异形容器JC-BN-500G 有毒气体爆炸箱容积标定方法

孙 晨

(中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司，安徽 淮北 235100)

民用爆炸物品测试中，经常用到体积较大的大型爆炸箱测试装置[1]。 测试装置的有效容积(含管道)作为后期分析计算过程中的重要参量[2]，应进行准确测量。 为满足实验需求，设计了一种大型爆炸箱测试装置，该装置目前只提供理论计算容积，计算不包含管道不规则弯段和风机等处，与真实容积有一定偏差，因此，只能采用不规则容器的容积标定方法进行标定。 不规则容器常用的测定方法主要有充液称重法[3-4]、外置法和内置法等[5-7]。上述测试方法只适用于体积较小的容器的实验室测定。 由于被测装置体积较大，且无法通过注入溶液的方式进行测量。 对于外置法所串联容器的容积应与被测容积相差不大，实施较为困难，且外置法和内置法测定过程都需要进行抽真空，这对于本身无法进行抽真空操作的爆炸箱测试装置显然不具有可行性。 而其他测试方法存在实施困难，经济性差或方法不适用等问题。

为实现对超大异形容器JC-BN-500G 有毒气体爆炸箱的容积标定，设计了2 种标定方法:一是结合原有理想气体状态方程[8]的方法适当调整后进行容积标定；二是采用标准气体浓度法进行标定。 通过具体试验考察2 种方法对该类超大型爆破容器进行容积标定的结果。

1 试验仪器与设备

待标定装置如图1 所示，所需仪器设备如下:空气压缩机，型号F2580S，排量0.25 m3/min；热式气体质量流量计，型号TF-25(DN25)；数字压力表，型号YS-100，量程0 ～2.5 MPa；数字式精密气压表，型号FYP-1，测量范围500 ～1 070 hPa；数字式温湿度计，型号KDTH-1；微型真空泵，型号G2BK1272S；CO 标准气体，浓度15.01%(余N2)；便携式红外线CO 分析仪，型号GXH-3011A1，分辨率0.001%；红外线CO 分析仪，型号GXH-3011N，测量范围:0 ～15%；取气乳胶球胆。

图1 JC-BN-500G 矿用炸药有毒气体爆炸箱测试装置

2 标定原理

2.1 理想气体状态方程法

由理想气体状态方程PV=nRT得知，在压强不太大(与大气压相比)且温度不太低(与室温相比)时，当气体本身的性质、质量和温度保持不变的情况下，气体体积与压强成反比，即PV=k(波义耳定律)。 因此，可以利用气体压强和体积的关系，结合公式进行计算，进而求得待测容器的容积。

其中，V=V1，只需测得P、P1、P2和放出气体的累计流量ΔV，即可求得容器的容积V。 而压强和累计流量皆可通过仪器测量得到。

2.2 气体浓度法

体积比表示法为气体浓度表示方法之一，即一定量气体试样中，待测气体占总气体的体积百分数。 取浓度为C1的CO 标准气体钢瓶，通过流量计向待标定装置中充入一定体积的标准气体，记为V进气，再通过装置内循环将气体混合均匀，从待测系统中取一定量气体，通过便携CO 红外分析仪测定出CO 的浓度为C2，根据气体浓度的体积比表示法测试过程不受环境温度和压力的影响，可得:

3 容积标定步骤

理想气体状态方程法标定示意图如图2 所示，JC-BN-500G 有毒气体测试装置整体(含管路)的有效容积记为V。 初始时，打开所有阀门，使待测系统内部与外界保持联通，此时系统内部压强等于外界大气压P。 关闭鼓风口和排风口处阀门，利用空气压缩机通过取气口向装置内充入一定量空气，使整个系统内压强改变(充入的空气量应在压力表极限量程范围内)，开启循环风机，使内部空气均匀，待系统稳定后，记录数字压力表读数P0即为系统初始压强。 打开流量计与待测装置连接段的气路阀门进行放气，通过温湿度测试仪记录放出气体的温度参数，分别记录放出气体累计流量为ΔV1、ΔV2、…、ΔVn时对应的压力表读数P1、P2、…、Pn，则根据公式(4)可得:

图2 理想气体状态方程法标定示意图

多组数据取平均值即可求得待测爆炸箱容积。

浓度法标定装置如图3 所示，标定前关闭鼓风口和排风口处阀门，其余阀门打开，将三通旋塞阀旋至标准气体钢瓶与待测装置连通，以一定流量向待测装置中充入浓度为C的CO 标准气体，充气完毕，记录此时流量计的累计流量V1，关闭取气口处阀门，打开循环风机使装置内气体混合均匀，循环过程中每间隔一段时间通过微型抽气泵和取气乳胶球胆取出试样气体，利用便携红外CO 分析仪测定试样气体的浓度，直至浓度不再变化后，关闭循环风机，记录此时的试样气体浓度为C1，则待测装置的有效容积依据公式(7)为:

图3 浓度法标定装置

通过改变标准气体进气累计流量，得到不同的气体试样中标识气体的浓度，进而验证标定结果的准确性。

4 试验结果与讨论

理想气体状态方程法用于容器容积标定已有报道[10]，而采用浓度法标定应先验证其用于容积标定的可行性。 值得注意的是，试验用热式气体质量流量计依据热扩散原理测量气体流量，不需要压力和温度补偿，通过内部运算处理直接显示为标准状态下的体积流量。 由于测试结果为标况流量，即1 个标准大气压，温度20 ℃下的流量，为计算方便，下述标定数据中压力均换算为20 ℃下对应压力值，浓度法中流量转换为工况流量。

4.1 浓度法可行性验证

采用浓度法标定装置对容积为30 L 的标准容器进行标定，由于浓度法需以最终容器内试样气体的浓度进行计算，因此，采用标准气体向容器中充气完毕后，静置2 h 以上使容器内气体充分混合，连续标定3 次，标定结果见表1。

表1 浓度法标定结果

由测试结果可知，采用浓度法对已知容积的容器标定平均值为29.67 L，与真实值的误差为-1.1%，与真实值较为接近，因此，采用该方法进行容积标定是可行的。

4.2 理想气体状态方程法

采用理想气体状态方程法，通过流量计将放气流速控制在0.72 Nm/s，对待测装置的容积进行标定，标定结果见表2，测试时环境大气压值为100.6 kPa。

表2 系统温度稳定时的气态方程法标定结果

该方法采用空气压缩机向待测容器中充入气体时，随着体系压力的增大，体系内气体的温度必会改变。 试验发现，充至所需压力后向系统外放气，在测试过程中，随着气体的放出，体系内气体温度逐渐趋于稳定。 由于该方法标定过程中需要随时记录流量及该流量下的气体温度、系统压力等数据，实施较为困难，存在较大的人为因素干扰。 因此，实际计算时，选择体系温度达到稳定时的状态记为起始状态，此时的压力为初始压力。

由测试结果可知，采用该方法测得的待测装置实际容积为17.0 m3，将每组试验标定结果与平均值比较，得出3 组数据较平均值的相对误差分别为0%、1.4%、-1.4%。

4.3 浓度法

采用浓度法标定，控制CO 标准气体通过流量计控制进气速率为0.68 Nm/s，环境大气压为100.9 kPa，温度为13 ℃，标定结果见表3。

表3 浓度法标定结果

由标定结果可知，待测装置有效容积为17.237 m3，3 组测试结果较平均值的相对误差分别为:-0.2%、0.4%、-0.2%。 通过浓度法对待测装置进行多次标定，每次标定结果较为稳定，主要原因为本方法标定过程中，变量较少，且气体浓度的体积比表示法不受过程温度和压力的影响。 因此，气体试样浓度较稳定，测试结果较精确。

4.4 气体流速对标定结果的影响分析

采用2 种方法进行容积标定，均通过流量计控制放气过程的流速和标准气体的进气流速，进行试验，计算每组试验数据的标准差，2 种方法的标定结果见表4 和表5。

表4 不同放气流速下气体状态方程法标定结果

表5 不同进气流速下浓度法标定结果

由标定结果可以看出，标定过程中流速较小时，标定结果相差不大，且数据的标准差较小，数据的稳定性好。 当标定过程中流速增大时，标定结果误差会明显增大，且测得的数据之间有较大偏差。主要是因为流速较大时，数据变化较快，难以及时准确地进行记录，同时，由于热式气体质量流量计自身精度与气体流速密切相关，当流速过大时，数据反映的准确性会有所下降。 因此，测试时应选择在较低流速下进行标定。

4.5 两种标定方法探讨

通过试验过程可知，采用理想气体状态方程法，标定过程影响因素较多，对数据记录的准确性要求较高，操作上较难实现，并且标定过程易受温度影响，因此，应选择系统温度稳定后的数据进行计算才更为准确，但整个过程耗时较长，且使用该方法对于测试过程中不确定度的控制(环境、人为因素及仪器精度等)较为困难。 该方法适用于对标定结果要求不高，容器容积相对较小的异形容器容积标定。

试验采用的浓度法对JC-BN-500G 炸药有毒气体爆炸箱这类不规则容器进行标定，通过多次试验标定的数据可得，每次标定结果的稳定性较好且操作简单、快速，影响变量相对单一，尤其适用于自带内循环系统，管路连接复杂，工作压力受限且容积过大的异形容器的标定。 但该方法需要借助标准气体及气体浓度分析仪，同时，要求针对超大容器待标定装置自带内循环系统，在仪器配置上要求较高，针对性较强。

5 结论

1)针对形状不规则、超大容积的炸药有毒气体爆炸箱设计的两种标定方法，通过试验证明其可行。 其中，浓度标定法具有便捷和稳定的特点，更适合该类带有内循环混合系统的超大异形容器标定。

2)两种标定方法的精度受气流速度影响明显，应用时均应选择在较低的气体流速下进行标定，采用浓度法宜控制CO 标准气体的进气速率不大于1 Nm/s。

3)采用浓度法应注意两点:一是对系统没有混合功能的大容积、复杂管道连接的容器标定不适应；二是要严格控制易燃气体的浓度低于临界爆炸浓度。