声发射技术在化工过程中的应用

CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS 2011年第30卷第5期·918·

化工进

展

声发射技术在化工过程中的应用

任聪静，陈敏，曹翌佳，黄正梁，王靖岱，阳永荣

（浙江大学化学工程与生物工程学系化学工程国家重点实验室，浙江杭州 310027）摘要：在简要介绍声发射技术原理、测量手段与分析分析方法的基础上，系统回顾了被动声发射技术在化工过程中对于物理化学变化以及设备状态监控的广泛应用，对声发射技术在流程工业中各个单元操作以及设备监控等各个方面的应用进行了综述。总结表明，声发射技术适用于各种恶劣的工业环境，能够实时在线、准确地实现流程工业中关键过程参数的检测，具有广阔的工业应用前景；相比于传统的检测手段，声发射技术具有更为广阔的工业应用前景。

关键词：声发射；振动；无损；在线检测

中图分类号：TQ 021.1 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2011）05–0918–12 Application of passive acoustic emission measurement in

chemical processes

REN Congjing，CHEN Min，CAO Yijia，HUANG Zhengliang，WANG Jingdai，YANG Yongrong （State Key Laboratory of Chemical Engineering，Department of Chemical and Biochemical Engineering，

Zhejiang University，Hangzhou 310027，Zhejiang，China）

Abstract：The applications of acoustic emission（AE）technology in monitoring the state of equipment and the physico-chemical changes in chemical processes are reviewed in this paper，with a brief introduction of the principles of AE，hardware and analysis methods，Furthermore，detail cases in different unit operations and equipment monitoring are presented. AE technology has a broader prospect for industrial application than other detection methods.

Key words：acoustic emission（AE）；vibration；non-invasive；on-line detection

工业过程运行时，体系内产生的大量声音信号和振动信号蕴含了丰富的与过程物理化学状态有关的信息。有别于主动式的声波检测技术，本文所述的声发射（acoustic emission，AE）技术是一种被动式的声波检测技术，它通过聆听工业过程中各种物理和化学过程所产生的声音和振动信号来获取系统的运行信息。作为一种非侵入式的检测技术，被动声发射技术适用于各种恶劣的工业环境，能够实时在线、准确地实现过程关键参数的检测，具有广阔的工业应用前景。然而，声发射技术的难点在于如何从繁杂的信号中提取有用信息进行分析，实现对被测对象的准确度量。因此，全面细致地掌握声发射技术的测量原理、分析方法及其具体应用，不仅具有科学意义，也极具挑战性。

近年来，声发射技术在各个领域尤其是化学工程中的应用有了很大的发展，同时，相关研究方兴未艾，在研究的广度和深度上都有长足的进步[1]。本文作者在介绍声发射技术的检测原理、流程、设备和分析方法的基础上，归纳总结了声发射技术在流化、搅拌、干燥、结晶、化学反应、设备监控等化工过程中的研究应用进展和现状，并对其优势和不足进行了细致的讨论。

收稿日期：2010-09-03；修改稿日期：2010-10-29。

基金项目：国家自然科学基金（21076180）及中央高校基本科研业务费专项资金（2009QNA4028）项目。

第一作者：任聪静（1983—），女，博士。联系人：王靖岱。E-mail wangjd@。

第5期 任聪静等：声发射技术在化工过程中的应用

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1 声发射技术的测量原理和分析方法

1.1 声音（波）产生的原理

声发射是指材料局部因能量的快速释放而发出瞬态弹性波的现象。材料的变形、断裂是典型的声发射源；流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧等也可以划归到声发射源范畴，称为其它声发射源或二次声发射源[2]

。本文主要讨论流体的撞击和摩擦所产生的声发射。流体撞击或摩擦固体表面致使固体表面形状发生变化从而激发弹性波。声发射波的频率范围很宽，从数赫兹到数兆赫兹，包括次声、可听声和超声。弹性波在介质中的传播，根据质点的振动方向的不同，可以分为纵波、横波、表面波（瑞利波）、板波等不同形式。横波、表面波和板波只能在固体中传播，而不能在气体和液体中传播[2]

。当遇到不同介质的界面时，声波会发生反射和折射。任何一种波在界面上反射时都要发生波型变换，同时出现纵波和横波[3]

。波的传播速度等于频率和波长的乘积[1]

，如式（1）。

v f λ= （1）

式中，v 为波的传播速率；λ为波的波长；f 为波的频率。

声波的传播过程中会发生衰减。引发声波衰减的3个主要机制为：波的几何扩展、材料吸收和散射[2]。平面波在介质中向x 方向传播时的衰减可用式（2）表示。

0e ax x P P −= （2）

式中，P 0为x =0位置的声压；P x 为传播至x 距离后的声压；a 称为衰减系数[3]。

传播衰减的大小关系到每个传感器可以监视的距离范围，是源定位中确定传感器间距或工作频率的关键因素[2]。

声发射检测过程是以振动波形式存在的一系列能量产生、传播和接收的过程，其中涉及声发射源、声波的传播、声电转换、信号采集、信号调理、信号处理、数据记录与显示、解释与评定等过程，其基本原理如图1所示。声发射源发出的声波通过介质传播到声电换能器转化为电信号，再经前置放大器、滤波器和主放大器等进行信号调理后送入数据采集卡进行A/D 转换，把模拟信号转化为数字信号，最后经过信号处理进行记录显示并用于解释评定声发射源的特性。

图1 声发射技术基本原理

图2 传递函数示意图

在实际声发射检测过程中，检测到的信号是经过多次反射和波型变换的复杂信号。信号波形可能发生严重畸变，波型前沿变钝，出现明显的频散现象，一个峰的波可能分离为多峰的波。这种畸变的信号通过声电换能器转换为电信号，再经由电路处理，最后由显示仪器显示出来[3]。在这些过程中对信号进行了加权处理，信号发生了变化，如图2所示。O (S ) 是与显示结果有关的响应函数，等于初始声发射信号E (S ) 和传递函数G (S ) 的乘积。

()()()()()()()()O S E S P S I S C S R S E S G S =⎡⎤=⎣⎦

其中，P (S ) 是与传递介质有关的函数，与材质和结构的几何形状、声源距传感器的距离等有关；I (S ) 是与界面和传感器有关的传递函数，与耦合状态和频响等因素有关；C (S ) 是与信号处理电路有关的传递函数，与前置放大器、主放大器、滤波器等的频带、增益和动态范围有关；R (S ) 是与参数显示方法有关的传递函数[3]。求出系统的传递函数有助于更好地评价声发射源的性质。Cody 等[4]使用Bruel and Kjaer 8203力锤传感器作为标准信号源对流化床反应器中声发射检测系统的传递函数进行了测定。

1.2 声测量的设备

传感器是声发射检测系统的关键部件。声发射检测中常用的传感器有声发射传感器、加速度传感器、水听器、传声器等。声发射传感器和加速度传感器用于测量通过固体传播的声音和振动信号，传声器用于测量通过气体传播的声音和振动信号，水听器用于测量通过液体传播的声音和振动信号。为了防止传感器输出的微弱信号经过长距离传输后信噪比降低，靠近传感器设置前置放大器将信号提高40～60 dB ，经过长距离传输电缆传送到滤波器滤去

噪声，再由主放大器进一步放大，提高40～60 dB