[发明专利]基于声发射技术的加压气力输送流型检测装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及多相流测量技术领域，特别是一种基于声发射技术的加压气力输送流型检测装置和方法。

背景技术

流型是气固两相流系统中具有重要工程意义的检测对象，影响到系统的流动特性、传热传质特性和运行可靠性，同时两相流参数的准确测量也依赖对流型的了解。加压条件下，气固两相流动行为更加复杂，稳定性下降，掌握流型规律，实现对流型的准确识别对于控制加压气力输送系统的安全运行尤为重要。

加压气力输送过程的压力（差压）信号载有大量的动态信息，是物料特性、输送形态、稳定性、输送管道几何特性和能量交换等流动特性的综合体现。可通过压力（差压）信号处理（如频谱分析、小波变换、Hilbert-Huang变换等）获悉管内流型及其变化。然而传统的压力（差压）传感器在加压气力输送中的应用存在诸多缺点和局限，如测点需侵入流场，对管内流动有不可避免的影响；位置固定，不方便移动；安装维护要求高，为了保证测量的准确性和可靠性，在使用一段时间之后，需要对压力测点和探头定期清理，往往不得不对加压气力输送系统进行卸压，过程繁琐且有一定危险性，同时卸压还意味着气源的浪费；特别是对差压传感器而言，任一测点的漏气，都很容易造成超量程而损坏传感器。

近年来，较为先进的检测手段如核磁共振、CT成像、γ射线、以及光纤技术等在多相流中应用，使流型测量有一定的发展。但是上述检测手段均存在一些不足，如核磁共振技术设备昂贵，不易普及；CT成像数据处理量大，过程复杂繁琐；微波法易受环境干扰，精度不高；γ射线对人体有放射性危害，操作人员无安全保障；光纤测量技术具有一定的有效性及可靠性，但属于侵入型测量，对流场有一定的干扰。

材料或结构在受力产生形变时会在内部以弹性波的形式释放应变能，声发射（Acoustic Emission，简称AE）技术利用耦合在材料或者构件表面的压电探头对产生的弹性波进行接收，将弹性波转换成电信号。利用后续电路对检测到的电信号进行处理和显示，进而获得材料或者构件内部的情况。因此，声发射信号更易获得，并且更能从微观的角度反映气固两相流动的复杂性。

加压气力输送过程的声发射信号体现出复杂的非线性与非平衡动力学特征，可通过声信号的多尺度分析方法得到深刻认识。FFT谱分析是信号处理领域最基本的分析方法，能很好地刻画信号的频率特性，但不能提供时域信息，不适用于分析非线性非平稳信号。小波变换实质上是一种窗口可调的Fourier变换，小波窗内的信号必须是平稳的，没有摆脱FFT谱分析的局限，并且必须由经验预先选定基函数，在整个信号分析过程中不能更改。功率谱分析同小波分析一样，也有着Fourier变换固有的缺陷。混沌分析是研究气固两相流非线性特征的有效手段，但特征参数的提取需要很长的时间序列，且计算结果随初始参数变化很大。近年来，Huang等人提出一种新的时频多尺度信号分析方法—Hilbert-Huang变换（HHT），是对以Fourier变换为基础的线性和平稳信号分析的重大突破，特别适用于非线性非平稳信号分析。

基于声波的检测方法有主动式和被动式两种，前者通常采用超声波进行主动探测，而后者则是接收过程中产生的声发射信号进行分析，所获取的信号往往更能反映过程的本质，且测量方法更容易实现。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声发射技术的加压气力输送流型检测装置和方法，运用这种装置及方法可以利用易测可靠的声发射信号作为辅助变量，进行主导变量气固两相流流型的检测，从而避免因测点侵入流场对管内流动产生不利影响，减小了测量误差。

本发明所涉及的基于声发射技术的加压气力输送流型检测装置，包括加压气力输送管道测试段，声发射接收探头，前置放大器，主放大器，数据采集器和计算机；其中，有若干个声发射接收探头分别紧贴安装于加压气力输送管道测试段外管壁上，声发射接收探头与前置放大器、前置放大器、主放大器、数据采集器以及计算机依次连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述声发射接收探头数量为四个。

作为上述技术方案的再进一步改进，所述声发射接收探头的安装位置是沿加压气力输送管道测试段外管壁同一圆周均匀分布的。

本发明所涉及的加压气力输送流型检测的方法，包括如下步骤：

1）数据采集：安装于加压气力输送管道测试段外管壁的四个声发射接收探头接收加压气力输送管内颗粒与管壁、颗粒与颗粒之间的碰撞和摩擦产生的声发射信号，声信号通过各级放大器放大，再通过数据采集器送入计算机；

2）对声发射信号进行Hilbert-Huang变换分析，提取相应的特征值，具体为：