灰熔融性測定儀計量校準方法探討

江寧川，楊佳，王振國，韓瑞國

(天津市計量監督檢測科學研究院，天津300192)

0 引言

作為動力用煤的重要指標，灰熔融性用以表征在規定條件下隨溫度提高而使煤灰形成變形、軟化、半球和流動的特征性物理狀態。由于煤灰是一種由硅、鋁、鐵、鈣和鎂等多種元素的氧化物及它們的化合物所構成的復雜混合物，它沒有固定的熔點，而是隨加熱溫度的升高逐漸融化，并產生變形、軟化、半球和流動等四個特征溫度［1］。煤灰熔融性的測定在工業上特別是對發電廠來說具有重要意義。

灰熔融性測定儀依照國家標準GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》設計制造，用于測定煤灰熔融性。它以硅碳管為加溫元件，通過單片機控制以及人機界面的配合，可自動完成灰熔融性測定的全部過程，也可以在一定范圍內對控制參數進行選擇與修改。時下更為高級的灰熔融性測定儀配套有CCD 成像設備和圖像處理模塊，可以實現計算機自動識別，但目前該技術尚不成熟，測量結果不夠準確，仍應以人工識別為主［2］。

本文選取了3 個常見型號的灰熔融性測定儀，分別為5E-AF4000，5E-AFⅡ，5E-AFⅢ，每個型號分別選取一臺儀器，進行計量性能的校準試驗。

1 計量校準現狀

在日常的檢定或者校準工作中，灰熔融性測定儀的使用已日益增多，但由于缺少可依據的檢定規程或校準規范等技術性文件，使得灰熔融性測定儀的計量特性技術指標處于失控狀態，同時也影響了儀器特征參數的溯源性和儀器的準確性［3］。因此，也只能為灰熔融性測定儀出具測試報告，測試的技術依據為國家標準GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》，通過實際測試煤灰熔融性標準物質的四個特征溫度，與標準值進行比較，得出測試結果。這一測試方法項目過于單一，要求過于簡單，無法全面反映儀器狀態，無法滿足儀器的全部計量校準要求。

2 通用技術要求

結合同類型煤質分析儀器現有計量檢定規程或校準規范(JJG 1006-2005《煤中全硫測定儀檢定規程》)，以及灰熔融性相關國家標準(GB/T219-2008《煤灰熔融性的測定方法》)，本文提出了灰熔融性測定儀應能夠滿足的通用技術要求。

2.1 外觀與配件

灰熔融性測定儀應有下列標志:儀器名稱、型號、制造日期、儀器編號和制造廠名;外觀不應有影響儀器正常工作的機械損傷;各緊固件和電纜接插件均應緊固，插接良好;儀器配套軟件運行穩定，顯示正常。

2.2 控溫性能

反映控溫性能的參數有升溫速度、控溫誤差、控溫精度和恒溫帶長度。使用測定儀對這些參數進行檢定校準時，應能夠控制溫度從室溫到1500℃及以上;能夠按照如下程序加熱:900℃以下，15 ～20℃/min;900℃以上，(5±1)℃/min;顯示溫度達到設定值并穩定后，其控溫誤差應小于±10℃，控溫精度在20 min內不應超過10℃;有足夠的恒溫帶，各部位溫差小于5℃，長度不應小于30 mm，并保證灰錐托板穩定布置在恒溫帶內［4］。

2.3 測量性能

從工作原理區分，灰熔融性測定儀的爐內氣氛可控制為弱還原性和氧化性。氧化性氣氛是指爐內不放任何含碳物質，并使空氣自由流通。弱還原性氣氛可通過通氣法、封碳法實現［5］。一般情況下，弱還原性氣氛下測試得到的數據要比氧化性氣氛下測試得到的數據更加接近真實值，所以測量性能要求在弱還原性氣氛下進行(建議采用較為經濟方便的封碳法，按照一定比例將石墨和活性炭布置在剛玉管內，在實驗過程中，尤其在900 ～1100 ℃，剛玉管中CO2與CO 的比值基本維持在1 ∶1，即實現了弱還原性氣氛)，測量結果應符合表1 的規定［6］。

表1 灰熔融性測定儀測量性能要求

2.4 絕緣電阻和絕緣強度

灰熔融性測定儀獨立供電部分的電源接線端與機殼間的絕緣電阻不小于20 MΩ，應能承受1500 V，50 Hz的交流電，歷時1 min 無飛弧和擊穿［4］。

3 校準用標準器及設備

由于灰熔融性測定儀的校準涉及到控溫裝置、爐內氣氛控制等，測量數據為煤灰熔融性四個特征溫度，所以標準器及設備的選擇應滿足開展計量性能校準試驗的需求。校準用標準器及設備主要包括:煤灰熔融性標準物質、直流標準數字電壓表、二等鉑銠10-鉑標準熱電偶、絕緣電阻表、交流耐壓試驗儀、秒表等。

4 校準方法

按照JJF 1001-2011《通用計量術語及定義》和JJF 1033-2008《計量標準考核規范》提出的要求和規范，參考同類儀器設備已發布的校準規范(例如熔點測定儀、煤中全硫測定儀等)，并結合日常檢定校準經驗和實驗方法，總結歸納出如下校準方法。

4.1 控溫性能的校準

1)工作溫度測定:設定爐溫為最高工作溫度1500℃，當爐溫顯示值達到設定值并穩定后，將與直流標準數字電壓表聯接的標準熱電偶從儀器的進樣端插入到爐膛中，并使其熱端與儀器控溫熱電偶的熱端處于同一截面處，將其冷端置于冰水混合物或室溫下。至少穩定30 min 后，每隔2 min 記錄一次標準數字電壓表上的電勢值和儀器顯示溫度，連續記錄10 次。查表，將每次記錄的電勢值轉換為溫度值。以10 次測量溫度值的平均值為實際爐溫，該溫度與規定溫度之差為控溫誤差;以10 次測量溫度值的極差為溫度波動范圍。

2)升溫速度測定:將與直流標準數字電壓表聯接的標準熱電偶置于爐膛內，從室溫開始升溫至最高工作溫度。通過觀察儀器顯示溫度，每2 min 記錄一次，計算900℃前后的升溫速度，每10 min 內的平均升溫速度應符合900℃以下，15 ～20 ℃/min;900℃以上，(5±1)℃/min 的要求。

3)恒溫帶測定:將爐溫升至1000℃，至少穩定30 min后，將與直流標準數字電壓表聯接的標準熱電偶插入至距離控溫熱電偶熱端約30 mm 處，記錄插入位置，停留5 min 后每隔10 s 讀取一次數字電壓表上的電勢值，以連續4 次讀取數值的平均值為該位置上的電勢值。將熱電偶向前推進10 mm，重復上述操作;直至推進到據控溫熱電偶熱端另一方向約30 mm 位置。然后將標準熱電偶逐步拉出，每拉出10 mm，重復上述的測量。將所有記錄的電勢值換算為溫度值，繪制爐膛位置與溫度的關系圖，以溫度變化不超過5℃的區域為恒溫區，求出恒溫帶的長度。

3 臺灰熔融性測定儀的控溫性能見表2，結果均符合技術指標的要求。

表2 灰熔融性測定儀控溫性能實驗結果

4.2 測量性能的校準

4.2.1 測量重復性校準

選取兩種不同的煤灰熔融性標準物質，在弱還原性氣氛下分別對每個煤樣進行7 次灰熔融性重復測量(測量次數越多，實驗標準差的不確定度越小，實驗標準差越小［7］。參考相同類型類似原理的煤中全硫測定儀檢定規程中的經驗值，試驗中進行7 次重復性測量［8］)，記錄每次測量的四個特征溫度，分別按式(1)計算重復測量標準差s。有

式中:n 為重復測量次數(n=7);Xi為第i 次測量煤樣的特征溫度值;為n 次重復測量結果的平均值。

4.2.2 示值誤差校準

選取三種不同的煤灰熔融性標準物質，在弱還原性氣氛下分別對每個煤樣灰熔融性重復測量2 次(示值誤差的評定方法要求，在規定的條件下，對被評定的測量儀器進行一定次數的測量或比較［7］。參考相同類型類似原理的煤中全硫測定儀檢定規程中的經驗值，試驗中進行2 次測量［8］)，記錄每次測量的四個特征溫度，分別以2 次測量結果的平均值作為該煤樣的特征溫度值。按式(2)計算煤灰熔融性標準物質測量值與標準值之差，即為儀器的示值誤差Δ。即

式中:T 為標準物質的測量值;T0為標準物質的標準值。

3 臺灰熔融性測定儀的測量重復性和示值誤差結果見表3，結果均符合技術指標的要求。

表3 灰熔融性測定儀測量性能實驗結果

5 結論

灰熔融性測定儀的內部結構、工作原理有其特殊性，目前尚缺少可依據的檢定規程或校準規范等技術性文件，簡單的溫度測試無法全面體現儀器性能指標，影響了儀器特征參數的溯源性和儀器的準確性。本文根據灰熔融性的結構組成和工作原理，分別對控溫性能、測量性能等性能指標開展計量校準研究，提出了相應的校準方法，并開展了相關實驗。通過實際操作表明，該校準方法可操作性強，切實可行，能較好地反映儀器的計量性能。

［1］楊愛紅.煤灰成分對灰熔融性影響研究［J］.科技與企業，2013(15):324.

［2］丁宏剛，熊友輝.基于圖像識別技術的自動灰熔點測試儀研制［J］.實驗技術與管理，2005(1):72-75.

［3］朱茜，丁峰元，馮帥博.工業分析儀計量性能校準方法的研究［J］.計量技術，2012(6):47-50.

［4］國家發展和改革委員會.MT/T 941-2005 灰熔融性測定儀通用技術條件［S］.北京:［出版者不詳］，2005.

［5］陳寶華.煤灰熔融性測試中封碳法控制試驗氣氛研究［J］.煤質技術，2010(7):8-10.

［6］國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 219-2008 煤灰熔融性的測定方法［S］.北京:中國標準出版社，2008.

［7］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF 1094-2002 測量儀器特性評定［S］.北京:中國計量出版社，2002.

［8］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 1006-2005 煤中全硫測定儀檢定規程［S］.北京:中國計量出版社，2005.