氧弹热量计性能技术要求综述

王兴无，张太平

（1.神华国能集团有限公司，北京 100033；2.湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 前言

氧弹热量计是用来测定燃料发热量的计量仪器。热量计结构组成均包括氧弹、温度计或测温装置和内外筒（包括水循环系统）等部件。本文对各类热量计主要部件如氧弹、温度计以及整机性能指标进行阐述，供仪器制造厂开发人员和使用人员参考。

1 氧弹性能技术要求

氧弹是一个钢制圆柱形容器，由弹体、弹盖和连接环构成。在量热实验中，它是一个化学反应发生器。样品燃烧后，弹内瞬时压力可达10 Mpa以上，火焰中心瞬时温度可达1 500℃。过去，国内曾发生过氧弹盖被冲到天花板，火焰冲出针形阀并烧穿阀体的严重事故，因此氧弹的安全性能应该引起重视。

国家标准GB/T213[1]规定了氧弹3个方面的技术要求：

1）不受燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响而产生热效应。现代氧弹一般选用1Cr18NiqTi耐热耐腐蚀合金钢制作，试验表明燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响是可以忽略的。该条的要求应是制造厂的保证指标。

2）能够承受燃烧过程中产生的瞬时高压。一般用氧弹的耐压强度来描述。GB/T213只笼统指出应经20.0 Mpa的水压试验来确认。但该标准对水压试验如何进行，试验结果如何评价等都没有具体规定。

参照美国ASTM标准E144《氧弹的安全使用》和英国标准BS4791《热量计氧弹的构造》，针对氧弹安全性能（耐压强度）要求及性能检验，国内煤炭和电力行业分别制定了行业标准MT/T737—2007[2]和DL/T661—1999[3]作为国家标准的补充。有关氧弹安全性能要求分述如下：

1）螺纹松动度。螺纹松动度指连接环与弹体配合的松紧程度，分为径向松动度S d和轴向松动度Sa，两者之间有如下关系：S a=tg300×S d=0.577 S d。美国ASTM标准没有螺纹松动度要求，但英国标准SB4791—1985规定，S d≤0.55 mm，S a≤0.32 mm。国内电力行业标准规定S d≤0.62 mm或S a≤0.36 mm，而煤炭行业标准规定S d≤0.45 mm，S a≤0.27 mm。两个标准之间存在差距。影响螺纹松动度的原因有加工工艺粗糙，长期使用磨损，氧弹受压后发生较大的永久变形等。根据笔者掌握的调查资料，国内制造的氧弹满足要求。由于加工工艺方面的原因，个别厂家新制氧弹螺纹松动度达不到要求，另外有许多使用中的氧弹，螺纹松动度远远超差。

2）水压试验。向氧弹内注入常温水，加压至20.0 Mpa并维持10 min，观察和测量试验前后氧弹变化。应满足以下要求：氧弹无明显泄露，10 min内压力降不大于0.1 Mpa；卸压后，螺纹的配合依然平滑，各部件应没有不可恢复的明显的永久变形；水压试验前后杯体中部半高处直径弹性变形量和杯体底部中心至杯口高度的弹性变形量均不大于0.13 mm；而它们相应的永久变形量均不大于0.02 mm。

美国ASTM标准E144和国内煤炭、电力行业标准对水压试验的弹形变化量要求一致，英国标准对此未作规定。国内煤炭行业标准和美国标准对微小的永久变形量未作规定。另外英国标准要求水压试验压力为30 Mpa。

3）点火试验。美国ASTM标准和国内煤炭行业标准还规定了氧弹的点火试验要求。使用（2±0.1）g苯甲酸在充氧初始压力为3.0 Mpa的氧弹内燃烧，试验前后弹体半高处直径和底部中心至弹体上口高度的弹形变化量均小于0.13 mm，无气体泄露和永久性形变。

氧弹安全性能检验方法详见煤炭和电力行业标准[2][3]。基于安全方面的考虑，笔者认为氧弹应按这两个标准的规定，进行全面的检验，并从严评定。氧弹安全性能检验通常由制造厂或权威部门进行。新制和修理过的氧弹，性能检验合格方可投入使用。使用中的氧弹的检验周期GB/T213规定为不超过2年，电力行业标准则规定为1年或者使用500次后。

3）试验过程中能保持完全气密。

国家标准GB/T213要求试验时由实验人员即时检查：向氧弹内充入2.8～3.0 Mpa氧气，放入水面下，观察是否有水泡冒出，即可证明是否漏气。氧弹的耐压强度合格是氧气密性合格的前提条件。氧弹漏气往往与密封垫圈老化变形、污染、堵塞有关，试验人员可自行排除。

2 量热温度计计量性能要求

2.1 基本要求

内筒温升测量误差是发热量测定误差的主要来源。国际标准ISO1928：1995（E）[4]中对量热温度计性能的基本要求是：至少应具有0.001 K的分辨力，以便能够以优于0.002 K的分辨力测定（2~3）K的温差；绝对温度测定精度为0.1 K；在它所使用的整个温差范围内其温度变化特性是线性的或线性化的。

2.2 精密玻璃水银温度计计量性能指标

2.2.1 固定量程玻璃水银温度计

国家计量检定规程JJG618—1999[5]中对量热用温度计计量指标的规定：（1）分度为0.01 K，借助放大镜人眼估读到0.001 K；（2）示值允许误差不超过±0.10 K；（3）示值稳定度不超过0.01 K；（4）毛细管均匀性和刻度等分均匀性不超过0.01 K。

2.2.2 贝克曼温度计

国家计量检定规程JJG144—1999[6]贝克曼温度计性能指标。

1）分度值0.01 K，借助放大镜人眼可估读至0.001 K，在（20～25）℃内，整度修正值和相邻两个点修正值之差不超过±0.020 K；

2）（30～35）℃与（20～25）℃平均分度值为0.004±0.001；

3）均匀性误差即任意两个规定检定点中间一点温度修正值与按线性内插法计算出的修正值之差不超过0.008 K。

热量计用玻璃液体温度计，需由计量机关按检定规程进行检定。检定合格的温度计，其线性一般是不成问题的，如果正确使用温差测量准确度是能够保证的。

2.3 数字式量热温度计计量性能指标

数字式温度计由温度传感器，集成电路板（包括测温桥路、直流信号放大器、A/D转换器）和微机构成。国家计量检定规程JJG855—94[7]规定了其计量性能指标。

1）分辨力：温度计显示值的末位一个数字所表示的温度应不大于0.001 K。目前国内仪器厂家，该项指标均可达到要求，有些甚至达到0.0 001 K。

2）稳定度：国际标准ISO1928[4]规定：这类温度计的短期重复性优于0.001 K，6个月的“漂移”量不超过0.05 K。国内机械行业标准JB/T9514—1999[9]规定：重复性误差即在30 min内的示值波动不超过0.002 K；稳定性误差即30 h内的示值波动也不超过±0.002 K。国家计量检定规程JJG855[7]规定：在30 min内示值波动度不超过±0.001 K；相邻两个检定周期（不超过1年）每间隔1 K温差的测量误差的差值不超过±0.004 K。显然JJG855的规定最为严格。

3）示值允许误差：IS01928[4]规定为±0.1 K，JJG855[7]规定为±0.200 K。

4）线性误差：JJG855[7]规定温度计两个示值检定值中的任意一点，按线性内插法计算得到的示值误差值与实际检定的该中间点误差值的差值应优于±0.002 K。显然上述规定比玻璃水银温度计更为严格。

5）温差测量允许误差：JJG85[7]规定1 K温差测量允许误差不超过±0.002 K，1 K以上任意温差（≤3 K）的测量允许误差不超过±0.004 K。

2.4 数字温度计的计量检定

数字温度计的计量性能检定，应由法定机构按JJG855的规定进行检定，检定周期不超过1年。为了保证量热仪的性能和质量，制造厂应创造条件出厂时按检定规程对数字式温度计进行计量确认。

3 其它部件的性能要求

3.1 搅拌器的效率

国家标准GB/T213[1]规定：搅拌器为螺旋桨式，转速以（400～600）转1 min为宜，并应保持稳定；应能使热容量标定试验从点火到终点的时间不超过10 min，同时又要使连续10 min的搅拌器不超过120 J。如果不满足要求，有时需要调整搅拌器螺旋浆叶的角度。搅拌器搅拌作用与效率常常是影响仪器重复性的一个重要因素。

3.2 恒温式热量计外筒水温的稳定性

一般情况恒温式量热法中冷却校正的计算是基于外筒水的温度稳定不变。对于静态式热量计，在实验中由于内筒散热和环境温度的波动，外筒水温会缓慢变化。GB/T213[1]规定：外筒水容积应是内筒水容积的5倍以上。通过利用水的热容来保持外筒水的稳定。根据笔者的观察，在实验环境温度变化小于1 K的条件下，外筒水温波动不超过0.15℃。ISO1928则明确规定，从点火到末期结束的时间内（约15 min）对于冷却常数分别为0.0 020 min-1和0.0 030 min-1的热量计，外筒温升分别应不超过0.16℃和0.11℃。对于周边等温式热量计，该标准也明确规定外筒水温的波动应控制在±0.1℃以内。

3.3 绝热式热量计的绝热性能

绝热式量热法要求在一次量热实验中量热体系与周围环境之间不存在热交换。热量计的绝热性能用两个指标来描述。国家标准GB/T213[1]和机械行业标准JB/T9507[8]均规定：绝热式热量计平衡点内筒温度变化在5 min的平均值不超过0.0 005 K/min；在一次试验升温过程中内外筒之间的热交换量不超过20 J。上述两项指标的检验，一般使用者可在实验室内进行。前一项可结合日常实验进行，而后一项，需安排专门实验。检验方法详见JB/T9507[8]。

4 氧弹热量计的整机综合性能指标

如果各部件都满足上述技术要求，其整机性能应该不成问题。但由于量热实验的复杂性，误差因素较多，特别是自动量热仪，有必要对整机性能进行检验确认。另外根据国家计量法规，氧弹热量计是国家强制检定的工作计量器具，必须定期检定仪器性能。

资料[3]认为氧弹热量计的整机综合性能即准确度用精密度、正确度和长期稳定度三项指标描述，并给出了检验方法。

4.1 精密度

精密度指标用仪器热容量的重复性来表达。要求熟练人员按GB/T213[1]测定，计算相对标准偏差。如均不超过0.2%，仪器精密度合格。

4.2 正确度

通过对标准样品测定的偏倚来评价。可分别使用0.7 g和1.3 g的标准苯甲酸各测定两次，如两次极差小于97 J/g，其平均值与标准值之差如不超过55 J/g，则认为正确度合格。

4.3 长期稳定度

长期稳定度用有效期内热容量的漂移值来衡量。GB/T213[1]和ISO1928[4]都规定必须定期（3个月和6个月）核查热容量。分别要求在量热体系没有显著改变（指没有更换温度计，没有更换热量计主要部件、内筒水温终点温度的变动小于5℃）的条件下，两次热容量的平均值相差应不大于0.25%和0.15%。目前，我国多数制造厂的热量计该项指标可控制在0.20%以内。考虑国际交往需要，今后仪器热容量的漂移值应遵守ISO1928[4]。

5 结语

一台合格和性能优良的氧弹热量计，必须满足本文所述各项技术指标的要求。

[1]GB/T213—1996，煤的发热量测定方法[S].

[2]MT/T737—2007，量热仪氧弹安全性能检验规范[S].

[3]DL/T661—1999，热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法[S].

[4]ISO1928：1995（E），《Solid mineral fuels-determi nation of grosscalorific vallle by the bomb calormetric method and caculation of net calorimetric value[S].

[5]JJG618—1999，高精密度玻璃水银温度计检定规程[S].

[6]JG114—1999，贝克曼温度计检定规程[S].

[7]JJG855—1994，数字式量热温度计检定规程[S].

[8]JB/T9507—1999，氧弹热量计[S].

[9]JB/T9514—1999，数显热量计[S].

[10]JJG672—2001，氧弹热量计[S].

[11]张太平.氧弹热量计准确度要求及检验方法[J].煤质技术，2011(3).