Аналіз установок для дослідження вибуху

1.1 Установка для дослідження параметрів оптико-електронних датчиків виявлення вибуху пило газоповітряної суміші

Реакційна посудина 1 є розбірною для забезпечення зручності транспортування. У корпусі судини наявні патрубки для введення вимірювальних датчиків 5, для подачі газу 3, горючого пилу 4, для введення запалу 7 та вікна для скидання надлишкового тиску 6

Рис.1.1. Стенд для дослідження параметрів датчиків [1]

1 – реакційна судина

2 – кришка для установки датчика

3 –патрубок для впуску пилу

4 – патрубок для впуску газу

5 – патрубок для установки вимірювальних датчиків

6 – вікна для скидання тиску

7 – патрубок для введення підпалу

8 – патрубки для фотоприймачів

Верхня кришка 2 призначена для кріплення досліджуваного оптико-електронного датчика. У нижній кришці 8 передбачені патрубки для установки фотодіодів для визначення форми вогнища вибуху. Згідно з експериментальних даних [2] максимальна швидкість поширення полум’я складає 1000 м/с.

Рис.1.2. Вимірювальна схема установки [1]

1 – досліджуваний оптоелектронний датчик

2-34 – вимірювальний датчик

35 – система підпалу

36 – блок спряження

37 – блок АЦП

38 – ноутбук

У вимірювальній схемі 2-9 використовуються фотодіоди або термопари. Вимірювальні датчики 10-34, що представляють собою фотодіоди, встановлюються в нижній кришці реакційного судини і призначені для визначення форми фронту полум’я. При цьому до блоку спряження підключаються або датчики 2-9, або датчики 10-34. Блок спряження 36 призначений для попереднього підсилення і фільтрації сигналів з вимірювальних датчиків. Центральним блоком вимірювальної системи є ноутбук 38 зі спеціально розробленим програмним забезпеченням. З його допомогою подається сигнал на запуск системи займання 35, проводиться реєстрація та обробка інформації, що вимірюється та надходить з блоку АЦП.

1.2 Лабораторний стенд МакНДІ для дослідження гасіння полум'я горіння (вибуху) вугільного пилу порошками-інгібіторами

Лабораторний стенд для дослідження гасіння полум'я (вибуху) вугільного пилу порошками - інгібіторами. Стенд складається з трубки довжиною 500 мм, яка виконана з кварцового скла.

Рис. 1.3. Загальний вигляд лабораторного стенду МакНДІ [3]

1 - кварцова трубка

2 - підстава

3 - металева пластина

4 - розпилюючий пристрій

5 - завантажувальний пристрій

6 - ніхромова спіраль

7 - клеми

8 - оптичний пірометр

9 – лінійка

Товщина стінок - 5 мм, внутрішній діаметр трубки становить 50 мм. підставі стенду. Кварцова трубка закріплена на металевому підставі за допомогою двох металевих профілів (пластин), товщиною по 5 мм кожен. Розпилюючий пристрій, призначений для викиду вугільного пилу або суміші її з порошком - інгібітором всередину кварцової трубки. Завантажувальний отвір, в який поміщають досліджувану суміш з порошком - інгібітором. Як джерело займання вугільного пилу використовується ніхромова спіраль, яку розігрівали електричним струмом.

Оптичний пірометр, призначений для вимірювання температури розжарення ніхромової спіралі. Живлення пірометра здійснюється від джерела постійного струму. Складається пірометр з оптичного монокля і приладу зі шкалою вимірювання температури розжарення ніхромової спіралі.

Для регулювання розжарення спіралі в об'єктиві монокля використовується поворотна шкала, яка знаходиться на моноклі. При цьому стрілка на шкалі вимірювання температури покаже певне значення.

2.1 Конструкція установки

Датчики полум’я широко застосовуються в системах локалізації вибухів метану і газового пилу. [4]Його призначенням є виявлення на ранньому етапі спалаху, який може призвести до вибуху метано-повітряної суміші або газового пилу. Спектральна характеристика горіння метано-повітряної суміші приведена на рис. 1.4, [5].

Рис. 1.4. Спектральна характеристика горіння метано-повітряної суміші [5]

Як слідує із рис.1.4 найбільший спалах метану знаходиться в області 420 – 430 нм.

Для з’єднання використовується оптоволоконний кабель Audioquest Cinnamon Optilink, виготовлений на основі поліметилметакрилату. Він забезпечує надійне проводження оптичного сигналу тієї частини спектру, яка належить горінню метану. Оптико-волоконний кабель з високою світловою віддачею. Низький коефіцієнт заломлення на ділянці світловода. Низька дисперсія з підвищеною чистотою волокон. Низький джитер (помилки цифрової синхронізації). Точність полірування кінців волокон.

Рис. 1.5. Оптоволоконний кабель Audioquest Cinnamon Optilink [6]

Рис. 1.6. Спектральна характеристика оптоволоконного кабеля [6]

В якості чутливого елементу для датчика полум’я використовують фоточутливий елемент (фотоперетворювач) ФМ611, який має наближені спектральні характеристики до спектральних характеристик горіння метану.

Для розробки пристрою калібрування датчиків полум’я, необхідно дослідити (визначити) розповсюдження фронту полум'я в метано-повітряній суміші. Користуючись [6] можна сказати, що розповсюдження фронту полум’я має вигляд, наведений на рис.1.7. а, а його фотометричне зображення, яке розповсюджується в стратифікованій горючій газовій суміші " повітря метан" приведено на рис. 1.7.б.

а б

Рис. 1.7. Поширення фронту полум'я (а), та фотометричне зображення полум’я(б) [7]

Фотометричне зображення полум’я дозволяє судити про характер розповсюдження енергетичного світіння на поверхні фронту полум’я. З розподіленням концентрації у вузькій зоні пов’язана більш яскрава освітленість і температура нижньої поверхні полум’я у порівнянні з верхньою.

Виходячи з розповсюдження фронту полум’я можна зробити висновок, що чутливість датчика полум’я можна визначити, якщо його встановити в один кінець труби, а в продовж неї розмістити фотодіоди, які будуть реагувати на переміщення фронту полум’я, яке шляхом підпалу з іншої сторони труби буде рухатися до датчика полум’я. Але для цього необхідно використати фотодіоди, які мають таку ж або близьку спектральну характеристику до спектральної характеристики горіння метано-повітряній суміші. Із розглянутих фотодіодів найбільше підходить фотодіод типу BPW21, спектральна характеристика якого приведена на рис.1.8, а, а його зовнішній вигляд на рис. 1.8. б.

а б

Рис. 1.8. Cпектральна характеристика (а) та вигляд фотодіоду BPW21(б) [8]

Зовнішній вигляд блоку обробки інформації наведений на рис 1.9.

Рис.1.9. Зовнішній вигляд блоку обробки інформації

Для отримання більшої швидкості вибухової хвилі конструкцією стенду передбачено збільшення обсягу метаноповітряної суміші за рахунок під'єднання камери згоряння об'ємом 50 л до фланця циліндра. Балон виконаний з низьковуглецевої листової сталі товщиною 2 мм діаметром 350 мм і висотою 500 мм і призначений для горіння в ньому повітряно - метанової суміші.

Рис. 1.10 Установка з камерою згоряння

Рис. 1.11. Вигляд установки з підключеним блоком керування

Функціональна схема пристрою для калібровки датчиків полум’я з розрізом труби, вздовж якої розміщені фотодіоди з імітацією руху фронту полум’я, наведена на рис.1.12.

Рис. 1.12 Функціональна схема пристрою для калібровки датчиків полум’я

1 - датчик полум’я

2 - труба

3 - підпалювач

4 - фотодіоди

5 - блок перетворення оптичного сигналу в електричні імпульси

7 - кнопка " Пуск"

8 - ПЛІС

9 - блок індикації

Робота стенда полягає в наступному.В початковому стані датчик для калібровки полум’я 1 розміщується в один кінець труби 2. В трубу 2 закачуються горюча газоповітряна суміш, наприклад 5% метан. Кнопкою " Пуск" 7 подається сигнал на вибрану ПЛІС 8 і підпалювач 3. При спрацюванні підпалювача 3 горюча суміш спрацьовує і вздовж труби починає рухатися " фронт полум’я". Фотодіоди 4 під дією " фронту полум’я" послідовно спрацьовують, перетворюючись на виході блоку 5 в електричні імпульси, які поступають на вхід ПЛІС 8, інформація з якої подається на блок індикації 9. Блок індикації 9 висвічує відстань (час) спрацювання датчика полум’я 1 у стенді.