本發(fā)明涉及固體材料火焰蔓延領(lǐng)域，更具體的說(shuō)，涉及一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置。

背景技術(shù)：

固體材料火蔓延過(guò)程中的火焰前鋒附近的傳熱與傳質(zhì)過(guò)程是影響其火蔓延特性的主要因素。因此，火焰前鋒位置及其臨近區(qū)域的溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)的測(cè)量，對(duì)于洞察火焰蔓延機(jī)理具有重要的作用。然而在常規(guī)條件下，固體火焰蔓延的基本特征，正是其火焰前鋒的空間位置隨著時(shí)間的推進(jìn)而向前移動(dòng)，從而使得我們難以準(zhǔn)確捕捉火焰前鋒附近的傳熱傳質(zhì)特征?，F(xiàn)有的火焰蔓延機(jī)理研究的實(shí)驗(yàn)方法與裝置(如：《火災(zāi)科學(xué)》2001年第2期第88-91頁(yè)的文章“垂直壁面火蔓延速率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量”、發(fā)明專利201320244793.2、發(fā)明專利201510870178.6)，都是采用攝像機(jī)從正、側(cè)面直接錄制整個(gè)動(dòng)態(tài)火蔓延錄像，同時(shí)，因?yàn)闇y(cè)量火蔓延的儀器的動(dòng)態(tài)布置難以實(shí)現(xiàn)，因而只能采用靜態(tài)布置替代，這導(dǎo)致無(wú)法在實(shí)驗(yàn)中準(zhǔn)確有效的對(duì)火焰前鋒、熱解前緣進(jìn)行分離和定位，這也阻礙了后續(xù)的對(duì)于其鄰域的氣體溫度場(chǎng)以及組分場(chǎng)的實(shí)時(shí)測(cè)量，而該溫度場(chǎng)以及組分場(chǎng)的精確測(cè)量對(duì)于分析和建立材料火蔓延模型中“高溫火焰對(duì)熱解區(qū)和預(yù)熱區(qū)材料的傳熱以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理”具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種可以結(jié)合圖像處理與微機(jī)控制的自動(dòng)化技術(shù)，使得固體材料逆流火焰蔓延前鋒的空間位置相對(duì)駐定，從而便于布置測(cè)量?jī)x器、傳感器以及設(shè)備，進(jìn)而可以觀測(cè)、定位火焰前鋒以及測(cè)量其附近氣體溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)。該固體材料火焰前鋒空間位置的自動(dòng)駐定過(guò)程為：將待測(cè)固體材料安裝于一個(gè)可由電機(jī)自動(dòng)控制沿滑軌運(yùn)動(dòng)的逆流火焰蔓延實(shí)驗(yàn)架上，通過(guò)攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝待測(cè)固體材料火焰前鋒與其附近某一固定參考基線的相對(duì)位置關(guān)系及其相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，微機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得這些參數(shù)，從而調(diào)節(jié)控制逆流火焰蔓延實(shí)驗(yàn)架位置的電機(jī)，使得火焰前鋒相對(duì)該固體參考基線的位置始終不變，這樣，通過(guò)移動(dòng)整個(gè)固體材料的相對(duì)位置從而實(shí)現(xiàn)了火焰前鋒位置的空間駐定。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置，包括一個(gè)導(dǎo)螺桿1，所述導(dǎo)螺桿上安置一個(gè)滑板2可通過(guò)滑塊3沿著左側(cè)的第一滑軌4以及右側(cè)的第二滑軌5運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)滑軌兩端都由固定錨6固定在裝置固定板7上，滑板2通過(guò)連接桿8連接一個(gè)實(shí)驗(yàn)架9，實(shí)驗(yàn)架9采用防火棉10進(jìn)行左、右、背三面絕熱，實(shí)驗(yàn)架9上可以安放待測(cè)樣品板材11，待測(cè)固體板材正前方布置第一攝像機(jī)12，攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝的逆流火蔓延圖像信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線13自動(dòng)傳輸?shù)娇刂剖业挠?jì)算機(jī)14，經(jīng)過(guò)圖像程序處理，讀取出火焰前鋒相對(duì)基線15的位置，進(jìn)而計(jì)算出火焰前鋒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及補(bǔ)償火焰前鋒相對(duì)位置回歸基線并保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0的異步電機(jī)16運(yùn)行速率，將電機(jī)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸給控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的微機(jī)芯片17，微機(jī)芯片17可以程控平滑調(diào)節(jié)異步電機(jī)16運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)分度器18、軸承19、導(dǎo)螺桿1，帶動(dòng)滾珠絲桿20、進(jìn)而帶動(dòng)固定在滾珠絲桿上的滑板2、以及通過(guò)連接桿8固定在滑板上的實(shí)驗(yàn)架9通過(guò)滑塊3沿滑軌方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以保證火焰前鋒相對(duì)實(shí)驗(yàn)室參考系的速度為0，即固體逆流火焰蔓延的空間位置駐定。位于待測(cè)固體材料前方的第二攝像機(jī)21對(duì)固體實(shí)驗(yàn)材料運(yùn)動(dòng)以及火焰蔓延的整體情形進(jìn)行拍攝。整個(gè)裝置置于集煙罩22正下方，火焰蔓延實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，可及時(shí)通過(guò)排煙管道23排煙。

所述的待測(cè)固體可燃材料表面的正前方布設(shè)的第一攝像機(jī)12，能夠?qū)崟r(shí)高清拍攝待測(cè)固體材料逆流火焰蔓延前鋒的圖像，并傳輸給控制室計(jì)算機(jī)14。

所述的待測(cè)固體可燃材料表面的正前方布設(shè)的第二攝像機(jī)21，能夠?qū)崟r(shí)高清拍攝待測(cè)固體材料運(yùn)動(dòng)以及火焰蔓延的整體圖像。

所述的控制室內(nèi)的計(jì)算機(jī)14，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)程控，讀取攝像機(jī)傳輸來(lái)的圖像信號(hào)，并且同步進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而計(jì)算出火焰前鋒的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度以及調(diào)節(jié)火焰前鋒相對(duì)位置回歸基線并保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0的異步電機(jī)16運(yùn)行速率，將電機(jī)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸給微機(jī)芯片17。

所述的微機(jī)芯片17，具有較高靈敏度，可以采用程控對(duì)異步電機(jī)16轉(zhuǎn)速進(jìn)行平穩(wěn)、精確的控制和調(diào)節(jié)。

所述安裝有風(fēng)機(jī)的排煙管道23，主要用于排出燃燒室內(nèi)固體實(shí)驗(yàn)板材燃燒過(guò)程中生成的煙氣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

(1)一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置，利用該裝置，對(duì)固體材料逆流火焰蔓延隨時(shí)間在空間移動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了相對(duì)的時(shí)間和空間的解耦合，因此將固體材料逆流火焰蔓延轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)靜態(tài)的駐定火焰。

(2)一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置，通過(guò)使逆流火焰的空間位置駐留，這將便于測(cè)量傳感器以及裝置的固定安裝以及測(cè)量，進(jìn)而可以對(duì)于火焰前鋒附近的氣體溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)以及火焰動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的觀測(cè)，而該溫度場(chǎng)以及組分場(chǎng)的精確測(cè)量對(duì)于分析和建立材料火蔓延模型中“高溫火焰給熱解區(qū)以及預(yù)熱區(qū)的材料的傳熱以及化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理”具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1為一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為整個(gè)裝置主體部分的側(cè)視圖；

其中：1為導(dǎo)螺桿，2為滑板，3為滑塊，4為第一滑軌，5為第二滑軌，6為固定錨，7為裝置固定板，8為連接桿，9為實(shí)驗(yàn)架，10為防火棉，11為待測(cè)固體實(shí)驗(yàn)材料板，12為第一攝像機(jī)，13為數(shù)據(jù)傳輸線，14為控制室計(jì)算機(jī)，15為基準(zhǔn)線，16為異步電機(jī)，17為微機(jī)芯片，18為分度器，19為軸承，20為滾珠絲桿，21為第二攝像機(jī)，22為集煙罩，23為排煙管道。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

圖1給出了一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動(dòng)駐定裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為整個(gè)裝置主體部分的側(cè)視圖。

如圖1、2所示，直徑10厘米、長(zhǎng)度1.7米的導(dǎo)螺桿1上安置一個(gè)滑板2可通過(guò)滑塊3沿著直徑4厘米、長(zhǎng)度為1.7米的第一滑軌4以及第二滑軌5運(yùn)動(dòng)，兩個(gè)滑軌兩端都由固定錨6固定在2米長(zhǎng)、0.5米寬、2米高的裝置固定板7上，滑板2通過(guò)長(zhǎng)度為0.5米的連接桿8連接一個(gè)長(zhǎng)為0.5米、高為1米的實(shí)驗(yàn)架9，實(shí)驗(yàn)架9采用防火硅酸棉10進(jìn)行左、右、背三面絕熱，實(shí)驗(yàn)架9上可以安放待測(cè)固體材料11，待測(cè)板材正前方布置第一攝像機(jī)12，實(shí)時(shí)拍攝待測(cè)固體材料11火焰前鋒圖像，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線13連接控制室的計(jì)算機(jī)14，經(jīng)過(guò)圖像程序處理，讀取出火焰前鋒的相對(duì)基線15的位置，進(jìn)而計(jì)算出火焰前鋒相對(duì)基線的運(yùn)動(dòng)速度，將調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸給芯片17，微機(jī)芯片17可以程控平滑調(diào)節(jié)異步電機(jī)16運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)分度器18、軸承19連接導(dǎo)螺桿1，帶動(dòng)滾珠絲桿20、進(jìn)而帶動(dòng)固定在滾珠絲桿上的滑板2、通過(guò)連接桿8固定在滑板上的實(shí)驗(yàn)架9以及待測(cè)固體材料11通過(guò)滑塊3沿滑軌方向進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)。布置第二攝像機(jī)21對(duì)于固體材料運(yùn)動(dòng)以及火焰蔓延的整體情形進(jìn)行錄制。整個(gè)裝置置于集煙罩22正下方，實(shí)驗(yàn)完畢及時(shí)通過(guò)排煙管道23排煙。

本實(shí)施例中的導(dǎo)螺桿1和滾珠絲桿20，將電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，并且能夠承載實(shí)驗(yàn)架的重量。

本實(shí)施例中的位于控制室的計(jì)算機(jī)14，讀取通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線13傳輸過(guò)來(lái)的第一攝像機(jī)12拍攝的固體實(shí)驗(yàn)材料11的火焰前鋒圖像信號(hào)，并且同步進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而計(jì)算出火焰前鋒的相對(duì)基線15的位置和運(yùn)動(dòng)速度以及調(diào)節(jié)火焰前鋒相對(duì)位置回歸基線并保持相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為0的異步電機(jī)16運(yùn)行速率，將異步電機(jī)調(diào)節(jié)信號(hào)傳輸給控制異步電機(jī)16的微機(jī)芯片17。

本實(shí)施例中的微機(jī)芯片17，可以采用具有較高靈敏度的ARDUINO芯片，采用PID平滑控制算法，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行平穩(wěn)、精確的控制和調(diào)節(jié)。

進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前的材料安裝與測(cè)量?jī)x器布置，包括：將實(shí)驗(yàn)架底端降至滑軌底部和地面微微貼合、將待測(cè)試的板材安裝于實(shí)驗(yàn)架上、安放板材前方的第一攝像機(jī)并調(diào)節(jié)好焦距對(duì)準(zhǔn)火焰靜態(tài)位置的基準(zhǔn)線、安放第二攝像機(jī)進(jìn)行整體動(dòng)態(tài)拍攝、控制室內(nèi)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)程控確認(rèn)，準(zhǔn)備完畢之后，依次：開(kāi)啟排煙風(fēng)機(jī)、開(kāi)啟視頻記錄、點(diǎn)燃材料、人員離開(kāi)燃燒室、關(guān)閉燃燒室門(mén)、進(jìn)入控制室的計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)程控，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，通過(guò)攝像裝置監(jiān)控的實(shí)時(shí)視頻圖像，掌握火焰前鋒的靜態(tài)化情況，并且結(jié)合肉眼觀測(cè)實(shí)驗(yàn)架的實(shí)際位置，掌握實(shí)驗(yàn)進(jìn)行度，及時(shí)通過(guò)電腦程控停止實(shí)驗(yàn)，防止滑板上升超出最大距離，對(duì)整個(gè)裝置造成損害。實(shí)驗(yàn)結(jié)束之后，保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，繼續(xù)排除燃燒室內(nèi)的煙氣，之后，人員進(jìn)入燃燒室內(nèi)，對(duì)被測(cè)試板材燃燒結(jié)束之后的殘余狀況進(jìn)行記錄，所有記錄完畢之后，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行清理與恢復(fù)，為下一組測(cè)試做準(zhǔn)備。