20 升球型爆炸測試系統(tǒng) 使用說明書 目 錄 1 20升球型爆炸測試裝置簡介 . 2 2 系統(tǒng)結構及工作原理 . 2 置本體 . 2 制系統(tǒng) . 5 據采集系統(tǒng) . 6 3 試驗方法及評估 . 7 1 炸下限 . 7 爆性 . 8 大爆炸壓力 最大爆炸 壓力上升速率 (T). 8 試方法 . 8 果修正 . 9 塵爆炸指數 . 10 限氧濃度 . 10 4 實驗操作程序 . 11 5 使用安 全注意事項 . 12 6 常見故障及排除方法 . 12 7 爆炸壓力數據采集軟件 . 13 為 . 13 低系統(tǒng)要求： . 13 . 14 8 . 14 集卡驅動程序的安裝 . 14 . 14 9 . 14 紹 . 14 單欄 . 15 具欄 . 16 態(tài)欄 . 16 10 . 16 附件 . 18 附件 2. (dp/dt). 18 附件 . 19 附件 . 19 支持和聯系信息 . 錯誤 !未定義書簽。 2 1 20升球型爆炸測試裝置簡介 可燃性工業(yè)粉塵如煤粉、糧食、金屬粉塵等的爆炸性通常用以下參數來描述： 1) 最大爆炸壓力； 2) 最大爆炸壓力上升速率； 3）爆炸極限（一般指爆炸下限）； 4）極限氧濃度； 5）粉塵云最低著火溫度； 6）粉塵層最低著火溫度； 7）粉塵云最小點火能量； 8）粉塵層比電阻。 其中第 1、 2、 3、 4 項參數國際標準 薦采用 10 升球形爆炸 裝置來測試。由于 20升球形爆炸裝置體積小、操作方便，實驗費用低，因此實驗室選用 20升球形爆炸測試裝置作粉塵爆炸研究已成為國際主流。 根據 四川大學干燥科技工程有限公司 與東北大學簽訂的 20升球形爆炸裝置測試系統(tǒng)研制【沈科發(fā) 2006同，東北大學 安全工程研究中心 為 四川大學 研制了該套測試系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)結構及工作原理 20 升球形爆炸測試系統(tǒng)主要包括裝置本體、控制系統(tǒng)和數據采集系統(tǒng)三大部分。 裝置本體是用來形成高紊流粉塵云狀態(tài)并承受爆炸載荷的空心、帶夾套雙層不銹鋼球體，是測試系統(tǒng)的關鍵部件。 以工業(yè) 可編程控制器（ 核心的控制系統(tǒng)用于儲粉罐進氣、噴粉、采樣觸發(fā)、點火等一系列動作的自動化。 采樣系統(tǒng)利用進口的壓電式瞬態(tài)壓力傳感器探測本體內的爆炸壓力信號，并通過臺灣研華（ 據采集卡進行爆炸壓力數據的采集，利用采樣軟件進行數據分析、曲線圖像保存和打印。 置本體 3 20升球形爆炸測試裝置本體為不銹鋼雙層夾套球形結構，如圖 1所示。 圖 1 20升球 形爆炸測試裝置結構簡圖 1 密封蓋 2 夾套外層 3 夾套內層 4 真空表 5 循環(huán)水人口 6 機械兩向閥 7 底座 8 觀察口 9 抽真空口 10 分散噴嘴 11 儲粉罐 12 電接點壓力表 13 壓力傳感器 14 循環(huán)水出口 15 安全限位開關 16 點火桿 17 進氣電磁閥 各部分功能簡述如下： 1) 密封蓋 用于開啟和密封，也為安裝點火頭和清洗所用； 2) 夾層外套 和內套形成夾層，實驗時通入恒溫水，以降低內套的溫度，從而保 證測試溫度的一致性； 3) 夾層內套 承受爆炸壓力，是測試裝置的主要承壓件，設計壓力為 4) 真空表 實驗前 20 升球形爆炸測試裝置內部必須預抽真空。真空度通過真空表標示，真空度一般為 保證點火時球內部壓力為常壓，是可接受的，多大合適可按下述方法檢測：先抽真空，將儲粉罐的高壓氣體利用自動運行方式噴入 20 升裝置本體內，打開出氣口閥門，此時可以感覺到進入或流出閥門的氣體都比較少； 5) 和 14) 循環(huán)水（或油）的入、出口； 6) 機械兩 項閥 機械兩項閥是 20 升球形爆炸測試裝置的關鍵部件之一，用于將粉塵在 60右的時間內噴入到 20 升球形爆炸測試裝置內部。該閥為瑞士 4 G 公司制造，也是該產品的世界唯一制造商。該閥產品編號為 列號為 100 驅動電壓為 閥的測試報告生產商提供的資料。測試報告中部分參數解釋如下： 粉罐儲滿 啟兩項閥（設定開啟時間為 60 20升球體內部所能達到的壓力最大值，由于機械閥的波動， 制系統(tǒng)發(fā)出開閥電信號到 20 升球形爆炸測試裝置內部壓力開始升高之間的滯后時間，正常滯后范圍為 3050果 50明閥內部需要清潔。 7) 底座 用于支承設備； 8) 觀察口 通過觀察口可以清晰的看見 20 升球形爆炸測試裝置內部的點火和爆炸情況，內部是 30提高安全性，外部又附加了一層有機玻璃。該觀察口也可用于設備內部紊流場的測試。 9) 抽真空口 工藝口，接真空軟管； 10) 分散噴嘴 通過該噴嘴可將粉塵比較均勻地分散在球形裝置內部，同時得到較高紊流度； 11) 儲粉罐 用于儲存作爆炸實驗用的粉塵和分散粉塵用的高壓空氣，標準實驗時需加壓到 驗加粉時應將粉塵盡可能地送到粉罐的底部，以便能全部噴入到球體內部； 12) 電接點壓力表 用于控制和顯示儲粉罐壓力，實驗測試時需設定在 定方法：擰下表盤中心的保護蓋，用一字型螺絲刀按下撥桿撥動上限既可，當壓力達到設定值時， 1和 3號腳即接通，從而發(fā)出開關信號；無此信號，即使按下運行按鈕，程序也不能自動運行； 13) 壓力傳感器 本系統(tǒng)的另一關鍵部件，用于測試爆炸產生的瞬態(tài)壓力信號。傳感器的使用、維護及廠家標定報告見外方提供的資料附件； 15) 安全限位開關 本部件是保證系統(tǒng)實驗時密封蓋處于關閉狀態(tài)的檢測部件，為日本原裝進口件。爆炸測試 實驗時該開關必須處于關閉狀態(tài)，否則，系統(tǒng)不能自動運行； 16) 點火桿 用于聯接和固定化學點火頭的部件。為聯結可靠，需保持清潔； 17）進氣電磁閥 用于向儲粉罐充入 2高壓氣體，其驅動電壓為 閥為德國原裝進口件。 需要注意該進氣電磁閥的驅動電壓和噴粉兩向機械閥的驅 5 動電壓不一致，在控制箱后的電線插口不能接錯，否則會燒毀進口兩向機械閥的 電磁閥。 設備工作原理：用 2壓空氣將儲粉罐 11 內的可燃粉塵經機械兩向閥 6 和分散噴嘴 10 噴至預先抽成真空的 20 升球形裝置內部；同時開始計算機采樣并用點火裝置點火引爆氣粉混合物；最后，對采樣結果進行分析、計算，完成試驗。清洗后可重復試驗。 制系統(tǒng) 20升球形爆炸控制系統(tǒng)是用來控制系統(tǒng)進氣、觸發(fā)采樣、開閥噴粉、點火過程的，整個實驗過程在不到 1間進氣、噴粉、觸發(fā)采樣、點火等動作的時間控制均以 控制系統(tǒng)采樣日本松下 工業(yè)可編程控制器（ 實現系統(tǒng)控制。 有 8 入 6 出共 14 個繼電器型觸點，各觸點功能分配如表 1所示。 。 表 1 出點數分配 輸入點號 1 3 5 7 用途 自動 自動運行啟動 安全限位開關 粉罐壓力開關 急停開關 手動進氣按鈕 手動清洗按鈕 手動 輸出點號 1 3 5 用途 點火 采樣觸發(fā) 噴粉或清洗 進氣 安全限位顯示 壓力到位顯示 a）輸入部分 b）輸出部分 圖 2 20球形爆炸容器測試系統(tǒng) 6 控制箱面板按鈕及使用說明如下： 手動 /自動 利用該按鈕將系統(tǒng)的操作分手動狀態(tài)和自動狀態(tài)。 正規(guī)實驗必須選擇自動，手動用于設備清洗和檢查。 進氣 在手動狀態(tài)時，按下進氣按鈕將使儲氣罐進氣。進氣按鈕在自動狀態(tài)和急停按下時無效； 清洗 在手動狀態(tài)時按下清洗按鈕，可將儲氣罐里的氣體噴入到 20升球體內，來清洗兩項噴粉閥和 20升球體內部，但需要注意高壓 氣體可能將粉塵分散噴嘴或未鎖定的密封蓋噴出而傷人，因此必須注意。 運行 在自動狀態(tài)，按下運行按鈕將進行一次測試的控制序列。包括： 自動檢測安全限位開關和急停按鈕，如安全限位未到位，或急停按下，則系統(tǒng)終止程序運行； 儲氣罐進氣直到壓力到位（電節(jié)點壓力表輸出接通信號）； 向計算機輸出采樣觸發(fā)信號，計算機開始采樣； 開氣粉兩相閥噴粉，至設置時間關閥； 關閥后一定時間后點火。 急停 主要用于自動狀態(tài)時運行按下后，突發(fā)緊急情況需要終止程序，如剛按下運行按鈕，系統(tǒng)由于電壓波動導致采樣提取觸發(fā)，此時可 按下急停按鈕終止程序進行； 電源 燈亮表示系統(tǒng)上電，但必須保證空氣開關 閉合的才能保證系統(tǒng)真正上電； 復位 系統(tǒng)每次上電后應立即復位，以消除傳感器的積累電荷。 據采集系統(tǒng) 數據采集系統(tǒng)用于記錄爆炸過程中壓力的變化。其原理是：由壓力傳感器將瞬態(tài)爆炸壓力信號轉換為 05v 的標準電壓信號，然后利用計算機將電壓信號記錄下來，并將其轉換為等值的壓力信號，供人們閱讀和分析。 數據采集系統(tǒng)的硬件主要包括壓力傳感器、數據采集卡、接線卡和計算機。數據采集卡是用來將模擬電壓信號轉換為數字信號。本系統(tǒng) 采集的是瞬態(tài)信號，對采集卡的轉換速率要求比較高，為此，本系統(tǒng)選用了臺灣研華（ 司生產 7 的數據采集卡 卡最高轉換頻率為 40樣精度 12位，精度為 傳感器采用美國 司制造的壓電式高靈敏度傳感器，產品序列號為2300號為 2857，靈敏度為 態(tài)響應頻率為 250測壓范圍為 0250 對應的壓力電壓比為 。 傳感器利用美國原裝恒流源供電，恒流源利用 9為節(jié)省電力， 實驗結束后恒流源應立即關閉。當指針指示小于 10時，也許需要更換新的電池，否則可能會影響測試效果。 傳感器標定及使用說明書見廠家提供的附件材料。 采樣系統(tǒng)硬件連接線路如圖 3所示。 恒流源傳感器采樣卡計算機圖 3 計算機數據采集系統(tǒng)硬件連接線路圖 數據采集系統(tǒng)軟件基于 C+語言編制，可以運行于 于軟件的使用請參閱使用說明書第 7章 。 3 試驗方法及評估 本裝置可以用于測試粉塵的爆炸極限（下限）、最大爆炸壓力、最大爆炸壓力上升速率和極限氧濃度，也可用于測試粉塵是否具有爆炸性。如果要對某一粉塵的以上參數全部測試， 一般應從爆炸下限開始，然后測試最大爆炸壓力及其上升速率，最后再測試極限氧濃度。 炸下限 爆炸下限的測試應該從一個可爆炸的粉塵濃度開始試驗，然后逐步降低該濃度值，直至無爆炸發(fā)生為止；而且，為確保無爆炸的發(fā)生，最少需在該濃度值上重復三次以上試驗。 測試粉塵爆炸下限時，點火頭的能量宜為 2 是否爆炸的判據：從理論上來說，應該以爆炸火焰是否傳播到器壁上為準，但 8 這樣在實踐中不易測量。通常以爆炸壓力來判定，按照瑞士 G 公司的經驗，當升壓超過 爆性 可爆性的測試與評估與粉塵爆炸下限相同：使用 2量的點火頭、以升壓超過 為爆炸的判據。但是實驗要在一更加廣泛的濃度范圍內進行，推薦的粉塵濃度系列為： 30， 60， 125， 250， 500， 750， 1000， 1250， 1500， 1750， 2000g/ 對應于 20球形爆炸裝置所需粉塵質量分別為： 10， 15， 20， 25， 30， 35， 40g。 如果在以上濃度范圍內均未發(fā)生爆炸，則可認為該粉塵不具備爆炸性，除非采用高于 2 大爆炸壓力 最大爆炸壓力上升速率 (dp/dt) 測試方法 每作一次爆炸測試實驗，就可以得到一組最大爆炸壓力和最大壓力上升速率值，可以從壓力時間曲線上判定，如圖 5 中的 （ dp/_m 所示，但這只代表一次某一濃度下的爆炸情況。 9 爆炸壓力曲線 圖 5 本裝置測試撫順玉米淀粉的爆炸壓力時間曲線 為了得到該粉塵的最大爆炸壓力 最大爆炸壓力上升速率 （ dp/試粉塵 濃度應該在一廣泛范圍內變化，直到 （ dp/般， （ dp/出現在同一粉塵濃度值上。常用的粉塵濃度測試序列為： 60g/125g/250g/500g/750g/1000g/1250g/2000g/ 測試粉塵的最大爆炸壓力和壓力上升速率時，普遍采用能量為 10化學點火頭，其制作方法見附件 1。 粉塵的最大爆炸壓力和最大壓力上升速率統(tǒng)計結果可由數據采集軟件自動報表得到，也可根據采樣結果按附件 2給出的表格填寫 。 果修正 由于 20 升球形爆炸裝置的容積和工業(yè)設備相比容積偏小，由于器壁效應的影響，最大爆炸壓力與真實工業(yè)設備的爆炸結果有一定的差別，因此在 20升球形爆炸裝置上測定的 在應用于防爆工程時需加以校正。國際上通常以 1量的對比實驗得到當 需要修正，修正公式近似為： =注意單位是 1 而德國著名的粉爆研究機構德國食品安全研究中心（ 現按照表 2進行修正結果更符合實際。 表 2 最大爆 炸壓力修正對照 10 20 1 0 1 0 1 0 1 0 與 1 塵爆炸指數 塵爆炸烈度等級用粉塵爆炸指數 m/s)來表示， 31m a xm a x 式中： V 表示容器容積， 式即是著名的爆炸立方根定律，它表示粉塵的最大爆炸壓力上升速率與容器容積的立方根之積為一常數。利用這一規(guī)律可利用 20升球形爆炸裝置測試得到的粉塵最大爆炸壓力上升速率得到該粉塵的爆炸指數，即 dp/采樣軟件得到的爆炸壓力曲線圖中給出的 由上式得出。 根據粉塵爆炸指數計算結果，粉塵爆炸烈度等級根據 184 分級標準如下： 級 m/s 限氧濃度 可燃粉塵云中氧濃度低于一定值時不會發(fā)生爆炸。實驗時逐步降低 20升球罐內的氧濃度值并調整粉塵濃度值直到不 爆為止，此值即為極限氧濃度。 為了實現爆炸環(huán)境的氧濃度值，在實驗前必須利用同一氧濃度的空氣對 20升裝置內部反復洗氣，直到裝置內部的氧濃度達到所需的濃度值，然后才可以抽真空進行實驗測試。同時，儲粉罐的加壓氣體也必須采用同樣氧濃度的空氣。 11 4 實驗操作程序 實驗操作按下列步驟進行： 1) 控制系統(tǒng)線路 噴粉閥）線路 2）采樣系統(tǒng)線路 3）氣路系統(tǒng) 以上檢查確保連接良好，各個環(huán)節(jié)不漏氣。 2. 打開控制箱電源啟動 1)利用安全鉗短路兩電極； 2)將 20L 球型爆炸裝置開啟蓋取下，安裝點火頭；將蓋裝好后測試其電阻（一般為 5 6以下）保證點火頭線路良好； 3)取下安全鉗，合上安 全限位開關，插上電極引線。 4裝粉 將已處理的粉料按濃度要求稱取一定量，裝入儲粉罐， 后把蓋旋緊。 5抽真空 啟動真空系統(tǒng)約抽至負壓為 后關閉真空壓力表開關和連接真空軟管閥門； 若真空壓力表前的開關不關閉會損壞真空壓力表！ 7啟動計算機采樣系統(tǒng)，填寫實驗條件數據，并使采樣程序處于等待采樣狀態(tài)； 8運行 12 將手動 /自動按鈕轉向自動位置，按下運行按鈕即完成一次爆炸過程； 9數據記錄 程序會自動記錄主要數據，但也 許 需 要 用 戶輸入部分數據 10清洗 1) 打開 20升裝置上出氣閥門； 2) 將手動 /自動按鈕轉向手動位置，按下進氣按鈕，然后按下清洗按鈕，也許，進氣和清洗需要重復 2 3次； 3) 打開裝置上蓋，用吸塵器仔細清洗。 5 使用安全注意事項 1. 禁止 20 升裝置內壓力高于大氣壓時，打開裝置上蓋；必須在排氣閥門在開啟狀態(tài)才能打開； 2. 安裝點火頭前，必須用安全鉗將點火電極短路，用萬用表測量點火頭時，必須扣上上蓋然后測量，防止意外電流通過引爆點火頭； 3. 清洗時和實驗前必須先關好真空表前的閥門，否則會損壞壓力 表； 4. 本設備的設計壓力為 作壓力為 以滿足一般工業(yè)粉塵爆炸性的測試，但不得用于初始壓力大于 對壓力）的爆炸性測試，也不適用于爆炸性物質的測試。 6 常見故障及排除方法 常見故障及排除方法統(tǒng)計于表 3。其它故障請與作者聯系。 表 3 常見故障、原因及排除方法統(tǒng)計 故障 可能的原因 解決方法 打開氣源； 檢修電磁閥及其接線； 檢查密封圈并擰緊； 噴粉 壓力過低 檢查氣源； 檢修電磁閥及其接線； 更換新點火頭； 連接不可靠或未插點火引線 1.自動 /手動處于手動狀態(tài)； 4.急停按鈕按下； 旋轉到自動位置； 閉合之； 氣源壓力不足，略微加大減壓閥壓力； 松開； 打開； 13 4. 自動 /手動處于自動狀態(tài)； 5. 急停按鈕按下； 閉合； 檢查連接導線及閥本身； 旋轉到手動狀態(tài)； 松開； 4. 自動 /手動處于自動狀態(tài)； 5. 急停按鈕按下； 打開； 閉合； 檢查連接導線及閥本身； 旋轉到手動狀態(tài)； 松開； 先進氣； 位或預熱時間過短； 擰緊； 用兩層黑電 膠布保護； 清理； 抽至 開機隨機復位，并預熱 5分鐘以上； 檢查更換之； 重新開機； 重新啟動采樣程序； 檢查更換； 合上。 7 爆炸壓力數據采集軟件 介 為 采集和處理 20 升球形爆炸裝置內部顯示在爆炸過程中壓力隨時間變化曲線的測試軟件，并對數據有一定的分析能力。 用 的 換卡是由 司生產的 列 12/26 位多通道采集卡 低系統(tǒng)要求： 98 / 2000 / 86有 32 17釋：由于 司采集卡接口的兼容性，本軟件支持更高性能的其他系列的采集卡。 14 目前本軟件只支持同時一路采集（可以選擇不同的 。 8 安裝 集卡驅動程序的安裝 采集卡驅動程序的安裝只需雙擊 步驟一步一步完成，注意對應的采集卡的型號。安裝成功后驅動程序將會在開始菜單中增加名為 下界面：使用測試程序可以檢驗采集卡是否正常。 本程序為綠色軟件，無需安裝拷貝到硬盤即可使用。 9 界面 紹 15 用常規(guī)的菜單下拉式結構，主要菜單有：文件，配置，采集，顯示，幫助。請選擇適當的主題來讀取關于各個菜單的命令。 下一個界面項目是工具欄，它被置于菜單下，文件列表上。工具欄按鈕是重復的 命令 菜單項目。 狀態(tài)欄在文件列表下面， 口的底部，當有圖形顯示時，它將顯示當前鼠標所在點所代表的時間和壓力值。 單欄 文件菜單 主要是對壓力采集數據的存儲和打印操作，它的子菜單有： 新建測試 開始采樣，并對采集卡和本次采樣的爆炸及粉塵參數設置 打開采樣 文件 將以前存儲的采樣文件，重新顯示分析 保存采樣文件 將本次采樣得到的數據保存為 保存為 將本次采樣的曲線保存為 打印 打印本次采集的曲線 配置菜單 配 置菜單主要是對采集卡，粉塵特性及測試條件，以及坐標軸的配置。 子菜單有： 配置采集卡 設置采集卡的參數，采樣頻率以及采樣時間，還有前端傳感器的壓力電壓比 配置坐標軸 設置曲線所在坐標軸的刻度 范圍，刻度數等。 配置粉塵特性及測試條件 設置粉塵特性，以及本次測試的測試條件 采集菜單 根據用戶制定的時間或按照默認配置開始采集，主要有兩種采樣模式：實時采集和等待用戶外部觸發(fā)采集。它有如下子菜單： 實時采集 用戶點擊后馬上開始采集 等待采集 采集卡處于阻塞狀態(tài)等待用戶的外部命令，然后開始采集 顯示菜單 對采集數據得到的曲線進行分析。它有如下子菜單 設定時間顯示范圍 用于對于某一短時間內的曲線放大顯示。 手動求解最大壓力上身速率 由用戶自己來求解，曲線上某一點的壓力上身速率，點擊該按鈕后，用戶鼠標的形狀將會變成狀，并會在窗體的左方顯示一個透明的窗口，用以顯示用戶當前鼠標所處位置，以及是否處于曲線上，單用戶的鼠標處于曲線上時，單擊鼠標將繪出該點的壓力上升速率值。再次單擊該按鈕將會回到第一次單擊前的狀態(tài)。 向前 16 向后 當用戶更改顯示的時間范圍 后，該按鈕變?yōu)榭捎貌⒃诒４娴臓顟B(tài)之間切換。 幫助菜單 獲得系統(tǒng)的使用說明。它有如下子菜單： 幫助主題 獲得系統(tǒng)詳細的說明手冊 關于 獲得本軟件的大致信息 具欄 工具欄中的所有按鈕都是菜單欄中的重復命令。根據所屬不同的菜單，工具欄中的按鈕依次分成 5組，對應 5個菜單項。（注意灰色的按鈕表示，當前該選項不可用） 態(tài)欄 狀態(tài)欄的最左端顯示當前軟件所處的工作狀態(tài)，而當有采集數據時 ，狀態(tài)欄的最右端將顯示鼠標所在點在坐標系中所處的位置，也就是該點所代表的壓力和時間值。 10 使用 啟動程序 確保采集卡正確安裝，將可以啟動程序。 配置 單擊新建測試按鈕將會依次彈出粉塵特性及測試條