CN113419027A - 基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法 - Google Patents

基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法 Download PDF

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CN113419027A
CN113419027A CN202110858159.7A CN202110858159A CN113419027A CN 113419027 A CN113419027 A CN 113419027A CN 202110858159 A CN202110858159 A CN 202110858159A CN 113419027 A CN113419027 A CN 113419027A
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郭军
王凯旋
蔡国斌
岳宁芳
金彦
刘华
李帅
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Xi'an Tianhe Mining Technology Co ltd
Xian University of Science and Technology
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Xi'an Tianhe Mining Technology Co ltd
Xian University of Science and Technology
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Abstract

本发明公开了一种基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法，该方法采用热电偶接触测温和声学非接触测温相耦合的方法，重构煤自燃升温过程中三维温度场及内部高温点运移路径。该装置包括圆柱式罐体、程序温度控制系统、热电偶接触测温装置、声学非接触测温装置和自动升降调节装置，热电偶接触测温装置和声学非接触测温装置分别连接热电转化装置和声电转化装置，热电转化装置和声电转化装置分别连接一个温度数据采集卡，温度数据采集卡连接计算机界面温度可视化输出装置。本发明能够实现煤自燃温度场及高温点运移路径的可视化监测，有利于提高煤自燃各阶段自燃特性研究，可为煤田火区火势发展规律及高温区域实时监测提供参考。

Description

基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法
技术领域
本发明属于煤自燃特性测试技术领域，特别涉及基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法。
背景技术
由于松散煤体在燃烧阶段中高温点的位置难以准确判断，目前我国对煤自燃过程中高温点运移路径及规律的研究，主要停留在利用软件模拟分析阶段，很少开展松散煤体自燃过程中高温点运移路径及规律相关方面的实验研究，且在煤体温度测量方面，主要是利用气相色谱分析仪检测煤自燃过程产生的气体，确定煤自燃的各个阶段特征温度，由于气相色谱分析仪的差异，导致检测出来的特征温度差异比较大，且不能直观观察煤自燃过程的温度变化，依靠人工推演的煤自燃高温点的移动路径，无法直观判定煤自燃过程高温点的运移规律。因此，研究煤自燃过程中温度分布及高温点运移路径可视化，可为煤田火区火势发展规律及高温区域实时监测提供参考。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置及方法，能够完成声音的产生、发声、接收、采集、分析全过程，实时监测煤样温度及内部高温点的运移规律，实现煤样温度及高温点运移路径三维可视化，能够实现煤自燃过程中非均温度场分布及高温点运移规律的可视化监测。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，包括圆柱式罐体1、程序自加热控制系统、气路、自动升降调节装置、热电偶接触测温装置和声学非接触测温装置；
所述程序自加热控制系统包括铺设在圆柱式罐体1的底面内侧和侧壁内侧的热电加热丝7、均匀固定在圆柱式罐体1底面内侧的高温热电加热棒8，所述热电加热丝7和高温热电加热棒8通过电热控制仪9控制，电热控制仪9与温度控制仪10相连；
所述气路包括设置在圆柱式罐体1底部的气体干燥箱12，圆柱式罐体1顶部穿有出气竖管13，圆柱式罐体1底部侧面设置有进气横管11；
所述自动升降调节装置用于调整收发式声波换能器24的高度；
所述热电偶接触测温装置用于测量控制圆柱式罐体1内部煤样温度；
所述声学非接触测温装置用于监测炉膛3内煤样温度分布及高温点运移路径。
所述圆柱式罐体1包括装煤炉膛3，装煤炉膛3外侧设置有耐火保温层2，装煤炉膛3顶部设置有上罐盖4和下罐盖5，上罐盖4和下罐盖5之间设置有耐火密封圈，所述上罐盖4和下罐盖5由螺栓6固定，所述耐火保温层2和罐盖均由耐火材料制成；所述耐火材料为陶瓷纤维；
所述螺栓6数量为8个，直径为12mm，均匀布置在罐盖上。
所述高温热电加热棒8的数量为四根，四根高温热电加热棒8在装煤炉膛3内均匀布设。
所述气体干燥箱12设有干燥剂并通过钢丝密网14与装煤炉膛3连接，所述出气竖管13穿过上罐盖4和下罐盖5进入圆柱式罐体1；
所述圆柱式罐体1的直径为600mm，所述圆柱式罐体1的高度为750mm；所述装煤炉膛3的直径为300mm，所述装煤炉膛3的高度为600mm，所述钢丝密网14与圆柱式罐体1内底面之间的距离为50mm；
所述钢丝密网14的密度为100～300目。
所述进气横管11和出气竖管13均由耐腐蚀特种钢材制成，所述进气横管11和出气竖管13的管径均为10mm，所述进气横管11和出气竖管13通过螺纹连接在圆柱式罐体1，进气横管11和出气竖管13均穿出噪音隔音箱体25。
所述自动升降调节装置包括分别对称安装在耐火保温层2外侧壁的滑轨15，并由电线路连接至计算机温度控制及可视化平台30，滑轨15下侧安装有底座16，滑轨15下侧安装上固定座17，所述滑动安装板18与滑轨15滑动连接，所述自动升降调节装置各个组成部分均选用轻型、静音材料；
所述滑轨15数量为8个，长度为400mm，均匀对称沿耐火保温层2竖直方向侧壁设置，所述底座16、上固定座17焊接在耐火保温层2上，所述滑动安装板18数量为8个，分别固定在滑轨15上，所述滑动安装板18中部留出直径略小于收发式声波换能器24直径大小的孔洞。
所述热电偶接触测温装置包括固定在圆柱式罐体1内侧壁R型铂铑13纯铂热电偶19，所述R型铂铑13纯铂热电偶19通过热电转化装置20和热电偶温度数据采集卡21相连；
所述R型铂铑13纯铂热电偶19数量为4个，直径20mm，长200mm，由上向下均匀对称布置在圆柱式罐体1内侧壁，竖向间隔90mm。
所述声学非接触测温装置包括对称固定在耐火保温层2外侧壁的收发式声波换能器24，所述收发式声波换能器24连接声信号放大器23，声信号放大器23连接声波发射器22，所述收发式声波换能器24连接声信号调理器25，所述声信号调理器25连接声信号数据采集卡26，所述声信号数据采集卡26连接声电转化装置27，所述声学非接触测温装置各个组成部分均由光纤线缆连接，所述声学非接触测温装置安置在噪音隔音箱体28内部，所述热电偶温度数据采集卡21和声电转化装置27连接温度耦合数据采集卡29，所述温度耦合数据采集卡29连接计算机温度控制及可视化平台30；
所述收发式声波换能器24的数量为8个，8个收发式声波换能器24分别固定在滑动安装板18上。
所述温度控制仪10上设置温度显示屏、温度指示灯和温度控制界面，所述程序自加热控制系统的各个组成部分均由耐高温电线路连接。
基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置的测试方法，包括以下步骤；
步骤一、将破碎、筛分好的煤样装入圆柱式罐体1中的装煤炉膛3，并用螺栓6将上罐盖4和下罐盖5固定连接在圆柱式罐体1的顶部；
步骤二、将进气横管11连接到气源的出气口，将出气竖管13连接到气相色谱分析仪的进样管；并检查所述煤样自加热装置的气密性，保证密封效果；
步骤三、连接好所述程序自加热控制系统后，操作温度控制仪10的温度控制界面，设定加热温度的上阈值，然后，温度控制仪10通过控制电热控制仪9对热电加热丝7和高温热电加热棒8进行加热，热电加热丝7和高温热电加热棒8开始对装煤炉膛3中煤样开始加热；
步骤四、装煤炉膛3中煤样加热过程中，开启热电偶接触测温装置由R型铂铑13纯铂热电偶19，开启计算机温度可视化平台30，对装煤炉膛3中煤样的温度进行实时检测，将热电偶温度数据采集卡21收集到的R型铂铑13纯铂热电偶19检测温度实时反馈到温度控制仪10，温度控制仪10将温度实测信号与加热温度的上阈值相比对，当温度实测信号高于加热温度的上阈值时，温度控制仪10通过控制电热控制仪9对热电加热丝7和高温热电加热棒8停止加热，此时8个收发式声波换能器24位置均在耐火保温层2外侧壁底部；
步骤五、开启声学非接触测温装置的声波发射器22，声波发射器22发出一定频率的声波，由声信号放大器23将声波信号放大传递给其中一个收发式声波换能器24，收发式声波换能器24发出声波检测信号，声波检测信号由其他不相邻的收发式声波换能器24接收，其他不相邻的收发式声波换能器24将接收到的声波检测信号经过声信号调理器25放大之后，由声信号数据采集卡26收集，声电转化装置27将声信号数据采集卡26收集到的声信号转化成电信号，温度耦合数据采集卡29将热电偶温度数据采集卡21和声电转化装置27转化的电信号耦合，传递到计算机温度可视化平台30；
步骤六、依次使用其他7个收发式声波换能器24，重复上述步骤五，待8个收发式声波换能器24全部完成声波发射，其他收发式声波换能器24接受成功后，由计算机温度可视化平台30重构出装煤炉膛3中收发式声波换能器24所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，并确定高温点位置；
步骤七、计算机温度可视化平台30在没有收到来自声电转化装置27传来的声信号时，发送信息给滑轨15控制滑动安装板18向上移动一段距离后，重复上述步骤五、六；
步骤八、当滑动安装板18移动到上固定座17不能继续移动时，计算机温度可视化平台30根据收发式声波换能器24每次移动后所重构出的所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，以此构建出装煤炉膛3中煤样温度分布三维温度场。
所述步骤三中设定的加热温度的上阈值为1000℃。
所述步骤四中装煤炉膛3中煤样加热过程中产生气体由气相色谱分析仪检测并记录。
所述步骤五、六中收发式声波换能器24发射和接收声波时间极短，可忽略时间变化导致温度突变对实验造成的影响。
所述步骤七中滑动安装板18每次移动距离可根据所需的实验精度进行调整，每次移动距离宜≤20mm。
所述步骤六、八中计算机温度可视化平台30通过声传播测温理论、滤波反投影算法、最小二乘法、高斯函数与正则化重建算法、代数重建算法和同步迭代算法将温度耦合数据采集卡29收集到的温度信息输入计算机温度可视化平台30中的模型，实现装煤炉膛3内部煤温的可视化。
所述步骤八中滑动安装板18移动到上固定座17不能继续移动时，即为一个实验周期，可进行多个周期，连续重构出装煤炉膛3中煤样温度分布三维温度场或实时监测煤样内部高温点在空间上的移动规律。
所述步骤八中计算机温度可视化平台30利用叠加原理，根据收发式声波换能器24每次移动距离h后构建出装煤炉膛3内煤样温度二维分布温度场，在竖直方向叠加得到其温度分布三维温度场。
其中，h≤20mm。
所述步骤六中计算机温度可视化平台30内置分析软件首先根据声波速度与温度之间具有如下函数关系：
Figure BDA0003184786840000071
其中，c为声波传播速度；γ为气体绝热指数，及定压比热容与定容比热容之比，与气体成分和状态有关；R为理想气体普适常数，单位是J/(mol·K)；Mg为气体分子量，单位是kg/mol；T为气体绝对温度。当气体组成及状态已知时，
Figure BDA0003184786840000081
即为一个确定的常数，在此用B表示；
其次，假设待测区域中声波速度为v(x，y)，相应的声波速度倒数为f(x，y)，那么声波在某一路径上的飞行时间可表示为如下线积分：
Figure BDA0003184786840000082
由于路径长度L可事先确定，声波在该路径上的飞行时间TL可由线积分得出，则该路径上的平均温度：
Figure BDA0003184786840000083
最后，基于微积分原理，对每个路径进行网格划分，用插值法计算出每个网格的温度，即可重建出装煤炉膛3内煤样温度二维分布温度场。
本发明的有益效果。
1、本发明煤样自加热装置的结构简单，设计合理，实现方便。
2、本发明将煤样炉膛设计为圆柱体，并在圆柱式罐体的内侧壁上和内底面上均设置加热丝，并将多根高温热电加热棒均匀布设在炉膛内，减小了不同位置煤样的温差，能够有效提高煤自燃特性测试的精度。
3、本发明在煤样炉膛侧壁中加入多根热电偶，可在检测煤样炉膛内不同位置煤样的温度，并利用温度数据收集卡收集温度型形成可用数据链。
4、本发明在圆柱式罐体外侧设置声学测温装置，利用声学测温的优势精确测定煤样炉膛内的煤样温度，与热电偶测定的煤样温度互补，为煤样炉膛内煤样温度可视化提供可行性条件。
5、本发明在声学测温装置基础上，增加了自动升降装置，实现了声学测温过程中智能化及全自动化监测，缩短了实验时间，提高了实验效率。
6、利用本发明的煤样自加热装置进行煤自燃非均温度场高温点的可视化监测的方法步骤简单，实现方便。
7、本发明能够解决煤自燃过程中高温点不可视的问题，确定煤自燃过程中高温点移动路径和规律，且能够精确测试各个阶段煤自燃的各种特性参数，基于此进行煤自然发火规律研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
综上所述，本发明设计合理，实现方便，能够实现煤样的均匀加热，能够实现煤自燃非均温度场高温点的可视化监测，便于进行煤自然发火规律研究，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
附图说明：
图1为本发明煤样自加热装置的主视图。
图2为图1的俯视图。
图3为炉膛内二维声传播路径图。
图4为收发式声波换能器工作过程控制流程图
图5为炉膛内三维温度场构建图。
图6声波换能器移动控制程序图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：一种基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置；
如图1和图2所示，本实施例包括圆柱式罐体1、程序自加热控制系统、气路、自动升降调节装置、热电偶接触测温装置和声学非接触测温装置。其中，
①圆柱式罐体1
圆柱式罐体1由耐火保温层2、装煤炉膛3和罐盖组成，罐盖由上罐盖4和下罐盖5组成，耐火保温层2和罐盖均由耐火材料制成，上罐盖4和下罐盖5中间有耐火密封圈，上罐盖4和下罐盖5由螺栓6固定。
②程序自加热控制系统
程序自加热控制系统由热电加热丝7、高温热电加热棒8、电热控制仪9和温度控制仪10组成。
热电加热丝7铺设在圆柱式罐体1的底面内侧和侧壁内侧，高温热电加热棒8均匀固定在圆柱式罐体1底面内侧，电热控制仪9可以同时或者独立控制热电加热丝7和高温热电加热棒8，温度控制仪10设置温度显示屏、温度指示灯和温度控制界面，程序自加热控制系统的各个组成部分均由耐高温电线路连接。
③气路
气路由进气横管11和气体干燥箱12和出气竖管13组成。
气体干燥箱12设有干燥剂并通过钢丝密网14与装煤炉膛3连接，出气竖管13穿过上罐盖4和下罐盖5进入圆柱式罐体1。
④自动升降调节装置
自动升降调节装置由滑轨15、底座16、上固定座17和一件沿所述滑轨主体滑动的滑动安装板18组成。
滑轨15分别对称安装在耐火保温层2外侧壁，并由电线路连接至计算机温度控制及可视化平台30，底座16安装在滑轨15下侧，上固定座17安装在滑轨15下侧，滑动安装板18与滑轨15滑动连接，自动升降调节装置各个组成部分均选用轻型、静音材料。
⑤热电偶接触测温装置
热电偶接触测温装置由R型铂铑13纯铂热电偶19、热电转化装置20和热电偶温度数据采集卡21组成。
R型铂铑13纯铂热电偶19固定在圆柱式罐体1内侧壁，热电偶接触测温装置各个组成部分均由电线路连接。
⑥声学非接触测温装置
声学非接触测温装置由滑轨15、底座16、上固定座17、滑动安装板18、声波发射器22、声信号放大器23、收发式声波换能器24、声信号调理器25、声信号数据采集卡26、声电转化装置27、和噪音隔音箱体28组成。
收发式声波换能器24分别对称固定在耐火保温层2外侧壁，收发式声波换能器24连接声信号放大器23，声波发射器22连接声信号放大器23，收发式声波换能器24同时也连接声信号调理器25，声信号调理器25连接声信号数据采集卡26，所述声信号数据采集卡26连接声电转化装置27。
声学非接触测温装置各个组成部分均由光纤线缆连接，声学非接触测温装置安置在噪音隔音箱体28内部，热电偶温度数据采集卡21和声电转化装置27连接温度耦合数据采集卡29，温度耦合数据采集卡29连接计算机温度控制及可视化平台30。
本实例中，圆柱式罐体1的直径为600mm，高度为750mm；装煤炉膛3的直径为300mm，高度为600mm；钢丝密网14与圆柱式罐体1内底面之间的距离为50mm；螺栓6数量为8个，直径为12mm，均匀布置在罐盖上；耐火材料均为陶瓷纤维；高温热电加热棒8的数量为四根，在装煤炉膛3内均匀布设；钢丝密网14的密度为100～300目；进气横管11和出气竖管13均由耐腐蚀特种钢材制成，管径均为10mm，通过螺纹连接在圆柱式罐体1，均穿出噪音隔音箱体25；滑轨15数量为8个，长度为400mm，均匀对称沿耐火保温层2竖直方向侧壁设置，底座16、上固定座17焊接在耐火保温层2上，滑动安装板18数量为8个，中部留出直径略小于收发式声波换能器24直径大小的孔洞，分别固定在滑轨15；收发式声波换能器24的数量为8个，分别固定在滑动安装板18上；R型铂铑13纯铂热电偶19数量为4个，直径20mm，长200mm，由上向下均匀对称布置在圆柱式罐体1内侧壁，竖向间隔90mm。
启动程序自加热系统，计算机温度可视化平台30将热电偶温度数据采集卡21收集到的R型铂铑13纯铂热电偶19检测温度实时反馈到温度控制仪10，温度控制仪10将温度实测信号与加热温度的上阈值相比对，当温度实测信号高于加热温度的上阈值时，控制电热控制仪9对热电加热丝7和高温热电加热棒8停止加热，开启声学非接触测温装置的声波发射器22发出一定频率的声波，由声信号放大器23将声信号放大传递给其中一个收发式声波换能器发出声波检测信号，由其他不相邻的收发式声波换能器24接收后并经过声信号调理器25放大之后，由声信号数据采集卡26收集，声电转化装置27将声信号数据采集卡26收集到的声信号转化成电信号，温度耦合数据采集卡29将热电偶温度数据采集卡21和声电转化装置27转化的电信号耦合，传递到计算机温度可视化平台30，依次使用其他7个收发式声波换能器24，重复上述步骤成功后，计算机温度可视化平台30智能控制收发式声波换能器24移动，根据其每次移动后所重构出的所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，以此构建出装煤炉膛3中煤样温度及高温点运移路径情况。
实施例2：一种基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化的方法；
如图1-6所示，本实施例采用实施例1来实现，按照以下步骤顺序进行：
一、将破碎、筛分好的煤样装入圆柱式罐体1中的装煤炉膛3，并用螺栓6将上罐盖4和下罐盖5固定连接在圆柱式罐体1的顶部；
二、将进气横管11连接到气源的出气口，将出气竖管13连接到气相色谱分析仪的进样管；并检查所述煤样自加热装置的气密性，保证密封效果；
本实施例中，气体采用含有3％体积浓度瓦斯的空气。
三、操作温度控制仪10的温度控制界面，设定加热温度为30℃，然后，温度控制仪10通过控制电热控制仪9对热电加热丝7和高温热电加热棒8进行加热，热电加热丝7和高温热电加热棒8开始对装煤炉膛3中煤样开始加热；
四、装煤炉膛3中煤样加热过程中，开启热电偶接触测温装置由R型铂铑13纯铂热电偶19，开启计算机温度可视化平台30，对装煤炉膛3中煤样的温度进行实时检测，将热电偶温度数据采集卡21收集到的R型铂铑13纯铂热电偶19检测温度实时反馈到温度控制仪10，温度控制仪10将温度实测信号与加热温度的上阈值相比对，当温度实测信号高于加热温度的上阈值时，温度控制仪10通过控制电热控制仪9对热电加热丝7和高温热电加热棒8停止加热，此时8个收发式声波换能器24位置均在耐火保温层2外侧壁底部；
本实施例中，装煤炉膛3中煤样加热过程中产生气体由气相色谱分析仪检测并记录。
五、开启声学非接触测温装置的声波发射器22，声波发射器22发出一定频率的声波，由声信号放大器23将声波信号放大传递给其中一个收发式声波换能器24，收发式声波换能器24发出声波检测信号，声波检测信号由其他不相邻的收发式声波换能器24接收，其他不相邻的收发式声波换能器24将接收到的声波检测信号经过声信号调理器25放大之后，由声信号数据采集卡26收集，声电转化装置27将声信号数据采集卡26收集到的声信号转化成电信号，温度耦合数据采集卡29将热电偶温度数据采集卡21和声电转化装置27转化的电信号耦合，传递到计算机温度可视化平台30；
六、依次使用其他7个收发式声波换能器24，重复上述步骤五，待8个收发式声波换能器24全部完成声波发射，其他收发式声波换能器24接受成功后，由计算机温度可视化平台30重构出装煤炉膛3中收发式声波换能器24所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，并确定高温点位置。
本实施例中，收发式声波换能器24发射和接收声波时间极短，可忽略时间变化导致温度突变对实验造成的影响。
七、计算机温度可视化平台30在没有收到来自声电转化装置27传来的声信号时，发送信息给滑轨15控制滑动安装板18向上移动一段距离后，重复上述步骤五、六。
本实施例中，滑动安装板18每次移动距离可根据所需的实验精度进行调整，每次移动距离宜≤20mm。
八、当滑动安装板18移动到上固定座17不能继续移动时，计算机温度可视化平台30根据收发式声波换能器24每次移动后所重构出的所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，以此构建出装煤炉膛3中煤样温度分布三维温度场。
步骤六中，如图3所示，首先由收发式声波换能器T1发射声信号，共有收发式声波换能器T1到收发式声波换能器T3、T4、T5、T6、T7共5条声信号传播路径，其路径长度分别为lk1、lk2、lk3、lk4、lk5。
计算机温度可视化平台30内置分析软件首先根据声波速度与温度之间具有如下函数关系：
Figure BDA0003184786840000161
其中，c为声波传播速度；γ为气体绝热指数，及定压比热容与定容比热容之比，与气体成分和状态有关；R为理想气体普适常数，单位是J/(mol·K)；Mg为气体分子量，单位是kg/mol；T为气体绝对温度。当气体组成及状态已知时，
Figure BDA0003184786840000162
即为一个确定的常数，在此用B表示。
其次，假设待测5条路径中，声波速度分别为v1(x，y)、v2(x，y)、v3(x，y)、v4(x，y)、v5(x，y)，相应的声波速度倒数分别为f1(x，y)、f2(x，y)、f3(x，y)、f4(x，y)、f5(x，y)，那么声波在某一路径上的飞行时间可表示为如下线积分：
Figure BDA0003184786840000171
由于路径长度L可事先确定，声波在该路径上的飞行时间tL可由线积分得出，则该路径上的平均温度：
Figure BDA0003184786840000172
最后，基于微积分原理，对每个路径进行网格划分，用插值法计算出每个网格的温度，即可重建出装煤炉膛3内煤样温度二维分布温度场。
步骤六、八中，计算机温度可视化平台30通过声传播测温理论、滤波反投影算法、最小二乘法、高斯函数与正则化重建算法、代数重建算法和同步迭代算法将温度耦合数据采集卡29收集到的温度信息输入计算机温度可视化平台30中的模型，实现装煤炉膛3内部煤温的可视化。
步骤八中，滑动安装板18移动到上固定座17不能继续移动时，即为一个实验周期，可进行多个周期，连续重构出装煤炉膛3中煤样温度分布三维温度场或实时监测煤样内部高温点在空间上的移动规律。
步骤八中，如图5所示，计算机温度可视化平台30利用叠加原理，根据收发式声波换能器24每次移动距离h后构建出装煤炉膛3内煤样温度二维分布温度场，在竖直方向叠加得到其温度分布三维温度场。
其中，h≤20mm。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，包括圆柱式罐体(1)、程序自加热控制系统、气路、自动升降调节装置、热电偶接触测温装置和声学非接触测温装置；
所述程序自加热控制系统包括铺设在圆柱式罐体(1)的底面内侧和侧壁内侧的热电加热丝(7)、均匀固定在圆柱式罐体(1)底面内侧的高温热电加热棒(8)，所述热电加热丝(7)和高温热电加热棒(8)通过电热控制仪(9)控制，电热控制仪(9)与温度控制仪(10)相连；
所述气路包括设置在圆柱式罐体(1)底部的气体干燥箱(12)，圆柱式罐体(1)顶部穿有出气竖管(13)，圆柱式罐体(1)底部侧面设置有进气横管(11)；
所述自动升降调节装置用于调整收发式声波换能器(24)的高度；
所述热电偶接触测温装置用于测量控制圆柱式罐体(1)内部煤样温度；
所述声学非接触测温装置用于监测炉膛(3)内煤样温度分布及高温点运移路径。
2.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述圆柱式罐体(1)包括装煤炉膛(3)，装煤炉膛(3)外侧设置有耐火保温层(2)，装煤炉膛(3)顶部设置有上罐盖(4)和下罐盖(5)，上罐盖(4)和下罐盖(5)之间设置有耐火密封圈，所述上罐盖(4)和下罐盖(5)由螺栓(6)固定，所述耐火保温层(2)和罐盖均由耐火材料制成；所述耐火材料为陶瓷纤维；
所述螺栓(6)数量为8个，直径为12mm，均匀布置在罐盖上。
3.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述高温热电加热棒(8)的数量为四根，四根高温热电加热棒(8)在装煤炉膛(3)内均匀布设；
所述进气横管(11)和出气竖管(13)均由耐腐蚀特种钢材制成，所述进气横管(11)和出气竖管(13)的管径均为10mm，所述进气横管(11)和出气竖管(13)通过螺纹连接在圆柱式罐体(1)，进气横管(11)和出气竖管(13)均穿出噪音隔音箱体(25)。
4.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述气体干燥箱(12)设有干燥剂并通过钢丝密网(14)与装煤炉膛(3)连接，所述出气竖管(13)穿过上罐盖(4)和下罐盖(5)进入圆柱式罐体(1)；
所述圆柱式罐体(1)的直径为600mm，所述圆柱式罐体(1)的高度为750mm；所述装煤炉膛(3)的直径为300mm，所述装煤炉膛(3)的高度为600mm，所述钢丝密网(14)与圆柱式罐体(1)内底面之间的距离为50mm；
所述钢丝密网(14)的密度为100～300目。
5.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述自动升降调节装置包括分别对称安装在耐火保温层(2)外侧壁的滑轨(15)，并由电线路连接至计算机温度控制及可视化平台(30)，滑轨(15)下侧安装有底座(16)，滑轨15下侧安装上固定座(17)，所述滑动安装板(18)与滑轨(15)滑动连接，所述自动升降调节装置各个组成部分均选用轻型、静音材料；
所述滑轨(15)数量为8个，长度为400mm，均匀对称沿耐火保温层(2)竖直方向侧壁设置，所述底座(16)、上固定座(17)焊接在耐火保温层(2)上，所述滑动安装板(18)数量为8个，分别固定在滑轨(15)上，所述滑动安装板(18)中部留出直径略小于收发式声波换能器(24)直径大小的孔洞。
6.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述热电偶接触测温装置包括固定在圆柱式罐体(1)内侧壁R型铂铑13纯铂热电偶(19)，所述R型铂铑13纯铂热电偶(19)通过热电转化装置(20)和热电偶温度数据采集卡(21)相连；
所述R型铂铑13纯铂热电偶(19)数量为4个，直径20mm，长200mm，由上向下均匀对称布置在圆柱式罐体(1)内侧壁，竖向间隔90mm。
7.根据权利要求1所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置，其特征在于，所述声学非接触测温装置包括对称固定在耐火保温层(2)外侧壁的收发式声波换能器(24)，所述收发式声波换能器(24)连接声信号放大器(23)，声信号放大器(23)连接声波发射器(22)，所述收发式声波换能器(24)连接声信号调理器(25)，所述声信号调理器(25)连接声信号数据采集卡(26)，所述声信号数据采集卡(26)连接声电转化装置(27)，所述声学非接触测温装置各个组成部分均由光纤线缆连接，所述声学非接触测温装置安置在噪音隔音箱体(28)内部，所述热电偶温度数据采集卡(21)和声电转化装置(27)连接温度耦合数据采集卡(29)，所述温度耦合数据采集卡(29)连接计算机温度控制及可视化平台(30)；
所述收发式声波换能器(24)的数量为8个，8个收发式声波换能器24分别固定在滑动安装板(18)上；
所述温度控制仪(10)上设置温度显示屏、温度指示灯和温度控制界面，所述程序自加热控制系统的各个组成部分均由耐高温电线路连接。
8.如权利要求1-7任一项所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤；
步骤一、将破碎、筛分好的煤样装入圆柱式罐体(1)中的装煤炉膛(3)，并用螺栓(6)将上罐盖(4)和下罐盖(5)固定连接在圆柱式罐体(1)的顶部；
步骤二、将进气横管(11)连接到气源的出气口，将出气竖管(13)连接到气相色谱分析仪的进样管；并检查所述煤样自加热装置的气密性，保证密封效果；
步骤三、连接好所述程序自加热控制系统后，操作温度控制仪(10)的温度控制界面，设定加热温度的上阈值，然后，温度控制仪(10)通过控制电热控制仪(9)对热电加热丝(7)和高温热电加热棒(8)进行加热，热电加热丝(7)和高温热电加热棒(8)开始对装煤炉膛(3)中煤样开始加热；
步骤四、装煤炉膛(3)中煤样加热过程中，开启热电偶接触测温装置由R型铂铑13纯铂热电偶(19)，开启计算机温度可视化平台(30)，对装煤炉膛(3)中煤样的温度进行实时检测，将热电偶温度数据采集卡(21)收集到的R型铂铑13纯铂热电偶(19)检测温度实时反馈到温度控制仪(10)，温度控制仪(10)将温度实测信号与加热温度的上阈值相比对，当温度实测信号高于加热温度的上阈值时，温度控制仪(10)通过控制电热控制仪(9)对热电加热丝(7)和高温热电加热棒(8)停止加热，此时8个收发式声波换能器(24)位置均在耐火保温层(2)外侧壁底部；
步骤五、开启声学非接触测温装置的声波发射器(22)，声波发射器(22)发出一定频率的声波，由声信号放大器(23)将声波信号放大传递给其中一个收发式声波换能器(24)，收发式声波换能器(24)发出声波检测信号，声波检测信号由其他不相邻的收发式声波换能器(24)接收，其他不相邻的收发式声波换能器(24)将接收到的声波检测信号经过声信号调理器(25)放大之后，由声信号数据采集卡(26)收集，声电转化装置(27)将声信号数据采集卡(26)收集到的声信号转化成电信号，温度耦合数据采集卡(29)将热电偶温度数据采集卡(21)和声电转化装置(27)转化的电信号耦合，传递到计算机温度可视化平台(30)；
步骤六、依次使用其他7个收发式声波换能器(24)，重复上述步骤五，待8个收发式声波换能器(24)全部完成声波发射，其他收发式声波换能器(24)接受成功后，由计算机温度可视化平台(30)重构出装煤炉膛(3)中收发式声波换能器(24)所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，并确定高温点位置；
步骤七、计算机温度可视化平台(30)在没有收到来自声电转化装置(27)传来的声信号时，发送信息给滑轨(15)控制滑动安装板(18)向上移动一段距离后，重复上述步骤五、六；
步骤八、当滑动安装板(18)移动到上固定座(17)不能继续移动时，计算机温度可视化平台(30)根据收发式声波换能器(24)每次移动后所重构出的所在层面水平方向煤样温度二维分布温度场，以此构建出装煤炉膛(3)中煤样温度分布三维温度场。
9.根据权利要求8所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置的测试方法，其特征在于，所述步骤三中设定的加热温度的上阈值为1000℃；
所述步骤四中装煤炉膛(3)中煤样加热过程中产生气体由气相色谱分析仪检测并记录；
所述步骤五、六中收发式声波换能器(24)发射和接收声波时间极短，可忽略时间变化导致温度突变对实验造成的影响；
所述步骤七中滑动安装板(18)每次移动距离可根据所需的实验精度进行调整，每次移动距离宜≤20mm；
所述步骤六、八中计算机温度可视化平台(30)通过声传播测温理论、滤波反投影算法、最小二乘法、高斯函数与正则化重建算法、代数重建算法和同步迭代算法将温度耦合数据采集卡(29)收集到的温度信息输入计算机温度可视化平台(30)中的模型，实现装煤炉膛(3)内部煤温的可视化。
所述步骤八中滑动安装板(18)移动到上固定座(17)不能继续移动时，即为一个实验周期，可进行多个周期，连续重构出装煤炉膛(3)中煤样温度分布三维温度场或实时监测煤样内部高温点在空间上的移动规律；
所述步骤八中计算机温度可视化平台(30)利用叠加原理，根据收发式声波换能器(24)每次移动距离h后构建出装煤炉膛(3)内煤样温度二维分布温度场，在竖直方向叠加得到其温度分布三维温度场。
其中，h≤20mm。
10.根据权利要求8所述的基于声学测温的煤自燃高温点运移路径可视化装置的测试方法，其特征在于，所述步骤六中计算机温度可视化平台(30)内置分析软件首先根据声波速度与温度之间具有如下函数关系：
Figure FDA0003184786830000071
其中，c为声波传播速度；γ为气体绝热指数，及定压比热容与定容比热容之比，与气体成分和状态有关；R为理想气体普适常数，单位是J/(mol·K)；Mg为气体分子量，单位是kg/mol；T为气体绝对温度。当气体组成及状态已知时，
Figure FDA0003184786830000072
即为一个确定的常数，在此用B表示；
其次，假设待测区域中声波速度为v(x，y)，相应的声波速度倒数为f(x，y)，那么声波在某一路径上的飞行时间可表示为如下线积分：
Figure FDA0003184786830000081
由于路径长度L可事先确定，声波在该路径上的飞行时间TL可由线积分得出，则该路径上的平均温度：
Figure FDA0003184786830000082
最后，基于微积分原理，对每个路径进行网格划分，用插值法计算出每个网格的温度，即可重建出装煤炉膛(3)内煤样温度二维分布温度场。
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CN114113457A (zh) * 2021-11-26 2022-03-01 西安科技大学 一种基于双源声信号特征的煤温监测实验装置及方法
CN118067785A (zh) * 2024-04-18 2024-05-24 中煤科工集团沈阳研究院有限公司 煤自燃行为的可视化测试系统及测试方法

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