CN111272817A - 激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿井下瓦斯煤尘爆炸研究领域，具体是一种非接触式激光辐照下热粉尘引爆可燃气体爆炸特性参数测试装置及方法。包括半导体连续波激光器、红外测温仪和爆炸容器，爆炸容器两侧壁上开有用石英玻璃进行密封的视窗，爆炸容器中设置有粉尘支架，粉尘支架上有一用于放置粉尘的凹槽，爆炸容器设置有预留孔，预留孔安装压力传感器、真空表、真空泵、充气阀和减压阀，并采用密封手段密封，爆炸容器上还设置有玻璃视窗，半导体连续波激光器和红外测温仪的激光经过激光同轴系统照射于粉尘的中央，高速纹影摄像系统设置于爆炸容器的两侧，半导体连续波激光器、红外测温仪、高速纹影摄像系统、同步触发系统和压力传感器与电脑控制中心连接。
Description
技术领域
本发明属于煤矿井下瓦斯煤尘爆炸研究领域，具体是一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置。
背景技术
瓦斯和煤尘爆炸是威胁井下安全的主要灾害，由瓦斯爆炸引起沉积粉尘的卷扬形成更具危害的粉尘爆炸事故，是常见的井下爆炸形式，故瓦斯监测控制是预防事故发生的有效手段。随着光学技术及监测技术的发展，光纤气体传感器由于其响应快，精度高等优点，逐渐取代了催化燃烧式传感器等传统监测手段。但当光纤出现破损或者光纤尖部积聚煤尘时，由于煤尘极强的吸热能力，很可能在低功率激光的照射下温度升高，作为潜在的点火源引爆存在于井下的瓦斯气体，造成爆炸事故。故为了避免该灾害的发生，需从根本上研究激光照射下炽热煤尘引爆瓦斯的过程及机理，为光纤气体传感器的设计提供依据，避免此类事故的发生。
本发明模拟再现了热粉尘引爆可燃气体的危险工况，使用能量可控的半导体激光器辐照位于可燃气体氛围中的粉尘，研究粉尘在加热情况下的温度响应，记录点燃气体所需的表面温度和延迟时间，拍摄爆炸后的火焰形态及传播情况，并通过压力峰值及压力上升速率评估爆炸威力，进而建立热粉尘引爆可燃气体的理论模型，提出预防事故发生的有效措施。相比较于现有的通过电火花或直接火烧引爆气体测试装置，非接触式激光辐照下热粉尘引爆可燃气体同步点火成像测试系统以井下爆炸事故为导向，从新的点火源视角即激光辐照下的热粉尘建立了一套气体引爆测试装置，能量输入方式精准可控，更利于事故的预防及后续理论模型的建立。在观测手段上，本发明使用响应时间远小于点火延迟时间的压力传感器、红外测温仪和高速纹影摄像系统，实现了非接触式同步点火成像测试，这相比于传统加热方式和热电偶测温更为直观和精准。
发明内容
本发明为了解决现有测试装置无法精准同步全面测试热粉尘引爆气体的过程及爆炸关键参数的问题，提供一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置。
本发明采取以下技术方案：一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，包括半导体连续波激光器、红外测温仪、高速纹影摄像系统、同步触发系统和爆炸容器，爆炸容器两侧壁上开有用石英玻璃进行密封的视窗，爆炸容器中设置有粉尘支架，粉尘支架上有一用于放置粉尘的凹槽，爆炸容器设置有预留孔，预留孔安装压力传感器、真空表、真空泵、充气阀和减压阀，并采用密封手段密封，爆炸容器上还设置有玻璃视窗，半导体连续波激光器和红外测温仪的激光经过激光同轴系统照射于粉尘的中央，高速纹影摄像系统设置于爆炸容器的两侧，半导体连续波激光器、红外测温仪、高速纹影摄像系统、同步触发系统和压力传感器与电脑控制中心连接。
进一步的，激光同轴系统包括设置在半导体连续波激光器激光光路上的准直扩束系统Ⅰ以及红外测温仪激光光路上的准直扩束系统Ⅱ，红外测温仪的激光光路以及半导体连续波激光器的激光光路分列于二向色镜的两侧，并与二向色镜成45°设置，红外测温仪的激光光路与半导体连续波激光器的激光光路的夹角为90°，半导体连续波激光器的激光光路穿过二向色镜以及聚焦镜。
进一步的，高速纹影摄像系统包括高速摄像仪、光源、狭缝、刀口、聚焦镜和反射镜，爆炸容器的两侧对称设置有反射镜，光源发出的光线经过狭缝和聚焦镜照在一侧的反射镜上并反射进爆炸容器中，爆炸容器另一侧的反射镜将爆炸容器中的光线依次通过聚焦镜和刀口反射进高速摄像仪。高速纹影摄像系统主要包括高速摄像仪及光源、狭缝、聚焦镜、反射镜等镜片组合，系统详细结构及镜片的相对位置如图1所示。高速纹影摄像系统可以突破普通高速摄像机只能拍摄可见光的局限，借助该系统可以拍摄到爆炸腔体内气-固间的传热传质过程及气体密度场的变化，这对于深入分析点火爆炸机理具有重要意义。
同步触发系统包括测温仪控制器、高速摄像仪、压力采集系统和同步触发面板，测温仪控制器、高速摄像仪和压力采集系统分别与电脑控制中心和同步触发面板相连，测温仪控制器分别与半导体连续波激光器和红外测温仪连接，压力采集系统与压力传感器连接。电脑控制中心用于设置所连仪器工作参数及储存所连仪器获得的试验参数；同步触发面板用于将测温仪发出的电信号快速传递给高速摄像仪及压力采集系统，使得试验系统可以同步开始工作；测温仪控制器可以控制激光器的输出功率值和测温仪的工作参数。
一种非接触式激光辐照下热粉尘引爆可燃气体爆炸特性参数测试装置的测试方法，包括以下步骤，
S100-将粉尘置于粉尘支架上；
S200-将爆炸容器与真空泵相连，真空泵阀门打开，充气口和减压口处的阀门关闭；
S300-将真空泵开关打开，将管道内气压抽至-1大气压，关闭真空泵，静置，观察压力值的变化，30分钟后，若压力变化小于10kPa, 则证明气密性满足试验要求；
S400-在试验装置气密性良好的前提下，打开充气阀，将瓦斯与氧气充入爆炸腔体中至腔内气压为标准大气压；
S500-关闭充气阀、真空阀、减压阀及压力表处的阀门，使整个爆炸容器处于密闭状态，静置30分钟以上；
S600-设置好半导体连续波激光器功率后，点击激光器触发按钮，全套设备同步开始工作，粉尘被加热到将球内可燃气体混合物引爆；
S700-利用红外测温仪记录激光辐照下热粉尘的温度变化过程及引爆气体时的表面温度值；利用压力传感器记录压力峰值及压力上升速率；利用高速纹影摄像系统记录点火延迟时间，气-固两相传热过程及火焰传播过程；
S800-待试验结束后，打开减压阀和真空泵，将腔体内部的反应产物及时清除。
与现有技术相比，本发明提供了一种非接触式激光辐照下热粉尘引爆可燃气体同步点火成像测试系统，该测试系统可以模拟不同颗粒，不同氛围工况下激光辐照热粉尘引爆可燃气体的全过程，配套测试装置响应时间短，可以同步记录爆炸前、爆炸时、爆炸后的温度及压力参数，并可以实时拍摄从开始加热到爆炸发生后的全过程。利用得到的温度、压力参数及火焰图像，能够对激光辐照下热粉尘引爆可燃气体的关键参数及火焰形状变化进行更为准确的计算和研究。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图；
图2为激光同轴系统示意图；
图3为同步触发系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，包括半导体连续波激光器19、红外测温仪18、高速纹影摄像系统、同步触发系统6和爆炸容器1，爆炸容器1两侧壁上开有用石英玻璃进行密封的视窗2，爆炸容器1中设置有粉尘支架4，粉尘支架4上有一用于放置粉尘的凹槽，爆炸容器1设置有预留孔，预留孔安装压力传感器15、真空表16、真空泵13、充气阀17和减压阀14，并采用密封手段密封，爆炸容器1上还设置有玻璃视窗23，半导体连续波激光器19和红外测温仪18的激光经过激光同轴系统5照射于粉尘的中央，高速纹影摄像系统设置于爆炸容器1的两侧，半导体连续波激光器19、红外测温仪18、高速纹影摄像系统、同步触发系统6和压力传感器15与电脑控制中心7连接。
如图2所示，激光同轴系统包括设置在半导体连续波激光器19激光光路上的准直扩束系统Ⅰ20.1以及红外测温仪18激光光路上的准直扩束系统Ⅱ20.2，红外测温仪18的激光光路以及半导体连续波激光器19的激光光路分列于二向色镜21的两侧，并与二向色镜21成45°设置，红外测温仪18的激光光路与半导体连续波激光器19的激光光路的夹角为90°，半导体连续波激光器19的激光光路穿过二向色镜21以及聚焦镜22。
高速纹影摄像系统包括高速摄像仪8、光源12、狭缝11、刀口9、聚焦镜10和反射镜3，爆炸容器1的两侧对称设置有反射镜3，光源12发出的光线经过狭缝11和聚焦镜10照在一侧的反射镜3上并反射进爆炸容器1中，爆炸容器1另一侧的反射镜3将爆炸容器1中的光线依次通过聚焦镜10和刀口9反射进高速摄像仪8。
如图3所示，同步触发系统6包括测温仪控制器、高速摄像仪、压力采集系统和同步触发面板，测温仪控制器、高速摄像仪和压力采集系统分别与电脑控制中心和同步触发面板相连，测温仪控制器分别与半导体连续波激光器19和红外测温仪18连接，压力采集系统与压力传感器15连接。
圆柱形爆炸容器，设计承压不低于2.5MPa；容器上预留有孔洞，用于放置压力传感器、安装压力表、布置真空泵、充气阀和减压阀，并采用密封手段密封；两个圆形底面两侧各放置一块K9钢化玻璃板，厚度不小于15mm；在圆柱形的侧壁面上开有一个30mm×50mm的矩形视窗，并用石英玻璃进行密封；内部有供粉尘支架安装于腔体中心的螺纹结构。
粉尘支架，通过螺丝固定于爆炸容器的中心，位置可以通过旋转螺丝进行微调；粉尘支架上有一凹槽，用于放置粉尘；凹槽尺寸为10mm×10mm×5mm；支架材质为金属钼。
半导体连续波激光器的激光和红外测温仪的激光经过同轴处理后应沿水平方向通过玻璃视窗，准确照射于粉尘的中央；加热激光光路先经过准直扩束系统准直为光束大小一定的近似平行光，准直后直接透过二向色镜；测温探头发出的测温激光先经过准直扩束系统形成与加热激光同等大小的光束，之后经过45°倾斜放置的二向色镜的折射作用，与加热激光实现同轴；两光束同轴后，再用聚焦镜聚焦的设计方式，使加热激光及测温激光聚焦点光斑大小与激光出纤光斑大小的比例可控。
激光器，测温仪，高速摄像仪，压力传感器通过控制电路实现同步触发，触发信号为测温仪控制器发出的电信号。为了实现同步触发，本专利采用的技术方案是：测温仪控制器、高速摄像仪和压力采集系统分别与电脑控制中心和同步触发面板相连；电脑控制中心用于设置所连仪器工作参数及储存所连仪器获得的试验参数；同步触发面板用于将测温仪发出的电信号快速传递给高速摄像仪及压力采集系统，使得试验系统可以同步开始工作；测温仪控制器可以控制激光器的输出功率值和测温仪的工作参数。同步触发系统的工作过程为：电脑控制中心发出测温仪控制器开始工作的信号，测温仪控制器接受到信号后将工作信号传递给测温仪和激光器，测温仪和激光器开始工作，同时通过同步触发面板将触发信号传递给高速摄像仪和压力采集系统，高摄摄像仪和压力采集系统开始工作。试验过程中，测温仪控制器，高速摄像仪和压力采集系统将采集到的试验数据实时传递给电脑控制中心并进行保存。
高速摄像仪镜头处应配备滤波片，过滤激光波长范围的激光。
一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置的测试方法，包括以下步骤。
S100-将粉尘置于粉尘支架上；
S200-将爆炸容器与真空泵相连，真空泵阀门打开，充气口和减压口处的阀门关闭；
S300-将真空泵开关打开，将管道内气压抽至-1大气压，关闭真空泵，静置，观察压力值的变化，30分钟后，若压力变化小于10kPa, 则证明气密性满足试验要求；
S400-在试验装置气密性良好的前提下，打开充气阀，将瓦斯与氧气充入爆炸腔体中至腔内气压为标准大气压；
S500-关闭充气阀、真空阀、减压阀及压力表处的阀门，使整个爆炸容器处于密闭状态，静置30分钟以上；
S600-设置好半导体连续波激光器功率后，点击激光器触发按钮，全套设备同步开始工作，粉尘被加热到将球内可燃气体混合物引爆；
S700-利用红外测温仪记录激光辐照下热粉尘的温度变化过程及引爆气体时的表面温度值；利用压力传感器记录压力峰值及压力上升速率；利用高速纹影摄像系统记录点火延迟时间，气-固两相传热过程及火焰传播过程；
S800-待试验结束后，打开减压阀和真空泵，将腔体内部的反应产物及时清除。
Claims (5)
1.一种激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，其特征在于：包括半导体连续波激光器（19）、红外测温仪（18）、高速纹影摄像系统、同步触发系统（6）和爆炸容器（1），爆炸容器（1）两侧壁上开有用石英玻璃进行密封的视窗（2），爆炸容器（1）中设置有粉尘支架（4），粉尘支架（4）上有一用于放置粉尘的凹槽，爆炸容器（1）设置有预留孔，预留孔安装压力传感器（15）、真空表（16）、真空泵（13）、充气阀（17）和减压阀（14），并采用密封手段密封，爆炸容器（1）上还设置有玻璃视窗（23），半导体连续波激光器（19）和红外测温仪（18）的激光经过激光同轴系统（5）照射于粉尘的中央，高速纹影摄像系统设置于爆炸容器（1）的两侧，半导体连续波激光器（19）、红外测温仪（18）、高速纹影摄像系统、同步触发系统（6）和压力传感器（15）与电脑控制中心（7）连接。
2.根据权利要求1所述的激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，其特征在于：所述的激光同轴系统包括设置在半导体连续波激光器（19）激光光路上的准直扩束系统Ⅰ（20.1）以及红外测温仪（18）激光光路上的准直扩束系统Ⅱ（20.2），红外测温仪（18）的激光光路以及半导体连续波激光器（19）的激光光路分列于二向色镜（21）的两侧，并与二向色镜（21）成45°设置，红外测温仪（18）的激光光路与半导体连续波激光器（19）的激光光路的夹角为90°，半导体连续波激光器（19）的激光光路穿过二向色镜（21）以及聚焦镜（22）。
3.根据权利要求2所述的激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，其特征在于：所述的高速纹影摄像系统包括高速摄像仪（8）、光源（12）、狭缝（11）、刀口（9）、聚焦镜（10）和反射镜（3），爆炸容器（1）的两侧对称设置有反射镜（3），光源（12）发出的光线经过狭缝（11）和聚焦镜（10）照在一侧的反射镜（3）上并反射进爆炸容器（1）中，爆炸容器（1）另一侧的反射镜（3）将爆炸容器（1）中的光线依次通过聚焦镜（10）和刀口（9）反射进高速摄像仪（8）。
4.根据权利要求3所述的激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置，其特征在于：所述的同步触发系统（6）包括测温仪控制器、高速摄像仪、压力采集系统和同步触发面板，测温仪控制器、高速摄像仪和压力采集系统分别与电脑控制中心和同步触发面板相连，测温仪控制器分别与半导体连续波激光器（19）和红外测温仪（18）连接，压力采集系统与压力传感器（15）连接。
5.一种如权利要求4所述的激光辐照下热粉尘引燃可燃气体爆炸特性参数测试装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100-将粉尘置于粉尘支架上；
S200-将爆炸容器与真空泵相连，真空泵阀门打开，充气口和减压口处的阀门关闭；
S300-将真空泵开关打开，将管道内气压抽至-1大气压，关闭真空泵，静置，观察压力表值的变化，30分钟后，若压力变化小于10kPa, 则证明气密性满足试验要求；
S400-在试验装置气密性良好的前提下，打开充气阀，将瓦斯与氧气充入爆炸腔体中至腔内气压为标准大气压；
S500-关闭充气阀、真空阀、减压阀及压力表处的阀门，使整个爆炸容器处于密闭状态，静置30分钟以上；
S600-设置好半导体连续波激光器功率后，点击激光器触发按钮，全套设备同步开始工作，粉尘被加热到将球内可燃气体混合物引爆；
S700-利用红外测温仪记录激光辐照下热粉尘的温度变化过程及引爆气体时的表面温度值；利用压力传感器记录压力峰值及压力上升速率；利用高速纹影摄像系统记录点火延迟时间，气-固两相传热过程及火焰传播过程；
S800-待试验结束后，打开减压阀和真空泵，将腔体内部的反应产物及时清除。
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