基于匹配法的不同種類煤和矸石發(fā)射率測量研究

摘要：煤和矸石的種類、表面紋理結(jié)構(gòu)、變質(zhì)和發(fā)育程度等因素都會對其發(fā)射率產(chǎn)生較為顯著的影響，精準的發(fā)射率參數(shù)設(shè)置對紅外熱像儀測溫及煤和矸石紅外圖像的識別至關(guān)重要。提出了一種基于匹配法的煤和矸石發(fā)射率測量方法，即采用表面熱電偶與紅外熱像儀相結(jié)合的方式測量煤和矸石發(fā)射率。用密閉的電熱爐對被測煤和矸石進行均勻加熱，待被測煤和矸石均勻受熱且穩(wěn)定后，用表面熱電偶對被測煤和矸石的選定區(qū)域進行真實溫度測定（標定為t1），然后用紅外熱像儀對同一區(qū)域進行溫度測定（標定為t2），最后對紅外熱像儀的發(fā)射率進行調(diào)試，當t2=t1 時，得出的發(fā)射率即為被測煤和矸石在該溫度下的真實發(fā)射率。實驗結(jié)果表明：① 等溫條件下，煤和矸石表面越粗糙，其發(fā)射率數(shù)值越大，表明煤和矸石表面的粗糙度是導致二者產(chǎn)生不同發(fā)射率的內(nèi)在因素。② 4 種不同種類煤和矸石發(fā)射率隨溫度的增大呈冪函數(shù)降低，且擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2 達0.98 以上，驗證了匹配法應用于煤和矸石發(fā)射率測量的可行性。③ 采用反代法得出在不同溫度條件下實測值與理論值的誤差率均小于3%，驗證了實驗中測量的煤和矸石發(fā)射率的準確性。

關(guān)鍵詞：煤和矸石發(fā)射率；煤和矸石表面溫度；匹配法；表面熱電偶；紅外熱像儀；反代法

中圖分類號：TD821 文獻標志碼：A

0 引言

2023 年中國煤炭消費占能源消費總量的55.3%[1]，意味著煤炭仍是我國能源供給的主體。隨著社會信息技術(shù)的發(fā)展，煤炭行業(yè)的發(fā)展將更加注重數(shù)字化、智能化、可持續(xù)發(fā)展、信息化及自動化等方面的創(chuàng)新和應用[2-4]。針對綜放工作面智能放煤領(lǐng)域的煤矸混移及自動識別方向[5-6]，張錦旺等[7-10]提出了“液體介入+紅外檢測”的煤矸識別技術(shù)，并進行了一系列參數(shù)優(yōu)化的實驗研究。該技術(shù)在實際的煤和矸石紅外識別應用中，將紅外熱像儀與被測煤和矸石的發(fā)射率數(shù)值調(diào)為一致，以確保被測煤和矸石紅外圖像中的溫度數(shù)據(jù)具有可信度。由于煤和矸石的種類、表面紋理結(jié)構(gòu)、變質(zhì)和發(fā)育程度等因素都會對其發(fā)射率[11]產(chǎn)生較為顯著的影響，精準的發(fā)射率參數(shù)設(shè)置對紅外熱像儀測溫及煤和矸石紅外圖像的識別至關(guān)重要。

發(fā)射率是表征物體熱輻射特性的重要參數(shù)[12]。材料表面發(fā)射率為材料單位面積的輻射功率與同一溫度下絕對黑體單位面積的輻射功率之比，表征實際物體輻射能力接近黑體輻射的程度，各種物質(zhì)的發(fā)射率是由物體本身的材質(zhì)、表面粗糙程度、表面幾何形狀、拍攝角度、觀測波長及自身溫度所共同決定[13-15]。金屬的發(fā)射率常隨表面溫度的增加而增大，非金屬的發(fā)射率則隨表面溫度的增加而減小，且金屬的發(fā)射率大多低于非金屬的發(fā)射率。通過查閱大量參考文獻，發(fā)現(xiàn)目前針對發(fā)射率的研究大多集中于材料學科，主要研究如何測量物體發(fā)射率、制備新型的低發(fā)射率材料[16-19]及基于發(fā)射率對被測物體進行修正和識別[20-22]，而對于煤和矸石發(fā)射率的測量研究較少。針對上述問題，提出了一種基于匹配法的煤和矸石發(fā)射率測量方法，即采用表面熱電偶與紅外熱像儀相結(jié)合的方式測量煤和矸石發(fā)射率。

1 匹配法測量煤和矸石發(fā)射率原理

煤和矸石表面溫度遠高于實時環(huán)境溫度， 考慮到煤和矸石表面會較快地蒸發(fā)散熱，在實驗過程中，盡量將實驗地點選擇在溫度較為恒定的室內(nèi)進行，并迅速且準確地完成實驗，將實驗誤差降到最低。首先用密閉的電熱爐對被測煤和矸石進行均勻加熱，待被測煤和矸石均勻受熱且穩(wěn)定后，用表面熱電偶對被測煤和矸石的選定區(qū)域進行真實溫度測定（標定為t1），然后用紅外熱像儀對同一區(qū)域進行溫度測定（標定為t2），最后對紅外熱像儀的發(fā)射率進行調(diào)試，當t2=t1 時，得出的發(fā)射率即為被測煤和矸石在該溫度下的真實發(fā)射率。

匹配法的測量要求：被測煤和矸石需加熱或冷卻到一定溫度，且測量溫度需與實時環(huán)境溫度保持一定的溫度差值，即被測煤和矸石與實時環(huán)境溫度之間的差值需保持在10 ℃ 以上[23]。

此外，影響被測物體發(fā)射率的主要因素包括材料種類與材質(zhì)（如透射性能） 、表面特性（如粗糙度）、理化結(jié)構(gòu)（如化學組成）、幾何形狀和角度、波長、溫度。在實際應用中，紅外熱像儀需根據(jù)具體情況綜合考慮這些因素對發(fā)射率參數(shù)進行準確設(shè)置，以獲得準確的紅外測溫結(jié)果。

2 實驗裝置及過程

2.1 測定發(fā)射率的實驗平臺與裝置

根據(jù)匹配法原理，搭建了差異溫度下測定煤矸發(fā)射率的實驗平臺，實驗裝置主要包括紅外熱像儀、加熱爐、表面熱電偶及補溫燈，如圖1 所示。

實驗采用UTi260B 型紅外熱像儀，其溫度檢測區(qū)域和發(fā)射率可根據(jù)具體的被測物體進行相應設(shè)置，發(fā)射率的調(diào)試對紅外測溫影響較大，因此準確設(shè)置發(fā)射率對紅外測溫至關(guān)重要。UTi260B 型紅外熱像儀測溫范圍為?15～550 ℃，溫度測量誤差為±2 ℃，發(fā)射率為0.1～1.0，靈敏度小于0.05 ℃，可結(jié)合計算機終端的UNI?T 軟件進行實時傳輸與分析測量。

為了滿足匹配法的測量要求，對被測物體進行均勻加熱，以滿足實驗溫度測量條件。加熱爐的溫度為70～230 ℃（可對被測物體進行定時定溫的目標加熱），加熱爐對被測物體進行加熱時，雙層加熱管同時對被測物體進行加熱，可保證被測物體受熱均勻，以避免被測物體表面部分受熱產(chǎn)生偏差。

實驗采用的熱電偶為HT?9815 高精度接觸式測溫儀，其有4 個感溫探頭，能夠較為精確地對被測物體進行真實溫度的測定。探測過程中，選擇隨機探測方式，以驗證被測物體表面溫度的相似性。

在表面熱電偶與紅外熱像儀同步檢測時間段內(nèi)，采用補溫燈對被測煤和矸石進行照射，以保持恒溫，減少檢測時段內(nèi)蒸發(fā)散熱所造成的實驗誤差。

為確保紅外熱像儀檢測時的準確性和穩(wěn)定性，需在搭建好的實驗平臺環(huán)境下對紅外熱像儀進行校準，校準環(huán)節(jié)中被測物體選取3M?1350 型電氣絕緣膠帶。用電熱爐對電氣絕緣膠帶加熱，用紅外熱像儀測得溫度為70～120 ℃ 時，電氣絕緣膠帶的發(fā)射率約為0.92，溫度為120～140 ℃ 時，電氣絕緣膠帶的發(fā)射率約為0.93，數(shù)據(jù)與參考文獻[23]中的數(shù)據(jù)基本一致，表明本實驗所用紅外熱像儀的可行性。

由于要對不同種類的煤和矸石試樣進行發(fā)射率測試，考慮到砂巖和頁巖為放頂煤開采中較常見的矸石種類（包括頂煤中夾矸和直接頂矸石），本實驗中選取了無煙煤和黑色砂巖、灰色砂巖、白色砂巖及黑色頁巖4 種矸石，如圖2 所示。結(jié)合表面熱電偶和紅外發(fā)射率對不同種類煤矸石在差異溫度下（70，90，110，130，150，170 ℃）的發(fā)射率進行測定，從而得出煤和矸石各自發(fā)射率的大致范圍，為后續(xù)的煤和矸石識別發(fā)射率實驗提供理論依據(jù)。

2.2 差異溫度下煤和矸石發(fā)射率的測試流程

把煤和矸石試樣放入加熱爐中，將加熱爐設(shè)定到目標溫度，待溫控器的溫度達到目標溫度后，再持續(xù)加熱10 min，保證煤和矸石試樣與加熱爐之間充分熱交換，使煤和矸石試樣均勻受熱，取出后用表面熱電偶測量煤和矸石表面的真實溫度，再用紅外熱像儀對被測煤和矸石所選定的同一區(qū)域進行溫度測定，根據(jù)表面熱電偶的實測值與紅外熱像儀的測定值，對紅外熱像儀的發(fā)射率進行調(diào)試，當紅外熱像儀的測定溫度與表面熱電偶的真實溫度一致時，得出的發(fā)射率即為被測煤和矸石的真實發(fā)射率。煤和矸石發(fā)射率測試流程如圖3 所示。

2.3 實驗誤差分析

1） 系統(tǒng)誤差。系統(tǒng)誤差是由于實驗儀器、方法或樣本固有的不足及實驗外界條件不一致等因素導致的誤差。針對實驗過程中表面熱電偶和紅外熱像儀之間的同步誤差，利用可調(diào)節(jié)的補溫燈使被測煤矸石保持原溫狀態(tài)，以減少二者匹配時段內(nèi)蒸發(fā)散熱所造成的實驗誤差；同時實驗選擇在溫度較為恒定的室內(nèi)進行，以降低環(huán)境條件引起的系統(tǒng)誤差。

2） 隨機誤差。隨機誤差是由實驗過程中各種隨機因素引起的誤差。這些隨機因素包括實驗環(huán)境的微小變化、實驗操作的微小差異等。通過增加測量次數(shù)并取平均值，可以減小隨機誤差對實驗結(jié)果的影響。本文在實驗設(shè)計中，對于不同的煤和矸石試樣的發(fā)射率測定重復實驗10 次，取其平均值作為最終測試值，以減少隨機誤差。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 差異溫度下煤和矸石發(fā)射率的響應機制

為研究同一物體不同位置發(fā)射率的差異性，以無煙煤試樣為例，將無煙煤表面區(qū)域隨機劃分為A，B，C 3 個檢測區(qū)域，如圖4 所示。

將無煙煤試樣加熱到70 ℃，分別對3 個區(qū)域的發(fā)射率測定重復實驗10 次， 取其平均值， 結(jié)果見表1。

由表1 可知，在同一無煙煤表面的不同區(qū)域測得的發(fā)射率差異較小，表明無煙煤表面的發(fā)射率隨檢測點位的變化差異較小，從而說明實驗數(shù)據(jù)采集的有效性與實驗采用的匹配法的可行性，可用于后續(xù)的實驗分析。

在實時環(huán)境溫度下（25 ℃），為了研究不同種類煤和矸石表面的發(fā)射率，將不同種類的煤和矸石加熱到不同目標溫度（70，90，110，130，150，170 ℃），待煤和矸石試樣受熱均勻且穩(wěn)定后，用表面熱電偶對煤和矸石試樣表面的真實溫度進行測量，測量時需盡可能地保證所測區(qū)域的一致性， 并重復實驗10 次，取均值作為設(shè)定目標溫度下的發(fā)射率。本文以無煙煤和黑色砂巖為例（灰度差異較小的煤矸種類），實驗結(jié)果見表2 和表3。

從表2 和表3 可看出，差異溫度下無煙煤和黑色砂巖的發(fā)射率大多呈現(xiàn)出一定的差異性，且無煙煤和黑色砂巖的發(fā)射率隨著溫度增加而逐漸降低。無煙煤的發(fā)射率小于黑色砂巖。

無煙煤表面似纖維狀光滑且結(jié)構(gòu)較為緊密，黑色砂巖表面似膠結(jié)粒狀粗糙且結(jié)構(gòu)較為致密，說明表面的紋理結(jié)構(gòu)差異是導致二者之間產(chǎn)生差異發(fā)射率的主要因素。

設(shè)定溫度范圍為70～170 ℃，將其他3 種矸石與無煙煤和黑色砂巖的發(fā)射率范圍進行匯總，結(jié)果見表4。

由表4 可知，在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，煤和矸石的發(fā)射率均在0.9 左右，且頁巖的發(fā)射率比各類砂巖均低，再次表明了煤和矸石表面的紋理結(jié)構(gòu)差異是導致二者之間產(chǎn)生差異發(fā)射率的主要因素。

為了分析不同溫度下煤和不同種類矸石的發(fā)射率變化趨勢，對發(fā)射率隨溫度變化的實測值進行擬合。對實驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合，得到發(fā)射率隨溫度變化的多項式，采用相關(guān)系數(shù)R2 作為評估函數(shù)擬合精度的指標，分析和預測實驗數(shù)據(jù)的分布關(guān)系。煤和矸石擬合曲線如圖5 所示，各函數(shù)的擬合結(jié)果見表5（其中為發(fā)射率；a，b，c 為常數(shù)），煤和矸石擬合函數(shù)的實測值與理論值的對比見表6。

從圖5 可看出，隨著溫度的增加，不同種類煤矸石的發(fā)射率均呈下降趨勢，且基本均呈冪函數(shù)關(guān)系，這是因為煤和矸石都屬于非金屬材質(zhì)，符合非金屬發(fā)射率的特性，且發(fā)射率與溫度呈負相關(guān)。相同溫度下，黑色頁巖的發(fā)射率最低，這是因為黑色頁巖的表面紋理結(jié)構(gòu)較無煙煤光滑平整，無煙煤的發(fā)射率較其他3 種砂巖的發(fā)射率低。由此可推斷粗糙的表面是發(fā)射率增高的主要內(nèi)在因素。

從表5 可看出，煤和矸石擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)R2 均在0.98 以上，驗證了采用匹配法對煤和矸石發(fā)射率測量的可行性。從表6 可看出，曲線擬合效果較好且能夠?qū)Σ煌瑴囟认碌拿汉晚肥l(fā)射率進行合理的預測。

分別對煤和4 種矸石在室溫條件下（25℃）的發(fā)射率進行預測，預測結(jié)果見表7。該結(jié)果可為后續(xù)煤和矸石識別提供數(shù)據(jù)支撐和理論指導。

需要指出的是，本文所得出的煤和矸石發(fā)射率與溫度相關(guān)的擬合函數(shù)僅適用于本文所涉及的煤和矸石，對于其他環(huán)境條件和不同類型的煤和矸石，可采用本文所提出的方法進行針對性測試，從而獲得相應的發(fā)射率參數(shù)。

3.2 實測與識別的準確性判定

為了驗證實測值與理論值的準確性，采取反代法對煤和矸石發(fā)射率測量準確性進行驗證，將目標溫度下計算得到的發(fā)射率代入到紅外熱像儀的發(fā)射率設(shè)置中，若此發(fā)射率下煤和矸石的溫度與真實溫度相近，表明計算得到的發(fā)射率與煤和矸石的真實發(fā)射率相符合。反代法驗證實驗測溫公式為

對式（1）求微分，得

由式（2）可得，發(fā)射率的變化會影響紅外測溫儀的準確性，且發(fā)射率設(shè)置的合理性將對紅外熱像儀測溫的準確性造成直接影響。

以不同溫度下無煙煤和灰色砂巖發(fā)射率為例，按式（1）得出的溫度及誤差率見表8 和表9。

由表8 和表9 可看出，實測值與理論值的誤差率均小于3%。

4 結(jié)論

1） 等溫條件下，煤和矸石表面越粗糙，其發(fā)射率越大，表明煤和矸石表面的粗糙度是導致二者產(chǎn)生不同發(fā)射率的內(nèi)在因素。

2） 應用匹配法對煤和4 種矸石的發(fā)射率進行測量，結(jié)果表明煤和矸石的發(fā)射率隨溫度的增大呈冪函數(shù)降低，且擬合函數(shù)相關(guān)系數(shù)R2 達0.98 以上，驗證了匹配法應用于煤和矸石發(fā)射率測量的可行性。

3） 采用反代法對實驗中測量的煤和矸石發(fā)射率的準確性進行驗證，計算得出在不同溫度下實測值與理論值的誤差率均小于3%，且誤差率隨著發(fā)射率的增大而減小。

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