基于专利分析的量热仪氧弹自动点火方式探析

2020-06-24张仲焘吴成乞龚伟业

煤质技术 2020年3期

张仲焘，吴成乞，龚伟业

(湖南三德科技股份有限公司，湖南长沙 410205)

0 引言

煤炭是我国重要的基础能源，普遍应用于电力、冶金、化工等行业。煤质分析是为了了解煤的性质、组成和结构而通过一定的方法对煤样进行测试和研究的分析过程[1]。发热量测定是煤质分析中的1项重要检测项目，发热量不仅是评价燃料煤品质的主要参数,也是煤炭交易和贸易结算计价的主要依据，其测定值的准确与否，将直接关系交易双方的切身利益[2,3]。量热仪是煤炭发热量测量的主要仪器，其工作原理是将待测样品放置在氧弹内，在高压氧气的环境中点燃并充分燃烧以测量燃烧后的热值。量热仪作为煤炭发热量测量的主要仪器，目前已得到广泛应用[4]。量热仪测量准确度及检验要求，在国内技术标准中有明确说明[5-8]。

量热仪在实际测量煤发热量的过程中影响因素较多，有设备内部原因、外部环境原因、人员操作和维护保养等方面的原因。孔丽静[9]从提高量热仪准确性方面进行研究，分别从测温技术、内筒水量称量、搅拌方式、充氧方式、控制方式以及氧弹结构等方面指出目前存在的问题，并从量热仪外桶温度、电标热容量、改变氧弹结构、量热仪多功能化等方面提出了改进设想。李冬云[10]分别从电磁阀故障问题、水温调控问题、测温元件线性问题、外筒周边等温的可靠性问题、试验余热问题等方面就影响量热仪测试精度和可靠性的问题进行分析，并提出从改善阀门性能、研发循环水温稳定装置等方面采取切实有效的改进措施。袁朋[11]等分别从量热仪预热、氧弹气密性检查、点火丝固定、氧弹充氧、点火、氧弹清洗等方面梳理了量热仪的正确使用方法，并总结了使用过程中出现各种问题的解决办法。时震中[12]等对恒温式量热仪的主机和氧弹进行改造，将原有的熔断式点火方式改为非熔断式点火方式，并经实验测试采用非熔断式棉线点火，可有效解决因点火残留的金属丝造成的内筒水量变化而导致实验结果不准确的问题。程利[13]等通过对量热仪氧弹整体结构、材料方面进行改进，达到简化结构、节约生产成本、方便操作的目的，同时提高氧弹的热值测量范围和耐压能力。

氧弹点火是量热仪测量实验中至关重要的环节，其点火的可靠性直接影响实验的稳定性，特别是随着量热仪逐渐自动化、智能化，点火可靠性显得更加重要。专利作为技术信息最有效的载体，囊括了全球90%以上的最新技术情报，通过对专利技术数据的分析，能够客观地反映技术分布态势和技术发展方向，从而对新技术的研究和发展方向做出准确的判断[14]。笔者通过专利检索的方法收集和整理国内量热仪氧弹点火方式的相关专利，研究目前量热仪氧弹的主要点火方式，借助数据和图表分析现有点火相关专利的创新点，为后续量热仪氧弹点火方式的改进研究提供有力帮助，也为其他课题研究提供方法和思路指导。

1 专利检索与处理

1.1 技术研究边界定义

笔者研究的量热仪氧弹自动点火方式，主要从3个方面界定:① 量热，即从功能方面界定其用于样品热量的测定；② 氧弹，即发生反应的容器；③ 点火，即反应发生的外界触发条件。根据上述分析，将主要探讨3个关键词:量热、氧弹、点火。

1.2 专利检索与处理

量热仪氧弹自动点火方式专利数据来源于incoPat专利数据库，检索专利申请时间范围不做限定，检索日期为2019年12月11日。为了确保专利数据科学全面有效，笔者首先进行初步检索，然后进行多次查全检索、查全率检验、查准率评估，最后进行去噪处理。

检索关键词见表1，以表1中关键词构建检索式，检索范围为“标题、摘要、权利要求”。初步检索专利文献4 390件。

表1 检索关键词
Table 1 Search keywords

分块关键词块1:量热量热、热量、热值、计热、测热、测量、试验块2:氧弹氧弹、耐压容器、高压容器、压力容器、弹筒、弹芯、弹头块3:点火点火、燃烧、催化氧化、引火、引燃、点燃、导火、激光、聚光、加热棒、光发射器、电极

其次进行查全检索，即通过查全率检验进行补充检索以获得相对较全的检索集合S。构建查全检验的样本P时应通过不同于查全检索时的关键词进行检索。先后通过2次不同于查全检索时的关键词检索，构建检索样本P1和P2，并用查全率检验公式进行检验评估，同时对查漏专利原因分析，扩展关键词检索后进行复验。查全率(r)检验公式如下[15]:r=num(P∩S)/num(P)。其中，集合S是初步检索的文献集合，P是查全样本的文献集合(P中每篇文献都是与主题相关的文献)。

然后进行查准率检验。查准率检验是将待检验的文献集合S按科学抽样方式抽取一定数量S0，对S0进行人工浏览，筛选与主题相关的专利数量为S’,则查准率P=num(S’)/num(S0)。需要说明的是，查全率和查准率是反映文献检索质量的2个最重要指标，二者之间具有互逆的关系，查全率依赖于查准率,查准率的提高有利于查全率的提高[16]。经过多次查全查准反复检验后，最终检索到相关专利共7 282件。

最后进行去噪处理。去噪是将查全检索集合S中与技术主题不相关的专利去除的过程。去噪的方式可利用检索工具批量去噪，也可人工逐篇阅读去噪。笔者首先通过分类号批量去噪，然后通过关键词去噪，范围缩小后再进行人工精确去噪，去噪的详细过程不再赘述，去噪后得到与主题相关度较高的国内专利为71件。

2 图表及数据分析

将处理后的71件国内专利数据进行整理汇总，并从技术手段、技术效果、重要程度3个方面对每篇发明要点进行标引。通过归纳总结，技术手段归纳为测量方法改进、点火方式改进、结构改进；技术效果归纳为测量精度、稳定性、可靠性、使用寿命；重要程度归纳为非常重要、重要、一般、不重要。以下通过图表和数据进行说明。

2.1 专利申请趋势表

(1)专利申请趋势如图1所示,从图1中可看出，相关国内专利始于2010年，专利申请号为CN201020630320.2，专利名称为氧弹式热量控制器，申请人为个人“苑静和陈国明”，是涉及1种通电点火电路设计，点火电压和放电时间可控可调，且提高了点火控制器的使用寿命。该专利是国内涉及量热仪氧弹点火方式的首件专利，也是通电点火方式的首件专利。

图1 专利申请趋势Fig.1 The tendency of patent application

(2)2010年～2018年专利申请量整体呈稳步上升趋势。2016年～2018年专利申请量大幅增加，其中专利申请贡献值最大的是开元仪器和三德科技。期间专利申请量的2个峰值分别是2016年和2018年，2016年15件，其中6件来自于长沙开元仪器；2018年15件，其中8件来自于三德科技。

(3)由于专利从申请到公开有一定的滞后性，2019年之后的数据有部分未录入，但对主题的分析并不产生实质性影响。

2.2 专利申请人排名

(1)本主题的专利实用性较强，从申请人情况来看，申请人主要为企业单位，科研单位及院校占少数，专利申请人排名如图2所示。排名前四位的开元仪器、三德科技、徐州泰瑞仪器、北京迪奈这四家企业，专利申请量共计29件，占总数的41%，其他35家单位及院校占专利总数的59%。

(2)该项技术有众多高等院校申请质量相对较好的专利，应加强校企合作，合理利用企业资金和高校人才力量，加强成果转化。

图2 专利申请人排名Fig.2 Ranking of applicant for patent

2.3 技术功效矩阵图

(1)技术功效矩阵图如图3所示,从图3整体分析，目前该项技术研究的热点为通过点火方式的改进来提高设备运行的可靠性。

图3 技术功效矩阵图Fig.3 Technical efficacy matrix

(2)从技术手段分析，研究主要集中在结构改进和点火方式改进上。未来研发主要可投入在通过测量方法改进来提高测量精度以及通过点火方式的改进来提高设备的整体使用寿命。

(3)从技术效果分析，研究主要集中在提高设备的稳定性和可靠性上。未来还应加强设备测量精度和设备使用寿命上的研究。

(4)从标引的重要程度分析:① 申请号为CN201520329642.6，标题为氧弹装置，重要程度标引为:非常重要。该专利于2015年申请，发明1种外置式光发射器和聚光组件，开创了激光点火的先河。② 申请号为CN201711066842.7，标题为1种恒温式自动量热仪，重要程度标引为:非常重要。该专利于2017年申请，提供了1种系统的全自动控制解决方案，通过执行机构、压力检测、水位检测、温度检测、煤样质量测量、充放氧、点火控制、结果打印等实现全过程自动控制以及数据的实时自动传输与处理，减少客观因素影响，具有网络通信功能，可实现远程控制方式。③ 申请号为CN201710003947.1，标题为1种无需燃烧的煤炭发热量快速测量装置，重要程度标引为:非常重要。该专利于2017年1月申请，发明了1种无需燃烧煤炭且可快速测量发热量的方法及装置，其既解决传统氧弹式量热仪离线测热费时费力耗材、无法满足快速测量等各种问题，同时实现激光测量且具备离线分析的功能，安全经济，使用方便。

2.4 点火方式对比分析

目前量热仪氧弹点火方式主要有通电点火和激光点火方式，在现有产品上有不同程度的应用。

(1)通电点火。① 点火棒点火。在申请号为CN201821620738.8、CN201820959647.0等专利中均提到了点火棒方式点火。该种方式通过点火棒作为引燃部分引燃样品。但点火棒发热量相对较大且不易控制，导致对结果误差影响较大，同时在氧气不足或点火不成功等的情况下点火棒上容易粘附燃烧污垢，影响点火可靠性和实验结果，后期清理也不方便，目前在国内应用较少。② 点火丝点火。在申请号为CN201621186953.2、CN201920006007.2、CN201420635521.X等专利中均提到了点火丝点火，该种方式采用点火丝作为引燃部分引燃样品。在保证氧气充足、点火可靠的情况下，点火成功率相对较高；同时点火时引入的点火热相对较小，对实验结果影响也相对较小，因此是目前国内量热仪氧弹点火的主流方式。③棉线点火。在申请号为CN201821778715.X、CN201420827821.8等专利中提到通过棉线作为引燃材料点火。虽棉线在引燃时能完全燃烧，但棉线的发热量相对较大，点火时引入的点火热相对较大，可能对实验结果有一定的影响；绑系棉线操作相对复杂，对操作人员技能水平要求较高，较难实现点火自动化。且对点火部分的点火丝材质要求较高，使用寿命无法满足设计要求，因此棉线点火方式在国内正在被逐步淘汰。

(2)激光点火。申请号CN201820959742.0中涉及1种置于氧弹内的可拆卸的激光二极管、聚焦镜片和透明挡火片，激光二极管发出的光聚焦照射在坩埚内进行激光点火。该方案的弊端在于聚焦镜片上易粘附燃烧时产生的水汽和灰尘，影响下次点火，不便于维护。申请号CN201510260314.X中涉及1种设置于氧弹筒外部的光发射器与聚光组件，可减少燃烧产生的污垢粘附在聚光组件上，但无法避免影响其点火性能。该方案的优点在于外置的光发射器方便根据不同样品特性来调节，且方便维护。激光点火方式是1种新型点火方式，点火过程易实现自动化，因此通过改进完善目前存在的不足之后，可在全自动化验系统中借鉴实施。

(3)高压放电点火。在专利申请号分别为CN201220636195.5、CN201720357133.3的专利中涉及1种高压电子点火电路，实现高质量的高压放电点火，且点火装置重复利用。但该种方式整体方案结构复杂，成本较高。同时，煤样等固体可燃物的燃点较高，点火可靠性较差。

(4)其他方式。在申请号为CN201710003947.1、CN201720008683.4等专利中提到通过激光器激发煤粉获得光谱信号，通过多元回归模型处理光谱数据，实现快速无污染测量和离线测量。但该种方式目前还处在定性估算阶段，还需逐步完善。

2.5 专利当前状态

图4 专利当前状态Fig.4 Current status of patents

专利当前状态如图4所示。从图4专利当前状态可知，71件样本专利中:

(1)有效专利44件，占62%。其中实用新型42件、发明申请2件；主要发明人有三德科技8件、开元仪器8件、北京迪奈4件、徐州泰瑞5件，如图4(a)所示。2件发明中,1件是2014年由张洪个人申请，氧弹点火方面的创新点包括光发射器、调焦器(具有聚光镜)、导电件等结构，光发射器通电后发光并通过调焦器将光聚焦于容器内的样品以达到点火目的。该方案操作简便，无需清扫残留导火丝，大幅提高测量工作效率和测量精度。另外1件是2015年徐州泰瑞申请，该专利提供了1种恒温式量热仪的系统方案，具有氧弹、内筒、外筒、中筒(内筒和中筒之间中空)、定位器等结构，可实现快速水定量及提高测量精度和测量效率。

(2)10件在审中专利均为发明申请。其中3件涉及氧弹及其内部结构件的改进设计；3件涉及测量方法改进，以达提高测量精度目的；2件涉及系统解决方案，实现提高自动充放氧、自动点火、自动测量等自动化程度；1件为涉及高压电子点火电路设计，以提高点火装置的使用寿命和点火的成功率；1件为涉及煤炭发热量测量装置，无需燃烧快速测量。通过激光器激发煤粉获得光谱信号，采用多元回归模型处理光谱数据，实现快速无污染测量和离线测量。该方案是对目前量热仪测热方式的颠覆，可为后续量热仪研发及改进提供新思路。

(3)失效专利17件，占24%。驳回2件，撤回2件，权利终止13件，如图4(b)所示，不再赘述。