刘大斌 杨 栋 高耀林 王俊德
南京理工大学(南京,210094)
[摘 要] 用改进型钠谱线翻转法测定了塑料导爆管爆轰输出火焰的温度,所测导爆管为黑索今和铝粉为主装药的普通型导爆管、变色型导爆管和经济变色型导爆管。试验测得三种导爆管的爆轰输出火焰温度都在2500K左右,且在300 mm的火焰传播距离之内,火焰温度并不随其传播距离的加长而衰减。
[关键词] 塑料导爆管 爆温 测试 钠谱线翻转法
[分类号] TD235.22 O657.31
引言
当导爆管爆轰传播到其尾端时,便会以高温高压气体夹带着灼热的凝固相粒子流的形式释放出能量。该物质流作用在次级点传火元件上便可实现点火作用。由于温度是影响点火可靠性的重要因素,因此测定导爆管输出产物温度对研究其点火作用的规律具有十分重要的意义。有关导爆管爆轰反应区的温度研究前人已做了一定的工作:韩成帮等曾用光比色法对导爆管爆轰区温度作了测定[1] ,沙文健用热力学方法对导爆管反应区温度作了估算[2] ,而对导爆管爆轰输出产物温度的测定尚未见报道。由于导爆管的爆轰输出为持续时间在200μs左右的瞬态火焰,常规的测温手段(如热电偶)无法解决这一测温问题,本文选用改进的钠谱线翻转法对其进行测量[3,4] 。
1 试验原理
人们普遍认为,用钠谱线翻转法测定火焰温度是目前测定高温火焰温度的最好方法,其基础是普朗克和基尔霍夫辐射定律。测定时预先准确标定参考光源的温度,同时使待测火焰掺杂少量的钠元素。当参考光源发出的连续辐射通过钠火焰时,经分光系统在589.0 nm和589.6 nm处可呈现钠原子辐射线状光谱。如果参考光源的亮度温度低于火焰温度,钠谱线呈现亮线;反之则呈现暗线。当参考光源的亮度温度等于钠火焰温度时,钠谱线消失,该点称为钠谱线翻转点。此时,参考光源的温度即为待测温度。显然,此法只能用于测定稳定火焰温度,而不能用于测定导爆管这种爆燃体系的瞬态火焰温度。
改进的钠谱线翻转法测温系统是在参考光源和钠火焰间加一个斩光器,当斩光器高速转动时,交替地遮断钨带灯发出的连续辐射。这种断续辐射经单色仪分光后,由高频响的光电倍增管接收,并将光信号转换成电信号,再经放大后由瞬态记录仪分别记录在有和没有标准钨带灯辐射叠加情况下,钠火焰在589.0 nm谱线处的相对辐射光谱强度。因此,可以测得下述三个物理量:标准钨带灯的辐射光谱强度I L;钠火焰的辐射光谱强度I F;钨带灯和钠火焰叠加的辐射光谱强度I L+F。图1为改进型钠谱线翻转法测温系统示意图。
利用G.Klingenber等人提出的公式[5],可以计算火焰温度。该公式在文献[6,7]中有详细推导,现简述如下。
根据Plank辐射定律和Wein公式,可以导出辐射强度关系式为
式中 D——单色仪入射狭缝宽度;
α——钠谱线吸收系数;
d λ——钠谱线宽度;
I L——标准钨带灯的相对辐射光谱强度;
I F——待测火焰在钠谱线处(589.0nm)的相对辐射光谱强度;
I L+F——标准钨带灯的辐射和火焰辐射相叠加的相对光谱强度
由试验测得I F、I L和I L+F三个物理量,根据式(8)可以计算得到火焰温度
2 试验器材
(1)普通变色型(BSⅠ型)导爆管,外径 外=(3.0±0.1) mm,内径 内=(1.5±0.1) mm,南京理工大学科技化工厂生产,主装药为RDX、Al粉和变色剂,装药量为(18～20) mg·m -1;
(2)经济变色型(BSⅡ型)导爆管,外径 外=(2.5±0.1) mm,内径 内=(1.2±0.1) mm,生产厂及主装药同BSⅠ型导爆管,装药量(16～18) mg·m-1;
(3)普通型导爆管(PT型),国内某厂制造,主装药为:91%RDX+9%Al粉,几何尺寸及装药量同BSⅠ型导爆管
3 试验方法与结果
3.1 试验方法
调整光路使钨带灯灯丝成像在单色仪狭缝上。用标准钠光灯校正单色仪的波长,开动斩光器、瞬态记录仪等仪器,使整个光谱测温系统处于工作状态。将导爆管输出端口放置在测量光路的焦点上,用静电起爆器通过四通件的一路起爆待测导爆管,同时使另一路通过压力传感器将起爆信号传给瞬态记录仪,使之同步触发,点火时瞬态记录仪开始记录测光信号。在火焰进入测量光路之前,记录的波形是标准钨带灯的相对辐射光谱强度I L。火焰进入光路后,当斩光器处于“关”的状态时,测得的是火焰在钠谱线(589.0 nm)处相对辐射光谱强度I F;当斩光器处于“开”的状态时,测得的是标准钨带灯的辐射和火焰辐射相叠加的相对光谱强度I L+F。
图2是典型的导爆管爆轰输出产物的相对辐射光谱强度波形图,横坐标是时间t,纵坐标是光谱强度I(用电压表示)。图中上包络线是各瞬时对应的IL+F值,下包络线是各瞬时对应的IF值。根据公式(8)进行数据处理,得到各瞬时对应的火焰温度。图3是将图2波形图用式(8)处理后所得导爆管爆轰输出产物温度随时间变化的曲线
3.2 试验结果
用上述光谱测温装置可以对导爆管输出火焰在一定的传播距离下的温度进行测定,所获得的是该火焰传播距离下的火焰温度随时间的变化规律,同时可获得在整个时间段内的平均温度。改变火焰传播距离,可以获得一系列的火焰温度随时间的变化曲线和一系列的平均温度点。所测三种导爆管(BSⅠ型、BSⅡ型和PT型)的火焰平均温度与火焰传播距离的关系示于图4、图5和图6。仪器特性参数:标准钨带灯亮温T L=2172.7 K;光电倍增管供电电压为880 V;斩光器调制频率为25 kHz;瞬态记录仪采样速度为1μs·点-1,采样时间4096μs,预置时间496μs。
4 结论
(1)用改进的钠谱线翻转法测得的导爆管出口火焰温度为2500 K左右;
(2)在300 mm的火焰传播距离内未见火焰温度的下降;
(3)BSⅠ型、BSⅡ和PT型导爆管的爆轰输出火焰温度大体在同一水平上。
参考文献
1 韩成帮,康淑芳等.塑料导爆管爆轰温度的测量.火炸药,1991(2):40
2 沙文健.塑料导爆管反应区温度分布的近似计算.爆破器材,1992,21(4):2
3 Junde Wang,Z Chen,Y Luo et al.TemporalTemperature Measurement of Exploded Gas byAbsorption-Emission Spectroscopy.Instrumen-tal Science &Technology,1996,24:169
4 Junde Wang, H Li, Z Chen et al. Studies onTemporal Resolution Characteristics of FlameTemperature for Flame Atomic AbsorptionSpectroscopy. Spectroscopy Letters, 1989, 22:1111
5 G.Klingenberg,H.Mach.Investigation of Com-bustion Phenomena Associated with the Flow ofHot Propellant Gases-ⅠSpectroscopic Temper-ature Measurements Inside the Muzzle Flash ofa Rifle.Combustion and Flame,1976,27:163
6 李鸿志,王俊德,罗蕴华等.一种用于火焰原子吸收/发射光谱分析的火焰温度测量的新方法.分析化学,1988,16(3):203
7 李鸿志,王俊德,许厚谦等.光谱法测量枪口闪光气流的瞬态温度.光谱学与光谱分析,1990,10
