一种温压内爆炸准静态压力测量方法研究*

李芝绒，翟红波，闫潇敏，袁建飞

（西安近代化学研究所，西安710065）



一种温压内爆炸准静态压力测量方法研究*

李芝绒*，翟红波，闫潇敏，袁建飞

（西安近代化学研究所，西安710065）

摘要：针对有限空间温压爆炸准静态压力准确测量问题，依据传压管道滤波效应特性，设计了一种准静态压力测量组件，建立了温压内爆炸准静态压力测量方法。采用圆柱杆上的螺旋形凹槽结构，与内管壁组成了微型传压管道，与压阻型压力传感器配合，形成一种准静态压力测量组件，抑制了爆炸压力波中高频冲击波分量的传播，减小了爆炸光、热对压力传感器性能的影响。在激波管和准静态压力校准装置上，分别测量了压力组件的输出信号，得到测量组件的升压时间小于0.24 ms，测量误差小于0.6%，满足内爆炸场准静态压力的测试需求。目前，该测量方法已用于温压炸药内爆炸效应试实验中，为温压炸药爆炸释能评估提供了测试基础。

关键词：爆炸力学；准静态压力；管道效应；频响；测量误差

准静态压力是温压弹药内爆炸效应的表征参量之一，是反映温压炸药爆轰和后燃烧过程能量释放特性的重要表征参量［1］。在温压弹药爆炸效应评价时，准确测量有限空间内温压爆炸的准静态压力，成为温压炸药释能评价的关键技术之一。

温压炸药的爆炸经历了由爆轰到后燃烧两个紧密连接的释能过程［2］，在有限空间内对外输出如图1所示的压力-时间曲线，其中陡峭升压阶段是爆炸冲击波作用阶段，冲击波升压时间短，压力峰值大；随后压力快速衰减，然后又缓慢上升，逐渐达到平衡状态，这一阶段是准静态压力的形成过程，爆轰产物与周围环境中的氧气混合燃烧，释放大量热量，在有限空间形成热压效应。

图1　有限空间内爆炸压力-时间曲线

从图1的压力曲线可以看出，准静态压力峰值大约是冲击波压力峰值的几分之一，持续时间较长。要准确测量温压内爆炸形成的准静态压力，测量传感器除了具有良好的低频响特性外，还需要在初始瞬态冲击波压力作用下不被损坏，即压力传感器具有抗高过载低量程的功能。目前市场上未见到具有这种性能的压力传感器。

西北核技术研究所王等旺等，在有限空间内温压爆炸准静态压力的测试技术研究［3］中，采用压力传感器的凹陷安装方式，测量了有限空间内的准静态压力。这种测量方法的缺点是凹槽深度浅，对爆炸高频冲击波压力信号的滤波不显著，且选用了大量程压力传感器测量小幅值的准静态压力，测量误差较大；另一方面，由于压阻型压力传感器的敏感材料硅对热［4］、光敏感［5］，在温压爆炸场产生的热、光效应作用下，输出的干扰信号，也会给测量结果带来较大的测量误差［6］。

本文依据有限空间温压内爆炸准静态压力测量需求，设计了一种准静态压力测量组件，实现了准静态压力的准确测量。

1　准静态压力测量组件设计

1.1传压管的频响特性分析

在动态压力测试中，有时需要通过传压管道结构，传递被测压力，实现动态压力的测量。图2是传压管道结构简化图。

图2　传压管道结构示意图

由图2可知，传压管道是由传压管和空腔组成，在空腔的另一端安装测量压力传感器［7］。d为传压管道直径，l为传压管长度，V为传压管体积；传感器敏感面前端空腔体积为V0。被测压力Pi，通过传压管道、空腔，传递到压力传感器敏感面的压力为P。假设管道内压力是不可压缩流体，气体在管道内流动是层流，按照牛顿第二定律，管道内流体的运动微分方程［8］为：

则，传压管道系统的一阶谐振频率为：

式中，c为空气中的声速，s为管道截面积。

从式（2）可以看出，传压管道的频响特性与声速、传压管的长度、传压管和空腔的体积比相关，当传压管的长度越长，传压管与空腔体积比越小，管道系统的频响特性越差，对被测压力信号中的高频分量产生滤波现象越显著。

1.2准静态压力测量组件结构设计

上述传压管道系统的频响特性表明了传压管道具有对测量信号频响特性降低的特点，即对被测信号的高频分量信号产生滤波效应，而对低频分量信号不产生影响。应用传压管道的这个特点，可以解决温压内爆炸冲击波压力高峰值对准静态压力测量的影响问题。依据公式2，通过增加管道长度，或当管道长度一定时，减小管道直径，都可以改变传压管道系统一阶谐振频率。

依据传压管道对测量信号的滤波特性，设计了一种准静态压力测量组件［9］，结构原理如图3所示。

图3　准静态压力测量器结构示意

主要包括：①堵头；②管体；③螺旋杆；④垫片；⑤传感器安装座；⑥压力传感器。堵头的中心有一个传压孔，将爆炸压力波传输到螺旋杆的方形传压管道中，同时也可以阻挡爆轰产物中粒子的传入。在圆柱的外表面，铣出螺旋型凹槽，与管体的内表面构成一个截面很小的方型传输管道，爆炸冲击波通过方形管道传输到压力传感器的敏感面。螺旋形传压管道的优点：一是在有限空间内产生了较长的压力管道，二是螺旋形管道，阻挡了爆炸光的传播，减弱了爆炸热的传导，减小了热、光对压力传感器性能的影响。

在传压管结构中，采用的螺旋方形传压管道结构，与建立传压管道模型中假设流动为层流直圆管条件不完全相同。由于螺旋形管道的弯曲作用，在管道截面内外侧面产生压力差，易于形成涡流效应。如果当螺旋形管道的弯曲半径远大于管道半径时，在管道截面内形成极小的压差。这种压力幅度的微小变化，在管道轴向垂直方向上，流体几乎不运动，因此，可以认为当螺旋形管道的弯曲半径远大于管道半径时，管道内流体近似为层流状态。

由于管道截面形状不同，对管道内流体将产生不同的影响，主要表现为管道阻力系数的变化。按照圆“当量直径”概念，可将非圆管道等效为等效圆形管道［10］，然后按照等效圆管道分析传压管的动态特性。

在温压内爆炸过程中，后燃烧释能过程的时间尺度为百毫秒量级，形成一个逐渐升压的过程，如果燃烧释放能量没有损失，产生的准静态压力在达到最大值后将保持不变。因此准静态压力信号具有零频响特性，在选取测量压力传感器时，宜选用具有零频特性的压阻型压力传感器［11］。

图4　一种典型传压管道

图4是设计的一种典型传压管。传压管各部件的尺寸为：内螺旋杆长20 mm，螺旋角30°，凹槽宽2 mm，深0.5 mm。空腔半径2 mm，高1 mm。

依据式（3），计算传压管道压力上升时间Tr［13］：

式中，Tr等于0.11 ms。

在此准静态压力测量组件中，选用了宝鸡秦明传感器有限公司生产的CYG145型压阻型压力传感器，其测量精度达到0.5级。

在设计传压管时，首先由准静态压力的频响特性确定传压管道的频响特性，一般取传压管压力的上升时间等于或小于被测准静压力上升时间的1/5；然后依据传压管道压力上升时间，确定其谐振频率；最后按照公式2，确定传压管各部件的结构尺度。选取的压力传感器的频响特性一定要优于传压管频响特性。

2　准静态压力测量组件性能测量

2.1准静态压力组件频响特性校准

在激波管校准装置上，依据校准标准，进行了上述典型准静态压力测量组件频响特性测量，对获取的压力传感器输出信号进行数据处理，得到测量组件压力上升时间和一阶谐振频率［12］。

图5是校准使用的小型激波管装置，激波管产生的平台压力为1.2 MPa，平台持续时间约2 ms～3 ms。

图5　小型激波管装置

图6是获取的准静态压力测量组件输出的压力曲线。

图6　准静态压力测量组件输出的压力曲线

由图6曲线可知，压力上升时间等于0.24 ms，测量组件的一阶谐振频率为1 300 Hz。此测量结果小于计算结果，一方面可能是传压管到尺度测量误差的影响，另一方面可能是计算中的一些假设因素的影响。

2.2准静态压力测量组件的测量误差

由于激波管产生的阶跃压力平台保持时间短，而准静态压力测量组件的一阶谐振频率较低，用于校准准静态压力测量组件的测量误差时，产生的偏差较大。为此，设计了一种准静态压力校准装置，其系统组成原理如图7所示。

图7　准静态压力测量装置

主要包括进气阀、气室、压力表、三通快排磁阀、压力管、准静态压力测量组件、数据采集处理系统，压力表检测气室压力，三通阀控制气室与压力组件前端空腔的联通。

进行校准过程时，首先打开进气阀，空气压缩机给气室充填压缩空气，压力表检测气室压力。当达到需要压力后，关闭进气阀。然后，打开快排阀，将气室与空腔联通。气室内压缩气体传输到压力测量组件内，压力组件输出一阶跃压力数据。由于气室体积是空腔体积的几百倍，当快排阀将气室与空腔联通时，气室内气体的压力几乎不变，压力组件测量的气体压力平台在数值等于压力表指示值。

按照式（4），计算准静态压力测量组件的测量误差δ［14］：

式中：p为准静态压力组件测量值；po为气室内压力。

图8是实验获取的典型压力校准曲线。

图8　典型压力校准曲线

两组实验得到压力测量组件的测量误差都小于0.6%，满足温压内爆炸场测量精度的要求。

如准静态压力校准装置中快开阀的响应时间远小于准静态压力测量组件的响应时间，还可以使用该装置进行测量组件响应时间的测量。

3　准静态压力测量组件的应用

应用设计的准静态压力测量组件，在大型爆炸罐内进行了某配方温压炸药准静态压力的测量。实验爆炸罐体积26 m3，炸药试样质量2 kg，长径比1∶1.2。

图9是同一位置处两种压力测量方法获取的内爆炸压力曲线，其中上图为采用PCB公司的ICP型压力传感器测量的压力曲线，冲击波超压峰值为11.92 MPa，下图为设计的准静态压力测量组件获取的压力曲线，准静态压力峰值为0.30 MPa。

图9　内爆炸冲击波压力曲线（上）和准静态压力曲线（下）

对比同一位置不同测量系统获取的压力曲线，可以看出，在爆炸冲击波作用阶段，准静态压力测量曲线对应时刻有不规则的高频振荡信号，幅值远小于冲击波压力峰值。压力曲线经过一段时间的缓慢上升阶段后，稳定到一压力值上，这一压力值就是罐体内的准静态压力。

此结果表明了采用准静态压力测量组件，抑制了高频冲击波压力信号的传输，实现了内爆炸环境下准静态压力的准确测试。

图10是应用设计的典型压力测量组件，在爆炸罐内测量的同质量4种配方温压炸药的准静态压力曲线。从图示曲线可以看出，配方1、2、3的准静态压力都比TNT高，其中配方3的准静态压力最高，说明该配方温压炸药后燃烧剧烈，释放能量最多。

图10　爆炸罐内四种配方温压炸药准静态压力曲线

4　结论

①设计的准静态压力测量组件，能够准确测量温压内爆炸环境下的准静态压力。通过螺旋形的传压管道结构，解决了爆炸场高频冲击波对准静态压力的测量影响问题，避免了爆炸光、热对测量系统的影响，为温压炸药爆炸释能评价参量的测试提供了一种测试方法。

②采用激波管校准装置和准静态压力校准装置，实现了准静态压力测量组件频响特性测量和测量误差的校准，表明了设计的准静态压力测量组件能够满足有限空间温压爆炸准静态压力测量精度的要求。

参考文献：

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李芝绒（1968-），研究员，大学，主要从事弹药毁伤效应测试与评估技术研究工作，lzr204@163.com。

Test Method Research for the Quas-Static Pressure on Inside-Explosive*

LI Zhirong*，ZHAI Hongbo，YAN Xiaomin，YUAN Jianfei
（Xi’an Modern Chemistry Research Institute，Xi’an 710065，China）

Abstract：Aiming at accurate quasi-static pressure measurement for thermobaric explosion of confined space，a kind of quasi-static pressure measurement component were designed according to the filtering effect characteristic of pressure transmission pipeline.The measurement method of quasi-stat pressure for thermobaric internal explo⁃sion were established.The quasi-static pressure measurement component were constituted by piezo-resistive pres⁃sure sensors and micro transmission pipeline which were formed by spiral concave structure on the cylindrical bar and the tube wall.By using it，the spread of high frequency shock wave component of explosive pressure wave can be restrained and the influence to pressure sensor capability of explosive light and heat can be decreased.The fre⁃quency response characteristic of pressure measurement component and measurement error were measured respec⁃tively by using shock tube device and quasi-static pressure device.The pressure rise time was less than 0.24 ms and pressure measurement error was less than 0.6%.It can meet the needs of quasi-static pressure measurement in inter⁃nal explosion field.At present，the measurement method has been applied to thermobaric internal explosion experi⁃ments and provide measurement foundation to assess the explosion energy of thermobaric explosive.

Key words：explosion mechanics；quasi-static pressure；pipeline effect；frequency response；measurement error

doi：EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.02.010

收稿日期：2015-08-30修改日期：2015-11-16

中图分类号：TJ206

文献标识码：A

文章编号：1004-1699（2016）02-0208-05

项目来源：基础产品创新计划专项项目