Experimental study on infrared measurement of heat source temperature in goaf
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摘要:
为研究采空区高温热源的升温特征和热量传递规律，设计了采空区热源温度红外测定试验方案，分析了高温热源热量传递规律与红外测定试验温度变化的关系。研究结果表明：高温热源与测点温度均随时间呈指数形式增长，且随着测点与热源距离的增加，测点温度以二次函数形式衰减；恒温热源条件下，随着热源温度升高，测点温度整体以二次函数规律增长，但热量传递过程中损耗增加，测点温度增幅减小；对比热源在动态与稳态条件下的测点温度变化情况，通过试验误差分析，得到热源红外测定试验温度修正公式，可用于采空区内高温热源实际温度的实时监测与校正。
Abstract:In order to study the heating characteristics and transfer law of high temperature heat source in goaf, the infrared measurement test of heat source temperature in goaf was designed, and the relationship between the heat transfer law of high temperature heat source and the temperature change in the infrared measurement test was analyzed. The results show that the temperature of both the high temperature heat source and the measuring point increase exponentially with time, and the temperature of the measuring point decays in the form of a quadratic function with the increment of the distance between the measuring point and the heat source; under the condition of constant temperature heat source, with the increase of heat source temperature, the temperature of the measuring point increases in a quadratic function law, but with the increase of heat loss in the process of heat transfer, the increment of temperature of the measuring point decreases; by comparing the temperature changes of measuring points under dynamic and steady heat source conditions, the temperature correction formula of the infrared measurement test of the heat source is obtained through the analysis of experimental error, which can be used for real-time monitoring and correction of the actual temperature of high temperature heat source in goaf.
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采空区遗煤自燃是煤炭生产过程中普遍存在的风险[1]。目前传统技术难以对采空区火源进行实时有效监测，导致采空区火源有充分发育时间，且不能及时治理，影响矿井正常生产[2-3]。监测及分析采空区火源温度变化规律对于采空区火源的精准定位具有重要意义。
采空区内部实际环境复杂，国内外学者为实现采空区热源的精准定位，采用数值模拟、相似实验及现场监测等诸多手段对采空区温度场进行了深入研究[4-9]。刘振岭[10]、周佩玲[11]等基于现有基础理论和实验装置自主设计采空区相似模拟实验，研究了采空区高温区域温度的变化规律，验证了遗留煤体氧化升温特征的合理性；李品等[12]通过分析动态影响下工作面遗煤自燃温度的变化规律，确定了采空区内氧化带与高温区域形成的关联性；张海洋[13]通过红外热成像仪采集工作面温度数据，研究分析得到工作面温度分布情况和温升规律。在现场监测方面，多采用热电偶[14]和分布式光纤[15]等测温装置及气体监测装置[16]对工作面进行现场参数监测，绘制采空区温度场分布图。曹镜清[17]、章飞[18]等通过分析实际条件下煤自燃参数与温度演化规律的关系，判定了采空区自然发火危险区域。非接触式红外测温传感器在高温实时监测领域，实现了信息高效传输处理[19]，但环境因素对设备精度的影响不容忽视，确定红外传感器合理的修正因子，可提高温度测量的准确度[20]。笔者在采空区火源定位研究成果的基础上，设计基于红外原理的采空区热源温度测定试验方案，分析高温热源温度传递规律，推导红外测温试验的温度修正公式，以实现优化红外传感器测量精度的目的。
1. 热源温度红外测定试验方案设计
1.1 试验目的
由于采空区内部实际条件复杂，不具备现场连续测温的条件，因此设计井上热源温度红外测定试验方案，研究红外传感器的测量距离、误差范围、温度与距离对热量传递规律的影响。对比分析动态与稳态热源条件下的试验数据，对红外测温试验结果进行修正，以提高红外传感器测温的精确性。
1.2 试验装置
模拟采空区环境的试验场地，试验装置主要由温控装置、测温装置及温度记录装置组成。温控装置包括热源和温控箱，温控箱控制热源的升温程序；测温装置采用KST04A3R红外测温仪，包括非接触式红外测温传感器；温度记录装置为无纸记录仪，用于数据的读取、分析与记录，实时监测热源的温度变化情况。
1.3 试验方案
以可调温电热板为模拟热源，利用测距仪在距热源3、5、7、10、12、15 m处分别设置红外传感器测点，研究热源升温过程中各测点的温度变化规律，分析不同热源温度、不同测量距离对红外传感器测量精度的影响。红外测点与热源布置如图 1所示。
1) 依次设置热源温度为80、140、200、260 ℃，当测定温度波动不超过1 ℃/min时，对测点温度数据进行记录。为减小试验误差，每个设定温度点记录5组数据，取其平均值作为最终结果。
2) 设置模拟热源升温区间为0~260 ℃，利用布置的红外测温传感器对热源温度进行监测，研究测点距离对热源升温规律的影响。
在试验场地进行试验时，假定环境中无其他外在因素影响。试验开始时，需将红外测温仪器充分预热，使其处于热稳定状态，以减小仪器波动造成的测量误差。
2. 试验结果与分析
2.1 稳态热源影响下测点温度变化
稳态热源条件下，记录不同距离测点传感器对热源温度的监测数据，分析监测温度与测点距离的关系，得到不同距离测点温度变化曲线，如图 2所示。
由图 2可以看出，在每个阶段稳定的热源温度状态下，红外测温传感器监测的温度值随测点距离的增加，呈二次函数形式降低，温降速度逐渐减小；随着测点距离增加至一定程度，红外测温传感器接收的温度值趋于稳定，接近测试的环境温度。在80、140、200、260 ℃不同热源影响下，温度趋于稳定的距离分别为18.4、19.0、21.5、21.7 m，这说明热源温度越高，温度趋于稳定的距离越长，热量传递范围越大。
对比不同温度热源条件下，各测点的温度变化情况，研究热源本身对热量传递规律的影响及随着监测距离的增加，热量的衰减情况，结果如图 3和图 4所示。
由图 3可知，随着热源温度的升高，同一测点温度初期上升较快，后逐渐趋于稳定。对比拟合结果可知，温度变化整体更接近二次项曲线规律。
由图 4可知，随着测点距离的增加，测点的温度接收效率迅速降低。且热源温度越高，温降趋势越明显。这说明高温热源相比于低温热源，与周围环境温差更大，传播过程中的热量损耗越大，导致同一测点温度的增幅减小。
分析各测点温度变化，红外测温传感器监测温度T1与热源温度T0、测点距离x的拟合关系式如下：
T1=(6.855+0.562T0)−(0.28+0.04T0)x+(0.052+0.03e(T0/147.248))x2 (1) 2.2 动态热源影响下测点温度变化
利用不同距离处的红外测温传感器监测热源升温过程监测点温度的变化规律，分析热源温度动态变化过程中各测点温度的变化趋势，热源与测点的温度随时间变化曲线如图 5所示。
由图 5可知，设定热源温度在0~260 ℃范围内逐渐升高，测点温度随时间呈指数函数形式增长。对比不同距离测点的温升曲线可知，在热源升温初期，随着测点距离的增大，测点温度发生变化的时间稍有延后，且距离越远，延后时间越长；在同一温度热源影响下，测点温升速率随测点距离的增大而逐渐变缓，但总体变化趋势相同，且热源温度越高，动态条件下测点温度与热源稳定时监测到的温度差值越小。这是由于传热介质比热容随温度的升高而增大，热源温度越高时其与附近空气达到热平衡状态的时间越短，从而快速映射多孔介质空间内的热源温度。动态热源影响下不同距离测点的温度变化云图如图 6所示。
由图 6可知，红外测温传感器监测的瞬时温度T2、热源温度T0和测点距离x的拟合关系式如下：
T2=6.601+0.385x+0.015x2+(−0.211+0.747e(−x/15.077))T0+(−3.01×10−5+2.81×10−5x)T20 (2) 公式(2)描述了测点温度随热源温度动态变化的关系。
3. 误差分析
受测试方法与试验环境因素的影响，热源温度红外测温传感器测定数据存在误差，包括红外测温传感器测定热源温度的系统误差和数据处理的截断误差。
3.1 试验过程系统误差
热源在动态升温过程和稳定状态下，红外测温传感器测定同一温度时会存在差异，将这种差异定义为一定时间内数据记录的系统误差ε1：
ε1=√m∑i=1n∑t=1(T2it−T1i)2nm (3) 式中：m为测点距离；n为热源升温时间总步数；T2it为时间t时i米处的温度监测值；T1i为i米处计算T1得到的温度值。
3.2 数据处理截断误差
数据拟合公式的温度计算值与实测数据之差ε2：
ε2=m∑i=1(T1i−Ti)m (4) 式中Ti为红外测温传感器实际监测温度值。
4. 试验精度与结果分析
计算得到红外测定试验温度拟合结果T1与动态监测瞬时温度T2的系统误差修正公式为：
k1=∬ (5) 式中α=-0.002 62，c1=1.063, 均为试验测定系数。
完善温度曲线修正因子，确定T1与T的红外温度数据截断误差修正公式为：
k_{2}=\iint \beta \mathrm{d}_{x} \mathrm{~d}_{x}+c_{2} (6) 式中β=0.003，c2=1.073，均为试验测定系数。
由公式(5)与公式(6)联立，得到适用于本试验合理的修正公式：
k=k_{1} k_{2} (7) 通过式(8)计算测温结果的平均相对误差δ，由平均相对误差可检验测量结果的准确度。
\bar{\delta}=\frac{1}{M} \sum(\Delta / T) \times 100 \% (8) 式中：M为误差总个数；Δ为温度测量误差；T为测量真实值。
对各测点修正温度与红外测温传感器实测温度进行对比，得到测点修正温度与实测温度误差如图 7所示。
由图 7可知，热源温度升高导致红外测温设备的测量精度在一定范围内波动，测点温度修正值与实测值略有差异，但平均相对误差值稳定在2.8%左右，低于5%，符合GB/T 13283—2008《仪器仪表精确度等级》中规定0.5级测温传感器的精度标准，具有较高的精度。因此，可将红外测温传感器实测温度数据代入所推导出的红外试验温度修正公式，进而确定各测点位置，快速推导出高温热源温度，实时监测热源的温度变化。
5. 结论
1) 通过热源温度红外测定试验，研究表明在测定稳态热源条件下，测点温度随监测距离的增加呈二次函数规律逐渐衰减，当测点与热源距离大于21.7 m时，测点温度趋于稳定。
2) 动态升温试验结果表明，各测点温度与热源温度温升规律相同，均随时间呈指数形式增长，温升速率随测点距离的增大而逐渐变缓；热源温度越高，动态条件下的测点温度越接近稳态温度。
3) 为了降低试验本身对红外测温传感器测量精度的影响，确定试验系统误差与数据处理截断误差修正公式，得到红外测定试验温度修正公式。对比分析修正温度与实测温度，确定误差值在2.8%左右，可为准确推导高温热源实际温度提供参考。
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期刊类型引用(1)
1. 常清洋，郭立稳，武建国，庞凤岭. 基于红外测温技术的高温热源定位实验研究. 煤矿安全. 2022(09): 100-105 . 
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