Ультразвуковое моделирование

Использование: для ультразвукового моделирования. Сущность: заключается в том, что получение температурной модели поверхности (3) объекта (2) с использованием ультразвуковых преобразователей (4, 5) содержит этапы, на которых итерационно корректируют температурную модель с использованием измеренных значений времени прохождения ультразвуковых волн и их основанными на модели прогнозами. Ультразвуковые волны, используемые для температурной модели, предпочтительно представляют собой по существу недисперсионные ультразвуковые волны. Способ может дополнительно содержать уровневую модель поверхности (3), причем уровневую модель получают с использованием по существу дисперсионных ультразвуковых волн и корректируют с использованием температурной модели. Технический результат: обеспечение возможности создания температурной модели поверхности, способной выявлять локальные температурные вариации поверхности с повышенным пространственным разрешением. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к ультразвуковому моделированию. Более конкретно, настоящее изобретение относится к способу и устройству для моделирования поверхности объекта, такого как труба, с использованием ультразвуковых волн. Модели, полученные с помощью настоящего изобретения, могут включать в себя температурные модели, уровневые модели или обе таковые.

Общеизвестно применение ультразвуковых волн для получения информации о поверхностях объекта, например, свай или труб. Обычно на объект подают ультразвуковые импульсы, принимают отраженные импульсы и регистрируют значения времени прохождения импульсов. Любые различия в значениях времени прохождения («времяпролетных») импульсов являются показательными для различий в относительном уровне поверхности и тем самым толщине стенки объекта. Пример этого известного способа представлен в Патенте Соединенных Штатов US 3930404.

Патент Соединенных Штатов US 5965818 раскрывает способ с использованием ультразвуковых волн Лэмба для измерения уменьшения толщины стенки вследствие локальной коррозии у трубных опор. Два преобразователя используют для создания волны Лэмба, перемещающейся вдоль стенки трубы в окружном направлении. Сравнением измеренных значений времени прохождения может быть количественно оценено изменение времяпролетных характеристик вследствие коррозии.

Однако такие известные способы не учитывают того, что на результаты ультразвуковых измерений может влиять температура. Локальные температурные колебания могут вызывать рефракцию ультразвуковых волн, так как скорость распространения волн может проявлять вариации между участками, имеющими различные температуры. Зоны рефракции обусловливают задержки, то есть, более длительные времена прохождения, которые также являются показателями разностей уровней. Соответственно этому, локальные температурные колебания могут быть ошибочно интерпретированы как разности уровней, тем самым приводя к ошибкам в любой уровневой модели поверхности.

Патент Соединенных Штатов US 7286964 представляет способ мониторинга условий состояния конструкций объектов с использованием ультразвуковых волн, например, волн Лэмба, и создания томографического изображения. Этот известный способ также включает определение корректировочного параметра для учета температуры окружающей среды. Корректирование применимо для всей отслеживаемой поверхности в целом и поэтому не является локальным. Вследствие этого рефракция, обусловленная локальными колебаниями температуры, не компенсируется, и вероятно возникновение ошибок измерения.

Международная Патентная Заявка WO 2004/099764 раскрывает способ определения конструктивных деталей в трубе, трубопроводе, контейнере или прочих объектах с использованием акустических сигналов. Влияния температуры на условия способа в указанном документе не упомянуты.

Британская Патентная Заявка GB 2300717 представляет способ моделирования температуры в сегментах трубопровода. В нескольких местах непосредственно измеряют температуру жидкости и температуру окружающей среды. Затем влияние кинетической энергии, излучения и проводимости используют для расчета температуры в сечениях трубопровода. Рассчитанную температуру сечений применяют для определения результирующего расширения и сжатия как жидкости, так и трубопровода. Величина пространственного разрешения этого известного способа ограничена числом точек измерения и сечений трубопровода. Способ не будет способным предоставить данные ни об окружном распределении температуры в сечении трубопровода, ни о распределении температуры в продольном направлении, имеющем высокое разрешение.

Цель настоящего изобретения состоит в преодолении этих и других проблем Прототипа и в представлении способа и устройства для создания температурной модели поверхности, причем модель способна выявлять локальные температурные вариации поверхности с повышенным пространственным разрешением.

Дополнительной целью настоящего изобретения является представление способа и устройства для создания температурно-скомпенсированной уровневой модели поверхности.

Соответственно этому, настоящее изобретение представляет способ получения температурной модели поверхности объекта, причем способ отличается тем, что

применяют ультразвуковые преобразователи для генерирования и приема по существу недисперсионных ультразвуковых волн,

проводят итерационное корректирование температурной модели с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения по существу недисперсионных ультразвуковых волн по поверхности и основанными на модели прогнозами указанных значений времени прохождения, и

обеспечивают температурную модель, представляющую локальные температуры поверхности.

Использованием по существу недисперсионных волн для создания температурной модели практически устраняют влияние уровня поверхности (или толщины трубы). В результате любое различие в значениях времени прохождения будет по существу полностью обусловлено величинами разности температур.

Применением температурной модели, которая представляет локальные температуры поверхности, может быть получена подробная информация о поверхности, в отличие от способов Прототипа, которые дают только обобщенную информацию о температуре. Настоящее изобретение позволяет определять локальные температуры в точках поверхности, которые находятся на расстоянии меньше одного метра друг от друга (например, только в нескольких сантиметрах или дециметрах между собой), и также обеспечивает возможность определения разностей температур в окружном направлении трубы или цилиндрического контейнера.

По существу недисперсионные волны предпочтительно имеют ограниченный частотный диапазон, или по меньшей мере ограниченные частотные диапазоны, для снижения или устранения влияния частоты (длины волны) на значения времени прохождения. Квалифицированным специалистам в этой области технологии хорошо известно, что дисперсионные волны разлагаются на компоненты с различными частотами. Поскольку скорость ультразвуковых волн, перемещающихся по поверхностям, обычно зависит от частоты, дисперсионные волны имеют склонность рассеиваться и тем самым иметь менее точно определенные времена прихода, если только не применяют коррекцию дисперсии. Недисперсионные волны не имеют тенденции разделяться на составляющие элементы. Однако генерировать полностью недисперсионные волны затруднительно, и может возникать некоторая дисперсия, если только полосу частот волн не поддерживают узкой.

Настоящее изобретение представляет способ получения температурной модели поверхности объекта с использованием ультразвуковых преобразователей, в котором температурная модель предпочтительно содержит набор точек на поверхности, причем каждая поверхностная точка является показательной для локальной температуры поверхности, и в котором значения времени прохождения предпочтительно измеряют пропусканием ультразвуковых волн из первого ультразвукового преобразователя к одному или более вторым ультразвуковым преобразователям, причем первый преобразователь и каждый второй преобразователь задают соответствующий маршрут по поверхности.

Созданием температурной модели, включающей поверхностные точки, показательные для локальной температуры поверхности, можно эффективно моделировать локальные температуры и локальные разности температур, причем каждая поверхностная точка представляет точку на поверхности. Соответственно этому, температурную модель согласно настоящему изобретению можно рассматривать как модель распределения температур, показательную для распределения температуры на поверхности.

Предпочтительно, чтобы этапы выведения основанных на модели прогнозов и корректирования повторялись до тех пор, пока расхождения не станут ниже порогового значения, причем пороговое значение предпочтительно задают предварительно. Итерационным корректированием температурной модели последовательно приходят к соответствию с измеренными значениями времени прохождения. При использовании порогового значения процедуру итерации останавливают, когда достигают достаточной точности согласования.

Предпочтительно, способ согласно настоящему изобретению дополнительно содержит этап томографической инверсии. Этот способ, который хорошо известен сам по себе, весьма пригоден для создания модели поверхности объекта при использовании значений времени прохождения ультразвуковых волн.

Предпочтительно, чтобы ультразвуковые волны представляли собой направляемые волны, в частности, импульсные направляемые волны. Кроме того, является предпочтительным, чтобы импульсные волны представляли собой волны S0-моды (симметричной моды, нулевого порядка), так как было найдено, что ультразвуковые волны S0-моды весьма пригодны для температурного моделирования.

Способ согласно настоящему изобретению может содержать дополнительный этап, на котором детектируют поверхностную точку, температура которой является более низкой, чем средняя температура минус пороговое значение, причем пороговое значение предпочтительно задано предварительно. Этим способом могут быть детектированы локальные температурные экстремумы («горячие пятна» и «холодные пятна»). В частности, детектирование горячих или холодных пятен, которые могут быть обусловлены утечкой жидкостей, позволяет обнаруживать отверстия в трубе или в ее оболочке.

Предпочтительно, средняя температура представляет собой среднюю температуру всей поверхности в целом. Альтернативно, средняя температура может быть средней температурой части поверхности.

Настоящее изобретение также представляет способ получения уровневой модели поверхности объекта с использованием ультразвуковых преобразователей, причем способ содержит этап, на котором получают температурную модель поверхности объекта, как определено выше, и способ дополнительно содержит этапы, на которых:

используют ультразвуковые преобразователи для генерирования и приема по существу дисперсионных ультразвуковых волн, и

итерационно корректируют уровневую модель с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения по существу дисперсионных ультразвуковых волн по поверхности и основанными на модели прогнозами указанных значений времени прохождения.

При использовании одинаковых ультразвуковых преобразователей можно создать как температурную модель, так и уровневую модель. В то время как для получения температурной модели предпочтительны по существу недисперсионные волны, для создания уровневой модели предпочтительны по существу дисперсионные волны.

В способе получения уровневой модели дополнительно является предпочтительным, чтобы уровневая модель содержала набор поверхностных точек, каждая из которых является показательной для локального уровня поверхности, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых:

прогнозируют значения времени прохождения на основе уровневой модели поверхности, и

корректируют прогнозированные значения времени прохождения на основе температурной модели.

Корректированием уровневой модели с использованием температурной модели получают более точную уровневую модель.

Более конкретно, корректированием прогнозированных значений времени прохождения в уровневой модели на основе температурной модели уровневую модель корректируют для локальных колебаний температуры. Другими словами, корректирование и конечное получение уровневой модели принимает в расчет температурную модель, тем самым компенсируя любые температурные влияния, такие как рефракция вследствие разности температур. Таким образом, этап корректирования измеренных значений времени прохождения на основе температурной модели предпочтительно включает корректирование любой рефракции вследствие температурных градиентов.

Предпочтительно, чтобы температурную модель и уровневую модель (или форму) получали последовательно, но в некоторых вариантах исполнения температурная и уровневая модель могут быть получены по существу одновременно.

Кроме того, предпочтительно, чтобы этапы, на которых выводят, корректируют и подстраивают основанные на модели прогнозы, повторялись до тех пор, пока расхождения не станут меньше порогового значения, причем пороговое значение задают предварительно.

Способ моделирования уровня с корректированием по температуре согласно настоящему изобретению преимущественно может включать дополнительный этап, на котором, в дополнение к температурной коррекции, применяют фазовую коррекцию до измеренных значений времени прохождения по существу дисперсионных импульсных волн.

В преимущественном варианте исполнения этап прогнозирования значений времени прохождения включает подэтап, на котором интерполируют набор поверхностных точек, чтобы получить расширенный набор поверхностных точек, причем значения времени прохождения рассчитывают с использованием расширенного набора.

Настоящее изобретение дополнительно представляет компьютерный программный продукт для проведения этапов обработки данных (например, прогнозирования, корректирования и/или подстройки) определенного выше способа. Компьютерный программный продукт может включать набор компьютерных исполняемых команд, сохраняемых на носителе информации, таком как CD или DVD. Набор компьютерных исполняемых команд, который позволяет программировать компьютер для исполнения определенного выше способа, также может быть доступным для загрузки с удаленного сервера, например, через интернет.

Настоящее изобретение дополнительно представляет устройство для моделирования поверхности объекта с использованием ультразвуковых преобразователей, причем устройство включает:

запоминающее устройство для хранения температурной модели поверхности, причем температурная модель представляет локальные температуры поверхности,

блок передачи для пропускания по существу недисперсионных волн из первого преобразователя к одному или более вторым преобразователям, и

обрабатывающий блок, предназначенный для итерационного корректирования температурной модели применением любого расхождения между измеренными значениями времени прохождения по существу недисперсионных ультразвуковых волн по поверхности и основанными на модели прогнозами для указанных значений времени прохождения.

В предпочтительном варианте исполнения устройство согласно настоящему изобретению может иметь следующие преимущественные признаки:

температурная модель, сохраняемая в запоминающем устройстве, включает набор поверхностных точек, причем каждая поверхностная точка является показательной для локальной температуры поверхности, и

обрабатывающий блок дополнительно предназначен для:

измерения значений времени прохождения импульсных волн,

прогнозирования значений времени прохождения на основе температурной модели поверхности,

корректирования сохраняемой температурной модели поверхности сообразно любым расхождениям между измеренными значениями времени прохождения и рассчитанными значениями времени прохождения, и/или

повторения стадий прогнозирования и корректирования до тех пор, пока расхождения не станут меньше порогового значения, причем пороговое значение предпочтительно задают предварительно.

Как упомянуто выше, настоящее изобретение также предусматривает применение как температурной модели, так и уровневой модели поверхности. Поэтому дополнительный предпочтительный вариант исполнения устройства имеет следующие признаки:

запоминающее устройство дополнительно предназначено для хранения уровневой модели поверхности,

блок передачи дополнительно предназначен для пропускания по существу дисперсионных импульсных волн от первого преобразователя к одному или более вторым преобразователям, и

обрабатывающий блок дополнительно предназначен для итерационного корректирования уровневой модели с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения по существу дисперсионных ультразвуковых волн по поверхности и основанными на модели прогнозами для указанных значений времени прохождения.

Устройство согласно настоящему изобретению предоставляет такие же преимущества, как обсужденный выше способ.

Кроме того, настоящее изобретение дополнительно представляет систему мониторинга трубопровода или резервуара-хранилища, включающую по меньшей мере один первый преобразователь, по меньшей мере один второй преобразователь и устройство, как определенное выше. Преобразователи и устройство преимущественно могут быть пригодными для беспроводной коммуникации между собой.

Далее настоящее изобретение будет ниже разъяснено со ссылкой на примерные варианты исполнения, иллюстрированные сопроводительными чертежами, на которых:

Фиг.1 схематически показывает объект, поверхность которого моделируют соответственно настоящему изобретению.

Фиг.2 схематически показывает трехмерную модель объекта в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.3 схематически показывает двумерную модель объекта в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4А и 4В схематически показывают ультразвуковые импульсы, используемые в настоящем изобретении.

Фиг.5 схематически показывает устройство для моделирования поверхности согласно настоящему изобретению.

Труба 2, показанная только в качестве неограничивающего примера на Фиг.1, включает поверхность 3, которую моделируют. В показанном примере поверхность 3 имеет заглубленную секцию 6, которая может быть обусловлена, например, коррозией. Надлежащим моделированием поверхности 3 можно определить протяженность и (относительный) уровень заглубленной секции 6.

Блоки 4 первых преобразователей и блоки 5 вторых преобразователей смонтированы на трубе 2, на каждой из сторон поверхности 3. Хотя оба из блоков первых и вторых преобразователей могут быть способными передавать и принимать ультразвуковые волны, в настоящем изобретении блоки 4 первых преобразователей используют для передачи ультразвуковых импульсных волн, тогда как блоки 5 вторых преобразователей применяют для приема этих волн. Блоки преобразователей по существу могут быть известными и могут представлять собой пьезоэлектрические устройства.

Импульсные волны или импульсы, генерированные первыми преобразователями 4, имеют определенную продолжительность, например, несколько мкс (микросекунд). Реальная продолжительность может зависеть от конкретного варианта применения, например, размеров и взаимных расстояний между блоками преобразователей. Число преобразователей может варьировать. Должны быть установлены по меньшей мере один первый преобразователь 4 и по меньшей мере один второй преобразователь 5, хотя предпочтительно использовать многочисленные вторые преобразователи 5, например, два, три, четыре, восемь или более вторых преобразователей 5. Применение многочисленных вторых преобразователей 5 создает многочисленные маршруты распространения импульсных волн и тем самым улучшенное моделирование поверхности. Подобным образом, предпочтительно применение более чем одного первого преобразователя 4. В примере на Фиг.2 и 3 используют восемь первых преобразователей 4 и восемь вторых преобразователей 5, хотя изобретение не ограничивается этими конкретными числами. Преобразователи из многочисленных первых и/или вторых преобразователей предпочтительно размещают равномерно, хотя это не имеет существенного значения.

Примерная трехмерная модель иллюстрирована на Фиг.2, тогда как пути, которые проходят импульсные волны, и сокращение поверхностных точек согласно настоящему изобретению иллюстрированы с помощью двумерной модели на Фиг.3. Трехмерная модель на Фиг.2 основана на двумерной модели 72 из Фиг.3. Обе модели могут представлять собой температурную модель или уровневую модель.

Модель 70 на Фиг.2 представляет (наружную) поверхность трубы, например, трубы 2 из Фиг.1. х-ось и y-ось проведены в плоскости поперечного сечения трубчатой модели, тогда как z-ось проведена в ее продольном направлении. Размеры в этом примере приведены в метрах (м). Трехмерная модель на Фиг.2 фактически представляет собой реконструкцию объекта 2 из Фиг.1. Трехмерные реконструкции как таковые известны в области томографии.

Поверхность, смоделированная на Фиг.2, простирается между набором первых преобразователей 4 и набором вторых преобразователей 5. Маршруты 71 проведены между каждым из первых преобразователей 4 и каждым из вторых преобразователей 5. Значения времени прохождения импульсов вдоль этих маршрутов пропорциональны длинам маршрутов. Маршрут, который проходит вдоль гладкой, прямолинейной поверхности, будет более коротким, чем маршрут, пересекающий углубление 6 на Фиг.1. Соответственно этому, значения времени прохождения вдоль этих маршрутов будут отличаться, и импульсы будут приходить с различными длительностями.

Модель будет рассчитывать (то есть, прогнозировать) значения времени поступления импульсов вдоль разнообразных маршрутов. Если модель первоначально допускает все маршруты имеющими одинаковые длины, будет возникать расхождение между измеренными значениями времени прохождения и рассчитанными значениями времени прохождения для маршрутов, пересекающих углубление 6. Это расхождение может быть скомпенсировано подстраиванием модели. Начальные значения модели могут быть основаны на измерениях реального объекта (такого как труба) и/или на теоретическом анализе.

В двумерном примере на Фиг.3 горизонтальная ось проведена вдоль окружности R трубчатой модели, тогда как z-ось проходит в ее продольном направлении. Размеры приведены в метрах (м).

Как можно видеть из Фиг.3, первые преобразователи 4 и вторые преобразователи 5 равномерно распределены вдоль окружности модели. Импульсы, генерируемые первыми преобразователями, будут регистрироваться вторыми преобразователями. Значения времени поступления, и тем самым значения времени прохождения, будут соответствовать, по меньшей мере приблизительно, набору маршрутов 71, протяженных между каждым первым преобразователем 4 и вторыми преобразователями 5. Для ясности чертежа на Фиг.3 показан только один такой набор маршрутов 71.

Как разъяснено выше, модель содержит информацию о поверхности (номер позиции 3 на Фиг.1) объекта. В случае уровневой модели эта информация может включать набор значений, представляющих (относительный или абсолютный) уровень поверхности в нескольких точках. Подобным образом, в случае температурной модели эта информация обычно будет включать набор значений, представляющих (относительную или абсолютную) температуру поверхности в нескольких точках («измерительных точках»).

Как иллюстрировано на Фиг.1, уровень поверхности в углублении 6 будет ниже, чем у первого преобразователя 4. Чтобы точнее моделировать поверхность, требуется большое число поверхностных точек, например, сотни или даже тысячи поверхностных точек. Однако определение поверхностных точек непосредственно по измеренным значениям времени прохождения потребовало бы очень большого объема расчетов. По этой причине вариант осуществления изобретения представляет более эффективную модель, которая содержит только ограниченное число поверхностных точек, тем самым значительно сокращая объем вычислений.

В указанном варианте исполнения модель содержит только ограниченный набор поверхностных точек 73. Эти «базовые» поверхностные точки сохраняют в модели и подстраивают, если необходимо, для соответствия наблюдаемым значениям времени прохождения. В показанном примере в модели используют только 24 поверхностных точки, тем самым обеспечивая значительную экономию по сравнению с сотнями или тысячами точек, упомянутых выше. Будет понятно, что число «базовых» поверхностных точек будет варьировать в зависимости от размеров моделируемой поверхности и требуемой точности, и что это число равным образом может быть большим или меньшим, чем 24, например, 16, 30 или 50. Число «базовых» поверхностных точек в части модели может быть увеличено для обеспечения более высокого разрешения в определенных областях. Такое локальное увеличение числа «базовых» поверхностных точек может быть настроено по ходу дела.

Чтобы более точно моделировать поверхность и прогнозировать значения времени прохождения, обычно требуется большее число поверхностных точек. Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, расширенный набор поверхностных точек получают путем интерполяции. То есть, при необходимости набор поверхностных точек модели («базовых» поверхностных точек) интерполируют для получения расширенного набора поверхностных точек, используемого для расчета значений времени прохождения и получения более подробной информации о поверхности. Этим путем примерное число из 24 поверхностных точек может быть расширено, например, до 1024 поверхностных точек.

Поэтому модель, используемую в указанном варианте исполнения, можно рассматривать как двухуровневую модель. На базовом уровне определяют и сохраняют ограниченный набор (например, 24) поверхностных точек. Эти «базовые» поверхностные точки подстраивают в соответствии с измеренными значениями времени прохождения. На более высоком уровне определяют интерполяцией и (временно или постоянно) сохраняют расширенный набор (например, 1024) поверхностных точек. Поэтому эти «расширенные» поверхностные точки являются выведенными опосредованно из измеренных значений времени прохождения, в отличие от «базовых» поверхностных точек, которые выведены непосредственно.

При использовании расширенного набора, значения времени прохождения в модели могут быть точно определены с помощью методов численного расчета, которые сами по себе могут быть известными. Обычно каждый маршрут 71 подразделяют на большое число секций. Для каждого маршрута рассчитывают значения времени прохождения по всем секциям маршрутов, используя информацию об уровне, содержащуюся в наборе расширенных поверхностных точек, выведенных из модели. Затем значение времени прохождения по каждому маршруту определяют суммированием значений времени прохождения в секциях конкретного маршрута, получая в результате рассчитанные значения времени прохождения.

В большинстве вариантов исполнения измеренные значения времени прохождения определяют вычитанием значений времени передачи импульсов из значений времени их поступления. Значения времени передачи обычно определяют регистрацией точек в момент, в который на блок первых преобразователей посылают активирующий сигнал, тогда как значения времени поступления обычно определяют регистрацией точек в момент, в который с блоков вторых преобразователей принимают детектированные сигналы.

Затем рассчитанные (то есть, прогнозированные) значения времени прохождения сравнивают с измеренными значениями времени прохождения и регистрируют любые расхождения. Затем используют процедуру оптимизации, которая по существу может быть известна, чтобы оптимизировать модель(-ли) таким образом, что расхождения устраняются. Пригодные известные методики оптимизации представляют собой алгоритмы Левенберга-Марквардта и Гаусса-Ньютона.

В способе согласно настоящему изобретению могут быть использованы поверхностные волны. Поверхностные волны имеют то преимущество, что каждый импульс получает информацию о маршруте, но не просто о точке. Было найдено, что рэлеевские волны представляют собой весьма пригодные волны, так как они распространяются по поверхности. В результате значения времени их прохождения дают очень точную информацию о структуре поверхности.

Однако предпочтительны направляемые волны, в особенности когда требуется информация не только относительно поверхности, но также относительно толщины стенки объекта. В частности, преимущественно используют дисперсионное поведение направляемых волн: при данной частоте скорость распространения волн зависит от толщины стенки. Соответственно этому, любые измеренные изменения скорости являются показательными для вариаций толщины стенки, при условии, что температура объекта является однородной.

Поэтому в соответствии с настоящим изобретением создают температурную модель для моделирования распределения температур в объекте. Моделирование предпочтительно проводят итерационным путем, подстраивая первоначальную модель в последующих итерациях до тех пор, пока любые различия между значениями времени прохождения ультразвуковых импульсных волн, прогнозированных моделью, и реальными измеренными значениями времени прохождения ультразвука не станут меньше порогового значения. Эта модель позволяет определять любую коррекцию значения времени прохождения (или коррекцию задержки), обусловленную разностями температур, то есть, любым неоднородным распределением температуры. Такие разности температур могут вызывать рефракцию, и тем самым задержку, и могут приводить к неточным измерениям уровня, если их не принимать во внимание.

Способ получения температурной модели согласно настоящему изобретению не только позволяет создать точную температурную модель, но и обеспечивает возможность улучшить моделирование поверхности (уровня) путем корректирования любых рассчитанных и/или измеренных значений времени прохождения с использованием температурной модели. То есть, любая рефракция вследствие локальных перепадов температуры может быть принята в расчет для коррекции измеренных и/или прогнозированных значений времени прохождения. В результате полученная уровневая модель становится гораздо более точной.

Настоящее изобретение представляет два типа моделей поверхности: температурную модель, представляющую распределение температуры на поверхности, и уровневую модель, представляющую уровень поверхности (или, наоборот, толщину объекта). Температурная модель может быть использована отдельно для предоставления информации о температуре как таковой, но может быть также применена для коррекции уровневой модели при учете любых задержек, обусловленных рефракцией (например, определением предполагаемой задержки, вызванной рефракцией, в определенном маршруте ультразвуковых волн, и вычитанием этой предполагаемой задержки из величины измеренной задержки для определения температурно-компенсируемой задержки).

В настоящем изобретении используют по существу недисперсионные (импульсные) волны для создания температурной модели и по существу дисперсионные (импульсные) волны для получения уровневой (или толщинной) модели. Это основывается на понимании того, что недисперсионные волны не зависят или почти не зависят от толщины материала (то есть, от уровня материала). Поэтому любые разности значений времени прохождения будут обусловлены температурными колебаниями (при допущении, что частота ультразвуковых волн постоянна). С другой стороны, дисперсионные волны зависят от толщины материала, но также и от температуры (опять же при допущении, что частота постоянна). Путем первоначального определения температурных эффектов с использованием недисперсионных волн и затем определения уровневых эффектов с использованием дисперсионных волн и компенсирования температурных эффектов могут быть получены очень точные измерения уровня, и поэтому очень точная уровневая модель.

Когда используют S0-моду, недисперсионные и дисперсионные волны могут быть без труда выбраны на основе их частот: более низкочастотные диапазоны дают недисперсионные волны, тогда как более высокочастотные диапазоны проявляются в дисперсионных волнах.

Согласно дополнительному аспекту настоящего изобретения, для коррекции дисперсионных волн может быть использована фазовая коррекция. Это схематически иллюстрировано на Фиг.4А и 4В, где Фиг.4А показывает исходный импульс 81 (толстая линия) и его искаженный двойник 82 (тонкая линия), тогда как Фиг.4В показывает реконструированный импульс 83.

На Фиг.4А импульс 82 показан искаженным вследствие дисперсии: исходное фазовое соотношение импульса утрачено, и импульс растянут во времени, по сравнению с исходным импульсом 81. Это делает менее точным определение значения времени поступления импульса, и тем самым значения времени его прохождения.

Этой потери точности можно избежать применением (необязательной) фазовой коррекции Х. В примерном варианте исполнения фазовая коррекция Х может быть выражена как:

$$X={\exp }^{-i\omega \left(\frac{x}{v({\omega }_c)}-\frac{x}{v(\omega )}\right)}$$

где ω представляет (угловую) частоту, ν(ω) представляет частотно-зависимую скорость распространения импульсов, и х представляет длину маршрута при отсутствии любых углублений или выступов на поверхности.

Эта коррекция может быть применена путем подвергания искаженного импульса 82 быстрому преобразованию Фурье (FFT, БФТ), умножения полученного спектра на фазовую коррекцию Х, и затем применением обратного быстрого преобразования Фурье (IFFT, ОБФТ), для получения корректированного импульса 83. После коррекции восстанавливают фазу и тем самым форму импульса, как иллюстрировано на Фиг.4В. Эта восстановленная импульсная волна 83 позволяет точно детектировать значение времени ее прохождения. Квалифицированным специалистами в этой области технологии будет понятно, что могут быть использованы другие способы фазовой коррекции, например, с использованием фильтра ошибки прогнозирования.

Устройство для моделирования поверхности объекта иллюстрировано на Фиг.5. Устройство 1 включает обрабатывающий блок (PU) 10, запоминающее устройство (11), блок передачи (TU) 12 и дисплейный блок (DU) 13. Обрабатывающий блок 10 предпочтительно включает микропроцессор, способный исполнять команды программного обеспечения, используемого в способе согласно настоящему изобретению. Запоминающее устройство 11 может сохранять это программное обеспечение, а также параметры моделей, в том числе набор значений поверхностных точек. Дисплейный блок 13 предпочтительно включает экран, способный выводить изображения моделей, в частности, реконструкцию типа, иллюстрированного на Фиг.2. Блок 12 передачи способен генерировать, под управлением обрабатывающего блока 10, передаваемые импульсные сигналы, которые направляются на первый(-вые) преобразователь(-ли) 4. В дополнение, блок 12 передачи может получать детектированные импульсные сигналы, произведенные вторым(-ыми) преобразователем(-ями) 5, и передавать надлежащую информацию о детектировании импульсов на обрабатывающий блок 10.

Блок 12 передачи может быть скомпонован для беспроводной коммуникации с преобразователями 4 и 5, например, с использованием радиочастотной (RF) связи или инфракрасной связи. Обрабатывающий блок 10 дополнительно может быть скомпонован для выполнения фазовой коррекции, как обсуждено выше. Применимые шаги программы для фазовой коррекции могут сохраняться в запоминающем устройстве 11.

Будет понятно, что изобретение не ограничивается трубами или трубопроводами, но может быть также применено к поверхностям или стенкам других объектов, например, (частей) судовых корпусов, фюзеляжей самолетов, автомобильных корпусов, арматуры резервуаров или других поверхностей или стенок конструкций, например, резервуаров-хранилищ, буровых штанг, стальных мостов и металлических конструкций в строениях. Следует отметить, что может быть использована комбинация рэлеевских (импульсных) волн и направляемых (импульсных) волн.

Настоящее изобретение основано на понимании того, что ультразвуковые волны могут быть преимущественно использованы для получения температурной модели поверхности. Настоящему изобретению благоприятствует дополнительное понимание того, что температурная модель может быть использована для коррекции уровневой модели поверхности, и что недисперсионные волны являются весьма пригодными для получения температурной модели.

Следует отметить, что любые термины, использованные в этом документе, не должны трактоваться как ограничивающие область настоящего изобретения. В частности, слова «содержит(ат)» и «содержащий» не означают исключения любых элементов, не указанных конкретно. Единичные (схемные) элементы могут быть замещены множественными (схемными) элементами или их эквивалентами.

Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что настоящее изобретение не ограничено иллюстрированными выше вариантами исполнения, и что многообразные модификации и добавления могут быть сделаны без выхода за объем защиты изобретения, определенный в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

1. Способ формирования температурной модели поверхности (3) объекта (2), причем поверхность проходит между набором первых преобразователей (4) и набором вторых преобразователей (5), при этом температурная модель содержит набор поверхностных точек, при этом каждая поверхностная точка указывает локальную температуру поверхности в соответствующем местоположении на поверхности, причем способ отличается тем, что:
применяют первые ультразвуковые преобразователи (4) для передачи, по существу, недисперсионных ультразвуковых волн ко вторым ультразвуковым преобразователям (5), к комбинациям первых преобразователей (4) и второго преобразователя (5), задающих соответствующие маршруты по поверхности;
измеряют значения времени прохождения, по существу, недисперсионных ультразвуковых волн от каждого из первых ультразвуковых преобразователей (4) к каждому из вторых ультразвуковых преобразователей (5) по соответствующему маршруту;
проводят итерационное корректирование температурной модели с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения, по существу, недисперсионных ультразвуковых волн по поверхности (3) и основанными на модели прогнозами указанных значений времени прохождения, определенных с использованием локальных температур, указанных набором поверхностных точек, и
причем температурная модель представляет локальные температуры поверхности (3) в соответствующих местоположениях на поверхности.

2. Способ по п.1, в котором этапы выведения основанных на модели прогнозов и корректирования повторяют до тех пор, пока расхождения не станут ниже порогового значения, причем пороговое значение предпочтительно задают предварительно.

3. Способ по п.1 или 2, дополнительно содержащий этап томографической инверсии.

4. Способ по п.1 или 2, в котором ультразвуковые волны представляют собой направляемые волны, предпочтительно волны S0-моды, более предпочтительно импульсные волны S0-моды.

5. Способ по п.1 или 2, содержащий дополнительный этап, на котором детектируют поверхностную точку, в которой температура является более низкой, чем средняя температура минус пороговое значение, причем пороговое значение предпочтительно задают предварительно.

6. Способ по п.5, в котором средняя температура представляет собой среднюю температуру всей поверхности (3) в целом.

7. Способ получения уровневой модели поверхности (3) объекта (2), содержащий этап, на котором получают температурную модель поверхности (3) объекта (2) по любому из предшествующих пунктов, причем уровневая модель содержит набор поверхностных точек, при этом каждая поверхностная точка указывает локальный уровень поверхности в соответствующем местоположении на поверхности, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых:
используют ультразвуковые преобразователи (4, 5) для генерирования и приема, по существу, дисперсионных ультразвуковых волн, и
итерационно корректируют уровневую модель с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения, по существу, дисперсионных ультразвуковых волн по поверхности (3) и основанными на модели прогнозами указанных значений времени прохождения, определенных с использованием локальных температур, указанных набором поверхностных точек.

8. Способ по п.7, в котором уровневая модель содержит набор поверхностных точек, каждая из которых является показательной для локального уровня поверхности, причем способ дополнительно содержит этапы, на которых:
прогнозируют значения времени прохождения на основе уровневой модели поверхности, и
корректируют прогнозированные значения времени прохождения на основе температурной модели.

9. Способ по п.8, в котором этапы, на которых выводят, корректируют и подстраивают основанные на модели прогнозы, повторяют до тех пор, пока расхождения не станут меньше порогового значения, причем пороговое значение задают предварительно.

10. Способ по п.8 или 9, в котором этап коррекции значений времени прохождения на основе температурной модели содержит коррекцию по любой рефракции вследствие температурных градиентов.

11. Способ по п.8 или 9, дополнительно содержащий этап, на котором, в дополнение к температурной коррекции, выполняют фазовую коррекцию до измеренных значений времени прохождения, по существу, дисперсионных волн.

12. Способ по п.8 или 9, в котором этап, на котором выводят основанные на модели прогнозы, содержит подэтап, на котором интерполируют набор поверхностных точек, чтобы получить расширенный набор поверхностных точек, причем значения времени прохождения рассчитывают с использованием расширенного набора.

13. Считываемый компьютером носитель, содержащий набор компьютерных исполняемых команд, сохраненный на нем, который при исполнении компьютером побуждает компьютер выполнять этапы способа обработки данных по любому из пп.1-12.

14. Устройство (1) для моделирования поверхности (3) объекта (2) с использованием ультразвуковых преобразователей (4, 5), причем поверхность проходит между набором первых преобразователей (4) и набором вторых преобразователей (5), при этом температурная модель содержит набор поверхностных точек, при этом каждая поверхностная точка указывает локальную температуру поверхности в соответствующем местоположении на поверхности, содержащее:
запоминающее устройство (11) для хранения температурной модели поверхности, причем температурная модель представляет локальную температуру поверхности (3), при этом температурная модель содержит набор поверхностных точек, при этом каждая поверхностная точка указывает локальную температуру поверхности в соответствующем местоположении на поверхности,
блок (12) передачи для передачи, по существу, недисперсионных волн из первого преобразователя (4) к из первого набора преобразователей (4) ко вторым преобразователям (5) из набора вторых преобразователей (5), причем поверхность проходит между набором первых преобразователей (4) и набором вторых преобразователей (5), и
обрабатывающий блок (10), предназначенный для итерационного корректирования температурной модели посредством применения любого расхождения между измеренными значениями времени прохождения, по существу, недисперсионных ультразвуковых волн по поверхности (3) и основанными на модели прогнозами для указанных значений времени прохождения, определенных с использованием локальных температур, указанных набором поверхностных точек,
причем
обрабатывающий блок (10) дополнительно выполнен с возможностью:
измерения значений времени прохождения импульсных волн,
прогнозирования значений времени прохождения на основе температурной модели поверхности,
корректирования сохраняемой температурной модели поверхности в ответ на любые расхождения между измеренными значениями времени прохождения и рассчитанными значениями времени прохождения, и/или
повторения этапов прогнозирования и корректирования до тех пор, пока расхождения не станут меньше порогового значения, причем пороговое значение предпочтительно задают предварительно.

15. Устройство по п.14, в котором:
запоминающее устройство (11) дополнительно выполнено с возможностью хранения уровневой модели поверхности,
блок (12) передачи дополнительно выполнен с возможностью передачи, по существу, дисперсионных импульсных волн от первого преобразователя (4) к одному или более вторым преобразователям (5), и
обрабатывающий блок (10) дополнительно выполнен с возможностью итерационного корректирования уровневой модели с использованием любых расхождений между измеренными значениями времени прохождения, по существу, дисперсионных ультразвуковых волн по поверхности (3) и основанными на модели прогнозами для указанных значений времени прохождения.

16. Устройство по п.15, в котором уровневая модель содержит набор поверхностных точек, причем каждая поверхностная точка является показательной для локального уровня поверхности.

17. Система для мониторинга трубопровода или резервуара-хранилища, содержащая по меньшей мере один первый преобразователь (4), по меньшей мере один второй преобразователь (5) и устройство (1) по любому из пп.14-17.

18. Система по п.17, в которой устройство (1) и преобразователи (4, 5) выполнены с возможностью беспроводной коммуникации.