盒式裝藥火燒溫度的測(cè)試方法研究

楊曉波，王鳳英

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

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盒式裝藥火燒溫度的測(cè)試方法研究

楊曉波，王鳳英

（中北大學(xué)化工與環(huán)境學(xué)院，山西 太原，030051）

摘 要：為了測(cè)試盒式裝藥在受到火焰燃燒時(shí)的安全性能，運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的測(cè)控裝置系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盒式裝藥在受到外界火焰燃燒時(shí)盒內(nèi)的溫度變化以及盒外(距盒50mm) 火焰燃燒的溫度變化，分析研究了裝藥盒內(nèi)外溫度與時(shí)間的變化，并針對(duì)裝藥盒的密封性做了對(duì)比實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)在相同裝藥條件下，相比不密封的裝藥A，完全密封的裝藥B熱分解峰值溫度較高，裝藥發(fā)生燃燒反應(yīng)的劇烈程度也較大。同時(shí)，通過計(jì)算其表觀活化能，驗(yàn)證了自發(fā)火溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果的一致性，進(jìn)一步證明了密封裝藥B的熱安定性以及此套測(cè)控裝置的可用性。

關(guān)鍵詞：盒式裝藥；溫度；熱分解；測(cè)試

混合裝藥在熱作用下，具有自加熱和自催化分解燃燒的危險(xiǎn)性[1]。目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于裝藥的安全性能做了各方面的研究。王淑萍[2]等利用大型沖擊模擬加載裝置對(duì)不同密度的高能炸藥藥柱進(jìn)行了安全性模擬實(shí)驗(yàn)；孫寶平[3]等對(duì)侵徹過程中彈體內(nèi)壁與裝藥摩擦使局部裝藥所能達(dá)到的最高溫度做了研究。在此基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用自行設(shè)計(jì)的測(cè)控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盒式裝藥在受到外界火焰燃燒時(shí)其裝藥層的溫度變化，并針對(duì)裝藥盒的密封性做了具體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)得了不同密封條件下裝藥的反應(yīng)過程和響應(yīng)規(guī)律，進(jìn)而反映其安全性能。

1　測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1測(cè)試系統(tǒng)組成

該測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)的信息采集和存儲(chǔ)，之后由計(jì)算機(jī)處理并再現(xiàn)被存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信號(hào)。該測(cè)試系統(tǒng)主要由信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)化電路、控制器、電源模塊和時(shí)鐘模塊組成。熱電偶和壓力傳感器將測(cè)得的外界溫度和壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的電壓信號(hào)，通過信號(hào)調(diào)理電路將電壓信號(hào)放大和濾波，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后存入存儲(chǔ)器，計(jì)算機(jī)通過以太網(wǎng)接口電路對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行事后讀取。其原理框圖如圖1所示。

圖1　存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.1 Diagram of the measurement system

1.2傳感器模塊

本實(shí)驗(yàn)選用耐高溫、熱響應(yīng)時(shí)間快的WRNK-131K型鎧裝熱電偶。作為測(cè)量溫度的傳感器，熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)[4]。該電偶完全能夠滿足爆炸場(chǎng)溫度測(cè)試的需要，具體特征如表1所示。

表1　熱電偶特征值表Tab.1 Thermocouple characteristic value table

1.3溫度補(bǔ)償模塊

在實(shí)際應(yīng)用中，熱電偶冷端溫度測(cè)的一般是環(huán)境溫度，無法保持0℃，使用分度表計(jì)算會(huì)引進(jìn)誤差，此時(shí)選用AD590[5]作為補(bǔ)償傳感器，環(huán)境溫度近似看作恒定值。AD590是美國(guó)ANALOG DEVICES公司的單片集成兩端感溫電流源，當(dāng)溫度增加時(shí)，流過AD590的電流線性增加，通過在AD590上串聯(lián)一個(gè)電阻就可顯示出其電流變化?；拘阅軈?shù)如表2所示。當(dāng)AD590環(huán)境溫度輸出為零時(shí)，溫度每增加1℃，其輸出電流增加1μ A。按此原理，在AD590旁外接一個(gè)42Ω的電阻對(duì)熱電偶測(cè)得的環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償，并與放大電路的VIN+端相連，通過放大電路的VREF端輸出其環(huán)境溫度。

表2　AD590性能參數(shù)Tab.2 AD590 performance parameters

1.4信號(hào)調(diào)理電路模塊

因熱電偶采集的溫度信號(hào)非常微弱，故需信號(hào)調(diào)理電路將微弱的溫度信號(hào)放大到合適的量程范圍內(nèi)?？紤]到盒式裝藥燃燒爆炸過程中會(huì)受到電磁干擾、工頻干擾等因素的影響，因此信號(hào)調(diào)理電路放大部分需要選用放大倍數(shù)和共模抑制都較高的芯片。本系統(tǒng)選用INA128芯片作放大器。INA128是低功耗、高精度的放大器。其電源電壓低至±2.25V，靜態(tài)電流只有700μ A，具有非常低的偏置電壓（50mV）、溫度漂移（0.5μV/°C）和高共模抑制（在G=100時(shí)，120dB）。INA128需要對(duì)外接一個(gè)電阻進(jìn)行放大，其電壓增益G為：

式（1）中：G為放大倍數(shù)，50kΩ是兩個(gè)內(nèi)部反饋電阻之和，這些片內(nèi)金屬薄膜電阻采用激光進(jìn)行微調(diào)至絕對(duì)精度值。對(duì)于K型熱電偶，A/D轉(zhuǎn)換輸入電壓為-2.5～2.5V，輸入溫度信號(hào)1 000℃時(shí)輸出的電勢(shì)信號(hào)為41.276mV，在此，選擇在引腳1和引腳8之間外接1個(gè)電阻RG=0.83kΩ，則對(duì)應(yīng)的放大倍數(shù)利用式（1）計(jì)算可知為60。

1.5數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ)模塊采用北京阿爾泰科技發(fā)展有限公司的USB2851數(shù)據(jù)采集卡。本實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)使用以太網(wǎng)進(jìn)行采集，選擇AD模擬量輸入，輸入量程為±2.5V，通道設(shè)置為3通道，系統(tǒng)采用AD連續(xù)采集功能對(duì)3通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)不間斷的采集。在內(nèi)時(shí)鐘模式下，置采樣頻率為25kHz，采樣周期為40μs。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)選擇在空曠的野外進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)裝置主要由加熱裝置、測(cè)試裝置和監(jiān)控裝置組成，如圖2所示。加熱裝置由柴油桶、裝藥盒（20mm×15mm×10mm）組成。在裝藥盒側(cè)面鉆孔插入一根1m的熱電偶，插入深度2mm；另一根0.5m的細(xì)鋼管外接壓力傳感器，并在熱電偶和細(xì)鋼管之間外接一根φ 50mm的鋼管，中間填充石棉，以達(dá)到保溫防護(hù)的目的。同時(shí)，在柴油桶與裝藥盒之間放置插入一根熱電偶以測(cè)火焰溫度。為了防止測(cè)控設(shè)備的毀損，在距離燃燒裝置1m處放置測(cè)試裝置。將兩根熱電偶連接線與壓力傳感器連線接于測(cè)試裝置。

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 Experimental apparatus

2.2實(shí)驗(yàn)方案

將鈍化HMX（HMX96％，其他5.6％，密度1.84 g/cm3）壓制成φ 20mm×14mm×6mm的盒式裝藥，壓制兩組。為了研究約束條件對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，對(duì)比分析密封裝藥與未密封裝藥的裝藥層溫度變化趨勢(shì)。

本實(shí)驗(yàn)采用前后端分布式控制方式。前端設(shè)備為測(cè)控任務(wù)的“執(zhí)行者”，燃燒柴油使裝藥盒受熱，傳感器將測(cè)得的溫度信號(hào)和壓力信號(hào)傳到測(cè)試裝置處。后端設(shè)備為測(cè)控任務(wù)的“決策者”，通過以太網(wǎng)線將測(cè)試裝置與距離其100m處的計(jì)算機(jī)相連。以太網(wǎng)線作為發(fā)送測(cè)控任務(wù)指令和回傳任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的信號(hào)通道，由人在遠(yuǎn)端的主控計(jì)算機(jī)發(fā)出各種主控指令，控制模擬適配放大電路的信號(hào)轉(zhuǎn)換和接收，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊將采集到的溫度、壓力信號(hào)上傳至計(jì)算機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存。該方案有效保證了信號(hào)交互的準(zhǔn)確性，同時(shí)，由于操作人員遠(yuǎn)離被測(cè)對(duì)象，確保了人員的安全。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了不密封裝藥A和密封裝藥B的裝藥層溫度及火焰溫度。圖3為測(cè)得的裝藥A裝藥層溫度和火焰溫度的曲線圖。從圖3中可以看出，盒內(nèi)炸藥溫度上升分為3個(gè)階段：第1階段為反應(yīng)延滯期，當(dāng)溫度達(dá)到48.06℃，升溫速率為21℃/min時(shí)，火焰溫度通過底板熱傳導(dǎo)至炸藥下表面溫升，說明HMX已開始固態(tài)的部分分解；第2階段為HMX的自加速期。當(dāng)溫度達(dá)到191.2℃時(shí)，HMX達(dá)到了自加速期。因炸藥的熱分解反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而裝藥盒散熱條件不好，就會(huì)形成熱的積累，使其裝藥盒內(nèi)溫度、壓力一直處于上升趨勢(shì)，分解放熱速度加快，溫度升高地更快。隨著溫度的增加，HMX的分解完全連續(xù)且劇烈并且伴隨著強(qiáng)烈的自加熱和自催化反應(yīng)，使凝聚相溫度驟升。第3階段為HMX的燃燒期。當(dāng)溫度加速到一定程度時(shí)，溫度達(dá)到裝藥的燃點(diǎn)，即321.71℃。

圖3　溫度——時(shí)間曲線圖Fig.3 Temperature vs time curve

圖3中柴油火焰溫度一直處于上升趨勢(shì)，著火之后，瞬態(tài)溫度上升較快，而柴油桶內(nèi)溫度并不高。從著火143s開始，柴油全部燃燒，桶內(nèi)瞬態(tài)高溫和平均溫度達(dá)到較高水平。隨著燃燒的持續(xù)，放熱量增加，對(duì)裝藥盒提供更多的熱量。根據(jù)測(cè)得的兩組裝藥溫度——時(shí)間曲線和數(shù)據(jù)繪制出不密封裝藥A和密封裝藥B的溫度——時(shí)間對(duì)比曲線圖，見圖4。

圖4　不密封裝藥A和密封裝藥B的對(duì)比曲線圖Fig.4 Contrast temperature curves of non sealing A and sealing device B

由圖4可看出，隨著時(shí)間的增加，兩種裝藥的溫度均為上升趨勢(shì)，當(dāng)溫度達(dá)到48.6℃時(shí)，裝藥A開始以21℃/min的速率升溫，裝藥B開始以41.8℃/min的速率升溫，進(jìn)入熱分解的延滯期，即Al-A2（B1-B2）。因裝藥B密封，盒內(nèi)的散熱量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于不密封的裝藥A，故裝藥B溫度上升的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，不會(huì)很快達(dá)到熱分解加速期。裝藥A與B開始進(jìn)入加速期的起始溫度相差不大，但在加速期A2-A3（B2-B3）內(nèi)，不密封裝藥A的分解速率明顯大于密封裝藥B的分解速率，裝藥A開始燃燒的臨界溫度為320.71℃，而裝藥B為382.4℃；隨著時(shí)間的增加，不密封裝藥A的分解峰溫為307.4℃，而密封裝藥B為369.2℃，提高了61.8℃。不密封裝藥A因盒內(nèi)產(chǎn)生的氣體散發(fā)出去，沒有發(fā)生形變；密封裝藥B盒內(nèi)熱積累導(dǎo)致溫度升高，壓力也隨之增加，最終導(dǎo)致裝藥盒變形，上層殼體撐開。通過對(duì)比兩組實(shí)驗(yàn)可表明：裝藥盒的密封性在一定程度上影響了裝藥的熱安定性。密封裝藥B的熱安定性在一定程度上優(yōu)于不密封裝藥A的熱安定性。通過分析HMX的熱分解特性，計(jì)算其表觀活化能，并驗(yàn)證其自發(fā)火溫度，采用式（2）計(jì)算HMX的表觀活化能，其結(jié)果見表3。

表3　裝藥A與裝藥B的HMX表觀活化能　(kJ·mol-1)Tab.3 The apparent activation energy of HMX about A and B

式（2）中：Ea為表觀活化能，kJ/mol；Tp為熱分解峰溫值，K；S為常數(shù)；A為與S相關(guān)的常數(shù)；Φ為升溫速率，k/min；R為氣體常數(shù)，8.314J/(mol·K)；C為常數(shù)。當(dāng)采用Ozawa方法時(shí)，S=0，A=1.051 8；當(dāng)采用Kissinger方法時(shí)，S=2，A=1；當(dāng)采用Starink 方法時(shí)，S=1.8，A=1.007 0- 1.2×10-8Ea。由表3可知，分別用 Ozawa方法、Kissinger方法和Starink 方法計(jì)算得到的表觀活化能基本一致，取3者平均值表示裝藥A和B的HMX表觀活化能分別為220.15kJ/mol 和270.6kJ/mol。當(dāng)裝藥B密封后，表觀活化能增加了50.45kJ/mol，從而增強(qiáng)了裝藥的熱安定性。

裝藥的熱安定性可以由自發(fā)火溫度（Tb）來表示：

式（3）中：E為活化能，kJ/mol；Tp為熱分解峰溫值，K。根據(jù)計(jì)算所得的表觀活化能數(shù)值，結(jié)合曲線圖中熱分解峰溫值，采用式（3）計(jì)算HMX的自發(fā)火溫度，結(jié)果如表4所示，證實(shí)了與實(shí)驗(yàn)的一致性。

表4　裝藥A與裝藥B的HMX的自發(fā)火溫度Tab.4 Self-ignition temperature of HMX about A and B

4　結(jié)論

通過對(duì)不同密封性的盒式裝藥溫度測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行分析和研究，可以得到以下結(jié)論：（1）通過自行設(shè)計(jì)的測(cè)控裝置能夠精確采集溫度—時(shí)間變化曲線，結(jié)合理論分析裝藥盒受熱分解的反應(yīng)程度，確定了裝藥的自發(fā)火溫度值。（2）密封裝藥B的熱安定性優(yōu)于不密封裝藥A的熱安定性。（3） 改變裝藥盒的密封性在一定程度上影響了裝藥的熱安定性。通過分析HMX的熱分解特性，驗(yàn)證了自發(fā)火溫度與實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果的一致性，并進(jìn)一步證明了密封裝藥B的熱安定性。

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Research of Temperature Measurement on the Cassette Explosive Burning

YANG Xiao-bo，WANG Feng-ying
(College of Chemical Engineering and Environment,North University of China，Taiyuan，030051)

Abstract：A self designed measuring and control device was applied in real-time monitoring to test the security performance of cassette explosive.The experiment mainly studied the response characters of cassette explosive as heating and the temperature variation both in and out of the package.A further contrast experiment on the leakproofness of cassette explosive and analysis of relation between temperature variation and time have been done.The results indicate that compared to unsealed package A,the completely sealed B has a higher decomposition temperature,and more fiercely in burning under the same condition.Through calculating the apparent activation energy,the spontaneous ignition temperature was verified to consistent with the measured results,which further proved the thermal security performance of the completely sealed B,as well as the availability of the measuring and control device.

Key words：Cassette explosive；Temperature；Thermal decomposition；Measure

作者簡(jiǎn)介：楊曉波（1991 -），女，碩士研究生，主要從事火炸藥測(cè)試研究。

收稿日期：2015-08-05

中圖分類號(hào)：TJ450.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0053-04