CN109142127A - 一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置与方法 - Google Patents

一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置与方法 Download PDF

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邓继峰
朱航勇
杨光
舒立福
孙建
于鹏
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乔润喜
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    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid

Abstract

一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置与方法,属于森林防火技术领域。本发明为了解决森林可燃物含水率动态监测的问题。本发明包括步骤一、在不破坏可燃物结构的前提下,将可燃物送入可燃物含水率动态变化监测实验装置中,进行烘干处理,并取得烘干后可燃物的干质量;步骤二、通过控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的多种气象因子,并作用于烘干后的可燃物上,随后连续称取可燃物重量,获得含水可燃物的湿质量序列;步骤三、利用可燃物含水率通用公式,计算出动态变化的可燃物含水率。本发明用于森林火险预报中的可燃物含水率,有效提高了森林火险预报的准确度,可用于森林火险预报和科学研究。

Description

一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验 装置与方法
技术领域
本发明涉及一种实验室模拟可燃物含水率动态变化的检测方法,属于森林防火技术领域。
背景技术
森林火灾是森林的主要灾害之一,森林火灾不仅严重破坏森林资源,造成巨大经济损失,而且造成灾区及周边地区环境的严重污染。森林火灾的扑救管理在全球范围内都是一个难题。随着国家经济建设的不断发展,人们的经济活动也极为活跃,森林火灾的因素也大为增加,森林火灾的预防与报警、扑救难度也大大增加。在加之类似云南多年大旱这样的气候反常现象,每年重大森林火灾的消息不绝于耳,防火形势日益严峻。
森林可燃物的含水率是决定林火发生以及林火蔓延的重要指标,森林可燃物含水率变化规律的研究对于预测林火发生和控制林火蔓延都具有重要的意义,而研究森林可燃物含水率变化规律一般都是通过建立其数学模型来实现,也有通过建立平衡含水率模型来预测可燃物的含水率。
现有的森林可燃物含水率动态变化监测大多都基于野外长时间实测计算分析,没有办法在实验室内进行,无法实现实时跟踪测量,导致相关的科学研究在时间尺度上不够全面,在环境条件的精细控制上也从未实现。因此急需一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,以满足森林防火相关研究需求,实现可燃物含水率随环境动态变化的监测。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题,进而提供一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置与方法。
本发明的技术方案:
一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,包括以下步骤:
步骤一、在不破坏可燃物结构的前提下,将可燃物送入可燃物含水率动态变化监测实验装置中,进行烘干处理,并取得烘干后可燃物的干质量;
步骤二、通过控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的多种气象因子,并作用于烘干后的可燃物上,随后连续称取可燃物重量,获得含水可燃物的湿质量序列;
步骤三、利用可燃物含水率通用公式,计算出动态变化的可燃物含水率。
进一步地、步骤将可燃物在可燃物含水率动态变化监测实验装置中加热到105℃持续24小时烘干处理,确保可燃物达到绝干程度。
进一步地、步骤二中,控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的气象因子主要包括温度、湿度、风速、光照和降雨。
进一步地、步骤三中,可燃物含水率通用公式为:
式中,M为待称可燃物实时含水率(%);Wh为可燃物湿质量(g);Wd为可燃物干质量(g);
一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,包括箱体、内胆、雾化喷头、电机、扇叶、光照控制装置、可燃物称重平台、半导体制冷片、加湿器和除湿器,所述的箱体为方形箱体,箱体的左侧具有开口,开口处密封安装有箱门,所述的内胆布置在箱体的内侧,内胆的后侧壁上安装有电机,电机的输出轴设置在内胆的内侧,所述的扇叶安装在电机的输出轴上,所述的内胆的下端加工有安装孔,可燃物称重平台的底部固定安装在箱体的底部,可燃物称重平台的上端穿过安装孔设置在内胆的内侧,所述的内胆的顶端安装设置有雾化喷头和光照控制装置,所述的内胆的左侧壁上安装有半导体制冷片和加湿器,内胆的右侧壁上安装有除湿器。
进一步地、所述的光照控制装置包括多光谱灯、二次折射板和固定安装架,所述的固定安装架采用倾斜方式,通过螺钉固定安装在内胆的右上角,固定安装架的底部固定安装有二次折射板,二次折射板的中心位置设置安装有多光谱灯。
进一步地、所述的二次折射板是内侧面为弯曲成复合抛物面形状的二次折射板。
进一步地、所述的可燃物称重平台包括称重天平和放置在称重天平上部的可燃物托盘。
本发明具有以下有益效果:
1、本发明利用传感器信息融合的方法进行实验室环境中对可燃物含水率的快速预测,实现多传感信息的互补集成,改善不确定环境中的决策过程,提高了地表可燃物含水率的预测精度;
2、本发明提出了实验室模拟自然环境测定可燃物含水率的方法,在此基础上本发明采用了多气象因子人工控制自由组合,进而观测对可燃物含水率的影响,突破了以往仅能在野外采样分析,而不能连续、可控监测的问题。同时又兼具了其准确性,克服了现有森林火险预报中所使用的含水率预测法误差大的缺点,实现了自动连续实时的可燃物含水率观测,节约了大量人力成本;
3、本发明可直接用于监测森林火险预报中的可燃物含水率动态变化,有效提高了森林火险预报的准确度,可用于森林火险预报和科学研究;
4、本发明一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置的二次折射板内侧面采用弯曲成复合抛物面形状的二次折射板,在二次折射板的作用下,多光谱灯发出的热量能够更好的反射热源,进而使得热源直接作用于可燃物样本上,利用这种方式反射的热量均匀度高,反射率高,且加工工艺简单,便于使用;
5、本发明可快捷、准确的测量可燃物的含水率,电路设计简单,测量结果准确稳定,安装使用方便,连续工作可靠性高,避免了林区工作人员频繁深入到林区中进行样本采集等一系列工作,应用于森林地区各种可燃物的含水率测量,为森林火险等级分类提供可靠的依据。
附图说明
图1是一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置的结构剖视图;
图2是二次射折热板的结构示意图;
图3是一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置的主视图;
图中,1-箱体,2-内胆,3-雾化喷头,4-电机,5-扇叶,6-光照控制装置,7-可燃物称重平台,8-开口,9-箱门,10-安装孔,11-多光谱灯,12-二次折射板,131-固定安装架,13-称重天平,14-可燃物托盘。
具体实施方式
具体实施方式一:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,包括以下步骤:
步骤一、在不破坏可燃物结构的前提下,将可燃物送入可燃物含水率动态变化监测实验装置中,进行烘干处理,并取得烘干后可燃物的干质量;
步骤二、通过控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的多种气象因子,并作用于烘干后的可燃物上,随后连续称取可燃物重量,获得含水可燃物的湿质量序列;
步骤三、利用可燃物含水率通用公式,计算出动态变化的可燃物含水率。
具体实施方式二:结合图1至图2说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,步骤将可燃物在可燃物含水率动态变化监测实验装置中加热到105℃持续24小时烘干处理,确保可燃物达到绝干程度。
具体实施方式三:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,步骤二中,控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的气象因子主要包括温度、湿度、风速、光照和降雨。
具体实施方式四:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,步骤三中,可燃物含水率通用公式为:
式中,M为待称可燃物实时含水率(%);Wh为可燃物湿质量(g);Wd为可燃物干质量(g);
具体实施方式五:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,包括箱体1、内胆2、雾化喷头3、电机4、扇叶5、光照控制装置6、可燃物称重平台7、半导体制冷片15、加湿器16和除湿器17,所述的箱体1为方形箱体,箱体1的左侧具有开口8,开口8处密封安装有箱门9,所述的内胆2布置在箱体1的内侧,内胆2的后侧壁上安装有电机4,电机4的输出轴设置在内胆2的内侧,所述的扇叶5安装在电机4的输出轴上,所述的内胆2的下端加工有安装孔10,可燃物称重平台7的底部固定安装在箱体1的底部,可燃物称重平台7的上端穿过安装孔10设置在内胆2的内侧,所述的内胆2的顶端安装设置有雾化喷头3和光照控制装置6,所述的内胆2的左侧壁上安装有半导体制冷片15和加湿器16,内胆2的右侧壁上安装有除湿器17。如此设置,影响可燃物含水率的气象因子主要有温度、湿度、风速、光照和降雨,本发明利用安装在箱体1内部的雾化喷头3来实现降雨控制,利用光照控制装置6实现光照因子控制,利用电机带动扇叶实现风速控制,利用加湿器16和除湿器17实现湿度因子控制,利用半导体制冷片15实现温度控制,其中半导体制冷片的工作运转是用直流电流,它既可制冷又可加热,通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热,这个效果的产生就是通过热电的原理,本发明通过上述几种气象因子参数控制,进而实现不同气象因子条件下可燃物含水率动态变化监测。
具体实施方式六:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,所述的光照控制装置6包括多光谱灯11、二次折射板12和固定安装架131,所述的固定安装架131采用倾斜方式,通过螺钉固定安装在内胆2的右上角,固定安装架131的底部固定安装有二次折射板12,二次折射板12的中心位置设置安装有多光谱灯11。
具体实施方式七:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,所述的二次折射板12是内侧面为弯曲成复合抛物面形状的二次折射板。如此设置,二次折射板内侧面采用弯曲成复合抛物面形状的二次折射板,在二次折射板的作用下,多光谱灯发出的热量能够可控的反射光源,进而使得可控光源直接作用于可燃物样本上。
具体实施方式八:结合图1至图3说明本实施方式,本实施方式的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,所述的可燃物称重平台7包括称重天平13和放置在称重天平上部的可燃物托盘14。如此设置,称重天平13设置在可燃物含水率动态变化监测实验装置的内胆2内部,用于实时测量可燃物干质量和可燃物湿质量,其中可燃物湿质量即为人工控制降雨、风速、温度和光照作用于干可燃物后的可燃物总体重量,获湿质量。
为了充分体现利用本方法获得的可燃物含水率实现可行性,本发明分别采用森林中四种不同的可燃物进行试验,其中这四中可燃物分别是白桦枯枝落叶、樟子松枯枝落叶、杨桦混合枯枝落叶和云杉枯枝落叶,
其中气象因子参数定义及取值范围如下表:
风速 光照 降雨 湿度 温度
单位 m/s kw/s<sup>2</sup> mm/h %RH
范围 0-7 0-0.85 0-2.5 0.3-0.5 0-10
实验一、测量白桦枯枝落叶含水率动态变化监测,并记录如下表,表中的数据获取方式为:根据每小时进行试验记录,并获得根据风速、空气温度、空气湿度气象因子,其中控制固定的光照强度数据为0.4kw/s2,并获得实测可燃物含水率值:
实验二、测量樟子松枯枝落叶含水率动态变化监测,并记录如下表,表中的数据获取方式为:根据每小时进行试验记录,并获得根据风速、空气温度、空气湿度气象因子,其中控制固定的光照强度数据为0.4kw/s2,并获得实测可燃物含水率值:
实验三、测量杨桦混合枯枝落叶含水率动态变化监测,并记录如下表,表中的数据获取方式为:根据每小时进行试验记录,并获得根据光照、降雨量、风速、空气温度、空气湿度气象因子,其中控制固定的光照强度数据为0.4kw/s2,并获得实测可燃物含水率值:
实验四、测量云杉枯枝落叶含水率动态变化监测,并记录如下表,表中的数据获取方式为:根据每小时进行试验记录,并获得根据风速、空气温度、空气湿度气象因子,其中控制固定的光照强度数据为0.4kw/s2,并获得实测可燃物含水率值:
根据上述实验获得的试验数据,以温度、湿度、风速、光照和降雨为影响可燃物含水率的气象因子输入,并根据气象因子的实时变化数据进行测量可燃物含水率变化值,进而计算不同参数作用于可燃物后的可燃物含水率动态变化值,这种预测计算的含水率值更加精准,确保了可燃物含水率动态变化监测的精度。
本实施方式只是对本专利的示例性说明,并不限定它的保护范围,本领域技术人员还可以对其局部进行改变,只要没有超出本专利的精神实质,都在本专利的保护范围内。

Claims (8)

1.一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,其特征在于:包括以下步骤:
步骤一、在不破坏可燃物结构的前提下,将可燃物送入可燃物含水率动态变化监测实验装置中,进行烘干处理,并取得烘干后可燃物的干质量;
步骤二、通过控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的多种气象因子,并作用于烘干后的可燃物上,随后连续称取可燃物重量,获得含水可燃物的湿质量序列;
步骤三、利用可燃物含水率通用公式,计算出动态变化的可燃物含水率。
2.根据权利要求1所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,其特征在于:步骤一将可燃物在可燃物含水率动态变化监测实验装置中加热到105℃持续24小时烘干处理,确保可燃物达到绝干程度。
3.根据权利要求1所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,其特征在于:步骤二中,控制可燃物含水率动态变化监测实验装置内的气象因子主要包括温度、湿度、风速、光照和降雨。
4.根据权利要求1所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验方法,其特征在于:步骤三中,可燃物含水率通用公式为:
式中,M为待称可燃物实时含水率(%);Wh为可燃物湿质量(g);Wd为可燃物干质量(g)。
5.一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,其特征在于:包括箱体(1)、内胆(2)、雾化喷头(3)、电机(4)、扇叶(5)、光照控制装置(6)、可燃物称重平台(7)、半导体制冷片(15)、加湿器(16)和除湿器(17),所述的箱体(1)为方形箱体,箱体(1)的左侧具有开口(8),开口(8)处密封安装有箱门(9),所述的内胆(2)布置在箱体(1)的内侧,内胆(2)的后侧壁上安装有电机(4),电机(4)的输出轴设置在内胆(2)的内侧,所述的扇叶(5)安装在电机(4)的输出轴上,所述的内胆(2)的下端加工有安装孔(10),可燃物称重平台(7)的底部固定安装在箱体(1)的底部,可燃物称重平台(7)的上端穿过安装孔(10)设置在内胆(2)的内侧,所述的内胆(2)的顶端安装设置有雾化喷头(3)和光照控制装置(6),所述的内胆(2)的左侧壁上安装有半导体制冷片(15)和加湿器(16),内胆(2)的右侧壁上安装有除湿器(17)。
6.根据权利要求5所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,其特征在于:所述的光照控制装置(6)包括多光谱灯(11)、二次折射板(12)和固定安装架(131),所述的固定安装架(131)采用倾斜方式,通过螺钉固定安装在内胆(2)的右上角,固定安装架(131)的底部固定安装有二次折射板(12),二次折射板(12)的中心位置设置安装有多光谱灯(11)。
7.根据权利要求6所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,其特征在于:所述的二次折射板(12)是内侧面为弯曲成复合抛物面形状的二次折射板。
8.根据权利要求5所述的一种实验室模拟自然环境的可燃物含水率动态变化监测实验装置,其特征在于:所述的可燃物称重平台(7)包括称重天平(13)和放置在承重天平上部的可燃物托盘(14)。
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