CN102539523A

CN102539523A - 一种近场声全息填料塔液泛监测方法

Info

Publication number: CN102539523A
Application number: CN2011104496943A
Authority: CN
Inventors: 高增梁; 杨捷; 刘毅; 陈冰冰
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-07-04

Abstract

一种近场声全息填料塔液泛监测方法，属于填料塔液泛点的检测方法技术领域。其采用麦克风阵列对填料塔的填料层上部空间和填料层的声波进行全面测量，测量时采集填料塔声波数据组，然后通过近场声全息方法对上述采集的数据进行综合对比计算，重建并绘制声源面声压变化的全息图，该图用于判断液泛的依据。本发明的有益效果在于：在背景噪音较大，无法用墒值判断液泛状态时，可用本发明进行监测；并非使用单支麦克风，频谱分析等数值对比方法，采用麦克风阵列，近场声全息方法全面可视化重现液泛时，塔内声压面的详细变化，以此作为判断依据；重现范围大，可用于局部区域的液泛判断；采用声波方法，非接触式测量。

Description

一种近场声全息填料塔液泛监测方法

技术领域

本发明属于填料塔液泛点的检测方法技术领域，具体涉及一种近场声全息填料塔液泛监测方法。

背景技术

液泛点被认为是填料塔操作工况的极限。填料塔的最大通量等于开始液泛时的负荷。填料塔发生液泛后，会导致压力降和持液量的快速增加和工作效率的急剧减小，这将会使得装置变得无法操作。因此理想的状态是使填料塔工作在近可能靠近液泛点的位置，但又不会达到液泛，以避免不稳定情况的发生。长期以来，研究人员使用了一些在线监测的方法来监测液泛的发生，使填料塔能在较佳的传质条件下工作。常用的监测方法包括传统的液泛实时监测方法和基于声波的液泛实时监测方法。

1. 传统的液泛实时监测方法

目前常用的液泛实时监测方法，主要有视觉监测、测量持液量变化和监测压力变化等。传统监测方法及其缺点如下：1）视觉监测，当被测的填料塔是透明的时候，可目测观察填料床上表面的液体堆积，及液泛的发生。目测的缺点是反应会延迟，当观测到液泛的时候，已经发生了可观的破坏和损失。另外，滞后现象会导致填料塔的恢复延迟。因为滞后现象，会使得液泛持续发生直到流速远低于临界流速，使得恢复填料塔的正常操作更加困难。视觉检测的前提是填料塔是透明的，这在实验室条件尚可实行，但是在工业现场，所用填料塔基本为不透明金属容器，即使有观测窗也无法做到全面正确的实时观测。所以视觉观测不适合工业现场。2）观测持液量的变化，通过观测持液量的持续增加，来作为判断液泛的发生的依据。为了测量液体持液量，必须同时停止气液两相流，且留在填料塔中的液体必须排空。因此，观测持液量变化不适合工业在线监测。3）观测压力降变化，根据液泛发生前会有一个可观的压力增加的特点，通过传感器监测填料塔中的压力降的变化来预测液泛。Parthasarathy等设计了一个基于压力变化的神经网络模型作为液泛指示器。它可以提前3分钟预测到液泛，所以可在液泛发生前进行操作的调整。但是这些测量压力变化的压力传感器必须插入设备并正确安装，而对工厂现有的正在正常运行的填料塔进行任何改动和添加设备，都是很难得到用户认同的。4）观测差压信号的频谱变化，Emerson公司的Pihlaja等采用Rosemount 3051S差压变送器来实时监测液泛的发生。他使用了3051S的调试模式，以22Hz的速度对差压信号进行测量，通过分析信号，找到了液泛发生时的差压变化的频谱特征，形成了预警指标。这种方法对差压变送器的型号有特殊要求，3051S差压变送器因为价格高，在工厂的应用远远低于3051以及EJA等型号，对于其他公司、其他型号的差压变送器是否也能进行这样的分析，未见其他文献介绍。对于现有装置，如果尚未在合适位置安装有3051S的差压变送器，这就需要改动原有设计，在填料塔上钻孔引线，加装设备，这些改动很难得到用户的允许和认同。

以上不难看出，传统监测方法因为液泛问题的复杂性以及难以直接测量，传统的方法难于广泛应用在工业实时监测上。

2.基于声波的液泛实时监测方法

声学测量是一类很有潜力的监测方式。它具有以下特点：可实时、在线监测过程变化，同时很少或者根本不介入反应过程。声学测量装置适用于各种过程条件，具有低成本，可靠和非插入式等特点。

根据填料塔的结构和运行方式，显然与其他过程反应一样，其塔内的气液两相对流也会发射出声波，在工业现场，有经验的操作工人甚至能够通过听塔内发出的声音变化来判断填料塔是否工作正常。

当填料塔正常工作时，液体向下流动经过填料与向上流的气体形成对流。气体沿着一个弯曲的道路向上，填料中的空隙最终被气体明显的填满。这时，气体是连续相。上升的气体对以空气动力学阻力方式影响下降的液体。这个阻力和重力作用起相反作用，减慢了液体下降流速。

不断增大气体流速，当阻力大于或者等于重力时，液体就停止在塔内下降，这就会引起液泛。在液泛的时候流体状态改变了。液体成为有气泡通过的连续相。往上的气泡拉动很多液体往上，造成了塔内不期望的轴向混合。气泡大小不一，有的成核，有的膨胀，有的聚集，有的随机的破裂，导致气泡流成为一个随机无序的过程。

通过对比可以发现当液泛发生时，在填料层的上部，形成了一片特征明显的雾沫混合区。该区域剧烈的随机气泡流过程，会引起该位置的声波改变，通过记录分析这种声波的改变，将是一种好的实时检测液泛的手段。

Eris Hansuld等在2008年介绍了一种使用传声器作为低成本，非插入式的在线监测液泛发生的方法。该文将压电式麦克风安装在填料塔的表面用于监测塔内流体流动。在填料塔表面安置麦克风是简单而且非破坏性的。两相流体流动中因为压力不平衡所形成的声波，使得压电材料变形、产生相应的电压。该文随后运用多种统计分析手段对采集到的电压信号方法进行了研究。

该文采用的方法是在正常状态和液泛状态各取60秒的声波数据，对这些数据采用标准方差和信息熵的方法分别加以计算分析，该文得出的结论是在液泛发生前，声波电压的信息熵数值就已经发生了明显的变化，所以声波墒值的变化可以作为预报液泛发生的报警信号。

Hansuld将液泛的发展分为三个阶段，即正常阶段、过渡阶段和液泛阶段。正常状态下声波的熵值为8左右，液泛状态，熵值升高到11左右，提高了37.5%，这显然是极大的改变。所以Hansuld将熵值9.1 作为液泛预警信号。该文在国际上率先给出了一种采用声波探测的方法来监听塔内气液两相流状态，预测液泛的方法。目前在国内尚未见到采用声波方法预测液泛的报道。但是，该文所述的方法，尚存在一些问题：1）该文没有提供实验所采集的声音信号的原始数据及曲线，所以无法验证该方法的具体步骤及结论。2）任意取样60秒，是否每次取得的熵值都能一致。熵值的相同变化量是否能直接作为区分液泛状态的标志，这有待于进一步做实验验证。3）Hansuld的结论是建立在液泛状态与正常状态的熵值有巨大的改变的基础上。如果熵值变化不大，比如小于10%，那就很难做出判断，因为声波电压的测量本身就很容易受外界干扰的影响，10%的熵值变化很有可能会被淹没在测量误差范围内。4）该文实验在每个测量点上都只使用了单支麦克风。单支麦克风仅仅测量到麦克风正前方的局部情况，相对于体量大很多倍的填料塔，单只麦克风所测得的声波信号是否能真实还原塔内的整体情况，存在疑问。5）液泛的发生，不一定是整塔液泛，也有可能是局部液泛，如果能通过声波测量，首先找到局部液泛点，比判断整体液泛发生更具有实用性。出于安全考虑，在流程工业上是不允许发生整塔液泛的情况。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于设计提供一种近场声全息填料塔液泛监测方法的技术方案。

所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于采用麦克风阵列对填料塔的填料层上部空间和填料层的声波进行全面测量，测量时采集填料塔声波数据组，然后通过近场声全息方法对上述采集的数据进行综合对比计算，重建并绘制声源面声压变化的全息图，该图用于判断液泛的依据。

所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将麦克风阵列固定设置在填料塔外；

2）采集填料塔内实时的声波数据组；

3）根据上述测得的声波数据组得到全息面Z_H各点声压，经过运算，得到全息面的复声压，对复声压进行二维傅里叶变换，得到波数域，对波数域作二维傅里叶逆变化，完成对声源面Zs声压的重建，得到声源面声压变化的全息图；

4）上述的声源面声压变化的全息图用于判断该塔液泛的依据，当全息图最高声压部分的面积比正常状态下全息图最高声压部分的面积减小30%以上时，该填料塔为液泛状态。

所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于所述的步骤1）中麦克风阵列中的麦克风的敏感度为8～14 mV/Pa，频率范围为10～20000Hz，动态范围为28～140dB。

所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于所述的步骤1）中麦克风阵列固定设置在距填料塔外壁0.01～0.5m处。

上述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，设计合理，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1）在背景噪音较大，无法用墒值判断液泛状态时，可用本发明进行监测；2）并非使用单支麦克风，频谱分析等数值对比方法，采用麦克风阵列，近场声全息方法全面可视化重现液泛时，塔内声压面的详细变化，以此作为判断依据；3）重现范围大，可用于局部区域的液泛判断；4）采用声波方法，非接触式测量，不同于传统的测量温度和压力来监测液泛的方法。

附图说明

图1为声源面重建原理图；

图2为声源和测量面位置分布图；

图3为测量面(距离原点0.02米)处理论声压图；

图4为重构面(距离原点0.015米)处理论声压图；

图5为重构面(距离原点0.015米) 处重构声压图；

图6为重构面(距离原点0.01米)处理论声压图；

图7为重构面(距离原点0.01米) 处重构声压图；

图8为小液量下180～200Hz正常状态声压图；

图9为小液量下180～200Hz液泛状态声压图；

图10为大液量下180～200Hz正常状态声压图；

图11为大液量下180～200Hz液泛状态声压图。

具体实施方式

以下结合具体实施例来进一步说明本发明。

实验例1

声源识别系统一般是通过测量声场中声源附近某区域的复声压分布，经过声场变换计算，来重建声源的声压或者质点振速的空间分布。当采用平面NAH的变换公式时，因为该公式是定义在无限连续实空间上的，即要求全息面无限大，变量x、y在无限空间域中连续取值。

但在实际测量中，只能在有限的平面离散点上进行，实际测量时通常在声源前方选取一个全息面作为声音信号采集面，用传声器阵列对全息面进行扫描获取复声压，作为重建的基础。

所以实际测量时，先利用麦克风传声器阵列记录得到全息面Z_H各点声压，经过运算，得到全息面的复声压。对得到的复声压进行二维傅里叶变换，转换到波数域。由重建算法得到声源面波数域分布，再作二维傅里叶逆变化，完成对声源面Zs声压的重建，如图1所示。

为了验证近场声全息声源识别方法的可行性，应用脉动球源形成的声场进行了声源识别定位的仿真。脉动球源是进行这均匀涨缩振动的球面声源，在球面声源的表面上各点都沿着径向做同振幅、同相位的振动。这是一种理想化的振动方式，在现实中并不存在，但是通过对它的分析具有一定的启发意义，特别是可以应用小脉动球源（点声源）的组合来处理任何复杂的面声源，那么这种小脉动球源就是最基本的声源了。

如图2所示，自由声场中有一个径向脉动球（目标声源）及测量用麦克风阵列。其中脉动球的半径为0.05m，角频率为200Hz。为了便于计算，定义如下坐标系：坐标原点（0,0,0）与脉动球的球心重合，以右手定则确立坐标系，X轴和Y轴构成平面，Z轴水平向右，测量面与X、Y平面平行，距离球心0.02m。测量面的尺寸大小为0.2m×0.2m，测量面均布10×10个测点，测量面上的测点间距为0.02m。

为了能够验证算法的有效性，选取可得到理论解析解的脉动球声源，将声压解析解与分离重构后得到的声压进行对比，如果两者的误差在预定范围内，就可以认定重构的方法切实可行，即声压的重构结果是可信的。

脉动球源的一般解形式为：

(1-1)

A是待定常数，取决于球面振动的情况，一般讲可能是复数，A/r的绝对值即为声压振幅。r是坐标点(x,y)对应的径向长度。ω为角频率。k=ω/c₀，称为波数。

假定球面振动的速度表示为：

(1-2)

可以得到该振动方程的波动方程解为：

(1-3)

其中：

式中的

是介质密度。

因为点声源脉动球的半径r₀远小于辐射声波的波长，即kr₀<<1，这时θ≈π/2，带入式(1-3)，得到点声源的波动方程的解析解为：

(1-4)

式中的

经过FFT变化，该公式在频域下可表示为：

(1-5)

根据公式（1-5）计算得到在离原点0.02米处的测量面的理论声压为图3所示。然后根据以下公式，分别在距离原点0.015米及0.01米位置重构该处声压，同时也进行相应位置的理论声压计算，得到图4和图5。

NAH方法是建立在这么一个假设上，二维声波测量面在声源外区域满足均匀声波方程。可以用下式表示

(2-1)

公式里的k为声波数，p(x,y,z)为空间点的复声压。以平面NAH为例，公式(1-6)的解可以用格林公式求解，得到空间任意点的声压为：

(2-2)

式中，S表示在无穷大的边界平面上积分，gD,N为无穷大平面的格林函数。格林函数描述了依据分析波传播原理，从声源中分离出传播出的声波的方法。

(2-3)

(2-4)

因为公式(2-2)是以卷积形式表示的，所以可以使用二维傅立叶变换，在波数域计算。对公式(2-2)两边取二维连续傅里叶变换，由二维卷积定理得到：

(2-5)

为声压

的二维连续傅里叶变换。

为边界条件

的二维连续傅里叶变换。

为

的二维连续傅里叶变换，表达式如下：

(2-6)

(2-7)

定义

为

和

的复函数

(2-8)

Neumann边界条件的形式为

(2-9)

该边界条件的二维傅里叶变换

与z=0平面上质点法向振速的二维傅里叶变换

有如下关系：

(2-10) 为声介质的平均密度。

将式(2-7)、(2-8)、(2-10)代入式(2-5)，得到

(2-11)

(2-12)

由式(2-11)、(2-12)可以推出Z=ZH(全息面)与Z=ZS(重建面)的声压及质点法向振速的关系为：

(2-13)

(2-14)

由式(2-13)、(2-14)可知，可以通过对全息面的信息采集分析来获得重建面即声源面的声压或者质点振速的分布。

从图4-7中的理论声压和重构声压图的对比来看，重构值与理论值一致。另外，对比图3的测量声压图，各图都能体现出中心声压高，并向四周均匀扩散的特征。能够判别出原点中心有一声源。另外根据声压值坐标量程的改变，可以观察到随着测量位置变远，脉动球形成的声场声压也逐渐降低，这和理论也是一致的。仿真结果表明采用近场声全息方法可用于声源位置及强度的识别。

实验例2

1.实验装置

将麦克风阵列（最优选为8×8个）固定设置在距离填料塔0.1～0.5m处，最优选为0.2 m处，上排麦克风正对填料层上部空间，下排麦克风正对填料层。在本实验中，使用的是丹麦B&K公司麦克风阵列，型号WA-1536，每隔3cm放置一个麦克风，一共8行8列，共64个。麦克风阵列采用丹麦B&K的1/4英寸高精度电容麦克风，型号4958。它的主要参数：敏感度8～14 mV/Pa，频率范围：10～20000Hz，动态范围:28～140dB。B&K麦克4958的预置放大器就在传感器内部。经过放大的的电压信号是连续的模拟信号，为了更好的进一步处理，需要采用数模转换模块将信号转化成数字信号。根据香农采样定律，为了避免采样后的数字信号失真，采样频率必须至少2倍于原始信号中的最高频率部分。该采样频率被称为乃奎斯特频率。在本实验中，采用B&K公司的3050数模转换模块。每6个麦克风采用1个模块，一共使用了11块。3050输入模块采集频率可达131kHz，根据香农定律，可采最高信号频率为51.2kHz，充分覆盖了麦克风4958的测量范围20-20000Hz，可以很好的复现原始信号特性。信号的记录及分析采用B&K公司的PULSE LAN-XI声学测试分析系统。

2.实验方法

固定液体流量3.809 m³/m².h，调节进气阀，开启小流量，记录正常状态下的塔内液体流动情况，采集5秒声全息快照数据，逐步加大气量，直到液泛发生，液泛保持60秒后，采集5秒声全息快照数据，调节进水阀，增加液量至13.702 m³/m².h，调节进气阀，开启小流量，记录正常状态下的塔内液体流动情况，采集5秒声全息快照数据，逐步加大气量，直到液泛发生，液泛保持60秒后，采集5秒声全息快照数据。

在声场中存在着研究感兴趣的目标声源和背景干扰声源，实验中假定声源都是从一个方向传过来，忽视背后的声音，在试验中采用了吸声海绵对机器设备进行了包裹，以降低背景噪声。因为采用的是近场测量的方式，其背景噪声的衰减比较大，所以本试验中假定声音都是从一个方向过来，而且声源面为一平面。

3.实验结果与分析

在距离填料塔0.02米处，对填料塔上部空间声源面进行了声压的快照采集，在不同液量条件下，液泛和正常状态下各采集了多组声波数据。

假定声源面为平面，采用平面NAH方法，在距离填料塔0.01米处重建声源面。已知本实验塔的液泛声波改变的特征频率分布在180～200Hz，所以针对该频率范围绘制了重建面的声压示意图，用于比较。

液泛状态通过视觉观察直接判断。图8和9为在较小液体流量 3.809 m3/m2.h下，正常状态和液泛状态下的典型声压图。图10和11为在较大液体流量 13.702 m3/m2.h下，正常状态和液泛状态下的典型声压图。声压图直接从B&K的Pulse软件中获得。从声压图上可以直观的看出，在180～200Hz频率范围内，填料层上部声压大于填料层部分声压3dB以上，空间特征明显。液泛发生时，填料层上部声压的高数值部分面积有明显减少，这与通过现有技术的频谱分析结论，当液泛发生时，180～200Hz频谱幅值有所减少也是一致的。

初步可以得出结论，针对本实验填料塔及实验条件，填料层上部空间180～200Hz范围声压的整体减少（即面积减小30%以上），可以用作判断液泛的依据。同时采用麦克风阵列使得能够更好的了解填料层上部的整体声压分布，这样可能有助于发现局部液泛的情况。

实施例3

1）将麦克风阵列8×8个固定设置在距离填料塔0.2m处，上排麦克风正对填料层上部空间，下排麦克风正对填料层，麦克风阵列中的麦克风的敏感度为8～14 mV/Pa，频率范围为10～20000Hz，动态范围为28～140dB；

2）采集填料塔内实时的声波数据组；

3）首先计算得到正常状态下的全息图，然后通过计算得到各个条件下的全息面图；

4）通过对比，当得到的全息图最高声压部分的面积比正常状态下全息图最高声压部分的面积减小30%以上时，该填料塔为液泛状态。

Claims

1.一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于采用麦克风阵列对填料塔的填料层上部空间和填料层的声波进行全面测量，测量时采集填料塔声波数据组，然后通过近场声全息方法对上述采集的数据进行综合对比计算，重建并绘制声源面声压变化的全息图，该图用于判断液泛的依据。

2.如权利要求1所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于包括以下步骤：

1）将麦克风阵列固定设置在填料塔外；

2）采集填料塔内实时的声波数据组；

3.如权利要求2所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于所述的步骤1）中麦克风阵列中的麦克风的敏感度为8～14 mV/Pa，频率范围为10～20000Hz，动态范围为28～140dB。

4.如权利要求2所述的一种近场声全息填料塔液泛监测方法，其特征在于所述的步骤1）中麦克风阵列固定设置在距填料塔外壁0.01～0.5m处。