CN103063328A - 一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法和设备 - Google Patents

Abstract

一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法和设备，该方法包括：步骤1：采集被测煤垛现场的气象数据；步骤2：获取被测煤垛的表面温度（T_S）；步骤3：获取煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；步骤4：通过所述几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度（L）；步骤5：通过气象数据、表面温度（T_S）、热物性参数、边界层深度（L）计算煤垛的边界层温度（T_C）；步骤6：根据边界层温度（T_C），结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度（T_I）。本发明可通过无接触测量煤垛表面温度直接计算煤垛内部温度，快速、实时、可靠地掌握煤垛的内部温度变化。

Description

一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法和设备

技术领域

本发明涉及测量露天煤垛内部温度的方法和设备，更具体而言，涉及一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法和设备。

背景技术

煤垛内部温度的变化，内热源的产生，以致自燃是一个十分缓慢的过程，在此过程中包含着极其复杂的物理化学变化，而且影响因素众多。现有对煤垛自燃的研究侧重于对煤垛的早期预测预报和火源探测技术。

煤炭自燃的早期预测预报和火源探测技术，需要首先解决两个问题：一是发现煤体自燃隐患点或火源位置；二是获取煤体自燃隐患点或火源的温度。其中发现自燃隐患点或火源位置是灭火的前提，因此如何快速准确的对自燃隐患点进行探测定位将是预测预报乃至防灭火措施的关键。

煤炭自燃隐患点或火源探测即通过探测仪器或传感器确定煤体自燃隐患点或火源的位置、范围与温度等。目前，国内外煤炭自燃预报与火源探测的最常采用气体分析法和温度检测法。

气体分析法能预测高温区域温度，但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度。温度检测法主要使用测温传感器和红外探测设备进行煤炭内部或表面温度的探测。测温传感器式的测温检测法适用性强，能直接测取煤炭的温度，但会受测温点位置、范围、数量等条件的限制。随着红外探测器技术的发展，红外成像技术在目标的红外测温方面得到了广泛的应用。与一般测温技术相比，红外测温技术具有无需与被测物体接触、测量速度快、测温面较宽、便于查找高温区、可实现实时观测和自动测量、探测距离可调、可全天候工作、可夜视等突出优点。因此，红外成像测温技术已成为目前测温领域的高新技术设备，是煤炭自燃高温火源点区域探测的发展方向。

然而，目前红外成像测温技术大多关注于研究成像系统本身的特性，关注于对数字红外图像的处理以提高测温精度，对如何根据煤垛表面温度计算内部温度情况，如何实时非接触式地掌握煤垛的温度变化等问题尚未有可行有效的解决方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，该方法包括步骤：步骤1：采集被测露天煤垛现场的气象数据；步骤2：获取被测露天煤垛的表面温度T_S；步骤3：获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；步骤4：通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度L；步骤5：通过气象数据、表面温度T_S、热物性参数、边界层深度L计算被测煤垛的边界层温度T_C；步骤6：根据边界层温度T_C，结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度T_I。

本发明还提供一种非接触式测量露天煤垛内部温度的设备，该设备包括：第一采集装置，用于采集被测露天煤垛现场的气象数据；第二获取装置，用于获取被测露天煤垛的表面温度T_S；第三获取装置，用于获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；第一计算装置，用于通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度L；第二计算装置，用于通过气象数据、表面温度T_S、热物性参数、边界层深度L计算被测煤垛的边界层温度T_C；第三计算装置，用于根据边界层温度T_C，结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度T_I。

本发明通过煤垛表面温度来测算煤体内部温度，本发明的方法能够通过无接触采集煤垛表面温度，结合煤垛相关参数，快速、实时、可靠地直接计算煤垛内部温度，清楚地掌握煤垛的内部温度变化。

另外，本发明方法融合远红外测温、传热学等相关领域的优点，针对露天煤垛表面受环境影响大，而内部受环境影响小的特点，通过将煤垛合理地分解成两个部分，对被测煤垛内部温度进行有效估算；

而且，本发明方法针对性强，克服了常规探头测温法测量范围小、安装维护工作量大、探头引线易损坏的缺点，也突破了红外测温法只能测量表面温度的应用局限性，具有可实时观测、自动测量、探测距离可调、可全时段全天候工作等突出优点。

附图说明

图1示出了本发明的非接触式测量煤垛内部温度的方法；

图2示出了本发明具体实施例中的煤垛红外辐射亮度图；

图3示出了本发明的计算露天煤垛内部温度的设备的结构图。

具体实施方式

本发明的原理是：由于露天煤垛会受到天气环境（特别是风、太阳辐射、空气湿度、大气温度等因素）的影响，使得其表面温度随天气波动较大。而天气情况对煤垛的影响会随煤层深度的增加而减弱，到达一定深度后天气影响可忽略，煤体温度相对稳定，具有煤体自燃的条件，是内热源最有可能出现的区域（通常认为，露天煤垛的内部热源出现于内部2~3米深度处）。因此，本发明在对煤垛内部温度进行计算时，根据外部天气环境对被测煤垛影响程度的差异将煤垛分为两部分：第一部分受外部天气环境影响，定义为外层；第二部分不受外部天气环境影响，定义为内层，两层交界定义为边界层。本发明通过边界层的温度来得到内部层的温度。

以下结合具体实施例及附图来对本发明作进一步的说明，这些说明不用来限制本发明的范围。

图1示出了本发明的用于非接触式测量煤垛内部温度的方法。如图所示，所述方法包括下述步骤1至6：

步骤1：采集被测露天煤垛现场的气象数据；

步骤2：获取被测露天煤垛的表面温度T_S；

步骤3：获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；

步骤4：通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度L；

步骤:5：通过气象数据、表面温度T_S、热物性参数、边界层深度L计算被测煤垛的边界层温度T_C；

步骤6：根据边界层温度T_C，结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度T_I。

在步骤1中，采集气象数据可以通过用气象站、红外辐射照度计、大气能见度仪等设备进行，采集的气象数据主要包括：风速、大气压力、空气湿度、气温、大气能见度、太阳和天空背景辐射照度等。

对于所述步骤2，获取被测露天煤垛的表面温度T_S可以有多种方法，比如通过人工定点温度传感器测量、温度传感器布点测量以及红外热像仪的无接触测量等。以采用红外热像仪拍摄红外图像进行被测煤垛表面测温为例，该方法包括以下步骤：

步骤2.1：用远红外热像仪拍摄得到露天煤垛的红外图像；

步骤2.2：利用采集的气象数据去除天候效应对拍摄得到的被测煤垛红外图像的影响；

步骤2.3：将去除天候效应后的被测煤垛红外图像进行温度映射，获得被测煤垛的表面温度T_s。

所述红外图像可以是红外辐射亮度图，例如可以采用如下方法获得表面温度（该实例仅用于举例，而不用于限制本发明）。首先拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图；然后计算拍摄时刻被测煤垛的反射强度、大气程辐射亮度和大气透过率；然后从红外亮度图中去除被测煤垛的反射成分和大气程辐射成分，以得到去除天候效应后的红外辐射亮度图；然后确定所述拍摄时刻被测煤垛的发射率数据；最后，根据所述发射率数据以及去除天候效应后的红外辐射亮度图确定煤垛的表面温度。

在步骤3中，可通过资料查询、文献检索或检测等方法获取煤垛的煤质、热物性参数、密度以及孔隙率等参数。

所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1：通过建立不同几何形状（如圆锥体、梯形体等）、不同体积的不同煤质煤垛，由内部布放由温度传感器组成的温度探测点测定得到边界层深度L，建立不同煤质煤垛的边界层深度数据表；

步骤4.2：结合被测煤垛的几何形状、体积、煤质，查找边界层深度数据表，获取被测煤垛的边界层深度L；

所述步骤5包括以下步骤：

步骤5.1：根据表面温度T_s以及边界层深度L，采用热平衡方程，计算边界层温度T_C。

边界层温度T_C的计算式为公式（1）：

T_C＝a×(G/L-T_s)+b(L)    （1）

其中T_C为被测煤垛的边界层温度；T_S为表面温度；G为热传导通量；L为边界层深度；a为与煤垛热物性参数相关的系数；b(L)为修正函数，与深度L和天气情况相关。

所述步骤6包括以下步骤：

步骤6.1：基于获得的被测煤垛煤体热物性参数、密度、孔隙率，根据多孔介质流体力学、传质和传热学理论,通过氧浓度场和温度场的数学推演，建立点热源对周围煤体温度的影响函数；

步骤6.2：根据边界层温度T_C、边界层深度L、影响函数，计算得到被测煤垛的内部温度T_I。

内部温度T_I的计算式为公式（2）：

$T_C=f(T_I,R)=Q(n,C,V)\·\frac{T_I}{{\left(4\mathrm{\π\μ}\right)}^{3/2}}\·e^{\frac{-{\mathrm{\λ}}_c}{4\mathrm{\μ}\·c\·\mathrm{\ρ}\·R}}---\left(2\right)$

其中，T_I为被测煤垛内部温度；R为边界层距所需计算的内部温度点的距离；ρ为煤垛的密度；c为比热；λ_c为导热系数；μ为比例常数，根据实验仿真结果（根据实验获得的计算参数，用计算机对测量结果进行曲线拟合，再由曲线拟合得到的参数反过来计算），其值为0.09156；Q(n,C,V)为影响函数，具体为煤体氧化放热功率函数，其中，n为空隙率，C为氧浓度，V为煤体的耗氧速度。可见，由第一部分计算得到的T_C，即可根据上式反推得到被测煤垛内部温度点的温度值T_I。

以下进一步介绍根据本发明的一个具体实施方案的用于非接触式测量煤垛内部温度的方法。

本实例旨在对晴天天气条件下某地的一处煤垛进行非接触式煤垛内部温度测量。

实施例中，被测煤垛堆放为梯形，长65米，宽21米，高14米。为模拟煤垛内部高温，预先在煤垛距表面2米深处埋放了一块长宽均为0.5米的硅胶电热膜片作为内部热源，膜片温度设置为200°C。膜片工作24小时后用远红外热像仪拍摄被测煤垛的红外辐射亮度图，红外热像仪测量波段为8-14μm，分辨率为320×256。拍摄时刻的天候数据、地理位置信息以及测量距离（即拍摄位置到被测煤垛的距离）如下面表1所示：

表1

实施例采集得到的被测煤垛红外辐射亮度图如图2所示。在图2中选取温度较高的三点（1,2,3）进行内部温度计算，所选取的温度计算点分别标记为1-T_S1、2-T_S2与3-T_S3。根据步骤2的方法计算得到T_S1=38.1；T_S2=39.5；T_S3=38.9（单位°C）。

另外，结合实施例中煤垛的煤质特性，由边界层深度数据表查询得到该被测煤垛的边界层深度L=0.35米。

由被测煤垛的表面温度T_S1、T_S2、T_S3与边界层深度L，代入公式（1）计算得到边界层的温度T_C1、T_C2与T_C3分别为：23.1°C、22.6°C、22.7°C。

在本实例中，设定所需计算的内部温度点深度为2米，因此，由被测煤垛的边界层温度L、边界层据内部温度计算点的深度（即公式（2）中的R=2-0.35=1.65米）以及煤质参数，代入公式（2）可计算得到所选取的3个温度点的内部温度T_I1、T_I2与T_I3分别为：212°C、204°C、207°C。

为了验证本发明方法的有效性，在实施例中，采用热电偶温度测量仪器被测煤垛对所选取的3个温度计算点进行了边界层温度以及内部计算点温度的测量，每个位置测量5次，取平均值作为最终测量温度。被测煤垛所选取的3个温度点边界层温度、计算得到的内部温度的对比结果如下面表2所示：

表2（单位：°C）

由表2可见，通过本发明专利的非接触式煤垛内部温度计算的方法，可有效计算煤垛的内部温度（平均计算误差<5%），证明了本方法的有效性、直观性和实用性。

本发明还提供一种计算露天煤垛内部温度的设备，其结构如图3所示。所述设备包括：第一采集装置，用于采集被测露天煤垛现场的气象数据。第二获取装置，用于获取被测露天煤垛的表面温度T_S。第三获取装置，用于获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率。

第三获取装置将煤体特性参数传输到第一计算装置，第一计算装置通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度L。第一采集装置采集的气象数据、第二获取装置获取的煤垛表面温度、第一计算装置计算出的边界层深度L传输到第二计算装置。第二计算装置通过气象数据、表面温度（T_S）、热物性参数、边界层深度L计算被测煤垛的边界层温度T_C。第二计算装置的计算出的边界层温度T_C传输到第三计算装置，第三计算装置用于根据边界层温度T_C，结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度T_I。

进一步，所述第一计算装置包括：数据表建立装置，用于根据不同煤质煤垛的几何形状和体积来测定边界层深度L，建立不同煤质煤垛的边界层深度数据表；边界层深度获取装置，用于结合被测煤垛的几何形状、体积、煤质，查找边界层深度数据表，获取被测煤垛的边界层深度L。

进一步地，所述第二计算装置用于根据表面温度T_s、煤垛热物性参数以及边界层深度L，通过热平衡方程计算边界层温度T_C。

进一步地，所述第三计算装置包括：影响函数建立装置，用于基于煤体热物性参数、密度、孔隙率，建立点热源对周围煤体温度的影响函数；内部温度计算装置，用于根据边界层温度T_C、边界层深度L、影响函数，计算得到被测煤垛的内部温度T_I。

上述实例为本发明一种典型的实施方式，但并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，包括步骤：

步骤1：采集被测露天煤垛现场的气象数据；

步骤2：获取被测露天煤垛的表面温度（T_S）；

步骤3：获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；

步骤4：通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度（L）；

步骤5：通过气象数据、表面温度（T_S）、热物性参数、边界层深度（L）计算被测煤垛的边界层温度（T_C）；

步骤6：根据边界层温度（T_C），结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度（T_I）。

2.根据权利要求1所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，在所述步骤1中，所述气象数据包括：风速、大气压力、空气湿度、气温、大气能见度、太阳和天空背景辐射照度。

3.根据权利要求1所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤2.1：获得被测煤垛的红外图像；

步骤2.2：利用采集的气象数据结合获得的红外图像进行天候效应对红外图像的影响去除；

步骤2.3：将去除天候效应后的被测煤垛红外图像进行温度映射，获得被测煤垛的表面温度（T_s）。

4.根据权利要求1所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤4.1：根据不同煤质煤垛的几何形状和体积来测定边界层深度（L），建立不同煤质煤垛的边界层深度数据表；

步骤4.2：结合被测煤垛的几何形状、体积、煤质，查找边界层深度数据表，获取被测煤垛的边界层深度（L）。

5.根据权利要求1所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，所述步骤5包括：

步骤5.1：根据表面温度（T_s）、煤垛热物性参数以及边界层深度（L），通过热平衡方程计算边界层温度（T_C）。

6.根据权利要求1所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的方法，其特征在于，所述步骤6包括：

步骤6.1：基于煤体热物性参数、密度、孔隙率，建立点热源对周围煤体温度的影响函数；

步骤6.2：根据边界层温度（T_C）、边界层深度（L）、影响函数，计算得到被测煤垛的内部温度（T_I）。

7.一种非接触式测量露天煤垛内部温度的设备，其特征在于，包括：

第一采集装置，用于采集被测露天煤垛现场的气象数据；

第二获取装置，用于获取被测露天煤垛的表面温度（T_S）；

第三获取装置，用于获取被测露天煤垛的煤体特性参数，其中所述煤体特性参数包括煤垛的几何形状、体积、煤质、热物性参数、密度、孔隙率；

第一计算装置，用于通过所述煤垛的几何形状、体积、煤质获得煤垛的边界层深度（L）；

第二计算装置，用于通过气象数据、表面温度（T_S）、热物性参数、边界层深度（L）计算被测煤垛的边界层温度（T_C）；

第三计算装置，用于根据边界层温度（T_C），结合热物性参数、密度、孔隙率，计算煤垛内部温度（T_I）。

8.根据权利要求7所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的设备，其特征在于，所述第一计算装置包括：

数据表建立装置，用于根据不同煤质煤垛的几何形状和体积来测定边界层深度（L），建立不同煤质煤垛的边界层深度数据表；

边界层深度获取装置，用于结合被测煤垛的几何形状、体积、煤质，查找边界层深度数据表，获取被测煤垛的边界层深度（L）。

9.根据权利要求7所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的设备，其特征在于，所述第二计算装置用于根据表面温度（T_s）、煤垛热物性参数以及边界层深度（L），通过热平衡方程计算边界层温度（T_C）。

10.根据权利要求7所述的非接触式测量露天煤垛内部温度的设备，其特征在于，所述第三计算装置包括：

影响函数建立装置，用于基于煤体热物性参数、密度、孔隙率，建立点热源对周围煤体温度的影响函数；

内部温度计算装置，用于根据边界层温度（T_C）、边界层深度（L）、影响函数，计算得到被测煤垛的内部温度（T_I）。

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