СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ОЦИФРОВАННЫХ ДАННЫХ В ЗОНДЕ ЕМАТ-"САЛАМАНДРА"
METHOD FOR REDUCTION OF DIGITISED DATA IN PROBE EMAT - "SALAMANDER"

Изобретение относится к способу уменьшения количества оцифрованных данных, полученных в результате измерений, оцифрованных данных в зонде (электромагнитно-акустический преобразователь - Electro Magnetic Accoustic Trans - ducer-) EMAT-«саламандра», который детектирует на стенке трубы трещины, коррозию или другие отклонения от нормального состояния / повреждения и с помощью вычислительных модулей компримирует их.
Для проверки трубопроводов, в частности предназначенных для транспортировки нефти или газа, известны контролирующие зонды, у которых на внешней оболочке по окружности установлены обладающие специальной чувствительностью датчики. С помощью этих датчиков проверяется состояние трубопровода и становится возможным его контроль. Пригодные для этой цели датчики основываются на различных физических принципах. Известны, например, пьезоэлектрические, электроакустические, магнитные и вышеупомянутые ЕМАТ-датчики.
Полученные с помощью датчиков измерительные данные преобразуются в электрические аналоговые сигналы и оцифровываются для дальнейшей обработки / использования в аналого-цифровом преобразователе. В процессе перемещения по длинному нефтегазопроводу накапливается громадное количество данных. Во время такого перемещения зонд не связан с внешним миром. Поэтому полученные данные должны сохраняться в форме, которая позволяет после прохождения зонда получить вне трубопровода представление о состоянии стенки, выявить на стенке трубы места отклонений от нормального состояния /повреждений/ дефектов и надежно охарактеризовать их количественно. Даже современные запоминающие устройства испытывают перегрузки при прямом (1:1-) сохранении данных. Поэтому получаемые из аналоговых данных цифровые данные должны сокращаться / компримироваться, чтобы гарантировалось вышеназванное представление. В качественном отношении это означает: данные о не вызвавших подозрения / исправных участках стенки трубы сохраняться не должны. Способ сокращения данных при выявлении повреждений длинных / очень длинных стенок трубопроводов предназначен, следовательно, для того, чтобы выделить существенные признаки поступившего, связанного с дефектом трубы сигнала и с минимальным количеством бит насколько возможно точно представить так, чтобы уменьшить / минимизировать количество подлежащих сохранению данных.
ALOK (Amplitude - Laufzeit-Ortskurve-) - способ («способ кривой амплитуды - времени-места») по О.А.Barbian, В.Grohs, R.Licht "Signalanhebung durch Entstörung von Laufzeit-Messwerten aus Ultraschallprüfungen von ferritischen und austenitischen Werkstoffen - ALOK" («Усиление сигнала путем устранения помех измерению времени хода при ультразвуковых испытаниях ферритных и аустенитных материалов - ALOK», Teil 1-Materialprüf. 23 (1981) 379-383) выделяет вершины (специальный термин: пики) ультразвуковых огибающих (анг.: envelopen). В результате этого может достигаться высокий коэффициент сокращения. Важная информация, содержащаяся в сигнале, при сокращении теряется. Следовательно, сохраненные данные не дают никакого представления о форме ультразвукового отражения и о фоне в зоне выбранных векторов. Данная же информация, тем не менее, очень важна для определения структуры и величины дефекта. Выбираются также в качестве достойных сохранения и вершинные структуры в шумах, которые ухудшают коэффициент сокращения.
В DE 4040190 описывается способ, при котором сохраняются амплитудный максимум и показатель времени в случае превышения заданного порога. Способ, однако, не оценивает ширину и характеристику огибающих (англ: envelopen). Кроме того, способ требует выровненного фильтром низких частот ультразвукового сигнала.
По ЕМАТ-технологии ЕМАТ-зонд, состоящий из ЕМАТ-приемопередатчика, в результате действия электрических / магнитных сил посылает в стенку трубы / трубопровода импульс ультразвуковых волн или импульс УЗ-волн, с заданным числом длин волн, предпочтительно с 5-10 длинами волн. Этот импульс волн пронизывает стенку трубопровода и отражается на границах поверхностей. Отраженная УЗ-волна детектируется ЕМАТ-приемником и превращается в пропорциональный электрический сигнал (смотрите GB 2380794 А). Передатчик в зависимости от встроенного функционального генератора может посылать отдельные импульсы и волны различной формы и частоты. Обычно применяются датчики с частотами передатчика от примерно 400 кГц до примерно 2 МГц. Данные электромагнитных датчиков записываются с помощью (аналого-цифровых) AD-преобразователей с разрешением 12-16 бит со скоростью развертки, например, 20 МГц. В контролирующий зонд «саламандра» с 50 датчиками, работающими как минимум частично в мультиплексном режиме, и со скоростью контролирования 1 м/с поступает в расчете на трубопровод длиной 500 км обычно около 200 Тбайт данных. Это количество данных должно во время контролирующего хода накопиться в перемещающемся зонде, так как во время этого хода отсутствует связь наружу.
В зависимости от структуры стали, структуры поверхности и покрытия (специальный термин (англ.): coating) трубопровода детектированный приемником сигнал может и в случае бездефектной стали очень сильно изменяться. Это приводит к колебаниям фона сигнала. При определении же размера трещины очень важно отношение отраженной на трещине амплитуды эха к фону.
Для того чтобы количество данных находилось в пределах доступной для сохранения величины и зонд «саламандра» мог проходить экономически оправданную дистанцию хода, обязательно должно проводиться сокращение количества данных.
В основе изобретения лежит задача, на основе знания структуры данных и их значения для автономного («offline») обнаружения дефектов путем разработки специального, соответствующего требованиям к обработке сигналов метода добиться более высокого коэффициента сокращения.
Способ сокращения количества данных предназначен в частности для зонда ЕМАТ-«саламандра», который детектирует трещины, коррозию и другие отклонения от нормального состояния / дефекты стенки трубы в процессе своего перемещения по подлежащей исследованию трубе. Во время измерительного хода аналоговые сигналы измерений от электромагнитных датчиков оцифровываются, компримируются с помощью вычислительных модулей и сохраняются в передвигающемся зонде устройства для сохранения данных. Способ сокращения / сжатия данных подразделяется на три основных этапа / метода обработки поступающих данных:
- предварительное сжатие,
- выделение признака и
- компрессия.
Установленный в зонде «саламандра» ЕМАТ-датчик состоит как минимум из приемопередающего устройства. Он посылает направленный на стенку трубы импульс ультразвуковых волн с заданным типом волн и заданной частотой из диапазона от примерно 400 кГц до примерно 2 МГц, эхо которого от стенки трубы детектируется как минимум одним ЕМАТ-приемником. Эхо превращается в электрический аналоговый сигнал, оцифровывается (аналого-цифровым) AD-преобразователем и после этого выпрямляется (смотрите фигуру 1).
Задача улучшенного сокращения данных решается на описанных в пункте 1 формулы изобретения этапах способа, которые подразделяются на две группы способов, а именно:
- определение размеров дефектного места и
- определение фона сигнала в соседней с дефектным местом зоне.
Определение размеров:
Этапы способа по определению размеров базируются на алгоритме выбора максимальных значений, который выявляет амплитуды-время хода-пары или векторы, для которых характерны максимумы ультразвуковых огибающих (смотрите фигуру 3). Пары времени хода называются в данном случае вектором. Векторы ниже параметризированного порога отделяются и таким образом шумы устраняются.
Построение огибающих (англ.: envelopen) происходит таким образом, что для каждого выбранного вектора дополнительно определяется ширина ультразвуковой огибающей. Кроме того, из непосредственно прилегающих к вектору максимальных амплитуд около каждого вектора определяются минимумы, расположенные ниже заданного порогового значения. Временное отклонение минимумов от временного значения вектора сохраняется в памяти. Путем интерполяции между отдельными временными показателями и векторами позже (автономно) производится достаточно точное построение огибающих. Если между двумя векторами максимальные амплитуды находятся не ниже порогового значения, вершина с минимальным значением амплитуды считается минимумом, который является последующим минимумом первого вектора и предыдущим минимумом следующего вектора (смотрите фигуру 4).
Векторы огибающей, ширина которых меньше порогового значения, так называемая ширина огибающей, исключаются. Векторы огибающей, форму которых нельзя отнести к заданной характеристике, так называемая форма огибающей, также исключаются. Вектор огибающей также определяется амплитудой и временным показателем / моментом времени проявления соответствующего максимума, а также шириной огибающей и формой огибающей. Характеристика формы огибающей определяется отношением разниц времени между временным показателем максимума и предшествующим и последующим вершинным / пиковым минимумом. Если это параметризированное отношение, например, больше, чем 2, или меньше, чем 0,5, то форма огибающей не соответствует заданной характеристике. Вектор огибающей в этом случае исключается.
Каждый вектор огибающей определяется тремя амплитуды-время хода-парами, а именно максимумом, по времени предыдущим вершинным / пиковым минимумом и по времени последующим пиковым минимумом.
Путем построения огибающей, с отражением ширины огибающей и формы огибающей, у предварительно сжатого / векторизированного ультразвукового сигнала проводится выделение признаков, чтобы решить, содержит ли этот ультразвуковой сигнал несущие информацию признаки и заслуживает ли из-за этого сохранения.
Фон сигнала:
Так как, как уже выше объяснялось, в зависимости от структуры стали, возникают колебания фона сигнала, для определения размеров трещины относительно фона имеет большое значение определение этого фона. Поэтому в данном случае временной диапазон ультразвукового эха устанавливается равным любым интервалам времени, но как минимум продолжительностью в 4 суммированные длины волны примененной частоты ультразвука, с параметризированными стартовым значением и значением длины. Для этих промежутков времени амплитуды пиков суммируются с получением в итоге специфического для рассматриваемого интервала суммарного значения, которое затем делится на число пиков. Таким образом, затем оперируют средними значениями этого показателя. Для определения размеров определяется и сохраняется каждое среднее значение для соответствующего дефектного места. Для определения размеров дефекта автономно («offline») привлекаются прилегающие к дефекту фоновые показатели в азимутальном и радиальном направлениях.
Компрессия данных по выбранным признакам происходит без существенных потерь информации. Данные при этом без потери информации о дефекте кодируются. Данные о времени отбираются, в зависимости от их важности, с различным разрешением, поэтому в результате этого достигается более высокий «коэффициент сжатия» (соответствующий пункт 2 формулы изобретения). Для разрешения места детектированного дефекта важным является временной показатель максимума, а временные значения ширины огибающей имеют подчиненное значение. Путем кодирования с различным разрешением времени достигается более высокий коэффициент сжатия.
Определение максимума проводится по соответствующему пункту 3 формулы изобретения для конкретного интервала времени, величина которого составляет как минимум половину длины волны (теория считывания) (смотрите также фигуру 2).
По сравнению с обычными способами раскрываемый способ существенно повышает точность воспроизведения, и именно без увеличения или без существенного увеличения сохраняемого количества данных. Способ позволяет после контролирующего прохода зонда «саламандра» построить по отобранным способом сжатия данным огибающую ультразвука без потери информации, по крайней мере, без существенной потери информации. Способ по группе способов определения размеров оценивает - а это является наряду с другими признаками решающим, эффективным признаком - ширину огибающей. По группе способов определения фона сигнала определяется качество определения размеров.
Далее изобретение будет описано со ссылкой на фигуры 1-5, которые соответственно показывают:
фигура 1 - оцифрованный и выпрямленный ультразвуковой сигнал;
фигура 2 - изображение пика ультразвукового сигнала;
фигура 3 - сигнальный вид ультразвукового сигнала после отбора пиковых максимумов в векторном изображении;
фигура 4 - изображение огибающей ультразвукового сигнала;
фигура 5 - изображение огибающей с исключением векторов;
фигура 6 - изображение пиков и их средних значений;
фигура 7 - изображение пиков и средних значений без дефекта.
Фигуры 1-4 выше в описании в соответствующих местах уже рассматривались. На фигуре 1 у показателя примерно 150 мкс изображено существенное это трещины. У показателей примерно 300 мкс и примерно 370 мкс можно распознать трансмиссионные сигналы соседних датчиков. Расположение датчиков излагается в GB 2380794 А (смотрите в нем по этому поводу, в частности, фигуру 3 и фрагменты описания со строки 26 на странице 6 до строки 18 на стр.7).
Изображение векторов огибающей ультразвукового сигнала на фигуре 4 является по сравнению с фигурой 3 лучшим изображением ультразвуковых огибающих, чем изображение только лишь векторов.
На фигуре 5 показаны изображения векторов огибающей, за исключением векторов, обозначенных 34, у которых ширина огибающей меньше минимальной ее ширины.
Изображение пиков и средних значений пиков на фигуре 6 представлено в трех интервалах: 100 мкс - 150 мкс, 150 мкс - 200 мкс, 200 мкс - 250 мкс.
С целью пояснения фигура 7 показывает в трех интервалах из фигуры 6 (100 мкс - 150 мкс, 150 мкс - 200 мкс, 200 мкс - 250 мкс) в измененном / увеличенном масштабе, по вертикали, а также по горизонтали, изображение пиков и средних значений пиков УЗ-эха без дефекта.