（化学工程专业论文）多相流动的随机信号结构分析.pdf

摘要 摘要 多相流体系的随机信号分析是多相流反应器研究的重要方面，如何从复杂 的随机时间序列信号中分析并提取出与过程参数及变量最相关的信息，是问题的 重点及难点。本文将信号分析方法与多尺度概念相结合，系统地提出了基于小波 分析与刚s 分析的多相流体系随机信号多尺度结构判别标准，分析了各信号尺度 与物理尺度之间的对应关系，并将此判别标准引入到多相流体系声发射信号检测 中。通过信号结构与物理尺度之间的对应关系，揭示了气固流化床中的声发射机 理，依据此机理实现了气固流化床中颗粒粒径分布的声发射检测。通过对信号尺 度与物理尺度对应关系的分析，得到了液固搅拌釜中声发射信号结构与临界搅拌 转速、淤浆悬浮高度之间的关系，并建立了相应的判断准则，实现了临界搅拌转 速及淤浆悬浮高度的快速、准确、灵敏、环保的在线检测。本文的主要创新工作 包括： 1 将r s 分析与小波分析相结合，根据不同小波尺度h u r s t 指数的变化规律， 建立了多相流随机信号多尺度划分的标准，将多相流体系随机信号划分为微 尺度( h u r s t 指数均小于o 5 ) 、介尺度( 既有大于o 5 的m 硒t 指数，也有小 于0 5 的h l l r s t 指数) 和宏尺度( h 璐t 指数均大于o 5 ) 。 2 通过对气固流化床的声发射信号与压力脉动信号的结构比较，以及气固流化 床、气力输送、气液固淤浆鼓泡床、液固环管及液固搅拌釜中声发射信号多 尺度结构差异比较，建立了多相流体系随机信号多尺度结构与物理多尺度的 对应关系，认为在有固体颗粒存在的多相流体系，微尺度信号代表了颗粒相 对于主体流动的运动状态；介尺度代表主体流相对于系统的运动或者不同主 体流之间的相互运动；宏尺度则反映整个系统状态随时间的变化。 3 根据固体颗粒与壁面碰撞产生声波的机理，完善了反映颗粒性质、运动和频 率关系的声波频率模型，以及反映颗粒粒径分布与声信号结构关系的 h o u y a n g 方程，对原有模型推导及说明的错误及疏漏进行了改进。通过在流 化床冷模装置( o1 5 0 ) 及工业流化床聚合反应器装置中声发射信号的分析， 多相流动的随机信号结构分析 提出了更适合工业在线测量的混合粒径标定方法。 4 基于声信号的小波分解和刚s 分析，以固体颗粒碰撞壁面产生的声发射信号 所在的高频区域( 微尺度) 的声能量分率值( 尺1 ) 为特征参数，研究声能量 分率随搅拌转速的变化规律，提出了搅拌釜临界搅拌转速的测量判据，即声 能量分率快速减少并开始趋于稳定时所对应的搅拌转速即为临界搅拌转速。 以水玻璃珠体系为例，声发射方法测量值与目测值之间的平均相对误差为 3 5 1 ，表明声发射技术能快速、准确、灵敏地实现临界搅拌转速的测量。 5 根据颗粒运动碰撞壁面产生声波的机理，结合声信号的频谱分析、小波分解 和r s 分析，利用声波信号随搅拌釜轴向的规律性变化，发现测量点的声能 量与主体区平均能量之比如出现二次阶跃性变化，基于此，提出搅拌釜淤 浆悬浮高度的判据，即魅随搅拌釜轴向的二次阶跃性变化的分界线分别为 淤浆悬浮高度和液位高度。以水玻璃珠体系为例，如为0 6 2 时对应的高度 即为淤浆悬浮高度。对于6 叶盘式涡轮桨，与目测法相比，淤浆悬浮高度的 平均相对误差为7 1 。对于2 叶桨式叶轮，与目测法相比，淤浆悬浮高度 的平均相对误差为1 1 8 。可见，声发射法克服了取样法的繁琐和观察法的 主观，实现了搅拌釜淤浆悬浮高度的快速、灵敏和非侵入式的在线检测。 关键词：多相流；随机信号；多尺度；声发射技术；气固流化床；搅拌釜反 应器；颗粒粒径分布；频率模型；临界搅拌速度；淤浆悬浮高度； i i a b s t r a l c t a b s t r a c t 7 i h ea n a l y s i so fr a n d o ms i g n a l ss 觚1 1 p l e db yd i 伍言r e n tp r o b e si si m p o r t a n ti nm e i n v e s t i g a t i o no fm u l t i p h a s er e a c t o r s h o wt 0s e l e c tt h ei n f o r m a t i o nm o s tr e l a t i v et 0 a l ep r o c e s si s 饿e 丘o n t a l 髓d 向1 1o fc h a l l e n g ei nc h e m i c a le n g 迅e e r i n gr c s e 鲫c h s i 印a 1a n a l y s i s 如dm u l t i - s c a l er c s o l u t i o nw e r ec om _ b i n e di n t h i sp 印e ri no r d e rt 0 e 嗽出l i s h 也e 嘶t e r i o no fd i v i d i n gt h er 趾d o ms i 乒“st 0d i 毹r e n ts c “e s ，a n dm e c o f r e s p o n d i n gf e l a t i o n s h i p b e t e e ns i 弘a ls n l l c t l l r e sa n dp h y s i c a ls c a l e sw e r e d i s c u s s e d b a s e do nt h i ss 仃u c t i j r e 砒i a l y s i s ，t h em e c h a n i s mo fa c o l j s t i c 谢s s i o n ( a e ) s i 鄹l a l si ng 勰一s o l i df l u i d i z e db e dw 勰r e v e a l e d 锄dan o v e lm e t h o dt om e a s u r em e p a r t i c l es 硫d i s 仃i b u t i o nb ya ep r o b e sw a sp r e s e n t e d a l s ob a s e do nt 1 1 es 抓j c t u r c a n a l y s i so fa es i 印a l s ，a et e c h l l i q u cw 嬲印p l i e dt od e t e m i i n et 1 1 ec r i t i c a ls p e e d 矗叩 c o m p l e t es o l i ds u s p e n s i o n 趾ds i u n ys u s p e n s i o nh e i g h ti nl i q u i d - s o h ds t i 玎e dt a n k w a sd e v e l o p e d t h ei n n o v a t i v er e s u t t sc a nb es 咖m 撕z e da sf o l l o w i n g ： 1 ，r h ec r i t e r i o no fd i v i d i i 培t 1 1 e 瑚d o ms i g n a l ss a m p l e di nm u l t i - p h a s er e a c t o f s t 0t 1 1 r e ec h a r a c t e r i s t i cs c a l e sw 弱e s 诎1 1 i s h e db yh u r s ta n a l y s i so ft h ew a v e l e t d c c o l p o s e ds i g n a l s ：m i c r 0 - s c a l es i 毋1 a l sw i ma l lh u r s te x p o n e n t s1 e s sm 髓 o 5 ；m e s o s c a l ew i t h 铆oc h a m c t e r i s t i ch u r s te x p o n e n t s ( o n el e s sm 趾o 5 ， 如dt h eo t h e rm o r et h a no 5 ) ；m a c r 0 一s c a l ew i t ha 1 1h u r s te x p o n e n t sm o f et h a n 0 5 2 c o m p a r em ed a t as 饥l c t u r e so fp r e s s l l r ef l u c t u a t i o ns i g n a l s 柚da es i g n a l s b o t hs 醐叩l e di ng a s s 0 1 i dn u i d i z e db e d ，a n dt h ed i 侬：r e n c eo fd a ：t as t m c t u r e s a m o n ga es i 萨a l ss a m p l e di 1 1g a s s o l i df l u i d i z e db e d ，p n e u m a t i c 位m s p o r t t i l b e ，s h u t yb u b b l ec o l 伽蛆，l i q u i d - s o l i dl o 叩r e a c t o r ，柚dl i q u i d - s 0 1 i ds t i r r e d t a i 血b a s e do nt h ec o m p a r e ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e 觚e e ns i 哥1 a l s 妞l c t u r ea n dp h y s i c a lm u l t i s c a l e sw a se s t a b l i s h e d 1 1 1t h em u l t i - p h a s e s y s t e i 璐w i ms 0 1 i dp a r t i c l e s ，t h ei n i c r 0 一s c a l es i 弘a l sr e p r e s e mm ep a r t i c l e s 啪d o mm o v e m e n tr e l a t i v et 0m ed o m i 呦tm o v e m e n to fi n a i nb o d y ； m 多相流动的随机信号结构分析 m e s o s c a l es i g n a l sr e p r e s e n tm ed o m i n a n tm o v e m e n tr e l a t i v et 0n l ew h o l e s y s t e m ；m a c r 0 一s c a l es i g n a l sr e p r e s e n tt ot h em o v e m e mo ft h ew h o l es y s t e m w h i c hi nm o s tc a s e sw a ss t e a 衄 3 t h em e c h a n i s mo fa es i g n a l se m i t t e d 舶mt h ec 0 1 1 i s i o nb e t 、) r e e np a n i c l e s a n dt h ew a l l ，a 丘e q u e n c ym o d e lw a sd e v e l o p e dt 0r e v e a lm er e l a t i o n s h i p b e t 、) i r e e nt h em a i n - 仔e q u e n c yo fa es i g n a l sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fp a r t i c l e s t h eh o u y 柚ge q u a t i o nw h i c hp r e s e n t s l er e l a t i o n s h i pb e “e nt h es 仃i l c t u r e o fa es i g n a l sa n dp a n i c l es i z ed i s t r i b u t i o ni nn u i d i z e d b e dw a sd e v e l o p e d ， a n ds o m ee r r o r si nt h eo d g i n a le q u a t i o n sp r e s e n t e db yh o ul i n x iw e r e c o r r e c t e d am e t h o dt 0c a l i b r a t et h ea es i g n a l sb ym i x e dp a n i c l e sw a s d i s c u s s e db a s e do nt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s 盘o mn l ela _ b 印p a r a t u sw i t hn l e d i a m e t e ro f1 0 0m m 4 t h em i n i m u m a g i t a t i o ns p e e di ns t i r r e dt a n kw a se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e d b ya et e c q u e t h ec r i t 嘶o no f d e t e 衄i n a t i o no fm i n i 伽ma g i t a t i o ns p e e d i ns t i 仃e dt a r l km a tt h ei m p e l l e rs p e e di nw h i c hm ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e r e p r e s e n t i n gm ec o l l i s i o nb e 觚e e ns o l i dp a n i c l e sa n dm ew a nd e c r e a s e s q u i c k l ya n db e g i l l s t ob ec o n s t a n tw a sp r e s e n t e db ya n a l y s i so fm e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nj r la n di i n p e l l e rs p e e d as a t i s f a c t o 巧a g r e e m e n tw a s o b t a i n e db e t 、) i r e e nm e a s u r e m e mb ya et e c l l n i q u ea n dv i s u a lm e t l l o df o r b e a d i n g w a c e rs y s t e m ，a n d l eaa rdw e r e3 5l ，w h i c hi n d i c a t e da e t e c h n i q u ew o u l d m e a s u r et h em i n i m u ma g i t a t i o ns p e e df a s t ，n o n - i n t r u s i v e l y a n dw i t hg o o da c c u r a c y 5 t h es l u r r ys u s p e n s i o nh e i g h tw a se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yu s i n g e n e r g ) ra n a l y s i s ，w a v e l e tt m s f 0 蛐a n d 刚sa n a l y s i s nw a sf o u l l dt h a tt h e c h a r a c t e r i s t i cr ew h i c hi st h ee n e 曙yr a t i ob e t 、) l ，e e nm e a s u l e m e n tp o i n ta n d t l l eb u 收r e g i o nw o u l dd e c r e a s e sq u i c k l yt w i c e s o ，t h ec r i t e r i o no ft h es l u r 巧 s u s p e n s i o nh e i 曲tt h a tm e1 0 c a t i o ni st h es h u t ) rs u s p e n s i o nh e i g h ta n dl i q u i d l a y e rh e i g h ti nw h i c ht h er ea t t e n dt h em u t a t i o nw a sp r e s e n t t l l es l u r r y s u s p e n s i o nh e i 曲ta n dt h el i q u i d1 a y e rh e i 曲tw e r et l l a tt h e1 0 c a t i o ni st h ei n a b s t m c t 砌c hm er e = 0 6 2 矗ww a t e r - b e a d i n gs y s t e mr e s p e c 咖e l y e x p e r i m e n t s c a 而e do u ti nt h e 妇dt a n ks h o w e d 也a t 也er e 叭l t sm e 嬲u r e db ya e t e c h l l i q l l e 犍挥e dq u i t ew e nw i t l lm a td i r e c t l yo b s e r v e df o rw a t e r - b e a d i n g s y s t e 玛趾dt h ea a r dw 豁l e s st l l 姐1 1 8 s ot h ea ea p p r o a c ht 0 m e a s 谢n gm es u s p e n s i o nh e i g h ti nm es t i r r e d 伽出c a nb ed e v e l o p e dt 0j u d g e t 1 1 et 砒1 1 ( 1 e v e lp r e c i s e l yw i t hg o o da c c u r a c y k e y w o r d s ：m l l l t i - p h 硒er e a c t o r s ；聊n d o ms i g n a l s ；m u l t i s c a l e ；a c o u 【s t i ce m i s s i o n ( a e ) ； g a s - s o l i dn u i d i z e db e d ；s t i 玎e dt a l l k ；p 枷c l es i z ed i s 仃i b u t i o n ；船q u e n c ym o d c l ； c r i t i c a ls p e e df 0 rs u s p e n s i o n ；h e i g l i to fs 1 1 ys u s p e n s i o n v 致谢 彳一 c c b d一 风 一 本 一 e e ：u p 。l e ：婶p 一 瑶所红 f d 一 上。七胍缸 、k 一 f 、，毛 石 g 符号说明 传感器所接受到的声信号面积，m 2 壁面附近与壁面撞击的颗粒浓度，个o 表观浆液浓度，g m 1 。1 桨叶离底高度，m 弹性模量参数，p a - 1 桨叶直径，m 经验常数 颗粒的直径，m 杨氏模量，p a 加速度计所接收到的信号总能量，m v 2 第，种颗粒的声波信号在分解尺度七上的概貌信号分量的能 量，j 第，种颗粒的声波信号在分解尺度七上的细节信号分量的能 量，j 混合颗粒( 被测) 的声波信号在分解尺度j i 上的概貌信号分量 的能量，j 混合颗粒( 被测) 的声波信号在分解尺度七上的细节信号分量 的能量，j 主频，h z 混合颗撞击壁面产生的声波平均频率( 主频) ，h z 功率谱图的频率下界与上界，h z 颗粒撞击壁面的频率，h z 重力加速度，l s 2 颗粒与壁面碰撞的形变量，m ( 声波频率模型) 液固搅拌釜测量高度，c m ( 液固搅拌釜测量) 颗粒的种类 颗粒质量，埏 颗粒数目；采样点数 搅拌转速，r s 以 临界搅拌转速，r s 。1 分布密度函数，m 1 声信号能量分率 搅拌釜直径，m 操作气速，m s 1 起始流化速度，m s 1 表观气速，m s 。1 颗粒撞击壁面速度，m s 。1 厅 ，m刀坛p r r仉v 多相流动的随机信号结构分析 2 颗粒的质量百分含量 信号序列 时间，有关的d i r a cd e l t a 函数 撞击压力转化为声压的效率 密度，k 卧n j 流化床松密度，k 幽n 3 液体密度，k g l n - 3 颗粒真实密度，k g m - 3 弹性时间，s 粘度，k g ( m s ) j 相对质量 p o i s s o n 比 比例系数 单一粒径的能量与混合粒径的能量之比 概貌信号 细节信号 最大粒径 最小粒径 颗粒 微尺度( 搅拌釜声发射测量) 壁面 ) 巾 k 1 w x 0珂p邝几风f 仃孝a 下a b删善 w x川珂p邝几风f 仃孝a 嘛a b一口。 第一章绪论 第一章绪论 在化工生产过程中，许多反应都并非发生在均相体系中，因而多相流反应工 程一直是人们研究的重点与热点。要实现对工业过程现象的把握，从中获得更准 确过程信息从而建立模型并实现对过程的预测、设计和控制，首先要解决的就是 多相流体系的参数检测问题。但由于多相流动不仅流动特性复杂，且相间存在界 面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大，因此多相流参数检测已成为国际 上一个重要的研究领域。 由于多相流系统运动的复杂性及其在时间上的不稳定性，高灵敏度、高可靠 性的新型传感器的应用一直都是多相流参数检测研究的热点，从传感器得到的时 间序列信号研究也成为多相流检测的重要研究课题。这些时间序列信号随多相流 体系的运动，产生一定的波动，并具有一定的周期，所以一般这些信号也被称为 脉动信号。这些随机信号一般数据量比较大，固然包含了丰富的过程信息，但 如何从中将有用的信息提取出来( 舫md a t at 0i n = f 0 i m a t i o n ) ，则是目前化工过程 研究的前沿。在这一过程中，大量的信号处理手段被不加甄别地用于各种信号， 并试图从某一信号中得到所有的过程信息，当然这样盲目的试探并没有得到各方 面都完美的结果。实际上，由于测量体系及测量手段的不同，所测得的随机信号 必然有不同的结构特征，如果能够把握住这些结构差异，就有可能选择最适合的 测量手段及信号分析手段，从而筛选出最有价值的过程信息来。因此本文的研究 目的之一就是将多尺度理论与信号分析方法相结合，提出了一种实用性及可靠性 比较强的多相流随机信号结构分析方法，并举例说明这一方法的应用。 由于多相流体系实际包括的范围太过广泛，所以本文只选择了聚烯烃生产工 艺中经常会用到的气固流化床以及液固淤浆搅拌釜两种工艺过程为例，进行研究 说明。 气固流化床作为气相法生产聚乙烯最重要的方法之一，其过程参数检测一直 是研究与工程实践关注的重点。在气固流态化体系中，颗粒性质是影响流化效果 其反应体系传递效果的重要因素；而在流化床聚乙烯生产工艺中，作为产品的聚 乙烯颗粒，其性质不仅关系到产品质量，更关系到生产过程能否稳定正常地进行。 多相流动的随机信号结构分析 其中，颗粒的平均粒径及粒径分布就是亟待测量的参数。对颗粒粒径的检测，有 多种手段，但这些手段大部分要么准确性不够，要么对人体有害，要么不能适应 工业生产环境，大部分都不能满足工业在线测量的要求。用声发射方法测量颗粒 粒径的研究也已经在国内外有了几年的发展，但这些研究大部分对声信号的分析 都比较盲目，完全没有考虑到声信号结构的特殊性。本文的第二个研究目的就是 将信号结构方法引入到声信号的分析中，探索如何更高效地提取与颗粒粒径分布 最相关的信息。 固一液体系作为多相流体系的一支，在化工领域尤其是聚丙烯工业中有广泛 应用。 混合效果是评价一个搅拌反应器好坏的重要指标，如何以最小的能耗获得所 需的悬浮效果是搅拌釜反应器研究的重点。常用的固一液悬浮状态的判据有三个： 一是槽底悬浮固体量，与之相应的参数为临界搅拌转速；二是槽内悬浮液的均匀 程度；三是淤浆悬浮高度。临界搅拌转速与淤浆悬浮高度的测量方法相对都存在 着不少问题，如测量结果不准确，测量过程不安全，易破坏流场等，总之都不能 适应工业装置的需要。由于这两个参数的测量实际都是釜内固体颗粒分布情况的 测量，本文的研究目的之三就是将随机信号的结构分析引入到搅拌釜的声发射信 号分析，探索如何从中得到与固体颗粒分布情况最相关的信息。 综上所述，本论文以气固流化床及液固搅拌釜为研究对象，重点研究多相流 随机信号的多尺度结构并探索其在实际过程参数测量中的应用。 本文的内容安排如下： 第一章综述了目前多相流随机信号分析中存在的问题，提出了本论文研究 的目的和意义，并在此基础上简要提出本文的任务。 第二章综述了多相流随机信号分析的研究现状，介绍了多尺度方法在化工 领域尤其是在多相流随机信号分析领域的研究进展，对声发射方法的发展状况进 行总结，同时对气固流化床颗粒粒径分布及液固搅拌釜中临界搅拌转速、淤浆悬 浮高度的测量方法进行综述，分析了各自的缺点。 第三章介绍实验装置及实验方案 第四章通过将刚s 分析与小波分析相结合，提出了多相流随机信号的结构 分析方法，并通过对不同体系、不同测量手段所得的随机信号进行分析，探讨随 2 第一章绪论 机信号各尺度所对应的物理意义。 第五章将随机信号结构分析手段引入到气固流化床的声发射信号中，通过 对声发射信号的产生机理分析，得到了用声发射方法检测气固流化床中颗粒平均 粒径及粒径分布的方法，对原有的主频模型及h o u - 恤g 方程的理论推导及实验 手段进行了完善与改进，使之更加严谨，适应工业生产的需求。 第六章将随机信号结构分析方法引入到液固搅拌釜的声发射信号分析中， 从声信号各尺度的物理意义出发，提出了用声发射方法测量临界搅拌转速及淤浆 悬浮高度的方法并用实验加以证实。 第七章全文总结和展望。 第二章文献综述 第二章文献综述 2 1 多相流体系测量手段 由于多相流体系运动的复杂性，要实现对工业过程现象的把握，从中获得更 准确过程信息从而建立模型并实现对过程的预测、设计和控制，首先要解决的就 是多相流体系的参数检测问题。但由于多相流动不仅流动特性复杂，且相间存在 界面效应和相对速度，致使参数检测的难度较大，因此多相流参数检测已成为国 际上一个重要的研究领域。由于多相流体系实际包括的范围太过广泛，所以本文 只选择了聚烯烃生产工艺中经常会用到的气固流化床以及液固淤浆搅拌釜两种 工艺过程进行研究说明。 在这两种体系中，大量新的测量技术已经得到了较广泛的研究及应用。其中 应用比较多的有激光技术、核磁共振技术、超声波技术、光纤技术、辐射线技术、 相关技术、层析成像技术等。 例如激光相位多普勒技术不仅能够测量颗粒相的速度，还能同时得到一定的 颗粒尺寸和流相信息，经常被用于多相流检测中。核磁共振技术结合高速摄影等 技术也能够得到理想的流化参数测量结果。随着计算机技术的进步，高速视频分 析系统和计算机数字图象处理技术的迅速发展，光纤技术结合图象处理技术的光 纤成像系统也为流态化的研究提供了一个有力工具。而各种辐射线，包括丫一射线、 b 射线、x 射线、中子射线等也在多相流检测领域得到广泛关注，在工业上也早 已有了实用工业仪如丫射线密度仪等。另外电容层析技术目前也受到了越来越多 的关注。 由于多相流系统运动的复杂性及其在时间上的不稳定性，高灵敏度、高可靠 性的新型传感器的应用一直都是多相流参数检测研究的热点，从传感器得到的时 间序列信号研究也成为多相流检测的重要研究课题。这些时间序列信号随多相流 体系的运动，产生一定的波动，并具有一定的周期，所以一般这些信号也被称为 脉动信号。在工业在线测量过程中，这种时间序列信号包括的范围非常广泛， 如温度、压力、颗粒浓度等任何可以随时间变化的信号都可以称为时间序列信号。 由于这些信号的变化一般都是受多相流体系各种运动的综合影响，因而对某一特 5 多相流动的随机信号结构分析 定信号的研究都会从某一侧面揭示多相流运动的状态。目前研究中经常用到的几 种信号主要有颗粒浓度信号1 1 、压力脉动信号嘲以及声发射信号 3 】o 颗粒浓度信号【l l 一般是将光散射技术、粒子计数技术和光电阵列器件相融 和，通过光学传感器分析所得的，也是波动信号的一种。通过对颗粒浓度信号进 行分析，可以得到多相流中的空隙率变化规律以及多相流动的混沌特性等，在这 些方面，已经有许多文献报道。这种技术相对比较先进，但其对测量环境的要求 较高，一般难以适应严苛的工业环境要求。 压力脉动信号 2 ，4 】贝0 是通过压电陶瓷探头测量多相流体系中某处压力随时间 的波动情况，在气固流化床中应用尤其重要。在气固流化床中，压力波动主要是 由气泡运动引起的，而由于气泡运动对于气固流化床的各种运动都相当重要的影 响，所以许多研究者都进行了大量的理论和实验研究，试图通过对压力脉动信号 的分析，得到影响流化床质量和产量的重要参数，如料位高度5 1 、流化状况 6 1 、 流化床内颗粒粒型7 ，8 1 等，有些获得了较为明显的成果，但也有许多研究差强人 意，不能满足工业要求。 声信号包括主动式及被动式两种【9 1 。主动式的声信号一般是包括一个声信号 发射系统以及一个声信号的接收系统，发射系统所产生的声波( 一般采用不容易 受外界干扰的超声波) 经过多相流体系时，由于多相流体系的不均匀性，此声波 所受到的散射作用以及衰减也有所差异，通过分析接收系统所得的信号，则可获 得多相流体系的相关特性及参数，如淤浆的固体颗粒平均粒径及浓度 1 们，固体料 仓的料耐1 1 】等。 被动式的声信号测量，也称声发射技术，其原理是通过分析过程中所产生的 声信号，得到过程的相关特性及参数。在上个世纪6 0 年代最早应用于无损检测 领域1 2 】，后来随着计算机技术的进步及检测仪器进步，到上世纪9 0 年代在化工 行业的应用才逐步发展起来，在多相流测量领域内也有了极大的发展进步。由于 声发射技术( a c o u s t i ce m i s s i o n ，简称a e ) 是本文应用的主要测量手段，所以在 ( 2 3 ) 节内会进行更详细的叙述。 6 第二章文献综述 2 2 声发射技术 2 2 1 声发射技术原理 a e ( a c o u s t i ce m i s s i o n ) 技术的基础是声发射，即材料或结构受外力或内力 作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能【9 1 。按照声波振动方向与传播 方向一致与否，声波可以分为纵波( 大多数气体、液体、固体中均为纵波) 及横 波( 在排成一行的铁棒中声波为纵波) 。声波作为一种机械波，其主要参数为波 长a ，频率，速度c 口： 巳= 名 ( 2 1 ) 声波在单一相中的传播速度白是由介质特性决定的。 频率厂是周期振动每秒的振动次数。正常人耳朵所能听到的声音的频率范围 是2 0h z 一2 0k i z ，在这个范围之外只能通过仪器检测到。频率低于2 0h z 称为次 声波，高于2 0k h z 则称为超声波。 声音的三要素为音调、音强和音色。音调高低与声源振动频率有关，频率高 则音调高。音强为声音强弱，由声波振幅决定。音色又称音质，主要由声波的频 谱结构决定。 根据是否发射声波，声波技术可分为有源声波和无源声波技术两大类9 1 。有 源声波技术( a c t i v e o u s t i c ) ，发射一定频率的声波，通常是超声波( 频率大于 2 0k h z ) ，在一定距离内接受信号，从而得到信号中携带的过程信息。虽然有源 声波技术具有信号强、能量大、便于分析等优点，但是由于超声波会在传播过程 中发生衰减，其传播速度也会随着物质的变化而变化，妨碍了过程信息的准确获 得。无源声波技术是基于过程自身发出的声波信号，就如我们的耳朵用来“监测 发生在我们身边的事情一样。这种技术的难点在于从繁杂的声波信号中提取过程 信息，可能这就是无源声波技术还没有推广的主要原因。 2 2 2 声发射技术在化学工程中的应用 声发射技术具有的非接触式，实时在线等特点使之成为流化床参数测量的一 个重要分支，越来越引起了各国研究者的兴趣，在化学化工领域得到了越来越广 7 多相流动的随机信号结构分析 泛地应用。 在国外，b o y d 等 9 】综述了声发射检测技术在化学工程中的应用，对气液混 合、气固系统和化学反应等几个领域的声发射检测技术的应用进行了系统的描 述。c o d y 等 1 3 1 4 1 在流化床中使用声发射检测技术，运用功率谱计算得到了不同 气体、不同类型颗粒的颗粒温度，进一步给出了颗粒运动的l a l l g e v i n 方程。通 过颗粒温度的结果和机理模型，能从声信号中估算出静压、声速、粘度和气体的 扩散常数等。h u a n g 等 1 5 】在气力输送管道中运用声发射检测技术，对六种不同类 型和粒径分布的铝粉进行了测量。将声信号与颗粒流动进行关联，通过关联，可 以估算出过程中的粉尘分率，预测出传输过程中颗粒的破损程度，并建立了回归 模型。h i r o y u k i 等【1 6 运用声发射检测技术监测流化床造粒机中颗粒的流化状况。 他们认为在颗粒流化过程中，颗粒冲击和摩擦流化床的壁面产生了声信号，通过 标定声信号在各种流化状态下的平均频率和振幅，能够监测流化床内的流化状 况。研究还发现声信号的振幅与无因次床高、无因次气速中有一定的关系。这套 声发射设备还能测量流化床的湿度。s a b a 【1 7 1 对声发射检测技术在颗粒学测量的应 用进行了综述，认为通过两个或两个以上的传感器作用在合适的位置上可以计算 颗粒的运动速度，进一步提出了用声波替代电容、y 射线、电阻、微波和光学装 置的可行性。 在国内，多相流中声发射信号测量技术的研究开展较晚。刘勇等【1 8 。2 0 1 研究燃 烧流化床可听声与气固两相流的关系，通过频谱分析和分形分析研究了气泡的能 量分布模型、气泡的发生和湮灭特征、流化床内声信号的分类等。阳永荣等【2 u 利用声发射检测技术分析声波主频和平均粒径的关系，并结合颗粒碰撞运动产生 声波的机理和多尺度小波分解方法，建立了h o u y a n g 粒径分布模型，初步揭 示声波信号在各尺度的能量分率分布特征及粒径分布的定量关系。赵贵兵等【2 2 】 将声发射检测技术应用于流化床内故障以及结块的检测。黄正梁等【2 3 】利用声发射 检测技术，根据固体和液体碰撞壁面产生不同频率的声发射信号的机理，建立了 搅拌釜中浆液浓度的预测模型，实验结果证明模型具有较好的预测性。 2 2 3 声发射采样程序 尽管对于不同的工艺过程所运用的测量仪器会有所不同，但是其基本的测量 第二章文献综述 装置是一样的。声发射检测技术示意图如图2 1 所示：首先是用传感器感受声波 的脉动信号，传感器信号先被放大器放大，接着由滤波器进行检波，被放大的信 号通过加转换成数字信号呈现在示波器上或者p c 机上。 i 掣c 卜 矧厕豫鞠d 一溉l 毪m 衅6 c 戤i o no f 西g | 诫 图2 - 1a e 检测标准设备不意图 一个好的声波传感器必须能把声波能量的脉动信号转换成电流信号。现在使 用最普遍的传感器是压电陶瓷传感器，它能感应声波信号的波动产生相对应的微 电流 2 4 1 。不同的压电传感器对于不同频率的敏感程度是有差别的，同一传感器在 不同的工作环境下( 如温度，压力等) 也会产生不同程度的误差，因此在使用之 前必须校准。 为了精确地反映声波信号，采样频率必须大于或等于声波发生信号中频率最 高信号的两倍一s h 锄o n ss a m p l i l 堰n l e o r e m 【2 5 1 。采样频率越高，信号失真程度越 低，分析难度也越大，但是目前正在发展的小波分析和小波包分析对于声波信号 分析是卓有成效的 2 1 。2 3 1 ，因此高频采样将是未来的趋势。 2 2 4 振动传感器 声波的测量过程中需要使用传感器，为了针对特定的应用环境选择最合适的 传感器，以及对特定系统的最大控制能力进行预测 2 6 】，有必要对各种振动传感器 进行介绍。振动传感器主要分为加速度计、速度传感器、位移传感器、应变式传 感器和作动器等。 目前在我们的研究主要是用安装在振动物体上的加速度计( a c c e l e r o m e t e r ) 测量振动信号，这些加速度计要么是压电的，要么是压阻的。 压电加速度计是一种利用压电材料作力电换能器的拾振器，它包括一个附加 在压电材料上的小质量块。目前常用的压电材料有锆钛酸铅( p z t ) 、压电晶体、 聚合物薄膜等。 压阻加速度计取决于压阻元件在应力下电阻变化的测量。压阻元件通常固定 在一个梁上。压阻加速度计相对于压电加速度计很少使用，并且对于相同的振幅 9 多相流动的随机信号结构分析 和频率响应，压阻加速度计的灵敏度较压电加速度计低一个数量级。此外，压阻 加速度计还需要一个稳定的直流电源来激励压阻元件。但是压阻加速度计可以测 量直流且易于标定，可用于低阻抗电压放大器中。 当选择加速度计时，必须权衡其重量和灵敏度。小加速度计使用方便，可以 测量高频率，对测量结构的振动特性影响较小，但它的灵敏度低，这一点使得其 能够测量的加速度幅值有限。一般来说，加速度计的重量从o 6 5 5 0 0 9 不等。 加速度计的固定方法有很多。用螺栓将加速度计固定在所要测量的平面上是 最好的办法，使其固有频率和标准手册所给的相一致。如果在加速度计基座与被 测结构之间使用一小薄层硅脂可以得到最好的结果，尤其是在固定有一些粗糙表 面时。如果希望绝缘，可以在性能损失很小的情况下使用黏合剂。 温度对加速度计的影响比较大，1 0 0 以上的温度将导致加速度计灵敏度产 生一个小的可逆变化，在2 0 0 时灵敏度变化可以达到1 2 。一般情况下加速度 计不应在4 0 0 以上的温度环境中使用。同时加速度计还不应该与坚硬的表面碰 撞。否则的话将会着成永久性的破坏，这将会大大影响加速度计的灵敏度。 2 3 多尺度方法 美国化工界在1 9 8 8 年普遍提出：单元操作、单元过程的内涵仅限于宏观现象， 需要进一步延伸。与此巧合的是在中国科学院化工冶金研究所在1 9 8 6 年时，也对 单颗粒及其表面微观现象进行重点研究，并对颗粒流体的流动采用多尺度 ( m u l t i s c a l e ) 模拟单颗粒的微尺度、颗粒聚团的介尺度和设备的宏尺度都 超越了当时的宏尺度传统。19 9 6 年在世界化工大会上1 1 e 啪a u x 提出化工涉及同 时发生在很宽时尺度和空尺度的现象，从分子振动的纳秒尺度至污染物消失所需 长达世纪的时尺度。他将化工工业分为5 个尺度： l 纳尺度：分子过程、活化点； 2 微尺度；粒、滴、泡、旋涡； 3介尺度：反应器、换热器、分离器、泵； 4 宏尺度：生产单元、工厂； 5 宇尺度：环境、大气、海洋、土壤。 l e r o u ，n g 2 7 1 又将多尺度概念应用于化工设计，勾画出时间尺度的范围。这 l o 第二章文献综述 些都标志着化工过程中开始运用多尺度的方法进行分析。 根据上述思想，化工过程中广泛存在着复杂的时空多尺度结构。例如，流场 的描述涉及长度方面的解析，从微米级( 旋涡的生成) 到米级( 流型的变化) ， 催化反应器的描述涉及时间方面的解析，从毫秒级( 快反应) 到秒级( 反应物的 扩散) 。因此，流化床聚合反应器颗粒流态化时不可避免地存在着复杂的时空多 尺度性。也正是它的时空多尺度性使得“流化床是不稳定的，其许多物理机理仍 然很不清楚”【1 3 1 。尽管科学技术的迅猛发展，为过程测量提供了各种现代的检测 手段，但是由于时空多尺度结构与效应关系的复杂性，过程信号的解析和有用信 息的提取仍然十分困难。实践证明，以新的化工、化学原理为知识基础，以数学 模型为辅助手段，研究开发时空多尺度复杂过程的在线测量原理和方法是解决问 题的有效途径，但是这类方法目前还远未完善。 近年来，国内有关多尺度的研究主要集中在李静海研究组内，李静海和郭慕 孙1 ，2 8 捌1 等实现多尺度法的基本思路为( 1 ) 分尺度简化。多尺度结构中涉及各 种各样的复杂的过程，同一尺度下会有多种过程的耦合，不同尺度下也往往会有 不同过程发生。然而，每一分尺度的机构及其内部发生的过程都要比原始结构和 总过程简单，复杂系统可以看作由不同尺度的相对简单的结构复合而成。因此， 首先对总系统进行分尺度研究，可使认识过程简化，并部分实现不同过程的解耦。 ( 2 ) 子过程分析。复杂系统的另一特征是多种过程耦合，直接对总过程进行分 析，无法认识其内在激励，只有先认识各子过程，才能归纳出总过程的规律。分 尺度分析为认识子过程提供了方便，往往在每一尺度上和不同尺度的耦联中都伴 随一特征子过程。因此，分尺度简化是子过程分析的基础。( 3 ) 多尺度的综合。 在上述两个步骤的基础上，进一步分析不同尺度下的各种子过程的相互量化关 系，并与已知条件关联，构成描述复杂系统的综合模型。多尺度综合是最困难和 关键的一步，必须澄清不同尺度相互作用和耦合的原则和条件。这些也是本论文 进行多尺度分析的基本思想。 李静海等【2 8 】通过分尺度研究和多尺度综合，实现了复杂现象的量化，介绍了 能量最小多尺度(