CN112284985B - 一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法 - Google Patents

一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法，包括以下步骤：利用屏蔽型导波杆和传感器获得气固体系内任意位置处颗粒撞击屏蔽型导波杆产生的声发射信号；分析接收到的声发射信号，选取时域、频域以及状态空间参数作为特征值；将所述声发射信号特征值与气固体系内颗粒参数进行关联建模，实现所述颗粒参数的声发射检测。本发明弥补了传统声发射检测仅能用于空间平均参数检测的缺陷，实现了气固体系内局部颗粒运动方向、局部颗粒速度、局部颗粒浓度及局部颗粒通量的测量以及气固体系内颗粒流型的测量。

Description

一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法
技术领域
本发明属于多相流信息检测领域，具体涉及一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法。
背景技术
多相流广泛地存在于多个领域，如化工、石油、动力等。在气固体系中，颗粒流动特性复杂，流动参数难以精确测量。现有的气固体系中颗粒参数的检测方法包括了颗粒示踪技术、电容层析技术、静电检测技术等，但由于各自的局限性如侵扰性强、系统复杂、价格昂贵等原因，难以运用至实际工业环境中。
近年来，有学者尝试使用耦合导波杆的声发射检测系统获取气固体系内部信息。CN201310314857.6公开了一种基于声发射传感器阵列的颗粒粒度分布的检测方法，通过分析颗粒与导波杆作用产生的声发射信号，实现了颗粒粒度的在线测量。CN201910613986.2公开了一种融合声发射检测及粉速测量技术的气固两相参数检测方法，通过导波杆实现了气固两相流速、浓度、细度和质量流量的检测。然而，当前侵入式声发射检测应用体系单一(稀相气力输送)，更为重要的是，通过传统导波杆测量的声发射信号，既包含了导波杆伸入端点处的信息，也包含伸入装置内其他部分的信息，这些复杂信息相互交织，使得采集到的数据仅能用于空间平均参数的检测，无法实现局部颗粒参数的检测，进而无法得到空间分布信息，应用也因此受限。屏蔽型导波杆可用于气固体系内局部信号的检测，信号的信噪比高。因此，本发明采用屏蔽型导波杆对气固体系内局部颗粒参数进行声发射检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法，包括利用屏蔽型导波杆和声发射传感器获得气固体系内任意位置处颗粒撞击屏蔽型导波杆产生的声发射信号；分析接收到的声发射信号，选取时域、频域和/或状态空间参数作为特征值；将所述声发射信号特征值与气固体系内颗粒参数进行关联建模，实现所述颗粒参数的声发射检测。本发明弥补了传统声发射检测仅能用于空间平均参数检测的缺陷，实现了气固体系内局部颗粒运动方向、局部颗粒速度、局部颗粒浓度及局部颗粒通量的测量以及气固体系内颗粒流型的测量。
所述屏蔽型导波杆包括声波屏蔽层、导波杆芯及探头固定端；声波屏蔽层设置在导波杆芯外侧，声波屏蔽层包括降低声波传播的声波反射界面，例如通过构建高声阻抗材料/低声阻抗材料界面作为声波反射界面，增强界面处声波的反射，降低声波的传播，屏蔽干扰信号；导波杆芯一端端面不设置声波屏蔽层，构成导波面；导波杆芯另一端为探头固定端用于耦合声发射传感器，实现声发射信号采集。
所述高声阻抗材料/低声阻抗材料界面由高声阻抗层和低声阻抗层相接触构成，其中高声阻抗层在低声阻抗层外侧，高声阻抗材料在低声阻抗材料外侧，高声阻抗材料声阻抗为低声阻抗材料声阻抗10000倍以上，高声阻抗材料/低声阻抗材料界面例如可以为钢/空气界面。
本发明还进一步提出了一种称为屏蔽型弯曲导波杆的屏蔽型导波杆应用形式，该屏蔽型弯曲导波杆的声波屏蔽层及导波杆芯在导波面端弯曲，弯曲角度为1度至180度，优选为90度；弯曲段长度为0.001米至10米，优选为0.02米。屏蔽型弯曲导波杆可以通过改变导波面的朝向以实现不同方向声波信号测量，进一步用于分析多相流体系内待测位置处不同运动方向信息。
本发明公开了一种颗粒运动方向的测量方法，利用所述屏蔽型弯曲导波杆和声发射传感器，通过控制导波面在某一待测位置的朝向，测量运动方向与导波面朝向相反的颗粒与导波面碰撞产生的局部声发射信号；以声发射信号能量或能量密度作为特征值，对比不同运动方向的颗粒产生的声发射信号特征值的大小；当声发射信号特征值大于基线信号特征值时，即存在运动方向与导波面朝向相反的颗粒。当声发射信号特征值最大时，导波面朝向的反方向即为颗粒主体运动方向。
Figure BDA0002719857470000021
其中，E为颗粒碰撞产生的声能量；fs是采样频率；N为傅里叶变换窗口长度；xf为频域信号；
Figure BDA0002719857470000022
为频域信号共轭信号。
本发明公开了一种局部颗粒速度的测量方法，利用所述屏蔽型弯曲导波杆，通过调整导波面朝向，采集某一待测位置不同运动方向颗粒与导波面作用产生的声发射信号，通过声发射信号能量-颗粒速度模型或者声发射信号峰值-颗粒速度模型，获得局部颗粒速度。
所述声发射信号能量-颗粒速度模型及声发射信号峰值-颗粒速度模型由单颗粒碰撞声发射实验建立；所述声发射信号特征值由声发射信号计算获得，所述颗粒速度通过高速相机拍摄获得，所述颗粒速度模型通过神经网络算法或最小二乘法拟合获得。
本发明还进一步提出了一种称为多芯屏蔽型导波杆的导波杆应用形式，其在屏蔽型导波杆或屏蔽型弯曲导波杆的基础上，在其声波屏蔽层内具有多个互不接触的导波杆芯；多个导波杆芯在导波面端构成多个导波面，每个导波杆芯在探头固定端各自耦合一个声发射传感器。
本发明进一步公开了一种局部颗粒速度的测量方法，利用多芯屏蔽型导波杆，所述局部颗粒速度由相邻位置处声发射信号互相关测速获得。
Figure BDA0002719857470000031
其中，v为颗粒速度；L为相邻导波杆芯有效间距；τ为相邻位置处声发射信号互相关计算所得延迟时间。
进一步的，本发明还公开了一种局部颗粒通量的测量方法，，利用所述屏蔽型导波杆测量待测位置的声发射信号，将声发射事件次数作为特征值，所述声发射事件次数由包络计算获得，可通过取样法校准。利用下式即可得到局部颗粒通量，
Figure BDA0002719857470000032
其中，G为局部颗粒通量；n为时间t内声发射事件次数；S为颗粒与导波杆作用面积；m为单颗粒质量；k为颗粒通量声发射检测系数。本发明进一步通过包络计算获得声发射事件数，通过取样法对局部颗粒通量声发射检测系数进行校准。
本发明方法还可进一步获得局部颗粒浓度，所述局部颗粒浓度由声发射信号能量模型解耦局部颗粒速度获得。
c＝E/(2ηtmSv3)
其中，c为局部颗粒浓度；E为时间t内颗粒碰撞产生的声能量；η为声压转换系数；m为单颗粒质量；S为颗粒与导波杆作用面积；v为局部颗粒速度。
利用所述屏蔽型导波杆，通过测得气固体系内不同位置处颗粒速度、颗粒浓度及颗粒通量空间分布，即可获得气固体系内颗粒运动的宏观流型。
本发明与现有技术相比的有益效果为：弥补了声发射检测方法无法获得气固体系内局部颗粒参数的缺陷，实现了包括局部颗粒速度、颗粒浓度、颗粒通量在内的颗粒参数测量。检测方法抗干扰能力强，可为气固两相流特性的科学研究以及工业现场颗粒参数检测提供全新的技术手段。同时，检测方法兼容能力强，可与传感器阵列技术、静电检测技术等检测手段灵活耦合。
附图说明
图1是采用声发射检测循环流化床提升管中颗粒参数的装置结构示意图；
图2是提升管内不同径向位置处颗粒向上运动及颗粒向下运动产生的声发射信号时域图；
图3是声发射信号能量径向分布图；
图4是单颗粒实验装置示意图；
图5为屏蔽型弯曲导波杆的结构示意图；
图6为屏蔽型导波杆(平直型)的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图5和6所示，本发明所述屏蔽型导波杆包括声波屏蔽层12、导波杆芯13及探头固定端14；声波屏蔽层设置在导波杆芯外侧，声波屏蔽层包括降低声波传播的声波反射界面(例如通过构建高声阻抗材料/低声阻抗材料界面作为声波反射界面，具体例如可以为钢/空气界面)，增强界面处声波的反射，降低声波的传播，屏蔽干扰信号；导波杆芯一端端面不设置声波屏蔽层，构成导波平面或者导波体；导波杆芯另一端为探头固定端用于耦合声发射传感器探头固定端用于固定声波探头，实现声发射信号采集。所述高声阻抗材料/低声阻抗材料界面由高声阻抗层和低声阻抗层相接触构成，其中高声阻抗层在低声阻抗层外侧，高声阻抗材料在低声阻抗材料外侧，高声阻抗材料声阻抗为低声阻抗材料声阻抗10000倍以上。
本发明的屏蔽型导波杆可以有多种应用形式或优选方案，例如屏蔽型导波杆的导波杆芯为直线状的应用形式，以及导波杆芯导波面端弯曲的应用形式，为描述方便，将导波面端弯曲的应用形式称为屏蔽型弯曲导波杆，其声波屏蔽层及导波杆芯在导波面端弯曲，弯曲角度为1度至180度，优选为90度；弯曲段长度为0.001米至10米，优选为0.02米。屏蔽型弯曲导波杆可以通过改变导波面的朝向以实现不同方向声波信号测量，进一步用于分析多相流体系内待测位置处不同运动方向信息。
另外，通过增加导波杆芯的数量还可以构成新的导波杆应用形式，为描述方便，本发明将该应用形式称为多芯屏蔽型导波杆，其在屏蔽型导波杆或屏蔽型弯曲导波杆的基础上，在其声波屏蔽层内具有多个互不接触的导波杆芯；多个导波杆芯在导波面端构成多个导波面，每个导波杆芯在探头固定端各自耦合一个声发射传感器。
本发明的实施例中，屏蔽型导波杆、屏蔽型弯曲导波杆的声波屏蔽层均由不锈钢层16和空气层17组成，不锈钢层厚度为0.5mm，空气层厚度为2mm。导波杆芯为1根直径2mm的不锈钢棒。屏蔽型弯曲导波杆则进一步呈90度弯曲，弯曲段距离导波面长度为0.02米。应用时，导波面端伸入装置内，通过调整导波杆的不同固定方向，可测量不同方向运动颗粒与导波杆碰撞产生的声波信号。导波杆另一端与探头固定装置连接，固定装置为直径25mm不锈钢圆片，与导波杆芯的连接方式为焊接。使用声发射传感器，与探头固定装置采用真空硅脂耦合。
实施例中使用的多芯屏蔽型导波杆含有2根或3根导波杆芯，导波杆芯为直径1mm的不锈钢棒，不锈钢棒外表面最短间距为0.001-0.008米。
图1所示的是采用声发射检测循环流化床提升管中颗粒参数的装置结构示意图。主要设备包括：1-风机，2-流量计，3-计算机，4-主放大器，5-前置放大器，6-导波杆，7-提升管，8-蝶阀，9-下降管，10-旋风分离器，11-外旋风分离器。实验采用的流化气为空气，流化物料为聚丙烯颗粒，实验在室温条件下进行。
实施例1
使用屏蔽型弯曲导波杆测量提升管内不同径向位置处声发射信号，且相同位置处采集两个不同方向的声发射信号。当导波面朝下时，采集的为向上运动颗粒与导波面作用产生的声波信号；当导波面向上时，采集的为向下运动颗粒与导波面作用产生的声波信号。图2所示的是提升管内不同径向位置处颗粒向上运动及颗粒向下运动产生的声发射信号时域图。原始信号显示，在提升管内不同径向位置处，均存在颗粒向上及颗粒向下的运动。为进一步表征颗粒主体运动方向，计算不同径向位置处声发射信号能量。图3所示的是声发射信号能量径向分布图。在提升管中心区域，向上运动的颗粒产生的声发射信号能量较大，颗粒整体呈现向上运动趋势。在提升管近壁面区域，向下运动的颗粒产生的声发射信号能量较大，颗粒整体呈向下运动趋势。声发射信号能量径向分布结果显示提升管内颗粒呈现环核流动模式，且在r/R约为0.71时，颗粒向上及向下运动信号能量相近，可视为颗粒主体运动方向的转变点。
实施例2
图4所示的是单颗粒实验装置示意图。空气经过空气压缩机增压后进入缓冲罐，通过电磁阀控制产生脉冲气流，选择与提升管内粒径相同的聚丙烯颗粒填入电磁阀右端的膛体中。实验过程中，被脉冲气流加速后的颗粒与导波杆的导波面碰撞产生声发射信号，碰撞速度通过高速相机拍摄获得。通过调节缓冲罐内空气压力，在不同的颗粒速度条件下进行单颗粒实验。提取声发射信号能量或者声发射信号峰值作为特征值，通过神经网络算法建立颗粒速度模型。提取提升管内声发射信号能量或者声发射信号峰值，利用颗粒速度模型获得提升管内局部颗粒速度。
实施例3
利用双芯屏蔽型导波杆，融合声发射传感器阵列，通过互相关计算获得颗粒通过相邻导波杆的时间差(延迟时间)，计算相邻导波杆间距与信号时间差的比值，获得局部颗粒速度。
Figure BDA0002719857470000061
其中，v为颗粒速度；L为相邻导波杆有效间距；τ为相邻位置处声发射信号互相关计算所得延迟时间。
实施例4
对提升管内声发射时域信号进行包络处理，提取声发射事件次数，根据导波面大小、颗粒粒径及密度换算为颗粒固体通量，并使用取样法对颗粒通量声发射检测系数进行校准。
Figure BDA0002719857470000062
其中，G为局部颗粒通量；n为时间t内声发射事件次数；S为颗粒与导波杆作用面积；m为单颗粒质量；k为颗粒通量声发射检测系数。
实施例5
利用颗粒速度对声发射信号能量进行解耦，获得提升管内颗粒浓度信息。分别处理不同位置处声发射信号，获得得气固体系内不同位置处颗粒速度、颗粒浓度及颗粒通量空间分布，即获得气固体系内颗粒运动宏观流型。
c＝E/(2ηtmSv3)
其中，c为颗粒浓度；E为时间t内颗粒碰撞产生的声能量；η为声压转换系数；m为单颗粒质量；S为颗粒与导波杆作用面积；v为颗粒速度。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方法进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种气固体系内颗粒参数的声发射测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1)利用屏蔽型导波杆和声发射传感器获得气固体系内任意位置处颗粒撞击屏蔽型导波杆产生的声发射信号；
S2)分析接收到的声发射信号，选取时域、频域和/或状态空间参数作为特征值；
S3)将所述声发射信号特征值与气固体系内颗粒参数进行关联建模，实现所述颗粒参数的声发射检测；
所述屏蔽型导波杆包括声波屏蔽层、导波杆芯及探头固定端；所述声波屏蔽层设置在导波杆芯外侧；导波杆芯一端端面不设置声波屏蔽层，构成导波面；导波杆芯另一端连接探头固定端并耦合声发射传感器；所述导波杆屏蔽层及导波杆芯在导波面一端弯曲；通过控制导波面在某一待测位置的朝向，测量运动方向与导波面朝向相反的颗粒与导波面碰撞产生的局部声发射信号；
所述颗粒参数为颗粒运动方向、颗粒速度、颗粒浓度、颗粒通量或气固体系内颗粒流型；
其中，以声发射信号能量或能量密度作为特征值，对比不同运动方向的颗粒产生的声发射信号特征值的大小；特征值最大时，导波面朝向相反的方向为颗粒运动方向；
采集某一待测位置的声发射信号，通过声发射信号能量-颗粒速度模型或者声发射信号峰值-颗粒速度模型，获得待测位置局部颗粒速度；
通过调整导波面朝向，以声发射事件数作为特征值，测量待测位置选定方向的局部颗粒通量；
Figure FDA0003343579010000011
其中，G为局部颗粒通量；n为时间t内声发射事件次数；S为颗粒与导波杆作用面积；m为单颗粒质量；k为颗粒通量声发射检测系数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述声发射信号能量-颗粒速度模型及声发射信号峰值-颗粒速度模型由单颗粒碰撞声发射实验建立；所述声发射信号特征值由声发射信号计算获得，所述颗粒速度通过高速相机拍摄获得，所述声发射信号能量-颗粒速度模型及声发射信号峰值-颗粒速度模型通过神经网络算法或最小二乘法拟合获得。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述声波屏蔽层内导波杆芯数量为多个，采用互相关算法，建立声发射信号延迟时间-颗粒速度模型如下：
Figure FDA0003343579010000021
其中，v为颗粒速度；L为相邻导波杆芯有效间距；τ为相邻位置处声发射信号互相关计算所得延迟时间；根据声发射信号延迟时间-颗粒速度模型即可测量局部颗粒速度。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过包络计算获得声发射事件数，通过取样法对局部颗粒通量声发射检测系数进行校准。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用屏蔽型导波杆，以声发射信号能量作为特征参数，通过解耦局部颗粒速度获得局部颗粒浓度；
c＝E/(2ηtmSv3)
其中，c为局部颗粒浓度；E为时间t内颗粒碰撞产生的声能量；η为声压转换系数；m为单颗粒质量；S为颗粒与导波杆作用面积；v为局部颗粒速度。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：利用屏蔽型导波杆，测得气固体系内不同位置处颗粒速度、颗粒浓度及颗粒通量空间分布，即获得气固体系内颗粒运动宏观流型。
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