本发明涉及一种泡沫流体材料特性的测试装置及方法，具体是一种矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置及方法。
背景技术：
矿井火灾是煤矿主要灾害之一，其中由于煤岩裂隙漏风导致的煤自燃火灾事故占矿井火灾总数的90％以上。国内外通常采用灌浆、注氮气、注泡沫、喷洒阻化剂、注凝胶和复合胶体等防灭火技术来防治矿井煤自燃。上述材料在现场应用过程中都取得了一定的效果，但也存一些问题，主要来说是无法解决对高温煤岩裂隙的持续封堵和惰化。泡沫体封堵材料因其良好的裂隙渗透能力、能向高处堆积、立体覆盖等特点近年来越来越受到国内外学者的关注。目前煤矿常用的泡沫体防灭火材料主要有惰气泡沫、阻化泡沫、凝胶泡沫、三相泡沫、泡沫灰浆等，但是这些材料的热稳定性是在现场实际防控高温煤岩裂隙过程中最关键的特性。因此亟需开展泡沫体材料热稳定特性测试方法研究。
目前关于材料的热稳定特性测试在某些应用领域中有一些测定原理、方法和实验装置，也形成了一些材料热稳定特性测试的国家标准和测定规范，如聚甲醛热稳定性能测定有显色法检验；pvc材料的热稳定则利用材料受热释放出的某种特定产物来反映热稳定性能。而泡沫流体材料与上述的聚甲醛与pvc材料存在本质的不同，主要是由于泡沫流体材料是属于固、液、气三相混合体，是一种非均质材料，在受热的情况下影响泡沫流体稳定性的主要是泡沫载体液膜的加速排液及泡空内气体介质的压力变化。在整个受热过程中并不存在热释放物质，也不存在成分变化。因此无法通过上述测试聚甲醛与pvc材料稳定性的方法对泡沫流体进行测试。目前对泡沫流体热稳定特性的测试方法还处于空白。
技术实现要素：
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置及方法，采用测量泡沫流体材料的失稳临界时间和临界吸热量，进而可得出泡沫流体材料的热稳定特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置，包括恒温加热装置、大烧杯、小烧杯、测温装置和数据处理装置，恒温加热装置上设有石棉网，大烧杯放置在石棉网上，小烧杯处于大烧杯内部，所述测温装置为两个热电偶，两个热电偶分别放置在大烧杯和小烧杯内，两个热电偶均与数据处理装置连接，大烧杯的上端设有隔热板。
进一步，所述数据处理装置为计算机。
进一步，所述恒温加热装置为恒温加热仪。
一种矿用泡沫流体材料热稳定特性的测试方法，具体步骤为：
(1)用差示扫描量热仪对其中一种泡沫流体材料进行检测，得出泡沫流体材料dsc曲线，然后根据dsc曲线绘制泡沫流体材料的比热容随温度变化特性的曲线图；
(2)打开隔热板，将泡沫流体材料放置在矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置中的小烧杯内，然后在大烧杯内注入豆油，并使豆油的液面高于泡沫流体材料的液面，这种设置方式能使泡沫流体材料处于均匀受热的环境，豆油的液面高于泡沫流体材料的液面可以减少热传导的不均匀性和大烧杯散热对实验数据的影响，完成后将隔热板放置在大烧杯的上端；
(3)开启恒温加热仪对大烧杯内的豆油从室温进行均匀加热，处于大烧杯内的热电偶对豆油的温度进行实时检测并反馈给数据处理装置；
(4)数据处理装置控制处于小烧杯内的热电偶每间隔相同时间测量泡沫流体材料的温度t，并根据测得的各个温度t值得出每个间隔时间段内的温度变化量δt，结合比热容随温度变化的曲线，并采用如下公式计算出泡沫流体材料的吸收热量数据，最后由数据处理装置拟合出该种泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
δqp＝cpmδt
式中：δqp为相邻时间段内的热量，cp为泡沫流体等压比热容，m为泡沫流体样品质量，δt为相隔时间段内的温度变化量；
(5)选择不同种类的泡沫流体材料重复步骤(1)至(4)，得出各种泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
(6)数据处理装置根据泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图，生成各个实验数据点x的离散点图；
(7)采用如下函数公式进行二次曲线拟合，得到拟合曲线y；
q＝k1t2+k2t+k3
式中：q为泡沫流体材料的吸热量，t为泡沫流体材料的吸热时间；参数k1、k2、k3的具体计算过程为：
采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：
上述已知实验数据点(xi，yi)(i＝1,…,n)，用二次函数q＝k1t2+k2t+k3做近似拟合曲线，并使均方误差为
由此得出参数k1、k2、k3的值；
(8)将拟合曲线y的起止点a和b连成直线ab，并得到该直线ab的斜率k，利用朗格朗日中值定理，即曲线上存在一点的切线与直线ab的斜率相等，得出该切线z；
(9)切线z与拟合曲线y的切点即为失稳临界点，其对应的横坐标时间为失稳临界时间tc；
(10)在初始时间至失稳临界时间tc范围内对拟合曲线y进行积分(即图2中拟合曲线y和失稳临界时间tc组成的区域总面积)，得出各种泡沫流体材料的临界吸热量qc；
(11)根据得出的各种泡沫流体材料的失稳临界时间tc和临界吸热量qc，确定各种泡沫流体材料的热稳定特性。
与现有技术相比，本发明采用泡沫流体材料的失稳临界时间和临界吸热量的方式，以泡沫流体材料在相同时间间隔内吸收热量的多少作为衡量热稳定特性的指标，随着温度增高当泡沫流体材料的热稳定特性达到临界点被破坏时，泡沫流体材料吸收的热量将明显下降，这一特征点称为失稳临界点，这一点的温度称为失稳临界温度，从实验开始到失稳临界点所经历的时间称为失稳临界时间，在这期间泡沫流体材料所吸收的全部热量称为临界吸热量；本发明通过测量得出不同种类的泡沫流体材料的失稳临界时间和临界吸热量，进而得出不同种类的泡沫流体材料的热稳定特性。
附图说明
图1是本发明中测试装置的结构示意图；
图2是本发明中泡沫流体材料的吸热量随温度变化曲线图；
图3是实施例1中无机固化泡沫流体的吸热量随温度变化曲线图；
图4是实施例2中凝胶泡沫流体的吸热量随温度变化曲线图；
图5是实施例3中三相泡沫流体的吸热量随温度变化曲线图；
图6是实施例4中ab组分泡沫流体的吸热量随温度变化曲线图。
图中：1、隔热板，2、大烧杯，3、小烧杯，4、恒温加热仪，5、测温装置。
具体实施方式
下面将对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置，包括恒温加热装置、大烧杯2、小烧杯3、测温装置5和数据处理装置，恒温加热装置上设有石棉网，大烧杯2放置在石棉网上，小烧杯3处于大烧杯2内部，所述测温装置5为两个热电偶，两个热电偶分别放置在大烧杯2和小烧杯3内，两个热电偶均与数据处理装置连接，大烧杯2的上端设有隔热板1。
进一步，所述数据处理装置为计算机。
进一步，所述恒温加热装置为恒温加热仪4。
实施例1：
无机固化泡沫流体材料热稳定特性的测试方法，具体步骤为：
(1)用差示扫描量热仪对无机固化泡沫流体材料进行检测，得出无机固化泡沫流体材料的dsc曲线，然后根据dsc曲线绘制无机固化泡沫流体材料的比热容随温度变化特性的曲线图；
(2)打开隔热板1，将无机固化泡沫流体材料放置在矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置中的小烧杯3内，然后在大烧杯2内注入豆油，并使豆油的液面高于无机固化泡沫流体材料的液面，完成后将隔热板1放置在大烧杯2的上端；
(3)开启恒温加热仪4对大烧杯2内的豆油从室温进行均匀加热，处于大烧杯2内的热电偶对豆油的温度进行实时检测并反馈给数据处理装置；
(4)数据处理装置控制处于小烧杯3内的热电偶每间隔3分钟测量无机固化泡沫流体材料的温度t，并根据测得的各个温度t值得出每个间隔时间段内的温度变化量δt，结合比热容随温度变化的曲线，并采用如下公式计算出无机固化泡沫流体材料的吸收热量数据，最后由数据处理装置拟合出无机固化泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
δqp＝cpmδt
式中：δqp为相邻时间段内的热量，cp为泡沫流体等压比热容，m为无机固化泡沫流体材料样品质量，δt为相隔时间段内的温度变化量；
(5)数据处理装置根据无机固化泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图，生成各个实验数据点x的离散点图；
(6)采用如下函数公式进行二次曲线拟合，得到拟合曲线y；
q＝k1t2+k2t+k3
式中：q为泡沫流体材料的吸热量，t为泡沫流体材料的吸热时间；参数k1、k2、k3的具体计算过程为：
采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：
上述已知实验数据点(xi，yi)(i＝1,…,n)，用二次函数q＝k1t2+k2t+k3做近似拟合曲线，并使均方误差为
由此得出参数k1、k2、k3的值分别为-2.41，37.45，797.38；
(8)将拟合曲线y的起止点a和b连成直线ab，并得到该直线ab的斜率k，利用朗格朗日中值定理，即曲线上存在一点的切线与直线ab的斜率相等，得出该切线z；
(9)切线z与拟合曲线y的切点即为失稳临界点，其对应的横坐标时间为失稳临界时间tc；
(10)在初始时间至失稳临界时间tc范围内对拟合曲线y进行积分，得出无机固化泡沫流体材料的临界吸热量qc；
(11)根据得出的无机固化泡沫流体材料的失稳临界时间tc和临界吸热量qc(如图3所示)，确定无机固化泡沫流体材料的热稳定特性。
实施例2：
凝胶泡沫流体材料热稳定特性的测试方法，具体步骤为：
(1)用差示扫描量热仪对凝胶泡沫流体材料进行检测，得出凝胶泡沫流体材料的dsc曲线，然后根据dsc曲线绘制凝胶泡沫流体材料的比热容随温度变化特性的曲线图；
(2)打开隔热板1，将凝胶泡沫流体材料放置在矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置中的小烧杯3内，然后在大烧杯2内注入豆油，并使豆油的液面高于凝胶泡沫流体材料的液面，完成后将隔热板1放置在大烧杯2的上端；
(3)开启恒温加热仪4对大烧杯2内的豆油从室温进行均匀加热，处于大烧杯2内的热电偶对豆油的温度进行实时检测并反馈给数据处理装置；
(4)数据处理装置控制处于小烧杯3内的热电偶每间隔3分钟测量凝胶泡沫流体材料的温度t，并根据测得的各个温度t值得出每个间隔时间段内的温度变化量δt，结合比热容随温度变化的曲线，并采用如下公式计算出凝胶泡沫流体材料的吸收热量数据，最后由数据处理装置拟合出凝胶泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
δqp＝cpmδt
式中：δqp为相邻时间段内的热量，cp为泡沫流体等压比热容，m为凝胶泡沫流体材料样品质量，δt为相隔时间段内的温度变化量；
(5)数据处理装置根据凝胶泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图，生成各个实验数据点x的离散点图；
(6)采用如下函数公式进行二次曲线拟合，得到拟合曲线y；
q＝k1t2+k2t+k3
式中：q为泡沫流体材料的吸热量，t为泡沫流体材料的吸热时间；参数k1、k2、k3的具体计算过程为：
采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：
上述已知实验数据点(xi，yi)(i＝1,…,n)，用二次函数q＝k1t2+k2t+k3做近似拟合曲线，并使均方误差为
由此得出参数k1、k2、k3的值分别为-1.96，17.75，877.98；
(8)将拟合曲线y的起止点a和b连成直线ab，并得到该直线ab的斜率k，利用朗格朗日中值定理，即曲线上存在一点的切线与直线ab的斜率相等，得出该切线z；
(9)切线z与拟合曲线y的切点即为失稳临界点，其对应的横坐标时间为失稳临界时间tc；
(10)在初始时间至失稳临界时间tc范围内对拟合曲线y进行积分，得出凝胶泡沫流体材料的临界吸热量qc；
(11)根据得出的凝胶泡沫流体材料的失稳临界时间tc和临界吸热量qc(如图4所示)，确定凝胶泡沫流体材料的热稳定特性。
实施例3：
三相泡沫流体材料热稳定特性的测试方法，具体步骤为：
(1)用差示扫描量热仪对三相泡沫流体材料进行检测，得出三相泡沫流体材料的dsc曲线，然后根据dsc曲线绘制三相泡沫流体材料的比热容随温度变化特性的曲线图；
(2)打开隔热板1，将三相泡沫流体材料放置在矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置中的小烧杯3内，然后在大烧杯2内注入豆油，并使豆油的液面高于三相泡沫流体材料的液面，完成后将隔热板1放置在大烧杯2的上端；
(3)开启恒温加热仪4对大烧杯2内的豆油从室温进行均匀加热，处于大烧杯2内的热电偶对豆油的温度进行实时检测并反馈给数据处理装置；
(4)数据处理装置控制处于小烧杯3内的热电偶每间隔3分钟测量三相泡沫流体材料的温度t，并根据测得的各个温度t值得出每个间隔时间段内的温度变化量δt，结合比热容随温度变化的曲线，并采用如下公式计算出三相泡沫流体材料的吸收热量数据，最后由数据处理装置拟合出三相泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
δqp＝cpmδt
式中：δqp为相邻时间段内的热量，cp为泡沫流体等压比热容，m为三相泡沫流体材料样品质量，δt为相隔时间段内的温度变化量；
(5)数据处理装置根据三相泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图，生成各个实验数据点x的离散点图；
(6)采用如下函数公式进行二次曲线拟合，得到拟合曲线y；
q＝k1t2+k2t+k3
式中：q为泡沫流体材料的吸热量，t为泡沫流体材料的吸热时间；参数k1、k2、k3的具体计算过程为：
采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：
上述已知实验数据点(xi，yi)(i＝1,…,n)，用二次函数q＝k1t2+k2t+k3做近似拟合曲线，并使均方误差为
由此得出参数k1、k2、k3的值分别为-1.19，14.71，1124.05；
(8)将拟合曲线y的起止点a和b连成直线ab，并得到该直线ab的斜率k，利用朗格朗日中值定理，即曲线上存在一点的切线与直线ab的斜率相等，得出该切线z；
(9)切线z与拟合曲线y的切点即为失稳临界点，其对应的横坐标时间为失稳临界时间tc；
(10)在初始时间至失稳临界时间tc范围内对拟合曲线y进行积分，得出三相泡沫流体材料的临界吸热量qc；
(11)根据得出的三相泡沫流体材料的失稳临界时间tc和临界吸热量qc(如图5所示)，确定三相泡沫流体材料的热稳定特性。
实施例4：
ab组分泡沫流体材料热稳定特性的测试方法，具体步骤为：
(1)用差示扫描量热仪对ab组分泡沫流体材料进行检测，得出ab组分泡沫流体材料的dsc曲线，然后根据dsc曲线绘制ab组分泡沫流体材料的比热容随温度变化特性的曲线图；
(2)打开隔热板1，将ab组分泡沫流体材料放置在矿用泡沫流体材料热稳定特性测试装置中的小烧杯3内，然后在大烧杯2内注入豆油，并使豆油的液面高于ab组分泡沫流体材料的液面，完成后将隔热板1放置在大烧杯2的上端；
(3)开启恒温加热仪4对大烧杯2内的豆油从室温进行均匀加热，处于大烧杯2内的热电偶对豆油的温度进行实时检测并反馈给数据处理装置；
(4)数据处理装置控制处于小烧杯3内的热电偶每间隔3分钟测量ab组分泡沫流体材料的温度t，并根据测得的各个温度t值得出每个间隔时间段内的温度变化量δt，结合比热容随温度变化的曲线，并采用如下公式计算出ab组分泡沫流体材料的吸收热量数据，最后由数据处理装置拟合出ab组分泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图；
δqp＝cpmδt
式中：δqp为相邻时间段内的热量，cp为泡沫流体等压比热容，m为ab组分泡沫流体材料样品质量，δt为相隔时间段内的温度变化量；
(5)数据处理装置根据ab组分泡沫流体材料的吸热量随时间变化曲线图，生成各个实验数据点x的离散点图；
(6)采用如下函数公式进行二次曲线拟合，得到拟合曲线y；
q＝k1t2+k2t+k3
式中：q为泡沫流体材料的吸热量，t为泡沫流体材料的吸热时间；参数k1、k2、k3的具体计算过程为：
采用最小二乘法进行数据拟合，设f(x)为原函数，g(x)为近似函数，(xi，f(xi))(i＝1,…,n)为数据点，要使g(x)：
上述已知实验数据点(xi，yi)(i＝1,…,n)，用二次函数q＝k1t2+k2t+k3做近似拟合曲线，并使均方误差为
由此得出参数k1、k2、k3的值分别为-3.51，27.2，917.86；
(8)将拟合曲线y的起止点a和b连成直线ab，并得到该直线ab的斜率k，利用朗格朗日中值定理，即曲线上存在一点的切线与直线ab的斜率相等，得出该切线z；
(9)切线z与拟合曲线y的切点即为失稳临界点，其对应的横坐标时间为失稳临界时间tc；
(10)在初始时间至失稳临界时间tc范围内对拟合曲线y进行积分，得出ab组分泡沫流体材料的临界吸热量qc；
(11)根据得出的ab组分泡沫流体材料的失稳临界时间tc和临界吸热量qc(如图6所示)，确定ab组分泡沫流体材料的热稳定特性。