本申請要求于2013年12月17日提交的第61/917,066號美國臨時申請的優(yōu)先權(quán)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于執(zhí)行超聲檢查并用于管道檢查的方法和裝置。

背景技術(shù)：

Morrison,Jr.等人的US 8,301,401針對用于檢查加拿大重水鈾(CANDU)反應(yīng)堆管道的超聲探頭。探頭使用諸如水的耦合劑填充圍繞管道的圓周放置的圓柱形套管。探頭使用包圍管道的整個圓周的超聲元件陣列。

MacLauchlan等人的US 7,823,454針對用于給波浪形的或不規(guī)則的表面建模的超聲檢查方法。該方法涉及在超聲元件陣列和被檢查的表面之間使用諸如水的掃描介質(zhì)。

國際公布WO 2013/044350公開了用于管道表面的超聲檢查的操縱器。操縱器包括套管，該套管圍繞管道的圓周安裝、具有安裝在梭子上的超聲陣列。梭子圍繞套管運動，使用完全聚焦方法(一種用于收集和處理探頭數(shù)據(jù)的全矩陣采集技術(shù))掃描管道的圓周。參考文獻(xiàn)闡述了用于校準(zhǔn)設(shè)備和軟件、掃描管道表面、以及使用完全聚焦方法收集和分析探頭數(shù)據(jù)以重構(gòu)管道表面模型的方法。本公開依賴于這篇在先公布的教導(dǎo)，這些教導(dǎo)通過引用包含于此。

Volker的美國申請公布2011/0087444(在下文中，‘444’公布)針對用于爬行穿過管道的孔并執(zhí)行管道內(nèi)表面的超聲檢查的“清管器”。參考文獻(xiàn)公開了用于基于反向散射信號給管道表面成像的算法?！?44’公布涉及費馬原理，以確定具有最短行進(jìn)時間的聲音路徑。建模涉及首先建立網(wǎng)格以及給網(wǎng)格中的每個點確定行進(jìn)時間?！?44’參考文獻(xiàn)需要從內(nèi)部掃描管道，其中，將要確定的主要信息是關(guān)于管道的內(nèi)表面的三維(3D)信息。此外，這不會解決使用布置在外表面上的掃描設(shè)備給管道的內(nèi)表面精確地建模的問題。

Brandstrom的US 7,685,878(在下文中，‘878’專利)涉及用于圍繞管道的圓周使一對超聲換能器旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行管道焊接檢查的裝置。它允許延伸離開換能器的電纜和其他設(shè)備保持固定，從而僅沿著單一方向延伸出去。‘878’教導(dǎo)了以下設(shè)備，該設(shè)備可安裝在管道上，位于鄰近焊縫的位置，且該設(shè)備攜帶換能器并使這些換能器圍繞管道旋轉(zhuǎn)，要記住的是：通常只能從管道的一側(cè)有效地接近管道。

兩個換能器圍繞圓柱形主體上的圓周位置旋轉(zhuǎn)以進(jìn)行支撐在基座上的主體的結(jié)構(gòu)測試，以及驅(qū)動設(shè)備包括磁性附著件，該磁性附著件可從一側(cè)手動地到達(dá)管道，僅用于在該側(cè)在與焊縫軸向地隔開的位置固定連接到管道。用于一對換能器的項圈形的支撐件由從一側(cè)圍繞管道纏繞的、一排分開的段形成，并圍繞管道的軸旋轉(zhuǎn)以圍繞環(huán)形焊縫支撐換能器。這些段支撐在表面上滾動的滾子且通過磁體保持靠在管道上。換能器支撐在支撐件上，位于固定角位置以跟蹤它們的位置，但是處于允許相對于管道稍微軸向或徑向運動的方式。

Johnson的US 7,412,890(在下文中，‘890’專利)涉及用于檢測管道焊縫中的裂紋的方法和設(shè)備，其包括用水充滿與管道外表面相鄰的體積，然后使用相控陣超聲掃描管道表面。設(shè)備具有矩形腔，該矩形腔具有壓靠在管道表面上的敞開的底表面并用水充滿。超聲陣列布置在腔的頂部。使用相控陣數(shù)據(jù)收集方法。

Bicz的US 5,515,298(在下文中，‘298’專利)涉及用于執(zhí)行置于凹面上的指紋或其他對象的超聲掃描的設(shè)備。設(shè)備從換能器陣列投射超聲波，使之穿過針孔陣列(每個換能器對應(yīng)一個針孔)，到達(dá)置有指紋的表面的凹的內(nèi)部。然后換能器從由針孔產(chǎn)生的球面波形的反射和散射獲得指紋的特征。設(shè)備似乎取決于置有指紋的支撐件的凹凸透鏡結(jié)構(gòu)的已知結(jié)構(gòu)。

Den Boer等人的US 6,896,171(在下文中，‘171’專利)涉及用于對剛剛生成的仍然是熱的管道焊縫執(zhí)行EMAT(電磁超聲換能器)掃描的設(shè)備。設(shè)備可包括布置在圍繞管道的外表面的環(huán)形結(jié)構(gòu)上的EMAT發(fā)射器和接收器線圈陣列。沒有公開后處理算法的細(xì)節(jié)。設(shè)備描述為能夠檢測焊接缺陷的存在并給出關(guān)于它們的尺寸的某種信息，但不會給出圖像、精確位置，也沒有在說明書中討論缺陷的任何進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。

Alleyne等人的第2009/0158850號美國申請公布(在下文中，‘850’公布)涉及用于檢查管道的方法和設(shè)備，其中，清管器設(shè)備插入管道的孔中。超聲換能器壓靠在管道的內(nèi)壁上，并在管道壁自身的材料內(nèi)使用超聲導(dǎo)波(例如，蘭姆波)以檢測缺陷。數(shù)據(jù)收集和處理似乎基于可從中提取不同的波模式的全矩陣采集技術(shù)，盡管還可使用相控陣數(shù)據(jù)收集技術(shù)。

Pasquali等人的第2009/0078742號美國申請公布(在下文中，‘742’公布)涉及用于檢查多層壁管道例如用于熱流體或冷流體的海底輸送的管道的方法和設(shè)備。該方法涉及將超聲探頭置于管道內(nèi)表面上，且當(dāng)探頭圍繞管道壁的內(nèi)周旋轉(zhuǎn)時以各種間隔掃描。設(shè)備是布置在可旋轉(zhuǎn)臂的端部的探頭，該可旋轉(zhuǎn)臂將探頭布置在管道內(nèi)，然后使探頭圍繞內(nèi)壁的圓周旋轉(zhuǎn)?！?42’公布還公開了以相對于管道表面的各種角度布置探頭的方法。然而，它似乎僅教導(dǎo)了沿著管道的軸向從焊縫移位且朝著管道焊縫的位置向前或向后成角度的探頭的使用。

額外的現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)包括：Ume,Ifeanyi C.等人的US 7762136，其教導(dǎo)了用于實時地和離線地測量焊透深度的超聲系統(tǒng)和方法；McGrath,Matthew等人的US 7694569，其教導(dǎo)了相控陣超聲水楔設(shè)備；Brignac,Jacques等人的US 7694564，其教導(dǎo)了具有定心機構(gòu)的鍋爐管檢查探頭和操作該探頭的方法；Prause,Reinhard的US 6935178，其教導(dǎo)了用于使用超聲波檢查管道的裝置；Butler,JohnV.等人的US 6734604，其教導(dǎo)了多模合成的光束轉(zhuǎn)換設(shè)備；Pagano,Dominick A.的US 4872130，其教導(dǎo)了自動嵌入式管道檢查系統(tǒng)；Furukawa,T.等人的JP 2004028937，其教導(dǎo)了用于測量焊接管道的形狀的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本文檔中描述的示例性實施例涉及用于使用全矩陣數(shù)據(jù)采集技術(shù)來執(zhí)行對象的超聲檢查的方法和裝置。

在第一方面，本申請針對用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的裝置，該裝置包括：圓柱形套管，適于圍繞導(dǎo)管的圓周安裝；超聲探頭，安裝在套管上并布置為掃描導(dǎo)管的圓周；以及一個或多個傳感器，安裝在套管上以確定套管的加速度或方向。

在另一方面，本申請針對用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的方法，該方法包括：提供超聲陣列以及至少一個傳感器，超聲陣列具有圍繞導(dǎo)管的圓周排列的多個超聲元件，所述至少一個傳感器提供該陣列的加速度或位置；在沿著導(dǎo)管的縱軸的第一點布置超聲陣列以朝著導(dǎo)管的外表面投射超聲信號；以及執(zhí)行沿著導(dǎo)管的縱軸的第一點的全矩陣采集掃描；將超聲陣列重新布置在沿著導(dǎo)管的縱軸的第二點；執(zhí)行沿著導(dǎo)管的縱軸的第二點的全矩陣采集掃描；使用來自所述至少一個傳感器的數(shù)據(jù)以使在第一點的掃描和在第二點的掃描彼此關(guān)聯(lián)；以及重復(fù)重新布置和執(zhí)行全矩陣采集掃描的步驟。每次掃描包括：從超聲陣列中的第一超聲元件發(fā)射超聲信號；感測和記錄由超聲陣列中的每個其他超聲元件接收的超聲信號；以及重復(fù)發(fā)射、感測和記錄的步驟。由超聲陣列中除了第一超聲元件之外的每個超聲元件輪流執(zhí)行發(fā)射步驟。

通過結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)描述，本公開的其他示例性實施例將對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見。

附圖說明

圖1是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的立體圖，其中切除了數(shù)據(jù)電纜且去除了流體引入軟管；

圖2是圖1的示例性實施例的分解立體圖；

圖3是如圖1的示例性探頭工具中使用的超聲陣列的側(cè)視圖；

圖4是圖3的超聲陣列的立體圖；

圖5是圖3和4的超聲陣列的立體圖；

圖6是簡化的圓環(huán)體形狀的等距視圖，示出了示例性環(huán)形探頭工具上的慣性測量單元的放置；

圖7是簡化的圓環(huán)體形狀的第二等距視圖，示出了示例性環(huán)形探頭工具上的慣性測量單元的放置；以及

圖8是在其正面上具有LED指示器的示例性探頭工具的等距視圖。

圖9是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的立體圖，其中切除了數(shù)據(jù)電纜且去除了流體引入軟管。

圖9A是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的閂鎖組件的放大視圖。

圖10是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的立體圖。

圖11是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的側(cè)視圖，其中切除了數(shù)據(jù)電纜且去除了流體引入軟管。

圖12是根據(jù)示例性實施例的超聲探頭工具的部分分解側(cè)視圖。

具體實施方式

概述

本發(fā)明的示例性實施例涉及用于超聲檢查數(shù)據(jù)的采集和后處理的超聲成像裝置和方法。

具體地說，描述的實施例涉及用于檢查管道焊縫的裝置和方法。參照附圖，圖1示出了以下實施例：探頭工具100具有機械套管106，機械套管106圍繞管道安裝并包含包圍管道的整個圓周的超聲收發(fā)器陣列200。在示出的實施例中，陣列200由4個分開的元件構(gòu)成，每個元件橫跨套管的內(nèi)表面的內(nèi)周的1/4。

在一些實施例中，當(dāng)操作者沿著管道的長度縱向地移動套管106時，陣列200通過全矩陣采集數(shù)據(jù)采集技術(shù)來執(zhí)行管道體積的多次發(fā)射-接收循環(huán)。獲得來自發(fā)射-接收循環(huán)的所有數(shù)據(jù)。然后使用兩步算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理。首先，通過構(gòu)造表面的強度圖并給該圖濾波以檢測管道的外表面的邊界，給該外表面建模。第二，在使用費馬原理給管道的內(nèi)表面建模時，在第一步驟期間構(gòu)造的外表面的模型用作透鏡。按照與外表面相同的方式給內(nèi)表面建模：建立強度圖，然后濾波以檢測邊界。

機械套管106具有圓柱形的外部結(jié)構(gòu)，在任一端上具有不透水密封件104，以用于對管道表面進(jìn)行密封。在一些實施例中，密封件是角向地滾動的環(huán)形密封件，從而允許當(dāng)套管106沿著管道表面縱向地運動時，密封件維持與管道的外表面接觸。套管106通過流體引入口132接收用作超聲掃描介質(zhì)的水或另一流體的流，并在操作時用流體填充套管106的內(nèi)表面和管道表面之間的體積，以便于超聲掃描。在其他實施例中，密封件104是由諸如氯丁橡膠的低摩擦材料形成的唇形密封，當(dāng)套管106運動時，密封件104簡單地沿著管道表面滑動。各個實施例可將適合于圍繞管道外表面上的不規(guī)則體變形的彈性材料用于密封件104，以維持不透水密封。

套管106具有內(nèi)環(huán)，內(nèi)環(huán)在其內(nèi)表面上具有圍繞圓柱形結(jié)構(gòu)的圓周的超聲收發(fā)器晶體202的線性陣列，超聲收發(fā)器晶體202的線性陣列與陣列200的縱軸對齊。

在一些應(yīng)用中，通過沿著管道的縱軸手動地移動套管106來采集數(shù)據(jù)，同時針對每一幀，通過超聲陣列執(zhí)行多次發(fā)射-接收循環(huán)。每一幀使用全矩陣采集技術(shù)：使單個元件202進(jìn)行脈沖，而陣列200中的每個元件202測量在該位置的響應(yīng)并存儲所產(chǎn)生的時域信號(A型掃描)。然后重復(fù)該過程，輪流使每個元件202進(jìn)行脈沖，并記錄每個元件202處的響應(yīng)，從而給具有N個元件202的陣列產(chǎn)生(N×N)A型掃描的總數(shù)據(jù)語料庫。在一些應(yīng)用中，通過在設(shè)定的閾值過去時(在時間t)監(jiān)測信號尖峰，確定每個A型掃描的存儲的時間段，然后在尖峰之前的設(shè)定間隔處(在時間t-C)開始追溯地記錄所有信號數(shù)據(jù)。

定義

下面的定義可在如下描述的管道焊縫檢查的上下文中使用。

FMC：全矩陣采集。超聲數(shù)據(jù)收集策略，其中，使換能器中的每個元件獨立地脈沖，同時所有元件接收。針對換能器中的每個元件，重復(fù)以上過程，一直到已經(jīng)激發(fā)所有元件。該策略產(chǎn)生n×n的數(shù)據(jù)陣列，其中n是換能器中的元件的數(shù)量。結(jié)果，在相同的解析度時，用于FMC檢查的數(shù)據(jù)文件明顯大于用于等同的傳統(tǒng)(例如，相控陣)技術(shù)的數(shù)據(jù)文件。

主對角線：在使用FMC收集的數(shù)據(jù)中的一組發(fā)送-接收元件，其中每個發(fā)射元件是它本身的接收器。FMC數(shù)據(jù)集的主對角線視圖與傳統(tǒng)的線性電子元件B型掃描相同。主對角線視圖是FMC數(shù)據(jù)B型掃描的默認(rèn)視圖。

矩陣：當(dāng)使用FMC數(shù)據(jù)收集策略時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。如果矩陣的列指派為識別發(fā)射元件，則矩陣的行對應(yīng)于接收元件。于是陣列的每個元件對應(yīng)于與該對發(fā)射器-接收器相關(guān)的A型掃描。例如：在元件17上發(fā)射、在元件32上接收的組合可產(chǎn)生A型掃描，A型掃描可位于FMC數(shù)據(jù)矩陣的第32行上的第17列下方。

TFM：完全聚焦方法。作為使用通過FMC方法產(chǎn)生的數(shù)據(jù)的多個自動數(shù)據(jù)分析策略的通用名稱。TFM依賴于來自各個發(fā)射器-接收器組合的A型掃描中的時標(biāo)范圍內(nèi)的幅值的總數(shù)。在存在有效的表面的情況下，振幅建設(shè)性地介入以給表面成像。在不存在這樣的表面的情況下，振幅破壞性地介入而不形成圖像。TFM還描述為等同于在整個檢查體積中聚焦的相控陣。

縮寫詞和首字母縮略詞

下面的縮寫詞和首字母縮略詞可在如下描述的管道焊縫檢查的上下文中使用。

位置和方向跟蹤

使用具有3軸陀螺儀和3軸加速度計的位置和方向檢測器，估算探頭工具100在管道上的位置和方向。位置和方向數(shù)據(jù)用于整合來自不同的幀和時間片段的掃描數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)還用于調(diào)節(jié)對超聲陣列的控制，例如基于探頭工具沿著管道表面運動所采用的速度來改變采樣率。如果超聲陣列上的不同的點相對于管道表面以不同的速度運動，則對于這些不同的點，可不同地調(diào)節(jié)采樣速度：例如，當(dāng)套管106圍繞管道的彎管接頭運動時，與位于彎管的外部的超聲陣列部分的情況相比，對于位于彎管的內(nèi)部的超聲陣列部分，采樣速度可以降低，從而防止位于彎管的內(nèi)部的管道表面過采樣。

下面描述確定探頭工具100在3D空間中的方向和位置的方法。在一些環(huán)境中，當(dāng)工具沿著其檢查路徑滑動時，工具可經(jīng)歷數(shù)次方向改變。為了防止在供給器管道彎曲部的內(nèi)弧面上超聲數(shù)據(jù)的過采樣，可能需要知道工具沿著其路徑的位置和方向兩者。描述的方法使用兩個慣性測量單元(IMU)，這兩個IMU串聯(lián)地工作以確定探頭工具的位置和方向。參照附圖，圖6示出了在設(shè)定的位置安裝有兩個IMU(慣性測量單元)602、604的工具600的示例性實施例。

在對裝置進(jìn)行校準(zhǔn)之后，第一IMU 602將使用重力矢量612記錄工具的方向。在確定諸如豎直管道的不確定的幾何結(jié)構(gòu)上的工具位置時，第二IMU 604是有用的。第二IMU單元604上的編碼器和加速度計可用于確定工具已經(jīng)沿著管道行進(jìn)的距離。方向和軸向位置的這種組合將允許，例如通過檢測旋轉(zhuǎn)矢量606經(jīng)過的角度610和加速度608矢量，而實時地重構(gòu)工具穿過空間的路徑。

在圖7中示出的示例性實施例中，第一IMU 602和第二IMU 604置于工具600的圓周上分開90度角度704的點處。第一IMU 602和第二IMU 604均相對于工具600的縱向操作軸702定向。

使用重力矢量記錄工具的方向

通過組合來自第一IMU 602的加速度計和陀螺儀的輸入，將確定工具100的方向。當(dāng)首先初始化工具時將獲得讀數(shù)，以及在每個接下來的時間間隔結(jié)束時(t＝0、t＝1…t＝n)獲得讀數(shù)：

其中

加速度矢量：如由加速度計給出的重力矢量的方向

陀螺儀矢量：如由陀螺儀給出的工具的方向

方向矢量：關(guān)于工具的當(dāng)前方向的“最佳猜測”

可在每個采樣時間段期間，直接從加速度計讀數(shù)獲得加速度計矢量的分量。矢量歸一化以得到其方向：

從陀螺儀，可以找到工具在時間間隔內(nèi)已經(jīng)運動經(jīng)過的角度

其中

θ_xy(t-1)＝來自之前的時間間隔的讀數(shù)

在時間間隔內(nèi)θ改變的平均速率

T＝時間間隔的持續(xù)時間

類似地

能夠使用之前的方向矢量和角度矢量θ(t)重構(gòu)工具的當(dāng)前方向這如下實現(xiàn)：

使用三角恒等式，以上可簡化成：

以上可進(jìn)一步簡化成：

其使用比第一個表達(dá)式少的三角恒等式，因此在計算方面較為便宜。

類似地

現(xiàn)在分別得到了重力矢量的方向和如由陀螺儀給出的工具的方向單獨地考慮，這些讀數(shù)均可隨著時間的推移而經(jīng)歷誤差-從高振幅、短持續(xù)時間的噪聲導(dǎo)致加速度計經(jīng)歷誤差，以及從低振幅、長持續(xù)時間的飄移導(dǎo)致陀螺儀經(jīng)歷誤差。

為了抵消這些效應(yīng)，輸入均供給到以下形式的互補濾波器中：

其中

x＝控制加速度計輸入的權(quán)重

量x反映了加速度計輸入可以被“信任”的水平，且可通過實驗確定。

使用串聯(lián)IMU適應(yīng)垂直供給器

在加拿大重水鈾(CANDU)反應(yīng)堆的面上的大多數(shù)供給器管道在預(yù)期的檢查區(qū)域(與諸如Grayloc^TM管件的管件相距1-1.5米)內(nèi)是垂直的。這對于確定工具100的圓周方向(例如，在極坐標(biāo)中的θ方向)提出了挑戰(zhàn)，其原因是對于一部分檢查掃描，重力矢量將與-z軸對齊。圖6示出了探頭工具600的這樣的方向。

這意味著，對于一部分掃描，加速度計可能不能給互補濾波器提供有用的輸入。在這種情況下，通常僅從來自陀螺儀的輸入確定工具100的方向。當(dāng)陀螺儀經(jīng)歷飄移時，這可產(chǎn)生“虛假旋轉(zhuǎn)”，其中當(dāng)未發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，探頭工具軟件相信工具在圍繞管道的軸線旋轉(zhuǎn)。

由于當(dāng)在工具沿著這些垂直部分運動時操作者可能需要旋轉(zhuǎn)工具，因此需要具有隨著時間的推移，以θ尺寸表示的工具的方向的精確的圖片。這將允許相對于諸如Grayloc^TM管件的固定參考點，確定裂紋的位置。

實現(xiàn)以上過程的一種方式是通過使用加速度計測量工具的向心加速度。向心加速度如下給出：

其中

v_t＝在IMU原點處測量的工具的切向速度

r＝在IMU原點處測量的工具的半徑

a_c的量級通常將小(對于以40RPM旋轉(zhuǎn)的2.5英寸工具，大約是因此確定的是：串聯(lián)地工作以互相印證讀數(shù)的兩個IMU，可用于提供以θ表示的工具的位置的精確的圖片。

通過實驗確定可如何組合來自串聯(lián)的IMU 602、604的輸入。由于通過測試確定的精確的權(quán)重和限制，可使用互補濾波器和閾值技術(shù)的組合。

使用加速度計和編碼器記錄工具的軸向位置

來自旋轉(zhuǎn)編碼器1001和串聯(lián)的加速度計的輸入的組合可用于確定探頭工具100沿著管道的軸向位置。由于朝著編碼器輸入極大地加權(quán)的濾波器，互補濾波器可用于組合輸入。其原因是：假設(shè)旋轉(zhuǎn)輪與管道表面接觸，且與受到高振幅噪聲影響的加速度計相比，通?？烧J(rèn)為旋轉(zhuǎn)輪更“可信”。

通過實驗，可發(fā)現(xiàn)需要通過產(chǎn)生工具暫時依賴于加速度計輸入以確定其位置的條件，而對編碼器“滑動”作出響應(yīng)。

操作者反饋

在一些實施例中，LED燈系統(tǒng)集成到工具100中，以基于當(dāng)前工具狀態(tài)給操作者提供視覺反饋。例如，不同的燈圖案可對應(yīng)于不同的工具事件，例如水柱的損失、錯過的掃描或設(shè)備故障。這樣的反饋可允許操作者作出關(guān)于工具布置、掃描速度等的迅速、準(zhǔn)確的決定。

反饋可來自包括IMU系統(tǒng)的數(shù)個源(工具100過快地運動)或來自換能器(小的水柱、錯過的掃描等)。

將四元數(shù)用于旋轉(zhuǎn)計算中

四元數(shù)提出使用矢量表示3D旋轉(zhuǎn)的方法，并廣泛用于電腦繪圖應(yīng)用中。由于四元數(shù)不涉及三角函數(shù)，所以它們不會遭受當(dāng)函數(shù)逼近不連續(xù)(例如，tan(90°))時遇到的不穩(wěn)定性、引起萬向節(jié)鎖現(xiàn)象的歐拉角特征。在一些情況下，萬向節(jié)鎖可以是主要問題，其原因是如上討論的，通過探頭工具進(jìn)行的大部分檢查可在垂直管道上發(fā)生，此時重力矢量大致與-z軸對齊。因此，工具及其掃描軟件的一些實施例可將四元數(shù)用于執(zhí)行如上闡述的計算。

三角函數(shù)的數(shù)值逼近

當(dāng)計算三角恒等式時，出現(xiàn)相關(guān)的問題，這是在計算方面較為昂貴的任務(wù)。根據(jù)IMU的采樣率，在一些情況下以上問題可阻止系統(tǒng)的執(zhí)行。給三角函數(shù)值制表或給三角函數(shù)產(chǎn)生數(shù)值逼近，相應(yīng)地解決以上問題。

光學(xué)編碼器的使用

在一些實施例中，光學(xué)編碼器可用于監(jiān)測在現(xiàn)場條件(解釋為濕的、不干凈的管道，反射率的改變等)下行進(jìn)的距離。在這樣的實施例中，可能完全依賴于編碼器輸入以確定工具的軸向位置。這可減少軟件的復(fù)雜度，其原因是當(dāng)確定位置時不需要考慮加速度計輸入。

在確定時更精確的積分

在一些實施例中，上面闡述的用于從陀螺儀讀數(shù)計算角速度的方法可依賴于梯形積分方法，其中在時間間隔的開始和結(jié)束時的角速度讀數(shù)簡單地求平均以產(chǎn)生用于該間隔的讀數(shù)。

在一些情況下，以更高的速率采樣以及實現(xiàn)諸如辛普森法則的“更精確的”積分方法，可產(chǎn)生更好的結(jié)果。

數(shù)據(jù)采集

FMC檢查使關(guān)于焊縫構(gòu)造的圓柱形幾何結(jié)構(gòu)的探頭軌跡疊加。根據(jù)接縫的性質(zhì)以及探頭工具在接縫上的布置，可出現(xiàn)OD和ID信號的某種失真。可出現(xiàn)這種失真的區(qū)域是直線形幾何結(jié)構(gòu)與彎曲幾何結(jié)構(gòu)的對接區(qū)域或Grayloc^TM幾何結(jié)構(gòu)與彎曲幾何結(jié)構(gòu)的對接區(qū)域。對于這種失真的補救措施是使探頭工具100在接縫上方重新經(jīng)過，其目的是優(yōu)化經(jīng)歷失真的區(qū)域中的信號。

探頭數(shù)據(jù)可在掃描操作期間實時地完全地或部分地處理。這給操作者提供關(guān)于掃描的數(shù)據(jù)的充裕度的即時反饋。諸如LED燈的指示器136可安裝到探頭工具100，以即時地向操作者發(fā)出關(guān)于探頭數(shù)據(jù)中的缺陷的警告，從而允許操作者執(zhí)行出現(xiàn)缺陷的管道段的第二次經(jīng)過。這樣的缺陷可由操作者過快地移動套管或不夠平穩(wěn)地移動套管導(dǎo)致；可通過在管道的有問題區(qū)域上方“返回繪畫”執(zhí)行的第二次經(jīng)過，由于套管106的更平穩(wěn)的、更慢的運動和/或旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生令人滿意的數(shù)據(jù)。

指示器還可用于向操作者發(fā)出關(guān)于可影響收集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量的其他問題(例如關(guān)于圍繞管道的密封或水流的問題)的警告。

雖然本發(fā)明已經(jīng)描述為管道檢查工具和技術(shù)，但是一般原理和算法可應(yīng)用于多個不同的背景和應(yīng)用中的超聲成像。

超聲探頭工具裝置

參照附圖，圖1示出了包括超聲探頭工具100的示例性實施例。探頭工具100包括套管106，在掃描過程期間套管106圍繞管道2的圓周安裝。套管106的中心與管道的縱軸對齊。探頭工具100使用超聲探頭元件202的線性陣列200，以掃描由套管106包圍的管道片段。

在操作時，套管106圍繞管道安裝，使得兩個不透水密封件104從套管106的邊緣延伸到管道表面。在示出的實施例中，密封件104是由諸如氯丁橡膠的低摩擦材料制成的唇形密封件。在操作時，唇形密封件沿著管道表面滑動以維持不透水密封。在其他實施例中，密封件104包括諸如環(huán)形彈簧的彈性核心以及諸如氯丁橡膠的彈性低摩擦涂層。每個密封件104安裝到探頭工具100，位于沿著套管106的每個外邊緣延伸的溝槽內(nèi)。當(dāng)探頭工具100沿著管道表面縱向地運動時，密封件104極向地旋轉(zhuǎn)以保持在溝槽內(nèi)，同時維持與管道表面接觸以維持滾動的不透水密封。

由套管106的內(nèi)表面、密封件104以及管道外表面限定的內(nèi)部區(qū)域然后填充有水或適合于用作超聲掃描介質(zhì)的另一流體。在一些實施例中，水通過包含在探頭工具100中的軟管110泵送到內(nèi)部體積中。軟管110連接到外部水源和/或泵，并通過軟管引入口132向套管106的內(nèi)部體積中進(jìn)行供給。

一個或多個數(shù)據(jù)連接器134將探頭工具100連接到一個或多個外部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和/或控制器。這些外部系統(tǒng)可控制探頭工具100的操作和/或收集并處理通過探頭工具100的掃描操作聚集的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)連接器134用于在探頭陣列與外部數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和/或控制器之間傳送超聲探頭控制數(shù)據(jù)和由探頭收集的數(shù)據(jù)。在其他實施例中，例如通過嵌入式控制器和/或數(shù)據(jù)存儲和處理單元，使這些功能中的一些或所有功能可在探頭工具100本身內(nèi)發(fā)生。數(shù)據(jù)連接器134還可包含電力線以用于驅(qū)動數(shù)據(jù)陣列的操作和/或工具100的其他受驅(qū)動元件。

在一些實施例中，探頭工具100可通過允許套管106打開的鉸鏈設(shè)計與管道或其他掃描對象安裝或去除。圖1示出了包括鉸接的探頭工具的示例性實施例，具有允許套管打開的鉸鏈140、以及允許通過諸如閂鎖的耦合裝置使套管的端部一起耦合到關(guān)閉的操作位置的連接器138。在圖1的示例性實施例中，連接器138示出為閂鎖。圖9中示出的閂鎖組件901提供閂鎖機構(gòu)的進(jìn)一步的實施例。在一些實施例中，例如在圖10中示出的實施例中，鉸鏈組件138允許套管106打開。

圖2示出了圖1的工具的部件的分解視圖。在本實施例中，可以看出：密封104保持在套管106的外部部件和內(nèi)部部件之間的位置。

探頭工具100使用諸如共振器晶體的超聲探頭元件的線性陣列，以掃描由套管106包圍的體積。圖3-5示出了示例性超聲陣列200的各個視圖。本文示出的四個1/4環(huán)陣列200圍繞圖1-2的示例性探頭工具100的內(nèi)圓周放置。一些實施例可接合其中每個具有128個元件的四個陣列段，以組成具有512個元件的陣列。陣列200具有數(shù)據(jù)連接器134(本文剖切地示出)，數(shù)據(jù)連接器134驅(qū)動陣列元件202的操作并收集來自操作中的這些元件的數(shù)據(jù)。在具有大量元件的實施例中，數(shù)據(jù)連接器134可包括能夠支持至少250MB/s的一個或多個光纖數(shù)據(jù)電纜或換能器電纜134。

在操作時，線性陣列200與被掃描的管道的縱軸周向地對齊。通過全陣列200使用下面描述的全矩陣采集技術(shù)掃描管道，然后探頭工具100沿著管道的縱軸運動，在這之后，對于工具的新位置的新的縱坐標(biāo)，重復(fù)掃描過程。通過在沿著管道的長度規(guī)則地隔開的間隔處執(zhí)行多次這樣的掃描，可使用掃描數(shù)據(jù)建立整個管道長度的圓周的內(nèi)表面和外表面的模型。

在一些實施例中，例如在圖8中示出的實施例中，套管106可包含一個或多個指示器136，以向操作者發(fā)出關(guān)于不利情況的警告，在繼續(xù)掃描下一個管道區(qū)域之前可能需要處理該不利情況。在一些實施例中，這些指示器136包括附著到套管106的在操作期間面對操作者的正面的LED燈。指示器136接收來自數(shù)據(jù)連接器134的數(shù)據(jù)、來自額外的指示器數(shù)據(jù)連接器142和/或探頭工具100本身內(nèi)的內(nèi)部傳感器(例如，IMU)的數(shù)據(jù)。指示器136可向操作者發(fā)出關(guān)于收集的數(shù)據(jù)信號的質(zhì)量問題、圍繞管道圓周的水流或密封問題、或影響掃描質(zhì)量的其他問題的警告。操作者可通過可能以不同的速度、取向和/或方向重復(fù)掃描，對這樣的警告作出響應(yīng)。操作者還可采取糾正影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的問題的步驟，例如調(diào)節(jié)密封件104或檢查軟管110是否扭結(jié)或堵塞。在一些實施例中，例如在圖9中示出的實施例中，超聲探頭工具100包括集成在套管106中的一個或多個LED指示器902，以給操作者提供視覺反饋。

在一些實施例中，例如在圖9中示出的實施例中，一個或多個霍爾傳感器903安裝在套管106上，以確定工具的加速度和方向。在進(jìn)一步的實施例中，例如在圖10中示出的實施例中，旋轉(zhuǎn)編碼器1001安裝到套管106并用于確定工具已經(jīng)沿著管道行進(jìn)的距離。一個或多個IMU 1003也可安裝到套管106并用于記錄裝置的方向。

在一些實施例中，例如在圖9和圖10中示出的實施例中，裝置包括換能器1104、換能器電纜敷設(shè)托盤1101、耦合劑管路1102、耦合劑安裝件1103、防塵圈密封件1105、維持滾動不透水密封的滾動密封件1106，允許滾動密封件1106旋轉(zhuǎn)的軸承1107和柔性軸1108。

如圖11和12所示，位于套管的任一端的密封可通過滾動密封件1106實現(xiàn)。滾動密封件是可圍繞位于其軸線上的柔性軸1108旋轉(zhuǎn)的、可延展的圓柱體。滾動密封件自身形成圍繞套管的每個端部的圓環(huán)。柔性軸位于也是圓柱形的、允許滾動密封件圍繞柔性軸自由旋轉(zhuǎn)的軸承內(nèi)。在位于套管的任一端的滾動密封件1106的外部，還可使用防塵圈密封件1105。

全矩陣采集(FMC)數(shù)據(jù)收集

在一些實施例中使用的全矩陣采集(FMC)技術(shù)是廣泛用于超聲掃描的相控陣數(shù)據(jù)采集技術(shù)的已知的完善。和與之相當(dāng)?shù)南嗫仃噿呙柘啾?，F(xiàn)MC通常需要采集更大量的數(shù)據(jù)，但是允許從單次掃描提取更多的信息。在全矩陣采集中，使超聲陣列200的單個元件202進(jìn)行脈沖，從而將超聲能量傳輸?shù)綊呙杞橘|(zhì)中。陣列200的每個元件202用作該能量的接收器，從而檢測在該脈沖之后的時間段內(nèi)在其坐標(biāo)處的超聲振動。記錄并存儲該檢測的振動以用于后處理。一旦對于所有的n個元件202均記錄了數(shù)據(jù)，則使第二個元件進(jìn)行脈沖，且對于所有的接收元件202重復(fù)記錄過程。然后再次重復(fù)該過程，使得n個元件202中的每個輪流進(jìn)行脈沖并針對每個接收元件記錄數(shù)據(jù)，從而產(chǎn)生記錄數(shù)據(jù)的n×n矩陣：每個接收元件從來自每個發(fā)射元件的脈沖記錄掃描數(shù)據(jù)。

在一些實施例中，來自每個接收元件202的數(shù)據(jù)記錄成隨著時間的推移獲得的一系列數(shù)字采樣。從發(fā)射器i的脈沖產(chǎn)生的、由接收器j采集的數(shù)據(jù)信號產(chǎn)生隨著時間維度的推移獲得的一系列的m個樣本，從而產(chǎn)生大小為n×n×m的樣本的完全的三維矩陣。

在使用圖1和2的探頭工具100的示例性實施例中，由通過數(shù)據(jù)連接器134連接到探頭工具100的外部控制器控制超聲陣列200的操作。由陣列200記錄的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)連接器134發(fā)送到外部數(shù)據(jù)記錄器和處理器，在外部數(shù)據(jù)記錄器和處理器處，該數(shù)據(jù)被存儲和處理，如下面進(jìn)一步描述的?？刂破骱蛿?shù)據(jù)處理器還可彼此通信，記錄的數(shù)據(jù)可由控制器使用以在掃描期間校準(zhǔn)或優(yōu)化陣列200的操作。

如上所述的單個發(fā)射-接收循環(huán)產(chǎn)生n×n次A型掃描(即，在接收元件處接收的時域信號)。通常通過接收元件，通過監(jiān)測超過設(shè)定閾值的振動、然后記錄感測的振動以及持續(xù)在越過該閾值之后設(shè)定的時間段，產(chǎn)生單次A型掃描。

FMC數(shù)據(jù)的處理

對采集的數(shù)據(jù)的處理可與掃描同時進(jìn)行或在掃描之后進(jìn)行。用于處理采集的數(shù)據(jù)的技術(shù)可涉及變孔徑聚焦方法(SFM)、內(nèi)部聚焦方法(IFM)以及邊界檢測和識別的應(yīng)用，以確定掃描的對象的結(jié)構(gòu)，例如管道壁的內(nèi)表面輪廓和外表面輪廓。這些技術(shù)可允許檢測管道厚度的細(xì)微變化、管道壁中的缺陷、以及管道的任意內(nèi)表面和外表面的其他結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。

如應(yīng)用于管道檢查的TFM技術(shù)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)在以下文獻(xiàn)中闡述：國際公布WO 2013/044350；以及在2012年關(guān)于無損檢測的國際會議上提出的論文“使用完全聚焦方法的焊縫的體積檢查(Volumetric Inspection of Welds Using the Total Focus Method)”和“從全矩陣采集數(shù)據(jù)集對相控陣技術(shù)的重構(gòu)(Reconstruction of Phased Array Techniques from the Full Matrix Capture Data Set)”，這三篇文獻(xiàn)通過完全引用包含于此。WO 2013/044350參考文獻(xiàn)包含關(guān)于可應(yīng)用于本公開或可與本公開結(jié)合地使用的各種主題的大量具體細(xì)節(jié)：用于設(shè)備和軟件的校準(zhǔn)技術(shù)和工具、設(shè)備設(shè)置、設(shè)備維護(hù)、數(shù)據(jù)驗證、信號質(zhì)量和數(shù)據(jù)的接受度的準(zhǔn)則、探頭數(shù)據(jù)的存儲、用于數(shù)據(jù)處理的數(shù)學(xué)方法、用于收集和分析探頭數(shù)據(jù)的設(shè)備和軟件的規(guī)格、以及由軟件操作者執(zhí)行的詳細(xì)數(shù)據(jù)分析過程。本公開包括在該早期的參考文獻(xiàn)中公開的工具的技術(shù)的完善，并以其整體包含之前的參考文獻(xiàn)。

在不脫離本公開的精神或本質(zhì)特征的情況下，本公開可以以其他特定形式實施。描述的實施例在各個方面均被認(rèn)為僅僅是說明性的而非限制性的。本公開意在涵蓋和包含技術(shù)中的所有適當(dāng)?shù)母淖儭?/p>

權(quán)利要求書(按照條約第19條的修改)

1.一種用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的裝置，包括：

圓柱形套管，適于圍繞導(dǎo)管的圓周安裝；

超聲探頭，安裝在套管上并布置為掃描導(dǎo)管的圓周；以及

一個或多個傳感器，安裝在套管上以確定套管的加速度和套管的方向中的一個或多個。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述一個或多個傳感器包括至少一個陀螺儀。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述一個或多個傳感器包括至少一個加速度計。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述一個或多個傳感器包括能夠操作以確定套管的方向和加速度的陀螺儀和加速度計。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其中，陀螺儀和加速度計能夠操作以三維地確定方向和加速度。

6.一種用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的裝置，包括：

圓柱形套管，適于圍繞導(dǎo)管的圓周安裝；

超聲探頭，安裝在套管上并布置為掃描導(dǎo)管的圓周；以及

至少一個指示器，用于向用戶發(fā)出關(guān)于超聲探頭數(shù)據(jù)的質(zhì)量的缺陷的警告。

7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的裝置，進(jìn)一步包括：

密封件，位于圓柱形套管的任一端，用于使流體包含在套管的內(nèi)表面和導(dǎo)管的外部之間的內(nèi)部區(qū)域中；以及

流體引入口，用于接收流體并使流體進(jìn)入所述內(nèi)部區(qū)域中。

8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的裝置，進(jìn)一步包括：一個或多個數(shù)據(jù)連接器，給超聲探頭提供控制信息并接收來自超聲探頭的掃描數(shù)據(jù)。

9.根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的裝置，其中，超聲探頭是超聲收發(fā)器的陣列。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中，超聲收發(fā)器的陣列環(huán)繞導(dǎo)管的整個圓周。

11.根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的裝置，其中，套管包括能夠彼此拆開的至少兩個部分，以用于圍繞導(dǎo)管安裝套管。

12.根據(jù)權(quán)利要求1至11所述的裝置，其中，套管具有用于向用戶發(fā)出關(guān)于超聲探頭數(shù)據(jù)的質(zhì)量的缺陷的警告的至少一個指示器。

13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中，所述缺陷是可影響收集的數(shù)據(jù)的質(zhì)量的探頭數(shù)據(jù)中的缺陷、水流問題以及圍繞管道的密封件問題中的一個或多個。

14.根據(jù)權(quán)利要求3至13所述的裝置，其中，加速度計是3軸加速度計。

15.根據(jù)權(quán)利要求1至14所述的裝置，進(jìn)一步包括：

一個或多個燈指示器，用于給操作者提供視覺反饋。

16.根據(jù)權(quán)利要求1至14所述的裝置，進(jìn)一步包括：

旋轉(zhuǎn)編碼器，用于確定所述裝置已經(jīng)沿著管道行進(jìn)的距離；以及

一個或多個慣性測量單元，用于記錄裝置的方向。

17.一種用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的裝置，包括：

圓柱形套管，適于圍繞導(dǎo)管的圓周安裝；

超聲探頭，安裝在套管上并布置為掃描導(dǎo)管的圓周；以及

圓柱形滾動密封件，位于圓柱形套管的每一端，以維持滾動不透水密封。

18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述滾動密封件外部的防塵圈密封件。

19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的裝置，進(jìn)一步包括位于所述滾動密封件的軸線上的圓柱形軸。

20.根據(jù)權(quán)利要求17至19所述的裝置，其中，所述圓柱形軸是柔性的。

21.一種用于執(zhí)行導(dǎo)管的超聲掃描的方法，包括：

提供超聲陣列以及至少一個傳感器，超聲陣列具有圍繞導(dǎo)管的圓周排列的多個超聲元件，所述至少一個傳感器提供所述陣列的加速度和所述陣列的位置中的一個或多個；

在沿著導(dǎo)管的縱軸的第一點布置超聲陣列，以朝著導(dǎo)管的外表面投射超聲信號；

執(zhí)行沿著導(dǎo)管的縱軸的第一點的全矩陣采集掃描，包括：

從超聲陣列中的第一超聲元件發(fā)射超聲信號；

感測并記錄由超聲陣列中的每個其他超聲元件接收的超聲信號；以及

重復(fù)發(fā)射、感測和記錄的步驟，其中，由超聲陣列中除了第一超聲元件之外的每個超聲元件輪流執(zhí)行發(fā)射步驟；

將超聲陣列重新布置在沿著導(dǎo)管的縱軸的第二點；

執(zhí)行沿著導(dǎo)管的縱軸的第二點的全矩陣采集掃描；

使用來自所述至少一個傳感器的數(shù)據(jù)以使在第一點的掃描和在第二點的掃描彼此關(guān)聯(lián)；以及

重復(fù)重新布置和執(zhí)行全矩陣采集掃描的步驟。

22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，超聲陣列具有用于向用戶發(fā)出關(guān)于探頭數(shù)據(jù)中的缺陷的警告的一個或多個指示器，以及進(jìn)一步包括在執(zhí)行每次全矩陣采集掃描之前：

從超聲陣列中的至少一個超聲元件發(fā)射至少一個超聲信號；

感測由超聲陣列中的至少一個超聲元件接收的至少一個超聲信號；

在處理器處評估所述至少一個感測的信號的質(zhì)量；以及

使用所述至少一個指示器向用戶發(fā)出關(guān)于評估結(jié)果的警告。

23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，超聲陣列具有用于向用戶發(fā)出警告的一個或多個指示器，以及進(jìn)一步包括在執(zhí)行每次全矩陣采集掃描之前：

生成關(guān)于所述陣列的方向和加速度的至少一個傳感器數(shù)據(jù)；

在處理器處基于所述傳感器數(shù)據(jù)評估所述陣列的位置和方向是否正確；以及

使用所述至少一個指示器向用戶發(fā)出關(guān)于評估結(jié)果的警告。

24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，使在第一點的掃描和在第二點的掃描關(guān)聯(lián)的步驟包括：對于超聲陣列上的不同的點，不同地調(diào)節(jié)采樣速度。

25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的方法，其中，不同地調(diào)節(jié)采樣速度的步驟包括：

基于從所述至少一個傳感器接收的數(shù)據(jù)，確定所述陣列目前是否在掃描導(dǎo)管的彎曲部分；以及

與所述彎曲部分的外側(cè)上的情況相比，在所述彎曲部分的內(nèi)側(cè)上，更不頻繁地通過陣列進(jìn)行采樣。