使用多模声信号对金属结构中的变化进行检测与监控制造技术

描述了用于使用多模声信号传播和监测对机械结构和管道(18)、器皿和贮藏罐的壁中的变化进行检测和监控的方法。具有选择的振幅‑时间‑频率特性的声信号(16)激励检查中的多元模式结构，在少量的可接近位置处生成并接收(20)，例如管道的端部以及器皿和贮藏罐的顶部和底部，检查区位于发射和接收换能器之间。小的机械变化导致各种模式之间的声散射和衰减，这些变化可被检测为接收信号强度的变化。这种变化可以包括材料损失、材料转换和材料添加。一旦结构具有已知状态的特征，则本方法可用于在稍后时间监控结构以判断是否发生了更改。还描述了有效温度补偿的方法。另外，可以对包含弯管、凸缘等的各种管道几何结构和复杂管道几何结构进行监控。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用多模声信号对金属结构中的变化进行检测与监控相关申请的交叉引用本申请要求2015年8月12日提交的名称为“DetectionAndMonitoringOfChangesInMetallicStructuresUsingMultimodeAcousticSignals”的美国临时专利申请No.62/204,222的优先权，其公开和教导的全部内容在此通过引用特意并入本申请。关于联邦权利的声明本专利技术是在美国能源部授予的第DE-AC52-06NA25396号合同的政府支持下作出的。政府对本专利技术具有某些权利。
本公开的内容总体上涉及对机械结构、管道、器皿以及贮藏容器中的变化进行检测与监控，并且更具体地涉及对多模声信号传播和信号检测的使用，以用于检测和监控机械结构中的以及管道、器皿及贮藏容器的壁中的变化。
技术介绍
对例如在诸如绝缘条件或喷涂条件下的难以接近的环境中的机械结构、以及管道、器皿及贮藏罐的壁中由于蚀损、破裂、断裂而产生的材料损耗、源于腐蚀和/或侵蚀的材料转换、和源于材料迁移和累积的材料添加、以及材料吸收的检测和监控在涉及液体或气体贮藏和流动的许多行业中是重要的。目前，在绝缘条件下对腐蚀的检测最有效地通过视觉检查去除绝缘来完成，这是耗时且昂贵的。其它的检测方法包括射线照相术、涡电流技术、x-射线、远程TV监控、电磁设备、本地声询问(localacousticinterrogation)、以及使用声换能器阵列的远距离声询问。这些方法不被广泛使用，因为所提供的信息对于实际值的范围太局限，或者所涉及的装置实施起来太麻烦或昂贵。
技术实现思路
根据本专利技术的实施例包括但不限于，通过以下方式克服现有技术的缺点和局限性：提供了一种用于检测和监控机械结构、管道、器皿和贮藏容器随时间变化的方法，在需要时使用温度补偿。本专利技术的附加目标、优点和新颖特征将在本文后面的描述中部分阐述，并且部分地将在以下技术的审查中变得明显，或者可以通过本专利技术的实践来学习。本专利技术的目的和优势可以借助于特别在所附权利要求中所指出的工具和组合来实现和得到。为了实现上述和其它目标，并根据本专利技术的实施例的目的，如本文所体现和广泛描述的，用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述监控信号的短时傅里叶变换；取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差，由此形成二维轮廓图；识别所述轮廓图中的指示至少一个散射事件的至少一个频率-时间模式对，其中，所述至少一个频率-时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率-时间模式对的对应特征具有最大负值；以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。在本专利技术的另一方面，并根据本专利技术的实施例的目标和目的，用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；取所述监控信号与所述基线信号之间的差，形成差信号；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述差信号的短时傅里叶变换，由此形成时间和频率上的二维阵列；针对每个频率计算所述短时傅里叶变换阵列沿着时间轴的标准偏差；以及将所述标准偏差作为频率的函数进行求和。在本专利技术的又一方面，并根据本专利技术的实施例的目标和目的，用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；使用所述基线信号作为比较信号来执行对所述监控信号的温度补偿，由此产生温度补偿监控信号；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述温度补偿监控信号的短时傅里叶变换；取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差，由此形成二维轮廓图；识别所述轮廓图中的指示至少一个散射事件的至少一个频率-时间模式对，其中，所述至少一个频率-时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率-时间模式对的对应特征具有最大负值；以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。在本专利技术的又一方面，并根据本专利技术的实施例的目标和目的，用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法，包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法，包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述监控信号的短时傅里叶变换；取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差，由此形成二维轮廓图；识别所述轮廓图中的至少一个频率‑时间模式对，其中，所述至少一个频率‑时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率‑时间模式对的对应特征具有最大负值；以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.12 US 62/204,2221.一种用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法，包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述监控信号的短时傅里叶变换；取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差，由此形成二维轮廓图；识别所述轮廓图中的至少一个频率-时间模式对，其中，所述至少一个频率-时间模式对的一个特征具有最大正值并且所述至少一个频率-时间模式对的对应特征具有最大负值；以及计算最大正值与所述最大负值之间的幅度差。2.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：在将所述监控信号标准化为所述基线信号的所述步骤之后，使用所述基线信号作为比较信号来执行对所述监控信号的温度补偿，由此产生温度补偿监控信号。3.根据权利要求2所述的方法，其中，执行温度补偿的所述步骤包括：将所述监控信号作为时间的函数分为一选择数量的等持续时间的时间二进制位；针对每个时间二进制位计算所述监控信号和所述基线信号的互相关函数；通过针对每个时间二进制位定位所述互相关函数的峰值来确定每个时间二进制位的时间位移；以及将所述监控信号的值分配到与所述监控信号在该二进制位的位移时间处的值相对应的每个二进制位，借此生成了温度补偿监控信号。4.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：针对产生基线信号的步骤和产生监控信号的步骤两者，在响应于所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号的所述步骤之后，对所接收到的振动信号进行滤波。5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述啁啾信号具有在约1kHz和约1MHz之间的频谱内容。6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述长条形金属结构包括从以下项中选择的至少一个结构：一段金属管道、金属管道组件、凸缘、弯管、三通管、异径管、焊缝、器皿、贮藏罐以及贮藏容器。7.根据权利要求1所述的方法，其中，在产生所述基线信号时之后产生所述监控信号。8.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：针对两个相邻管道区段将所述监控信号中的变化进行比较，借此确定了所述金属结构在所述区段中的一个区段内的局部变化。9.一种用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法，包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；取所述监控信号与所述基线信号之间的差，形成差信号；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述差信号的短时傅里叶变换，由此形成时间和频率上的二维阵列；针对每个频率计算所述短时傅里叶变换阵列沿着时间轴的标准偏差；以及将所述标准偏差作为频率的函数进行求和。10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：在将所述监控信号标准化为所述基线信号的所述步骤之后，使用所述基线信号作为比较信号来执行对所述监控信号的温度补偿，由此产生温度补偿监控信号。11.根据权利要求10所述的方法，其中，执行温度补偿的所述步骤包括：将所述监控信号作为时间的函数分为一选择数量的等持续时间的时间二进制位；针对每个时间二进制位计算所述监控信号和所述基线信号的互相关函数；通过针对每个时间二进制位定位所述互相关函数的峰值来确定每个时间二进制位的时间位移；以及将所述监控信号的值分配到与所述监控信号在该二进制位的位移时间处的值相对应的每个二进制位，借此生成了温度补偿监控信号。12.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：针对产生基线信号的步骤和产生监控信号的步骤两者，在响应于所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号的所述步骤之后，对所接收到的振动信号进行滤波。13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述啁啾信号具有在约1kHz和约1MHz之间的频谱内容。14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述长条形金属结构包括从以下项中选择的至少一个结构：一段金属管道、金属管道组件、凸缘、弯管、三通管、异径管、焊缝、器皿、贮藏罐以及贮藏容器。15.根据权利要求9所述的方法，其中，在产生所述基线信号时之后产生所述监控信号。16.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：针对两个相邻管道区段将所述监控信号中的变化进行比较，借此确定了所述金属结构在所述区段中的一个区段内的局部变化。17.一种用于对具有壁和外部表面的长条形金属结构中的变化进行检测和监控的方法，包括：放置至少一个声发送换能器，使所述至少一个声发送换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信；放置至少一个接收换能器，使所述至少一个接收换能器与所述金属结构的所述外部表面振动通信并与所述至少一个发送换能器间隔开一选择长度；生成具有选定信号强度、频谱内容和持续时间的声频率啁啾信号；将所述啁啾信号引导到所述至少一个发送换能器；通过以下方式产生基线信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；通过以下方式产生监控信号：响应于所述接收换能器的所述啁啾信号来接收所述金属结构的所述壁中所生成的振动信号；求一选择数量的所接收到的振动信号的平均值；以及从平均接收信号中去除任何DC分量；将所述监控信号标准化为所述基线信号，借此使所述基线信号和所述监控信号中的每一个的最大值等于选定值；使用选择的时间和频率窗口大小以及时间步长来执行所述基线信号和所述监控信号的短时傅里叶变换；取所述标准化监控信号与所述标准化基线信号之间的差，由此形成二维轮廓图；在所述二维轮廓图上执行二维自相关，其中，第一维度是时间，并且其中，所述第二维度是频率，借此形成二维自相关图。在二维自相关图中，将自相关波峰识别为波峰-波峰或波谷-波谷相关性，并且将自相关波谷识别波峰-波谷关系...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·T·芬迪考格鲁，D·N·森哈，D·R·查普曼，
申请(专利权)人：洛斯阿拉莫斯国家安全股份有限公司，雪佛龙美国公司，
类型：发明
国别省市：美国,US