本发明公开了一种火药燃烧气体成分测试方法，该方法可定量测试火药在特定条件下燃烧产物中主要气体成分的质量。该方法的步骤主要包括：第一，测试样品处理及密闭燃烧室初始条件调节。第二，点燃测试样品，使燃烧生成气体与填充气体进行充分混合。第三，将混合气体经过降压调流速处理后通过传感器阵列，采集燃烧室压强、气体成分浓度、流速等相关数据。第四，测试完成后对废气进行处理。第五，测试数据处理，计算单位质量测试样品燃烧生成的燃气成分质量。第七，测试结果表征。该方法适用于燃烧产物中CO、CO2、NO、NO2、HCL、NH3等多种气体成分质量测试。该方法的发明为火药燃烧机理、配方及工艺设计研究提供必要的技术手段。
1.一种火药燃烧气体成分测试方法，其特征在于包括以下步骤：(1)称量火药测试样品，置于密闭燃烧室承力托的样品托架上，点火线穿过测试样品固定于样品托架两侧的点火接线柱上，将承力托固定在密闭燃烧室底部，并连接点火电源；
(2)用高纯氮气或氩气对密闭燃烧室及管路中的空气进行吹扫，并对密闭燃烧室的初始压力进行调节，用空调或水浴恒温装置对密闭燃烧室内的初始温度进行调节，使密闭燃烧室的初始压力和初始温度达到测试要求；
(3)将密闭燃烧室内的火药测试样品点燃，等待2min～5min使燃烧生成气体并与燃烧室中的填充气体进行充分混合；
(4)将燃烧室内的混合气体经过限压阀和流量计，通入传感器阵列，利用数据采集装置采集燃烧室压强、温度、以及混合气体中燃气成分的浓度、流速、压强、温度随时间变化的数据；
(5)数据采集结束后，将测试管路中的剩余气体通过快速排气管路排出，利用高纯氮气或氩气对密闭燃烧室和测试管路中的残余气体进行吹扫；
(6)通过传感器阵列的燃气成分A的质量m1(A)，通过公式(1)计算：式中：m1(A)为单位为mg；
VA为标准状态下气体A的摩尔体积，单位为L/mol；
CA(i)为燃气成分A体积浓度的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为ppm；
v(i)为测试管道中流速的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为L/min；
P(i)为传感器阵列中混合气体压强的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为MPa；
T(i)为传感器阵列中混合气体温度的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为K；
(7)残留在密闭燃烧室中的燃气成分A的质量m2(A)，通过公式(2)计算：式中：m2(A)为单位为mg；
Pt为采集终止时，密闭燃烧室内混合气体的压强，单位为MPa；
Tt为采集终止时，密闭燃烧室内混合气体的温度，单位为K；
(8)火药测试样品单位质量燃烧生成的燃气成分A质量m(A)，通过公式(3)计算；
(9)平行测量五次火药测试样品单位质量燃烧生成气体成分质量m(A)，依据格拉布斯准则，剔除异常数据，采用有效测试数据的均值作为最终测试结果。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于测试步骤(1)中在将承力托固定在密闭燃烧室底部之前，若测试要求对测试样品的保温时间有规定，则将安装好测试样品的承力托的点火线两端短接，然后整体放入烘箱内进行保温；保温时间达到要求后，将承力托固定在密闭燃烧室底部，并连接点火电源。
3.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于测试步骤(3)中测试样品点燃后，如果密闭燃烧室初始压力较低，向燃烧室混合气体内快速加入高纯氮气或氩气，然后等待2分钟～5分钟使燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合。
4.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于测试步骤(4)中当系统中有多种气体传感器且工作所需流速范围不一致时，在气体传感器共有的流速范围内取值对燃烧生成气体的流速进行调节；当气体传感器之间流速要求差异过大时，不可同时接入测试系统使用。
5.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于测试步骤(5)中，在密闭燃烧室初压较低的情况下，当限压阀两端压强相同时，停止数据采集；在密闭燃烧室初压较高的情况下，当各气体组分传感器的测量值在20分钟内相对稳定时，停止数据采集。
6.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于测试步骤(5)中测试管路中剩余气体通过管路排出时，排出到碱性溶液中。
一种火药燃烧气体成分测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种火药燃烧气体成分质量的测试方法，适用于推进剂及发射药在特定压力、特定初温下燃烧生成气体成分质量测试。
背景技术
[0002] 火药的燃烧是一个复杂的物理和化学变化过程，在燃烧产物中，不仅包含了烟雾，还包含CO、CO2、NO、NO2、HCL、NH3等气相燃烧产物。火药燃气成分检测，属于燃烧实验诊断技术之一。它为进一步了解化学反应过程，以及与流体力学、传热、其他物理现象之间复杂的相互作用提供必要的信息。随着高技术武器的发展，对洁净燃气发生剂的需求越来越多，对燃气发生剂的低特征信号的要求越来越高。对燃气成分及其浓度的测量，对于火药燃烧机理研究、洁净燃气发生剂及洁净发射药研制有着重要的意义。
[0003] 目前，国内现有的针对火药燃气成分的测试技术，多是在发射药装药或者推进剂装药现场，对火药燃烧之后的气体用气体收集袋收集，然后进行实验室分析，或者直接用便携式气体成分分析仪进行现场采集，然后测试混合气体中的燃烧生成气体主要成分的浓度。这种方法适用于对试验现场的有害气体浓度检测分析，在进行火药燃烧机理研究时，其不足之处在于：(1)测试样品燃烧的初始条件不易控制。利用发动机或弹道枪等器材进行测试时，对火药测试样品量需求较大，且需要对测试样品进行复杂的工序处理。利用密闭燃烧室进行测量时，也需要对密闭燃烧室内的空气进行吹扫、对燃烧室的压力初温进行调节等操作。(2)测试样品燃烧生成气体浓度不稳定，易受环境中干扰。利用发动机及弹道枪等器材进行测试时，测试样品燃烧生成气体扩散在空气中，其浓度受到扩散时间，空气扰动影响，燃烧生成气体不稳定。在密闭燃烧室内点燃测试样品时，燃烧气体浓度测试结果受填充气体纯度的影响较大，受到密闭燃烧室初始压力影响较大。
[0004] 由上述两点可知，现有燃气成分浓度测试试验方法前期准备复杂，受测试环境、测试条件影响较大。不利于火药燃烧过程以及燃烧产物等方面的机理研究。
发明内容
[0005] 为了克服现有技术存在的不足和缺陷，本发明提供一种火药燃烧气体成分质量测试方法。该发明适用于定量测试推进剂及发射药在特定压力和初温下的燃烧生成气体中多种成分的质量，该方法为研究火药在不同状态下的气态燃烧产物、燃烧效率提供了必要的技术手段。
[0006] 本发明使用一种火药燃烧气体成分测试装置对火药燃烧的气体成分质量进行测试，该测试装置主要由密闭燃烧室、压力调节装置、水浴恒温装置、点火控制器、限压阀、流量计、传感器阵列、数据采集及分析装置、标准气瓶阵列、快速排气装置、分析天平组成。其中密闭燃烧室外壁有水浴恒温装置，可对燃烧室腔体内温度进行调节。压力调节装置可对密闭燃烧室腔体进行吹扫以及填充。点火控制器具备输出电流可调节、电阻检测功能。限压阀、流量计位于密闭燃烧室与传感器阵列之间，通过测试管路相连。传感器阵列包含压力传感器、温湿度传感器以及CO传感器、CO2传感器、NO传感器、NO2传感器、HCL传感器、NH3等多种气体成分传感器。数据采集及处理装置为具备信号调理功能及数据采集及处理功能的工控机。标准气瓶阵列包含传感器阵列中所有气体传感器检测气体种类的标准气瓶。快速排气装置由开关阀和排气管道组成，排气管道的末端升入盛有碱性溶液的容器中。
[0007] 本方法步骤如下：
[0008] (1)称量火药测试样品，将测试样品置于密闭燃烧室承力托的样品托架上，点火线穿过测试样品固定于样品托架两侧的点火接线柱上，将承力托固定在密闭燃烧室底部，并连接点火电源。
[0009] (2)用高纯氮气或氩气对密闭燃烧室及管路中的空气进行吹扫，并对密闭燃烧室的初始压力进行调节，用空调或水浴恒温装置对密闭燃烧室内的初始温度进行调节，使密闭燃烧室的初始压力和初始温度达到指定要求。
[0010] (3)将密闭燃烧室内的火药测试样品点燃，燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合。
[0011] (4)将燃烧室内的混合气体经过限压阀和流量计，通入传感器阵列，利用数据采集装置采集燃烧室压强、温度以及混合气体中燃气成分浓度、流速、压强、温度随时间变化的数据；
[0012] (5)数据采集结束后，将测试管路中的剩余气体通过快速排气管路排出，利用高纯氮气或氩气对密闭燃烧室和测试管路中的残余气体进行吹扫；
[0013] (6)通过传感器阵列的燃气成分A的质量m1(A)，通过公式(1)计算：
[0014]
[0015] 式中：m1(A)单位为mg；
[0016] MA为气体A的摩尔质量，单位为g/mol；
[0017] VA为标准状态下气体A的摩尔体积，单位为L/mol；
[0018] Δt为数据采集装置的采样周期，单位为s；
[0019] n1为数据文件中终止数据点的序号；
[0020] n0为数据文件中的起始数据点的序号；
[0021] CA(i)为燃气成分A体积浓度的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为ppm；
[0022] v(i)为测试管道中流速的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为L/min；
[0023] T0为标准状态温度，T0＝273K；
[0024] P(i)为传感器阵列中混合气体压强的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为MPa；
[0025] P0为标准状态压强，P0＝0.101MPa；
[0026] T(i)为传感器阵列中混合气体温度的测试数据中，第i个数据点的数值，单位为K；
[0027] (7)残留在密闭燃烧室中的燃气成分A的质量m2(A)，通过公式(2)计算：
[0028]
[0029] 式中：m2(A)单位为mg；
[0030] Pt为采集终止时，密闭燃烧室内混合气体的压强，单位为MPa；
[0031] V为密闭燃烧室腔内体积，单位为L；
[0032] Tt为采集终止时，密闭燃烧室内混合气体的温度，单位为K；
[0033] (8)火药测试样品单位质量燃烧生成的燃气成分A质量m(A)，通过公式(3)计算；
[0034]
[0035] 式中：m(A)单位为mg/g；
[0036] m为火药测试样品的质量，单位为g；
[0037] (9)平行测量五次火药测试样品单位质量燃烧生成气体成分质量m(A)，依据格拉布斯准则，剔除异常数据，采用有效测试数据的均值作为最终测试结果。
[0038] 在本方法中，对测试样品燃烧的初始状态的调节方法，并不仅限于对密闭燃烧室初始压力、初温的调节。若测试要求对测试样品的保温时间有规定，则将安装好测试样品的承力托的点火线两端短接，然后整体放入烘箱内进行保温。
[0039] 在本方法中，测试步骤(3)中测试样品点燃后，一般情况下，通过等待2分钟～5分钟时间使燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合；在密闭燃烧室初始压力较低的情况下，可通过向燃烧室混合气体内快速加入高纯氮气或氩气，然后等待2分钟～5分钟时间使燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合；
[0040] 在本方法中，测试步骤(4)中当系统中有多种气体传感器且工作所需流速范围不一致时，在气体传感器共有的流速范围内取值对燃烧生成气体的流速进行调节；当气体传感器之间流速要求差异过大时，不可同时接入测试系统使用；测试装置中的气体传感器需定期进行在线校准。
[0041] 在本方法中，测试步骤(5)中测试管路中剩余气体通过管路排出时，排出到碱性溶液中，可以降低火药燃烧气体成分对环境的污染。
[0042] 本方法相比现有的测量方法，具备以下优点：
[0043] 1.本方法的测试参数是火药测试样品单位质量生成的燃气成分质量，现有其他测试方法的测试参数是火药测试样品燃烧生成燃气成分浓度。与其他测试方法相比，本方法不仅对测试样品的燃烧条件进行限定，对于测试样品的质量、燃烧生成气体的成分、体积都进行了测定。用测试样品单位质量生成的燃气成分质量可以更全面、更准确来表征火药燃烧生成气体特性。
[0044] 2.本方法与其它方法相比，具备较大的灵活性。通过对测试样品质量的调节、燃烧后混合气体内高纯氮气(或氩气)的二次填充，可实现对混合气体中燃气成分浓度的调节，使其符合气体传感器的量程和精度；在保证混合气体各检测气体成分浓度稳定的情况下，可提前结束数据采集，通过相关数据计算残留在密闭燃烧室中的燃气成分质量，缩短测试时间，提高测试效率。
[0045] 3.本方法对通过传感器阵列的燃气成分质量和残留在密闭燃烧室中的燃气成分质量都进行了测定和计算，有效提高了测量结果的准确度。
[0046] 4.本方法可一次测量测试样品燃烧生成的多种气体成分质量，且测试气体种类可进行扩充，具有较高的测试效率。
具体实施方式
[0047] 下面通过实施例对本发明做进一步的解释说明。
[0048] 依据火药燃烧气体成分质量测试的特点，该方法包括测试样品的确定、燃烧初始条件准备、测试样品燃烧及气体混合、混合气体中燃气成分浓度及相关参数测量、测试数据保存及测试尾气处理、试验数据处理以及测量结果表征共七个步骤。
[0049] 步骤一，测试样品准备。称量一定质量的火药测试样品，将测试样品置于密闭燃烧室承力托的样品托架上，点火线穿过测试样品固定于样品托架两侧的点火接线柱上，将承力托固定在密闭燃烧室底部，并连接点火电源。若测试要求对测试样品的保温时间有规定，则将安装好测试样品的承力托的点火线两端短接，然后整体放入烘箱内进行保温，保温时间达到要求后，将承力托固定在密闭燃烧室底部，并连接点火电源。
[0050] 步骤二，燃烧初始条件准备。用高纯氮气(或氩气)对密闭燃烧室及管路中的空气进行吹扫，并对密闭燃烧室的初始压力进行调节，用空调或水浴恒温装置对密闭燃烧室内的初始温度进行调节，使密闭燃烧室的初始压力和初始温度达到指定要求。
[0051] 步骤三，测试样品燃烧及气体混合。将密闭燃烧室内的测试样品点燃，燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合。一般情况下，通过等待2分钟～5分钟时间使燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合；在密闭燃烧室初始压力较低的情况下，可通过向燃烧室混合气体内快速加入高纯氮气(或氩气)，然后等待2分钟～5分钟时间使燃烧生成气体并与燃烧室中的环境气体进行充分混合；
[0052] 步骤四，混合气体中燃气成分浓度及相关参数测量。将燃烧室内的混合气体经过限压阀和流量计，通过测试管路进入传感器阵列，利用数据采集装置采集燃烧室压强、温度、燃气成分浓度及混合气体在传感器阵列中的流速、压强、温度随时间变化的数据。
[0053] 步骤五，测试数据保存及测试尾气处理。数据采集结束后，将测试数据进行保存；将测试管路中的剩余气体通过快速排气管路排出，利用高纯氮气(或氩气)对密闭燃烧室和测试管路中的残余气体进行吹扫。
[0054] 步骤六，试验数据处理。首先通过公式(1)计算通过测试传感器阵列的燃气成分A的质量m1(A)。其次，通过公式(2)计算残留在密闭燃烧室中的燃气成分A的质量m2(A)。最后，通过公式(3)计算测试样品单位质量燃烧生成的燃气成分A的质量m(A)。
[0055] 步骤七，测量结果表征。平行测量五次测试样品单位质量燃烧生成气体成分质量m(A)，依据格拉布斯准则，剔除异常数据，采用有效测试数据的均值作为最终测试结果。
