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爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)
2009.8
一．測(cè)試系統(tǒng)概述
管道內(nèi)氣體粉塵爆炸壓力火焰試驗(yàn)中，對(duì)測(cè)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(duì)應(yīng)的放大器，高速同步數(shù)據(jù)采集儀器以及測(cè)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(cè)試系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的構(gòu)建特別是壓力傳感器的選擇進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)、重慶后勤工程學(xué)院供油系的管道內(nèi)氣體爆炸測(cè)試系統(tǒng)、北京理工大學(xué)爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)、太原中北大學(xué)安全工程系的氣體爆炸測(cè)試系統(tǒng)、太原山西煤檢中心的粉塵爆炸壓力測(cè)試系統(tǒng)、河北科技大學(xué)管道內(nèi)氣體爆炸測(cè)試系統(tǒng)等。下面分別介紹
二．傳感器
1．壓力傳感器：
爆炸測(cè)試中，應(yīng)該選用高頻壓力傳感器。目前爆炸測(cè)試，壓力傳感器一般選用壓電式或壓阻式。我們認(rèn)為在氣體粉塵爆炸壓力測(cè)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(cè)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(cè)量氣體壓力是不合適的，進(jìn)口傳感器的量程不是特別清楚，但價(jià)格太高。
壓電傳感器在測(cè)量管道內(nèi)氣體爆炸壓力時(shí)，更大的問題是傳感器對(duì)熱敏感，測(cè)量由于熱的作用，會(huì)產(chǎn)生負(fù)信號(hào)，下圖為我們用打火機(jī)打著時(shí)壓電傳感器測(cè)到的曲線。
圖中最大負(fù)壓約為150Kpa，最大正壓為430Kpa
關(guān)于熱作用對(duì)壓電傳感器的影響，《科學(xué)通報(bào)》2007,52(17)有一篇中科院力學(xué)所的報(bào)告中(一種壓電式壓力傳感器的放防熱方法)有進(jìn)一步的分析。
以前一般認(rèn)為，壓電式傳感器的頻率響應(yīng)很高。實(shí)際上，目前壓阻傳感器的頻響可以作得更高。進(jìn)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(shí)，又必須考慮光對(duì)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(cè)試中，得到了很好的壓力波形。河北科技大學(xué)、中北大學(xué)的氣體爆炸壓力測(cè)試就是用這種傳感器，測(cè)量的壓力波形很好。
有必要強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，在爆炸瞬態(tài)測(cè)試中，傳感器出來的信號(hào)不一定是需要的測(cè)試信號(hào)。
2．火焰?zhèn)鞲衅?/DIV>
爆炸過程的火焰，一般通過測(cè)試爆炸過程的光來實(shí)現(xiàn)。目前常見的火焰?zhèn)鞲衅魇怯霉饷綦娮枳鳛閭鞲衅鳎饷綦娮璧念l率響應(yīng)很低，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，只檢測(cè)有無火焰，事實(shí)上除了火焰在管道內(nèi)的傳播規(guī)律，檢測(cè)點(diǎn)火焰的持續(xù)時(shí)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(hào)作為模擬信號(hào)，通過數(shù)據(jù)采集，能測(cè)量火焰的持續(xù)時(shí)間。下圖為該傳感器+TST6300采集儀器，用照相機(jī)閃光燈和打火機(jī)測(cè)量的曲線。
圖一.打火機(jī)著火過程測(cè)量曲線
圖二.閃光燈測(cè)量曲線
從圖中可以看出，打火機(jī)著火時(shí)，光線持續(xù)時(shí)間約40毫秒；閃光燈的光線時(shí)間35微秒。傳感器的響應(yīng)時(shí)間在10微秒內(nèi)
三．信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集
順應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，我公司開發(fā)了TST6000系列動(dòng)態(tài)測(cè)試分析系統(tǒng)。TST6000系列是將動(dòng)態(tài)信號(hào)采集、嵌入式總線、網(wǎng)絡(luò)通訊、模擬信號(hào)處理及計(jì)算機(jī)等多種技術(shù)融為一體的現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)化測(cè)試設(shè)備，它集信號(hào)調(diào)理、傳感器供電、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為一體，通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)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(hào)采集。
采用嵌入式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集方式，可避免計(jì)算機(jī)軟硬件升級(jí)帶來的問題，有效的延長儀器的使用時(shí)間。
四．測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)成
爆炸壓力、火焰測(cè)試系統(tǒng)框圖如下：本測(cè)試系統(tǒng)由傳感器、TST6300高速動(dòng)態(tài)測(cè)試儀，上位計(jì)算機(jī)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�?hào)直接接到TST6300測(cè)試儀上，測(cè)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(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)（計(jì)算機(jī)帶網(wǎng)卡）
TST6300高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) |
上位機(jī)（帶網(wǎng)絡(luò)接口的計(jì)算機(jī)） |
圖 測(cè)試系統(tǒng)框圖
技術(shù)指標(biāo)
1、通道數(shù)： 8CH/臺(tái)
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(chǔ)深度：256K樣點(diǎn)/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(dòng)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(hào)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(yùn)行平臺(tái)：win98/2000/xp
1、通訊功能：設(shè)定需要使用的采集器個(gè)數(shù)并與上位機(jī)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(shí)及采樣時(shí)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(dòng)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(biāo)定
1)、靜態(tài)標(biāo)定：按照GJB770-97規(guī)范做系統(tǒng)靜態(tài)標(biāo)定。任意工程單位定標(biāo)，直接得到工程單位值的時(shí)間（如Pa、g、dB 等）曲線。
2）、手動(dòng)標(biāo)定：輸入工程單位及對(duì)應(yīng)的K、B值，直接加載到測(cè)試數(shù)據(jù)中。
3）、零漂采集及恢復(fù)零漂
4)、清除標(biāo)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(shí)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(fù)
4)、支持波形左右移動(dòng)、及上下拖動(dòng)
5)、支持單光標(biāo)、雙光標(biāo)操作、幅度平均光標(biāo)，光標(biāo)讀數(shù)顯示在波形上方
6)、支持坐標(biāo)網(wǎng)格
5、數(shù)學(xué)處理
1)、曲線特征值計(jì)算
2)、波形時(shí)域處理：波形相加、相減、相乘、積分、微分、相關(guān)計(jì)算
3)、波形頻域處理：線性FFT幅度、對(duì)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(dāng)前窗口拷貝
2)、支持選擇性存儲(chǔ)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起點(diǎn)、存盤長度
3）存儲(chǔ)格式：二進(jìn)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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