一種火藥燃燒氣體成分測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種火藥燃燒氣體成分測試方法，該方法可定量測試火藥在特定條件下燃燒產物中主要氣體成分的質量。該方法的步驟主要包括：第一，測試樣品處理及密閉燃燒室初始條件調節。第二，點燃測試樣品，使燃燒生成氣體與填充氣體進行充分混合。第三，將混合氣體經過降壓調流速處理后通過傳感器陣列，采集燃燒室壓強、氣體成分濃度、流速等相關數據。第四，測試完成后對廢氣進行處理。第五，測試數據處理，計算單位質量測試樣品燃燒生成的燃氣成分質量。第七，測試結果表征。該方法適用于燃燒產物中CO、CO2、NO、NO2、HCL、NH3等多種氣體成分質量測試。該方法的發明為火藥燃燒機理、配方及工藝設計研究提供必要的技術手段。
【專利說明】
一種火藥燃燒氣體成分測試方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種火藥燃燒氣體成分質量的測試方法，適用于推進劑及發射藥在特 定壓力、特定初溫下燃燒生成氣體成分質量測試。
【背景技術】
[0002] 火藥的燃燒是一個復雜的物理和化學變化過程，在燃燒產物中，不僅包含了煙霧， 還包含0)、0)2、勵、^) 2、!1(^、1€13等氣相燃燒產物。火藥燃氣成分檢測，屬于燃燒實驗診斷技 術之一。它為進一步了解化學反應過程，以及與流體力學、傳熱、其他物理現象之間復雜的 相互作用提供必要的信息。隨著高技術武器的發展，對潔凈燃氣發生劑的需求越來越多，對 燃氣發生劑的低特征信號的要求越來越高。對燃氣成分及其濃度的測量，對于火藥燃燒機 理研究、潔凈燃氣發生劑及潔凈發射藥研制有著重要的意義。
[0003] 目前，國內現有的針對火藥燃氣成分的測試技術，多是在發射藥裝藥或者推進劑 裝藥現場，對火藥燃燒之后的氣體用氣體收集袋收集，然后進行實驗室分析，或者直接用便 攜式氣體成分分析儀進行現場采集，然后測試混合氣體中的燃燒生成氣體主要成分的濃 度。這種方法適用于對試驗現場的有害氣體濃度檢測分析，在進行火藥燃燒機理研究時，其 不足之處在于：（1)測試樣品燃燒的初始條件不易控制。利用發動機或彈道槍等器材進行測 試時，對火藥測試樣品量需求較大，且需要對測試樣品進行復雜的工序處理。利用密閉燃燒 室進行測量時，也需要對密閉燃燒室內的空氣進行吹掃、對燃燒室的壓力初溫進行調節等 操作。（2)測試樣品燃燒生成氣體濃度不穩定，易受環境中干擾。利用發動機及彈道槍等器 材進行測試時，測試樣品燃燒生成氣體擴散在空氣中，其濃度受到擴散時間，空氣擾動影 響，燃燒生成氣體不穩定。在密閉燃燒室內點燃測試樣品時，燃燒氣體濃度測試結果受填充 氣體純度的影響較大，受到密閉燃燒室初始壓力影響較大。
[0004] 由上述兩點可知，現有燃氣成分濃度測試試驗方法前期準備復雜，受測試環境、測 試條件影響較大。不利于火藥燃燒過程以及燃燒產物等方面的機理研究。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有技術存在的不足和缺陷，本發明提供一種火藥燃燒氣體成分質量測 試方法。該發明適用于定量測試推進劑及發射藥在特定壓力和初溫下的燃燒生成氣體中多 種成分的質量，該方法為研究火藥在不同狀態下的氣態燃燒產物、燃燒效率提供了必要的 技術手段。
[0006] 本發明使用一種火藥燃燒氣體成分測試裝置對火藥燃燒的氣體成分質量進行測 試，該測試裝置主要由密閉燃燒室、壓力調節裝置、水浴恒溫裝置、點火控制器、限壓閥、流 量計、傳感器陣列、數據采集及分析裝置、標準氣瓶陣列、快速排氣裝置、分析天平組成。其 中密閉燃燒室外壁有水浴恒溫裝置，可對燃燒室腔體內溫度進行調節。壓力調節裝置可對 密閉燃燒室腔體進行吹掃以及填充。點火控制器具備輸出電流可調節、電阻檢測功能。限壓 閥、流量計位于密閉燃燒室與傳感器陣列之間，通過測試管路相連。傳感器陣列包含壓力傳 感器、溫濕度傳感器以及CO傳感器、C〇2傳感器、NO傳感器、N〇2傳感器、HCL傳感器、NH3等多種 氣體成分傳感器。數據采集及處理裝置為具備信號調理功能及數據采集及處理功能的工控 機。標準氣瓶陣列包含傳感器陣列中所有氣體傳感器檢測氣體種類的標準氣瓶。快速排氣 裝置由開關閥和排氣管道組成，排氣管道的末端升入盛有堿性溶液的容器中。
[0007] 本方法步驟如下：
[0008] (1)稱量火藥測試樣品，將測試樣品置于密閉燃燒室承力托的樣品托架上，點火線 穿過測試樣品固定于樣品托架兩側的點火接線柱上，將承力托固定在密閉燃燒室底部，并 連接點火電源。
[0009] (2)用高純氮氣或氬氣對密閉燃燒室及管路中的空氣進行吹掃，并對密閉燃燒室 的初始壓力進行調節，用空調或水浴恒溫裝置對密閉燃燒室內的初始溫度進行調節，使密 閉燃燒室的初始壓力和初始溫度達到指定要求。
[0010] (3)將密閉燃燒室內的火藥測試樣品點燃，燃燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣 體進行充分混合。
[0011] (4)將燃燒室內的混合氣體經過限壓閥和流量計，通入傳感器陣列，利用數據采集 裝置采集燃燒室壓強、溫度以及混合氣體中燃氣成分濃度、流速、壓強、溫度隨時間變化的 數據；
[0012] (5)數據采集結束后，將測試管路中的剩余氣體通過快速排氣管路排出，利用高純 氮氣或氬氣對密閉燃燒室和測試管路中的殘余氣體進行吹掃；
[0013] ⑻通過傳感器陣列的燃氣成分A的質量mi(A)，通過公式（1)計算：
[0015] 式中：mi(A)單位為mg;
[0016] Μα為氣體A的摩爾質量，單位為g/mol;
[0017] VA為標準狀態下氣體A的摩爾體積，單位為L/mol;
[0018] At為數據采集裝置的采樣周期，單位為s;
[0019] ηι為數據文件中終止數據點的序號；
[0020] no為數據文件中的起始數據點的序號；
[0021 ] CA( i)為燃氣成分A體積濃度的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為ppm;
[0022] v(i)為測試管道中流速的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為L/min;
[0023] Το為標準狀態溫度，To = 273K;
[0024] P(i)為傳感器陣列中混合氣體壓強的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為 MPa；
[0025] PQ為標準狀態壓強，P〇 = 0.101MPa;
[0026] T(i)為傳感器陣列中混合氣體溫度的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為K;
[0027] (7)殘留在密閉燃燒室中的燃氣成分A的質量m2(A)，通過公式(2)計算：
[0029] 式中：m2(A)單位為mg;
[0030] Pt為采集終止時，密閉燃燒室內混合氣體的壓強，單位為MPa;
[0031] V為密閉燃燒室腔內體積，單位為L;
[0032] Tt為采集終止時，密閉燃燒室內混合氣體的溫度，單位為K;
[0033] (8)火藥測試樣品單位質量燃燒生成的燃氣成分Α質量m(A)，通過公式(3)計算；
[0035]式中：m(A)單位為mg/g;
[0036] m為火藥測試樣品的質量，單位為g;
[0037] (9)平行測量五次火藥測試樣品單位質量燃燒生成氣體成分質量m(A)，依據格拉 布斯準則，剔除異常數據，采用有效測試數據的均值作為最終測試結果。
[0038] 在本方法中，對測試樣品燃燒的初始狀態的調節方法，并不僅限于對密閉燃燒室 初始壓力、初溫的調節。若測試要求對測試樣品的保溫時間有規定，則將安裝好測試樣品的 承力托的點火線兩端短接，然后整體放入烘箱內進行保溫。
[0039] 在本方法中，測試步驟(3)中測試樣品點燃后，一般情況下，通過等待2分鐘~5分 鐘時間使燃燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合;在密閉燃燒室初始壓力較 低的情況下，可通過向燃燒室混合氣體內快速加入高純氮氣或氬氣，然后等待2分鐘~5分 鐘時間使燃燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合；
[0040] 在本方法中，測試步驟(4)中當系統中有多種氣體傳感器且工作所需流速范圍不 一致時，在氣體傳感器共有的流速范圍內取值對燃燒生成氣體的流速進行調節；當氣體傳 感器之間流速要求差異過大時，不可同時接入測試系統使用；測試裝置中的氣體傳感器需 定期進行在線校準。
[0041] 在本方法中，測試步驟(5)中測試管路中剩余氣體通過管路排出時，排出到堿性溶 液中，可以降低火藥燃燒氣體成分對環境的污染。
[0042] 本方法相比現有的測量方法，具備以下優點：
[0043] 1.本方法的測試參數是火藥測試樣品單位質量生成的燃氣成分質量，現有其他測 試方法的測試參數是火藥測試樣品燃燒生成燃氣成分濃度。與其他測試方法相比，本方法 不僅對測試樣品的燃燒條件進行限定，對于測試樣品的質量、燃燒生成氣體的成分、體積都 進行了測定。用測試樣品單位質量生成的燃氣成分質量可以更全面、更準確來表征火藥燃 燒生成氣體特性。
[0044] 2.本方法與其它方法相比，具備較大的靈活性。通過對測試樣品質量的調節、燃燒 后混合氣體內高純氮氣(或氬氣）的二次填充，可實現對混合氣體中燃氣成分濃度的調節， 使其符合氣體傳感器的量程和精度;在保證混合氣體各檢測氣體成分濃度穩定的情況下， 可提前結束數據采集，通過相關數據計算殘留在密閉燃燒室中的燃氣成分質量，縮短測試 時間，提尚測試效率。
[0045] 3.本方法對通過傳感器陣列的燃氣成分質量和殘留在密閉燃燒室中的燃氣成分 質量都進行了測定和計算，有效提高了測量結果的準確度。
[0046] 4.本方法可一次測量測試樣品燃燒生成的多種氣體成分質量，且測試氣體種類可 進行擴充，具有較高的測試效率。
【具體實施方式】
[0047] 下面通過實施例對本發明做進一步的解釋說明。
[0048] 依據火藥燃燒氣體成分質量測試的特點，該方法包括測試樣品的確定、燃燒初始 條件準備、測試樣品燃燒及氣體混合、混合氣體中燃氣成分濃度及相關參數測量、測試數據 保存及測試尾氣處理、試驗數據處理以及測量結果表征共七個步驟。
[0049] 步驟一，測試樣品準備。稱量一定質量的火藥測試樣品，將測試樣品置于密閉燃燒 室承力托的樣品托架上，點火線穿過測試樣品固定于樣品托架兩側的點火接線柱上，將承 力托固定在密閉燃燒室底部，并連接點火電源。若測試要求對測試樣品的保溫時間有規定， 則將安裝好測試樣品的承力托的點火線兩端短接，然后整體放入烘箱內進行保溫，保溫時 間達到要求后，將承力托固定在密閉燃燒室底部，并連接點火電源。
[0050] 步驟二，燃燒初始條件準備。用高純氮氣(或氬氣)對密閉燃燒室及管路中的空氣 進行吹掃，并對密閉燃燒室的初始壓力進行調節，用空調或水浴恒溫裝置對密閉燃燒室內 的初始溫度進行調節，使密閉燃燒室的初始壓力和初始溫度達到指定要求。
[0051] 步驟三，測試樣品燃燒及氣體混合。將密閉燃燒室內的測試樣品點燃，燃燒生成氣 體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合。一般情況下，通過等待2分鐘~5分鐘時間使燃 燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合;在密閉燃燒室初始壓力較低的情況 下，可通過向燃燒室混合氣體內快速加入高純氮氣(或氬氣），然后等待2分鐘~5分鐘時間 使燃燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合；
[0052] 步驟四，混合氣體中燃氣成分濃度及相關參數測量。將燃燒室內的混合氣體經過 限壓閥和流量計，通過測試管路進入傳感器陣列，利用數據采集裝置采集燃燒室壓強、溫 度、燃氣成分濃度及混合氣體在傳感器陣列中的流速、壓強、溫度隨時間變化的數據。
[0053]步驟五，測試數據保存及測試尾氣處理。數據采集結束后，將測試數據進行保存； 將測試管路中的剩余氣體通過快速排氣管路排出，利用高純氮氣(或氬氣)對密閉燃燒室和 測試管路中的殘余氣體進行吹掃。
[0054] 步驟六，試驗數據處理。首先通過公式（1)計算通過測試傳感器陣列的燃氣成分A 的質量m(A)。其次，通過公式(2)計算殘留在密閉燃燒室中的燃氣成分A的質量m2(A)。最后， 通過公式(3)計算測試樣品單位質量燃燒生成的燃氣成分A的質量m(A)。
[0055]步驟七，測量結果表征。平行測量五次測試樣品單位質量燃燒生成氣體成分質量m (A)，依據格拉布斯準則，剔除異常數據，采用有效測試數據的均值作為最終測試結果。
【主權項】
1. 一種火藥燃燒氣體成分測試方法，其特征在于包括W下步驟： (1) 稱量火藥測試樣品，置于密閉燃燒室承力托的樣品托架上，點火線穿過測試樣品固 定于樣品托架兩側的點火接線柱上，將承力托固定在密閉燃燒室底部，并連接點火電源； (2) 用高純氮氣或氣氣對密閉燃燒室及管路中的空氣進行吹掃，并對密閉燃燒室的初 始壓力進行調節，用空調或水浴恒溫裝置對密閉燃燒室內的初始溫度進行調節，使密閉燃 燒室的初始壓力和初始溫度達到測試要求； (3) 將密閉燃燒室內的火藥測試樣品點燃，等待2min~5min使燃燒生成氣體并與燃燒 室中的填充氣體進行充分混合； (4) 將燃燒室內的混合氣體經過限壓閥和流量計，通入傳感器陣列，利用數據采集裝置 采集燃燒室壓強、溫度、W及混合氣體中燃氣成分的濃度、流速、壓強、溫度隨時間變化的數 據； (5) 數據采集結束后，將測試管路中的剩余氣體通過快速排氣管路排出，利用高純氮氣 或氣氣對密閉燃燒室和測試管路中的殘余氣體進行吹掃； (6) 通過傳感器陣列的燃氣成分A的質量mi(A)，通過公式（1)計算：式中：mi (A)為單位為mg; Μα為氣體A的摩爾質量，單位為g/mol; Va為標準狀態下氣體A的摩爾體積，單位為L/mol; A t為數據采集裝置的采樣周期，單位為S; m為數據文件中終止數據點的序號； no為數據文件中的起始數據點的序號； Ca(i)為燃氣成分A體積濃度的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為ppm; v(i)為測試管道中流速的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為L/min; To為標準狀態溫度，To = 27 3K; P(i)為傳感器陣列中混合氣體壓強的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為MPa; Po為標準狀態壓強，P日=0.10 IMPa; τα)為傳感器陣列中混合氣體溫度的測試數據中，第i個數據點的數值，單位為K; (7) 殘留在密閉燃燒室中的燃氣成分A的質量m2(A)，通過公式(2)計算：式中：m2 (A)為單位為mg; Pt為采集終止時，密閉燃燒室內混合氣體的壓強，單位為MPa; V為密閉燃燒室腔內體積，單位為レ Tt為采集終止時，密閉燃燒室內混合氣體的溫度，單位為K; (8) 火藥測試樣品單位質量燃燒生成的燃氣成分A質量m(A)，通過公式(3)計算；式中：m(A)為單位為mg/g; m為火藥測試樣品的質量，單位為g; (9)平行測量五次火藥測試樣品單位質量燃燒生成氣體成分質量m(A)，依據格拉布斯 準則，剔除異常數據，采用有效測試數據的均值作為最終測試結果。2. 根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于測試步驟(1)中在將承力托固定在密閉 燃燒室底部之前，若測試要求對測試樣品的保溫時間有規定，則將安裝好測試樣品的承力 托的點火線兩端短接，然后整體放入烘箱內進行保溫;保溫時間達到要求后，將承力托固定 在密閉燃燒室底部，并連接點火電源。3. 根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于測試步驟(3)中測試樣品點燃后，如果 密閉燃燒室初始壓力較低，向燃燒室混合氣體內快速加入高純氮氣或氣氣，然后等待2分鐘 ~5分鐘使燃燒生成氣體并與燃燒室中的環境氣體進行充分混合。4. 根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于測試步驟(4)中當系統中有多種氣體傳 感器且工作所需流速范圍不一致時，在氣體傳感器共有的流速范圍內取值對燃燒生成氣體 的流速進行調節；當氣體傳感器之間流速要求差異過大時，不可同時接入測試系統使用。5. 根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于測試步驟(5)中，在密閉燃燒室初壓較 低的情況下，當限壓閥兩端壓強相同時，停止數據采集;在密閉燃燒室初壓較高的情況下， 當各氣體組分傳感器的測量值在20分鐘內相對穩定時，停止數據采集。6. 根據權利要求1所述的測試方法，其特征在于測試步驟(5)中測試管路中剩余氣體通 過管路排出時，排出到堿性溶液中。
【文檔編號】G01N33/00GK106093298SQ201610378850
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月1日
【發明人】王長健, 孫美, 趙鳳起, 儀建華, 許毅, 孫志華, 軒春雷, 楊燕京, 安亭
【申請人】西安近代化學研究所