一种基于变重力条件下的固体燃料燃烧实验装置

摘要

本发明公开了一种基于变重力条件下的固体燃料燃烧实验装置，其特征是由变重力落体装置、实验舱装置和减速回收系统组成，实验舱装置包括点火控制系统，固体燃料燃烧系统和数据采集系统；由变重力落体系统为固体燃烧系统创造一种可变重力的实验环境；由点火控制系统对固体燃料进行点火，使固体燃料燃烧；由固体燃料燃烧系统提供实验的对象；由数据采集系统获得固体燃料燃烧的温度和图像特征参数。本发明能够提供可变的重力场环境，可提供对不同低重力环境条件下固体燃料燃烧现象观测等全面系统研究的实验平台。

说明书

技术领域

本发明涉及低重力燃烧实验领域，具体的涉及一种基于变重力条件下的固体燃料燃烧实 验装置。

背景技术

失重状态下进行的科学实验有助于更好地探索物理规律，以往固体燃烧试验的研究大多 是常重力或微重力环境条件下，通过微重力落塔来提供微重力境，对变重力条件下的固体燃 料燃烧试验的研究很少涉及，变重力固体燃料燃烧实验是在地球重力加速度条件下，给燃烧 试验提供空间变重力环境，模拟固体燃料燃烧环境的实验。

发明内容

本发明提供一种用于研究变重力固体燃烧试验的装置，弥补这一空缺。实验的主要目的 是在地面上完成对变重力条件下固体燃料燃烧试验的研究。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

为实现上述目的，本发明提供了一种基于变重力条件下的固体燃料燃烧实验装置，所述 的变重力固体燃料燃烧实验装置分为3个部分，即变重力落体系统、实验舱装置和减速回收 系统；实验舱装置包括点火控制系统、固体燃料燃烧系统、数据采集系统；

所述的变重力落体系统包括配重块、PLC控制器、变频电动机、实验舱、定滑轮和吊丝， 将所述配重块、变频电动机的轴器、定滑轮和实验舱通过吊丝相连接形成一个变重力落体系 统；

所述的配重块仅在两个固定的竖直导轨间做直线运动，它用于平衡实验舱的重力，使实 验舱下落的加速度由电动机提供；所述变频电动机，固定在建筑楼层31-32米位置处，接入 三相交流电，变频电动机的控制电路由PLC控制器通过控制电频器来控制电动机的转速； 所述的PLC控制器通过编程设定控制算法，将控制指令传达到变频器；

所述的实验舱包括点火控制系统、固体燃料燃烧系统和数据采集系统；其组成部分为圆 柱形的燃烧舱和球形的头锥，其中头锥为配重块，其作用是降低实验舱的重心，使重心保持 竖直，避免在下落的过程中出现水平方向上的摆动；

所述的燃烧舱包括实验基板、泡沫塑料填充物、数码摄像机、无线接收器、PLC点火控 制器、直流电源、点火线路、电热丝、燃烧支架、固体燃料、热电偶、背景幕墙、数据采集 器；其中实验基板是燃烧舱的基础，通过泡沫塑料与头锥相连，用于承载实验装置，减缓下 落减速过程中的冲击力；所述的数码摄像机由泡沫塑料填充物固定，使数码摄像机与固体燃 料位于同一高度，为了获得清晰地图像，固体燃料与数码摄像机镜头的距离设定为15cm左 右；所述的固体燃料由燃烧支架支持，电热丝位于固体燃料的下方，用于加热固体燃料，所 述的无线接收器、PLC点火控制器、电源、点火线路相串联组成无线点火控制电路；所述的 背景幕墙为数码摄像机拍摄提供背景衬托，同时也是热电偶的安装基础；所述的热电偶将火 焰的温度值转换成电信号由数据采集器接收存储；

所述的点火控制系统包括无线信号接收器、PLC点火控制器、电源、点火线路和电热丝； 所述的点火控制系统用于接收远程遥控点火信号，点燃固体燃料；

所述的固体燃料燃烧系统包括固体燃料，燃烧支架；

所述的数据采集系统包括数码摄像机、热电偶和数据采集器；所述的热电偶位于固体燃 料上方，等间距设置一排，用于检测不同部位的火焰或羽流温度；所述数据采集器接收热电 偶产生的电信号，通过设备内部的放大电路进行电信号的放大，并记录储存；

所述的固体燃料燃烧装置是由所述变重力落体系统提供实验舱的重力舱所需的低重力 水平，由所述点火控制系统完成固体的点燃，由所述固体燃烧系统，提供实验观察的实验对 象，由所述数据采集系统获得火焰的温度和图像特征。

进一步的，所述实验舱通过变重力装置实现变重力的目的。

进一步的，所述变重力装置通过变频电动机改变实验舱的下落加速度。

进一步的，所述的变频电动机通过PLC对变频器的设定。

进一步的，所述的实验舱通过无线通讯进行点火控制。

进一步的，所述的减速回收系统通过减速减震控制实验舱平稳落地。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明能够实现实验舱下落过程加速度灵活可调，使得在固体燃料燃烧过程中，可 输入不同设定加速度值进行实验，在不同加速度值下可以得到丰富的实验结果和实验数据， 并具备空间科学实验设备所要求性能的特点，为我过未来的空间固体燃料燃烧科学实验中利 用变重力环境进行实验奠定了基础；

2、本发明能够提供一种对低重力环境下固体燃料燃烧现象观测的平台，不局限于对固 体燃料的燃烧的研究，还可以对电缆导线等可燃物质燃烧的研究，探索变重力下电缆导线的 燃烧特征，对低重力环境下电子线路防火的研究等；

3、本发明的无线点火装置，可以实现在狭窄的空间中进行遥控点火，相比较人工点火 的方法，它操作简单，能够快速有效的实现燃料的点燃，同时避免人工点火过程中可能对实 验设施的触碰，避免无关因素对实验数据的影响；

4、本发明的数据采集系统可以采集实验的图像数据和温度数据，可以获取不同频率温 度采集数据，实现不同采集需求，同时可以根据实验目的，调整部分装置位置来获得所需的 实验数据。实现功能的多样化。

附图说明

图1是本发明的变重力落体实验装置示意图；

图2是本发明的实验舱平面图；

图3a是本发明的燃烧舱内部布局示意图；

图3b是本发明的燃烧舱内部布置俯视图；

图4是本发明的热电偶布置示意图；

图5是本发明的变频电动机变速工作示意图；

图6是本发明的点火控制示意图；

图7是实施例的实验流程图；

图8是输出数据随时间变化的示意图。

附图中各标号代表的部件列表如下：

1为配重块；2为PLC控制器；3为变频电动机；4为实验舱；5为定滑轮；6为吊丝； 7为燃烧舱；8为头锥；9为实验基板；10为泡沫塑料填充物；11为数码摄像机；12为无 线信号接收器；13为PLC点火控制器；14为直流电源；15为点火线路；16为电热丝；17 为燃烧支架；18为固体燃料；19为热电偶；20为背景幕墙；21为数据采集器；22为减速回 收系统。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明的进行进一步说明。

本实施例中，如图1、图2、图3a、图3b所示的一种基于变重力条件下的固体燃料燃烧 实验装置，包括配重块1、PLC控制器2、变频电动机3、实验舱4、定滑轮5和吊丝6，将 配重块1、变频电动机3的联轴器、定滑轮5.和实验舱4通过吊丝6串联在一起组成一个运 动系统。PLC控制器2和变频电动机3通过接线组成变重力落体系统；无线信号接收器12、 PLC点火控制装置13、直流电源14、点火线路15和电热丝16通过导线相连组成一个点火 控制系统；数码摄像机11、热电偶19和数据采集器21组成数据采集系统，检测、记录实验 数据。实验基板9、泡沫塑料填充物10、背景幕墙20用于固定实验装置；燃烧支架17和固 体燃料18组成固体燃烧系统。实验落地结束通过减速回收系统22完成。

本实施例中，如图1所示，本变重力落体装置由配重块1、PLC控制器2、变频电动机 3、实验舱4、定滑轮5和吊丝6这几部分，其中配重块2可以在两条竖直导轨间做上下直线 运动，PLC控制器2、变频电动机3和定滑轮5固定在变重力实验台上，变频电动机放置在 建筑楼层31-32米位置处，实验装置距地面高度大约为30.5m。其中PLC控制器2，需要编 写电动机的控制算法，与变频器外接，进行指令的传达；变频电动机3接入三相交流电，电 流的频率由PLC控制器2通过变频器进行控制，变频电动机3的联轴器与吊丝6相连，进 行动力的传递，轮圆外径大约100mm，定滑轮5固定在平台的外缘由支架进行固定，减少 吊绳的摩擦。将配重块1与变频电动机3、定滑轮5和实验舱4顺次由吊绳6连接起来，组 成一个运动系统。

如图2所示，该图为本发明的基于变重力条件下的固体燃料燃烧实验装置的实验舱平面 示意图，实验舱4由燃烧舱7和头锥8组成，其中燃烧舱7为高500mm，外径420mm的圆 柱形结构，以厚度为1mm的钢板为材料加工而成；头锥8为直径为420mm的球形配重块， 其特征在于，减小空气阻力的影响，同时增加落体实验舱4的强度，稳定重心，可以保证实 验舱4在下落过程中的近似保持竖直状态，燃烧舱7和头锥8由不锈钢螺栓固定，便于拆卸 改装，使用密封胶带封口。

如图3a和图3b所示，该图为本发明的基于变重力条件下的固体燃料燃烧实验装置的燃 烧舱布置图；它由数码摄像机11、无线信号接收器12、PLC点火控制器13、直流电源14、 点火线路15、电热丝16、燃烧支架17、固体燃料18、热电偶19、数据采集器21、背景幕 墙20和实验基板9组成；实验的主要设备全部固定于实验基板9，基板为直径400mm的圆形 木板，通过泡沫塑料与头锥8连接，采用12V铅蓄电池14为实验同一供电，电源位于PLC 控制器与点火线路之间，实验基板9上的设备主要有数码摄像机11、无线接收器12、直流 电源14、点火线路15、燃烧支架17、背景幕墙20、以及数据采集器21；燃烧支架位于点火 线路15的上部，点火线路15位于基板中心偏右50mm左右，固体燃料18由直径1mm的燃 烧支架17支撑，由耐热性能强、低导热率的合金制成，并将其固定于点火电路上部，固体 燃料18的下方为点火电热丝16，固体燃料18为直径为10mm的易燃固体，易升华；实验 中使用3根直径约为0.5mm的热电偶19，将其固定于背景幕墙20上，对火焰温度进行测量， 布置情况如图4所示，温度数据通过离线式数据采集器21进行采集存储，数据采集器21可 以同时采集3路热电偶数据，采样频率通常设为5HZ，最高可达到25HZ，即本实施例中数 据采集器21的采样频率为5至25HZ，分辨率为0.5℃；数码摄像机11、固体燃料18位于 同一高度，为获取清晰的图像，数码摄像机11选用每秒50帧的摄像机对实验过程进行记录， 固体燃料18与数码摄像机11的距离设定为15cm至17cm；其中数码摄像机11、无线信号 接收器12、PLC点火控制器13、电源14、点火线路15、数据采集器21由泡沫塑料进行填 充支护。

如图4所示，该图为固体燃料燃烧温度检测装置热电偶19的布置局部图，右为左视图， 左为主视图，其中3个热电偶19等间距排列位于固体燃料18的正上方，间距为3mm，最 下面的热电偶19距固体燃料18大约3mm。

如图5所示，该图为变频电动机工作的组成框图，它由PLC控制器2，变频器和电动机 3组成，工作原理为：将已编写好的电动机控制程序录入到PLC控制器2中，实验开始后 PLC控制器2发出控制信号，变频器接收并改变相应的电流频率，使得电动机输出相应的转 速。

如图6所示，该图为点火过程的组成框图，它由无线远程遥控器、无线信号接收器12、 PLC点火控制器13、点火线路15中的电磁阀、电热丝16组成；工作原理:无线信号接收器 12、PLC点火控制器13、电源14、点火线路15和电热丝16组成点火控制系统，通过接收 地面点火信号，经无线接收器12将信号传达到PLC点火控制器13，PLC点火控制器13接 收并进行控制运算，控制点火线路15中电磁阀的，使得电热丝5通电，直流电源14为电热 丝16供电。

如图7所示，该图为本发明实施例的实验流程图；

实现步骤：

前期准备阶段：

1、按照图1、图2、图3、图4和图5进行设备的安装；

2、将电源14与点火线路15，电热丝16组成串联电路，点火线路15中的电磁阀与PLC 点火控制器13相接，PLC点火控制器13与无线信号接收器12相连，组成无线控制器；直 流电源14为无线接收器12、PLC控制器13、数据采集器21、点火线路15供电；变频电动 机3接入三相交流电；

3.对PLC控制器2和PLC点火控制器13进行编程设定好控制算法程序；

实验阶段：

1.打开直流电源14，启动数据采集器21；

2.手动打开数码摄像机11，调好焦距，设定每秒录制50帧，将数码摄像机对准固体燃 料，使他们处于同一水平高度，由泡沫塑料填充物10固定，离线记录实验现象；

3.遥控器发出点火命令，待固体点燃后，电热丝16停止通电；待火焰稳定后，开始实验

4.启动PLC控制器2，PLC发出电动机启动命令；

5.根据在PLC控制器2提前设定好的实验舱下落加速度值，使实验舱处于相对应的加速 度下落，通过修改加速度值来改变实验舱工况，也可事先设定幅值对实验舱工况控制

6.实验结束，停止变频电动机3，通过减速回收系统22回收实验舱，实现实验舱平稳落 地。之后打开实验舱，关闭直流电源14，关闭数码摄像机11和关闭数据采集器21；

后期处理阶段：

1、将数码摄像机记录的视频进行图像分析，获得不同重力条件下火焰相关特征参数， 如火焰形态和振荡频率特征等；

2、将数据采集器中的温度数据进行分析得到温度随时间变化的关系，示意图如图8所 示，其重力水平为0.15，其中设定实验舱下落瞬间时刻为零时刻。

实验过程中，可输入不同加速度值进行实验，在不同加速度值下，可以得到不同的实验 现象和实验数据。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施 例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修 改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求 范围当中。