CN114252158A - 一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法，高压氧弹浸于冷却水箱中，点火装置使置于高压氧弹中的试样燃烧后，测温装置和测压装置分别用于获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；测控系统用于接收并处理温度和压力数据。当测温装置为红外测温仪时，红外测温仪通过探测坩埚中的立柱温度获取试样燃烧过程中火焰中心的温度。本发明用于监测试样燃烧过程中的实时温度和压力，得到温度‑压力的变化关系，从而确定试样在高温下的维持时间，也可用于判断燃烧热测试的准确性，特别适用于试样为硼粉或固体推进剂时的燃烧测试，为选择合适的助燃剂种类、用量及添加方式等以保证燃烧完全提供基础依据。

Description

一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法

技术领域

本发明属于高温高压测试领域，特别涉及一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法。

背景技术

燃烧试验条件受到多种因素的影响，且试验过程中的燃烧状态难以监测，以硼粉为例，硼粉燃烧的初步研究结果表明，硼粉充分燃烧必须满足以下条件：首先环境温度≥2000K；燃烧所需时间与硼粉粒度、氧气浓度等因素有关，对于现有平均粒径为2μm的硼粉来说，氧气气氛的燃烧时间在5-6ms。从目前的量热测试发现，硼粉在助燃剂助燃过程中燃烧不完全，导致测试燃烧热偏差，因此需要助燃剂的加入。助燃剂的加入不但能提高硼粉燃烧的环境温度，而且能保证硼粉在高温下维持一定的时间使得硼粉燃烧完全。目前的量热装置无法测量燃烧温度，仅从燃烧热数据来看，数值偏低，但无法判断硼粉燃烧情况。所以急需一种装置用于确定硼粉燃烧是否完全，即选择合适的助燃剂种类、用量及添加方式等，以减少试验量，确定硼粉在高温下维持一定时间完全燃烧的实验条件。由于硼粉燃烧快，从点火到燃烧完成，时间不到60ms，能量集中爆发，温度高，在温度和压力的检测中，通常难以实时采样硼粉燃烧压力变化数据，无法完整再现硼粉燃烧的压力变化状态，且当被测温度突然发生变化时，常规温度计的输出会延迟一段时间从而导致升温过程中温度采样数据失真。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统及方法，包括高压氧弹，冷却水箱，测温装置，测压装置，点火装置和测控系统，高压氧弹浸于冷却水箱中，点火装置使置于高压氧弹中的试样燃烧后，测温装置和测压装置分别用于获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；测控系统用于接收温度和压力数据，并对接收温度和压力数据进行处理。本发明测温装置红外测温仪或热电偶，当测温装置为红外测温仪时，坩埚包括坩埚本体和设于坩埚本体中心的立柱，红外测温仪通过探测立柱温度获取试样燃烧过程中火焰中心的温度。本发明用于监测试样燃烧过程中的实时温度和压力，得到温度-压力的变化关系，从而确定试样在高温下的维持时间，也可用于判断燃烧热测试的准确性，特别适用于试样为硼粉或固体推进剂时的燃烧测试，为选择合适的助燃剂种类、用量及添加方式等以保证燃烧完全提供基础依据。

为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，包括高压氧弹，冷却水箱，测温装置，测压装置，点火装置和测控系统；

高压氧弹浸于冷却水箱中，点火装置用于使置于高压氧弹中的试样燃烧；测温装置和测压装置分别用于获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；测控系统用于接收温度和压力数据，并对接收温度和压力数据进行处理；

所述高压氧弹内部设有坩埚，试样置于坩埚中；

所述测温装置为红外测温仪或热电偶；

当所述测温装置为红外测温仪时，所述坩埚包括坩埚本体和设于坩埚本体中心的立柱，红外测温仪通过探测立柱温度获取试样燃烧过程中火焰中心的温度。

进一步的，当所述测温装置为红外测温仪时，高压氧弹侧壁设有导引管，冷却水箱侧壁开设通孔，所述导引管从冷却水箱侧壁所设通孔伸出，且导引管伸出一端置有蓝宝石玻璃形成用于红外测温仪采样的视窗。

进一步的，当所述测温装置为红外测温仪时，所述导引管内径为15～25mm，壁厚为0.2～0.6mm；所述蓝宝石玻璃外径导引管内径相等，蓝宝石玻璃厚度为15～25mm。

进一步的，热电偶包括热电偶丝，当所述测温装置为热电偶时，所述电偶丝距离氧弹底部2.5～4.0cm。

进一步的，当所述测温装置为热电偶时，高温高压测试系统还包括热电偶支架；

所述热电偶支架固定于高压氧弹上盖上，包括位于高压氧弹外部的导线柱和位于高压氧弹内部且与导线柱连接的连接杆；所述连接杆末端用于固定热电偶丝，热电偶丝采集试样燃烧过程中的温度并经连接杆传输至导线柱，再经导线柱传输至测控系统。

进一步的，所述红外测温仪采样时间≤3ms，测温范围为600～2000℃，温度分辨率≤0.5℃；

所述热电偶为露端式或接壳式热电偶；所述热电偶为钨铼热电偶。

进一步的，所述坩埚中，立柱顶端高于坩埚本体边缘0.8～1.2cm。

进一步的，所述高压氧弹侧面设有连通高压氧弹内部和测压装置的引压管，所述测压装置为压力变送器。

进一步的，所述压力变送器采用齐平承压方法进行封装，量程为0～40MPa，响应频率≥4KHz，精度≥0.25级，输出的电压信号为1～5V；

所述引压管的内径为3～8mm，长度为100～200mm。

进一步的，所述试样为硼粉与助燃剂的混合物或固体推进剂。

一种用于燃烧过程中的高温高压测试方法，采用上述一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统实现，包括以下步骤：

S1将高压氧弹浸于冷却水箱中，并利用点火装置使置于高压氧弹中的试样燃烧；

S2通过测温装置和测压装置分别获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；

S3测控系统接收温度和压力数据，并对接收温度和压力数据进行处理，得到温度-压力的变化关系。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明用于燃烧过程中的高温高压测试系统中，采用红外测温仪或热电偶获取高压氧弹中的温度数据，并且针对红外测温仪的数据获取特点对坩埚的结构进行了改进，使测得的温度更加准确；

(2)本发明在采用红外测温仪获取温度时，设计了采样视窗便于红外测温仪的采样，进一步提高了采样精度；

(3)本发明在采用热电偶获取温度时，增加了热电偶支架，保证了合理的插入深度和正确安装；

(4)本发明对测压装置与高压氧弹的连接方式进行了改进，避免了测试数据延迟；

(5)本发明用于燃烧过程中的高温高压测试系统，能够用于实时监测硼粉或固体推进剂以及其他物质燃烧时的温度和压强，从而研究硼粉、固体推进剂或其他物质燃烧合适的环境温度和燃烧完全的维持时间，对测试燃烧热值的准确性具有指导意义。

附图说明

图1为本发明一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统中，用于燃烧过程中的高温高压测试系统方框结构示意图；

图2为本发明高压氧弹实物图；

图3为本发明热电偶支架实物图；其中图(a)为俯视视角，图(b)为仰视视角；

图4为本发明导引管实物图；

图5为本发明蓝宝石玻璃实物图；

图6为本发明坩埚实物图；

图7为本发明实施例1装置所测试的硼粉燃烧过程温度-压力曲线。

具体实施方式

下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明所要解决的技术问题是通过实时监测硼粉、固体推进剂或其他物质燃烧过程中的温压，获取燃烧过程瞬时温度和压力，得到温度-压力的变化关系，从而确定硼粉在高温下的维持时间，找到燃烧完全的测试条件，以便保证硼粉、固体推进剂或其他物质所测得的燃烧热最接近真实值。

本发明一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，包括高压氧弹、冷却水箱、测温装置、测压装置、点火装置、和测控系统。

高压氧弹筒壁厚不小于8mm，高压氧弹的耐压能力不小于30MPa；

测压装置采用自含混合温度补偿的宽温高频动态压力变送器，压力变送器采用齐平承压方法进行封装，消除了管腔效应，能够不失真地测量一些变化频率高，压力波形上升快陡的动态压力波形与幅值、有效值，同时能解决化爆试验中强内光干扰问题。在一种优选的实施方式中，封装过程中采用了金丝引接工艺。自含混合温度补偿的宽温高频动态压力变送器，可在宽温范围(600～2000℃)内提供稳定性能，有良好的线性度，固有频率高，短的上升时间和宽广优良的响应频带。

在一种优选的实施方式中，测温装置采用钨铼热电偶或高速超高温红外测温仪，高速超高温红外测温仪温度传感器量程不低于1800℃，响应时间不高于10ms。

在一种优选的实施方式中，热电偶采用露端式或接壳式热电偶；

测温装置采用时间常数和滞后较小的温度传感器，当测温装置为热电偶时，热电偶插入一定深度(距离氧弹底部2.5～4.0cm)；

当测温装置为红外测温仪时，通过导引管和导引管内部所设蓝宝石玻璃形成采样视窗，使红外测温仪对准坩埚本体中心的立柱，导引管薄厚为0.2-0.6mm。

测温装置也可以从高压氧弹侧面伸入高压氧弹内部，实现对温度的采集。

点火装置中点火固态继电器方式开阀点火板卡；

测控系统采用研华工业控制计算机，内置高速数据采集板卡，同时设置系统软件。高速数据采集板卡可用于1KHz以上的数据采集及传输，系统软件具有界面友好、数据直观等优点，能够以数据或曲线的形式实时显示测量数据，并对采集的数据进行放大回看。

实施例1：

一种用于燃烧过程中高温高压测试系统，包括高压氧弹、冷却水箱、测温装置、测压装置、点火装置、和测控系统。

如图1，在本实施例中，冷却水箱采用水箱冷水外部防护方式，对实验中的氧弹进行温度防护，实验中设计制作冷却水箱尺寸为200*200*200cm，加入冷水，实验过程中将高压氧弹浸入冷水中进行燃烧实验。图1中，进气口用于通入氧气，点火电源模块即前后文所述的点火装置。

如图2，在本实施例中，采用在高压氧弹上设计引压管方式，将高压氧弹内部压力引出并采集，引压管采用不锈钢材质，引压管在水箱中浸入，实验中高温气体通过引压管，传送到压力变送器进行数据采样。引压管越长，内径越大温度降速越快，但同时也会增加压力传到滞后及高压氧弹定容体积变化对压力监测的影响。通过与标准氧弹实验数据比对，本实施例中引压管采用内径φ5mm，长度150mm的不锈钢管道。

在本实施例中，测压装置采用自含混合温度补偿的高频动态压力变送器，压力变送器中包含耐高温蓝宝石芯体，可在宽温范围内提供稳定性能，有良好的线性度，固有频率高，短的上升时间和宽广优良的响应频带。本实施例中压力变送器采用的是DaCY420压力传感器，量程0～40MPa，响应频率4KHz，防爆等级设计，精度0.25级，电压信号1-5V数据采样，量程不低于30MPa，响应时间不高于10ms，氧弹本体采用引压管进行压力采集。满足实验需求。压力变送器采用齐平承压方法进行封装，消除了管腔效应，能够不失真地测量一些变化频率高，压力波形上升快陡的动态压力波形与幅值、有效值，同时能解决化爆试验中强内光干扰问题。

如图4和图5，在本实施例中，所述测温装置采用红外测温仪，为进行红外不接触式温度测试，在高压氧弹外壁进行开孔，连接导引管，增加温度采样视窗。本实施例中红外测温仪采样时间小于等于3ms(95％)，测温范围600-2000℃，温度分辨率0.5℃；温度采样视窗采用耐高温、耐高压、耐腐蚀的蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃厚度20mm；高压氧弹外壁开孔孔径为φ20mm。

如图6，在本实施例中，对坩埚进行改造。在坩埚中心打立柱，在测温过程中红外测温采样对准坩埚中心立柱位置，采样燃烧火焰中心位置温度。

本实施例中，计算机系统采用研华工业控制计算机。

测试数据如图7所示，硼粉燃烧温度超过2000K，可认为硼粉完全燃烧，进而可以确定燃烧热。

实施例2：

如图3，在本实施例中，测温装置采用钨铼热电偶，为配合该热电偶使用，对氧弹内部坩埚支架进行改造，增加不锈钢材质的热电偶支架，热电偶支架的高度可调节，热电偶的插入深度距离氧弹底部2.5-4.0cm。图3中1和2为导线柱，连接计算机采集板卡；3为连接杆，在高压氧弹内部，末端连接热电偶丝；4为热电偶丝。

以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，包括高压氧弹，冷却水箱，测温装置，测压装置，点火装置和测控系统；

高压氧弹浸于冷却水箱中，点火装置用于使置于高压氧弹中的试样燃烧；测温装置和测压装置分别用于获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；测控系统用于接收温度和压力数据，并对接收温度和压力数据进行处理；

所述高压氧弹内部设有坩埚，试样置于坩埚中；

所述测温装置为红外测温仪或热电偶；

当所述测温装置为红外测温仪时，所述坩埚包括坩埚本体和设于坩埚本体中心的立柱，红外测温仪通过探测立柱温度获取试样燃烧过程中火焰中心的温度。

2.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，当所述测温装置为红外测温仪时，高压氧弹侧壁设有导引管，冷却水箱侧壁开设通孔，所述导引管从冷却水箱侧壁所设通孔伸出，且导引管伸出一端置有蓝宝石玻璃形成用于红外测温仪采样的视窗。

3.根据权利要求2所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，当所述测温装置为红外测温仪时，所述导引管内径为15～25mm，壁厚为0.2～0.6mm；所述蓝宝石玻璃外径导引管内径相等，蓝宝石玻璃厚度为15～25mm。

4.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，热电偶包括热电偶丝，当所述测温装置为热电偶时，所述电偶丝距离氧弹底部2.5～4.0cm；

当所述测温装置为热电偶时，高温高压测试系统还包括热电偶支架；

所述热电偶支架固定于高压氧弹上盖上，包括位于高压氧弹外部的导线柱和位于高压氧弹内部且与导线柱连接的连接杆；所述连接杆末端用于固定热电偶丝，热电偶丝采集试样燃烧过程中的温度并经连接杆传输至导线柱，再经导线柱传输至测控系统。

5.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，所述红外测温仪采样时间≤3ms，测温范围为600～2000℃，温度分辨率≤0.5℃；

所述热电偶为露端式或接壳式热电偶；所述热电偶为钨铼热电偶。

6.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，所述坩埚中，立柱顶端高于坩埚本体边缘0.8～1.2cm。

7.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，所述高压氧弹侧面设有连通高压氧弹内部和测压装置的引压管，所述测压装置为压力变送器。

8.根据权利要求7所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，所述压力变送器采用齐平承压方法进行封装，量程为0～40MPa，响应频率≥4KHz，精度≥0.25级，输出的电压信号为1～5V；

所述引压管的内径为3～8mm，长度为100～200mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统，其特征在于，所述试样为硼粉与助燃剂的混合物或固体推进剂。

10.一种用于燃烧过程中的高温高压测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的一种用于燃烧过程中的高温高压测试系统实现，包括以下步骤：

S1将高压氧弹浸于冷却水箱中，并利用点火装置使置于高压氧弹中的试样燃烧；

S2通过测温装置和测压装置分别获取试样燃烧过程中的温度和压力，并将温度和压力数据输出至测控系统；

S3测控系统接收温度和压力数据，并对接收温度和压力数据进行处理，得到温度-压力的变化关系。

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