一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统技术方案

本发明专利技术公开了一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统，包括离子探针、信号处理电路、数据采集记录仪；离子探针由铜丝探头、刚玉管、不锈钢套管、基座等构成；每个离子探针的输出端分别与信号处理电路的某个输入端连接，数量不受限制；信号处理电路的每个通道相互并联，功能一致，由24V直流电源供电；当爆轰波阵面传至探头时，对应的探针回路接通，支路上的电容快速放电从而产生电压脉冲信号；所有支路产生的电压信号均接入数据采集记录仪的单个通道，脉冲信号出现的时刻即为爆轰波到达探针的时刻；最后根据不同探针的间距和信号出现的时间差计算出火焰在相邻两个探针之间的平均传播速度；本发明专利技术系统成本低，能够准确测量不锈钢管内预混气体爆轰波传播速度。

【技术实现步骤摘要】
一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统
本专利技术涉及爆轰测试
，具体涉及一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统。
技术介绍
压水堆核电厂发生严重事故时，反应堆堆芯的锆包壳被蒸汽或空气氧化而产生大量的氢气。此外，堆芯熔融物若掉落到反应堆堆腔，熔融物和混凝土相互作用又将产生大量的氢气或一氧化碳。这些气体与周围的空气和蒸汽混合后可能产生可燃性混合物，遇到电火花或热源将发生缓慢燃烧。而该燃烧火焰极其不稳定，若火焰的传播路径存在障碍物，激起的湍流作用致使燃烧率增加、传播火焰不断加速。在合适的条件下，这将引起爆燃转化为爆轰。而爆轰产生的巨大冲击力将导致核电厂的安全壳发生破裂，致使放射性物质泄漏到外部环境，威胁公众安全。为了研究气相爆轰的产生和传播机理，准确测量爆轰速度成为气相爆轰实验中不可缺少的技术手段。在气相爆轰物理实验中测量爆轰速度常用的技术手段有电探针测速系统、光纤探针测速系统、高速摄像测速。光纤探针是通过直接测量冲击波到达固定测点时间的方式来间接测量冲击波速度。其探头一般由端面镀膜的梯度石英光纤和金属套管构成。测量原理是当冲击波阵面到达光纤探针端面时会产生光信号，经光纤传输到光电探测器后变换为电信号，再由示波器记录就可以知道冲击波或飞片到达探针的时刻。该方法的优点是间接非接触测量。缺点是不适用于不锈钢管内气相爆轰，因为若要布置多个光纤探针，则需开设多个透镜窗口，透镜窗口和不锈钢管之间密封处很容易由于爆轰冲击力发生破裂。此外，该方法对透镜的光洁度要求较高，不适用于爆轰管内具有黑烟的场景。高速摄像测速的工作原理是通过摄像记录管道内火焰的形态和位置，从而得到火焰速度。该方法的优点是间接非接触测量，且系统简单。缺点是造价昂贵，且不适用于不锈钢管内气相爆轰速度测量。本专利技术采用的离子探针测速技术属于电探针测速技术的一种。测量原理是可燃性气体混合物在前导冲击波的压缩下升温升压，自动点火后化学反应区内产生大量的自由基或离子，当爆轰波阵面传至探头时，探针回路接通并将电信号传至数据采集系统，从而产生电压脉冲信号，信号出现的时刻即为爆轰波到达探针的时刻。最后根据不同探针的间距和信号出现的时间差计算出爆轰波在相邻两个探针之间的平均传播速度。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统，是一种低成本，仅利用单通道采集卡来采集多个探针脉冲信号，从而准确测量不锈钢管内预混气体爆轰波传播速度的方法。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统，包括离子探针、与离子探针连接的信号处理电路、以及与信号处理电路连接的数据采集记录仪；所述离子探针一部分位于爆轰管内，包括开有双通孔的刚玉管2，一对铜丝探针1插入刚玉管2的双通孔，两端头部伸出，刚玉管2外部同心设置有不锈钢套管3；铜丝探针1与刚玉管2双通孔间的间隙以及刚玉管2与不锈钢套管3间的间隙采用工业绝缘胶填充；所述刚玉管2与不锈钢套管3的长度根据爆轰管管壁4的壁厚变化；所述离子探针的探针输出端7与信号处理电路相连；所述信号处理电路采用24V直流电压提供激励，由24路探针支路并联而成，每个探针支路均相同，包括保护电阻、二极管、离子探针以及与二极管和离子探针并联的0.001uF电容，信号处理电路的输出端是电阻R0两端的电压，其中电阻R0一端接地，另一端接入数据采集记录仪；当爆轰波阵面经过某个离子探针时，该离子探针所连接的支路导通，支路上的电容迅速放电，从而在电阻R0两端产生脉冲电压，该信号由数据采集记录仪记录；由于采用并联电路设计，信号处理电路输出端与数据记录仪的单个通道连接；所述24路探针支路上离子探针布置在火焰加速段和爆轰段；24个离子探针分别与信号处理电路的24个支路中的输入端相连，火焰每经过一个离子探针时，数据采集记录仪即产生一个电压脉冲信号，根据相邻离子探针的间距和相邻脉冲信号出现的时间差即能够计算出火焰在相邻两个离子探针之间的平均传播速度。所述24路探针支路上离子探针在1.2m长的火焰加速段等间距布置6个，在8.8m长的爆轰段布置18个。所述刚玉管外径为4mm，其内双通孔的直径为1mm；所述铜丝探针1的直径为1mm，两端头部伸出5mm；所述不锈钢套管3的内径为4.2mm、厚度为1mm。所述保护电阻的阻值为1000kΩ，电阻R0的阻值为20kΩ。和现有技术相比较，本专利技术具备如下优点：1.成本较低。探针本身所采用的材料以及相应信号处理电路的元器件价格低廉、采购渠道方便；2.信号采集方式简单。由于采用并联电路设计，信号输出由单通道采集卡记录即可。避免了多通道数据采集电路复杂、导线繁多、信号干扰严重的缺点。3.信号响应快、分辨率高。探针接通的瞬间电容即可开始放电，响应时间为纳秒级。由于采用较小的电容量0.001uF和阻值较小的电阻R0，电容放电的时间远小于爆轰波阵面经过两个探针所需要的时间，故脉冲信号的分辨率较高。4.安全可靠。电路的供电电压为24V直流电压，小于安全电压36V，因此人身安全得到保障。附图说明图1为离子探针结构、安装及数据采集示意图。图2为信号处理电路3路设计图。图3为离子探针测速系统总图。图中1是铜丝探针、2是刚玉管、3是不锈钢套管、4是爆轰管管壁、5是固定基座、6是绝缘填充胶、7是探针输出端。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细的说明：如图1所示，本专利技术一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统由离子探针、信号处理电路、数据采集记录仪构成。离子探针包括1对直径为1mm的铜丝探针1、外径4mm双通孔直径为1mm的刚玉管2、内径为4.2mm厚度为1mm的不锈钢套管3。铜丝探针1粘上胶水后插入刚玉管2的双通孔，头部伸出3mm，探针间隙为1mm。刚玉管2外表面粘上胶水后插入不锈钢套管3，两者长度由爆轰管壁4的壁厚确定。为了保证探针头部的导电性能，用刀片将头部的胶水刮干净。固定基座5采用焊接或胶水的方式固定在爆轰管管壁4上，固定基座5与不锈钢套管3之间的间隙位置也采用缘填充胶6密封。探针输出端7的两根导线外表面含有塑料绝缘胶皮，每个离子探针的输出分别接入信号处理电路的某个输入端口，信号处理电路的输出接入数据采集记录仪。如图2所示，信号处理电路由24V直流电压提供激励。由于图片大小限制，图中仅给出3路离子探针信号处理电路设计示意图，3路支路并联，每个支路的设计完全一致，包括1000kΩ的保护电阻、二极管、探针以及与二极管和探针并联的0.001uF电容。其余未画出的支路也采用完全相同的设计，与画出的3路支路并联。信号处理电路的输出端是电阻R0两端的电压。电阻R0其中一端接地，另一端接入信号采集记录仪。电阻R0的阻值可以根据信号采集记录仪的量程自由设计，本专利技术设计为20kΩ。当爆轰波阵面经过某个离子探针时，该离子探针所连接的电路支路导通，支路上的电容迅速放电，从而在电阻R0两端产生脉冲电压，该信号由数据采集记录仪记录。如图3所示，本专利技术共设计和安装24个离子探针，在1.2m长的火焰加速段等间距安装6个，在8.8m长的爆轰段布置18个。24个离子探针分别与信号处理电路的24个支路中的输入端相连，信号处理电路的输出接入信号采集记录仪。火焰每经过一个离子探针，信号采集记录仪即产生一个电压本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统，其特征在于：包括离子探针、与离子探针连接的信号处理电路、以及与信号处理电路连接的数据采集记录仪；所述离子探针一部分位于爆轰管内，包括开有双通孔的刚玉管(2)，一对铜丝探针(1)插入刚玉管(2)的双通孔，两端头部伸出，刚玉管(2)外部同心设置有不锈钢套管(3)；铜丝探针(1)与刚玉管(2)双通孔间的间隙以及刚玉管(2)与不锈钢套管(3)间的间隙采用工业绝缘胶填充；所述刚玉管(2)与不锈钢套管(3)的长度根据爆轰管管壁(4)的壁厚变化；所述离子探针的探针输出端(7)与信号处理电路相连；所述信号处理电路采用24V直流电压提供激励，由24路探针支路并联而成，每个探针支路均相同，包括保护电阻、二极管、离子探针以及与二极管和离子探针并联的0.001uF电容，信号处理电路的输出端是电阻R0两端的电压，其中电阻R0一端接地，另一端接入数据采集记录仪；当爆轰波阵面经过某个离子探针时，该离子探针所连接的支路导通，支路上的电容迅速放电，从而在电阻R0两端产生脉冲电压，该信号由数据采集记录仪记录；由于采用并联电路设计，信号处理电路输出端与数据记录仪的单个通道连接；所述24路探针支路上离子探针布置在火焰加速段和爆轰段；24个离子探针分别与信号处理电路的24个支路中的输入端相连，火焰每经过一个离子探针时，数据采集记录仪即产生一个电压脉冲信号，根据相邻离子探针的间距和相邻脉冲信号出现的时间差即能够计算出火焰在相邻两个离子探针之间的平均传播速度。...

【技术特征摘要】
1.一种测量气相爆轰速度的离子探针测速系统，其特征在于：包括离子探针、与离子探针连接的信号处理电路、以及与信号处理电路连接的数据采集记录仪；所述离子探针一部分位于爆轰管内，包括开有双通孔的刚玉管(2)，一对铜丝探针(1)插入刚玉管(2)的双通孔，两端头部伸出，刚玉管(2)外部同心设置有不锈钢套管(3)；铜丝探针(1)与刚玉管(2)双通孔间的间隙以及刚玉管(2)与不锈钢套管(3)间的间隙采用工业绝缘胶填充；所述刚玉管(2)与不锈钢套管(3)的长度根据爆轰管管壁(4)的壁厚变化；所述离子探针的探针输出端(7)与信号处理电路相连；所述信号处理电路采用24V直流电压提供激励，由24路探针支路并联而成，每个探针支路均相同，包括保护电阻、二极管、离子探针以及与二极管和离子探针并联的0.001uF电容，信号处理电路的输出端是电阻R0两端的电压，其中电阻R0一端接地，另一端接入数据采集记录仪；当爆轰波阵面经过某个离子探针时，该离子探针所连接的支路导通，支路上的电容迅速放电，从而在电阻R0两端产生脉冲电压，该信号由数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏光辉，陈勇征，刘博，张亚培，田文喜，秋穗正，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61