CN113433165A - 一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及粉尘云燃爆及安全技术领域，公开了一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法,包括控制装置、喷粉系统、瞬态浓度与粒度耦合测试系统以及数据转换及分析系统，其特征在于，所述控制装置用于控制喷粉系统的开启时刻和持续时间，启动瞬态浓度与粒度耦合测试系统和数据转换及分析系统。本发明运用光全散射法的单波长法、双波长法、多波长法多种方法有机的结合，可快速便捷的获得粉尘浓度与粒径测量结果，它弥补了单一方法算法由于存在函数多元变量，而无法精确求解的缺点，且操作直观简便、控制精准，能同时完成瞬态粉尘云浓度和粒度随时间的变化规律测定、并得到两者的耦合关系，对工业云雾在线检测和军事应用研究具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及粉尘云燃爆及安全技术领域，具体是一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法及测试方法。
背景技术
瞬态粉尘云在国家安全领域作为爆炸能源，在工业生产中有些可燃粉尘环境具有爆炸事故隐患，无论是粉尘云的有效利用还是粉尘云爆炸事故预防，都涉及到爆炸参数的预测。而粉尘云的浓度和粒度分布是爆炸参数的主要影响因素。在国家安全领域，金属粉通过脉冲驱动形成瞬态粉尘云以实现爆轰；在工业生产中，沉积粉尘爆炸事故中多因先导波扰动而瞬态悬浮，进而发生爆炸。
然而，瞬态浓度和粒度在时间和空间上的分布具有非线性，观测难度大，不能准确有效地对粉尘爆炸能源进行应用和粉尘爆炸事故进行预防。
发明内容
本发明的目的在于提供一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法及测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，包括控制装置、喷粉系统、瞬态浓度与粒度耦合测试系统以及数据转换及分析系统，所述控制装置用于控制喷粉系统的开启时刻和持续时间，启动瞬态浓度与粒度耦合测试系统和数据转换及分析系统；
所述喷粉系统包括高压气室、电磁阀、单向阀、储粉室、粉尘喷头、粉尘输送管段以及密闭容器，所述储粉室上设有预装粉体入口，且储粉室与密闭容器通过粉尘输送管段连接；
所述瞬态浓度与粒度耦合测试系统包括激光发射单元、光照检测单元、信号转换单元以及信号接收处理单元，所述转换单元将信号转换后输送至信号接收处理单元，所述激光发射单元与光照检测单元布置在密闭容器外部对称的两侧，光照检测单元经过信号转换单元模数转换后，将电压信号与光强度信号关系数值转换为数字信号后，再输送至信号接收处理单元；
所述数据转换及分析系统由Delphi语言、串口实时数据处理技术及光全散射法的单波长法、双波长法、多波长法粒径测量理论相结合，集成编程完成，且数据转换及分析系统用于将信号接收处理单元接收的信号进行计算分析，输出粉尘浓度、粒度测试结果。
作为本发明再进一步的方案：所述控制装置包括控制模块、显示模块、触控模块以及总启动键，所述控制模块设有开关指令输出端口以及继电器指令输出端口，所述显示模块、触控模块以及总启动键分别与控制模块连接，所述继电器指令输出端口所输出的指令用于控制电磁阀的开启,所述开关指令输出端口的指令输出与继电器指令输出端口的指令输出具有延迟，所述触控模块用于设置控制模块每个输出端口的指令触发时长以及指令延迟时间，所述显示模块用于显示设定信息，确认设置后，控制模块接受来自总启动键的指令，并开始执行。
作为本发明再进一步的方案：所述单波长法测试预估粒径的公式如下：
通过Lambert—Beer定律可知，入射光强度I0与出射光强度I之间的关系式为：
对公式(1)中颗粒数量N进行颗粒的质量浓度Cg表示，即用
代入公式(2)式得
公式(3)中K＝3L/2ρ，ρ为液体密度，L为云雾区光程距离；Ke(λ,m,D)使用消光效率因子近似解可得；
在密闭容器中，可近似认为，在喷雾过程完成初期，不考虑蒸发、损耗及沉降等因素，密闭容器内总浓度近似等于实际喷入定容环境中质量浓度Cg，这样公式(3)中就仅有一个未知数平均特征粒径D，在获得了I0和I后，即可解得预估粒径D；
因此，单波长预估粒径法就得以实际应用，并初步预估了平均特征粒径D的数量级范围。
作为本发明再进一步的方案：所述单波长法、双波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
由公式(3)可拓展为双波长组合公式：
对公式(4)、(5)进行比值处理，并已知：
整理得
其中公式(6)为一种振荡多值函数，
由于单波长法已经得出预估粒径D，使用公式(6)中的多值与单波长法预估粒径D进行比对，可获得与单波长法预估粒径D最为接近的值，作为双波长法粒径D的解。随后使用双波长法粒径D的解，代入公式(4)或(5)中，可得出双波长法质量浓度
作为本发明再进一步的方案：所述多波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
三(多)波长法主要解决多分散颗粒系粒径分布函数N(D)，在消光法中，按等效消光系数原则，多分散颗粒系的平均消光系数Ke(λi，m，Di)和平均特征直径D定义为：
已知多波长可构成以下公式：
写成矩阵形式即为
AC＝E (9)
式中
其中，矩阵E的各元素是可测量，称E为消光矩阵，A为消光系数矩阵；
为解算公式(9)中采用最优化算法建立目标函数：
其中Ej c为理论值，E′j为实测值，使目标OBF最小的一组wi，即求得粒径的尺寸分布。
求解粒径分布函数可使用函数限制算法，也称非独立模式算法,即预先假定被测粒径的尺寸分布符合罗辛—拉姆勒Rosin-Rammler分布：
式中：两个参数
即为待定的两个常数，由于
代入公式(9)中
可从理论上求出一组
不断调整
改变Ci的值，获得OBF最小的那组参数
一种测试方法，包括以下步骤：
S1、对控制装置进行设定：通过触控模块对控制模块进行设置，其中包括继电器指令输出端口的指令输出时长、开关指令输出端口的指令输出；
S2、开启喷粉系统的单向阀，使高压气室内的气压达到实验压力值，在储粉室内加装测试粉体；
S3、按压控制装置的总启动键；控制模块通过继电器指令输出端口发出指令，在其指令输出时长内，开启喷粉系统的电磁阀，高压气室内的气体与储粉室内粉体预混，并瞬态形成气固两相混合物，通过喷嘴将混合物喷入密闭容器形成悬浮云雾；
S4、通过瞬态云雾与粒径耦合测试装置中的信号接收处理单元以及数据记录、计算分析系统，获取瞬态粉尘云浓度、粒度随时间的变化曲线图。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明运用光全散射法的单波长法、双波长法、多波长法多种方法有机的结合，可快速便捷的获得粉尘浓度与粒径测量结果，它弥补了单一方法算法由于存在函数多元变量，而无法精确求解的缺点，且操作直观简便、控制精准，能同时完成瞬态粉尘云浓度和粒度随时间的变化规律测定、并得到两者的耦合关系，对工业云雾在线检测和军事应用研究具有很好的应用前景。
附图说明
图1为一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法的控制关系框图；
图2为一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法组成框图。
具体实施方式
请参阅图1～2，本发明实施例中，一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，包括控制装置、喷粉系统、瞬态浓度与粒度耦合测试系统以及数据转换及分析系统，控制装置用于控制电磁阀的开启时刻和喷粉系统持续时间，启动瞬态浓度与粒度耦合测试系统和数据转换及分析系统；
喷粉系统包括高压气室、电磁阀、单向阀、储粉室、粉尘喷头、粉尘输送管段以及密闭容器，储粉室上设有预装粉体入口，且储粉室与密闭容器通过粉尘输送管段连接，密闭容器可分为两种选择：一种为对称带窗体不透明密闭容器，另一种为全透明密闭容器，高压气室、电磁阀、单向阀、储粉室和粉尘喷头依次通过管路连接，其中粉尘喷头设置在密闭容器内；
瞬态浓度与粒度耦合测试系统包括激光发射单元、光照检测单元、信号转换单元以及信号接收处理单元，转换单元将信号转换后输送至信号接收处理单元，激光发射单元与光照检测单元布置在密闭容器外部对称的两侧，且激光发射单元与光照检测单元由3～6组两两成对组成，即一个激光发射器与一个光照检测单元相配合，激光发射器发射的光路穿过密闭容器；光照检测单元经过信号转换单元模数转换后，将电压信号与光强度信号关系数值转换为数字信号后，再输送至信号接收处理单元；
数据转换及分析系统由Delphi语言、串口实时数据处理技术及光全散射法的单波长法、双波长法、多波长法粒径测量理论相结合，集成编程完成，数据采样及处理响频可达到50hz，且数据转换及分析系统用于将信号接收处理单元接收的信号进行计算分析，输出粉尘浓度、粒度测试结果，从而得出粉尘浓度、粒度随时间变化曲线图。
优选的，控制装置包括控制模块、显示模块、触控模块以及总启动键，控制模块设有开关指令输出端口以及继电器指令输出端口，显示模块、触控模块以及总启动键分别与控制模块连接，继电器指令输出端口所输出的指令用于控制电磁阀的开启,开关指令输出端口的指令输出与继电器指令输出端口的指令输出具有延迟，触控模块用于设置控制模块每个输出端口的指令触发时长以及指令延迟时间，显示模块用于显示设定信息，确认设置后，控制模块接受来自总启动键的指令，并开始执行。
优选的，单波长法测试预估粒径的公式如下：
通过Lambert—Beer定律可知，入射光强度I0与出射光强度I之间的关系式为：
对公式(1)中颗粒数量N进行颗粒的质量浓度Cg表示，即用
代入公式(2)式得
公式(3)中K＝3L/2ρ，ρ为液体密度，L为云雾区光程距离；Ke(λ,m,D)使用消光效率因子近似解可得；
常规单波长法由于只用一个已知波长λ的入射光对颗粒进行测量，而公式(3)中存在2个未知数—粒径D和质量浓度Cg而无法求解，但在已知定容环境总浓度条件下，单波长法可以被改进为初步预估平均特征粒径的一种手段；
在密闭容器中，可近似认为，在喷雾过程完成初期，不考虑蒸发、损耗及沉降等因素，密闭容器内总浓度近似等于实际喷入定容环境中质量浓度Cg，这样公式(3)中就仅有一个未知数平均特征粒径D，在获得了I0和I后，即可解得预估粒径D；
因此，单波长预估粒径法就得以实际应用，并初步预估了平均特征粒径D的数量级范围。
优选的，单波长法、双波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
由公式(3)可拓展为双波长组合公式：
对公式(4)、(5)进行比值处理，并已知：
整理得
其中公式(6)为一种振荡多值函数，
由于单波长法已经得出预估粒径D，使用公式(6)中的多值与单波长法预估粒径D进行比对，可获得与单波长法预估粒径D最为接近的值，作为双波长法粒径D的解。随后使用双波长法粒径D的解，代入公式(4)或(5)中，可得出双波长法质量浓度
优选的，多波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
三(多)波长法主要解决多分散颗粒系粒径分布函数N(D)，在消光法中，按等效消光系数原则，多分散颗粒系的平均消光系数Ke(λi，m，Di)和平均特征直径D定义为：
已知多波长可构成以下公式：
写成矩阵形式即为
AC＝E (9)
式中
其中，矩阵E的各元素是可测量，称E为消光矩阵，A为消光系数矩阵；
为解算公式(9)中采用最优化算法建立目标函数：
其中Ej c为理论值，E′j为实测值，使目标OBF最小的一组wi，即求得粒径的尺寸分布。
求解粒径分布函数可使用函数限制算法(Dependent Model Algorithm)，也称非独立模式算法,即预先假定被测粒径的尺寸分布符合罗辛—拉姆勒Rosin-Rammler(R—R)分布：
式中：两个参数
即为待定的两个常数，由于
代入公式(9)中
可从理论上求出一组
不断调整
改变Ci的值，获得OBF最小的那组参数
一种测试方法，包括以下步骤：
S1、对控制装置进行设定：通过触控模块对控制模块进行设置，其中包括继电器指令输出端口的指令输出时长、开关指令输出端口的指令输出；
S2、开启喷粉系统的单向阀，使高压气室内的气压达到实验压力值，在储粉室内加装测试粉体；
S3、按压控制装置的总启动键；控制模块通过继电器指令输出端口发出指令，在其指令输出时长内，开启喷粉系统的电磁阀，高压气室内的气体与储粉室内粉体预混，并瞬态形成气固两相混合物，通过喷嘴将混合物喷入密闭容器形成悬浮云雾；
S4、通过瞬态云雾与粒径耦合测试装置中的信号接收处理单元以及数据记录、计算分析系统，获取瞬态粉尘云浓度、粒度随时间的变化曲线图。
以上的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，包括控制装置、喷粉系统、瞬态浓度与粒度耦合测试系统以及数据转换及分析系统，其特征在于，所述控制装置用于控制喷粉系统的开启时刻和持续时间，启动瞬态浓度与粒度耦合测试系统和数据转换及分析系统；
所述喷粉系统包括高压气室、电磁阀、单向阀、储粉室、粉尘喷头、粉尘输送管段以及密闭容器，所述储粉室上设有预装粉体入口，且储粉室与密闭容器通过粉尘输送管段连接；
所述瞬态浓度与粒度耦合测试系统包括激光发射单元、光照检测单元、信号转换单元以及信号接收处理单元，所述转换单元将信号转换后输送至信号接收处理单元，所述激光发射单元与光照检测单元布置在密闭容器外部对称的两侧，光照检测单元经过信号转换单元模数转换后，将电压信号与光强度信号关系数值转换为数字信号后，再输送至信号接收处理单元；
所述数据转换及分析系统由Delphi语言、串口实时数据处理技术及光全散射法的单波长法、双波长法、多波长法粒径测量理论相结合，集成编程完成，且数据转换及分析系统用于将信号接收处理单元接收的信号进行计算分析，输出粉尘浓度、粒度测试结果。
2.根据权利要求1所述的一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，其特征在于，所述控制装置包括控制模块、显示模块、触控模块以及总启动键，所述控制模块设有开关指令输出端口以及继电器指令输出端口，所述显示模块、触控模块以及总启动键分别与控制模块连接，所述继电器指令输出端口所输出的指令用于控制电磁阀的开启,所述开关指令输出端口的指令输出与继电器指令输出端口的指令输出具有延迟，所述触控模块用于设置控制模块每个输出端口的指令触发时长以及指令延迟时间，所述显示模块用于显示设定信息，确认设置后，控制模块接受来自总启动键的指令，并开始执行。
3.一种实现权利要求1所述的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对控制装置进行设定：通过触控模块对控制模块进行设置，其中包括继电器指令输出端口的指令输出时长、开关指令输出端口的指令输出；
S2、开启喷粉系统的单向阀，使高压气室内的气压达到实验压力值，在储粉室内加装测试粉体；
S3、按压控制装置的总启动键；控制模块通过继电器指令输出端口发出指令，在其指令输出时长内，开启喷粉系统的电磁阀，高压气室内的气体与储粉室内粉体预混，并瞬态形成气固两相混合物，通过喷嘴将混合物喷入密闭容器形成悬浮云雾；
S4、通过瞬态云雾与粒径耦合测试装置中的信号接收处理单元以及数据记录、计算分析系统，获取瞬态粉尘云浓度、粒度随时间的变化曲线图。
4.根据权利要求1所述的一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，其特征在于，所述单波长法测试预估粒径的公式如下：
通过Lambert—Beer定律可知，入射光强度I0与出射光强度I之间的关系式为：
对公式(1)中颗粒数量N进行颗粒的质量浓度Cg表示，即用
代入公式(2)式得
公式(3)中K＝3L/2ρ，ρ为液体密度，L为云雾区光程距离；Ke(λ,m，D)使用消光效率因子近似解可得；
在密闭容器中，可近似认为，在喷雾过程完成初期，不考虑蒸发、损耗及沉降等因素，密闭容器内总浓度近似等于实际喷入定容环境中质量浓度Cg，这样公式(3)中就仅有一个未知数平均特征粒径D，在获得了I0和I后，即可解得预估粒径D；
因此，单波长预估粒径法就得以实际应用，并初步预估了平均特征粒径D的数量级范围。
5.根据权利要求4所述的一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，其特征在于，所述单波长法、双波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
由公式(3)可拓展为双波长组合公式：
对公式(4)、(5)进行比值处理，并已知：
整理得
其中公式(6)为一种振荡多值函数，
由于单波长法已经得出预估粒径D，使用公式(6)中的多值与单波长法预估粒径D进行比对，可获得与单波长法预估粒径D最为接近的值，作为双波长法粒径D的解。随后使用双波长法粒径D的解，代入公式(4)或(5)中，可得出双波长法质量浓度
6.根据权利要求5所述的一种粉尘云燃爆测试系统及测试方法，其特征在于，所述多波长法测试粒径与浓度复合运算的公式如下：
三(多)波长法主要解决多分散颗粒系粒径分布函数N(D)，在消光法中，按等效消光系数原则，多分散颗粒系的平均消光系数Ke(λi，m，Di)和平均特征直径D定义为：
已知多波长可构成以下公式：
写成矩阵形式即为
AC＝E (9)
式中
其中，矩阵E的各元素是可测量，称E为消光矩阵，A为消光系数矩阵；
为解算公式(9)中采用最优化算法建立目标函数：
其中
为理论值，E′j为实测值，使目标OBF最小的一组wi，即求得粒径的尺寸分布。
求解粒径分布函数可使用函数限制算法，也称非独立模式算法,即预先假定被测粒径的尺寸分布符合罗辛—拉姆勒Rosin-Rammler分布：
式中：两个参数
即为待定的两个常数，由于
代入公式(9)中
可从理论上求出一组
不断调整
改变Ci的值，获得OBF最小的那组参数
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Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103728229A (zh) * | 2013-12-09 | 2014-04-16 | 太原科技大学 | 测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法 |
| CN103852486A (zh) * | 2014-02-17 | 2014-06-11 | 北京理工大学 | 液雾燃爆参数测试系统及测试方法 |
-
2021
- 2021-06-22 CN CN202110694640.7A patent/CN113433165A/zh active Pending
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103728229A (zh) * | 2013-12-09 | 2014-04-16 | 太原科技大学 | 测量大气颗粒物的平均粒径和浓度的测量装置及测量方法 |
| CN103852486A (zh) * | 2014-02-17 | 2014-06-11 | 北京理工大学 | 液雾燃爆参数测试系统及测试方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 刘雪岭: "《瞬态多相云雾浓度、湍流及其爆炸物理特征实验研究》", 《中国优秀博士学位论文全文数据库工程科技I辑》 * |
| 刘雪岭等: "《密闭空间煤粉气动分散湍流对爆炸参数的影响规律》", 《煤炭学报》 * |
| 王悦等: "《密闭空间瞬态液雾粒径及浓度测量实验研究》", 《兵工学报》 * |
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