CN103353463A - 一种含能材料热安定性及热安全性试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含能材料热安定性及热安全性试验装置及方法。本装置包括用于放置试管和提供恒定温度的恒温浴，以及采集试管图像信息的色彩传感器和用于控制装置工作的计算机和PLC。进行试验时开启装置，设定好温度和电机转速，将试样放入试管中，即可开始试验。本装置实现了测试人员与装置的完全隔离，保证了测试人员安全，且不受光线和测试人员人为因素的影响，使得测试结果更加准确。本装置安全实用，自动化程度高，为含能材料热安定性及热安全性测试提供了良好的试验装置。

Description

一种含能材料热安定性及热安全性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种安全甲基紫试验装置及方法，主要用于火药（单基药、双基药、三基药和其他硝酸酯火药）和硝化棉等含能材料的化学安定性测试。

背景技术

甲基紫试验是火药（单基药、双基药、三基药和其他硝酸酯火药）和硝化棉等含能材料热安定性及热安全性精典评价方法之一。它通过测试含能材料在一定温度下受热分解释放的气体使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间或试样连续加热5小时是否爆燃来评判测试试样的化学安定性，具有快速、简便的特点，是北约成员国含能材料常用的化学安定性检测方法，也是我国军工科研、生产和弹药储存过程中火药性能必测的项目之一。

目前我国甲基紫试验按照“GJB770A-97503.3安定性甲基紫法”执行，试验时测试人员必须频繁的从恒温浴中手工取出试管面对面观察和评判试样分解释放的气体甲基紫试纸变色的程度，如果在观察过程中试样发生爆燃，产生的能量足以对测试人员人身造成伤害。

现有的试验装置存在的缺陷还有：

1．需要人工取出试管并面对面辨别试纸变色的程度，测试人员的人身安全无法得到保护。

2.试验过程试纸变色终点均需测试人员目测辨别，测试环境光线、测试人员之间个体差异等因素会对测试结果造成定影响。

3.恒温浴加热不均匀，加热过程中试管有出现爆裂的隐患。

4.自动化程度低，操作繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服背景技术的不足，提供一种人机隔离、操作安全、测试结果精确的含能材料热安定性及热安全性测试用试验装置以及利用该装置进行火药热安定性及热安全性测试的方法。

为了实现上述技术任务，本发明采用以下技术方案：

一种含能材料热安定性及热安全性试验装置，包括恒温浴，所述的恒温浴包括底座，在底座上表面的周围设置有侧壁，底座与侧壁构成空心的腔体；在底座中设置有电机，所述的电机的输出轴伸出底座并与底座上表面垂直；在所述的腔体中安装有金属浴，所述的金属浴包括内环筒、外环筒和底板，其中内环筒设置在外环筒中且与外环筒同轴设置，内环筒和外环筒的底面固结在底板上，底板固结在所述的伺服电机的输出轴上，且电机的输出轴与内环筒和外环筒同轴；在金属浴的内环筒和外环筒之间沿金属浴的圆周均匀设置有试管孔，在内环筒的内侧、外环筒的外侧均依次设置有加热板和保温层。

进一步地，所述的恒温浴上开设有用于观测试管的条形孔，该条形孔依次穿过侧壁、外环筒外侧的保温层和加热板、外环筒；在每个试管孔的内壁上均开设有与所述条形孔对应的观测孔，观测孔和条形孔处于同一高度，在观测孔和侧壁上的条形孔上均安装有防爆玻璃板。

进一步地，在侧壁上安装防爆玻璃板的条形孔的外侧设置有可移动的色彩传感器。

进一步地，在金属浴上方设置有用于抓取和放置试管的机械手，在机械手的一侧也安装有防爆玻璃板。

进一步地，该装置还包括用于控制机械手和伺服电机的PLC、照明光源、用于采集恒温浴温度信息的温度传感器、用于控制恒温浴温度的温控仪和计算机，所述的温度传感器和加热板均与温控仪连接，所述的计算机、色彩传感器、机械手、电机和温控仪均与PLC连接，在PLC上还连接有控制面板。

一种利用上述含能材料热安定性及热安全性试验装置进行含能材料热安定性试验的方法，该方法包括以下步骤：

1）开启装置，设定金属浴温度为120℃～134.5℃，并开始加热；

2）称量含能材料试样并准备好甲基紫试纸、试管；

3）先将称量好的含能材料试样放入试管中，然后将甲基紫试纸放入试管中；

4）待金属浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定电机的转速为0～20rpm，开启电机使金属浴转动；

5）当色彩传感器采集到试管中的甲基紫试纸色度值达到实验要求的色度值时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管放在指定位置，完成实验。

一种利用上述含能材料热安定性及热安全性试验装置进行含能材料热稳定性试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）开启装置，设定金属浴温度为120℃～134.5℃，并开始加热；

2）称量含能材料试样并准备好试管，将称量好的含能材料试样放入试管中；

3）待金属浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定电机的转速为0～20rpm，开启电机使金属浴转动，并开始计时；

4）到达试验要求的时间时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管判定含能材料试样是否爆燃，完成实验。

本发明给出了一种含能材料热安定性及热安全性试验装置及方法，该装置采用环形金属浴结构，利用包覆在试管孔周围的加热板进行加热，并使金属浴采用旋转结构，使加热过程中试管受热更加均匀，不会产生爆裂情况；该装置具有较高的自动化程度，实现了测试人员与装置的完全隔离，确保整个实验过程中测试人员的安全；利用色彩传感器判定试纸变色和爆燃情况，不受光线和测试人员人为因素的影响，使得测试结果更加准确。本装置安全实用，自动化程度高，为含能材料热安定性及热安全性测试提供了良好的试验装置。

附图说明

图1为本发明的正视剖面图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的整体结构连接图；

图中标号分别代表：1—加热板，2—保温层，3—试管孔，4—机械手，5—防爆玻璃板，6—色彩传感器，7—条形孔，8—观测孔，9—电机，10—底座，11—底板，12—侧壁，13—内环筒，14—外环筒，15—照明光源，16—温度传感器，17—温控仪；

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

具体实施方式

本发明主要应用于火药（单基火药、双基火药、三基火药）和硝化棉等含能材料的化学安定性测试，它通过测试含能材料在一定温度下受热分解释放的气体使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间或试样连续加热5h是否爆燃来评判测试试样的化学安定性。本发明同时提供了利用该装置进行含能材料热安定性及热安全性试验的方法。

遵从上述技术方案，一种含能材料热安定性及热安全性试验装置，包括恒温浴，其特征在于，所述的恒温浴包括底座10，在底座10上表面的周围设置有侧壁12，底座10与侧壁12构成空心的腔体；在底座10中设置有电机9，所述的电机9的输出轴伸出底座10并与底座10上表面垂直；在所述的腔体中安装有金属浴，所述的金属浴包括内环筒13、外环筒14和底板11，其中内环筒13设置在外环筒14中且与外环筒14同轴设置，内环筒13和外环筒14的底面固结在底板11上，底板11固结在所述的伺服电机的输出轴上，且电机9的输出轴与内环筒13和外环筒14同轴；在金属浴的内环筒13和外环筒14之间沿金属浴的圆周均匀设置有试管孔3，在内环筒13的内侧、外环筒14的外侧均依次设置有加热板1和保温层2。

本装置中金属浴由内环筒13、外环筒14和底板11构成，内环筒13和外环筒14均采用导热效率高的金属材料制成，其之间设置有试管孔3，用于试验时放置试管，可沿圆周设置多个；金属浴的加热由分布在内环内侧、外环外侧的加热板1提供。加热板1提供恒定的温度，并由温控仪17进行控制，使金属浴在工作是始终处于恒温状态。为了保持金属浴的温度，在恒温浴中除去金属浴和加热板1之外的空间填充有保温层2。

在恒温浴上开设有用于观测试管的条形孔7，该条形孔7依次穿过侧壁12、外环筒14外侧的保温层2和加热板1；试管孔3的内壁上均开设有与所述条形孔7对应的观测孔8，该观测孔8与条形孔7处于同一高度，并均安装有防爆玻璃板5，试验过程中，当金属浴中某一个试管孔3转动到条形孔7位置时，即透过防爆玻璃板5观测到试管中的反应情况。在试验过程中，试管中的甲基紫试纸放置高度应在观测孔8开设的范围之内，以保证在防爆玻璃板5外侧能清晰观察到试纸变化。

本装置中色彩传感器6用于采集试管的图像信息，并将采集的图像信息传递给计算机处理，从而判断甲基紫试纸的变色程度，或试样的爆燃程度。与人工肉眼判断相比，更加准确；色彩传感器6可以移动。

本装置中试管的抓取和放置通过机械手4来进行，避免试验人员手工拿取试管产生不安全的情况，机械手4设置在金属浴的上方，在机械手4的一侧也设置有防爆玻璃板5，试验过程中操作人员可随时通过机械手4拿出金属浴中的试管，然后将色彩传感器6移动到机械手4一侧的防爆玻璃板5后，利用色彩传感器6采集试管的图像信息，通过计算机进行判断。

本装置的控制系统包括用于控制机械手4和伺服电机的PLC、照明光源15、用于采集恒温浴温度信息的温度传感器16、用于控制恒温浴温度的温控仪17和计算机，所述的温度传感器16和加热板1均与温控仪17连接，所述的计算机、色彩传感器6、机械手4、电机9和温控仪17均与PLC连接，在PLC上还连接有控制面板。

所述的电机9采用伺服电机，可使电机9的控制更加精确，PLC通过伺服驱动器控制伺服电机；温控仪17通过温度传感器16采集的信息对加热板1进行控制，实现温度的恒定；照明光源15可提供稳定亮度的光线，使色彩传感器6始终处于同一亮度下采集图像信息，避免亮度对图像采集造成影响；色彩传感器6采集的图像信息传递给计算机，在计算机中安装有用于处理图像信息的软件，该软件将色彩传感器6采集的图像信息转换成色度值RBG和XYZ，建立数据库，并对试验过程各种参数进行实时显示；在控制面板上设置有用于输入各项参数的按键。

在进行含能材料热安定性试验时，先将试样和甲基紫试纸放入试管中，然后将试管放入恒温浴的试管孔3中，设定温度和伺服电机转速，加热并使恒温浴转动。色彩传感器6实时采集试管中甲基紫试纸的颜色信息，并将采集的图像信息传递给计算机。经过计算机的判断，当甲基紫试纸颜色的色度值RBG和XYZ接近实验要求达到颜色的色度值RBG和XYZ范围时，计算机向操作人员发出提示；当甲基紫试纸颜色的色度值RBG和XYZ进入实验要求达到的颜色色度值RBG和XYZ范围时，计算机记录该样品的反应时间，并通过PLC操作机械手4从恒温浴中取出该试管放在指定位置。重复上述过程，直到取出恒温浴中所有的试管。

本装置亦可用于含能材料热安全性试验。先将需要测试的含能材料试样放入试管中，然后将试管放入恒温浴试管孔3中，设定温度、时间和伺服电机转速，加热并开启伺服电机。当反应时间到达设定的时，通过机械手4取出试管进行观察，完成实验。

在进行多个试管试验时，在试管外侧进行编号，以便色彩传感器6进行捕捉记录。

以下是发明人提供的利用本装置进行含能材料热安定性测试的方法的具体实施例：

实施例1

进行硝化棉甲基紫试纸变色试验，该试验按照以下步骤进行：

1）开启含能材料热安定性及热安全性试验装置，完成系统自检，设定金属浴温度134.5℃，并开始加热；

2）称量5份硝化棉试样并准备好甲基紫试纸、试管；

3）先将称量好的5份试样分别放入试管中，然后将甲基紫试纸放入试管中；

4）待恒温浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定伺服电机的转速为0rpm，开启伺服电机使金属浴转动；

5）当色彩传感器采集到试管中的甲基紫试纸色度值经计算机判断达到实验要求的色度值时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管放在指定位置，完成实验。

本实施例中硝化棉使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间如表1所示：

表1硝化棉变色时间1

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						时间（min）	31	30	32	30	31

实施例2

进行硝化棉甲基紫试纸变色试验，本实施例试验步骤与实施例1按照同样步骤进行，区别在于，本实施例的步骤4）中设定伺服电机的转速为10rpm。

本实施例中硝化棉使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间如表2所示：

表2硝化棉变色时间2

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						时间（min）	31	31	31	31	31

实施例3

进行双基火药甲基紫试纸变色试验，该试验按照以下步骤进行：

1）开启含能材料热安定性及热安全性试验装置，完成系统自检，设定金属浴温度120℃，并开始加热；

2）称量5份双基火药试样并准备好甲基紫试纸、试管；

3）先将称量好的5份试样分别放入试管中，然后将甲基紫试纸放入试管中；

4）待恒温浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入恒温浴的试管孔中，设定伺服电机的转速为0rpm，开启伺服电机使金属浴转动；

5）当色彩传感器采集到试管中的甲基紫试纸色度值经计算机判断达到实验要求的色度值时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管放在指定位置，完成实验。

本实施例中双基火药使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间如表3所示：

表3硝化棉变色时间3

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						时间（min）	95	95	96	95	97

实施例4

进行双基火药甲基紫试纸变色试验，本实施例试验步骤按照实施例3同样步骤进行，不同之处为本实施例步骤4）中设定伺服电机转速为10rpm。

本实施例中双基火药使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间如表4所示：

表4硝化棉变色时间4

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						时间（min）	95	95	96	95	95

实施例5

进行双基火药甲基紫试纸变色试验，本实施例试验步骤按照实施例3同样步骤进行，不同之处为本实施例步骤4）中设定伺服电机转速为20rpm。

本实施例中双基火药使甲基紫试纸由紫色转变为橙色的时间如表5所示：

表5硝化棉变色时间5

	试样1	试样2	试样3	试样4	试样5
						时间（min）	95	95	95	95	95

以下是发明人提供的利用本装置进行含能材料热稳定性测试的方法的具体实施例：

实施例6

进行双基火药5h燃爆试验，该试验按照以下步骤进行：

1）开启装置，完成系统自检，设定金属浴温度为120℃，并开始加热；

2）称量双基火药试样并准备好试管，将称量好的含能材料试样放入试管中；

3）待金属浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定伺服电机的转速为20rpm，开启伺服电机使金属浴转动，并开始计时；

4）到达试验要求的5h时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管，将试管放在机械手一侧的防爆玻璃板后方，将色彩传感器移动到防爆玻璃板的另一侧，采集试管的图像信息，然后通过计算机判断样品是否燃爆，完成实验。

试验结果为双基火药试样没有燃爆。

实施例7

进行双基火药5h燃爆试验，本实施例按照与实施例6相同的步骤进行，不同之处为步骤1）中设定金属浴温度为134.5℃，步骤4）中设定伺服电机的转速为0rpm，其余步骤相同。

试验结果为双基火药试样没有燃爆。

Claims (7)

1.一种含能材料热安定性及热安全性试验装置，包括恒温浴，其特征在于，所述的恒温浴包括底座（10），在底座（10）上表面的周围设置有侧壁（12），底座（10）与侧壁（12）构成空心的腔体；在底座（10）中设置有电机（9），所述的电机（9）的输出轴伸出底座（10）并与底座（10）上表面垂直；在所述的腔体中安装有金属浴，所述的金属浴包括内环筒（13）、外环筒（14）和底板（11），其中内环筒（13）设置在外环筒（14）中且与外环筒（14）同轴设置，内环筒（13）和外环筒（14）的底面固结在底板（11）上，底板（11）固结在所述的伺服电机的输出轴上，且电机（9）的输出轴与内环筒（13）和外环筒（14）同轴；在金属浴的内环筒（13）和外环筒（14）之间沿金属浴的圆周均匀设置有试管孔（3），在内环筒（13）的内侧、外环筒（14）的外侧均依次设置有加热板（1）和保温层（2）。

2.如权利要求1所述的含能材料热安定性及热安全性试验装置，其特征在于，所述的恒温浴上开设有用于观测试管的条形孔（7），该条形孔（7）依次穿过侧壁（12）、外环筒（14）外侧的保温层（2）和加热板（1）、外环筒（14）；在每个试管孔（3）的内壁上均开设有与所述条形孔（7）对应的观测孔（8），观测孔（8）和条形孔（7）处于同一高度，在观测孔（8）和侧壁（12）上的条形孔（7）上均安装有防爆玻璃板（5）。

3.如权利要求2所述的含能材料热安定性及热安全性试验装置，其特征在于，在侧壁（12）上安装防爆玻璃板（5）的条形孔（7）的外侧设置有可移动的色彩传感器（6）。

4.如权利要求1、2或3所述的含能材料热安定性及热安全性试验装置，其特征在于，在金属浴上方设置有用于抓取和放置试管的机械手（4），在机械手（4）的一侧也安装有防爆玻璃板（5）。

5.如权利要求4所述的含能材料热安定性及热安全性试验装置，其特征在于，该装置还包括用于控制机械手（4）和伺服电机的PLC、照明光源（15）、用于采集恒温浴温度信息的温度传感器（16）、用于控制恒温浴温度的温控仪（17）和计算机，所述的温度传感器（16）和加热板（1）均与温控仪（17）连接，所述的计算机、色彩传感器（6）、机械手（4）、电机（9）和温控仪（17）均与PLC连接，在PLC上还连接有控制面板。

6.一种利用权利要求5所述的装置进行含能材料热安定性试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）开启装置，设定金属浴温度为120℃～134.5℃，并开始加热；

2）称量含能材料试样并准备好甲基紫试纸、试管；

3）先将称量好的含能材料试样放入试管中，然后将甲基紫试纸放入试管中；

4）待金属浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定电机的转速为0～20rpm，开启电机使金属浴转动；

5）当色彩传感器采集到试管中的甲基紫试纸色度值达到实验要求的色度值时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管放在指定位置，完成实验。

7.一种利用权利要求5所述的装置进行含能材料热稳定性试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1）开启装置，设定金属浴温度为120℃～134.5℃，并开始加热；

2）称量含能材料试样并准备好试管，将称量好的含能材料试样放入试管中；

3）待金属浴温度达到并稳定在设定温度时快速将试管放入金属浴的试管孔中，设定电机的转速为0～20rpm，开启电机使金属浴转动，并开始计时；

4）到达试验要求的时间时，停止加热和金属浴的转动，然后通过机械手取出试管判定含能材料试样是否爆燃，完成实验。

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