異形容器JC-BN-500G 有毒氣體爆炸箱容積標定方法

孫 晨

(中煤科工集團淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北 235100)

民用爆炸物品測試中，經(jīng)常用到體積較大的大型爆炸箱測試裝置[1]。 測試裝置的有效容積(含管道)作為后期分析計算過程中的重要參量[2]，應(yīng)進行準確測量。 為滿足實驗需求，設(shè)計了一種大型爆炸箱測試裝置，該裝置目前只提供理論計算容積，計算不包含管道不規(guī)則彎段和風(fēng)機等處，與真實容積有一定偏差，因此，只能采用不規(guī)則容器的容積標定方法進行標定。 不規(guī)則容器常用的測定方法主要有充液稱重法[3-4]、外置法和內(nèi)置法等[5-7]。上述測試方法只適用于體積較小的容器的實驗室測定。 由于被測裝置體積較大，且無法通過注入溶液的方式進行測量。 對于外置法所串聯(lián)容器的容積應(yīng)與被測容積相差不大，實施較為困難，且外置法和內(nèi)置法測定過程都需要進行抽真空，這對于本身無法進行抽真空操作的爆炸箱測試裝置顯然不具有可行性。 而其他測試方法存在實施困難，經(jīng)濟性差或方法不適用等問題。

為實現(xiàn)對超大異形容器JC-BN-500G 有毒氣體爆炸箱的容積標定，設(shè)計了2 種標定方法:一是結(jié)合原有理想氣體狀態(tài)方程[8]的方法適當調(diào)整后進行容積標定；二是采用標準氣體濃度法進行標定。 通過具體試驗考察2 種方法對該類超大型爆破容器進行容積標定的結(jié)果。

1 試驗儀器與設(shè)備

待標定裝置如圖1 所示，所需儀器設(shè)備如下:空氣壓縮機，型號F2580S，排量0.25 m3/min；熱式氣體質(zhì)量流量計，型號TF-25(DN25)；數(shù)字壓力表，型號YS-100，量程0 ～2.5 MPa；數(shù)字式精密氣壓表，型號FYP-1，測量范圍500 ～1 070 hPa；數(shù)字式溫濕度計，型號KDTH-1；微型真空泵，型號G2BK1272S；CO 標準氣體，濃度15.01%(余N2)；便攜式紅外線CO 分析儀，型號GXH-3011A1，分辨率0.001%；紅外線CO 分析儀，型號GXH-3011N，測量范圍:0 ～15%；取氣乳膠球膽。

圖1 JC-BN-500G 礦用炸藥有毒氣體爆炸箱測試裝置

2 標定原理

2.1 理想氣體狀態(tài)方程法

由理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT得知，在壓強不太大(與大氣壓相比)且溫度不太低(與室溫相比)時，當氣體本身的性質(zhì)、質(zhì)量和溫度保持不變的情況下，氣體體積與壓強成反比，即PV=k(波義耳定律)。 因此，可以利用氣體壓強和體積的關(guān)系，結(jié)合公式進行計算，進而求得待測容器的容積。

其中，V=V1，只需測得P、P1、P2和放出氣體的累計流量ΔV，即可求得容器的容積V。 而壓強和累計流量皆可通過儀器測量得到。

2.2 氣體濃度法

體積比表示法為氣體濃度表示方法之一，即一定量氣體試樣中，待測氣體占總氣體的體積百分數(shù)。 取濃度為C1的CO 標準氣體鋼瓶，通過流量計向待標定裝置中充入一定體積的標準氣體，記為V進氣，再通過裝置內(nèi)循環(huán)將氣體混合均勻，從待測系統(tǒng)中取一定量氣體，通過便攜CO 紅外分析儀測定出CO 的濃度為C2，根據(jù)氣體濃度的體積比表示法測試過程不受環(huán)境溫度和壓力的影響，可得:

3 容積標定步驟

理想氣體狀態(tài)方程法標定示意圖如圖2 所示，JC-BN-500G 有毒氣體測試裝置整體(含管路)的有效容積記為V。 初始時，打開所有閥門，使待測系統(tǒng)內(nèi)部與外界保持聯(lián)通，此時系統(tǒng)內(nèi)部壓強等于外界大氣壓P。 關(guān)閉鼓風(fēng)口和排風(fēng)口處閥門，利用空氣壓縮機通過取氣口向裝置內(nèi)充入一定量空氣，使整個系統(tǒng)內(nèi)壓強改變(充入的空氣量應(yīng)在壓力表極限量程范圍內(nèi))，開啟循環(huán)風(fēng)機，使內(nèi)部空氣均勻，待系統(tǒng)穩(wěn)定后，記錄數(shù)字壓力表讀數(shù)P0即為系統(tǒng)初始壓強。 打開流量計與待測裝置連接段的氣路閥門進行放氣，通過溫濕度測試儀記錄放出氣體的溫度參數(shù)，分別記錄放出氣體累計流量為ΔV1、ΔV2、…、ΔVn時對應(yīng)的壓力表讀數(shù)P1、P2、…、Pn，則根據(jù)公式(4)可得:

圖2 理想氣體狀態(tài)方程法標定示意圖

多組數(shù)據(jù)取平均值即可求得待測爆炸箱容積。

濃度法標定裝置如圖3 所示，標定前關(guān)閉鼓風(fēng)口和排風(fēng)口處閥門，其余閥門打開，將三通旋塞閥旋至標準氣體鋼瓶與待測裝置連通，以一定流量向待測裝置中充入濃度為C的CO 標準氣體，充氣完畢，記錄此時流量計的累計流量V1，關(guān)閉取氣口處閥門，打開循環(huán)風(fēng)機使裝置內(nèi)氣體混合均勻，循環(huán)過程中每間隔一段時間通過微型抽氣泵和取氣乳膠球膽取出試樣氣體，利用便攜紅外CO 分析儀測定試樣氣體的濃度，直至濃度不再變化后，關(guān)閉循環(huán)風(fēng)機，記錄此時的試樣氣體濃度為C1，則待測裝置的有效容積依據(jù)公式(7)為:

圖3 濃度法標定裝置

通過改變標準氣體進氣累計流量，得到不同的氣體試樣中標識氣體的濃度，進而驗證標定結(jié)果的準確性。

4 試驗結(jié)果與討論

理想氣體狀態(tài)方程法用于容器容積標定已有報道[10]，而采用濃度法標定應(yīng)先驗證其用于容積標定的可行性。 值得注意的是，試驗用熱式氣體質(zhì)量流量計依據(jù)熱擴散原理測量氣體流量，不需要壓力和溫度補償，通過內(nèi)部運算處理直接顯示為標準狀態(tài)下的體積流量。 由于測試結(jié)果為標況流量，即1 個標準大氣壓，溫度20 ℃下的流量，為計算方便，下述標定數(shù)據(jù)中壓力均換算為20 ℃下對應(yīng)壓力值，濃度法中流量轉(zhuǎn)換為工況流量。

4.1 濃度法可行性驗證

采用濃度法標定裝置對容積為30 L 的標準容器進行標定，由于濃度法需以最終容器內(nèi)試樣氣體的濃度進行計算，因此，采用標準氣體向容器中充氣完畢后，靜置2 h 以上使容器內(nèi)氣體充分混合，連續(xù)標定3 次，標定結(jié)果見表1。

表1 濃度法標定結(jié)果

由測試結(jié)果可知，采用濃度法對已知容積的容器標定平均值為29.67 L，與真實值的誤差為-1.1%，與真實值較為接近，因此，采用該方法進行容積標定是可行的。

4.2 理想氣體狀態(tài)方程法

采用理想氣體狀態(tài)方程法，通過流量計將放氣流速控制在0.72 Nm/s，對待測裝置的容積進行標定，標定結(jié)果見表2，測試時環(huán)境大氣壓值為100.6 kPa。

表2 系統(tǒng)溫度穩(wěn)定時的氣態(tài)方程法標定結(jié)果

該方法采用空氣壓縮機向待測容器中充入氣體時，隨著體系壓力的增大，體系內(nèi)氣體的溫度必會改變。 試驗發(fā)現(xiàn)，充至所需壓力后向系統(tǒng)外放氣，在測試過程中，隨著氣體的放出，體系內(nèi)氣體溫度逐漸趨于穩(wěn)定。 由于該方法標定過程中需要隨時記錄流量及該流量下的氣體溫度、系統(tǒng)壓力等數(shù)據(jù)，實施較為困難，存在較大的人為因素干擾。 因此，實際計算時，選擇體系溫度達到穩(wěn)定時的狀態(tài)記為起始狀態(tài)，此時的壓力為初始壓力。

由測試結(jié)果可知，采用該方法測得的待測裝置實際容積為17.0 m3，將每組試驗標定結(jié)果與平均值比較，得出3 組數(shù)據(jù)較平均值的相對誤差分別為0%、1.4%、-1.4%。

4.3 濃度法

采用濃度法標定，控制CO 標準氣體通過流量計控制進氣速率為0.68 Nm/s，環(huán)境大氣壓為100.9 kPa，溫度為13 ℃，標定結(jié)果見表3。

表3 濃度法標定結(jié)果

由標定結(jié)果可知，待測裝置有效容積為17.237 m3，3 組測試結(jié)果較平均值的相對誤差分別為:-0.2%、0.4%、-0.2%。 通過濃度法對待測裝置進行多次標定，每次標定結(jié)果較為穩(wěn)定，主要原因為本方法標定過程中，變量較少，且氣體濃度的體積比表示法不受過程溫度和壓力的影響。 因此，氣體試樣濃度較穩(wěn)定，測試結(jié)果較精確。

4.4 氣體流速對標定結(jié)果的影響分析

采用2 種方法進行容積標定，均通過流量計控制放氣過程的流速和標準氣體的進氣流速，進行試驗，計算每組試驗數(shù)據(jù)的標準差，2 種方法的標定結(jié)果見表4 和表5。

表4 不同放氣流速下氣體狀態(tài)方程法標定結(jié)果

表5 不同進氣流速下濃度法標定結(jié)果

由標定結(jié)果可以看出，標定過程中流速較小時，標定結(jié)果相差不大，且數(shù)據(jù)的標準差較小，數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性好。 當標定過程中流速增大時，標定結(jié)果誤差會明顯增大，且測得的數(shù)據(jù)之間有較大偏差。主要是因為流速較大時，數(shù)據(jù)變化較快，難以及時準確地進行記錄，同時，由于熱式氣體質(zhì)量流量計自身精度與氣體流速密切相關(guān)，當流速過大時，數(shù)據(jù)反映的準確性會有所下降。 因此，測試時應(yīng)選擇在較低流速下進行標定。

4.5 兩種標定方法探討

通過試驗過程可知，采用理想氣體狀態(tài)方程法，標定過程影響因素較多，對數(shù)據(jù)記錄的準確性要求較高，操作上較難實現(xiàn)，并且標定過程易受溫度影響，因此，應(yīng)選擇系統(tǒng)溫度穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進行計算才更為準確，但整個過程耗時較長，且使用該方法對于測試過程中不確定度的控制(環(huán)境、人為因素及儀器精度等)較為困難。 該方法適用于對標定結(jié)果要求不高，容器容積相對較小的異形容器容積標定。

試驗采用的濃度法對JC-BN-500G 炸藥有毒氣體爆炸箱這類不規(guī)則容器進行標定，通過多次試驗標定的數(shù)據(jù)可得，每次標定結(jié)果的穩(wěn)定性較好且操作簡單、快速，影響變量相對單一，尤其適用于自帶內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，管路連接復(fù)雜，工作壓力受限且容積過大的異形容器的標定。 但該方法需要借助標準氣體及氣體濃度分析儀，同時，要求針對超大容器待標定裝置自帶內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)，在儀器配置上要求較高，針對性較強。

5 結(jié)論

1)針對形狀不規(guī)則、超大容積的炸藥有毒氣體爆炸箱設(shè)計的兩種標定方法，通過試驗證明其可行。 其中，濃度標定法具有便捷和穩(wěn)定的特點，更適合該類帶有內(nèi)循環(huán)混合系統(tǒng)的超大異形容器標定。

2)兩種標定方法的精度受氣流速度影響明顯，應(yīng)用時均應(yīng)選擇在較低的氣體流速下進行標定，采用濃度法宜控制CO 標準氣體的進氣速率不大于1 Nm/s。

3)采用濃度法應(yīng)注意兩點:一是對系統(tǒng)沒有混合功能的大容積、復(fù)雜管道連接的容器標定不適應(yīng)；二是要嚴格控制易燃氣體的濃度低于臨界爆炸濃度。