УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТАВА Российский патент 2000 года по МПК G01N33/22 G01N27/00 

Изобретение относится к области пиротехники, в частности к устройствам для изучения режимов горения пиротехнического состава и к устройствам для контроля качества пиротехнических составов, и может быть использовано для изучения режимов горения и контроля качества неэлектропроводных конденсированных пиротехнических систем, дающих при сгорании электропроводные продукты горения (шлаки).

Известно устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее оболочку с размещенным в ней образцом из пиротехнического состава, узел воспламенения и электроды, расположенные внутри образца из пиротехнического состава перпендикулярно продольной оси оболочки и соединенные с каналом регистрации электрического сигнала [1].

Это устройство позволяет регистрировать изменение электрического сигнала, поступающего с электродов (изменение разности потенциалов между электродами), при прохождении фронтом горения зоны расположения второго электрода в образце из пиротехнического состава.

Недостатком известного устройства является то, что регистрация процесса горения проводится только в момент прохождения фронтом горения зоны расположения второго электрода, что не позволяет проводить непрерывное наблюдение за процессом горения образца в течение всего времени его горения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее оболочку для размещения в ней испытуемого образца из пиротехнического состава, узел воспламенения и электроды, соединенные с каналом регистрации электрического сигнала, при этом хотя бы часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения изготовлена из электропроводного материала и является одним из электродов, а другой, проволочный электрод, размещен внутри оболочки (внутри испытуемого образца из пиротехнического состава) вдоль продольной оси оболочки [2].

При горении пиротехнического состава фронт горения перемещается по испытуемому образцу от узла воспламенения вдоль проволочного электрода к противоположному торцу испытуемого образца. При этом во фронте горения образуется зона контакта проволочного электрода с образующимся во фронте горения продуктом горения пиротехнического состава - шлаком. В этой зоне контакта "проволочный электрод - шлак" возникает термо-ЭДС, величина которой зависит от температуры во фронте горения. Зона контакта "проволочный электрод - шлак" постоянно находится в движущемся фронте горения и автоматически обеспечивает возможность непрерывной регистрации процесса горения образца из пиротехнического состава в течение всего времени его горения путем регистрации электрического сигнала в виде разности потенциалов между проволочным электродом и электропроводной торцевой частью оболочки, контактирующей с продуктом горения пиротехнического состава - шлаком.

Периодические пульсации температуры во фронте горения, связанные либо с автоколебательным режимом горения, либо с локальными флуктуациями физико-химических и механических параметров пиротехнического состава (обусловленными, например, неоднородностью перемешивания компонентов пиротехнического состава), либо и с тем и с другим вместе, вызывают периодические пульсации термо-ЭДС в зоне контакта "проволочный электрод - шлак", регистрируемые каналом регистрации электрического сигнала известного устройства непрерывно в течение всего времени горения образца, позволяя экспериментально определить одну из характеристик режима горения - частоту пульсаций температуры во фронте горения.

Недостатком этого известного устройства является то, что оно не позволяет однозначно интерпретировать зарегистрированные пульсации термо-ЭДС: характеризуют ли они автоколебательный режим горения, или они характеризуют флуктуации физико-химических и механических параметров пиротехнического состава при стационарном режиме горения, или они характеризуют суммарно и пульсации температуры в результате автоколебательного режима горения, и пульсации температуры в результате наличия флуктуаций параметров пиротехнического состава. В результате нельзя однозначно определить частоту пульсаций температуры во фронте горения, отвечающих флуктуациям физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе, и частоту автоколебаний.

Задача изобретения заключается в однозначном определении частоты пульсаций температуры во фронте горения, отвечающих флуктуациям физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе, и частоты автоколебаний во фронте горения.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, состоит в определении частоты пульсаций температуры во фронте горения, отвечающих флуктуациям физико-химических и механических параметров в испытуемом пиротехническом составе, и частоты автоколебаний во фронте горения в диапазоне от 0 до 1000 Гц.

Задача решается тем, что в устройстве для испытаний пиротехнического состава, содержащем оболочку для размещения в ней испытуемого образца пиротехнического состава, узел воспламенения и электроды, соединенные с каналом регистрации электрического сигнала, при этом хотя бы часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения изготовлена из электропроводного материала и является одним из электродов, а другой, проволочный электрод, размещен внутри оболочки вдоль ее продольной оси, согласно изобретению дополнительно содержится канал регистрации электрического сигнала и проволочный электрод, установленный параллельно первому проволочному электроду, причем оба проволочных электрода изготовлены из одного материала, имеют одинаковые размеры, расположены симметрично относительно продольной оси оболочки и соединены с дополнительным каналом регистрации электрического сигнала.

Устройство для испытаний пиротехнического состава может дополнительно содержать еще один канал регистрации электрического сигнала, к которому присоединены второй проволочный электрод и электропроводная часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения.

Использование в предлагаемом устройстве дополнительного канала регистрации электрического сигнала и второго проволочного электрода, идентичного первому, причем оба проволочных электрода присоединены к дополнительному каналу регистрации электрического сигнала, позволяет выделить пульсации термо-ЭДС, отвечающие только флуктуациям физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе, позволяя решить задачу однозначного определения частоты пульсаций температуры во фронте горения, отвечающих флуктуациям физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе, и частоты автоколебаний во фронте горения.

Дело в том, что при автоколебательном режиме горения пульсации движения фронта горения сопровождаются пульсациями температуры, возникающими синхронно (одновременно) во всех точках поверхности фронта горения. А при наличии неоднородностей (флуктуаций физико-химических и механических параметров) в пиротехническом составе во фронте горения будут возникать локальные флуктуации температуры (и других параметров), имеющие хаотический характер, проявляющийся в несинхронности (неодновременности) появления пульсаций температуры (и других параметров) в разных точках поверхности фронта горения.

Применение одинаковых проволочных электродов, расположенных симметрично относительно продольной оси оболочки, исключает появление электрического сигнала между этими проволочными электродами, связанного с автоколебательным режимом горения, так как периодические синхронные изменения температуры во фронте горения из-за автоколебательного режима горения будут вызывать одинаковые изменения одинаковых термо-ЭДС в обеих зонах контакта обоих проволочных электродов со шлаком во фронте горения, вследствие чего разность термо-ЭДС, возникающих в этих двух зонах "проволочный электрод - шлак", всегда будет равна нулю и, соответственно, будет равен нулю электрический сигнал, поступающий с двух одинаковых проволочных электродов в дополнительный канал регистрации электрического сигнала. И наоборот, наличие флуктуаций термо-ЭДС в этих двух зонах "проволочный электрод - шлак", вследствие несинхронности флуктуаций будет всегда приводить к наличию между двумя одинаковыми проволочными электродами пульсирующей разности потенциалов, регистрируемой дополнительным каналом регистрации электрического сигнала как отображение пульсаций термо-ЭДС в зонах контакта "проволочный электрод - шлак", не связанных с автоколебательным режимом горения, а вызванных только наличием флуктуаций во фронте горения.

Таким образом, в предлагаемом устройстве первый (основной) канал регистрации электрического сигнала, к которому присоединены торцевая электропроводная часть оболочки и один из проволочных электродов, фиксирует пульсации термо-ЭДС, отвечающие либо суммарному влиянию и автокобелательного режима горения, и флуктуации параметров в пиротехническом составе, либо влиянию одного из этих факторов, если другой при горении пиротехнического состава отсутствует. Второй (дополнительный) канал регистрации электрического сигнала, к которому присоединены оба проволочных одинаковых электрода, фиксирует пульсации термо-ЭДС, отвечающие только влиянию флуктуаций параметров в пиротехническом составе, обеспечивая однозначность определения частоты пульсаций температуры во фронте горения, отвечающих флуктуациям физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе. Однозначность определения частоты автоколебаний во фронте горения обеспечивается за счет учета пульсаций термо-ЭДС, вызванных только флуктуациями физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе, при сравнении записей электрических сигналов, полученных двумя (основным и дополнительным) каналами регистрации электрического сигнала.

Для исключения возможного влияния основного канала регистрации электрического сигнала на показания дополнительного канала регистрации электрического сигнала в предлагаемом устройстве может быть предусмотрен еще один (второй) основной канал регистрации электрического сигнала, с которым соединена электропроводная торцевая часть оболочки со стороны узла воспламенения и проволочный электрод, не соединенный с первым основным каналом регистрации электрического сигнала. В этом случае возможное влияние основных каналов регистрации электрического сигнала компенсируется, что повышает точность регистрации пульсаций термо-ЭДС, вызванных флуктуациями физико-химических и механических параметров в пиротехническом составе.

На фиг. 1 схематически изображено заявляемое устройство, продольный разрез.

На фиг. 2 представлены осциллограммы, полученные с помощью заявляемого устройства.

Устройство для испытаний пиротехнического состава состоит из оболочки 1 с электропроводной торцевой частью 2 и с размещенным в ней образцом испытуемого пиротехнического состава 3, узла воспламенения 4, двух одинаковых проволочных электродов 5 и двух каналов регистрации электрического сигнала: основного 6 и дополнительного 7. При этом электропроводная торцевая часть оболочки 2 и один из двух проволочных электродов 5 соединены с основным каналом регистрации электрического сигнала 6, а два одинаковых проволочных электрода 5 соединены с дополнительным каналом регистрации электрического сигнала 7.

Устройство может также иметь еще один основной канал регистрации электрического сигнала 8, к которому присоединен второй проволочный электрод 5 и электропроводная торцевая часть оболочки 2.

При срабатывании узла воспламенения 4 на торце образца испытуемого пиротехнического состава 3, примыкающем к узлу воспламенения, возникает фронт горения пиротехнического состава, который движется вдоль продольной оси оболочки к противоположному торцу образца. В течение всего времени движения фронта горения внутри образца для каждого проволочного электрода объективно существует во фронте горения зона контакта "проволочный электрод - шлак", где и возникает термо-ЭДС, величина которой зависит от температуры в этих зонах.

Основной канал регистрации электрического сигнала 6 (так же, как и 8) позволяет в течение всего времени горения образца 3 фиксировать пульсации термо-ЭДС в одной из зон контакта "проволочный электрод - шлак". Причем причина таких пульсаций может быть обусловлена как автоколебательным режимом горения, так и флуктуациями параметров пиротехнического состава.

Дополнительный канал регистрации электрического сигнала 7 позволяет в течение всего времени горения образца 3 фиксировать разность потенциалов между двумя одинаковыми проволочными электродами, являющуюся фактически разностью двух термо-ЭДС, возникающих в двух зонах контакта "проволочный электрод - шлак" двух проволочных электродов. Причем причина возникновения разности этих термо-ЭДС обусловлена только наличием флуктуаций параметров пиротехнического состава.

Получив осциллограммы пульсаций электрических сигналов с помощью основного 6 (или 8) и дополнительного 7 каналов регистрации электрического сигнала, определяют: а) частоту пульсаций температуры во фронте горения, обусловленных только флуктуациями параметров пиротехнического состава (определение по осциллограмме дополнительного канала 7); б) сравнивают осциллограмы основного 6 (или 8) и дополнительного 7 каналов регистрации электрического сигнала. Если электрические сигналы, регистрируемые каналами регистрации 6 (или 8) и 7, близки по частоте к амплитуде колебаний, то в образце испытуемого пиротехнического состава либо вообще не реализуется автоколебательный режим горения, либо колебания температуры во фронте горения, связанные с автоколебательным режимом горения, весьма незначительны по сравнению с колебаниями температуры, связанными с флуктуациями физико-химических и механических параметров в испытуемом пиротехническом составе. В этом случае пульсации температуры во фронте горения характеризуют частотой, определенной по пункту "а". Если электрические сигналы, регистрируемые основным каналом регистрации 6 (или 8), заметно превосходят сигналы, регистрируемые дополнительным каналом регистрации 7, по амплитуде колебаний (особенно, если еще и частоты этих сигналов разные), то это говорит о реализации во фронте горения преимущественно автоколебательного режима горения. В этом случае определяют частоту автоколебаний температуры во фронте горения, используя осциллограммы пульсаций термо-ЭДС, полученные с помощью основного канала регистрации электрического сигнала 6 (или 8).

Был изготовлен опытный образец устройства. Оболочка выполнена из стали (в том числе и торцевая часть оболочки со стороны расположения узла инициирования выполнена из стали). Проволочные электроды выполнены из вольфрам-рениевой проволоки диаметром 100 мкм (использовалась проволока и BP5, и BP20). Проволочные электроды в каждом опыте были из одного материала и одинаковой длины, расположены симметрично относительно продольной оси оболочки, при этом расстояние между проволочными электродами составляло 4 мм. В качестве узла воспламенения использовался электровоспламенитель, в качестве каналов регистрации электрического сигнала - гальванометры светолучевого осциллографа с собственной частотой 600 Гц. Испытывался пиротехнический состав Zr + WO₃, представляющий собой стехиометрическую смесь порошков циркония и вольфрамового ангидрида, перемешанную в смесителе типа "пьяная бочка". Образец испытуемого пиротехнического состава имел диаметр 25 мм и длину 16 мм. Плотность прессовки пиротехнического состава в образце составляла 3,8 г/см³.

Полученные осциллограммы пульсаций электрических сигналов, регистрируемых основным и дополнительным каналами регистрации электрического сигнала, показали, что амплитуды и частоты пульсаций этих сигналов близки. Причем наблюдаемые пульсации имеют одновременно частоту и 20-50 Гц и 100-300 Гц, что говорит о наличии двух видов флуктуаций параметров в данном пиротехническом составе. На фиг. 2 в качестве примера приведены осциллограммы, полученные в одном из опытов с использованием вольфрам-рениевых проволочных электродов BP5 (1, 2 - осциллограммы, полученные с помощью основных каналов регистрации электрического сигнала; 3 - осциллограмма, полученная с помощью дополнительного канала регистрации электрического сигнала). Полученные экспериментальные результаты показывают, что пульсации термо-ЭДС, регистрируемые основным каналом регистрации электрического сигнала, обусловлены наличием флуктуаций температуры во фронте горения пиротехнического состава с частотами 20-50 и 100-300 Гц и что пиротехнический состав Zr + WO₃ со стехиометрическим соотношением компонентов горит не в автоколебательном режиме. Последнее следует также и из других характеристик горения пиротехнического состава Zr + WO₃, таких как калорийность, температура горения и т.д., что подтверждает правильность вывода об отсутствии автоколебательного режима, сделанного на основании испытаний этого состава с использованием предлагаемого устройства.

Источники информации:
1. Морозов Ю.Г., Кузнецов М.В., Нерсесян М.Д., Мержанов А.Г. Электрохимические явления в процессах самораспространяющегося высокотемпературного синтеза //Доклады академии наук. 1996. Т. 351, N 6. С. 780-782.

2. Леваков Е. В., Пелесков С.А., Сорокин В.П. Термоэлектрический метод регистрации автоколебательного режима горения //Физика горения и взрыва. 1981. Т. 17, N 3. С. 18-22.

Использование: для изучения режимов горения и контроля качества пиротехнических составов - конденсированных неэлектропроводных систем, дающих при горении электропроводные шлаки. Технический результат - повышение достоверности испытаний. Сущность изобретения: устройство содержит оболочку с испытуемым пиротехническим составом, узел воспламенения, электроды и основной и дополнительный каналы регистрации электрического сигнала. Одним из электродов является часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения, выполненная из электропроводного материала. Два других электрода выполнены из проволоки, изготовлены из одного материала, имеют одинаковые размеры и расположены внутри оболочки симметрично относительно продольной оси оболочки и параллельно ей. Электропроводная часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения и первый проволочный электрод соединены с основным каналом регистрации электрического сигнала. Оба проволочных электрода соединены с дополнительным каналом регистрации электрического сигнала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее оболочку для размещения в ней испытуемого образца, узел воспламенения и электроды, соединенные с каналом регистрации электрического сигнала, при этом хотя бы часть торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения выполнена из электропроводного материала и является одним из электродов, а другой, проволочный электрод, размещен внутри оболочки вдоль ее продольной оси, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит канал регистрации электрического сигнала и проволочный электрод, установленный параллельно первому проволочному электроду, причем оба проволочных электрода изготовлены из одного материала, имеют одинаковые размеры, расположены симметрично относительно продольной оси оболочки и соединены с дополнительным каналом регистрации электрического сигнала. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит канал регистрации электрического сигнала, соединенный со вторым проволочным электродом и электропроводной частью торцевой поверхности оболочки со стороны узла воспламенения.