CN103528793B - 水下高压放电气泡产生装置 - Google Patents

Abstract

一种水下高压放电气泡产生装置，包括电源模块、水泡发生电路和水泡发生金属丝，电源模块为水泡发生电路提供稳定的直流高压电，水泡发生电路与水泡发生金属丝连接并为其提供所需的放电电压；所述电源模块包括高频信号发生装置、变压器、高频倍压整流电路、高压直流稳压电路、采样电路和控制回路, 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控制开关。该装置应用高电压水下环境下金属丝短路放电对水产生快速的电离、气化从而产生很大的气泡，能更真实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很好的帮助；装置操作简便、安全可靠、可重复性强，实验效果好，成本低。

Description

水下高压放电气泡产生装置

技术领域

本发明涉及一种的水下扰动试验装置，尤其涉及一种水下高压放电气泡产生装置。

背景技术

水下爆炸或者水下扰动产生的气泡对船体的安全性有着重要影响，水下爆炸产生的气泡和因此产生的强大射流有可能对船体产生破坏作用，例如韩国的“天安号”军舰就是因为受到水下爆炸产生气泡和因此产生的射流的剧烈破坏作用才被拦腰截断的。因此对于水下爆炸或者水下扰动产生的气泡，及其对船体相关的影响的研究有着重要意义。

由于水下爆炸实验的破坏性和高耗费性，以及炸药受到严格管制，对于一般的研究者来说，频繁地进行全尺寸、真实性炸药的试验是不现实的。因此目前国内外的研究者都是采用在实验室内的水箱环境下采取低损伤、可重复性、安全的实验方法来研究水箱爆炸和气泡的特性。

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》）；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1中通过金属丝在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，充电电压为2.5～10KV，电容为4～16uf多种规格，系统采用冲击大电流装置，存在的问题是：

（1）该装置无法实现从0到（超）高电压的稳定线性直流输出，电压不稳定，实验操作麻烦，没有实验后的电容放电功能，安全保护措施不够；

（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；

（3）高压开关无法为近程操作，操作时存在安全隐患（开关击穿放电），并且无安全报警系统，对设备操作者心理带来极大压力。

文献2采用了一种以电火花打火方式作为气泡发生装置，但是该装置无法像高压电一样对水分子产生电离以产生大量气体，因而无法产生理想的大气泡，无法用来模拟（船或船模）水下爆炸气泡的真实情景。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可产生理想的大气泡、安全可靠的水下高压放电气泡产生装置，以克服已有技术所存在的上述不足。

本发明采取的技术方案是：一种水下高压放电气泡产生装置，所述装置包括电源模块、水泡发生电路和水泡发生金属丝，所述电源模块为水泡发生电路提供稳定的直流高压电，所述水泡发生电路与水泡发生金属丝连接并为其提供所需的放电电压；

所述电源模块包括高频信号发生装置、变压器、高频倍压整流电路、高压直流稳压电路、采样电路和控制回路，所述高频信号发生装置、变压器、高频倍压整流电路、高压直流稳压电路依次连接，高频信号发生装置的输入端连接220V、50HZ交流电源，高压直流稳压电路的输出端连接水泡发生电路，所述采样电路的输入端与高压直流稳压电路连接，其输出端与控制回路的输入端连接，控制回路的输出端与高频信号发生装置连接；

所述高频信号发生装置用于将输入的220V、50HZ交流电转变为稳定的电压高频信号输送给变压器，并根据控制电路反馈的过压、过流信息自动调节、使输出的电压高频信号控制在设定的电压范围；

所述变压器用于将经高频信号发生装置处理的电压高频信号进行升压；

所述高频倍压整流电路用于将经过变压器升压的高压电再次升压并整流，以得到电压更高的直流高压电输送给高压直流稳压电路；

所述高压直流稳压电路用于将经倍压整流得到的直流高压电稳压后输出给水泡发生电路；

所述采样电路用于将从高压直流稳压电路中提取的电压信号输入到控制回路进行比较；

所述控制回路用将经比较的结果反馈给高频信号发生装置，调整高频信号发生装置输出的电压高频信号，确保电源模块的输出高压与设定值一致；

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控制开关：

所述电容充放电电路包括电阻和电容，所述电容为耐高压、高绝缘、高稳定的大容量电容，电阻用于控制充电时间和限制充电电流以达到对电容的保护；

所述充放电转换控制开关包括三向换位开关、第一开关、第二开关、第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器；

所述电阻一端通过第一继电器与所述高压直流稳压器输出的电源正极端A连接，电阻的另一端与电容的正极端连接、同时通过第三继电器与水泡发生金属丝的正极连接，所述电容的负极端通过第二继电器与高压直流稳压器输出的电源负极端B连接，同时通过第四继电器与水泡发生金属丝的负极连接；

所述第一继电器和第二继电器的磁路线圈并联、并依次通过第一开关和三向换位开关与24V低压直流电源连接，所述第三继电器和第四继电器的磁路线圈并联、并依次通过第二开关和三向换位开关与24V低压直流电源连接；

当三向换位开关转到充电位置、且第一开关接通时，第一继电器和第二继电器的磁路线圈与低压直流电源接通，第一继电器和第二继电器的衔铁吸下，并接通高压直流稳压电路输出的电源、即直流高压电与电容充放电电路接通；第一开关断开时，第一继电器和第二继电器的磁路线圈与24V低压直流电源断开，第一继电器和第二继电器的衔铁释放、并断开高压直流稳压电路输出的电源、即直流高压电与电容充放电电路断开；

当三向换位开关转到放电位置、且第二开关接通时，第三继电器和第四继电器的磁路线圈与低压直流电源接通，第三继电器和第四继电器的衔铁吸下、从而将电容充放电电路与水泡发生金属丝接通。

其进一步的技术方案是：所述控制回路上连接有报警系统，用于在过压过流时及时发出报警信号；所述高压直流稳压电路上连接有显示电路，用于实时显示高压直流稳压电路输出的电压电流值。

其更进一步的技术方案是：所述水泡发生电路还包括安全放电装置，所述安全放电装置通过双刀转换开关连接在所述水泡发生电路的放电输出端与水泡发生金属丝连接线之间：即双刀转换开关的公共端与水泡发生电路的放电输出端连接，双刀转换开关的第一组换向接头与水泡发生金属丝的两端连接，双刀转换开关的第二组换向接头与安全放电装置连接，所述安全放电装置为高压放电棒。

所述第一继电器、第二继电器、第三继电器和第四继电器为真空灭弧继电器，所述三向换位开关、第一开关、第二开关和双刀转换开关为远程遥控式控制开关。

所述电容的两端并联有高压直流电压表，用于对电容之充放电电压的实时监测。

所述水泡发生金属丝采用合金铝制成，其中段为扁形结构。

由于采用上述技术方案，本发明之水下高压放电气泡产生装置具有如下有益效果：

1.本发明之水下高压放电气泡产生装置应用高电压水下环境下金属丝短路放电对附近水产生的快速电离、气化等作用而产生很大的气泡(低压电水下环境下金属丝短路放电产生的是小气泡，由于高压电对水的高压电离作用，可以产生比低压气泡大10倍以上的气泡，直径可达90mm），能更真实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很好的帮助；

2.本发明之水下高压放电气泡产生装置通过高频信号发生装置将输入的220V、50HZ交流电转变为稳定的电压高频信号输送给变压器进行升压，并根据控制电路反馈的过压、过流信息自动调节、使输出的电压高频信号控制在设定的电压范围，再经高频倍压整流电路再次升压并整流，得到设定在实验数值范围内（0～50KV）的高压电，同时设有过压、过流报警系统，为了防止对电容进行充电、放电同时放生，设置了三向开关进行换位，通过开关可以实现放电、中止、充电位置的切换，因而可确保实验高效、安全、可靠；

3.本发明之水下高压放电气泡产生装置设有安全放电装置，可使电容快速、彻底放电，确保下一次操作的绝对安全、可靠；

4.本发明之水下高压放电气泡产生装置采用的继电器均为真空灭弧继电器，具有防止高压击穿触点和灭弧的作用，高压电的调节采用远程低压继电器调节控制，可防止高压电意外通过控制线圈的导线传导出造成安全事故；

5.本发明的电容器采用单独的大容量高压电容，比多组连接起来的电容器组更加稳定、可靠；

6.本发明之水泡发生金属丝采用铝合金制成，其中段加工成扁形结构，在水中放电、爆炸和气泡效果显著；

 7.本发明之水下高压放电气泡产生装置操作简单，安全，可重复性强，实验效果好，可节约大量人力、物力成本。

下面结合附图和实施例对本发明之水下高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：本发明之水下高压放电气泡产生装置结构框图。

图中：

1—电源模块，101—高频信号发生装置，102—变压器，103—高频倍压整流电路，104—高压直流稳压电路，105—控制回路，106—报警系统，107—采样电路，108—显示电路，201—水泡发生电路，202—水泡发生金属丝， 203—试验水箱，204—高压放电棒；

C—电容，R—电阻，V—电压表，K0—三向换位开关，K1—第一开关，K2—第二开关，K3—双刀转换开关，J1—第一继电器，J2—第二继电器，J3—第三继电器，J4—第四继电器。

具体实施方式   

一种水下高压放电气泡产生装置，包括电源模块1、水泡发生电路201和水泡发生金属丝202，所述电源模块为水泡发生电路提供稳定的直流高压电，所述水泡发生电路与水泡发生金属丝连接并为其提供所需的放电电压；

所述电源模块包括高频信号发生装置101、变压器102、高频倍压整流电路103、高压直流稳压电路104、采样电路107和控制回路105，所述高频信号发生装置101、变压器102、高频倍压整流电路103、高压直流稳压电路104依次连接，高频信号发生装置的输入端连接220V、50HZ交流电源，高压直流稳压电路的输出端连接水泡发生电路201，所述采样电路的输入端与高压直流稳压电路连接，其输出端与控制回路的输入端连接，控制回路的输出端与高频信号发生装置连接；

所述高频信号发生装置101用于将输入的220V、50HZ交流电转变为稳定的电压高频信号输送给变压器，并根据控制电路反馈的过压、过流信息自动调节、使输出的电压高频信号控制在设定的电压范围；

所述变压器102用于将经高频信号发生装置处理的电压高频信号进行升压；

所述高频倍压整流电路103用于将经过变压器升压的高压电再次升压并整流，以得到电压更高的直流高压电输送给高压直流稳压电路；

所述高压直流稳压电路104用于将经倍压整流得到的直流高压电稳压后输出给水泡发生电路；

所述采样电路107用于将从高压直流稳压电路中提取的电压信号输入到控制回路进行比较；

所述控制回路105用于将经其比较的结果反馈给高频信号发生装置，调整高频信号发生装置输出的电压高频信号，确保电源模块的输出高压与设定值一致；

所述水泡发生电路201包括电容充放电电路和与其连接的充放电转换控制开关：

所述电容充放电电路包括电阻R和电容C，所述电容为耐高压、高绝缘、高稳定的大容量电容，电阻R用于控制充电时间和限制充电电流以达到对充高压的电容的保护；

所述充放电转换控制开关包括三向换位开关K0、第一开关K1、第二开关K2第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；

所述电阻R一端通过第一继电器J1与所述高压直流稳压电路104输出的电源正极端接点A连接，电阻R的另一端与电容C的正极端连接、同时通过第三继电器J3与水泡发生金属丝202的正极连接，所述电容C的负极端通过第二继电器J2与高压直流稳压电路104输出的电源负极端接点B连接，同时通过第四继电器J4与水泡发生金属丝202的负极连接；

所述第一继电器J1和第二继电器J2的磁路线圈并联、并依次通过第一开关K1和三向换位开关K0与24V低压直流电源连接，所述第三继电器J3和第四继电器J4的磁路线圈并联、并依次通过第二开关K2和三向换位开关K0与24V低压直流电源连接；

当三向换位开关K0转到充电位置、且第一开关K1接通时，第一继电器J1和第二继电器J2的磁路线圈与24V低压直流电源接通，第一继电器和第二继电器的衔铁吸下，并接通高压直流稳压电路输出的电源、即直流高压电与电容充放电电路接通，电容充电；第一开关K1断开时，第一继电器J1和第二继电器J2的磁路线圈与低压直流电源断开，第一继电器和第二继电器的衔铁释放、并断开高压直流稳压电路输出的电源；

当三向换位开关K0转到放电位置、且第二开关K2接通时，第三继电器J3和第四继电器J4的磁路线圈与24V低压直流电源接通，第三继电器和第四继电器的衔铁吸下、从而将电容充放电电路与水泡发生金属丝接通，电容通过水泡发生金属丝放电。

所述控制回路105上连接有报警系统106，用于在过压过流时及时发出报警信号；所述高压直流稳压电路104连接有显示电路108，用于实时显示高压直流稳压电路输出的电压电流值。

所述水泡发生电路201还包括安全放电装置，所述安全放电装置通过双刀转换开关K3连接在所述水泡发生电路的放电输出端与水泡发生金属丝连接线之间：即双刀转换开关的公共端与水泡发生电路的放电输出端之正端接点P和负端接点Q连接，双刀转换开关的第一组换向接头与水泡发生金属丝202的两端连接，双刀转换开关的第二组换向接头与安全放电装置连接，所述安全放电装置为高压放电棒204；当双刀转换开关的公共端接通第一组换向接头时，水泡发生金属丝与电容充放电电路接通，水泡发生金属丝在水中放电，当双刀转换开关的公共端接通第二组换向接头时，高压放电棒204与电容充放电电路接通，电容充放电电路通过高压放电棒放完剩余的电。

所述第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4为真空灭弧继电器，所述三向换位开关K0、第一开关K1、第二开关K2和双刀转换开关K3为远程遥控式控制开关。

所述电容C的两端并联有高压直流电压表V，用于对电容之充放电电压的实时监测。

 所述水泡发生金属丝采用合金铝制成，其中段为扁形结构。

上述实施例中：

电阻R的作用在于实现充电时间和充电电流的限制以达到对高压电容的保护；

电容C为耐高压、高绝缘、高稳定的大电容，电容两端并联高压直流电压表，可实现对电容两端电压的实时监测；

所述第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4采用真空灭弧继电器，具有防止高压击穿触点和灭弧的作用，同时可保护控制线圈不被传导高压电；继电器的次级控制线圈采用24V低压直流电源供电；

三向换位开关K0、第一开关K1、第二开关K2和双刀转换开关K3为远程遥控式控制开关，

采用远程控制是为了防止高压电意外通过控制线圈的导线传导出，以免发生安全意外事故；三向换位开关K0的作用在于实现放电、中止、充电位置的切换，通过三向换位开关K0对第一继电器J1、第二继电器J2、 和第三继电器J3、第四继电器J4进行错开式的控制，或同时接通与断开第一继电器J1和第二继电器J2，或同时接通与断开第三继电器J3和第四继电器J4，可防止电容的充放电开关同时接通，避免实验发生意外，确保操作安全；

双刀转换开关K3具有两个位置，正常试验时切向与水泡发生金属丝相连的导线，整个系统形成放电回路，放电实验完成后，需要对电容剩下的电安全、快速放电，以确保安全的操作，把双刀转换开关K3拨到与高压放电棒相连的位置，实现对电容的快速、彻底的放电，确保整个实验下一次操作的绝对安全。

实验步骤：

1.控制双刀转换开关K3拨到第一组换向接头、即与水泡发生金属丝相连的位置；

2.调节电源模块之控制回路得到需要输出的高压电压值，通过电源模块的输出端A和B输出至第一继电器J1和第二继电器J2的一端；

3.控制三向换位开关K0从中间位置转到充电位置，控制第一开关K1闭合，第一继电器J1和第二继电器J2所控制的接点接通、即直流高压电与电容充放电电路接通，直流高压电通过电阻R给电容C充电，电压表V实时监测显示电容的充电电压值，直至电容电压与显示电路显示的高压电设定输出值一致（数值接近相等）；

4.把三向换位开关K0拨到放电位置，断开第一开关K1，第一继电器J1和第二继电器J2所控制的接点断开，充电结束；

5.控制第二开关K2闭合，第三继电器J3和第四继电器J4所控制的接点接通、即电容充放电电路与水泡发生金属丝接通，高压电瞬间通过并传递到水泡发生金属丝，并且进行剧烈、快速的放电，产生强光、强响的爆炸和气泡效应；

6.实验结束后，断开电源模块电源，电压调零，遥控断开第二开关K2，第三继电器J3和第四继电器J4所控制的接点断开，放电结束；

7.把三向换位开关K0拨到中间位置，同时把双刀转换开关K3拨到与高压放电棒连通的位置，然后再把三向换位开关K0拨到放电位置，遥控闭合第二开关K2，第三继电器J3和第四继电器J4所控制的接点闭合、即电容充放电电路与高压放电棒接通，电流经过高压放电棒进行放电，观察电压表V的显示，当电压显示为0后一分钟之后再控制第二开关K2断开，同时把双刀转换开关K3拨到与水泡发生金属丝相连的位置，三向换位开关K0拨到中间位置等待下一次的实验。

Claims (6)

1.一种水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述装置包括电源模块（1）、水泡发生电路（201）和水泡发生金属丝（202），所述电源模块为水泡发生电路提供稳定的直流高压电，所述水泡发生电路与水泡发生金属丝连接并为其提供所需的放电电压；

所述电源模块包括高频信号发生装置（101）、变压器（102）、高频倍压整流电路（103）、高压直流稳压电路（104）、采样电路（107）和控制回路（105），所述高频信号发生装置（101）、变压器（102）、高频倍压整流电路（103）、高压直流稳压电路（104）依次连接，高频信号发生装置的输入端连接220V、50HZ交流电源，高压直流稳压电路的输出端连接水泡发生电路（201），所述采样电路的输入端与高压直流稳压电路连接，其输出端与控制回路的输入端连接，控制回路的输出端与高频信号发生装置连接；

所述高频信号发生装置（101）用于将输入的220V、50HZ交流电转变为稳定的电压高频信号输送给变压器，并根据控制电路反馈的过压、过流信息自动调节、使输出的电压高频信号控制在设定的电压范围；

所述变压器（102）用于将经高频信号发生装置处理的电压高频信号进行升压；

所述高频倍压整流电路（103）用于将经过变压器升压的高压电再次升压并整流，以得到电压更高的直流高压电输送给高压直流稳压电路；

所述高压直流稳压电路（104）用于将经倍压整流得到的直流高压电稳压后输出给水泡发生电路；

所述采样电路（107）用于将从高压直流稳压电路中提取的电压信号输入到控制回路进行比较；

所述控制回路（105）用于将经比较的结果反馈给高频信号发生装置，调整高频信号发生装置输出的电压高频信号，确保电源模块的输出高压与设定值一致；

所述水泡发生电路（201）包括电容充放电电路和与其连接的充放电转换控制开关：

所述电容充放电电路包括电阻（R）和电容（C），所述电容为耐高压、高绝缘、高稳定的大容量电容，所述电阻用于控制充电时间和限制充电电流以达到对电容的保护；

所述充放电转换控制开关包括三向换位开关（K0）、第一开关（K1）、第二开关（K2）、第一继电器（J1）、第二继电器（J2）、第三继电器（J3）和第四继电器（J4）；

所述电阻（R）一端通过第一继电器（J1）与所述高压直流稳压电路（104）输出的电源正极端连接，电阻（R）的另一端与电容（C）的正极端连接、同时通过第三继电器（J3）与水泡发生金属丝（202）的正极连接，所述电容（C）的负极端通过第二继电器（J2）与高压直流稳压电路（104）输出的电源负极端连接，同时通过第四继电器（J4）与水泡发生金属丝的负极连接；

所述第一继电器（J1）和第二继电器（J2）的磁路线圈并联、并依次通过第一开关（K1）和三向换位开关（K0）与24V低压直流电源连接，所述第三继电器（J3）和第四继电器（J4）的磁路线圈并联、并依次通过第二开关（K2）和三向换位开关（K0）与24V低压直流电源连接；

当三向换位开关（K0）转到充电位置、且第一开关（K1）接通时，第一继电器（J1）和第二继电器（J2）的磁路线圈与24V低压直流电源接通，第一继电器和第二继电器的衔铁吸下，并接通高压直流稳压电路输出的电源、即直流高压电与电容充放电电路接通；第一开关（K1）断开时，第一继电器（J1）和第二继电器（J2）的磁路线圈与24V低压直流电源断开，第一继电器和第二继电器的衔铁释放、并断开高压直流稳压电路输出的电源；

当三向换位开关（K0）转到放电位置、且第二开关（K2）接通时，第三继电器（J3）和第四继电器（J4）的磁路线圈与24V低压直流电源接通，第三继电器和第四继电器的衔铁吸下、从而将电容充放电电路与水泡发生金属丝接通。

2.根据权利要求1所述的水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述控制回路（105）上连接有报警系统（106），用于在过压过流时及时发出报警信号；所述高压直流稳压电路（104）连接有显示电路（108），用于实时显示高压直流稳压电路输出的电压电流值。

3.根据权利要求1或2所述的水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述水泡发生电路还包括安全放电装置，所述安全放电装置通过双刀转换开关（K3）连接在所述水泡发生电路的放电输出端与水泡发生金属丝连接线之间：即双刀转换开关的公共端与水泡发生电路的放电输出端连接，双刀转换开关的第一组换向接头与水泡发生金属丝（202）的两端连接，双刀转换开关的第二组换向接头与安全放电装置连接，所述安全放电装置为高压放电棒（204）。

4.根据权利要求3所述的水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述第一继电器（J1）、第二继电器（J2）、第三继电器（J3）和第四继电器（J4）为真空灭弧继电器，所述三向换位开关（K0）、第一开关（K1）、第二开关（K2）和双刀转换开关（K3）为远程遥控式控制开关。

5.根据权利要求4所述的水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述电容（C）的两端并联有高压直流电压表（V），用于对电容之充放电电压的实时监测。

6.根据权利要求5所述的水下高压放电气泡产生装置，其特征在于：所述水泡发生金属丝采用合金铝制成，其中段为扁形结构。