一种热重-光谱检测系统及使用方法
阅读说明：本技术 一种热重-光谱检测系统及使用方法 (Thermogravimetric-spectral detection system and use method thereof ) 是由 司梦婷 程强 罗自学 袁林 李密 陈伟 于 2021-09-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及热重光谱检测技术领域,公开了一种热重-光谱检测系统,包括热重分析模块和用于拍摄样品的燃烧图像成像模块,热重分析模块包括称重单元和燃烧单元,称重单元连接有吊具的一端,吊具的另一端连接有吊篮,吊篮用于盛放样品,吊篮正下方对应设置有燃烧单元；此外,本发明还公开了一种基于热重-光谱检测系统的使用方法。本发明可同步获得单颗粒煤在整个燃烧过程中的质量变化以及颗粒的燃烧图像,可对单颗粒煤的反应动力学进行分析,并得到燃烧过程中单颗粒煤的燃烧温度和辐射特性参数演变。(The invention relates to the technical field of thermogravimetric spectrum detection, and discloses a thermogravimetric-spectroscopic detection system, which comprises a thermogravimetric analysis module and a combustion image imaging module for shooting a sample, wherein the thermogravimetric analysis module comprises a weighing unit and a combustion unit, the weighing unit is connected with one end of a lifting appliance, the other end of the lifting appliance is connected with a hanging basket, the hanging basket is used for containing the sample, and the combustion unit is correspondingly arranged right below the hanging basket; in addition, the invention also discloses a use method of the thermogravimetric-spectral detection system. The method can synchronously obtain the quality change of the single-particle coal in the whole combustion process and the combustion image of the particles, can analyze the reaction kinetics of the single-particle coal, and obtains the combustion temperature and radiation characteristic parameter evolution of the single-particle coal in the combustion process.)
技术领域
本发明涉及热重光谱检测技术领域，特别是涉及一种热重-光谱检测系统及使用方法。
背景技术
在我国煤炭资源由于储量丰富且价格低廉，其一直并继续成为主要能源之一，煤炭主要是通过燃烧提供能源，将来煤炭仍将在能源消费中扮演重要角色。
目前煤炭的燃烧特性并未直接检测，而是直接通过工业分析元素分析获得煤炭的煤质参数，再根据经验公式，进行计算预测的，准确度不高。主要原因在于煤炭的燃烧特性与其化学结构密切相关，往往通过元素分析参数进行煤炭燃烧特性研究具有一定的片面性。
现阶段，为了对煤炭燃烧特性进行研究，可对工业燃煤燃烧情况进行数学建模，这往往需要在燃烧机理和模型的知识的基础上进行，进而需要对单颗粒煤的燃烧行为进行实验研究。
单颗粒煤的燃烧行为主要取决于反应动力学、特征燃烧现象(着火、脱挥发分、膨胀、氧化和燃尽等)的摄影观察，以及燃烧温度和辐射参数的演变。通过对单颗粒煤的燃烧行为进行研究，能够探索燃烧机制并建立燃烧模型，从而有效用于指导工业生产中煤炭燃烧技术的改进与优化设计。
因此，为了进一步了解煤炭燃烧特性，需设计一种基于单颗燃烧行为进行摄影观察，进而了解其燃烧温度和辐射参数演变的装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种热重-光谱检测系统及使用方法，以对单颗粒煤的燃烧行为进行研究。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明一方面提供一种热重-光谱检测系统，包括热重分析模块和成像模块；
所述热重分析模块包括称重单元和燃烧单元，所述称重单元连接有吊具的一端，所述吊具的另一端连接有吊篮，所述吊篮用于盛放样品，所述吊篮正下方对应设置有所述燃烧单元；
所述成像模块用于拍摄所述样品的燃烧图像。
进一步的，所述称重单元下方设置有保温层，所述保温层设置有通孔，所述吊具的另一端贯穿所述通孔连接有所述吊篮。
进一步的，所述称重单元能够连续测量所述样品的重量，所述成像模块能够连续拍摄所述样品的燃烧图像。
进一步的，每幅所述燃烧图像包含多幅光谱辐射图像，多幅所述光谱辐射图像的对应多种辐射波长。
进一步的，所述燃烧单元包括燃烧器和燃料气体储气瓶，所述燃烧器通过管道与所述燃料气体储气瓶连通，所述管道上设置有二通阀门和压力调节阀。
进一步的，所述燃料气体储气瓶为甲烷储气瓶。
进一步的，所述称重单元为热重天平，所述燃烧单元为平焰燃烧器，所述吊具为吊杆或吊绳，所述成像模块为高光谱成像装置。
本发明公开了以下技术效果：
本发明将热重分析与高光谱成像相结合，以研究单颗粒煤的燃烧行为。通过使用本发明的系统，可以同步获得单颗粒煤在整个燃烧过程中的质量变化以及颗粒的燃烧图像。从所得到的质量变化中，我们可以对单颗粒煤的反应动力学进行分析；而从图像系统拍摄得到的燃烧图片，不仅可以观察单颗粒煤的典型燃烧现象、火焰形状、颗粒燃烧状态，还可以进一步得到燃烧过程中单颗粒煤的燃烧温度和辐射特性参数演变。
本发明另一方面提供了一种基于上述热重-光谱检测系统的使用方法，包括以下步骤：
开启所述称重单元并清零；
制作所述样品并将所述样品放置在所述吊篮上表面；
触发所述称重单元、成像模块，所述称重单元实施监测所述样品重量变化并记录，所述成像模块拍摄记录所述样品的燃烧图像；
点燃所述燃烧单元内燃烧气体带动所述样品燃烧；
数据收集，收集所述样品质量变化记录及所述样品的燃烧图像；
数据分析。
进一步的，所述称重单元的记录频率和所述成像模块的拍摄频率均为1s-1。
进一步的，所述样品为两个单颗粒煤，所述单颗粒煤的直径为8mm-10mm。
所述热重-光谱检测系统的使用方法与上述热重-光谱检测系统相对于现有技术所具有的优势相同，在此不再赘述。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种热重-光谱检测系统结构示意图；
图2为本发明燃烧单元的结构示意图；
图3为单颗粒煤的失重曲线和同步燃烧图像；
图4为单颗粒煤在20个典型燃烧时刻下的燃烧图片；
图5为单颗粒煤在辐射强度为852nm下的辐射强度图像；
附图标记：1、称重单元；2、燃烧单元；3、吊具；4、吊篮；5、成像模块；6、保温层；7、样品；8、燃烧器；9、燃料气体储气瓶；10、管道；11、二通阀门；12、压力调节阀。
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做出创造性劳动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。
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。
参照图1，本发明提供一种热重-光谱检测系统，由热重分析模块和成像模块5组成。
热重分析模块包括称重单元1和燃烧单元2，称重单元采用热重天平，热重天平放在支撑架上，用以实现自动且连续采集样品7燃烧过程中的重量，热重天平的下方安装有10cm的保温层6，保温层6上设置有中心通孔，设置保温层6可以防止燃烧过程中产生的热扰动影响热重天平的测量，热重天平的下端设置有吊具3，天平的称重端与吊具3的一端连接，吊具3的另一端穿过保温层6上的中心通孔连接着吊篮4，吊篮4设置在燃烧单元2正上方10cm高度处，样品7被放置在吊篮4中，由燃烧单元2点燃。
成像模块5为高光谱成像装置,放置在距离燃烧器8水平方向35cm处，高光谱成像装置与样品7在同一水平高度上，用于同步记录样品7的燃烧情况。
本发明热重-光谱检测系统一方面可以通过热重分析系统记录样品7在燃烧过程中的质量变化，另一方面热重-光谱检测系统的图像检测模块又可以同步记录样品7的燃烧图像。
优选的，参照图2，燃烧单元2除包括燃烧器8和燃料气体储气瓶9，燃料储气瓶内通过管道10与燃料气体储气瓶9连通，燃料气体储气瓶9内存贮有甲烷气体，及燃料气体储气瓶9为甲烷储气瓶，管道10上设置有二通阀门11和压力调节阀12，二通阀门11用以调节气体的开闭，压力调节阀12可以调节燃烧气体的压力恒定。
值得说明的是，热重天平为ML204T/02(Mettler-Toledo)型热重天平，其称量范围为0.16g～220g(±0.1mg)，最小读数间隔分别为0.01秒；吊具3可以为吊杆或吊绳；吊篮4为金属丝网；燃烧器采用McKenna燃烧器；热重-光谱检测系统的成像设备为MQ022HG-IM-SM5X5-NIR型高光谱成像装置，其最小曝光时间为72μs，光谱分辨率为600nm～975nm，空间分辨率为409(水平)×217(垂直)像素，该设备拍摄的一张图像中，包含25幅光谱辐射图像，其中25幅光谱辐射图像对应25种辐射波长。
实验过程为：开启热重天平并清零；制作两个直径约为8-10毫米单颗粒煤作为样品7，将单颗粒煤放置在吊篮4的中心；同时触发热重天平和高光谱成像设备，使得热重天平开始连续称重，同时高光谱成像设备连续拍摄样品7燃烧图像；点燃燃烧器上的甲烷燃烧气体带动单颗粒煤燃烧；单颗粒煤燃烧过程中的重量和光谱图像数据分别由热重天平和高光谱成像装置记录；数据分析。
优选的，热重天平的记录频率设置为1s-1，高光谱成像装置的拍摄频率也设置为1s-1。
数据分析过程：
单颗粒煤的质量由热重天平称重后计算得出，计算如下：
式中，m为单颗粒煤的质量,G为热重天平称量处的单颗粒煤的重量，g为重力加速度。
单个煤粒样品7失重的归一化形式能够表示其燃烧的程度，可定义为：
式中，α为单个煤粒样品7的归一化失重，mi是单个煤粒样品7的初始质量，mt是单个煤粒样品7当时的实际质量，mf是单个煤粒样品7的最终质量。
进一步地，通过将单个煤粒样品7的归一化失重对时间进行微分，可以得到单个煤颗粒样品7的燃烧反应速率：
式中，r为反应速率，t为反应时间。根据以上公式，单个煤颗粒样品7的燃烧动力学可以基于天平获得的质量变化的结果进行分析。
如图3所示为通过热重-光谱检测系统获得的一个单粒煤的失重-时间曲线和同步燃烧图像。
另一方面，高光谱成像装置接收到的单个燃烧煤颗粒的辐射强度计算如下：
Iλ＝ελIbλ
其中，
这里，Iλ表示单个燃烧煤颗粒的辐射强度，ελ表示单颗粒煤的光谱发射率；Ibλ为光谱黑体辐射强度；C1表示第一辐射常数，C1＝3.741832×108W·μm3/m2，C2表示第二辐射常数，C2＝1.4388×104μm·K,λ表示辐射波长，T表示温度。
我们将两个波长下的光谱辐射强度相除得到：
基于双色法，可以得到单颗粒的温度：
其中i表示高光谱成像设备的第i个波长，是设备检测到的第i个波长下光谱辐射强度。通过对一定范围内的Ti取平均值得到颗粒的燃烧温度。
由于单颗粒煤的光谱发射率为：
进一步地，我们得到单颗粒煤总的光谱发射率：
最终可以得到燃烧过程中颗粒的燃烧温度和辐射特性参数演变。
为了进一步分析颗粒的燃烧过程，如图4所示给出的是通过热重-光谱检测系统获得的一个单颗粒煤在20个典型燃烧时刻下的燃烧图片。
通过在高温黑体炉上的标定，光谱成像装置拍摄得到的燃烧图片可转化成25幅光谱辐射强度图像，如图5所示为从燃烧图片转化而来的单颗粒在辐射强度为852nm在20个典型燃烧时刻下的辐射强度图像。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
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