一種近場聲全息填料塔液泛監測方法
2023-06-06 14:40:46
專利名稱：一種近場聲全息填料塔液泛監測方法
技術領域：
本發明屬於填料塔液泛點的檢測方法技術領域，具體涉及一種近場聲全息填料塔液泛監測方法。
背景技術：
液泛點被認為是填料塔操作工況的極限。填料塔的最大通量等於開始液泛時的負荷。填料塔發生液泛後，會導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。因此理想的狀態是使填料塔工作在近可能靠近液泛點的位置，但又不會達到液泛，以避免不穩定情況的發生。長期以來，研究人員使用了一些在線監測的方法來監測液泛的發生，使填料塔能在較佳的傳質條件下工作。常用的監測方法包括傳統的液泛實時監測方法和基於聲波的液泛實時監測方法。1.傳統的液泛實時監測方法
目前常用的液泛實時監測方法，主要有視覺監測、測量持液量變化和監測壓力變化等。 傳統監測方法及其缺點如下1)視覺監測，當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，及液泛的發生。目測的缺點是反應會延遲，當觀測到液泛的時候，已經發生了可觀的破壞和損失。另外，滯後現象會導致填料塔的恢復延遲。因為滯後現象， 會使得液泛持續發生直到流速遠低於臨界流速，使得恢復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，這在實驗室條件尚可實行，但是在工業現場，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時觀測。所以視覺觀測不適合工業現場。2)觀測持液量的變化，通過觀測持液量的持續增加，來作為判斷液泛的發生的依據。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在線監測。3)觀測壓力降變化，根據液泛發生前會有一個可觀的壓力增加的特點，通過傳感器監測填料塔中的壓力降的變化來預測液泛。 Parthasarathy等設計了一個基於壓力變化的神經網絡模型作為液泛指示器。它可以提前 3分鐘預測到液泛，所以可在液泛發生前進行操作的調整。但是這些測量壓力變化的壓力傳感器必須插入設備並正確安裝，而對工廠現有的正在正常運行的填料塔進行任何改動和添加設備，都是很難得到用戶認同的。4)觀測差壓信號的頻譜變化，Emerson公司的Pihlaja 等採用Rosemoimt 3051S差壓變送器來實時監測液泛的發生。他使用了 3051S的調試模式， 以22Hz的速度對差壓信號進行測量，通過分析信號，找到了液泛發生時的差壓變化的頻譜特徵，形成了預警指標。這種方法對差壓變送器的型號有特殊要求，3051S差壓變送器因為價格高，在工廠的應用遠遠低於3051以及EJA等型號，對於其他公司、其他型號的差壓變送器是否也能進行這樣的分析，未見其他文獻介紹。對於現有裝置，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計，在填料塔上鑽孔引線，加裝設備，這些改動很難得到用戶的允許和認同。以上不難看出，傳統監測方法因為液泛問題的複雜性以及難以直接測量，傳統的方法難於廣泛應用在工業實時監測上。
2.基於聲波的液泛實時監測方法
聲學測量是一類很有潛力的監測方式。它具有以下特點可實時、在線監測過程變化， 同時很少或者根本不介入反應過程。聲學測量裝置適用於各種過程條件，具有低成本，可靠和非插入式等特點。根據填料塔的結構和運行方式，顯然與其他過程反應一樣，其塔內的氣液兩相對流也會發射出聲波，在工業現場，有經驗的操作工人甚至能夠通過聽塔內發出的聲音變化來判斷填料塔是否工作正常。當填料塔正常工作時，液體向下流動經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，氣體是連續相。上升的氣體對以空氣動力學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，當阻力大於或者等於重力時，液體就停止在塔內下降，這就會引起液泛。在液泛的時候流體狀態改變了。液體成為有氣泡通過的連續相。往上的氣泡拉動很多液體往上，造成了塔內不期望的軸向混合。氣泡大小不一，有的成核，有的膨脹，有的聚集，有的隨機的破裂，導致氣泡流成為一個隨機無序的過程。通過對比可以發現當液泛發生時，在填料層的上部，形成了一片特徵明顯的霧沫混合區。該區域劇烈的隨機氣泡流過程，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，非插入式的在線監測液泛發生的方法。該文將壓電式麥克風安裝在填料塔的表面用於監測塔內流體流動。 在填料塔表面安置麥克風是簡單而且非破壞性的。兩相流體流動中因為壓力不平衡所形成的聲波，使得壓電材料變形、產生相應的電壓。該文隨後運用多種統計分析手段對採集到的電壓信號方法進行了研究。該文採用的方法是在正常狀態和液泛狀態各取60秒的聲波數據，對這些數據採用標準方差和信息熵的方法分別加以計算分析，該文得出的結論是在液泛發生前，聲波電壓的信息熵數值就已經發生了明顯的變化，所以聲波墒值的變化可以作為預報液泛發生的
報警信號。Hansuld將液泛的發展分為三個階段，即正常階段、過渡階段和液泛階段。正常狀態下聲波的熵值為8左右，液泛狀態，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作為液泛預警信號。該文在國際上率先給出了一種採用聲波探測的方法來監聽塔內氣液兩相流狀態，預測液泛的方法。目前在國內尚未見到採用聲波方法預測液泛的報導。但是，該文所述的方法，尚存在一些問題1)該文沒有提供實驗所採集的聲音信號的原始數據及曲線，所以無法驗證該方法的具體步驟及結論。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分液泛狀態的標誌，這有待於進一步做實驗驗證。3) Hansuld的結論是建立在液泛狀態與正常狀態的熵值有巨大的改變的基礎上。如果熵值變化不大，比如小於10%，那就很難做出判斷，因為聲波電壓的測量本身就很容易受外界幹擾的影響，10%的熵值變化很有可能會被淹沒在測量誤差範圍內。4)該文實驗在每個測量點上都只使用了單支麥克風。單支麥克風僅僅測量到麥克風正前方的局部情況，相對於體量大很多倍的填料塔，單只麥克風所測得的聲波信號是否能真實還原塔內的整體情況，存在疑問。5)液泛的發生，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，比判斷整體液泛發生更具有實用性。出於安全考慮，在流程工業上是不允許發生整塔液泛的情況。
發明內容
針對現有技術存在的問題，本發明的目的在於設計提供一種近場聲全息填料塔液泛監測方法的技術方案。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於採用麥克風陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進行全面測量，測量時採集填料塔聲波數據組，然後通過近場聲全息方法對上述採集的數據進行綜合對比計算，重建並繪製聲源面聲壓變化的全息圖，該圖用於判斷液泛的依據。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於包括以下步驟
1)將麥克風陣列固定設置在填料塔外；
2)採集填料塔內實時的聲波數據組；
3)根據上述測得的聲波數據組得到全息面4各點聲壓，經過運算，得到全息面的復聲壓，對復聲壓進行二維傅立葉變換，得到波數域，對波數域作二維傅立葉逆變化，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於判斷該塔液泛的依據，當全息圖最高聲壓部分的面積比正常狀態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。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於所述的步驟1)中麥克風陣列中的麥克風的敏感度為8 14 mV/Pa，頻率範圍為10 20000Hz，動態範圍為28 140dB。所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於所述的步驟1)中麥克風陣列固定設置在距填料塔外壁0. 01 0. 5m處。上述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，設計合理，與現有技術相比，本發明的有益效果在於1)在背景噪音較大，無法用墒值判斷液泛狀態時，可用本發明進行監測； 2)並非使用單支麥克風，頻譜分析等數值對比方法，採用麥克風陣列，近場聲全息方法全面可視化重現液泛時，塔內聲壓面的詳細變化，以此作為判斷依據；3)重現範圍大，可用於局部區域的液泛判斷；4)採用聲波方法，非接觸式測量，不同於傳統的測量溫度和壓力來監測液泛的方法。
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0. 02米)處理論聲壓圖； 圖4為重構面(距離原點0. 015米)處理論聲壓圖； 圖5為重構面(距離原點0. 015米)處重構聲壓圖； 圖6為重構面(距離原點0. 01米)處理論聲壓圖； 圖7為重構面(距離原點0. 01米)處重構聲壓圖；CN 102539523 A
圖8為小液量下180 200Hz正常狀態聲壓圖； 圖9為小液量下180 200Hz液泛狀態聲壓圖； 圖10為大液量下180 200Hz正常狀態聲壓圖； 圖11為大液量下180 200Hz液泛狀態聲壓圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例來進一步說明本發明。實驗例1
聲源識別系統一般是通過測量聲場中聲源附近某區域的復聲壓分布，經過聲場變換計算，來重建聲源的聲壓或者質點振速的空間分布。當採用平面NAH的變換公式時，因為該公式是定義在無限連續實空間上的，即要求全息面無限大，變量x、y在無限空間域中連續取值。但在實際測量中，只能在有限的平面離散點上進行，實際測量時通常在聲源前方選取一個全息面作為聲音信號採集面，用傳聲器陣列對全息面進行掃描獲取復聲壓，作為重建的基礎。所以實際測量時，先利用麥克風傳聲器陣列記錄得到全息面4各點聲壓，經過運算，得到全息面的復聲壓。對得到的復聲壓進行二維傅立葉變換，轉換到波數域。由重建算法得到聲源面波數域分布，再作二維傅立葉逆變化，完成對聲源面&聲壓的重建，如圖1所
7J\ ο為了驗證近場聲全息聲源識別方法的可行性，應用脈動球源形成的聲場進行了聲源識別定位的仿真。脈動球源是進行這均勻漲縮振動的球面聲源，在球面聲源的表面上各點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，在現實中並不存在， 但是通過對它的分析具有一定的啟發意義，特別是可以應用小脈動球源(點聲源)的組合來處理任何複雜的面聲源，那麼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(目標聲源)及測量用麥克風陣列。其中脈動球的半徑為0.05m，角頻率為200Hz。為了便於計算，定義如下坐標系坐標原點 (0，0，0)與脈動球的球心重合，以右手定則確立坐標系，X軸和Y軸構成平面，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，測量面上的測點間距為0. 02mo為了能夠驗證算法的有效性，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後得到的聲壓進行對比，如果兩者的誤差在預定範圍內，就可以認定重構的方法切實可行，即聲壓的重構結果是可信的。脈動球源的一般解形式為
ρ =(1-1)
r
A是待定常數，取決於球面振動的情況，一般講可能是複數，A/r的絕對值即為聲壓振幅。r是坐標點(x，y)對應的徑向長度。ω為角頻率。k= ω/C(1，稱為波數。假定球面振動的速度表示為
權利要求
1.一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於採用麥克風陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進行全面測量，測量時採集填料塔聲波數據組，然後通過近場聲全息方法對上述採集的數據進行綜合對比計算，重建並繪製聲源面聲壓變化的全息圖， 該圖用於判斷液泛的依據。
2.如權利要求1所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於包括以下步驟1)將麥克風陣列固定設置在填料塔外；2)採集填料塔內實時的聲波數據組；3)根據上述測得的聲波數據組得到全息面Zh各點聲壓，經過運算，得到全息面的復聲壓，對復聲壓進行二維傅立葉變換，得到波數域，對波數域作二維傅立葉逆變化，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於判斷該塔液泛的依據，當全息圖最高聲壓部分的面積比正常狀態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。
3.如權利要求2所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於所述的步驟 1)中麥克風陣列中的麥克風的敏感度為8 14 mV/Pa，頻率範圍為10 20000Hz，動態範圍為28 140dB。
4.如權利要求2所述的一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，其特徵在於所述的步驟 1)中麥克風陣列固定設置在距填料塔外壁0. 01 0. 5m處。
全文摘要
一種近場聲全息填料塔液泛監測方法，屬於填料塔液泛點的檢測方法技術領域。其採用麥克風陣列對填料塔的填料層上部空間和填料層的聲波進行全面測量，測量時採集填料塔聲波數據組，然後通過近場聲全息方法對上述採集的數據進行綜合對比計算，重建並繪製聲源面聲壓變化的全息圖，該圖用於判斷液泛的依據。本發明的有益效果在於在背景噪音較大，無法用墒值判斷液泛狀態時，可用本發明進行監測；並非使用單支麥克風，頻譜分析等數值對比方法，採用麥克風陣列，近場聲全息方法全面可視化重現液泛時，塔內聲壓面的詳細變化，以此作為判斷依據；重現範圍大，可用於局部區域的液泛判斷；採用聲波方法，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 優先權日2011年12月29日
發明者劉毅, 楊捷, 陳冰冰, 高增梁 申請人:浙江工業大學