专利名称：搅拌釜中分散相含量的检测方法
技术领域：
本发明涉及搅拌釜参数的一种;f企测方法，尤其涉及搅拌釜多相流体中 分散相含量的检测。
背景技术：
搅拌蒼反应器在众多领域都有广泛的应用，如医药、造纸、食品、化 工以及废水处理等，其中尤以化学工业中使用最多，现有的测量分散相含 量的方法有电容法、光纤传感法、放射性法、超声波法、微波法等。然 而上述测量方法在实际工业应用过程中存在着不足电容法需要外加电容 极板形成敏感电场，不仅安装使用不方便，而且会造成安全隐患；光纤传 感法的传感器是插入式的，不仅不方便，而且可能影响内部的流场；放射 性法、超声波法、微波法等都需要发射源，不仅存在安全隐患，而且会对 被测量装置内部的流动或反应造成一定的影响，如射线危害人体健康，微 波法只对极性大的物质敏感等。
现有的多相流体中分散相含量检测方法各有不足。因此，开发一种新 型的、灵敏的、易用的、安全的、环保的分散相含量的检测方法具有重要 的意义。
小波分析的特点是对信号进行变时窗分析，即对信号中的低频分量采 用较宽的时窗，对高频分量采用较窄的时窗，这个特点使得小波分析在时 域和频域同时具有良好的局部分析特性，这就非常适合声发射信号的分 析，在科研中有广泛的应用，可参考Paul S Addison著作的《THE ILLUSTRATED WAVELET TRANSFORM HANDBOOK》(Pub, Year: 2002， Publisher: Taylor & Francis, ISBN: 0750306920)等。
发明内容
本发明提供一种搅拌釜内分散相含量的检测方法，该方法利用多相流 体自身产生的振动信号进行测量分析，方法简便，应用范围广。本发明方法包括以下步骤
(1) 在搅拌釜内部或外壁面设置水听器检测装置；
(2) 接收搅拌釜内多相流体运动过程中产生的振动信号；可根据需要 将振动信号放大；
(3) 分析接受到的振动信号，把振动信号按频率分解，根据体系选取 特征频段的能量作为特征变量；
(4) 根据预先标定的特征变量与反应器内分散相含量之间的预测模 型或标准曲线，通过分析采集的振动信号的特征变量判断反应器 内的分散相含量。
所述的水听器检测装置可以根据需要设置一个或多个。
所选取的特征变量，与多相流的性质和分散相的含量相关，不同条件、 不同物料可选取不同特定频段的能量分率。
特征变量的确定方法如下先用傅立叶变换获得振动信号的特征频率 范围，然后利用小波分解或小波包分解的方法把振动信号在接收的全频率 范围上按频率分解成若干频段，选取覆盖特征频率范围的一个或几个频段 作为特征频段，将各个特征频段能量分率之和与总能量的乘积作为特征变 量E;可分频段数为1 ~32个，优选分解频段数以覆盖特征频率范围为宜。
所述的振动信号一般大于0且小于等于10 MHz,振动信号的接收范 围为10kHz~ 100MHz。
所述的通过测定特征频段能量E的分布状况判断搅拌蒼反应器中分散 相含量的具体过程如下首先通过标定获得特征变量与反应器内分散相含 量两者之间的关系，以已知的分散相含量作为横坐标，其对应的特征变量 为纵坐标，做标准曲线，拟合标准曲线建立^t相含量的预测模型，再根 据实际生产中振动信号计算特征变量，最终根据预测模型或标准曲线得到 反应器内的分散相含量；
所述的预测模型例如E = a* exp(C/b) + c
其中E为特征变量，C为分散相含量，a、 b和c为通过拟合标准曲线 确定的常数。
搅拌釜式反应器内部的动态振动信号通过设置在反应器外壁或内部 的水听器接收装置进入放大装置进行信号的放大，以保证信号的长距离输 送，然后进入信号采集装置进行信号的A/D转换，最后进入信号处理装置(计算机)进行处理和分析。
通过置于反应器外壁或内部的水听器接收装置，釆集振动信号，分析 计算获得特征变量，当反应器内分散相含量增加时，由搅拌桨带动的分散 相增多，产生的振动信号的特征变量增大，当反应器内分散相含量减小时， 相应的振动信号的特征变量减小。
本发明适用的多相流动体系包括气固体系、液固体系、气液体系、 气液固体系。
本发明方法通过采集反应器内分散相的振动信号，分析并提取振动信 号中特征频段的能量为特征变量，借助预先标定建立的与反应器内分散相 含量之间的对应关系，由此可以实现搅拌釜反应器内分散相的在线检测。 根据检测结果，可以对反应器进行优化设计，达到指导生产、提高生产效 率的目的。与现有的方法相比具有如下一些优点
1) 振动接受装置可以是非插入式的也可以是插入式的，安装简易 方便，不会影响多相流体的运动或内部的反应；
2) 不需要发射源，振动信号是流体运动过程中产生的，安全环保；
3) 对测量条件要求低，能在比较恶劣的环境下全天候工作，即使 在高温高压等苛刻环境下仍能正常工作；
4) 反应灵敏，测量误差小，适用面广。
图1为实验室冷模搅拌蒼反应器示意图中，搅拌釜l、搅拌桨2、指型挡板兼进气管3、流量计4、风机5、 搅拌电机6、扭矩传感器7、数显仪表8、水听器检测装置9、前置放大器 10、放大器ll、带信号采集装置的计算机12
图2(a)为实施例1液固体系实验室冷模装置信号的傅立叶分析结果；
图2 (b)为实施例1的标定结果；
图3 (a)为实施例2气液体系冷模实验装置信号的傅立叶分析结果； 图3 (b)为实施例2标定结果；
图4为实施例3某中试装置在100、 140、 180、 220r/min四个不同转 速下特征变量E与分散相含量的标准曲线。
具体实施例方式
实施本发明方法的检测装置，包括信号的接收装置，信号釆集装置以
及信号处理装置。其中信号的接收装置为一个或多个水听器检测装置；信 号采集装置为一个或多个信号采集卡(A/D转化器)；信号处理装置为带 处理软件的处理器。
所述的振动信号的接收装置的信号输出端与信号放大装置的输入端 连接，信号放大装置的输出端与信号采集装置的输入端连接，所述的信号 放大装置为一个或多个信号放大器。该放大装置可以根据实际需要选择是 否使用。
振动信号接收装置的接收频率范围为10kHz~ 100MHz,放大装置和 信号采集装置放大范围为1~ 10000,其中接收频率范围以30kHz~500 kHz为佳，信号放大范围以1~100倍为佳。
实施例1:
采用如图1所示的室冷模搅拌蒼反应器，包括搅拌釜l、搅拌桨2、 指型挡板兼进气管3、流量计4、风机5、搅拌电机6、扭矩传感器7和数 显仪表8，水听器检测装置9依次通过前置放大器10、放大器11接入计 算机12，计算机12内安装信号采集卡和相应软件。
在搅拌釜中，对水和沙子组成的液固两相体系中的沙子浓度进行测 量。水听器检测装置设置在外壁面处，沙子的浓度范围为0.05 ~ 0.45 g/ml， 通过搅拌使两相混合运动，搅拌转速为150rpm。测量流体运动产生的振 动信号，釆样频率为200 kHz。首先把采集的振动信号进行放大，放大倍 率为10，对采集信号做傅立叶变换，结果如图2 (a)所示，并利用小波 分解的方法分解成9个频段，如表l所示；由图2(a)和表l可见，信号 的特征频段为第2频段，因此把第2频段的能量分率与总能量的乘积作为 特征变量E，以其为纵坐标，沙子浓度做横坐标作图，将得到的曲线拟合 得到两者的指数形式关联式
E= 1136.49* exp(C/0.15)+ 10714.85 与真实值相比，误差为4.36%。表1振动信号的8频段小波分解示意图
频段123456789
频率范100000 ~50000 ~25000 ~12500-6250-3125-1562.5 ~781.25 ~3卯.625 ~
围(Hz)200000100000500002500012500625031251562.5781.25
实施例2:
采用如图1所示的装置，在搅拌釜中，对水和空气组成的气液两相体 系中的气含量进行测量。水听器检测装置设置在搅拌釜内部，水中的气含 量通过进气速率控制，表观气含率变化范围为0.1-0.4。在气液两相体系 中设置振动信号检测器，测量流体运动产生的振动信号，采样频率为20 kHz,搅拌转速为140rpm。改变气液两相中的气含量测定不同条件下的振 动信号。傅立叶变换分析结果如图3 (a)所示，利用小波分解把采集的振 动信号分解成8个频段，如表2所示，对比图3 (a)和表2可见，特征频 段为第4、 5、 6频段，因此取三个频段的能量分率之和与总能量之积作为 特征变量E。以特征变量E为纵坐标，气含率为横坐标作图，将得到的曲 线拟合得到两者关联式
E= 41.41* exp(C /0.23) + 76.7
相对误差为5.34%。
表2振动信号的8频段小波分解示意图
频段12345678
频率范围10000-5000-2500-1250-625-312.5-156.25-78.125-
(KHz)20000薦0500025001250625312.5156.25
实施例3:
采用水听器接收装置在某中试规模生产聚丙烯装置中对分散相含量 进行了检测。其中液体丙烯为连续相，聚丙烯为分散相。在装置壁面设置 多个水听器检测装置，测量流体运动产生的振动信号，接收的振动信号频 率为10Hz~100MHz。聚乙烯含量从0.05 0.45g/ml变化，搅拌转速范围 100~180rpm,测定不同条件下的振动信号。利用小波包分解把采集的振 动信号分解成32个频段，对照傅立叶分析结果取第10-13等4个频段的 能量分率之和与总能量的乘积作为特征变量E。对不同条件下的第10-13 等4个频段的能量分率之和与总能量的乘积作为特征变量E，以其为纵坐 标，聚丙烯含量为横坐标作图，得到的结果如图4所示。
7使用标准曲线法对标定实验的结果进行处理(图4),得到标定曲线。 正常生产时，采集反应器振动信号，通过运算得出特征变量，再根据标定 曲线读出反应器内分散相含量。
权利要求
1. 一种搅拌釜中分散相含量的检测方法，包括以下步骤(1)在搅拌釜内部或外壁面设置水听器检测装置；(2)接收多相流体运动过程中产生的振动信号；(3)分析接收到的振动信号，先用傅立叶变换获得振动信号的特征频率范围，然后利用小波分解或小波包分解的方法把振动信号在接收的全频率范围上按频率分解成若干频段，选取覆盖特征频率范围的一个或几个频段作为特征频段，将各个特征频段能量分率之和与总能量的乘积作为特征变量；(4)根据预先标定的特征变量与反应器内分散相含量之间的预测模型或标准曲线，通过分析采集的振动信号的特征变量判断搅拌釜内的分散相含量。
2. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的振动信号 放大后再进行分析。
3. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于振动信号在接收 的全频率范围上按频率分解成1 ~ 32个频段。
4. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于以分散相含量做 横坐标，特征变量做纵坐标作图，获得标准曲线。
5. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于以分散相含量做 横坐标，特征变量做纵坐标作图，获得标准曲线，通过拟合标准曲线得到 预测模型E= a* exp(-C/b) + c;其中E为特征变量，C为分散相含量；a、 b和c为通过拟合标准曲线确定 的常数。
6. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的水听器检 测装置设置一个或多个。
7. 如权利要求1所述的检测方法，其特征在于所述的振动信号 的接收频率范围为10kHz~100MHz。
全文摘要
本发明公开了一种搅拌釜中分散相含量的检测方法，包括以下步骤(1)在搅拌釜内部或外壁面设置水听器检测装置；(2)接收多相流体运动过程中产生的振动信号；(3)分析接受到的振动信号，把振动信号按频率分解，根据体系选取特征频段的能量分率与总能量的乘积作为特征变量；(4)根据预先标定的特征变量与反应器内分散相含量之间的预测模型或标准曲线，通过分析采集的振动信号的特征变量判断反应器内的分散相含量。本发明适用于气固体系、液固体系、气液体系、气液固体系等多相体系以及有化学反应发生的多相流动体系，具有简易快捷、安全环保、实时在线的特点，能方便地测量搅拌釜中分散相的含量。
文档编号G01N29/42GK101532989SQ200910097679
公开日2009年9月16日 申请日期2009年4月16日 优先权日2009年4月16日
发明者兵 汪, 王云兴, 王靖岱, 蒋斌波, 阳永荣, 黄正梁 申请人:浙江大学