9.4.1 试验装置设计
实验室粉尘爆炸试验通常是在标准20L容器罐内进行，结合欧洲标准EN14034（CEN/TC305，2004a；CEN/TC305，2004b；CEN/TC305，2004c）、ASTM标准E1226（2007）和中国标准GB/T16425（MCI，1996）。在本研究中，标准20L容器罐内不加点火系统，布置超声波脉冲换能器在球罐内进行铝粉云雾浓度检测，超声波脉冲发射换能器与接收换能器之间的间距L=20mm，如图9-19所示。
图9-19 标准20 L铝粉喷撒装置
试验系统主要包括：铝粉抛撒气动装置，200kHz超声波脉冲浓度检测换能器，脉冲信号发生器及信号放大器，数据采集仪及处理计算机。其中，气动装置主要由压力泵、储气室、电磁阀及其控制器、逆止阀、铝粉填充室、喷嘴和20L压力球罐组成。一定质量的铝粉放置在填充室中，控制电磁阀通断时间和泵源气压，通过喷嘴将铝粉喷撒至球罐中，如图9-20所示。
图9-20 铝粉喷撒云雾浓度检测系统试验系统组成
选用标准的20L的球体，按照ASTM E1226标准中报告的常规程序进行，如图9-21所示。分散测试带有回弹喷嘴和穿孔环，本次试验选择回弹喷嘴，试验布置如图9-22所示。
图9-21 铝粉喷撒云雾浓度检测试验
图9-22 云雾抛撒喷嘴
（a）环形；（b）回弹型
超声波在含颗粒的气固两相流中传播时，会产生能量的衰减和相位变化。其中能量衰减主要表现为声散射、黏性损失和热损失。利用超声换能器实时采集超声波在20L容器罐内铝粉—空气两相流的能量衰减，结合超声散射理论，计算铝粉分布浓度，如图9-23所示。超声波脉冲传感器布置在球罐的中心，探测铝粉浓度采集系统主要包括脉冲信号发生器、超声传感器发射端及接收端、信号放大器、信号采集仪及处理计算机。其中超声传感器发射端与接收端的间距d=20mm。
图9-23 铝粉浓度采集系统组成
考虑铝粉在20L球罐喷撒的过程中伴随着湍流动能、气压等因素，考虑超声波在复杂、不确定干扰的影响。使用持续时间很短的脉冲波能有效抑制外界扰动，识别目标回波信号，同时具备功耗低、信噪比高的优点，如图9-24所示。脉冲信号发生器产生频率200kHz，幅值10Vpp，周期为5的脉冲信号激励超声传感器发射端，在空气中传播至超声传感器接收端，形成衰减振荡超声脉冲波，后经信号放大器调制在1V左右。
图9-24 激励信号与接收振荡脉冲信号
使用具有20mm的超声波传播距离，直径为10mm超声波传感器。当气压为2MPa且注入时间为10ms时，将微纳颗粒铝粉注入反应容器中。容器中的初始压力为0.015MPa，进料阶段结束时的压力为0.01MPa；信号采样频率为2MHz，采样时间为200ms，从铝粉颗粒注入前20ms开始。表9-2提供了试验系统参数。选择标称浓度为500g/m3铝粉颗粒（标称浓度是指一定质量的铝粉在20L的容器内完全均匀扩散）的参数如表9-3所示。
表9-2 试验参数
表9-3 铝粉参数
