专利名称：一种沸腾状态的检测方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及声发射技术检测方法和装置领域，尤其涉及一种水沸腾状态的声发射检测方法和装置。
背景技术：
沸腾作为一种传热技术，具有传热速率高、传热温差小的特点，在核能建设、热能工程、冷冻工业、化学工程等领域应用广泛。水是最常用的沸腾介质，具有价廉易得、汽化热高、热容量大的优点。根据过热度(S卩加热面温度与水的饱和温度之差)的不同，沸腾曲线可分为四个典型的传热区域，即自然对流区、核态沸腾区、过渡沸腾区和膜态沸腾区。由于在核态沸腾区中用小的过热度即可获得高的传热速率及对流传热系数，因此，工业中的换热设备通常要求在核态沸腾区工作。如果过热度继续提高，沸腾将进入过渡沸腾区。此时，传热通量不仅不随过热度增大而升高，反而迅速降低，造成传热恶化。同时，对于加热蒸发设备，一旦加热的热通量超过临界热通量，壁温将迅速上升，甚至可能造成设备烧毁的严重后果。因此，实现对换热设备内部沸腾状态的识别和监控，对于提高锅炉、蒸发器等工业设备的传热效率，防止沸腾传热中烧毁现象的发生，确保装置的长周期安全、稳定运行具有重要意义。目前，换热设备内部沸腾状态的检测方法主要为摄像法。刁彦华(化工学报，2005，56(2):227-234)等利用ITO透明加热膜和高速摄影仪对沸腾过程中的气泡行为进行了可视化研究，观察了气泡的生长、脱离以及相邻气泡之间的合并情况。根据气泡动力学特点与沸腾状态的对应关系，利用摄像法可以对沸腾状态进行识别和检测。但摄像法具有设备成本高，且对于非透明换热设备无法使用的缺点。Petr BENES (XIX IMEKO World Congress, 2009, 1396-1401)分析了沸腾过程中声信号产生的原因并利用声发射技术对沸腾过程进行了检测，指出了声发射信号的特征参数与传热表面的过热情况有密切关系。Ho Sung Lee (Western Michigan University,Technical Report Number MAE-04-04)通过实验研究发现随着热流密度的增加,声信号的主频下降。但目前尚无利用声发射技术对沸腾状态进行识别和检测的相关报道。声发射技术是一种基于非侵入式测试技术、瞬态实时分析技术的简易快捷、安全环保的检测方法。Petr BENES和Ho Sung Lee等通过实验研究指出声信号特征值与沸腾过程传热情况存在一定的关系。但是对于沸腾状态的检测和识别，没有提出明确的判据，因而无法准确判断换热设备内沸腾状态，尤其是过渡沸腾状态的出现，可能造成换热设备烧毁的严重后果。因此，利用声发射技术对沸腾过程进行检测，并提出明确的沸腾状态转变的判据，使其具有工业实用性，具有十分重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有检测技术在部分工业换热设备中无法实时精确地检测沸腾状态变化的问题，提供一种沸腾状态的检测方法及装置。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:一种水沸腾状态的声发射检测方法包括如下步骤:
1)接收换热设备内部的声发射信号；
2)分析接收到的声发射信号，选取声信号的总能量E、标准偏差STD、平均绝对偏差AAD与主频f或四者之间的组合参数作为特征参数；
3)通过时域分析和频域分析得到声信号总能量E、标准偏差STD、平均绝对偏差AAD和主频f随时间的变化图谱，根据特征参数的变化特点确定沸腾过程所处的状态，并实时监测沸腾状态的转变；
4)使用声信号总能量E、标准偏差STD和平均绝对偏差AAD判断沸腾状态的定性判据为:沸腾过程中，随时间的变化和过热度的增加，当声信号总能量E和标准偏差STD达到第一个极大值点时，代表沸腾由自然对流状态进入核态沸腾状态，当声信号总能量E和标准偏差STD由逐渐降低变为出现剧烈的波动时，代表沸腾由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态；当声信号的平均绝对偏差AAD达到第一个极大值点时,代表沸腾由自然对流状态进入核态沸腾状态，当声信号的平均绝对偏差AAD达到第一个极小值点时，代表沸腾由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态；
5)使用声信号主频f判断沸腾状态的判据为:沸腾过程中，随时间的变化和过热度的增加，k值大于阈值，认为沸腾状态发生了转变，由自然对流状态进入核态沸腾状态，或由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态；其中k值的计算公式为
权利要求
1.一种水沸腾状态的检测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤: 1)接收换热设备内部的声发射信号； 2)分析接收到的声发射信号，选取声信号的总能量E、标准偏差STD、平均绝对偏差AAD与主频f或四者之间的组合参数作为特征参数； 3)通过时域分析和频域分析得到声信号总能量E、标准偏差STD、平均绝对偏差AAD和主频f随时间的变化图谱，根据特征参数的变化特点确定沸腾过程所处的状态，并实时监测沸腾状态的转变； 4)使用声信号总能量E、标准偏差STD和平均绝对偏差AAD判断沸腾状态的定性判据为:沸腾过程中，随时间的变化和过热度的增加，当声信号总能量E和标准偏差STD达到第一个极大值点时，代表沸腾由自然对流状态进入核态沸腾状态，当声信号总能量E和标准偏差STD由逐渐降低变为出现剧烈的波动时，代表沸腾由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态；当声信号的平均绝对偏差AAD达到第一个极大值点时,代表沸腾由自然对流状态进入核态沸腾状态，当声信号的平均绝对偏差AAD达到第一个极小值点时，代表沸腾由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态； 5)使用声信号主频f判断沸腾状态的判据为:沸腾过程中，随时间的变化和过热度的增加，k值大于阈值，认为沸腾状态发生了转变，由自然对流状态进入核态沸腾状态，或由核态沸腾状态进入过渡沸腾状态；其中k值的计算公式为k= J「Jt+M X100 ，其中4+ 为(+ Δ 时刻声信号的主频值，i为 时刻声信号的主频值，At为声信号采集记录的间隔时间。
2.根据权利要求1中所述的水沸腾状态的检测方法，其特征在于，所述的换热设备为采用水作为沸腾介质的换热设备，包括锅炉、蒸发器。
3.根据权利要求1所述的沸腾状态的检测方法，其特征值在于，所述阈值为多次重复实验并通过数据分析得到。
4.根据权利要求1所述的沸腾状态的检测方法，其特征在于:所述的声信号的接收频率范围为O Hz-20 MHz。
5.根据权利要求4所述的沸腾状态的检测方法，其特征在于:所述的声信号的接收频率不超过I MHz。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的水沸腾状态的检测方法的装置，其特征在于，它包括换热设备(1)，接收换热设备(I)中声信号的信号接收装置(2)，顺次相连的信号放大装置(3)，信号采集装置(4)，信号处理装置(5)，输出显示装置(6)和控制装置(7)，信号接收装置(2)将换热设备(I)中的声信号转化为电信号，经信号放大装置(3)放大、采集装置(4) A/D转换后传入信号处理装置(5)，处理结果显示在输出显示装置(6)上，控制装置(7)根据处理结果对换热设备(I)进行控制。
7.根据权利要求6所述的换热设备内部水沸腾状态的检测装置，其特征在于，所述的信号接收装置(2)设置在换热设备(I)内加热装置汽化核心密集的壁面外侧或加热装置的外壁面区域。
全文摘要
本发明涉及一种水沸腾状态的声发射检测方法，主要解决现有技术在部分工业换热设备中无法实时精确地检测沸腾状态变化的问题。该方法包括步骤1)接收换热设备内部的声信号；2)选取声信号的总能量、标准偏差、平均绝对偏差和主频作为特征参数；3)分析特征参数的变化特点并以k值为判据，用以判断沸腾状态及其转变。该方法可以准确、有效地获得信号的特征参数，可用于工业生产中简便快捷、实时在线地检测换热设备内部的沸腾状态及其转变。本发明还公开了一种检测装置，包括信号接收装置、信号放大装置、信号采集装置、信号处理装置、输出显示装置和控制装置。该装置是非侵入式的，使用简易方便，对不同换热设备适用性强。
文档编号G01N25/12GK103115936SQ201310039709
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月29日 优先权日2013年1月29日
发明者王靖岱, 张擎, 黄正梁, 阳永荣, 蒋斌波, 董克增, 杨遥, 何乐路, 蒋云涛 申请人:浙江大学