灰熔融性測定儀計量校準(zhǔn)方法探討

江寧川，楊佳，王振國，韓瑞國

(天津市計量監(jiān)督檢測科學(xué)研究院，天津300192)

0 引言

作為動力用煤的重要指標(biāo)，灰熔融性用以表征在規(guī)定條件下隨溫度提高而使煤灰形成變形、軟化、半球和流動的特征性物理狀態(tài)。由于煤灰是一種由硅、鋁、鐵、鈣和鎂等多種元素的氧化物及它們的化合物所構(gòu)成的復(fù)雜混合物，它沒有固定的熔點，而是隨加熱溫度的升高逐漸融化，并產(chǎn)生變形、軟化、半球和流動等四個特征溫度［1］。煤灰熔融性的測定在工業(yè)上特別是對發(fā)電廠來說具有重要意義。

灰熔融性測定儀依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》設(shè)計制造，用于測定煤灰熔融性。它以硅碳管為加溫元件，通過單片機控制以及人機界面的配合，可自動完成灰熔融性測定的全部過程，也可以在一定范圍內(nèi)對控制參數(shù)進行選擇與修改。時下更為高級的灰熔融性測定儀配套有CCD 成像設(shè)備和圖像處理模塊，可以實現(xiàn)計算機自動識別，但目前該技術(shù)尚不成熟，測量結(jié)果不夠準(zhǔn)確，仍應(yīng)以人工識別為主［2］。

本文選取了3 個常見型號的灰熔融性測定儀，分別為5E-AF4000，5E-AFⅡ，5E-AFⅢ，每個型號分別選取一臺儀器，進行計量性能的校準(zhǔn)試驗。

1 計量校準(zhǔn)現(xiàn)狀

在日常的檢定或者校準(zhǔn)工作中，灰熔融性測定儀的使用已日益增多，但由于缺少可依據(jù)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范等技術(shù)性文件，使得灰熔融性測定儀的計量特性技術(shù)指標(biāo)處于失控狀態(tài)，同時也影響了儀器特征參數(shù)的溯源性和儀器的準(zhǔn)確性［3］。因此，也只能為灰熔融性測定儀出具測試報告，測試的技術(shù)依據(jù)為國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》，通過實際測試煤灰熔融性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的四個特征溫度，與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，得出測試結(jié)果。這一測試方法項目過于單一，要求過于簡單，無法全面反映儀器狀態(tài)，無法滿足儀器的全部計量校準(zhǔn)要求。

2 通用技術(shù)要求

結(jié)合同類型煤質(zhì)分析儀器現(xiàn)有計量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范(JJG 1006-2005《煤中全硫測定儀檢定規(guī)程》)，以及灰熔融性相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》)，本文提出了灰熔融性測定儀應(yīng)能夠滿足的通用技術(shù)要求。

2.1 外觀與配件

灰熔融性測定儀應(yīng)有下列標(biāo)志:儀器名稱、型號、制造日期、儀器編號和制造廠名;外觀不應(yīng)有影響儀器正常工作的機械損傷;各緊固件和電纜接插件均應(yīng)緊固，插接良好;儀器配套軟件運行穩(wěn)定，顯示正常。

2.2 控溫性能

反映控溫性能的參數(shù)有升溫速度、控溫誤差、控溫精度和恒溫帶長度。使用測定儀對這些參數(shù)進行檢定校準(zhǔn)時，應(yīng)能夠控制溫度從室溫到1500℃及以上;能夠按照如下程序加熱:900℃以下，15 ～20℃/min;900℃以上，(5±1)℃/min;顯示溫度達到設(shè)定值并穩(wěn)定后，其控溫誤差應(yīng)小于±10℃，控溫精度在20 min內(nèi)不應(yīng)超過10℃;有足夠的恒溫帶，各部位溫差小于5℃，長度不應(yīng)小于30 mm，并保證灰錐托板穩(wěn)定布置在恒溫帶內(nèi)［4］。

2.3 測量性能

從工作原理區(qū)分，灰熔融性測定儀的爐內(nèi)氣氛可控制為弱還原性和氧化性。氧化性氣氛是指爐內(nèi)不放任何含碳物質(zhì)，并使空氣自由流通。弱還原性氣氛可通過通氣法、封碳法實現(xiàn)［5］。一般情況下，弱還原性氣氛下測試得到的數(shù)據(jù)要比氧化性氣氛下測試得到的數(shù)據(jù)更加接近真實值，所以測量性能要求在弱還原性氣氛下進行(建議采用較為經(jīng)濟方便的封碳法，按照一定比例將石墨和活性炭布置在剛玉管內(nèi)，在實驗過程中，尤其在900 ～1100 ℃，剛玉管中CO2與CO 的比值基本維持在1 ∶1，即實現(xiàn)了弱還原性氣氛)，測量結(jié)果應(yīng)符合表1 的規(guī)定［6］。

表1 灰熔融性測定儀測量性能要求

2.4 絕緣電阻和絕緣強度

灰熔融性測定儀獨立供電部分的電源接線端與機殼間的絕緣電阻不小于20 MΩ，應(yīng)能承受1500 V，50 Hz的交流電，歷時1 min 無飛弧和擊穿［4］。

3 校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器及設(shè)備

由于灰熔融性測定儀的校準(zhǔn)涉及到控溫裝置、爐內(nèi)氣氛控制等，測量數(shù)據(jù)為煤灰熔融性四個特征溫度，所以標(biāo)準(zhǔn)器及設(shè)備的選擇應(yīng)滿足開展計量性能校準(zhǔn)試驗的需求。校準(zhǔn)用標(biāo)準(zhǔn)器及設(shè)備主要包括:煤灰熔融性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、直流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表、二等鉑銠10-鉑標(biāo)準(zhǔn)熱電偶、絕緣電阻表、交流耐壓試驗儀、秒表等。

4 校準(zhǔn)方法

按照J(rèn)JF 1001-2011《通用計量術(shù)語及定義》和JJF 1033-2008《計量標(biāo)準(zhǔn)考核規(guī)范》提出的要求和規(guī)范，參考同類儀器設(shè)備已發(fā)布的校準(zhǔn)規(guī)范(例如熔點測定儀、煤中全硫測定儀等)，并結(jié)合日常檢定校準(zhǔn)經(jīng)驗和實驗方法，總結(jié)歸納出如下校準(zhǔn)方法。

4.1 控溫性能的校準(zhǔn)

1)工作溫度測定:設(shè)定爐溫為最高工作溫度1500℃，當(dāng)爐溫顯示值達到設(shè)定值并穩(wěn)定后，將與直流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶從儀器的進樣端插入到爐膛中，并使其熱端與儀器控溫?zé)犭娕嫉臒岫颂幱谕唤孛嫣?，將其冷端置于冰水混合物或室溫下。至少穩(wěn)定30 min 后，每隔2 min 記錄一次標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表上的電勢值和儀器顯示溫度，連續(xù)記錄10 次。查表，將每次記錄的電勢值轉(zhuǎn)換為溫度值。以10 次測量溫度值的平均值為實際爐溫，該溫度與規(guī)定溫度之差為控溫誤差;以10 次測量溫度值的極差為溫度波動范圍。

2)升溫速度測定:將與直流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶置于爐膛內(nèi)，從室溫開始升溫至最高工作溫度。通過觀察儀器顯示溫度，每2 min 記錄一次，計算900℃前后的升溫速度，每10 min 內(nèi)的平均升溫速度應(yīng)符合900℃以下，15 ～20 ℃/min;900℃以上，(5±1)℃/min 的要求。

3)恒溫帶測定:將爐溫升至1000℃，至少穩(wěn)定30 min后，將與直流標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電壓表聯(lián)接的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶插入至距離控溫?zé)犭娕紵岫思s30 mm 處，記錄插入位置，停留5 min 后每隔10 s 讀取一次數(shù)字電壓表上的電勢值，以連續(xù)4 次讀取數(shù)值的平均值為該位置上的電勢值。將熱電偶向前推進10 mm，重復(fù)上述操作;直至推進到據(jù)控溫?zé)犭娕紵岫肆硪环较蚣s30 mm 位置。然后將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶逐步拉出，每拉出10 mm，重復(fù)上述的測量。將所有記錄的電勢值換算為溫度值，繪制爐膛位置與溫度的關(guān)系圖，以溫度變化不超過5℃的區(qū)域為恒溫區(qū)，求出恒溫帶的長度。

3 臺灰熔融性測定儀的控溫性能見表2，結(jié)果均符合技術(shù)指標(biāo)的要求。

表2 灰熔融性測定儀控溫性能實驗結(jié)果

4.2 測量性能的校準(zhǔn)

4.2.1 測量重復(fù)性校準(zhǔn)

選取兩種不同的煤灰熔融性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在弱還原性氣氛下分別對每個煤樣進行7 次灰熔融性重復(fù)測量(測量次數(shù)越多，實驗標(biāo)準(zhǔn)差的不確定度越小，實驗標(biāo)準(zhǔn)差越小［7］。參考相同類型類似原理的煤中全硫測定儀檢定規(guī)程中的經(jīng)驗值，試驗中進行7 次重復(fù)性測量［8］)，記錄每次測量的四個特征溫度，分別按式(1)計算重復(fù)測量標(biāo)準(zhǔn)差s。有

式中:n 為重復(fù)測量次數(shù)(n=7);Xi為第i 次測量煤樣的特征溫度值;為n 次重復(fù)測量結(jié)果的平均值。

4.2.2 示值誤差校準(zhǔn)

選取三種不同的煤灰熔融性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，在弱還原性氣氛下分別對每個煤樣灰熔融性重復(fù)測量2 次(示值誤差的評定方法要求，在規(guī)定的條件下，對被評定的測量儀器進行一定次數(shù)的測量或比較［7］。參考相同類型類似原理的煤中全硫測定儀檢定規(guī)程中的經(jīng)驗值，試驗中進行2 次測量［8］)，記錄每次測量的四個特征溫度，分別以2 次測量結(jié)果的平均值作為該煤樣的特征溫度值。按式(2)計算煤灰熔融性標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之差，即為儀器的示值誤差Δ。即

式中:T 為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的測量值;T0為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值。

3 臺灰熔融性測定儀的測量重復(fù)性和示值誤差結(jié)果見表3，結(jié)果均符合技術(shù)指標(biāo)的要求。

表3 灰熔融性測定儀測量性能實驗結(jié)果

5 結(jié)論

灰熔融性測定儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、工作原理有其特殊性，目前尚缺少可依據(jù)的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范等技術(shù)性文件，簡單的溫度測試無法全面體現(xiàn)儀器性能指標(biāo)，影響了儀器特征參數(shù)的溯源性和儀器的準(zhǔn)確性。本文根據(jù)灰熔融性的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分別對控溫性能、測量性能等性能指標(biāo)開展計量校準(zhǔn)研究，提出了相應(yīng)的校準(zhǔn)方法，并開展了相關(guān)實驗。通過實際操作表明，該校準(zhǔn)方法可操作性強，切實可行，能較好地反映儀器的計量性能。

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