CN114705803B - 一种可以安全连续点火燃烧的实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光点火技术领域，尤其涉及一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，包括气体供应系统、高温燃烧系统、自动上料系统、燃烧数据采集系统和燃烧产物收集系统，高温燃烧系统包括石英板、燃烧平台、丝杠及透明石英罩，自动上料系统包括中轴及驱动机构，中轴由上至下依次套设有落料盘及送料盘，上述落料盘开设有一个落料孔，送料盘开设有多个送料孔，落料孔位于送料孔的转动轨迹上；本发明通过电信号控制高温燃烧系统及自动上料系统可实现自动化且安全系数更高，透明石英罩使燃烧过程可视化，且多个送料孔可装填不同比例不同物质的样品，装填方便快捷，通过控制送料盘的转动可实现自动连续上料，保证了实验的连续性。

Description

一种可以安全连续点火燃烧的实验装置
技术领域
本发明属于激光点火技术领域，尤其涉及一种可以安全连续点火燃烧的实验装置。
背景技术
固体燃料粉末比如硼、铝等因为其具有非常高的质量热值和体积热值，所以具有很广泛的应用。金属单质铝与某些活性比其低的金属氧化物组成的混合物之间的氧化还原反应过程称为铝热反应，但是铝热反应发生过程中会迅速释放出巨大的化学反应热，使得在金属焊接、含能炸药、微型卫星推进器等领域有潜在的科研价值，但具有一定的安全隐患。
中国专利号2019106601809，申请日为2019.07.22，发明创造名称为：一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法，该申请案涉及一种硼粒子激光点火燃烧实验装置及实验方法。实验装置采用自动送药机构的电磁铁与盛药漏斗配合，通过外界电压信号控制盛药漏斗内硼粒子呈离散状态均匀按预定时间下落，进药机构电磁铁收缩中的硼粒子从漏斗下落并穿过激光束，打开高速摄相机开始采集图像。该装置仅适用于研究单一比例样品性能，不能同时进行不同比例的样品性能研究，且只能研究空气气氛下的样品性能。
中国专利号201911041562X，申请日为2019.10.30，发明创造名称为：一种具有功率测量功能的激光点火试验台及测量方法，该申请案具体涉及一种具有功率测量功能的激光点火试验台及测量方法。包括激光器，燃烧室，第一支撑板，支撑腿，激光功率计，螺钉，试件，透镜；燃烧室为顶部和顶部开有通孔的箱体，透镜设置在燃烧室顶部的通孔中，试件放置在螺钉的顶部，螺钉穿过第一支撑板的通孔和燃烧室底部的通孔插入燃烧室。该申请案的优点是可以测量激光点火的功率，消除激光功率损失带来的误差。缺点在于实验不连续，每次进行重复性实验都需要打开燃烧室重新添加样品，操作步骤繁琐。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的激光点火装置实验不连续，只能研究单一比例样品性能的问题，现提供一种可以安全连续点火燃烧的实验装置。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，包括气体供应系统、高温燃烧系统、自动上料系统、燃烧数据采集系统和燃烧产物收集系统；
所述的气体供应系统用于为高温燃烧系统供应燃烧所需气体；
所述高温燃烧系统包括石英板、燃烧平台、丝杠及透明石英罩，所述丝杠有四个，四个丝杠两两相对围合成矩形空间，四个丝杠均安装在燃烧平台上，相对的两个丝杠之间螺纹连接有一导轨，燃烧平台及导轨的材质均为不锈钢，两个导轨十字交叉分布，石英板放置在两个导轨交点处，燃料在石英板上燃烧，石英罩罩设在燃烧平台上方保持气氛，且透明材质便于观察及数据采集，其顶部开设有供燃料落入的上料孔；电机驱动丝杠转动，相对的两个丝杠同步转动带动其上的导轨运动，两个导轨交点处的石英板随之运动。
所述自动上料系统包括中轴及驱动机构，所述中轴上由上至下依次套设有送料盘及落料盘，中轴、落料盘及送料盘同轴设置，落料盘安装在上料孔上方且与中轴固定连接，送料盘与中轴转动连接且送料盘与驱动机构的输出端传动连接，所述落料盘开设有一个落料孔，所述送料盘开设有多个送料孔，所述落料孔位于送料孔的转动轨迹上，多个送料孔可装填多份燃料，避免点一次火就需要放置一次燃料，节省了放置燃料时打开石英罩使气氛重新充满的等待时间，通过控制送料盘的转动可实现自动连续上料，所述中轴沿其轴向开设有供激光通过的激光孔；驱动机构驱动送料盘旋转，当其中一个送料孔与落料孔对齐时，该送料孔内的燃料由于重力作用，通过落料孔落到石英板上，因落料孔与中轴不是同轴，从落料孔中落下的燃料不在激光孔的正下方，此时丝杠带动石英板移动使燃料移动至激光孔下方，激光从该孔射入打在燃料上。
初始状态时，落料盘上的落料孔与送料盘上的送料孔错开，在送料孔内填充燃料，接着驱动送料盘旋转，当其中一个送料孔与落料孔对齐时，该送料孔内的燃料通过落料孔落在石英板上，然后驱动丝杠转动带动石英板移动使其上的燃料与激光孔对齐，激光从激光孔内射入打在燃料上。
所述燃烧产物收集系统位于高温燃烧系统内部，用于实时收集高温燃烧系统的燃烧产物；
所述燃烧数据采集系统与气体供应系统、高温燃烧系统及自动上料系统电连接，控制高温燃烧系统及自动上料系统工作，且收集高温燃烧系统中燃烧数据，获得不同时刻对应的燃烧数据。
上述技术方案利用多个送料孔填充多份燃料，当落料盘的落料孔与送料盘的送料孔对齐时，送料孔中的燃料可通过落料孔落在石英板上，然后丝杠带动石英板移动使其上的燃料与激光孔对齐实现激光点火，本方案通过电信号控制高温燃烧系统及自动上料系统可实现自动化且安全系数更高，透明石英罩使燃烧过程可视化，且多个送料孔可装填不同比例不同物质的样品，装填方便快捷，通过控制送料盘的转动可实现自动连续上料，保证了实验的连续性。
进一步的，所述送料盘及驱动机构均有若干个且两者一一对应，若干送料盘由上至下依次堆叠，送料孔位于送料盘底部且不贯穿其顶部，即若干送料盘上的送料孔互不连通，每个送料盘上均贯穿开设有一个连通孔，每个送料盘上的连通孔对齐时可相互连通；上料时，首先称量好若干份含能材料粉末，将若干送料盘翻转后将燃料分别填充在若干送料孔中，确保送料孔与落料孔错开且送料孔与连通孔错开后将若干送料盘与落料盘依次贴合，然后将其翻转，最后将自动上料系统安装在高温燃烧系统顶部，多个送料盘可填充更多燃料，增加燃料测试次数。
进一步的，两个导轨交叉形成有四个区间，每个区间各设置有一个支杆，四个支杆顶部固定有顶板，四个支杆底部固定有底板，石英板固定在顶板上，当导轨移动时，四个支杆随之移动来带动其上的石英板移动。
进一步的，所述落料盘开设有容置槽，所述送料盘嵌入容置槽，送料盘在容置槽中旋转，可进一步确保落料盘与送料盘贴合，避免两者脱离使燃料掉落。
进一步的，所述落料盘沿其圆周方向开设有若干插槽，所述石英罩顶部固定有若干与插槽相匹配的插销，所述插销插入插槽从而将落料盘固定。
进一步的，所述驱动结构为环形电机，环形电机安装在送料盘内侧，可提高整个装置的结构紧凑性。
进一步的，所述燃烧产物收集系统装置包括收集槽和毛刷，毛刷固定在石英罩内部，收集槽位于毛刷下方，当点火之后燃烧产物会遗留在石英板上，驱动丝杠将石英板移动到毛刷下方，在移动过程中燃烧产物将会被毛刷刷落到收集槽内，因本方案可填充多份燃料，则需将上一次燃烧产物进行清理后方可进行下一次燃烧，该系统可实现燃烧的连续性，节省打开石英罩清理燃烧产物及使气氛重新充满的等待时间。
进一步的，所述的气体供应包括高压气罐和气体导入管，气体导入管的一端与高压气罐的输出端连通，另一端伸入石英罩内部，高压气罐的输出端安装有质量流量计及流量计控制仪，打开高压气罐的气阀，通过质量流量计输入设定流量的气体充满石英罩。
进一步的，所述的燃烧数据采集包括摄像机、光纤光谱仪、计算机及一体化控制器，所述光纤光谱仪的探测器头部插入石英罩内，用于采集燃料燃烧的特征光谱，摄像机正对石英板放置用于拍摄燃料燃烧过程，摄像机、光纤光谱仪及一体化控制器均与计算机连接,且一体化控制器与气体供应系统、高温燃烧系统、自动上料系统电连接来控制其工作。
本发明的有益效果是：本发明通过电信号控制高温燃烧系统及自动上料系统可实现自动化且安全系数更高，透明石英罩使燃烧过程可视化，且多个送料孔可装填不同比例不同物质的样品，装填方便快捷，通过控制送料盘的转动可实现自动连续上料，保证了实验的连续性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的结构示意图；
图2为高温燃烧系统的结构示意图；
图3为自动上料系统的第一视角的结构示意图；
图4为自动上料系统的第二视角的结构示意图；
图5为导轨、支杆、顶板及底板的结构示意图；
图中：
1、气体供应系统；101、高压气罐；102、气体导入管；
2、高温燃烧系统；201、石英板；202、燃烧平台；203、丝杠；204、石英罩；2041、插销；205、导轨；206、支杆；207、顶板；208、底板；
3、自动上料系统；301、中轴；3011、激光孔；302、驱动机构；303、送料盘；3031、送料孔；304、落料盘；3041、落料孔；3042、容置槽；3043、插槽；
4、燃烧数据采集系统；401、摄像机；402、光纤光谱仪；403、计算机；404、一体化控制器；
5、燃烧产物收集系统；501、收集槽；502、毛刷；
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
实施例一：
如图1-图5所示，本发明是一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，包括气体供应系统1、高温燃烧系统2、自动上料系统3、燃烧数据采集系统4和燃烧产物收集系统5；
所述气体供应系统1用于为高温燃烧系统2供应燃料燃烧所需气体，包括高压气罐101和气体导入管102，气体导入管102的一端与高压气罐101的输出端连通，另一端伸入石英罩204内部，高压气罐101的输出端安装有质量流量计及流量计控制仪，打开高压气罐101的气阀，通过质量流量计输入设定流量的气体充满石英罩204。
所述高温燃烧系统2包括石英板201、燃烧平台202、丝杠203和透明石英罩204，所述丝杠203有四个，四个丝杠203两两相对围合成矩形空间，四个丝杠203均安装在燃烧平台202上，相对的两个丝杠203之间螺纹连接有一导轨205，两个导轨205交叉形成有四个区间，每个区间各设置有一个支杆206，四个支杆206顶部固定有顶板207，四个支杆206底部固定有底板208，石英板201固定在顶板207上，当电机驱动丝杠203转动，相对的两个丝杠203同步转动带动其上的导轨205运动，四个支杆206随之运动来带动其上的石英板201移动，燃料在石英板201上燃烧，石英罩204罩设在燃烧平台202上方保持气氛，且透明材质便于数据采集，石英罩204顶部开设有供燃料落入的上料孔；
所述自动上料系统3包括中轴301及环形电机，所述中轴301上由上至下依次套设有送料盘303及落料盘304，中轴301、落料盘304及送料盘303同轴设置，所述落料盘304沿其圆周方向开设有若干插槽3043，所述石英罩204顶部固定有若干与插槽3043相匹配的插销2041，所述插销2041插入插槽3043从而将落料盘304固定在上料孔上方，且落料盘304与中轴301固定连接，送料盘303与中轴301转动连接，环形电机安装在送料盘303内侧，环形电机可驱动送料盘303转动；所述落料盘304开设有容置槽3042，所述送料盘303嵌入容置槽3042，送料盘303在容置槽3042中旋转，可进一步确保落料盘304与送料盘303贴合，避免两者脱离使燃料掉落；所述落料盘304开设有一个落料孔3041，所述送料盘303开设有多个贯穿的送料孔3031，所述落料孔3041位于送料孔3031的转动轨迹上，所述中轴301沿其轴向开设有供激光通过的激光孔3011；上料时，首先称量好若干份含能材料粉末，确保落料孔3041与送料孔3031错开后，将若干份燃料放入送料孔3031中，然后驱动机构302驱动送料盘303旋转，当其中一个送料孔3031与落料孔3041对齐时，该送料孔3031内的燃料由于重力作用，通过落料孔3041落到石英板201上，因落料孔3041与中轴301不是同轴，从落料孔3041中落下的燃料不在激光孔3011的正下方，此时丝杠203带动石英板201移动使燃料移动至激光孔3011下方，激光从该孔射入打在燃料上。
所述燃烧数据采集系统4用于收集高温燃烧系统2中燃料燃烧数据，能够获得不同时刻对应的燃烧数据，包括摄像机401、光纤光谱仪402、计算机403及一体化控制器404，所述光纤光谱仪402的探测器头部插入石英罩204内，用于采集燃料燃烧的特征光谱，摄像机401正对石英板201放置用于拍摄燃料燃烧过程，摄像机401、光纤光谱仪402及一体化控制器404均与计算机403连接,一体化控制器404与气体供应系统1、高温燃烧系统2、自动上料系统3电连接来控制其工作。
所述燃烧产物收集系统5位于高温燃烧系统2内部，用于收集高温燃烧系统2的燃烧产物，包括收集槽501及毛刷502，毛刷502通过固定柱固定在石英罩204内部，收集槽501位于毛刷502下方，当点火之后燃烧产物会遗留在石英板201上，驱动丝杠203将石英板201移动到毛刷502下方，在移动过程中燃烧产物会被毛刷502刷落至收集槽501内。
实施例二：
实施例二与实施例一的区别在于：送料孔3031位于送料盘303底部且不贯穿其顶部，上料时，首先将自动上料系统3翻转，将燃料分别填充在若干送料孔3031中，确保送料孔3031与落料孔3041错开后将送料盘303与落料盘304贴合，然后将两者翻转，最后将自动上料系统3安装在高温燃烧系统2顶部。
实施例三：
实施例三与实施例二的区别在于：所述送料盘303及驱动机构302均有若干个且两者一一对应，每个送料盘303由与其对应的驱动机构302驱动，若干送料盘303由上至下依次堆叠，送料孔3031位于送料盘303底部且不贯穿顶部，即若干送料盘303上的送料孔3031互不连通，且每个送料盘303上均贯穿开设有一个连通孔，且每个送料盘303上的连通孔对齐时可相互连通，通过该连通孔每个送料盘303中的燃料均可进入高温燃烧系统2；上料时首先将若干送料盘303翻转，将燃料分别填充在若干送料孔3031中，确保送料孔3031与落料孔3041错开且送料孔3031与连通孔错开后将若干送料盘303与落料盘304依次贴合，然后将其翻转，最后将自动上料系统3安装在高温燃烧系统2顶部，多个送料盘303可填充更多燃料，增加燃料测试次数。
本发明的工作原理及使用流程：
1、实验准备：首先将落料盘304上的落料孔3041与送料盘303上的送料孔3031错开，在送料孔3031内填充燃料。
2、上料：打开高压气罐101上的气阀后，通过计算机403来控制质量流量计通入设定流量的气体使其充满整个石英罩204，再通过一体化控制器404控制环形电机带动送料盘303旋转，当送料孔3031与落料孔3041对齐时燃料通过落料孔3041落到石英板201上，然后一体化控制器404控制丝杠203转动将燃料移动到激光孔3011下方。
3、点火燃烧：设置激光点火器的发射功率及切割方式后，开启一体化控制器404，激光从激光发射头射出，通过中轴301内部的激光孔3011，打在石英板201上的燃料上使其点火燃烧。
4、燃烧数据采集：激光点火器发出激光，同时会发出一个电压信号作用于一体化控制器404，光纤光谱仪402开始采集固体燃料粉末燃烧的特征光谱，高速摄像机401开始对透明石英罩204内的燃烧过程进行全程录像，每间隔20ms截取一次燃烧图像，并实时传输到计算机403，计算机403保存同时刻下的光纤光谱数据及燃烧图像，用于后续燃烧数据分析。
5、燃烧产物收集：一体化控制器404控制丝杠203转动将石英板201移动至毛刷502下方，在移动过程中燃烧产物被毛刷502扫落至收集槽501中，收集完毕后再次将石英板201移动到激光孔3011下方，准备开始下一次实验。重复步骤1-5实现安全、连续、自动实验。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (8)

1.一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：包括气体供应系统(1)、高温燃烧系统(2)、自动上料系统(3)、燃烧数据采集系统(4)和燃烧产物收集系统(5)；
所述气体供应系统(1)用于为高温燃烧系统(2)供应燃烧所需气体；
所述高温燃烧系统(2)包括石英板(201)、燃烧平台(202)、丝杠(203)及透明石英罩(204)，所述丝杠(203)有四个，四个丝杠(203)两两相对且均安装在燃烧平台(202)上，相对的两个丝杠(203)之间螺纹连接有一导轨(205)，石英板(201)位于两个导轨(205)的交点处，石英罩(204)罩设在燃烧平台(202)上方，且石英罩(204)顶部开设有供燃料落入的上料孔；
两个导轨(205)交叉形成有四个区间，每个区间各设置有一个支杆(206)，四个支杆(206)顶部固定有顶板(207)，四个支杆(206)底部固定有底板(208)，石英板(201)固定在顶板(207)上；
所述自动上料系统(3)包括中轴(301)及驱动机构(302)，所述中轴(301)上由上至下依次套设有送料盘(303)及落料盘(304)，落料盘(304)安装在上料孔上方且与中轴(301)固定连接，送料盘(303)与中轴(301)转动连接且与驱动机构(302)的输出端传动连接，所述落料盘(304)开设有一个落料孔(3041)，所述送料盘(303)开设有多个送料孔(3031)，落料孔(3041)位于送料孔(3031)的转动轨迹上，所述中轴(301)沿其轴向开设有供激光通过的激光孔(3011)；
所述燃烧产物收集系统(5)位于高温燃烧系统(2)内部，用于收集高温燃烧系统(2)的燃烧产物；
所述燃烧数据采集系统(4)与气体供应系统(1)、高温燃烧系统(2)及自动上料系统(3)电连接，用于收集高温燃烧系统(2)中燃烧数据。
2.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述送料盘(303)及驱动机构(302)均有若干个且两者一一对应，若干送料盘(303)由上至下依次堆叠，送料孔(3031)位于送料盘(303)底部，且每个送料盘(303)上均贯穿开设有一个相互连通的连通孔。
3.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述落料盘(304)开设有容置槽(3042)，所述送料盘(303)嵌入容置槽(3042)。
4.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述落料盘(304)沿其圆周方向开设有若干插槽(3043)，所述石英罩(204)顶部固定有若干与插槽(3043)相匹配的插销(2041)，所述插销(2041)插入插槽(3043)。
5.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述驱动机构(302)为环形电机，且环形电机位于送料盘(303)内侧。
6.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述燃烧产物收集系统(5)包括收集槽(501)及毛刷(502)，所述毛刷(502)固定在石英罩(204)内部，收集槽(501)位于毛刷(502)下方。
7.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述气体供应系统(1)包括高压气罐(101)和气体导入管(102)，气体导入管(102)的一端与高压气罐(101)的输出端连通，另一端深入石英罩(204)内部，高压气罐(101)的输出端安装有质量流量计及流量计控制仪。
8.根据权利要求1所述的一种可以安全连续点火燃烧的实验装置，其特征在于：所述燃烧数据采集系统(4)包括摄像机(401)、光纤光谱仪(402)、计算机(403)及一体化控制器(404)，所述光纤光谱仪(402)的探测器头部插入石英罩(204)内，摄像机(401)、光纤光谱仪(402)及一体化控制器(404)均与计算机(403)连接，且一体化控制器(404)与气体供应系统(1)、高温燃烧系统(2)及自动上料系统(3)电连接。
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