CN112051184A - 一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统及方法，涉及活性材料领域。一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统包括：密闭容器、同步触发装置、超压传感器、瞬态光纤高温计、红外热像仪、示波器以及计算终端；同步触发装置，输入端与密闭容器连接，输出端分别与超压传感器、示波器以及红外热像仪的触发端连接，用于获取密闭容器内部活性材料爆燃生成的光信号，将光信号转换为电信号后进行放大，并将放大后的电信号作为触发信号传输至超压传感器、示波器以及红外热像仪；其能够通过实时测量密闭容器内气体产物的温度、超压以及密闭容器外壁温度。此外本发明还提出一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及活性材料领域，具体而言，涉及一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统及方法。
背景技术
近年来，铝/聚四氟乙烯(Al/PTFE)活性材料因具有感度适宜、释能效率高和反应生成气体等特点，成为最具应用前景的活性材料之一，活性材料的反应释能是衡量其毁伤威力的重要指标。然而，冲击载荷下Al/PTFE活性材料不能完全反应，无法得到活性材料的化学反应热值。因此，有必要提出测试Al/PTFE活性材料反应释能可行的实验方法。烤燃实验是评估活性材料热响应特性的主要方法，国内外学者对活性材料的烤燃实验研究主要集中在炸药和推进剂领域。
目前，国内外主要采用多点测温法对炸药进行烤燃实验，获得炸药内部温度变化及点火时间等热反应特征参数。
目前国内外学者所设计的烤燃实验主要研究活性材料在热刺激下的温度变化、点火时间等响应特性，无法针对定量活性材料反应释能进行反应释能实时准确计算及活性材料反应释能进行定量评价。
发明内容
本发明的目的在于提供一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其能够进行一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法的实验。
本发明的另一目的在于提供一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法，其能够通过实时测量密闭容器内气体产物的温度、超压以及密闭容器外壁温度，定量评价活性材料的反应释能。
本发明的实施例是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其包括密闭容器、同步触发装置、超压传感器、瞬态光纤高温计、红外热像仪、示波器以及计算终端；同步触发装置，输入端与密闭容器连接，输出端分别与超压传感器、示波器以及红外热像仪的触发端连接，用于获取密闭容器内部活性材料爆燃生成的光信号，将光信号转换为电信号后进行放大，并将放大后的电信号作为触发信号传输至超压传感器、示波器以及红外热像仪；超压传感器，输入端与密闭容器连接，输出端与计算终端连接，用于获取密闭容器内部超压信号，并将密闭容器内部超压信号输出给计算终端；瞬态光纤高温计，输入端与密闭容器连接，输出端与示波器连接，用于获取密闭容器内部各波段的电信号，并将获取的各波段的电信号输出给示波器；红外热像仪，朝向密闭容器设置，其输出端与计算终端连接，用于采集密闭容器的外壁温度信息并将信息传输给计算终端；计算终端的输入端分别连接超压传感器和红外热像仪。
在本发明的一些实施例中，上述同步触发装置包括：至少一个光纤探头；光纤探头设置在密闭容器内部；光敏二极管，光敏二极管的一端与光纤探头连接，与光敏二极管连接的光纤探头用于收集密闭容器内部活性材料爆燃产生的光信号；运算放大器，运算放大器的一端连接光敏二极管，另一端分别与示波器、超压传感器、红外热像仪连接。
在本发明的一些实施例中，上述光纤探头包括：第一光纤探头和第二光纤探头；第一光纤探头设置在密闭容器顶端，第一光纤探头与光敏二极管连接；第二光纤探头设置在密闭容器的腔体内部，第二光纤探头与瞬态光纤高温计连接。
在本发明的一些实施例中，上述计算终端包括：第一计算终端和第二计算终端；第一计算终端与超压传感器连接，第二计算终端与红外热像仪连接。
在本发明的一些实施例中，上述密闭容器的外壁开设有用于容纳瞬态光纤高温计的光纤探头的通孔。
在本发明的一些实施例中，上述密闭容器的外壁开设有用于容纳超压传感器的超压探头的通孔。
在本发明的一些实施例中，上述瞬态光纤高温计包括接收400nm、500nm、600nm以及700nm的波段，各个波段对应各个输出端的示波器。
在本发明的一些实施例中，上述密闭容器底部设置有碳化硅陶瓷板。
第二方面，本申请实施例提供一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法，其包括如下步骤：将待测活性材料置于密闭容器内部并通过外部热源加热，至待测活性材料爆燃；将爆燃产生的光信号转换为弱电信号并放大；放大后的电信号分别触发超压传感器、示波器和红外热像仪；超压传感器获取密闭容器内部超压并输出给计算终端；瞬态光纤高温计通过多个波段获取密闭容器内部各波段的电信号并对应输出至示波器；红外热像仪测得密闭容器外壁温升；进行数据梳理计算获得待测活性材料在烤燃条件下反应释放的能量。
在本发明的一些实施例中，上述释放的能量公式为：
EQ＝mgCvg(T-T0)+mpCvpT+(P-P0)V+msCvsΔT2-mrCvrT0；
其中，mg为反应前密闭容器内空气的质量，Cvg为空气的定容比热，T为反应后混合气体的温度，T0为密闭容器内气体的初始温度，mp为气体产物的质量，Cvp为气体产物的定容比热，P为反应后混合气体的压强，P0为大气压强，V为容器体积，ms为密闭容器的质量，Cvs为密闭容器的定容比热，ΔT2为密闭容器的温升，mr为活性材料Al/PTFE的质量，Cvr为活性材料的定容比热。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
1.本发明提供的密闭容器活性材料烤燃测试系统可对活性材料烤燃过程中的关键物理量进行实时监测，并通过理论公式可快速计算活性材料的反应释能，实现活性材料反应释能的定量评价；
2.结构简单，操作方便，适用于不同质量和配方的活性材料。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的密闭容器活性材料烤燃实验测试系统示意图；
图2为本发明实施例提供的Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器内气体的温度时程；
图3为本发明实施例提供的Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器内气体的超压时程；
图4为本发明实施例提供的Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器侧壁外表面的温度时程；
图5为本发明实施例提供的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法步骤示意图。
图标：10-密闭容器；20-第一光纤探头；30-光敏二极管；40-运算放大器；50-示波器；60-瞬态光纤高温计；70-乙炔/氧气热源；80-第二光纤探头；90-待测活性材料；100-碳化硅陶瓷板；110-超压探头；120-超压传感器；130-第一计算终端；140-第二计算终端；150-红外热像仪。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
请参照图1，图1为本发明实施例提供的密闭容器活性材料烤燃实验测试系统示意图，其包括密闭容器10、同步触发装置、超压传感器120、瞬态光纤高温计60、红外热像仪150、示波器50以及计算终端；
同步触发装置包括光敏二极管30、第一光纤探头20以及运算放大器40；计算终端包括第一计算终端130和第二计算终端140；瞬态光纤高温计60包括瞬态光纤高温计60本体及第二光纤探头80；超压传感器120还包括超压探头110。
待测活性材料90置于密闭容器10底板中心，采用乙炔/氧气热源70加热密闭容器10底板，待测活性材料90升温发生爆燃。活性材料爆燃产生的光信号经第一光纤探头20传至光敏二极管30，光敏二极管30将光信号转换为弱电信号，经运算放大器40放大后的电信号分别触发超压传感器120、示波器50和红外热像仪150。
密闭容器10外壁设有光纤探头孔，与瞬态光纤高温计60连接的第二光纤探头80伸入所述光纤探头孔10-20mm，指向所述密闭容器10底部。
瞬态光纤高温计60与数字荧光示波器50连接，瞬态光纤高温计60用于监测烤燃实验过程中密闭容器10内反应产物的温升情况。
密闭容器10外壁设有超压探头110孔，超压传感器120的超压探头110采用螺纹连接方式与所述超压探头110孔连接，超压传感器120与第一计算终端130连接，超压传感器120用于监测烤燃实验过程中密闭容器10内气体的超压时程。
红外热像仪150与第二计算终端140连接，红外热像仪150放置于密闭容器10的侧方，距离密闭容器10轴线2m，用于监测记录烤燃实验过程中密闭容器10外壁的温升情况。
密闭容器10由45#钢加工而成，且密闭容器10底部设有碳化硅陶瓷板100。
结合图1，密闭容器10呈圆柱体，包括侧壁、顶板、底板，顶板、底板分别与侧壁通过法兰连接，使用硅酸铝纤维垫密封。
密闭容器10的内部直径为150mm，内部高度为500mm，厚度为4.5mm的45#钢，底部放置碳化硅陶瓷板100。
将粒径5μm的Al粉和粒径34μm的聚四氟乙烯粉按质量比26.5:73.5均匀混合形成混合粉末，称取6.5g作为待测活性材料90。
待测活性材料90置于碳化硅陶瓷板100中心，采用乙炔/氧气热源70加热密闭容器10底部，待测活性材料90升温发生爆燃。
活性材料爆燃产生的光信号经第一光纤探头20传至光敏二极管30，光敏二极管30将光信号转换为弱电信号，经运算放大器40放大后的电信号分别触发超压传感器120、示波器50和红外热像仪150。
在侧壁距底面250mm高度处垂直侧壁开螺纹孔作为测压孔，超压传感器120的超压探头110通过螺纹接口旋入测压孔。超压传感器120的输出端接第一计算终端130，第一计算终端130可以为计算机。
在密闭容器10侧壁开螺纹孔作为测温孔，瞬态光纤高温计60的第二光纤探头80通过螺纹接口旋入测温孔，伸入光纤探头孔10-20mm，指向密闭容器10底部。
瞬态光纤高温计60使用400nm、500nm、600nm、700nm共4个波段，对应的四个输出端接示波器50。
红外热像仪150距离密闭容器10轴线2m，使密闭容器10处于红外热像仪150的视场中心。红外热像仪150与第二计算终端140连接，第二计算终端140可以为计算机。
爆燃瞬间乙炔/氧气热源70停止加热，从乙炔/氧气热源70开始加热到爆燃发生后10s的时间段内，由瞬态光纤高温计60测量密闭容器10内的气体温度，由超压传感器120测量密闭容器10内的气体超压，由红外热像仪150测量密闭容器10侧壁的外表面温度。
结合图2所示，瞬态光纤高温计60测得的6.5g Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器10内气体温度时程，峰值温度为6800K，平台温度为1520K。
结合图3所示，超压传感器120测得的6.5g Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器10内气体超压时程，峰值超压为0.25MPa。
结合图4所示，红外热像仪150测得的6.5g Al/PTFE活性材料烤燃实验密闭容器10侧壁外表面温度时程，外壁温升为8.5K。
通过释放的能量公式
EQ＝mgCvg(T-T0)+mpCvpT+(P-P0)V+msCvsΔT2-mrCvrT0
将测得数据分别代入进去计算。
公式中各参数的值为：mg＝1.1637×10-2kg；Cvg＝732J·kg-1·K-1；T＝1520K；T0＝40℃；mp＝3.71×10-3kg；Cvp＝757J·kg-1·K-1；P＝0.26MPa；P0＝0.1MPa；V＝9×10-3m3；ms＝10.713kg；Cvs＝460J·kg-1·K-1；ΔT2＝8.5K；mr＝6.5g；Cvr＝1005J·kg-1·K-1。
通过数据处理，得到本实施例的6.5g待测活性材料90在烤燃条件下反应释放的能量为61.7kJ。
上述实施例中，本发明构建的密闭容器10内烤燃活性材料反应释能定量评价系统可快速计算不同质量和配比活性材料的反应释能，烤燃实验系统结构简单、操作方便，不受外界环境影响，具有广阔的实用价值和研究价值。
实施例2
请参照图5，图5为本发明实施例提供的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法步骤示意图，其包括如下步骤：
步骤S100，将待测活性材料置于密闭容器内部并通过外部热源加热，至待测活性材料爆燃；
在一些实施方式中，待测活性材料置于碳化硅陶瓷板中心，采用乙炔/氧气热源加热密闭容器底部，待测活性材料升温发生爆燃。
步骤S110，将爆燃产生的光信号转换为弱电信号并放大；
在一些实施方式中，活性材料爆燃产生的光信号经光纤探头传至光敏二极管，光敏二极管将光信号转换为弱电信号，经运算放大器对弱电信号放大。
步骤S120，放大后的电信号分别触发超压传感器、示波器和红外热像仪；
在一些实施方式中，经运算放大器放大后的电信号分别触发超压传感器、瞬态光纤高温计和红外热像仪。
步骤S130，超压传感器获取密闭容器内部超压并输出给计算终端；
在一些实施方式中，爆燃瞬间乙炔/氧气热源停止加热，从乙炔/氧气热源开始加热到爆燃发生后10s的时间段内，由超压传感器测量密闭容器内的气体超压，并将数据输出给计算终端。
步骤S140，瞬态光纤高温计通过多个波段获取密闭容器内部各波段电信号并对应输出至示波器；
在一些实施方式中，爆燃瞬间乙炔/氧气热源停止加热，从乙炔/氧气热源开始加热到爆燃发生后10s的时间段内，由瞬态光纤高温计测量密闭容器内的气体温度。瞬态光纤高温计使用400nm、500nm、600nm、700nm共4个波段，对应的四个输出端接示波器。
步骤S150，红外热像仪测得密闭容器外壁温升；
在一些实施方式中，爆燃瞬间乙炔/氧气热源停止加热，从乙炔/氧气热源开始加热到爆燃发生后10s的时间段内，由红外热像仪测量密闭容器侧壁的外表面温度。
步骤S160，进行数据梳理计算获得待测活性材料在烤燃条件下反应释放的能量；
在一些实施方式中，烤燃过程中活性材料Al/PTFE释放的总能量可通过式EQ＝mgCvg(T-T0)+mpCvpT+(P-P0)V+msCvsΔT2-mrCvrT0进行计算。
综上，本发明的实施例提供一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统及方法，其可对活性材料烤燃过程中的关键物理量进行实时监测，并通过理论公式可快速计算活性材料的反应释能，实现活性材料反应释能的定量评价；且结构简单，操作方便，适用于不同质量和配方的活性材料。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于，包括：
密闭容器、同步触发装置、超压传感器、瞬态光纤高温计、红外热像仪、示波器以及计算终端；
所述同步触发装置，输入端与所述密闭容器连接，输出端分别与超压传感器、示波器以及红外热像仪的触发端连接，用于获取密闭容器内部活性材料爆燃生成的光信号，将光信号转换为电信号后进行放大，并将放大后的电信号作为触发信号传输至所述超压传感器、示波器以及红外热像仪；
所述超压传感器，输入端与密闭容器连接，输出端与计算终端连接，用于获取密闭容器内部超压信号，并将密闭容器内部超压信号输出给所述计算终端；
所述瞬态光纤高温计，输入端与密闭容器连接，输出端与所述示波器连接，用于获取密闭容器内部各波段的电信号，并将获取的各波段的电信号输出给所述示波器；
所述红外热像仪，朝向所述密闭容器设置，其输出端与计算终端连接，用于采集所述密闭容器的外壁温度信息并将信息传输给所述计算终端；
所述计算终端的输入端分别连接超压传感器和红外热像仪。
2.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于，所述同步触发装置包括：至少一个光纤探头；所述光纤探头设置在所述密闭容器内部；
光敏二极管，所述光敏二极管的一端与光纤探头连接，与所述光敏二极管连接的光纤探头用于收集密闭容器内部活性材料爆燃产生的光信号；
运算放大器，所述运算放大器的一端连接所述光敏二极管，另一端分别与所述示波器、所述超压传感器、所述红外热像仪连接。
3.根据权利要求2所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于，所述光纤探头包括：第一光纤探头和第二光纤探头；所述第一光纤探头设置在所述密闭容器顶端，所述第一光纤探头与光敏二极管连接；所述第二光纤探头设置在所述密闭容器的腔体内部，所述第二光纤探头与所述瞬态光纤高温计连接。
4.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于，所述计算终端包括：第一计算终端和第二计算终端；所述第一计算终端与所述超压传感器连接，所述第二计算终端与所述红外热像仪连接。
5.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于：所述密闭容器的外壁开设有用于容纳所述瞬态光纤高温计的光纤探头的通孔。
6.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于：所述密闭容器的外壁开设有用于容纳所述超压传感器的超压探头的通孔。
7.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于：所述瞬态光纤高温计包括接收400nm、500nm、600nm以及700nm的波段，各个波段对应各个输出端的示波器。
8.根据权利要求1所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试系统，其特征在于：所述密闭容器底部设置有碳化硅陶瓷板。
9.一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
将待测活性材料置于密闭容器内部并通过外部热源加热，至待测活性材料爆燃；
将爆燃产生的光信号转换为弱电信号并放大；
放大后的电信号分别触发超压传感器、示波器和红外热像仪；
超压传感器获取密闭容器内部超压并输出给计算终端；
瞬态光纤高温计通过多个波段获取密闭容器内部的温度并对应输出至示波器；
红外热像仪测得密闭容器外壁温升；
进行数据梳理计算获得待测活性材料在烤燃条件下反应释放的能量。
10.根据权利要求9所述的一种密闭容器活性材料烤燃实验测试方法，其特征在于：
释放的能量公式为
EQ＝mgCvg(T-T0)+mpCvpT+(P-P0)V+msCvsΔT2-mrCvrT0；
mg为反应前密闭容器内空气的质量，Cvg为空气的定容比热，T为反应后混合气体的温度，T0为密闭容器内气体的初始温度，mp为气体产物的质量，Cvp为气体产物的定容比热，P为反应后混合气体的压强，P0为大气压强，V为容器体积，ms为密闭容器的质量，Cvs为密闭容器的定容比热，ΔT2为密闭容器的温升，mr为活性材料Al/PTFE的质量，Cvr为活性材料的定容比热。
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