環(huán)境溫度向棉包內部傳導分層特性研究

文/周萬懷 李浩 徐守東

1 引言

棉花是重要的戰(zhàn)略物資，關乎國計民生。2010—2014年，我國棉花庫存由約400萬噸大幅度上升至1446萬噸；2015—2020年受多種因素影響，我國棉花庫存維持在800萬噸上下震蕩[1]。棉花在庫存儲期間，通常在同一庫房內碼垛堆放有成千上萬的標準棉包。盡管會有倒垛檢查程序，但因堆倒垛的過程耗時、費力、工作量巨大，堆倒垛的頻次通常較低，棉包內部品質變異甚至是陰燃的現象時有發(fā)生[2-5]。因此，研究棉包內部品質變異和陰燃等災害的預警方法十分必要。

目前國內外研究主要針對棉花陰燃的燃燒特性，如對棉花陰燃熱通量的研究[6]，棉花密度對棉花陰燃著火溫度的影響[7]，樣本大小對陰燃特性的影響[8]，不同濕度棉花熱分解過程的試驗分析和動力學計算[9]，棉花的熱輻射引燃試驗[10]等。其中雖然也有以CO氣體為試驗對象，并提出將煙霧傳感器和CO 傳感器相結合的主動吸氣式火災探測方法，但這些往往建立在棉花陰燃的后期，達不到棉垛早期預警的作用。

本文通過在標準I型棉包內部布設立體網狀溫度監(jiān)測點，按位置置入高精度溫度傳感器，基于無線傳輸系統(tǒng)實時記錄在庫存儲的樣品棉包所處環(huán)境溫度、棉包內部各個傳感器監(jiān)測溫度，分析和建立棉包所處環(huán)境溫度與棉包內部不同深度監(jiān)測點溫度之間的關系，為進一步建立棉包內外溫度傳導模型，基于溫度變化實現棉包內部品質變異或陰燃等災害的早期預警提供新思路。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

試驗選用如圖1所示的標準Ⅰ型棉包為研究對象，該型棉包使用水壓機分層壓實后再用塑鋼帶、鐵絲等材料捆扎，最后使用棉布、塑料或其他材質的外包裝封裝成圖1所示狀態(tài)[11-12]。其標準包型為長方體狀，長、寬、高分別約為140cm、53cm和70cm，單包重約227kg[13-14]。

圖1 I型棉包

為了盡可能反映出我國不同氣候的產棉、儲棉、用棉地區(qū)的棉包在不同條件下的吸放濕特性，在新疆南疆、新疆北疆和安徽各選一個棉花倉儲庫為監(jiān)測點，每個庫抽取近一年生產的3個在庫存儲棉包進行跟蹤監(jiān)測。監(jiān)測點分布及樣品棉包基本信息見表1。

表1 試驗棉包分布及基本信息

2.2 布點位置選擇

本試驗中對每個試驗棉包均設置32個傳感器，第31號和第32號傳感器用于檢測棉包外的環(huán)境溫度，其余30個傳感器分別沿圖2（A）中的L、W和H方向構成3×2×5的網狀監(jiān)測結構，布局如圖2（B）所示。

圖2 溫濕度傳感器布局圖

其中，Y軸與Z軸構成棉包中切面，X軸為棉包長度方向的一端。沿X軸方向設置0cm和15cm 兩個深度層次，沿Y軸方向設置20cm、45cm和70cm3個深度層次，沿Z軸方向設置15cm、25cm、35cm、45cm和55cm5個深度層次。根據長方體的對稱特性，按照以上方式布設的溫度監(jiān)測點能夠廣泛代表棉包內部其他各處的溫度。棉包內部各傳感器的坐標分布詳見表2。

表2 棉包內部溫濕度監(jiān)測傳感器坐標

2.3 傳感器封裝

由于棉包密度大、傳感器置入時需要承受較大的阻力和壓力，因此設計了一種如圖3所示的不銹鋼傳感器封裝艙體。艙體長40mm、外徑14mm、內徑9mm；艙體前端的椎體能夠有效減小傳感器置入時的阻力，裝載傳感器的艙室四周環(huán)繞布設6行×7列的孔洞，確保艙內外溫度能夠自由平衡；艙體尾部使用密封塞封堵，保護內部電路板不受擠壓。

圖3 傳感器的封裝

2.4 傳感器的置入

如前文所述，置入傳感器時不僅需要克服巨大的阻力，更為重要的是還要對傳感器進行分層定位。為此設計了一套包括定位、旋壓和推進等機構組成的專用推進裝置，如圖4所示。其中，1～3、6和7起整體支撐和姿態(tài)矯正作用，4、5、13分別為旋壓螺桿和帶有標尺的推進桿，8～10、12為傳感器及封裝艙體。

圖4 旋壓式推進裝置

2.5 監(jiān)測系統(tǒng)設計

溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)構成如圖5所示。溫度傳感器在單片機的控制下監(jiān)測溫度，監(jiān)測數據通過RS485總線傳輸到采集器，再經過無線裝置傳輸到數據服務器，可通過電腦或手機實時查看監(jiān)測情況。實際監(jiān)測時為每個棉包配置一臺采集器，負責采集對應棉包的監(jiān)測數據，采集頻次設置為6次/h。為確保數據安全，在采集器內部對測量數據進行備份，系統(tǒng)設計了在測試的空閑期對傳感器進行斷電保護的功能。

圖5 監(jiān)測系統(tǒng)原理示意圖

3 結果與討論

3.1 環(huán)境溫度變化趨勢

在每個監(jiān)測點，測試棉包均集中存放在相同的倉庫內，因此它們的環(huán)境溫度極為相近，在后續(xù)分析中將各監(jiān)測點的3個棉包的環(huán)境溫度取平均作為對應監(jiān)測點的環(huán)境溫度，據此得出3個監(jiān)測點的環(huán)境溫度變換趨勢如圖6所示。

圖6 各監(jiān)測點環(huán)境溫度變化趨勢

可以看出各監(jiān)測點的環(huán)境溫度整體上隨季節(jié)變換的升降趨勢具有一定的相似性，但升降幅度存在顯著差異。如：南北疆的同期溫度顯著低于內陸同期溫度，南方同期溫度顯著高于北方同期溫度，北疆的博樂最高溫度18.15 ℃、最低溫度-6.85 ℃、最大溫差25℃，而內陸的淮南監(jiān)測點最高溫度21.09 ℃、最低溫度5.52 ℃、最大溫差15.57℃。

3.2 高（Z軸）方向溫度變化趨勢

該分層方式將在X軸和Y軸方向上處于同一平面內的傳感器歸為一組，傳感器分組詳情見表3。結合圖2可以看出，在該分層模式下每個組別的傳感器構成的平面均垂直于Z軸，這與I型棉包打包的過程相吻合，即沿Z軸方向不斷分層壓實而成。因此在該分層模式下可將棉包視為多個獨立的薄層堆疊而成的長方體，在物理結構上具有明顯的分層特性。

表3 Z軸方向5層傳感器分組

按上述方式對傳感器進行分層，將層內多個傳感器所監(jiān)測的溫度均值作為相應分層的溫度，得出如圖7所示的棉包內部各層溫度變化基本趨勢。

圖7 Z軸方向5層棉包內部溫度變化趨勢

可見，不同監(jiān)測點的棉包內部溫度變化趨勢存在明顯的宏觀差異。主要體現在以下幾點：首先，棉包內部溫度范圍呈現較大的地域差異。其次，不同監(jiān)測點棉包內部溫度與環(huán)境溫度的趨同性差異明顯，如：博樂和庫爾勒監(jiān)測點的棉包內部各層溫度差異顯著，而淮南監(jiān)測點棉包內部各層溫度差異甚微。再次，棉包內部溫度變化滯后性存在顯著差異，從圖7可以看出庫爾勒、博樂和淮南3個監(jiān)測點棉包內部溫度的谷底區(qū)域分別大致為監(jiān)測時段的第50～100天、第80～110天和第140～165天。進一步分析棉包內部各層溫度與環(huán)境溫度之間的一致性，從相關系數可以看出，各層溫度與環(huán)境溫度的相關性均較高，無論是淺層還是深層的溫度與環(huán)境溫度的相關系數均在0.99以上，這說明棉包內部各層的溫度變化趨勢均與環(huán)境溫度變化趨勢高度相近；另一方面也可以看出，外側的第1層和第5層的溫度與環(huán)境溫度的相關系數略高于內部各層與環(huán)境溫度的相關性，體現了一些細微的差異。從均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）可以看出，外側的第1層和第5層的溫度與環(huán)境溫度差異明顯小于深處的第2、第3和第4層的溫度與環(huán)境溫度的差異。以上分析結果表明環(huán)境溫度沿Z軸方向傳導時隨著深度增加，棉包內外溫度的差異逐漸增大。

進一步細分分層方式，同時將X軸和Z軸深度作為分組依據，從更加細分的角度分析不同位置的傳感器監(jiān)測的棉包內部溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的相關性，具體分組情況見表4。

表4 X軸與Z軸方向10層傳感器分組

仍將層內多個傳感器所監(jiān)測的溫度均值作為相應分層的溫度，得出如圖8所示的棉包內部各層溫度變化基本趨勢。

由圖8觀察可大致得出與圖7相似的結論，即庫爾勒、博樂和淮南3個監(jiān)測點棉包內部溫度范圍呈現較大的地域差異，不同監(jiān)測點棉包內部溫度與環(huán)境溫度的趨同性差異明顯，棉包內部溫度變化滯后性存在顯著差異。

圖8 X軸與Z軸方向10層溫度變化趨勢

進一步分析棉包內部各層溫度與環(huán)境溫度之間的一致性，從相關系數來看，各層溫度與環(huán)境溫度依舊保持較高的相關性，這說明盡管分層方式有所變化，但棉包內部各層的溫度與環(huán)境溫度仍舊高度相關；另一方面，在Z軸方向上的外層（第1、第5、第6和第10層）溫度與環(huán)境溫度的相關系數均高于內層（第2～4層和第7～9層），在X軸方向上，外層溫度（第6～10層）與環(huán)境溫度的相關系數同樣高于內層溫度（第1～5層）與環(huán)境溫度的相關系數。從RMSE角度來看，X軸方向和Z軸方向上的外層溫度與環(huán)境溫度差異也均小于內層溫度與環(huán)境溫度的差異。以上分析結果表明溫度沿X軸和Z軸方向傳導時，內外溫度變化節(jié)奏吻合度較高，隨深度的增加內外溫度差異增大。

3.3 長（Y軸）方向溫度變化趨勢

該分層方式將在X軸和Z軸方向上處于同一平面的傳感器歸為一組，每個組別的傳感器均與Y軸垂直，沿Y軸方向共分為3個深度級別，分別是20 cm、45 cm和70 cm。在這個方向上棉花纖維呈現無規(guī)律的縱橫交錯，不再具有3.2中分層模式下的分層特性。具體傳感器分組見表5。

表5 Y軸方向3層傳感器分組

圖9展示了在該分層模式下棉包內部溫度變化趨勢。在宏觀層面上與3.2節(jié)并無顯著差異，此處不再詳細分析。

圖9 Y軸方向3層溫度變化趨勢

對當前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關性進行分析，從相關系數來看，淺層溫度與環(huán)境溫度的相關系數不再大于深層溫度與環(huán)境溫度的相關系數；從RMSE角度來看，淺層溫度與環(huán)境溫度的一致性也不再比深層溫度與環(huán)境溫度的一致性更高。此外，該分層模式下內部溫度與環(huán)境溫度之間的RMSE較3.2節(jié)中的RMSE小。由此可見，環(huán)境溫度沿Y軸方向的傳導損耗未隨深度增加而增大，這與3.2節(jié)的分析結果不同。

進一步細分分層方式，同時將X軸和Y軸深度作為分組依據，從更加細分的角度分析不同位置的傳感器監(jiān)測的棉包內部溫濕度與環(huán)境溫濕度之間的相關性，具體分組情況見表6。

表6 X軸與Y軸方向6層傳感器分組

圖10展示了在該分層模式下棉包內部溫度變化趨勢。同樣，在宏觀層面上與3.2和3.3節(jié)并無顯著差異，此處不再詳細分析。

圖10 X、Y軸方向3層溫度變化趨勢

對當前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關性分析，從相關系數來看，淺層（第2、第4和第6層）溫度和深層（第1、第3和第5層）溫度與環(huán)境溫度相關系數互有高低；與之類似，淺層溫度和深層溫度與環(huán)境溫度的RMSE同樣互有高低。由此可見，在該分層模式下環(huán)境溫度向棉包內部傳導時與沿Y軸傳導時類似，內外溫度差與深度不構成反比關系。

3.4 寬（X軸）方向溫度變化趨勢

該分層方式將在Y軸和Z軸方向上處于同一平面的傳感器歸為一組，每個組別的傳感器均與X軸垂直，沿X軸方向共分為兩個深度級別，對應X軸坐標分別是0cm和15cm，具體傳感器分組見表7。

表7 Z軸方向3層傳感器分組

圖11展示了在該分層模式下棉包內部溫度變化趨勢。在宏觀層面上與3.2節(jié)和3.3節(jié)并無顯著差異，此處不再詳細分析。

圖11 X軸方向2層溫度變化趨勢

從當前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關系數來看，淺層溫度與環(huán)境溫度的相關系數略大于深層溫度與環(huán)境溫度的相關系數；從RMSE角度來看，淺層溫度與環(huán)境溫度的一致性明顯好于深層溫度與環(huán)境溫度的一致性。由此可見，環(huán)境溫度沿X軸方向傳導時棉包內外溫度差異受深度影響較顯著，這與3.2節(jié)中溫度沿Z軸方向傳導時的結論類似。

3.5 按距離棉包表面最小距離分層變化趨勢

該分層方式按照距離棉包表面的最小距離將傳感器劃分為如表8所示的5個組別，同樣取組內傳感器監(jiān)測溫度的均值為相應組別的溫度。

表8 按距離棉包表面最小距離的傳感器分組

圖12展示了該分層模式下棉包內部各層溫度變化趨勢，由宏觀趨勢來看與其他分層方式無明顯差別。

圖12 按距離棉包表面最小距離分層溫度變化趨勢

表9和表10詳述了當前分層模式下各層溫度與環(huán)境溫度之間的相關性。從表9中的相關系數來看，位于較淺位置的第1和第2層溫度與環(huán)境溫度的相關性略高于位于較深位置的第3～5層溫度與環(huán)境溫度的相關性；從表10中的RMSE來看，位于11.5 cm深度的第一層溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差大于位于15 cm深的第二層溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差，而進一步向更深處傳導時隨深度的差增加內外溫度差越來越大。

表9 按距離棉包表面最小距離分層內部溫度與環(huán)境溫度的相關系數

表10 按距離棉包表面最小距離分層內部溫度與環(huán)境溫度的均方根誤差

4 結論

以上分析結果表明：首先，棉包內部不同深度的溫度變化趨勢與環(huán)境溫度的變化趨勢整體相似度高，從溫度變化的相關性角度來看，沿棉包長（Y軸）、寬（X軸）、高（Z軸）方向上棉包內外溫度相關系數最低分別為0.993、0.992和0.990，這說明環(huán)境溫度與棉包內部溫度傳導時滯較小，溫度變化同步特性較好；其次，從均方根誤差的角度來看，沿棉包長（Y軸）、寬（X軸）、高（Z軸）方向上棉包內外溫度的均方根誤差存在較大差異，沿X軸和Z軸方向傳導時棉包內外溫度差異隨深度增加而明顯增大，而沿Y軸方向傳導時棉包內外溫度差異并未隨深度變化而顯著不同，這說明溫度沿不同方向傳導損耗不盡相同。最后，環(huán)境溫度向棉包內部傳導損耗基本與深度成反比例。