申请/专利权人：中国科学技术大学

申请日：2016-10-28

公开（公告）日：2019-04-05

公开（公告）号：CN106324182B

主分类号：G01N31/12(2006.01)I

分类号：G01N31/12(2006.01)I

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2019.04.05#授权;2017.02.08#实质审查的生效;2017.01.11#公开

摘要：本发明公开了一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，将待测固体材料安装于一个可由电机自动控制沿滑轨运动的逆流火焰蔓延实验架上，通过摄像机实时拍摄待测固体材料火焰前锋与其附近某一固定参考基线的相对位置关系及其相对运动速度，微机控制系统实时获得这些参数，从而调节控制逆流火焰蔓延实验架位置的电机，使得火焰前锋相对该固体参考基线的位置始终不变，这样，通过移动整个固体材料的相对位置从而实现了火焰前锋位置的空间驻定。通过使逆流火焰的空间位置驻留，这将便于测量传感器以及装置的固定安装和测量，进而可以对于火焰前锋附近的气体温度场、组分场以及火焰动态结构进行精细的观测。

主权项：1.一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，其特征在于：包括一个导螺杆1，所述导螺杆上安置一个滑板2，可通过滑块3沿着左侧的第一滑轨4以及右侧的第二滑轨5运动，两个滑轨两端都由固定锚6固定在装置固定板7上，滑板2通过连接杆8连接一个实验架9，实验架9采用防火棉10进行左、右、背三面绝热，实验架9上可以安放待测样品板材11，待测固体板材正前方布置第一摄像机12，摄像机实时拍摄的逆流火蔓延图像信号通过数据传输线13自动传输到控制室的计算机14，经过图像程序处理，读取出火焰前锋相对基线15的位置，进而计算出火焰前锋的相对运动速度以及补偿火焰前锋相对位置回归基准线并保持相对运动速度为0的异步电机16运行速率，将电机调节信号传输给控制电机转速的微机芯片17，微机芯片17可以程控平滑调节异步电机16运转，通过分度器18、轴承19、导螺杆1，带动滚珠丝杆20、进而带动固定在滚珠丝杆20上的滑板2、以及通过连接杆8固定在滑板上的实验架9通过滑块3沿滑轨方向进行相对运动，以使火焰前锋保持在基线位置并且相对实验室参考系的速度为0，即固体逆流火焰蔓延的空间位置驻定，位于待测固体材料前方的第二摄像机21对固体实验材料运动以及火焰蔓延的整体情形进行拍摄，整个装置置于集烟罩22正下方，火焰蔓延实验结束后，可及时通过排烟管道23排烟；所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第一摄像机12，能够实时高清拍摄待测固体材料逆流火焰蔓延前锋的图像，并传输给控制室计算机14；所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第二摄像机21，能够实时高清拍摄待测固体材料运动以及火焰蔓延的整体图像；所述的微机芯片17，具有较高灵敏度，可以采用程控对异步电机16转速进行平稳、精确的控制和调节；所述的排烟管道23，主要用于排出燃烧室内固体实验板材燃烧过程中生成的烟气。

全文数据：一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置技术领域本发明涉及固体材料火焰蔓延领域，更具体的说，涉及一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置。背景技术固体材料火蔓延过程中的火焰前锋附近的传热与传质过程是影响其火蔓延特性的主要因素。因此，火焰前锋位置及其临近区域的温度场、组分场的测量，对于洞察火焰蔓延机理具有重要的作用。然而在常规条件下，固体火焰蔓延的基本特征，正是其火焰前锋的空间位置随着时间的推进而向前移动，从而使得我们难以准确捕捉火焰前锋附近的传热传质特征。现有的火焰蔓延机理研究的实验方法与装置如：《火灾科学》2001年第2期第88-91页的文章“垂直壁面火蔓延速率的实验测量”、发明专利201320244793.2、发明专利201510870178.6，都是采用摄像机从正、侧面直接录制整个动态火蔓延录像，同时，因为测量火蔓延的仪器的动态布置难以实现，因而只能采用静态布置替代，这导致无法在实验中准确有效的对火焰前锋、热解前缘进行分离和定位，这也阻碍了后续的对于其邻域的气体温度场以及组分场的实时测量，而该温度场以及组分场的精确测量对于分析和建立材料火蔓延模型中“高温火焰对热解区和预热区材料的传热以及化学反应动力学机理”具有重要意义。发明内容本发明的目的是提出一种可以结合图像处理与微机控制的自动化技术，使得固体材料逆流火焰蔓延前锋的空间位置相对驻定，从而便于布置测量仪器、传感器以及设备，进而可以观测、定位火焰前锋以及测量其附近气体温度场和组分场。该固体材料火焰前锋空间位置的自动驻定过程为：将待测固体材料安装于一个可由电机自动控制沿滑轨运动的逆流火焰蔓延实验架上，通过摄像机实时拍摄待测固体材料火焰前锋与其附近某一固定参考基线的相对位置关系及其相对运动速度，微机控制系统实时获得这些参数，从而调节控制逆流火焰蔓延实验架位置的电机，使得火焰前锋相对该固体参考基线的位置始终不变，这样，通过移动整个固体材料的相对位置从而实现了火焰前锋位置的空间驻定。本发明采用的技术方案为：一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，包括一个导螺杆1，所述导螺杆上安置一个滑板2可通过滑块3沿着左侧的第一滑轨4以及右侧的第二滑轨5运动，两个滑轨两端都由固定锚6固定在装置固定板7上，滑板2通过连接杆8连接一个实验架9，实验架9采用防火棉10进行左、右、背三面绝热，实验架9上可以安放待测样品板材11，待测固体板材正前方布置第一摄像机12，摄像机实时拍摄的逆流火蔓延图像信号通过数据传输线13自动传输到控制室的计算机14，经过图像程序处理，读取出火焰前锋相对基线15的位置，进而计算出火焰前锋的相对运动速度以及补偿火焰前锋相对位置回归基线并保持相对运动速度为0的异步电机16运行速率，将电机调节信号传输给控制电机转速的微机芯片17，微机芯片17可以程控平滑调节异步电机16运转，通过分度器18、轴承19、导螺杆1，带动滚珠丝杆20、进而带动固定在滚珠丝杆上的滑板2、以及通过连接杆8固定在滑板上的实验架9通过滑块3沿滑轨方向进行相对运动，以保证火焰前锋相对实验室参考系的速度为0，即固体逆流火焰蔓延的空间位置驻定。位于待测固体材料前方的第二摄像机21对固体实验材料运动以及火焰蔓延的整体情形进行拍摄。整个装置置于集烟罩22正下方，火焰蔓延实验结束后，可及时通过排烟管道23排烟。所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第一摄像机12，能够实时高清拍摄待测固体材料逆流火焰蔓延前锋的图像，并传输给控制室计算机14。所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第二摄像机21，能够实时高清拍摄待测固体材料运动以及火焰蔓延的整体图像。所述的控制室内的计算机14，在实验过程中，通过自动程控，读取摄像机传输来的图像信号，并且同步进行图像处理，进而计算出火焰前锋的相对运动速度以及调节火焰前锋相对位置回归基线并保持相对运动速度为0的异步电机16运行速率，将电机调节信号传输给微机芯片17。所述的微机芯片17，具有较高灵敏度，可以采用程控对异步电机16转速进行平稳、精确的控制和调节。所述安装有风机的排烟管道23，主要用于排出燃烧室内固体实验板材燃烧过程中生成的烟气。与现有技术相比，本发明具有如下技术优势：1一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，利用该装置，对固体材料逆流火焰蔓延随时间在空间移动的动态特性进行了相对的时间和空间的解耦合，因此将固体材料逆流火焰蔓延转变为相对静态的驻定火焰。2一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，通过使逆流火焰的空间位置驻留，这将便于测量传感器以及装置的固定安装以及测量，进而可以对于火焰前锋附近的气体温度场、组分场以及火焰动态结构进行精细的观测，而该温度场以及组分场的精确测量对于分析和建立材料火蔓延模型中“高温火焰给热解区以及预热区的材料的传热以及化学反应动力学机理”具有重要意义。附图说明图1为一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置的整体结构示意图；图2为整个装置主体部分的侧视图；其中：1为导螺杆，2为滑板，3为滑块，4为第一滑轨，5为第二滑轨，6为固定锚，7为装置固定板，8为连接杆，9为实验架，10为防火棉，11为待测固体实验材料板，12为第一摄像机，13为数据传输线，14为控制室计算机，15为基准线，16为异步电机，17为微机芯片，18为分度器，19为轴承，20为滚珠丝杆，21为第二摄像机，22为集烟罩，23为排烟管道。具体实施方式以下结合附图说明本发明的具体实施方式。图1给出了一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置的整体结构示意图，图2为整个装置主体部分的侧视图。如图1、2所示，直径10厘米、长度1.7米的导螺杆1上安置一个滑板2可通过滑块3沿着直径4厘米、长度为1.7米的第一滑轨4以及第二滑轨5运动，两个滑轨两端都由固定锚6固定在2米长、0.5米宽、2米高的装置固定板7上，滑板2通过长度为0.5米的连接杆8连接一个长为0.5米、高为1米的实验架9，实验架9采用防火硅酸棉10进行左、右、背三面绝热，实验架9上可以安放待测固体材料11，待测板材正前方布置第一摄像机12，实时拍摄待测固体材料11火焰前锋图像，通过数据传输线13连接控制室的计算机14，经过图像程序处理，读取出火焰前锋的相对基线15的位置，进而计算出火焰前锋相对基线的运动速度，将调节信号传输给芯片17，微机芯片17可以程控平滑调节异步电机16运转，通过分度器18、轴承19连接导螺杆1，带动滚珠丝杆20、进而带动固定在滚珠丝杆上的滑板2、通过连接杆8固定在滑板上的实验架9以及待测固体材料11通过滑块3沿滑轨方向进行相对运动。布置第二摄像机21对于固体材料运动以及火焰蔓延的整体情形进行录制。整个装置置于集烟罩22正下方，实验完毕及时通过排烟管道23排烟。本实施例中的导螺杆1和滚珠丝杆20，将电机的圆周运动转变为直线运动，并且能够承载实验架的重量。本实施例中的位于控制室的计算机14，读取通过数据传输线13传输过来的第一摄像机12拍摄的固体实验材料11的火焰前锋图像信号，并且同步进行图像处理，进而计算出火焰前锋的相对基线15的位置和运动速度以及调节火焰前锋相对位置回归基线并保持相对运动速度为0的异步电机16运行速率，将异步电机调节信号传输给控制异步电机16的微机芯片17。本实施例中的微机芯片17，可以采用具有较高灵敏度的ARDUINO芯片，采用PID平滑控制算法，对电机转速进行平稳、精确的控制和调节。进行实验时，首先进行实验前的材料安装与测量仪器布置，包括：将实验架底端降至滑轨底部和地面微微贴合、将待测试的板材安装于实验架上、安放板材前方的第一摄像机并调节好焦距对准火焰静态位置的基准线、安放第二摄像机进行整体动态拍摄、控制室内的监控计算机程控确认，准备完毕之后，依次：开启排烟风机、开启视频记录、点燃材料、人员离开燃烧室、关闭燃烧室门、进入控制室的计算机进行自动程控，实验进行过程中，通过摄像装置监控的实时视频图像，掌握火焰前锋的静态化情况，并且结合肉眼观测实验架的实际位置，掌握实验进行度，及时通过电脑程控停止实验，防止滑板上升超出最大距离，对整个装置造成损害。实验结束之后，保存实验数据，继续排除燃烧室内的烟气，之后，人员进入燃烧室内，对被测试板材燃烧结束之后的残余状况进行记录，所有记录完毕之后，对实验现场进行清理与恢复，为下一组测试做准备。

权利要求：1.一种固体材料逆流火焰蔓延前锋空间位置自动驻定装置，其特征在于：包括一个导螺杆1，所述导螺杆上安置一个滑板2，可通过滑块3沿着左侧的第一滑轨4以及右侧的第二滑轨5运动，两个滑轨两端都由固定锚6固定在装置固定板7上，滑板2通过连接杆8连接一个实验架9，实验架9采用防火棉10进行左、右、背三面绝热，实验架9上可以安放待测样品板材11，待测固体板材正前方布置第一摄像机12，摄像机实时拍摄的逆流火蔓延图像信号通过数据传输线13自动传输到控制室的计算机14，经过图像程序处理，读取出火焰前锋相对基线15的位置，进而计算出火焰前锋的相对运动速度以及补偿火焰前锋相对位置回归基准线并保持相对运动速度为0的异步电机16运行速率，将电机调节信号传输给控制电机转速的微机芯片17，微机芯片17可以程控平滑调节异步电机16运转，通过分度器18、轴承19、导螺杆1，带动滚珠丝杆20、进而带动固定在滚珠丝杆20上的滑板2、以及通过连接杆8固定在滑板上的实验架9通过滑块3沿滑轨方向进行相对运动，以使火焰前锋保持在基线位置并且相对实验室参考系的速度为0，即固体逆流火焰蔓延的空间位置驻定，位于待测固体材料前方的第二摄像机21对固体实验材料运动以及火焰蔓延的整体情形进行拍摄，整个装置置于集烟罩22正下方，火焰蔓延实验结束后，可及时通过排烟管道23排烟；所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第一摄像机12，能够实时高清拍摄待测固体材料逆流火焰蔓延前锋的图像，并传输给控制室计算机14；所述的待测固体可燃材料表面的正前方布设的第二摄像机21，能够实时高清拍摄待测固体材料运动以及火焰蔓延的整体图像；所述的微机芯片17，具有较高灵敏度，可以采用程控对异步电机16转速进行平稳、精确的控制和调节；所述的排烟管道23，主要用于排出燃烧室内固体实验板材燃烧过程中生成的烟气。

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