朱琦妮，梁海東，張?zhí)?，?幸

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077;2.長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 213—2008 《煤的發(fā)熱量測(cè)定方法》 和國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 1928:1995《固體礦物燃料氧彈量熱法高位發(fā)熱量的測(cè)定和低位發(fā)熱量的計(jì)算》及其他國外標(biāo)準(zhǔn)中均規(guī)定了量熱試驗(yàn)中引燃氧彈內(nèi)試樣燃燒的點(diǎn)火裝置，點(diǎn)火采用12 V～24 V電源，電路上連接通斷開關(guān)、可變電阻和通電指示燈各1個(gè)，與氧彈頭兩電極連接;實(shí)驗(yàn)時(shí)，人工將點(diǎn)火金屬絲連接在氧彈內(nèi)兩電極并組成1個(gè)通電回路;采用熔斷點(diǎn)火法，即點(diǎn)火時(shí)接通電路，電流熱效應(yīng)或熔斷點(diǎn)火絲直接引燃樣品;或采用非熔斷式棉線點(diǎn)火法，即先引燃搭接在點(diǎn)火絲上的棉線，通過棉線引燃試樣。由于難以獲得粗細(xì)均勻、燃燒熱穩(wěn)定的棉線，因而在日常量熱儀試驗(yàn)過程中廣泛采用熔斷式點(diǎn)火法。但熔斷式點(diǎn)火法在每次試驗(yàn)時(shí)均需安裝點(diǎn)火絲，安裝操作較復(fù)雜，操作稍有不當(dāng)則導(dǎo)致試驗(yàn)失敗，如連接不牢則造成斷路而使試驗(yàn)中斷;或點(diǎn)火絲接觸金屬坩堝造成短路則易燒毀坩堝和電極，引發(fā)安全故障;或點(diǎn)火金屬絲與試料接觸不當(dāng)而使試樣飛濺，試驗(yàn)數(shù)據(jù)作廢。顯然復(fù)雜的操作不利于量熱實(shí)驗(yàn)中用機(jī)械手代替人工以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。另外，點(diǎn)火金屬絲燃燒后的殘余后少部分通常由于實(shí)驗(yàn)人員疏忽而進(jìn)入自動(dòng)量熱計(jì)內(nèi)筒進(jìn)入排水管路，或影響電磁閥的嚴(yán)密關(guān)閉，從而造成測(cè)定結(jié)果不準(zhǔn)確;或堵塞管路，影響儀器使用[1]。

為此，國內(nèi)研究者陸續(xù)對(duì)點(diǎn)火方式進(jìn)行探索和研究，發(fā)明了幾種直接采用光或熱點(diǎn)燃試樣的裝置。張洪等[2]于2014年提出了1種置于氧彈內(nèi)部的激光點(diǎn)火裝置，梁海東等[3-4]于2016年提出了1種置于氧彈外部的激光點(diǎn)火裝置，該2種裝置均通過高能激光照射試樣而點(diǎn)燃;李冬軍[5]于2019年提出了將1種內(nèi)置電熱絲的氮化硅棒直接插入試樣在通電發(fā)熱后點(diǎn)燃。近幾年上述點(diǎn)火技術(shù)均已應(yīng)用于熱量計(jì)日常量熱實(shí)驗(yàn)中[6-7]。梁海東等提出專利的同時(shí)于2016年開始立項(xiàng)研究，2020年成功應(yīng)用于熱量計(jì)并批量生產(chǎn)，2021年6月通過了湖南省工業(yè)信息化廳主持的新產(chǎn)品鑒定。

綜上所述可知，將激光點(diǎn)火技術(shù)應(yīng)用于氧彈熱量計(jì)點(diǎn)火，已被多個(gè)單位團(tuán)體或?qū)W者個(gè)人研究確認(rèn)為有效的方法，但仍需進(jìn)一步深化研究。以下對(duì)置于氧彈外部的激光發(fā)生源點(diǎn)火裝置的研究情況進(jìn)行論述,以期探尋燃料發(fā)熱量測(cè)定中金屬絲熔斷法點(diǎn)火或非熔斷法點(diǎn)火的可替代方法。

1 氧彈激光裝置結(jié)構(gòu)和點(diǎn)火原理

國標(biāo)中的氧彈點(diǎn)火電路原理如圖1所示。常規(guī)點(diǎn)火中的熔斷式點(diǎn)火-點(diǎn)火絲安裝、非熔斷式點(diǎn)火-棉線安裝示意如圖2所示。

外置激光發(fā)生源點(diǎn)火裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。激光發(fā)生器(熱源)1發(fā)射定向單色光束經(jīng)過聚焦鏡2及通光孔，照射到安裝在氧彈彈蓋上的耐壓透鏡3上，光束穿過遮擋板上過光孔，聚焦點(diǎn)落在坩堝試樣4上，焦點(diǎn)處光能短時(shí)間使試樣表面溫度急劇升高到達(dá)燃點(diǎn)而引燃。

與普通光源自發(fā)輻射為主不同，激光發(fā)生器主要受激輻射發(fā)光。在激光發(fā)生器內(nèi)，激光介質(zhì)在泵浦源的激勵(lì)下，通過光學(xué)諧振腔的特殊作用，形成的激光具有極好的方向性、單色性(頻率)、相干性和高亮度(功率)[8]。激光在精密測(cè)量、通訊信息處理、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9-14]。在此項(xiàng)研究中采用二級(jí)管泵浦固體激光器，將激光用作熱源。激光光束細(xì)小且?guī)в休^大的功率，再用透鏡聚焦，可將能量集中到微小的面積(光斑)上，如果光斑處物質(zhì)可視為黑體，即可產(chǎn)生極高溫度，燒灼甚至汽化可燃物質(zhì)。

激光器放置在氧彈外部，激光經(jīng)過聚焦透鏡和耐壓透鏡后在到達(dá)試樣表面時(shí)，由于激光源的輻射圓錐角大于聚焦鏡接收的有效圓錐角，激光有一部分落在聚焦鏡外不能全部利用，聚焦鏡、耐壓透鏡透光率也不可能為100%，激光源發(fā)出激光有損耗，光斑焦點(diǎn)上的光功率P可按公式(1)計(jì)算:

(1)

式中，P0是激管器的輸出功率，W;λ是透鏡總透光率;β是聚焦透鏡的接收激光的圓錐角;α是激光輻射圓錐角。

根據(jù)激光二極管的標(biāo)稱參數(shù)，額定輸出光功率P0為3.5 W;聚焦鏡和耐壓透鏡采用石英玻璃，理想情況下，單層石英透鏡的透光率是95%;在使用兩塊透鏡的情況下，理想的透光率:λ=95%×95%=90%;激光有效輻射角與輻射角的比例β/α由設(shè)計(jì)的位置、聚焦鏡的大小與焦距決定，β/α一般設(shè)計(jì)在70%～80%，取平均值β/α=75%。

于是得到試樣表面光斑焦點(diǎn)上的光功率:

P= 3.5×90%×75%= 2.4(W)

該激光器發(fā)出激光到達(dá)聚焦處功率2.4 W，聚焦成面積約為1.5 mm2光斑點(diǎn)，空氣(氧氣)折射率為1，于是焦點(diǎn)處的光強(qiáng)度為:

式中，P為光功率，W;A為垂直于光場傳播方向的光束截面積，m2。

為此相應(yīng)的光波的電場強(qiáng)度(E0)為:

3.48×104(V/m)

式中,μ0為真空中磁導(dǎo)率;ε0為真空介電常數(shù)。

極強(qiáng)的電場能產(chǎn)生極高的溫度，足以使試樣點(diǎn)燃。激光作用(點(diǎn)火)時(shí)間平均為2 s，可知激光點(diǎn)火光能4.8 J。上述點(diǎn)火功率、光波場強(qiáng)和點(diǎn)火光能可認(rèn)為是比較理想的情況下的值，實(shí)際中由于灰塵、水氣對(duì)透鏡的污染、光源衰減等原因，實(shí)際點(diǎn)火光功率和光能會(huì)降低。為此進(jìn)行激光器最低輸出點(diǎn)火功率試驗(yàn)，即模擬由于透光率降低等而導(dǎo)致點(diǎn)火光功率和光能會(huì)降低的情況，選用專用A4白紙、有色紙、重油、煙煤等燃料試樣進(jìn)行激光器不同輸出功率的點(diǎn)火試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)4種試樣能夠點(diǎn)火成功的激光器實(shí)際最小輸出功率分別為2.81 W、2.16 W、1.86 W、1.86 W。由于A4白紙不能視為黑體，所以可認(rèn)為實(shí)際中對(duì)于可當(dāng)作黑體的燃料試樣的最低輸出功率約為2.0 W，將此數(shù)代入式(1)計(jì)算得實(shí)際點(diǎn)燃試樣的最低激光點(diǎn)火功率為1.4 W。假定點(diǎn)火作用時(shí)間仍為2 s，則最低點(diǎn)火光能為2.8 J。綜上所述，對(duì)于可當(dāng)作黑體的燃料試樣點(diǎn)火熱可能在2.8 J～4.8 J波動(dòng)，幾乎不會(huì)影響發(fā)熱量測(cè)定和熱容量標(biāo)定的精密度和正確度。

實(shí)際上，對(duì)于廣泛采用的熔斷式點(diǎn)火法，使用長100 mm、直徑0.12 mm的鎳鉻絲(Cr20Ni80)做點(diǎn)火絲。若點(diǎn)火電源電壓為30 V、點(diǎn)火電路電阻約為10 Ω，根據(jù)歐姆定律，點(diǎn)火輸入電功率為90 W。若通電時(shí)間需要持續(xù)0.5 s，則點(diǎn)火熱達(dá)到45 J。由于點(diǎn)火絲彎曲、連接緊密程度等會(huì)影響電阻大小，同時(shí)點(diǎn)火電壓也有波動(dòng)，還有點(diǎn)火絲質(zhì)量組成的波動(dòng)對(duì)于點(diǎn)火絲熔點(diǎn)的影響，使得通電功率和通電時(shí)間波動(dòng);若電功率波動(dòng)1%或點(diǎn)火絲熔斷時(shí)間波動(dòng)0.1 s，也能使點(diǎn)火熱波動(dòng)9 J。

對(duì)于非熔斷式點(diǎn)火法，使用長50 mm、d=0.3 mm的Cr20Ni80鎳鉻絲，若點(diǎn)火電源電壓為3 V、點(diǎn)火電路電阻約為0.8 Ω，根據(jù)歐姆定律，點(diǎn)火輸入電功率為 11.2 W。通常該點(diǎn)火方式通電時(shí)間需持續(xù)5 s，實(shí)際點(diǎn)火熱達(dá)56 J，實(shí)際中點(diǎn)火熱的波動(dòng)也遠(yuǎn)大于2 J。因此，由于激光點(diǎn)火熱及其波動(dòng)遠(yuǎn)小于熔斷式或非熔斷式點(diǎn)火法，可以認(rèn)為點(diǎn)火方式的改變不會(huì)降低測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 外置激光點(diǎn)火裝置氧彈安全性能

此次研究的外置激光點(diǎn)火裝置氧彈(以下簡稱激光氧彈)和經(jīng)典氧彈外形如圖4所示。激光氧彈和經(jīng)典氧彈的有關(guān)參數(shù)詳見表1。

圖4 激光氧彈和經(jīng)典氧彈外形圖Fig.4 Laser oxygen bomb and classic oxygen bomb

表1 激光氧彈和經(jīng)典氧彈參數(shù)表Table 1 Parameters of laser oxygen bomb and classical oxygen bomb

激光氧彈材質(zhì)和內(nèi)容積未變，耐高溫抗腐蝕性能、試樣量與容積比未變，符合國標(biāo)規(guī)定。觀察其外形可知，激光氧彈相比經(jīng)典氧彈而言，前者的彈蓋上增加了1個(gè)通光孔和通光通道，氧彈變矮、變寬，除了燃燒中心發(fā)生偏移外，通光孔采用耐壓石英。為此按照DL/T 661—1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測(cè)試方法》和MT/T 737—2007《量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范》進(jìn)行有關(guān)激光氧彈安全性能型式試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明激光氧彈安全性能合格，理由如下:

(1)螺紋松動(dòng)度:螺紋徑向松動(dòng)0.194 mm，軸向松動(dòng)0.144 mm，符合DL/T 661—1999和MT/T 737—2007規(guī)定。

(2)水壓試驗(yàn):氧彈施加水壓 20.0 MPa，維持壓力在10 min無泄漏，卸壓后連接環(huán)與杯體之間的螺紋配合平滑且彈蓋和連接環(huán)均無不可恢復(fù)的明顯變形。加壓前后，氧彈半高直徑永久形變0 mm;底部中心處高度永久形變0.02 mm ;半高直徑彈性形變0 mm;底部中心處高度彈性形變0.02 mm。水壓試驗(yàn)符合DL/T 661—1999和MT/T 737—2007規(guī)定。

(3)氣密性試驗(yàn):水壓試驗(yàn)后充入氧氣4 MPa，浸沒水中10 min無氣泡泄漏。氣密性試驗(yàn)符合DL/T 661—1999要求。

3 外置激光點(diǎn)火裝置氧彈熱量計(jì)性能試驗(yàn)

將研發(fā)的外置激光點(diǎn)火裝置及其氧彈配用5E-5500型量熱儀容器和更新后的軟件，定型為5E-5808J，考察該儀器的綜合性能是否受到影響。

3.1 熱容量標(biāo)定精密度試驗(yàn)

在國標(biāo)規(guī)定的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下進(jìn)行激光點(diǎn)火量熱儀的熱容量標(biāo)定試驗(yàn)，每組數(shù)據(jù)5個(gè)，每相隔2～3周標(biāo)定1次熱容量，考察約3個(gè)月，驗(yàn)證激光點(diǎn)火量熱儀熱容量的精密度和穩(wěn)定性。由于標(biāo)準(zhǔn)苯甲酸片呈白色，在其放入坩堝后上面需要覆蓋專門有色紙片助燃，每片熱量是90 J(紙片空干基熱值為16 800 J/g，制作平均每片質(zhì)量為0.005 5 g),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 不同時(shí)間熱容量標(biāo)定結(jié)果Table 2 Heat capacity calibration results at different times

從表2可知，儀器重復(fù)性相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差均符合國標(biāo)不超過0.20%的要求，平均相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差0.08%。且在考察期內(nèi)，任意兩次熱容量平均值的變化率均符合國標(biāo)不超過0.25%的要求。

將5組數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，計(jì)算F統(tǒng)計(jì)量即總方差與組內(nèi)方差的比值為:

查F分布表[15]，在置信水平0.95，第1、2自由度分別為24、20時(shí)，F(xiàn)檢驗(yàn)臨界值F0.975,24,20=2.38，接受5組均值沒有顯著性差異的假設(shè)。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)煤樣準(zhǔn)確度試驗(yàn)

表3 12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)煤樣測(cè)定結(jié)果 J/gTable 3 Determination results of twelve standard coals

3.3 與經(jīng)典熱量計(jì)進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)

收集31個(gè)無煙煤、煙煤和褐煤試樣，將激光點(diǎn)火熱量儀5E-5808J、量熱儀IKAC2000及5E-5500置于同一實(shí)驗(yàn)室、相同室溫環(huán)境、同時(shí)按國標(biāo)GB/T 213—2008進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，每個(gè)試樣每臺(tái)儀器重復(fù)測(cè)定2次，均未超過重復(fù)性限120 J/g。該3臺(tái)儀器分別采用激光點(diǎn)火、非熔斷式棉線點(diǎn)火、鎳鉻絲熔斷式點(diǎn)火。測(cè)定結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 4 Summary of comparative test results

由表4可知:

(1)2臺(tái)儀器精密度一致性的檢驗(yàn)。5E-5808J同IKAC2000比較:F=967.3/567.4 = 1.705;5E-5808J同5E-5500比較:F = 714.9/567.4 = 1.260。查F分布表[15]，在置信水平0.95、第1與第2自由度均為31時(shí)，F(xiàn)檢驗(yàn)臨界值F0.975,31,31= 2.08,接受激光點(diǎn)火熱量儀與其他兩臺(tái)儀器精密度一致的假設(shè)。

(2)2臺(tái)儀器均值一致性的檢驗(yàn)。5E-5808J與IKAC2000比較:t=3.7/52.1×31=0.395，5E-5808J與5E-5500比較:t=0.16/27.8×31=0.032。查t分布表[15]，在置信水平0.95、自由度為30時(shí)，t檢驗(yàn)臨界值:t0.975,30= 2.042，接受激光點(diǎn)火熱量儀與其他兩臺(tái)儀器測(cè)定結(jié)果一致的假設(shè)。

(3)2臺(tái)儀器均值誤差值之置信范圍。對(duì)照試驗(yàn)結(jié)果匯總于表4，t0.975,30= 2.042。5E-5808J與IKAC2000誤差范圍:3.7±52.1×2.042，即-103 J/g～110 J/g。5E-5808J與5E-5500誤差范圍:0.16±27.8×2.042，即-57 J/g～ 57 J/g。

綜上所述，激光點(diǎn)火熱量儀精密度和準(zhǔn)確度均符合國標(biāo)GB/T 213—2008。與采用非熔斷式棉線點(diǎn)火的IKAC 2000量熱儀和采用鎳鉻絲熔斷式點(diǎn)火5E-5500量熱儀精密度一致，測(cè)定結(jié)果無顯著性差異，且誤差范圍不超出重復(fù)性限120 J/g。

4 點(diǎn)火成功率統(tǒng)計(jì)

分別收集一段時(shí)間內(nèi)的激光點(diǎn)火、非熔斷式棉線點(diǎn)火和金屬絲熔斷式點(diǎn)火情況，詳見表5。

表5 激光點(diǎn)火成功率統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistics of laser ignition success rate

從表5中可知，發(fā)生點(diǎn)火失敗原因是由于操作或維護(hù)不當(dāng)。激光點(diǎn)火和非熔斷式點(diǎn)火因試驗(yàn)人員使用較少、經(jīng)驗(yàn)不足從而造成多次失敗。隨著試驗(yàn)人員對(duì)點(diǎn)火方式的熟練掌握，成功率能提高至99.8%以上。若排除試驗(yàn)人員使用不熟練的原因，可認(rèn)為該幾種點(diǎn)火方式的點(diǎn)火成功率幾乎一致。

為提高激光點(diǎn)火成功率，應(yīng)特別注意:①燃燒苯甲酸片或其他淺色試樣時(shí)，需在其上牢固覆蓋深色助燃紙片，避免由于紙片覆蓋不嚴(yán)實(shí)而在充氧時(shí)吹走而發(fā)生點(diǎn)火失敗。②激光器鏡頭由于灰塵和水氣污染，需定期擦試;氧彈蓋含有玻璃透鏡，由于試樣高溫燃燒影響而玻璃透光性，需定期更換。

5 結(jié) 論

(1)所研制成功的氧彈外置激光源的激光點(diǎn)火裝置原理正確、設(shè)計(jì)合理，能夠自動(dòng)點(diǎn)火，無需人工安裝點(diǎn)火絲(棉線)。氧彈外置激光源的激光點(diǎn)火法是燃料發(fā)熱量測(cè)定中金屬絲熔斷法點(diǎn)火或非熔斷法點(diǎn)火的可替代方法。

(2)外置式激光源的激光點(diǎn)火裝置的氧彈技術(shù)參數(shù)和性能符合 GB/T 213要求，其安全性能滿足 DL/T 661—1999《熱量計(jì)氧彈安全性能技術(shù)要求及測(cè)試方法》和 MT/T 737—2007《量熱儀氧彈安全性能檢驗(yàn)規(guī)范》要求。

(3)采用外置式激光源點(diǎn)火方式點(diǎn)火熱低及其波動(dòng)幅度小，有利于發(fā)熱量測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確度。試驗(yàn)證明，采用該種點(diǎn)火裝置的量熱儀其精密度、準(zhǔn)確度等綜合性能與采用傳統(tǒng)點(diǎn)火方式(金屬絲熔斷式點(diǎn)火、非熔斷式棉線點(diǎn)火)量熱儀一致，符合國標(biāo) GB/T 213的要求。

(4)按說明書要求進(jìn)行裝置日常維護(hù)并確保操作熟練的基礎(chǔ)上，外置式激光源點(diǎn)火方式的點(diǎn)火成功率不低于廣泛使用的金屬絲熔斷法點(diǎn)火方式。