CN102998048B - 补偿式火炸药分解气体压力测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种补偿式火炸药分解气体压力测量系统，包括压力转换器、压力测量系统和控制系统，其主体结构全部为金属件，受温度、湿度等环境因素影响小，测量误差较小；同时与传统电压力传感器相比，该测量系统可以长期使用，成本较低。可以防止试验过程中火炸药的突然燃烧与爆炸对试验人员造成的伤害。还可实现远程控制，试验过程达到人机隔离，提高了测试系统试验的安全性。适合于检测火炸药热分解气体压力，评价火炸药的热安定性，研究火炸药热分解规律、热老化等。试验温度范围宽、劳动强度低，测量安全可靠。

Description

补偿式火炸药分解气体压力测量系统

技术领域

本发明属于火炸药性能测试领域，主要涉及一种火炸药分解气体压力测量系统，尤其涉及一种可在高温下、连续测量火炸药分解气体压力的补偿式薄膜压力测量系统。

背景技术

火炸药在热的作用下发生分解放出气体产物和热量。研究火炸药热分解规律对研究火炸药热安定、热老化、热爆炸等具有重要意义。通过测量火炸药热分解产生的气体压力是研究热分解的一个重要途径。目前测量火炸药热分解气体压力的装置有电压力传感器、汞压力计、布鲁顿压力计。电压力传感器是由张力丝组成的电桥，当他的测量空间与反应管连接后，反应管内压力的变化使得压力传感器上的张力丝电阻变化，改变了电桥的输出，其输出信号在一定范围内与压力大小成正比，从而达到测量压力的目的。汞压力计包括样品反应管、毛细管压力计和汞槽。反应管上端与毛细管压力计相连，毛细管下端与汞槽相连。试验时将反应管内抽为真空，毛细管内汞液面将上升，与汞槽中汞液面形成高度差。当反应管中火炸药分解产生气体压力时，高度差将减小，减小值转化为压力即为反应管中火炸药分解产生气体压力值。

布鲁顿压力计一种玻璃薄膜压力计，整个装置由玻璃吹制而成。试验时，将定量火炸药试样装入压力计反应室中，抽真空并封口，当火炸药热分解产生气体时，用玻璃薄膜测量气体压力的变化。

电压力传感器是目前最为简单的一种气体压力测量方式，目前广泛用于间断、短时、低温火炸药安定性气体压力测量。但由于其不能在高温环境下长时间持续测量以及成本高昂等缺点，所以未能在火炸药热分解气体压力实时连续测量中大量应用。汞压力计由于使用了剧毒的金属汞，目前已逐渐禁止使用。布鲁顿压力计由于其操作繁琐，有危险，周期较长，目前已较少使用，但由于整改装置全部玻璃制成，抗分解气体腐蚀性好，适用范围广，还偶尔用于一些特殊要求样品的安定性测试。

现有的压力测量装置具有以下缺点：

一、由于电子产品自身缺陷和热老化作用，电压力传感器不能在高温下长期持续使用，且火炸药分解产生的腐蚀性气体将会对电压力传感器的电子线路造成腐蚀损害，增加了该类型传感器的使用成本。

二、电压力传感器由于受温度、湿度等环境因素影响较大，当在高温阶段测量时，测量结果误差较大。

三、汞压力计采用剧毒重金属汞作为测量介质，当在高温试验环境中时，汞受热挥发形成易被人吸入的汞蒸气，对试验人员身体健康造成较大危害。

四、布鲁顿压力计试验过程中要采用酒精喷灯现场烧制、封装样品，操作繁琐复杂。

五、汞压力计和布鲁顿压力计整个试验过程需要试验人员连续全程肉眼观测，所以劳动强度大。

六、汞压力计和布鲁顿压力计均采用玻璃制造，由于火炸药具有一定的危险性，当其突然发生燃烧或爆炸，压力急剧上升，造成玻璃装置破裂，易对试验人员产生伤害。

发明内容

针对现有技术中火炸药分解气体压力测量中存在的缺陷，本发明的目的在于，提供一种补偿式火炸药分解气体压力测量系统，该系统可在高温下连续测量火炸药分解气体压力，特别适合于检测火炸药热分解气体压力，评价火炸药的热安定性，研究火炸药热分解规律、热老化等。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种火炸药热分解气体压力测量系统，包含压力转换器、压力测量系统、控制系统；其中：

所述的压力转换器可以通过反应室中将火炸药分解产生的气体收集存储，并通过测压室金属膜上下移动进行压力测量。压力转换器主要包括支撑台座、反应室、测压室、金属薄膜片、金属探针、绝缘支架、压紧弹簧、两个绝缘垫片、两个紧固螺母、定位螺母、环状支撑架等组件。所述的支撑台座由直径不同的上下两个圆环组成，在直径尺寸小的上圆环下端有一凸台，直径尺寸大的下圆环上顶端有一凸台，上下圆环通过无缝焊接形成支撑台座，支撑台座的上下圆环内表面均有螺纹。

所述金属薄膜片为弹性薄膜片，可根据测压室和反应室压力的变化产生或上或下的位移，弹性薄膜片被焊接到上圆环凸台下面，将支撑台座分为两部分。

所述的环状支撑架焊接在上圆环凸台的上面，环状支撑架下端有四个均匀分布通气孔，上端内表面具有螺纹。

所述定位螺母带有外螺纹，定位螺母中心有一通孔，上端有一呈六方形的凸台，定位螺母通过螺纹配合安装在环状支撑架的上端。

所述的绝缘支架为圆环状，其上端有一凸台，中心有一通孔，支架安装在定位螺母的中心通孔中，并由上端凸台卡住。

所述的金属探针为下端呈锥状，上端为圆柱状，并有螺纹，金属探针安装在绝缘支架的中心孔中。压紧弹簧安装在金属探针上端圆柱体的螺纹槽内，并与测压室的导气管下端顶紧，从而实现金属探针被压紧在绝缘支架上。

所述的测压室为锥形腔体，上端具有金属导气管，下边缘有凸台，通过紧固螺母与支撑台座上圆环内表面螺纹紧密配合，实现对测压室的密封。

测压室的凸台下面与支撑台座上圆环的凸台上面紧贴，中间用第一绝缘垫片隔开，测压室凸台上面再放置第二绝缘垫片，第二绝缘垫片上再放置一钢垫片，防止紧固螺母拧紧密封时将第二绝缘垫片损坏。通过绝缘支架和两个绝缘垫片，使得测压室与支撑台座形成电绝缘状态，只有通过金属探针与金属薄膜片的接触实现测压室与支撑台座的电接触，所以金属探针与金属薄膜片也是压力测量系统中的两个电极。

所述反应室为带定位凸台的试管，反应室凸台上面与支撑台座下圆环的凸台下面紧贴，中间夹有垫片，反应室的凸台下面装有金属垫片，反应室穿过紧固螺母中心孔，并由紧固螺母与支撑台座下圆环内表面螺纹紧密配合实现对反应室的密封。

所述的压力测量系统包括电压力传感器、四通气路接头、电磁阀、真空泵、空气压缩机、气路管等。四通气路接头的四个口分别与电压力传感器、真空泵、空气压缩机、测压室金属导气管分别通过气路管连接。四通气路接头与真空泵、空气压缩机的气路间装有电磁阀，用于控制气路的通断。

所述控制系统为电子集成模块，主要用于电磁阀的开关、真空泵、空气压缩机的启动关闭以及试验数据的采集。当进行测量时，控制系统根据压力转换器返回的电信号，控制真空泵和空气压缩机工作，并对电压力传感器所测量的压力信号值进行记录储存。

压力测量系统工作前，首先转动定位螺母对金属探针的高度位置进行调整，使探针的锥形尖头刚好与金属薄膜片相接触，然后用紧固螺母将测压室密封好。采用特制抽空装置对压力转换器的测压室进行抽真空，并用紧固螺母密封。此时，由于反应室内处于负压状态，测压室内的大气压将会使金属薄膜片向反应室方向弯曲，金属薄膜片与金属探针接触断开。将压力转换器接入压力测量系统进行压力测量，首先操作控制系统控制真空泵对测压室进行抽真空，只至系统容许的最小真空度，金属薄膜片向测压室方向弯曲，此时金属薄膜片与金属探针完全接触上。到达最小真空度后，控制系统停止真空泵工作，第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开，同时，空气压缩机开始工作，将压缩空气充入测压室，电压力传感器测量充入的压缩空气的压力变化情况。随着测压室压力逐渐增大，金属薄膜片逐渐向测压室方向移动，当反应室与测压室压力相同时，金属薄膜片与金属探针瞬间断开，即测压室与支撑台座的所代表的两个电极间产生断电信号，此时电压力传感器记录的压缩空气压力值即为反应室的压力值，从而实现了对反应室气体压力的间接测量。

根据本发明，所述的压力转换器可通过绝缘垫片、绝缘支架等绝缘材料分为两部分，形成两个电极。测压室、压紧弹簧和金属探针构成一个电极，压力转换器其他的部件构成了另一个电极，两个电极之间通过金属探针和金属薄膜片之间的接触与断开从而实现电极的通电与断电。

根据本发明，所述的压力转化器中含有一个金属薄膜片，该金属薄膜片可以根据反应室和测压室中压力的不同而上下弯曲。

本发明的补偿式火炸药分解气体压力测量系统，带来的技术效果体现在以下几个方面：

（一）由于其主体结构全部为金属件，受温度、湿度等环境因素影响小，测量误差较小；同时与传统电压力传感器相比，该测量系统可以长期使用，成本较低。

（二）试验温度范围较宽，可在室温-400℃的温度范围内使用，可以对分解温度较高的火炸药进行热分解压力的测量。

（三）测压过程全程电脑控制和自动采集数据，不需要试验人员连续跟踪，降低了试验人员的劳动强度。

（四）由于火炸药产品具有一定的危险性，易发生燃烧与爆炸，该系统反应室为全金属制造，在其压力可承受的范围内，可以防止试验过程中火炸药的突然燃烧与爆炸对试验人员造成的伤害。另外，该系统还可实现远程控制，试验过程达到人机隔离，提高了测试系统试验的安全性。

附图说明

图1是本发明的火炸药分解气体压力测量系统总体构成示意图。

图2是图1中压力转换器构成示意图。

图3是图1中测压过程金属膜片变化示意图

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详述。

具体实施方式

如图1所示，本实施例给出一种火炸药热分解气体压力测量系统的具体结构，包含压力转换器、压力测量系统、控制系统21等。

根据图2，压力转换器主要包括支撑台座3、反应室1、测压室9、金属薄膜片5、金属探针14、绝缘支架13、压紧弹簧15、两个绝缘垫片（6、7）、两个紧固螺母（2、8）、定位螺母12、环状支撑架11等组件。

压力转换器可以通过反应室将火炸药分解产生的气体收集存储，并通过测压室金属膜5上下移动进行压力测量。

支撑台座3由直径不同的上下两个圆环组成，上圆环直径为28mm，下圆环直径为34mm。在直径较小的上圆环下端有一凸台，直径较大的下圆环距上顶端8mm处有一凸台，上下圆环通过无缝焊接形成支撑台座3，支撑台座3的上下圆环内表面均有螺纹。

金属薄膜片5为不锈钢弹性薄膜片，厚度为50μm，其化学成分为：Ti：3.23%，Cr：14.16%，Mn：1.19%，Fe：45.90%，Ni35.51，余量为杂质。该金属薄膜5可根据测压1室和反应室压力的变化，产生弯曲（或上或下）位移。金属薄膜片5被焊接到上圆环凸台下面，将支撑台座3分为两部分。

环状支撑架11焊接在上圆环凸台的上面，环状支撑架11下端有四个均匀分布通气孔10，上端内表面具有螺纹。所述定位螺母12为外螺纹螺母，螺母中心有一通孔，上端有一凸台，呈六方形，定位螺母12通过螺纹配合安装在环状支撑架11的上端。

绝缘支架13由电绝缘材料加工而成，呈圆柱状，其上端有一凸台，中心有一通孔，支架13安装在定位螺母12的中心通孔中，并由上端凸台卡住。

金属探针14由金属铝制成，为下端呈锥状，上端为圆柱状，并有螺纹，金属探针14安装在绝缘支架13的中心孔中。通过转动定位螺母12，带动绝缘支架13上下移动，从而可以调整到探针14与膜片5恰好接触。压紧弹簧15安装在金属探针14圆柱状上端面的螺纹槽内，并与测压室1的导气管16下端顶紧，从而实现金属探针14被压紧在绝缘支架13上。通过压紧弹簧15和定位螺母12共同作用，可以将金属探针14较为合适的固定在绝缘支13架上。

测压室9为不锈钢锥形腔体，上端具有金属导气管16，下边缘有凸台，通过第二紧固螺母8与支撑台座3上圆环内表面螺纹紧密配合，实现对测压室9的密封。

测压室9的凸台下表面与支撑台座3上圆环的凸台上表面紧贴，中间用第一绝缘垫片6隔开，测压室9的凸台上面再放置第二绝缘垫片7，第二绝缘垫片上再放置一钢垫片，防止紧固螺母拧紧密封时将二绝缘垫片7损坏。

如图3所示，压力转换器中，通过绝缘支架13和两个绝缘垫片（6，7），使得测压室9与支撑台座3形成电绝缘状态，只有通过金属探针14与金属薄膜片5的接触实现测压室9与支撑台座3的电接触，所以金属探针14与金属薄膜片5也是压力测量系统中的两个电极。

反应室1为带定位凸台的金属试管，反应室1的凸台上表面与支撑台座3下圆环的凸台下表面紧贴，中间夹有密封垫片，反应室1的凸台下面装有金属垫片4，反应室1穿过第一紧固螺母2中心孔，并由第一紧固螺母2与支撑台座下圆环内表面螺纹紧密配合实现对反应室1的密封。

根据图1，本实施例中，压力测量系统包括电压力传感器20（型号为XCEL-100，范围-100kPa～200kPa）、四通气路接头19、电磁阀22（型号为6011A-FKM-MS-2506）、真空泵24、空气压缩机23、气路管18(聚四氟乙烯管)等。四通气路接头19为不锈钢件，其四个口分别与电压力传感器20、真空泵24、空气压缩机23、连接测压室的气路管18连接。四通气路接头19与真空泵24、空气压缩机23的气路间装有电磁阀22，用于控制气路的通断。

所述控制系统为电子集成模块，主要用于电磁阀22的开关、真空泵24、空气压缩机23的启动关闭以及试验数据的采集。当进行测量时，控制模块根据压力转换器返回的电信号，控制真空泵24和空气压缩机23工作，并对电子压力传感器20所测量的压力信号值进行记录储存。

试验时，将定量试样装入反应室1中，对压力转换器的测压室9进行抽真空，并密封。此时，反应室1内处于负压状态，测压室9内的大气压将会使金属薄膜片5向反应室1方向弯曲，金属薄膜片5与金属探针14接触断开。将压力转换器接入压力测量系统，对测压室9进行抽真空，直至系统容许的最小真空度，反应室1中火炸药分解产生的气体压力使金属薄膜片5向测压室9方向弯曲，金属薄膜片5与金属探针14完全接触上。到达最小真空度后，真空泵24停止工作，压缩空气缓慢充入测压室9，随着测压室9压力逐渐增大，金属薄膜片5逐渐向反应室1方向移动，当反应室1与测压室9压力相同时，金属薄膜片5与金属探针14瞬间断开，产生断电信号，此时电压力传感器20记录的压缩空气压力值即为所测量的反应室压力值。

下面是压力测量具体过程：

第一、试验前压力转换器的准备工作。将定量试样装入反应室1中，并用专用抽真空装置和真空泵24对反应室1进行抽真空，真空度不低于50毫米汞柱，然后，拧紧紧固螺母2对反应室进行密封。由于测压室9中的压力Pc（1个大气压）远大于反应室1中压力P_f（50毫米汞柱），所以金属膜片5向下弯曲，金属探针14与金属膜片5脱开，未接触，压力测量系统中的两个电极断开。

第二、将准备好的压力转换器放入恒温系统中加热。

第三、测量压力时，电磁阀22打开，电磁阀25关闭，真空泵24开始对测压室9进行真空，真空度达到约50毫米汞柱时，真空泵24停止工作。此时反应室1中由于试样分解产生气体，压力P_f大于测压室9中的压力Pc（50毫米汞柱），所以金属膜片5向上弯曲，金属探针14与金属膜片5接触上，压力测量系统中的两个电极接通。

第四，真空泵停止工作时，电磁阀22关闭，电磁阀25打开，空气压缩机23中压缩空气进入到四通气路接头19及测压室9气路中。随着压缩空气的不断输入，测压室9压力逐渐上升，金属膜片5逐渐向下弯曲。当测压室9中大于反应室压力时，金属探针14与金属膜片5瞬间断开，系统中的两个电极断开，控制系统立即将此刻测压室9中压缩空气的压力值记录，并以此作为反应室1中试样在此时分解放出的气体压力。

第五，当压力采集结束后，电磁阀25关闭，等待下一次测量。

Claims (3)

1.一种补偿式火炸药分解气体压力测量系统，包括压力转换器、压力测量系统和控制系统；其特征在于：

所述压力转换器主要包括支撑台座（3）、反应室（1）、测压室（9）、金属薄膜片（5）、金属探针（14）、绝缘支架（13）、压紧弹簧（15）、两个绝缘垫片（6、7）、两个紧固螺母（2、8）、定位螺母（12）、环状支撑架（11）；其中：

所述的支撑台座（3）由直径不同的上、下两个圆环组成，在直径尺寸小的上圆环下端有一凸台，直径尺寸大的下圆环上顶端有一凸台，上、下圆环通过无缝焊接形成支撑台座（3）；金属薄膜片（5）被焊接到上圆环凸台下面，将支撑台座（3）分为两部分；

所述的环状支撑架（11）焊接在上圆环凸台的上面，下端有四个均匀分布通气孔（10）；

所述定位螺母（12）带外螺纹，定位螺母（12）中心有一通孔，上端有一呈六方形的凸台，定位螺母（12）通过螺纹配合安装在环状支撑架（11）的上端；

所述绝缘支架（13）呈圆柱状，其上端有一凸台，中心有一通孔，支架（13）安装在定位螺母（12）的中心通孔中，并由上端的凸台卡住；

所述金属探针（14）下端呈锥状，上端为圆柱状，并有螺纹，金属探针（14）安装在绝缘支架（13）的中心孔中；通过转动定位螺母（12），带动绝缘支架（13）上下移动，调整到探针（14）与金属薄膜片（5）相接触；压紧弹簧（15）安装在金属探针（14）圆柱状上端面的螺纹槽内，并与测压室（1）的导气管（16）下端顶紧；通过压紧弹簧（15）和定位螺母（12）共同作用，将金属探针（14）固定在绝缘支架（13）上；

所述测压室（9）为锥形腔体，上端具有导气管（16），下边缘有凸台，通过第二紧固螺母（8）与支撑台座（3）上圆环内表面螺纹紧密配合，实现对测压室（9）的密封；测压室（9）的凸台下表面与支撑台座（3）上圆环的凸台上表面紧贴，中间用第一绝缘垫片（6）隔开，测压室（9）的凸台上面再放置第二绝缘垫片（7），第二绝缘垫片（7）上再放置一钢垫片；

所述反应室（1）为带定位凸台的试管，反应室（1）定位凸台上表面与支撑台座（3）下圆环的凸台下表面紧贴，中间夹有密封垫片，反应室（1）凸台下面装有金属垫片（4），反应室（1）穿过第一紧固螺母（2）中心孔，并由第一紧固螺母（2）与支撑台座（3）下圆环内表面螺纹紧密配合实现对反应室（1）的密封；

所述的压力测量系统包括电压力传感器（20）、空气压缩机（23）、气路管（18）、四通气路接头（19）；其中，四通气路接头（19）四个口分别与电压力传感器（20）、真空泵（24）、空气压缩机（23）、连接测压室的气路管（18）连接；四通气路接头（19）与真空泵（24）、空气压缩机（23）的气路间装有电磁阀（22，25）用于控制气路的通断；

所述控制系统为电子集成模块，主要用于电磁阀（22）的开关、真空泵（24）、空气压缩机（23）的启动关闭以及试验数据的采集；当进行测量时，控制系统根据电压力转换器（20）返回的电信号，控制压力测量系统的真空泵（24）和空气压缩机（23）工作，并对压力传感器（20）所测量的压力信号值进行记录储存。

2.如权利要求1所述的补偿式火炸药分解气体压力测量系统，其特征在于，所述的压力转化器通过绝缘垫片（6，7）和绝缘支架（13）分为两部分，形成两个电极，其中，测压室（9）、压紧弹簧（15）和金属探针（14）构成一个电极，压力转换器的其他部件构成了另一个电极，两个电极之间通过金属探针（14）和金属薄膜片（5）之间的接触与断开实现通电与断电。

3.如权利要求1所述的补偿式火炸药分解气体压力测量系统，其特征在于，所述的金属薄膜片（5）的主要化学成分为Ti：3.23%，Cr：14.16%，Mn：1.19%，Fe：45.90%，Ni：35.51%，余量为杂质，该金属薄膜（5）根据测压室（9）和反应室（1）中压力的不同而上下弯曲。