高压富氧环境自燃点测试仪的研制

安 晨，杨遂军，张 林，叶树亮

(1．中国计量学院工业与商贸计量技术研究所，浙江杭州 310018；2．杭州仰仪科技有限公司，浙江杭州 310018)



高压富氧环境自燃点测试仪的研制

安 晨1，杨遂军1，张 林2，叶树亮1

(1．中国计量学院工业与商贸计量技术研究所，浙江杭州 310018；2．杭州仰仪科技有限公司，浙江杭州 310018)

物质自燃点是化工过程设计及危险性评估和控制的重要依据。针对市场上缺乏高压富氧环境物质自燃点仪器及人工测量危险性大等问题，研制了一种高压富氧环境物质自燃点测试仪。测试仪采用道尔顿分压定律实现高压富氧环境下的气体浓度精确配比，并运用高精度均温场发生技术和多传感器联合燃爆状态辨识技术，实现了高压富氧自燃点的检测。阐述了系统的硬件结构和软件设计，并就多种典型试样进行测定，结果表明仪器自燃点检测结果标准差优于1 ℃，同时具有良好的重复性。

高压富氧；自燃点；精确配比；燃爆状态辨识

0 引言

自燃点是指物质在没有火焰、电火花等火源作用下，在空气或氧气中被加热而引起燃烧、爆炸的最低温度[1]。根据谢苗诺夫热自燃理论，影响自燃点的主要因素有氧含量和压力。自燃点随氧气浓度的升高、压力的增大而降低，引发火灾的危险性随之增大。在化工、工艺生产中涉及大量的高压富氧环境，尤其是在一些生产中需要增加氧气浓度来提高氧化反应转换效率的场合，其燃爆风险显著增加，因此必须准确地掌握物质在高压富氧环境中的自燃点，以避免因物质自燃而引起火灾、爆炸等危险事故的发生。

自燃点研究主要包括理论预测和实验测定两种方法。由于自燃点不是物质固有的常数，在高压富氧环境下自燃点的理论预测研究较为困难，最直接有效的方法是通过实验测定来获取自燃点数据。目前化学品数据库中多为常规条件下的自燃温度，对于高压富氧环境下尚无有关自燃温度的描述，且国内尚无有关高压富氧自然点的测试方法。

为解决以上问题，对高压富氧环境下物质自燃点的测试方法进行了研究。参考美国《ASTMG72M—2009高压富氧环境中物质的自燃温度标准试验方法》，在引入道尔顿分压定律实现气体浓度精确配比的基础上，研究高精度均温场发生技术，并运用基于温度和压力的异类传感器联合燃爆状态辨识技术，研制出一种高压富氧自燃点测试仪，实现了自燃温度的精确、自动、安全检测。

1 高压富氧环境自燃点测试仪的系统组成

高压富氧环境下自燃点测试原理是物质在测试环境下受热自燃，即由于外界加热作用及高压富氧环境而发生的自燃现象，样品温度发生突变时对应的温度即为自燃点。自燃点测试仪主要由测试室、配气系统、加热控温系统和自燃点辨识系统组成。其原理如图1所示。

图1 高压富氧环境自燃点测试仪原理图

1．1 高压富氧环境的发生

测试仪中的氧含量是影响自燃点测定的重要因素，其气体浓度需要进行精确配比。道尔顿分压定律指出，任何容器内的气体混合物，如果各组分间不发生化学反应，则每种气体都均匀地分布在整个容器内，它所产生的压强和它单独占有整个容器时所产生的压强相同[2]。根据这一定律确定配气单元中各气体的分压，并配合使用PVT法进行气体体积的精确计算[3]。在容积为V，温度为T的高压容器中，有气体A和气体B，由理想气体方程可知:

PAV=NART，PBV=NBRT

(1)

PAV/PBV=NART/NBRT⟹PA/PB=NA/NB

(2)

式中：PA、PB为气体A、B的分压；NA、NB为气体的摩尔数；R为气体常数。

由此可知，容器中两气A、B体的摩尔比就等于两气体的分压比。控制容器的温度稳定不变[4]，先向容器中通入氧气至压力PA，然后再向容器中通入氮气至压力PA+PB，就可保证容器中两种气体的摩尔比，实现所需氧气浓度的高压富氧环境。

1．2 高精度均温场发生

对物质自燃状态的准确辨识是测定物质自燃点的关键。由于物质处于不断升温的温度场中，温度场的均匀程度和升温速率的影响会对自燃点检测产生误判，因此测试室采用大长径比结构(L/R=11．8)，降低了测试室腔壁温差[5]，从而增强了系统轴向均温性。测试样品在轴向和径向上尽量接近测试室中心，以使样品安放位置最合适并且热量损失最少[6]。同时采用了模糊PID控制算法将升温速率与目标速率的误差信号转换到模糊论域内，然后进行模糊关系推理，最后模糊控制器给出模糊控制量，通过解模糊化变成精确地控制量[7]。最终通过精确地控制量改变被控参数，使之与设定目标靠拢。模糊PID控制器设计原理如图2所示。

图2 模糊PID控制器设计原理

为保证系统的稳定性，并减少系统超调量，削弱系统振荡现象，将模糊控制器设计为二维控制器，即输入量为目标升温速率v0和实际升温速率v1，输出量为通过继电器控制的电热圈加热占空比的相对值U1。然后将U1输送给功能模块Fuyyz，其功能是根据PID控制器的输出和当前升温速率，输出电热圈加热占空比的绝对值U2，从而调节升温速率至目标值，实现高精度均温场发生。

1．3 多传感器联合燃爆状态辨识

物质在测试室内发生自燃的瞬间，会产生大量的热量，采用K型裸露式热电偶组成的温度传感单元对这一热量进行监测。在温度测量值中，测试室内不同方位上多个温度传感器所测量的同一时刻数据必定存在误差，这种误差来自传感器本身和一些随机因素的作用[8]，因此采用多传感器联合燃爆状态辨识技术，减小单个温度传感器监测信息的损失，提高系统温度检测精度。辨识方案如图3所示。

图3 自燃点辨识

多传感器联合燃爆状态辨识技术依据加权融合算法，在总均方误差最小的条件下，根据各个传感器的测量值以自适应的方式寻找其对应的权数[9]，可以使融合后的目标参数达到最优。

设n个温度传感器的测量值分别为T1，T2，…，Tn(彼此相互独立)，加权因子分别为W1，W2，…，Wn。则多个温度传感器数据融合值为

(3)

该方法避免了平均值法不分优劣地利用测量值的盲目性，加权融合估计的均方误差小于系统中任一传感器的方差，实现了对自燃状态的准确判断，提高了系统的可靠性和检测结果的可信度。

2 硬件系统设计

硬件系统设计主要由微处理器单元、升温控温模块、自燃点检测模块及上下位机通讯模块组成，如图4所示。

图4 系统硬件框图

测试过程中，由PC机通过串口通信模块设定升温速率，控制加热丝对测试室进行加热，然后由热电偶采集温度信号，经转换电路后，传送给微处理器，通过模糊控制器计算得到实时控制量，并将控制量转成固态继电器相应的占空比，从而实时改变加热功率[10]；另一方面通过串口通信模块与上位机通讯，实时传送温度数据到PC机，描绘出温度—时间关系曲线。

3 软件流程设计

根据物质测试的准确度要求，系统的软件总体流程设计如图5所示。

图5 软件流程图

4 实验设计及结果分析

由于高压富氧环境物质自燃点标准数据缺乏，且无相关标准物质，故该试验仪测试思路是通过固液气三态样品在不同环境下的自燃点数据是否符合热自燃理论来考察仪器，另外通过重复性测试来验证仪器性能。样品分别为片状高密度聚乙烯HDPE、正丁醇液体及丙烷气体。实验结果如表1所示。

表1 自燃点测试实验结果

通过HDPE和正丁醇自燃点数据可以发现，随着压力升高，自燃点温度降低，这与热自燃理论相吻合。重复性测试主要针对片状HDPE在同样环境条件下进行了6次测试，具体数据如表2。

通过HDPE自燃点数据可以发现，仪器标准差优于1 ℃，重复性良好。这表明，仪器在气体配比、温度检测、温度控制、自燃点辨识算法方面具有精确性、科学性以及可靠性。

5 结束语

针对市场上缺乏高压富氧环境物质自燃点仪器及人工测量危险性大等问题，结合国外自燃点测试标准，重点研究了高压富氧环境下物质自燃点的检测方法，采用高精度气体配比以及多传感器联合燃爆状态辨识技术，研制出一种高压富氧环境自燃点测试仪，实现了自燃点的精确、自动、安全检测。实验结果证明以上提出的高压富氧环境自燃点检测方法的正确性和可实施性，具有重要的推广应用前景。

表2 重复性测试实验结果

[1] 刘丙戌．化学品火灾危害辨识与风险评估．安防科技，2004(4):7-8．

[2] 朱斌，殷晨波，陶春昊，等．基于恒流配气方式的微气体传感器测试系统研究．仪器仪表学报，2011,32(12):2681-2687．

[3] 毋克力．气体配比控制方法应用．有色冶炼，2001,30(6):42-43．

[4] 袁有臣．锅炉控制系统氧量变送器的设计．仪表技术与传感器，2000(4):25-27．

[5] 由富恩．辐射测温仪原理及其检定．北京：中国计量出版社，1990．

[6] 霍明甲，张金梅，黄飞，等．全自动气体自燃温度测试系统设计及应用．中国安全科学学报，2011,21(10):120-124．

[7] 崔维群，方静，王金平，等．模糊PID控制技术在排水控制系统中的应用．煤矿机械，2008,29(6):165-167．

[8] 金建华，杨叔子．油管壁厚测量数据的一致性加权融合估计算法．仪表技术与传感器，2002(11):43-45．

[9] 黄先祥，郭晓刚．数据融合在压力检测中的应用．计量技术，2007(4):10-12．

[10] 刘中杰．基于模糊PID的电阻炉温度控制系统．电子设计工程，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

国家质检总局公益性行业科研专项项目(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—)，硕士，主要研究领域为精密仪器及机械。 E-mail:anchenac@163．com 杨遂军(1979—)，硕士，主要研究领域为化学品安全测试技术与量热技术。E-mail:yangsuijun1@sina．com