超聲波法在線檢測硝酸銨溶液濃度的可行性研究

張東杰，栗峰雷，滕 威，章晉英，陸麗園，王作鵬，王曉云

（中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

2010年工信部下發(fā)的《工信部關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進步的指導(dǎo)意見》[1]中明確指出:“鼓勵采用液體硝酸銨代替固體硝酸銨制備工業(yè)炸藥”。由硝酸銨生產(chǎn)廠家提供硝酸銨溶液直接應(yīng)用于工業(yè)炸藥的生產(chǎn)是國外炸藥生產(chǎn)廠家的典型生產(chǎn)方式[2]。國內(nèi)越來越多的民爆企業(yè)與硝酸銨生產(chǎn)廠家合作直接使用硝酸銨溶液，效益顯著。由于硝酸銨溶液濃度是炸藥生產(chǎn)工藝中的重要參數(shù)，生產(chǎn)中必須準確測量，以保持原料正確配比，確保產(chǎn)品質(zhì)量。與以往采用固體硝酸銨生產(chǎn)工業(yè)炸藥中配料法制備的硝酸銨溶液相比，硝酸銨生產(chǎn)企業(yè)提供的硝酸銨溶液濃度值存在一定的供貨范圍，在制備炸藥水相溶液時需要調(diào)整，現(xiàn)有人工比重測試方法繁瑣，存在人為因素，不符合現(xiàn)代自動化生產(chǎn)要求。因此研究硝酸銨溶液濃度的在線測試方法顯得尤為重要。

硝酸銨溶液濃度傳統(tǒng)的檢測方法主要有：比重法和化學(xué)分析法（即滴定法）。比重法的原理是量取一定量的樣品，測定稀釋后樣品的密度ρ和溫度T，通過查ρ——T表換算成樣品的濃度，其缺點在于：用于工業(yè)炸藥生產(chǎn)的硝酸銨溶液濃度一般在70%以上，濃度較高，容易析晶，測量誤差較大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制。常用的化學(xué)分析法有甲醛法，該方法雖然測量結(jié)果相對準確，誤差較小，但耗時較多，一般需20min以上。還有兩種檢測方法就是卡爾?費休法[3]和烘箱干燥法[4]，這兩種方法對測試人員的素質(zhì)要求高，測試過程也比較復(fù)雜繁鎖，而且測試耗時長。上述各種方法根本無法實現(xiàn)硝酸銨溶液濃度的在線檢測，不利于液體硝酸銨在工業(yè)炸藥生產(chǎn)中的應(yīng)用。

本文采用自行改裝的超聲波聲速測定儀快速測定不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液的超聲波聲速，探索超聲波法在線檢測硝酸銨溶液濃度的可行性，為液體硝酸銨直接利用技術(shù)提供一種在線檢測濃度指標的方法。

1 超聲波法測量硝酸銨溶液濃度的原理

理論上，溫度恒定時，超聲波在單一溶液中的傳播速度只受濃度的影響，濃度愈高傳播速度愈快。基于這種理論，測試超聲波在不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液中的傳播速度，分析超聲波聲速與硝酸銨溶液濃度及溫度的對應(yīng)關(guān)系，擬合相關(guān)標準曲線。測試待測硝酸銨溶液不同溫度下的超聲波聲速值，與上述相關(guān)標準曲線進行比較，從而得出待測硝酸銨溶液的濃度值。

2 可行性試驗

2.1 主要試劑與儀器

試劑：硝酸銨（固體），≥99.5%，開封晉開化工有限責任公司；70%～93%的硝酸銨溶液（自行配制）；硫酸標準溶液（自行配制）；氫氧化鈉標準溶液（自行配制）；甲醛，分析純AR，煙臺市雙雙化工有限公司；甲基紅指示劑，天津市化學(xué)試劑研究所；酚酞指示劑，天津市化學(xué)試劑研究所。

儀器：DS18B20溫度傳感器，深圳市鉑電科技有限公司；SS-2YK型聲速測定儀（自行改裝后使用），南京慧波理工科教儀器研究所；硝酸銨溶液加熱恒溫系統(tǒng)（自行加工，容積5L）。

2.2 硝酸銨溶液超聲波聲速測試方法

硝酸銨溶液超聲波聲速測定采用的超聲波聲速儀是在SS-2YK型聲速儀的基礎(chǔ)上改裝的，改裝后的聲速儀的發(fā)射和接收信號探頭可直接置于或安裝在特定的硝酸銨溶液容器中，改裝后的儀器具有防爆性能，最高工作溫度可達130℃，可以測量高濃度（最高可達94%）硝酸銨溶液的濃度。

配制一定濃度的硝酸銨溶液，測量超聲波在溶液中的傳播速度。在超聲波探頭發(fā)射一束超聲波信號后，信號通過一定濃度的硝酸銨溶液到達對面的反射面，之后信號從反射面返回。此時探頭轉(zhuǎn)為信號接收狀態(tài)，以此測定超聲波信號傳輸?shù)目倳r間，信號傳輸?shù)木嚯x為2倍間距（2L）。距離除以時間（t）即為超聲波聲速（v）。超聲波信號在液體溶液中的發(fā)射和接收如圖1所示。超聲波聲速的計算公式：v=2L/t。

圖1 超聲波信號的發(fā)射和接收Fig.1 Transmitting and receiving of the ultrasonic signal

3 結(jié)果與分析

3.1 硝酸銨溶液超聲波聲速的測定

配制一系列濃度的硝酸銨溶液（1號～5號），將其轉(zhuǎn)移至自制的密閉加熱恒溫系統(tǒng)中，將溫度升到130℃，并將經(jīng)過改裝的超聲波聲速測定儀的探頭置于溶液中，固定并密封好，恒溫30min。然后調(diào)節(jié)加熱恒溫系統(tǒng)，開始緩慢降溫，測量降溫過程中硝酸銨溶液超聲波聲速值的變化規(guī)律。結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液的超聲波聲速（m·s-1）Tab.1 The ultrasonic velocity of ammonium nitrate solution at various concentrations and temperatures

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，在某一特定的溫度下，濃度大的硝酸銨溶液超聲波聲速值大。同時，對于濃度一定的硝酸銨溶液，超聲波聲速值均隨著溫度的下降呈現(xiàn)出很有規(guī)律的增大趨勢。

3.2 硝酸銨溶液溫度—超聲波聲速—濃度標準曲線的擬合

針對表 1 中 5組不同濃度硝酸銨溶液超聲波聲速的測定結(jié)果，分別以溫度為橫坐標，以超聲波聲速為縱坐標作圖，得出5條溫度—超聲波聲速—濃度相關(guān)曲線。對5條相關(guān)曲線進行二次曲線擬合，得出5個超聲波聲速隨濃度變化的二元回歸方程，如圖2所示。

圖2 硝酸銨溶液溫度——超聲波聲速—濃度相關(guān)曲線Fig.2 The temperature vs ultrasonic velocity vs concentration standard curve of ammonium nitrate solution

圖2中5個二元回歸方程，線性相關(guān)系數(shù)R2均在0.998 9以上，說明溫度—超聲波聲速—濃度之間的線性相關(guān)性很好。由此可以推斷，基于此標準曲線方程的超聲波法測硝酸銨溶液濃度理論上是可行的。

4 驗證試驗

配制5組待測濃度的硝酸銨溶液，用超聲波法及甲醛法分別測試它們的濃度，將測試結(jié)果進行比較，分析超聲波法測試硝酸銨溶液濃度的測量精度，結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波法測硝酸銨溶液濃度的精度驗證Tab.2 Accuracy verification of concentration measured by ultrasonic method

從表2中5組濃度測試結(jié)果對比以及偏差的數(shù)值可以看出，超聲波法測得的硝酸銨溶液的濃度與甲醛法測得的硝酸銨溶液的濃度的偏差均在±0.5%以下，能夠達到傳統(tǒng)的比重法測量硝酸銨溶液濃度的測量精度，因此，超聲波法在線檢測硝酸銨溶液的濃度是可行的。與比重法相比，該方法測量過程相當簡便，并能夠?qū)崟r監(jiān)測硝酸銨溶液的濃度，同時還不受溶液溫度、濃度的限制，可以測量高溫（最高可達130℃）、高濃度（最高可達94%）硝酸銨溶液的濃度。

5 結(jié)論與展望

超聲波法測試硝酸銨溶液濃度的可行性研究結(jié)果表明，超聲波法在線檢測硝酸銨溶液的濃度是可行的，測量精度達到±0.5%以上。與比重法相比，超聲波法在獲得相應(yīng)的標準曲線信號后，測量過程相當簡便，并能夠?qū)崟r監(jiān)測硝酸銨溶液的濃度，同時還不受溶液溫度、濃度的限制，可以測量高溫（最高可達130℃）、高濃度（最高可達94%）硝酸銨溶液的濃度。

由于實驗條件的限制，自制的硝酸銨溶液加熱恒溫系統(tǒng)對溫度的控制精度不高，導(dǎo)致超聲波聲速的測量結(jié)果存在一定的誤差，以至于最終的濃度測量結(jié)果精度不高。下一步擬增大實驗體系，完善控溫系統(tǒng)，提高超聲波法在線檢測硝酸銨溶液濃度的精度，為其在工業(yè)炸藥生產(chǎn)線上的安裝和使用奠定基礎(chǔ)。

[1]工信部安[2010]227號.工業(yè)和信息化部關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進步的指導(dǎo)意見[Z].2010-5-19.

[2]汪旭光.關(guān)于低碳經(jīng)濟與民爆行業(yè)發(fā)展的思考[J]. 工程爆破,2009,15(3):1-4.

[3]GB/T 2947-2002尿素、硝酸銨中游離水含量的測定— —卡爾·費休法(仲裁法) [S].北京:中國標準出版社,2002.

[4]GB 2945-89硝酸銨[S].北京:中國標準出版社, 1989.