使用声共振频谱检测物品的结构变化
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2020年4月24日提交的美国临时专利申请号为63/015,283的“leakage detection in valves by ultrasonic resonance”的权益，该申请所教导和公开的全部内容在此具体通过引用并入本文。
背景技术：3.具有需要远离设定点定位然后返回其原始位置的内部或外部部件的机械设备或结构很常见，如由于制造或假冒而导致与已知物品有偏差或变化的情况。作为前一种情况的示例，当发生泄漏时，控制挥发性气体(如天然气或其他可燃介质)或腐蚀性或反应性流体的阀可能会对安全产生巨大影响。
4.尽管阀泄漏的重点通常是减少昂贵产品的损耗或减轻环境污染，但当考虑到工业过程中的泄漏时，产品本身通常既不昂贵也不危险，产品例如是水。实际上，在大多数控制应用中，容许少量阀泄漏，而对于截止阀，最少量的不想要的工艺介质泄漏都可能会导致严重损坏。通常使用流量计来监测阀座泄漏，但并不十分可靠，并且无法检测到由于阀的不正确座合(seat)而导致的小泄漏。
5.事实上，历史上最大的工业灾难被怀疑是由于水阀故障而发生的。1984年在印度博帕尔发生的博帕尔天然气悲剧造成数千人死亡，当时由于缺乏日常维护，导致一吨水流入装有40吨有毒甲基异氰酸酯的储罐。高度放热反应通过二氧化碳的形成对储罐加压，并将未反应的甲基异氰酸酯释放到工厂和周围城镇。另一个众所周知的灾难是2010年英国石油公司深水地平线漏油事件，这也被认为是两个用于阻止石油和天然气流动的阀发生故障的结果。
6.除了安全问题外，阀泄漏还会导致能量浪费和其他操作损失。例如，此类泄漏可能导致系统压力下降，导致气动工具工作效率降低，从而对生产造成负面影响。如果在发电厂中使用流体来传递能量，能量会通过泄漏散失到大气中，这每年会浪费大量能量。
技术实现要素：7.根据本发明的目的，如本文所体现和广泛描述的，一种用于确定当阀处于关闭状态时流体是否通过阀座泄漏的装置的实施方式包括：阀，所述阀包括阀座、用于与所述阀座形成流体密封的阀盘或阀塞、用于将所述阀盘或阀塞驱动至所述阀座的阀杆、以及具有外表面的阀主体；声发射换能器，所述声发射换能器设置成与所述阀的外表面振动接触，以在被选定的电压信号激励时在所述阀主体中产生振动；声接收器，所述声接收器设置成与所述阀的外表面振动接触，以接收在所述阀主体中引起的振动，并将接收到的振动转换为电压；扫频发生器，所述扫频发生器与所述声发射换能器电通信，以产生选定的激励电压信号，所述选定的激励电压信号具有在其选择的频率范围内的频率；窄带带通跟踪滤波器，所述窄带带通跟踪滤波器具有跟踪所述扫频发生器产生的所述选择的频率范围内的频率的中心频率并且具有选定的频率带宽，以接收来自所述声接收器的电压并对所述电压进行滤
波；以及微控制器，所述微控制器用于控制所述扫频发生器和所述带通跟踪滤波器，存储来自所述带通跟踪滤波器的滤波后的电压，生成所述阀在所述关闭状态下的至少两个声共振频谱，以及比较所生成的至少两个声共振频谱以确定两者之间是否存在差异。
8.在本发明的另一方面，根据如本文所体现和广泛描述的目的，一种用于确定当阀处于关闭状态时流体是否通过阀的阀座泄漏的方法的实施方式，包括：从设置成与所述阀的外表面振动接触并由扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述阀中产生具有在选择的频率范围的选定频率的振动，所述阀包括阀座、用于与所述阀座形成流体密封的阀盘或阀塞、用于将所述阀盘或阀塞驱动至所述阀座的阀杆、以及具有外表面的阀主体；使用设置成与所述阀的外表面振动接触的声接收器接收在所述阀主体中引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述带通跟踪滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成并存储所述阀的声共振频谱；将所生成的所述阀的声共振频谱与在所述阀的关闭条件下获得的所述阀的至少一个其他声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。
9.在本发明的又一方面，根据如本文所体现和广泛描述的目的，一种用于确定在外观上与其他容器相似或相同的容器是否与所述其他容器相似或相同并含有与所述其他容器相似的流体的方法的实施方式，包括：从设置成与所述容器的外表面振动连通并由扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述容器中产生具有在选择的频率范围内的选定频率的振动；使用设置成与所述容器的外表面振动连通的声接收器接收在所述容器内引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成所述容器的声共振频谱；将所生成的所述容器的声共振频谱与获得的另一个容器的至少一个声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。
10.在本发明的再一方面，根据如本文所体现和广泛描述的目的，一种用于确定密封法兰的紧密性的方法的实施方式，所述密封法兰包括封头法兰和附接到由螺栓和螺母或夹钳固定的管道的用于访问容器中的流体的法兰，该方法包括：使用设置成与管道或容器的外表面振动连通并由声扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳(以使用的为准)、所述管道、和所述容器中产生具有选择的频率范围内的选定频率的振动；使用设置成与所述管道或所述容器的外表面振动接触的声接收器，接收在所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器中引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的声共振频谱；将所生成的包括所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的频率范围的声共振频谱与获得的所述密封法兰、所述螺栓和所述螺母或夹钳、所述管道、和所述容器的组合的至少一个其他声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。
11.本发明的益处和优点包括但不限于：提供利用适用于具有需要远离设定点定位然
后返回原始位置的内部或外部部件的任何机械设备或结构的声共振频谱的装置和方法，所述机械设备或结构例如打开以使流体通过然后关闭的阀，所述装置和方法用于非侵入性地提供偏离原始位置的测量，并用于对外部看起来相同但可能有轻微外部或内部差异的物体分类或分组，所述物体例如填充有不同流体或材料的密封容器。
附图说明
12.并入说明书并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施方式，并与描述一起用于解释本发明的原理。在附图中：
13.图1a是关闭但未完全座合的截止阀的横截面的示意图，也是用于演示本发明的方法实施方式的装置的实施方式，其示出了用于当由电压信号激励时，在阀中产生振动的宽带超声发射换能器、以及用于接收在阀中引起的振动并将这些信号转换为电压的相同的宽带超声接收换能器，而图1b是图1a中所示的正确关闭和密封的截止阀的横截面的示意图。
14.图2a是样本共振频谱的图示，用竖直实线标记共振特征的中心，而图2b是从图2a的共振位置随机偏移共振频谱(竖直虚线)的图示，它们分别如正确座合的阀的参考共振频谱和错误座合的阀的测量共振频谱的情况。
15.图3a是示出共振频谱的可重复性的曲线图，共振峰位置保持不变，而振幅可能会变化，其中通过将换能器移除并放置在闸阀上而获得的十(10)个数据集叠加在一起，以得到参考模板，而图3b示出了完全关闭时的2英寸闸阀的示例共振频谱(较大频率范围的一小段以突出差异)((a)；实线)、以及阀未完全座合而导致小泄漏时的共振频谱((b)；虚线)。
16.图4示出了从图3b的正确座合的阀(a)得到的转换为条形码形式的共振频谱。
17.图5a示出了环境压力下圆柱形钢制容器的转换为条形码形式的共振频谱，其中峰值位置用竖直线表示(参考频谱)，图5b是当容器内部压力增加时，图5a中容器获得的共振频谱，其示出频谱向更高频率偏移，图5c是示出如通过数学偏移参考频谱而获得的图5a和图5b的频谱的图案匹配的曲线图，以与更高压力下的频谱匹配，其中峰值对应于因压力增加而观察到的频率偏移。
18.图6示出了图5c中描述的整个频谱根据圆柱形容器的内部压力变化的频率偏移，从而示出了压力如何在所示压力范围内以线性方式使整个频谱偏移。
具体实施方式
19.简而言之，根据本发明的装置的一个实施方式，宽带发射换能器和宽带接收换能器被放置成与物品或物体的外表面声学接触，对这些物品或物体需要研究从选定状态或从选择的参考物品的结构变化。换能器可以彼此靠近放置但不接触，或放置得更远。定位并不重要，对于永久性附接，可以使用环氧树脂或其他胶水。由微控制器控制的扫频发生器通过功率放大器向发射换能器发送频率变化的电压信号。功率放大器还提供阻抗匹配，以有效地将能量传输到换能器。频率扫描方向并不重要，因为两者产生相同的频谱。换能器以扫频发生器产生的频率振动，振动耦合到物品的主体上。当该激励振动信号与物品的任何自然振动模式匹配时，接收换能器检测到大振幅响应。接收换能器的输出可被放大并通过具有可选频率带宽的窄带带通跟踪滤波器。滤波后，信号由微控制器控制的a/d转换器数字化。微控制器提取接收到的信号的幅度，并在应用于源换能器的每个频率下记录该幅度。在频
率扫描结束时，生成物品的声共振频谱。
20.本发明的实施方式适用于具有需要远离设定点定位然后返回原始位置的内部或外部部件的任何机械设备或结构、例如打开以使流体通过然后关闭的阀，以提供从原始位置偏离的测量。它还可用于确定法兰的紧密性。如果在某些螺栓未拧紧至其原始扭矩的情况下更换法兰或其他盖，则共振频谱将发生变化，并且可以被检测到。类似的情况也存在于使用夹钳(如三叶形夹钳)密封啤酒厂、食品和制药行业常见的法兰时。另一个示例包括附接到骨骼的医用螺钉。这些螺钉偶尔会松动，但x射线无法显示出来。当螺钉紧密附接到骨骼时，与螺钉松动时相比，共振会有阻尼，共振图案可能会改变。可以使用可激励金属螺钉的电磁声换能器(emat)。可以使用相同的换能器通过其电阻抗的变化来监测共振。
21.本发明的另一个实施方式可用于将外部看起来相同但可能有内部差异的物体分类或分组在一起，所述物体例如填充有不同流体或材料的密封容器。一旦为每种容器类型获得参考模板频谱，就可以确定所研究容器内的材料种类。因此，可以实现密封容器内流体的非侵入性识别。此外，本发明的实施方式可用于确定所制造或加工商品的容差和均匀性，例如假冒疫苗瓶与批准制造商生产的疫苗瓶的偏差。
22.如上所述，本发明的实施方式包括用于阀中的非侵入性泄漏检测的装置和方法。当阀的完全关闭因某种原因而受损时，在阀外部看不到阀座上的泄漏。然而，在这种情况下，阀可能存在严重问题，因为不可接受量的工艺介质持续流过阀。除其他问题外，这种流动会导致内部损坏，从而缩短阀的使用寿命。
23.复杂物体、例如球体或立方体不是单一振动体。相反，它包含多个具有不同长度、宽度等的体积(区域)，每个体积(区域)都会产生各自的共振。任何压力或外部条件对这些区域中的每一者的影响都是不同的。因此，阀可以被视为所有这些单独的金属区域的总和。
24.任何固体物体都具有大量的自然振动模式，如果在该振动频率下受到激励，物体就会以较大振幅振动。当在一系列频率上观察时，这些振动模式构成共振频谱。该共振频谱取决于物体材料的弹性特性和几何形状。如果物体由多个分量组成，则每个分量都会对该共振频谱做出贡献。分量越小，共振频率越高。因此，诸如阀之类的物体会产生复杂的声共振频谱。任何分量的变化都会反映在共振频谱中。并非所有共振振动模式都以相同的方式受到影响，由于内部构造的变化，有些模式将显示出较大的变化，而有些则显示出很少的变化。因此，当阀未正确座合时，共振频谱可以用作泄漏检测的基础。
25.流体通过的所有阀都会发出一系列振动频率(噪声)，通常可以使用声换能器检测到这些振动频率(噪声)。泄漏噪声的物理来源是与流体中湍流相关的变化的压力场，这是由惯性效应主导粘性阻力的流动不稳定性造成的。对于圆柱形路径中的流动，1000至10000的雷诺数会在流体中产生湍流，从而在理想条件下提供泄漏检测的下限。有许多会产生与阀泄漏相关的振动信号的其他机制，包括湍流混合、冲击相关噪声、液体中的气穴、和阀内的机械源。后面的这些噪声源可能由阀座锤击损坏、阀座上堆积的沉积物、或阀塞划伤引起。
26.有一种商用设备允许基于流体引起的振动或声音的声学检测，在高压下对具有单一流体的阀的内部泄漏进行量化。该测量是被动的，通过附接到阀的传感器实现。为了识别和量化泄漏的阀，该阀必须处于其关闭位置，并且阀上必须有至少一巴的压差。将特定参数输入预测方程后，可以确定泄漏率。每个阀的测量大约需要两分钟，但可能会受到其他流体
中的附近压差的干扰。
27.实际上，有许多因素会影响检测泄漏的能力，包括：
28.·
小泄漏的泄漏路径通常很复杂，导致更高的湍流，因此实际泄漏产生的噪声比预计的要大；
29.·
产品损失可能不是来自单个泄漏，而是来自分布在阀座周围的多个泄漏。如果这些泄漏低于湍流临界点，则不会发出噪声；
30.·
如果所有泄漏都有噪声，则信号加起来会产生与单个泄漏路径不同的结果；
31.·
声源处的噪声水平不是传感器实际检测到的噪声水平；也就是说，信号通过阀主体行进到安装传感器的外部位置；以及
32.·
来自附近湍流或正常设备噪声和振动的背景噪声会使测量位置变得重要。
33.一般来说，工业中使用控制阀的机械和其他仪器会产生许多环境振动。因此，任何检测系统都必须不受此类环境振动的影响。被动测量和共振分析已用于检测附接到控制阀的机械中的缺陷，其中使用频谱对检测到的振动进行分析。通常，旋转部件会产生不言而喻的共振特性，目前的技术允许对其进行检测；例如，松动部件在旋转或强烈振动时会发出嘎嘎声。
34.为了生成阀的参考频谱，在记录频谱之前，通过每次打开然后关闭阀，获得正确座合的阀的多个频谱。记录每个频率的平均值，并用每个峰值的平均位置替换参考频谱。根据接收换能器的位置，对参考频谱有贡献的每个共振峰的准确振幅可能略有不同，但除了由于制造容差引起的可忽略的变化外，共振的位置保持相同。阀的频谱与该参考频谱的偏差超过选定量，则认为是由于阀未完全关闭。如下所示，开发了峰值位置关联算法，以用于关联共振频率，从而确定测得的频谱与参考频谱的接近度，也就是说，参考共振频谱和测量的共振频谱在预定频率宽度或频率窗口内共有的峰的总数。通常使用的整个频谱与参考频谱的互关联方法对峰值振幅敏感，如前所述，峰值振幅可能随阀上换能器的位置而变化。
35.尽管以下描述主要讨论闸阀，但其他阀(如球阀)也可以用于该设备，并且不限于闸阀。在闸阀中，矩形闸通常通过连接至致动器(手轮或电机)的螺纹阀杆插入与矩形闸垂直的流动流体的路径中。然后，闸通过压盖密封在阀座上。闸阀主要用于开/关(全关或全开)、非节流应用，并通常用于压力相对较低但温度可能很高的炼油厂和石化厂。闸阀在上游油气生产设施中的使用频率较低，因为在海洋大气中操作时，操作压力高、打开/关闭时间长且环境条件恶劣。
36.研磨工艺介质、气穴或闪蒸会导致阀逐渐腐蚀。在阀的使用寿命期间，这种腐蚀将导致通过阀座和阀盘或阀塞的泄漏。工艺流体将持续通过关闭的阀泄漏。
37.如前所述，实际上，在大多数控制应用中，容许少量阀座泄漏。相比之下，对于截止阀而言，最少量的不想要的工艺介质泄漏可能会导致严重损坏。有毒、高反应性或高度易燃介质的不受控制的流动是不想要的流动的示例。在这些情况下，很重要的是在早期检测到阀塞上的磨损迹象，并且当不可接受量的介质流过关闭的阀时，必须提醒工厂操作员。
38.在下文中，“超声”一词意味着包括声学频谱的“声”和“超声”区域。此外，阀泄漏是指通过设置为“关闭”条件或状态的阀流动；也就是说，通过阀座，而不是通过阀杆流动。如上所述，此类阀泄漏的重要性取决于阀所控制的物质。流体可以是气体或液体，也可以是其组合。
39.现在将详细参考其示例在附图中示出的本发明的当前实施方式。在附图中，相似结构将使用相同的附图标记进行标识。可以理解，这些附图是为了描述本发明的特定实施方式而呈现的，并不意图限制本发明。现在转到图1a，示出了作为闸阀变型的关闭但未完全座合的截止阀10的横截面示意图，示出了阀主体12、由手轮16穿过阀盖18驱动的阀杆14、闸20、用于密封阀座24的支承柔性元件22。在计量或其他类型的截止阀中，阀盘或阀塞可用于关闭阀座24。图中还示出流体26通过阀主体12泄漏28。相比之下，图1b是图1a中所示的正确关闭和密封的截止阀的横截面示意图。很难非侵入性地检测到小泄漏。
40.当由电压信号激励时在阀10中产生振动的宽带声发射换能器30以及用于接收阀10中引起的振动并将这些信号转换为电压的相同的宽带声接收换能器32附接(声或振动连通)在阀主体12的外表面34的任意位置，以执行本文描述的测量，因为共振振动将分布在整个阀上。换能器可以并排设置，只要它们彼此不接触。对于永久性附接，可以使用胶水，例如环氧树脂。对于快速测量，如果阀10包含磁性材料，则简单的磁耦合就足够了。如果使用压电换能器，发射换能器30和接收换能器32可以互换。不要求换能器相同，也可以使用不同的换能器(例如，磁致伸缩换能器、电容换能器、电磁声-emat换能器)。来自奥林巴斯无损检测公司(olympus ndt)的商用、现成1mhz中心频率、宽带压电换能器分别用于发射器(源)和接收器，每个一个。典型的频率扫描介于约2khz和约150khz之间。
41.由微控制器38(例如，arduino、raspberry pi、单板计算机等)控制的扫频发生器36通过功率放大器40将从低频到高频线性变化的电压信号施加到发射换能器30。放大器40还提供电阻抗匹配，以便有效地将能量传输到换能器30。施加的电压信号也可以是非线性的，如果需要，频率扫描方向可以反转，因为两个扫描方向产生相同的频谱。频率可以在选定频率范围内以较小的频率步进进行步进，步进大小由频谱中期望的频率值的数量确定，换能器30在每个频率步进处振动。例如，每个频率可以应用一段短时间(～1ms)，然后移动到扫描中的下一个值，1khz至10khz的频率扫描将有1000个频率步进。已经发现，大于2000个步进可以在任何选定频率扫描范围内提供足够的频率分辨率，但也可以使用较小的量。换能器30产生的振动耦合到阀(或物体)的主体上。当激励振动信号与物体(例如阀)的任何自然振动模式匹配时，接收换能器32检测到大振幅响应。
42.换能器32接收的信号首先在接收换能器输出端使用缓冲放大器42(如果需要的话)进行缓冲，由此来自接收换能器32的小信号电压可以直接传输到信号放大器44，而不会产生明显的失真或负载。放大器42可以是接收换能器32的组成部分。放大后，信号放大器44的输出通过窄带带通跟踪滤波器46，该滤波器46具有处于扫频发生器36产生的激励频率的中心频率，并且具有可选择的频率带宽。因此，滤波器46跟随每个激励频率，从而减少环境振动产生的电气噪声。跟踪滤波器46通过数字信号处理器(dsp)/微控制器38与扫频发生器同步，并且可以以几种不同的方式实现，例如外差或零差技术或矢量网络分析仪。滤波后，信号由a/d(模拟-数字)转换器48数字化，该转换器也由微控制器38控制。以1mhz操作的12位a/d转换器足以实现此目的，但所描述的装置的实施方式不限于这些值。数字化后的数据在进一步处理之前存储在微控制器38的存储器中。
43.微控制器38提取接收信号的幅度，并在应用于发射换能器30的每个频率处记录该幅度。微控制器38还可以通过dsp确定每个频率处的相位偏移。相位信息可用于确定共振峰的准确位置，并且在共振峰振幅较小的情况下非常有用。相位是指发射信号和接收信号之
间的相位差，可以在共振时设置为零值；于是，简单的过零算法可以定位峰共振频率。频率扫描结束时(通常＜10s)，生成包括振幅频谱和相位频谱的完整共振频谱。振幅频谱在大多数情况下是足够的，但对于测量稳健性来说，同时使用振幅和相位信息是有用的。
44.测量持续时间可以根据环境噪声的大小而缩短。较高的环境噪声需要较小的跟踪滤波器带宽和较慢的扫描时间。对于尖锐的共振峰，也建议使用较慢的扫描时间。因此，如果环境噪声不太高，扫描测量可以在1s内完成。如上所述，跟踪滤波器带宽通过将噪声水平限制在较小的值并通过对记录的噪声求平均来提供环境噪声抗扰度，从而提供高达92db的信噪比。
45.价格低廉的商用微控制器有足够的内存来存储参考模板波形，以便进行比较和进行所需的分析。也可以使用能够与上述电子设备连接的计算机。使用dsp可以加快分析速度。对阀进行分析后，结果可显示在屏幕50上，和/或用于触发警报52。信号输出可用于提供使用电动阀操作设备(图1a或图1b中未示出)代替手轮16来操作阀的反馈。例如，如果图1a和图1b中所示的装置检测到不正确的座合，如果可能的话，可以生成控制信号以重新调整阀，直到观察到正确的座合。
46.如下文将更详细地讨论的，流体26中的压力可通过压力传感器54来测量。
47.如前所述，本发明的实施方式可用于确定对接法兰的紧密性。如果更换法兰或其他盖时，某些螺母和螺栓未拧紧至原始扭矩，或者用于密封啤酒厂以及食品和制药行业中常见法兰的夹钳(如三叶形夹钳)未正确关闭，则系统的声共振频谱将发生变化，并且可以检测到。在关闭发酵容器入口的密封法兰上使用三叶形夹钳的情况下，声换能器将放置成以与上述阀类似的方式，与附接到法兰(封头法兰放置在该法兰上)的管道的外表面或与附接到进入管道的发酵容器的外表面声连通。这里，振动系统包括对接法兰、进入管道、容器、夹钳或螺母和螺栓(以采用的为准)的组合。应提及的是，声换能器也可以放置在封头法兰或附加到管道的法兰上，但这可能会干扰使用的螺栓或夹钳。
48.在需要将从外部看外观相似或相同，但可能具有较小外部差异或内部差异的物体(例如填充有不同流体或材料的密封容器)分类或分组在一起，并因此与一组容器中的其他物体不相似或不相同的情况下，声换能器将再次放置成与容器(vessel或container)的外表面声连通。外观相似或相同是指容器在制造规范内，或稍微超出制造规范或是假冒的，但在视觉上与制造规范内的容器相似或相同。应该提到的是，换能器几乎可以放置在被研究物体的外表面的任何地方。一旦获得了每种容器类型的参考模板频谱，就可以识别被研究的容器内的材料。因此，可以实现密封容器内流体的非侵入性识别。此外，还可以确定制造或加工商品的容差和一致性，例如假冒疫苗瓶与批准制造商生产的疫苗瓶的偏差，或填充有假冒材料的小瓶或注射器的偏差。液体容器可以包括小瓶和注射器。
49.应该提及的是，液体负载效应表现为由于密度变化导致的较高粘度和频率偏移而导致的共振峰变宽。然而，在下面将更全面地讨论压力变化的情况下，频谱上的偏移并不均匀，并且随着各种模式的变化而变化。在这种情况下，可以修改上面讨论的条形码格式，将宽度信息包括为半高全宽，从而改变线条的厚度。
50.在难以或不可能与阀进行物理接触的情况下，可进行非接触测量。例如，如果需要的话激光多普勒测振仪可以用于监测被研究物体的振动，被研究物体的距离可以＞10m，同时可使用声音投影实现激励，其中将准直声束投影到阀上。测量系统的其余部分将保持与
图1a所示的相同。
51.还可以使用脉冲激励获得共振频谱，并将特定时间段内的响应数字化。然而，由于电子设备在中心频率扫描范围内检测到噪声，因此这并不提供抵抗环境振动的显著抗扰度。为了获得正确的共振频谱，必须采集足够的频谱，并留出足够的时间使低频共振达到平衡，并进行正确的记录。虽然可以用脉冲激励来记录振动频谱，但在环境振动可以很高的工业环境中，这种技术是不可行的。
52.在信号处理中，常用的规则互关联是两个时间序列(任何数据集或曲线图)的相似性度量，作为一个序列相对于另一个序列的位移的函数；也就是说，可以确定未知曲线与已知曲线的匹配程度。两个数字化波形的互关联涉及单个波形元素的交叉相乘以及波形公共时间段内交叉相乘乘积的总和。互关联函数涉及逐步将一个波形滑过另一个波形，并针对每个偏移或滞后，对交叉相乘乘积求和，以得出互关联作为滞后值的函数。给定两个有限长度的数字波形xj和yj(i＝1,2，
……
，n)，互关联函数由下式给出：
[0053][0054]
其中，τ为滞后，m为函数的最大滞后值。函数依赖于波的形状(振幅)；也就是说，峰值位置对于寻找最佳匹配的重要性低于振幅。如果曲线相似，则关联函数为1，而如果它们完全不同，则关联系数为0。
[0055]
例如，由于与阀的共振特征相对应的振幅可能因环境因素、长期使用、以及换能器在阀上的位置而变化，因此常规互关联将提供基于共振峰振幅的变化而变化的答案，从而给出不可靠的数字。然而，如下文将详细描述的，基于峰值位置的签名关联在任何共振振幅改变时都不会改变，并且会提供非常稳健的答案。
[0056]
图2a是样本共振频谱的图示，用竖直实线标记共振特征的中心，而图2b是从图2a的共振位置随机频移共振频谱(竖直虚线)的图示，它们分别如正确座合的阀的参考共振频谱和错误座合的阀的测量共振频谱的情况。
[0057]
图3a是示出共振频谱的可重复性的曲线图，共振峰位置保持不变，而振幅可能会变化，其中通过将换能器移除并放置在闸阀上而获得的十(10)个数据集叠加在一起，以得到参考模板，而图3b示出了完全关闭或座合时的2英寸闸阀的示例共振频谱(较大频率范围的一小段以突出差异)((a)；实线)、以及阀未完全座合而导致小泄漏时的共振频谱((b)；虚线)。频谱变化很大，且很容易观察到。如从图3a可以观察到的，当阀完全座合和关闭时，按照测量之间的共振峰位置，频谱是可重复的。频谱与该参考值的偏差超过选定量，则视为阀未完全关闭，因此是泄漏阀。使用压力计和其他手段很难检测到此类泄漏。
[0058]
测量是在高压空气流过阀的情况下进行的，对于任何气体都会产生相同的结果。对于液体，可能会有一些谱线的轻微衰减(加宽)和频率的边缘偏移。
[0059]
如上所述，每个共振峰的振幅可能会因接收换能器的位置而略有不同，但共振位置保持相同，因为接收换能器的位置可能位于特定共振模式的节点处或附近，因此检测到的振幅很小，或者峰值完全消失。因此，本发明的发明者开发了一种算法，该算法通过使用与共振峰相关联的多个频率进行分析来量化共振偏差。已经发现与使用单个或少量峰值的算法相比，这可以提高检测过程的稳健性。该算法确定测得的频谱与参考频谱的接近度，同
时考虑到每个频率区域的行为不同的事实。也就是说，每个频率偏移都不是固定量，整个频谱的频率偏移也不是固定量，这也是传统互关联方法不适用于此类共振峰分析的另一个原因。
[0060]
在其最基本的形式中，作为第一步，将图3b的(a)中正确座合的阀的测量声共振频谱转换为图4所示的仅为频率的频谱。这种条形码类型的呈现没有振幅信息；只是呈现了频率。较小的峰值与较大的峰值同等重要，这比基于振幅的分析产生了更稳健的关联性。可以创建也包含其他信息的频率的频谱，例如共振q(与半最大峰值宽度相关)和峰值振幅。附加信息可以编码为线宽和基于振幅的不同颜色。为了生成有用的参考模板，需要在进行测量之前，通过每次打开和关闭阀，多次获得正确座合的阀的频谱。根据阀的不同，一些共振频率可能会在峰值频率上出现轻微变化；因此，记录每个共振频率的平均值，并用所有单个峰值的这些平均位置替换参考频谱。同样，对于多次测量，每个独立峰值的频率变化可能略有不同。为了获得最佳鉴别效果，将整个频谱划分为小频带，并测量每个频带中的峰值。当该窄频率窗口(频带)内的峰值数量超过选定阈值时，可以取平均值；因此，不考虑孤立的随机峰值。此外，低于选定振幅阈值的任何峰值也会被丢弃。由于温度(和压力)变化较大和制造容差，可能会出现较小的变化。因此，最终模板不会因意外包含来自给定测量的错误数据而损坏。对各个阀进行校准，以产生它们自己的参考频谱，而不是依赖于工厂校准。然而，在某些情况下，工厂校准也是可接受的。
[0061]
峰值关联等式如下：
[0062][0063]
其中，下标t和u分别表示模板和未知；n
t
和nu分别是模板和未知数据集中的频率峰的数量；δf是所述关联中使用的频率窗口，取决于所涉及的容差；nave是模板和未知数据集中共振峰的平均数量；sgn是数学符号函数，根据括号内参数的符号，它可以取值“+”和
“‑”
。
[0064]
上述数学互关联过程提供了以下信息：
[0065]
1、模板和被研究物品(如阀)共有的峰值总数(在预定义的扩频窗口内)。
[0066]
2、在被研究物品包括含有未知材料的类似容器的情况下，通过将未知共振集与所有已知模板相互关联，互关联过程可以确定未知物品属于哪一类别。产生最高关联数的模板确定未知物品的类别。对于完全未知的容器(即，当该类别没有可用的参考模板时)，最高互关联数提供关于可能最佳匹配的信息。
[0067]
所述关联提供了理论最大值为100(100％)的单个数字。只有在换能器没有从生成参考频谱的时间开始移动时，才能达到这个数字。如果一个或两个换能器移动，频率位置将保持不变，但振幅可能会变化，如果换能器恰好位于特定共振的节点位置，偶尔会有一个或多个频率消失。因此，本发明的发明者认为大于95的关联数是允许一些变化的完美的匹配。如果关联性降至低于95的阈值，则可以认为阀泄漏。事实上，这个数字是任意的，只有来自其他实验的统计证明可以使用它。对于预期变化较大的不同应用，可以将阈值设置为不同的值。例如，如果将具有内部差异的类似物体分组在一起，其中在进行测量之前，发射换能器和接收换能器放置在每个物体上，则预期测得的频谱将比换能器固定在单个物体(例如阀)上具有更大的可变性。在这种情况下，阈值可以低于95。
[0068]
每个行业对可接受的阀泄漏都有自己的要求。本发明的实施方式不量化阀泄漏，
而是确定阀是否完全座合。行业需要的是与完全座合状态的偏离。选定关联数，例如，最好大于95％，可以被视为完全座合状态，任何大于此值的情况都可以视为不期望的泄漏。不同的阀尺寸或构造在再现性方面可能有不同的标准偏差，本质上用上述等式中的δf表示。在生成模板时，进行多次测量，并找到标准偏差和平均值。平均值用在平均值模板中，δf是偏差。可以使用标准偏差的1.5倍等。
[0069]
对于闸阀，阀处于关闭状态时的座合质量是个问题。因此，泄漏是轻微还是较大并不重要；需要检测最小的泄漏，本发明的实施方式提供泄漏检测器，而不是必须准确校准读数的泄漏计。
[0070]
在许多情况下，阀或其他物体内流体的压力可能会发生变化，从而影响从外部测量的物体共振频谱。压力的作用类似于对振动弦施加张力，其中张力的变化以线性方式使共振频率偏移。对于三维物体，所有共振频率都以相同的方式表现，并同时使频率偏移。关于此在图5和图6中示出。图5a是无压力(环境条件)的参考频谱，图5b是当物体(钢制空心圆柱形压力容器)内部压力增大时获得的频谱。频谱的频移明显是均匀的，偏移量由物体的构造(尺寸、形状、壁厚、材料等)确定。虽然可以用数学方法预测压力依赖性，但根据需要校准特定物体更为简单。图5c示出了通过将频率偏移后的频谱与参考频谱进行图案匹配而获得的结果，这通过使参考频谱偏移直到与频率偏移后的频谱发生最佳匹配而获得。应该指出的是，图案匹配是使用条形码类型的频谱实现的，其中数据由1s和0s表示，并且没有使用振幅信息。有几种数学方法可用于实现这一点，但图5c是通过小步进的频率偏移并将两个频谱相乘直到获得最大信号而得到的。因此，产生的峰值位置是频谱偏移的度量。这是所有共振峰随压力向同一方向的偏移。与参考压力相比，压力可以是正压力和负压力(真空)，在确定负压力影响的情况下，频率偏移与正压力的频率偏移方向相反。从760torr的环境压力开始测量，压力约为4torr。
[0071]
图6示出了图5中使用的大型钢圆柱体的实验数据，其中几psi的压力变化示出了通过图5c中提及的过程获得的频率的线性偏移。这允许实现对密封或其他容器或物体的非侵入性压力测量方法。在可以接受较小的误差的情况下，如果执行了先前的校准，则相同类型的物体可以使用来自单个物体的校准。
[0072]
在研究泄漏阀时，如果已知压力将发生显著变化，并且预期整个频谱将与参考频谱发生偏移，则应使用偏移后的频谱进行泄漏检测或阀座合测定。通过将这种多种方法结合起来，本方法成为一种通用过程。
[0073]
上述对本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，并不意图详尽无遗，也不意图将本发明限制在所公开的精确形式，显然，根据上述教导，可以有许多修改和变化。选择和描述这些实施方式是为了最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够在各种实施方式中最佳地利用本发明，并进行适合预期特定用途的各种修改。本发明的范围由所附权利要求限定。
技术特征：1.一种用于确定当阀处于关闭状态时流体是否通过阀座泄漏的装置，包括：阀，所述阀包括阀座、用于与所述阀座形成流体密封的阀盘或阀塞、用于将所述阀盘或阀塞驱动至所述阀座的阀杆、以及具有外表面的阀主体；声发射换能器，所述声发射换能器设置成与所述阀的外表面振动接触，以在被选定的电压信号激励时在所述阀主体中产生振动；声接收器，所述声接收器设置成与所述阀的外表面振动接触，以接收在所述阀主体中引起的振动，并将接收到的振动转换为电压；扫频发生器，所述扫频发生器与所述声发射换能器电通信，以产生选定的激励电压信号，所述选定的激励电压信号具有在其选择的频率范围内的频率；窄带带通跟踪滤波器，所述窄带带通跟踪滤波器具有跟踪所述扫频发生器产生的所述选择的频率范围内的频率的中心频率并且具有选定的频率带宽，以接收来自所述声接收器的电压并对所述电压进行滤波；以及微控制器，所述微控制器用于控制所述扫频发生器和所述带通跟踪滤波器，存储来自所述带通跟踪滤波器的滤波后的电压，生成所述阀在所述关闭状态下的至少两个声共振频谱，以及比较所生成的至少两个声共振频谱以确定两者之间是否存在差异。2.如权利要求1所述的装置，还包括放大器，所述放大器用于接收来自所述超声接收换能器的所述电压，并放大所述电压。3.如权利要求1所述的装置，还包括用于确定所述阀座的区域内的流体压力的压力传感器。4.如权利要求1所述的装置，其中，所述声发射换能器和所述声接收器不彼此物理接触。5.如权利要求1所述的装置，其中，所述扫频发生器的频率扫描在一个或两个方向上。6.如权利要求1所述的装置，其中，所述声发射换能器包括压电换能器，所述声接收器选自压电换能器和激光多普勒测振仪。7.一种用于确定当阀处于关闭状态时流体是否通过所述阀的阀座泄漏的方法，包括：使用设置成与所述阀的外表面振动接触并由扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述阀中产生具有在选择的频率范围的选定频率的振动，所述阀包括阀座、用于与所述阀座形成流体密封的阀盘或阀塞、用于将所述阀盘或阀塞驱动至所述阀座的阀杆、以及具有外表面的阀主体；使用设置成与所述阀的外表面振动接触的声接收器接收在所述阀主体中引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述窄带带通跟踪滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成所述阀的声共振频谱；将所生成的所述阀的声共振频谱与在所述阀的关闭条件下获得的所述阀的至少一个其他声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。8.如权利要求7所述的方法，其中，放大来自所述声接收器的所述电压。9.如权利要求7所述的方法，其中，所述声发射换能器和所述声接收器不彼此物理接
触。10.如权利要求7所述的方法，其中，通过所述扫频发生器在一个或两个方向上对所述声发射换能器进行频率扫描。11.如权利要求7所述的方法，其中，所述声发射换能器包括压电换能器，所述声接收器选自压电换能器和激光多普勒测振仪。12.如权利要求7所述的方法，其中，将所生成的所述阀的声共振频谱与在所述阀的关闭条件下获得的所述阀的其他声共振频谱进行比较的步骤包括基于峰值位置的签名关联。13.如权利要求12所述的方法，其中，使用以下等式执行所述基于峰值位置的签名关联：其中，下标t和u分别表示模板和未知；n
t
和n
u
分别是模板和未知数据集中的频率峰的数量；δf是所述关联中使用的频率窗口，并取决于所涉及的容差；n
ave
是所述模板和未知数据集中共振峰的平均数量；sgn是数学符号函数。14.如权利要求7所述的方法，还包括以下步骤：确定所述阀座的区域中的流体压力。15.如权利要求14所述的方法，还包括以下步骤：针对所述阀内的流体压力，校正所生成的所述阀的声共振频谱与在所述阀的关闭条件下获得的所述阀的至少一个其他声共振频谱。16.一种用于确定在外观上与其他容器相似或相同的容器是否与所述其他容器相似或相同并含有与所述其他容器相似的流体的方法，包括：从设置成与所述容器的外表面振动连通并由扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述容器中产生具有在选择的频率范围内的选定频率的振动；使用设置成与所述容器的外表面振动连通的声接收器接收在所述容器内引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述窄带带通跟踪滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成所述容器的声共振频谱；将所生成的所述容器的声共振频谱与获得的另一个所述容器的至少一个声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。17.如权利要求16所述的方法，其中，放大来自所述声接收换能器的所述电压。18.如权利要求16所述的方法，其中，所述声发射换能器和所述声接收器不彼此物理接触。19.如权利要求16所述的方法，其中，通过所述扫频发生器在一个或两个方向上对所述声发射换能器进行频率扫描。20.如权利要求16所述的方法，其中，所述声接收器选自声压电换能器和激光多普勒测振仪。21.如权利要求16所述的方法，其中，将所生成的所述容器的声共振频谱与获得的另一个所述容器的至少一个其他声共振频谱进行比较的步骤包括基于峰值位置的签名关联。
22.如权利要求16所述的方法，其中，所述容器选自疫苗瓶和注射器。23.一种用于确定密封法兰的紧密性的方法，所述密封法兰包括封头法兰和附接到由螺栓和螺母或夹钳固定的管道的用于访问容器中的流体的法兰，所述方法包括：使用设置成与所述管道或所述容器的外表面振动连通并由声扫频发生器驱动的声发射换能器，在所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器中产生具有选择的频率范围内的选定频率的振动；使用设置成与所述管道或所述容器的外表面振动接触的声接收器，接收在所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器中引起的共振振动，并将接收到的振动转换为电压；接收所述电压并使用窄带带通跟踪滤波器对所述电压进行滤波，所述窄带带通跟踪滤波器具有跟踪所述选择的频率范围内的选定激励频率的中心频率；存储滤波后的电压，从而生成所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的声共振频谱；将所生成的包括所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的频率范围的声共振频谱与获得的所述密封法兰、所述螺栓和螺母或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的至少一个其他声共振频谱进行比较；以及确定所生成的声共振频谱与所述至少一个其他声共振频谱之间是否存在差异。24.如权利要求23所述的方法，其中，放大来自所述声接收器的所述电压。25.如权利要求23所述的方法，其中，所述声发射换能器和所述声接收器不彼此物理接触。26.如权利要求23所述的方法，其中，通过所述扫频发生器在一个或两个方向上对所述声发射换能器进行频率扫描。27.如权利要求23所述的方法，其中，所述声发射换能器包括压电换能器，所述声接收器选自压电换能器和激光多普勒测振仪。28.如权利要求23所述的方法，其中，将所生成的所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的声共振频谱与获得的所述密封法兰、所述螺栓和螺母或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的其他声共振频谱进行比较的步骤包括基于峰值位置的签名关联。29.如权利要求28所述的方法，其中，使用以下等式执行所述基于峰值位置的签名关联：其中，下标t和u分别表示模板和未知；n
t
和n
u
分别是模板和未知数据集中的频率峰的数量；δf是所述关联中使用的频率窗口，并取决于所涉及的容差；n
ave
是所述模板和未知数据集中共振峰的平均数量；sgn是数学符号函数。30.如权利要求23所述的方法，还包括以下步骤：确定所述管道或所述容器中的流体压力。31.如权利要求30所述的方法，还包括以下步骤：针对所述管道或所述容器中的流体压力，校正所生成的所述密封法兰、所述螺母和螺栓或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组
合的声共振频谱以及获得的所述密封法兰、所述螺栓和螺母或所述夹钳、所述管道、和所述容器的组合的至少一个其他声共振频谱。
技术总结描述了利用适用于具有需要远离设定点定位然后返回原始位置的内部部件或外部部件的任何机械设备或结构的声共振频谱的装置和方法，所述机械设备或结构例如打开以使流体通过然后关闭的阀，所述装置和方法用于非侵入性地提供偏离原始位置的测量，并用于对外部看起来相同但可能有轻微外部或内部差异的物体分类或分组，所述物体例如填充有不同流体或材料的密封容器。密封容器。密封容器。
技术研发人员：D
受保护的技术使用者：美商亚威科技有限责任公司
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2022/12/8
