CN106872662B - 一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，包括称重单元、加热炉、气体分解产物检测单元和控制单元。通过设计可调整体积的参比样品、一个测量点通过参比样品的抬升多次测量计算，扣除了称重时的浮力和天平的读数漂移，实现了连续长期的准确测量；专用的加热炉采用两个炉腔设计，消除了样品间的相互影响，提高了控温的准确度；采用分解气体采样和定性定量分析的部件，实现对分解气体连续分析。装置自动化程度高、试验温度范围宽、测量安全可靠。
Description
技术领域
本发明涉及一种火炸药的测量装置，具体地说，涉及一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置。
背景技术
火炸药是易于发生燃烧爆炸的危险性物质，其热安定性指在热作用下火炸药物理和化学性质不发生变化的能力。火炸药在贮存过程中，由于微量分解气体的产生、放出、个别组分的挥发、升华等，导致质量逐渐减小。组分的变化、分解气体的逸出将使火炸药能量性能、力学性能、弹道性能发生变化，可能对火炸药产品的使用造成影响。采用加速老化的方法，进行质量跟踪，以快速而经济地评价火炸药热安定性是本领域常用的方法。
加速老化试验是在某一较高的恒定温度(如85℃)下的长期监测过程，以往对于火炸药加速老化过程的质量损失监测要将火炸药药柱取出进行测定，造成试验的不连续性；样品由于取放样过程的高低温度交替、环境湿度变化等，可能产生未预期的变化，造成老化性能的测定偏差；取样还会影响样品状态，如药柱热胀冷缩产生裂纹。
在老化过程中进行连续称重，火炸药样品在热气体(一般为空气)氛围中的浮力和称重传感器长期稳定性是影响测量结果准确性的两大因素。
当体积为V的物体浸入介质(这里为气体)时，遭到与排出的介质质量相等的向上推力即浮力：
F＝V·ρ·g
式中ρ为气体密度，g是重力加速度9.81kg/ms2。转化为以质量单位表示，物体浮力m由下式给出：
m＝V·ρ
气体密度与温度有关，在恒温试验中，近似认为密度不变，因此由气体氛围包围部分的总体积是造成浮力变化的原因，这部分体积包括样品和样品支架部分。
称重传感器在较长的连续测量过程，读数会发生漂移，偏离原来的基准值，这也是连续监测需要克服的困难。
针对老化过程分解气体的监测目前只能定期抽取进行监测，没有连续监测的装置。
发明内容
本发明的目的是要提供一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置。
为实现本发明的目的，本发明提供的一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置包括称重单元、加热炉、气体分解产物检测单元和控制单元。
所述称重单元包括挂绳、参比样品用锥体、参比样品、隔热圈、参比样品提升台、提升手柄、样品悬挂半环、样品提篮、支柱、销子、电机和称重天平。
其中参比样品为空心圆柱体，由上盖与杯状腔体螺纹连接组成，通过上盖上的抓手旋紧，改变上盖旋紧的程度可以调整参比样品的包围体积；参比样品上下面中心均开有圆孔，上圆孔为变直径，与参比样品用锥体的斜面直径相互匹配一致；参比样品用锥体置于参比样品中，上下端分别连接挂绳，上端挂绳依次穿过参比样品的上圆孔、挂绳通道与称重天平连接，下端挂绳依次穿过隔热圈底部中心圆孔、参比样品提升台中心圆孔，通过样品悬挂半环与样品提篮连接；隔热圈为杯状，外径小于加热炉内径，底部中心开圆孔；参比样品提升台为圆环状，外径小于加热炉内径，其外壁安装有四个提升手柄，加热炉内壁同一高度的四个销子固定参比样品提升台；提升手柄一端连接参比样品提升台外壁的螺纹孔，另一端连接钢丝；样品提篮与参比样品外径一致，用于盛放样品；支柱上端连接加热炉底板中心，下端连接钢丝；电机通过滑轮机构用钢丝与提升手柄、支柱连接；称重天平与上端挂绳连接，并通过接口与计算机连接。
所述加热炉包括顶盖、挂绳通道、外隔热层、加热浴管路、炉体、底板、下炉腔温度传感器、上炉腔温度传感器、加热浴外管路、加热浴控制器和控温仪。
其中顶盖为圆柱形，中心开孔，顶盖中心孔和挂绳通道通过螺纹连接，用于将加热炉固定在水平的台面；挂绳通道和炉体采用螺纹连接，炉体被外隔热层包裹，炉体被隔热圈分隔为上下两个炉腔，炉体中心侧壁均匀开有四个沿轴向的导向槽，用于提升手柄上下活动；底板通过下炉腔下部的导向柱固定；加热浴管路在炉体和底板内部，由加热浴外管路通加热浴；加热浴控制器控制加热浴的温度和循环；控温仪分别与下炉腔温度传感器和上炉腔温度传感器连接，控制上下两个炉腔温度，并与加热浴控制器连接，控温仪通过数据接口与计算机连接。
所述气体分解产物检测单元包括分解气体收集接口、气体输送管路和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)。
其中分解气体收集接口、气体输送管路和GC-MS依次连接，GC-MS通过数据接口与计算机连接。
所述控制单元包括电机驱动器、运动控制卡和计算机。
其中电机、电机驱动器、运动控制卡与计算机依次连接，计算机安装有专用操作软件(以下简称软件)。
在连续测量火炸药药柱热安定性时，首先对样品进行烘干处理，称量初始质量M0；计算样品提篮、玻璃皿与样品体积之和，调整上盖旋紧的程度，使得参比样品包围的体积(忽略底部开孔)与前者一致；进行装置的组装；打开装置和各连接部分电源，开启计算机。启动软件，检查软件记录的温度、质量值，确定连接正常；通过软件控制电机动作，使底板落下；断开称重天平与挂绳，使参比样品落到隔热圈上，参比样品用锥体落到参比样品底端；从样品悬挂半环取下样品提篮，把放有样品的玻璃皿放入样品提篮，把样品提篮挂上样品悬挂半环；连接称重天平与挂绳，调整挂绳长度使得参比样品与隔热圈无接触，样品提篮与闭合后的底板无接触；通过软件控制电机动作，使底板升起，加热炉闭合；调整挂绳位置使得称重天平读数稳定；在软件设定试验温度，加热炉工作，计算机记录温度值直至稳定到设定温度值；软件记录称重值m0′；软件控制电机动作，通过四个提升手柄使参比样品提升台升起，参比样品抬起到与参比样品用锥体分离，底面与隔热圈接触，软件记录称重值m0″；软件控制电机动作，通过四个提升手柄使参比样品提升台落下，回到动作前状态；软件运算得到第一个差减值m0＝2m0″-m0′；根据设定的称量间隔，软件控制重复称重、抬起称重和落下的步骤，类似地得到m1＝2m1″-m1′、m2＝2m2″-m2′、…mn＝2mn″-mn′一系列差减值；软件将m1、m2、…mn分别与m0差减得到一系列失重值Δm1＝m0-m1、Δm2＝m0–m2、…Δmn＝m0–mn；软件计算失重率为Δm1/M0、Δm2/M0、…Δmn/M0并作图显示；在设定的时间点软件自动控制GC-MS通过分解气体收集接口和气体输送管路进行采样、对分解气体的种类和含量进行分析并向软件传回数据；通过质量损失和分解气体分析样品安定性，也可以对不同样品安定性进行比较；试验结束后关闭控温装置电源，待加热炉温度降至室温，取出样品，关闭计算机和其他电源。
本发明的一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，有益效果体现在：
1.通过设计相同外径的样品提篮与参比样品，以及调整参比样品尺寸，实现样品提篮、样品及样品盛放物三者和参比样品体积相同，浮力相等；
2.通过对参比样品的抬升，实现一个试验测量点分别测量样品提篮、样品、样品盛放物及参比样品四者质量，样品提篮、样品及样品盛放物三者质量，通过两个质量的差减运算扣除了浮力和称重天平的读数漂移，实现了连续长期的准确测量；
3.设计了专用的加热炉，实现大尺寸药柱(Ф10mm～Ф40mm)的称重和安定性评价；
4.加热炉分隔为两个炉腔，消除了参比样品和待测样品的相互影响；
5.加热炉采用两个炉腔分别控温，提高了控温的准确度；
6.加热炉采用循环浴加热，保证了炉体温场均匀性和试验的安全性；更换不同的加热浴，可以实现70℃～160℃较宽温度范围的老化试验；
7.采用分解气体采样和定性定量分析的部件，实现对分解气体连续分析。
8.自动化连续测量减少了人工操作，提高了试验的安全性。
附图说明
图1是加热炉示意图；
图2是装置的整体示意图；
图3是参比样品装配示意图；
图4是参比样品提升台和提升手柄示意图；
图中的标记分别表示：1、顶盖，2、挂绳通道，3、挂绳，4、外隔热层，5、加热浴管路，6、炉体，7、参比样品用锥体，8、参比样品，9、隔热圈，10、参比样品提升台，11、提升手柄，12、样品悬挂半环，13、分解气体收集接口，14、样品提篮，15、玻璃皿，16、样品，17、底板，18、支柱，19、下炉腔温度传感器，20、销子，21、上炉腔温度传感器，22、气体输送管路，23、加热浴外管路，24、上盖，25、抓手。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施方式
参见图1～图4，本实例给出一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，包括称重单元、加热炉、气体分解产物检测单元和控制单元。
所述称重单元包括挂绳3、参比样品用锥体7、参比样品8、隔热圈9、参比样品提升台10、提升手柄11、样品悬挂半环12、样品提篮14、支柱18、销子20、电机和称重天平。
其中挂绳3为钢绳，直径Ф2mm；参比样品用锥体7为不锈钢材质，锥角60°，下端直径Ф36mm；参比样品8材质为不锈钢，为空心圆柱体，由上盖24与杯状腔体螺纹连接组成，通过上盖24上的抓手25旋紧，改变上盖24旋紧的程度可以调整参比样品8的包围体积，参比样品8外径为Ф160mm，深60mm，壁厚为5mm，参比样品8上下面中心均开有圆孔，上圆孔为变直径，与参比样品用锥体7的斜面直径相互匹配一致，下圆孔直径Ф10mm；隔热圈9为杯状，采用石棉压制而成，外径Ф230mm，内径Ф200mm，深50mm，底部中心开圆孔，孔径为Ф40mm；参比样品用锥体7置于参比样品8中，上下端分别连接挂绳3，上端挂绳依次穿过参比样品8的上圆孔、挂绳通道2与称重天平连接，下端挂绳依次穿过隔热圈9底部中心圆孔、参比样品提升台10中心圆孔，通过样品悬挂半环12与样品提篮14连接；参比样品提升台10为圆环状，采用玻璃纤维复合材料制成，外径Ф210mm，内径Ф100mm，厚30mm，外壁均匀开有四个螺纹孔，孔径Ф15mm，下部由安装在加热炉内壁的四个销子20固定；提升手柄11为圆柱形，钢材质，长100mm，一端轴向有外螺纹，用于在参比样品提升台10外壁的螺纹孔安装，另一端径向开有Ф10mm通孔，用于连接钢丝；样品提篮14为杯状，不锈钢材质，外径Ф160mm；支柱18为圆柱状，一端通过螺纹与加热炉底板17的中心连接，另一端径向开有Ф10mm通孔，用于连接钢丝；电机通过滑轮机构用钢丝与四个提升手柄11上的通孔、支柱18底端通孔连接；称重天平与挂绳3上端连接，并通过RS232接口与计算机连接。
称重单元的安装方法为：通过抓手25将上盖24与杯状腔体旋转打开，参比样品用锥体7两端分别连接挂绳3，上端挂绳穿过上盖24上的开孔，下端挂绳穿过参比样品8下面的开孔，然后通过抓手25将上盖24与杯状腔体螺纹旋转连接，根据需要的体积调整旋转的深度。支柱18通过螺纹连接在底板17底面中心，将支柱18通过钢丝和滑轮机构与电机连接，电机控制支柱18下降，打开底板17。下端的挂绳分别穿过隔热圈9和参比样品提升台10的开孔，上端的挂绳穿过挂绳通道2，将参比样品8、隔热圈9和参比样品提升台10整体从炉体6下部向上安装，略微倾斜，通过炉体6内腔四个销子20暂时固定参比样品提升台10，旋转调整参比样品提升台10角度，使得参比样品提升台10外壁的螺纹孔和炉体6中心侧面四个沿轴向的导向槽对齐，四个提升手柄11穿过导向槽安装于参比样品提升台10外壁的螺纹孔，下端挂绳通过样品悬挂半环12连接样品提篮14，上端挂绳连接称重天平，电机控制支柱18上升，闭合底板17。
所述加热炉包括顶盖1、挂绳通道2、外隔热层4、加热浴管路5、炉体6、底板17、下炉腔温度传感器19、上炉腔温度传感器21、加热浴外管路23、加热浴控制器和控温仪。
其中顶盖1为圆柱形，外径Ф320mm，厚40mm，用于将加热炉固定在水平的台面，挂绳通道2内径Ф10mm，外径Ф60mm，用于穿过挂绳3；顶盖1和挂绳通道2均为钢材质，通过螺纹连接；挂绳通道2和炉体6采用螺纹连接，炉体6为圆柱形，被外隔热层4包裹，炉体6为钢材质，外隔热层4为石棉，炉体内径Ф240mm，被隔热圈9分隔为上下两个炉腔，分别通过下炉腔温度传感器19和上炉腔温度传感器21测量温度，炉体6中心侧壁均匀开有四个沿轴向的导向槽，用于提升手柄11上下活动；底板17通过下炉腔下部四个均匀分布的导向柱固定；加热浴管路5在炉体6和底板17内部，为绕炉体6外圈和底板17圆心的盘旋管路，采用加热浴外管路23通加热浴，加热浴为蒸馏水或甲基硅油的一种；加热浴控制器控制加热浴的温度和循环；控温仪分别与下炉腔温度传感器19和上炉腔温度传感器21连接，控制上下两个炉腔温度，并与加热浴控制器连接，控温仪通过RS485数据接口与计算机连接。
所述气体分解产物检测单元包括分解气体收集接口13、气体输送管路22和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)。
其中分解气体收集接口13为钢材质管路，内径Ф0.3mm；气体输送管路22为聚丙烯材质，内径Ф0.2mm；分解气体收集接口13、气体输送管路22和GC-MS依次连接，GC-MS通过RS485数据接口与计算机连接。
所述控制单元包括电机驱动器、运动控制卡和计算机。
其中电机、电机驱动器、运动控制卡与计算机依次连接，计算机为Windows XP系统，安装有“火炸药热安定性试验系统”专用操作软件。
连续测量火炸药药柱热安定性的方法为：
(1)样品16进行烘干处理，称量初始质量M0；
(2)计算样品提篮14、玻璃皿15与样品16体积之和，调整参比样品8上盖螺纹，使得参比样品8包围的体积(忽略底部开孔)与前者一致；
(3)进行装置的组装；
(4)打开装置和各连接部分电源，开启计算机。启动计算机安装的“火炸药热安定性试验系统”专用操作软件，检查软件记录的温度、质量值，确定连接正常；
(5)通过软件控制电机动作，使底板17落下；
(6)断开称重天平与挂绳3，使参比样品8落到隔热圈9上，参比样品用锥体7落到参比样品8底端；
(7)从样品悬挂半环12取下样品提篮14，把放有样品16的玻璃皿15放入样品提篮14，把样品提篮14挂上样品悬挂半环12；
(8)连接称重天平与挂绳3，调整挂绳3长度使得参比样品8与隔热圈9无接触，样品提篮14与闭合后的底板17无接触；
(9)通过软件控制电机动作，使底板17升起，加热炉闭合；
(10)调整挂绳3位置使得称重天平读数稳定；
(11)在软件设定试验温度T，加热炉工作，计算机记录温度值直至稳定到设定温度值；
(12)软件记录称重值m0′；
(13)软件控制电机动作，通过四个提升手柄11使参比样品提升台10升起，参比样品8抬起到与参比样品用锥体7分离，底面与隔热圈9接触，软件记录称重值m0″；
(14)软件控制电机动作，通过四个提升手柄11使参比样品提升台10落下，回到动作前状态；
(15)软件运算得到第一个差减值m0＝2m0″-m0′；
(16)根据软件设定的称量间隔如10h，软件自动重复(12)～(15)步，类似地得到m1＝2m1″-m1′、m2＝2m2″-m2′、…mn＝2mn″-mn′一系列差减值；
(17)软件将m1、m2、…mn分别与m0差减得到一系列失重值Δm1＝m0-m1、Δm2＝m0–m2、…Δmn＝m0–mn；
(18)软件计算失重率为Δm1/M0、Δm2/M0、…Δmn/M0并作图显示；
(19)在设定的时间点(如每10h)软件自动控制GC-MS通过分解气体收集接口13和气体输送管路22进行采样、对分解气体的种类和含量进行分析并向软件传回数据；
(20)通过质量损失和释出气体产物种类及含量分析样品安定性，也可以对不同样品安定性进行比较；
(21)试验结束后关闭控温装置电源，待加热炉温度降至室温，取出样品，关闭计算机和其他电源。
Claims (3)
1.一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，包括称重单元、加热炉、气体分解产物检测单元和控制单元，其特征在于：
所述称重单元中参比样品为空心圆柱体，由上盖与杯状腔体螺纹连接组成，通过上盖上的抓手旋紧，改变上盖旋紧的程度可以调整参比样品的包围体积；参比样品上下面中心均开有圆孔，上圆孔为变直径，与参比样品用锥体的斜面直径相互匹配一致；参比样品用锥体置于参比样品中，上下端分别连接挂绳，上端挂绳依次穿过参比样品的上圆孔、挂绳通道与称重天平连接，下端挂绳依次穿过隔热圈底部中心圆孔、参比样品提升台中心圆孔，通过样品悬挂半环与样品提篮连接；隔热圈为杯状，外径小于加热炉内径，底部中心开圆孔；参比样品提升台为圆环状，外径小于加热炉内径，其外壁安装有四个提升手柄，加热炉内壁同一高度的四个销子固定参比样品提升台；提升手柄一端连接参比样品提升台外壁的螺纹孔，另一端连接钢丝；样品提篮与参比样品外径一致，用于盛放待测样品；支柱上端连接加热炉底板中心，下端连接钢丝；电机通过滑轮机构用钢丝与提升手柄、支柱连接；称重天平与上端挂绳连接，并通过接口与计算机连接；
所述加热炉中顶盖为圆柱形，中心开孔，顶盖中心孔和挂绳通道通过螺纹连接，用于将加热炉固定在水平的台面；挂绳通道和炉体采用螺纹连接，炉体被外隔热层包裹，炉体被隔热圈分隔为上下两个炉腔，炉体中心侧壁均匀开有四个沿轴向的导向槽，用于提升手柄上下活动；底板通过下炉腔下部的导向柱固定；加热浴管路在炉体和底板内部，由加热浴外管路通加热浴；加热浴控制器控制加热浴的温度和循环；控温仪分别与下炉腔温度传感器和上炉腔温度传感器连接，控制上下两个炉腔温度，并与加热浴控制器连接，控温仪通过数据接口与计算机连接；
所述气体分解产物检测单元中分解气体收集接口、气体输送管路和气相色谱-质谱联用仪依次连接，气相色谱-质谱联用仪通过数据接口与计算机连接；
所述控制单元中电机、电机驱动器、运动控制卡与计算机依次连接，计算机安装有专用操作软件。
2.如权利要求1所述的一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，其中所述的加热浴为蒸馏水或甲基硅油的一种。
3.如权利要求1所述的一种火炸药药柱热安定性连续测量的装置，其中所述的分解气体收集接口为钢材质管路。
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