CN105911220A - 一种火药燃烧气体成分测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种火药燃烧气体成分测试装置，包含密闭燃烧室、点火控制器、压力及温度调节装置、流量控制装置、传感器阵列、数据采集及分析装置、标准气瓶阵列、水浴恒温装置。该装置解决了火药燃烧生成气体不易收集、多气体成分测试步骤繁琐、自动化程度不高的问题。本发明可精确调整火药燃烧的初始状态，自动收集并测试火药燃烧产物中多种气体成分的浓度，适用于固体推进剂及发射药在特定初始温度、初始压力条件下燃烧产物中，多种气体成分浓度的测试，对于火药燃烧机理研究、推进剂及发射药配方及工艺设计具有重要的意义。

Description

一种火药燃烧气体成分测试装置
技术领域
本发明涉及一种火药燃烧气体成分测试装置，适用于固体推进剂及发射药在特定初始温度、初始压力条件下燃烧产物中，多种气体成分浓度的测试。
背景技术
火药的燃烧是一个复杂的物理和化学变化过程，在燃烧产物中，不仅包含了烟雾，还包含CO、CO2、NO、NO2、HCL等气相燃烧产物。火药燃气成分检测，属于燃烧实验诊断技术之一。它为进一步了解化学反应过程，以及与流体力学、传热、其他物理现象之间复杂的相互作用提供必要的信息。随着高技术武器的发展，对洁净燃气发生剂的需求越来越多，对燃气发生剂的低特征信号的要求越来越高。对燃气成分及其浓度的测量，对于火药燃烧机理研究、洁净燃气发生剂及洁净发射药研制有着重要的意义。
目前，国内现有的针对火药燃气成分的测试技术研究，利用电化学传感器来分析燃气成分的浓度；有基于分子光谱学的红外光谱分析方法，傅里叶红外光谱仪(FTIR)获得燃气成分的红外光谱分布分析气体成分的浓度；也有基于米氏散射、自发拉普散射、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)等光散射方法测试燃气成分浓度。其中电化学传感器测试精度高，但响应时间一般较长，无法测试瞬态的气体成分，表征气体成分的快速变化过程。基于红外光谱以及光散射原理的测试装置，传感器响应速度较快，也容易受环境中杂散光的干扰，精度较差。
发明内容
为了解决现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种火药燃烧气体成分测试装置，适用于固体推进剂及发射药在特定初始温度、初始压力条件下燃烧产物中，多种气体成分浓度的测试。
本发明的实现过程如下：
一种火药燃烧气体成分测试装置，包括密闭燃烧室、点火控制器、压力调节装置、流量控制装置、传感器阵列、数据采集及分析装置、标准气瓶阵列、快速排气装置、水浴恒温装置。
所述的密闭燃烧室具备观测窗、进气接口、排气接口、点火线接口和样品托架，壳体的材料1Cr18Bi9Ti，壳体的耐压强度为15MPa。密闭燃烧室的外壁有水浴恒温装置，其温度调节范围在20℃～60℃。
所述的点火控制器由直流电源、电阻阻值检测电路检测组成，具备输出电流可调节、电阻检测功能，点火控制器通过信号线与密闭燃烧室的点火接口连接。
所述的压力调节装置由高压氮气瓶、限压阀、开关阀组成，高压氮气瓶与限压阀连接，限压阀与开关阀连接，开关阀与密闭燃烧室的进气接口连接。
所述的流量控制装置由开关阀、限压阀、流量计组成；限压阀密闭燃烧室的排气接口与开关阀连接，开关阀的另一端与限压阀连接，限压阀与流量计连接，流量计与传感器阵列连接。
所述的传感器阵列包含摄像头、压力传感器、温湿度传感器、CO传感器、CO2传感器、NO传感器、NO2传感器、HCL传感器、NH3传感器。摄像头位于密闭燃烧室的观察窗外侧，传感器阵列中的其他传感器通过连接管路依次连接，传感器阵列的信号线接入数据采集与处理装置中的信号调理箱的输入端口；
所述的数据采集及处理装置为具备信号调理功能及数据采集及处理功能的工控机。
所述的标准气瓶阵列包含传感器阵列中所有气体传感器检测气体种类的标准气瓶，标准气瓶阵列通过开关阀与流量控制装置中的限压阀连接。
所述的快速排气装置由开关阀和排气管道组成，开关阀的一端接在流量控制装置的开关阀之后，另一端连接排气管道。
所述的水浴恒温装置，工作介质为水，其出水口和进水口通过管道分别连接到密闭燃烧室的进水口和出水口。
本发明相比现有的测量装置，具备以下优点：
1.本装置采用具备调压及调温功能的密闭燃烧室作为火药燃烧的容器，所需的火药测试样品量少，测试环境的温度、压力调节范围大。
2.本装置采用流量控制装置对燃烧室内生成的燃烧气体产物进行降压、调节流量的预处理，保证了传感器阵列可处于正常工作状态，可提高测试结果的稳定性。
3.本装置从密闭燃烧室到传感器阵列整体处于一个封闭状态，可有效避免环境中的空气对燃气浓度的稀释，可提高测试结果的稳定性和准确性。
4.本装置在传感器阵列中集成了多种气体成分传感器，一次测试可获得多种气体成分的浓度，可提高测试效率。
附图说明
图1为一种火药燃烧气体成分测试装置示意图，1-密闭燃烧室、2-点火控制器、3-压力调节装置、4-流量控制装置、5-传感器阵列、6-数据采集及分析装置、7-标准气瓶阵列、8-快速排气装置、9-水浴恒温装置。
图2为密闭燃烧室剖面结构示意图，1-1燃烧室壳体，1-2水浴保温夹套，1-3出水口、1-4进水口、1-5进气接口，1-6放气接口，1-7观测窗，1-8承力托，1-9样品托架，1-10点火接口。
具体实施方式
本测量装置包括密闭燃烧室1、点火控制器2、压力调节装置3、流量控制装置4、传感器阵列5、数据采集及分析装置6、标准气瓶阵列7、快速排气装置8、水浴恒温装置9。密闭燃烧室1结构见图2所示。按照图1示意图连接装置的各个部分，通过该装置可以实现对装置中气体成分传感器的标定、对火药燃烧气体成分及浓度的测试、试验废气的快速排放等功能。
气体传感器标定功能的实现：给测试系统供电，打开数据采集及分析装置6，关闭流量控制装置4中的开关阀，关闭快速排气装置8中的开关阀。打开标准气瓶阵列7中的开关阀，打开标定气瓶阵列7中需要标定气体种类的标准气瓶，调节流量控制装置4中的限压阀，使得传感器阵列5管路中的压力为0.1MPa；调节流量控制装置4中的流量计，使得传感器阵列5管路中的流量为气体传感器正常工作状态下的流量。当气体传感器的读数稳定时，通过传感器自带标定功能或通过数据采集及分析装置中的软件功能对传感器进行校准。
火药燃烧气体浓度检测功能的实现：装置自身将一定质量的测试样品放于密闭燃烧室1中承力托1-6的样品托架1-9上，点火线穿过测试样品固定于密闭燃烧室1的点火接口1-10上，然后将承力托1-6安装在密闭燃烧室1内。关闭流量控制装置4的开关阀，打开压力调节装置3的开关阀，用高压氮气瓶将密闭燃烧室1内的压力调节至所需的压力，关闭压力调节装置3的开关阀。通过调节水浴恒温装置9将密闭燃烧室1的初温调节到所需的温度。当密闭燃烧室1内的初温和压力符合要求时，通过点火控制器2将密闭燃烧室1内的测试样品点燃。当测试样品燃烧完全后，打开流量控制装置4的开关阀，调节流量控制装置4中的限压阀，使得传感器阵列5管路中的压力为0.1MPa；调节流量控制装置4中的流量计，使得传感器阵列5管路中的流量为气体传感器正常工作状态下的流量。用数据采集及分析装置6记录并显示测试气体的浓度曲线。
试验废气的快速排放功能：当火药燃烧气体成分测试实验完成后，通常密闭燃烧室1及系统管路内还残留一定高压气体。这种情况下，可通过数据采集及分析装置6停止采集，打开快速排气装置8的开关阀，将燃烧室及管路中的高压气体排至实验室外。当密闭燃烧室内压力与外界压力相同时，关闭快速排气装置8中的开关阀。
通过该实例，可以发现：
1.本装置测试时所需的火药测试样品量少，基本上以克为单位。燃烧室压力可调，既可以模拟推进剂在装药工作时的工作压强，也可以在2MPa～10MPa之间任意调节，测试火药在不同压力状态下的燃烧产物。
2.传感器对测试气体的流速和压强都有一定要求，流量控制装置的存在保证了传感器阵列可处于正常工作状态。
3.装置的整体设计可以实现气体传感器的在线标定，进一步保证了测试结果的准确性。
4.整个密闭燃烧室到传感器阵列整体处于一个封闭状态，可有效避免环境中的空气对燃气浓度的稀释，可提高测试结果的稳定性和准确性。
5.本装置在传感器阵列中集成了6种气体成分传感器，一次测试可获得6种气体成分的浓度，可提高测试效率。
6.快速排气装置的设计，可以进一步减少测试时间，提高测试效率。当密闭燃烧室的初压设定越高时，这一点越明显。

Claims (4)

1.一种火药燃烧气体成分测试装置，其特征在于包括密闭燃烧室(1)、点火控制器(2)、压力调节装置(3)、流量控制装置(4)、传感器阵列(5)、数据采集及分析装置(6)、标准气瓶阵列(7)、快速排气装置(8)、水浴恒温装置(9)；
所述密闭燃烧室(1)具备观测窗、进水口、出水口、进气接口、排气接口、点火线接口和样品托架；所述点火控制器(2)由直流电源、电阻阻值检测电路检测组成，具备输出电流可调节、电阻检测功能，点火控制器(2)通过信号线与密闭燃烧室(1)的点火接口连接；所述压力调节装置(3)由高压氮气瓶、限压阀、开关阀组成，高压氮气瓶与限压阀连接，限压阀与开关阀连接，开关阀与密闭燃烧室(1)的进气接口连接；所述流量控制装置(4)由开关阀、限压阀、流量计组成；限压阀密闭燃烧室(1)的排气接口与开关阀连接，开关阀的另一端与限压阀连接，限压阀与流量计连接，流量计与传感器阵列(5)连接；所述传感器阵列(5)包含摄像头、温湿度传感器、CO传感器、CO2传感器、NO传感器、NO2传感器、HCL传感器、NH3传感器，摄像头位于密闭燃烧室的观察窗外侧，传感器阵列中的其他传感器通过连接管路依次连接，传感器阵列的信号线接入数据采集与处理装置(6)中的信号调理箱的输入端口；所述数据采集及处理装置(6)包含信号调理箱和配备数据采集卡和数据处理软件的工控机，信号调理箱的输出端口接工控机上数据采集卡的输入端口；所述标准气瓶阵列(7)包含传感器阵列(5)中所有气体传感器检测气体种类的标准气瓶，标准气瓶阵列(7)通过开关阀与流量控制装置(4)中的限压阀连接；所述快速排气装置(8)由开关阀和排气管道组成，开关阀的一端接在流量控制装置(4)的开关阀之后，另一端连接排气管道；所述水浴恒温装置(9)，出水口和进水口通过管道分别连接到密闭燃烧室(1)的进水口和出水口。
2.根据权利要求1所述的火药燃烧气体成分测试测试装置，其特征在于所述密闭燃烧室(1)壳体的材料为1Cr18Bi9Ti，壳体的耐压强度为15MPa。
3.根据权利要求1所述的火药燃烧气体成分测试测试装置，其特征在于所述传感器阵列(5)的连接管路中有多个预留接口，用于其他气体传感器的扩充。
4.根据权利要求1所述的火药燃烧气体成分测试测试装置，其特征在于所述传感器阵列(5)的CO2传感器种类为红外传感器，其它气体传感器的种类为电化学传感器。
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