20升球型爆炸测试系统

20 升球型爆炸测试系统 使用说明书 目 录 1 20升球型爆炸测试装置简介 . 2 2 系统结构及工作原理 . 2 置本体 . 2 制系统 . 5 据采集系统 . 6 3 试验方法及评估 . 7 1 炸下限 . 7 爆性 . 8 大爆炸压力 最大爆炸 压力上升速率 (T). 8 试方法 . 8 果修正 . 9 尘爆炸指数 . 10 限氧浓度 . 10 4 实验操作程序 . 11 5 使用安 全注意事项 . 12 6 常见故障及排除方法 . 12 7 爆炸压力数据采集软件 . 13 为 . 13 低系统要求： . 13 . 14 8 . 14 集卡驱动程序的安装 . 14 . 14 9 . 14 绍 . 14 单栏 . 15 具栏 . 16 态栏 . 16 10 . 16 附件 . 18 附件 2. (dp/dt). 18 附件 . 19 附件 . 19 支持和联系信息 . 错误 !未定义书签。 2 1 20升球型爆炸测试装置简介 可燃性工业粉尘如煤粉、粮食、金属粉尘等的爆炸性通常用以下参数来描述： 1) 最大爆炸压力； 2) 最大爆炸压力上升速率； 3）爆炸极限（一般指爆炸下限）； 4）极限氧浓度； 5）粉尘云最低着火温度； 6）粉尘层最低着火温度； 7）粉尘云最小点火能量； 8）粉尘层比电阻。 其中第 1、 2、 3、 4 项参数国际标准 荐采用 10 升球形爆炸 装置来测试。由于 20升球形爆炸装置体积小、操作方便，实验费用低，因此实验室选用 20升球形爆炸测试装置作粉尘爆炸研究已成为国际主流。 根据 四川大学干燥科技工程有限公司 与东北大学签订的 20升球形爆炸装置测试系统研制【沈科发 2006同，东北大学 安全工程研究中心 为 四川大学 研制了该套测试系统。 2 系统结构及工作原理 20 升球形爆炸测试系统主要包括装置本体、控制系统和数据采集系统三大部分。 装置本体是用来形成高紊流粉尘云状态并承受爆炸载荷的空心、带夹套双层不锈钢球体，是测试系统的关键部件。 以工业 可编程控制器（ 核心的控制系统用于储粉罐进气、喷粉、采样触发、点火等一系列动作的自动化。 采样系统利用进口的压电式瞬态压力传感器探测本体内的爆炸压力信号，并通过台湾研华（ 据采集卡进行爆炸压力数据的采集，利用采样软件进行数据分析、曲线图像保存和打印。 置本体 3 20升球形爆炸测试装置本体为不锈钢双层夹套球形结构，如图 1所示。 图 1 20升球 形爆炸测试装置结构简图 1 密封盖 2 夹套外层 3 夹套内层 4 真空表 5 循环水人口 6 机械两向阀 7 底座 8 观察口 9 抽真空口 10 分散喷嘴 11 储粉罐 12 电接点压力表 13 压力传感器 14 循环水出口 15 安全限位开关 16 点火杆 17 进气电磁阀 各部分功能简述如下： 1) 密封盖 用于开启和密封，也为安装点火头和清洗所用； 2) 夹层外套 和内套形成夹层，实验时通入恒温水，以降低内套的温度，从而保 证测试温度的一致性； 3) 夹层内套 承受爆炸压力，是测试装置的主要承压件，设计压力为 4) 真空表 实验前 20 升球形爆炸测试装置内部必须预抽真空。真空度通过真空表标示，真空度一般为 保证点火时球内部压力为常压，是可接受的，多大合适可按下述方法检测：先抽真空，将储粉罐的高压气体利用自动运行方式喷入 20 升装置本体内，打开出气口阀门，此时可以感觉到进入或流出阀门的气体都比较少； 5) 和 14) 循环水（或油）的入、出口； 6) 机械两 项阀 机械两项阀是 20 升球形爆炸测试装置的关键部件之一，用于将粉尘在 60右的时间内喷入到 20 升球形爆炸测试装置内部。该阀为瑞士 4 G 公司制造，也是该产品的世界唯一制造商。该阀产品编号为 列号为 100 驱动电压为 阀的测试报告生产商提供的资料。测试报告中部分参数解释如下： 粉罐储满 启两项阀（设定开启时间为 60 20升球体内部所能达到的压力最大值，由于机械阀的波动， 制系统发出开阀电信号到 20 升球形爆炸测试装置内部压力开始升高之间的滞后时间，正常滞后范围为 3050果 50明阀内部需要清洁。 7) 底座 用于支承设备； 8) 观察口 通过观察口可以清晰的看见 20 升球形爆炸测试装置内部的点火和爆炸情况，内部是 30提高安全性，外部又附加了一层有机玻璃。该观察口也可用于设备内部紊流场的测试。 9) 抽真空口 工艺口，接真空软管； 10) 分散喷嘴 通过该喷嘴可将粉尘比较均匀地分散在球形装置内部，同时得到较高紊流度； 11) 储粉罐 用于储存作爆炸实验用的粉尘和分散粉尘用的高压空气，标准实验时需加压到 验加粉时应将粉尘尽可能地送到粉罐的底部，以便能全部喷入到球体内部； 12) 电接点压力表 用于控制和显示储粉罐压力，实验测试时需设定在 定方法：拧下表盘中心的保护盖，用一字型螺丝刀按下拨杆拨动上限既可，当压力达到设定值时， 1和 3号脚即接通，从而发出开关信号；无此信号，即使按下运行按钮，程序也不能自动运行； 13) 压力传感器 本系统的另一关键部件，用于测试爆炸产生的瞬态压力信号。传感器的使用、维护及厂家标定报告见外方提供的资料附件； 15) 安全限位开关 本部件是保证系统实验时密封盖处于关闭状态的检测部件，为日本原装进口件。爆炸测试 实验时该开关必须处于关闭状态，否则，系统不能自动运行； 16) 点火杆 用于联接和固定化学点火头的部件。为联结可靠，需保持清洁； 17）进气电磁阀 用于向储粉罐充入 2高压气体，其驱动电压为 阀为德国原装进口件。 需要注意该进气电磁阀的驱动电压和喷粉两向机械阀的驱 5 动电压不一致，在控制箱后的电线插口不能接错，否则会烧毁进口两向机械阀的 电磁阀。 设备工作原理：用 2压空气将储粉罐 11 内的可燃粉尘经机械两向阀 6 和分散喷嘴 10 喷至预先抽成真空的 20 升球形装置内部；同时开始计算机采样并用点火装置点火引爆气粉混合物；最后，对采样结果进行分析、计算，完成试验。清洗后可重复试验。 制系统 20升球形爆炸控制系统是用来控制系统进气、触发采样、开阀喷粉、点火过程的，整个实验过程在不到 1间进气、喷粉、触发采样、点火等动作的时间控制均以 控制系统采样日本松下 工业可编程控制器（ 实现系统控制。 有 8 入 6 出共 14 个继电器型触点，各触点功能分配如表 1所示。 。 表 1 出点数分配 输入点号 1 3 5 7 用途 自动 自动运行启动 安全限位开关 粉罐压力开关 急停开关 手动进气按钮 手动清洗按钮 手动 输出点号 1 3 5 用途 点火 采样触发 喷粉或清洗 进气 安全限位显示 压力到位显示 a）输入部分 b）输出部分 图 2 20球形爆炸容器测试系统 6 控制箱面板按钮及使用说明如下： 手动 /自动 利用该按钮将系统的操作分手动状态和自动状态。 正规实验必须选择自动，手动用于设备清洗和检查。 进气 在手动状态时，按下进气按钮将使储气罐进气。进气按钮在自动状态和急停按下时无效； 清洗 在手动状态时按下清洗按钮，可将储气罐里的气体喷入到 20升球体内，来清洗两项喷粉阀和 20升球体内部，但需要注意高压 气体可能将粉尘分散喷嘴或未锁定的密封盖喷出而伤人，因此必须注意。 运行 在自动状态，按下运行按钮将进行一次测试的控制序列。包括： 自动检测安全限位开关和急停按钮，如安全限位未到位，或急停按下，则系统终止程序运行； 储气罐进气直到压力到位（电节点压力表输出接通信号）； 向计算机输出采样触发信号，计算机开始采样； 开气粉两相阀喷粉，至设置时间关阀； 关阀后一定时间后点火。 急停 主要用于自动状态时运行按下后，突发紧急情况需要终止程序，如刚按下运行按钮，系统由于电压波动导致采样提取触发，此时可 按下急停按钮终止程序进行； 电源 灯亮表示系统上电，但必须保证空气开关 闭合的才能保证系统真正上电； 复位 系统每次上电后应立即复位，以消除传感器的积累电荷。 据采集系统 数据采集系统用于记录爆炸过程中压力的变化。其原理是：由压力传感器将瞬态爆炸压力信号转换为 05v 的标准电压信号，然后利用计算机将电压信号记录下来，并将其转换为等值的压力信号，供人们阅读和分析。 数据采集系统的硬件主要包括压力传感器、数据采集卡、接线卡和计算机。数据采集卡是用来将模拟电压信号转换为数字信号。本系统 采集的是瞬态信号，对采集卡的转换速率要求比较高，为此，本系统选用了台湾研华（ 司生产 7 的数据采集卡 卡最高转换频率为 40样精度 12位，精度为 传感器采用美国 司制造的压电式高灵敏度传感器，产品序列号为2300号为 2857，灵敏度为 态响应频率为 250测压范围为 0250 对应的压力电压比为 。 传感器利用美国原装恒流源供电，恒流源利用 9为节省电力， 实验结束后恒流源应立即关闭。当指针指示小于 10时，也许需要更换新的电池，否则可能会影响测试效果。 传感器标定及使用说明书见厂家提供的附件材料。 采样系统硬件连接线路如图 3所示。 恒流源传感器采样卡计算机图 3 计算机数据采集系统硬件连接线路图 数据采集系统软件基于 C+语言编制，可以运行于 于软件的使用请参阅使用说明书第 7章 。 3 试验方法及评估 本装置可以用于测试粉尘的爆炸极限（下限）、最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率和极限氧浓度，也可用于测试粉尘是否具有爆炸性。如果要对某一粉尘的以上参数全部测试， 一般应从爆炸下限开始，然后测试最大爆炸压力及其上升速率，最后再测试极限氧浓度。 炸下限 爆炸下限的测试应该从一个可爆炸的粉尘浓度开始试验，然后逐步降低该浓度值，直至无爆炸发生为止；而且，为确保无爆炸的发生，最少需在该浓度值上重复三次以上试验。 测试粉尘爆炸下限时，点火头的能量宜为 2 是否爆炸的判据：从理论上来说，应该以爆炸火焰是否传播到器壁上为准，但 8 这样在实践中不易测量。通常以爆炸压力来判定，按照瑞士 G 公司的经验，当升压超过 爆性 可爆性的测试与评估与粉尘爆炸下限相同：使用 2量的点火头、以升压超过 为爆炸的判据。但是实验要在一更加广泛的浓度范围内进行，推荐的粉尘浓度系列为： 30， 60， 125， 250， 500， 750， 1000， 1250， 1500， 1750， 2000g/ 对应于 20球形爆炸装置所需粉尘质量分别为： 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40g。 如果在以上浓度范围内均未发生爆炸，则可认为该粉尘不具备爆炸性，除非采用高于 2 大爆炸压力 最大爆炸压力上升速率 (dp/dt) 测试方法 每作一次爆炸测试实验，就可以得到一组最大爆炸压力和最大压力上升速率值，可以从压力时间曲线上判定，如图 5 中的 （ dp/_m 所示，但这只代表一次某一浓度下的爆炸情况。 9 爆炸压力曲线 图 5 本装置测试抚顺玉米淀粉的爆炸压力时间曲线 为了得到该粉尘的最大爆炸压力 最大爆炸压力上升速率 （ dp/试粉尘 浓度应该在一广泛范围内变化，直到 （ dp/般， （ dp/出现在同一粉尘浓度值上。常用的粉尘浓度测试序列为： 60g/125g/250g/500g/750g/1000g/1250g/2000g/ 测试粉尘的最大爆炸压力和压力上升速率时，普遍采用能量为 10化学点火头，其制作方法见附件 1。 粉尘的最大爆炸压力和最大压力上升速率统计结果可由数据采集软件自动报表得到，也可根据采样结果按附件 2给出的表格填写 。 果修正 由于 20 升球形爆炸装置的容积和工业设备相比容积偏小，由于器壁效应的影响，最大爆炸压力与真实工业设备的爆炸结果有一定的差别，因此在 20升球形爆炸装置上测定的 在应用于防爆工程时需加以校正。国际上通常以 1量的对比实验得到当 需要修正，修正公式近似为： =注意单位是 1 而德国著名的粉爆研究机构德国食品安全研究中心（ 现按照表 2进行修正结果更符合实际。 表 2 最大爆 炸压力修正对照 10 20 1 0 1 0 1 0 1 0 与 1 尘爆炸指数 尘爆炸烈度等级用粉尘爆炸指数 m/s)来表示， 31m a xm a x 式中： V 表示容器容积， 式即是著名的爆炸立方根定律，它表示粉尘的最大爆炸压力上升速率与容器容积的立方根之积为一常数。利用这一规律可利用 20升球形爆炸装置测试得到的粉尘最大爆炸压力上升速率得到该粉尘的爆炸指数，即 dp/采样软件得到的爆炸压力曲线图中给出的 由上式得出。 根据粉尘爆炸指数计算结果，粉尘爆炸烈度等级根据 184 分级标准如下： 级 m/s 限氧浓度 可燃粉尘云中氧浓度低于一定值时不会发生爆炸。实验时逐步降低 20升球罐内的氧浓度值并调整粉尘浓度值直到不 爆为止，此值即为极限氧浓度。 为了实现爆炸环境的氧浓度值，在实验前必须利用同一氧浓度的空气对 20升装置内部反复洗气，直到装置内部的氧浓度达到所需的浓度值，然后才可以抽真空进行实验测试。同时，储粉罐的加压气体也必须采用同样氧浓度的空气。 11 4 实验操作程序 实验操作按下列步骤进行： 1) 控制系统线路 喷粉阀）线路 2）采样系统线路 3）气路系统 以上检查确保连接良好，各个环节不漏气。 2. 打开控制箱电源启动 1)利用安全钳短路两电极； 2)将 20L 球型爆炸装置开启盖取下，安装点火头；将盖装好后测试其电阻（一般为 5 6以下）保证点火头线路良好； 3)取下安全钳，合上安 全限位开关，插上电极引线。 4装粉 将已处理的粉料按浓度要求称取一定量，装入储粉罐， 后把盖旋紧。 5抽真空 启动真空系统约抽至负压为 后关闭真空压力表开关和连接真空软管阀门； 若真空压力表前的开关不关闭会损坏真空压力表！ 7启动计算机采样系统，填写实验条件数据，并使采样程序处于等待采样状态； 8运行 12 将手动 /自动按钮转向自动位置，按下运行按钮即完成一次爆炸过程； 9数据记录 程序会自动记录主要数据，但也 许 需 要 用 户输入部分数据 10清洗 1) 打开 20升装置上出气阀门； 2) 将手动 /自动按钮转向手动位置，按下进气按钮，然后按下清洗按钮，也许，进气和清洗需要重复 2 3次； 3) 打开装置上盖，用吸尘器仔细清洗。 5 使用安全注意事项 1. 禁止 20 升装置内压力高于大气压时，打开装置上盖；必须在排气阀门在开启状态才能打开； 2. 安装点火头前，必须用安全钳将点火电极短路，用万用表测量点火头时，必须扣上上盖然后测量，防止意外电流通过引爆点火头； 3. 清洗时和实验前必须先关好真空表前的阀门，否则会损坏压力 表； 4. 本设备的设计压力为 作压力为 以满足一般工业粉尘爆炸性的测试，但不得用于初始压力大于 对压力）的爆炸性测试，也不适用于爆炸性物质的测试。 6 常见故障及排除方法 常见故障及排除方法统计于表 3。其它故障请与作者联系。 表 3 常见故障、原因及排除方法统计 故障 可能的原因 解决方法 打开气源； 检修电磁阀及其接线； 检查密封圈并拧紧； 喷粉 压力过低 检查气源； 检修电磁阀及其接线； 更换新点火头； 连接不可靠或未插点火引线 1.自动 /手动处于手动状态； 4.急停按钮按下； 旋转到自动位置； 闭合之； 气源压力不足，略微加大减压阀压力； 松开； 打开； 13 4. 自动 /手动处于自动状态； 5. 急停按钮按下； 闭合； 检查连接导线及阀本身； 旋转到手动状态； 松开； 4. 自动 /手动处于自动状态； 5. 急停按钮按下； 打开； 闭合； 检查连接导线及阀本身； 旋转到手动状态； 松开； 先进气； 位或预热时间过短； 拧紧； 用两层黑电 胶布保护； 清理； 抽至 开机随机复位，并预热 5分钟以上； 检查更换之； 重新开机； 重新启动采样程序； 检查更换； 合上。 7 爆炸压力数据采集软件 介 为 采集和处理 20 升球形爆炸装置内部显示在爆炸过程中压力随时间变化曲线的测试软件，并对数据有一定的分析能力。 用 的 换卡是由 司生产的 列 12/26 位多通道采集卡 低系统要求： 98 / 2000 / 86有 32 17释：由于 司采集卡接口的兼容性，本软件支持更高性能的其他系列的采集卡。 14 目前本软件只支持同时一路采集（可以选择不同的 。 8 安装 集卡驱动程序的安装 采集卡驱动程序的安装只需双击 步骤一步一步完成，注意对应的采集卡的型号。安装成功后驱动程序将会在开始菜单中增加名为 下界面：使用测试程序可以检验采集卡是否正常。 本程序为绿色软件，无需安装拷贝到硬盘即可使用。 9 界面 绍 15 用常规的菜单下拉式结构，主要菜单有：文件，配置，采集，显示，帮助。请选择适当的主题来读取关于各个菜单的命令。 下一个界面项目是工具栏，它被置于菜单下，文件列表上。工具栏按钮是重复的 命令 菜单项目。 状态栏在文件列表下面， 口的底部，当有图形显示时，它将显示当前鼠标所在点所代表的时间和压力值。 单栏 文件菜单 主要是对压力采集数据的存储和打印操作，它的子菜单有： 新建测试 开始采样，并对采集卡和本次采样的爆炸及粉尘参数设置 打开采样 文件 将以前存储的采样文件，重新显示分析 保存采样文件 将本次采样得到的数据保存为 保存为 将本次采样的曲线保存为 打印 打印本次采集的曲线 配置菜单 配 置菜单主要是对采集卡，粉尘特性及测试条件，以及坐标轴的配置。 子菜单有： 配置采集卡 设置采集卡的参数，采样频率以及采样时间，还有前端传感器的压力电压比 配置坐标轴 设置曲线所在坐标轴的刻度 范围，刻度数等。 配置粉尘特性及测试条件 设置粉尘特性，以及本次测试的测试条件 采集菜单 根据用户制定的时间或按照默认配置开始采集，主要有两种采样模式：实时采集和等待用户外部触发采集。它有如下子菜单： 实时采集 用户点击后马上开始采集 等待采集 采集卡处于阻塞状态等待用户的外部命令，然后开始采集 显示菜单 对采集数据得到的曲线进行分析。它有如下子菜单 设定时间显示范围 用于对于某一短时间内的曲线放大显示。 手动求解最大压力上身速率 由用户自己来求解，曲线上某一点的压力上身速率，点击该按钮后，用户鼠标的形状将会变成状，并会在窗体的左方显示一个透明的窗口，用以显示用户当前鼠标所处位置，以及是否处于曲线上，单用户的鼠标处于曲线上时，单击鼠标将绘出该点的压力上升速率值。再次单击该按钮将会回到第一次单击前的状态。 向前 16 向后 当用户更改显示的时间范围 后，该按钮变为可用并在保存的状态之间切换。 帮助菜单 获得系统的使用说明。它有如下子菜单： 帮助主题 获得系统详细的说明手册 关于 获得本软件的大致信息 具栏 工具栏中的所有按钮都是菜单栏中的重复命令。根据所属不同的菜单，工具栏中的按钮依次分成 5组，对应 5个菜单项。（注意灰色的按钮表示，当前该选项不可用） 态栏 状态栏的最左端显示当前软件所处的工作状态，而当有采集数据时 ，状态栏的最右端将显示鼠标所在点在坐标系中所处的位置，也就是该点所代表的压力和时间值。 10 使用 启动程序 确保采集卡正确安装，将可以启动程序。 配置 单击新建测试按钮将会依次弹出粉尘特性及测试条