氧彈熱量計(jì)檢定過程存在的問題及排除措施

陳曦(晉中市綜合檢驗(yàn)檢測中心，山西 晉中 030600)

0 引言

發(fā)熱量是判斷煤炭質(zhì)量，對(duì)煤炭進(jìn)行質(zhì)量分類與價(jià)格確定的重要指標(biāo)參數(shù)，如果不能準(zhǔn)確進(jìn)行煤炭發(fā)熱量的確認(rèn)，就無法實(shí)現(xiàn)煤炭資源的良好運(yùn)用，并對(duì)煤炭市場的健康發(fā)展造成影響。作為煤炭發(fā)熱量確定的重要儀器設(shè)備，做好氧彈熱量計(jì)檢定工作，克服檢定過程中存在的問題十分必要。

1 氧彈熱量計(jì)工作原理

現(xiàn)階段我國使用的氧彈熱量儀多為恒溫式，在工作時(shí)是將滿足充氧量及壓力條件的氧彈放入內(nèi)筒中以進(jìn)行水循環(huán)，待水溫達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)向內(nèi)筒注水，并在水量達(dá)標(biāo)后進(jìn)行攪拌，攪拌的目的是使內(nèi)筒水溫與室溫達(dá)到平衡狀態(tài)，感溫裝置會(huì)控制水溫與室溫之間的允許差值在1～3℃范圍內(nèi)。同時(shí)，感溫裝置會(huì)將測定的水溫情況記錄到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中。

當(dāng)氧彈熱量計(jì)內(nèi)筒水溫穩(wěn)定后，會(huì)由控制系統(tǒng)進(jìn)行電路點(diǎn)火，使得樣品在氧氣環(huán)境中燃燒，燃燒所產(chǎn)生的熱量會(huì)由氧彈傳遞給內(nèi)筒，內(nèi)筒水會(huì)因這些熱量的傳導(dǎo)而發(fā)生溫度的提高。氧彈內(nèi)熱量在全部釋放完成后會(huì)逐漸降低溫度，從而使內(nèi)筒水溫度降低，當(dāng)計(jì)算機(jī)檢測到內(nèi)筒水溫度降低后，會(huì)停止攪拌，判定為試驗(yàn)結(jié)束，從而放出內(nèi)筒水，最后由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)采集所得的溫度信息進(jìn)行分析。

對(duì)于一些氧彈熱量計(jì)中的自動(dòng)快速量熱設(shè)備來說，發(fā)熱量的測定不以試驗(yàn)區(qū)最終溫度為依據(jù)，而主要是根據(jù)線性主期內(nèi)的溫度速度，結(jié)合標(biāo)定模型進(jìn)行溫度的預(yù)算，最終由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析得出發(fā)熱量，這在一定程度上縮短了發(fā)熱量測定的時(shí)間，提高了測定的效率。

2 氧彈熱量計(jì)檢定內(nèi)容

氧彈熱量計(jì)的使用具有普遍性，其類型較為豐富，主要的類型包括自動(dòng)量熱儀、計(jì)算機(jī)全自動(dòng)量熱儀等。為了提高我國計(jì)量儀器的應(yīng)用水平，保證國家計(jì)量單位制的準(zhǔn)確，我國對(duì)于氧彈熱量計(jì)有詳細(xì)的檢定制度及規(guī)程，其中對(duì)氧彈熱量計(jì)的檢定內(nèi)容作出了明確規(guī)定，具體包括外觀、攪拌熱和平衡點(diǎn)穩(wěn)定性、熱容量重復(fù)性、熱值誤差和等。具體分析如下：

2.1 氧彈熱量計(jì)外觀

對(duì)于氧彈熱量計(jì)外觀的檢定屬于常規(guī)檢查，主要檢定內(nèi)容是查看量熱容器的外表是否做拋光處理，是否存在劃痕、脫皮等問題。為滿足氧彈熱量計(jì)在常溫狀態(tài)下接受20MPa水壓試驗(yàn)的要求，應(yīng)通過外觀檢定確保氧彈熱量計(jì)蓋與筒的螺旋部位無嚴(yán)重磨損及銹蝕。另外對(duì)氧彈應(yīng)進(jìn)行密封測試，測試方法是氧彈充氧3MPa后放入量熱容器中，無漏氣即為合格，要注意3MPa是標(biāo)準(zhǔn)充氧壓力，高于或低于這一標(biāo)準(zhǔn)值都會(huì)影響到密封測試的結(jié)果。

2.2 氧彈熱量計(jì)攪拌熱和平衡點(diǎn)穩(wěn)定性

攪拌器對(duì)量熱容器中的水的攪拌速度應(yīng)為恒定狀態(tài)，在恒定狀態(tài)下應(yīng)能夠?qū)α繜崛萜髦械乃M(jìn)行充分?jǐn)嚢?。在恒定狀態(tài)充分?jǐn)嚢璧那闆r下所產(chǎn)生的攪拌熱要很小，即不停攪拌10min，在量熱容器溫度、外筒溫度與室溫一致的情況下，量熱體系溫度升高要低于0.01K。為確保檢定結(jié)果的準(zhǔn)確，應(yīng)減少外部環(huán)境對(duì)熱量計(jì)的影響，保持避光、恒濕、恒溫的狀態(tài)。

在露出量熱容器水面的部分，應(yīng)有絕熱材料防止量熱體系與環(huán)境發(fā)生熱傳導(dǎo)。當(dāng)量熱體系達(dá)到平衡點(diǎn)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，在3～5min的時(shí)間內(nèi)，量熱體系的溫度變化應(yīng)低于0.001K。

2.3 氧彈熱量計(jì)熱容量重復(fù)性

氧彈熱量計(jì)熱容量重復(fù)性的檢定，其本質(zhì)是對(duì)氧彈熱量計(jì)精密性的檢定。通常情況下，在規(guī)定條件內(nèi)，應(yīng)對(duì)氧彈熱量計(jì)熱容量進(jìn)行燃燒熱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸的5次檢定。在小于1500J/K、9000～11000J/K和14000～15000J/K三個(gè)熱容量區(qū)間內(nèi)，確定極差分別為9J/K、40J/K、60J/K，所謂極差就是規(guī)定極差的最大值與最小值之差。

我國的氧彈熱量計(jì)熱容量以10000J/K居多，另有兩種是1500J/K和15000J/K。按照熱容量區(qū)間，如果極差以10000J/K熱量計(jì)極差40J/K為準(zhǔn)，那么對(duì)于另兩種熱容量熱量計(jì)而言就會(huì)分別出現(xiàn)技術(shù)要求過低和過高的情況，從而不利于確定熱量計(jì)的精密性。為此，應(yīng)該對(duì)不同熱容量區(qū)間進(jìn)行不同的極差要求，以確保熱量計(jì)的精密性。

2.4 氧彈熱量計(jì)熱值誤差

熱值誤差不能超過60J/g，在具體檢定熱值誤差時(shí)，應(yīng)分別使用0.7g和1.3g標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸，以對(duì)熱量計(jì)的線性進(jìn)行考察，考察的過程中應(yīng)嚴(yán)格控制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)苯甲酸的使用滿足要求。在使用10000J/K熱量計(jì)時(shí)，0.7g和1.3g的苯甲酸量熱體系升溫分別為1℃和3℃，符合要求則線性良好，不符合要求則要對(duì)計(jì)算程序進(jìn)行修訂。

現(xiàn)階段，熱值多是由計(jì)算機(jī)測溫而得，取兩次測溫的平均值。量熱體系的溫度曲線在計(jì)算機(jī)計(jì)算下可以分為前期、主期和末期，其中主期的線性數(shù)值被許多主要依靠計(jì)算機(jī)系統(tǒng)模型計(jì)算的測溫方法作為重要依據(jù)。在一定程度上而言，現(xiàn)階段對(duì)于氧彈熱量計(jì)熱值誤差的檢定，是對(duì)檢定儀器性能的考驗(yàn)，檢定儀器性能突出，則熱值誤差的檢定準(zhǔn)確性高，對(duì)于線性的控制，可以說就是提高檢定準(zhǔn)確性的過程。

3 氧彈熱量計(jì)檢定存在的問題及排除措施

氧彈熱量計(jì)的構(gòu)成較為復(fù)雜，主要包括氧彈、主機(jī)殼、內(nèi)外筒、攪拌器、溫感器、水循環(huán)系統(tǒng)、控制電路等部件系統(tǒng)組成，也正是由于組成的復(fù)雜，使得氧彈熱量計(jì)在檢定過程中存在不同的問題，主要包括氧彈充氣不足、熱容量重復(fù)性超標(biāo)、熱值誤差偏大，對(duì)于這些問題的解決是發(fā)揮氧彈熱量計(jì)作用的關(guān)鍵。為此，對(duì)氧彈熱量計(jì)檢定存在的問題及排除措施分析如下：

3.1 氧彈充氧量不足

如果氧彈熱量計(jì)的氧彈充氧量不足會(huì)對(duì)樣品燃燒情況造成影響，如果氧彈內(nèi)樣品的燃燒不夠充分，則直接會(huì)影響到測量結(jié)果的精準(zhǔn)性。造成氧彈充氧量不足的問題，有很大一部分原因是漏氣造成，這就需要在進(jìn)行氧彈熱量計(jì)堅(jiān)定前，先對(duì)儀器進(jìn)行密封性試驗(yàn)，以確保無漏氣情況的發(fā)生，如果發(fā)現(xiàn)有漏氣的情況存在，則應(yīng)該及時(shí)確定漏氣部位并對(duì)相應(yīng)的密封圈等零部件進(jìn)行更換。除此之外，如果充氧時(shí)間不足，充氧不夠也會(huì)造成氧彈熱量計(jì)氧彈充氧量不足的情況。

所以，一般情況下按照有關(guān)規(guī)定要求，氧彈熱量計(jì)氧彈充氧應(yīng)保持30秒的時(shí)間，壓力條件為3MPa，以保證氧彈熱量計(jì)氧彈內(nèi)有充足的氧氣可以進(jìn)行完整的燃燒試驗(yàn)。

3.2 熱容量重復(fù)性超標(biāo)

氧彈熱量計(jì)在對(duì)煤炭發(fā)熱量進(jìn)行測定時(shí)，主要是根據(jù)儀器所設(shè)定的熱容量進(jìn)行計(jì)算，為此，對(duì)于氧彈熱量計(jì)熱容量進(jìn)行檢查十分關(guān)鍵，其檢定能否順利開展，直接關(guān)系到氧彈熱量計(jì)測量的精準(zhǔn)度，在進(jìn)行氧彈熱量計(jì)熱容量的標(biāo)定時(shí)，經(jīng)常性會(huì)發(fā)生多次標(biāo)定，熱容量重復(fù)性超標(biāo)的情況，導(dǎo)致后續(xù)的檢定工作無法正常進(jìn)行。

針對(duì)于此，就要對(duì)出現(xiàn)熱容量重復(fù)性超標(biāo)的原因進(jìn)行查找與分析，逐步進(jìn)行判斷。第一步要檢查室溫情況，室溫的變化對(duì)于熱容量的影響較大，一般情況下，室溫應(yīng)保持恒溫狀態(tài)，波動(dòng)值應(yīng)控制在1℃以內(nèi)，以此最大程度降低室溫對(duì)熱容量的影響，第二步要檢查氧彈熱量計(jì)是否缺水，當(dāng)氧彈熱量計(jì)內(nèi)筒水位較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氧彈熱量計(jì)處于缺水的狀態(tài)，從而使得熱容量標(biāo)定超標(biāo)，針對(duì)于此應(yīng)對(duì)內(nèi)筒進(jìn)行加水，加水量到溢水口有水溢出即可，內(nèi)外筒水量均處于充足狀態(tài)，如果需水量較大，則需要對(duì)室溫條件進(jìn)行控制，一般是對(duì)水溫與室溫進(jìn)行24小時(shí)平衡后可以繼續(xù)進(jìn)行氧彈熱量計(jì)檢定。第三步要檢查氧彈熱量計(jì)內(nèi)水垢的積存情況，水垢過多并伴有脫落現(xiàn)象，也會(huì)造成熱容量重復(fù)性超標(biāo)的情況。為此在把進(jìn)行氧彈熱量計(jì)的水垢清理作為一項(xiàng)重要工作，在檢定氧彈熱量計(jì)之前進(jìn)行，特別是對(duì)氧彈熱量計(jì)氧彈的內(nèi)部，應(yīng)使用蒸餾水進(jìn)行沖洗，待沖洗水晾干后再進(jìn)行重新標(biāo)定。

3.3 熱值誤差偏大

線性度與熱值誤差密切相關(guān)，如果出現(xiàn)熱值誤差偏大的情況，則說明線性度出現(xiàn)了問題。按照相關(guān)的規(guī)定要求，在進(jìn)行完氧彈熱量計(jì)熱容量標(biāo)定及檢定后，應(yīng)對(duì)發(fā)熱量進(jìn)行測定，測定主要使用的是苯甲酸溶液。氧彈熱量計(jì)發(fā)熱量與苯甲酸硝酸生成熱后可以得到苯甲酸的發(fā)熱量，兩次發(fā)熱量取平均，與苯甲酸標(biāo)準(zhǔn)值的誤差應(yīng)控制在60J/g以內(nèi)。熱值誤差偏大的情況，還經(jīng)常表現(xiàn)在熱容量合格，但苯甲酸發(fā)熱量超出誤差值，從而導(dǎo)致后續(xù)的氧彈熱量計(jì)檢定工作無法進(jìn)行。

導(dǎo)致發(fā)熱量超出誤差的原因，基本可以歸結(jié)為兩個(gè)方面，一個(gè)方面是溫度計(jì)測量線性不足，實(shí)際溫度測量受到升溫過程的影響，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算程度出現(xiàn)計(jì)算偏差，針對(duì)于此應(yīng)更換溫度計(jì)進(jìn)行重新測量。另一方面是計(jì)算程序出現(xiàn)差錯(cuò)，造成差錯(cuò)的原因主要是樣品分析時(shí)間過長導(dǎo)致的儀器溫度過高，從而影響到儀器的水溫情況。這就需要重新修正儀器的計(jì)算程序，并讓儀器自然降溫，直到儀器內(nèi)部水溫降低道室溫，再保持一段時(shí)間的平衡后再進(jìn)行重新測量，基本上是可以解決苯甲酸發(fā)熱量熱值誤差較大的問題。

4 結(jié)語

氧彈熱量計(jì)是現(xiàn)階段主要應(yīng)用的煤炭發(fā)熱量檢測儀器設(shè)備，是我國進(jìn)行煤炭質(zhì)量確認(rèn)的重要議事設(shè)備。在使用的過程中，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展與使用經(jīng)驗(yàn)的不斷豐富，氧彈熱量計(jì)對(duì)煤炭發(fā)熱量的測定結(jié)果的準(zhǔn)確性不斷提高，而且隨著自動(dòng)化水平的提高，氧彈熱量計(jì)的設(shè)備類型不斷豐富，科技含量不斷提高，這有利于推動(dòng)氧彈熱量計(jì)的發(fā)展進(jìn)步，從而推動(dòng)我國煤炭生產(chǎn)事業(yè)的進(jìn)步。