盒式装药火烧温度的测试方法研究

杨晓波，王凤英

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）



盒式装药火烧温度的测试方法研究

杨晓波，王凤英

（中北大学化工与环境学院，山西 太原，030051）

摘 要：为了测试盒式装药在受到火焰燃烧时的安全性能，运用自行设计的测控装置系统，实时监测盒式装药在受到外界火焰燃烧时盒内的温度变化以及盒外(距盒50mm) 火焰燃烧的温度变化，分析研究了装药盒内外温度与时间的变化，并针对装药盒的密封性做了对比实验。研究发现在相同装药条件下，相比不密封的装药A，完全密封的装药B热分解峰值温度较高，装药发生燃烧反应的剧烈程度也较大。同时，通过计算其表观活化能，验证了自发火温度与实验测得结果的一致性，进一步证明了密封装药B的热安定性以及此套测控装置的可用性。

关键词：盒式装药；温度；热分解；测试

混合装药在热作用下，具有自加热和自催化分解燃烧的危险性[1]。目前，国内关于装药的安全性能做了各方面的研究。王淑萍[2]等利用大型冲击模拟加载装置对不同密度的高能炸药药柱进行了安全性模拟实验；孙宝平[3]等对侵彻过程中弹体内壁与装药摩擦使局部装药所能达到的最高温度做了研究。在此基础上，本文运用自行设计的测控装置实时监测盒式装药在受到外界火焰燃烧时其装药层的温度变化，并针对装药盒的密封性做了具体的对比实验，测得了不同密封条件下装药的反应过程和响应规律，进而反映其安全性能。

1　测试系统设计

1.1测试系统组成

该测试系统可实现现场实时的信息采集和存储，之后由计算机处理并再现被存储数据信号。该测试系统主要由信号调理电路、A/D转化电路、控制器、电源模块和时钟模块组成。热电偶和压力传感器将测得的外界温度和压力信号转换为微弱的电压信号，通过信号调理电路将电压信号放大和滤波，再经A/D转换电路将模拟信号转换为数字信号，然后存入存储器，计算机通过以太网接口电路对数据进行事后读取。其原理框图如图1所示。

图1　存储测试系统框图Fig.1 Diagram of the measurement system

1.2传感器模块

本实验选用耐高温、热响应时间快的WRNK-131K型铠装热电偶。作为测量温度的传感器，热电偶的测温原理是基于热电效应[4]。该电偶完全能够满足爆炸场温度测试的需要，具体特征如表1所示。

表1　热电偶特征值表Tab.1 Thermocouple characteristic value table

1.3温度补偿模块

在实际应用中，热电偶冷端温度测的一般是环境温度，无法保持0℃，使用分度表计算会引进误差，此时选用AD590[5]作为补偿传感器，环境温度近似看作恒定值。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，当温度增加时，流过AD590的电流线性增加，通过在AD590上串联一个电阻就可显示出其电流变化。基本性能参数如表2所示。当AD590环境温度输出为零时，温度每增加1℃，其输出电流增加1μ A。按此原理，在AD590旁外接一个42Ω的电阻对热电偶测得的环境温度进行补偿，并与放大电路的VIN+端相连，通过放大电路的VREF端输出其环境温度。

表2　AD590性能参数Tab.2 AD590 performance parameters

1.4信号调理电路模块

因热电偶采集的温度信号非常微弱，故需信号调理电路将微弱的温度信号放大到合适的量程范围内。考虑到盒式装药燃烧爆炸过程中会受到电磁干扰、工频干扰等因素的影响，因此信号调理电路放大部分需要选用放大倍数和共模抑制都较高的芯片。本系统选用INA128芯片作放大器。INA128是低功耗、高精度的放大器。其电源电压低至±2.25V，静态电流只有700μ A，具有非常低的偏置电压（50mV）、温度漂移（0.5µV/°C）和高共模抑制（在G=100时，120dB）。INA128需要对外接一个电阻进行放大，其电压增益G为：

式（1）中：G为放大倍数，50kΩ是两个内部反馈电阻之和，这些片内金属薄膜电阻采用激光进行微调至绝对精度值。对于K型热电偶，A/D转换输入电压为-2.5～2.5V，输入温度信号1 000℃时输出的电势信号为41.276mV，在此，选择在引脚1和引脚8之间外接1个电阻RG=0.83kΩ，则对应的放大倍数利用式（1）计算可知为60。

1.5数据采集存储模块

数据的采集存储模块采用北京阿尔泰科技发展有限公司的USB2851数据采集卡。本实验测试系统使用以太网进行采集，选择AD模拟量输入，输入量程为±2.5V，通道设置为3通道，系统采用AD连续采集功能对3通道的数据进行连续不间断的采集。在内时钟模式下，置采样频率为25kHz，采样周期为40μs。

2　实验

2.1实验装置

实验选择在空旷的野外进行。实验装置主要由加热装置、测试装置和监控装置组成，如图2所示。加热装置由柴油桶、装药盒（20mm×15mm×10mm）组成。在装药盒侧面钻孔插入一根1m的热电偶，插入深度2mm；另一根0.5m的细钢管外接压力传感器，并在热电偶和细钢管之间外接一根φ 50mm的钢管，中间填充石棉，以达到保温防护的目的。同时，在柴油桶与装药盒之间放置插入一根热电偶以测火焰温度。为了防止测控设备的毁损，在距离燃烧装置1m处放置测试装置。将两根热电偶连接线与压力传感器连线接于测试装置。

图2　实验装置图Fig.2 Experimental apparatus

2.2实验方案

将钝化HMX（HMX96％，其他5.6％，密度1.84 g/cm3）压制成φ 20mm×14mm×6mm的盒式装药，压制两组。为了研究约束条件对实验的影响，对比分析密封装药与未密封装药的装药层温度变化趋势。

本实验采用前后端分布式控制方式。前端设备为测控任务的“执行者”，燃烧柴油使装药盒受热，传感器将测得的温度信号和压力信号传到测试装置处。后端设备为测控任务的“决策者”，通过以太网线将测试装置与距离其100m处的计算机相连。以太网线作为发送测控任务指令和回传任务执行结果的信号通道，由人在远端的主控计算机发出各种主控指令，控制模拟适配放大电路的信号转换和接收，数据采集存储模块将采集到的温度、压力信号上传至计算机进行储存。该方案有效保证了信号交互的准确性，同时，由于操作人员远离被测对象，确保了人员的安全。

3　实验结果及数据分析

实验中测试了不密封装药A和密封装药B的装药层温度及火焰温度。图3为测得的装药A装药层温度和火焰温度的曲线图。从图3中可以看出，盒内炸药温度上升分为3个阶段：第1阶段为反应延滞期，当温度达到48.06℃，升温速率为21℃/min时，火焰温度通过底板热传导至炸药下表面温升，说明HMX已开始固态的部分分解；第2阶段为HMX的自加速期。当温度达到191.2℃时，HMX达到了自加速期。因炸药的热分解反应是放热反应，而装药盒散热条件不好，就会形成热的积累，使其装药盒内温度、压力一直处于上升趋势，分解放热速度加快，温度升高地更快。随着温度的增加，HMX的分解完全连续且剧烈并且伴随着强烈的自加热和自催化反应，使凝聚相温度骤升。第3阶段为HMX的燃烧期。当温度加速到一定程度时，温度达到装药的燃点，即321.71℃。

图3　温度——时间曲线图Fig.3 Temperature vs time curve

图3中柴油火焰温度一直处于上升趋势，着火之后，瞬态温度上升较快，而柴油桶内温度并不高。从着火143s开始，柴油全部燃烧，桶内瞬态高温和平均温度达到较高水平。随着燃烧的持续，放热量增加，对装药盒提供更多的热量。根据测得的两组装药温度——时间曲线和数据绘制出不密封装药A和密封装药B的温度——时间对比曲线图，见图4。

图4　不密封装药A和密封装药B的对比曲线图Fig.4 Contrast temperature curves of non sealing A and sealing device B

由图4可看出，随着时间的增加，两种装药的温度均为上升趋势，当温度达到48.6℃时，装药A开始以21℃/min的速率升温，装药B开始以41.8℃/min的速率升温，进入热分解的延滞期，即Al-A2（B1-B2）。因装药B密封，盒内的散热量远远低于不密封的装药A，故装药B温度上升的持续时间长，不会很快达到热分解加速期。装药A与B开始进入加速期的起始温度相差不大，但在加速期A2-A3（B2-B3）内，不密封装药A的分解速率明显大于密封装药B的分解速率，装药A开始燃烧的临界温度为320.71℃，而装药B为382.4℃；随着时间的增加，不密封装药A的分解峰温为307.4℃，而密封装药B为369.2℃，提高了61.8℃。不密封装药A因盒内产生的气体散发出去，没有发生形变；密封装药B盒内热积累导致温度升高，压力也随之增加，最终导致装药盒变形，上层壳体撑开。通过对比两组实验可表明：装药盒的密封性在一定程度上影响了装药的热安定性。密封装药B的热安定性在一定程度上优于不密封装药A的热安定性。通过分析HMX的热分解特性，计算其表观活化能，并验证其自发火温度，采用式（2）计算HMX的表观活化能，其结果见表3。

表3　装药A与装药B的HMX表观活化能　(kJ·mol-1)Tab.3 The apparent activation energy of HMX about A and B

式（2）中：Ea为表观活化能，kJ/mol；Tp为热分解峰温值，K；S为常数；A为与S相关的常数；Φ为升温速率，k/min；R为气体常数，8.314J/(mol·K)；C为常数。当采用Ozawa方法时，S=0，A=1.051 8；当采用Kissinger方法时，S=2，A=1；当采用Starink 方法时，S=1.8，A=1.007 0- 1.2×10-8Ea。由表3可知，分别用 Ozawa方法、Kissinger方法和Starink 方法计算得到的表观活化能基本一致，取3者平均值表示装药A和B的HMX表观活化能分别为220.15kJ/mol 和270.6kJ/mol。当装药B密封后，表观活化能增加了50.45kJ/mol，从而增强了装药的热安定性。

装药的热安定性可以由自发火温度（Tb）来表示：

式（3）中：E为活化能，kJ/mol；Tp为热分解峰温值，K。根据计算所得的表观活化能数值，结合曲线图中热分解峰温值，采用式（3）计算HMX的自发火温度，结果如表4所示，证实了与实验的一致性。

表4　装药A与装药B的HMX的自发火温度Tab.4 Self-ignition temperature of HMX about A and B

4　结论

通过对不同密封性的盒式装药温度测试的结果进行分析和研究，可以得到以下结论：（1）通过自行设计的测控装置能够精确采集温度—时间变化曲线，结合理论分析装药盒受热分解的反应程度，确定了装药的自发火温度值。（2）密封装药B的热安定性优于不密封装药A的热安定性。（3） 改变装药盒的密封性在一定程度上影响了装药的热安定性。通过分析HMX的热分解特性，验证了自发火温度与实验测得结果的一致性，并进一步证明了密封装药B的热安定性。

参考文献：

[1]陈朗,王飞,伍俊英,等.高密度压装炸药燃烧转爆轰研究[J].含能材料,2011(6):697-704.

[2]王淑萍.分步压装装药的安全性分析[J].火炸药学报,2006 (2):23-25.

[3]孙宝平,段卓平,皮爱国,等.弹体侵彻过程中装药温升的近似分析[J].爆炸与冲击,2012(3):225-230.

[4]李叶,梁庭,王凯,等.基于高温环境下高绝缘高响应性铠装热电偶的研究[J].化工自动化及仪表,2012(3):335-338.

[5]耿志卿,曹盼,陈湘国,等.一种应用于功率放大器的高精度温度补偿电路设计[J].现代电子技术,2015(3):137-140.

[6]张瑞,梁庭,熊继军,等.小量程MEMS电容式压力传感器的研究与发展[J].电子技术应用,2015(7):11-14.

[7]王文龙,耿直,乔江辉,等.力传感器静态校准方法改进[J].火箭推进,2012(3):80-84.

Research of Temperature Measurement on the Cassette Explosive Burning

YANG Xiao-bo，WANG Feng-ying
(College of Chemical Engineering and Environment,North University of China，Taiyuan，030051)

Abstract：A self designed measuring and control device was applied in real-time monitoring to test the security performance of cassette explosive.The experiment mainly studied the response characters of cassette explosive as heating and the temperature variation both in and out of the package.A further contrast experiment on the leakproofness of cassette explosive and analysis of relation between temperature variation and time have been done.The results indicate that compared to unsealed package A,the completely sealed B has a higher decomposition temperature,and more fiercely in burning under the same condition.Through calculating the apparent activation energy,the spontaneous ignition temperature was verified to consistent with the measured results,which further proved the thermal security performance of the completely sealed B,as well as the availability of the measuring and control device.

Key words：Cassette explosive；Temperature；Thermal decomposition；Measure

作者简介：杨晓波（1991 -），女，硕士研究生，主要从事火炸药测试研究。

收稿日期：2015-08-05

中图分类号：TJ450.6

文献标识码：A

文章编号：1003-1480（2016）01-0053-04