CN107300533A - 散货煤堆表层水分远距离测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及煤炭领域，具体涉及煤炭水分测量技术。散货煤堆表层水分远距离测量系统，通过向煤堆同时发射两束激光，同时探测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，利用液态水对两束不同频率激光吸收成度的差异，来远距离探测煤堆表层的水分含量。本发明利用激光差分吸收技术来实现了远距离探测散货煤堆表层的水分含量。
Description
技术领域
本发明涉及煤炭领域，具体涉及煤炭水分测量技术。
背景技术
目前，国内外物料含水量测量主要有直接法和间接法两大类。①直接法主要是通过干燥法或化学方法，直接去除或者提取样品中的水分，检测出物料的绝对含水量，该方法测量时间较长，过程中会有人为误差，且不能对水分进行在线测量，不能实现对物料含水量的实时测量。②间接测量法就是通过检测与物料含水量有关的电量或者非电量等物理量变化来确定含水量的检测方法，如检测物料的电导率、磁导率、介电常数、光谱等参数，通过相应算法建立物料含水量与物料介质特性等参量的函数关系，从而获得物料含水量的检测结果，常用的主要有电阻（导）法、电容法、中子法、红外法和微波法等；虽然上述各方法各有优点，但也有其各自的局限性，其中红外法、微波法测量时不与被测物料接触，具有响应速度很快、安全、不受物料特性影响等优点，已得到了较为广泛的应用。
红外法又称红外线吸收法，此法是利用物料对红外线特征吸收光谱的吸收量随物料含水量而变的原理来检测物料含水量。物料随含水量的不同，对特定波长红外线辐射能量的吸收能力也不同，只要以红外光源照射被测物料，用透射法或反射法测得吸光度便能完成物料含水量的测定。但红外法测量结果受环境光学特性影响较大，一般理想的测量距离在1m内，不适宜距离较远的探测，目前所使用的红外水份仪可以测量煤炭这一物质的含水量，在技术上无法实现测量堆场中煤炭料堆表层的含水量。
微波法是利用微波（高频电磁波）通过空间辐射或穿过介质内部的方式进行测量的一种技术，具体是利用微波的穿透性以及水对微波能量的损耗变量，来测出通过物质后的功率衰减、相位变化、谐振频率等物理量，从而间接测得该物质中的含水量值，一般用于测量全物料的含水量，其测量范围宽、精度高、可靠性好、抗干扰能力强、便于实现在线实时测量。但该技术仍无法实现测量堆场中煤炭料堆表层的含水量。
我国港口煤炭散货堆场大多为露天堆存，堆场中的煤堆会因含水量的减少以及天气等原因产生粉尘污染和煤炭自燃等危害，长久以来各企业只能凭人为的经验采取对煤堆定期喷洒水的方法来进行现场管理，未见有任何针对露天煤堆水份的测量、监测手段，到目前为止市场上也没有相应的测量设备或仪器可供选用，造成港口企业在安全、环保、节能等方面的管理效用性较差，其安全、环保的效果不尽人如意。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种散货煤堆表层水分远距离测量系统，以解决上述技术问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，通过向煤堆同时发射两个波长的激光，同时探测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，利用液态水对不同频率激光吸收程度的差异，来远距离探测煤堆表层的水分含量。
所述散货煤堆表层水分远距离测量系统包括激光发射模块和激光接收模块；
所述激光发射模块包括一强吸收激光器和一弱吸收激光器，所述强吸收激光器发射强吸收激光，所述弱吸收激光器发射弱吸收激光，强吸收激光器和弱吸收激光器经光纤合束器合束后，一路信号用于发射激光能量监测，一路信号经过准直透镜组发射至煤堆；
激光接收模块接收煤堆反射的回波信号。
强吸收激光器、弱吸收激光器分别连接有一个激光器控制器，连接所述强吸收激光器的为第一激光控制器，连接所述弱吸收激光器的为第二激光控制器；
且两个激光器控制器各连接有一个强度调制电路，连接所述第一激光控制器的为第一强度调制电路，连接所述第二激光控制器的为第二强度调制电路，所述强度调制电路是一用于加入正弦波调制的强度调制电路。环境温度的变化会直接影响激光器发射激光的波长，使用激光控制器能限制激光器本机的温度，能增加激光器的灵敏度，也能增加激光器的耐久性。此外，可通过强度调制电路对发射激光进行强度调制。
强吸收激光器、弱吸收激光器均采用DFB激光器。使用DFB激光器能提升光谱纯度，提升系统的稳定性。
激光接收模块设有两个探测器，以其中一个用于接收煤堆反射的回波信号作为探测器，另一个用于接收激光能量监测信号，以用于接收激光能量监测信号的探测器作为参考探测器，两个探测器的探测信号经双通道A/D转换器转换后，送至工控机，所述工控机连接两个激光控制器。双通道A/D转换器可以同时接收所述参考探测器和所述探测器的激光检测信号，实现模拟信号到数字信号的转换，所述工控机接收所述双通道A/D转换器的信号并处理，计算煤堆表层的含水量，并控制并调整激光控制器的工作情况。
所述激光接收模块包括一激光汇聚透镜，所述激光汇聚透镜是一接收望远镜，所述激光汇聚透镜连接所述探测器。激光汇聚透镜聚集激光信号传递至探测器，增强了探测器信号的强度，方便远距离接收激光信号。
所述接受望远镜直径可以为100mm。
散货煤堆表层水分远距离测量系统，还包括一喷淋装置，所述工控机连接所述喷淋装置。当所述工控机检测出煤堆表层水分过低时，工控机传递信号至所述喷淋装置，喷淋装置开始工作，实现了煤堆喷水的自动化，提高了煤堆的安全性。
所述散货煤堆表层水分远距离测量系统还包括一系统指向控制模块。
所述系统指向控制模块包括二维旋转台，所述激光发射模块、激光接收模块均固定在所述旋转台上。所述二维旋转台能控制测量系统的探测方向，对煤堆表面各处进行探测，避免了数据单一的状况，提高了测量系统的精确性和实用性。旋转台能在俯仰和方位两个方向进行扫描，定位精度达到1°，50m处分辨率约0.4m。
有益效果：本发明在传统的测量方法上采用了新的激光差分吸收技术，利用液态水对两束不同频率激光吸收程度的差异，来探测散货煤堆表层的水分含量。探测方法是所述强吸收激光器和所述弱吸收激光器同时发射激光至煤堆表层，所述参考探测器探测发射激光信号；所述激光接收模块接收激光回波信号,所述探测器对激光回波信号进行探测。所述双通道A/D转换器和工控机接受所述参考探测器及所述探测器的模拟信号，并通过处理模拟信号检测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，通过换算得到煤层表面附着的液态水的含量，进而确定煤层表面的湿度。
本发明解决了背景技术中存在的难题，在测量系统中运用激光差分吸收技术，为我国露天煤堆的水分测量提供了方便，避免了煤堆由于无法监测而含水量不足导致煤炭自燃，为社会安定提供了保障。而且由于本发明运用的是激光探测技术，所以可以远距离发射激光对散货煤堆表层进行探测，解决了传统测量系统需要至现场进行测量的难题，更方便对散货煤堆表层的水分进行实时监测，增加了本专利的实用性。
附图说明
图1为本发明的整体结构图；
图2为激光发射模块的结构图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1、图2，散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，通过向煤堆同时发射两束激光，同时探测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，利用液态水对两束不同频率激光吸收成度的差异，来远距离探测煤堆表层的水分含量。散货煤堆表层水分远距离测量系统包括激光发射模块和激光接收模块；激光发射模块包括一强吸收激光器1和一弱吸收激光器2，强吸收激光器1发射强吸收激光，弱吸收激光器2发射弱吸收激光，强吸收激光器1和弱吸收激光器2经光纤合束器3合束后，一路信号用于发射激光能量监测，一路信号经过准直透镜组4发射至煤堆；激光接收模块接收煤堆反射的回波信号。强吸收激光器1、弱吸收激光器2分别连接有一个激光器控制器，连接强吸收激光器1的为第一激光控制器5，连接弱吸收激光器2的为第二激光控制器6。且两个激光器控制器各连接有一个强度调制电路，连接第一激光控制器5的为第一强度调制电路7，连接第二激光控制器6的为第二强度调制电路8，强度调制电路是一用于加入正弦波调制的强度调制电路。环境温度的变化会直接影响激光器发射激光的波长，使用激光控制器能限制激光器本机的温度，能增加激光器的灵敏度，也能增加激光器的耐久性。此外，可通过强度调制电路对发射激光进行强度调制。强吸收激光器1、弱吸收激光器2均采用DFB激光器。使用DFB激光器能提升光谱纯度，提升系统的稳定性。
激光接收模块设有两个探测器，以其中一个用于接收煤堆反射的回波信号作为探测器9，另一个用于接收激光能量监测信号，以用于接收激光能量监测信号的探测器作为参考探测器10，两个探测器的探测信号经双通道A/D转换器11转换后，送至工控机12，工控机12连接两个激光控制器。双通道A/D转换器11可以同时接收参考探测器10和探测器9的激光检测信号，实现模拟信号到数字信号的转换，工控机12接收双通道A/D转换器11的信号并处理，计算煤堆表层的含水量，并控制并调整激光控制器的工作情况。激光接收模块包括一激光汇聚透镜13，激光汇聚透镜13是一接收望远镜，激光汇聚透镜13连接探测器9。激光汇聚透镜13聚集激光信号传递至探测器9，增强了探测器信号的强度，方便远距离接收激光信号。接受望远镜直径可以为100mm。散货煤堆表层水分远距离测量系统，还包括一喷淋装置，工控机12连接喷淋装置。当工控机12检测出煤堆表层水分过低时，工控机12传递信号至喷淋装置，喷淋装置开始工作，实现了煤堆喷水的自动化，提高了煤堆的安全性。散货煤堆表层水分远距离测量系统还包括一系统指向控制模块。系统指向控制模块包括二维旋转台，激光发射模块、激光接收模块均固定在旋转台上。二维旋转台能控制测量系统的探测方向，对煤堆表面各处进行探测，避免了数据单一的状况，提高了测量系统的精确性和实用性。旋转台能在俯仰和方位两个方向进行扫描，定位精度达到1°，50m处分辨率约0.4m。
有益效果：本发明在传统的测量方法上采用了新的激光差分吸收技术，利用液态水对两束不同频率激光吸收程度的差异，来探测散货煤堆表层的水分含量。探测方法是强吸收激光器1和弱吸收激光器2同时发射激光至煤堆表层，参考探测器10探测发射激光信号；激光接收模块接收激光回波信号,探测器9对激光回波信号进行探测。双通道A/D转换器11和工控机12接受参考探测器10及探测器9的模拟信号，并通过处理模拟信号检测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，通过换算得到煤层表面附着的液态水的含量，进而确定煤层表面的湿度。
本发明解决了背景技术中存在的难题，在测量系统中运用激光差分吸收技术，为我国露天煤堆的水分测量提供了方便，避免了煤堆由于无法监测而含水量不足导致煤炭自燃，为社会安定提供了保障。而且由于本发明运用的是激光探测技术，所以可以远距离发射激光对散货煤堆表层进行探测，解决了传统测量系统需要至现场进行测量的难题，更方便对散货煤堆表层的水分进行实时监测，增加了本专利的实用性。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，通过向煤堆同时发射两束激光，同时探测煤层表面对这两个不同波长激光的散射信号强度，利用液态水对两束不同频率激光吸收成度的差异，来远距离探测煤堆表层的水分含量。
2.根据权利要求1所述的散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，所述散货煤堆表层水分远距离测量系统包括激光发射模块和激光接收模块；所述激光发射模块包括一强吸收激光器和一弱吸收激光器，所述强吸收激光器发射强吸收激光，所述弱吸收激光器发射弱吸收激光，强吸收激光器和弱吸收激光器经光纤合束后，一路信号用于发射激光能量监测，一路信号经过准直透镜组发射至煤堆；激光接收模块接收煤堆反射的回波信号。
3.根据权利要求2所述的散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，激光接收模块设有两个探测器，以其中一个用于接收煤堆反射的回波信号作为探测器，另一个用于接收激光能量监测信号，以用于接收激光能量监测信号的探测器作为参考探测器，两个探测器的探测信号经双通道A/D转换器转换后，送至工控机，所述工控机连接两个激光控制器。
4.根据权利要求2所述的散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，所述激光接收模块包括一激光汇聚透镜，所述激光汇聚透镜是一接收望远镜，所述激光汇聚透镜连接所述探测器。
5.根据权利要求3所述的散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，散货煤堆表层水分远距离测量系统，还包括一喷淋装置，所述工控机连接所述喷淋装置。
6.根据权利要求2所述的散货煤堆表层水分远距离测量系统，其特征在于，所述散货煤堆表层水分远距离测量系统还包括一系统指向控制模块。
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| CN107300533B (zh) | 2024-01-23 |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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