20L 球形爆炸测试系统-DG
东北大学工业爆炸及防护研究所
2012 年10 月29 日
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1 设备简介
1.1 主要技术参数
表 1 主要技术参数
项目参数及说明
设备型号 ETD-20L DG（支持静电点火与化学点火）
额定电压 220V 50Hz
额定电流10 A
爆炸容器
20L 球形不锈钢容器，带冷却（或加热）夹套。如需加热用户自备加热
系统。
容器工作压力 2.0 MPa（表压），最大3.5MPa
爆炸容器工作温
度范围
20~135℃（135℃为压力传感器最高工作温度，传感器耐受瞬时温度为
1650℃）
粉尘分散压力 2.0 MPa（表压）
气粉两相阀活塞
驱动压力
2.0 MPa（表压）
真空表精度 0.4%满量程
数据采集卡 分辨率 12Bit；频率：100kHz
压电传感器
动态量程：1.379MPa（0~5V 输出），可用量程：2.758MPa（0~10V 输出）。
分辨率：0.021kPa。谐振频率：>500kHz。非线性度：<1%。配合ICP
恒流源，输出0~5V。
点火能量
化学电火：2kJ、2.5kJ、5kJ、10kJ（用户自备点火具）
静电点火：2~10kJ
气体引入方式手动阀门
配气方式 分压法手动配气，1 个可燃气体引入口。
控制方式 本地控制和远程控制：面板按钮、触控屏（人机界面）、计算机
软件
ExTest 2010 爆炸测试系统。支持本地、远程实验过程控制、实验数据管
理和报表。支持SQL Server 集中式数据管理（“服务器/客户机”模式）。
1.2 功能
20 升球形爆炸测试装置是国际上通用的爆炸性参数测试装置。20L 球形爆炸测试系统
能测试粉尘和气体的爆炸性参数。具体参数包括：
? 粉尘最大爆炸压力 pmax、最大爆炸压力上升速率Kst；
? 粉尘爆炸下限 LEL；
? 粉尘极限氧浓度 LOC；
? 气体最大爆炸压力 pmax、最大爆炸压力上升速率Kg；
? 气体爆炸极限（LEL 和UEL）。
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1.3 相关标准
? GB/T 16426-1996 粉尘云最大爆炸压力和爆炸指数测定方法；
? GB/T 16425-1996 粉尘云爆炸下限浓度测定方法；
? GB/T 803-1989 空气中可燃气体爆炸指数的测定；
? ISO 6184/1-1985 Explosion protection systems - Part 1 : Determination of explosion
indices of combustible dusts in air；
? ISO 6184/2-1985 Explosion protection systems - Part 2 : Determination of explosion
indices of combustible gases in air；
? ASTM E 1226-2005 Standard Test Method for Pressure and Rate of Pressure Rise for
Combustible Dusts
? EN 14034-1 Determination of explosion characteristics of dust clouds – Part 1:
Determination of the maximum explosion pressure pmax of dust clouds；
? EN 14034-2 Determination of explosion characteristics of dust clouds – Part 2:
Determination of the minimum rate of explosion pressure rise (dp/dt)max of dust clouds；
? EN 14034-3 Determination of explosion characteristics of dust clouds – Part 3:
Determination of the lower explosion limit LEL of dust clouds；
? EN 14034-4 Determination of explosion characteristics of dust clouds – Part 4:
Determination of the limiting oxygen concentration LOC of dust clouds
2 原理
2.1 概述
测试装置包括 20 升球形爆炸容器和控制与数据采集系统。爆炸容器为不锈钢双层结构
（图1）。20L 球形爆炸容器的夹层（夹套）内可充水以保持容器内的温度恒定。容器上设
有观察窗，通过观察窗可观察到点火和爆炸的火光。
容器设有抽真空、排气、可燃气体引入、压缩空气清洗接口。抽真空接口附近安装真
空表。
容器外的底部装有可通过气体粉尘混合物的气粉两相阀。该阀通过气动方式开启和关
闭，以保证开启和关闭的速度。气动活塞的移动通过两个电磁阀控制。在容器内的底部安
装反射式喷嘴，可将粉尘均匀分散在爆炸容器中。
容器壁面安装有压电型压力传感器。该传感器可测定喷粉进气和爆炸过程的动态压力。
容器盖采用类似高压锅的压紧结构，可一人操作。容器盖旋紧后，转动安全限位开关，
控制器可通过安全限位开关的电信号确认容器盖就位。
20 升爆炸测试系统的工作原理如图2 所示。控制箱包括可编程控制器、电火花发生器、
触控屏、压力采集接线端子板等。PLC、触控屏和计算机通过局域网相连。实验过程控制
由PLC 实现。在触控屏上可设置点火延时、充电电压等。在局域网的任何计算机上可进行
控制（包括连入无线网络的笔记本计算机），数据可提交到局域网内的任何测试数据服务器。
所有局域网内的电脑可共享测试数据。
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图 1 20 升爆炸测试测试容器示意图
1 操作手柄 2 夹套外层 3 夹套内层 4 真空表 5 循环水人口 6 气粉两相阀（瑞士） 7 底座 8 观察窗 9 吹
扫进气口 10 分散阀 11 高压储粉罐 12 电接点压力表 13 压电型压力传感器（美国） 14 循环水出口 15 安全限
位开关
图 2 20 升爆炸测试系统工作原理
容器内的压力变化过程经压力传感器和变送器转变为电信号，由数据采集系统采集并
保存在计算机中。通过对压力－时间曲线分析可以自动得到本次实验的最大爆炸压力pm 和
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规格化最大爆炸压力上升速率Km。通过不同粉尘浓度或不同气体组分的一系列爆炸试验得
到一系列的pm 和Km，作出pm 和Km 相对粉尘浓度和可燃气体浓度的曲线得到pmax、Kst 或
Kg。
本系统集成了 10kJ 大能量静电火花发生器，原理图如图3。高压电源U1 给电容C1 充
电，可调电源U2 给电容C2 充电。C1 的储存能量较小，C2 的储能可达10kJ。S2 闭合时，
C1 击穿电极间隙后在电极间形成电弧，电极间电阻瞬间下降，电容C2 续弧放电。
高压电源U1
L1
续弧放电电感
C1
电极
S1
高压充电
S3
C2 V2
A
1kV
直流可调电源U2
HV
GND
10KV
GND
HV
S2
放电
V1
高压电容续弧电容
图3 20L 静电点火系统基本原理图
2.2 粉尘爆炸测试
测试时，将一定质量的粉尘试样放入储粉罐，并将压缩空气充入储粉罐到2MPa（表压）。
对爆炸容器抽真空到-0.6MPa（表压），然后开启气粉两相阀，储粉罐内的压缩空气将储粉
室内的粉尘经气粉两相阀分散到爆炸容器中。经过给定的延时（60ms），关闭气粉两相阀，
在容器中心用10kJ 化学点火具（两个5kJ 点火具）或静电放电点燃。
控制系统中集成了点火能量为 10J~10kJ 的大能量电火花发生器。因为静电点火能量集
中在容器中心，而化学点火能量在较大的空间释放能量，因此化学点火猛烈一些。静电点
火方式测得的爆炸压力和爆炸指数低于化学点火。因此，对于粉尘爆炸，静电点火只可用
于教学演示实验。商业测试须按相关标准采用化学点火。
2.3 气体爆炸测试
气体爆炸测试和粉尘爆炸测试的区别在于测试样品引入方式不同。容器抽真空后，将
空气或其它氧化性气体（以下简称氧化气）反复冲洗，充入氧化气至某一压力。然后，充
入可燃气至大气压（或其它设定压力）。氧化气和燃料气分别从球形容器的气体入口阀门充
入到容器中。
气体爆炸极限的测试可采用静电点火。测试气体爆炸指数时，按相关标准使用化学点
火方式。
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3 技术优势
(1) 研发团队已从事 20 年粉尘气体爆炸检测设备研发，积累了丰富的经验。
(2) 参照瑞士和德国有关研究所的同类设备，完全按照国际标准设计，测试结果和瑞士
Adolf Kühner 公司（该装置的发明单位）的测试结果一致；
(3) 关键部件采用原装进口设备：瑞士 Adolf Kühner 气粉两相阀、美国PCB 压力传感
器、德国Burkert 电磁阀；
(4) 支持化学点火具（2kJ~10kJ）和静电点火（2kJ~10kJ）。化学点火具系管制品，不
易获取。另外，化学点火具价格较高，在制造使用过程存在一定危险。对于教学实
验，采用静电点火可大大节省实验成本和制作化学点火具的危险。使用化学点火测
定粉尘爆炸下限，实测爆炸下限数据和2~2.5kJ 化学点火具完全一致。静电点火的
优势还在于爆炸与否的判据非常简单。采用化学点火时用0.05MPa 的升压，用化
学点火有时出现爆炸与不爆炸的压力曲线非常接近的情形。静电点火则区别非常明
显。“爆了就是爆了，没爆就是没爆！”。
(5) 具有自主知识产权的测试软件，可按用户要求定制程序功能，具有完善的实验过程
控制、数据库管理、报表功能。
(6) 产品已经在以下单位得到应用：北京理工大学、南京理工大学、上海化工研究院（国
家危险品检测中心）、国家民用爆炸品检验中心、南京工业大学、郑州大学、中国
船舶重工集团701 研究所、中国航天科技集团四院第四十二研究所、华东理工大学。
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4 设备与部件清单
表 2 20L 球形爆炸测试系统（ETD‐20L DG）设备与部件清单
设备与部件数量 制造商
20L 爆炸测试容器 ETD-20L DG 1 套东北大学
控制箱 ETC-20L DG 1 台东北大学
气粉两相阀（集成在爆炸容器上） 1套瑞士 Adolf Kühner AG
压力传感器（集成在爆炸容器上） 1套美国 PCB Piezotronics
7 英寸触控屏（集成在控制箱上） 1台北京昆仑通态
可编程控制器（集成在控制箱中） 1台日本欧姆龙
数据采集器（安装在用户计算机中） 1台台湾研华
10J~10kJ 电火花发生器（集成在控制箱中） 1台东北大学
空压机（罗威 3P） 1台山东罗威
真空泵（2TW-4E） 1台浙江挺威
15MPa 转2MPa 减压阀 2只上海减压阀厂
配套管件 1套东北大学
控制电缆 1套东北大学
爆炸测试系统软件 ExTest 2010 1 套东北大学
5 场地和配套设备
(1) 场地尺寸：3m×4m。
爆炸容器尺寸：550×550×940，控制箱尺寸：600×300×800（图4）。
(2) 排气与排尘：测试容器安装在移动式吸尘罩的下方（图5）。通风管路与实验室其
它测试设备的通风除尘系统共用。根据客户的实验室实际情况，我方为客户提出设计试验
台和通风系统的初步方案。我方不负责安装除尘系统。
(3) 电源：220V，10A。
(4) 气源：40L 压缩空气瓶2 只（用户自备）。
(5) 化学点火具：用户可购买或自行制作点火具的相关药品，我方可现场指导制作。制
作点火具有爆炸危险，我方不承担相关责任。
(6) 接地端子：对于ETD-20L DG，要求接地电阻小于2Ω。对于ETD-20L DGS，要求
接地电阻小于4Ω。
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图 4 20L 球形爆炸容器及其控制箱尺寸
图 5 典型的实验室布局
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6 相关图片
图 6 20L 球形爆炸测试系统
图 7 20L 球形爆炸测试容器及其控制箱
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图 7 爆炸压力‐时间曲线
图 8 测试数据库维护
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7 联系方式
联系人：钟圣俊
通讯地址：110004 东北大学工业爆炸及防护研究所 339 信箱
电话：024 83687757 13072498962
传真：024 23906316
电子邮件：zhongsj@smm.neu.edu.cn
网站：http://iepi.neu.edu.cn