图1中的3)的信息。该信息可包括以多个点代表表面的(相对或绝对)高度的一组值。如图1所示，在凹陷部6处的表面高度小于第一传感器4处的表面高度。为了对表面准确地进行建模，需要大量的表面点，例如需要成百甚至成千的表面点。

通过将脉冲的传输时间从其到达时间中减去来确定测量的传播时间。一般通过及时记录激活信号发送至第一传感器单元的点来确定传输时间，而一般通过及时记录从第二传感器单元接收探测信号的点来确定到达时间。

然后，将计算的传播时间与测量的传播时间相比较，并记录任何差异。然后使用本身可能是已知的优化程序来优化模型，使得差异被去除。适合的已知优化程序为列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)程序以及高斯-牛顿(Gauss-Newton)程序。

在本发明的方法中，优选地使用表面波。表面波具有这样的优点，即每个脉冲获得路径的而不只是点的信息。已经发现，瑞利波(Rayleigh wave)是非常适合的表面波，因为其遵循表面。因此，它们的传播时间提供关于表面结构的非常准确的信息。

然而，导波也是非常适合的，特别是当需要不仅与表面有关且还与物体的壁厚度有关的信息时。具体地，使用导波的有利分散(dispersive)行为：给定频率，波的传播速度取决于壁厚度。因此，任何测量的速度的改变指示壁厚度变化。还可以结合使用瑞利(脉冲的)波与表面(脉冲的)波的结合。

在图3中还示出，一些超声波路径71从第一传感器4直接延伸至第二传感器5，因此采取了传感器单元之间的最短线路。其它路径在到达传感器单元5之前有时以大于360°围绕物体的周边行进。在图3中，通过路径71’对此进行了示出，其中路径71’作为路径71”延续并且以超过大于360°围绕物体的周边延伸(应注意，图3的2维表面模型72是图2的3维表面模型70的表示，其代表基本上为圆柱形的表面)。可以看出，(间接)路径71”与(直接)路径71相同的传感器单元5：传感器5从多路径接收超声波。

在物体表面上传播的超声波的速度取决于各种因素，包括波的频率、物体的厚度(当表面是物体的壁的表面时，速度取决于壁厚度)、以及波的具体模式如对称(S)模式和非对称(A)模式。在图4中，对于各种模式，即对于对称模式S0和S1、非对称模式A0和A1、以及陡峭(sheer)模式SH0，速度(单位m/s)被表示为频率f和(壁)厚度d的乘积(单位MHz.mm)的函数。存在其它模式，但其与本发明不太相关，因此从图4中略去。

可以看出，可以说S0模式的曲线图包括3个部分：第一部分，大致处于fxd＝0与fxd＝2之间(在本示例中)，在该部分，速度c相对较高；第二部分，大致处于fxd＝2与fxd＝3之间(在本示例中)，在该部分，速度相对较快地下降；以及第三部分，大致处于fxd＝3上方(在本示例中)。将这些部分分离的点在图4中被指示为反弯点BP1和BP2：在第一反弯点BP1下方，速度相对较高(在示出的示例中大致为5800m/s)；在反弯点BP1与BP2之间，速度相对较快地下降；并且在第二反弯点BP2上方，速度相对较低(在示出的示例中大致为3000m/s)。如上所述，JP 2007-3537的现有技术方法使用处于第二反弯点或拐点BP2处的频率。本发明人发现，这种频率选择并不适合于容纳液体的物体，如容纳油或水的管或容器，因为对于有用的方法来说处于该频率处的衰减过高。将参照图5对此进行说明。

图5示意性地示出S0模式的曲线图以及衰减α(单位dB/m)的曲线图。可以看出，衰减α在第二反弯点BP2处大致等于75dB/m。在事件中，这意味着到达传感器单元5的超声波的能量可忽略不计，使得对其的探测极为困难，如果不是不可能探测的话。

相比之下，本发明建议使用处于第一反弯点BP1处或处于第一反弯点BP1下方的频率(或频率范围)。从图5中可以清晰地看出，处于在该频率处的衰减小于18dB/m，因而提供了57dB/m的改善。因此，根据本发明的方法和装置还可用于填充有液体的物体。

应注意，用语“反弯点”和“拐点”在该文件中可互换使用。在严格的数学意义中，图5中S0曲线的反弯点BP1和BP2不是拐点：所示的S0曲线具有位于反弯点BP1与BP2之间半路处的单一拐点。该(数学的)拐点是曲线斜率从增加改变为减少的点。然而，反弯点BP1和BP2还可被称为“拐点”，因为在这些反弯点处曲线改向或拐曲。事实上，S0曲线这些反弯点处具有最大曲率。

可以从图5中看出，第一反弯点BP1位于fxd＝2(MHz.mm)处。由于图5的曲线图基于6mm的壁厚度，所以相应的频率是0.33MHz＝330kHz。因此可以说(给定6mm的壁厚度)本发明使用的频率至多为大致330kHz，例如330kHz、300kHz或250kHz，但是还可以使用更低的频率。通过使用这样的频率，由填充有流体的物体引起的衰减显著减少。

为了进一步改善物体的建模，可使用波形校正来校正分散的波。在图6A和图6B中对此示例性地进行了示出，其中图6A示出初始脉冲81(粗线)及其失真的对应脉冲82(细线)，而图6B示出重建脉冲83。

在图6A中，与原始脉冲81相比，脉冲82被示出为由于分散而失真：脉冲的初始相位关系丢失，并且脉冲最终散开。这使得脉冲的到达时间及因此其传播时间的确定比较不准确。当使用如图3所示的多路径时这尤其是关联的。

可通过任选地应用波形校正来避免由于分散而导致的准确性损失。在国际专利申请WO 2008/103036(TNO)中，通过将失真的脉冲的频谱与频域校正系数的相乘来实现该波形校正(相校正)。在校正后，如图6B所示，脉冲的相被恢复，因此脉冲的形状被恢复。该恢复的脉冲波83允许对其传播时间进行准确探测。

在图7中示出用于对物体的表面进行建模的装置。装置1包括处理单元(PU)10、存储单元(11)、传输单元(TU)12和显示单元(DU)13。处理单元10优选地包括微处理器，该微处理器能够执行体现本发明的方法的软件程序的指令。存储单元11可存储该软件程序以及包括成组的表面点值在内的模型参数。显示单元13优选地包括显示屏，该显示屏能够显示模型，具体是图2所示类型的重建。传输单元12能够在处理单元10的控制下产生脉冲传输信号，该脉冲传输信号被馈送给第一传感器4。此外，传输单元12能够接收由第二传感器5产生的脉冲探测信号并将适合的脉冲探测信息馈送给处理单元10。

传输单元12可被设置为用于例如通过使用射频(RF)通信或红外通信与传感器4和传感器5进行无线通信。此外，处理单元10可被设置为用于应用波形校正(去污(de-smearing))。用于波形校正的适合程序步骤可存储在存储单元11中。

根据本发明，传输单元12和传感器单元4和5被设置为用于以处于S0曲线图的第一反弯点(图4和图5中的BP1)处或处于该第一反弯点下方的频率进行操作。

可以理解，本发明不限于管或管子，还可被应用于其它物体例如船体、飞机机身、车身、坦克装甲(的部件)的表面或壁上或其它表面或壁结构例如储油罐、杆、钢桥、和建筑中的金属结构。

本发明基于这样的见解，即处于S0模式曲线的第一反弯点(“第一拐点”)处或处于该第一反弯点下方的频率涉及比处于第二反弯点(“第二拐点”)处的频率的衰减显著小的衰减，因此更适用于测量。本发明特别适用于但当然不限于多路径应用。换句话说，本发明还可用于单路径应用中。

应注意，本文件中使用的任何用语不应解释为对本发明的范围的限制。具体地，词语“comprise(s)(包括)”和“comprising(包括)”并不意味着排除未具体说明的任何元件。单一单元可由多个单元或由其等价物取代。

本领域技术人员可以理解，本发明不限于以上所述的实施方式，并且可在不违背由所附的权利要求书所限定的本发明的范围的情况下对本发明进行许多修改和添加。

Claims

1.一种通过使用沿物体(2)的表面(3)传输的超声波来对所述表面进行建模的方法，所述方法包括以下步骤：

·沿着沿所述表面(3)的路径传输所述超声波；以及

·确定沿着所述路径的超声波的传播时间，其中，所述超声波中至少一些具有S0模式且具有依赖频率的速度，对于达到第一反弯点(BP1)的频率，所述速度(c)相对较高，对于处于所述第一反弯点(BP1)与第二反弯点(BP2)之间的频率，所述速度(c)相对较快地下降，对于超出所述第二反弯点(BP2)以外的频率，所述速度(c)相对较低，

所述方法的特征在于，所述超声波具有处于所述第一反弯点(BP1)处或处于所述第一反弯点(BP1)下方的频率范围。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述频率范围以使得壁厚度与处于所述频率范围中的频率的乘积等于或小于2.0MHz.mm。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述频率范围具有小于150kHz且优选地小于120kHz的带宽。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，所述超声波是脉冲波。

5.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述超声波是导波或瑞利波。

6.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述物体(2)具有周边，并且其中，一些路径围绕所述周边至少一次而延伸。

7.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述物体(2)是用于输送优选地为油或水的液体的管。

8.根据前述权利要求任一项所述的方法，其中，所述物体(2)是用于存储优选地为油或水的液体的容器。

9.一种计算机程序产品，其用于执行根据前述权利要求任一项所述的方法。

10.一种用于通过使用沿物体(2)的表面(3)传输的超声波来对所述表面进行建模的装置(1)，所述装置包括：

·第一传感器(4)和至少一个第二传感器(5)，所述第一传感器和每个第二传感器限定沿所述表面(3)的路径；

·传输单元(12)，用于将所述超声波从所述第一传感器(4)沿所述路径传输至每个第二传感器(5)；以及

·处理单元(10)，被设置为用于确定所述超声波沿所述路径的传播时间，

其中，所述超声波中至少一些具有S0模式且具有依赖频率的速度，对于达到第一反弯点(BP1)的频率，所述速度(c)相对较高，对于处于所述第一反弯点(BP1)与第二反弯点(BP2)之间的频率，所述速度(c)相对较快地下降，对于超出所述第二反弯点(BP2)以外的频率，所述速度(c)相对较低，

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述频率范围被选择以使得壁厚度与处于所述频率范围中的频率的乘积等于或小于2.0MHz.mm。

12.根据权利要求10或11所述的装置，所述装置具有小于150kHz且更优选地小于120kHz的带宽。

13.根据权利要求10、11或12所述的装置，其中，所述超声波是脉冲波，优选地是导波或瑞利波。

14.根据权利要求10-13任一项所述的装置，还包括用于对所述表面的模型进行显示的显示单元(13)。

15.根据权利要求10-14任一项所述的装置，还包括用于对所述表面(3)的模型进行存储的存储单元(11)。

16.一种用于对物体进行监测的系统，所述系统包括根据权利要求1-15任一项所述的装置(1)，其中，所述物体优选地为管路，更优选地为用于输送液体的管路。