專利名稱：一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法和設(shè)備，更具體而言，涉及一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法和設(shè)備。
背景技術(shù)：
煤垛內(nèi)部溫度的變化，內(nèi)熱源的產(chǎn)生，以致自燃是一個十分緩慢的過程，在此過程中包含著極其復(fù)雜的物理化學(xué)變化，而且影響因素眾多?，F(xiàn)有對煤垛自燃的研究側(cè)重于對煤垛的早期預(yù)測預(yù)報和火源探測技術(shù)。煤炭自燃的早期預(yù)測預(yù)報和火源探測技術(shù)，需要首先解決兩個問題一是發(fā)現(xiàn)煤體自燃隱患點或火源位置；二是獲取煤體自燃隱患點或火源的溫度。其中發(fā)現(xiàn)自燃隱患點或火源位置是滅火的前提，因此如何快速準(zhǔn)確的對自燃隱患點進(jìn)行探測定位將是預(yù)測預(yù)報乃至防滅火措施的關(guān)鍵。煤炭自燃隱患點或火源探測即通過探測儀器或傳感器確定煤體自燃隱患點或火源的位置、范圍與溫度等。目前，國內(nèi)外煤炭自燃預(yù)報與火源探測的最常采用氣體分析法和溫度檢測法。氣體分析法能預(yù)測高溫區(qū)域溫度，但不能準(zhǔn)確確定高溫區(qū)域位置和發(fā)展變化速度。溫度檢測法主要使用測溫傳感器和紅外探測設(shè)備進(jìn)行煤炭內(nèi)部或表面溫度的探測。測溫傳感器式的測溫檢測法適用性強，能直接測取煤炭的溫度，但會受測溫點位置、范圍、數(shù)量等條件的限制。隨著紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，紅外成像技術(shù)在目標(biāo)的紅外測溫方面得到了廣泛的應(yīng)用。與一般測溫技術(shù)相比，紅外測溫技術(shù)具有無需與被測物體接觸、測量速度快、測溫面較寬、便于查找高溫區(qū)、可實現(xiàn)實時觀測和自動測量、探測距離可調(diào)、可全天候工作、可夜視等突出優(yōu)點。因此，紅外成像測溫技術(shù)已成為目前測溫領(lǐng)域的高新技術(shù)設(shè)備，是煤炭自燃高溫火源點區(qū)域探測的發(fā)展方向。然而，目前紅外成像測溫技術(shù)大多關(guān)注于研究成像系統(tǒng)本身的特性，關(guān)注于對數(shù)字紅外圖像的處理以提高測溫精度，對如何根據(jù)煤垛表面溫度計算內(nèi)部溫度情況，如何實時非接觸式地掌握煤垛的溫度變化等問題尚未有可行有效的解決方法。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明提出一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，該方法包括步驟步驟1:采集被測露天煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)；步驟2 :獲取被測露天煤垛的表面溫度Ts ;步驟3 :獲取被測露天煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率；步驟4 :通過所述煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度L ;步驟5 :通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度Ts、熱物性參數(shù)、邊界層深度L計算被測煤垛的邊界層溫度T。；步驟6 :根據(jù)邊界層溫度T。，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度T”本發(fā)明還提供一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備，該設(shè)備包括第一采集裝置，用于采集被測露天煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)；第二獲取裝置，用于獲取被測露天煤垛的表面溫度Ts;第三獲取裝置，用于獲取被測露天煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率；第一計算裝置，用于通過所述煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度L ;第二計算裝置，用于通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度Ts、熱物性參數(shù)、邊界層深度L計算被測煤垛的邊界層溫度T。；第三計算裝置，用于根據(jù)邊界層溫度T。，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度1\。本發(fā)明通過煤垛表面溫度來測算煤體內(nèi)部溫度，本發(fā)明的方法能夠通過無接觸采集煤垛表面溫度，結(jié)合煤垛相關(guān)參數(shù)，快速、實時、可靠地直接計算煤垛內(nèi)部溫度，清楚地掌握煤垛的內(nèi)部溫度變化。另外，本發(fā)明方法融合遠(yuǎn)紅外測溫、傳熱學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)點，針對露天煤垛表面受環(huán)境影響大，而內(nèi)部受環(huán)境影響小的特點，通過將煤垛合理地分解成兩個部分，對被測煤垛內(nèi)部溫度進(jìn)行有效估算；而且，本發(fā)明方法針對性強，克服了常規(guī)探頭測溫法測量范圍小、安裝維護工作量大、探頭引線易損壞的缺點，也突破了紅外測溫法只能測量表面溫度的應(yīng)用局限性，具有可實時觀測、自動測量、探測距離可調(diào)、可全時段全天候工作等突出優(yōu)點。


圖1示出了本發(fā)明的非接觸式測量煤垛內(nèi)部溫度的方法；圖2示出了本發(fā)明具體實施例中的煤垛紅外輻射亮度
圖3示出了本發(fā)明的計算露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式本發(fā)明的原理是由于露天煤垛會受到天氣環(huán)境(特別是風(fēng)、太陽輻射、空氣濕度、大氣溫度等因素)的影響，使得其表面溫度隨天氣波動較大。而天氣情況對煤垛的影響會隨煤層深度的增加而減弱，到達(dá)一定深度后天氣影響可忽略，煤體溫度相對穩(wěn)定，具有煤體自燃的條件，是內(nèi)熱源最有可能出現(xiàn)的區(qū)域(通常認(rèn)為，露天煤垛的內(nèi)部熱源出現(xiàn)于內(nèi)部疒3米深度處)。因此，本發(fā)明在對煤垛內(nèi)部溫度進(jìn)行計算時，根據(jù)外部天氣環(huán)境對被測煤垛影響程度的差異將煤垛分為兩部分第一部分受外部天氣環(huán)境影響，定義為外層；第二部分不受外部天氣環(huán)境影響，定義為內(nèi)層，兩層交界定義為邊界層。本發(fā)明通過邊界層的溫度來得到內(nèi)部層的溫度。以下結(jié)合具體實施例及附圖來對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明，這些說明不用來限制本發(fā)明的范圍。圖1示出了本發(fā)明的用于非接觸式測量煤垛內(nèi)部溫度的方法。如圖所示，所述方法包括下述步驟I至6 :步驟1:采集被測露天煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)；步驟2 :獲取被測露天煤垛的表面溫度Ts ；步驟3 :獲取被測露天煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率；步驟4 :通過所述煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度L ；
步驟5 :通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度Ts、熱物性參數(shù)、邊界層深度L計算被測煤垛的邊界層溫度Tc ；步驟6 :根據(jù)邊界層溫度T。，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度!\。在步驟I中，采集氣象數(shù)據(jù)可以通過用氣象站、紅外輻射照度計、大氣能見度儀等設(shè)備進(jìn)行，采集的氣象數(shù)據(jù)主要包括風(fēng)速、大氣壓力、空氣濕度、氣溫、大氣能見度、太陽和天空背景輻射照度等。對于所述步驟2，獲取被測露天煤垛的表面溫度1可以有多種方法，比如通過人工定點溫度傳感器測量、溫度傳感器布點測量以及紅外熱像儀的無接觸測量等。以采用紅外熱像儀拍攝紅外圖像進(jìn)行被測煤垛表面測溫為例，該方法包括以下步驟 步驟2.1 :用遠(yuǎn)紅外熱像儀拍攝得到露天煤垛的紅外圖像；步驟2. 2 :利用采集的氣象數(shù)據(jù)去除天候效應(yīng)對拍攝得到的被測煤垛紅外圖像的影響；步驟2. 3 :將去除天候效應(yīng)后的被測煤垛紅外圖像進(jìn)行溫度映射，獲得被測煤垛的表面溫度Ts。所述紅外圖像可以是紅外輻射亮度圖，例如可以采用如下方法獲得表面溫度(該實例僅用于舉例，而不用于限制本發(fā)明)。首先拍攝被測煤垛的紅外輻射亮度圖；然后計算拍攝時刻被測煤垛的反射強度、大氣程輻射亮度和大氣透過率；然后從紅外亮度圖中去除被測煤垛的反射成分和大氣程輻射成分，以得到去除天候效應(yīng)后的紅外輻射亮度圖；然后確定所述拍攝時刻被測煤垛的發(fā)射率數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)所述發(fā)射率數(shù)據(jù)以及去除天候效應(yīng)后的紅外輻射亮度圖確定煤垛的表面溫度。在步驟3中，可通過資料查詢、文獻(xiàn)檢索或檢測等方法獲取煤垛的煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度以及孔隙率等參數(shù)。所述步驟4包括以下步驟步驟4.1 :通過建立不同幾何形狀(如圓錐體、梯形體等)、不同體積的不同煤質(zhì)煤垛，由內(nèi)部布放由溫度傳感器組成的溫度探測點測定得到邊界層深度L，建立不同煤質(zhì)煤垛的邊界層深度數(shù)據(jù)表；步驟4. 2 :結(jié)合被測煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)，查找邊界層深度數(shù)據(jù)表，獲取被測煤垛的邊界層深度L ；所述步驟5包括以下步驟步驟5.1 :根據(jù)表面溫度Ts以及邊界層深度L，采用熱平衡方程，計算邊界層溫度Tc。邊界層溫度Tc的計算式為公式(I)Tc = a X (G/L-Ts) +b (L) (I)其中Tc為被測煤垛的邊界層溫度；TS為表面溫度；G為熱傳導(dǎo)通量；L為邊界層深度；a為與煤垛熱物性參數(shù)相關(guān)的系數(shù)；b (L)為修正函數(shù)，與深度L和天氣情況相關(guān)。所述步驟6包括以下步驟步驟6.1 :基于獲得的被測煤垛煤體熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，根據(jù)多孔介質(zhì)流體力學(xué)、傳質(zhì)和傳熱學(xué)理論，通過氧濃度場和溫度場的數(shù)學(xué)推演，建立點熱源對周圍煤體溫度的影響函數(shù)；
步驟6. 2 :根據(jù)邊界層溫度T。、邊界層深度L、影響函數(shù)，計算得到被測煤垛的內(nèi)部溫度Tj O內(nèi)部溫度T1的計算式為公式(2)
權(quán)利要求
1.一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，包括步驟 步驟1:采集被測露天煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)； 步驟2 :獲取被測露天煤垛的表面溫度(Ts)； 步驟3 :獲取被測露天煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率； 步驟4 :通過所述煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度(L)； 步驟5 :通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度(Ts)、熱物性參數(shù)、邊界層深度(L)計算被測煤垛的邊界層溫度(Tc); 步驟6:根據(jù)邊界層溫度(T。)，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度(T1X
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，在所述步驟I中，所述氣象數(shù)據(jù)包括風(fēng)速、大氣壓力、空氣濕度、氣溫、大氣能見度、太陽和天空背景輻射照度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，所述步驟2包括 步驟2.1 :獲得被測煤垛的紅外圖像； 步驟2. 2 :利用采集的氣象數(shù)據(jù)結(jié)合獲得的紅外圖像進(jìn)行天候效應(yīng)對紅外圖像的影響去除； 步驟2. 3 :將去除天候效應(yīng)后的被測煤垛紅外圖像進(jìn)行溫度映射，獲得被測煤垛的表面溫度(Ts)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，所述步驟4包括 步驟4.1 :根據(jù)不同煤質(zhì)煤垛的幾何形狀和體積來測定邊界層深度(L)，建立不同煤質(zhì)煤垛的邊界層深度數(shù)據(jù)表； 步驟4. 2 :結(jié)合被測煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)，查找邊界層深度數(shù)據(jù)表，獲取被測煤垛的邊界層深度(L)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，所述步驟5包括 步驟5.1 :根據(jù)表面溫度(Ts)、煤垛熱物性參數(shù)以及邊界層深度(L)，通過熱平衡方程計算邊界層溫度(Tc)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法，其特征在于，所述步驟6包括 步驟6.1 :基于煤體熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，建立點熱源對周圍煤體溫度的影響函數(shù)； 步驟6. 2 :根據(jù)邊界層溫度(T。)、邊界層深度(L)、影響函數(shù)，計算得到被測煤垛的內(nèi)部溫度(T1)15
7.一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備，其特征在于，包括 第一采集裝置，用于采集被測露天煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)； 第二獲取裝置，用于獲取被測露天煤垛的表面溫度(Ts)； 第三獲取裝置，用于獲取被測露天煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率； 第一計算裝置，用于通過所述煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度(L); 第二計算裝置，用于通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度(Ts)、熱物性參數(shù)、邊界層深度(L)計算被測煤垛的邊界層溫度(Tc)； 第三計算裝置，用于根據(jù)邊界層溫度(T。)，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度(T1)15
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備，其特征在于，所述第一計算裝置包括 數(shù)據(jù)表建立裝置，用于根據(jù)不同煤質(zhì)煤垛的幾何形狀和體積來測定邊界層深度(L)，建立不同煤質(zhì)煤垛的邊界層深度數(shù)據(jù)表； 邊界層深度獲取裝置，用于結(jié)合被測煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)，查找邊界層深度數(shù)據(jù)表，獲取被測煤垛的邊界層深度(L)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備，其特征在于，所述第二計算裝置用于根據(jù)表面溫度(Ts)、煤垛熱物性參數(shù)以及邊界層深度(L)，通過熱平衡方程計算邊界層溫度(T。)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的設(shè)備，其特征在于，所述第三計算裝置包括 影響函數(shù)建立裝置，用于基于煤體熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，建立點熱源對周圍煤體溫度的影響函數(shù)； 內(nèi)部溫度計算裝置，用于根據(jù)邊界層溫度(T。)、邊界層深度(L)、影響函數(shù)，計算得到被測煤垛的內(nèi)部溫度(T1X
全文摘要
一種非接觸式測量露天煤垛內(nèi)部溫度的方法和設(shè)備，該方法包括步驟1采集被測煤垛現(xiàn)場的氣象數(shù)據(jù)；步驟2獲取被測煤垛的表面溫度(TS)；步驟3獲取煤垛的煤體特性參數(shù)，其中所述煤體特性參數(shù)包括煤垛的幾何形狀、體積、煤質(zhì)、熱物性參數(shù)、密度、孔隙率；步驟4通過所述幾何形狀、體積、煤質(zhì)獲得煤垛的邊界層深度(L)；步驟5通過氣象數(shù)據(jù)、表面溫度(TS)、熱物性參數(shù)、邊界層深度(L)計算煤垛的邊界層溫度(TC)；步驟6根據(jù)邊界層溫度(TC)，結(jié)合熱物性參數(shù)、密度、孔隙率，計算煤垛內(nèi)部溫度(TI)。本發(fā)明可通過無接觸測量煤垛表面溫度直接計算煤垛內(nèi)部溫度，快速、實時、可靠地掌握煤垛的內(nèi)部溫度變化。
文檔編號G01K13/10GK103063328SQ201210587318
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月28日
發(fā)明者谷紅偉, 許文海, 梁建兵, 董麗麗, 楊精志, 李瑛 , 劉宇, 高廣亮, 白增輝 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華銷售集團有限公司, 北京神華昌運高技術(shù)配煤有限公司