超声波法在线检测硝酸铵溶液浓度的可行性研究

张东杰，栗峰雷，滕 威，章晋英，陆丽园，王作鹏，王晓云

（中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

2010年工信部下发的《工信部关于民用爆炸物品行业技术进步的指导意见》[1]中明确指出:“鼓励采用液体硝酸铵代替固体硝酸铵制备工业炸药”。由硝酸铵生产厂家提供硝酸铵溶液直接应用于工业炸药的生产是国外炸药生产厂家的典型生产方式[2]。国内越来越多的民爆企业与硝酸铵生产厂家合作直接使用硝酸铵溶液，效益显著。由于硝酸铵溶液浓度是炸药生产工艺中的重要参数，生产中必须准确测量，以保持原料正确配比，确保产品质量。与以往采用固体硝酸铵生产工业炸药中配料法制备的硝酸铵溶液相比，硝酸铵生产企业提供的硝酸铵溶液浓度值存在一定的供货范围，在制备炸药水相溶液时需要调整，现有人工比重测试方法繁琐，存在人为因素，不符合现代自动化生产要求。因此研究硝酸铵溶液浓度的在线测试方法显得尤为重要。

硝酸铵溶液浓度传统的检测方法主要有：比重法和化学分析法（即滴定法）。比重法的原理是量取一定量的样品，测定稀释后样品的密度ρ和温度T，通过查ρ——T表换算成样品的浓度，其缺点在于：用于工业炸药生产的硝酸铵溶液浓度一般在70%以上，浓度较高，容易析晶，测量误差较大，不利于产品质量控制。常用的化学分析法有甲醛法，该方法虽然测量结果相对准确，误差较小，但耗时较多，一般需20min以上。还有两种检测方法就是卡尔•费休法[3]和烘箱干燥法[4]，这两种方法对测试人员的素质要求高，测试过程也比较复杂繁锁，而且测试耗时长。上述各种方法根本无法实现硝酸铵溶液浓度的在线检测，不利于液体硝酸铵在工业炸药生产中的应用。

本文采用自行改装的超声波声速测定仪快速测定不同浓度、不同温度下硝酸铵溶液的超声波声速，探索超声波法在线检测硝酸铵溶液浓度的可行性，为液体硝酸铵直接利用技术提供一种在线检测浓度指标的方法。

1 超声波法测量硝酸铵溶液浓度的原理

理论上，温度恒定时，超声波在单一溶液中的传播速度只受浓度的影响，浓度愈高传播速度愈快。基于这种理论，测试超声波在不同浓度、不同温度下硝酸铵溶液中的传播速度，分析超声波声速与硝酸铵溶液浓度及温度的对应关系，拟合相关标准曲线。测试待测硝酸铵溶液不同温度下的超声波声速值，与上述相关标准曲线进行比较，从而得出待测硝酸铵溶液的浓度值。

2 可行性试验

2.1 主要试剂与仪器

试剂：硝酸铵（固体），≥99.5%，开封晋开化工有限责任公司；70%～93%的硝酸铵溶液（自行配制）；硫酸标准溶液（自行配制）；氢氧化钠标准溶液（自行配制）；甲醛，分析纯AR，烟台市双双化工有限公司；甲基红指示剂，天津市化学试剂研究所；酚酞指示剂，天津市化学试剂研究所。

仪器：DS18B20温度传感器，深圳市铂电科技有限公司；SS-2YK型声速测定仪（自行改装后使用），南京慧波理工科教仪器研究所；硝酸铵溶液加热恒温系统（自行加工，容积5L）。

2.2 硝酸铵溶液超声波声速测试方法

硝酸铵溶液超声波声速测定采用的超声波声速仪是在SS-2YK型声速仪的基础上改装的，改装后的声速仪的发射和接收信号探头可直接置于或安装在特定的硝酸铵溶液容器中，改装后的仪器具有防爆性能，最高工作温度可达130℃，可以测量高浓度（最高可达94%）硝酸铵溶液的浓度。

配制一定浓度的硝酸铵溶液，测量超声波在溶液中的传播速度。在超声波探头发射一束超声波信号后，信号通过一定浓度的硝酸铵溶液到达对面的反射面，之后信号从反射面返回。此时探头转为信号接收状态，以此测定超声波信号传输的总时间，信号传输的距离为2倍间距（2L）。距离除以时间（t）即为超声波声速（v）。超声波信号在液体溶液中的发射和接收如图1所示。超声波声速的计算公式：v=2L/t。

图1 超声波信号的发射和接收Fig.1 Transmitting and receiving of the ultrasonic signal

3 结果与分析

3.1 硝酸铵溶液超声波声速的测定

配制一系列浓度的硝酸铵溶液（1号～5号），将其转移至自制的密闭加热恒温系统中，将温度升到130℃，并将经过改装的超声波声速测定仪的探头置于溶液中，固定并密封好，恒温30min。然后调节加热恒温系统，开始缓慢降温，测量降温过程中硝酸铵溶液超声波声速值的变化规律。结果如表1所示。

表1 不同浓度、不同温度下硝酸铵溶液的超声波声速（m·s-1）Tab.1 The ultrasonic velocity of ammonium nitrate solution at various concentrations and temperatures

由表1中数据可以看出，在某一特定的温度下，浓度大的硝酸铵溶液超声波声速值大。同时，对于浓度一定的硝酸铵溶液，超声波声速值均随着温度的下降呈现出很有规律的增大趋势。

3.2 硝酸铵溶液温度—超声波声速—浓度标准曲线的拟合

针对表 1 中 5组不同浓度硝酸铵溶液超声波声速的测定结果，分别以温度为横坐标，以超声波声速为纵坐标作图，得出5条温度—超声波声速—浓度相关曲线。对5条相关曲线进行二次曲线拟合，得出5个超声波声速随浓度变化的二元回归方程，如图2所示。

图2 硝酸铵溶液温度——超声波声速—浓度相关曲线Fig.2 The temperature vs ultrasonic velocity vs concentration standard curve of ammonium nitrate solution

图2中5个二元回归方程，线性相关系数R2均在0.998 9以上，说明温度—超声波声速—浓度之间的线性相关性很好。由此可以推断，基于此标准曲线方程的超声波法测硝酸铵溶液浓度理论上是可行的。

4 验证试验

配制5组待测浓度的硝酸铵溶液，用超声波法及甲醛法分别测试它们的浓度，将测试结果进行比较，分析超声波法测试硝酸铵溶液浓度的测量精度，结果如表2所示。

表2 超声波法测硝酸铵溶液浓度的精度验证Tab.2 Accuracy verification of concentration measured by ultrasonic method

从表2中5组浓度测试结果对比以及偏差的数值可以看出，超声波法测得的硝酸铵溶液的浓度与甲醛法测得的硝酸铵溶液的浓度的偏差均在±0.5%以下，能够达到传统的比重法测量硝酸铵溶液浓度的测量精度，因此，超声波法在线检测硝酸铵溶液的浓度是可行的。与比重法相比，该方法测量过程相当简便，并能够实时监测硝酸铵溶液的浓度，同时还不受溶液温度、浓度的限制，可以测量高温（最高可达130℃）、高浓度（最高可达94%）硝酸铵溶液的浓度。

5 结论与展望

超声波法测试硝酸铵溶液浓度的可行性研究结果表明，超声波法在线检测硝酸铵溶液的浓度是可行的，测量精度达到±0.5%以上。与比重法相比，超声波法在获得相应的标准曲线信号后，测量过程相当简便，并能够实时监测硝酸铵溶液的浓度，同时还不受溶液温度、浓度的限制，可以测量高温（最高可达130℃）、高浓度（最高可达94%）硝酸铵溶液的浓度。

由于实验条件的限制，自制的硝酸铵溶液加热恒温系统对温度的控制精度不高，导致超声波声速的测量结果存在一定的误差，以至于最终的浓度测量结果精度不高。下一步拟增大实验体系，完善控温系统，提高超声波法在线检测硝酸铵溶液浓度的精度，为其在工业炸药生产线上的安装和使用奠定基础。

[1]工信部安[2010]227号.工业和信息化部关于民用爆炸物品行业技术进步的指导意见[Z].2010-5-19.

[2]汪旭光.关于低碳经济与民爆行业发展的思考[J]. 工程爆破,2009,15(3):1-4.

[3]GB/T 2947-2002尿素、硝酸铵中游离水含量的测定— —卡尔·费休法(仲裁法) [S].北京:中国标准出版社,2002.

[4]GB 2945-89硝酸铵[S].北京:中国标准出版社, 1989.