專利名稱：檢測和表征介質(zhì)的聲學方法和裝置的制作方法
1t測和表征介質(zhì)的聲學方法和裝置
背景技術(shù)：
音波共振技術(shù)(ART)是一種提供聲波能量產(chǎn)生共振的技術(shù)。如果一塊平 板或者一根管道受到聲波能量脈沖的作用，且該聲波能量所包含的帶有一定頻 率的波動分量具有與平板厚度或，壁厚的兩倍或M倍相對應的波長，那么， 這些頻率將穿過平板或管壁產(chǎn)生駐波。當脈沖結(jié)束時，將檢測到再輻射共振能
量，特別是用于與平板有一定距離的水下測音器。
需要理解的是，本發(fā)明所描述的內(nèi)容中，術(shù)語"容器"包括任何能夠把一 種介質(zhì)限定在其周圍的裝置，例如一種管道線，其被設(shè)計成用來傳輸油、氣或 者其他能夠被管道裝置傳輸?shù)慕橘|(zhì)。
特別的，應用在聲波能量脈沖中的頻率將會比傳，聲波技術(shù)產(chǎn)生的頻率 要低十倍或者更低，因此具有穿透分層材料并描述不同介質(zhì)特征的能力。平板 或管壁兩側(cè)的介質(zhì)都會詢多影響受聲波作用返回的能量的"共振部分"和全反射 能量中的能量含量。海底氣管線典型的的外部介質(zhì)是海水，而在管線內(nèi)部的介 質(zhì)可能是氣體、冷凝物或者有時候是水化物。這些內(nèi)部介質(zhì)的聲學特性會導致 ，受聲學能量的聲波影響而產(chǎn)生的返回的聲學能量發(fā)生變化。
目前，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)氣體、7K化物和冷凝物的聲阻抗各不相同，返回共振
能量至少在三種情況下表現(xiàn)出不同的性質(zhì)就^M5i在容器例如管道中的不同
位置的氣體、水化物和冷凝物，用來決定介質(zhì)的種類。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種解決方法，M響應于換能器向容器發(fā)射的一定寬頻帶的
聲波信號來識別從容器(的壁)發(fā)射的聲波信號的特定特征，來檢測容器特別
是W中的水化物沉淀物或者冷凝物的存在。 本發(fā)明提供的方法參見獨立權(quán)利要求l。 本發(fā)明提供的裝置參見3te權(quán)利要求2。


圖l是測量情況的簡圖，換能器向輸氣管壁的一部分鄉(xiāng)聲波能量。相比于氣體在管道內(nèi)的情況，當水化物在管道內(nèi)時，由該管道內(nèi)部反射的能量是不 同的；
圖2是一刊氏頻換能器元件的湖信號的時間序列的實施例，x;
圖3是一個低頻換能器元件的RI寸信號的時間序列的實施例，y;
圖4是一4M氐頻換能器元件的反射信號的時間序列的實施例，z;
圖5是一個所有換能器元件放在一起的"尾狀"波譜；
圖6是一個所有換能器元件放在一起的反射頻譜；
圖7是一 現(xiàn)本發(fā)明的算法應用在樣本頻譜上的實例的曲線亂
圖8是一個表現(xiàn)本發(fā)明的進一步算法應用在樣本頻譜上的實施例的曲線
圖9表明4頓水化物檢測單元作為固定安裝設(shè)施的選擇； 圖10表明將水化物檢測單元安裝在ROV上的選擇； 圖11表明將水化物檢測單元安裝在手持單元上的選擇。 反射頻譜這種頻譜是在第一反射脈沖的第一能量達至嗾收器之前計算從 數(shù)字n開始的一個時間串的一部分使用FFT后得到的結(jié)果。數(shù)字n取決于脈沖 和應用的AD轉(zhuǎn)換器。圖4給出了一個例子，其中垂直的(紅色)實線表示FFT
、"尾部"頻譜這種頻譜是計算包含從管壁發(fā)出的共振能量的時間串的一部 分的的FFT結(jié)果。該FFT在第一反射脈沖之后開始計算，從該第一反射的最大 值開始計數(shù)數(shù)字n。該數(shù)字n取決于脈沖和應用的AD換能器。圖5和圖6給出 了例子，其中垂直的(紅色)實線表示FFT的極限。
兩種頻譜都能很容易地由第一全反射達到接收換能器中產(chǎn)生，但也是將 FFT算法應用在第二次、第三次和接下來的信噪比在肖餱受的范圍內(nèi)的反射信 號上的結(jié)果。
具體實施例方式
一條時間線顯示返回信號包括表示從容器的前壁發(fā)出的多個反射的能量， 此外，還有從具有對邊界的各個側(cè)面為不同聲阻抗的材料之間的其他邊界發(fā)出 的其它聲波能量。同時還包括在聲 過程中在管壁內(nèi)部建立并且隨后從邊界 再輻射的可能的共振能量。
從容器返回的聲波信號是隨時間變化的時間信號，圖4—6給出了實例，通過將FFT算法應用在從前壁發(fā)出的第一反射的一部分來處理該時間信號，目的
^E這部分時間信號轉(zhuǎn)為頻譜。
進一步得至啲頻譜叫做"皿頻譜"或"尾部頻譜"，這取決于FFT應用 到的隨時間變化的信號的那部分。
為了確定髓中的氣體、冷凝物或7]C化物的存在，將一個或多個算法應用 已經(jīng)得到的頻譜或多個頻譜上，如前面建議的。這些算法被設(shè)計自來從"反 射頻譜"或"尾部頻譜"中計算和求出特定參數(shù)和相應值，而且用這些參數(shù)的 結(jié)果tK確定位于管道內(nèi)進行測量的特定位置處的介質(zhì)的類型。這些算法可以 應用在信號測量上，或者應用到通過應用涉及一些觀懂作為輸入的對比和過濾 技術(shù)獲得的結(jié)果反射頻譜和"尾部"頻譜。
本發(fā)明提供了一種檢測在容器的選定區(qū)域上的管道線內(nèi)的氣體7K化物的方
法，其特征在于包括
1) 在討論的觀賦區(qū)域中產(chǎn)生包含頻率分量的寬頻帶電、漏信號；
2) 將所述寬頻帶電、 信號轉(zhuǎn)化成寬頻帶聲波信號； 3 ) 將所述寬頻帶聲波信號傳送到被測目標；
4) 接收被測目標響應所述寬頻帶聲波信號而發(fā)出的聲波響應信號； 5 ) 將所述目標發(fā)出的所述聲波響應信號轉(zhuǎn)換成電子接收信號；
6) 調(diào)M^述接收信號；
7) 分析所述調(diào)整的接收信號以得出所述調(diào)整的接收信號的信號能量的 頻譜分配；
8) 應用算法，并基于所應用的算法推導出的值將，內(nèi)的介質(zhì)分成"氣 體"、"冷凝物"或"水化物"。
為了存儲觀懂結(jié)果用于后續(xù)處理，例如，用于后面計劃和開展相似的研究， 上述方法也包括存儲不同分類過程的結(jié)果。這意味著儲存由接收傳感器記錄的 兩個時間串、計算出的反射頻譜和"尾部"頻譜、以及被應用算法的計算值，
和分類，如"氣體"、"水化物""和"冷凝物"，該分類是與每次測量都有聯(lián) 系的最終結(jié)果。
此外，給操作人員或監(jiān)測人員一個結(jié)果的即時表示也是本發(fā)明的優(yōu)點，例 如，既能夠監(jiān)測結(jié)果質(zhì)量，又能根據(jù)結(jié)果立即決定進行任何所需要的測量。因 此，本方法也包括給出與作出適當行為的表示相聯(lián)系的結(jié)果的步驟。寬頻帶激勵信號可以典型的在電子信號發(fā)生器的幫助下產(chǎn)生，這個信號發(fā)生器可被設(shè)置用于適當?shù)男盘栃问胶托盘枏姸龋詈糜杀O(jiān)測返回信號的控制單^it行設(shè)置。合適的激勵信號具有以下特征
' 信號分裂成一些獨立的激勵脈沖；
每個單獨的激勵脈沖具有覆蓋討論的全部頻率范圍的頻率容量的任何形
式；
脈沖形式的實施例包括sin(x)/x，線性調(diào)頻脈沖，瞬時和白噪聲；每個單獨的激勵脈沖的持續(xù)時間都是可調(diào)整的，這樣就不會干擾來自需要
被觀糧的物體的湖信號(響應)；
調(diào)整每次激勵脈沖之間的時間間隔以使來自結(jié)構(gòu)件的反射脈沖降到低于給定的水平；
調(diào)整每個單獨的脈沖中的功率能量， 在給定限制內(nèi)自動調(diào)整，直到反射信號中的功率達到期望水平；
ffiil控制單元中的軟件來控制脈沖的特征參數(shù)。
在例如管道的物體受聲波的作用時，被通過寬頻帶聲波脈沖信號，典型的根據(jù)本發(fā)明的方法接收和處理的返回信號具有以下特征信號主要由"初級反射"和"尾部"兩個部分組成；
"初級反射"和"尾部"兩個部分的任何一個都離多表征管道內(nèi)部的介質(zhì)特
征；
計嶽/UI行的分析和計算的軟件基于給定的標準來確定目信號和"尾部"信號中的哪一部分在表征將要被分析的管道內(nèi)的介質(zhì)的特征中是設(shè)定的重要性；
M31控制發(fā)射功率和/或調(diào)整接收至啲返回信號的放大f織，返回信號中用于表征的那部分的功率龜平被采用于以AD轉(zhuǎn)換器的測量范圍；由lt體發(fā)明的優(yōu)點在于M軟件的自動控制(自動距離修正)執(zhí)行接收至啲返回信號的振幅。本發(fā)明的方法進行信號處理和介質(zhì)表征包括以下步驟4頓FFT (快速傅立葉變換)計算返回信號的期望用在介質(zhì)表征的那部分；基于FFT，形成描艦回信號中能量內(nèi)容的育g量頻譜作為頻率的函數(shù)；應用一個或多個展開的算法到被計算的一個或多個能量頻譜；然后 內(nèi)的特定位置的介質(zhì)被表征為"氣體"、"水化物"或者"冷凝物"；
7為進一步提高測量，可以選擇地連同能量考慮一起或者單獨地分析響應信 號中的相位。
本發(fā)明還提供一種檢測或表征位于容器目標的一部分中的介質(zhì)的設(shè)備，該 介質(zhì)在所容器的選定的部分上要被測量，其特征在于包括
1) 信號發(fā)生器，產(chǎn)生寬頻帶電子、WM言號；
2) 寬頻帶傳感器，包括至少一個換能器，其將電子激勵信號轉(zhuǎn)換成聲 波激勵信號，傳送所述聲波激勵信號，接收聲波響應信號并將該聲波響應信號 轉(zhuǎn)換成電子接收信號；
3) M裝置，對接收信號進fiH周節(jié)和頻譜分析；
4) 計算裝置，將檢測或表征算法的至少一種應用于，裝置的輸出， 由lt該征該介質(zhì)為"氣體"、"水化物"或者"冷凝物"；以及
5) 控制裝置，可操作地連接所述信號源、傳感器、處理裝置和計算裝 置，用于對它們進行控制。
為了存儲測量結(jié)果，該設(shè)備還要包括一個或多個連接到所述控制裝置和計 算裝置的登記裝置。多個不同設(shè)備可以用于保存結(jié)果，例如光盤存儲裝置、機 器可讀紙打印輸出、穿孔帶以及類似的設(shè)備。
為了讓例如操作人員或監(jiān)測人員能觀察信號處理、算法的應用等不同階段 的結(jié)果，該設(shè)備還包括一個或多個與控制裝置和計算裝置連接的數(shù)據(jù)輸出裝置， 其中計算裝置用來處理和表^i十算得到的介質(zhì)特征。
能夠?qū)崿F(xiàn)上述目的的輸出裝置可以是例如紙打印機、具有陰極射線管類型、等 離子體類型、液晶 或相似類型的彩色或單色再現(xiàn)的顯示屏幕。
換能器和提供激勵信號或接收聲波返回信號的構(gòu)itM:以下被描述
換能器元件，適合只能發(fā)送或只能接收，或者既能發(fā)送也能接收；
如果需要，能夠在多個換能器傳感器中進行選擇以在一個被選定的元件上 發(fā)送，在另一個部件上接收；
激勵脈沖能夠被同時發(fā)送到多個換能器傳感器的所有元件，或者只能給發(fā) 送到選定的換能器元件；
控制系統(tǒng)中的軟件能夠控制' 轉(zhuǎn)換器的配置；
因此，發(fā)出激勵信號的第一換能器裝置和接收返回信號的第二換能器裝置 育灘合成為單——^H奐能器體。
8以下將詳細介紹本發(fā)明的算法算法l:
現(xiàn)在將結(jié)合圖6進1，軍釋算法1 。如圖6所示，這個算法用于鄉(xiāng)頻譜并且計算第n個最大值和相應的最小值之間的比率，其中該最小值就在反射頻譜中
第n個最大值的左側(cè)。然后其針對表征不同介質(zhì)的預設(shè)范圍，檢查結(jié)果值。Al=nMax/nMin算法2;
將結(jié)合圖6進fi^軍釋算法2。如圖6所示，這個算法用于反射頻譜并計算反射頻譜的第n個最大值禾嗨(n-k)個最大值之間的比率，其中k是l到n中的值。這個比率是頻譜的一部分的一種梯度。然后針對表征在特定 中的不同介質(zhì)的預置數(shù)字范圍，檢查該比率。
A2=nMax/(n-k)Min
算法3:
將結(jié)合圖5進^l 釋算法3。如圖5所示，本算法應用在"尾部"頻譜中，并基于管壁厚度的知識計算在第n次諧波的預設(shè)值與從"尾部"頻譜中提取的實際值之間的差值，并且比較該差值與表征在特定管道中的不同介質(zhì)的頻移的預設(shè)范圍。
A3《理論值-fn測量值
算法4:
將結(jié)合圖5進行解釋算法4。如圖5所示，本算法應用在"尾部"頻譜中，計算"尾部"頻譜的n個諧波的能級，并將結(jié)果值與表征在特定管道中的不同可能介質(zhì)的預設(shè)范圍值進行比較。
A4-S能級(fn) 其中11=0丄*",最大諧波
算法5:
將結(jié)合圖5和圖6進纟，軍釋算法5。如圖5和圖6所示，本算法應用在RM頻譜或者"尾部"頻譜上，并計算在多個連續(xù)的反射頻譜或者"尾部"頻譜上的應用算法l、 2、 3或4所得到結(jié)果的標準偏差，比較該結(jié)果與表征不同介質(zhì)的預設(shè)范圍值。
A5=STDEV(ANm) 其中N=l,2,3或4，且m是計算標準偏差的結(jié)果值算法6:將結(jié)合圖5和圖6進行解釋算法6。如圖5和圖6所示，本算法應用在則寸 頻譜，"尾部"頻譜或應用在這兩種頻譜上，并合并2個或多個上述的算法，例 如
A6=A1+A2
實例
結(jié)合圖l、圖6 、圖8和圖9進^l軍釋本實例。如圖l，應用寬頻帶聲波換 能器以測量含有氣體、冷凝物和水化物的不同髓部分。在如圖6所示的調(diào)節(jié) 信號以得到反射頻譜之后，把11=10(110.1)和11=11(110.2)應用到算法八1，把11=11 和1^5(no.3)應用到算法A2 ，結(jié)果在圖8和圖9中被示出。
氣體水化物檢測^W 1
將結(jié)合圖9進纟， 釋選擇1 。在氣體管道內(nèi)的預先確定的位置安裝組合的換 能器和電子模塊(雌包括信號處理)，討論中如石油公司所限定的那樣。固定 安裝將為石油公司提供關(guān)于在早期階段檢測水化物建立的有價值的信息，這樣 能夠進行調(diào)整措施，例如注入甲醇以避免水化物堵塞發(fā)展到妨礙氣體流動的程 度。
育,通過例如海水電池提供動力給換能器模塊，盡管更好方案是從通過調(diào) 查船降低的通信模土央感應供電，或者從被稱為AUV的自主式7jCF航行器感應供 電，或者從被稱為ROV的遙控運輸工具感應供電。觀察船、AUV或ROV與固 定換能器模i央之間的優(yōu)M信通?？梢允菬o線通信，通過^ffl被稱為ELF的極 低頻率通信。
氣體水化物檢測^ 2
將結(jié)合圖10進fi^ 釋選擇2。用于掃描(Mii^續(xù)并且變化的循環(huán)速率) 和識另何能的水化物阻塞的一種4繼方法是^f柳在管道頂端鵬f的ROV。該 ROV將具有安裝的傳 ，該傳^l包括具有一個或多個換能器的換能器陣列， 該陣列被布置成可以覆蓋管道圓周的預先確定的部分。數(shù)據(jù)被發(fā)《過對于信 號處理頂測的臍帶的ROV。換能器與管道線之間的繊巨離不是至關(guān)重要的，可 以優(yōu)選在50mm至300mm之間。
氣體水化物檢測^^擇3
將結(jié)合圖11進fi^釋選擇3。換能器和電子模塊能夠與傳輸音波信號的波導裝置結(jié)合在一起，并且觀察員自由用在例如煉油廠里暴露在7jC化物中的魏。
這個單元需要與魏接觸。擁喊專利N0314554描述了一種更雌的波導設(shè)計。
通過包含在手持單元中的處理，執(zhí)行信號處理，且能夠在現(xiàn)場實時地顯示結(jié)果。
權(quán)利要求
1、一種檢測或表征包含在結(jié)構(gòu)件中的介質(zhì)的聲學方法，該方法包括如下步驟通過第一換能器裝置向所述結(jié)構(gòu)件發(fā)出寬頻帶聲波能量脈沖；通過第二換能器裝置響應于所述的發(fā)出從所述結(jié)構(gòu)件返回的聲波能量中生成返回信號；從所述返回信號中得到返回信號頻譜，該返回信號頻譜表示從所述結(jié)構(gòu)件中返回的所述聲波能量的聲波頻譜分量；和通過對所述返回信號頻譜應用返回信號處理介質(zhì)檢測或表征算法，檢測或表征所述介質(zhì)。
2、 一種檢測廳征包含在結(jié)構(gòu)件中的介質(zhì)的聲學設(shè)備，該設(shè)備包括 第一換能器裝置，其向所述結(jié)構(gòu)件發(fā)出寬頻帶聲波能量脈沖； 第二換能器裝置，其響應于所述的發(fā)出從所述結(jié)構(gòu)件返回的聲波能量中生成返回信號；頻譜取得裝置，其從所述返回信號中得到返回信號頻譜，該返回信號頻譜 表示從所述結(jié)構(gòu)件中返回的所述聲波能量的聲波頻譜分量；和介質(zhì)檢測或表征驢，其用于檢測或表征所述介質(zhì)，所述介質(zhì)檢測或表征 ，M對所述返回信號頻譜應用返回信號處理介質(zhì)檢測或表征算法來檢測或 表征所述介質(zhì)。
3、 一種用于檢測傳輸碳氫化合物的管道中的水化物存在的聲學方法，該管 道包括前壁、后壁和位于該前壁與該后壁之間的內(nèi)腔，所述方法包括從發(fā)射點向所述管道的前壁發(fā)射第一聲波串，該第一聲波串包括多種不同 頻率的聲波；在發(fā)射點或者發(fā)射點附近接收由于在前壁中的共振產(chǎn)生的從該前壁返回的 第二聲波串，該第二聲波串具有所述多種聲波中的至少一種聲波； 確定在該第二聲波串中具有不同頻率的波量；和至少在確定的所述第二聲波串中具有不同頻率的波量的基礎(chǔ)上，確定管道 的內(nèi)腔中的水化物的存在。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的聲學方法，該方纟跑括在發(fā)射點^射點附近接收由前壁反射產(chǎn)生的從該前壁返回的第三波串； 確定在該第三波串中具有不同頻率的波量；禾口在確定的所述第三波串中具有不同頻率的波量的基礎(chǔ)上，進一步確定管道 的內(nèi)腔中的水化物的存在。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的聲學方法，該方纟跑括 在發(fā)射點或者發(fā)射點附近接收由在后壁中的共振產(chǎn)生的從后壁返回的第四聲波串，該第四聲波串具有所述多種聲波中的至少一種聲波；確定在該第四聲波串中具有不同頻率的波量；和在確定的所述第四聲波串中具有不同頻率的波量的基礎(chǔ)上，進一步確定管 道的內(nèi)腔中水化物的存在。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3或4或5所述的聲學方法，該方法包括 在劃寸點^lt點附近接收由后壁反射產(chǎn)生的從后壁發(fā)出的第五波串； 確定在第五波串中具有不同頻率的波量；和在確定的所述第五波串中具有不同頻率的波量的基礎(chǔ)上，進一步確定管道 的內(nèi)腔中7jC化物的存在。
7、 一種用于檢測傳輸碳氫化合物的管道中的7jC化物存在的聲學方法，該管 道包括前壁、后壁和在前壁與后壁之間的內(nèi)腔，所述方、跑括從發(fā)射點向所述管道的前壁^l寸出第一聲波串，該第一聲波串包括在頻率 范圍內(nèi)的不同頻率的多種聲波，該頻率范圍是對于所述前壁或后壁的主導聲波 共振頻率的區(qū)域；在發(fā)射點或者發(fā)射點附近接收由前壁或后壁中的主導共振產(chǎn)生的從所述前 壁或后壁返回的第二波串，織二波串具有來自所述多種聲波的至少一種聲波; 確定i5^f述第二波串中具有在主導共振頻率范圍內(nèi)的多種頻率的波量；和 在該第二波串中的主導共振頻率波的頻率偏移的基礎(chǔ)上，確定管道的內(nèi)腔 中的水化物的存在。
8、 一種檢測傳輸aa化合物的M中的水化物存在的聲學設(shè)備，該設(shè)備被設(shè)計鵬于實現(xiàn)如權(quán)利要求3至7之一的方法。
全文摘要
一種用于檢測或表征包含在結(jié)構(gòu)件中的介質(zhì)的聲學方法和裝置。特別的，所述結(jié)構(gòu)件是一種容器，例如傳輸油、氣或碳氫化合物冷凝物的管道。第一換能器裝置向所述結(jié)構(gòu)件發(fā)射一寬頻帶脈沖聲波能量脈沖。第二換能器響應于所述的發(fā)射從所述結(jié)構(gòu)件返回的聲波能量中生成返回信號。從所述返回信號中得到返回信號頻譜，該返回信號頻譜表示從所述結(jié)構(gòu)件中返回的所述聲波能量的聲波頻譜分量，并且通過對所述返回信號頻譜應用返回信號處理介質(zhì)檢測或表征算法來檢測或表征所述介質(zhì)。
文檔編號G01N29/02GK101479597SQ200780014688
公開日2009年7月8日 申請日期2007年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月26日
發(fā)明者A·貝格, J·雅各布森, S·維爾明 申請人:挪威船級社