一种多火花高能静电发生装置及控制方法与流程

本发明属于电子点火器技术领域，具体涉及一种多火花高能静电发生装置及控制方法。

背景技术：

可燃爆性、爆炸指数、爆炸下限以及极限氧浓度等燃爆特性参数是评价粉尘燃爆危险性的重要参数。在食品、采矿、化工、纺织等领域，多有涉及可燃粉尘的生产、加工及运输，这增加了可燃粉尘的燃爆潜在危险性。通过对可燃粉尘燃爆特性参数的测量，可为可燃粉尘的防爆及泄爆设计提供重要参考。

粉尘燃爆特性参数的测量，是通过一定压力将待测粉尘均匀分散至测试装置中，形成粉尘云，然后以一定能量的点火具去试点燃待测粉尘，进而测得相应的测试参数。使用的点火具通常有两类：化学点火具与静电点火具。化学点火具由熔断丝与烟火药构成，烟火药由锆粉、过氧化钡和硝酸钡按4：3：3的比例混合得到，具有释放能量高且爆炸时呈球形分散特点，能量一般为1kj~10kj，在可燃粉尘燃爆特性参数的测量中得到广泛应用。但化学点火具配置所需药品近年来均被列为管制危险品，购买极为困难，且每次实验需更换点火头，操作繁琐，也带来很大的安全隐患；其次，化学点火头引燃后爆炸形状具有随机性，引燃粉尘效果不一致，导致不同批次的粉尘燃爆特性参数测量结果偏差较大。静电点火具是通过对电容的充放电来产生一定能量的静电火花，能量一般为0.1mj~10j。相较于化学点火，静电点火具有可重复使用、能量可调、操作便捷等优点，但能量无法达到化学点火具的量级。专利cn101639229通过“高压击穿、低压续弧”方式，虽实现了较大能量放电，但其通过延长放电时间来增加放电能量，放电时间远大于化学点火方式；再者，其为单点点火，而化学点火方式为分散的多点点火，因此相较于化学点火方式，使用该方法所测得的粉尘燃爆特性参数偏低。

当前20l球形爆炸参数测试仪、1m³球形爆炸参数测试仪等粉尘燃爆特性参数测试类仪器仍普遍采用化学点火方式，但又面临着化学点火具难以获取的困扰，而静电点火方式因测量误差大又难以获得行业认可。这导致粉尘燃爆检测行业面临着虽有测量仪器、但无点火具的困境。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提出了一种多火花高能静电发生装置及控制方法，主要应用于20l球形爆炸参数测试仪、1m³球形爆炸参数测试仪等粉尘燃爆特性参数测试类仪器，该方法可实现与传统化学点火方式相比拟的点火效果，避免化学点火方式操作的危险性、繁琐性以及化学点火具的难获取性，同时还能克服传统静电点火方式放电能量低、单点放电缺点，实现粉尘燃爆特性参数更安全、更便捷、更精确地测量。

为实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供的一种多火花高能静电发生装置，包括高能静电发生装置、高压电极、地电极、支架、法兰盘、球体及附属高压导线。所述法兰盘，安装于球体顶部，用于固定支架，密封球体；所述支架垂直固定于法兰盘，为高压电极和地电极提供支撑，同时为高能静电发生装置、高压电极和地电极提供电气连接；所述高能静电发生装置，设置于球体外部，用于产生多个相互独立且可调节能量的高压输出；所述高压电极和地电极，构成配对的点火电极，与所述高能静电发生装置连接，用于产生静电火花。

进一步说，所述高能静电发生装置包括高压电源、限流电阻、充电继电器、支路继电器、充电电容、放电继电器、负载电感、泄放继电器、泄放电阻及附属高压导线。高压电源通过高压导线连接至限流电阻一端，限流电阻另一端通过充电继电器连接至支路继电器一端，支路继电器通过充电电容连接至地。支路继电器和充电电容构成充电回路，充电回路可根据需求布置若干支路，当需要对某一个支路的充电电容充电时，充电继电器和对应的支路继电器闭合，所述高压电源对充电电容充电，高压电源同时监控充电电容两端的电压，当电压达到设定值时，充电继电器断开，高压电源停止充电。充电电容两端并联有放电继电器、负载电感、高压电极和地电极，构成放电回路，高压电极和地电极相距一定距离，当需要放电时，闭合放电继电器，充电电容所存储的高压电加载至高压电极和地电极上，当所加载的高压电压大于击穿电压时，高压电将击穿高压电极和地电极之间的空气间隙，形成电火花。每支充放电回路相互独立，可在每对高压电极和地电极间产生可调能量的静电火花。通过改变充放电回路数量，用以改变同时产生的静电火花数量。

进一步说，所述充电电容的电容值为100~1000nf，其耐压值在10kv以上。

进一步说，所述放电继电器采用火花隙开关，其耐压值在10kv以上，所有支路的火花隙开关采用同步信号控制。

进一步说，所述充放电回路可根据需求布置若干支路，由于每个充放电回路均相互独立，因此设置多少支充电电容支路即对应同时产生多少支静电火花，特别地，充放电回路数量优选两个或四个。

进一步说，所述高压电极和地电极的数量、材质、形状均相同，两者一一配对使用，共同构成一对点火电极。所述点火电极材质优选钨合金，电极直径2mm，每对点火电极间距2~8mm。

进一步说，根据需求采用一至四对点火电极，每对点火电极的尖端相对放置且中心轴处于同一直线，不同对点火电极成一定角度放置。不同位置的多点点火对粉尘云的引燃效果不同，当采用两对点火电极时，特别地，两对点火电极中心轴优选相差60°角；当采用四对点火电极时，特别地，各有两对点火电极中心轴处于一条直线，且两条直线正交。

粉尘爆炸特性参数测试时，在点火装置作用下，悬浮粉尘在热源作用下迅速干馏或气化，产生可燃气体，可燃气体与空气混合成的爆炸性混合气体在热源作用下产生火焰。该火焰释放的热量以热传导和火焰辐射的方式传给附近悬浮的粉尘，使燃烧循环进行，随着每个循环得到逐次进行，反应速度逐渐加快，引发更剧烈燃烧，最后形成爆炸。通过测量爆炸过程中的压力与时间关系，计算得到压力上升速度和爆炸指数等燃爆特性参数。当点火装置能量较低或点火源分散度低时，不能在较短时间内干馏或气化足够的悬浮粉尘颗粒，进而使后续循环反应进度较慢，所测得的压力上升速度偏低；当点火装置能量较高或点火源分散度高时，能在较短时间内干馏或气化足够的悬浮粉尘颗粒，进而使后续循环反应进度更快，所测得的压力上升速度偏高。由于粉尘燃爆测试时，从粉尘引燃至达到最大爆炸压力时，时间通常低于20ms，因此要求静电点火装置需在1ms内将火花能量释放。

本发明的多火花高能静电发生装置将充电电容的电容值提高至100~1000nf，将回路电阻降低至2ω以内，因此根据火花能量计算式和时间常数计算式，每支充放电回路可产生高达50j的火花能量，瞬时放电电流达1000a，放电时间低于1ms。

多火花高能静电发生装置通过精确控制每支火花能量、火花位置和发生时刻，形成多点火源共同引燃待测粉尘云，从而实现高可控性、高重复性的燃爆参数测试。多火花高能静电发生装置每支放电回路电阻低至2ω，能量损失较少，放电效率高于90%。因此尽管总能量低于化学点火，但点火效果可比拟化学点火。

由于要求静电点火装置需在1ms内将火花能量释放，因此要求所有支路的放电继电器的闭合时间偏差不高于±0.1ms。采用同步信号对所有支路的放电继电器进行控制，满足时间偏差要求。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供一种基于多火花高能静电发生装置的多火花高能静电控制方法，包括以下步骤：

1）打开高压电源开关，闭合充电继电器和支路继电器；

2）控制高压电源输出设定电压，并监控充电电容两端电压；

3）当充电电容两端电压达到设定值时，自动断开充电继电器，并关闭高压电源；

4）关闭放电继电器，产生静电火花；

5）放电结束后，闭合泄放继电器，通过泄放电阻将充电电容两端残余电压泄放，泄放完成后，断开泄放继电器和支路继电器，进入下一轮测试。

从上述技术方案可以看出，本发明的一种多火花高能静电发生装置及控制方法具有以下有益效果：通过多火花高能静电发生方式可在同一时刻产生多点火源，多点火源共同引燃待测粉尘云，提高了点燃效率；每支充放电回路可产生高达50j且放电时长低于1ms的火花能量，提高了传统电点火器的火花能量并降低了放电时长。多火花高能静电发生方式可作为化学点火方式的替代，实现粉尘燃爆特性参数更安全、更便捷、更精确地测量。

附图说明

图1为多火花高能静电发生装置结构示意图。

图2为多火花高能静电发生装置原理图。

图3为根据本发明实施例的两对电极布置示意图。

图4为根据本发明实施例的四对电极同水平面布置示意图。

图5为根据本发明实施例的四对电极异水平面布置示意图。

图中：1、球体；2、法兰盘；3、支架；3-1、第一支架；3-2、第二支架；3-3、第三支架；3-4、第四支架；3-5、第五支架；4、高压电极；4-1、第一高压电极；4-2、第二高压电极；4-3、第三高压电极；4-4、第四高压电极；5、地电极；5-1、第一地电极；5-2、第二地电极；5-3、第三地电极；5-4、第四地电极；6、高压电源；7、限流电阻；8、充电继电器；9、第一支路继电器；10、第二支路继电器；11、第三支路继电器；12、第四支路继电器；13、第一放电继电器；14、第二放电继电器；15、第三放电继电器；16、第四放电继电器；17、第一充电电容；18、第二充电电容；19、第三充电电容；20、第四充电电容；21、第一负载电感；22、第二负载电感；23、第三负载电感；24、第四负载电感；25、泄放继电器；26、泄放电阻。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种多火花高能静电发生装置。参考图1，多火花高能静电发生装置，包括高能静电发生装置、高压电极4、地电极5、支架3、法兰盘2及附属高压导线。

所述支架3为高压电极4和地电极5提供支撑，支架3固定于法兰盘2上，支架3和法兰盘2之间通过绝缘套管隔开，绝缘套管材质优选聚四氟乙烯，厚度不低于5mm。法兰盘2安装于20l球体1顶部。高能静电发生装置放置于20l球体1外部，高能静电发生装置通过高压导线连接至支架3，支架3再分别连接至高压电极4和地电极5。支架3为不锈钢材质，为高能静电发生装置、高压电极4和地电极5提供电气连接。

参考图2，高能静电发生装置包括高压电源6、限流电阻7、充电继电器8、第一支路继电器9、第二支路继电器10、第三支路继电器11、第四支路继电器12、第一放电继电器13、第二放电继电器14、第三放电继电器15、第四放电继电器16、第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20、第一负载电感21、第二负载电感22、第三负载电感23、第四负载电感24、泄放继电器25、泄放电阻26及附属高压导线。其中，高压电源6通过高压导线连接至限流电阻7一端，限流电阻7另一端连接充电继电器8，充电继电器8的另一端连接至第一支路继电器9一端、泄放继电器25，第一支路继电器9的另一端通过第一充电电容17连接至地，构成充电回路。泄放继电器25的另一端连接泄放电阻26，泄放电阻26的另一端接地。第一充电电容17两端并联有第一放电继电器13、第一负载电感21、第一高压电极4-1和第一地电极5-1，构成放电回路，第一高压电极4-1和第一地电极5-1相距一定距离。负载电感，用于延长放电时长。

可根据需求布置若干充放电回路，参考图2，当布置四个充放电回路时，其余第二、第三、第四个充放电回路连接方式与第一支路继电器9、第一充电电容17、第一放电继电器13、第一负载电感21、第一高压电极4-1和第一地电极5-1构成的第一个充放电回路相同，这里不再赘述。

当需要对某支路的充电电容充电时，以第一支路为例，充电继电器8和第一支路继电器9闭合，高压电源6通过限流电阻7对第一充电电容17充电，高压电源6同时监控第一充电电容17两端的电压，当电压达到设定值时，充电继电器8断开，高压电源6停止充电。当需要放电时，闭合第一放电继电器13，第一充电电容17所存储的高压电加载至第一高压电极4-1和第一地电极5-1上，当所加载的高压电压大于击穿电压时，高压电将击穿第一高压电极4-1和第一地电极5-1之间的空气间隙，形成电火花。

高压电源6输出电压范围为0~10kv，通过限流电阻7可将输出电流限制小于10ma。

充电继电器8、第一支路继电器9、第二支路继电器10、第三支路继电器11、第四支路继电器12、第一放电继电器13、第二放电继电器14、第三放电继电器15、第四放电继电器16及泄放继电器25均为高压继电器，其耐压值在10kv以上。

限流电阻7、泄放电阻26均为高压电阻，其耐压值在10kv以上。限流电阻、泄放电阻用于保护充放电回路。

第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20的电容值为100~1000nf，其耐压值在10kv以上，通过改变第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20和高压电源6输出电压，即可控制每个电火花的能量大小，根据电容储能公式e=0.5cu²计算，每支充电电容支路可产生高达50j的放电火花能量，放电时长低于1ms。

充电电容可根据需求布置若干支路，由于每个充电电容支路均相互独立，因此选择多少支充电电容支路即对应可同时产生多少支静电火花，特别地，充电电容支路数量优选两支或四支。不同位置的多点点火对粉尘云的引燃效果不同。

当充电电容支路数量为两支时，对应将有两对点火电极。参考图3，第一高压电极4-1、第二高压电极4-2分别固定于第二支架3-2、第一支架3-1上，第一地电极5-1、第二地电极5-2固定于第三支架3-3上，第一支架3-1、第一支架3-2、第三支架3-3垂直固定于法兰盘2上，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3法向距离相等。第一高压电极4-1、第二高压电极4-2和第一地电极5-1、第二地电极5-2的材质、形状均相同，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3的材质、形状均相同。特别地，电极材质优选钨合金，电极直径2mm。第一高压电极4-1和第一地电极5-1构成一对点火电极，第二高压电极4-2和第二地电极5-2构成另一对点火电极，每对点火电极尖端相对放置且中心轴处于同一直线，两对电极中心轴相差60°角且处于同一水平面，每对点火电极间距2~8mm。

当充电电容支路数量为四支时，对应将有四对点火电极。参考图4，第一高压电极4-1、第二高压电极4-2、第三高压电极4-3、第四高压电极4-4分别固定于第二支架3-2、第四支架3-4、第一支架3-1、第五支架3-5上，第一地电极5-1、第二地电极5-2、第三地电极5-3、第四地电极5-4固定于第三支架3-3上，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4、第五支架3-5垂直固定于法兰盘2上，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4与第五支架3-5的法向距离相等。第一高压电极4-1、第二高压电极4-2、第三高压电极4-3、第四高压电极4-4和第一地电极5-1、第二地电极5-2、第三地电极5-3、第四地电极5-4的材质、形状均相同，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4、第五支架3-5的材质、形状均相同。特别地，电极材质优选钨合金，电极直径2mm。

第一高压电极4-1和第一地电极5-1，第二高压电极4-2和第二地电极5-2，第三高压电极4-3和第三地电极5-3，第四高压电极4-4和第四地电极5-4各构成一对点火电极，每对点火电极尖端相对放置且中心轴处于同一直线，每对点火电极间距2~8mm。各有两对电极中心轴处于一条直线，两条直线正交且处于同一水平面，也即将在同一水平面产生四支静电火花，且四支静电火花分布在以第三支架3-3为圆心、地电极5为半径的圆周上。四支静电火花将同时产生，共同引燃粉尘云，因而可以实现与化学点火方式相同的多点点火。

在本发明的另一个示例性实施例中，还提供了当充电电容支路数量为四支时的另一种点火电极布置方式。参考图5，第一高压电极4-1、第二高压电极4-2、第三高压电极4-3、第四高压电极4-4分别固定于第二支架3-2、第四支架3-4、第一支架3-1、第五支架3-5上，第一地电极5-1、第二地电极5-2、第三地电极5-3、第四地电极5-4固定于第三支架3-3上，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4、第五支架3-5垂直固定于法兰盘2上，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4与第五支架3-5的法向距离相等。第一高压电极4-1、第二高压电极4-2、第三高压电极4-3、第四高压电极4-4和第一地电极5-1、第二地电极5-2、第三地电极5-3、第四地电极5-4的材质、形状均相同，第一支架3-1、第二支架3-2、第三支架3-3、第四支架3-4、第五支架3-5的材质、形状均相同。特别地，电极材质优选钨合金，电极直径2mm。

第一高压电极4-1和第一地电极5-1，第二高压电极4-2和第二地电极5-2，第三高压电极4-3和第三地电极5-3，第四高压电极4-4和第四地电极5-4各构成一对点火电极，每对点火电极尖端相对放置且中心轴处于同一直线，每对点火电极间距2~8mm。各有两对电极中心轴处于一条直线，两条直线正交但不处于同一水平面，也即将在上下两个水平面产生四支静电火花，其中，上水平面的两支静电火花成一条直线，下水平面的两支静电火花成一条直线，且与上水平面的直线正交。四支静电火花同时产生，共同引燃粉尘云，实现与化学点火方式相同的多点点火。

多火花高能静电发生控制方法包括以下步骤：

1）打开高压电源6开关，闭合充电继电器8和第一支路继电器9、第二支路继电器10、第三支路继电器11、第四支路继电器12；

2）控制高压电源6输出指定电压，并监控第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20两端的电压；

3）当第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20两端电压达到设定值时，自动断开充电继电器8，并关闭高压电源6；

4）关闭第一放电继电器13、第二放电继电器14、第三放电继电器15、第四放电继电器16，产生多支静电火花；

5）放电结束后，闭合泄放继电器25，通过泄放电阻26将第一充电电容17、第二充电电容18、第三充电电容19、第四充电电容20两端残余电压泄放，泄放完成后，断开泄放继电器25和第一支路继电器9、第二支路继电器10、第三支路继电器11、第四支路继电器12，进入下一轮测试。

综上所述，本发明的多火花高能静电发生装置及控制方法通过多火花高能静电发生方式可在同一时刻产生多点火源，多点火源共同引燃待测粉尘云，提高了点燃效率；每支充放电回路可产生高达50j且放电时长低于1ms的火花能量，提高了传统电点火器的火花能量并降低了放电时长。多火花高能静电发生方式可作为化学点火方式的替代，实现粉尘燃爆特性参数更安全、更便捷、更精确地测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。