CN110297012B - 一种可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统及其方法。本发明采用粉尘爆燃温度传感器、温度传导敏感元件、传感器支撑件、集成处理电路和计算机；能够对燃粉尘爆燃温度的准确实时测量，实现温度场的重建，减少及预防可燃粉尘意外爆炸事件发生，减少对周边环境造成的严重破坏、人员伤亡和经济损失；实现粉尘爆炸事件的性质认定和损伤后果评估，拟在解决工程测量中的困难；本发明根据温度传导敏感元件与脉冲超声波在其传播的速度变化，建立超声速度与爆燃温度的关系表达，实现了粉尘扩散爆燃温度的实时动态测定，具备客观的应用价值和研究价值。

Description

一种可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统及其方法

技术领域

本发明涉及粉尘云团扩散动态检测技术，具体涉及一种基于脉冲超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统及其检测方法。

背景技术

近年来，可燃粉尘意外爆炸事件频繁发生，对周边环境造成了严重破坏、人员伤亡和经济损失。对可燃粉尘爆燃温度的准确实时测量，实现温度场的重建，实现粉尘爆炸事件的性质认定和损伤后果评估一直是工程测量中的难点。

发明内容

针对可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的测量问题，本发明提出了一种基于脉冲超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统及其检测方法，通过传感器中温度传导敏感元件与超声在其传播的速度变化，建立超声速度与爆燃温度的关系表达，实现粉尘扩散爆燃温度的实时动态测定。

本发明的一个目的在于提出一种基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统。

本发明的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统包括：粉尘爆燃温度传感器、温度传导敏感元件、传感器支撑件、集成处理电路和计算机；其中，粉尘爆燃温度传感器固定在传感器支撑件上，温度传导敏感元件设置在粉尘爆燃温度传感器的前端，温度传导敏感元件位于粉尘云团中待检测的区域；温度传导敏感元件为柱状的实心体，并且具有两个垂直于实心体轴线的第一和第二凹槽，凹槽之间的距离为ΔL；粉尘爆燃温度传感器连接至集成处理电路；集成处理电路连接至计算机；粉尘爆燃温度传感器为脉冲超声发射和脉冲超声接收一体式换能器；计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向粉尘爆燃温度传感器发出脉冲电信号，粉尘爆燃温度传感器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，向温度传导敏感元件发送出脉冲超声波；脉冲超声波沿着温度传导敏感元件传播，并且分别遇到第一凹槽和第二凹槽后返回，分别被粉尘爆燃温度传感器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；计算机根据从第一凹槽与第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差，计算得到超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度，计算机根据超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度，并结合温度传导敏感元件的材料性质，实时计算得到粉尘云团扩散动态爆燃温度。

集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘爆燃温度传感器；粉尘爆燃温度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机；控制处理器激励信号发生电路生成脉冲电信号至驱动放大电路，放大后输出至粉尘爆燃温度传感器；粉尘爆燃温度传感器利用压电效应将脉冲电信号转换成脉冲超声波，传输至温度传导敏感元件，分别经过第一和第二凹槽返回后的脉冲超声波由粉尘爆燃温度传感器接收，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号放大滤波电路，经滤波放大后传输至A/D转换电路；A/D转换电路将脉冲超声模拟信号转换成超声数字信号，最终实时存储至控制处理器，并通过串口通讯接口经串口数据线实时将超声数字信号传送至计算机。

粉尘爆燃温度传感器的直径为14～22mm。

传感器支撑件采用聚氨酯软材料，避免对粉尘爆燃温度传感器的挤压导致脉冲超声波的畸变。

温度传导敏感元件采用实心的热的良导体材料，同时具备很好的导声性能，如钽、钨和铼中的一种或多种合金；长度为80～120mm，直径15～25mm。温度传导敏感元件上的第一和第二凹槽为均为环形，第一和第二凹槽的深度一样，凹槽越深，反射的脉冲超声波的能量越大，结果越准确，第一和第二凹槽的深度为3～5mm，宽度在5mm以内。第一与第二凹槽之间的距离ΔL为30～50mm。

本发明的另一个目的在于提供一种基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的检测方法。

本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向粉尘爆燃温度传感器发出脉冲电信号，粉尘爆燃温度传感器接收到脉冲电信号，并转换为脉冲超声波，向温度传导敏感元件发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波沿着温度传导敏感元件传播，并且分别遇到第一凹槽和第二凹槽后返回，分别被粉尘爆燃温度传感器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；

4)计算机得到当前时刻的从第一凹槽与第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差Δt；

5)计算机根据时间差ΔT得到当前采样时刻的超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)：

v(T)＝2ΔL/Δt

其中，ΔL为温度传导敏感元件的第一凹槽与第二凹槽之间的距离；

6)计算机根据当前采样时刻的超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)，并结合温度

传导敏感元件的的弹性模量E(T)和密度ρ(T)，实时计算得到当前采样时刻的粉尘云团扩散动态爆燃温度T：

E(T)＝k_ε1+k_ε2T+k_ε3T²

ρ(T)＝k_ρ1+k_ρ2T+k_ρ3T²

其中，k_ε1、k_ε2和k_ε3分别为温度传导敏感元件的弹性模量系数，k_ρ1、k_ρ2和k_ρ3分别为温度传导敏感元件的密度系数，均由材料本身的性质决定。

本发明的优点：

本发明能够对燃粉尘爆燃温度的准确实时测量，实现温度场的重建，减少及预防可燃粉尘意外爆炸事件发生，减少对周边环境造成的严重破坏、人员伤亡和经济损失；实现粉尘爆炸事件的性质认定和损伤后果评估，拟在解决工程测量中的困难；本发明根据温度传导敏感元件与脉冲超声波在其传播的速度变化，建立超声速度与爆燃温度的关系表达，实现了粉尘扩散爆燃温度的实时动态测定，具备客观的应用价值和研究价值。

附图说明

图1为本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的一个实施例的示意图；

图2为本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的检测原理的示意图；

图3为本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的集成处理电路的结构框图；

图4为本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测方法的流程图；

图5为根据本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测方法得到的温度仿真图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

在本实施例中，采用粉尘喷洒装置1对本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统进行测试。

如图1所示，本发明的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统包括：粉尘喷洒装置1、粉尘爆燃温度传感器2、温度传导敏感元件3、传感器支撑件4、集成处理电路5、喷洒装置控制器6和计算机7；其中，粉尘爆燃温度传感器2固定在传感器支撑件4上，温度传导敏感元件3设置在粉尘爆燃温度传感器2的前端，温度传导敏感元件2位于粉尘喷洒装置1中待检测的区域；温度传导敏感元件为柱状的实心体，并且具有两个垂直于实心体轴线的第一和第二凹槽，第一凹槽与第二凹槽之间的距离为ΔL；粉尘爆燃温度传感器2连接至集成处理电路5；集成处理电路5连接至计算机7。粉尘喷洒装置1中装有设定的质量的粉尘，粉尘喷洒装置1连接至喷洒装置控制器6，喷洒装置控制器6连接至计算机7。

如图2所示，温度传导敏感元件为柱状的实心体，并且具有两个垂直于实心体轴线的凹槽，两个凹槽之间的距离为ΔL；从第一凹槽和第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差Δt。

如图3所示，集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘爆燃温度传感器；粉尘爆燃温度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机。

本实施例中，温度传导敏感元件3采用钍钨合金材料，长度为100mm，直径为20mm；第一凹槽和第二凹槽的深度为3.5mm，二者之间的距离为40mm。

本实施例的基于超声的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的检测方法，包括以下步骤：

1)计算机控制集成处理电路和喷洒装置控制器同步；计算机通过喷洒装置控制器控制喷洒装置按照设定的粉尘质量、喷洒压力和扩散时间，向粉尘扩散容器内喷洒粉尘；计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向粉尘爆燃温度传感器发出脉冲电信号，粉尘爆燃温度传感器接收到脉冲电信号，并转换为脉冲超声波，向温度传导敏感元件发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波沿着温度传导敏感元件传播，并且分别遇到第一凹槽和第二凹槽后返回，分别被粉尘爆燃温度传感器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号处理后，传输至计算机；

4)计算机得到当前时刻的从第一凹槽与第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差Δt；

5)计算机根据时间差ΔT得到当前采样时刻的超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)：

v(T)＝2ΔL/Δt

其中，ΔL为温度传导敏感元件的两个凹槽之间的距离；

6)计算机根据超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)，并结合温度传导敏感元件的的弹性模量E(T)和密度p(T)，实时计算得到粉尘云团扩散动态爆燃温度T：

E(T)＝391.448-1.3160×10^-2T-1.4838×10^-5T²

ρ(T)＝19.3027+2.3786×10^-4T-2.244×10^-8T²。

在本实施例中，在喷洒前，能够根据设定的喷洒压力、粉尘质量、扩散时间和扩散容器的形状，进行仿真，得到粉尘云团的温度仿真图，如图5所示，与测量值符合，证明本发明实用可行。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：粉尘爆燃温度传感器、温度传导敏感元件、传感器支撑件、集成处理电路和计算机；其中，粉尘爆燃温度传感器固定在传感器支撑件上，温度传导敏感元件设置在粉尘爆燃温度传感器的前端，温度传导敏感元件位于粉尘云团中待检测的区域；温度传导敏感元件为柱状的实心体，并且具有两个垂直于实心体轴线的第一和第二凹槽，凹槽之间的距离为ΔL；粉尘爆燃温度传感器连接至集成处理电路；集成处理电路连接至计算机；粉尘爆燃温度传感器为脉冲超声发射和脉冲超声接收一体式换能器；计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向粉尘爆燃温度传感器发出脉冲电信号，粉尘爆燃温度传感器接收到脉冲电信号并转换为脉冲超声波，向温度传导敏感元件发送出脉冲超声波；脉冲超声波沿着温度传导敏感元件传播，并且分别遇到第一凹槽和第二凹槽后返回，分别被粉尘爆燃温度传感器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；计算机根据从第一凹槽与第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差，计算得到超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度，计算机根据超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度，并结合温度传导敏感元件的材料性质，实时计算得到粉尘云团扩散动态爆燃温度。

2.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述集成处理电路包括：电源管理电路、信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、控制处理器和串口通讯接口；其中，控制处理器连接至信号发生电路，信号发生电路连接至驱动放大电路，驱动放大电路连接至粉尘爆燃温度传感器；粉尘爆燃温度传感器连接至信号放大滤波电路，信号放大滤波电路连接至A/D转换电路，A/D转换电路连接至控制处理器，电源管理电路连接至信号发生电路、驱动放大电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路和控制处理器，提供工作电压；控制处理器通过串口通讯接口经由串口数据线连接至计算机；控制处理器激励信号发生电路生成脉冲电信号至驱动放大电路，放大后输出至粉尘爆燃温度传感器；粉尘爆燃温度传感器利用压电效应将脉冲电信号转换成脉冲超声波，传输至温度传导敏感元件，分别经过第一和第二凹槽返回后的脉冲超声波由粉尘爆燃温度传感器接收，同样利用压电效应转换成脉冲超声模拟信号传输至信号放大滤波电路，经滤波放大后传输至A/D转换电路；A/D转换电路将脉冲超声模拟信号转换成超声数字信号，最终实时存储至控制处理器，并通过串口通讯接口经串口数据线实时将超声数字信号传送至计算机。

3.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述粉尘爆燃温度传感器的直径为14～22mm。

4.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述传感器支撑件采用聚氨酯软材料。

5.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述温度传导敏感元件采用实心的热的良导体材料。

6.如权利要求5所述的检测系统，其特征在于，所述温度传导敏感元件采用钽、钨和铼中的一种或多种合金。

7.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述温度传导敏感元件的长度为80～120mm，直径15～25mm。

8.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一和第二凹槽的深度为3～5mm。

9.如权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述第一与第二凹槽之间的距离为ΔL为30～50mm。

10.一种如权利要求1所述的可燃粉尘云团扩散动态爆燃温度的检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括以下步骤：

1)计算机控制集成处理电路在当前采样时刻向粉尘爆燃温度传感器发出脉冲电信号，粉尘爆燃温度传感器接收到脉冲电信号，并转换为脉冲超声波，向温度传导敏感元件发送出脉冲超声波；

2)脉冲超声波沿着温度传导敏感元件传播，并且分别遇到第一凹槽和第二凹槽后返回，分别被粉尘爆燃温度传感器接收，转换为脉冲超声模拟信号后传输至集成处理电路；

3)集成处理电路经过滤波放大并转换成超声数字信号后，传输至计算机；

4)计算机得到当前时刻的从第一凹槽与第二凹槽返回的脉冲超声波的时间差Δt；

5)计算机根据时间差ΔT得到当前采样时刻的超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)：

v(T)＝2ΔL/Δt

其中，ΔL为温度传导敏感元件的第一凹槽与第二凹槽之间的距离；

6)计算机根据当前采样时刻的超声波脉冲在温度传导敏感元件的速度v(T)，并结合温度传导敏感元件的弹性模量E(T)和密度ρ(T)，实时计算得到当前采样时刻的粉尘云团扩散动态爆燃温度T：

E(T)＝k_ε1+k_ε2T+k_ε3T²

ρ(T)＝k_ρ1+k_ρ2T+k_ρ3T²

其中，k_ε1、k_ε2和k_ε3分别为温度传导敏感元件的弹性模量系数，k_ρ1、k_ρ2和k_ρ3分别为温度传导敏感元件的密度系数，均由材料本身的性质决定。

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