CN110161390A - 用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台及研究方法 - Google Patents

用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台及研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于解析本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理的实验平台及研究方法,平台包括激光发射器、红外热成像仪、记忆示波器、可调直流电源、超高速相机、高速摄像机、光束扩展器、光束处理器、光分束器。通过红外热成像仪、记忆示波器、高速摄像仪三种测量装置在热、电气及光三个角度检测试验现象;借助激光发射器、光分束器、高速摄像仪组成的光通道记录放电间隙火花形成过程;红外热成像仪检测放电击穿间隙的能量分布;记忆示波器获取电弧击穿的电流和电压数据。本发明能够更深层次解析本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理,可用于对本质安全型设备的容量提升、检验检测、标准制定等提供基础理论依据。

Description

用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台 及研究方法
技术领域
本发明涉及一种用于解析本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理的实验平台及研究方法,具体用于解析本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理研究。
背景技术
随着煤矿、石油、化工、纺织、镀金等易燃易爆危险场所机械化、自动化和信息化程度的提高,电气设备得到快速的推广和应用,同时本质安全型设备的应用也随之快速增长。涉及各类易燃易爆物品的生产、加工以及运输和储存过程中,都伴随着爆炸性危险物质的产生,这对于用电设备的安全性、供电设备的容量提升以及检验检测等都提出了更高的要求。本质安全型电路中潜在的点燃易燃易爆气体的能力,一直是影响本质安全电路防爆性能的关键因素。本质安全型电路中易燃易爆气体引燃机理是在本质安全型电路低电压放电机理研究基础上研究总结得来的,涉及物理、化学、电气工程和安全工程等多个学科。近年来,本质安全电路中击穿放电引燃机理的相关研究一直是本质安全型防爆电路研究的重点和难点。
传统的本质安全型电路放电击穿引燃易燃易爆气体的研究方法还停留在本质安全型电路低电压放电机理研究的基础上,利用示波器和高速摄像仪两种测量装置分别在电气和光两个角度监测研究。其研究基础在电弧放电间隙试验装置上获取大量实验波形,寻找总结放电间隙火花电流及电压等电参数和干涉图像的变化规律的初级阶段。该方法仅在电气和光学角度阐释了本质安全型电路的放电特性,在放电的易燃易爆气体引燃机制方面没有更进一步的研究。
发明内容
发明目的:
为解决上述传统的本质安全型电路研究方法存在的一些不足,本发明综合热力学、光学和电学多学科研究方法,对于本质安全型电路中易燃易爆气体点燃机制解析提供更深层次的研究方法,可用于在易燃易爆气体复杂环境下本质安全型设备的容量提升、检验检测、标准制定等提供基础理论依据。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
一种用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台,包括沿激光发射方向依次设置的激光干涉仪、光束扩展器、第一光分束器、电弧放电间隙装置、第二光分束器、摄像机;还包括可调直流电源、测控单元;
所述第一光分束器用于将激光分成测量光束和参考光束,测量光束进入电弧放电间隙装置;
所述电弧放电间隙装置放置于配备有供激光穿过的侧视窗的密闭容器中,所述密闭容器内填充有易燃气体;所述电弧放电间隙装置的放电过程由可调直流电源供电;
所述测控单元记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,以及监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律;
所述第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的测量光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合;
所述摄像机包括超高速相机、高速摄像机,超高速相机用于记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案,高速摄像机用于记录电弧放电过程。
优选的,所述测控单元包括记忆示波器和红外热成像仪;记忆示波器记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,红外热成像仪监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律。
基于上述实验平台的研究方法,包括如下步骤:
步骤1:激光干涉仪发出激光束通过光束扩展器和第一光分束器为实验提供测量光束和参考光束;
步骤2:所述测量光束通过配有电弧放电间隙装置的封闭容器,所述封闭容器中填充有易燃气体;记忆示波器记录记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,红外热成像仪监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律;
步骤3:第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合;
步骤4:利用超高速相机记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案,利用高速摄像机记录电弧放电过程。
优选的,步骤2中,所述封闭容器中以易燃气体循环用分压方法以10Pa精度填充氢气,氧气和氮气。
优选的,所述封闭容器内环境初始条件为101.3kPa,298K,氢摩尔系数为0.21,氧与氮的比为1:3.76。
有益效果:借助采用热成像技术所获取的放电间隙热分布场图像,得到放电击穿起始阶段至发展过程能量分布曲线图;借助有限元热分析方法,建立起点燃能量、电极耗散能量与放电能量的量化数学模型,解析放电间隙火焰核的形成发展(时间、长度)的变化规律。采用光谱分析和激光干涉法,能够探究放电起始阶段的电弧建立的过程,建立放电阶段电压电流随时间刻度的量化关系。使用Mach-Zehnder干涉测量法的点火测量用于实现三维计算模型的定量验证。对于该模型,接触电弧放电被视为热源,能量的时间和空间分布由基于电弧的测量电流,电压和辐射强度的经验模型确定。
附图说明
图1为该实验平台的框图;
图2为该实验平台的结构图:其中J为532nm激光发射器,CK为测控单元,CF为放电间隙装置,Gas为易燃气体循环泵,M为密闭燃烧容器,K为光束扩展器,F1为第一光分束器、F2为第二光分束器,P1、P2、P3为平面镜,C为光束处理器,S为摄像机;
图3为电弧放电间隙装置的结构示意图:1、接线座;2、镉盘;3、钨丝;4、穿过磁盘的导线路径;5、槽;6、可燃气体外壳;接线座1和镉盘2的转速分别为80rpm、19.2rpm。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
在实验过程中,激光发射器J发射激光束通过光束扩展器K形成平面波,并通过第一光分束器F1将其分成测量光束和参考光束。测量光束通过侧视窗进入体积为2.48L的密闭容器M。密闭容器M内配有放电间隙装置CF,钨和镉分别作为阳极和阴极材料产生接触电弧放电,阳极可在阴极上接触具有滑动作用,放电过程由可调节直流电源供电。通过改变电源电压电流,使用记忆示波器记录接触电弧的电压和电流数据波形,以改变的间隙参量为横坐标,以击穿电压、击穿电流为纵坐标建立量化关系。当电源电压提升到击穿电压时,放电间隙装置CF产生火花,利用红外热成像仪检测击穿放电起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律。之后两个光束在第二分束器F2中重新组合,通过超高速相机用于记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案,高速摄像机用于记录电弧放电过程。
本发明给密闭容器施加一定的初始环境温度条件,利用热成像仪,可以监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律;可以采用有限元热分析软件ANSYS Icepak,建立点燃能量、电极耗散能量与放电能量的量化数学模型。改变密闭容器的温度组别,采用高速摄像机,可以记录放电间隙火焰核的动态形成发展过程(时间、长度),解析火焰核形成发展过程的变化规律;采用热成像仪,可以测定局部燃烧到自持燃烧过程中点燃能量、气体燃烧化学反应能量,以温度为横坐标,以点燃能量、气体燃烧化学反应能量为纵坐标建立其量化关系。通过以上两个方面初步解析易燃易爆气体点火机制。
引燃实验开始前,将密闭容器抽真空至10Pa以下,并使用分压方法以10Pa精度填充氢气,氧气和氮气。通过循环泵将气体混合并使其沉降以达到静止状态。密闭容器中初始条件为101.3kPa,298K,氢摩尔分数为0.21,氧与氮的比为1:3.76,以达到模拟空气效果。密闭容器配备有侧视窗,为干涉测量提供光学通路。
电弧放电间隙装置CF是标准化的火花测试装置(STA),结构图参考附图3,钨和镉分别作为阳极和阴极材料,阳极可在阴极上接触具有滑动作用。此外,固定阴极块配有4自由度定位器,可进行精确调整,以便更可控的方式产生电弧。接触电弧装置的电极由可调节的恒流电源供电,更大程度地控制接触电弧消耗的能量。使用四通道记忆示波器记录接触电弧的电压和电流波形,从而计算电弧中消耗的瞬时功率和总能量。
计算接触电弧消耗的能量,获得低电压放电能量变化规律。电弧的起点表示电压从0突然上升到Vfall。电弧结束表示当电流从iarc弧下降到0并且电压达到Vend时。计算接触电弧消耗的总能量Earc
其中,Vfall为下降电压,tend为放电截止时刻,i(t)为电弧电流,V(t)为电弧电压。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台,其特征在于,包括沿激光发射方向依次设置的激光干涉仪、光束扩展器、第一光分束器、电弧放电间隙装置、第二光分束器、摄像机;还包括可调直流电源、测控单元;
所述第一光分束器用于将激光分成测量光束和参考光束,测量光束进入电弧放电间隙装置;
所述电弧放电间隙装置放置于配备有供激光穿过的侧视窗的密闭容器中,所述密闭容器内填充有易燃气体;所述电弧放电间隙装置的放电过程由可调直流电源供电;
所述测控单元记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,以及监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律;
所述第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的测量光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合;
所述摄像机包括超高速相机、高速摄像机,超高速相机用于记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案,高速摄像机用于记录电弧放电过程。
2.根据权利要求1所述的一种用于解析本质安全型电路易燃易爆气体引燃机理的实验平台,其特征在于,所述测控单元包括记忆示波器和红外热成像仪;记忆示波器记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,红外热成像仪监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律。
3.基于权利要求1所述实验平台的研究方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:激光干涉仪发出激光束通过光束扩展器和第一光分束器为实验提供测量光束和参考光束;
步骤2:所述测量光束通过配有电弧放电间隙装置的封闭容器,所述封闭容器中填充有易燃气体;记忆示波器记录记录不同间隙参量下的击穿电压电流数据,红外热成像仪监测放电击穿起始阶段至发展过程密闭容器中间隙的能量分布规律;
步骤3:第二光分束器将电弧放电间隙装置出来的光束和第一光分束器出来的参考光束重新组合;
步骤4:利用超高速相机记录放电起始阶段的电弧建立的干涉图案,利用高速摄像机记录电弧放电过程。
4.根据权利要求3所述的研究方法,其特征在于,步骤2中,所述封闭容器中以易燃气体循环用分压方法以10Pa精度填充氢气,氧气和氮气。
5.根据权利要求4所述的研究方法,其特征在于,所述封闭容器内环境初始条件为101.3kPa,298K,氢摩尔系数为0.21,氧与氮的比为1:3.76。
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