安 晨，楊遂軍，張 林，葉樹亮

(1．中國計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018；2．杭州仰儀科技有限公司，浙江杭州 310018)

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高壓富氧環(huán)境自燃點(diǎn)測試儀的研制

安 晨1，楊遂軍1，張 林2，葉樹亮1

(1．中國計(jì)量學(xué)院工業(yè)與商貿(mào)計(jì)量技術(shù)研究所，浙江杭州 310018；2．杭州仰儀科技有限公司，浙江杭州 310018)

物質(zhì)自燃點(diǎn)是化工過程設(shè)計(jì)及危險(xiǎn)性評(píng)估和控制的重要依據(jù)。針對(duì)市場上缺乏高壓富氧環(huán)境物質(zhì)自燃點(diǎn)儀器及人工測量危險(xiǎn)性大等問題，研制了一種高壓富氧環(huán)境物質(zhì)自燃點(diǎn)測試儀。測試儀采用道爾頓分壓定律實(shí)現(xiàn)高壓富氧環(huán)境下的氣體濃度精確配比，并運(yùn)用高精度均溫場發(fā)生技術(shù)和多傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高壓富氧自燃點(diǎn)的檢測。闡述了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，并就多種典型試樣進(jìn)行測定，結(jié)果表明儀器自燃點(diǎn)檢測結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于1 ℃，同時(shí)具有良好的重復(fù)性。

高壓富氧；自燃點(diǎn)；精確配比；燃爆狀態(tài)辨識(shí)

0 引言

自燃點(diǎn)是指物質(zhì)在沒有火焰、電火花等火源作用下，在空氣或氧氣中被加熱而引起燃燒、爆炸的最低溫度[1]。根據(jù)謝苗諾夫熱自燃理論，影響自燃點(diǎn)的主要因素有氧含量和壓力。自燃點(diǎn)隨氧氣濃度的升高、壓力的增大而降低，引發(fā)火災(zāi)的危險(xiǎn)性隨之增大。在化工、工藝生產(chǎn)中涉及大量的高壓富氧環(huán)境，尤其是在一些生產(chǎn)中需要增加氧氣濃度來提高氧化反應(yīng)轉(zhuǎn)換效率的場合，其燃爆風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，因此必須準(zhǔn)確地掌握物質(zhì)在高壓富氧環(huán)境中的自燃點(diǎn)，以避免因物質(zhì)自燃而引起火災(zāi)、爆炸等危險(xiǎn)事故的發(fā)生。

自燃點(diǎn)研究主要包括理論預(yù)測和實(shí)驗(yàn)測定兩種方法。由于自燃點(diǎn)不是物質(zhì)固有的常數(shù)，在高壓富氧環(huán)境下自燃點(diǎn)的理論預(yù)測研究較為困難，最直接有效的方法是通過實(shí)驗(yàn)測定來獲取自燃點(diǎn)數(shù)據(jù)。目前化學(xué)品數(shù)據(jù)庫中多為常規(guī)條件下的自燃溫度，對(duì)于高壓富氧環(huán)境下尚無有關(guān)自燃溫度的描述，且國內(nèi)尚無有關(guān)高壓富氧自然點(diǎn)的測試方法。

為解決以上問題，對(duì)高壓富氧環(huán)境下物質(zhì)自燃點(diǎn)的測試方法進(jìn)行了研究。參考美國《ASTMG72M—2009高壓富氧環(huán)境中物質(zhì)的自燃溫度標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，在引入道爾頓分壓定律實(shí)現(xiàn)氣體濃度精確配比的基礎(chǔ)上，研究高精度均溫場發(fā)生技術(shù)，并運(yùn)用基于溫度和壓力的異類傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，研制出一種高壓富氧自燃點(diǎn)測試儀，實(shí)現(xiàn)了自燃溫度的精確、自動(dòng)、安全檢測。

1 高壓富氧環(huán)境自燃點(diǎn)測試儀的系統(tǒng)組成

高壓富氧環(huán)境下自燃點(diǎn)測試原理是物質(zhì)在測試環(huán)境下受熱自燃，即由于外界加熱作用及高壓富氧環(huán)境而發(fā)生的自燃現(xiàn)象，樣品溫度發(fā)生突變時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度即為自燃點(diǎn)。自燃點(diǎn)測試儀主要由測試室、配氣系統(tǒng)、加熱控溫系統(tǒng)和自燃點(diǎn)辨識(shí)系統(tǒng)組成。其原理如圖1所示。

圖1 高壓富氧環(huán)境自燃點(diǎn)測試儀原理圖

1．1 高壓富氧環(huán)境的發(fā)生

測試儀中的氧含量是影響自燃點(diǎn)測定的重要因素，其氣體濃度需要進(jìn)行精確配比。道爾頓分壓定律指出，任何容器內(nèi)的氣體混合物，如果各組分間不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，則每種氣體都均勻地分布在整個(gè)容器內(nèi)，它所產(chǎn)生的壓強(qiáng)和它單獨(dú)占有整個(gè)容器時(shí)所產(chǎn)生的壓強(qiáng)相同[2]。根據(jù)這一定律確定配氣單元中各氣體的分壓，并配合使用PVT法進(jìn)行氣體體積的精確計(jì)算[3]。在容積為V，溫度為T的高壓容器中，有氣體A和氣體B，由理想氣體方程可知:

PAV=NART，PBV=NBRT

(1)

PAV/PBV=NART/NBRT?PA/PB=NA/NB

(2)

式中：PA、PB為氣體A、B的分壓；NA、NB為氣體的摩爾數(shù)；R為氣體常數(shù)。

由此可知，容器中兩氣A、B體的摩爾比就等于兩氣體的分壓比?？刂迫萜鞯臏囟确€(wěn)定不變[4]，先向容器中通入氧氣至壓力PA，然后再向容器中通入氮?dú)庵翂毫A+PB，就可保證容器中兩種氣體的摩爾比，實(shí)現(xiàn)所需氧氣濃度的高壓富氧環(huán)境。

1．2 高精度均溫場發(fā)生

對(duì)物質(zhì)自燃狀態(tài)的準(zhǔn)確辨識(shí)是測定物質(zhì)自燃點(diǎn)的關(guān)鍵。由于物質(zhì)處于不斷升溫的溫度場中，溫度場的均勻程度和升溫速率的影響會(huì)對(duì)自燃點(diǎn)檢測產(chǎn)生誤判，因此測試室采用大長徑比結(jié)構(gòu)(L/R=11．8)，降低了測試室腔壁溫差[5]，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)軸向均溫性。測試樣品在軸向和徑向上盡量接近測試室中心，以使樣品安放位置最合適并且熱量損失最少[6]。同時(shí)采用了模糊PID控制算法將升溫速率與目標(biāo)速率的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換到模糊論域內(nèi)，然后進(jìn)行模糊關(guān)系推理，最后模糊控制器給出模糊控制量，通過解模糊化變成精確地控制量[7]。最終通過精確地控制量改變被控參數(shù)，使之與設(shè)定目標(biāo)靠攏。模糊PID控制器設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)原理

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并減少系統(tǒng)超調(diào)量，削弱系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象，將模糊控制器設(shè)計(jì)為二維控制器，即輸入量為目標(biāo)升溫速率v0和實(shí)際升溫速率v1，輸出量為通過繼電器控制的電熱圈加熱占空比的相對(duì)值U1。然后將U1輸送給功能模塊Fuyyz，其功能是根據(jù)PID控制器的輸出和當(dāng)前升溫速率，輸出電熱圈加熱占空比的絕對(duì)值U2，從而調(diào)節(jié)升溫速率至目標(biāo)值，實(shí)現(xiàn)高精度均溫場發(fā)生。

1．3 多傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)

物質(zhì)在測試室內(nèi)發(fā)生自燃的瞬間，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，采用K型裸露式熱電偶組成的溫度傳感單元對(duì)這一熱量進(jìn)行監(jiān)測。在溫度測量值中，測試室內(nèi)不同方位上多個(gè)溫度傳感器所測量的同一時(shí)刻數(shù)據(jù)必定存在誤差，這種誤差來自傳感器本身和一些隨機(jī)因素的作用[8]，因此采用多傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，減小單個(gè)溫度傳感器監(jiān)測信息的損失，提高系統(tǒng)溫度檢測精度。辨識(shí)方案如圖3所示。

圖3 自燃點(diǎn)辨識(shí)

多傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)依據(jù)加權(quán)融合算法，在總均方誤差最小的條件下，根據(jù)各個(gè)傳感器的測量值以自適應(yīng)的方式尋找其對(duì)應(yīng)的權(quán)數(shù)[9]，可以使融合后的目標(biāo)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)。

設(shè)n個(gè)溫度傳感器的測量值分別為T1，T2，…，Tn(彼此相互獨(dú)立)，加權(quán)因子分別為W1，W2，…，Wn。則多個(gè)溫度傳感器數(shù)據(jù)融合值為

(3)

該方法避免了平均值法不分優(yōu)劣地利用測量值的盲目性，加權(quán)融合估計(jì)的均方誤差小于系統(tǒng)中任一傳感器的方差，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自燃狀態(tài)的準(zhǔn)確判斷，提高了系統(tǒng)的可靠性和檢測結(jié)果的可信度。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由微處理器單元、升溫控溫模塊、自燃點(diǎn)檢測模塊及上下位機(jī)通訊模塊組成，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件框圖

測試過程中，由PC機(jī)通過串口通信模塊設(shè)定升溫速率，控制加熱絲對(duì)測試室進(jìn)行加熱，然后由熱電偶采集溫度信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路后，傳送給微處理器，通過模糊控制器計(jì)算得到實(shí)時(shí)控制量，并將控制量轉(zhuǎn)成固態(tài)繼電器相應(yīng)的占空比，從而實(shí)時(shí)改變加熱功率[10]；另一方面通過串口通信模塊與上位機(jī)通訊，實(shí)時(shí)傳送溫度數(shù)據(jù)到PC機(jī)，描繪出溫度—時(shí)間關(guān)系曲線。

3 軟件流程設(shè)計(jì)

根據(jù)物質(zhì)測試的準(zhǔn)確度要求，系統(tǒng)的軟件總體流程設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

由于高壓富氧環(huán)境物質(zhì)自燃點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)缺乏，且無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，故該試驗(yàn)儀測試思路是通過固液氣三態(tài)樣品在不同環(huán)境下的自燃點(diǎn)數(shù)據(jù)是否符合熱自燃理論來考察儀器，另外通過重復(fù)性測試來驗(yàn)證儀器性能。樣品分別為片狀高密度聚乙烯HDPE、正丁醇液體及丙烷氣體。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 自燃點(diǎn)測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過HDPE和正丁醇自燃點(diǎn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著壓力升高，自燃點(diǎn)溫度降低，這與熱自燃理論相吻合。重復(fù)性測試主要針對(duì)片狀HDPE在同樣環(huán)境條件下進(jìn)行了6次測試，具體數(shù)據(jù)如表2。

通過HDPE自燃點(diǎn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，儀器標(biāo)準(zhǔn)差優(yōu)于1 ℃，重復(fù)性良好。這表明，儀器在氣體配比、溫度檢測、溫度控制、自燃點(diǎn)辨識(shí)算法方面具有精確性、科學(xué)性以及可靠性。

5 結(jié)束語

針對(duì)市場上缺乏高壓富氧環(huán)境物質(zhì)自燃點(diǎn)儀器及人工測量危險(xiǎn)性大等問題，結(jié)合國外自燃點(diǎn)測試標(biāo)準(zhǔn)，重點(diǎn)研究了高壓富氧環(huán)境下物質(zhì)自燃點(diǎn)的檢測方法，采用高精度氣體配比以及多傳感器聯(lián)合燃爆狀態(tài)辨識(shí)技術(shù)，研制出一種高壓富氧環(huán)境自燃點(diǎn)測試儀，實(shí)現(xiàn)了自燃點(diǎn)的精確、自動(dòng)、安全檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明以上提出的高壓富氧環(huán)境自燃點(diǎn)檢測方法的正確性和可實(shí)施性，具有重要的推廣應(yīng)用前景。

表2 重復(fù)性測試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

[1] 劉丙戌．化學(xué)品火災(zāi)危害辨識(shí)與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估．安防科技，2004(4):7-8．

[2] 朱斌，殷晨波，陶春昊，等．基于恒流配氣方式的微氣體傳感器測試系統(tǒng)研究．儀器儀表學(xué)報(bào)，2011,32(12):2681-2687．

[3] 毋克力．氣體配比控制方法應(yīng)用．有色冶煉，2001,30(6):42-43．

[4] 袁有臣．鍋爐控制系統(tǒng)氧量變送器的設(shè)計(jì)．儀表技術(shù)與傳感器，2000(4):25-27．

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[10] 劉中杰．基于模糊PID的電阻爐溫度控制系統(tǒng)．電子設(shè)計(jì)工程，2012,20(13):151-154．

Development of Autoignition Temperature Tester for High-pressure and Oxygen-enriched Atmosphere

AN Chen1,YANG Sui-jun1，ZHANG Lin2,YE Shu-liang1

(1．Institute of Industry and Trade Measurement Technique，China Jiliang University，Hangzhou 310018，China； 2．Hangzhou Young Instruments Science & Technology Co．Ltd，Hangzhou 310018，China)

Autoignition temperature is an important basis for chemical process design and risk assessment and control．Nowadays,market lacks of autoignition temperature tester for high-pressure and oxygen-enriched atmosphere,and there is a big risk in artificial measurement．To solve this problem,we developed an autoignition temperature tester for high-pressure and oxygen-enriched atmosphere．The tester used the Daltons law of partial pressures to achieve precise ratio of gas concentration in high-pressure and oxygen-enriched atmosphere,using high-precision uniform temperature generating technology and joint deflagration identification technology of multi-sensor to achieve autoignition temperature detecting．And on this basis,we gave the system's hardware configuration and software design．A variety of typical samples measurement test results show that standard deviation of autoignition temperature test is better than 1 ℃ and the instrument has good repeatability．

high-pressure and oxygen-enriched atmosphere;autoignition temperature;precise ratio;deflagration identification

國家質(zhì)檢總局公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目(201310102-1)

2014-10-17 收修改稿日期:2015-02-07

TP27

A

1002-1841(2015)07-0038-03

安晨(1988—)，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫軆x器及機(jī)械。 E-mail:anchenac@163．com 楊遂軍(1979—)，碩士，主要研究領(lǐng)域?yàn)榛瘜W(xué)品安全測試技術(shù)與量熱技術(shù)。E-mail:yangsuijun1@sina．com