量热仪的热容量分析

刘凝

摘 要：煤的发热量是衡量煤炭质量的重要指标之一，是动力用煤计价的主要依据。燃煤工艺过程的热平衡、耗煤量、热效率等的计算，都要以煤的发热量为基础。发热量测定准确性的关键在于，标定热容量所能达到的准确度，以及热容量标定条件与发热量测定条件的相似性。在实践操作中，应尽量减少由于热容量值不准确而造成的系统误差。因此，做好热容量的标定工作，是保证获得准确发热量测定结果的基础。

关键词：量热仪;热容量;分析

中图分类号：TK39 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）09-0012-02

量热仪的热容量是指，该仪器的量热系统稳定每升高1℃所需要吸收的热量，以J/K（或J/℃）表示。量热仪的热容量是计算燃料发热量的基本参数。正确标定热容量，是保证发热量测定结果准确可靠的必要前提。确定量热仪热容量的有效工作范围，就是确定测热过程中量热系统温升与热容量的关系。如果温升与热容量值没有明显变化，该量热仪的热容量可视为常数，在室温变化不超过5℃的情况下是一固定值;反之，该量热仪的热容量不能视为常数，在实际测热过程中必须根据温升对热容量进行修正，以保证发热量测定的准确性。国际规定在使用新型量热仪前，需确定其热容量的有效工作范围。但使用者往往忽视此问题。若量热仪的热容量与温升有关系，而不确定量热仪热容量的有效工作范围，就会造成测低热值的煤样发热量偏低，测高发热量的煤热值偏高。因此，确定新量热仪有效工作范围是非常重要的。

国标中规定，如果观察到的热容量值与温升有明显的相关性，用一元线性回归的方法求得和的关系式，并计算线性回归方程的估计方差和相对标准差，其相对标准差不应超过0.20%。如果精密度满足要求，在测定试样的发热量时，就可根据实际的温升，用公式确定所用的热容量值（查图或用公式计算）。因此，在测定试样的发热量时，该热量计就可根据实际的温升，用公式确定所用的热容量值。

热容量标定一般应进行5次重复试验。计算5次重复试验结果的平均值和相对标准差，其相对标准差不应超过0.20%;若超过0.20%，再补做一次试验，取符合要求的5次结果的平均值，修约至1J/K作为该仪器的热容量。在热容量有效工作范围内，热容量值与温升有明显的相关性时，所测定的热容量值依然满足“5次重复试验结果的相对标准差不应超过0.20%”的要求，显然可取符合要求的5次结果的均值为热量计的热容量值。

热量计热容量的有效工作范围是指，其热容量值适用的温度变化（升温）的范围。有些热量计，为提高测定速度和自动化程度，采用了一些非经典原理的设计，使得量热系统的热容量在不同的温升范围内不同。此时，就不能在所有的情况下都使用同样的热容量值。如某些热量计在测定高热值样品时产生的温升大，其热容量值可能小;测定低热值样品时产生的温升小，其热容量值可能大;或情况相反。也即，该种热量计的热容量与量热系统内产生的温升有关，而不是像用经典原理设计制造的热量计那样，无论温升的大小，热容量值都是一致的。因此，在使用新购置的新型热量计时，应进行一系列的试验来确定热量计的热容量。如果得出的热容量值基本一致（不超过规定的允许差），可以认为该仪器在所有的测量范围内热容量值是一致的。若测得的热容量值在不同的温升下不同，并与温升有较明显的相关性，则认为该仪器的热容量的有效工作范圍不同，在不同的工作范围下应采用不同的热容量值[1]。

关于热量计热容量可视为常数的判定。根据国标规定以温升（tn-t0）为横坐标，以热容量E为纵坐标，绘制温升与热容量值的关系图。如果从图中观察到的热容量值在整个范围内没有明显的系统性变化，该热量计的热容量可视为常数。可见热容量值与温升是否呈系统性变化、热容量值与温升有无明显的相关性，是热量计的热容量可视为常数的判断依据。确定热容量的有效工作范围时，由于热容量与温升线性相关显著，虽然其中的5个热容量测定数据都能满足相对标准差不超过0.20%的要求，其均值可作为热容量值，但视其热容量为常数是不妥的。

试验内容如下，热量计有效热容量标定试验数据如表1所示。#1量热仪一元线性回归法求热容量与温升的关系：

=2.5824

=214177.4753-（20.3136）×84334.37

=214177.4753-214141.8323

=35.643

=1863.5868

相关系数 ;

查相关系数临界值r0.05，6=0.707;

r<r0.05，6 ，因此热容量E与温升∆t无线性相关。

结论及建议：

确定热量计热容量的有效工作范围时，其中的5个热容量测定数据都能满足相对标准差不超过0.20%的要求，其均值可作为热容量值。

热容量值与温升是否呈系统性变化、热容量值与温升有无明显的相关性，是热量计的热容量可视为常数的判断依据。

一经判定热容量值与温升有明显的相关性，即呈系统性变化且相对标准差小于0.20%热量计测定发热量时，就应根据实际的温升用公式=a+b确定所用的热容量值，确保仪器分析的精密度和准确度。

精确度计量的精确度是指在相同条件下，对被测量者进行多次反复测量，测得值之间的一致程度。从测量误差的角度来说，精确度所反映的是测得值的随机误差，精确度通常又称为精密度。准确度计量的准确度是指，被测量的测得值之间的一致程度以及与其真值的接近程度。从测量误差的角度来说，准确度是测得值的随机误差和系统误差的综合反映。测量结果的好坏应从精确度和准确度两个方面衡量，精确度是保证准确度的先决条件。精确度差，所测结果不可靠，就失去了衡量准确度的前提。精确度好，不一定准确度高。只有在消除了系统误差的前提下，精确度好，准确度才会高。准确度和精确度虽然是两个不同的概念，但两者之间存在着一定的关系[2]。应当指出的是，测定的精确度越高，测定结果也越接近于真实值。但不能绝对地认为精确度高，准确度也高，因为系统误差的存在并不影响测定的精确度。

热容量的标定，一般应用已知热值的基准物（通常用苯甲酸）进行5次重复试验，计算5次重复试验结果的平均值和标准差，其相对标准差不应超过0.20%。若其超过0.20%，再补做一次或两次试验，取符合要求的5次结果的平均值（修约至1J/K）作为该仪器的热容量;若仍超差，应对试验条件和操作技术进行仔细检查，纠正存在问题后再重新进行标定，舍去已有的全部结果。热容量的评定反映了量热仪的测试精密度，也反映了其总体性能，很大程度上减少了量热仪存在的系统误差，从而减少了对煤发热量测定结果准确性的影响。因此，对量热仪进行标定很有必要。

参考文献

[1] 江秀梅.量热仪热容量变化率超标分析及控制措施[J].华北电力技术，2014（10）：48-50，54.

[2] 隋艳.量热仪性能验收方法简析[J].煤质技术，2015（03）：36-39.