朱琦妮，梁海东，张太平，肖 幸

(1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077;2.长沙开元仪器有限公司，湖南 长沙 410100)

0 引 言

现行国家标准GB/T 213—2008 《煤的发热量测定方法》 和国际标准ISO 1928:1995《固体矿物燃料氧弹量热法高位发热量的测定和低位发热量的计算》及其他国外标准中均规定了量热试验中引燃氧弹内试样燃烧的点火装置，点火采用12 V～24 V电源，电路上连接通断开关、可变电阻和通电指示灯各1个，与氧弹头两电极连接;实验时，人工将点火金属丝连接在氧弹内两电极并组成1个通电回路;采用熔断点火法，即点火时接通电路，电流热效应或熔断点火丝直接引燃样品;或采用非熔断式棉线点火法，即先引燃搭接在点火丝上的棉线，通过棉线引燃试样。由于难以获得粗细均匀、燃烧热稳定的棉线，因而在日常量热仪试验过程中广泛采用熔断式点火法。但熔断式点火法在每次试验时均需安装点火丝，安装操作较复杂，操作稍有不当则导致试验失败，如连接不牢则造成断路而使试验中断;或点火丝接触金属坩埚造成短路则易烧毁坩埚和电极，引发安全故障;或点火金属丝与试料接触不当而使试样飞溅，试验数据作废。显然复杂的操作不利于量热实验中用机械手代替人工以实现全自动化。另外，点火金属丝燃烧后的残余后少部分通常由于实验人员疏忽而进入自动量热计内筒进入排水管路，或影响电磁阀的严密关闭，从而造成测定结果不准确;或堵塞管路，影响仪器使用[1]。

为此，国内研究者陆续对点火方式进行探索和研究，发明了几种直接采用光或热点燃试样的装置。张洪等[2]于2014年提出了1种置于氧弹内部的激光点火装置，梁海东等[3-4]于2016年提出了1种置于氧弹外部的激光点火装置，该2种装置均通过高能激光照射试样而点燃;李冬军[5]于2019年提出了将1种内置电热丝的氮化硅棒直接插入试样在通电发热后点燃。近几年上述点火技术均已应用于热量计日常量热实验中[6-7]。梁海东等提出专利的同时于2016年开始立项研究，2020年成功应用于热量计并批量生产，2021年6月通过了湖南省工业信息化厅主持的新产品鉴定。

综上所述可知，将激光点火技术应用于氧弹热量计点火，已被多个单位团体或学者个人研究确认为有效的方法，但仍需进一步深化研究。以下对置于氧弹外部的激光发生源点火装置的研究情况进行论述,以期探寻燃料发热量测定中金属丝熔断法点火或非熔断法点火的可替代方法。

1 氧弹激光装置结构和点火原理

国标中的氧弹点火电路原理如图1所示。常规点火中的熔断式点火-点火丝安装、非熔断式点火-棉线安装示意如图2所示。

外置激光发生源点火装置结构如图3所示。激光发生器(热源)1发射定向单色光束经过聚焦镜2及通光孔，照射到安装在氧弹弹盖上的耐压透镜3上，光束穿过遮挡板上过光孔，聚焦点落在坩埚试样4上，焦点处光能短时间使试样表面温度急剧升高到达燃点而引燃。

与普通光源自发辐射为主不同，激光发生器主要受激辐射发光。在激光发生器内，激光介质在泵浦源的激励下，通过光学谐振腔的特殊作用，形成的激光具有极好的方向性、单色性(频率)、相干性和高亮度(功率)[8]。激光在精密测量、通讯信息处理、医疗和军事领域应用广泛[9-14]。在此项研究中采用二级管泵浦固体激光器，将激光用作热源。激光光束细小且带有较大的功率，再用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积(光斑)上，如果光斑处物质可视为黑体，即可产生极高温度，烧灼甚至汽化可燃物质。

激光器放置在氧弹外部，激光经过聚焦透镜和耐压透镜后在到达试样表面时，由于激光源的辐射圆锥角大于聚焦镜接收的有效圆锥角，激光有一部分落在聚焦镜外不能全部利用，聚焦镜、耐压透镜透光率也不可能为100%，激光源发出激光有损耗，光斑焦点上的光功率P可按公式(1)计算:

(1)

式中，P0是激管器的输出功率，W;λ是透镜总透光率;β是聚焦透镜的接收激光的圆锥角;α是激光辐射圆锥角。

根据激光二极管的标称参数，额定输出光功率P0为3.5 W;聚焦镜和耐压透镜采用石英玻璃，理想情况下，单层石英透镜的透光率是95%;在使用两块透镜的情况下，理想的透光率:λ=95%×95%=90%;激光有效辐射角与辐射角的比例β/α由设计的位置、聚焦镜的大小与焦距决定，β/α一般设计在70%～80%，取平均值β/α=75%。

于是得到试样表面光斑焦点上的光功率:

P= 3.5×90%×75%= 2.4(W)

该激光器发出激光到达聚焦处功率2.4 W，聚焦成面积约为1.5 mm2光斑点，空气(氧气)折射率为1，于是焦点处的光强度为:

式中，P为光功率，W;A为垂直于光场传播方向的光束截面积，m2。

为此相应的光波的电场强度(E0)为:

3.48×104(V/m)

式中,μ0为真空中磁导率;ε0为真空介电常数。

极强的电场能产生极高的温度，足以使试样点燃。激光作用(点火)时间平均为2 s，可知激光点火光能4.8 J。上述点火功率、光波场强和点火光能可认为是比较理想的情况下的值，实际中由于灰尘、水气对透镜的污染、光源衰减等原因，实际点火光功率和光能会降低。为此进行激光器最低输出点火功率试验，即模拟由于透光率降低等而导致点火光功率和光能会降低的情况，选用专用A4白纸、有色纸、重油、烟煤等燃料试样进行激光器不同输出功率的点火试验，发现4种试样能够点火成功的激光器实际最小输出功率分别为2.81 W、2.16 W、1.86 W、1.86 W。由于A4白纸不能视为黑体，所以可认为实际中对于可当作黑体的燃料试样的最低输出功率约为2.0 W，将此数代入式(1)计算得实际点燃试样的最低激光点火功率为1.4 W。假定点火作用时间仍为2 s，则最低点火光能为2.8 J。综上所述，对于可当作黑体的燃料试样点火热可能在2.8 J～4.8 J波动，几乎不会影响发热量测定和热容量标定的精密度和正确度。

实际上，对于广泛采用的熔断式点火法，使用长100 mm、直径0.12 mm的镍铬丝(Cr20Ni80)做点火丝。若点火电源电压为30 V、点火电路电阻约为10 Ω，根据欧姆定律，点火输入电功率为90 W。若通电时间需要持续0.5 s，则点火热达到45 J。由于点火丝弯曲、连接紧密程度等会影响电阻大小，同时点火电压也有波动，还有点火丝质量组成的波动对于点火丝熔点的影响，使得通电功率和通电时间波动;若电功率波动1%或点火丝熔断时间波动0.1 s，也能使点火热波动9 J。

对于非熔断式点火法，使用长50 mm、d=0.3 mm的Cr20Ni80镍铬丝，若点火电源电压为3 V、点火电路电阻约为0.8 Ω，根据欧姆定律，点火输入电功率为 11.2 W。通常该点火方式通电时间需持续5 s，实际点火热达56 J，实际中点火热的波动也远大于2 J。因此，由于激光点火热及其波动远小于熔断式或非熔断式点火法，可以认为点火方式的改变不会降低测定结果的准确度。

2 外置激光点火装置氧弹安全性能

此次研究的外置激光点火装置氧弹(以下简称激光氧弹)和经典氧弹外形如图4所示。激光氧弹和经典氧弹的有关参数详见表1。

图4 激光氧弹和经典氧弹外形图Fig.4 Laser oxygen bomb and classic oxygen bomb

表1 激光氧弹和经典氧弹参数表Table 1 Parameters of laser oxygen bomb and classical oxygen bomb

激光氧弹材质和内容积未变，耐高温抗腐蚀性能、试样量与容积比未变，符合国标规定。观察其外形可知，激光氧弹相比经典氧弹而言，前者的弹盖上增加了1个通光孔和通光通道，氧弹变矮、变宽，除了燃烧中心发生偏移外，通光孔采用耐压石英。为此按照DL/T 661—1999《热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法》和MT/T 737—2007《量热仪氧弹安全性能检验规范》进行有关激光氧弹安全性能型式试验，试验结果表明激光氧弹安全性能合格，理由如下:

(1)螺纹松动度:螺纹径向松动0.194 mm，轴向松动0.144 mm，符合DL/T 661—1999和MT/T 737—2007规定。

(2)水压试验:氧弹施加水压 20.0 MPa，维持压力在10 min无泄漏，卸压后连接环与杯体之间的螺纹配合平滑且弹盖和连接环均无不可恢复的明显变形。加压前后，氧弹半高直径永久形变0 mm;底部中心处高度永久形变0.02 mm ;半高直径弹性形变0 mm;底部中心处高度弹性形变0.02 mm。水压试验符合DL/T 661—1999和MT/T 737—2007规定。

(3)气密性试验:水压试验后充入氧气4 MPa，浸没水中10 min无气泡泄漏。气密性试验符合DL/T 661—1999要求。

3 外置激光点火装置氧弹热量计性能试验

将研发的外置激光点火装置及其氧弹配用5E-5500型量热仪容器和更新后的软件，定型为5E-5808J，考察该仪器的综合性能是否受到影响。

3.1 热容量标定精密度试验

在国标规定的实验室环境条件下进行激光点火量热仪的热容量标定试验，每组数据5个，每相隔2～3周标定1次热容量，考察约3个月，验证激光点火量热仪热容量的精密度和稳定性。由于标准苯甲酸片呈白色，在其放入坩埚后上面需要覆盖专门有色纸片助燃，每片热量是90 J(纸片空干基热值为16 800 J/g，制作平均每片质量为0.005 5 g),试验结果见表2。

表2 不同时间热容量标定结果Table 2 Heat capacity calibration results at different times

从表2可知，仪器重复性相对标准差均符合国标不超过0.20%的要求，平均相对标准偏差0.08%。且在考察期内，任意两次热容量平均值的变化率均符合国标不超过0.25%的要求。

将5组数据进行方差分析，计算F统计量即总方差与组内方差的比值为:

查F分布表[15]，在置信水平0.95，第1、2自由度分别为24、20时，F检验临界值F0.975,24,20=2.38，接受5组均值没有显著性差异的假设。

3.2 标准煤样准确度试验

表3 12个标准煤样测定结果 J/gTable 3 Determination results of twelve standard coals

3.3 与经典热量计进行对照试验

收集31个无烟煤、烟煤和褐煤试样，将激光点火热量仪5E-5808J、量热仪IKAC2000及5E-5500置于同一实验室、相同室温环境、同时按国标GB/T 213—2008进行对照试验，每个试样每台仪器重复测定2次，均未超过重复性限120 J/g。该3台仪器分别采用激光点火、非熔断式棉线点火、镍铬丝熔断式点火。测定结果统计见表4。

表4 对照试验结果汇总Table 4 Summary of comparative test results

由表4可知:

(1)2台仪器精密度一致性的检验。5E-5808J同IKAC2000比较:F=967.3/567.4 = 1.705;5E-5808J同5E-5500比较:F = 714.9/567.4 = 1.260。查F分布表[15]，在置信水平0.95、第1与第2自由度均为31时，F检验临界值F0.975,31,31= 2.08,接受激光点火热量仪与其他两台仪器精密度一致的假设。

(2)2台仪器均值一致性的检验。5E-5808J与IKAC2000比较:t=3.7/52.1×31=0.395，5E-5808J与5E-5500比较:t=0.16/27.8×31=0.032。查t分布表[15]，在置信水平0.95、自由度为30时，t检验临界值:t0.975,30= 2.042，接受激光点火热量仪与其他两台仪器测定结果一致的假设。

(3)2台仪器均值误差值之置信范围。对照试验结果汇总于表4，t0.975,30= 2.042。5E-5808J与IKAC2000误差范围:3.7±52.1×2.042，即-103 J/g～110 J/g。5E-5808J与5E-5500误差范围:0.16±27.8×2.042，即-57 J/g～ 57 J/g。

综上所述，激光点火热量仪精密度和准确度均符合国标GB/T 213—2008。与采用非熔断式棉线点火的IKAC 2000量热仪和采用镍铬丝熔断式点火5E-5500量热仪精密度一致，测定结果无显著性差异，且误差范围不超出重复性限120 J/g。

4 点火成功率统计

分别收集一段时间内的激光点火、非熔断式棉线点火和金属丝熔断式点火情况，详见表5。

表5 激光点火成功率统计Table 5 Statistics of laser ignition success rate

从表5中可知，发生点火失败原因是由于操作或维护不当。激光点火和非熔断式点火因试验人员使用较少、经验不足从而造成多次失败。随着试验人员对点火方式的熟练掌握，成功率能提高至99.8%以上。若排除试验人员使用不熟练的原因，可认为该几种点火方式的点火成功率几乎一致。

为提高激光点火成功率，应特别注意:①燃烧苯甲酸片或其他浅色试样时，需在其上牢固覆盖深色助燃纸片，避免由于纸片覆盖不严实而在充氧时吹走而发生点火失败。②激光器镜头由于灰尘和水气污染，需定期擦试;氧弹盖含有玻璃透镜，由于试样高温燃烧影响而玻璃透光性，需定期更换。

5 结 论

(1)所研制成功的氧弹外置激光源的激光点火装置原理正确、设计合理，能够自动点火，无需人工安装点火丝(棉线)。氧弹外置激光源的激光点火法是燃料发热量测定中金属丝熔断法点火或非熔断法点火的可替代方法。

(2)外置式激光源的激光点火装置的氧弹技术参数和性能符合 GB/T 213要求，其安全性能满足 DL/T 661—1999《热量计氧弹安全性能技术要求及测试方法》和 MT/T 737—2007《量热仪氧弹安全性能检验规范》要求。

(3)采用外置式激光源点火方式点火热低及其波动幅度小，有利于发热量测定结果的准确度。试验证明，采用该种点火装置的量热仪其精密度、准确度等综合性能与采用传统点火方式(金属丝熔断式点火、非熔断式棉线点火)量热仪一致，符合国标 GB/T 213的要求。

(4)按说明书要求进行装置日常维护并确保操作熟练的基础上，外置式激光源点火方式的点火成功率不低于广泛使用的金属丝熔断法点火方式。