新型爆轰管点火和惰性气体喷射时间同步控制

陈秋敏，胡 洋

(华北科技学院 安全工程学院,北京 东燕郊 065201)

0 引言

激波管用以产生气体冲击波的实验装置，其点火与激波管点火与射流的同步性是衡量激波管重要参数，也是实验精度的重要指标，国内对激波管点火设备的研究最早都是在航天等军工领域，张贵德[1]对国产可控硅的研究同步控制装置有了理论，杜光远[2]在此基础上设计出了固态继电器，使张金娅[3]对压电点火器的研究让点火稳定性得到保障，廖钦[4]等雾化激波管研制和煤油点火延时测量等对激波管延时和同步的运用比较类似，国内目前还没有涉及到激波管射流同步设备可控硅同步的设计，就目前实验室设计的点火设备和气体喷射器为单独控制按键，在工作中延时时间漂移很大。特别地，气体喷射时间约为几十毫秒量级。为了统一时间，要求点火和喷射并联可控硅同时被触发。点火器为直流电源，电磁阀为交流电源，如果可控硅同时用直流电输出，则电磁阀无法打开，如果可控硅同时输出交流电，则点火器无法打开，所以还需要增加一个电流变放器。同样，还需要考虑进入可控硅的电信号类型，可控硅接受的电信号为0～5 V电压，这是可控硅外触发时所能接受的电压值。进出电压符合要求，信号进出的时间应控制到最小。由于有可控硅并联，并联时信号的时间减损达到最小，均可认为近乎是完全同步触发的装置。该触发装置同时向点火和射流可控硅元件发出触发脉冲使阀同时导通。

1 实验室点火器和电磁阀介绍

1.1 点火器开关

现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。这里开关电源内部结构是直流开关电源，其功能是将电能质量较差的原生态蓄电池电源[5]，转换成满足设备要求的质量较高的直流电压。从而达到实验使用高电压尖端放电的要求[6]，点火器实物图如图1所示。

图1 点火器实物图

图2 点火器原理示意图

点火系统使用220 V电压击穿部分空气形成电弧诱导5000 V高电压放电，采用三电极方式，即是高电压极、常电压极和负极[7]。点火原理如图2所示，高压直流电源给电容器C充[8-9]，控制滑动变阻器控制电容两端电压，达到所需电压后可通过触发放电开关G使电路接通，这时再F尖端放电，如图3为尖端装置。

点火操作步骤：

(1) 点火器连接220 V电压；

(2) 依次打开“电源”和“充电开关”两个按钮；

(3) 调节“电压调节旋钮”到合适电压；

(4) 按动触发按钮点火；

图3 尖端装置图

1.2 电磁阀装置

电磁阀为OK87H系列高压电磁阀，阀座直径为DN10，承受最大压力3.5 MPa，交流AC220 V，阀体材料为SS304,密封材料为PTFE，电磁阀实际图如图4(a),图4(b)为简图。

本实验要设计并联可控硅把点火开关和电磁阀并联，使得一个信号发出两个脉冲并同时触发两个开关，实现惰性气体喷射(N2或CO2等)和点火实现同步控制[10]，主要思路如图5。

图4 OK87H电磁阀示意图

图5 点火和喷气时间 控制思路示意图

2 技术方案

2.1 控制系统

根据图5 的控制设计思想，图6给出了设计的控制系统技术方案示意图。概述如下：

(1) 由信号发生器产生电平TTL0，送入到多通道信号延时器(8通道，延时精度为2 μs)。

(2) 经过8通道时间延时器，分别产生延时时间为Δt1的TTL1(CH1)和Δt2的TTL2(CH2)。

(3) 电平TTL1经过固态继电器(可控硅)控制点火段的低压正极和地线产生放电、击穿高压正极和地线的介质，产生高压放电。同时TTL2经过固态继电器使电磁阀动作，喷射N2等，CH1和CH2分别设定延时时间Δt1和Δt2。8通道时间延时器是通过软件延时，延时精度为2微秒。

(4) Δt1和Δt2确定需要采用单独的实验测量系统确定。

图6 时间同步控制技术方案示意图

2.2 时间测量

2.2.1 确定点火控制系统本身的延时时间Δt01

首先测量点火系统本身的延时时间Δt01，其测量思路如图7所示。

(1) 拆下点火法兰。

(2) 将火焰测速光纤固定在点火电极附近。

(3) 将TTL0、TTL1(设为0)和光电管PD或光电倍增管PMT(加多个滤光片)的信号送入数采系统，测量TTL0。和PMT或PD信号之间的延时时间，这样就确定了点火放电信号的时间延时。

(4) 重复上述实验，求得N次实验的Δt01(i，i=1,2,3,….,N)，确定Δt01的平均值。

图7 点火系统延时时间Δt01测量方案示意图

2.2.2 确定喷射时间Δt02

需要测量氮气喷射系统的延时时间Δt02。技术方案如图8所示。主要步骤如下：

(1) 拆下氮气喷射系统。

(2) 利用信号发生器产生电平TTL0，经8通道时间延时器产生触发固态继电器延时电平TTL2。同时输出信号控制CCD相机的外触发端口。

(3) 根据N2喷射出来的高速摄影的图像帧数和帧间隔时间，就可以判断TTL2 到N2喷射出来后的时间延时Δt02。

(4) 重复上述实验N次，求得N次实验的Δt01(i，i=1,2,3,….,N)，确定Δt02的平均值。

图8 喷气系统延时时间Δt02测量方案示意图

2.2.3 确定Δt1和Δt2

根据上述测量Δt01和Δt02平均值，结合压力和火焰测量的延时时间，就可以确定Δt1和Δt2了。具体地：Δt2取为Δt02的平均值，根据确定的压力或火焰测量信号的到达实验段时间Δt，可以确定Δt1=Δt01+Δt，并近似等于Δt2。这样就确定了Δt1和Δt2。延时次序见图9。

图9 控制系统时序图(横轴为时间，纵轴为TTL电压)

2.3 实验操作安全事项

(1) 充气安全操作：对参试物的安装、固定、支撑与密封等情况进行全面检查，确认无误后，方可进行充气。

(2) 点火安全操作：先检查电路是否正常，从电源、畜电器、控制器、点火器，依次检查，然后对系统工作状态按试验要求设置，设置完毕后进行联试，确保系统各部分正常工作，慢慢加压，加压速度在1000 V/min,达到需要电压后启动总控制台，向各岗位发出“工作”信号。

(3) 起爆[10]安全操作：必须对各个部位进行安全检查，确认无误后，人员撤离现场，待所有人撤离现场后按下点火装置。

3 结果与结论

3.1 点火延时实验结果

信号发生器产生的标准TTL电频在数据采集卡的时间和点火信号产生的时间如图10所示。

图10 点火延时数据图

经过多组实验对采集数据做分析得出点火延时时间为24 μs，TTL发出信号可控硅产生脉冲的延时时间近为2 μs，如图11所示。

图11 可控硅延时时间图

3.2 射流延时实验结果

利用信号发生器产生电平TTL0，经8通道时间延时器产生触发固态继电器延时电平TTL2。同时输出信号控制CCD相机的外触发端口。根据N2喷射出来的高速摄影的图像帧数和帧间隔时间，就可以判断TTL2 到N2喷射出来后的时间延时Δt02为5 ms，如图12所示。

3.3 结论

(1) 从实验结果得TTL发出信号可控硅产生脉冲到点火延时时间为26 μs，射流的延时时间为5 ms。点火位置到喷体位置DDT延时时间为4974 μs。

(2) 根据继电器的原理设计的同步控制方案，符合激波管点火和射流同步控制要求，并提出了安全操作事项。

(3) 针对控制器输出不同电压幅值要求，设计了电压转化器模块，并要求信号源从进继电器到出控制器的时间损耗达到最小，设计了复合电路器电信号进出时间差小于2 μs。

图12 高速摄影的图像

[1] 张贵德.国产高压直流可控硅触发阻尼试验装置研制[J].技术交流,2016(19)：153-155.

[2] 杜光远.固体继电器在武器系统中的应用[J].电子元器件与可靠性,2015(10):33.

[3] 张金娅.压电点火器的发电特性研究[J].新技术,2015(02):88-90.

[4] 廖钦.雾化激波管研制和煤油点火延时测量[J].实验流体力学，2009，23(3)：70-74.

[5] Jian LI.Design of a multi-motor synchronous controller[J].机床液压机电液一体化工程,2016(11):44

[6] 刘乾业.高压电容器组安装设计及相关产品[J].电世界,2006(12)：4-5.

[7] 朱秀斌.基于 PLC 控制的机械电气传动同步控制器研发设计[J].煤炭技术,2012(6):31.

[8] 孙小波.一种工业通用同步控制器的设计及应用[J].机械与电子,2003(6)：35-37.

[9] 韦延方.一种新型的高压直流输电技术---MMC-HVDC[J].电力自动化设备,2012(7):32.

[10] 张岩.数控砂轮修行机同步控制系统设计[D].武汉：武汉理工大学,2013.

[11] 中华人民解放军总参谋部.1485抗暴激波管实验规程[S].GJB4569-1991.