一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置及测量方法与流程

本发明属于含能材料性能测试技术开发领域，更具体地说，涉及一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置及测量方法。

背景技术：

铝是地球上储存最为丰富的金属元素，被视为一种很有前景的储能和能源转换材料。铝热反应是指金属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。该燃烧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。当前，国内对于铝热反应的实验研究尚处于起步阶段，大多研究集中在纳米铝热剂的制备方法、结构表征以及热动力学分析等方面，而对铝热剂点火和燃烧性能的研究却鲜有报道，尤其在温度和燃速两大方面。因此，开发出一种研究铝热反应温度与燃速的实验装置及测量方法显得十分必要。

中国专利申请号为201020228297.4，申请日为2010年6月18日，发明创造名称为：一种测量物质低温低压燃速的装置，该申请案的装置包括密封壳体、控温装置、减压装置、燃速支架、点火装置和燃速测量装置，密封壳体包括钢板耐压层、控温层、隔热层和塑料外壳，密封外壳前面是可以打开的密封门，门中间有一个透明的有机玻璃观察窗口，与燃烧支架水平对应，其中燃烧支架包括铜柱、被测样品、固定支架、绝缘柱和底座，点火装置包括电源、电线、点火开关和V型点火丝。但该申请案仅适用于研究固体推进剂在低温低压环境下的点火性能、燃烧性能及燃烧稳定性等重要参数，而对于呈分散状的粉末颗粒很难实现点火燃烧，另外该装置无法得到测试样燃烧过程中的温度变化，因此其并不适用于铝热反应点火及燃烧性能的研究。

又如，申请人于2011年4月29日申请的，申请号为：201110110037.6，名称为：新型实验用点火测温装置的申请案公开了一种仅借助点火丝产生的热量来引燃燃料的点火装置，该点火测温装置包括点火丝、点火电源、点火台，在点火台上设有两个点火孔和两个测温孔，点火台中央上方的支架上放置点火测温筒，点火测温筒上开有小孔并设置有热电偶，热电偶通过导线经过点火台上两个测温孔与测温计连接，点火台测温筒上方放置点火丝，点火丝两端固定在两个外侧套有托架，压簧和紧固旋片的点火柱上，两根点火柱固定在点火台上，并分别通过点火台上的两个点火孔与点火电源连接，点火电源有插头、断电保护器、接触式调压器通过导线连接。该申请案的构造简单，可以用于测量实验室中燃料的点火温度和燃料燃烧的温度，但采用该装置进行实验时燃料的整个燃烧过程均裸露在外界环境中，存在一定的安全隐患，而且燃烧溅射出的实验残渣不易收集。此外，采用该申请案的装置进行温度测量时，其测量结果存在一定的误差，从而影响研究结果，且该装置无法实现燃料燃速的测量。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服目前现有燃烧温度与燃速测量装置不适用于铝热反应点火与燃烧过程的研究，其测量结果存在偏差的不足，提供了一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置及测量方法。采用本发明的装置能够实现对呈分散状铝热反应混合颗粒的点火和燃烧，并结合了实验操作同步控制化和燃烧过程可视化两大优势，从而能够简便、准确、系统地获取铝热反应过程中的温度数据与燃速数据。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，包括气体供应机构、高温反应机构、点火机构和燃烧数据采集机构，其中，所述的气体供应机构用于为高温反应机构供应铝热反应所需的气体，所述的点火机构用于为高温反应机构内的铝热反应粉末点火，所述的高温反应机构包括保护管、燃烧槽和拉伸杆，保护管的两端设有密封塞，燃烧槽置于保护管内部，所述拉伸杆的一端与燃烧槽端部可拆卸连接，其另一端穿过密封塞伸至保护管外部；

所述的燃烧数据采集机构包括热电偶、数据采集仪、高速摄像机、相机支架和计算机，所述热电偶的偶头部位插入到燃烧槽的中心位置，其输出端贯穿拉伸杆与数据采集仪的输入端相连；所述高速摄像机位于保护管外部正对燃烧槽放置，该高速摄像机及数据采集仪均与计算机相连。

更进一步的，所述的气体供应机构包括高压气罐、质量流量计、流量计控制仪和气体导入管，其中，所述的高压气罐通过输气管路与气体导入管的一端相连，气体导入管的另一端穿过密封塞伸入保护管内部；所述高压气罐与气体导入管之间的输气管路上设有质量流量计，且质量流量计还与流量计控制仪相连。

更进一步的，所述的点火机构包括点火柱、加热丝、调压器和断电保护器，所述点火柱固定于燃烧槽的一端，加热丝的两端分别固定于两根点火柱上；所述调压器的输入端接入220V交流电压，调压器的输出端与断电保护器的输入端相连，断电保护器的输出端接有两根金属导线，并贯穿拉伸杆与加热丝的两端相连。

更进一步的，所述点火柱的表面均套设有绝缘陶瓷管，绝缘陶瓷管上加工有接线凹槽，两根金属导线分别与所述加热丝的两端缠绕在两个接线凹槽内。

更进一步的，所述的燃烧数据采集机构还包括同步控制器，该同步控制器的输出端与断电保护器、高速摄像机及计算机均相连。

更进一步的，所述的燃烧槽由不锈钢制成，燃烧槽的长度为100～200mm，宽度为15～30mm，高度为8～16mm，在燃烧槽上表面加工有长度为100～200mm，宽度6～12mm，深度为4～8mm的凹槽，凹槽两侧设有刻度。

更进一步的，所述的保护管由透明石英管制成，其长度为30～40cm，厚度为4～5mm，端面内径为10～12cm；所述的密封塞材质为橡皮塞，密封塞上设有6～7mm的通孔用于连接气体导入管；所述的气体导入管由石英材质制成，气体导入管的长度为10～15cm，直径为5～6mm。

更进一步的，所述的拉伸杆由刚玉管加工制成，在距离其一端5～6cm的位置处加工有四个呈L型的通孔，通孔贯穿整个拉伸杆，且通孔的孔径为4～5mm。

更进一步的，所述的点火柱由M4螺栓加工制成，所述的绝缘陶瓷管为空心圆柱体，该圆柱体长度为4～5mm，直径为4～5mm；所述的加热丝选用镍钴材质，加热丝的直径规格为0.5～1mm，加热丝在引燃处设计为螺旋状；所述的热电偶选用铂铑S型。

本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量方法，采用本发明的测量装置进行测量，其具体步骤如下：

步骤一、铝热剂的布置

将制备好的铝热剂颗粒完全填充在燃烧槽的凹槽中，并通过振荡器振荡使铝热剂分布均匀；使拉伸杆与燃烧槽的一端相连，通过推动拉伸杆将燃烧槽推入到保护管的中心位置；

步骤二、实验同步控制

打开高压气罐上的气阀后，通过计算机开启同步控制器，控制质量流量计先通入设定流量的气体充满整个保护管，再同步打开高速摄像机、数据采集仪和断电保护器；

步骤三、燃烧数据采集：

通过热电偶采集铝热剂燃烧过程中的温度数据，并将温度数据传输到数据采集器，数据采集器将实时数据传输到计算机，计算机得到不同时刻燃烧温度数据；同时，高速摄像机对保护管内的燃烧过程进行全程录像，燃烧一旦开始，计算机每间隔20ms就会截取一次燃烧图片；燃烧实验结束后，通过计算机控制同步控制器，依次关闭质量流量计、高速摄像机、数据采集仪和断电保护器，然后收集燃烧槽表面的实验残渣；

步骤四、实验数据后处理：

根据采集到的不同时刻燃烧温度数据，计算机自动处理得到整个燃烧过程中温度随时间变化曲线；同时燃烧开始后，计算机每间隔20ms截取一次燃烧图片，将所截取的图片上火焰传播不同时刻对应燃烧槽上的刻度线位置L₁，L₂，L₃…...L_n依次输入到计算机，则：

0～20ms的平均燃速

20～40ms的平均燃速

······

······

(n-1)*20～n*20ms的平均燃速

计算机根据上述公式自动计算每间隔20ms内火焰的传播平均速度，再通过处理即得到整个反应过程中燃速随时间的变化曲线。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，包括气体供应机构、高温反应机构、点火机构和燃烧数据采集机构，其高温反应机构包括保护管、燃烧槽和拉伸杆，保护管的两端设有密封塞，燃烧槽置于保护管内部，所述拉伸杆的一端与燃烧槽端部可拆卸连接，其另一端穿过密封塞伸至保护管外部，本发明的装置是根据铝热反应的特点专门设计的，通过该装置能够对铝热反应的温度和燃速进行精确测量，且能够获得不同时刻对应的温度与燃速数据，有利于全面深入研究铝热反应的燃烧状态和燃烧机理。

(2)本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，所述的气体供应机构包括高压气罐、质量流量计、流量计控制仪和气体导入管，通过质量流量计能够对通入反应机构内的气体流量进行实时监测，同时通过流量计控制仪能够准确调节气体的流量。

(3)本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，所述的点火机构包括点火柱、加热丝、调压器和断电保护器，调压器的输入端接入220V交流电压，调压器的输出端与断电保护器的输入端相连，断电保护器的输出端接有两根金属导线，并贯穿拉伸杆与加热丝的两端相连，通过调压器可以调节点火丝的输入电压，便于点火启动。由于金属导线贯穿拉伸杆后与加热丝的两端相连，从而可以对金属导线进行有效保护。

(4)本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，所述点火柱的表面均套设有绝缘陶瓷管，绝缘陶瓷管上加工有接线凹槽，两根金属导线分别与所述加热丝的两端缠绕在两个接线凹槽内，从而能够使得整个电路通路，同时绝缘陶瓷管也避免了短路现象的发生，并调整加热丝的位置对准凹槽前沿面。

(5)本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，所述的燃烧数据采集机构还包括同步控制器，该同步控制器的输出端与断电保护器、高速摄像机、质量流量计及计算机均相连，从而实现了对整个实验装置的同步控制，减轻了实验人员的操作量，同时也提高了实验结果的准确性，将加热丝的点火延迟影响和气体的使用量变化降低到最小。

附图说明

图1为本发明的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置的结构示意图；

图2为本发明中燃烧槽的结构示意图；

图3是本发明中拉伸杆的结构示意图；

图4是本发明中铝热反应(0.2克铝粉和0.2克氧化铜混合的铝热剂)不同时刻温度数据的测试结果；

图5是本发明中铝热反应(0.2克铝粉和0.2克氧化铜混合的铝热剂)每间隔20ms的平均燃速的测试结果。

示意图中的标号说明：

1、高压气罐；2、质量流量计；3、流量控制仪；4、气体导入管；5、密封塞；6、保护管；7、底座；8、燃烧槽；9、拉伸杆；10、点火柱；11、绝缘陶瓷管；12、接线槽；13、加热丝；14、金属导线；15、调压器；16、断电保护器；17、热电偶；18、保护套管；19、数据采集仪；20、高速摄像机；21、相机支架；22、计算机；23、同步控制器。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

如图1-图3所示，本实施例的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，包括气体供应机构、高温反应机构、点火机构和燃烧数据采集机构。其中，所述的气体供应机构用于为高温反应机构供应铝热反应所需的气体，该气体供应机构包括高压气罐1、质量流量计2、流量计控制仪3和气体导入管4，高压气罐1用来储存实验所需的反应气体，并可根据实验具体要求相应地更换。上述高压气罐1通过输气管路与气体导入管4的一端相连，气体导入管4的另一端穿过密封塞5伸入保护管6内部；所述高压气罐1与气体导入管4之间的输气管路上设有质量流量计2，且质量流量计2还与流量计控制仪3相连。实验开始后，高压气罐1中的气体通过质量流量计2由气体导入管4供入反应区，从而控制整个铝热反应的反应气氛。流量计控制仪3通过控制质量流量计来控制进入气体导入管4的流量，由于流量计控制仪3连接上了计算机22，所以可以在计算机22上设置质量流量计控制3的流量参数，实现对气体流量的同步控制。本实施例中实验过程中气体流量设置在15mL/min。

所述的点火机构用于为高温反应机构内的铝热反应粉末点火，该点火机构包括点火柱10、加热丝13、调压器15和断电保护器16，所述点火柱10固定于燃烧槽8的一端，加热丝13的两端分别固定于两根点火柱10上；所述调压器15的输入端接入220V交流电源，调压器15可以将220V的交流电转换为0～250V的直流电，调压器15的输出端与断电保护器16的输入端相连，断电保护器16的输出端接有两根金属导线14，并贯穿拉伸杆9与加热丝13的两端相连，从而能够控制点火丝13的输入电压。本实施例中两根点火柱10均由长度为15mm的M4螺栓加工制成，与燃烧槽8一端通过螺纹相连接。带有接线凹槽12的绝缘陶瓷管11分别固定在两根点火柱10上，绝缘陶瓷管11为空心圆柱体，该圆柱体长度为4～5mm，直径为4～5mm，且绝缘陶瓷管11上加工有接线凹槽12，两根金属导线14分别与所述加热丝13的两端缠绕在两个接线凹槽12内，从而能够使得整个电路通路，同时绝缘陶瓷管11也避免了短路现象的发生，并调整加热丝13的位置对准凹槽前沿面。上述加热丝13选用镍钴材质，加热丝的直径规格为0.5mm，加热丝13在引燃处设计为螺旋状，同时可根据实验需求改变螺旋的匝数。

所述的高温反应机构包括保护管6、燃烧槽8和拉伸杆9，保护管6的两端设有密封塞5，密封塞5为圆台状，由橡胶制成，密封塞5上设有6mm的通孔用于连接气体导入管4；上述燃烧槽8置于保护管6内部，所述拉伸杆9的一端与燃烧槽8端部可拆卸连接，其另一端穿过密封塞5伸至保护管6外部。上述保护管6为空心圆柱体，由透明石英管制成，从而能够避免实验过程中出现石英管破裂，本实施例中保护管6的规格为长度为30cm，厚度为4mm，端面内径为10cm，保护管6的底部设有底座7，底座7为不锈钢材质，其上表面为凹圆面结构，底座7高度为2cm，长度为6cm，宽度为3cm，保护管6可以嵌入在底座上，在保护管6和底座7的接触面上用双面胶固定，以防止出现松动。

图2所示是燃烧槽8的结构示意图，该燃烧槽8由不锈钢制成，燃烧槽8的长度为100mm，宽度为15mm，高度为8mm，在燃烧槽8上表面加工有长度为100mm，宽度5-6mm，深度为3-4mm的凹槽，点火前不同配方铝热剂需完全布置在凹槽内并与燃烧槽8上表面保持水平，凹槽两侧设有刻度，从而方便实验人员直接读取火焰传播位置。所述的气体导入管4由石英材质制成，气体导入管4的长度为10cm，直径为5mm。

图3所示是拉伸杆9的结构示意图，所述的拉伸杆9由刚玉管加工制成，长度为30cm，整个拉伸杆9与燃烧槽8的一端通过螺纹连接，从而可以直接推动拉伸杆9将燃烧槽8推入到保护管相应位置。在距离其一端6cm的位置处加工有四个呈L型的通孔，通孔贯穿整个拉伸杆9，且通孔的孔径为4mm，热电偶17和金属导线14由点火柱10引出，通过这四个通孔分别与数据采集仪19和断电保护器16相连接，从而一方面可以对金属导线和热电偶引线进行保护，另一方面还能够防止实验过程中热电偶的正负极引线接触影响正常使用。

所述的燃烧数据采集机构包括热电偶17、保护套管18、数据采集仪19、高速摄像机20、相机支架21、计算机22和同步控制器23。所述热电偶17选用直径规格为100μm的铂铑S型，其偶头部位插入到燃烧槽8的中心位置，其输出端贯穿拉伸杆9与数据采集仪19的输入端相连。本实施例中数据采集仪19的型号是安捷伦34972A，可用来自动记录燃烧温度数据。上述保护套管18用来贯穿整个热电偶17，为了避免高温熔化了热电偶17。所述高速摄像机20位于保护管6外部正对燃烧槽8放置，该高速摄像机20及数据采集仪19均与计算机22相连。上述同步控制器23的输出端与断电保护器16、高速摄像机20、质量流量计2及计算机22均相连。

当铝热剂点火燃烧后，可通过高速摄像机20对燃烧槽8上的燃烧火焰进行全程记录，高速摄像机20的型号是Phantom v311，其记录速度高达1000帧/秒。高速摄像机20的输出端与计算机22的输入端相连接，计算机22上安装有数据采集仪19和高速摄像机20相配套使用软件。同时，同步控制器23的输出端与计算机22的输入端相连接，控制实验中质量流量计、点火器、数据采集仪19和高速摄像机20的同步开启关闭。

本实施例中，还可在拉伸杆9上增设2个L型通孔，在内部贯穿有火焰粒子探针和压力传感器，用以测量铝热反应过程中的燃烧火焰强度和压力变化，从而更加深入研究铝热剂的燃烧机理。

本实施例的一种铝热反应温度与燃速的实验测量方法，采用本实施例的测量装置进行测量，其具体步骤如下：

步骤一、铝热剂的布置

将制备好的铝热剂颗粒完全填充在燃烧槽8的凹槽中，并通过振荡器振荡使铝热剂分布均匀；使拉伸杆9与燃烧槽8的一端相连，通过推动拉伸杆9将燃烧槽8推入到保护管6的中心位置；

步骤二、实验同步控制

打开高压气罐1上的气阀后，通过计算机22开启同步控制器23，计算机22会根据内部的同步控制程序先打开质量流量计2通入15mL/min气体充满整个保护管，约5秒后再同步打开高速摄像机20、数据采集仪19和断电保护器16，此时在燃烧槽8上将会观察到铝热剂发生剧烈反应。

步骤三、燃烧数据采集：

通过热电偶17采集铝热剂燃烧过程中不同时刻的温度数据，并将温度数据传输到数据采集器19，数据采集器19将实时数据传输到计算机22，计算机22得到不同时刻燃烧温度数据；同时，高速摄像机22对保护管6内的燃烧过程进行全程录像，燃烧一旦开始，计算机22每间隔20ms就会截取一次燃烧图片，实验人员可以直接读出火焰传播的位置，而不需通过繁杂的计算处理。燃烧实验结束后，通过计算机22控制同步控制器23，依次关闭质量流量计2、高速摄像机20、数据采集仪19和断电保护器16，然后收集燃烧槽8表面的实验残渣；

步骤四、实验数据后处理：

根据采集到的不同时刻燃烧温度数据，计算机22自动处理得到整个燃烧过程中温度随时间变化曲线；同时燃烧开始后，计算机22每间隔20ms截取一次燃烧图片，将所截取的图片上火焰传播不同时刻对应燃烧槽8上的刻度线位置L₁，L₂，L₃…...L_n依次输入到计算机22，即：

0～20ms的平均燃速

20～40ms的平均燃速

······

······

(n-1)*20～n*20ms的平均燃速

计算机22根据上述公式自动计算每间隔20ms内火焰的传播平均速度，再通过处理即得到整个反应过程中燃速随时间的变化曲线。如图4、图5所示分别为本实施例所得0.2克铝粉和0.2克氧化铜混合的铝热剂进行铝热反应的温度及燃速的测量数据，测量结果较为准确。

本实施例能够对铝热反应温度与燃速变化进行全程监测，同时实现了燃烧状态可视化，实验操作同步控制化和数据采集处理一体化的功能，减轻了实验人员的工作量，提高了实验结果的准确性和可靠性，特别对于研究不同配方铝热剂的点火性能、燃烧性能、燃烧稳定性等方面具有重要意义。

实施例2

本实施例的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于：燃烧槽8长度为200mm，宽度为15mm，高度为8mm；燃烧槽8上表面的凹槽的长度为200mm，宽度为6mm，深度为6mm。所述保护管的长度为40cm，厚度为5mm，端面内径为12cm；所述的密封塞材质为橡皮塞，所述气体导入管的长度为12cm，直径为5mm；所述加热丝的直径规格为1mm。

实施例3

本实施例的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于，燃烧槽8长度为160mm，宽度为30mm，高度为10mm；燃烧槽8上表面的凹槽的长度为100mm，宽度为12mm，深度为4mm。所述保护管的长度为33cm，厚度为5mm，端面内径为11cm；所述的密封塞材质为橡皮塞，所述气体导入管的长度为15cm，直径为6mm；所述加热丝的直径规格为0.7mm。

实施例4

本实施例的一种铝热反应温度与燃速的实验测量装置，其基本结构与实施例1相同，其不同之处在于，燃烧槽8总长度为100mm，宽度为22mm，高度为12mm；燃烧槽8上表面的凹槽的长度为140mm，宽度为9mm，深度为8mm。所述保护管的长度为37cm，厚度为5mm，端面内径为10cm；所述的密封塞材质为橡皮塞，所述气体导入管的长度为14cm，直径为6mm；所述加热丝的直径规格为0.9mm。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的机构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。