CN104422581B - 流量控制设备的空化现象的检测和监控 - Google Patents

流量控制设备的空化现象的检测和监控 Download PDF

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Abstract

一种用于检测和监控在流量控制设备内的空化现象的系统和装置，例如控制阀，包括以一种方式耦接到流量控制设备的声发射传感器以采集由空化现象引起的声信号。处理器从声发射传感器接收声信息。处理器从符合一定预定义准则的声信息选择性地确认空化事件。基于空化事件的速率和单独的空化事件的强度中的至少一个来监控空化水平。空化水平可以被用来确认在流量控制设备内出现的空化现象，用来追踪在流量控制设备内的累计空化，和/或用来确认空化水平随着时间的显著变化。该信息可以被用来降低空化现象，评估修理和维护和/或监控流量控制设备的性能。

Description

流量控制设备的空化现象的检测和监控
技术领域
本发明涉及一种用于在诸如控制阀或管道的流量控制设备内或其附近检测和监控液体中的空化现象的方法和装置。
背景技术
当液体的流体压力下降到低于其在流体的受控液流中(诸如，管道或控制阀内)的蒸汽压时，在液流中产生空化现象，并且在液流中形成气泡。随后，当流体压力恢复到高于蒸汽压的水平，则气泡破裂并在产生显著高能声波的过程中猛烈地内爆。有时，初始气泡的形成指的是“闪蒸”，而气泡的内爆指的是“空化”。但是，为了描述的目的，术语“空化”此后除非清楚地指出其他过程否则用来包括气泡的形成和内爆两者的所有过程。
控制阀通常具有至少一个位于进入到阀体的入口和流出阀体的出口之间某处的减少的流动面积区。一种典型的减少的流动面积区处于由阀座限定的孔口处或阀座限定的孔口附近和/或邻近阀内件。因此，流经控制阀的流体在流经该减少的流动面积区时通常经历一定程度的压降或压力损失。在多少增加一些之前，在控制阀体的靠近下游或内侧某处，压力会典型地具有最低值。在一些情况中，这些更低的压力条件可以在阀内件和出口之间的控制阀内和/或在紧邻出口的管道内引发空化现象。
流经控制阀的液流内的空化现象可能是个麻烦。控制阀的物理边界的内部或其附近的空化现象可能导致对控制阀或邻近的管道元件严重的物理损坏。例如，贯穿阀体或阀内件的流道的内壁表面处或其附近的空化现象可能导致对压力边界、阀内件或其他阀元件的损坏。损坏典型地随着时间累积从而必须对控制阀执行周期性的维护以修复由空化现象引起的元件损伤。当在许多工业过程线路上调度维护时，希望在过程线路关闭以及开启之前能够精确地预知何时某个阀或其他某个设备会需要修理，直到包括替换。
发明内容
根据一些方面，在系统和装置中，布置声发射传感器从而通过感测声信号来检测在诸如控制阀的流量控制设备内和/或最接近流量控制设备处空化现象的存在。该声发射传感器为被布置以感测穿过固体材料的声能的电子传感器。在一些配置中，该电子传感器包括压电陶瓷的或其他的压电声发射传感器、电容式声发射传感器、激光干涉仪声发射传感器和/或其他同等类型的电子声发射传感器。优选地，声发射传感器被设置在流量控制设备的外表面上。处理器可操作地耦接到声发射传感器。该处理器被配置以从传感器接收声信息并处理声信息以确认和/或监控流量控制设备内的空化现象。
根据一些方面，检测和/或监控流量控制设备内的空化现象的方法包括以声发射传感器采集瞬态的声能数据、过滤数据以选择与空化事件对应的声信息和至少部分地基于空化事件的速率和单独的空化事件的强度的一个或多个来确定空化水平。
根据一些方面，可以随着时间追踪空化事件。该空化水平可以被用来确定在流量控制设备内空化现象随着时间的累计。该累计对于确定何时应当在流量控制设备上实施维护是有用的。该处理器可以基于空化现象在时间上的累计来计算损伤率。损伤速率可以被用来确认和/或预测流量控制设备何时将需要维护从而修理随着时间而累计发生的空化现象损伤的元件。
根据一些方面，空化水平可以被追踪并趋势化以确定该空化水平是否显著地增加。趋势信息可以被用来确认和/或预测阀何时会需要被维护从而修理被空化现象损伤的阀元件。趋势信息可以被用来提供报警给操作者，例如，建议改变控制阀的操作状态。
根据一些方面，与流量控制构件的位置有关的信息可以被用来确认潜在有问题的操作状态。可以例如从定位器获得位置信息。位置信息可以与用于一个或多个给定位置在正常流动状态下的期望的空化水平关联。期望的空化水平可以与实际的空化水平对比。实际的空化水平与期望的空化水平显著的偏离可以表明存在问题。可以产生报警以表明进一步的诊断可能是合适的。
在根据本发明的教导的一种示例性配置中，一种用于感测流经流量控制设备的流体内空化现象的装置包括声发射传感器和处理器。该声发射传感器被配置以沿着延伸通过流量控制设备的主体的受控的流体流动路径设置在选定位置上，诸如在更易于经受空化现象的位置或其附近。声发射传感器被布置以检测由流体流动路径内的空化现象产生的声信号。随着瞬态的弹性波的单独的和离散的出现确认并捕获声信号是优选的。声发射传感器被布置以基于在流体流动路径内被检测的声信号而向处理器提供声信息，诸如通过表示声信号的强度的信号。处理器与声发射传感器可操作地耦接以接收声信息。处理器被布置以处理声信息并至少部分地基于从声信息提取的空化事件的速率和单独的空化事件的强度来监控流体流动路径内的空化水平。
在根据本发明的教导的另一种示例性配置中，公开了一种监控用于过程液体的流量控制设备内的空化水平的方法。声发射传感器被耦接到流量控制设备的外壁上并且处理器可操作地耦接到声发射传感器以接收表示在流体流动路径内由声发射传感器感测的瞬态的声能数据的声发射信号。该方法包括用处理器从声发射传感器采集至少一个信号；确定所获取的信号是否对应于具有预定义特征的空化事件；只有当所获取的信号由空化事件产生时，才用处理器记录所获取的信号的被选定的特征；和基于空化事件的速率和每个空化事件的强度确定空化水平。
在另一种根据本发明的教导的示例性的配置中，公开了一种监控由空化现象引起的用于过程液体的流量控制设备的损伤的评估方法。该方法包括以数字信号处理器从声发射传感器获取信号。所获取的信号与预定义的频率范围内的瞬态的声发射数据关联。只有当所获取的信号由空化事件产生并且其中该声信号和/或所获取的信号处于预定义的频率范围内时，用数字信号处理器记录所获取的信号的被选定的特征。优选地，一个或多个滤波器被配置以过滤声信号和/或所获取的信号以减弱预定的不想要的频率比预选的各自的上下频率极限高和/或低。这种滤波可以发生在一个或多个层级，包括在声发射传感器自身内、在可操作地设置在声发射传感器和数字信号处理器之间的滤波硬件内和/或在滤波软件例程中。包括发生在一定时间段内空化事件的数量的命中率被计算。每个空化事件的强度被计算，其中该强度是基于每一空化事件的能量单位的。基于命中率和强度确定空化水平。空化水平超过预定阈值的次数被追踪，藉此，由空化现象引起的对流量控制设备累计的损伤的评估可以被监控。
在根据本发明的教导的进一步的示例性配置中，一种监控用于过程液体的流量控制设备内空化水平是否增加的方法包括计算命中率和强度关于时间的趋势并且如果趋势表明命中率和强度随着时间增加则产生空化水平正在增加的报警。
根据一些方面和形式，系统的物理元件的配置和相互连接提供了脱离于系统的任何计算机例程和方法方面特定的优点。同样地，在其他方面和形式上，使此处公开的过程的各个方面具体化的计算机例程和/或方法提供了脱离于系统的一些或全部特定物理元件的特定优点。
此处公开的与任何一个或多个从属权利要求以及下面描述一致的系统、装置和方法的其他可行方面和可选形式在考虑下面的详细描述和所附附图上是显而易见的。
附图说明
图1为过程控制线路中的控制阀的局部横截面图，其包括用于感测流经控制阀的流体中的空化现象的系统的图示说明；
图2为监控流量控制设备内的空化现象的方法的逻辑流程图，其可以利用图1的系统而实施；
图2A为一对关联图，表示在空化流动的理想周期中一系列声发射信号的幅度和阈值交叉点；
图3为图2的步骤的详细逻辑流程图；
图4为监控流量控制设备内的空化现象的另一种方法的逻辑流程图，其可以利用图1的系统而实施；
图5为监控流量控制设备内的空化现象的进一步的方法的逻辑流程图，其可以利用图1的系统而实施；以及
图6为监控流量控制设备内的空化现象的更进一步的方法的逻辑流程图，其可以利用图1的系统而实施。
具体实施方式
现在转到附图，图1示出了根据本发明的教导用于感测和/或监控流经控制阀10或其他流量控制设备的液体中的空化现象的装置和系统8。系统8包括流量控制设备，诸如控制阀10和/或管道24a和24b、一个或多个声发射传感器，诸如声发射传感器26a-d，以及计算机化的处理器，诸如处理器30。系统8可以为更大的过程控制工厂的一部分，诸如炼油厂或化学处理厂，如现有技术所理解的那样。例如，系统8可以被集成到用于过程控制工厂的计算机化的控制系统，诸如在美国专利号6，954，713所描述的系统，它通过引证的方式整体合并于此。系统8感测液流中的声信号，诸如由靠近或在控制阀10内的空化现象产生的声信号，并基于声信号确认空化流动状态。声信号可以包括由气泡的形成和/或作为空化现象一部分的气泡接下来的破裂而引发的瞬态的声能信号。空化流动状态可以由空化事件的出现而确认，它具有预选的特性。优选地，系统8基于空化事件的速率和/或单独的空化事件的强度来监控空化水平。系统8可以提供液体中空化流动状态的报告。该报告可以提供给操作员和/或提供给用于控制阀10的控制器。在一些配置中，系统8追踪空化现象随着时间的累积，这可以用来预测何时应当安排对控制阀10维护。在一些配置中，系统8监控空化水平的变化，这可以被用来对空化水平在统计学上的显著变化提供报警。在一些配置中，空化水平可以与控制阀的位置相关联以确认潜在有问题的操作状态。尽管附图中所示的例子具体地与控制阀10有关，但是系统8、装置和方法可以以与示例性的控制阀10相关的描述类似的方式被布置来监控在用于过程液体的其他类型的流量控制设备(诸如管道和减径管)中的空化现象。
控制阀10包括阀体12、流量控制构件14和致动器16。流体流动路径18延伸通过阀体12。流体流动路径18从入口20至少部分地延伸到阀体12，经过喉部28，到离开阀体12的出口22。流体流动路径18还可以由连接到入口20的管道24a和/或连接到出口22的管道24b至少部分地限定。控制阀10的辅助元件是熟知的并且为了简洁的目的此处不予解释进一步的细节。
一个或多个声发射传感器26a、26b、26c和26d沿着流体流动路径18布置。作用在阀体12的内表面上或者作用在阀体12的内表面附近的空化事件通过阀体传送到一个或多个声发射传感器26a-d。声发射传感器26a-d检测声信号并提供表示被检测到的声信号(acoustic signal)的声信息(acoustic information)。由声发射传感器感测的声信号可以包括，例如，在空化过程中由流体内的气泡破裂引起的振动和噪音。声信号还可以包括当气泡在足够靠近阀体的内壁破裂时在阀体12内释放的能量，这对阀体造成较小的损伤。优选地，随着瞬态弹性能量波的单独地和离散地发生，该声发射传感器26a-d确认并捕获声信号。如现有技术所理解的，弹性能量波为与穿过空气或液体的声能量波相反的穿过固体的声能量波。该由声发射传感器26a-d传送的声信息优选地以由响应所感测的声信号而产生的诸如电子声发射信号的信号形式提供。声发射信号26a-d优选地为压电传感器，诸如压电陶瓷传感器，并且可以为高频压电陶瓷传感器，诸如，可从德国伊京的Vallen SystemeGmbH公司购买的VS900-RIC型声发射传感器，尽管也可以使用其他的高频声发射传感器。在一些配置中，一个或多个声发射传感器还可以或者可选择地可包括电容式声发射传感器、激光干涉仪声发射传感器和/或能够检测并接收由控制阀10内或控制阀10附近的空化现象产生的声信号的其他类型的电子声发射传感器。
系统8并不必然在所有的配置中包括在声发射传感器26a-d的每个或全部；然而，优选地，声发射传感器26a-d的至少一个被布置以捕获由空化现象引起的声信号。在图1的示例性的配置中，声发射传感器26a-d的每一个被布置在一个或多个被选定的位置处，该位置可以基于经受由控制阀10引起的空化现象的可能性来选择。布置声发射传感器26a-d以检测从沿着流体流动路径18流动的流体传出并作为弹性波穿过控制阀10的一个或多个固体元件(诸如，阀体12的壁)的声信号。
声发射传感器26a-c在空化现象很可能发生的一个或多个位置处布置在阀体12和管道24b上。空化现象可能发生的一个通常的区域为处于靠近阀内件和/或流量控制构件14下游的流体流动路径18的区域，诸如位于喉部28和出口22之间。因此，声发射传感器26a和26b沿着喉部28和出口22之间的流体流动路径18位于不同的被选定的位置处。例如，声发射传感器26a设置于邻近喉部28，并且声发射传感器26b设置于邻近出口22。在空化期间，气泡的形成可以产生第一声信号模式并且气泡的内爆可以产生第二声信号模式。声发射传感器26a-c检测这些第一和第二声信号模式并以本领域熟知的方式产生表示这些声信号模式的电子的声发射信号。在这种配置中，声发射传感器26a可以更容易检测气泡的形成或“闪蒸”并且声发射传感器26b可以更容易检测气泡的内爆。空化现象还可以发生或继续进一步地发生在出口22的下游，诸如在紧邻出口22的管道24b的区域。因此，声发射传感器26c设置在邻近与出口22连接的接头的管道24b上。该声发射传感器26c还可以检测气泡的内爆或可以检测少量的气泡内爆或常规流动，即，没有空化现象存在的流动。
声发射传感器26d沿着流体流动路径18设置在不易于经受空化现象的靠近控制阀10的一个或多个位置处。该声发射传感器26d可以位于在流量控制构件14的上游侧。例如，声发射传感器26d可以耦接在位于入口20和流量控制构件14之间的阀体12的外表面上，如图1所示，或者耦接在管道24a上。因为声发射传感器26d位于空化现象不易于发生的地方，所以声发射传感器26d提供了基准声信息，其可以被用作常规流动(即，没有空化现象存在的流动)的基准测度。由声发射传感器26d产生的基准声信息可以为被称作基准发射信号的电子的声发射信号的形式。基准声信息可以与从声发射传感器26a-c产生的声发射信号得到的声信息相比来校正声发射传感器26a-c，检测流体中的空化现象的出现，和/或测量空化现象的强度。
优选地，声发射传感器26a-d被固定到各自的阀体12和管道24a以及24b的外部，即，与流体流动路径18相对的壁的侧面上。在这种配置中，声发射传感器26a-d能够沿着流动路径18检测来自空化现象的声信号而不破坏流动路径的边界。也就是说，不带有声发射传感器26a-d或者延伸通过诸如密封件或法兰的边界壁的引线，流动路径18依然是封闭的。通过不破坏流动路径的边界，系统8能够以不易于引起泄漏的方式来捕获声信号。通过足以将设置在各自的阀体12和/或管道24a、24b的声发射传感器26a-d保持的任何方法，声发射传感器26a-d可以可操作地耦接到阀体12和/或管道24a、24b并且能够充分地感测从沿着流体流动路径18流动的液体传出的振动形式的声信号。用于空化现象的声发射监控的一种优选的声耦合类似于描述在现有技术所知悉的ASTM标准E650的过程。例如，典型地，保持声发射传感器的表面上的有效检测区域和流量控制设备的表面之间以其间最小化的间隙或空气间隔最大化的面对面接触是重要的。因此，声发射传感器26a-d可以直接耦接到各自的阀体12和/或管道24a、24b的外表面，例如，通过焊接、紧固件、夹具或粘合剂。优选地，声发射传感器的表面的形状与阀体或管道的容纳表面相应形状互补。在一些情况，薄层的润滑油或凝胶可以设置在传感器的表面和容纳表面之间并且被操作以便于避免其间的任何空气泡。
热间隔件(thermal standoff)(未示出)可以设置在声发射传感器的表面和容纳表面之间从而使声发射传感器与阀体绝缘。使用热间隔件在阀以高温操作的场合或者当进出阀受限时可以是有利的。热间隔件可以为一块带有被布置以散热的一个或多个裸露的外侧表面的金属。热间隔件的加入可能还需要对声发射信号做一些补偿和/或校正以适应由热间隔件引起的差异。
处理器30可操作地连接到一个或多个声发射传感器26a-d以接收由其产生的各自的声信息。声信息可以以任何合适的方式通信，诸如通过经由有线或无线通信路径直接地接收声发射信号或者通过经由其他可能的通信路径间接地接收声信息。优选地，声信息以由声发射传感器26a-d响应所感测的声信号而产生的电子的声发射信号的形式提供。该处理器30被配置以基于接收自任何一个或多个声发射传感器26a、26b、26c和/或26d的声信息来确认和监控流体流动路径18中空化现象的存在。基于被监控的空化现象，处理器30还被配置以从声信息中提取数据并利用声信息来确定关于控制阀10或与控制阀10有关的额外信息。处理器30可以专用来监控在流量控制设备的空化现象的出现，或者处理器30可以与执行其他过程控制功能的其他计算机化系统集成。例如，处理器30可以与定位器32集成用于控制流量控制构件14的位置。定位器32可以为典型的数字阀定位器，诸如FisherFieldviewTM DVC6000型数字阀控制器，其可以从爱荷华州马歇尔镇的艾默生过程管理公司购买。处理器30可以连接到和/或与一个或多个其他工厂控制系统计算机34集成，例如，与总线36集成。
在一种配置中，处理器30包括数字信号处理器(DSP)38、一个或多个数字的或其他的电子存储模块40、一个或多个计算机处理器42和其他熟知的计算机元件，诸如输入/输出装置、数据通信装置、专用集成电路(ASICs)和/或用于完成功能的软件模块以及此处以在数字信号处理和计算技术领域中普通技术人员理解的方式所描述的方法。该DSP38可以包括模拟-数字(AD)转换器。在其他配置中，该处理器30可以包括嵌入式的信号处理例程取代专用的DSP38以处理从声发射传感器26a-d接收的声发射信号。计算机处理器30可以将以上的所有功能元件包括在单个单元，或一个或多个元件可以是远程的并通过任何熟知的数据通信配置而可操作地连接，诸如通过FoundationTM现场总线协议、HART协议、因特网、以太网和/或本领域普通技术人员所理解的其他合适的数据通信配置。系统8的各种元件之间可以经由一个或多个有线连接和/或无线连接数据通信。
处理器30包括例程指令或被布置以存取这种足以接收由声发射传感器26a-d产生的声信息的合适的硬件和/或软件装置执行的例程指令，并且基于各自的空化事件的速率和强度以足以监控流体流动路径内空化水平的方法处理接收到的声信息。为了实现这种目的，优选地以一系列例程指令的形式的一个或多个例程能够可存取到处理器30。在一种配置中，采集例程50、滤波例程52和一个或多个监控例程54a、54b、54c和54d存储在存储器40内。在其他配置中，例程指令还可以或可选择地直接地嵌入到计算机处理器42内和/或可以被存储在其他地方并通过计算机处理器42远程存取。采集例程50使处理器30接收由声发射传感器26a-d产生的声信息，诸如通过接收声发射信号(“AE信号”)。该滤波例程52对接收的AE信号滤波以选择只符合表示控制阀10的空化现象的一个或多个预定义特征信号并忽略其他信号。在一些配置中，滤波还可以或可选择地通过由声发射传感器26a-d对声信号滤波和/或通过滤波硬件55来实现。滤波硬件55可操作地位于声发射传感器26a-d以及处理器30之间以便于在被处理器30接收之前对声发射信号滤波。根据各种准则，监控例程54a-d利用被选定的信号来确认并监控控制阀10内的空化现象。同时，采集例程50、滤波例程52和一个或多个监控例程54a-d可以被配置以执行一个或多个下文详述的方法。例程50、52和52a-d可以为例如被存储在存储器40内软件形式的指令，和/或硬件，诸如计算机处理器42内的专用电路、DSP38、定位器32和/或传感器26a-d。
参见图2和图3，示出了监控诸如控制阀10和/或管道24a或24b的流量控制设备内空化现象的一种方法100。该方法由图1的系统8执行。系统8被配置从而以任何一个或多个声发射传感器26a-d在更可能表示空化现象的频率范围内采集来自流经流量控制设备的流体的声信号。采集的声信号优选地包括由空化现象产生的瞬态声能数据。该系统8可以被配置以在声发射传感器处提供一定程度的滤波，例如，通过调节声发射传感器的灵敏度参数、以预定义的灵敏度范围选择声发射传感器和/或调节用于由声发射传感器输出的声发射信号的输出参数。在一些配置中，声发射传感器26a-d被配置以对声信号滤波从而通过仅采集范围内的声信号而提供第一水平的滤波。例如，一些配置中的范围处于大约500kHz和大约1600kHz之间，但也可使用其他范围。系统8可以被配置以在声发射传感器和处理器30之间提供一定水平的滤波，例如，通过可操作地设于声发射传感器和处理器30之间的滤波硬件55。该系统可以被配置以提供一定水平的滤波，例如，通过调节处理器30的接收极限参数，诸如，通过由软件或硬件执行的例程或指令例程。接收极限参数可以包括处理器30的AD转换器、DSP38或其他硬件或软件元件中的一个或多个参数。该处理器30从一个或多个声信息传感器26a-d接收AE信号形式的与由瞬态事件引发的声信号有关的声信息并利用该数据来计算空化程度，前述的瞬态事件在流量控制设备内的空化事件中伴随每个气泡形成、气泡腔或气泡的破裂。
块102至少在预选范围的频率内从流量控制设备采集声信号。在一种配置中，通过一个或多个声发射传感器26a-d，初始地采集声信号。声发射传感器26a-d被配置以在一定范围的频率内，诸如至少在大约500kHz和大约1600kHz之间，采集瞬态的声能数据。由传感器26a和26b两者之一采集的声信号，例如，可以被用来提供与喉部28下游的流量控制阀10内发生的空化现象有关的直接的声信息。由传感器26c采集的声信号可以提供与发生在邻近控制阀10的下游出口22的管道24b内的空化现象有关的直接信息。由传感器26d采集的声信号可以提供与无空化现象的标准液流相关的控制或基准信息。为了下面描述的目的，声信号由声发射传感器26a获取；然而，对于任何一个声发射传感器26a-d，可以遵从该相同的过程。然后，声发射传感器26a产生表示所获取的瞬态声能数据的AE信号形式的声信息。该AE信号，例如，经由电线56和/或其他合适的电子数据通信路径，被传到处理器30。块102可以被执行，例如，通过处理器30的采集例程50。
根据预定义的参数，块104确定来自块102的AE信号是否由空化事件引起。空化事件由AE信号的一个或多个预定义的特征限定。在一种配置中，空化事件被限定为所获取的高于预定义的最小阈值并在预定义的滤波器范围内的AE信号。在一种配置中，空化事件被限定为所获取的高于预定义的最小阈值并在预定义的滤波器范围内的AE信号。滤波器范围可以包括最小阈值(即，低端)和预定义的最大截止值(即，高端)。例如，整个的AE信号波形可以基于信号的幅度和频率考虑。AE信号波形的幅度表示给定波形的声能分贝(dBAE)。优选地，通过计算-20Log10(峰值幅度电压/1微伏)，声能分贝以微伏为单位测量并且以dBAE为单位报告。可以确定AE信号的波形是否符合一个或多个阈值参数，诸如在特定范围内的幅度和/或高幅度波形的命中率。然而，也可以使用其他阈值和滤波器参数。如果AE信号超过预定的最小阈值并在预定义的滤波器范围内，则该AE信号被看作为由例如可以影响流量控制设备维护的空化事件引起的“命中”。在这种情况，该AE信号被选为由空化事件引起的并且控制传送到块106。如果AE信号没有超过预定的最小阈值并且未处于预定义的滤波器范围时，则忽略该AE信号并控制转到块102以从声发射传感器26a采集另一AE信号。例如通过处理器30的滤波例程52可以执行块104。
块106记录从块104选定的表示来自由声发射传感器26a捕获的空化事件的各种声信息的AE信号的预选特征。参见图2A，在空化流动的一定时段期间，单独的空化事件典型地发生在组中。图2A示出了用于瞬态事件的示例性波形WF，其可以与空化流动的一定时段期间的一组空化事件类似。上图示出了采集的信号S的电压且下图示出了信号的阈值交叉点。传感器输出电压，如上图所示，典型地为以声能分贝(即，dBAE)为单位报告。信号S在没有空化事件的时间t0处开始，在时间t1跨过预定的阈值水平T，在时间t2上升到峰值幅度，在时间t3回落到低于阈值水平T，并且在时间t4落到没有空化事件。其他特征可以包括采集的信号S的附加的单独的特征，诸如在该组内阈值交叉点TC的数量、速率和/或持续时间、从第一阈值交叉点到命中组内最大幅度获取信号S的上升时间以及命中组的累计能量，它们中的每一个在声波形处理的技术领域中是容易理解的。阈值交叉点TC可以对应于与图4相关的此后详述的命中和计数。
转到图2，块108确定来自被记录在块106的特征的空化水平值。该空化水平基于空化事件的速率和空化事件的强度来确定。在一种示例性方法中，如图3所示，块108包括在块110中与空化事件的速率相关的第一计算、在块112中与每个空化事件的强度相关的第二计算以及在块114中与空化水平值相关的第三计算。
块110通过记录在被选的一个时间段内发生的空化事件的数量来计算命中率。例如，命中率H可以为在当前时间T之前的一段时间t期间发生的空化事件的数量N除以该时间段。这可以以公式H＝NT-t/(T-t)表示。在大部分情况下，命中率通过在一定时间段上发生的空化事件的数量来计算，该时间段最多到几秒，诸如大约1秒与大约10秒之间。然而，在一些情况下也可以使用更长的或更短的时间段。该命中率以在该时间段内每秒的空化事件的数量来报告。参见图2A，在一种实施例中，命中率R可以以在空化流动的给定时段(即，从t1到t3)期间出现的单独的阈值交叉点TC的数量除以空化流动的持续时段(例如，t3-t1)来计算。
基于记录在块106的特征，块112计算每个单独的空化事件的强度。该强度是基于测量空化事件所释放的能量。例如，强度可以与所获取信号S的幅度、持续时间、波下面积和/或其他单独的的特征有相关性。在一种配置中，如图2A所示，强度被确定为一个波形或一组波形下面积的绝对值。能量可以根据传感器输出电压的平方对时间积分，即，能量＝∫(v2)(dt)来计算，其中v为传感器输出电压并且dt为时间上的变化，这在现有技术中是可以理解的。块110和112可以以任何顺序或同时地执行。
基于在块110计算的命中率以及在块112计算的强度，块114计算空化水平的值。空化水平的值优选地根据命中率和强度两者的函数来计算。也就是说，C＝f(R，i)，其中C为空化水平，R为命中率，I为强度。优选地，该空化水平为与命中率和强度直接成比例的。取决于接收的具体数据和希望输出的具体形式，不同的具体方程关系可以被用来计算空化水平C。
块106-114可以被执行，例如，通过监控处理器30的例程54a。
由方法100确定的空化水平可以具有几个不同的用途，诸如确定空化是否发生、确定在一些时间点空化活动的强度和/或追踪一定时间段的空化累积和/或损伤。该信息可以是有用的，例如，在监控流量控制设备的性能、确认流量控制设备的不理想的性能和/或无需拆卸或不使流量控制设备完全失效而预测维护需求。下面的方法建立在方法100上，以利用关于由监控方法提供的空化水平的信息。
图4示出了监控空化现象的另一种方法200，其可以是有用的，例如，用于评估对诸如控制阀10的流量控制设备的损伤。方法200可以以图1所示的系统8实施。该方法200包括用于监控空化水平的方法100的步骤并利用与空化水平有关的信息来监控在一定时间段上的空化现象，并且用以监控空化活动随着时间的累积。可以利用该信息来评估流量控制设备所承受的损伤量，以追踪损伤，和/或预测和/或作维护计划以修理损伤。
图1的系统被配置以在选定的频率范围内从任何一个或多个声发射传感器26a-d采集瞬态的声能数据，如之前关于方法100所详细描述的。
在块102，图1的系统至少在预选的频率范围内从任何一个或多个声发射传感器26a-d采集瞬态的声能数据并产生AE信号，如之前所详细描述的。
在块104，处理器30根据预定义的参数确定AE信号是否由空化事件引起并且如果信号处于预定义的参数内则选择该信号用于进一步地处理，如之前所详细描述的。
在块106，处理器30记录被选定信号的被选定的特征，诸如声发射信号的波形或其他单独的特征，如之前所详细描述的。
在块110，处理器30确定空化事件的速率，例如，通过如之前所述的计算命中率。
在块112，处理器30确定每个空化事件的强度，例如通过如之前所述的计算每个空化事件的能量的量。
在块114a，处理器30计算空化水平并确定该空化水平是否超过预定的空化水平阈值。如果该空化水平超过预定的空化水平阈值，则控制传到块116。如果空化水平没有超过预定的空化水平阈值，则控制返回块102以采集另一AE信号。在一个示例性的配置中，确定空化水平是否超过预定的空化水平阈值可以包括将命中率和强度的每一个或两者之一与用于空化事件的各自的阈值单独对比。在块110中计算的命中率与预定的命中率阈值比较。强度与预定的强度阈值比较。在一些配置中，如果命中率和强度两者都超过各自的命中率阈值和强度阈值，则空化水平被确定为超过预定的空化水平阈值。在其他配置中，如果命中率或强度超过各自的命中率阈值和强度阈值，则空化水平被确定为超过预定的空化水平阈值。在另一种示例性配置中，空化水平，如之前对图3的块114所述的那样，以取决于命中率和强度的每一个的合成值来计算。空化水平的合成值与预定的合成空化水平阈值比较。如果合成值超过合成空化水平阈值，则空化水平被确定为超过预定的空化水平阈值。进一步的示例性配置可以包括之前的两个示例性配置的组合。这些方案的任一个中，计算的空化水平为空化事件的速率和单独的空化事件的强度的函数，并且优选地为如之前所解释的直接比例函数。如果空化水平没有超过预定的空化水平阈值，则控制返回块102以从一个或多个声能传感器26a-d采集另一个AE信号。如果空化水平超过预定的空化水平阈值，则处理器30开始进一步地监控协议，该协议可以例如被用来评估对流量控制设备的损伤，前述监控可以在块116、118和120的一个或多个步骤中执行，其在后文予以叙述。
块116产生表示空化水平超过预定的阈值或数值的报警。该报警优选地由处理器30产生。
块118追踪空化水平超过预定阈值的次数和/或时间量从而可以监控由空化现象引起的对流量控制设备的累积损伤的评估。在一些配置中，该块118增加用于计数空化水平已经被确定超过预定的空化水平的次数的计数器。当每次在块116产生报警时，块118可以使计数器的值增加，或者，在块116没有产生报警但为直接响应块114a的肯定性的确认，该块118也可以使计数器的值增加。该计数器优选地为处理器30内的数字电子计数器，诸如被存储在电子存储器、数据库和/或其他数字计数器机构内；然而，其他类型的计数器，诸如模拟计数器，也可以使用。在一些配置中，块118追踪空化水平超过预定阈值的累计时间量。块118可以确认在空化水平超过预定阈值期间每次发生(incidence)的持续时间并加法地累计每次的持续时间。加法的累计将表示空化水平超过预定阈值的被累计的时间量。
块120向使用者提供存在报警状态的通知。该通知可以由处理器30产生，例如，以发向显示屏的电子通知的形式。
块122将控制返回到块102。
由块118的计数器累计的计数可以被用来评估和/或追踪对流量控制设备的损伤。具体地，该计数可以表示由流量控制设备随着时间所承受的损伤量。通过累计的空化事件的数量和由流量控制设备经受的损伤量之间的相互关系，计数可以与流量控制设备的损伤的评估相关联。例如，当计数(即，空化事件数量高于预定的空化水平阈值)增加时，被评估的对流量控制设备的累计损伤假定也是增加的。该相互关系可以是线性的、非线性的、指数的或例如可以被实验式地和/或理论性地确定的其他合适的关系。因此，较大数目的计数可以表示由空化现象引起的对流量控制设备较大量的损伤的评估。相反地，较小数目的计数可以表示由空化现象引起的对流量控制设备的较小量的损伤的评估。
由计数器累计的数目可以被用来确认何时流量控制设备需要被保养以修理由空化现象引起或指示的损伤。例如，当流量控制设备为新的并且未受损时，该计数可以被设定为0。当计数达到预定义的极限值时，流量控制设备可以被指定维护。在一些配置中，当计数达到一些预定的极限值时，可以形成表明控制阀10应当维修的报告。在这种配置中，损伤的评估是基于依赖于在流量控制设备中空化事件的速率和强度之一或其两者的累计损伤。进一步地，损伤的评估可以被调节以使评估或多或少地加权在空化事件的速率或强度上。预定的极限值可以被实验式地和/或理论性地确定。
在一些配置中，计数可以被用来预测未来何时流量控制设备应当被维修以修理由空化现象导致或表明的损伤。例如，报警的速度，即，每一些时间增量报警数量的速率，可以与在一定时间段报警的累计的和配合使用以预测在将来会达到的预定极限值的时间。
块116、118、120和122可以顺序地或同时执行。在评估和/或追踪空化现象引起的对流量控制设备的损伤的过程，可以执行更多的附加功能步骤或较少的功能步骤。块114a-122可以被执行，例如，通过监控处理器30的例程54b。
图5示出了监控空化现象的方法300，其可以被用来监控对诸如控制阀10的流量控制设备的损伤速率。该方法300可以以图1所示的装置执行。方法300包括方法100和200的用于监控空化水平的步骤并利用与空化水平有关的信息来确定可以被用来评估流量控制设备所经受的损伤的速率的信息。
图1的系统被配置以在大约500kHz和大约1600kHz之间从任何一个或多个声发射传感器26a-d采集瞬态的声能数据，优选地以与之前所述的方法100和200有关的方式同样的方式。此外，块102、104、106、108和112由处理器30以与之前所述的方法100和200有关的方式同样的方式执行，为了简洁的目的此处不予赘述。
块124计算空化事件的一个或多个趋势。在一种配置中，块124确定命中率的趋势和强度值的趋势。趋势可以以图表表示的方式和/或统计学上的方式确定。例如，如果命中率在采样时间段是增加的，则命中率趋势可以是正的，如果命中率在采样时间段是降低的，则命中率趋势可以是负的，并且如果命中率在采样时间段是保持不变的，则命中率趋势可以是稳定的(即，0)。同样地，如果强度值在采样时间段上是增加的、降低的或保持不变的，则强度趋势可以分别是正的、负的或稳定的。该采样时间段可以被选择为任何合适的时间段。例如，采样时间段可以为秒、分钟、小时、天、星期或更长或更短的周期，其取决于希望的灵敏度。对于每一个命中率趋势和强度趋势，采样时间段可以是相同的或彼此不同的。在另一种配置中，块124确定将每一个命中率数据和强度数据结合并合并到合成空化活动趋势的趋势。该合成空化活动趋势可以以如所希望的不同权重和/或附加信息来计算。
块126确定在块124中计算的一个或多个趋势是不是显示了流量控制设备内的空化活动是否以统计学上显著方式而正在增加。统计显著性可以以许多方式确定。例如，统计显著性可以是基于多个被选变量的移动平均和/或被选的标准方差。例如，块126可以确定在块124中计算的趋势的移动平均是否超过预选值和/或空化活动是否以超过与标准偏差相关的预选水平的统计数据内的预选速率的速率增加。如果这样的话，则控制传到块128。否则，控制返回到块102。
块128产生表明空化水平正在增加的报警。在块130，处理器30通知使用者空化水平正在升高。块128和130可以以任何希望的顺序执行。在块128产生的报警可以被用来，例如，针对正常的空化水平上的增加监控流量控制设备，前述正常的空化水平上的增加可以表示一些问题，诸如操作者从外观检测不会以其他方式容易地看到的故障或维护需求，或其他信息。
在块122，控制返回块102以继续监控来自流量控制设备的瞬态声能数据。
块122-130可以被执行，例如，通过监控处理器30的例程54c。
在一些配置中，两个或多个方法100、200和300可以一起或同时执行以提供几种类型的信息给使用者。例如，块102到112可以被顺序地执行，并且然后每个块114、块114a到120以及块124到130的两个或多个可以被执行以提供空化水平、累计损伤的评估和损伤速率的每一个。
在一些配置中，一个或多个声发射传感器26a-d与定位器32集成。在一些配置中，一个或多个声发射传感器26a-d与过程控制工厂的计算机化的控制系统的资产管理软件集成。在一些配置中，一个或多个声发射传感器26a-d与过程控制工厂内的过程控制系统集成。例如，任何一个或多个声发射传感器26a-d可以与其自身的专用处理器30直接关联，或者可以作为定位器32的元件、DSP38或包括诸如可从艾默生过程管理购买的AMS套件的资产管理软件的更高级别的过程软件或诸如来自艾默生过程管理的DeltaV数字自动系统的顶级过程控制系统来执行。
在一些配置中，处理器30被配置以基于控制元件14的位置来确认有问题的流动状态。该处理器30被配置以从定位器32接收关于流量控制构件14的位置信息。该位置信息被用来基于由任何一种方法100、200或300确定的空化水平确认潜在有问题的操作状态。位置信息可以与对不同位置的期望的空化水平相关，并且期望的空化水平与实际的空化水平(诸如，在块114被计算的)比较。例如，可以实验性地发现在给定控制阀内的空化的量根据流量控制构件14的位置的一些可识别的功能在一些给定流动条件下变化。实际空化水平与期望的空化水平的显著偏差可以表明流量控制构件14没有处于本应所处的位置、元件被破坏或被显著地磨损或流动条件不同于给定流动条件。因此，期望的空化水平和实际的空化水平之间的显著偏差可以作为确认控制阀和/或经过控制阀10的流动条件的潜在问题的表示，这可能需要进一步的调查。
在一种示例性配置中，例程54d被处理器30执行以实施方法400，如图6所示。块402从定位器32读取位置信息，例如，经由电线60或其他合适的通信路径。块404读取与那个位置关联的期望的空化水平。期望的空化水平可以被读取，例如从存储器40的数据库。块406读取实际的空化水平，例如，从块114或114a。块408将实际的空化水平与期望的空化水平比较。如果实际的空化现象显著地脱离期望的空化现象，则在块410产生报警。该报警可以提供到操作者或过程控制系统的其他元件以表明可能需要对控制阀10进一步诊断。由显著性的预选水平来确定偏差是否被认为是显著的，这可以根据任何希望的一系列参数来选择。如所指出的在块408或块410之后，方法400可以返回到块402。在一些配置中，报警被提供到操作者以警告操作者改变阀的操作位置。
在一些配置中，处理器30被配置以在正常流动状态和高于预定义的阈值空化水平的空化流动状态之间区分，并且产生与区别有关的报告。计算差异的至少两种方式可以包括：1)计算在相同时间的两个位置之间的差异，被称为“位置差异”，以及2)计算在相同位置的两个时间(即，在t0和T)之间的差异，被称为“暂时差异”。为了确定位置差异，例如，基准“正常”流动状态可以通过利用来自声发射传感器26d的基准声信号被确认以定义不具有升高的空化水平的正常流动状态。为了确定暂时差异，例如，当流量控制设备是新的并且在熟知的条件下操作或假定不具有升高的空化水平时，可以确认基准“正常”流动状态。处理器30可以包括例程54e以将与正常流动状态有关联的声信息与来自声信息传感器26a-c的相应声信息比较从而确定基准或正常流动状态和在易于经受空化的区域内的流动状态之间的差异。该差异可以生成一个或多个报告，这可以被用于与流动控制装置的操作和/或维护相关的进一步分析和引导。
工业实用性
根据本发明的教导的系统、装置和/或方法对于监控流经诸如控制阀或管道的过程控制装置的液体中的空化现象是有用的，如在此处提供的技术实施例所描述的。然而，该系统、装置和/或方法可以具有其他的用途和/或好处，并且本发明并不限于此处阐明的实施例。感测控制阀或其他流量控制设备内或与控制阀或其他流量控制设备最接近处空化现象出现的能力，在一些配置中，对允许经过控制阀的过程状态的调节可以是有用的。在一些配置中，该能力还可以对计划维护以修理由空化现象引起的控制阀和/或邻近管道元件的损伤是有用的。
此处详细描述和示出的技术实施例仅仅是本发明的教导的一个或多个方面的示例，目的在于教导本领域普通技术人员制造和使用本发明或所附权利要求书所述的发明。所附权利要求书范围内的其他方面、配置和形式是被深思熟虑的，它们的权利清楚地予以保留。

Claims (25)

1. 一种用于感测流经流量控制设备的流体内的空化现象的装置，所述装置包括：
声发射传感器，其被配置以沿着延伸通过所述流量控制设备的主体的受控的流体流动路径设置在第一选定位置，其中，所述声发射传感器被布置以检测由流经所述流体流动路径的流体所产生的声信号并基于所检测的声信号提供声信息，所述声信息包括表示所检测的声信号的声发射信号；以及
处理器，其与所述声发射传感器可操作地耦接并被布置以从所述声发射传感器接收所述声信息，其中，所述处理器被布置以：（1）只有当所述声发射信号由空化事件产生时，通过记录所述声发射信号的被选定的特征来处理所述声信息，并且（2）至少部分地基于根据所记录的被选定的特征确定的空化事件的速率和单独的空化事件的强度来监控所述流体流动路径中的空化水平。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流量控制设备包括控制阀，其中，所述主体包括所述控制阀的阀体，并且其中，所述声发射传感器被耦接到所述阀体的外表面并且被布置以检测由流经所述流体流动路径的流体所产生的弹性波并将被布置以提供所述声信息的信号传送至所述处理器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器监控空化水平随着时间的累计。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述处理器基于空化水平的所述累计预测维护需求。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器基于所述空化水平监控由所述空化现象所引起的对所述流量控制设备的估计的损伤率。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述处理器基于所述估计的损伤率预测维护需求。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声发射传感器包括压电传感器、电容式传感器和激光干涉仪传感器中的至少一个。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述流量控制设备为管道，并且其中所述声发射传感器被耦接到所述管道的外表面并被布置以检测由所述空化现象所产生的弹性波并将提供所述声信息的信号传送至所述处理器。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述处理器在所述受控的流体流动路径中的不同的流动状态之间进行区分，包括对正常流动状态和高于预定义的阈值空化水平的空化流动状态之间的区分，并产生所述受控的流体流动路径中的流动状态的报告。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述处理器基于由所述声发射传感器所提供的信号的频率、幅度、上升时间、能量和计数中的至少一个在所述不同的流动状态之间进行区分。
11.根据权利要求9所述的装置，还包括：
第二声发射传感器，其沿着所述流体流动路径设置在第二选定位置，其中，所述第二声发射传感器提供表示在所述正常流动状态下在所述流体流动路径内感测到的声发射信号的基准声信息。
12.根据权利要求9所述的装置，还包括：
数字阀定位器，其与所述处理器和所述流量控制设备可操作地耦接，所述数字阀定位器被布置以控制所述流量控制设备的流量控制构件的位置，其中，所述数字阀定位器接收表示所述流量控制构件的位置的位置数据，并且其中，所述数字阀定位器使得所述声信息与所述位置相互关联并因此确认在所述流体流动路径内的非理想的流动状态。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述声发射传感器与用于过程控制工厂的计算机化的控制系统内的数字阀定位器、资产管理软件和过程控制系统中的至少一个集成。
14.一种在用于过程液体的流量控制设备中监控空化水平的方法，其中，声发射传感器耦接到所述流量控制设备的外壁上并且处理器可操作地耦接到所述声发射传感器以接收表示由所述声发射传感器在流体流动路径内感测的瞬态的声能数据的声发射信号，所述方法包括：
用所述处理器从所述声发射传感器获取信号；
确定所获取的信号是否对应于具有预定义特征的空化事件；
只有当所获取的信号由空化事件产生时，用所述处理器记录所获取的信号的被选定的特征；以及
根据所记录的被选定的特征来确定空化水平，所述空化水平是基于空化事件的速率和每个空化事件的强度来确定的。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，空化事件由处于预定义的滤波范围内的所获取的信号来定义。
16. 根据权利要求14所述的方法，还包括：
通过计算包括发生在一定时间段内发生的空化事件的数量的命中率来确定空化事件的速率；以及
通过计算每一空化事件的能量单位来确定所述强度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，所述流量控制设备包括控制阀，所述控制阀包括流量控制构件，所述方法还包括：
确定所述流量控制构件的位置；
将与所述流量控制构件的所述位置关联的期望的空化水平与所确定的空化水平作比较；以及
如果所述期望的空化水平偏离所确定的空化水平在预定义的显著性水平内则产生报警。
18.一种对由空化现象所引起的用于过程液体的流量控制设备的损伤的评估进行监控的方法，其中，声发射传感器耦接到所述流量控制设备的外壁上并且数字信号处理器可操作地耦接到所述声发射传感器以接收表示由所述声发射传感器在流体流动路径中感测的瞬态的声能数据的声发射信号，所述方法包括：
用所述数字信号处理器从所述声发射传感器获取信号，其中，所获取的信号与在预定义的频率范围内的瞬态的声发射数据关联；
只有当所获取的信号由空化事件产生时，以所述数字信号处理器记录所获取的信号的被选定特征，其中，所获取的信号处于预定义的滤波范围内；
根据所记录的被选定特征计算包括在被选定的时间段内发生的空化事件的数量的命中率；
根据所记录的被选定特征计算每个空化事件的强度，所述强度包括每一空化事件的能量单位；
基于所述命中率和所述强度确定空化水平；以及
追踪在所述空化水平超过预定阈值的时间上的累计，由此能够对空化现象引起的所述流量控制设备的累计损伤的评估进行监控。
19. 根据权利要求18所述的方法，其中，所述预定义的频率范围在500 kHz和1600 kHz之间。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所获取的信号的所记录的被选定特征包括所获取的信号的波形和所获取的信号的单独特征中的至少一个。
21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述确定的步骤包括只有当所述命中率大于预定的命中率阈值并且所述强度大于预定的强度阈值时产生报警。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述追踪的步骤包括响应所述报警在计数器内增加计数从而追踪所述空化水平超过所述预定阈值的次数，其中，所述计数与对所述流量控制设备的损伤的评估关联。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述追踪的步骤包括响应所述报警追踪所述空化水平超过所述预定阈值的累计时间量，其中，所述累计时间量与对所述流量控制设备的损伤的评估关联。
24.一种用于监控用于过程液体的流量控制设备内的空化水平是否增加的方法，其中，声发射传感器耦接到所述流量控制设备的外壁上并且数字信号处理器可操作地耦接到所述声发射传感器以接收表示由所述声发射传感器在流体流动路径中感测的瞬态的声能数据的声发射信号，所述方法包括：
用所述数字信号处理器从所述声发射传感器获取信号，其中，对预定义的频率范围内的瞬态的声发射数据响应而产生所获取的信号；
只有当所获取的信号由空化事件产生时，用所述数字信号处理器记录所获取的信号的被选定的特征，其中，所获取的信号处于预定义的滤波范围内；
根据所记录的被选定的特征计算包括在一定时间段内发生的空化事件的数量的命中率；
根据所记录的被选定的特征计算每个空化事件的强度，所述强度包括每一空化事件的能量单位；
计算命中率和强度关于时间的趋势；以及
如果所述趋势表明所述命中率和强度随着时间增加，则产生空化水平增加的报警。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，只有当所述趋势显示空化水平以比处于统计显著性的预选水平内的预选速率更大的速率增加时，才产生所述报警。
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