光谱法测量塑料导爆管爆轰瞬态温度.pdf

光谱法测量塑料导爆管爆轰瞬态温度 周学铁 李 燕 刘大斌 王俊德Ξ 南京理工大学南京, 210094 [摘 要] 文章采用原子发射 吸收光谱法测量了塑料导爆管出口处的爆轰瞬态温度,并给出了 爆轰温度随时间的变化曲线,塑料导爆管出口爆轰温度在2130 K～2200 K之间,测量时间分辨率 最高可达40Λs。 [关键词] 塑料导爆管 爆炸 瞬态温度 [分类号] TD235. 22 当塑料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,便可以实现点火作用[1]。 塑料 导爆管内的空气中的氧既参与了爆轰过程的 剧烈反应,又是一个传播媒介,这种多相爆轰 过程的理论计算相当复杂,利用这一理论来 计算塑料导爆管的爆轰参数,如爆轰温度等 就十分困难[2]。 故此,建立一种实测塑料导爆 管爆轰温度,特别是它的瞬态温度及其随时 间的变化、 爆轰过程、 传爆机理以及爆轰波的 生成机理的研究将起着至关重要的作用。 光谱学家们[3]认为钠谱线翻转法是测量 火焰温度的一种最为准确和简便的方法,它 的原理是将钠如N aCl导入火焰中,将辐 射出钠的D双线589. 0 nm和589. 6 nm的 光。 如果在火焰的一侧置一明亮的钨带灯,使 其辐射的连续光通过钠蒸汽火焰,经过单色 仪分光后,在单色仪出射狭缝处,用目测望远 镜便可观察到,钠D双线的后面被明亮的连 续光谱所衬托。当火焰温度低于钨带灯的温 度时,由于火焰的吸收,观察到的钠D线呈 暗线;反之钠D线呈亮线;若调节钨带灯的 供电电流,直至连续光谱的背景光谱正好与 钠D的光强度相同,钠D线就消失,则此时 的钨带灯的亮度温度正好与火焰的温度相 等。钨带灯的亮度温度和它的供电电流的关 系曲线,是经精密光学高温计校正好的。 尽管 钠谱线翻转法测量火焰温度有精度高、 准确 等优点,但也存在着缺点,如测温时,必须在 用手工调钨带灯供电电流大小的同时,用肉 眼观察钠谱线从亮线到暗线的翻转点。 这样, 就不能将它用于测量燃烧剧烈的爆炸时的瞬 态温度。 鉴于此,对Klingenberg等人[4]建立的方 法作了两点改进,将它用于测量塑料导爆管 的爆轰输出火焰的瞬态温度及其随时间的变 化关系曲线。两点改进如下 1 导出的火焰 温度计算方程所涉及的物理量完全是实验实 测值[5] ; 2 另外,在仪器装置上,没有使用复 杂 的 石 英 棱 镜 光 谱 仪[4]或 双 光 栅 光 谱 仪[5 ～7], 而采用了由我们发展的一种结构比 较简单、 灵敏、 时间分辨率非常高的计算机原 子发射2吸收光谱测温装置[8, 9]。利用该装置 对塑料导爆管爆轰尾端出口火焰的瞬态温度 及其随时间的变化曲线进行测量,时间最大 分辨率可达40Λs。 1 方法原理 1. 1 测温装置 测温装置如图1所示。L是经过精密光 8 爆 破 器 材 ExplosiveM aterials 第32卷第6期 Ξ通讯联系人。 图1 塑料导爆管出口爆轰温度测量装置原理图 L - 钨带灯 ;L 1 ,L 2 ,L 3-聚光镜; C-斩光器 学高温计校正过的标准钨带灯,透镜L1和 L2将L的钨带灯分别成像在斩光器C和塑 料导爆管出口爆轰火焰F处,透镜L3将钨带 灯在火焰F处的像再次成像在光学测量系 统的入射狭缝上,斩光器C的最大工作频率 为25 kHz。 光学测量系统由钠D线干涉滤光 片、 光电倍增管1p28和高速响应电路组成, 来自光学测量系统的信号被高速数据采集器 收集,最后由PC微电脑处理和输出数据,光 电倍增管的供电电压为- 880 V ,采样速率 为1Λs点- 1,采样时间为4096Λs。 1. 2 温度测量原理 由图1可知,从实验上,可以方便地测得 下述3个物理量 1标准钨带灯在波长N a 589. 0 nm处 的相对辐射光谱强度IL; 2塑料导爆管爆轰出口火焰钠辐射的 N a589. 0 nm的相对辐射光谱强度IF; 3标准钨带灯的辐射通过钠火焰后,测 得的标准钨带灯辐射叠加钠火焰辐射的相对 光谱强度ILF。 测得上述3个物理量后,就可克服一般 的钠谱线翻转法的缺点。 根据Planck辐射定律和W ein公式,就 可导出温度计算公式[5 ～9] TFT - 1 L kΚ ch ln ILIF-ILF IF - 1 其中,TL 2172. 7 K,从实验中测得IL、 IF和ILF后,由上式便可求得塑料导爆管爆 轰出口火焰温度。 2 实验结果 当塑料导爆管一端被导爆管起爆器引爆 的同时,触发高速数据采集器开始收集测光 信号,在塑料导爆管出口火焰进入测量光路 之前,记录的波形为标准钨带灯的相对辐射 光谱强度IL和零点O分别对立于斩光器扇 板的开和关状态 , 如图2所示。 图2 实测的相对光谱强度IL、IF、ILF 的波形图 92003年12月 光谱法测量塑料导爆管爆轰瞬态温度 周学铁等 塑料导爆管出口火焰进入光路以后,当 斩光器扇板处于关的状态时,测得的是N a 589. 0 nm的相对辐射光谱强度IF塑料导爆 管燃烧时,使引入塑料导爆管中的N a盐发 出N a光谱。 处于开的状态时,测得的是ILF。 由此波 形就计算出各个时刻所对应的温度。计算结 果如图3所示。 图3 塑料导爆管出口爆轰火焰 温度2时间分布曲线 3 结论 1本方法能比较精确地测得塑料导爆 管出口处的爆轰瞬态温度以及温度2时间分 布曲线; 2时间分辨率最高可达40Λ s, 它能很 好地适应于爆炸猛烈的非常不稳定的燃烧爆 炸对象的瞬态温度测量; 3全部测量过程是自动、 远距离完成, 安全可靠。 参 考 文 献 1 刘大斌.塑料导爆管的起爆、 传爆及输出性能研 究. [博士学位论文].南京南京理工大学, 2002 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, 214 2 3 L. Ebdon. A n Introduction to A tom ic A bsorption Spectroscopy. London Heyden Son, 1982 4 G. Klingenberg and H. M ach. Combust. Flame, 1976, 27 163 5 Junde W ang, Hongzhi L i, Zuoru Chen, Houqian Xu, Yunhua Luo, Jianguo Guo, Xuemei W ang. Studies on Temporal Resolution Characteristics of Flame Temperature for FlameA tom icA bsorp2 tion Spectroscopy. Spectroscopy Lettrs, 1989, 22 1111 6 李鸿志,王俊德,许厚谦,陈作如,郭建国,罗蕴 华.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, 105 37 7 李鸿志,王俊德,罗蕴华,陈作如.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, 198816 203 8Junde W ang Zuoru Chen, Yunhua Luo, Ying W ang, Houqian Xu,HongzhiL i . Temporal Tem2 perature M easurement of Exploded Gas by A b2 sorption2Em ission Spectroscopy, Instrumentation Science Technology, 199624 169 9 Dong Yang, Houqian Xu, JundeW ang,Baochang Zhao.Temperature Plume by A bsorption2Em is2 sionSpectroscopy.Spectroscopy Letters, 2001 34 109 SpectroscopicM easurement of Temporal Temperature for Nonel Tube Explosion Zhou Xuetie,L i Yan,L iu Dabin,W ang Junde N anjing U niversity of Science and TechnologyN anjing, 210094 [ABSTRACT ] The paper reports atom ic absorption2em ission spectroscopy to measure temporal temperature of Nonel tube explosion and temperature2ti me distribution curve. The explosion tempera2 ture range is 2130 K～2200 K.Themeasuremental ti me resolution can reach 40Λ s . [KEYWORDS] Nonel tube, explosion, temporal temperature 01 爆 破 器 材 ExplosiveM aterials 第32卷第6期