一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及煤体测试技术领域，特别是涉及一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置及测量方法。

背景技术

煤的自燃一直是困扰我国，煤炭行业提高经济效益的一个重要问题。我国是煤炭大国，每年都会产出大量的煤，但是因为煤的自燃的存在，我国煤炭行业的经济损失始终居高不下。随着国家的重视，我国逐渐对煤的自燃进行了深入研究，研究发现，能判断煤的自燃程度的主要参数是煤体的温度和气体浓度，因此，准确测量煤体的温度和涌出气体的浓度成为了判断煤体自燃程度，进而做出应对措施的第一步，也是最重要的一步。

松散煤体的温度和气体浓度是衡量煤体安全性的重要参数，在实际生活中，不管是煤的仓储还是煤炭的开采，温度和气体浓度都直接影响煤的质量和安全性，甚至直接影响工作人员的生命安全，因此，在工业中准确测量煤堆的温度和气体的浓度就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过模拟厢体模拟了实际的煤运输状态，对模拟厢体内铺设气体输送管道，实现模拟厢体内各层气体的运输，进而通过激光气体分析仪对气体进行浓度测量，通过在模拟厢体内设置温度传感器采集煤体的温度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置，包括模拟厢体和激光气体分析仪，所述模拟厢体内设置有若干气体输送管道，所述气体输送管道和所述模拟厢体之间用于盛放松散煤体，各所述气体输送管道内均设置有若干温度传感器，所述温度传感器用于采集相应位置的温度，各所述气体输送管道上均开设有通孔，各所述气体输送管道均与所述激光气体分析仪的烟道连通，所述模拟厢体内的待测气体通过所述通孔进入所述烟道中，并通过所述激光气体分析仪得到待测气体的浓度。

优选地，所述激光气体分析仪包括发射单元和接收单元，所述发射单元设置在所述烟道的一端，所述接收单元设置在所述烟道的另一端，所述烟道内设置有第一准直镜和第二准直镜，所述第一准直镜靠近所述发射单元设置，所述第二准直镜靠近所述接收单元设置。

优选地，所述烟道内还设置有第一截止阀和第二截止阀，所述第一截止阀和所述第二截止阀设置在所述第一准直镜和所述第二准直镜之间，所述第一截止阀靠近所述第一准直镜设置，所述第二截止阀靠近所述第二准直镜设置。

优选地，还包括吹扫装置，所述吹扫装置的进气口与气瓶连通，所述吹扫装置的第一出气口通过第一吹扫管路与所述第一准直镜和所述第一截止阀之间的所述烟道连通，所述第一准直镜和所述第一截止阀之间的所述烟道设置有第一吹扫气出口，所述吹扫装置的第二出气口通过第二吹扫管路与所述第二准直镜和所述第二截止阀之间的所述烟道连通，所述第二准直镜和所述第二截止阀之间的所述烟道设置有第二吹扫气出口。

优选地，所述第一截止阀和所述第二截止阀之间的所述烟道上设置有气体出口，所述气体出口处设置有第一流量开关。

优选地，各所述气体输送管道的一端分别伸出所述模拟厢体并与总管道的一端连通，所述总管道的另一端与所述烟道连通；位于所述模拟厢体外部的各所述气体输送管道上均设置有流量控制器和阀门，所述总管道上设置有气泵、过滤单元和第二流量开关。

优选地，所述模拟厢体内自上而下设置有若干气体输送管道组，各所述气体输送管道组均包括若干位于同一平面均布的所述气体输送管道，各所述气体输送管道平行设置，各所述气体输送管道内的各所述温度传感器沿所述气体输送管道的长度方向均布。

优选地，所述模拟厢体的厢体壁设置有加热板。

本发明还提供了一种采用所述松散煤体的温度和气体浓度测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，将模拟厢体填满煤体；

步骤二，根据实际需要铺设气体输送管道并布置温度传感器，并将温度传感器与显示仪表连接，开始测温；

步骤三，根据需要确定待测气体，选择合适的谱线并对激光气体分析仪的激光控制器进行设置，确定通过激光气体分析仪的半导体激光器的电流和温度，确定半导体激光器发射激光的波长，根据激光控制器设定的参数，半导体激光器发射出特定波长的激光；

步骤四，打开气泵开关以及所需的气体输送管道的流量控制器，使得待测气体进入过滤单元过滤后，并最终进入激光气体分析仪的烟道；

步骤五，半导体激光器发射的激光通过传感探头经过待测气体，并射到接收单元的激光探测器上；

步骤六，激光探测器通过光电转换器将衰弱后的激光电信号进行传输至发射单元，发射单元内置的数据处理系统经过运算得出待测气体的浓度，并将对应的数据传输到发射单元保存。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明利用了激光的原理，通过模拟厢体模拟真实的运输厢体并在其内部铺设气体输送管道，以及安装多位点的温度传感器来实现温度和气体浓度的测量，数据更加丰富、真实，有利于研究煤体的温度场和气体场，进而便于研究运输中煤体的温度和气体浓度的变化规律。

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为本发明的松散煤体的温度和气体浓度测量装置示意图；

图2为本发明的模拟厢体及过滤单元示意图；

图3为本发明的模拟厢体示意图；

其中：100-松散煤体的温度和气体浓度测量装置，1-模拟厢体，2-激光气体分析仪，3-气体输送管道，4-温度传感器，5-烟道，6-发射单元，7-接收单元，8-第一准直镜，9-第二准直镜，10-第一截止阀，11-第二截止阀，12-吹扫装置，13-气瓶，14-第一吹扫管路，15-第一吹扫气出口，16-第二吹扫管路，17-第二吹扫气出口，18-第一流量开关，19-总管道，20-气泵，21-过滤单元，22-第二流量开关，23-加热板，24-显示器，25-光缆。

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付出创造性劳动的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。

本发明的目的是提供一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置及测量方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过模拟厢体模拟了实际的煤运输状态，对模拟厢体内铺设气体输送管道，实现模拟厢体内各层气体的运输，进而通过激光气体分析仪对气体进行浓度测量，通过在模拟厢体内设置温度传感器采集煤体的温度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图3所示：本实施例提供了一种松散煤体的温度和气体浓度测量装置100，包括模拟厢体1和激光气体分析仪2，模拟厢体1内设置有若干气体输送管道3，气体输送管道3和模拟厢体1之间用于盛放松散煤体，各气体输送管道3内均设置有若干温度传感器4，温度传感器4用于采集相应位置的温度，各气体输送管道3上均开设有通孔，各气体输送管道3均与激光气体分析仪2的烟道5连通，模拟厢体1内的待测气体通过通孔进入烟道5中，并通过激光气体分析仪2得到待测气体的浓度。激光气体分析仪2采用单线光谱的测量方法，通过选择合适的吸收谱线来提高待测气体对激光的吸收度，排除杂质气体的干扰。本实施例利用了激光的原理，通过模拟厢体1模拟真实的运输厢体并在其内部铺设气体输送管道3，以及安装多位点的温度传感器4来实现温度和气体浓度的测量，数据更加丰富、真实，有利于研究煤体的温度场和气体场。

具体地，本实施例中，模拟厢体1的厢体壁设置有加热板23。运输车厢高3m、长15m、宽3m，本实施例中进行了五倍的缩小，模拟厢体1的高0.6m、长为3m、宽0.6m。

本实施例中，模拟厢体1内自上而下设置有若干气体输送管道组，各气体输送管道组均包括若干位于同一平面均布的气体输送管道3，各气体输送管道3平行设置，各气体输送管道3内的各温度传感器4沿气体输送管道3的长度方向均布。

具体地，本实施例包括六组上下间隔0.1m的气体输送管道组，各气体输送管道3的一端贯通模拟厢体1的厢体壁，铺设气体输送管道3时考虑模拟厢体1的大小和气体输送管道3的大小，而且要在均匀而不使数据失真的前提下进行铺设，气体输送管道3采用散热性和耐热性较好的材料，以免影响温度场的确定。每一个气体输送管道3根据模拟厢体1的长度创建了30个测量位点，即每隔0.1m设置一个位点，每个位点设置一个温度传感器4，温度传感器4类型多样，应该以小巧、准确、耐高温为选用原则，温度传感器4与显示器24通过连接线连接，显示器24实时显示各温度传感器4测得的温度，显示器24对温度传感器4的信号进行接收、显示、存储，与温度传感器4共同构成测量装置，形成在线式温度测量单元。连接线按顺序通过向模拟厢体1左侧厢体壁打孔的形式放置于煤体里，在通过在模拟厢体1的厢体壁的打孔形式与模拟箱体外的显示器24连接，由于不伤害气体输送管道3，所以对装置的影响降到了最低，这种连接方式更加简便，能满足实验的反复性。本实施例各气体输送管道3内的温度传感器4一起工作时能完整的记录不同点的温度，实现多位点温度的测量，进而由点到面、由面到体，快速建立煤体的温度场。

本实施例中，各气体输送管道3的一端分别伸出模拟厢体1并与总管道19的一端连通，总管道19的另一端与烟道5连通；位于模拟厢体1外部的各气体输送管道3上均设置有流量控制器和阀门，可以根据需要开关相对应的流量控制器和阀门，实现不同层的煤体的待测气体的抽取，进而测量各气体输送管道3的气体浓度，帮助完善煤体的气体场，总管道19上设置有气泵20、过滤单元21和第二流量开关22。气泵20能够实现气体的定向移动，过滤单元21为三级过滤单元21，三级过滤单元21内置三级过滤装置，分别过滤气体和固体杂质，实现对待测气体的排杂，三级过滤单元21的存在相比于直接用激光气体分析仪2测量煤体涌出气体提高了测量精度，能排除一部分杂质气体和固体的干扰，提高测量的精确度，过滤完后将待测气体输送到烟道5中，实现待测气体浓度的测量。

本实施例通过均匀铺设气体输送管道3所获取的气体信息更加真实，即对于煤体的运输过程仿真度较高，抽取的气体更加符合煤体的自燃过程各层面所产生的气体。

本实施例中，激光气体分析仪2采用的是单线光谱测量原理，能够实现对单一气体浓度的精确测量，激光气体分析仪2为现有技术，激光气体分析仪2包括发射单元6和接收单元7，发射单元6和接收单元7通过光缆25连接，发射单元6设置在烟道5的一端，接收单元7设置在烟道5的另一端，烟道5内设置有第一准直镜8和第二准直镜9，第一准直镜8靠近发射单元6设置，第二准直镜9靠近接收单元7设置。

发射单元6包括可调谐的半导体激光器、激光控制器和第一光电转换器，半导体激光器的工作物质是砷化镓，通过激光控制器的驱动和控制，改变发射激光的波长，实现对不同气体的测量。本实施例的激光器的结构是双异质结结构，而非脉冲式，可以实现连续工作的目的，将待测气体的浓度随时间的变化的数据实时的记录下来。

接收单元7包括第二光电转换器、滤波器和激光探测器。

激光气体分析仪2根据激光的原理和特性进行实际的测量，激光气体分析仪2的半导体激光器发射激光，根据具体的需要通过激光控制器改变激光的发射频率，激光穿过待测气体的同时激光会衰弱，再通过激光探测器的探测将发射激光的改变量等数据传输到数据处理系统，数据处理系统通过数据的运算可以将待测气体的浓度、温度等数据显示在发射单元6上。

具体地，激光气体分析仪2根据接收单元7和发射单元6的数据以及比尔-朗博定律计算出待测气体的浓度；比尔-朗伯定律数学表达式：

A＝lg(1/T)＝Kbc

其中，A为吸光度，T为透射比(透光度)，是出射光强度(I)比入射光强度(I

K为摩尔吸光系数，它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关，

c为吸光物质的浓度，单位为mol/L，b为吸收层厚度，单位为cm，b也常用L替换。

激光气体分析仪2采用了可调谐的半导体激光器(TDLAS)原理，通过激光器温度或者电流的改变可以对各种待测气体浓度进行快速而精准的测量。

半导体激光器的工作物质是砷化镓，半导体激光器的优点在于可调谐，其发射的激光波长可以根据温度而变化；半导体激光控制器包括温度控制模块和电流控制模块，根据具体的需要可以调节半导体激光器的温度和电流，进而改变发射激光的波长和频率。

TDLAS技术是一种高分辨率的光谱吸收技术，半导体激光光谱宽度远小于气体吸收谱线的展宽，得到单线吸收光谱。在选择该吸收谱线时，应保证在所选吸收谱线频率附近约10倍谱线宽度范围内无测量环境中背景气体组分的吸收谱线，从而避免这些背景气体组分对被测气体的交叉吸收干扰，保证测量的准确性。因此，激光控制器要根据实际测量的气体而改变发射激光的波长，也即改变半导体的温度和电流，使得整体的测量收到的干扰最小。

本实施例中，烟道5内还设置有第一截止阀10和第二截止阀11，第一截止阀10和第二截止阀11设置在第一准直镜8和第二准直镜9之间，第一截止阀10靠近第一准直镜8设置，第二截止阀11靠近第二准直镜9设置。

本实施例中，还包括吹扫装置12，吹扫装置12的进气口与气瓶13连通，吹扫装置12的第一出气口通过第一吹扫管路14与第一准直镜8和第一截止阀10之间的烟道5连通，第一准直镜8和第一截止阀10之间的烟道5设置有第一吹扫气出口15，吹扫装置12的第二出气口通过第二吹扫管路16与第二准直镜9和第二截止阀11之间的烟道5连通，第二准直镜9和第二截止阀11之间的烟道5设置有第二吹扫气出口17。使用时，吹扫气体通过第一吹扫管路14进入第一准直镜8和第一截止阀10之间，吹扫完成后通过第一吹扫气出口15排出，吹扫气体通过第二吹扫管路16进入第二准直镜9和第二截止阀11之间，吹扫完成后通过第二吹扫气出口17排出，吹扫装置12的主要作用在于利用气体对激光气体分析仪2进行吹扫，保护精密元件测量时的准确性。

本实施例中，第一截止阀10和第二截止阀11之间的烟道5上设置有气体出口，气体出口处设置有第一流量开关18。

本实施例旨在装置的改进，控制过程为现有技术。

本实施例采用接触式来对煤体表面的温度进行实时的测量，高效简洁，其多点位的测量也丰富了实验数据，有利于构建模拟厢体1内煤体的温度场。本实施例采用激光气体分析仪2应用的光学中激光的原理测量气体的浓度，检测方式更加自动化，精度更高，能在一定程度上满足需要。

本实施例采用激光气体分析仪2测量气体浓度，可在无接触的情况下进行测量，节省人工。模拟厢体1内气体输送管道3的铺设可以直接通过激光气体分析仪2对煤体各层面的气体浓度进行测量，气体输送管道3内的温度传感器4可对各位置点的温度进行测量，帮助构建模拟厢体1内煤体的温度场和气体场。本实施例能够实现激光的发射、调节、接受、信息采集与运算，连续不断的将煤体各位点的温度和气体浓度数据收集起来。本实施例应用范围广泛，维护周期长，精度高，可大大提高松散煤体温度和气体的检测，推动松散煤体方向的研究。

实施例二

本实施例提供了一种采用实施例一的松散煤体的温度和气体浓度测量装置100的测量方法，包括以下步骤：

步骤一，将模拟厢体1填满煤体，煤体采用孔隙度为5％的松散煤堆；

步骤二，根据实际需要铺设气体输送管道3并布置温度传感器4，并将温度传感器4与显示器24连接；通入标气，查看装置各项数据是否正常，若有较大误差，则需对装置进行调节，直至装置误差降到容许范围之内；打开气瓶13，使得吹扫装置12开始运行，然后开始测温，显示器24实时显示和存储温度测量数据；

步骤三，根据需要确定待测气体，选择合适的谱线并对激光气体分析仪2的激光控制器进行设置，确定通过激光气体分析仪2的半导体激光器的电流和温度，确定半导体激光器发射激光的波长，根据激光控制器设定的参数，半导体激光器发射出特定波长的激光，与此同时，第一光电转换器将发射激光的光信号转化为电信号进行存储；

步骤四，打开气泵20开关以及所需的气体输送管道3的流量控制器和阀门，使得待测气体进入过滤单元21过滤后，并最终进入激光气体分析仪2的烟道5并充满烟道5；

步骤五，半导体激光器发射的激光通过传感探头经过待测气体，对应波长的光被吸收并沿着烟道5将衰弱的激光射到接收单元7的激光探测器上；

步骤六，激光探测器通过第二光电转换器将衰弱后的激光电信号进行传输至发射单元6，发射单元6内置的数据处理系统经过运算得出待测气体的浓度，并将对应的数据传输到发射单元6保存；

具体地，激光探测器与衰弱后的激光接触，将光信号传输到第二光电转换器，第二光电转换器将光信号转化为电信号并通过滤波器的过滤将电信号传输到发射单元6的人机界面，发射单元6内置的数据处理系统经过运算得出待测气体的浓度，并将对应的数据传输到发射单元6保存；滤波器根据待测气体的波长，过滤干扰气体的频率的频点，得到相对清晰的待测气体频率的电信号；

步骤一到步骤六吹扫单元始终保持运行状态，进而保证测量的准确性。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。