【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及含水率监测，特别是涉及一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法与系统。
技术介绍
1、带式输送机是煤矿企业最主要的运输机械，属于重点防火部位，一旦失火将会造成输送机、控制电缆等在内的整个系统报废，甚至会造成人员的伤亡。煤自燃是引发矿井内煤炭输送机火灾的主要原因之一，煤在生产和运输过程中形成了多种含氧游离基，空气中的氧气会与这些游离基进行物理化学反应，从而释放大量的热量，当热量聚集到一定程度的时候，容易引起火灾。煤中的水分起到隔绝空气中氧的作用，降低了煤的氧化反应，同时减少煤积聚的热量，降低煤温，因此保持一定的煤含水率可以有效地降低输送带火灾事故的发生概率。
2、因此，对输送带上煤含水率进行实时在线监测具有重要意义。目前，煤含水率的检测方法主要包括：烘干法、电参量法、近红外光谱法等。烘干法是测量煤含水率的直接方法，是传统的、也是最基本的测量方法，此方法测试精度高，但由于测量周期太长，所以不适用于井下转载点处输送带上煤含水率的检测。红外反射法既可检测表面可见缺陷及被测物的几何形状，又可测定被测物的含水率等，适合于生产过程中的产品检测，且易于实现自动化，但由于光头对卫生条件的要求较高，所以也不适用于井下转载点处输送带上煤含水分的检测，除了红外探测，还有要有烘干失重法、电参量法、近红外光谱法(nirs)、中子法和微波法。但上述方法均不适于输送带上煤炭含水率的在线监测。
3、一种研究较多的煤炭含水率在线监测方法是微波法，微波法主要依据微波衰减原理，在微波频率下，水的介电常数远远大于其他物质，煤在
4、关于微波法测量煤炭含水率的相关代表性专利申请有：
5、专利申请cn101504377a“矿井输送带上煤含水分的微波检测方法和设备”，仅采用单一频率的微波源进行煤炭含水率监测；
6、专利申请cn101566587a“双源双探头正交式微波测量含水率装置及测量方法”，其中采用了两个不同频率的天线，而且两个天线之间不可避免会有交叉耦合；
7、专利申请cn117723568a“基于微波谱自适应融合的煤炭含水率预测方法及系统”利用煤炭的微波谱信息来预测煤炭的含水率，但是获取微波谱一般需要用到矢量网络分析仪，测量时间较长，不能满足动态运动中的煤输送带上煤炭含水率实时监测需求。
8、现有的测量煤炭含水率的微波法，是利用单一固定频率的信号对煤炭含水率进行检测；本专利技术采用重频超宽带电磁脉冲对输送带上的煤炭含水率进行检测。
9、当被测煤层较厚或含水率较高时，高频信号衰减快，可能无法有效穿透煤层，从而给煤炭含水率检测带来较大误差；当被测煤层较薄或含水率较低时，低频信号衰减慢，也会给煤炭含水率检测带来较大误差。
技术实现思路
1、鉴于此，本专利技术提供一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法与系统。
2、本专利技术公开了一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其包括：
3、超宽带电磁脉冲源产生超宽带电磁脉冲信号，该超宽带电磁脉冲信号经过宽频带功率分配器分为相同的两路信号，一路直接经第一衰减器传输至数据采集装置，另一路由第一宽频带喇叭天线辐射穿过输送带上的煤层，经煤层衰减后由第二宽频带喇叭天线接收，接收的电压信号经第二衰减器衰减后传入数据采集装置，数据采集装置将采集到的两路信号上传到上位机中，在上位机中进行数据处理以求出煤炭的含水率。
4、进一步地，当超宽带电磁脉冲信号穿过煤层时，煤炭的极化损耗使得超宽带电磁脉冲信号的幅值减小，当超宽带电磁脉冲信号在煤炭中传播时，会引起介质的极化，即介质中的电偶极子会发生转向，进而消耗电磁波的能量，从而使得煤炭的介电常数呈现为一个随频率变化的复数：
5、ε(f)＝ε′(f)-jε″(f) (1)
6、其中，f为超宽带电磁脉冲信号的频率，ε(f)表示煤炭的介电常数，ε′(f)表示煤炭介电常数的实部，ε″(f)表示煤炭介电常数的虚部，j表示虚数单位；
7、以ein表示输入电场幅值，eout表示输出电场幅值，定义电磁波幅值的衰减倍数为：
8、
9、其中，a表示衰减倍数；
10、由电磁波的波动方程可知当电磁波在介质中传播时，电场幅值随传播距离按指数规律衰减：
11、eout＝eine-αd (3)
12、其中，d表示传播的距离，即煤层的厚度，α表示衰减系数；
13、由电磁波的波动方程可知：
14、
15、其中，f表示电磁波的频率，μ0表示真空中的磁导率；
16、电磁波幅值的衰减倍数为：
17、
18、进一步地，获得已知含水率的煤样品并将其放置于煤输送带上，测量超宽带电磁脉冲源发出的第一原始电压脉冲信号，同时测量经喇叭天线的辐射、接收和煤层的衰减作用后的第二信号；
19、数据采集装置对第一原始电压脉冲信号采样后得到g1(n)，对第二信号采样后得到g2(n)，在上位机中对g1(n)和g2(n)进行快速傅里叶变换得到其对应的幅频谱数据为s1(n)和s2(n)；n表示数据点数；
20、取s1(n)和s2(n)在第一频点、第二频点、第三频点的数值，并计算衰减倍数：
21、
22、记煤炭含水率为cw，使煤炭含水率cw以固定步长在指定范围内变化，得到一组不同含水率下的衰减倍数标定数据[x(l),y(l),z(l)]，根据标定数据，得到煤炭的含水率的计算公式：
23、
24、其中，cw为煤炭的含水率，i表示衰减倍数x的次数，j表示衰减倍数y的次数，k表示衰减倍数z的次数，m表示整个多项式的次数，计算得到多元多项式的系数aijk，即完成标定过程。
25、进一步地，在实际测量过程中，煤输送带是处于运动状态中的，超宽带电磁脉冲源发出重频为固定值的超宽带电磁脉冲，上位机在采集到信号后，通过公式计算煤炭的含水率。
26、本专利技术还公开了一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，实现上述任一项所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其包括超宽带电磁脉冲源、宽频带功率分配器、第一衰减器、第二衰减器、第一宽频带喇叭天线、第二宽频带喇叭天线、数据采集装置和上位机；...
【技术保护点】
1.一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，当超宽带电磁脉冲信号穿过煤层时，煤炭的极化损耗使得超宽带电磁脉冲信号的幅值减小，当超宽带电磁脉冲信号在煤炭中传播时，会引起介质的极化，即介质中的电偶极子会发生转向，进而消耗电磁波的能量，从而使得煤炭的介电常数呈现为一个随频率变化的复数：
3.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，获得已知含水率的煤样品并将其放置于煤输送带上，测量超宽带电磁脉冲源发出的第一原始电压脉冲信号，同时测量经喇叭天线的辐射、接收和煤层的衰减作用后的第二信号；
4.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，在实际测量过程中，煤输送带是处于运动状态中的，超宽带电磁脉冲源发出重频为固定值的超宽带电磁脉冲，上位机在采集到信号后，通过公式计算煤炭的含水率。
5.一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，实现权利要求1-4任一项所述的基于超宽带电
6.根据权利要求5所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，其特征在于，第一宽频带喇叭天线和第二宽频带喇叭天线相对放置，输送带位于第一宽频带喇叭天线和第二宽频带喇叭天线之间。
7.根据权利要求5所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，其特征在于，超宽带电磁脉冲源包括锂电池、升压模块、信号发生器、雪崩三极管、充电电阻RC、充电电容C0、负载电阻RL、触发脉冲耦合电阻R1、电容C1；
8.根据权利要求7所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，其特征在于，锂电池供电，升压模块将锂电池的电压升压直至雪崩三极管处于临界击穿状态，直流高压经充电电阻RC加载到三极管的集电极上，并给充电电容C0充电，利用信号发生器产生的周期方波脉冲，经电容C1和触发脉冲耦合电阻R1作用在雪崩三极管的基极上，脉冲前沿将在基极上引起电压电流的扰动，使得处于临界击穿状态的雪崩三极管击穿，充电电容C0经雪崩三极管和负载电阻RL放电，产生前沿陡峭的超宽带高压脉冲，该脉冲经与充电电容C0连接的同轴电缆输出，待充电电容C0放电结束后，雪崩三极管恢复截止状态，充电电容C0进入充电状态。
9.根据权利要求7或8所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，其特征在于，调节信号发生器所发出的触发方波脉冲的频率即可调节超宽带高压脉冲的输出频率，以满足输送带上煤含水率的监测需求。
...【技术特征摘要】
1.一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，当超宽带电磁脉冲信号穿过煤层时，煤炭的极化损耗使得超宽带电磁脉冲信号的幅值减小，当超宽带电磁脉冲信号在煤炭中传播时，会引起介质的极化，即介质中的电偶极子会发生转向，进而消耗电磁波的能量，从而使得煤炭的介电常数呈现为一个随频率变化的复数：
3.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，获得已知含水率的煤样品并将其放置于煤输送带上，测量超宽带电磁脉冲源发出的第一原始电压脉冲信号，同时测量经喇叭天线的辐射、接收和煤层的衰减作用后的第二信号；
4.根据权利要求1所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，在实际测量过程中，煤输送带是处于运动状态中的，超宽带电磁脉冲源发出重频为固定值的超宽带电磁脉冲，上位机在采集到信号后，通过公式计算煤炭的含水率。
5.一种基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测系统，实现权利要求1-4任一项所述的基于超宽带电磁脉冲的煤炭含水率在线监测方法，其特征在于，包括超宽带电磁脉冲源、宽频带功率分配器、第一衰减器、第二衰减器、第一宽频带喇叭天线、第二宽频带喇叭天线、数据采集装置和上位机；
6.根据权利要求...
【专利技术属性】
技术研发人员：苏兆忠，牛青辰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：
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