专利名称：多功能燃烧实验系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及燃烧科学实验，特别涉及一种适用于地面环境以及微重力条件下的多
功能燃烧实验系统。
背景技术：
目前的微重力燃烧实验装置功能较为单一，只能够进行一种试验。例如材料的着 火及燃烧特性研究、强迫对流及气体组分对火焰特性的影响研究、闷烧机理研究、预混火焰 的燃烧_流动相互作用机理研究、烟气运动规律与火灾监测技术的研究、煤粉燃烧及其污 染物生成特性研究。这些试验的研究方法是使用一种单一功能的实验装置，然后进行试验。 如果要进行另外一种试验，必须要更换试验装置，重新配置试验过程。这样做的缺点是设备 重复利用率低，试验效率低，成本过高，重构性差。 例如，图1是现有的实验8号实验卫星上使用的聚氨酯泡沫闷烧实验装置。它用于 在微重力条件中研究等压条件下聚氨酯泡沫的闷烧点燃和双向传播过程。如图l所示，聚 氨酯泡沫闷烧实验装置由试样实验单元、气体控制单元和测量单元组成。它有两条供气气 路，每一条供气气路由一个电磁阀和一个节流阀来控制气体的流速，两个供气通道中气体 的流速分别为1. 0mm/s和3. lmm/s。它的气体排放口处安装有一个安全阀，当试样试验单元 内的气压达到一定程度之后，安全阀会自动开启泄压，以免试样试验单元内压力过大发生 爆炸。试样实验单元中装有压力传感器。试样的上下两面沿轴向依次分别安装有6支热电 偶，共有12支热电偶。热电偶用于测量试样周围的温度分布。其实验过程如下实验装置 加电后，开始采集和记录热电偶和压力传感器的数据；然后打开低速气流支路上的电磁阀， 向试样实验单元中供气。对试样进行加热。当温度达到340度时，停止加热，关闭电磁阀。 同时打开高速气流支路上的电磁阀，90分钟后，关闭电磁阀。 该实验装置的功能非常单一，只能够进行有条件的闷烧试验。由于它使用的是电 磁阀和节流阀来控制气体的流量。它只能够提供两种固定流速的气流，气流的速度不能够 调整。它只能够提供一种气体进行试验，如果要进行两种气体成分的实验，必须要两套实验 装置。它没有观察单元，不能够观察试验过程。 另外，图2是现有的实验8号实验卫星上使用的导线着火前期特性实验研究装置。 它用于在微重力下研究导线自身适度过载下绝缘层着火前期的温度和辐射特性，从而获得 微重力条件下导线在自身过载下绝缘层的先期着火征兆。如图2所示，导线着火前期特性 实验研究装置，由试样、温度测量单元、辐射计、压力传感器、控制系统、电源等部分组成。试 验时，试样导线中通以约10A的电流，此时试样导线开始升温。热电偶记录下导线的升温过 程，辐射计记录下导线的辐射。温度和辐射数据由控制系统采集，并通过RS422 口将采集到 的数据传出。压力传感器用于测量环境的压力。电源用于给试样导线供电。由于该试验装 置没有供气系统，因此其试验是在恒定压力下进行。这样它不能进行不同压力、不同气体成 分下的导线着火前期特性实验研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能燃烧实验系统，利用该系统可以进行多种微重力 下的燃烧科学实验，同时也可用于地面环境中进行燃烧科学试验。 为实现上述目的，本发明提供了一种多功能燃烧实验系统，用于地面环境以及微 重力条件下的燃烧科学实验，其特征在于，该系统包括上位机、控制系统、供气单元、出气 阀门、安全阀、试样实验单元以及废气收集器。 其中，所述上位机，用于向所述控制系统发出控制命令，并采集所述控制系统传送 回来的实验数据和图像。 所述控制系统，用于控制整个系统的实验过程，包括各个阀门的开关、气体的流
量、所述试样实验单元中的温度以及燃烧过程中的数据采集、数据存储和传送。
所述供气单元，包括多个气瓶、与所述多个气瓶相对应的每一个气路通道中设置
的流量控制单元、以及进气阀门，所述流量控制单元由流量计和流量计控制系统组成，用于
控制供给所述试样实验单元中的气体量，在所述控制系统的控制下，该流量控制单元与所
述进气阀门配合，将存放在各个气瓶中的一种或几种气体送入所述试样实验单元中。
所述试样实验单元为一个圆柱形或方形空腔，腔体内部安装有加热装置、自动点
火装置和温度传感器，外部有保温层，该试样实验单元的进气由所述供气单元的进气阀门
控制，出气则由所述出气阀门控制，另外，该试样实验单元还连接有安全阀，当腔体中的压
力过高时，安全阀自动打开，将试样实验单元中的压力泄放掉，以保证整个系统的安全。 预先将可燃物置入所述试样实验单元中的空腔内，然后，当所述进气阀门将气路
打开时，所述供气单元的各个气瓶中的气体在所述流量控制单元的控制下，按照预先设置
好的比例，流入所述试样实验单元中，然后关闭进气阀门停止进气，接着，所述控制系统通
过控制试样实验单元的加热温度或者控制位于所述试样实验单元中的自动点火装置，使可
燃物燃烧，此时通过所述温度传感器检测得到待测燃烧物的燃烧状态及空间温度分布情
况，待燃烧完成后，将所述出气阀门打开，则燃烧产物通过该出气阀门排入所述废气收集器中。 另外，为了进一步检测待测燃烧物的性能，本发明的多功能燃烧实验系统，还可以 包括气体浓度测量单元，安装在所述试样试验单元的排气路中的所述出气阀门的下游，该 气体浓度测量单元中安装有压力传感器和多种气体浓度传感器。 具有该气体浓度测量单元的本发明的燃烧试验系统的实验过程如下预先将可燃 物置入所述试样实验单元中的空腔内，然后，当所述进气阀门将气路打开时，所述供气单元 的各个气瓶中的气体在所述流量控制单元的控制下，按照预先设置好的比例，流入所述试 样实验单元中，然后关闭进气阀门停止进气，接着，所述控制系统通过控制试样实验单元的 加热温度或者控制位于所述试样实验单元中的自动点火装置，使可燃物燃烧，待燃烧完成 后，将所述出气阀门打开，则燃烧产物通过该出气阀门排入所述气体浓度测量单元，经过一 段时间之后，通过安装在所述试样试验单元空腔内的压力传感器以及安装在所述气体浓度 测量单元中的压力传感器分别测量出所述试样实验单元中和所述气体浓度测量单元中的 压力接近平衡后，通过安装在所述气体浓度测量单元中的多种气体浓度传感器对气体浓度 测量单元中的气体浓度进行测量，从而获得试样实验单元中的气体浓度，由此测得燃烧产 物中的气体成分和浓度，废气最后被排入与所述气体浓度测量单元相连的所述废气收集器中。 另外，上述具有气体浓度测量单元的燃烧试验系统中，在微重力条件下，通过将所 述气体浓度测量单元与外界相通从而使单元内部成为负压的方式，使所述试样试验单元与 所述气体浓度测量单元中的气体浓度快速达到平衡。 另外，所述试样实验单元中还可以设有风扇，用于搅拌试样实验单元中的气体，使 各种气体成分能够快速均匀地分布在整个试样实验单元中。 另外，所述试样实验单元中还可以进一步设有图像观察单元，用于观察和记录试 样实验单元中的燃烧过程。 另外，安装在所述试样实验单元中的温度传感器为一组温度传感器阵列。温度传 感器可以使用热电偶或光纤。它用来测量试样试验单元中的温度分布。 所述气瓶的个数可以按照试验的要求增加、减少或更换，以满足燃烧试验对气体 成分的要求。例如，气瓶数可以为1 10个，从而能够进行可燃物在多种气体成分环境中 燃烧性能的实验。 另外，本发明的多功能燃烧试验系统还可以增加其他的单元，通过增加、减少或改 变个别单元，就可以开展不同的燃烧实验。例如，若增加一个灭火试验单元，就可进行微重 力下的灭火试验研究。 本发明的多功能燃烧实验系统的有益效果在于 1)实验装置功能多。可在同一个装置中完成多种材料的地面环境以及微重力环境 下的燃烧实验。 一次试验可完成多种气体环境的实验，多种气体成分可任意配比。气体流 速连续可调，可形成多种流速。上述特点为研究微重力环境中强迫对流及气体组分对火焰 特性的影响提供了强有力的支撑。 2)实验装置结构简单，性能安全可靠。可产生一个可控的微重力燃烧试验环境。 可在一个腔体内完成不同成分、不同配比、不同浓度、不同流速的微重力燃烧实验。它特别 适合于在有限重量、有限体积、有限功率的空间飞行器上进行空间科学实验。并且，该系统 将气体浓度测量单元放在试样试验单元之外，由此可避免试样试验单元内过高的温度损坏 气体浓度传感器。另外，通过在每一个气路通道中都设有一个由流量计和流量计的控制系 统组成的流量控制单元，可准确地控制供给试样试验单元中的气体量。 3)模块化的设计。由于采用模块化的设计方法，因此可灵活配置各种模块。只需 要增加或减少气瓶，就可增加或减少用于实验的气体种类。配置不同的传感器，就可监测不 同的气体成分。如果增加两个或三个试样实验单元，就可在一次空间科学实验中进行多种 材料的燃烧试验。 4)通用性强。由于试样实验单元可以灵活配置，因此可以进行多种空间微重力燃
烧实验。例如，利用它可以在微重力条件下开展如下的研究 參材料的着火及燃烧特性研究 參强迫对流及气体组分对火焰特性的影响 參闷烧机理研究 參预混火焰的燃烧_流动相互作用机理研究
參烟气运动规律与火灾监测技术的研究
參煤粉燃烧及其污染物生成特性研究
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5)可扩展性强。在本装置中增加其他的单元，就可进一步开展其他方面的微重力 燃烧科学实验。增加、减少或改变个别单元，就可以开展不同的微重力燃烧实验。它弥补了 我国以往空间燃烧实验中的试验设备只能够进行单一实验的不足。例如，如果加上灭火试 验单元，就可进行微重力下的灭火试验研究。 6)可一次完成多个工况。可在一次试验中完成多个实验工况，大大提高试验效率。
图1是现有的实验8号实验卫星上使用的聚氨酯泡沫闷烧实验装置的结构原理示 意图。 图2是现有的实验8号实验卫星上使用的导线着火前期特性实验研究装置的结构 原理示意图。 图3是本发明的多功能燃烧实验系统的结构原理示意图。 图4是本发明的多功能燃烧实验系统的另一个实施方式的结构原理示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明的多功能燃烧实验系统进行详细的说明。 图3是本发明的多功能燃烧实验系统的结构原理示意图。如图3所示，本发明的
多功能燃烧实验系统，可用于地面环境以及微重力条件下的燃烧科学实验，该系统包括上
位机、控制系统、供气单元、出气阀门、安全阀、试样实验单元以及废气收集器。 其中，上位机，用于向控制系统发出控制命令，并采集控制系统传送回来的实验数
据和图像。 控制系统用于控制整个系统的实验过程，包括各个阀门的开关、气体的流量、试 样实验单元中的温度以及燃烧过程中的数据采集、数据存储和传送。 供气单元包括多个气瓶(气瓶1、气瓶2和气瓶3)、与多个气瓶相对应的每一个 气路通道中设置的流量控制单元(流量控制单元1、流量控制单元2和流量控制单元3)、以 及进气阀门。流量控制单元由流量计和流量计控制系统组成，用于控制供给试样实验单元 中的气体量，在控制系统的控制下，该流量控制单元与进气阀门配合，将存放在各个气瓶中 的一种或几种气体同时送入试样实验单元中。这里，气瓶的个数可以按照试验的要求增加、 减少或更换，以满足燃烧试验对气体成分的要求。例如，气瓶数可以为1 io个，从而能够 进行可燃物在多种气体成分环境中燃烧性能的实验。 试样实验单元为一个圆柱形或方形空腔，腔体内部安装有加热装置、自动点火装
置和温度传感器，外部有保温层。该试样实验单元的进气由供气单元的进气阀门控制，出气
则由出气阀门控制，另外，该试样实验单元还连接有安全阀，当腔体中的压力过高时，安全
阀自动打开，将试样实验单元中的压力泄放掉，以保证整个系统的安全。 试样实验单元中还可以设有风扇，用于搅拌试样实验单元中的气体，使各种气体
成分能够快速均匀地分布在整个试样实验单元中。 试样实验单元中还可以进一步设有图像观察单元，用于观察和记录试样实验单元 中的燃烧过程。 另外，安装在试样实验单元中的温度传感器为一组温度传感器阵列。温度传感器
7可以使用热电偶或光纤。它用来测量试样试验单元中的温度分布。 预先将可燃物置入试样实验单元中的空腔内，然后，当进气阀门将气路打开时，供 气单元的各个气瓶中的气体在流量控制单元的控制下，按照预先设置好的比例，流入试样 实验单元中，然后关闭进气阀门停止进气。接着，控制系统通过控制试样实验单元的加热温 度或者控制位于试样实验单元中的自动点火装置，使可燃物燃烧，此时即可通过温度传感 器检测得到待测燃烧物的燃烧状态及温度分布。待燃烧完成后，将出气阀门打开，则燃烧产 物通过该出气阀门排入废气收集器中。 图4是本发明的多功能燃烧实验系统的另一个实施方式的结构原理示意图。如图 4所示，为了进一步检测待测燃烧物的性能，本发明的多功能燃烧实验系统在图3所示的系 统结构上，还可以进一步包括气体浓度测量单元，其安装在试样试验单元的排气路中的出 气阀门的下游，该气体浓度测量单元中安装有压力传感器和多种气体浓度传感器。
具有该气体浓度测量单元的本发明的燃烧试验系统的实验过程如下预先将可 燃物置入试样实验单元中的空腔内，然后，当进气阀门将气路打开时，供气单元的各个气瓶 (气瓶1、气瓶2和气瓶3)中的气体在流量控制单元的(流量控制单元1、流量控制单元2 和流量控制单元3)控制下，按照预先设置好的比例，流入试样实验单元中，然后关闭进气 阀门停止进气。接着，控制系统通过控制试样实验单元的加热温度或者控制位于试样实验 单元中的自动点火装置，使可燃物燃烧，待燃烧完成后，将出气阀门打开，则燃烧产物通过 该出气阀门排入气体浓度测量单元，经过一段时间之后，通过安装在试样试验单元空腔内 的压力传感器1以及安装在所述气体浓度测量单元中的压力传感器2分别测量出试样实验 单元中和气体浓度测量单元中的压力接近平衡后，通过安装在气体浓度测量单元中的多种 气体浓度传感器对气体浓度测量单元中的气体浓度进行测量，从而获得试样实验单元中的 气体浓度，由此测得燃烧产物中的气体成分和浓度。废气最后被排入与气体浓度测量单元 相连的废气收集器中。 另外，上述具有气体浓度测量单元的燃烧试验系统中，在微重力条件下，可以通过 将气体浓度测量单元与外界相通从而使单元内部成为负压的方式，使试样试验单元与气体 浓度测量单元中的气体浓度快速达到平衡。 另外，试样实验单元中还可以设有风扇，用于搅拌试样实验单元中的气体，使各种 气体成分能够快速均匀地分布在整个试样实验单元中。 另外，试样实验单元中还可以进一步设有图像观察单元，用于观察和记录试样实 验单元中的燃烧过程。 另外，安装在试样实验单元中的温度传感器为一组温度传感器阵列。温度传感器 可以使用热电偶或光纤。它用来测量试样试验单元中的温度分布。 供气单元中的气瓶的个数可以按照试验的要求增加、减少或更换，以满足燃烧试
验对气体成分的要求。例如，气瓶数可以为1 io个，从而能够检测出可燃物在多种气体
环境中的燃烧性能。 另外，试样试验单元的数量也可以根据需要增加，例如，如果增加两个或三个试样 实验单元，就可在一次空间科学实验中进行多种材料的燃烧试验。 另外，本发明的多功能燃烧试验系统还可以根据需要而增加其他的功能单元，通 过增加、减少或改变个别单元，就可以开展不同的燃烧实验。例如，若增加一个灭火试验单元，就可进行微重力下的灭火试验研究。 需要说明的是，以上介绍的本发明的实施方案而并非限制。本领域的技术人员应 当理解，任何对本发明技术方案的修改或者等同替代都不脱离本发明技术方案的精神和范 围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
权利要求
一种多功能燃烧实验系统，用于地面环境以及微重力条件下的燃烧科学实验，其特征在于，该系统包括上位机、控制系统、供气单元、出气阀门、安全阀、试样实验单元以及废气收集器，其中，所述上位机，用于向所述控制系统发出控制命令，并采集所述控制系统传送回来的实验数据和图像；所述控制系统，用于控制整个系统的实验过程，包括各个阀门的开关、气体的流量、所述试样实验单元中的温度以及燃烧过程中的数据采集、数据存储和传送；所述供气单元，包括多个气瓶、与所述多个气瓶相对应的每一个气路通道中设置的流量控制单元、以及进气阀门，所述流量控制单元由流量计和流量计控制系统组成，用于控制供给所述试样实验单元中的气体量，在所述控制系统的控制下，该流量控制单元与所述进气阀门配合，将存放在各个气瓶中的一种或几种气体送入所述试样实验单元中；所述试样实验单元为一个圆柱形或方形空腔，腔体内部安装有加热装置、自动点火装置和温度传感器，外部有保温层，该试样实验单元的进气由所述供气单元的进气阀门控制，出气则由所述出气阀门控制，另外，该试样实验单元还连接有安全阀，当腔体中的压力过高时，安全阀自动打开，将试样实验单元中的压力泄放掉，以保证整个系统的安全；预先将可燃物置入所述试样实验单元中的空腔内，然后，当所述进气阀门将气路打开时，所述供气单元的各个气瓶中的气体在所述流量控制单元的控制下，按照预先设置好的比例，流入所述试样实验单元中，然后关闭进气阀门停止进气，接着，所述控制系统通过控制试样实验单元的加热温度或者控制位于所述试样实验单元中的自动点火装置，使可燃物燃烧，此时通过所述温度传感器检测得到待测燃烧物的燃烧状态及空间温度分布情况，待燃烧完成后，将所述出气阀门打开，则燃烧产物通过该出气阀门排入所述废气收集器中。
2. 根据权利要求1所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，该系统还包括气体浓度 测量单元，其安装在所述试样试验单元排气路中的所述出气阀门的下游，该气体浓度测量 单元中安装有压力传感器和多种气体浓度传感器，具有该气体浓度测量单元的燃烧试验系统中，预先将可燃物置入所述试样实验单元中 的空腔内，然后，当所述进气阀门将气路打开时，所述供气单元的各个气瓶中的气体在所述 流量控制单元的控制下，按照预先设置好的比例，流入所述试样实验单元中，然后关闭进气 阀门停止进气，接着，所述控制系统通过控制试样实验单元中的加热温度或者控制位于所 述试样实验单元中的自动点火装置，使可燃物燃烧，待燃烧完成后，将所述出气阀门打开， 则燃烧产物通过该出气阀门排入所述气体浓度测量单元，经过一段时间之后，通过安装在 所述试样试验单元空腔内的压力传感器以及安装在所述气体浓度测量单元中的压力传感 器分别测量出所述试样实验单元中和所述气体浓度测量单元中的压力接近平衡后，通过安 装在所述气体浓度测量单元中的多种气体浓度传感器对气体浓度测量单元中的气体浓度 进行测量，从而获得试样实验单元中的气体浓度，由此测得燃烧产物中的气体成分和浓度， 废气最后被排入与所述气体浓度测量单元相连的所述废气收集器中。
3. 根据权利要求2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，在微重力条件下，通过将 所述气体浓度测量单元与外界相通从而使单元内部成为负压的方式，控制所述试样试验单 元与所述气体浓度测量单元中的气体浓度快速达到平衡。
4. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，所述试样实验单元中还设有风扇，用于搅拌试样实验单元中的气体，使各种气体成分能够快速均匀地分布在整 个试样实验单元中。
5. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，所述试样实验单元中 还设有图像观察单元，用于观察和记录试样实验单元中的燃烧过程。
6. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，安装在所述试样实验单元中的温度传感器为一组温度传感器阵列，使用热电偶或光纤，用来测量试样试验单元 中的温度分布。
7. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，所述气瓶的数量为 1 10个。
8. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，所述试样试验单元的 数量为1 4个。
9. 根据权利要求1或2所述的多功能燃烧实验系统，其特征在于，该系统还包括灭火试 验单元，以进行灭火试验。
全文摘要
本发明提供一种多功能燃烧实验系统，包括上位机、控制系统、供气单元、出气阀门、安全阀、试样实验单元以及废气收集器和气体浓度测量单元等。将可燃物置入试样实验单元中后，通过供气单元将多种气体按照预先设置好的比例流入试样实验单元中，接着控制试样实验单元的温度或者自动点火装置使可燃物燃烧，由此通过安装在试样试验单元中的温度传感器测得待测燃烧物的燃烧状态及空间温度分布情况。待燃烧完成后，使燃烧产物通过出气阀门排入气体浓度测量单元，并利用安装在气体浓度测量单元中的多种气体浓度传感器，测得燃烧产物中的气体成分和浓度。本发明的燃烧实验系统功能多、通用性强、可在一次试验中完成多个实验工况，大大提高试验效率。
文档编号G01N25/20GK101738415SQ20091024395
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者于强 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心