CN112285159B - 一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法，该方法属于爆炸毁伤效应评估领域，具体包括校正环境中传感器常氧量，设定传感器内侧温度，确定传感器测点范围，选择探头表面最佳气流方向，记录氧浓度测试数据，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。本发明所提出的炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法，能够实现对密闭环境或开敞环境下爆炸氧浓度的瞬态数据采集，能获得较高的测量灵敏度及准确度，利用材料特性及抗压能力扩充了现有的炸药爆炸环境下氧浓度测量方法。

Description

一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法

技术领域

本发明涉及一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法，属于爆炸毁伤领域。

背景技术

20世纪70年代以来，世界范围内重大工业事故不断发生，其中，爆炸事故以其严重的环境损害、惨痛的人员伤亡、巨大的财产损失给人类正常的生产、生活造成了巨大的威胁和伤害。爆炸毁伤效应的研究对降低经济损失，减少人员伤亡有着重要的意义。1868年起，国外就有学者发表了应用于爆炸与武器攻击毁伤效应研究的文献，世界各国科学家开始进行大量的爆炸伤害实验研究，20世纪80年代，对毁伤评估数字仿真平台的开发已经提上日程，这种平台可将各种弹药对目标的毁伤代码挂接进去，目前已经能实现评估几种弹药(包括导弹战斗部、CE、KE、AP及HE等)对几种目标(包括舰艇、坦克、步战车及飞机等)的毁伤效果分析。

爆炸毁伤效应一般包括冲击波毁伤效应、热辐射毁伤效应、破片毁伤效应和窒息毁伤效应等，而这几种毁伤效应中，窒息毁伤效应的分析研究最为滞缓。2000年之前，我国学者诸如李峥、王正国等通过分析大量化爆试验，对冲击波致伤作了综述，2004年，何志光学者估算火球热辐射效应，选择适用FAE爆炸的评价方法，2007年王连矩等学者对温压炸药的破坏效应进行了相关分析。2012年，胡岚等学者采用电化学传感器技术进行了爆轰气体及火药气体的实时测试,初步建立了耗氧效应的测试评估方法,为毁伤效能评估提供了技术支撑，西安近代化学研究所对温压炸药的爆炸窒息效应也有过相关的研究，他们采用电化学测氧装置实现了对温压炸药引爆后的耗氧情况的测量，获得了温压炸药爆炸后的最低氧浓度。

不同炸药耗氧程度略有不同，其中温压炸药的耗氧能力较为突出。炸药爆炸过程分为三个阶段，首先是无氧爆轰阶段，然后是无氧燃烧反应阶段，最后是爆炸后有氧燃烧阶段。前两个阶段均不需要空气中氧气的参与，而最后一个阶段需要吸收空气中的氧气进行燃烧反应，因此会造成爆炸场内局部缺氧，燃烧反应会生成大量一氧化碳、二氧化碳等有毒气体，造成人员窒息，因此，对窒息毁伤效应的研究显得尤是即为必要的。

目前，以电化学传感器测量为主的爆炸窒息毁伤效应测试较多，但电化学传感器耐压、反应时间、耐温等技术参数均受到一定程度的限制，试验成果有限。

电化学氧气传感器的测量是基于离子在电解质中的交换，将待测物的化学量变化转变为电学量变化，响应时间即包含了化学反应时间和电学量转化输出时间。氧化锆氧气传感器的测量原理是基于高温下将因氧气电离后形成的浓度差所得到的电压差进行转化，输出氧浓度信号。相较而言，电化学氧传感器的响应时间并不能达到瞬时测量的标准，更因其电化学的材料特性，承压能力与外置不锈钢材料的氧化锆氧气传感器有一定差距。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法。

实现本发明的技术方案如下：

一种用于评估炸药爆炸窒息效应的瞬时氧浓度测量方法，根据外场实验条件进行传感器环境常氧量的校正，随后设定传感器内侧的温度，再利用爆炸经验公式与静压试验结果，确定传感器在爆炸场内的极限测量范围，选择探头表面最佳气流方向，最后根据采集的氧浓度数据，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。包括如下步骤：

步骤一：消除样气气流对传感器本底电势的影响；

基于不同爆炸实验的测试环境，具体为鉴于特殊的外场实验条件，高原、开敞平地或密闭环境内的气压的差异，对环境氧浓度也随测试条件进行变化，试验前对探头输入环境样气，降低气压对氧浓度测量的影响，在爆炸试验前使传感器内外两侧的测试环境氛围保持一致，减少基底电势值变化造成的氧电势误差，进行传感器环境常氧量的校正；

步骤二：设定传感器内侧温度；

基于氧化锆材料在一定高温下晶体结构发生变化的特性，通过氧分析仪调整设定传感器最终上升到达的内侧温度，达到设定温度后，运行氧浓度采集装置；

步骤三：确定传感器测点范围；

根据参比爆炸经验公式与静压试验结果确定传感器在爆炸场内的极限测量范围；利用炸药爆炸试验后推导的超压经验公式，结合数值计算软件，将得到的炸药压力场超压值与传感器静压试验结果作参比，以静压试验的最大压力值作为传感器的抗压极限，在炸药爆炸试验中，以药柱为核心，极限承压距离为半径，极限承压面积范围内在试验场地中依据测试的承压条件、距离条件、氧量最大接触量条件选择传感器测点；

步骤四：选择探头表面最佳气流方向；

使探头与平行爆炸气流相垂直，避免传感器测试端直接受到冲击波冲击，在此条件下根据实验场地的变化、探头不同测量深度下最大氧气接触量的变化调整探头倾角；

步骤五：获得爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线；

在炸药引爆后，对已采集的对应时长内、频率下、精度下、氧浓度范围内的数据进行有效性判断，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。

进一步的，传感器材料为氧化锆，其在高温下晶体结构发生变化，材料内外表面形成氧浓度差产生氧电势，利用氧电势的变化表征氧浓度的变化。

进一步的，步骤三中传感器测点范围的选择方法如下：

利用Cranz相似律通过多次重复性试验得到空中点源固体炸药的爆炸冲击波超压计算式，基于不同比例距离，超压相同的准则，得到：

式中，W为装药质量，R为距爆炸中心的距离，Δpm是W、R的函数，利用泰勒公式进行多项式展开：

取用前三项，并利用实验拟合确定A1，A2，A3；

基于实验拟合确定的某炸药爆炸冲击波超压计算公式，继而对氧化锆探头进行静压试验；

结合实验拟合的炸药爆炸冲击波超压计算公式与氧化锆探头的静压试验能力，选择传感器的极限测点范围。

进一步的，静压试验具体如下：连接气体密闭装置与氧化锆探头，通过填充样气使密闭装置内静压强以0.1mpa的数值上升，从0.5mpa开始试验探头的测氧能力：当探头在某定值静压下稳定十分钟后，检验氧化锆探头的正常运行能力，直至探头达到失效极限耐压值；随后，选用同型号的氧化锆探头进行多次重复性试验，以其均值作为探头所能承受的最大静压值。

进一步的，步骤四中，探头表面最佳气流方向的选择，具体为：

通过以下公式预估氧气与探头的最大接触量：

式中，h为爆炸平行气流与探头表面相交面的直径，d为探头表面与爆炸平行气流的高度差，单位均为mm；

根据最大氧气接触量的变化，对探头的倾角进行调整。

进一步的，步骤五中，获得的爆炸氧浓度变化曲线中，判断氧浓度数据有效性，根据如下过程进行判断有效性，具体为：

初步判断炸药耗氧能力，针对C_aH_bO_cN_d类炸药，引入氧平衡和氧系数的基础知识，对爆炸前的炸药耗氧程度进行初步评判，根据氧平衡和氧系数的公式：

式中，Mr是炸药的相对分子质量。

OB即为氧平衡的无量纲参量，A为氧系数的无量纲参量；

利用氧平衡和氧系数的两个炸药热力学参量，表征炸药的做功趋势、是否为正氧平衡或负氧平衡，初步判断炸药的耗氧能力；再利用C_aH_bO_cN_d类炸药的基础爆炸变化方程，进行爆炸产物占比、爆炸产物的化学反应耗氧分析；

C_aH_bO_cN_d＝xCO₂+yCO+zC+uH₂O+wN₂+hH₂+Q_v

最后，结合炸药在稳定测试环境下进行的多次爆炸氧浓度测量重复性试验，将初步判断与试验结果共同作为氧浓度数据有效性的判据。

本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：1、氧化锆传感器特殊的技术参数使其避免电化学传感器测量时反应时间较长、耐压能力较低、耐高温能力较差的缺点，提高了测量准确度并最大程度的实现了瞬时爆炸氧浓度的测量；2、本测量方法在实验开始前对传感器的环境氧含量进行了校正，避免了环境气压对测试氧浓度变化的影响；3、本测量方法对于传感器测点的选择结合了数值计算与静压试验的结果，最大程度的实现了传感器在爆炸场中的承压极限测量能力；4、本方法对于氧浓度数据有效性的判断是基于多次重复性试验及化学性质分析的基础上，使炸药爆炸窒息效应表征参数的提取更具可靠性，同时，风速与压力的采集纳入影响爆炸氧浓度测量的影响因子也为爆炸氧浓度变化的影响因素分析进行了数据补充。

附图说明

图1为本发明方法的具体应用图。

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明

一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法，工艺过程如图2，本方法具体包括校正环境中传感器常氧量，设定传感器内侧温度，确定传感器测点范围，选择探头表面最佳气流方向，记录氧浓度测试数据，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。

首先消除样气气流对传感器本底电势的影响，通过调整样气气流下传感器本底电势数值对传感器的环境常氧量进行校正；再基于氧化锆材料在一定高温下晶体发生结构变化的特性设定传感器最终上升到达的内侧温度；为避免传感器测试端直接受到冲击波冲击，使探头与平行爆炸气流相垂直，在此条件下根据实验场地的变化及探头不同测量深度下最大氧气接触量的变化调整探头倾角；参比爆炸经验公式与静压试验结果确定传感器在爆炸场内的极限测量范围；在炸药引爆后，对已采集的一定时长内、一定频率下、一定精度下、一定氧浓度范围内的数据进行有效性判断，提取能纳入爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。

环境中传感器常氧量的校正方法是基于不同爆炸实验的测试环境，鉴于特殊的外场实验条件，高原、开敞平地及密闭环境内的气压略有不同，环境氧浓度也随测试条件进行变化，试验前输入环境样气能降低气压等外场测试环境对氧浓度测量的影响，在爆炸试验前使传感器内外两侧的测试环境氛围保持一致，能减少基底电势值变化造成的氧电势误差。

传感器内侧温度的设定是由于传感器材料在一定高温下发生晶体变化，氧离子在传感器内外两侧产生空穴迁移，传感器内外两侧产生不同电动势，将采集到的电势能通过能斯特方程转化为氧浓度数值。

爆炸场内传感器极限测量范围的选择是建立在结合炸药爆炸压力场经验数值及静压试验参比的基础上。利用不同炸药爆炸试验后推导的超压经验公式，结合数值计算软件，将得到的炸药压力场超压值与传感器静压试验结果作参比，以静压试验的最大压力值作为传感器的抗压极限，在炸药爆炸试验中，以药柱为核心，极限承压距离为半径，于所述极限承压面积范围内在不同试验场地中依据测试的承压条件、距离条件、氧量最大接触量条件等选择传感器测点。

氧浓度数据的测试记录，以爆炸后氧浓度经最值恢复至环境氧浓度的总时长作为回氧时间，其最低氧浓度值与环境氧浓度的差值作为炸药的最大耗氧量，为实现爆炸氧浓度的测量分析，最高耐压能力达0.8mpa，除了引入高温下传感材料内外表面氧浓度差产生氧电势，测试过程中还考虑了压力、风速对回氧速率的影响，将压力、风速纳入炸药爆炸窒息效应氧浓度的测量中。

探头表面最佳气流方向的选择与传感器表面氧气的最大接触量有关。

对传感器进行防护后，在试验前，先基于传感器测试方向与爆炸气流传递方向的垂直，在实验场地变化及探头不同测量深度的测试条件下通过预估爆炸气流与传感器表面的最大接触量选择传感器最佳倾角。

氧浓度数据有效性的判断是建立在对炸药性质的分析及多次重复性试验的基础上，根据不同炸药的化学性质及爆炸过程中的化学反应初步分析不同炸药的耗氧程度，再将炸药在相同环境下进行爆炸最低氧浓度测量的多次重复性试验，取得不同炸药爆炸后的回氧规律，以之作为试验有效性判断的依据。

对有效性数据进行分析处理，根据得到的氧浓度与时间的变化曲线提取得到回氧半峰宽、回氧峰面积、回氧速率、回氧波形等一系列后续用于评估炸药爆炸窒息效应的参量。

通过本方法，可实现对炸药爆炸的瞬时氧浓度测量，提高了爆炸场测量氧浓度的承压能力、耐受能力，获得了较高的灵敏度及准确度，并能将有效性数据应用于炸药爆炸窒息效应的评估中。

本发明采用了一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量装置，包括炸引爆装置、测试装置和数据采集装置。所述引爆装置包括药柱、控制器、引线，引线对药柱及控制器进行连接。所述测试装置包括氧化锆氧浓度传感器、压力传感器、高速相机、风速仪，氧化锆氧浓度传感器、压力传感器测试方向与爆炸气流传递方向保持垂直，利用被测炸药的爆炸效应特点和爆炸压力场的计算确定氧化锆测氧装置测点，压力传感器测点与之保持一致。数据采集装置包括氧化锆氧浓度数据采集分析模块、爆炸压力及风速计算模块和图像分析模块。

根据上述方法，以TNT实施案例说明本发明方法的运用。

一种炸药爆炸窒息效应评估用的瞬时氧浓度的测量方法，包括校正环境中传感器常氧量，设定传感器内侧温度，确定传感器测点，选择探头表面最佳气流方向，记录氧浓度测试数据，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线。

先消除样气气流对传感器本底电势的影响，进行传感器环境常氧量的校正；基于氧化锆材料高温下晶体发生变化的特性进行内侧温度的设定；避免传感器测试端直接受到冲击波冲击的条件下，根据氧气的最大接触量选择探头接触的最佳气流方向；利用爆炸经验公式与静压试验结果确定传感器在爆炸场内的测点；在炸药引爆后，对已采集的一定时长内、一定频率下、一定精度下、一定氧浓度范围内的数据进行有效性判断，将符合爆炸氧浓度变化曲线的数据纳入爆炸窒息效应评估参数的提取。

如图1为TNT炸药爆炸氧浓度测试过程中的实施图。所采用的的测试主要分为引爆装置、测试装置、采集装置。引爆装置包括药柱、控制器、引线，引线对药柱及控制器进行连接。测试装置包括氧化锆氧浓度传感器、压力传感器、高速相机、风速仪，氧化锆氧浓度传感器、压力传感器测试方向与爆炸气流传递方向保持垂直，氧化锆氧浓度传感器位于保护夹具中，保护夹具顶部与测点地面平行，压力传感器伸出测量面与氧化锆测氧探头测量面控制在同一纵轴线上，高速相机测点位于安全远场处，并用玻璃罩对其进行保护，采用高速相机判定爆炸起始时间并记录试验过程，对爆炸产物运动进行后续的图像分析。采集装置包括氧浓度采集模块及压力采集模块。

由于是平原上开敞空间的炸药爆炸氧浓度测试，在该测试环境下对传感器底部导入环境气流，使传感器内外两侧接触气体保持一致，调整仪表中偏移的基底电势，使氧浓度测量值维持在稳定浓度，实现环境中传感器常氧量的校正。

然后对对传感器进行静压测试及压力场数值计算。在静压试验中，使传感器端口与密闭气体通道相连，密闭气体以一定压力值冲击传感器端口的同时利用传感器测量氧浓度，得到传感器的极限承压能力。

根据已获取TNT爆炸的超压经验公式：

式中，W_TNT为炸药的TNT当量，kg；r为测点到爆炸中心的距离，m；ΔP_m为应急装备所处的位置对应的超压，kg/cm2；K为爆炸系数，空中爆炸时取1，刚性地面爆炸取2，沙土地面爆炸取1.8。

结合超压经验公式数值计算的压力场及静压试验结果选择传感器在爆炸中的测点。

基于传感器测试方向与爆炸气流传递方向的垂直，通过预估爆炸气流与传感器表面的最大接触量选择传感器最佳倾角，决定传感器最佳气流方向。测试前先对传感器温度进行设定，待温度稳定到设定值后开始测试，测试结束后对氧浓度、压力、风速数据进行记录。

将炸药在相同环境下进行爆炸最低氧浓度测量的多次重复性试验，根据不同炸药的化学性质及爆炸过程中的化学反应初步分析不同炸药的耗氧程度，取得不同炸药爆炸后的回氧规律，将规律曲线与实验曲线进行对照，使吻合的曲线作为有效性曲线，将吻合曲线中的有效性数据应用于爆炸窒息效应的评估中。

炸药性质的分析及多次重复性试验的基础上，根据被测物的化学性质及爆炸过程涉及的化学反应初步分析被测样的爆炸耗氧效果，再将炸药在稳定测试环境下进行爆炸氧浓度测量的多次重复性试验，取得被测样的爆炸回氧规律，以之作为判断试验有效性的依据。

判断氧浓度数据有效性，具体为：

初步判断炸药耗氧能力，针对C_aH_bO_cN_d类炸药，引入氧平衡和氧系数的基础知识，对爆炸前的炸药耗氧程度进行初步评判，根据氧平衡和氧系数的公式：

式中，Mr是炸药的相对分子质量。

OB即为氧平衡的无量纲参量，A为氧系数的无量纲参量。

利用氧平衡和氧系数的两个炸药热力学参量，表征炸药的做功趋势、是否为正氧平衡或负氧平衡，初步判断炸药的耗氧能力；再利用C_aH_bO_cN_d类炸药的基础爆炸变化方程，进行爆炸产物占比、爆炸产物的化学反应耗氧分析。

C_aH_bO_cN_d＝xCO₂+yCO+zC+uH₂O+wN₂+hH₂+Q_v

最后，结合炸药在稳定测试环境下进行的多次爆炸氧浓度测量重复性试验，将初步判断与试验结果共同作为氧浓度数据有效性的判据。

Claims (2)

1.一种用于评估炸药爆炸窒息效应的瞬时氧浓度测量方法，其特征在于：根据外场实验条件进行传感器环境常氧量的校正，随后设定传感器内侧的温度，再利用爆炸经验公式与静压试验结果，确定传感器在爆炸场内的极限测量范围，选择探头表面最佳气流方向，最后根据采集的氧浓度数据，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线；

包括如下步骤：

步骤一：消除样气气流对传感器本底电势的影响；

基于不同爆炸实验的测试环境，具体为鉴于特殊的外场实验条件，高原、开敞平地或密闭环境内的气压的差异，对环境氧浓度也随测试条件进行变化，试验前对探头输入环境样气，降低气压对氧浓度测量的影响，在爆炸试验前使传感器内外两侧的测试环境氛围保持一致，减少基底电势值变化造成的氧电势误差，进行传感器环境常氧量的校正；

步骤二：设定传感器内侧温度；

通过氧分析仪调整设定传感器最终上升到达的内侧温度，达到设定温度后，运行氧浓度采集装置；

步骤三：确定传感器测点范围；

根据参比爆炸经验公式与静压试验结果确定传感器在爆炸场内的极限测量范围；利用炸药爆炸试验后推导的超压经验公式，结合数值计算软件，将得到的炸药压力场超压值与传感器静压试验结果作参比，以静压试验的最大压力值作为传感器的抗压极限，在炸药爆炸试验中，以药柱为核心，极限承压距离为半径，极限承压面积范围内在试验场地中依据测试的承压条件、距离条件、氧量最大接触量条件选择传感器测点；

步骤四：选择探头表面最佳气流方向；

使探头与平行爆炸气流相垂直，在此条件下根据实验场地的变化、探头不同测量深度下最大氧气接触量的变化调整探头倾角；

步骤五：获得爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线；

在炸药引爆后，对已采集的对应时长内、频率下、精度下、氧浓度范围内的数据进行有效性判断，获得用于爆炸窒息效应评估的爆炸氧浓度变化曲线；

步骤三中传感器测点范围的选择方法如下：

利用Cranz相似律通过多次重复性试验得到空中点源固体炸药的爆炸冲击波超压计算式，基于不同比例距离，超压相同的准则，得到：

式中，W为装药质量，R为距爆炸中心的距离，Δpm是W、R的函数，利用泰勒公式进行多项式展开：

取用前三项，并利用实验拟合确定A1，A2，A3；

基于实验拟合确定的某炸药爆炸冲击波超压计算公式，继而对氧化锆探头进行静压试验；

结合实验拟合的炸药爆炸冲击波超压计算公式与氧化锆探头的静压试验能力，选择传感器的极限测点范围；

静压试验具体如下：连接气体密闭装置与氧化锆探头，通过填充样气使密闭装置内静压强以0.1mpa的数值上升，从0.5mpa开始试验探头的测氧能力：当探头在某定值静压下稳定十分钟后，检验氧化锆探头的正常运行能力，直至探头达到失效极限耐压值；随后，选用同型号的氧化锆探头进行多次重复性试验，以其均值作为探头所能承受的最大静压值；

步骤四中，探头表面最佳气流方向的选择，具体为：

通过以下公式预估氧气与探头的最大接触量：

式中，h为爆炸平行气流与探头表面相交面的直径，d为探头表面与爆炸平行气流的高度差，单位均为mm；

根据最大氧气接触量的变化，对探头的倾角进行调整；

步骤五中，获得的爆炸氧浓度变化曲线中，判断氧浓度数据有效性，根据如下过程进行判断有效性，具体为：

初步判断炸药耗氧能力，针对C_aH_bO_cN_d类炸药，引入氧平衡和氧系数的基础知识，对爆炸前的炸药耗氧程度进行初步评判，根据氧平衡和氧系数的公式：

式中，Mr是炸药的相对分子质量：

OB即为氧平衡的无量纲参量，A为氧系数的无量纲参量；

利用氧平衡和氧系数的两个炸药热力学参量，表征炸药的做功趋势、是否为正氧平衡或负氧平衡，初步判断炸药的耗氧能力；再利用C_aH_bO_cN_d类炸药的基础爆炸变化方程，进行爆炸产物占比、爆炸产物的化学反应耗氧分析；

C_aH_bO_cN_d＝xCO₂+yCO+zC+uH₂O+wN₂+hH₂+Q_v

最后，结合炸药在稳定测试环境下进行的多次爆炸氧浓度测量重复性试验，将初步判断与试验结果共同作为氧浓度数据有效性的判据。

2.根据权利要求1所述的用于评估炸药爆炸窒息效应的瞬时氧浓度测量方法，其特征在于，传感器材料为氧化锆，其在高温下晶体结构发生变化，材料内外表面形成氧浓度差产生氧电势，利用氧电势的变化表征氧浓度的变化。

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