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爆炸壓力測試系統(tǒng)
2009.8
一．測試系統(tǒng)概述
管道內(nèi)氣體粉塵爆炸壓力火焰試驗中，對測試系統(tǒng)的構(gòu)組建有很特殊的要求，歸納起來有：傳感器的選擇，與選定傳感器相對應(yīng)的放大器，高速同步數(shù)據(jù)采集儀器以及測試系統(tǒng)各部分的安裝連接等，其中傳感器的選擇是最關(guān)鍵的。近十年來，我公司參與組建了數(shù)十套爆炸壓力測試系統(tǒng)，對系統(tǒng)的構(gòu)建特別是壓力傳感器的選擇進行了全面系統(tǒng)的研究。已建成的系統(tǒng)代表性的有：煤科院重慶分院的粉塵氣體爆炸壓力火焰測試系統(tǒng)、重慶后勤工程學院供油系的管道內(nèi)氣體爆炸測試系統(tǒng)、北京理工大學爆炸壓力測試系統(tǒng)、太原中北大學安全工程系的氣體爆炸測試系統(tǒng)、太原山西煤檢中心的粉塵爆炸壓力測試系統(tǒng)、河北科技大學管道內(nèi)氣體爆炸測試系統(tǒng)等。下面分別介紹
二．傳感器
1．壓力傳感器：
爆炸測試中，應(yīng)該選用高頻壓力傳感器。目前爆炸測試，壓力傳感器一般選用壓電式或壓阻式。我們認為在氣體粉塵爆炸壓力測試中，選用壓阻式壓力傳感器比壓電式傳感器更好。
壓電式壓力傳感器測量的壓力較大，最大可到1000Mpa，目前國內(nèi)的產(chǎn)品，最小量程為15Mpa，更小量程的傳感器制作很難。因此用國內(nèi)的壓電式壓力傳感器測量氣體壓力是不合適的，進口傳感器的量程不是特別清楚，但價格太高。
壓電傳感器在測量管道內(nèi)氣體爆炸壓力時，更大的問題是傳感器對熱敏感，測量由于熱的作用，會產(chǎn)生負信號，下圖為我們用打火機打著時壓電傳感器測到的曲線。
圖中最大負壓約為150Kpa，最大正壓為430Kpa
關(guān)于熱作用對壓電傳感器的影響，《科學通報》2007,52(17)有一篇中科院力學所的報告中(一種壓電式壓力傳感器的放防熱方法)有進一步的分析。
以前一般認為，壓電式傳感器的頻率響應(yīng)很高。實際上，目前壓阻傳感器的頻響可以作得更高。進口壓電壓力傳感器的自振頻率最高的為400KHz—500kHz，國產(chǎn)的在150KHz—200KHz。而國產(chǎn)的壓阻式壓力傳感器自振頻率可以作到800KHz—1MHz。
但壓阻壓力傳感器在制成高頻響時，又必須考慮光對傳感器的影響，目前我們和有關(guān)傳感器廠家合作，生產(chǎn)出了防光影響的高頻壓阻式壓力傳感器，并在氣體爆炸壓力測試中，得到了很好的壓力波形。河北科技大學、中北大學的氣體爆炸壓力測試就是用這種傳感器，測量的壓力波形很好。
有必要強調(diào)一點，在爆炸瞬態(tài)測試中，傳感器出來的信號不一定是需要的測試信號。
2．火焰?zhèn)鞲衅?/DIV>
爆炸過程的火焰，一般通過測試爆炸過程的光來實現(xiàn)。目前常見的火焰?zhèn)鞲衅魇怯霉饷綦娮枳鳛閭鞲衅�，光敏電阻的頻率響應(yīng)很低，將光信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，只檢測有無火焰，事實上除了火焰在管道內(nèi)的傳播規(guī)律，檢測點火焰的持續(xù)時間也是很重要的參數(shù)，我公司為重慶煤科院制作的火焰?zhèn)鞲衅鳎霉怆姽艿母哳l特性，把光電信號作為模擬信號，通過數(shù)據(jù)采集，能測量火焰的持續(xù)時間。下圖為該傳感器+TST6300采集儀器，用照相機閃光燈和打火機測量的曲線。
圖一.打火機著火過程測量曲線
圖二.閃光燈測量曲線
從圖中可以看出，打火機著火時，光線持續(xù)時間約40毫秒；閃光燈的光線時間35微秒。傳感器的響應(yīng)時間在10微秒內(nèi)
三．信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集
順應(yīng)測量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，我公司開發(fā)了TST6000系列動態(tài)測試分析系統(tǒng)。TST6000系列是將動態(tài)信號采集、嵌入式總線、網(wǎng)絡(luò)通訊、模擬信號處理及計算機等多種技術(shù)融為一體的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化測試設(shè)備，它集信號調(diào)理、傳感器供電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲為一體，通過TCP/IP協(xié)議與上位機進行通訊。直接聯(lián)接應(yīng)變式傳感器、壓電式傳感器、ICP型傳感器，TST6300可完成速度、加速度、位移、力、壓力、溫度等物理量的信號采集。
采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方式，可避免計算機軟硬件升級帶來的問題，有效的延長儀器的使用時間。
四．測試系統(tǒng)的構(gòu)成
爆炸壓力、火焰測試系統(tǒng)框圖如下：本測試系統(tǒng)由傳感器、TST6300高速動態(tài)測試儀，上位計算機及相應(yīng)的連接線組成。壓力傳感器、火焰?zhèn)鞲衅�、溫度傳感器信號直接接到TST6300測試儀上，測試儀的控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸?shù)韧ㄟ^操作上位計算機實現(xiàn)（計算機帶網(wǎng)卡）
TST6300高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) |
上位機（帶網(wǎng)絡(luò)接口的計算機） |
圖 測試系統(tǒng)框圖
技術(shù)指標
1、通道數(shù)： 8CH/臺
2、采樣率：瞬態(tài)200K sps/CH，連續(xù)采集10K sps/CH，向下多檔可調(diào)。
3、存儲深度：256K樣點/CH（瞬態(tài)模式），海量（連續(xù)）
4、觸發(fā)方式：內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、手動觸發(fā)
5、量程：±5mV~±5V多檔可調(diào)。其中±5V檔單端輸入，其余檔差分/單端均可。
6供橋電壓：4V，5V，6V，8V（電流50mA）
7、綜合誤差：±0.3% F·S
8、耦合方式：直流耦合，接地，交流耦合（隔直）
9、低通濾波器(3dB)：1.5K、2K、5K、10K、20K、50K、100K、直通，程控可調(diào)
10、信號輸入接頭：5芯接頭
11、通訊接口：RJ45
12、電源：220V/50Hz帶濾波器（防電網(wǎng)干擾）
13、工作溫度：-10°C —— +50°C
附 系統(tǒng)軟件功能（DAP6.0）
運行平臺：win98/2000/xp
1、通訊功能：設(shè)定需要使用的采集器個數(shù)并與上位機聯(lián)通
2、采集參數(shù)設(shè)定
1)、采樣率設(shè)定
2)、采樣長度、采樣延時及采樣時長設(shè)定
3)、觸發(fā)方式、觸發(fā)通道及觸發(fā)沿設(shè)定，其中觸發(fā)方式有：手動觸發(fā)、內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)
觸發(fā)沿有：上升沿、下降沿。
3、標定
1)、靜態(tài)標定：按照GJB770-97規(guī)范做系統(tǒng)靜態(tài)標定。任意工程單位定標，直接得到工程單位值的時間（如Pa、g、dB 等）曲線。
2）、手動標定：輸入工程單位及對應(yīng)的K、B值，直接加載到測試數(shù)據(jù)中。
3）、零漂采集及恢復零漂
4)、清除標定
4、顯示及波形操作
1)、支持8條或16條波形（通道波形或文件波形，下同）同時顯示
2)、支持波形展開或壓縮
3）、支持局部波形的放大或恢復
4)、支持波形左右移動、及上下拖動
5)、支持單光標、雙光標操作、幅度平均光標，光標讀數(shù)顯示在波形上方
6)、支持坐標網(wǎng)格
5、數(shù)學處理
1)、曲線特征值計算
2)、波形時域處理：波形相加、相減、相乘、積分、微分、相關(guān)計算
3)、波形頻域處理：線性FFT幅度、對數(shù)FFT幅度、功率譜、通道FFT相位譜
4)、波形濾波處理：IIR濾波（包括高通、低通、帶通、帶阻）、FIR濾波（包括高通、低通、帶通、帶阻）平滑濾波
6、波形存盤、回放、打印功能
1)、支持存當前窗口拷貝
2)、支持選擇性存儲：數(shù)據(jù)存儲起點、存盤長度
3）存儲格式：二進制文件格式、文本文件（可供 word\excele\matlab等應(yīng)用程序直接調(diào)用）、位圖格式（*.Bmp）
4)、數(shù)據(jù)文件回放
5)、支持所見即所得的打印
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