專利名稱：一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于填料塔液泛點(diǎn)的檢測方法技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
液泛點(diǎn)被認(rèn)為是填料塔操作工況的極限。填料塔的最大通量等于開始液泛時的負(fù)荷。填料塔發(fā)生液泛后，會導(dǎo)致壓力降和持液量的快速增加和工作效率的急劇減小，這將會使得裝置變得無法操作。因此理想的狀態(tài)是使填料塔工作在近可能靠近液泛點(diǎn)的位置，但又不會達(dá)到液泛，以避免不穩(wěn)定情況的發(fā)生。長期以來，研究人員使用了一些在線監(jiān)測的方法來監(jiān)測液泛的發(fā)生，使填料塔能在較佳的傳質(zhì)條件下工作。常用的監(jiān)測方法包括傳統(tǒng)的液泛實(shí)時監(jiān)測方法和基于聲波的液泛實(shí)時監(jiān)測方法。1.傳統(tǒng)的液泛實(shí)時監(jiān)測方法
目前常用的液泛實(shí)時監(jiān)測方法，主要有視覺監(jiān)測、測量持液量變化和監(jiān)測壓力變化等。 傳統(tǒng)監(jiān)測方法及其缺點(diǎn)如下1)視覺監(jiān)測，當(dāng)被測的填料塔是透明的時候，可目測觀察填料床上表面的液體堆積，及液泛的發(fā)生。目測的缺點(diǎn)是反應(yīng)會延遲，當(dāng)觀測到液泛的時候，已經(jīng)發(fā)生了可觀的破壞和損失。另外，滯后現(xiàn)象會導(dǎo)致填料塔的恢復(fù)延遲。因?yàn)闇蟋F(xiàn)象， 會使得液泛持續(xù)發(fā)生直到流速遠(yuǎn)低于臨界流速，使得恢復(fù)填料塔的正常操作更加困難。視覺檢測的前提是填料塔是透明的，這在實(shí)驗(yàn)室條件尚可實(shí)行，但是在工業(yè)現(xiàn)場，所用填料塔基本為不透明金屬容器，即使有觀測窗也無法做到全面正確的實(shí)時觀測。所以視覺觀測不適合工業(yè)現(xiàn)場。2)觀測持液量的變化，通過觀測持液量的持續(xù)增加，來作為判斷液泛的發(fā)生的依據(jù)。為了測量液體持液量，必須同時停止氣液兩相流，且留在填料塔中的液體必須排空。因此，觀測持液量變化不適合工業(yè)在線監(jiān)測。3)觀測壓力降變化，根據(jù)液泛發(fā)生前會有一個可觀的壓力增加的特點(diǎn)，通過傳感器監(jiān)測填料塔中的壓力降的變化來預(yù)測液泛。 Parthasarathy等設(shè)計(jì)了一個基于壓力變化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為液泛指示器。它可以提前 3分鐘預(yù)測到液泛，所以可在液泛發(fā)生前進(jìn)行操作的調(diào)整。但是這些測量壓力變化的壓力傳感器必須插入設(shè)備并正確安裝，而對工廠現(xiàn)有的正在正常運(yùn)行的填料塔進(jìn)行任何改動和添加設(shè)備，都是很難得到用戶認(rèn)同的。4)觀測差壓信號的頻譜變化，Emerson公司的Pihlaja 等采用Rosemoimt 3051S差壓變送器來實(shí)時監(jiān)測液泛的發(fā)生。他使用了 3051S的調(diào)試模式， 以22Hz的速度對差壓信號進(jìn)行測量，通過分析信號，找到了液泛發(fā)生時的差壓變化的頻譜特征，形成了預(yù)警指標(biāo)。這種方法對差壓變送器的型號有特殊要求，3051S差壓變送器因?yàn)閮r格高，在工廠的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于3051以及EJA等型號，對于其他公司、其他型號的差壓變送器是否也能進(jìn)行這樣的分析，未見其他文獻(xiàn)介紹。對于現(xiàn)有裝置，如果尚未在合適位置安裝有3051S的差壓變送器，這就需要改動原有設(shè)計(jì)，在填料塔上鉆孔引線，加裝設(shè)備，這些改動很難得到用戶的允許和認(rèn)同。以上不難看出，傳統(tǒng)監(jiān)測方法因?yàn)橐悍簡栴}的復(fù)雜性以及難以直接測量，傳統(tǒng)的方法難于廣泛應(yīng)用在工業(yè)實(shí)時監(jiān)測上。
2.基于聲波的液泛實(shí)時監(jiān)測方法
聲學(xué)測量是一類很有潛力的監(jiān)測方式。它具有以下特點(diǎn)可實(shí)時、在線監(jiān)測過程變化， 同時很少或者根本不介入反應(yīng)過程。聲學(xué)測量裝置適用于各種過程條件，具有低成本，可靠和非插入式等特點(diǎn)。根據(jù)填料塔的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，顯然與其他過程反應(yīng)一樣，其塔內(nèi)的氣液兩相對流也會發(fā)射出聲波，在工業(yè)現(xiàn)場，有經(jīng)驗(yàn)的操作工人甚至能夠通過聽塔內(nèi)發(fā)出的聲音變化來判斷填料塔是否工作正常。當(dāng)填料塔正常工作時，液體向下流動經(jīng)過填料與向上流的氣體形成對流。氣體沿著一個彎曲的道路向上，填料中的空隙最終被氣體明顯的填滿。這時，氣體是連續(xù)相。上升的氣體對以空氣動力學(xué)阻力方式影響下降的液體。這個阻力和重力作用起相反作用，減慢了液體下降流速。不斷增大氣體流速，當(dāng)阻力大于或者等于重力時，液體就停止在塔內(nèi)下降，這就會引起液泛。在液泛的時候流體狀態(tài)改變了。液體成為有氣泡通過的連續(xù)相。往上的氣泡拉動很多液體往上，造成了塔內(nèi)不期望的軸向混合。氣泡大小不一，有的成核，有的膨脹，有的聚集，有的隨機(jī)的破裂，導(dǎo)致氣泡流成為一個隨機(jī)無序的過程。通過對比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)液泛發(fā)生時，在填料層的上部，形成了一片特征明顯的霧沫混合區(qū)。該區(qū)域劇烈的隨機(jī)氣泡流過程，會引起該位置的聲波改變，通過記錄分析這種聲波的改變，將是一種好的實(shí)時檢測液泛的手段。Eris Hansuld等在2008年介紹了一種使用傳聲器作為低成本，非插入式的在線監(jiān)測液泛發(fā)生的方法。該文將壓電式麥克風(fēng)安裝在填料塔的表面用于監(jiān)測塔內(nèi)流體流動。 在填料塔表面安置麥克風(fēng)是簡單而且非破壞性的。兩相流體流動中因?yàn)閴毫Σ黄胶馑纬傻穆暡?，使得壓電材料變形、產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。該文隨后運(yùn)用多種統(tǒng)計(jì)分析手段對采集到的電壓信號方法進(jìn)行了研究。該文采用的方法是在正常狀態(tài)和液泛狀態(tài)各取60秒的聲波數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)方差和信息熵的方法分別加以計(jì)算分析，該文得出的結(jié)論是在液泛發(fā)生前，聲波電壓的信息熵?cái)?shù)值就已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化，所以聲波墑值的變化可以作為預(yù)報(bào)液泛發(fā)生的
報(bào)警信號。Hansuld將液泛的發(fā)展分為三個階段，即正常階段、過渡階段和液泛階段。正常狀態(tài)下聲波的熵值為8左右，液泛狀態(tài)，熵值升高到11左右，提高了 37. 5%，這顯然是極大的改變。所以Hansuld將熵值9. 1作為液泛預(yù)警信號。該文在國際上率先給出了一種采用聲波探測的方法來監(jiān)聽塔內(nèi)氣液兩相流狀態(tài)，預(yù)測液泛的方法。目前在國內(nèi)尚未見到采用聲波方法預(yù)測液泛的報(bào)道。但是，該文所述的方法，尚存在一些問題1)該文沒有提供實(shí)驗(yàn)所采集的聲音信號的原始數(shù)據(jù)及曲線，所以無法驗(yàn)證該方法的具體步驟及結(jié)論。2)任意取樣 60秒，是否每次取得的熵值都能一致。熵值的相同變化量是否能直接作為區(qū)分液泛狀態(tài)的標(biāo)志，這有待于進(jìn)一步做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。3) Hansuld的結(jié)論是建立在液泛狀態(tài)與正常狀態(tài)的熵值有巨大的改變的基礎(chǔ)上。如果熵值變化不大，比如小于10%，那就很難做出判斷，因?yàn)槁暡妷旱臏y量本身就很容易受外界干擾的影響，10%的熵值變化很有可能會被淹沒在測量誤差范圍內(nèi)。4)該文實(shí)驗(yàn)在每個測量點(diǎn)上都只使用了單支麥克風(fēng)。單支麥克風(fēng)僅僅測量到麥克風(fēng)正前方的局部情況，相對于體量大很多倍的填料塔，單只麥克風(fēng)所測得的聲波信號是否能真實(shí)還原塔內(nèi)的整體情況，存在疑問。5)液泛的發(fā)生，不一定是整塔液泛，也有可能是局部液泛，如果能通過聲波測量，首先找到局部液泛點(diǎn)，比判斷整體液泛發(fā)生更具有實(shí)用性。出于安全考慮，在流程工業(yè)上是不允許發(fā)生整塔液泛的情況。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)提供一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法的技術(shù)方案。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于采用麥克風(fēng)陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進(jìn)行全面測量，測量時采集填料塔聲波數(shù)據(jù)組，然后通過近場聲全息方法對上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比計(jì)算，重建并繪制聲源面聲壓變化的全息圖，該圖用于判斷液泛的依據(jù)。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟
1)將麥克風(fēng)陣列固定設(shè)置在填料塔外；
2)采集填料塔內(nèi)實(shí)時的聲波數(shù)據(jù)組；
3)根據(jù)上述測得的聲波數(shù)據(jù)組得到全息面4各點(diǎn)聲壓，經(jīng)過運(yùn)算，得到全息面的復(fù)聲壓，對復(fù)聲壓進(jìn)行二維傅里葉變換，得到波數(shù)域，對波數(shù)域作二維傅里葉逆變化，完成對聲源面h聲壓的重建，得到聲源面聲壓變化的全息4)上述的聲源面聲壓變化的全息圖用于判斷該塔液泛的依據(jù)，當(dāng)全息圖最高聲壓部分的面積比正常狀態(tài)下全息圖最高聲壓部分的面積減小30%以上時，該填料塔為液泛狀態(tài)。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于所述的步驟1)中麥克風(fēng)陣列中的麥克風(fēng)的敏感度為8 14 mV/Pa，頻率范圍為10 20000Hz，動態(tài)范圍為28 140dB。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于所述的步驟1)中麥克風(fēng)陣列固定設(shè)置在距填料塔外壁0. 01 0. 5m處。上述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，設(shè)計(jì)合理，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于1)在背景噪音較大，無法用墑值判斷液泛狀態(tài)時，可用本發(fā)明進(jìn)行監(jiān)測； 2)并非使用單支麥克風(fēng)，頻譜分析等數(shù)值對比方法，采用麥克風(fēng)陣列，近場聲全息方法全面可視化重現(xiàn)液泛時，塔內(nèi)聲壓面的詳細(xì)變化，以此作為判斷依據(jù)；3)重現(xiàn)范圍大，可用于局部區(qū)域的液泛判斷；4)采用聲波方法，非接觸式測量，不同于傳統(tǒng)的測量溫度和壓力來監(jiān)測液泛的方法。


圖1為聲源面重建原理圖； 圖2為聲源和測量面位置分布圖3為測量面(距離原點(diǎn)0. 02米)處理論聲壓圖； 圖4為重構(gòu)面(距離原點(diǎn)0. 015米)處理論聲壓圖； 圖5為重構(gòu)面(距離原點(diǎn)0. 015米)處重構(gòu)聲壓圖； 圖6為重構(gòu)面(距離原點(diǎn)0. 01米)處理論聲壓圖； 圖7為重構(gòu)面(距離原點(diǎn)0. 01米)處重構(gòu)聲壓圖；CN 102539523 A
圖8為小液量下180 200Hz正常狀態(tài)聲壓圖； 圖9為小液量下180 200Hz液泛狀態(tài)聲壓圖； 圖10為大液量下180 200Hz正常狀態(tài)聲壓圖； 圖11為大液量下180 200Hz液泛狀態(tài)聲壓圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)驗(yàn)例1
聲源識別系統(tǒng)一般是通過測量聲場中聲源附近某區(qū)域的復(fù)聲壓分布，經(jīng)過聲場變換計(jì)算，來重建聲源的聲壓或者質(zhì)點(diǎn)振速的空間分布。當(dāng)采用平面NAH的變換公式時，因?yàn)樵摴绞嵌x在無限連續(xù)實(shí)空間上的，即要求全息面無限大，變量x、y在無限空間域中連續(xù)取值。但在實(shí)際測量中，只能在有限的平面離散點(diǎn)上進(jìn)行，實(shí)際測量時通常在聲源前方選取一個全息面作為聲音信號采集面，用傳聲器陣列對全息面進(jìn)行掃描獲取復(fù)聲壓，作為重建的基礎(chǔ)。所以實(shí)際測量時，先利用麥克風(fēng)傳聲器陣列記錄得到全息面4各點(diǎn)聲壓，經(jīng)過運(yùn)算，得到全息面的復(fù)聲壓。對得到的復(fù)聲壓進(jìn)行二維傅里葉變換，轉(zhuǎn)換到波數(shù)域。由重建算法得到聲源面波數(shù)域分布，再作二維傅里葉逆變化，完成對聲源面&聲壓的重建，如圖1所
7J\ ο為了驗(yàn)證近場聲全息聲源識別方法的可行性，應(yīng)用脈動球源形成的聲場進(jìn)行了聲源識別定位的仿真。脈動球源是進(jìn)行這均勻漲縮振動的球面聲源，在球面聲源的表面上各點(diǎn)都沿著徑向做同振幅、同相位的振動。這是一種理想化的振動方式，在現(xiàn)實(shí)中并不存在， 但是通過對它的分析具有一定的啟發(fā)意義，特別是可以應(yīng)用小脈動球源(點(diǎn)聲源)的組合來處理任何復(fù)雜的面聲源，那么這種小脈動球源就是最基本的聲源了。如圖2所示，自由聲場中有一個徑向脈動球(目標(biāo)聲源)及測量用麥克風(fēng)陣列。其中脈動球的半徑為0.05m，角頻率為200Hz。為了便于計(jì)算，定義如下坐標(biāo)系坐標(biāo)原點(diǎn) (0，0，0)與脈動球的球心重合，以右手定則確立坐標(biāo)系，X軸和Y軸構(gòu)成平面，Z軸水平向右，測量面與X、Y平面平行，距離球心0. 02m。測量面的尺寸大小為0. 2mX0. 2m，測量面均布IOX 10個測點(diǎn)，測量面上的測點(diǎn)間距為0. 02mo為了能夠驗(yàn)證算法的有效性，選取可得到理論解析解的脈動球聲源，將聲壓解析解與分離重構(gòu)后得到的聲壓進(jìn)行對比，如果兩者的誤差在預(yù)定范圍內(nèi)，就可以認(rèn)定重構(gòu)的方法切實(shí)可行，即聲壓的重構(gòu)結(jié)果是可信的。脈動球源的一般解形式為
ρ =(1-1)
r
A是待定常數(shù)，取決于球面振動的情況，一般講可能是復(fù)數(shù)，A/r的絕對值即為聲壓振幅。r是坐標(biāo)點(diǎn)(x，y)對應(yīng)的徑向長度。ω為角頻率。k= ω/C(1，稱為波數(shù)。假定球面振動的速度表示為
權(quán)利要求
1.一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于采用麥克風(fēng)陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進(jìn)行全面測量，測量時采集填料塔聲波數(shù)據(jù)組，然后通過近場聲全息方法對上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比計(jì)算，重建并繪制聲源面聲壓變化的全息圖， 該圖用于判斷液泛的依據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于包括以下步驟1)將麥克風(fēng)陣列固定設(shè)置在填料塔外；2)采集填料塔內(nèi)實(shí)時的聲波數(shù)據(jù)組；3)根據(jù)上述測得的聲波數(shù)據(jù)組得到全息面Zh各點(diǎn)聲壓，經(jīng)過運(yùn)算，得到全息面的復(fù)聲壓，對復(fù)聲壓進(jìn)行二維傅里葉變換，得到波數(shù)域，對波數(shù)域作二維傅里葉逆變化，完成對聲源面h聲壓的重建，得到聲源面聲壓變化的全息圖；4)上述的聲源面聲壓變化的全息圖用于判斷該塔液泛的依據(jù)，當(dāng)全息圖最高聲壓部分的面積比正常狀態(tài)下全息圖最高聲壓部分的面積減小30%以上時，該填料塔為液泛狀態(tài)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于所述的步驟 1)中麥克風(fēng)陣列中的麥克風(fēng)的敏感度為8 14 mV/Pa，頻率范圍為10 20000Hz，動態(tài)范圍為28 140dB。
4.如權(quán)利要求2所述的一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，其特征在于所述的步驟 1)中麥克風(fēng)陣列固定設(shè)置在距填料塔外壁0. 01 0. 5m處。
全文摘要
一種近場聲全息填料塔液泛監(jiān)測方法，屬于填料塔液泛點(diǎn)的檢測方法技術(shù)領(lǐng)域。其采用麥克風(fēng)陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進(jìn)行全面測量，測量時采集填料塔聲波數(shù)據(jù)組，然后通過近場聲全息方法對上述采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合對比計(jì)算，重建并繪制聲源面聲壓變化的全息圖，該圖用于判斷液泛的依據(jù)。本發(fā)明的有益效果在于在背景噪音較大，無法用墑值判斷液泛狀態(tài)時，可用本發(fā)明進(jìn)行監(jiān)測；并非使用單支麥克風(fēng)，頻譜分析等數(shù)值對比方法，采用麥克風(fēng)陣列，近場聲全息方法全面可視化重現(xiàn)液泛時，塔內(nèi)聲壓面的詳細(xì)變化，以此作為判斷依據(jù)；重現(xiàn)范圍大，可用于局部區(qū)域的液泛判斷；采用聲波方法，非接觸式測量。
文檔編號G01N29/02GK102539523SQ20111044969
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者劉毅, 楊捷, 陳冰冰, 高增梁 申請人:浙江工業(yè)大學(xué)