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矿井煤炭自然高温火源点区域的探测实践

作者:煤炭科学…    文章来源:不详    点击数:    更新时间:2005-2-20

自然界的任何物体只要处于绝对零度(0 K)之上,都会自行向外发射红外线。其发射能量如下式

E=εαT4                   (1)

式中 ε——辐射系数,其值为0<ε<1,岩石和煤体一般为0.7~0.98,辐射系数受物体化学组     分、表面状态、内部结构、含水量、孔隙度等影响;
   α——斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×10-12 cm2.K4
   T——物体的绝对温度,K。
  从式(1)可看出,物体的温度越高,辐射能量就越大,红外测温仪器接受辐射量而转换的辐射温度就越高,因此就可利用红外测温仪器对温度的高分辨率来探测井下巷道自燃位置。
  在通常情况下,自然界的红外辐射区域是362K(89℃)至207K(-66℃),即波长在8~14 μm的大气窗口区域内。 红外技术是探测物体表面的红外辐射温度,它不同于物理温度,物体表面的红外辐射温度取决于物体表面物理温度及其物体的物质成分、含水量、表面粗糙度、颗粒大小、孔隙度、热惯量(比热、热传导率、比重)等诸多因素;这些因素的任一项微小变化,都会引起红外辐射温度的变化。因此,在排除干扰因素后,提取同种物质的温度变化异常信息是至关重要的。
  红外热成像仪类似于摄像机,它将镜头视场内景物的红外辐射温度场(25°×20°的景物),通过锗透镜聚焦到红外敏感原件上(单点扫描式、线阵或面阵排列),转换成电信号,经电路放大、模/数转换、记录并显示,当然还得有一套复杂的处理软件,其结果通常将其视为景物的温度图像,现以TVS-600热像仪为例,在热像仪距景物2 m时,摄得景物面积为:2×tan25.8°=0.97 m(水平方向), 2×tan19.5°=0.71 m(垂直方向),在0.97 m×0.71 m内又有320×240个像点,每个像点的面积为2.8 mm×2.8 mm,就是说只要有7.84 mm2面积的热异常(大于0.15℃)就能被发现。而煤壁总有一些微裂隙,微气孔的热传导、热对流和热扩散,使表面局部产生温度变化,从而观测到红外辐射温度异常,故利用红外热成像仪准确探测自燃高温区域成为可能。关键在于如何通过温度异常来诊断自燃高温点。
  另外,非致冷的面阵探测器(红外敏感元件)是当今红外科学发展的新贡献,它给行业使用带来了方便,就不需要如液氮等致冷液体、气体或压缩机(小型循环致冷),同时减少了噪声、耗电量和重量。
  目前,红外热成像仪的种类较多,现国防、电力、医学、工业生产线有较多应用。这里就适于煤矿应用的红外热成像仪介绍如表1。

表1 适于煤矿应用的红外热成像仪

种 类 IRC-160ST PV-320 Jade TVS-2000MⅡ TVS-600 HR-2 致冷方式 液氮 无致冷 闭循环 斯特林致冷 无致冷 液氮 探测器类型 InSb焦平面 - MCT面阵 InSb或MCT Si∶Ga面阵 - 光谱范围 3.5~5.5 μm 2~14 μm 8~12 μm 3~5.4 μm或
8~12 μm 8~14 μm 8~14 μm 扫描速度 - - 50帧/s 30帧/s 1帧/30s 1帧/5s 温度分辨率 0.02 K <0.2 ℃ 0.03 K 0.1 ℃ 0.1 ℃ 0.1 K 精  度 - - ±0.4% - ±0.4% - 视  场 9.1°×6.8° - 17°×17° 15°×15° 25.8°×19.5° 12°×12° 瞬时视场 1.0 mrad - - 2.2 mrad 1.4 mrad 2.0 mrad 焦距范围 50,150 mm 25,100 mm 25,100 mm 20 cm~+∞ 20 cm~+∞ 0.2 m~+∞ 可显示像元 160×120 320×240 320×240 256×200 320×240 256×256 模/数转换 12 bit - 12 bit 12 bit 12 bit 8 bit 温度补偿 - 自动增益 - 有 内置 - 自动跟踪 - - - 三点温度 全景式温度 - 图像存储 - - 实时存储 20帧/盘 PCMCTA存50 - 输  出 VGA,NTSC,
PAL RS-70(B&W) VGA,RS170,
NTSC,PAL NTSA,PAL,模拟 内置5寸高分
辨率显示器 - 外置接口 RS232,RS422 RS-170 RS-170 RS232 RS232 - 电  源 充电电池 12 V(DC) - 220~240 V(AC) 充电电池 12 V(DC) 工作温度 - -40~54 ℃ - 0~40 ℃ 0~40 ℃ - 探测温度 -20~200 ℃ -18~523 ℃ - -40~300 ℃ -20~300 ℃ 0~100 ℃ 湿  度 - - - <90% <90% - 尺  寸 - 140 mm×114mm×114 mm - 185 mm×300 mm×181 mm 115 mm×220 mm×142 mm - 质量(头部) 4.1 kg 2.3 kg - 3.8 kg 2 kg 6.5 kg 制 造 商 美国CE公司 美国电子 法国CEDIP 日本航空 日本航空 中国 参考价(万美元) 6.0 5.5 17~22 6~8 6.0 3.5
  3 探测方法对比

  各种探测法都有自己的优、缺点和使用范围,磁探测法、电阻率探测法、氡探测法主要适用于封闭火区且火源温度较高,准确性较好,而对于井下出现的高温区域(≤100℃)则无能为力。气体探测法能预测高温区域温度,但不能准确确定高温区域位置和发展变化速度,并受井下通风压力、风量的影响。探测煤的自燃温度来确定自燃位置,是一种可靠的手段,关键是用那种方法探测出隐蔽的高温区域及其自燃温度。测温仪表与测温传感器联合测温法,是一种实用的方法,但它受测温传感器布置数量和测温钻孔施工的影响;还受煤导热性能的影响。在红外探测法中,红外测温仪测的是点温,无法综合准确判断煤的自燃区域,但它可找出整个巷道温度异常的大致范围;而红外热像仪,是通过扫描成像测取温度,能在一个面上判断煤自燃高温区域;测温又简单、迅速、精确;红外热像仪测温又是目前测温领域的高新技术设备,故应用热

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