专利名称：气体爆炸特性尺寸效应的测试系统的制作方法
技术领域：
气体爆炸特性尺寸效应的测试系统技术领域[0001]本实用新型气体爆炸特性尺寸效应的测试系统涉及一种研究气体爆炸特性尺寸 效应的测试系统，本实用新型的测试系统可以改变容器和管道的形状、尺寸以及相互间不 同的连接形式，形成不同的爆炸装置，与配气装置、数据采集及处理装置进行连接，通过安 装在爆炸装置上的压力传感器、温度传感器、火焰传播速率传感器和高速数字摄像机，测得 容器和管道上各特征位置的气体爆炸特性参数数据爆炸压力、爆炸温度、火焰传播速率和 火焰图像；通过对实验测得的特性参数数据进行系统全面地分析和统计，研究气体爆炸过 程中湍流、射流火焰、爆炸波反射与能量变化等动力学特征以及气体流动、爆炸波和爆炸火 焰之间的关系，分析探索结构尺寸变化引起的尺寸效应，揭示结构尺寸对气体爆炸传播的 影响机制，同时还可以为绘制各种条件下气体爆炸强度计算图表提供基础数据。本实用新 型也可以为工程上气体泄爆、抗爆安全设计以及爆炸安全防护提供理论支撑和重要依据。
背景技术：
[0002]在工业生产过程中，球形容器、圆柱形容器和管道单独使用或者组合使用的情况 极为普遍，若反应失控或容器、管道存在缺陷，会引发火灾爆炸等事故，造成人员财产损失。 然而不同工艺过程中，容器的形状、尺寸，反应器与管道连接时的结构尺寸往往也不同，事 故的危险程度也会因此而不同。在工程上，气体或者粉尘爆炸特性随容器的尺寸、形状和结 构形式变化而变化的现象称为气体爆炸特性的尺寸效应。[0003]国外学者Bartknecht通过分析大量实验结果，提出了爆炸立方根定律，揭示了可 燃性气体在密闭容器内爆炸时最大压力上升速率和爆炸容器体积之间的规律，但爆炸立方 根定律对最大爆炸压力无法进行预测，而且该公式只适用于单个密闭容器，对复杂结构容 器中的气体爆炸特性更是无法预测。虽然国内外学者针对气体或者粉尘爆炸特性的研究中 也涉及到了容器与管道的结构形式和管道的长度变化对爆炸特性的影响，但他们主要从点 火位置、点火能量、气体或粉尘浓度、气体爆源性质、爆炸过程规律和障碍物等方面考虑，针 对尺寸效应的研究主要集中在单个容器或单纯管道，而且对于管道一端接容器、管道两端 连接容器等复杂系统的实验数据不多、缺乏系统性，无法总结分析出气体爆炸尺寸效应的 定性定量规律。国内外学者研究讨论的壁面效应、压力累积效应或者拐角效应，根本上也都 是由容器或管道的结构和尺寸所影响的。目前已有的研究成果实验条件千差万别，缺乏系 统性，无法对实验数据进行统计分析。通常使用模拟实验数据或传统理论计算模型指导的 容器或管道抗爆和泄爆安全设计，忽略了容器或管道尺寸变化不同所带来的影响。[0004]因此，需要研制一套可以系统研究气体爆炸尺寸效应的测试系统，开展各种结构 和尺寸条件下气体爆炸过程的实验与理论研究，揭示气体爆炸尺寸效应的规律，对气体爆 炸强度进行预测，对于有效地预防和控制此类灾害性事故具有重要的理论价值和实际意 义，研究成果将为工业容器或管道抑爆、隔爆和熄爆等安全技术提供依据。发明内容[0005]本实用新型目的是针对现有的可燃气体爆炸特性测试装置不能系统地研究一系 列结构尺寸条件下可燃气体的爆炸特性及爆炸特性的尺寸效应，而且研究结果不具广泛 性、无法应用于解决实际工况问题的问题，提供一种气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，是 一种可以系统全面地研究气体爆炸特性尺寸效应的测试系统。[0006]本实用新型气体爆炸特性尺寸效应测试系统采取以下技术方案实现[0007]气体爆炸特性尺寸效应测试系统包括配气装置、点火装置、爆炸装置、数据采集及 处理装置和高速数字摄像机。[0008]所述的配气装置包括可燃气体气源、配气气源和配气罐，配气罐的输入端分别与 可燃气体气源及配气气源相连，配气罐的另一路输出与爆炸装置的输入口相连通。[0009]所述的点火装置包括点火器，点火器安装在爆炸装置上，所述的点火器采用电火 花点火。根据点火器安装位置的不同，可以实现不同位置的点火；根据进入容器深度的不 同，可以实现容器或管道的壁面点火和中心点火两种形式的点火。[0010]所述的数据采集处理装置包括安装在所述的球形容器、圆柱形容器和管道上的压 力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器以及信号放大电路、数据采集电路、计算机，压 力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输 出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与计算机相连。[0011]所述的爆炸装置安装在配气装置与数据采集处理装置之间，爆炸装置包括球形容 器、圆柱形容器和管道。球形容器、圆柱形容器和管道之间均可以通过法兰自由对接。[0012]所述的高速数字摄像机用于拍摄容器与管道内可燃气体爆炸时的火焰，高速数字 摄像机镜头正对需要监测位置的观察段，高速数字摄像机输出端与计算机相连。[0013]所述的球形容器、圆柱形容器和管道均有多种尺寸规格，用于进行可燃气体在不 同尺寸或形状的容器或管道中的爆炸特性的尺寸效应研究。[0014]所述的爆炸装置的各个部分通过改变容器、管道的形状尺寸以及相互间的连接结 构，方便地进行连接组合，从结构和形状尺寸两方面研究气体爆炸的尺寸效应。[0015]所述的球形容器体积为IIL一 lm3，分别为11L、22L、113L、550L和lm3。[0016]所述的圆柱形容器按照长径比(长度与内径之比)分别为2:1和1:1两种。长径 比为2:1的圆柱形容器体积为IIL一lm3，优选体积分别为:11L、22L、113L、550L和Im30长 径比(长度与内径之比)为1:1的圆柱形容器体积为IlL一 lm3，优选体积分别为11L、22L、 113L、550L 和 Im30[0017]所述的管道按内截面分为圆形管道和方形管道两种。每种截面形状的管道有5 种不同的截面尺寸，每种规格管道均有5节，每节管道长2m。圆形管道截面直径为30mm 一 180mm,优选截面直径分别为30mm、60mm、100mm、140mm和180mm ;方形管道截面边长为 23. 6mm 一 141. 3mm,优选截面边长分别为 23. 6mm、47. 1mm、78. 5mm、109. 9mm 和 141.3mm。[0018]所述的容器和管道的特殊位置处均有高强度有机玻璃观察段，用于高速数字摄像 机拍摄气体爆炸时的火焰图像。球形容器上共有4处观察段，分别位于球形容器水平最大 轮廓位置、竖直导管与水平最大轮廓位置中间、垂直导管处、水平导管处；圆柱形容器上共 有5处观察段，分别位于圆柱形容器主体的上、中、下部分，竖直导管处、水平导管处；管道 上共有3处观察段，分别位于管道左、中、右。[0019]在容器和管道上均设有点火器接口、传感器接口、进出气口。球形容器有I处点火器接口 ；圆柱形容器有3处点火器接口，分别位于容器的上中下3处；每节管道上有3处点火器接口，分别位于管道的左中右3处。多处点火器接口可以实现在容器或管道不同位置点火，研究点火位置对气体爆炸特性产生的尺寸效应影响。传感器包括压力传感器、温度传感器和火焰传播速率传感器。容器和管道的特征位置均布有传感器接口，可以实现对爆炸装置特征位置处可燃气体爆炸特性的系统性监测。特征位置包括引出导管与容器结合处、球形容器肩部、球形容器水平最大轮廓处、圆柱形容器肩部、圆柱形容器上部和下部、管道左中右三部分、管道两端封闭法兰中心。进出气口用于充放可燃预混气体、容器或管道吹扫以及预混气体的循环，采用下进上出或左进右出的循环模式，保证可燃气体混合均匀。[0020]球形容器、圆柱形容器和管道下方采用稳定钢架支撑，并安装万向轮，方便容器与管道的相互组合。[0021]连接弯管与上述形状和尺寸的管道对应使用，弯曲角度为45° —150°，分别为 45°、60°、90°、120°和150°。连接弯管可以实现容器、管道等部件相互间连接角度，方便研究容器与容器、管道与管道、容器与管道等结构之间角度变化引起的尺寸效应对气体爆炸特性的影响。[0022]所述的点火装置，该点火装置为高能电子点火器(型号XDH_6L)，点火能量为6J， 这种装置点火速度快、操作方便。通过订制不同长度的点火枪，可以实现在容器或管道中心点火和壁面点火。[0023]所述的高速数字摄像机，该高速数字摄像机影像采集装置(型号Phantom V7. 3) 的最高分辨率@拍摄速率800X600 @ 6688帧/秒；最高拍摄速率@分辨率190476 帧/秒@ 32X8 ;最小曝光时间2μ s ;像素数480000 ;通讯接口 千兆以太网；灵敏度 (ISO-12232 SAT) :4800 (黑白)；1200 (彩色);镜头尼康 AF Zoom 80_200mm f/2. 8D ED ； 软件触发；帧同步JiiFSYNC BNC同步端口，支持内部时钟源、外部时钟源、IRIG-8时间码及移相IRIG-B。[0024]数据采集处理装置，该数据采集装置主要由安装在所述的爆炸装置中的压力传感器、温度传感器、火焰传播速率传感器、信号放大电路、数据采集电路及计算机组成，压力传感器、温度传感器和火焰传播速率传感器与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端与数据采集电路的输入端相连，数据采集电路的输出端与计算机相连。同时由高速数字摄像机拍摄爆炸装置内爆炸火焰流场图像，高速数字摄像机的输出端与计算机相连。[0025]所述的配气罐的输入端与配气仪(型号可为GH-1)的输出端相连，配气仪的输入端分别与可燃气体气源及配气气源相连。[0026]所述的配气气源为洁净空气。所述的可燃气体气源采用甲烷、丙烷、乙烯和液化气坐寸ο[0027]所述的各装置，除内部形状、尺寸不同外，外部连接处均可以通过标准法兰自由连接。[0028]本实用新型的测试系统可以改变容器和管道的形状、尺寸以及相互间不同的连接形式，形成不同的爆炸装置，与配气装置、数据采集及处理装置进行连接，通过安装在爆炸装置上的压力传感器、温度传感器、火焰传播速率传感器和高速数字摄像机，测得容器和管道上各特征位置的气体爆炸特性参数数据爆炸压力、爆炸温度、火焰传播速率和火焰图像；通过对实验测得的特性参数数据进行系统全面地分析和统计，研究气体爆炸过程中湍流、射流火焰、爆炸波反射与能量变化等动力学特征以及气体流动、爆炸波和爆炸火焰之间 的关系，分析探索结构尺寸变化引起的尺寸效应，揭示结构尺寸对气体爆炸传播的影响机 制，同时还可以为绘制各种条件下气体爆炸强度计算图表提供基础数据。本实用新型也可 以为工程上气体泄爆、抗爆安全设计以及爆炸安全防护提供理论支撑和重要依据。[0029]本实用新型的有益效果是[0030]本实用新型的气体爆炸特性尺寸效应的实验装置结构清晰合理、系统性强，操作 方便、功能强大，自动化程度高。[0031]1、本实用新型包括了一系列的几何形状、尺寸的容器和管道，容器和管道可以组 合成不同的结构，点火位置分布全面，传感器布置全面合理，可以研究可燃气体在不同结构 和尺寸条件下的爆炸特性和传播规律，获得全面的实验数据。[0032]2、本实用新型可以用于研究可燃气体在容器、管道中爆炸过程中湍流、射流火焰、 爆炸波反射与能量变化等动力学特征以及气体流动、爆炸波和爆炸火焰之间的关系。[0033]3、本实用新型可以为揭示结构尺寸变化引起的的尺寸效应对气体爆炸传播的影 响机制和绘制各种结构几何条件下气体爆炸强度计算图表系统地提供足够的基础理论数 据。[0034]4、本实用新型可广泛用于化工生产中典型尺寸参数影响下可燃气体爆炸危险性 分析，用于反应容器和管道的泄爆、抗爆安全设计，防止重特大爆炸事故的发生，带来显著 的社会与经济效益。
[0035]以下将结合附图对本实用新型作进一步的说明[0036]图1是本实用新型的系统结构示意图。[0037]图2是本实用新型的配气系统示意图。[0038]图3是本实用新型测试装置的数据采集及分析系统示意图。[0039]图4是本实用新型的爆炸装置球形容器与管道连接示意图。[0040]图5是本实用新型的圆柱形容器结构主视图。[0041]图6是本实用新型的圆柱形容器结构左视图。[0042]图7是本实用新型的球形容器结构主视图。[0043]图8是本实用新型的球形容器的传感器位置示意图。[0044]图9是本实用新型的管道结构示意图。[0045]图10是本实用新型的圆形管道的传感器位置示意图。[0046]图11是本实用新型的方形管道的传感器位置示意图。
具体实施方式
[0047]参照附图1 11，气体爆炸特性尺寸效应测试系统包括配气装置、点火装置、爆炸 装置、数据采集及处理装置和高速数字摄像机。[0048]所述的配气装置包括可燃气体气源、配气气源和配气罐，配气罐的输入端分别与 可燃气体气源及配气气源相连，配气罐的另一路输出与爆炸装置的输入口相连通。[0049]所述的点火装置包括点火器，点火器安装在爆炸装置上，所述的点火器采用电火花点火。根据点火器安装位置的不同，可以实现不同位置的点火；根据进入容器深度的不 同，可以实现容器或管道的壁面点火和中心点火两种形式的点火。[0050]所述的数据采集处理装置包括安装在所述的球形容器1、圆柱形容器2和管道3上 的压力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器、信号放大电路、数据采集电路及计算机 组成，压力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器与信号放大器的输入端相连，信号放 大器的输出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与计算机相连。[0051]所述的爆炸装置安装在配气装置与数据采集处理装置之间，爆炸装置包括球形容 器1、圆柱形容器2和管道3。球形容器1、圆柱形容器2和管道3之间均可以通过法兰4自 由对接。[0052]所述的高速数字摄像机用于拍摄容器与管道内可燃气体爆炸时的火焰，其镜头正 对需要监测位置的观察段，输出端与计算机相连。[0053]所述的球形容器体积为IIL一 lm3，分别为11L、22L、113L、550L和lm3。[0054]所述的圆柱形容器按照长径比(长度与内径之比)分别为2:1和1:1两种。长径 比为2:1的圆柱形容器体积为IIL一lm3，优选体积分别为:11L、22L、113L、550L和Im30长 径比(长度与内径之比)为1:1的圆柱形容器体积为IlL一 lm3，优选体积分别为11L、22L、 113L、550L 和 Im30[0055]所述的管道按内截面分为圆形管道和方形管道两种。每种截面形状的管道有5 种不同的截面尺寸，每种规格管道均有5节，每节管道长2m。圆形管道截面直径为30mm 一 180mm,优选截面直径分别为30mm、60mm、100mm、140mm和180mm ;方形管道截面边长为 23. 6mm 一 141. 3mm,优选截面边长分别为 23. 6mm、47. 1mm、78. 5mm、109. 9mm 和 141. 3mm。[0056]所述的容器和管道的特殊位置处均有高强度有机玻璃观察段，用于高速数字摄像 机拍摄气体爆炸时的火焰图像。球形容器I上共有4处观察段1-3，分别位于球形容器水平 最大轮廓位置、竖直导管与水平最大轮廓位置中间、垂直导管处、水平导管处；圆柱形容器 2上共有5处观察段2-3，分别位于圆柱形容器主体的上、中、下部分，竖直导管处、水平导管 处；管道3上共有3处观察段3-3，分别位于管道左、中、右。[0057]在容器和管道上均设有点火器接口、传感器接口、进出气口。球形容器有I处点火 器接口 1-4 ;圆柱形容器有3处点火器接口 2-4，分别位于容器的上中下3处；每节管道上有 3处点火器接口 3-4，分别位于管道的左中右3处。多处点火器接口可以实现在容器或管道 不同位置点火，研究点火位置对气体爆炸特性产生的尺寸效应影响。传感器包括压力传感 器、温度传感器和火焰传播速率传感器。容器和管道的特征位置均布有传感器接口，可以实 现对爆炸装置特征位置处可燃气体爆炸特性的系统性监测。特征位置包括引出导管与容 器结合处、球形容器肩部、球形容器水平最大轮廓处、圆柱形容器肩部、圆柱形容器上部和 下部、管道左中右三部分、管道两端封闭法兰中心。进出气口用于充放可燃预混气体、容器 或管道吹扫以及预混气体的循环，采用下进上出或左进右出的循环模式，保证可燃气体混 合均匀。[0058]参照附图2，所述的配气装置包括可燃气体气源、配气气源、配气罐、电磁阀一 8、 电磁阀二 9、电磁阀三12、电磁阀四16、流量计10、气体单向阀11、恒流控制器13、压力开关 14、截止阀一 17、截止阀二 15和真空泵。所述的配气气源为洁净空气。所述的可燃气体气 源采用甲烷、丙烷、乙烯和液化气等。可燃气体气源、配气气源分别通过管道、电磁阀一 8、电磁阀二 9、流量计10、气体单向阀11与电磁阀三12相连通，混合后经过恒流控制器13、压力 开关14控制，通过管道送入配气罐进一步配气混合，打开截止阀二 15，启动真空泵，爆炸装 置的球形容器、圆柱形容器、管道中的空气经过真空泵抽吸、排气，使爆炸装置的容器内形 成负压状态，关闭截止阀二 15，打开截止阀一 17、通过控制室控制可编程控制器控制打开 电磁阀四16，配气罐内可燃气体与空气混合气体，进入爆炸装置的容器内，使其达到设定压 力，通过控制室控制可编程控制器控制关闭电磁阀四16、关闭截止阀一 17，爆炸装置可进 入下一步点火爆炸测试程序。所述的恒流控制器13采用市售恒流控制器。所述的压力开 关14采用市售压力开关。[0059]参照附图4、7、8，所述的爆炸装置的球形容器I设置有进气口 1-1、出气口 1_2、点 火器接口 1-4、压力传感器接口 1-6、火焰传播速率传感器接口 1-8、温度传感器接口 1-7，进 气口 1-1通过截止阀与配气装置相连，点火器接口 1-4安装有点火器，压力传感器接口 1-6 中安装有压力传感器，火焰传播速率传感器接口 1-8中安装有火焰传播速率传感器，温度 传感器接口 1-7中安装有温度传感器，球形容器I通过法兰4与管道3自由对接。管道3 上设置有进气口 3-1、出气口 3-2、压力传感器接口 1-6、火焰传播速率传感器接口 1-7、温度 传感器接口 1-7，压力传感器接口 1-6安装有压力传感器，火焰传播速率传感器接口 1-8安 装有火焰传播速率传感器，温度传感器接口 1-7安装有温度传感器。气体循环泵7进气口 与球形容器I的出气口 1-2相连，气体循环泵7进气口与管道3的进气口 3-1相连，用于在 点火前将装在爆炸装置的球形容器I与管道3内的气体混合均匀。在球形容器I上设置有 观察段1-3，在管道3上设置有观察段3-3。球形容器I和管道3分别安装在稳定钢架5支 撑，在稳定钢架5下部装有万向轮6，方便容器与管道的相互组合。所述的球形容器I安装 有压力表1-5，可指示球形容器I内压力。[0060]参照附图5、6，所述的爆炸装置的圆柱形容器2设置有进气口 2-1、出气口 2_2、点 火器接口 2-4、压力传感器接口 2-6、火焰传播速率传感器接口 2-8、温度传感器接口 2-7，进 气口 2-1通过截止阀与配气装置相连，点火器接口 2-4安装有点火器，压力传感器接口 2-6 中安装有压力传感器，火焰传播速率传感器接口 2-8中安装有火焰传播速率传感器，温度 传感器接口 2-7中安装有温度传感器，圆柱形容器2可通过法兰4与管道3自由对接。在 圆柱形容器2上设置有观察段2-3。圆柱形容器2安装在稳定钢架5支撑，在稳定钢架5下 部装有万向轮6，方便容器与管道的相互组合。所述的圆柱形容器2安装有压力表2-5，可 指示圆柱形容器2内压力。[0061]参照附图4、9、10、11，所述的爆炸装置的管道3设置有进气口 3_1、出气口 3_2、点 火器接口 3-4、压力传感器接口 3-5、火焰传播速率传感器接口 3-7、温度传感器接口 3-6，进 气口 3-1通过截止阀与配气装置相连，点火器接口 3-4安装有点火器，压力传感器接口 3-5 中安装有压力传感器，火焰传播速率传感器接口 3-7中安装有火焰传播速率传感器，温度 传感器接口 3-6中安装有温度传感器，管道3可通过法兰4与圆柱形容器2或球形容器I 自由对接。在管道3上设置有观察段3-3。管道3安装在稳定钢架5支撑，在稳定钢架5下 部装有万向轮6，方便容器与管道的相互组合。所述的管道3可采用圆形管道(见附图10) 或方形管道(见附图11)。[0062]球形容器1、圆柱形容器2和管道3下方采用稳定钢架5支撑，并安装万向轮6，方 便容器与管道的相互组合。[0063]连接弯管与上述形状和尺寸的管道对应使用，弯曲角度为45° —150°，分别为 45°、60°、90°、120°和150°。连接弯管可以实现容器、管道等部件相互间连接角度，方便研究容器与容器、管道与管道、容器与管道等结构之间角度变化引起的尺寸效应对气体爆炸特性的影响。[0064]所述的点火装置，该点火装置为高能电子点火器(型号XDH_6L)，点火能量为6J， 这种装置点火速度快、操作方便。通过订制不同长度的点火枪，可以实现在容器或管道中心点火和壁面点火。[0065]所述的高速数字摄像机，该高速数字摄像机影像采集装置(型号Phantom V7. 3) 的最高分辨率@拍摄速率800X600 @ 6688帧/秒；最高拍摄速率@分辨率190476 帧/秒@ 32X8 ;最小曝光时间2μ s ;像素数480000 ;通讯接口 千兆以太网；灵敏度 (ISO-12232 SAT) :4800 (黑白)；1200 (彩色);镜头尼康 AF Zoom 80_200mm f/2. 8D ED ； 软件触发；帧同步JiiFSYNC BNC同步端口，支持内部时钟源、外部时钟源、IRIG-8时间码及移相IRIG-B。[0066]数据采集处理装置，该数据采集装置主要由安装在所述的爆炸装置中的压力传感器、温度传感器、火焰传播速率传感器、信号放大电路、数据采集电路及计算机组成，压力传感器、温度传感器和火焰传播速率传感器与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端与数据采集电路的输入端相连，数据采集电路的输出端与计算机相连。同时由高速数字摄像机拍摄爆炸装置内爆炸火焰流场图像，高速数字摄像机的输出端与计算机相连。[0067]所述的配气罐的输入端与配气仪(型号可为GH-1)的输出端相连，配气仪的输入端分别与可燃气体气源及配气气源相连。[0068]所述的配气气源为洁净空气。所述的可燃气体气源采用甲烷、丙烷、乙烯和液化气坐寸ο[0069]所述的各装置，除内部形状、尺寸不同外，外部连接处均可以通过标准法兰自由连接。[0070]
以下结合附图和实例对本实用新型作进一步的说明。[0071]一种研究气体爆炸尺寸效应的测试系统，它主要由配气装置、爆炸装置、点火装置、高速数字摄像机和数据采集处理装置组成，如图所示。[0072]其中的配气装置(如图所示)包括配气罐，配气罐的输入端分别与可燃气体气源 (可采用气瓶或直接与气体发生装置相连)及配气气源(可为洁净空气或其它惰性气体)相连，为了准确控制可燃气体与所配的配气(空气)的混合量，可在配气罐的输入端前安装一个配气仪(型号可为GH-1)，配气仪的输入端分别与可燃气体气源及配气气源相连，具体实施时还可根据控制要求在配气管路上安装相应的流量计、电动气阀、单向阀等电控元件以提高控 制的自动化水平。[0073]爆炸装置的进气端与配气仪出气端相连，充气结束后关闭进气阀，开启空气循环泵使可燃预混气体混合均匀。各传感器接入对应位置，连接到控制器中，传感器接口不使用时使用螺栓进行密封。容器、管道相互间用法兰连接。[0074]本实用新型的高速数字摄像仪如图所示，它主要用于拍摄可燃气体在不同结构尺寸的容器或管道中爆炸时的火焰形状和传播情况。在使用时，先安装Phantom控制软件到计算机中，将计算机与高速数字摄像仪相连接，打开摄像机镜头，启动程序，在计算机中显示摄像机拍摄到的图像，通过调整镜头焦距、光圈和其他参数，使图像满足研究要求。摄像结束后，在控制软件中进行剪切，并转换成通用的图像和影音播放格式，便于观看和使用。[0075]本实用新型的数据采集装置如图所示，它主要由安装在所述的气体爆炸装置中的压力传感器(型号可为PT500-503H)、温度传感器(型号科为型号NANMAC C2-7)、火焰传播速率传感器(采用光敏三极管制成)、信号放大电路(可采用常规电路)、数据采集电路(可采用常规电路加以实现)及计算机组成，各传感器与信号放大电路的输入端相连，信号放大电路的输出端与数据采集电路的输入端相连，数据采集电路的输出端与计算机相连。数据采集电路也可采用多通道数据采集仪和数据采集软件加以实现，数据处理和分析部分采用通用信号分析软件对数据和信号进行分析和处理。数据采集部分采用JV5231型多通道数据采集仪同步采集数据，最大采样速度为20M，分辨率为12bit，精度误差小于1.0%。采用 Signal-View通用信号分析软件对数据和信号进行分析和处理。[0076]由于本实用新型是研究可燃气体爆炸特性的尺寸效应的实验系统，因此本实用新型通过实验系统中容器、管道、弯管的拆卸组合，可以完成两部分的尺寸效应研究密闭空间内的气体爆炸特性尺寸效应和泄爆过程中的尺寸效应。这两方面的研究主要考虑球形容器的内径变化，圆柱形容器长径比变化，接管的容器变化，容器接管的长度、横截面积、横截面形状不同，管道的弯度如何等因素。[0077]研究形状尺寸变化引起的尺寸效应的具体测试方案主要包括三个系列单个容器或管道系列、单个容器连接管道系列、连通器系列，可燃预混气体在各个系列的爆炸装置中发生爆炸。[0078]通过纵向比较单容器、容器接管、两容器接管这三种结构中，同一特征位置处的爆炸特性参数，可以研究由于结构变化产生的尺寸效应。[0079]具体分析方法通过上述具体的测试方案，可以得到不同结构尺寸中不同点火条件下容器和管道中不同位置的气体爆炸特性参数数据。通过系统地分析实验测得的数据，揭示尺寸效应对气体爆炸特性的影响规律和机理。[0081]分析计算气体爆炸特性参数数据时，主要包括爆炸冲击波传播过程中的过程参数和特征参数。[0082]( I)过程参数[0083]①爆炸压力产一时间t的关系，根据各个特征位置处的传感器获得的实时数据，可以绘出同一位置爆炸压力随时间变化的过程曲线，同时也可以绘出同一时刻不同位置处的爆炸压力曲线，揭示爆炸压力传播过程。[0084]^压力上升速率& 一时间 的关系；通过数据分析软件origin和Matlab对 (2JdtP~t数据进行分析，可以计算出压力上升速率随时间变化的曲线，揭示压力上升速率变化的规律。[0085]@爆炸温度T1 一时间t的关系，根据各个特征位置处的传感器获得的实时数据，可以绘出同一位置温度随时间变化的过程曲线，同时也可以绘出同一时刻不同位置处的温度曲线，揭示爆炸时温度传播过程。[0086]温度上升速率&一时间t的关系,通过数据分析软件origin和Matlab对T_t⑷ dt数据进行分析，可以计算出温度上升速率随时间变化的曲线，反映出温度上升速率变化的规律。[0087](§)火焰传播速度K。通过特征位置火焰传感器采集的数据和分析软件origin和Matlab，可以分析计算出火焰传播情况，以及同一位置的火焰变化情况。[0088](2)特征参数[0089]①最大爆炸压力产_，通过对过程参数的分析，可以方便地分析出同一位置的最大爆炸压力、同一结构中最大爆炸压力最大值的位置，揭示容器或管道中承受的最大爆炸压力和位置。[0090]②最大爆炸压力上升速率||；)max,通过对过程参数的分析，可以得出最大爆炸压力上升速率。[0091]@最大爆炸温度Tfflax，通过对过程参数的分析，可以方便地分析出同一位置的最大爆炸温度、同一结构中最大爆炸温度最大值的位置，揭示容器或管道中承受的最大爆炸温度和位置。[0092]^最大爆炸温度上升速率g^)max ,通过对过程参数的分析，可以得出最大爆炸压力上升速率。[0093]另外通过分析压力变化曲线，可以揭示爆炸冲击波传播过程中湍流、射流火焰、爆炸波反射与能量变化等动力学特征以及气体流动、爆炸波和爆炸火焰之间的关系 。[0094]本实用新型除了可以系统研究可燃气体爆炸特性的尺寸效应外，若与其他实验测试仪器配合使用，还可以用于研究可燃气体在容器、管道爆炸时的外流场特性，从而实现气体爆炸尺寸效应、外流场特性的系统研究，以及通过增加泄爆片，可以研究容器、管道的泄爆特性，为容器、管道的泄爆、抗爆设计提供基础实验条件，积累实验数据。[0095]本实用新型的实验操作过程为(1)首先根据实验需要，确定爆炸装置的结构形式、尺寸，选择合适的容器、管道进行组合和点火枪；(2)根据图1组装爆炸装置和实验仪器，连接装配好配气装置、爆炸装置、和数据采集处理装置，布置好高速数字摄像机位置，检查各种部件的线路，并确保连接良好，检查装置气密性；(3)通过配气仪配制一定浓度的预混可燃气体储存于配气罐中；(4)启动真空泵使爆炸装置抽真空至负压-O. 006MPa,开启电磁阀，向爆炸容器中缓慢输送预混可燃气体，容器和管道内的压力传感器开始接收压力信号，根据实验压力情况，启动增压泵，并设定压力值；(5)清理人员至安全区域，静置实验装 置，使预混可燃气体混合均匀，随后点火引爆气体，由爆炸压力传感器、温度传感器和火焰 传播速率传感器测试气体爆炸特性的相关信号，高速数字摄像机拍摄爆炸时火焰情况，并 将信号传递给数据采集仪，进行数据的采集、处理和分析。[0096]本实用新型爆炸装置的特征在于容器、管道、加速环和弯管的结构和尺寸系统全 面，可以系统地实现可燃气体在容器、管道以及容器和管道组成的连通容器中爆炸，用于研 究气体爆炸尺寸效应主要方面的影响因素。本实用新型结构全面系统，可操作性好，自动化 程度高，解决了可燃性气体尺寸效应系统研究的难题，为揭示结构尺寸变化引起的的尺寸 效应对气体爆炸传播的影响机制和绘制各种结构几何条件下气体爆炸强度计算图表系统 地提供足够的基础理论数据。[0097]本实用新型未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
权利要求1.一种气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于包括配气装置、点火装置、爆炸装置、数据采集及处理装置和高速数字摄像机； 所述的配气装置包括可燃气体气源、配气气源和配气罐，配气罐的输入端分别与可燃气体气源及配气气源相连，配气罐的另一路输出与爆炸装置的输入口相连通； 所述的点火装置包括点火器，点火器安装在爆炸装置上，采用电火花点火，根据点火器安装位置的不同，可以实现不同位置的点火；根据进入容器深度的不同，可以实现容器或管道的壁面点火和中心点火两种形式的点火； 所述的数据采集处理装置包括安装在所述的球形容器、圆柱形容器和管道上的压力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器以及信号放大电路、数据采集电路、计算机；压力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器与信号放大器的输入端相连，信号放大器的输出端与数据采集器的输入端相连，数据采集器的输出端与计算机相连； 所述的爆炸装置安装在配气装置与数据采集处理装置之间，爆炸装置包括球形容器、圆柱形容器和管道；球形容器、圆柱形容器和管道之间均可以通过法兰自由对接； 所述的高速数字摄像机用于拍摄容器与管道内可燃气体爆炸时的火焰，高速数字摄像机镜头正对需要监测位置的观察段，高速数字摄像机输出端与计算机相连。
2.根据权利要求1所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的球形容器、圆柱形容器和管道均有多种尺寸规格，用于进行可燃气体在不同尺寸或形状的容器或管道中的爆炸特性的尺寸效应研究。
3.根据权利要求1或2所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的球形容器体积为IlL一lm3，优选体积为11L、22L、113L、550L和lm3。
4.根据权利要求1或2所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的圆柱形容器按照长径比分别为2:1和1:1两种；长径比为2:1的圆柱形容器体积为IlL一1m3，优选体积分别为11L、22L、113L、550L和Im3 ;长径比为1:1的圆柱形容器体积为IlL一2m3，优选体积分别为:11L、22L、113L、550L 和 Im30
5.根据权利要求1或2所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的管道按内截面分为圆形管道和方形管道两种；每种截面形状的管道有5种不同的截面尺寸，每种规格管道均有5节，每节管道长2m;圆形管道截面直径为30mm — 180mm，优选截面直径分别为30mm、60mm、100mm、140mm和180mm ;方形管道截面边长为23. 6mm 一 141. 3mm,优选截面边长分别为 23. 6mm、47. lmm、78. 5mm、109. 9mm 和 141. 3mm。
6.根据权利要求1所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的容器和管道均有高强度有机玻璃观察段，用于高速数字摄像机拍摄气体爆炸时的火焰图像；球形容器上共有4处观察段，分别位于球形容器水平最大轮廓位置、竖直导管与水平最大轮廓位置中间、垂直导管处、水平导管处；圆柱形容器上共有5处观察段，分别位于圆柱形容器主体的上、中、下部分，竖直导管处、水平导管处；管道上共有3处观察段，分别位于管道左、中、右。
7.根据权利要求1所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于在容器和管道上均设有点火器接口、传感器接口、进出气口 ；球形容器有I处点火器接口 ；圆柱形容器有3处点火器接口，分别位于容器的上、中、下3处；每节管道上有3处点火器接口，分别位于管道的左、中、右3处；多处点火器接口实现在容器或管道不同位置点火，研究点火位置对气体爆炸特性产生的尺寸效应影响；传感器包括压力传感器、温度传感器和火焰传播速率传感器；容器和管道的特征位置均布有传感器接口，实现对爆炸装置特征位置处可燃气体爆炸特性的系统性监测；特征位置包括引出导管与容器结合处、球形容器肩部、球形容器水平最大轮廓处、圆柱形容器肩部、圆柱形容器上部和下部、管道左中右三部分、管道两端封闭法兰中心；进出气口用于充放可燃预混气体、容器或管道吹扫以及预混气体的循环，采用下进上出或左进右出的循环模式，保证可燃气体混合均匀。
8.根据权利要求1所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于所述的配气装置还包括电磁阀一、电磁阀二、电磁阀三、电磁阀四、流量计、气体单向阀、恒流控制阀、压力开关、截止阀一、截止阀二和真空泵。
9.根据权利要求1所述的气体爆炸特性尺寸效应的测试系统，其特征在于球形容器、圆柱形容器和管道下方采用稳定钢架支撑，并安装万向轮，方便容器与管道的相互组合。
专利摘要本实用新型气体爆炸特性尺寸效应的测试系统涉及一种研究气体爆炸特性尺寸效应的测试系统。包括配气装置、点火装置、爆炸装置、数据采集及处理装置和高速数字摄像机；所述的配气装置包括可燃气体气源、配气气源和配气罐；所述的点火装置包括点火器，点火器安装在爆炸装置上；所述的数据采集处理装置包括安装在所述的球形容器、圆柱形容器和管道上的压力传感器、火焰传播速率传感器、温度传感器以及信号放大电路、数据采集电路、计算机；所述的爆炸装置安装在配气装置与数据采集处理装置之间，爆炸装置包括球形容器、圆柱形容器和管道；所述的高速数字摄像机用于拍摄容器与管道内可燃气体爆炸时的火焰，高速数字摄像机输出端与计算机相连。
文档编号G01N25/54GK202870016SQ201220518170
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月11日 优先权日2012年10月11日
发明者王志荣, 崔益清, 张煜, 蒋军成 申请人:南京工业大学