一种可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统及其测定方法

摘要

本发明提供一种可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统及其测定方法，其属于电气防爆、可燃气/蒸气爆炸领域。该测定系统包括MESG测定装置主体结构、间隙调整系统、间隙数显系统、进排气系统、点火系统和控制系统。本发明提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统创新性地利用步进电机驱动与压缩弹簧弹力的联合作用实现内爆炸室的上腔体的高精度自由上下移动。间隙数显系统创新性地利用光栅尺和光栅表的高灵敏度、高精度特点，在间隙调整系统的联动动作下实时记录内空腔上腔体的移动位移。

说明书

技术领域

本发明属于电气防爆、可燃气/蒸气爆炸的技术领域，具体涉及一种可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统及其测定方法。

背景技术

可燃气体/蒸气的最大试验安全间隙(Maximum Experimental Safe Gap,MESG)是可燃气体/蒸气等级划分，隔爆电器设备及阻火器设计、制造和选用的一个重要参数依据。因此，准确、高效地确定可燃介质的最大试验安全间隙值具有重大的现实意义。

早期我国一直采用外爆炸室容积为0.58m3的密闭式防爆罐，内爆炸室容积为8L的球型罐作为测定最大试验安全间隙(MESG)的标准试验装置。这与当时国际电工委员会制定的IEC79-1A(1975)防爆标准相比，在装置结构、材料、体积、间隙调整方法等方面均有较大差别。国内谭迎新等人设计建立了一套与IEC标准相接轨的新型20ml最大试验安全间隙(MESG)试验装置。该装置主要通过在内爆炸室上、下壳体之间放入所需尺寸的标准塞尺调整间隙值。然而装置设计者指出塞尺的存在使得能够阻止爆炸火焰传播的有效隔爆面积减小，从而造成所测得的试验数据偏大。与IEC防爆标准通过千分尺调整间隙的方法相比存在不可避免的附加扰动作用。历年来国际标准IEC79《爆爆性气体环境用电气设备隔爆外壳》的要求得到不断的完善，最新的最大试验安全间隙(MESG)测定装置设计标准GB/T3836.11—2017/IEC60079-20-1:2010在点火电压、进气孔径和测定方法验证等方面都做了进一步的修订，标准“总则”中虽然明确提出自动调整能够得出与手工操作设备相同结果时可以采用自动调整，但是标准中依然只是介绍了千分尺间隙调整法，并未提及其他间隙自动调整方法。鉴于目前最大试验安全间隙标准测定装置操作程序复杂、自动化程度较低，且不利于实时、直观地记录间隙调整值。参照最新的最大试验安全间隙(MESG)测定装置设计标准GB/T 3836.11—2017/IEC60079-20-1:2010，设计了一种操作简便、准确度与精度高、自动化程度高，且可以实时显示间隙值的最大试验安全间隙(MESG)测定系统。

发明内容

本发明旨在解决现有技术存在的不足，提供一种可自动调整间隙的最大试验安全间隙(MESG)测定系统及其测定方法，该测定系统操作简便、准确度与精度高、自动化程度高，且能够实时显示间隙值。

本发明的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统，其包括MESG测定装置主体结构、间隙调整系统、间隙数显系统、进排气系统、点火系统和控制系统；其中，所述的MESG测定装置主体结构包括内爆炸室和外爆炸室；所述的外爆炸室为圆柱形结构，包括可拆卸的下壳体1、中间壳体2、上壳体3和透明视窗玻璃4；下壳体1与中间壳体2间、以及上壳体3与中间壳体2间，通过第一内六角圆柱头螺钉5固定连接，形成用于容纳内爆炸室的腔体；所述的透明视窗玻璃4由第二内六角圆柱头螺钉6与圆形固定环7对称内嵌于外爆炸室的中间壳体2侧壁；上壳体3的上壁中央设置有通孔，通孔中设置有导向铜套11；上壳体3的上壁外部平面上，位于中央设置的通孔的两侧，一侧设置光栅尺19，另一侧开设有排气孔道。

所述的内爆炸室为球形结构，设置于外爆炸室的腔体中，内爆炸室由下腔体8和上腔体9组成，下腔体8底座与下壳体1由第三内六角圆柱头螺钉10连接固定，上腔体9上部设置有连接轴，上腔体9的连接轴内嵌于导向铜套11中，上腔体9的连接轴在导向铜套11中上下滑动，带动上腔体9在外爆炸室中上下移动，以在上腔体9和下腔体8之间产生间隙；点火电极孔道开设于下壳体1的中心位置，与内爆炸室相联通。内、外爆炸室的进气孔道均通过下腔体8的底座，内、外爆炸室的进气孔道以点火电极孔道为中心对称设置八个，其中一个孔道联通内爆炸室，作为内爆炸室的进气孔道，其余七个孔道联通外爆炸室，作为外爆炸室的进气孔道。

所述的上腔体9的连接轴延伸至导向铜套11上部的部分，沿接近导向铜套11的一端至远离导向铜套11的方向，依次设置有压缩弹簧12、螺母盘13、光栅尺顶板21和固定螺母22，上腔体9的连接轴的上端端面与步进电机15的电机螺杆的端头接触；其中，所述的间隙调整系统的压缩弹簧12卡套于上腔体9的连接轴上，并在压缩弹簧12上端端部设置螺母盘13，螺母盘13与连接轴呈螺纹连接，通过调节螺母盘13位于连接轴的位置，调节压缩弹簧12压缩度。所述的步进电机15的电机螺杆的端头与上腔体9的连接轴的上端面在压缩弹簧12弹性力作用下始终保持为一体，使得上腔体9与步进电机15的电机螺杆同步上、下移动。

所述的间隙调整系统包括压缩弹簧12、螺母盘13、顶部套管14、步进电机15、电机支架16和电机驱动器18；侧面开孔的顶部套管14固定于外爆炸室上部，紧固步进电机15的电机支架16固定于顶部套管14顶端，电机支架16与顶部套管14由双头螺母螺丝17连接；在电机驱动器18作用下，由步进电机15的电机螺杆调整上腔体9的上下移动。

所述的间隙数显系统包括光栅尺19、Z型固定架20和光栅尺顶板21，其中，所述的光栅尺19由Z型固定架20倒置垂直固定于上壳体3上壁外部平面上；在上腔体9的连接轴上，位于螺母盘13的上部设置有固定螺母22，光栅尺顶板21夹持锁紧于固定螺母22与螺母盘13之间；光栅尺19的位移调节头卡套于光栅尺顶板21，光栅表23与光栅尺19通过信号线连接，实时显示光栅尺19的位移变化。

所述的进排气系统包括可燃预混气体的进气管路和排气管路；其中，所述的进气管路包括可燃气气瓶26、空气气瓶27、气瓶减压阀24、精密质量流量计25、电磁阀28和氢气阻火器29；所述的可燃气气瓶26和空气气瓶27的管路上，沿进气方向分别依次设置有气瓶减压阀24、精密质量流量计25、电磁阀28和氢气阻火器29，进而连接内、外爆炸室的进气孔道；所述的进排气系统的排气管路与上壳体3的排气孔道相连接，排气管路沿排气方向依次设置有氢气阻火器29和电磁阀28。

所述的点火系统包括点火电极30，所述的点火电极30设置于下壳体1的点火电极孔道中。

所述的控制系统包括计算机31和控制箱32。所述的计算机31与控制箱32连接，进而连接步进电机15、各电磁阀和点火系统。

进一步地，气瓶减压阀24的出口管与质量流量计25通过卡套方式连接，来自可燃气气瓶26的可燃气与来自空气气瓶27空气的浓度配比由气瓶减压阀24和精密质量流量计25调节控制；所述的电磁阀28为防爆型常闭式的电磁阀。

进一步地，进气管路与排气管路的管线均为不锈钢管。

进一步地，所述的点火电极30包括不锈钢管型外环电极、不锈钢柱型中心电极、陶瓷管、固定螺母、密封螺母、锁紧螺母和O型圈。两支陶瓷管分别粘合于固定螺母、外环电极、中心电极之间以隔绝提前放电，外环电极顶端与中心电极间距为合适的高压脉冲放电间隙，火花通路与接合面垂直并对称置于平面两侧。

进一步地，所述的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统的最大间隙调整精度为0.005mm。

另一方面，本发明提供了一种最大试验安全间隙测定方法，其基于上述的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统，所述的最大试验安全间隙测定方法包括以下步骤：

S1、开启控制系统：打开计算机31和控制箱32；

S2、间隙调零：由控制系统控制电机驱动器18动作，步进电机15的螺杆向下移动至内爆炸室的上腔体9与下腔体8接合面完全贴合，将光栅表23清零；

S3、间隙调整：由控制系统控制步进电机驱动器18动作，步进电机15螺杆向上移动至内爆炸室上腔体9与下腔体8接合面之间距离为所需测试间隙；

S4、配气：向MESG测定装置主体结构的内、外爆炸室配置所需可燃气-空气混合气；开启可燃气气瓶26和空气气瓶27，打开可燃气与空气管路的气瓶减压阀24和精密质量流量计25，将两个精密质量流量计25调至所需流量；同时开启进气与排气管路的电磁阀28；向内、外爆炸室配气过程中保证通入4～5倍外爆炸室体积的混合气，配气时长至少10min；

S5、点火：步骤S4配气完成后，同时关闭进气与排气管路的电磁阀28；由控制系统控制开启点火系统，触发点火电极30动作产生高压脉冲电火花点燃内爆炸室可燃混合气；

S6、步骤S5中点火结束后，同时打开进气与排气管路的电磁阀28，打开空气气瓶27的气瓶减压阀24和空气管路上的精密质量流量计25，吹扫后关闭所有阀门；

S7、试验结果记录：根据试验观测结果，记录相应可燃气/蒸气种类、浓度，以及工况下外爆炸室点燃情况；

S8、根据S7中记录的试验结果，开展初始试验和验证试验，确定试验可燃气/蒸气的最大试验安全间隙值。

本发明的有益效果：本发明通过将所需浓度可燃气/蒸气-空气混合气体以气体置换方法充入MESG主体结构内外爆炸室中，环境温度和环境压力分别保持为(20±2)℃、(1.013±0.02)kPa。间隙调整系统创新性地利用步进电机驱动与压缩弹簧弹力的联合作用实现内爆炸室上腔体的高精度自由上下移动。间隙数显系统创新性地利用光栅尺和光栅表的高灵敏度、高精度特点，在间隙调整系统的联动动作下实时记录内爆炸室上腔体的移动位移。点火系统可保证点火位置、点火能量的有效性。控制系统控制进排气管路电磁阀的开启/关闭、步进电机的驱动方向和点火时间，并且自动保存试验结果。

附图说明

图1是本发明实施例中提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统的结构示意图。

图2是本发明实施例中提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统的间隙调整系统与间隙数显系统结构示意图。

图中：1下壳体；2中间壳体；3上壳体；4透明视窗玻璃；5第一内六角圆柱头螺钉；6第二内六角圆柱头螺钉；7圆形固定环；8下腔体；9上腔体；10第三内六角圆柱头螺钉；11导向铜套；12压缩弹簧；13螺母盘；14顶部套管；15步进电机；16电机支架；17双头螺母螺丝；18电机驱动器；19光栅尺；20Z型固定架；21光栅尺顶板；22固定螺母；23光栅表；24气瓶减压阀；25精密质量流量计；26可燃气气瓶；27空气气瓶；28电磁阀；29氢气阻火器；30点火电极；31计算机；32控制箱。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

应当了解，所附附图并非按比例地绘制，而仅是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在所附多个附图中，同样的或等同的部件(元素)以相同的附图标记标引。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明实施例中提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统的结构示意图。图2是本发明实施例中提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统的间隙调整系统与间隙数显系统结构示意图。参见图1和图2，在本实施例中的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统包括MESG测定装置主体结构、间隙调整系统、间隙数显系统、进排气系统、点火系统和控制系统。

具体地，所述的MESG测定装置主体结构包括内爆炸室和外爆炸室。其中，所述的外爆炸室为圆柱形结构，包括可拆卸的下壳体1、中间壳体2、上壳体3和透明视窗玻璃4。下壳体1与中间壳体2间、以及上壳体3与中间壳体2间，通过第一内六角圆柱头螺钉5固定连接，形成用于容纳内爆炸室的腔体。透明视窗玻璃4为耐高温高压有机玻璃，由第二内六角圆柱头螺钉6与圆形固定环7对称内嵌于外爆炸室的中间壳体2侧壁。上壳体3的上壁中央设置有通孔，通孔中设置有导向铜套11；上壳体3的上壁外部平面上，位于中央设置的通孔的两侧，一侧设置光栅尺19，另一侧开设有排气孔道。

内爆炸室为球形结构，设置于外爆炸室的腔体中，内爆炸室由下腔体8和上腔体9组成，下腔体8底座与外爆炸室的下壳体1由第三内六角圆柱头螺钉10连接固定，上腔体9上部设置有连接轴，上腔体9的连接轴内嵌于外爆炸室的上壳体3的导向铜套11，上腔体9的连接轴在导向铜套11中上下滑动，带动上腔体9在外爆炸室中上下移动。并且，上腔体9上下移动过程中，在上腔体9和下腔体8之间产生狭缝通道(间隙)。点火电极孔道开设于外爆炸室的下壳体1的中心位置，与内爆炸室相联通。内、外爆炸室的进气孔道均通过内爆炸室的下腔体8的底座，内、外爆炸室的进气孔道以点火电极孔道为中心对称设置八个，其中一个孔道联通内爆炸室，作为内爆炸室的进气孔道，其余七个孔道联通外爆炸室，作为外爆炸室的进气孔道。

上腔体9的连接轴延伸至导向铜套11上部的部分，沿接近导向铜套11的一端至远离导向铜套11的方向，依次设置有压缩弹簧12、螺母盘13、光栅尺顶板21和固定螺母22，上腔体9的连接轴的上端端面与步进电机15的电机螺杆的端头接触。其中，所述的间隙调整系统的压缩弹簧12卡套于内爆炸室的上腔体9的连接轴上，并在压缩弹簧12上端端部设置螺母盘13，螺母盘13与连接轴呈螺纹连接，通过调节螺母盘13位于连接轴的位置，调节压缩弹簧12压缩度。具体地，所述螺母盘13与上腔体9的连接轴通过螺纹丝扣连接为一体，螺纹的配合间隙足够小以避免上腔体9移动时产生较大空程。压缩弹簧12具备足够弹性力以保证内爆炸室上腔体9在压缩弹簧12弹性形变作用下可以自由上下移动。所述步进电机15电机螺杆的端头与内爆炸室上腔体9连接轴的上端面在压缩弹簧12弹性力作用下始终保持为一体，使得内爆炸室上腔体9与步进电机15的电机螺杆同步上、下移动。

所述的间隙调整系统包括压缩弹簧12、螺母盘13、顶部套管14、步进电机15、电机支架16和电机驱动器18。侧面开孔的顶部套管14固定于外爆炸室上部，紧固步进电机15的电机支架16固定于顶部套管14顶端，电机支架16与顶部套管14由双头螺母螺丝17连接。电机驱动器18作用下，步进电机15的电机螺杆向下移动时，压缩内爆炸室的上腔体9向下移动，调小间隙值；步进电机15的电机螺杆向上移动时，在压缩弹簧12的自由伸长作用下，上腔体9向上移动，调大间隙值。

所述的间隙数显系统包括光栅尺19、Z型固定架20和光栅尺顶板21，其中，所述的光栅尺19由Z型固定架20倒置垂直固定于MESG测定装置主体结构的外爆炸室的上壳体3上壁外部平面上；在上腔体9的连接轴上，位于螺母盘13的上部设置有固定螺母22，光栅尺顶板21夹持锁紧于固定螺母22与螺母盘13之间。光栅尺19的位移调节头卡套于光栅尺顶板21，光栅表23与光栅尺19通过信号线连接，实时显示光栅尺19的位移变化。

所述的进排气系统包括可燃预混气体的进气管路和排气管路。其中，所述的进气管路包括可燃气气瓶26、空气气瓶27、气瓶减压阀24、精密质量流量计25、电磁阀28和氢气阻火器29。所述的可燃气气瓶26和空气气瓶27的管路上，沿进气方向分别依次设置有气瓶减压阀24和精密质量流量计25，来自可燃气气瓶26的可燃气与来自空气气瓶27空气的浓度配比由气瓶减压阀24和精密质量流量计25调节控制。具体地，气瓶减压阀24的出口管与质量流量计25通过卡套方式连接。在所述的可燃气气瓶26和空气气瓶27的管路上，在精密质量流量计25后，靠近MESG测定装置主体结构一端，通过螺纹连接方式沿进气方向依次设置有防爆型常闭式的电磁阀28和氢气阻火器29，进而连接内、外爆炸室的进气孔道。所述的进排气系统的排气管路与上壳体3的排气孔道相连接，排气管路沿排气方向依次设置有氢气阻火器29和电磁阀28。具体地，进气管路与排气管路的管线均为不锈钢管。

所述的点火系统包括固态继电器、线圈式高压包和点火电极30。所述的点火系统用于点燃MESG测定装置主体结构中内爆炸室的可燃气体/蒸气。点火电极30设置于下壳体1的点火电极孔道中，包括不锈钢管型外环电极、不锈钢柱型中心电极、陶瓷管、固定螺母、密封螺母、锁紧螺母和O型圈。两支陶瓷管分别粘合于固定螺母、外环电极、中心电极之间以隔绝提前放电，外环电极顶端与中心电极间距为合适的高压脉冲放电间隙，火花通路与接合面垂直并对称置于平面两侧。

所述的控制系统包括可编程逻辑控制器(PLC)、控制软件和、计算机31和控制箱32。其中，计算机31与控制箱32连接，进而连接步进电机15、各电磁阀28和点火系统。所述的控制系统通过Visual Basic开发的程序设计语言与可编程逻辑控制器、计算机31连接实现对步进电机15、各电磁阀28和点火系统的控制。控制电路元器件、PLC与点火高压包集成于控制箱32。控制指令及脉冲信号均通过控制软件输入。

基于上述的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统，本实施例中，提供一种最大试验安全间隙测定方法，包括以下步骤：

S1：开启控制系统。打开计算机31和控制箱32，启动最大试验安全间隙测定软件；

S2：间隙调零。由控制系统控制电机驱动器18动作，步进电机15的螺杆向下移动至内爆炸室的上腔体9与下腔体8接合面完全贴合，将光栅表23清零。

S3：间隙调整。由控制系统控制步进电机驱动器18动作，步进电机15螺杆向上移动至内爆炸室上腔体9与下腔体8接合面之间距离为所需测试间隙。

S4：配气。向MESG测定装置主体结构的内、外爆炸室配置所需可燃气-空气混合气。开启可燃气气瓶26和空气气瓶27，打开可燃气与空气管路的气瓶减压阀24和精密质量流量计25，将两个精密质量流量计25调至所需流量。同时开启进气与排气管路的电磁阀28。向内、外爆炸室配气过程中保证通入4～5倍外爆炸室体积的混合气，配气时长至少10min；

S5：点火。步骤S4配气完成后，同时关闭进气与排气管路的电磁阀28。由控制系统控制开启点火系统，触发点火电极30动作产生高压脉冲电火花点燃内爆炸室可燃混合气；

S6：步骤S5中点火结束后，同时打开进气与排气管路的电磁阀28，打开空气气瓶27的气瓶减压阀24和空气管路上的精密质量流量计25，吹扫1min后关闭所有阀门；

S7：试验结果记录。根据试验观测结果，记录相应可燃气/蒸气种类、浓度，以及工况下外爆炸室点燃情况；

S8：根据S7中记录的试验结果，参照GB/T3836.112017/IEC60079-20-1：2010,开展初始试验和验证试验，确定试验可燃气/蒸气的最大试验安全间隙值。采用本发明提供的可自动调整间隙的最大试验安全间隙测定系统，最大间隙调整精度为0.005mm。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。