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

背景技術(shù)：

固體材料火蔓延過程中的火焰前鋒附近的傳熱與傳質(zhì)過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、組分場的測量，對于洞察火焰蔓延機(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間的推進(jìn)而向前移動，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)理研究的實驗方法與裝置(如：《火災(zāi)科學(xué)》2001年第2期第88-91頁的文章“垂直壁面火蔓延速率的實驗測量”、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)面直接錄制整個動態(tài)火蔓延錄像，同時，因為測量火蔓延的儀器的動態(tài)布置難以實現(xiàn)，因而只能采用靜態(tài)布置替代，這導(dǎo)致無法在實驗中準(zhǔn)確有效的對火焰前鋒、熱解前緣進(jìn)行分離和定位，這也阻礙了后續(xù)的對于其鄰域的氣體溫度場以及組分場的實時測量，而該溫度場以及組分場的精確測量對于分析和建立材料火蔓延模型中“高溫火焰對熱解區(qū)和預(yù)熱區(qū)材料的傳熱以及化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)機(jī)理”具有重要意義。

技術(shù)實現(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駐定，從而便于布置測量儀器、傳感器以及設(shè)備，進(jìn)而可以觀測、定位火焰前鋒以及測量其附近氣體溫度場和組分場。該固體材料火焰前鋒空間位置的自動駐定過程為：將待測固體材料安裝于一個可由電機(jī)自動控制沿滑軌運動的逆流火焰蔓延實驗架上，通過攝像機(jī)實時拍攝待測固體材料火焰前鋒與其附近某一固定參考基線的相對位置關(guān)系及其相對運動速度，微機(jī)控制系統(tǒng)實時獲得這些參數(shù)，從而調(diào)節(jié)控制逆流火焰蔓延實驗架位置的電機(jī)，使得火焰前鋒相對該固體參考基線的位置始終不變，這樣，通過移動整個固體材料的相對位置從而實現(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駐定裝置，包括一個導(dǎo)螺桿1，所述導(dǎo)螺桿上安置一個滑板2可通過滑塊3沿著左側(cè)的第一滑軌4以及右側(cè)的第二滑軌5運動，兩個滑軌兩端都由固定錨6固定在裝置固定板7上，滑板2通過連接桿8連接一個實驗架9，實驗架9采用防火棉10進(jìn)行左、右、背三面絕熱，實驗架9上可以安放待測樣品板材11，待測固體板材正前方布置第一攝像機(jī)12，攝像機(jī)實時拍攝的逆流火蔓延圖像信號通過數(shù)據(jù)傳輸線13自動傳輸?shù)娇刂剖业挠嬎銠C(jī)14，經(jīng)過圖像程序處理，讀取出火焰前鋒相對基線15的位置，進(jìn)而計算出火焰前鋒的相對運動速度以及補(bǔ)償火焰前鋒相對位置回歸基線并保持相對運動速度為0的異步電機(jī)16運行速率，將電機(jī)調(diào)節(jié)信號傳輸給控制電機(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運轉(zhuǎn)，通過分度器18、軸承19、導(dǎo)螺桿1，帶動滾珠絲桿20、進(jìn)而帶動固定在滾珠絲桿上的滑板2、以及通過連接桿8固定在滑板上的實驗架9通過滑塊3沿滑軌方向進(jìn)行相對運動，以保證火焰前鋒相對實驗室參考系的速度為0，即固體逆流火焰蔓延的空間位置駐定。位于待測固體材料前方的第二攝像機(jī)21對固體實驗材料運動以及火焰蔓延的整體情形進(jìn)行拍攝。整個裝置置于集煙罩22正下方，火焰蔓延實驗結(jié)束后，可及時通過排煙管道23排煙。

所述的待測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高清拍攝待測固體材料逆流火焰蔓延前鋒的圖像，并傳輸給控制室計算機(jī)14。

所述的待測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高清拍攝待測固體材料運動以及火焰蔓延的整體圖像。

所述的控制室內(nèi)的計算機(jī)14，在實驗過程中，通過自動程控，讀取攝像機(jī)傳輸來的圖像信號，并且同步進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而計算出火焰前鋒的相對運動速度以及調(diào)節(jié)火焰前鋒相對位置回歸基線并保持相對運動速度為0的異步電機(jī)16運行速率，將電機(jī)調(diào)節(jié)信號傳輸給微機(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)固體實驗板材燃燒過程中生成的煙氣。

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

(1)一種固體材料逆流火焰蔓延前鋒空間位置自動駐定裝置，利用該裝置，對固體材料逆流火焰蔓延隨時間在空間移動的動態(tài)特性進(jìn)行了相對的時間和空間的解耦合，因此將固體材料逆流火焰蔓延轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬o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駐定裝置，通過使逆流火焰的空間位置駐留，這將便于測量傳感器以及裝置的固定安裝以及測量，進(jìn)而可以對于火焰前鋒附近的氣體溫度場、組分場以及火焰動態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)的觀測，而該溫度場以及組分場的精確測量對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)動力學(xué)機(jī)理”具有重要意義。

附圖說明

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

圖2為整個裝置主體部分的側(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為實驗架，10為防火棉，11為待測固體實驗材料板，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。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。

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駐定裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為整個裝置主體部分的側(cè)視圖。

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

本實施例中的導(dǎo)螺桿1和滾珠絲桿20，將電機(jī)的圓周運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，并且能夠承載實驗架的重量。

本實施例中的位于控制室的計算機(jī)14，讀取通過數(shù)據(jù)傳輸線13傳輸過來的第一攝像機(jī)12拍攝的固體實驗材料11的火焰前鋒圖像信號，并且同步進(jìn)行圖像處理，進(jìn)而計算出火焰前鋒的相對基線15的位置和運動速度以及調(diào)節(jié)火焰前鋒相對位置回歸基線并保持相對運動速度為0的異步電機(jī)16運行速率，將異步電機(jī)調(diào)節(jié)信號傳輸給控制異步電機(jī)16的微機(jī)芯片17。

本實施例中的微機(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)行實驗時，首先進(jìn)行實驗前的材料安裝與測量儀器布置，包括：將實驗架底端降至滑軌底部和地面微微貼合、將待測試的板材安裝于實驗架上、安放板材前方的第一攝像機(jī)并調(diào)節(jié)好焦距對準(zhǔn)火焰靜態(tài)位置的基準(zhǔn)線、安放第二攝像機(jī)進(jìn)行整體動態(tài)拍攝、控制室內(nèi)的監(jiān)控計算機(jī)程控確認(rèn)，準(zhǔn)備完畢之后，依次：開啟排煙風(fēng)機(jī)、開啟視頻記錄、點燃材料、人員離開燃燒室、關(guān)閉燃燒室門、進(jìn)入控制室的計算機(jī)進(jìn)行自動程控，實驗進(jìn)行過程中，通過攝像裝置監(jiān)控的實時視頻圖像，掌握火焰前鋒的靜態(tài)化情況，并且結(jié)合肉眼觀測實驗架的實際位置，掌握實驗進(jìn)行度，及時通過電腦程控停止實驗，防止滑板上升超出最大距離，對整個裝置造成損害。實驗結(jié)束之后，保存實驗數(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)，對被測試板材燃燒結(jié)束之后的殘余狀況進(jìn)行記錄，所有記錄完畢之后，對實驗現(xiàn)場進(jìn)行清理與恢復(fù)，為下一組測試做準(zhǔn)備。