УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ПИРОТЕХНИЧЕСКОГО СОСТАВА Российский патент 2003 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к области пиротехники, в частности к исследованию свойств пиротехнических составов, а именно к устройствам для измерения электрических параметров горения, и может быть использовано для изучения электрических аспектов горения и контроля качества конденсированных пиротехнических систем (составов), дающих при сгорании твердые электропроводные продукты горения (шлаки).

Известно устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее образец из испытуемого пиротехнического состава, узел воспламенения и два электрода, присоединенных к разным частям устройства, - один, токосъемный электрод, присоединен к узлу воспламенения, а другой, термоэлектрод в виде проволочки, размещен внутри образца. Свободные концы электродов присоединены к измерительному прибору. Такое устройство позволяет регистрировать пульсации электродвижущей силы (ЭДС) в зоне фронта горения пиротехнического состава [1].

Недостатком известного устройства является то, что происходит регистрация сразу суммы всех ЭДС, в том числе и паразитных ЭДС, возникающих в многочисленных горячих зонах контакта разнородных материалов деталей устройства и горящего образца как внутри, так и вне зоны горения, что не позволяет произвести измерение ЭДС, возникающей только внутри зоны горения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее образец из пиротехнического состава, узел воспламенения и два металлических электрода, присоединенных к образцу на разном расстоянии от узла воспламенения и соединенных с каналом регистрации электрического сигнала. Такое устройство позволяет регистрировать ЭДС горения испытуемого пиротехнического состава [2].

Недостатком этого известного устройства является то, что измеряемое значение ЭДС горения искажается паразитными термоЭДС, возникающими в горячих зонах контакта материала электродов с материалом сгоревшего пиротехнического состава.

Задача изобретения заключается в исключении искажений измеряемого значения ЭДС горения паразитными термоЭДС, связанными с разнородностью материала электродов и материала сгоревшего пиротехнического состава в горячих зонах измерения ЭДС горения.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого изобретения, состоит в повышении точности измерения ЭДС горения за счет снижения до нуля значений паразитных термоЭДС, возникающих в горячих зонах контакта измерительного электрода и сгоревшего образца.

Задача решается тем, что в устройстве для испытаний пиротехнического состава, содержащем образец из испытуемого пиротехнического состава, узел воспламенения и два электрода, присоединенных к образцу на разном расстоянии от узла воспламенения и соединенных с каналом регистрации, согласно изобретению, хотя бы один электрод выполнен из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава.

Использование в предлагаемом устройстве хотя бы одного электрода, выполненного из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава, позволяет избежать необходимости введения в горячую зону измерения ЭДС горения образца (в сгоревшую его часть) инородного материала, поскольку в этой зоне, согласно изобретению, располагается электрод из шлака испытуемого пиротехнического состава, т.е. из вещества, полностью идентичного тому, которое образуется в результате химической реакции горения испытуемого пиротехнического состава в горящем образце. Тем самым полностью предотвращается появление в этой горячей зоне измерения ЭДС каких-либо паразитных термоЭДС, т. к. для их возникновения обязательно необходимо наличие хотя бы двух разнородных материалов.

На фиг.1а, б, в схематически показаны три возможных варианта исполнения заявляемого устройства:
а - электрод, изготовленный из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава, расположен на максимальном удалении от узла воспламенения; второй, металлический, электрод расположен вблизи узла воспламенения;
б - электрод, изготовленный из шлака испытуемого пиротехнического состава, расположен вблизи узла воспламенения; второй, металлический, электрод расположен на максимальном удалении от узла воспламенения;
в - вариант, когда оба электрода, расположенные на разном расстоянии от узла воспламенения, изготовлены из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава.

На фиг.2 схематически изображена опытная модель заявляемого устройства, выполненная по варианту "а", показанному на фиг.1.

На фиг. 3 представлена осциллограмма, полученная с использованием опытного образца заявляемого устройства, показанного на фиг.2.

Устройство для испытаний пиротехнического состава (фиг.1) состоит из узла воспламенения 1, образца 2 из испытуемого пиротехнического состава, электрода 3, выполненного из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава, канала регистрации электрического сигнала 4. Второй электрод выполнен либо из металла 5 (фиг.1а и фиг.1б), либо из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава 3 (фиг. 1в). Стрелкой указано направление движения фронта горения при работе устройства.

На фиг. 2 показано, что узел воспламенения 1, электрод 5, образец 2 из испытуемого пиротехнического состава, электрод 3 из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава прижаты друг к другу весом гири 8, действующей на них через шток 7, удерживаемый в вертикальном положении направляющей электроизоляционной втулкой 6, закрепленной в лабораторном штативе 9. Между узлом воспламенения 1 и основанием лабораторного штатива 9 расположена электроизоляционная подставка 10.

На фиг.3 использованы следующие обозначения:
- начало горения образца из испытуемого пиротехнического состава;
- окончание горения образца из испытуемого пиротехнического состава;
ε₀ - величина ЭДС до начала горения (равна нулю);
ε_пар - паразитная ЭДС;
ε_дог - ЭДС, возникающая в результате протекания процессов догорания позади фронта горения;
ε_фр - ЭДС, возникающая во фронте горения.

Устройство для испытаний пиротехнического состава, выполненное по схеме, показанной на фиг.1а, работает следующим образом.

При срабатывании узла воспламенения 1 на торце образца 2 из испытуемого пиротехнического состава, примыкающем к узлу воспламенения, возникает фронт горения испытуемого пиротехнического состава, который движется вдоль образца к противоположному торцу, примыкающему к электроду 3, изготовленному из шлака (твердых продуктов горения) испытуемого пиротехнического состава. При этом возникают три ЭДС:
- в горячей зоне контакта металлического электрода 5 с горящим образцом 2 возникает паразитная термоЭДС (ε_пар);
- в сгоревшей части образца вследствие протекания процессов догорания может появляться ЭДС догорания (ε_дог);
- во фронте горения образца возникает ЭДС фронта горения (ε_фр), обусловленная наличием во фронте горения большого градиента температуры и резкого изменения вещественного состава, меняющегося от веществ исходных компонентов до вещества шлака (твердых продуктов горения).

После достижения фронта горения торца образца, к которому примыкает электрод 3, изготовленный из шлака, горение прекращается, и ЭДС фронта горения становится равной нулю, т.к. исчезает сам фронт горения. Причем в это время в зоне контакта электрода 3 со сгоревшим образцом 2 не возникает никакой паразитной ЭДС, поскольку после сгорания материалом образца 2 становится шлак испытуемого пиротехнического состава, из которого как раз и сделан электрод 3. Следовательно, величина ступенчатого изменения ЭДС в момент окончания горения образца 2 является фактически величиной ЭДС фронта горения (ε_фр), поскольку такое резкое изменение регистрируемой с помощью канала регистрации электрического сигнала 4 ЭДС в момент окончания горения образца 2 в заявляемом устройстве связано только с исчезновением ЭДС фронта горения. Таким образом, устройство для испытаний пиротехнического состава, схематически показанное на фиг. 1а, позволяет точно измерить ЭДС фронта горения (ε_фр).

Устройство для испытаний пиротехнического состава, выполненное по схеме, показанной на фиг.1б, позволяет точно измерить алгебраическую (т.е. с учетом направления действия соответствующей ЭДС) сумму ЭДС фронта горения и ЭДС догорания (). Это устройство предназначено для испытаний только электропроводных пиротехнических составов и работает следующим образом.

При срабатывании узла воспламенения 1 на торце образца 2 из испытуемого пиротехнического состава, примыкающем к узлу воспламенения, возникает фронт горения испытуемого пиротехнического состава, который движется вдоль образца к противоположному торцу, примыкающему к металлическому электроду 5. При этом возникает только два источника ЭДС:
- в сгоревшей части образца вследствие протекания процессов догорания может появляться ЭДС догорания (ε_дог);
- во фронте горения образца возникает ЭДС фронта горения (ε_фр).

Больше никаких источников ЭДС возникнуть не может, т.к. в горячей зоне контакта электрода 3, выполненного из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава, со сгоревшей частью образца 2 паразитная ЭДС равна нулю из-за того, что материалы электрода 3 и сгоревшей части образца 2 идентичны, а в зоне контакта металлического электрода 5 с еще не сгоревшей частью образца 2 паразитная ЭДС возникнуть не может из-за того, что до прихода туда фронта горения эта зона остается холодной (т.е. при начальной температуре окружающей среды). Следовательно, на протяжении всего времени горения образца 2 канал регистрации электрического сигнала 4 регистрирует алгебраическую сумму двух ЭДС: ЭДС фронта горения и ЭДС догорания (). Таким образом, устройство для испытаний пиротехнического состава, схематически показанное на фиг.1б, позволяет точно измерить алгебраическую сумму ЭДС фронта горения и ЭДС догорания () для электропроводных пиротехнических составов. Но только в течение времени до окончания горения образца, т.к., начиная с момента окончания горения образца, происходит разогрев зоны контакта образца 2 и металлического электрода 5, что приводит к появлению паразитной ЭДС и дальнейшее измерение с высокой точностью величины ЭДС догорания становится невозможным.

Устройство для испытаний пиротехнического состава, выполненное по схеме, показанной на фиг.1в, предназначено для испытаний как электропроводных, так и неэлектропроводных пиротехнических составов. Оно работает так же, как и устройства, описанные выше, схемы которых приведены на фиг.1а и фиг.1б, и позволяет дополнительно к указанным выше параметрам точно измерять величину ε_дог действующую после сгорания образца.

Это достигается тем, что в данном устройстве оба электрода 3 выполнены из шлака (твердых продуктов сгорания) испытуемого пиротехнического состава, вследствие чего паразитные ЭДС не могут возникнуть ни в процессе горения образца 2, ни после его сгорания. Следовательно, с помощью устройства, схематически показанного на фиг.1в, обеспечивается возможность точного измерения электрических параметров горения и в процессе горения образца (измерение суммы ), и в момент окончания горения (измерение ε_фр), и в последующие после окончания горения моменты времени (измерение ε_дог).

Была изготовлена и испытана опытная модель заявляемого устройства, выполненная по схеме, показанной на фиг.1а. Устройство опытной модели показано на фиг. 2. В качестве испытуемого пиротехнического состава использовали стехиометрическую смесь порошков циркония и вольфрамового ангидрида (3Zr+2WO₃), тщательно перемешанную в смесителе типа "пьяная бочка". Плотность прессовки образца 2 из этой смеси составляла 4,4 г/см³. Диаметр образца 8 мм, высота образца 7 мм. Образец по всей цилиндрической поверхности имел бандаж, выполненный из одного слоя бумажного обеззоленного фильтра "белая лента", предохраняющий образец от возможного разрушения при закреплении его в устройстве для испытаний пиротехнического состава.

Электрод 3 из шлака (твердых продуктов горения) состава 3Zr+2WO₃ изготавливали путем предварительного сжигания такого же образца в таком же устройстве, вследствие чего размеры электрода 3 близки к размерам образца 2. Этот электрод расположен над образцом 2 и соединен металлическим проводником с каналом регистрации электрического сигнала 4, в качестве которого использован гальванометр светолучевого осциллографа с собственной частотой 300 Гц. Второй электрод 5, выполненный из стальной фольги толщиной 0,25 мм, расположен между образцом 2 и электровоспламенителем 1 и также соединен металлическим проводником с каналом регистрации 4. В стальной фольге 5 сделано сквозное отверстие ⊘5 мм, позволяющее передать горение от электровоспламенителя 1 к торцу образца 2. Электровоспламенитель 1, электрод 5, образец 2 из испытуемого состава 3Zr+2WО₃ и электрод 3 прижаты друг к другу весом гири 8 массой ~ 1 кг, установленной на площадке штока 7, фиксируемого в вертикальном положении с помощью направляющей электроизоляционной втулки 6, закрепленной в лабораторном штативе 9. Между корпусом электровоспламенителя 1 и основанием лабораторного штатива 9 расположена пластмассовая электроизоляционная подставка 10.

Типичная осциллограмма, получаемая с помощью этой опытной модели заявляемого устройства при испытании пиротехнического состава 3Zr+2WO₃, показывает следующее (см. фиг.3). В течение всего времени горения образца регистрируется ЭДС, равная 53÷58 мВ. Это алгебраическая сумма трех ЭДС: . После окончания горения образца регистрируется ЭДС, равная - (16÷18 мВ). Это алгебраическая сумма двух ЭДС: . Величина резкого изменения ЭДС в период окончания горения образца (в момент, обозначенный на осциллограмме значком ), равная 69÷76 мВ, представляет собой искомую ЭДС фронта горения (ε_фр) испытуемого пиротехнического состава 3Zr+2WО₃.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Е. В. Леваков, С.А. Пелесков, В.П. Сорокин. Термоэлектрический метод регистрации автоколебательного режима горения. Физика горения и взрыва, 1981, т. 17, 3, стр. 18-22.

2. Ю.Г. Морозов, М.В. Кузнецов. Влияние магнитного поля на электродвижущую силу горения. Физика горения и взрыва, 1999, т.35, 1, стр. 22-26.

Использование: изучение электрических явлений, проявляющихся при горении, и контроль качества изготовления пиротехнических составов - конденсированных систем, дающих при горении твердые электропроводные продукты сгорания (шлаки). Сущность изобретения: устройство содержит образец из испытуемого пиротехнического состава, узел воспламенения и два электрода, присоединенных к образцу на разном расстоянии от узла воспламенения, причем хотя бы один электрод выполнен из твердых продуктов сгорания (шлака) испытуемого пиротехнического состава. Свободные концы электродов присоединены к измерительному прибору, регистрирующему электрический сигнал, возникающий при горении образца. Технический результат: повышение точности измерения ЭДС горения за счет снижения до нуля паразитных ЭДС. 3 ил.

Устройство для испытаний пиротехнического состава, содержащее образец из испытуемого пиротехнического состава, узел воспламенения и два электрода, присоединенных к образцу на разном расстоянии от узла воспламенения и соединенных с каналом регистрации электрического сигнала, отличающееся тем, что хотя бы один электрод выполнен из твердых продуктов сгорания испытуемого пиротехнического состава.