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目前我國能源工業(yè)正處于高速發(fā)展時(shí)期,煤炭、石油的質(zhì)量如何評(píng)定,如何快速準(zhǔn)確地得出煤炭、石油的品質(zhì)品位,就需要用到一系列的分析儀器。量熱儀作為一種測(cè)量物質(zhì)熱量的儀器,是評(píng)定能源物質(zhì)品質(zhì)品位的主要工具之一。隨著能源工業(yè)的發(fā)展人們對(duì)量熱儀的不確定度要求是越來越高的,因此研究影響量熱儀不確定度的各因素是有必要的。
1影響不確定度的主要因素
量熱儀是一種間接測(cè)量熱量的工具,主要是通過測(cè)量溫度,根據(jù)比熱容定律和熱傳導(dǎo)定律(傅立葉定律)計(jì)算熱量。根據(jù)測(cè)量熱量的過程得到量熱儀不確定度的主要影響因素:
(1)測(cè)量單元的不確定度:包括溫度測(cè)量和水量測(cè)量;
(2)量熱儀結(jié)構(gòu):量熱儀結(jié)構(gòu)決定如何使用比熱容定律和熱傳導(dǎo)定律,同時(shí),內(nèi)外傳熱結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是量熱儀不確定度的zui重要保證之一;
(3)熱量計(jì)算公式的系數(shù)測(cè)定:量熱儀的熱量計(jì)算公式是通過比熱容定律和熱傳導(dǎo)定律經(jīng)合理的推導(dǎo)后得到的,因此一般不能直接得到熱量計(jì)算公式的系數(shù),而需要通過一系列方法測(cè)定,所以測(cè)定系數(shù)的準(zhǔn)確性直接影響熱量計(jì)算的不確定度。
2影響不確定度主要因素的分析
量熱儀測(cè)量的熱量內(nèi)容包括儲(chǔ)熱和散熱。儲(chǔ)熱是指氧彈燃燒放熱完畢后內(nèi)筒(包括氧彈)升高溫度所包含的熱量,即彈筒發(fā)熱量;散熱是指氧彈燃燒放熱過程中內(nèi)筒與外界(內(nèi)筒和氧彈以外)的交換熱。
不同類型的量熱儀對(duì)這兩部分的比重取向不一樣,比如,絕熱式量熱儀儲(chǔ)熱比重大,散熱比重小,盡可能達(dá)到忽略散熱部分,所以其不確定度取決于儲(chǔ)熱部分。又比如干式量熱儀,儲(chǔ)熱比重稍小,散熱比重較大,所以散熱部分的不確定度要求高。而恒溫式量熱儀是介于兩者之間,儲(chǔ)熱比重較大,但散熱部分達(dá)不到可忽略的要求,所以對(duì)儲(chǔ)熱和散熱都有一定要求。
2.1絕熱式量熱儀不確定度分析
絕熱式量熱儀足要求氧彈燃燒放熱過程中內(nèi)筒與外界的交換熱可以忽略的一種熱量計(jì)。一般使用兩種方式實(shí)現(xiàn):真空絕熱;外筒跟蹤內(nèi)筒同步升溫(簡稱同步升溫)。
真空絕熱式量熱儀使用真空層包圍內(nèi)筒方式實(shí)現(xiàn)絕熱的結(jié)構(gòu)方式。真空絕熱式量熱儀不考慮散熱部分的熱量,因此熱量計(jì)算可以只從比熱容定律導(dǎo)出。
真空絕熱式量熱儀在計(jì)算熱量時(shí)考慮熱容量受溫度的影響是提高儀器不確定度的關(guān)鍵點(diǎn)。當(dāng)然,真空絕熱式量熱儀的難點(diǎn)和重點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)上是否達(dá)到絕熱要求。
同步升溫絕熱式量熱儀是使外筒溫度自動(dòng)跟隨內(nèi)筒始終與內(nèi)筒溫度保持一致的方式實(shí)現(xiàn)絕熱。所以,同步升溫絕熱式量熱儀的不確定度影響因素,除了有真空絕熱式量熱儀所存在的影響因素外,還存在外筒與內(nèi)筒溫度達(dá)到的同步程度,以及內(nèi)外筒溫度的均勻程度。
2.2恒溫式量熱儀不確定度分析
恒溫式量熱儀是使用控溫等方式使外筒溫度保持穩(wěn)定的一種熱量計(jì)。恒溫式量熱儀在實(shí)驗(yàn)過程中內(nèi)筒與外界(包括外筒)存在熱交流,因此需要計(jì)算交流熱。計(jì)算內(nèi)筒與外界的交流熱采用的理論就是熱傳導(dǎo)定律(傅立葉定律)。所以恒溫式量熱儀需要同時(shí)使用到比熱容定律和熱傳導(dǎo)定律。
因?yàn)楹銣厥搅繜醿x內(nèi)筒的溫升相對(duì)小,而且熱量的計(jì)算公式相對(duì)復(fù)雜,所以一般不考慮溫度變化對(duì)熱容量的影響。但要求內(nèi)外筒的溫度達(dá)到較高的均勻性與穩(wěn)定性,否則不能稱為等溫面。
恒溫式量熱儀的不確定度和不確定度的兩個(gè)主要影響因素是:(1)結(jié)構(gòu)上是否達(dá)到可忽略內(nèi)外筒熱交流以外的其它熱交流;(2)外筒控溫的均勻性和穩(wěn)定性。
2.3干式量熱儀的不確定度分析
干式量熱儀是無內(nèi)筒水方式測(cè)量熱量的一種熱量計(jì)。因此,干式量熱儀熱容量相對(duì)小,主期溫升相對(duì)高,散熱部分熱量相時(shí)大。故干式量熱儀的不確定度主要受散熱部分影響。干式量熱儀的內(nèi)筒構(gòu)造一般是金屬,有極良好的熱傳導(dǎo)效果,因此燃燒熱可以很迅速地傳導(dǎo)出來,所以干式量熱儀的主期一般較短。
干式量熱儀(固體夾層)熱量計(jì)算的不確定度和不確定度關(guān)鍵在探頭的分布及數(shù)據(jù)的處理。干式量熱儀是使用多個(gè)測(cè)溫點(diǎn)和較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理來換取較簡單的結(jié)構(gòu)。
由于對(duì)量熱儀的不確定度要求較高且結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,所以對(duì)不確定度的影響因素很多,本篇所作的分析是從理論出發(fā)作出的分析,在積累一定經(jīng)驗(yàn),用嚴(yán)謹(jǐn)推導(dǎo)過程才可以得到全面的分析結(jié)果。
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