专利名称：非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种安全测试装置，尤其是一种密封容器中的气体处于高温高压或常 温高压的非标准条件下可燃气体爆炸极限值的测试装置，具体地说是一种非标状态下可燃 气体爆炸极限测试系统。
背景技术：
目前，化工和石油化工生产过程中，可燃性气体通常采用密闭容器或管道来储存 或输送。由于受到约束作用，气体爆炸会产生较高的压力和压力上升速率，以至于造成人员 伤亡和财产损失。可燃物质(可燃气体、蒸气和粉尘)与空气(或氧气)必须在一定的浓 度范围内均勻混合，形成预混气，遇着火源才会发生爆炸，这个浓度范围称为爆炸极限，或 爆炸浓度极限，它可以用来评定可燃气体燃爆危险性的大�。梢宰魑阑鸱辣踩杓� 的依据，例如确定建筑物的耐火等级，设计厂房通风系统等。目前，大多数测试可燃气体爆炸极限的产品都仅局限于测试标准状态下可燃气体 的爆炸极限，而对于非标准状态下可燃气体爆炸极限测试技术及装置的研究较少。1996 年，AdoIfKUhnerAG设计20 L球形爆炸测试装置，采用循环配气混合，可测试室温到230°C 内可燃气体(液体蒸气)的爆炸特性，而1993年，张景林发明设计了可燃气体(液体蒸 气)爆炸特性测试装置，该装置能测试室温到300°C内可燃气体(液体蒸气)的爆炸极限和 最小点火能，以上所涉及到的设备均在常压下改变温度进行测试，没有涉及压力的改变。目 前还没有可用于非标准状态下(如高温高压，常温高压等)可燃气体爆炸极限的测定装置， 也没有相关文献报道。
发明内容
本发明的目的是针对现有的可燃气体爆燃测试均在常压条件下进行，所测得的值 不能准确反映可燃气体实际工作条件的问题，设计一种可用于高温高压或常温高压的非标 状态下可燃气体爆炸极限测试系统。本发明的技术方案是
一种非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是它包括 一配气装置1，该配气装置1包括配气罐5，配气罐5的输入端分别与可燃气体气源6 及配气气源7相连，配气罐5的一路输出与爆炸装置2的输入口 9相连通；配气罐5的另一 路输出与增压泵8的输入端相连，增压泵(8)的输出端与爆炸装置2的输入口 9相连通。一爆炸装置2，该爆炸装置2包括防爆罐体12和保温护套14，防爆罐体12和保 温护套14之间安装有加热元件13，防爆罐体12中安装有隔板15，隔板15将防爆罐体12 的内腔分隔成气体缓冲室16和气体爆炸室17，气体缓冲室和气体爆炸室尺寸相同，体积相 等，隔板15上安装有导通气体缓冲室16和气体爆炸室17的电磁阀18，爆炸装置2的输入 口 9与气体缓冲室16相连通，所述的输入口 9还旁接有真空泵19 ；在所述的气体缓冲室16 中安装有缓冲压力传感器20和缓冲温度传感器21，在所述的气体爆炸室17中安装有爆炸前温度传感器22、爆炸前压力传感器23、点火器24以及作为爆炸测试用的爆炸压力传感器 25 ；
一温控装置3，该温控装置3用于根据爆炸装置2中的缓冲温度传感器21及爆炸前温 度传感器22所测的温度与设定温度之差控制加热元件13的启停；
一数据采集处理装置4，该数据采集装置4主要由安装在所述的气体爆炸室17中的爆 炸压力传感器25、信号放大电路26、数据采集电路27及计算机28组成，爆炸压力传感器25 与信号放大电路26的输入端相连，信号放大电路26的输出端与数据采集电路27的输入端 相连，数据采集电路27的输出端与计算机28相连。所述的配气罐5的输入端与配气仪11 (型号可为GH-1)的输出端相连，配气仪11 的输入端分别与可燃气体气源6及配气气源7相连。所述的配气气源7为洁净空气。在配气罐5的输出端上安装有对流出配气罐5的可燃气体进行加热的加热装置 10。所述的加热元件13为电加热元件或导热盘管。所述的温控装置3主要由加热元件13、输入油泵30、输出油泵31、封闭加热器32、 封闭制冷器33和通水换热器34及温控器35组成，作为加热元件13的导热盘管29安装在 防爆罐体12和保温护套14之间，导热盘管29与输入油泵30的输出端相连，导热盘管29 的输出端与输出油泵31的输入端相连，输出油泵31的输出端分别与封闭加热器32、封闭制 冷器33和通水换热器34的输入端相连，在连接输出油泵31的输出端与对应的封闭加热器 32、封闭制冷器33和通水换热器34的输入端之间的管道上分别安装有受控于温控器35并 控制相应管道通断的电控阀门36，所述电控阀门36的控制端与温控器35的控制输出端相 连，封闭加热器32、封闭制冷器33和通水换热器34的输出端与输出油泵30的输入端相连； 温控器35的信号输入端与缓冲温度传感器21及爆炸温度传感器22的信号输出端相连。本发明的有益效果
本发明结构合理，功能强大，自动化程度高。通过压力控制系统和温度控制系统可以测 试出可燃气体在高温高压、常温高压、常温高压、高温中压和低温低压等非标准状态下的爆 炸极限。本发明可广泛用于化工及石油化工生产装置中实际工况下可燃性气体爆炸危险 性分析，用于防火防爆安全设计，防止重特大爆炸事故的发生，带来显著的社会与经济效
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图1是本发明的系统组成结构示意图。图2是本发明的爆炸装置的结构示意图。图3是本发明的温控装置的结构示意图。图4是本发明的配气系统结构示意图。图5是本发明的数据采集系统结构示意图。图6是本发明的压力控制工作原理图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。如图1-5所示。一种非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，它主要由配气装置1、爆炸装置2、 温控装置3和数据采集处理装置4组成，如图1所示，其中的配气装置1 (如图4所示)包 括配气罐5，配气罐5的输入端分别与可燃气体气源6 (可采用气瓶或直接与气体发生装置 相连)及配气气源7 (可为洁净空气或其它惰性气体)相连，为了准确控制可燃气体与所配 的配气(空气)的混合量，可在配气罐5的输入端前安装一个配气仪11 (型号可为GH-1)，配 气仪的输入端分别与可燃气体气源6及配气气源7相连，具体实施时还可根据控制要求在 配气管路上安装相应的流量计、电动气阀、单向阀等电控元件以提高控制的自动化水平。配 气罐5的最基本的一路输出与爆炸装置2的输入口 9相连通；具体实施时，为了适应高压测 试的要求，配气罐5增加一路带有增压泵8的输出，增压泵8的输出端与爆炸装置2的输入 口 9相连通，这样既可向爆炸装置2中输入常压气体，也可输入高压气体，使爆炸装置2中 的气体缓冲室中的气压上升到需要爆炸时的压力的二倍以上。此外，为了使进入爆炸装置2 中的可燃气体带有温度，也可在配气罐5的一个或两个输出端上单独或同时安装有对流出 配气罐5的可燃气体进行加热的加热装置10 (可采用电热丝加热、油浴加热等)。本发明的爆炸装置2如图2所示，它包括防爆罐体12和保温护套14，防爆罐体12 (由钢板制造)和保温护套14 (可采用石棉制造，石棉外再加护套)之间安装有加热元件13， 防爆罐体12应采用钢板制造，在防爆罐体12中安装有隔板15，隔板15将防爆罐体12的内 腔分隔成气体缓冲室16和气体爆炸室17，隔板15上安装有导通气体缓冲室16和气体爆 炸室17的电磁阀18，爆炸装置2的输入口 9与气体缓冲室16相连通，所述的输入口 9还 旁接有真空泵19 ；在所述的气体缓冲室16中安装有缓冲压力传感器20和缓冲温度传感器 21，在所述的气体爆炸室17中安装有爆炸前温度传感器22、爆炸前压力传感器23、点火器 24 (点火器24包括电火花发生器、火花塞、导线，采用电火花发生器和火花塞模拟工业气体 爆炸弱点火情况，点火能量可以调节和控制。点火装置设置有不同长度的火花塞，实现容器 内壁面点火和中心点火)以及作为爆炸测试用的爆炸压力传感器25 ；配气装置1和爆炸装 置2中的气压可通过一个采用常规技术设计的控制器加以控制。本发明的温控装置3如图3所示，它主要用于根据爆炸装置2中的缓冲温度传感 器21及爆炸温度传感器22所测的温度与设定温度之差控制加热元件13的启停；其中的 加热元件13可为电加热元件(图中未示出)，也可采用油加热元件。本实施例的温控装置3 主要由加热元件13、输入油泵30、输出油泵31、封闭加热器32、封闭制冷器33和通水换热 器34 (高温油管穿过通有冷却水的换热器进行热交换而降温)及温控器35组成，通水换热 器34本身还设有冷却水进水端和出水端，进水端的动作受于电控水阀，电控水阀又受控于 温控器，图3中作为加热元件13的导热盘管29安装在防爆罐体12和保温护套14之间，导 热盘管29的进口端穿过保温护套14后与输入油泵30的输出端相连，导热盘管29的输出 端同样穿过保温护套14后与输出油泵31的输入端相连，输出油泵31的输出端分别与封闭 加热器32、封闭制冷器33和通水换热器34的输入端相连，在连接输出油泵31的输出端与 对应的封闭加热器32、封闭制冷器33和通水换热器34的输入端之间的管道上分别安装有 受控于温控器35并控制相应管道通断的电控阀门36，所述电控阀门36的控制端与温控器35的控制输出端相连，封闭加热器32、封闭制冷器33和通水换热器34的输出端与输出油 泵30的输入端相连；温控器35的信号输入端与缓冲温度传感器21及爆炸温度传感器22 的信号输出端相连。本发明的数据采集装置4如图5所示，它主要由安装在所述的气体爆炸室17中的 爆炸压力传感器25 (型号可为PT500-503H)、信号放大电路26 (可采用常规电路)、数据采 集电路27 (可采用常规电路加以实现)及计算机28组成，爆炸压力传感器25与信号放大 电路26的输入端相连，信号放大电路26的输出端与数据采集电路27的输入端相连，数据 采集电路27的输出端与计算机28相连。数据采集电路27也可采用多通道数据采集仪和 数据采集软件加以实现，数据处理和分析部分采用通用信号分析软件对数据和信号进行分 析和处理。数据采集部分采用JV5231型多通道数据采集仪同步采集数据，最大采样速度为 20M，分辨率为12bit，精度误差小于1.0%。采用SignalView通用信号分析软件对数据和 信号进行分析和处理。本发明的实验操作过程为(1)首先根据图1组装爆炸装置和实验仪器，连接装配 好配气装置1、爆炸装置2、温控装置3和数据采集处理装置，检查各种部件的线路，并确保 连接良好，检查装置气密性；(2)通过配气仪配制一定浓度的预混可燃气体储存于配气罐 中；(3)在温控器中输入实验温度，调试测试系统，使各通道处于工作状态，等待信号；(4) 启动真空泵19使爆炸装置抽真空至负压-0. 006MPa,当爆炸装置温度达到实验温度时，开 启电磁阀，向气体缓冲室内缓慢输送预混可燃气体，气体缓冲室内的缓冲压力传感器开始 接收气体缓冲室的压力信号，根据实验压力情况，启动增压泵，并设定压力值；(5)当气体 缓冲室气体压力满足设定条件时，自动控制装置自动关闭电磁阀停止输送预混可燃气体； (6)当压力和温度均达到实验要求时，静置一定时间，使预混可燃气体混合均勻，打开气体 缓冲室与气体爆炸室之间的电磁阀对气体爆炸室进行缓慢充气，同时爆炸前压力传感器开 始接收气体爆炸室的压力信号。当气体爆炸室内的压力达到实验压力时，自动控制装置自 动关闭电磁阀停止充入预混可燃气体；(7)清理人员至安全区域，静置实验装置，使预混可 燃气体混合均勻，随后点火引爆气体，由爆炸压力传感器测试压力信号，并将信号传递给数 据采集仪，进行数据的采集、处理和分析。下面结合图6对本发明的缓冲室气体压力pi满足的条件作一说明。
P1 _气体缓冲室充气后的初始压力，MPa ； G—气体缓冲室体积，；
P2 一气体爆炸室充气前的初始压力，MPa ； G—气体爆炸室容积，
Tfb
ρ—实验压力，MPa ； T一实验温度，"Co设最终缓冲室与爆炸室的压力都为实验压力P，根据理想气体状态方程和摩尔守 恒定律，得整理得
由
=1
得
爆炸装置预先被抽真空，D P,可忽略PJt成的影响，因此
=2 1>实际操作中，P1 ^ 2P即可满足实验要求。 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
8
权利要求
一种非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是它包括一配气装置(1)，该配气装置(1)包括配气罐(5)，配气罐(5)的输入端分别与可燃气体气源(6)及配气气源(7)相连，配气罐(5)的一路输出与爆炸装置(2)的输入口(9)相连通，配气罐(5)的另一路输出与增压泵(8)的输入端相连，增压泵(8)的输出端与爆炸装置(2)的输入口(9)相连通；一爆炸装置(2)，该爆炸装置(2)包括防爆罐体(12)和保温护套(14)，防爆罐体(12)和保温护套(14)之间安装有加热元件(13)，防爆罐体(12)中安装有隔板(15)，隔板(15)将防爆罐体(12)的内腔分隔成气体缓冲室(16)和气体爆炸室(17)，隔板(15)上安装有导通气体缓冲室(16)和气体爆炸室(17)的电磁阀(18)，爆炸装置(2)的预混可燃气体输入口(9)与气体缓冲室(16)相连通，所述的输入口(9)还旁接有真空泵(19)；在所述的气体缓冲室(16)中安装有缓冲压力传感器(20)和缓冲温度传感器(21)，在所述的气体爆炸室(17)中安装有爆炸前温度传感器(22)、爆炸前压力传感器(23)、点火器(24)以及作为爆炸测试用的爆炸压力传感器(25)；一温控装置(3)，该温控装置(3)用于根据爆炸装置(2)中的缓冲温度传感器(21)及爆炸温度传感器(22)所测的温度与设定温度之差控制加热元件(13)的启停；一数据采集处理装置(4)，该数据采集装置(4)主要由安装在所述的气体爆炸室(17)中的爆炸压力传感器(25)、信号放大电路(26)、数据采集电路(27)及计算机(28)组成，爆炸压力传感器(25)与信号放大电路(26)的输入端相连，信号放大电路(26)的输出端与数据采集电路(27)的输入端相连，数据采集电路(27)的输出端与计算机(28)相连。
2.根据权利要求1所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述的配 气罐(5)的输入端与配气仪(11)的输出端相连，配气仪(11)的输入端分别与可燃气体气源 (6)及配气气源(7)相连。
3.根据权利要求1或2所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述 的配气气源(7)为洁净空气。
4.根据权利要求1所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述的气 体缓冲室(16)和气体爆炸室(17)的尺寸和体积均相同。
5.根据权利要求1所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述的加 热元件(13)为电加热元件或导热盘管。
6.根据权利要求1所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述的温 控装置(3)主要由加热元件(13)、输入油泵(30)、输出油泵(31)、封闭加热器(32)、封闭制 冷器(33)和通水换热器(34)及温控器(35)组成，作为加热元件(13)的导热盘管(29)安 装在防爆罐体(12)和保温护套(14)之间，导热盘管(29)的输入端与输入油泵(30)的输出 端相连，导热盘管(29)的输出端与输出油泵(31)的输入端相连，输出油泵(31)的输出端分 别与封闭加热器(32)、封闭制冷器(33)和通水换热器(34)的输入端相连，在连接输出油泵 (31)的输出端与对应的封闭加热器(32)、封闭制冷器(33)和通水换热器(34)的输入端之 间的管道上分别安装有受控于温控器(35)并控制相应管道通断的电控阀门(36)，所述电 控阀门(36)的控制端与温控器(35)的控制输出端相连，封闭加热器(32)、封闭制冷器(33) 和通水换热器(34)的输出端与输出油泵(30)的输入端相连；温控器(35)的信号输入端与 缓冲温度传感器(21)及爆炸前温度传感器(22)的信号输出端相连。
7.根据权利要求1所述的非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是所述的配 气罐(5)的输出端上安装有对流出配气罐(5)的可燃气体进行加热的加热装置(10)。
全文摘要
一种非标状态下可燃气体爆炸极限测试系统，其特征是它包括配气装置、爆炸装置、温控装置、数据采集处理装置；所述爆炸装置包括防爆罐体和保温护套，防爆罐体和保温护套之间安装有加热元件，防爆罐体中安装有隔板，隔板将防爆罐体的内腔分隔成气体缓冲室和气体爆炸室，隔板上安装有导通气体缓冲室和气体爆炸室的电磁阀，爆炸装置的输入口与气体缓冲室相连通，所述的输入口还旁接有真空泵；在所述的气体缓冲室中安装有缓冲压力传感器和缓冲温度传感器，在所述的气体爆炸室中安装有爆炸前温度传感器、爆炸前压力传感器、点火器以及作为爆炸测试用的爆炸压力传感器。本发明结构简单，可操作性好，解决了高温高压等非标状态下的可燃气体爆燃特性检测的难题。
文档编号G01N7/00GK101975717SQ201010509028
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月18日 优先权日2010年10月18日
发明者周小龙, 崔益清, 王志荣, 蒋军成 申请人:南京工业大学
