CN114778595A - 一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于煤的物理检测领域，涉及数据处理技术，用于解决现有技术通过水浴法控制温度导致温度传递速率较慢以及粘贴应变片的方式影响测定精度的问题，具体是一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法，包括测定机构以及设置在测定机构上的处理器，所述测定机构包括腔体，所述腔体为两端呈筒状、中部呈厚饼状的中空结构；所述腔体中部设有圆形窗口；所述腔体的两端均设有压帽，所述压帽远离腔体的侧面设有堵头；本发明通过设置的测定机构，采用光学的方法测量煤样随温度上升而产生的形变，避免了常规应变片受湿度、粘结方法、温度等参数影响大的问题，同时能对两个方向的形变进行测定，做到温度和形变的同步测量。

Description

一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法

技术领域

本发明属于煤的物理检测领域，涉及数据处理技术，具体是一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法。

背景技术

煤炭地下气化(UCG)是一种整体绿色开采技术，它是将地下煤炭通过热化学反应在原位将煤炭转化为可燃气体的技术，是对传统采煤方式的根本性变革。不仅极大地减少了井下工程及艰苦作业，而且消除了煤炭开采对环境的污染和煤炭燃烧对生态环境的不利影响和危害。

因此，煤炭地下气化被业内诸多专家认为是煤炭行业未来的主要发展方向之一，而地下气化高温会导致煤层和周围地层结构发生变化是制约该技术发展的主要因素之一。针对该问题，研发一种煤体热膨胀形变测定装置、测试系统及测试方法用于采集煤体随温度上升的膨胀形变特征，为进一步发展煤炭地下气化技术提供技术支持。

公开号为CN103207130A的发明专利公开了一种煤试样热膨胀过程中变形特征参数的测试方法，包括：沿煤试样表面轴向和径向粘贴测量应变片，并在其相邻位置安设相同规格的温度补偿片，然后分别连接两个测量应变片与补偿片组成两个惠通斯电桥电路；将煤试样装入解吸罐后置入水浴槽，梯级升高水浴温度实时监测从解吸罐中排放气体流量及其组分浓度、以及煤试样体积应变数据，得到煤试样在吸热和热平衡阶段的体积变形量及其吸附气体解吸量；根据不同恒温条件下煤试样的体积变形量和解吸气体量，分析计算得出对煤试样的热膨胀系数和解吸收缩系数。该申请案解决了如何获得不同温度条件下的煤试样热膨胀系数和解吸收缩系数，但由于是通过水浴法控制温度，因此温度传递速率较慢，且温度只能控制在100℃以内；另外该申请案通过粘贴应变片的方式实现轴向和经向的形变测定，而该方式严重受到粘贴方式的影响，且温度会对应变片本身测定精度产生影响。

针对上述技术问题，本申请提出一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法，用于解决现有技术通过水浴法控制温度导致温度传递速率较慢以及粘贴应变片的方式影响测定精度的问题；

本发明需要解决的技术问题为：如何提供一种快速传递温度的煤体热膨胀形变高精度测试系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种煤体热膨胀形变测试系统，包括测定机构以及设置在测定机构上的处理器，所述测定机构包括腔体，所述腔体为两端呈筒状、中部呈厚饼状的中空结构；所述腔体中部设有圆形窗口；所述腔体的两端均设有压帽，所述压帽远离腔体的侧面设有堵头，压帽对应通气孔位置处开设有让位孔一，堵头的中心处开设有通气孔；腔体内部中心设有V字型的煤样放置板，煤样放置板与腔体内壁竖直固定连接；

所述腔体顶部还设置有护板，所述护板对应圆形窗口位置处贯穿开设有让位孔二，护板让位孔二的内壁之间内嵌安装有玻璃窗，所述护板的顶面通过若干紧固件固定安装有压盖，所述压盖对应圆形窗口位置处贯穿开设让位孔三，让位孔三的半径值与圆形窗口的半径值相同。

作为本发明的一种优选实施方式，所述护板的让位孔二的面积大于圆形窗口的面积；所述玻璃窗顶面边缘与压盖底面之间通过密封垫一压紧接触；所述玻璃窗底面边缘与筒体顶面间通过密封垫二压紧接触。

作为本发明的一种优选实施方式，所述煤样放置板与腔体内壁竖直固定连接，所述煤样放置板的两个侧边互相垂直，且煤样放置板的两个侧边之间形成样品放置位。

作为本发明的一种优选实施方式，所述处理器通信连接有高温注气模块、数据采集模块、终端模块以及数据处理模块；

所述高温注气模块与测定机构的一端通气孔相连通，高温注气模块用于向测定机构内输入实验用气体，使得煤样能达到设定的测试温度，高温注气模块包括气源和加热器；

所述数据采集模块包括设置在通气孔内壁的温度传感器一、温度传感器二与设置在圆形窗口正上方的显微摄像头，所述温度传感器一和温度传感器二均用于采集出气口的气体温度数据，显微摄像头用于对测试煤样的长度变化数据进行采集；

所述终端模块包括显示器以及设置在显示器上的输入键盘，所述显示器用于接收测试煤样的长度变化数据以及出气口的气体温度数据并进行显示，用户通过输入键盘对显微摄像头的位置与高温注气模块参数进行调整。

作为本发明的一种优选实施方式，所述数据处理模块用于对腔体内部气体的温度稳定性进行检测分析：通过温度传感器一和温度传感器二实时获取出气口的气体温度并标记为实时温度值，将实时温度值达到用户设置的加热温度的时间标记为开始时间，将实验结束的时间标记为结束时间，将开始时间与结束时间之间的时段标记为检测时段，将检测时段分割为分析时段i，i＝1，2，…，n，n为正整数，将分析时段i内腔体内气体温度值的最大值与最小值分别标记为温高值与温低值，将温高值与温低值的平均值标记为分析对象i的温平值WPi，将分析对象i的温平值WPi建立温平集合{WP1，WP2，…，WPn}，对温平集合进行方差计算得到温平表现值，将温平表现值与温平表现阈值进行比较：若温平表现值小于温平表现阈值，则判定温度稳定性合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定合格信号；若温差值大于等于温差阈值，则判定温度稳定性不合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定不合格信号。

一种煤体热膨胀形变测试方法，包括以下步骤：

步骤一：装配样品，将测定机构的玻璃窗和压盖取下，将煤样放置在煤样放置板所夹的样品放置位中，样品三面分别与两块煤样放置板和腔体中空内壁抵接，放置好后将玻璃窗和压板连接好；

步骤二：设备调试，将温度传感器一、温度传感器二以及高温注气模块通过管路连接于测定机构两端，将高温注气模块、数据采集模块与终端模块的显示器进行连接，调整显微摄像头位置，直至显微摄像头能够拍摄到煤样状态，开启高温注气模块内部气源，使用惰性气体排净腔体内部空气；

步骤三：温度调整，用户通过终端模块的输入键盘设置加热温度，启动高温注气模块中加热器；通过两个温度传感器一和温度传感器二传输的温度信号，调整加热器功率，使得煤样在腔体内处于稳定的温度环境；

步骤四：数据记录，通过终端模块控制显微镜摄像头的位置移动，使显微镜摄像头对准圆形窗口下的煤样端面，调节显微镜摄像头的目镜和物镜，直至终端模块显示出煤样端面轮廓，定时对圆形窗口下煤样端面拍摄图片，通过对比尺得到煤样长度变化数据；

步骤五：实验结束，关闭加热器，待腔体内温度自然降至室温，打开压盖和玻璃窗，取出测试装置内的煤样，实验完毕。

本发明具备下述有益效果：

1、本发明通过设置的测定机构，采用光学的方法测量煤样随温度上升而产生的形变，避免了常规应变片受湿度、粘结方法、温度等参数影响大的问题，同时能对两个方向的形变进行测定，做到温度和形变的同步测量；

2、本发明通过将数据采集模块、高温注气模块和终端模块进行的有机结合，能实现较高精度的煤样膨胀形变测定；同时可实现在不同氛围气体、不同升温速率的升温膨胀形变测定；

3、本发明通过数据处理模块可以在检测时段内对腔体内的空气温度稳定情况进行检测分析，从而保证煤体在腔体内的温度稳定性，提高热膨胀形变测定结果的精确性；

4、本发明通过煤体热膨胀形变测试方法，避免了绝大多数对媒体膨胀形变的影响因素，操作方法简单，使用方便快捷，具有良好的市场推广前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体的结构示意图；

图2为本发明实施例一中测定机构的结构侧视剖视图；

图3为本发明实施例一中测定机构的结构俯视图；

图4为本发明实施例一中测定机构的结构俯视剖视图；

图5为本发明实施例一中测定机构的结构主视图；

图6为本发明实施例一中测定机构的结构主视剖视图；

图7为本发明实施例一中测定机构的结构左视图；

图8为本发明实施例一中测定机构的结构左视剖视图；

图9为本发明实施例二中的系统框图；

图10为本发明实施例三中的方法流程图。

图中：1、测定机构；10、腔体；100、圆形窗口；11、煤样放置板；110、样品放置位；12、堵头；120、通气孔；13、压帽；14、护板；15、压盖；150、紧固件；16、玻璃窗；2、显微摄像头；3、高温注气模块；31、气源；32、加热器；41、温度传感器一；42、温度传感器二；51、显示器。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1-8所示，一种煤体热膨胀形变测试系统，包括测定机构1以及设置在测定机构1上的处理器，测定机构1包括腔体10，腔体10为两端呈筒状、中部呈厚饼状的中空结构；腔体10中部设有圆形窗口100；腔体10的两端均设有压帽13，压帽13远离腔体10的侧面设有堵头12，压帽13对应通气孔120位置处开设有让位孔一，堵头12的中心处开设有通气孔120；腔体10内部中心设有V字型的煤样放置板11，煤样放置板11与腔体10内壁竖直固定连接；腔体10顶部还设置有护板14，护板14对应圆形窗口100位置处贯穿开设有让位孔二，护板14让位孔二的内壁之间内嵌安装有玻璃窗16，护板14的顶面通过若干紧固件150固定安装有压盖15，紧固件150为紧固螺栓，压盖15上让位孔三具有一定厚度的内侧壁也能有效防止侧光照影响显微摄像头2采集圆形窗口100下方的煤样图像。将长方体的煤样放置于煤样放置板11，利用护板14、压盖15和玻璃窗16使得腔体10内部除通气孔120外构成密闭空间。在升温测试前，利用气源31释放惰性气体(N2、He)排除腔体10内空气，避免升温过程中煤样在空气氛围内氧化，对测试结果产生影响。同时腔体10两端通气孔120较为狭窄，过渡段内腔呈现流线型，使得高温气流在中部流动较为平缓，避免紊乱气流对显微摄像单元的数据采集参数影响；压盖15对应圆形窗口100位置处贯穿开设让位孔三，让位孔三的大小与圆形窗口100大小相同；护板14的让位孔二的面积大于圆形窗口100的面积；玻璃窗16顶面边缘与压盖15底面之间通过密封垫一压紧接触；玻璃窗16底面边缘与筒体顶面间通过密封垫二压紧接触；采用光学的方法测量煤样随温度上升而产生的形变，避免了常规应变片受湿度、粘结方法、温度等参数影响大的问题，同时能对两个方向的形变进行测定，做到温度和形变的同步测量；另外，需要说明的是，腔体10、圆形窗口100、煤样放置板11、样品放置位110、堵头12、通气孔120、压帽13、护板14、压盖15、紧固件150、玻璃窗16等均为耐高温材料，不会在测试过程中产生较大的形变；玻璃窗16为非晶体特殊材料，不会因为温度而对光线的折射产生较大的影响，确保了测定的精确性。

实施例二

如图9所示，处理器通信连接有高温注气模块3、数据采集模块、终端模块以及数据处理模块。

高温注气模块3与测定机构1的一端通气孔120相连通，高温注气模块3用于向测定机构1内输入实验用气体，使得煤样能达到设定的测试温度，高温注气模块3包括气源31和加热器32，加热器32是指利用电能达到加热效果的电器，它体积小，加热功率高，使用十分广泛，采用智能控制模式，控温精度高，可与计算机联网，应用范围广，寿命长，可靠性高，加热器32原理的核心的是能量转换，最广泛的就是电能转换成热能；

数据采集模块包括设置在通气孔120内壁的温度传感器一41、温度传感器二42与设置在圆形窗口100正上方的显微摄像头2，显微摄像头2可与任何标准的三目生物显微镜、体视显微镜、金相显微镜配合使用，拍摄数码显微图象，它具有传输速度快，色彩还原好，图象清晰，存储方便能优点，可以广泛的应用于工业品管、教学研究、材料分析，机器视觉等领域；温度传感器一41与温度传感器二42均用于采集出气口的气体温度数据，温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，显微摄像头2用于对测试煤样的长度变化数据进行采集；

终端模块包括显示器51以及设置在显示器51上的输入键盘，显示器51用于接收测试煤样的长度变化数据以及出气口的气体温度数据并进行显示，显示器51是属于电脑的I/O设备，即输入输出设备；它是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具，用户通过输入键盘对显微摄像头2的位置与高温注气模块3参数进行调整。

数据处理模块用于对腔体10内部气体的温度稳定性进行检测分析：通过温度传感器一41和温度传感器二42实时获取出气口的气体温度并标记为实时温度值，将实时温度值达到用户设置的加热温度的时间标记为开始时间，将实验结束的时间标记为结束时间，将开始时间与结束时间之间的时段标记为检测时段，将检测时段分割为分析时段i，i＝1，2，…，n，n为正整数，将分析时段i内腔体10内气体温度值的最大值与最小值分别标记为温高值与温低值，将温高值与温低值的平均值标记为分析对象i的温平值WPi，将分析对象i的温平值WPi建立温平集合{WP1，WP2，…，WPn}，对温平集合进行方差计算得到温平表现值，需要说明的是，温平表现值是一个反应检测时段内气体温度稳定程度的数值，温度表现值的数值越小则表示在反应时段内气体温度越稳定，将温平表现值与温平表现阈值进行比较：若温平表现值小于温平表现阈值，则判定温度稳定性合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定合格信号；若温差值大于等于温差阈值，则判定温度稳定性不合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定不合格信号，终端模块接收到温度稳定不合格信号后将温度稳定不合格信号发送至用户的手机终端，用户通过输入键盘对加热器32的输出功率进行调节。

实施例三

如图10所示，一种煤体热膨胀形变测试方法，包括以下步骤：

步骤一：装配样品，将测定机构1的玻璃窗16和压盖15取下，将煤样放置在煤样放置板11所夹的样品放置位110中，样品三面分别与两块煤样放置板11和腔体10中空内壁抵接，放置好后将玻璃窗16和压板连接好；

步骤二：设备调试，将温度传感器一41、温度传感器二42以及高温注气模块3通过管路连接于测定机构1两端，将高温注气模块3、数据采集模块与终端模块的显示器51进行连接，调整显微摄像头2位置，直至显微摄像头2能够拍摄到煤样状态，开启高温注气模块3内部气源31，使用惰性气体排净腔体10内部空气；

步骤三：温度调整，用户通过终端模块的输入键盘设置加热温度，启动高温注气模块3中加热器32；通过两个温度传感器一41和温度传感器二42传输的温度信号，调整加热器32功率，使得煤样在腔体10内处于稳定的温度环境；

步骤四：数据记录，通过终端模块控制显微镜摄像头的位置移动，使显微镜摄像头对准圆形窗口100下的煤样端面，调节显微镜摄像头的目镜和物镜，直至终端模块显示出煤样端面轮廓，定时对圆形窗口100下煤样端面拍摄图片，通过对比尺得到煤样长度变化数据；

步骤五：实验结束，关闭加热器32，待腔体10内温度自然降至室温，打开压盖15和玻璃窗16，取出测试装置内的煤样，实验完毕。

一种煤体热膨胀形变测试系统及其方法，工作时，将温度传感器一41、温度传感器二42以及高温注气模块3通过管路连接于测定机构1两端，将高温注气模块3、数据采集模块与终端模块的显示器51进行连接，调整显微摄像头2位置，开启高温注气模块3内部气源31，使用惰性气体排净腔体10内部空气；用户通过终端模块的输入键盘设置加热温度，启动高温注气模块3中加热器32；通过终端模块控制显微镜摄像头的位置移动，使显微镜摄像头对准圆形窗口100下的煤样端面，调节显微镜摄像头的目镜和物镜，直至终端模块显示出煤样端面轮廓，定时对圆形窗口100下煤样端面拍摄图片，通过对比尺得到煤样长度变化数据，煤体热膨胀形变测定完成。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (6)

1.一种煤体热膨胀形变测试系统，包括测定机构(1)以及设置在测定机构(1)上的处理器，其特征在于，所述测定机构(1)包括腔体(10)，所述腔体(10)为两端呈筒状、中部呈厚饼状的中空结构；所述腔体(10)中部设有圆形窗口(100)；所述腔体(10)的两端均设有压帽(13)，所述压帽(13)远离腔体(10)的侧面设有堵头(12)，堵头(12)的中心处开设有通气孔(120)，压帽(13)对应通气孔(120)位置处开设有让位孔一；腔体(10)内部中心设有V字型的煤样放置板(11)；

所述腔体(10)顶部还设置有护板(14)，所述护板(14)对应圆形窗口(100)位置处贯穿开设有让位孔二，护板(14)让位孔二的内壁之间内嵌安装有玻璃窗(16)，所述护板(14)的顶面通过若干紧固件(150)固定安装有压盖(15)，所述压盖(15)对应圆形窗口(100)位置处贯穿开设让位孔三，让位孔三的半径值与圆形窗口(100)的半径值相同。

2.根据权利要求1所述的一种煤体热膨胀形变测试系统，其特征在于，所述护板(14)的让位孔二的面积大于圆形窗口(100)的面积；所述玻璃窗(16)顶面边缘与压盖(15)底面之间通过密封垫一压紧接触；所述玻璃窗(16)底面边缘与筒体顶面间通过密封垫二压紧接触。

3.根据权利要求1所述的一种煤体热膨胀形变测试系统，其特征在于，所述煤样放置板(11)与腔体(10)内壁竖直固定连接，所述煤样放置板(11)的两个侧边互相垂直，且煤样放置板(11)的两个侧边之间形成样品放置位(110)。

4.根据权利要求1所述的一种煤体热膨胀形变测试系统，其特征在于，所述处理器通信连接有高温注气模块(3)、数据采集模块、终端模块以及数据处理模块；

所述高温注气模块(3)与测定机构(1)的一端通气孔(120)相连通，高温注气模块(3)用于向测定机构(1)内输入实验用气体，使得煤样能达到设定的测试温度，高温注气模块(3)包括气源(31)和加热器(32)；

所述数据采集模块包括设置在通气孔(120)内壁的温度传感器一(41)、温度传感器二(42)与设置在圆形窗口(100)正上方的显微摄像头(2)，所述温度传感器一(41)和温度传感器二(42)均用于采集出气口的气体温度数据，显微摄像头(2)用于对测试煤样的长度变化数据进行采集；

所述终端模块包括显示器(51)以及设置在显示器(51)上的输入键盘，所述显示器(51)用于接收测试煤样的长度变化数据以及出气口的气体温度数据并进行显示，用户通过输入键盘对显微摄像头(2)的位置与高温注气模块(3)参数进行调整。

5.根据权利要求4所述的一种煤体热膨胀形变测试系统，其特征在于，所述数据处理模块用于对腔体(10)内部空气的温度稳定性进行检测分析：通过温度传感器一(41)和温度传感器二(42)实时获取出气口的气体温度并标记为实时温度值，将实时温度值达到用户设置的加热温度的时间标记为开始时间，将实验结束的时间标记为结束时间，将开始时间与结束时间之间的时段标记为检测时段，将检测时段分割为分析时段i，i＝1，2，…，n，n为正整数，将分析时段i内腔体(10)内气体温度值的最大值与最小值分别标记为温高值与温低值，将温高值与温低值的平均值标记为分析对象i的温平值WPi，将分析对象i的温平值WPi建立温平集合{WP1，WP2，…，WPn}，对温平集合进行方差计算得到温平表现值，将温平表现值与温平表现阈值进行比较：若温平表现值小于温平表现阈值，则判定温度稳定性合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定合格信号；若温差值大于等于温差阈值，则判定温度稳定性不合格，数据处理模块向终端模块发送温度稳定不合格信号。

6.一种煤体热膨胀形变测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：装配样品，将测定机构(1)的玻璃窗(16)和压盖(15)取下，将煤样放置在煤样放置板(11)所夹的样品放置位(110)中，样品三面分别与两块煤样放置板(11)和腔体(10)中空内壁抵接，放置好后将玻璃窗(16)和压板连接好；

步骤二：设备调试，将温度传感器一(41)、温度传感器二(42)以及高温注气模块(3)通过管路连接于测定机构(1)两端，将高温注气模块(3)、数据采集模块与终端模块的显示器(51)进行连接，调整显微摄像头(2)位置，直至显微摄像头(2)能够拍摄到煤样状态，开启高温注气模块(3)内部气源(31)，使用惰性气体排净腔体(10)内部空气；

步骤三：温度调整，用户通过终端模块的输入键盘设置加热温度，启动高温注气模块(3)中加热器(32)；通过两个温度传感器一(41)和温度传感器二(42)传输的温度信号，调整加热器(32)功率，使得煤样在腔体(10)内处于稳定的温度环境；

步骤四：数据记录，通过终端模块控制显微镜摄像头的位置移动，使显微镜摄像头对准圆形窗口(100)下的煤样端面，调节显微镜摄像头的目镜和物镜，直至终端模块显示出煤样端面轮廓，定时对圆形窗口(100)下煤样端面拍摄图片，通过对比尺得到煤样长度变化数据；

步骤五：实验结束，关闭加热器(32)，待腔体(10)内温度自然降至室温，打开压盖(15)和玻璃窗(16)，取出测试装置内的煤样，实验完毕。

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