一种基于电容层析成像的燃空区测量装置

1.本发明涉及一种煤炭地下气化模型实验燃空区测量装置，属于煤炭地下气化技术领域。


背景技术：

2.我国煤炭资源储量丰富，在未来相当长一段时间内仍将是我国的主体能源。然而，我国 70％的煤炭资源分布在2000米以深。因此，开发煤炭深部开采方法对我国的能源安全与经济稳定具有重要意义。煤炭地下气化技术作为原位煤炭开采方法，由于工程量小，成本低，具有成为深部煤炭开采技术的潜在优势。
3.煤炭地下气化过程中，在煤体气化反应区域形成的空腔称为燃空区。燃空区的形成一方面会破坏岩层应力平衡，引发地表塌陷、地下水涌入等地质灾害；另一方面会增大反应区面积，影响气化反应的稳定性。因此，研究地下气化燃空区的动态发展规律是地下气化技术应用的关键。
4.目前，地下气化现场实验中所采用的燃空区探测方法无法实现对燃空区的准确探测。而模型实验中所采用的制模法、探测相机法、声发射法、温度图像法等燃空区测量方法无法兼顾实时性与准确性。因此，开发具有实时准确的模型实验燃空区测量方法是目前的技术难题。通过掌握实验室尺度下的燃空区动态发展规律，可用于修正理论模型，为燃空区现场预测提供参考。


技术实现要素：

5.本方案针对上文提出的问题和需求，提出一种基于电容层析成像的燃空区测量装置，由于采取了如下技术特征而能够实现上述技术目的，并带来其他多项技术效果。
6.本发明提出一种基于电容层析成像的燃空区测量装置，包括：
7.气化炉，具有内腔；
8.电容传感器，配置在所述内腔内，包括电容极板和绝缘层，由所述绝缘层形成测量腔，煤块适配在所述测量腔内，且所述电容极板配置在所述绝缘层上并形成测量平面；
9.开关控制阵列，其一端与所述电容传感器的电容极板相耦接，用于控制不同的两个所述电容极板之间的连通；
10.电容测量系统，与所述开关控制阵列的另一端相耦接，用于计算与其相连接的两个电容极板之间的电容值；
11.数据采集系统，与所述电容测量系统相耦接，用于对所述电容测量系统中的电容值进行捕捉；以及
12.图像重构系统，与所述数据采集系统相耦接，用于接收所述数据采集系统所捕捉的电容值信息，并对所述煤块的燃空区形貌进行重构。
13.在该技术方案中，对煤块进行持续加热，直至煤块可以稳定燃烧并将煤块放入电容传感器的测量腔内，并关闭气化炉，由开关控制阵列依次控制两个电容极板与电容测量
系统相耦接，通过电容测量系统计算上述两个电容极板之间的电容值，然后由数据采集系统对电容测量系统中的电容值进行捕捉，最后由图像重构系统接收所述数据采集系统所捕捉的电容值信息，并对所述煤块的燃空区形貌进行重构。该测量装置能够对燃空区进行实时性和准确性的测量，可靠性高。
14.另外，根据本发明的基于电容层析成像的燃空区测量装置，还可以具有如下技术特征：
15.在本发明的一个示例中，所述电容传感器还包括：
16.隔水装置，适于套设在所述电容极板的外侧，配置为将所述电容极板与所述测量腔隔离。
17.在本发明的一个示例中，所述隔水装置包括：
18.隔水盒，与所述绝缘层形成腔体空间，所述电容极板固定在所述腔体空间内；
19.其中，所述隔水盒由耐高温的绝缘材料制成。
20.在本发明的一个示例中，所述绝缘材料包括：石棉、石英、刚玉、云母和氧化铝陶瓷五者中的一者。
21.在本发明的一个示例中，所述隔水装置包括：
22.高温隔水层，涂覆在所述电容极板与测量腔相接触的表面，用于将所述电容极板与所述测量腔隔离。
23.在本发明的一个示例中，所述绝缘层包括：
24.第一子板体和与所述第一子板体相联接的第二子板体，且所述第一子板体与所述第二子板体共同限定出所述测量腔；其中，所述第一子板体与所述第二子板体可在高度方向相对移动地联接，以改变所述测量腔的高度。
25.在本发明的一个示例中，在所述第一子板体和所述第二子板体两者中，其中一者上开设有滑槽，其中另一者上配置有与所述滑槽相配合的滑块；
26.其中，所述第一子板体和所述第二子板体之间配置有用于限定所述第一子板体和所述第二子板体之间相对位置的限位机构。
27.在本发明的一个示例中，所述电容极板包括多个，且沿着煤块的周向方向间隔设置在所述绝缘层上以形成所述测量平面。
28.在本发明的一个示例中，所述电容极板包括多个，且沿着煤块的周向方向和高度方向均间隔设置在所述绝缘层上，以在所述高度方向上形成多个由周向方向间隔设置的所述电容极板所形成的测量平面。
29.在本发明的一个示例中，所述电容极板与所述绝缘层之间通过粘结或者紧固件方式联接。
30.下文中将结合附图对实施本发明的最优实施例进行更加详尽的描述，以便能容易理解本发明的特征和优点。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
32.图1为根据本发明实施例的测量装置的结构原理图；
33.图2为根据本发明实施例的气化炉的内部结构图；
34.图3为根据本发明的绝缘层的其中一个实施例结构示意图；
35.图4为根据本发明的绝缘层的其中另一个实施例结构示意图；
36.图5为根据本发明的隔水装置的其中一个实施例结构示意图；
37.图6为根据本发明的隔水装置的其中另一个实施例结构示意图；
38.图7为根据本发明实施例的数据传输线的结构示意图。
39.附图标记列表
40.测量装置1000；
41.气化炉100；
42.内腔110；
43.法兰盘方管120；
44.格兰头130；
45.电容传感器200；
46.绝缘层210；
47.第一子板体211；
48.第二子板体212；
49.测量腔210a；
50.电容极板220；
51.隔水盒221；
52.腔体空间221a；
53.高温隔水层222；
54.紧固件230；
55.开关控制阵列300；
56.电容测量系统400；
57.数据采集系统500；
58.图像重构系统600；
59.数据传输线700；
60.不锈钢芯710；
61.内部耐高温绝缘层720；
62.金属屏蔽网730；
63.外部耐高温绝缘层740；
64.煤块m。
具体实施方式
65.为了使得本发明的技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚，下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。附图中相同的附图标记代表相同部件。需要说明的是，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的
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。
66.除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
67.本发明提出一种基于电容层析成像的燃空区测量装置1000，如图1和图2所示，包括：
68.气化炉100，具有内腔110；
69.电容传感器200，配置在所述内腔110内，包括电容极板220和绝缘层210，由所述绝缘层210形成测量腔210a，煤块m适配在所述测量腔210a内，且所述电容极板220配置在所述绝缘层210上并形成测量平面；
70.开关控制阵列300，其一端与所述电容传感器200的电容极板220相耦接，用于控制不同的两个所述电容极板220之间的连通；
71.电容测量系统400，与所述开关控制阵列300的另一端相耦接，用于计算与其相连接的两个电容极板220之间的电容值；
72.数据采集系统500，与所述电容测量系统400相耦接，用于对所述电容测量系统400中的电容值进行捕捉；以及
73.图像重构系统600，与所述数据采集系统500相耦接，用于接收所述数据采集系统500 所捕捉的电容值信息，并对所述煤块m的燃空区形貌进行重构。
74.对煤块进行持续加热，直至煤块可以稳定燃烧并将煤块放入电容传感器200的测量腔 210a内，并关闭气化炉100，由开关控制阵列300依次控制两个电容极板220与电容测量系统400相耦接，通过电容测量系统400计算上述两个电容极板220之间的电容值，然后由数据采集系统500对电容测量系统400中的电容值进行捕捉，最后由图像重构系统600接收所述数据采集系统500所捕捉的电容值信息，并对所述煤块m的燃空区形貌进行重构。该测量装置1000能够对燃空区进行实时和准确的测量，可靠性高。
75.在本发明的一个示例中，所述电容传感器200还包括：
76.隔水装置，适于套设在所述电容极板220的外侧，配置为将所述电容极板220与所述测量腔210a隔离；
77.通过设置隔水装置可以将电容极板220与测量腔210a相隔离，避免气化产生的水蒸气在电容极板220上冷凝，影响电容值准确性，从而对电容极板220起到保护的作用。
78.在本发明的一个示例中，如图5所示，所述隔水装置包括：
79.隔水盒221，与所述绝缘层210形成腔体空间221a，所述电容极板220固定在所述腔体空间221a内；
80.其中，所述隔水盒221由耐高温的绝缘材料制成；
81.隔水盒221具有敞开端，且敞开端与绝缘层210相联接，例如，通过高温胶与绝缘层210相贴合，形成所述腔体空间221a；由耐高温的绝缘材料所制成的隔水盒221，能够将电容极板220保护在腔体空间221a内。
82.在所述隔水盒221上开设有导线孔，导线由导线孔进入腔体空间221a与电容极板220 相联接，且在导向孔与导线之间还配置有橡胶圈，从而保证导线孔的密封性。
83.在本发明的一个示例中，所述绝缘材料包括：石棉、石英、刚玉、云母和氧化铝陶瓷五者中的一者；上述材料均可以达到隔水盒221的使用要求。
84.在本发明的一个示例中，如图6所示，所述隔水装置包括：
85.高温隔水层222，涂覆在所述电容极板220与测量腔210a相接触的表面，用于将所述电容极板220与所述测量腔210a隔离；
86.也就是说，通过高温隔水层222能够将电容极板220与测量腔210a进行有效隔离，避免气化产生的水蒸气在电容极板220上冷凝，影响电容值准确性。
87.在本发明的一个示例中，所述高温隔水层222为耐高温隔水胶带和耐火油漆两者中的一者；
88.例如，耐高温隔水交代由铁氟龙制备而成，覆盖多层于电容极板220上；再例如，耐火油漆涂刷在电容极板220的表面；从而防止气化产生的水蒸汽在电容极板220上凝结，造成电容测量系统400的短路。
89.在本发明的一个示例中，所述绝缘层210包括：
90.第一子板体211和与所述第一子板体211相联接的第二子板体212，且所述第一子板体 211与所述第二子板体212共同限定出所述测量腔210a；其中，所述第一子板体211与所述第二子板体212可在高度方向相对移动地联接，以改变所述测量腔210a的高度；例如，如图1、图3和图4所示，第一子板体211和第二子板体212均为方形围板结构，且第一子板体211具有底板，第二子板体212具有顶板，在第一板体211和第二子板体212配合时，底板和顶板相对应。
91.通过第一子板体211与第二子板体212之间在高度方向上的相对运动，从而改变测量腔 210a的高度，其中，当电容极板220为单层布置时，电容极板220联接在能够移动的第一子板体211上，故而可以实现对煤块m的不同高度燃空区形貌的测量。
92.在本发明的一个示例中，在所述第一子板体211和所述第二子板体212两者中，其中一者上开设有滑槽，其中另一者上配置有与所述滑槽相配合的滑块；
93.其中，所述第一子板体211和所述第二子板体212之间配置有用于限定所述第一子板体 211和所述第二子板体212之间相对位置的限位机构；
94.例如，限位机构为限位销，在所述第一子板体211上配置有滑块，在第二子板体212上开设有与所述滑块相适配的滑槽，其中，在第一子板体211上配置有第一定位孔，在第二子板体212上沿着高度方向配置有多个第二定位孔，所述第一定位孔与任意一个所述第二定位孔相对应，所述定位销依次穿设所述第一定位孔和所述第二定位孔。
95.在本发明的一个示例中，如图3所示，所述电容极板220包括多个，且沿着煤块m的周向方向间隔设置在所述绝缘层210上以形成所述测量平面；
96.也就是说，测量平面为一个虚拟平面，其由多个电容极板220在绝缘层210的周向方向上间隔设置而形成，用于对煤块m的燃空区的某一特定平面进行测量，当然可以通过改
变测量腔210a的高度以此改变测量平面的高度，继而实现对煤块m的燃空区的不同平面形貌的测量。
97.在本发明的一个示例中，如图4所示，所述电容极板220包括多个，且沿着煤块m的周向方向和高度方向均间隔设置在所述绝缘层210上，以在所述高度方向上形成多个由周向方向间隔设置的所述电容极板220所形成的测量平面；
98.简言之，由多个电容极板220形成多个在高度方向上间隔设置的测量平面，从而可以对煤块m的燃空区的不同平面进行测量；此时开关控制阵列300可以控制位于同一测量平面上的两个电容极板220与电容测量系统400相耦接，也可以控制位于不同测量平面上的两个电容极板220与电容测量系统400相耦接；前者对煤块m进行一个测量平面的形貌测量，后者是对煤块m进行两个测量平面(立体)形貌的测量。
99.当然也可以通过改变测量腔210a的高度以此改变多个测量平面的高度，继而实现对煤块m的燃空区的不同平面形貌的测量。
100.例如，在本发明的一个具体实施例中，所述测量平面在高度方向上布置三层，且每层布置18个电容极板220，各层等间距排列，以实现对多个平面的燃空区形貌的测量。
101.在本发明的一个示例中，所述电容极板220配置在所述绝缘层210的外壁或内壁上；
102.通过将电容极板220安装在绝缘层210的外壁或者内壁上均可以实现对煤块m的燃空区的测量。
103.在本发明的一个示例中，所述电容极板220为长条状结构，且所述电容极板220的长度方向平行于所述测量平面，所述电容极板220的宽度方向垂直于所述测量平面；
104.电容极板220由耐高温的导电材料制成，例如，可以为不锈钢，所加工的长条状结构的尺寸可以为：长66.7mm，宽15mm，厚0.1mm。
105.通过将所述电容测量极板长度方向平行于测量平面，可以减小电容测量极板间隔，提高成像精度；而将所述电容极板220的宽度方向垂直于所述测量平面，可以减小电容敏感区域在高度方向的分布范围,减小其他平面内燃空区发展对测量结果的影响。
106.在本发明的一个示例中，所述电容极板220与所述绝缘层210之间通过粘结或者紧固件 230方式联接；
107.例如，电容极板220与绝缘层210之间通过耐高温胶进行联接；
108.再例如，所述电容极板220与所述绝缘层210之间通过紧固件230相联接；所述电容极板220上配置有第一安装孔；所述绝缘层210上配置有第二安装孔；所述紧固件230依次穿设所述第一安装孔和所述第二安装孔；
109.上述两种联接方式均可以实现电容极板220与绝缘层210之间的紧固联接。
110.在本发明的一个示例中，所述电容极板220与所述开关控制阵列300之间通过数据传输线700进行耦接，其中，所述数据传输线700由耐高温的单芯屏蔽线构成，单芯屏蔽线有四层结构，如图7所示，由内之外依次分别为不锈钢芯710、内部耐高温绝缘层720、金属屏蔽网730、外部耐高温绝缘层740，从而保证数据传输的可靠性。例如，单芯屏蔽线通过压线螺母或氩弧焊接工艺与电容极板220实现电连接，通过接头与电容测量系统400连接。
111.在本发明的一个示例中，在所述气化炉100上还配置有格兰头130，所述单芯屏蔽线通过格兰头130与电容极板220相耦接；通过设置格兰头130保证气化炉100的密封性，单
芯屏蔽线在气化炉100内部与电容测量极板连接，通过下法兰盘方管120侧面的格兰头130伸出气化炉100，与多路复用器接口连接。
112.值得说明的是，所述电容测量系统400可以为lcr数字电桥、阻抗分析仪、电容电感测试仪，所使用的电容测量系统400精度应在0.001pf以上，以保证能够捕捉燃空区发展导致的电容值变化。所示开关控制阵列300可以为多路复用器，电容测量系统400与多路复用器连接，控制电容测量系统400与不同的极板对连通。
113.上文中参照优选的实施例详细描述了本发明所提出的基于电容层析成像的燃空区测量装置1000的示范性实施方式，然而本领域技术人员可理解的是，在不背离本发明理念的前提下，可以对上述具体实施例做出多种变型和改型，且可以对本发明提出的各种技术特征、结构进行多种组合，而不超出本发明的保护范围，本发明的保护范围由所附的权利要求确定。