CN104316659A

CN104316659A - 一种监测爆轰波速度变化的系统及方法

Info

Publication number: CN104316659A
Application number: CN201410669242.XA
Authority: CN
Inventors: 张博; 沈晓波; 于文强; 陈婷; 陈潇; 李嘉晨; 谢禄霖
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-11-21
Also published as: CN104316659B

Abstract

本发明提供一种监测爆轰波速度变化的系统，包括：一爆轰管，其包括依次连接的点火头、以及通过一法兰连通的驱动管体和测试管体，其中驱动管体的邻近点火头一端的内部设有一刚性螺旋结构，驱动管体的管壁上设有进气口，并且每隔一段预定间距设有一开孔，测试管体的远离法兰一端的管壁上设有出气口；固定安装在测试管体上并对应地穿过开孔进入测试管体内的光导纤维元件；一连接至光导纤维元件的光电转化装置，其将光导纤维元件检测到的光信号转化为相应的电信号；以及一连接至光电转化装置的示波器，其输出与电信号对应的波形图。本发明利用多通道光导纤维元件对小尺度范围内爆轰波的速度进行实时监测，有利于判断爆轰波传播速度的波动性。

Description

一种监测爆轰波速度变化的系统及方法

技术领域

本发明属于爆轰实验技术领域，具体涉及一种监测爆轰波速度变化的系统及方法。

背景技术

爆轰是一种前导冲击波与化学反应强耦合、并且自持传播具有强间断的现象。爆轰波传播速度一般为2000～3000m/s，由于爆轰波运动速度极快，因此难以监测小尺度范围内(例如100mm以内)的爆轰波的速度变化，而爆轰波速度波动却是判断爆轰波传播稳定性的关键依据。通过对爆轰波瞬态速度的测量，可以提高对可燃混合气体爆轰危害的风险评估能力，从而有效的避免或者减小爆轰对人员和财产的危害。

由于爆轰通常是伴随着强光的高速化学反应，因此利用光纤监测爆轰波的光信号，从而获得爆轰波的到达时间，最终计算爆轰波的瞬态速度，在理论上具有可行性。利用光纤测定爆轰速度的先例，在国内外均有报道，如最早的光纤爆速仪是瑞士的康蒂尼托(Kontinito)生产的将六个同步计时器用于七根光纤之间的测量精度可达100ns的爆速仪、以及美国爱迪赛恩公司(IDEASCIENCE)生产的VOD-8型光纤爆速仪。但由于国外的仪器厂商对国内的技术封锁，所以产品价格昂贵。中北大学的姜爱华等研究人员通过11通道光纤测试了爆速的信号。国内主要爆速仪的型号为单段、五段、六段和十段，段数越高，其成本和费用也相应增加。目前国内外生产的设备都是利用光纤技术测量气体爆炸或凝聚炸药的爆炸波速度，由于气相爆轰波传播具有高速、高温、高能等特点，同时由于使用的段数有限，因此很难对气相爆轰波小尺度范围内的瞬态速度进行测量。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明一方面提供一种操作方便、成本较低的监测爆轰波速度的系统，以对爆轰波小尺度范围内的速度变化进行测量。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种监测爆轰波速度变化的系统，包括：

一爆轰管，其包括依次连接的点火头、驱动管体以及测试管体，且所述驱动管体和测试管体通过一法兰连通，其中，所述驱动管体的邻近所述点火头一端的内部设有一刚性螺旋结构，所述驱动管体的管壁上设有进气口，并且所述测试管体的管壁上沿其长度方向每隔一段预定间距开设有一开孔，所述测试管体的远离所述法兰一端的管壁上设有出气口；

固定安装在所述测试管体上、并一一对应地穿过所述开孔进入所述测试管体内的光导纤维元件；

一连接至所述光导纤维元件的光电转化装置，其将所述光导纤维元件检测到的光信号转化为相应的电信号；以及

一连接至所述光电转化装置的示波器，其输出与所述电信号对应的波形图，以根据所述波形图获取所述爆轰波在每两个相邻所述光导纤维元件之间的平均速度。

进一步地，所述系统还包括若干沿所述驱动管体的长度方向间隔设置在其管壁上的压力传感器。

进一步地，所述光导纤维元件分别通过一夹套固定安装在所述测试管体上，且所述夹套分别包括一夹套本体以及一设置在该夹套本体的进入所述测试管体内一端的耐高温玻璃。

优选地，所述驱动管体的长度范围为1200～1500mm，管径范围为60～68mm。

优选地，所述测试管体的长度范围为2500～3000mm，管径范围为30～38mm。

优选地，所述预定间距为至100～1500mm。

本发明另一方面提供一种监测爆轰波速度变化的方法，包括以下步骤：

步骤S0，提供根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统；

步骤S1，通过所述进气口向所述驱动管体内引入可燃气体；

步骤S2，触发所述点火器以点燃所述可燃气体，从而在所述驱动管体内形成爆轰波；

步骤S3，通过各所述光导纤维元件检测到达其对应位置的所述爆轰波的光信号；

步骤S4，通过所述光电转化装置将所述光信号转化为相应的电信号；

步骤S5，通过所述示波器输出与所述电信号对应的波形图；以及

步骤S6，根据所述波形图获取所述爆轰波在每两个相邻所述光导纤维元件之间的平均速度。

进一步地，在执行所述步骤S3之前，通过若干沿所述驱动管体的长度方向间隔设置在其管壁上的压力传感器测量所述驱动管体内的压力，以判断所述驱动管体内是否形成爆轰波，如果形成爆轰波，则执行所述步骤S3，否则，返回所述步骤S1。

综上所述，本发明首先通过相隔预定间距的光导纤维元件检测到达相应位置的爆轰波的光信号，再通过光电转化装置将光信号转化为相应的电信号，然后通过示波器输出所述电信号对应的波形图，根据该波形图即可获取爆轰波在每两个相邻光导纤维元件之间的平均速度，即，实现对气相爆轰波小尺度范围内的瞬态速度变化的测量。与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)利用多通道光导纤维元件对小尺度范围内爆轰波的速度进行实时监测，有利于判断爆轰波传播速度的波动性；

2)通过测量各种可燃混合气体爆轰瞬态速度，可以判断各种物质在不同状态下(如初始压力、化学当量比)的速度，从而有利于控制危险源，避免或减小爆轰对生命安全和财产的危害。

3)本发明结构简单、成本较小、操作容易，测量结果准确。

附图说明

图1为本发明爆轰管的结构示意图；

图2为本发明的监测爆轰波速度变化的系统的原理框图；

图3为本发明的光导纤维元件的安装示意图；

图4为本发明的光电转化装置的电路原理图；

图5为根据本发明测量的一个示例波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明的监测爆轰波速度变化的系统包括一爆轰管，如图1所示，该爆轰管包括依次连接的高能点火头1、驱动管体5以及测试管体7，且驱动管体5和测试管体7通过一法兰6连通。其中，驱动管体5的管径优选约为60～68mm，长度优选约为1200～1500mm，邻近点火头1一端的内部设有一刚性螺旋结构2，以产生湍流利于爆轰波的形成，并且驱动管体5的管壁上设有一进气口3，用于加入预混可燃气体；测试管体7的长度优选约为2500～3000mm，管径优选约30～38mm，其管壁上沿长度方向每隔一段预定间距(优选100～1500mm)开设有一开孔(孔径约2.2mm)，并且测试管体7的远离法兰6一端的管壁上设有一出气口9，用于排出爆轰产物。

此外，本发明的监测爆轰波速度变化的系统还包括图2中示出的多个光导纤维元件8、一光电转化装置10以及一示波器11。其中，各光导纤维元件8如图1所示分别固定安装在测试管体7上、并穿过对应开孔进入测试管体7内，以检测爆轰波到达相应光导纤维元件8产生的光信号。由于爆轰具有高温高压特性，而光导纤维元件8是塑料材质，因此，如果直接利用光导纤维元件8接收爆轰波的光信号，则爆轰波可能会融化塑料光导纤维，从而导致测试管体7内的高温高压气体瞬间通过管壁上的开孔外泄，给实验者带来极大的安全隐患。鉴于以上原因，本发明采用如图3所示的夹套来固定各光导纤维元件8，其中，各夹套包括一长度约为25mm的夹套本体12以及一设置在该夹套本体12进入测试管体7内一端的厚度约为2mm的耐高温玻璃13(主要成分为低碱硼硅)，该耐高温玻璃13主要用于耐受爆轰产生的高温环境以保护光导纤维，此外其还具有良好的透光性，以便将爆轰波的光信号传入光导纤维元件8。

在本实施例中，塑料光导纤维元件8的芯层材料为PMMA(有机玻璃)，护套材料为PE(聚乙烯)，芯层折射率为1.49，光纤衰减小于0.2dB/m(650nm平行光)，工作温度为-55～70℃，外径为2.2mm，纤芯直径为1mm。

再次参阅图2可知，光电转化装置10与所有光导纤维元件8相连，并将这些光导纤维元件8检测到的光信号转化为相应的电信号；示波器11连接至该光电转化装置10，并将电信号对应的波形显示出来，从而可以根据波形图计算爆轰波在每相邻两个光导纤维元件8之间(即小尺度范围内)的平均速度，即，实现了对小尺度范围内的爆轰波的速度变化的监测，而爆轰波速度波动是判断爆轰波传播稳定性的关键依据。通过对爆轰波速度波动的测量，能够提高对可燃混合气体爆轰危害的风险评估能力，从而有效的避免或者减小爆轰对人员和财产的危害

图4示出了光电转化装置10的一个实施例，如图所示，其包括光电触发器A、电容C、电阻R、二极管D1以及倒相放大器E，并通过9V电池供电。其中，光电触发器A用于接收光导纤维元件8检测到的光信号并将其转化为电信号，其包括光电二极管、线性放大器、施密特触发器和逻辑电路。应该理解，除了图4所示的实施例外，本发明还可采用现有技术中任何合适的光电转化装置10。

本发明的示波器11采用DS1104Z型示波器11，选择100MHz带宽、4通道、1GSa/s采样率。应该理解，本发明也可采用其它合适的示波器11。

通过上述系统监测爆轰波速度变化的方法包括以下步骤：

步骤S1，通过进气口3向驱动管体5内引入指定初始压力的预混可燃气体。

步骤S2，触发高能点火器点燃管道内的可燃气体，以在驱动管体5内产生爆轰，并通过若干沿驱动管体5的长度方向间隔设置在其管壁上的压力传感器测量驱动管体5内的压力，以判断驱动管体5内是否确定形成爆轰波。

步骤S3，当确定形成爆轰波后，通过各光导纤维元件8检测到达相应位置的爆轰波的光信号。

步骤S4，通过光电转化装置10将光信号转化为相应的电信号。

步骤S5，通过示波器11将电信号对应的波形图显示出来，该波形例如图5所示。

步骤S6，根据波形图计算爆轰波在每相邻两个光导纤维元件8之间的平均速度，从而可以实现气相爆轰波小尺度范围内的瞬态速度变化的测量。具体计算过程如下：假设依次到达每个光导纤维元件8的时间分别为t₁,t₂......t₂₀，则爆轰波在第1和第2个光导纤维之间的速度u₁＝l/(t₂-t₁)m/s，因此每相邻光导纤维元件8之间的爆轰波速度为u_i＝l/(u_i+1-u_i)m/s，其中，l表示两个光导纤维元件8之间的间距，i表示光导纤维元件8的数量。

步骤S7，点火实验结束，打开出气口9，并用氮气进行吹扫以排出爆轰形成的产物，然后将爆发管内抽为真空，准备进行下一次实验。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明的权利要求保护范围。

Claims

1.一种监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，所述系统还包括若干沿所述驱动管体的长度方向间隔设置在其管壁上的压力传感器。

3.根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，所述光导纤维元件分别通过一夹套固定安装在所述测试管体上，且所述夹套分别包括一夹套本体以及一设置在该夹套本体的进入所述测试管体内一端的耐高温玻璃。

4.根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，所述驱动管体的长度范围为1200～1500mm，管径范围为60～68mm。

5.根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，所述测试管体的长度范围为2500～3000mm，管径范围为30～38mm。

6.根据权利要求1所述的监测爆轰波速度变化的系统，其特征在于，所述预定间距为至100～1500mm。

7.一种监测爆轰波速度变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，通过所述进气口向所述驱动管体内引入可燃气体；

8.根据权利要求7所述的监测爆轰波速度变化的方法，其特征在于，在执行所述步骤S3之前，通过若干沿所述驱动管体的长度方向间隔设置在其管壁上的压力传感器测量所述驱动管体内的压力，以判断所述驱动管体内是否形成爆轰波，如果形成爆轰波，则执行所述步骤S3，否则，返回所述步骤S1。