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防爆外壳的压力测量系统

字号+ 作者:admin 来源:未知 2010-04-17 10:35 我要评论( )

1 引言 潜在爆炸性环境场所中电能的使用,要求电气设备一定不要成为引燃源,对于在正常工作条件下产生高温或产生诱发火花的电器,可使用“d”型防爆外壳,这种防爆外壳能在内部发生爆炸时防止火焰传递到周围环境中。 根据防爆电器标准要求的型式试验,规定“


1  引言   

潜在爆炸性环境场所中电能的使用,要求电气设备一定不要成为引燃源,对于在正常工作条件下产生高温或产生诱发火花的电器,可使用“d”型防爆外壳,这种防爆外壳能在内部发生爆炸时防止火焰传递到周围环境中。

根据防爆电器标准要求的型式试验,规定“在每次试验中应测定爆炸时产生的压力并对其进行记录”,此外还应测定耐压试验的参考压力。该参考压力规定为“这些试验中所测定的最大平稳压力的最大值”。这些测定法将确定对压力测量系统的许多要求,这些要求不仅与最大值的置信度有关,而且与短时压力变化的探测有关,短期的压力变化特别易在湍流火焰扩展的电器中出现。

进行这些研究的目的是为了确认各种测量方法的适用性,并指出实际测量中出现可能误差的原因。根据研究结果,可得出防爆电气设备试验中使用和控制压力测量系统的可能性。

2  测量方法

2.1  石英晶体探测器

我们已经知道动态压力曲线测量的各种方法,这些方法把压力作用转换成电信号。电容效应和感应效应的测量转换器目前已由石英晶体探测器代替,所以石英晶体探测器已用于进行各项研究。

宽频带比较有利,因为用小块石英和轻质的石英外壳能使共振频率保持在100kHz以上。电气测量系统的特殊要求是一个不利条件:计量电缆和电缆接头的电阻数量级为103(Ω),实际上这是很难保证的。由于放大器中电荷逐渐损失,因而不能测量静压力。如果保护石英的金属外壳由于因温度变化引起缩胀而影响石英,可能引发许多问题。

2.2  压敏电阻探测器

这种方法是把压力传递到集成电阻器的起应变仪作用的盘式振动片上,其电气要求不如石英晶体方法严格,但极限频率几乎相等,测量静压力的能力也很好。但对于大范围的压力测量,必须使用振动片厚度不同的几种探测器,这种探测器对过应力十分敏感。由于加速力的影响,压力的快速增长可能引起其它问题。

2.3  铅振动片测量

在短时气体压力的影响下,所用试样将发生塑性变形,这是人们长期以来已知的一种测量最大压力的方法。Hoffmann和Meier说明了铅板的使用方法,Bush对此进行了详细研究。这种方法在联邦德国物理研究所使用了很长时间。圆盘形铅板可变形成球杯形,该变形沿校准曲线调至压力峰值。其主要优点是简单、价格低。大量使用膜片的优点是能在复杂的外壳中测量压力重叠效应。

3  压力测量系统的校定

3.1  铅振动膜片

关于铅振动片变形和最大压力之间的相互关系,必须进行校定。所用试验装置由压缩空气的存储汽缸、缓冲器和能在小试验腔中产生快速上升压力脉冲的快速开关电磁阀构成。用泄压阀和扼流圈可改变压力冲击和压力衰减的持续时间。脉冲上升的最小时间约为50ms,而最小持续时间为80ms。由于缓冲器的容积比试验腔的容积大很多,所以可把缓冲器的指示压力假定为最大压力Pm。此外,用石英晶体或压敏电阻探测器可测定试验腔内的压力曲线。用已校准的压力表静止地调整压敏电阻测量系统,因而在铅振动片的置信度达10%研究中,压敏电阻系统的指示可认为是实际测量值。

图1为不同的厚度振动片的校定曲线。标定值相当于相应的测量范围,在此范围外面,最大压力和变形深度之间不存在任何线性关系,且测量误差增加。

 

 图1  铅振动膜片的校定

1.d=0.3mm 2.d=0.5mm 3.d=0.75mm

4.d=1.0mm 5.铅振动片6.压力

脉冲持续时间对变形的影响单独试验,脉冲时间从80ms延长至约300ms时,结果,压力的最大读数大约增加3%。

前述压缩空气的校定不包括爆炸过程中出现的特殊条件,尤其是温度方面。因此,在内部引燃的5升球形容器内可获取比较读数,用不同气体混合物和各种预压缩改变压力上升时间和最大压力。在这些完全不同的条件下,铅振动片的读数在校定的±10%范围内变化。由此可见,甚至在各种爆炸扩展的作用下,铅振动片的测量误差仍小于10%。由于在较厚铅振动片上最大压力和温度上升之间的延时关系,爆炸的热量没有明显影响。

3.2  石英晶体探测器

用于测量的石英晶体具有制造厂用PC/bar规定的标准灵敏度,因此必须把顺流电荷放大器调至该灵敏度,以便使指示电压与压力(bar)一致。用这种方法可保证测量误差不超过百分之几。

然而,在试验室设备中,由于爆炸试验和测量位置之间实际距离大,所以石英晶体和电荷放大器之间必须用电缆连接。为了避免电荷损失,总的漏电电阻应谨慎保持在103至104Ω以上,并用光滑电缆连接,否则漏电将导致读数减少,尤其是在丙烷爆炸这种压力曲线缓慢变化的情况下。

为了检验石英晶体连接导线和放大器测量系统的精度,应用5升球形容器和压敏电阻系统进行比较测量,两组读数间的差数要保持在测量误差范围内。

然而在这些试验中,显然爆炸热量对测量结果产生很大影响。

4  爆炸热量对石英晶体探测器的影响

爆炸产生的热燃气将加热周围金属壁,温度的静态升高取决于外壳容积及其壁厚。对于正常容积,由于金属的热容量大,只有开尔文温度的几度。但是,外壳内对周围环境传热不良的薄金属部件会达到相当高的温度。

这一效应要用金属外壳中的石英晶体检测。由于燃气的影响,壳体,尤其是测量表面的金属振动片被加热,将使壳体膨胀并从石英晶体中释放出压力,从而指示出不正确的低压力。图2示出了5升封闭球形容器中乙稀—空气混合物爆炸压力的一些测量结果。

压力特性曲线1由压敏电阻探测器测量。根据以前对单个爆炸结果的测量经验,这些测量结果对温度影响不敏感,因为在灵敏的振动片前面已安装了充油金属膜片形式的某种机械保护,这种充油金属膜片能防止振动片短时温度上升。爆炸热量对测量结果的严重影响见曲线4。该测量用前面提到的无挡热板石英探测器进行。在压力上升较短的持续时间内和在指定的最大值中,偏移都不明显。但在最大压力时,火焰一到达探测器,读数就完全不可靠了。测量持续时间延长为ls会使该影响更加清楚。对于时间小于100ms的正常测量,尤其是峰值压力的短时测量,爆炸热量因误差原因可忽略不计。

 

图2  爆炸热量对石英传感器压力测量的影响

1.压敏电阻传感器  2.具有硅橡胶和硅油脂涂层的石英传

感器  3.同2一样但无油脂  4.无涂层石英传感器

丙烷—空气混合物的比较测量表明,因为燃烧过程相对较慢,在压力上升和最大值的测量中,热效应将导致很大的测量误差。

为了获得探测器热保护的适当形式,分别对由热辐射和热传导的元件进行估算。因为试验腔封闭并气密,所以只有腔中燃气的热损耗使压按曲线1衰减。在最大压力下,假定气体最高温度为200K,可以根据相应的Eckert气体辐射估算出热流(在燃气中只有CO2和H2O扩散)。在峰值压力后的30ms时间间隔,辐射量大约仅是传热总量的10%,该温度范围内的传导系数大约是,完全符合内燃机求得的结果。

根据这些结果,显然探测器上的辐射罩不适合防止热效应,测量表面前部的耐热弹性薄膜将妨碍燃烧气体的热传导,因而这些结果必须进行修正。

厚约0.3mm的硅橡胶薄膜的测量结果如曲线3所示。误差压力衰减比曲线4所示的要低,但仍然出现负压力。0.5至1.0mm厚的硅脂附加膜大大地改善了这些效果,如曲线2所示。探测器前用作隔热挡板、长度为5~l0mm的圆筒形油脂杯通常很少使用。由于压力脉冲的影响,在封装油脂中形成气沟,这些气沟将产生共振,共振的影响下节讨论。

用专门研制的探测器进行比较试验,这种探测器由于在其振动片前有陶瓷层而对爆炸热不敏感。压敏电阻探针探测的结果偏差甚至小于曲线2情况下的偏差。由于陶瓷涂层热传导率低,在很大程度上妨碍金属膜片的发热;但是,探针的频带因其质量增加并增加了对加速度的敏感性而减少大约40kHz。

5  短时压力变化的测量

5.1  湍流火焰试验装置中的爆炸压力

用简单的球形容器进行前述试验,球形容器中出现多层火焰,但压力上升相对较慢,湍流火焰扩大,燃烧过程大大加快,因而压力急剧上升,这样就对使用的压力测量系统提出了特殊要求。

为了形成这种湍流燃烧过程,特制一个模拟装置,如图3所示。为了描绘该试验,用8%乙烯一空气混合物充填整个容积并在存储容器中将其引燃,燃烧首先在基层发生火焰,随着扰动作用,扩展至容器的四壁。

膨胀的热废气通过管式部分的阻尼孔驱动部分未燃的冷气,因而产生约1bar的预压力,压力示波图如图3所示。该预压力用前述石英晶体控测器测量,石英晶体探测器连接到由引燃脉冲控制的暂态记录器上。峰值压力超过40bar时延时约40ms,这通常与该尺寸容器中的爆炸时间相一致。因此试管中火焰扩展的时间可以忽略不计。

 

图3  湍流火焰试验装置中的爆炸压力

1,3.铅振动测量膜片  2,4,5.石英传感器  6.火花塞(引燃

器)  7.测试混合物入口  8.测试混合物出口(所有尺寸均以mm为单位)

峰值压力重复出现两次,随着逐次峰值减小,压力继续衰减。如果不计压力峰值,从轨迹可得大约8bar的外推最大压力,即与球形体积中分层燃烧相一致。图4a更详细地示出了测量点2出现的压力峰值的时间轨迹。同时,在位置5测量试管侧壁的压力。图4b为试管侧壁位置4处探针的另一个时间轨迹。在两种情况下,预先触发均由位置2处的压力点火。

为了说明这些轨迹,应当首先考虑图4a。在阻尼孔的附近,压力慢慢上升到大约4.5bar,大约1.5ms后,闭合法兰上出现峰值压力。但1.5ms的时间差对试管中的火焰速度并不是一个有意义的值,因为火焰区的形状像锥形。

燃烧过程完成后,用反射的传播时间能估算出测量各点压力峰值的时间差。图4a中两压力峰值之间的时间(在位置2)达2.14ms。法兰至阻尼孔板面后返回的距离为2m,这相当于速度为935m/s。如果压力峰值的膨胀认为是随声速扩展的波,就必定能从该废气温度导出。声速与温度有关,遵循下式:

 

假定理想气体有恒定比热,由空气得出废气的温度为2180K,该温度低于乙烯的最高引燃温度。

在火焰前缘侧测得的压力大大低于法兰端的峰值压力,因此必须把40bar的峰值压力看作是有方向性的量,严格地说,这个值是一个“气体冲量”。因为目前不清楚是压力还是短时“气体冲量”对机械强度产生的不同影响,所以对这个问题的定义不作进—步研究。

 

图4  长试管内压力波的扩展

(a)测量位置2和5  (b)测量位置4和2

图4a说明法兰端部压力上升时间约为9μs,故而产生大约40kHz的极限频率,这大致与用于这些测量的充电放大器中滤波器的47kHz相一致。因为不能充分阻尼大约130kHz的石英固有激励频率,所以增加滤波器频率不会产生有效的测量效果。总的来说,可以证实,法兰端部的压力上升时间明显小于10μs,但用这里所闸述的方法检测不出来。

5.2  测量过程中的可能误差

已阐述的测量结果需要很高的技术水平测量,且只有排除各种可能误差后才能获得。

压力的快速变化将对外壳产生很大的加速力,因而也对压力探测器产生很大的加速力。在这种情况下,必须使用专用加速力补偿型探测器。在法兰端部测量位置2上用两个探测器进行的比较试验中,加入两个与内部空间相连通的无气盲孔,即可获得与加速力有关的值。该视在压力仅达±0.15bar,而实际压力约40bar,就测量精度而言,±0.15bar可忽略不计。

系统的结构形式对探测器的读数有明显影响,图5所示为在测量法兰位置2上的嵌入组件和传导元件的分布,同时记录相应试验的结果。在(b)情况下,有一个最大值超过90bar的虚超调,且合成轨线被稍微延缓。这种现象可以看作是共振效应。压力升高必须在大约30mm长的管道中逐步形成,以便使延缓轨线与(a)相比较。这时在管道中会产生气体共振荡,振荡频率可以声速C和管道长度为1进行估算,即:

 

图5  机械结构对压力探测器结果的影响

1,2.石英传感器;3.法兰;4.连接器

开始起动时,被测频率为6.6kHz,表示管道中声速为790m/s,与此相应的气体温度为1500K。因为在相对较长和较窄的通道中温度有可能从大约2200K冷却到1500K,所以这个值似乎是合理的。

对于电信号的处理,指示压力轨线将受类似影响。如果使用截止频率减少到4.7kHz的低通滤波器,与使用47kHz滤波器频率同时测量的压力相比,图6中端部法兰上轨线的压力幅值约减小20%。如2.2kHz轨迹所示,较低截止频率将使压力大大降低。

这些结果表明,短时压力脉冲的检测对过压试验值很重要,所以在EN50 018标准中对参考压力的估算应给出更详细的指南。

 

图6  低通滤波器的效应

1.fg=2.2kHz;2.fg=4.7kHz;3.fg=47kHz

至此,所述试验均用石英晶体探测器进行。在位置1和3还用铅振动测量膜片进行比较试验。石英晶体探测器读数偏差约为±10%。因此可以证明,安装铅振动膜片甚至可记录短时压力,但膜片的极限频率不是从这些结果中得出的。

在进一步试验中,还应研究压敏电阻探测器的嵌入问题。高加速力—尤其是在端部法兰位置2上会损坏探测器,一方面在金属密封中出现裂缝,另一方面粘接连线会同硅表层脱离。因此,直到现在这些探测器仍不适应极值动态压力的测量。

6  防爆感应电动机中爆炸压力的测量

为了获得研究压力测量系统的已知条件,前述试验均用简化模型装置进行试验。为进一步证实该测量过程,三相感应电动机中的爆炸实例应证明,对压力测量系统所考虑的要求是必要的。

 

图7  三相感应电动机中的爆炸压力

①②石英传感器;z火花塞

图7示出了引燃位置,电机的几何结构和各压力测量点。爆炸性气体—空气混合物含有14%乙炔。若在传动端引燃,火焰将沿转子正面传播,并在与传动轴相反的测量位置产生大于30bar的峰值压力。由于转子离心薄片的影响,火焰湍流十分严重,因而产生如长试管中那样的类似条件。非传动端的压力曲线延时且缓慢上升,仅达到约7.5bar。

用石英探测器和4.7kHz的低通滤波器可获得压力读数;这意味着所指示峰值压力肯定太低(参见图6),但为了使估算切合实际,还必须抑制高频振荡干扰,这些问题都在几何尺寸复杂的容积爆炸中出现。

该实例表明,在有助于混合物预压和火焰湍流膨胀的系统中,可能存在短时爆炸压力的高峰值,以便避免所述测量系统的误差。此外,为了估算与结构元件的机械强度有关的这些测量峰值压力,还应作进一步研究。


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