恒温式热量计的要点及贝克曼温度计说明

1.氧弹

氧弹是热量计的核心部件，在测定发热量时，煤样需置于氧弹中燃烧，它所放出的热量被内筒水所吸收。为了保证煤样燃烧完全，在氧弹中必须充以一定压力的氧气。因此，氧弹应能承受氧气压力及煤样燃烧过程中产生的瞬时高压，并能保持良好的气密性。

氧弹实际上由氧弹头、连接环及弹筒三部分组成。供充氧及排气的阀门、点火电极、燃烧皿架等装在氧弹头上。弹头与连接环之间借助于弹簧圈将其组合在一起，它们与弹筒之间由金属或橡胶垫圈密封。当氧弹充入高压氧气时，垫圈与弹筒接触处越加密合，从而保证氧弹具有良好的气密性。

图5-1所示结构俗称三头氧弹，目前国内的生产厂家还生产独头氧弹，其氧气输入及燃烧气体排出的进、出口合一，同时兼作一个电极，从而使氧弹头的结构稍有简化。氧弹由耐热、耐腐蚀的镍铬或镍铬钼合金钢制成，需要具备三个主要性能：

图5-1 氧弹的结构

1—进气管；2—弹筒；3—连接环；4—弹簧圈；
5—进气阀；6—电极柱（进气阀螺母）；
7—电极柱；8—圆筒；9—针形阀；
10—弹头；11—金属垫圈；
12—橡胶垫圈；13—燃烧皿架；
14—防火罩；15—燃烧皿

（1）不受燃烧过程中出现的高温和腐蚀性产物的影响而产生热效应。

（2）能承受充氧压力和燃烧过程中产生的瞬时高压。

（3）试验过程中能保持完全气密。

弹筒容积为250～350mL，新氧弹和新部件（弹筒、弹头、连接环）的氧弹应经20.0MPa的水压试验，证明无问题后方能使用。此外，应经常注意观察与氧弹强度有关的结构，如弹筒和连接环的螺纹、进气阀、出气阀和电极与弹头的连接处等。如发现显著磨损或松动，应进行修理，并经水压试验合格后再用。氧弹还应定期进行水压试验，每次水压试验后，氧弹的使用时间一般不应超过2年。当使用多个设计制作相同的氧弹时，每个氧弹都应作为一个完整的单元使用。氧弹部件的交换使用可能导致严重事故。

2.内筒

内筒用紫铜、黄铜或不锈钢制成，断面可为椭圆形、菱形或其他适当形状。筒内装水通常为2000～3000mL，以能浸没氧弹（进、出气阀和电极上部除外）为准。内筒外面应电镀抛光，以减小与外筒间的热辐射作用。

3.外筒

外筒为金属制成的双壁容器，并有上盖。外壁为圆形，内壁形状则依内筒的形状而定；外筒应完全包围内筒，内、外筒间应有10～12mm的间距。外筒底部有绝缘支架，以便放置内筒。

恒温式外筒和绝热式外筒的控温方式不同，应分别满足以下要求：

（1）恒温式外筒。恒温式热量计应配置恒温式外筒。自动控温外筒在整个试验过程中，外筒水温变化应控制在±0.1K之内，非自动控温外筒——静态式外筒，盛满水后其热容量应不小于热量计热容量的5倍（通常12.5L的水量可以满足外筒恒温的要求），以便试验过程中保持外筒温度基本恒定。外筒的热容量应该是：当冷却常数约为0.0020min-1时，从试样点火到末期结束时的外筒温度变化小于0.16K；当冷却常数约为0.0030min-1时，此温度变化应小于0.11K。外筒外面可加绝热保护层，以减小室温波动的影响。用于外筒的温度计应有0.1K的最小分度值。

（2）绝热式外筒。绝热式热量计配置绝热式外筒。外筒中的水量应较少，最好装有浸没式加热装置，当样品点燃后，能迅速提供足够的热量，以维持外筒水温与内筒水温相差在0.1K之内。通过自动控温装置，外筒水温能紧密跟踪内筒的温度。外筒中的水还应在特制的双层盖中循环。自动控温装置的灵敏度应能达到使点火前和终点后内筒温度保持稳定（5min内温度变化不超过0.0005K/min）；在一次试验的温升过程中，内、外筒热交换量应不超过20J。

4.搅拌器

搅拌器有螺旋桨式或其他形式，转速以400～600r/min为宜，并应保持恒定。搅拌器轴杆应有较低的热传导或与外界采用有效的隔热措施，以尽量减少量热系统与外界的热交接。搅拌器的搅拌效率应能使热容量标定中由点火到终点的时间不超过10min，同时要避免产生过多的搅拌热（当内、外筒温度和室温一致时，连续搅拌10min所产生的热量不应超过120J）。

5.量热温度计

当热容量标定后，测定煤样的发热量，实际上就是要准确地测出内筒水的温升，因此，对量热温度计的精度及其正确使用，有着特别重要的意义。

用于内筒温度测量的量热温度计至少应有0.001K的分辨率，以便能以0.002K或更好的分辨率测定2～3K的温升；它代表的绝对温度应能达到近0.1K。量热温度计在它测量的每个温度变化范围内应是线性的，均应经过计量部门的检定，证明已达到上述要求。以下两种类型的温度计可用于此目的：

（1）玻璃水银温度计。常用的玻璃水银温度计有两种：一种是固定测温范围的精密温度计；另一种是可变测温范围的贝克曼温度计。贝克曼温度计的结构如图5-2所示。两者的最小分度值应为0.01K，使用时，应根据计量机关检定证书中的修正值做必要的校正。

图5-2 贝克曼温度计的结构(www.xing528.com)

这两种温度计都应进行温度校正（贝克曼温度计称为孔径校正），贝克曼温度计除此校正值外，还有一个称为“平均分度值”的校正值。为了满足所需要的分辨率，需要使用5倍的放大镜来读取温度；为防止水银柱在玻璃上的黏滞，通常需要一个机械振荡器来敲击温度计。如果没有机械振荡器，在读取温度前应人工敲击温度计。贝克曼温度计属于移液式温度计，它可用于-20～155℃的测量范围。它的温度刻度常为0～5℃，可用来测量5℃或6℃的温度差值。

贝克曼温度计的最小分度为0.01℃，借助放大镜，可估读出0.001℃，属于精密温度计。贝克曼温度计有两个贮液泡：感温泡与备用泡。感温泡是温度计底部的主水银泡，为温度计的感温部分，水银量在不同温度间隔内可以调整；备用泡是用来贮存或补给感温泡内多余或不足的水银量。

贝克曼温度计有两个标尺：一个是用来测量温度差的主标尺；另一个是备用泡处的副标尺，它表示温度计测量温度的范围，在调整主标尺测温间隔时，以此作参考，它的最小分度值为2℃。

1）贝克曼温度计的调节。虽然贝克曼温度计测温范围较宽，但在测定煤的发热量时，一般只需测量15～30℃范围内的温度差值。通常它可用下述方法调节：

a.当温度计指示值偏高时，要将感温泡（底部水银泡）中的水银部分地转移到温度计上部的备用泡中去。为此，用手紧握温度计的感温泡，水银借助于手温上升至顶部贮存泡处，待贮存泡顶部积有水银珠，用手轻击温度计上部，让贮存泡处积有的水银落入备用泡（U形管）中。如指示值仍然偏高，则重复调节，贮存泡应积多少水银合适，一般可根据温度指示值的偏高程度来判断。

b.当温度计指示值偏低时，要将上部备用泡中水银部分地转移到感温泡中去。此时可将温度计倒置，使上部水银集中于U形管左侧并充满贮存泡，而后紧握温度计的中部，轻轻一甩，水银就借重力作用迅速地与顶部贮存泡中的水银相连接。这时将温度计正置过来，可以清楚地观测到上部U形管中的水银向下转移。根据副标尺上的刻度标记可大致判断所转移的水银量。轻击温度计，使水银柱断开，用温度计测温。如指示值仍然偏低，则应重复调节。

c.贝克曼温度计的毛细管内如果存在小气泡，则上下水银柱很难连接，这是使用中常见的问题。如果温度计中内标尺活动，水银柱易断裂成若干小段等，也不宜选用。

2）贝克曼温度计的校正。贝克曼温度计在使用前，应经国家计量机关检定，提供两项校正值：①毛细孔径修正值；②平均分度值。贝克曼温度计检定周期为2年。由于加工水平的限制，贝克曼温度计的毛细管内径不可能十分均匀，因而必须做出相应的校正，这就是毛细管孔径修正，其修正值用温度来表示。例如，在1.000℃时，修正值为0.002℃，则修正后的温度为1.002℃。所谓平均分度值，是指经孔径修正后的刻度变化1℃时所相当的实际温度。平均分度值在不同温度范围内是不同的。例如，同样在主标尺上1℃刻度，在20～21℃时表示的实际温度是1.000℃；在50～51℃时，为1.012℃；在150～151℃时，则为1.041℃。测量温度较低时，感温泡中水银量相对增多，则水银体积伸缩量相对增大，因此实际温度变化1℃，主标尺上指示的温度并不恰好是1℃，而是大于1℃。例如，1.002℃，那么平均分度值H应为1/1.002=0.998。这样，在此测量温度下，由贝克曼温度计所测得的1℃温度变化，实际上应为0.998℃的温度变化；反之，当测量温度较高时，感温泡中的水银量相对减少，则水银体积的伸缩量相对缩小，平均分度值H则大于1。平均分度值基本上随温度的升高而有规律地增大。

在测定煤的发热量时，由贝克曼温度计所测得的终点与点火之间的温度分别经孔径修正后，其差值还要乘上平均分度值才是真正的温升值。

3）基点、基准及露出柱温度。在使用贝克曼温度计时，还经常遇到基点温度、基准温度及露出柱温度等概念，现加以说明。

a.基点温度。指贝克曼温度计0℃刻度时所代表的温度。它实质上是贝克曼温度计感温泡中水银量多少的一种表示方法，基点温度越高，则意味着感温泡中水银量越少；反之，水银量越多。在不同温度范围测量煤的发热量时，需要调节感温泡中的水银量，这样基点温度将发生改变。

b.基准温度。指对贝克曼温度计的主标尺进行分度时的起始温度。例如，标准贝克曼温度计的基准温度为0℃，其测温范围为0～5℃，平均分度值H=1.000。当基点温度高于基准温度时，H＞1.000；当基点温度低于基准温度时，则H＜1.000；当两者相等时，H=1.000。当标准贝克曼温度计测温范围低于0～5℃时，H＜1.000；当测温范围高于0～5℃时，H＞1.000。

c.露出柱温度。指温度计露出水面上的水银柱所处的温度。它是用普通温度计放在贝克曼温度计露出液面部分来测量的。当露出柱温度高于被测温度时，温度计水银柱受环境温度较高的影响，指示值将高于被测温度；反之，指示值则低于被测温度。在实测煤的发热量时，由于一般环境温度波动较小，因此通常是以室温来近似地代表露出柱温度。平均分度值与露出柱温度有关，因此在检定贝克曼温度计的平均分度值时，都有对应的露出柱温度。例如，在20～25℃及30～35℃时，露出柱温度分别规定为20℃及22℃。

（2）数字显示温度计。数字显示温度计可代替传统的玻璃水银温度计，这种温度计是由诸如铂电阻、热敏电阻以及石英晶体共振器等配备合适的电桥、零点控制器、频率计数器或其他电子设备构成，它们应能提供符合要求的分辨率。这种温度计的短期重复性不应超过0.001K，6个月内的长期漂移不应超过0.05K，线性温度传感器在测定煤的发热量中引起的偏移比非线性温度传感器的小。

6.附属设备

（1）燃烧皿。铂制品最理想，一般可用镍铬钢制品。规格可采用高17～18mm，底部直径为19～20mm，上部直径为25～26mm，厚0.5mm。其他合金钢或石英制的燃烧皿也可使用，但以能保证试样燃烧完全而本身又不受腐蚀和产生热效应为原则。

（2）压力表和氧气导管。压力表由两个表头组成：一个指示氧气瓶中的压力，另一个指示充氧时氧弹内的压力。表头上应装有减压阀和保险阀。压力表每两年应经计量部门检定一次，以保证指示正确和操作安全。压力表通过内径1～2mm的无缝铜管与氧弹连接，或通过高强度尼龙管与充氧装置连接，以便导入氧气。

压力表和各连接部分禁止与油脂接触或使用润滑油。如不慎沾污，应依次用苯和酒精清洗，并待风干后再用。

（3）点火装置。点火采用12～24V的电源，可由220V交流电源经变压器变压后供给。线路中应串接一个调节电压的变阻器和一个指示点火情况的指示灯或电流计。

点火电压应预先试验确定。具体方法：接好点火丝，在空气中通电试验，在熔断式点火的情况下，调节电压使点火丝在1～2s内达到亮红；在非熔断式点火的情况下，调节电压使点火线在4～5s内达到暗红。

在非熔断式点火的情况下，如采用棉线点火，则在遮火罩以上的两电极间连接一段直径约为0.3mm的镍铬丝，缝的中部预先绕成螺旋数圈，以便发热集中。通电时，准确测出电压、电流和通电时间，以便计算电能产生的热量。

（4）压饼机。可分为螺旋式、杠杆式或其他形式的压饼机；能压制直径10mm的煤饼或苯甲酸饼；模具及压杆应用硬质钢制成，表面光洁，易于擦拭。

（5）天平。

分析天平：感量0.1mg。

工业天平：载量4～5kg，感量0.5g。