陳秋敏，胡 洋

(華北科技學(xué)院 安全工程學(xué)院,北京 東燕郊 065201)

0 引言

激波管用以產(chǎn)生氣體沖擊波的實驗裝置，其點火與激波管點火與射流的同步性是衡量激波管重要參數(shù)，也是實驗精度的重要指標(biāo)，國內(nèi)對激波管點火設(shè)備的研究最早都是在航天等軍工領(lǐng)域，張貴德[1]對國產(chǎn)可控硅的研究同步控制裝置有了理論，杜光遠(yuǎn)[2]在此基礎(chǔ)上設(shè)計出了固態(tài)繼電器，使張金婭[3]對壓電點火器的研究讓點火穩(wěn)定性得到保障，廖欽[4]等霧化激波管研制和煤油點火延時測量等對激波管延時和同步的運用比較類似，國內(nèi)目前還沒有涉及到激波管射流同步設(shè)備可控硅同步的設(shè)計，就目前實驗室設(shè)計的點火設(shè)備和氣體噴射器為單獨控制按鍵，在工作中延時時間漂移很大。特別地，氣體噴射時間約為幾十毫秒量級。為了統(tǒng)一時間，要求點火和噴射并聯(lián)可控硅同時被觸發(fā)。點火器為直流電源，電磁閥為交流電源，如果可控硅同時用直流電輸出，則電磁閥無法打開，如果可控硅同時輸出交流電，則點火器無法打開，所以還需要增加一個電流變放器。同樣，還需要考慮進入可控硅的電信號類型，可控硅接受的電信號為0～5 V電壓，這是可控硅外觸發(fā)時所能接受的電壓值。進出電壓符合要求，信號進出的時間應(yīng)控制到最小。由于有可控硅并聯(lián)，并聯(lián)時信號的時間減損達(dá)到最小，均可認(rèn)為近乎是完全同步觸發(fā)的裝置。該觸發(fā)裝置同時向點火和射流可控硅元件發(fā)出觸發(fā)脈沖使閥同時導(dǎo)通。

1 實驗室點火器和電磁閥介紹

1.1 點火器開關(guān)

現(xiàn)代開關(guān)電源有兩種：一種是直流開關(guān)電源；另一種是交流開關(guān)電源。這里開關(guān)電源內(nèi)部結(jié)構(gòu)是直流開關(guān)電源，其功能是將電能質(zhì)量較差的原生態(tài)蓄電池電源[5]，轉(zhuǎn)換成滿足設(shè)備要求的質(zhì)量較高的直流電壓。從而達(dá)到實驗使用高電壓尖端放電的要求[6]，點火器實物圖如圖1所示。

圖1 點火器實物圖

圖2 點火器原理示意圖

點火系統(tǒng)使用220 V電壓擊穿部分空氣形成電弧誘導(dǎo)5000 V高電壓放電，采用三電極方式，即是高電壓極、常電壓極和負(fù)極[7]。點火原理如圖2所示，高壓直流電源給電容器C充[8-9]，控制滑動變阻器控制電容兩端電壓，達(dá)到所需電壓后可通過觸發(fā)放電開關(guān)G使電路接通，這時再F尖端放電，如圖3為尖端裝置。

點火操作步驟：

(1) 點火器連接220 V電壓；

(2) 依次打開“電源”和“充電開關(guān)”兩個按鈕；

(3) 調(diào)節(jié)“電壓調(diào)節(jié)旋鈕”到合適電壓；

(4) 按動觸發(fā)按鈕點火；

圖3 尖端裝置圖

1.2 電磁閥裝置

電磁閥為OK87H系列高壓電磁閥，閥座直徑為DN10，承受最大壓力3.5 MPa，交流AC220 V，閥體材料為SS304,密封材料為PTFE，電磁閥實際圖如圖4(a),圖4(b)為簡圖。

本實驗要設(shè)計并聯(lián)可控硅把點火開關(guān)和電磁閥并聯(lián)，使得一個信號發(fā)出兩個脈沖并同時觸發(fā)兩個開關(guān)，實現(xiàn)惰性氣體噴射(N2或CO2等)和點火實現(xiàn)同步控制[10]，主要思路如圖5。

圖4 OK87H電磁閥示意圖

圖5 點火和噴氣時間 控制思路示意圖

2 技術(shù)方案

2.1 控制系統(tǒng)

根據(jù)圖5 的控制設(shè)計思想，圖6給出了設(shè)計的控制系統(tǒng)技術(shù)方案示意圖。概述如下：

(1) 由信號發(fā)生器產(chǎn)生電平TTL0，送入到多通道信號延時器(8通道，延時精度為2 μs)。

(2) 經(jīng)過8通道時間延時器，分別產(chǎn)生延時時間為Δt1的TTL1(CH1)和Δt2的TTL2(CH2)。

(3) 電平TTL1經(jīng)過固態(tài)繼電器(可控硅)控制點火段的低壓正極和地線產(chǎn)生放電、擊穿高壓正極和地線的介質(zhì)，產(chǎn)生高壓放電。同時TTL2經(jīng)過固態(tài)繼電器使電磁閥動作，噴射N2等，CH1和CH2分別設(shè)定延時時間Δt1和Δt2。8通道時間延時器是通過軟件延時，延時精度為2微秒。

(4) Δt1和Δt2確定需要采用單獨的實驗測量系統(tǒng)確定。

圖6 時間同步控制技術(shù)方案示意圖

2.2 時間測量

2.2.1 確定點火控制系統(tǒng)本身的延時時間Δt01

首先測量點火系統(tǒng)本身的延時時間Δt01，其測量思路如圖7所示。

(1) 拆下點火法蘭。

(2) 將火焰測速光纖固定在點火電極附近。

(3) 將TTL0、TTL1(設(shè)為0)和光電管PD或光電倍增管PMT(加多個濾光片)的信號送入數(shù)采系統(tǒng)，測量TTL0。和PMT或PD信號之間的延時時間，這樣就確定了點火放電信號的時間延時。

(4) 重復(fù)上述實驗，求得N次實驗的Δt01(i，i=1,2,3,….,N)，確定Δt01的平均值。

圖7 點火系統(tǒng)延時時間Δt01測量方案示意圖

2.2.2 確定噴射時間Δt02

需要測量氮氣噴射系統(tǒng)的延時時間Δt02。技術(shù)方案如圖8所示。主要步驟如下：

(1) 拆下氮氣噴射系統(tǒng)。

(2) 利用信號發(fā)生器產(chǎn)生電平TTL0，經(jīng)8通道時間延時器產(chǎn)生觸發(fā)固態(tài)繼電器延時電平TTL2。同時輸出信號控制CCD相機的外觸發(fā)端口。

(3) 根據(jù)N2噴射出來的高速攝影的圖像幀數(shù)和幀間隔時間，就可以判斷TTL2 到N2噴射出來后的時間延時Δt02。

(4) 重復(fù)上述實驗N次，求得N次實驗的Δt01(i，i=1,2,3,….,N)，確定Δt02的平均值。

圖8 噴氣系統(tǒng)延時時間Δt02測量方案示意圖

2.2.3 確定Δt1和Δt2

根據(jù)上述測量Δt01和Δt02平均值，結(jié)合壓力和火焰測量的延時時間，就可以確定Δt1和Δt2了。具體地：Δt2取為Δt02的平均值，根據(jù)確定的壓力或火焰測量信號的到達(dá)實驗段時間Δt，可以確定Δt1=Δt01+Δt，并近似等于Δt2。這樣就確定了Δt1和Δt2。延時次序見圖9。

圖9 控制系統(tǒng)時序圖(橫軸為時間，縱軸為TTL電壓)

2.3 實驗操作安全事項

(1) 充氣安全操作：對參試物的安裝、固定、支撐與密封等情況進行全面檢查，確認(rèn)無誤后，方可進行充氣。

(2) 點火安全操作：先檢查電路是否正常，從電源、畜電器、控制器、點火器，依次檢查，然后對系統(tǒng)工作狀態(tài)按試驗要求設(shè)置，設(shè)置完畢后進行聯(lián)試，確保系統(tǒng)各部分正常工作，慢慢加壓，加壓速度在1000 V/min,達(dá)到需要電壓后啟動總控制臺，向各崗位發(fā)出“工作”信號。

(3) 起爆[10]安全操作：必須對各個部位進行安全檢查，確認(rèn)無誤后，人員撤離現(xiàn)場，待所有人撤離現(xiàn)場后按下點火裝置。

3 結(jié)果與結(jié)論

3.1 點火延時實驗結(jié)果

信號發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)TTL電頻在數(shù)據(jù)采集卡的時間和點火信號產(chǎn)生的時間如圖10所示。

圖10 點火延時數(shù)據(jù)圖

經(jīng)過多組實驗對采集數(shù)據(jù)做分析得出點火延時時間為24 μs，TTL發(fā)出信號可控硅產(chǎn)生脈沖的延時時間近為2 μs，如圖11所示。

圖11 可控硅延時時間圖

3.2 射流延時實驗結(jié)果

利用信號發(fā)生器產(chǎn)生電平TTL0，經(jīng)8通道時間延時器產(chǎn)生觸發(fā)固態(tài)繼電器延時電平TTL2。同時輸出信號控制CCD相機的外觸發(fā)端口。根據(jù)N2噴射出來的高速攝影的圖像幀數(shù)和幀間隔時間，就可以判斷TTL2 到N2噴射出來后的時間延時Δt02為5 ms，如圖12所示。

3.3 結(jié)論

(1) 從實驗結(jié)果得TTL發(fā)出信號可控硅產(chǎn)生脈沖到點火延時時間為26 μs，射流的延時時間為5 ms。點火位置到噴體位置DDT延時時間為4974 μs。

(2) 根據(jù)繼電器的原理設(shè)計的同步控制方案，符合激波管點火和射流同步控制要求，并提出了安全操作事項。

(3) 針對控制器輸出不同電壓幅值要求，設(shè)計了電壓轉(zhuǎn)化器模塊，并要求信號源從進繼電器到出控制器的時間損耗達(dá)到最小，設(shè)計了復(fù)合電路器電信號進出時間差小于2 μs。

圖12 高速攝影的圖像

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