CN103528792B - 水下低压放电气泡产生装置 - Google Patents

Abstract

一种水下低压放电气泡产生装置，包括直流稳压稳流电源、水泡发生电路和水泡发生金属丝，水泡发生电路的输出端与水泡发生金属丝连接，直流稳压稳流电源与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；直流稳压稳流电源包括变压器、预稳控制电路、整流滤波电路、调整电路、辅助电源电路、驱动电路、采样电路、基准电源电路、比较放大电路和与门电路；水泡发生电路包括电容充放电电路和与其连接的转换控制开关。该装置应用低电压水环境下金属丝短路放电对水产生快速电离、气化产生气泡，能很好的模拟实际爆炸时的工况，为研究水下爆炸气泡的特性和对舰船的扰动和毁坏提供帮助；装置操作简便、安全可靠、可重复性强，实验效果好，成本低。

Description

水下低压放电气泡产生装置

技术领域

本发明涉及一种水下扰动试验装置，尤其涉及一种水下低压放电气泡产生装置。

背景技术

对于水下爆炸或者水下扰动产生的气泡，及其对船体等与水相关的领域的研究有着重要的意义。例如，对于船舶螺旋桨推进叶片在中高速运转时产生的水下气泡的动态特性及其对叶片的冲击和破坏作用，这一直是船舶研究的重点和难点，对于改进叶片的设计制造具有不可估量的价值。由于传统的水下爆炸实验的破坏性和高耗费性，并且对于炸药的严格管制，对于一般的研究者等来说，频繁地进行全尺寸、真实性炸药的试验是不现实的。国内外现在很多的研究者都是采用在实验室内采取低损伤、可重复性、安全的实验方法来研究水环境下的爆炸和产生的气泡的特性。

目前有关研究水箱爆炸和气泡试验的相关报导有：

   1. 水中高压放电气泡的实验研究（《物理学报》），文献中通过金属丝的水中高压放电所产生的气泡脉动现象进行了实验研究，采用冲击大电流的方法；电容器采用多组电容连接得到电容器组,系统采用冲击大电流装置，存在的弊端是：

 （1）安全保护措施不够，实验操作麻烦，产生的高压电对操作者具有极大的安全隐患，并且无法对实验后的电容放电；

 （2）电容器采用多组电容连接得到电容器组，会产生不稳定和众多偶发事件，实验不稳定,易造成操作时存在安全隐患（开关击穿放电），对设备操作者心理带来极大压力。

2. 水中电火花气泡生成的实验装置及实验方法（哈尔滨工程大学），文献中采用了一种以电火花打火方式产生气泡装置，存在的弊端是：

（1）该装置的电源部分在实现稳压与稳流的自动转换和精度控制上欠缺，从而对电路系统和充电的电容保护和寿命的延续上做的不好，同时对实验时电压的读取和测量的精度影响较大；

（2）该装置的水中放电材料为搭接的细小铜丝，连接麻烦，搭接不可靠，存在实验不稳定性，并且在如有水的流动方面等干扰大的场合很难实现；

（3）该装置须在对水进行去气处理后才能产生比较理想和比较大的气泡，实验条件苛刻、繁杂、不稳定，无法用来在实际洋流存在条件下模拟船的模型等的水下爆炸气泡的实验研究；该装置的电容采用多个电容的并联连接方式，系统的可靠和稳定性低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，应用低电压水下环境下金属丝短路放电对附近水产生的快速气化等作用而产生较大的气泡的原理，提供一种水下低压放电气泡产生装置，以克服已有技术所存在的上述不足，模拟实际爆炸时候的工况，为研究水下爆炸气泡的特性和对舰船等的毁坏特性提供帮助。

本发明采取的技术方案是：一种水下低压放电气泡产生装置，所述装置包括直流稳压稳流电源、水泡发生电路和水泡发生金属丝，所述水泡发生电路的输出端与水泡发生金属丝连接，所述直流稳压稳流电源与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述直流稳压稳流电源包括变压器、预稳控制电路、整流滤波电路、调整电路、辅助电源电路、驱动电路、采样电路、基准电源电路、比较放大电路和与门电路；

所述变压器、预稳控制电路、整流滤波电路、调整电路依次连接，变压器的初级端与220V交流电源连接，调整电路的输出端与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述辅助电源电路的输入端与变压器的输出端连接，辅助电源电路的输出端分别与驱动电路和基准电源电路连接，所述驱动电路的输出端分别与预稳控制电路和采样电路连接，所述采样电路连接于调整电路的输出端，采样电路的输出端与比较放大电路连接，所述基准电源电路的输出端与比较放大电路连接，比较放大电路的输出端与与门电路连接，与门电路的输出端与调整电路连接；

所述变压器用于对输入的交流电进行降压处理，然后输送给预稳控制电路；

所述预稳控制电路用于将经降压处理的交流电进行预稳定，以实现电压电流的稳定输出；

所述整流滤波电路用于将经预稳的的交流电进行整流和滤波，得到稳定的直流电输送给调整电路；

所述调整电路用于将经整流滤波的直流电，调整为所需要的输出电压及电流，

所述辅助电源电路用于为驱动电路和基准电源电路提供相应的工作电源；

所述驱动电路用于为预稳控制电路和采样电路提供相对应的稳定的输出功率；

所述采样电路从调整电路输出的电压电流信号中采样，并将采集的信号输送给比较放大电路；

所述基准电源电路用于将设定的基准电压电流信号输送给比较放大电路；

所述比较放大电路用于将采样电路采集的电压电流信号与基准电压电流信号进行比较监控，并将得到的变化值输送给与门电路；

所述与门电路用于将经比较放大电路比较得出的变化结果反馈给调整电路，作为调整电压电流的依据，以实现电源的稳压稳流输出，提供给水泡发生电路；

所述水泡发生电路包括电容充放电电路和与其连接的充放电转换开关：

所述电容充放电电路包括可调电阻、保护电阻和充放电电容，所述充放电转换开关包括三向换位开关、第一开关、第二开关、第一电磁阀和第二电磁阀；

所述可调电阻并联连接在直流稳压稳流电源输出的正极端Q和负极端P之间，可调电阻的调节端与保护电阻连接，保护电阻的另一端接充放电电容的负极端并同时接水泡发生金属丝的负极，所述直流稳压稳流电源输出的正极端Q通过依次串联的第一电磁阀、第二电磁阀与水泡发生金属丝的正极连接，所述充放电电容的正极端与第一电磁阀和第二电磁阀的共接点E连接，所述第一电磁阀的磁路线圈的两个接头分别通过第一开关和三向换位开关与220V交流电源连接，所述第二电磁阀的磁路线圈的两个接头分别通过第二开关和三向换位开关与220V交流电源连接：

当三向换位开关转向充电位置、且第一开关接通时，第一电磁阀接通，由可调电阻、保护电阻和充放电电容构成的电容充电电路与直流稳压稳流电源输出的直流电接通，充放电电容充电；

当三向换位开关转向放电位置、且第二开关接通时，第二电磁阀接通，由充放电电容和水泡发生金属丝构成的电容放电电路接通，充放电电容放电。

其进一步的技术方案是：所述220V交流电源的输入端连接有漏电断路器。

其更进一步的技术方案是：所述可调电阻之调节端与直流稳压稳流电源输出的正极端Q之间并接有第一电压表，所述充放电电容两端并接有第二电压表。

所述220V交流电源的输入端并接有总路指示灯，所述第一电磁阀的磁路线圈与三向换位开关连接的回路上串接有第一指示灯，所述第二电磁阀的磁路线圈与三向换位开关连接的回路上串接有第二指示灯。

所述水泡发生金属丝用铝合金材料制成，其中段为扁形结构。

所述采样电路带有用于显示电压电流值的LED数码显示管。

由于采用上述技术方案，本发明之水下低压放电气泡产生装置具有如下有益效果：

 1.本发明之一种水下低压放电气泡产生装置，其AC220V电的输入首先通过具有安全和过电压保护作用的漏电断路器LK,当系统存在对人体不安全的漏电和过电压时，LK自动跳闸，切断一切输入电，确保人和设备的安全和稳定。本装置进行的实验是在常规最大210V电压下进行的，避免高压电条件的不安全因素的影响，直流稳压稳流电源输入的直流电，其正极端Q经过第一电磁阀S1和第二电磁阀S2后与水泡发生金属线连接，当第一电磁阀S1和第二电磁阀S2未闭合时，在电路输出部分的连接系统，只是连接有安全的负极电，从而避免意外的触电事故发生。

2. 本发明之一种水下低压放电气泡产生装置，其直流稳压稳流电源是一种电压与电流连续可调，通过可调电阻R0的调节与电源构成双调节电路，实现输入电压的线性调节，使直流输出电压能从0V起连续可调，输出的最大值为接近220V，以实现不同给定电压电流范围内任意电压和电流的稳定可靠输出；

3. 由于本发明之一种水下低压放电气泡产生装置设置了预稳控制电路，因而其直流稳压稳流电源可实现稳压与稳流自动转换，在稳压状态下,当输出电流达到稳流预置值时“CC比较放大”指示灯亮,电源自动由稳压状态切换到稳流状态,当输出电流小于稳流预置值时,电源自动由稳流状态切换到稳压状态；在稳流状态下,当输出电压达到稳压预置值时“CU比较放大”指示灯亮，电源自动由稳流状态切换到稳压状态,当输出电压小于稳压预置值时,电源自动由稳压状态切换到稳流状态；

4.该直流稳压稳流电源具有过压和过流限流保护及短路保护，电源工作在稳压状态时，稳流部分即为保护电路，工作在稳流状态时，稳压部分又起到限压作用，两者相互保护，确保用电安全可靠、持续长时间工作：工作在稳流状态时，电压环饱和，电压环输出大于电流给定，从而电压环不起作用，只有电流环工作，稳压部分起到限压作用；电源工作在稳压状态时，电压环退饱和，电流给定大于电压环的输出，电流给定运算放大器饱和，电流给定不起作用，电压环及电流环同时工作，此时的控制器为双环结构，这种控制方式使得输出电压、输出电流均限制在给定范围内，具体的工作方式由给定电压、给定电流及负载三者决定；

5.由于设置了基准电源电路和比较放大电路，即可输出稳定的直流电，当输出电压由于电源电压或负载电流变化引起变动时，则变动的信号经采样电路与基准电压相比较，其所得误差信号经比较放大器放大后，经过与门电路的选择后输出信号作为调整电路的输入信号进行对电源输出电压的调整到设定值，因确保输出的电源稳定，同时可通过采样电路中的LED数码显示管实时显示电压电流值，指示精度高；

6.本装置之充放电电路中采用保护电阻R，可防止电容的过快充电而损坏，电容C采用单电容的方式的大电容，避免多电容连接时候的不可靠和不稳定性，第一指示灯L1和第二指示灯L2分别为电容充、放电状态的显示，提示其相应状态的进行与否；第一电压表V1用于对充电输入的电压进行实时显示，第二电压表V2是对电容整个充电状态的电压实时变化的电压的显示，便于监控，可见性强。

7.本装置之水泡发生金属线用铝合金材料制成，其中段为扁形结构，不仅比细小的铜线连接方便、可靠，避免断开的搭接的方式，可以在任意的水的环境条件下实现理想的气泡的产生，而不需要对水作如去气等的特殊处理，使实验更加贴近实际工况，避免繁琐的实验操作和准备，而且电容放电越多，发生的气泡越大越理想，从而实现在较深水域环境下气泡的产生试验，经过实验验证，该实验操作的成功率可达100%，相当可靠和稳定。

8.本发明操作简单，安全，可重复性强，实验效果非常显著，节约人力、物力成本。

下面结合附图和实施例对本发明之水下低压放电气泡产生装置的技术特征作进一步的说明。

附图说明

图1：本发明之水下低压放电气泡产生装置结构框图。

图中：

1—直流稳压稳流电源，101—变压器，102—预稳控制电路，103—整流滤波电路，104—调整电路，105—辅助电源电路，106—驱动电路，107—采样电路，108—基准电源电路，109—比较放大电路，110—与门电路，201—水泡发生电路，202—水泡发生金属丝，203—试验水箱；

C—充放电电容，R—保护电阻，R0—可调电阻，K0—三向换位开关，K1—第一开关，K2—第二开关，KL—漏电断路器，S1—第一电磁阀，S2—第二电磁阀，V1—第一电压表，V2—第二电压表，L1—第一指示灯，L2—第二指示灯，L0—总路指示灯。

具体实施方式

一种水下低压放电气泡产生装置，所述装置包括直流稳压稳流电源1、水泡发生电路201和水泡发生金属丝202，所述水泡发生电路的输出端与水泡发生金属丝连接，所述直流稳压稳流电源与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述直流稳压稳流电源包括变压器101、预稳控制电路102、整流滤波电路103、调整电路104、辅助电源电路105、驱动电路106、采样电路107、基准电源电路108、比较放大电路109和与门电路110；

所述变压器、预稳控制电路、整流滤波电路、调整电路依次连接，变压器的初级端与220V交流电源连接，调整电路的输出端与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述辅助电源电路105的输入端与变压器的输出端连接，辅助电源电路的输出端分别与驱动电路106和基准电源电路108连接，所述驱动电路的输出端分别与预稳控制电路102和采样电路107连接，所述采样电路连接于调整电路104的输出端，采样电路的输出端与比较放大电路109连接，所述基准电源电路108的输出端与比较放大电路连接，比较放大电路的输出端与与门电路110连接，与门电路的输出端与调整电路连接；

所述变压器用于对输入的交流电进行降压处理，然后输送给预稳控制电路；

所述预稳控制电路用于将经降压处理的交流电进行预稳定，以实现电压电流的稳定输出；

所述整流滤波电路用于将经预稳的的交流电进行整流和滤波，得到稳定的直流电输送给调整电路；

所述调整电路用于将经整流滤波的直流电，调整为所需要的输出电压及电流，

所述辅助电源电路用于为驱动电路和基准电源电路提供相应的工作电源；

所述驱动电路用于为预稳控制电路和采样电路提供相对应的稳定的输出功率；

所述采样电路用于从调整电路输出的电压电流信号中采样，并将采集的电压电流信号输送给比较放大电路；

所述基准电源电路用于将设定的基准电压电流信号输送给比较放大电路；

所述比较放大电路用于将采样电路采集输送的电压电流信号与基准电压电流信号进行比较监控，并将得到的变化值输送给与门电路；

所述与门电路用于将经比较放大电路比较得出的变化结果反馈给调整电路，作为调整电压电流的依据，以实现电源的稳压稳流输出，提供给水泡发生电路；

所述水泡发生电路包括电容充放电电路和与其连接的充放电转换开关：

所述电容充放电电路包括可调电阻R0、保护电阻R和充放电电容C，所述充放电转换开关包括三向换位开关K0、第一开关K1、第二开关K2、第一电磁阀S1和第二电磁阀S2；

所述可调电阻R0并联连接在直流稳压稳流电源输出的正极端Q和负极端P之间，可调电阻的调节端与保护电阻R连接，保护电阻R的另一端接充放电电容C的负极端并同时接水泡发生金属丝的负极，所述直流稳压稳流电源输出的正极端Q通过依次串联的第一电磁阀S1、第二电磁阀S2与水泡发生金属丝的正极连接，所述充放电电容C的正极端与第一电磁阀S1和第二电磁阀S2的共接点E连接，所述第一电磁阀S1的磁路线圈的两个接头分别通过第一开关K1和三向换位开关K0与220V交流电源连接，所述第二电磁阀S2的磁路线圈的两个接头分别通过第二开关K2和三向换位开关K0与220V交流电源连接：当三向换位开关K0转向充电位置、且第一开关接通时，第一电磁阀S1接通，由可调电阻R0、保护电阻R和充放电电容C构成的电容充电电路与直流稳压稳流电源输出的直流电接通，充放电电容C充电；

当三向换位开关K0转向放电位置、且第二开关K2接通时，第二电磁阀S2接通，由充放电电容C和水泡发生金属丝构成的电容放电电路接通，充放电电容C放电。

所述220V交流电源的输入端连接有漏电断路器KL。

所述可调电阻R0之调节端与直流稳压稳流电源输出的正极端   Q之间并接有第一电压表V1，所述充放电电容C两端并接有第二电压表V2。

所述220V交流电源的输入端并接有总路指示灯L0，所述第一电磁阀S1的磁路线圈与三向换位开关K0连接的回路上串接有第一指示灯L1，所述第二电磁阀S2的磁路线圈与三向换位开关K0连接的回路上串接有第二指示灯L2，即：即：第一电磁阀S1的磁路线圈的一端通过第一开关K1连接220V交流电源的一极A2，第一电磁阀S1的磁路线圈的另一端通过第一指示灯L1连接三向换位开关K0的充电接点，第二电磁阀S2的磁路线圈的一端通过第二开关K2连接220V交流电源的一极A2，第二电磁阀S2的磁路线圈的另一端通过第二指示灯L2连接三向换位开关K0的放电接点，三向换位开关K0的公共端接220V交流电源的另一极B2。

所述水泡发生金属丝用铝合金材料制成，其中段为扁形结构。

所述采样电路带有用于显示电压电流值的LED数码显示管。

工作原理：

本发明专利结构原理图如附图1所示。

输入AC220V电压，电源经漏电断路器LK指示灯L0显示发光，然后分为两路，一路通过接点A1和B1输入直流稳压稳流电源的变压器，一路通过接点A2和B2、经三向换位开关K0，并分别经过第一开关K1、与第一指示灯L1形成回路控制第一电磁阀S1，经第二开关K2、与第二指示灯L2形成回路控制第二电磁阀S2。

三向换位开关K0的作用是实现对电容充、放电的分开控制：

当三向换位开关K0转向充电位置、且第一开关接通时，第一电磁阀S1接通，由可调电阻R0、保护电阻R和充放电电容C构成的电容充电电路与直流稳压稳流电源输出的直流电接通，充放电电容C充电；

当三向换位开关K0转向放电位置、且第一开关断开、第二开关K2接通时，第二电磁阀S2接通，由充放电电容C和水泡发生金属丝构成的电容放电电路接通，充放电电容C放电；

当三向换位开关K0处在中止位置时，可以实现在不关闭电源的情况下结束电容的充放电。

实验步骤：

1.将漏电断路器KL断开，系统无电供应进入，并将三向换位开关K0开关置于中止位置， 第一开关K1 和第二开关K2置于断开位置，电源开关关闭，将电压调节开关调至0V位置；

2.将可调电阻R0调至电阻最大输出位置；

3.将水泡发生金属丝浸入水箱中指定位置固定；

4.依次打开漏电断路器开关，打开直流稳压稳流电源，将K0开关拨至充电位置，闭合第一开关K1，电容充电电路接通，缓慢调节电源开关至实验设定值（或者将电源开关快速调至约210V，用可调电阻R0调节充电电容的实验值）；

5.观察第二电压表V2的指示值到接近于第一电压表V1的指示值时，断开第一开关K1，并将三向换位开关K0拨至中止位置，等待电容的放电；

6.将第二开关K2闭合，将三向换位开关K0拨至放电位置，水泡发生金属丝在水下指定处产生强光、声响和气泡，实验成功进行；

7.将三向换位开关K0拨至中止位置，关闭第二开关K2，准备下一次的实验进行。

Claims (6)

1.一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述装置包括直流稳压稳流电源（1）、水泡发生电路（201）和水泡发生金属丝（202），所述水泡发生电路的输出端与水泡发生金属丝连接，所述直流稳压稳流电源与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述直流稳压稳流电源包括变压器（101）、预稳控制电路（102）、整流滤波电路（103）、调整电路（104）、辅助电源电路（105）、驱动电路（106）、采样电路（107）、基准电源电路（108）、比较放大电路（109）和与门电路（110）；

所述变压器、预稳控制电路、整流滤波电路、调整电路依次连接，变压器的初级端与220V交流电源连接，调整电路的输出端与水泡发生电路连接并为其提供水泡发生所需的低压直流电；

所述辅助电源电路（105）的输入端与变压器的输出端连接，辅助电源电路的输出端分别与驱动电路（106）和基准电源电路(108)连接，所述驱动电路的输出端分别与预稳控制电路(102)和采样电路(107)连接，所述采样电路连接于调整电路(104)的输出端，采样电路的输出端与比较放大电路(109)连接，所述基准电源电路(108)的输出端与比较放大电路连接，比较放大电路的输出端与与门电路(110)连接，与门电路的输出端与调整电路连接；

所述变压器用于对输入的交流电进行降压处理，然后输送给预稳控制电路；

所述预稳控制电路用于将经降压处理的交流电进行预稳定，以实现电压电流的稳定输出；

所述整流滤波电路用于将经预稳的的交流电进行整流和滤波，得到稳定的直流电输送给调整电路；

所述调整电路用于将经整流滤波的直流电，调整为所需要的输出电压及电流；

所述辅助电源电路用于为驱动电路和基准电源电路提供相应的工作电源；

所述驱动电路用于为预稳控制电路和采样电路提供相对应的稳定的输出功率；

所述采样电路从调整电路输出电压电流信号中采样，并将采集的信号输送给比较放大电路；

所述基准电源电路用于将设定的基准电压电流信号输送给比较放大电路；

所述比较放大电路用于将采样电路采集的电压电流信号与基准电压电流信号进行比较监控，并将得到的变化值输送给与门电路；

所述与门电路用于将经比较放大电路比较得出的变化结果反馈给调整电路，作为调整电压电流的依据，以实现电源的稳压稳流输出，提供给水泡发生电路；

所述水泡发生电路包括电容充放电电路和与其连接的充放电转换开关：

所述电容充放电电路包括可调电阻（R0）、保护电阻（R）和充放电电容（C），所述充放电转换开关包括三向换位开关（K0）、第一开关（K1）、第二开关（K2）、第一电磁阀（S1）和第二电磁阀（S2）；

所述可调电阻（R0）并联连接在直流稳压稳流电源输出的正极端和负极端之间，可调电阻的调节端与保护电阻（R）连接，保护电阻（R）的另一端接充放电电容（C）的负极端并同时接水泡发生金属丝的负极，所述直流稳压稳流电源输出的正极端通过依次串联的第一电磁阀（S1）、第二电磁阀（S2）与水泡发生金属丝的正极连接，所述充放电电容（C）的正极端与第一电磁阀（S1）和第二电磁阀（S2）的共接点E连接，所述第一电磁阀（S1）的磁路线圈的两个接头分别通过第一开关（K1）和三向换位开关（K0）与220V交流电源连接，所述第二电磁阀（S2）的磁路线圈的两个接头分别通过第二开关（K2）和三向换位开关（K0）与220V交流电源连接：

当三向换位开关（K0）转向充电位置、且第一开关接通时，第一电磁阀（S1）接通，由可调电阻（R0）、保护电阻（R）和充放电电容（C）构成的电容充电电路与直流稳压稳流电源输出的直流电接通，充放电电容充电；

当三向换位开关（K0）转向放电位置、且第二开关（K2）接通时，第二电磁阀（S2）接通，由充放电电容（C）和水泡发生金属丝构成的电容放电电路接通，充放电电容放电。

2.根据权利要求1所述的一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述220V交流电源的输入端连接有漏电断路器（KL）。

3.根据权利要求1或2所述的一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述可调电阻(R0)之调节端与直流稳压稳流电源输出的正极端Q之间并接有第一电压表（V1），所述充放电电容（C）两端并接有第二电压表（V2）。

4.根据权利要求3所述的一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述220V交流电源的输入端并接有总路指示灯（L0），所述第一电磁阀（S1）的磁路线圈与三向换位开关（K0）连接的回路上串接有第一指示灯（L1），所述第二电磁阀（S2）的磁路线圈与三向换位开关（K0）连接的回路上串接有第二指示灯（L2）。

5.根据权利要求4所述的一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述水泡发生金属丝用铝合金材料制成，其中段为扁形结构。

6.根据权利要求5所述的一种水下低压放电气泡产生装置，其特征在于：所述采样电路带有用于显示电压电流值的LED数码显示管。