張東杰，栗峰雷，滕 威，章晉英，陸麗園，王作鵬，王曉云

（中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司，安徽 淮北，235000）

2010年工信部下發(fā)的《工信部關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見》[1]中明確指出:“鼓勵(lì)采用液體硝酸銨代替固體硝酸銨制備工業(yè)炸藥”。由硝酸銨生產(chǎn)廠家提供硝酸銨溶液直接應(yīng)用于工業(yè)炸藥的生產(chǎn)是國(guó)外炸藥生產(chǎn)廠家的典型生產(chǎn)方式[2]。國(guó)內(nèi)越來越多的民爆企業(yè)與硝酸銨生產(chǎn)廠家合作直接使用硝酸銨溶液，效益顯著。由于硝酸銨溶液濃度是炸藥生產(chǎn)工藝中的重要參數(shù)，生產(chǎn)中必須準(zhǔn)確測(cè)量，以保持原料正確配比，確保產(chǎn)品質(zhì)量。與以往采用固體硝酸銨生產(chǎn)工業(yè)炸藥中配料法制備的硝酸銨溶液相比，硝酸銨生產(chǎn)企業(yè)提供的硝酸銨溶液濃度值存在一定的供貨范圍，在制備炸藥水相溶液時(shí)需要調(diào)整，現(xiàn)有人工比重測(cè)試方法繁瑣，存在人為因素，不符合現(xiàn)代自動(dòng)化生產(chǎn)要求。因此研究硝酸銨溶液濃度的在線測(cè)試方法顯得尤為重要。

硝酸銨溶液濃度傳統(tǒng)的檢測(cè)方法主要有：比重法和化學(xué)分析法（即滴定法）。比重法的原理是量取一定量的樣品，測(cè)定稀釋后樣品的密度ρ和溫度T，通過查ρ——T表?yè)Q算成樣品的濃度，其缺點(diǎn)在于：用于工業(yè)炸藥生產(chǎn)的硝酸銨溶液濃度一般在70%以上，濃度較高，容易析晶，測(cè)量誤差較大，不利于產(chǎn)品質(zhì)量控制。常用的化學(xué)分析法有甲醛法，該方法雖然測(cè)量結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，誤差較小，但耗時(shí)較多，一般需20min以上。還有兩種檢測(cè)方法就是卡爾?費(fèi)休法[3]和烘箱干燥法[4]，這兩種方法對(duì)測(cè)試人員的素質(zhì)要求高，測(cè)試過程也比較復(fù)雜繁鎖，而且測(cè)試耗時(shí)長(zhǎng)。上述各種方法根本無法實(shí)現(xiàn)硝酸銨溶液濃度的在線檢測(cè)，不利于液體硝酸銨在工業(yè)炸藥生產(chǎn)中的應(yīng)用。

本文采用自行改裝的超聲波聲速測(cè)定儀快速測(cè)定不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液的超聲波聲速，探索超聲波法在線檢測(cè)硝酸銨溶液濃度的可行性，為液體硝酸銨直接利用技術(shù)提供一種在線檢測(cè)濃度指標(biāo)的方法。

1 超聲波法測(cè)量硝酸銨溶液濃度的原理

理論上，溫度恒定時(shí)，超聲波在單一溶液中的傳播速度只受濃度的影響，濃度愈高傳播速度愈快?；谶@種理論，測(cè)試超聲波在不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液中的傳播速度，分析超聲波聲速與硝酸銨溶液濃度及溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，擬合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)曲線。測(cè)試待測(cè)硝酸銨溶液不同溫度下的超聲波聲速值，與上述相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)曲線進(jìn)行比較，從而得出待測(cè)硝酸銨溶液的濃度值。

2 可行性試驗(yàn)

2.1 主要試劑與儀器

試劑：硝酸銨（固體），≥99.5%，開封晉開化工有限責(zé)任公司；70%～93%的硝酸銨溶液（自行配制）；硫酸標(biāo)準(zhǔn)溶液（自行配制）；氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液（自行配制）；甲醛，分析純AR，煙臺(tái)市雙雙化工有限公司；甲基紅指示劑，天津市化學(xué)試劑研究所；酚酞指示劑，天津市化學(xué)試劑研究所。

儀器：DS18B20溫度傳感器，深圳市鉑電科技有限公司；SS-2YK型聲速測(cè)定儀（自行改裝后使用），南京慧波理工科教儀器研究所；硝酸銨溶液加熱恒溫系統(tǒng)（自行加工，容積5L）。

2.2 硝酸銨溶液超聲波聲速測(cè)試方法

硝酸銨溶液超聲波聲速測(cè)定采用的超聲波聲速儀是在SS-2YK型聲速儀的基礎(chǔ)上改裝的，改裝后的聲速儀的發(fā)射和接收信號(hào)探頭可直接置于或安裝在特定的硝酸銨溶液容器中，改裝后的儀器具有防爆性能，最高工作溫度可達(dá)130℃，可以測(cè)量高濃度（最高可達(dá)94%）硝酸銨溶液的濃度。

配制一定濃度的硝酸銨溶液，測(cè)量超聲波在溶液中的傳播速度。在超聲波探頭發(fā)射一束超聲波信號(hào)后，信號(hào)通過一定濃度的硝酸銨溶液到達(dá)對(duì)面的反射面，之后信號(hào)從反射面返回。此時(shí)探頭轉(zhuǎn)為信號(hào)接收狀態(tài)，以此測(cè)定超聲波信號(hào)傳輸?shù)目倳r(shí)間，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x為2倍間距（2L）。距離除以時(shí)間（t）即為超聲波聲速（v）。超聲波信號(hào)在液體溶液中的發(fā)射和接收如圖1所示。超聲波聲速的計(jì)算公式：v=2L/t。

圖1 超聲波信號(hào)的發(fā)射和接收Fig.1 Transmitting and receiving of the ultrasonic signal

3 結(jié)果與分析

3.1 硝酸銨溶液超聲波聲速的測(cè)定

配制一系列濃度的硝酸銨溶液（1號(hào)～5號(hào)），將其轉(zhuǎn)移至自制的密閉加熱恒溫系統(tǒng)中，將溫度升到130℃，并將經(jīng)過改裝的超聲波聲速測(cè)定儀的探頭置于溶液中，固定并密封好，恒溫30min。然后調(diào)節(jié)加熱恒溫系統(tǒng)，開始緩慢降溫，測(cè)量降溫過程中硝酸銨溶液超聲波聲速值的變化規(guī)律。結(jié)果如表1所示。

表1 不同濃度、不同溫度下硝酸銨溶液的超聲波聲速（m·s-1）Tab.1 The ultrasonic velocity of ammonium nitrate solution at various concentrations and temperatures

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，在某一特定的溫度下，濃度大的硝酸銨溶液超聲波聲速值大。同時(shí)，對(duì)于濃度一定的硝酸銨溶液，超聲波聲速值均隨著溫度的下降呈現(xiàn)出很有規(guī)律的增大趨勢(shì)。

3.2 硝酸銨溶液溫度—超聲波聲速—濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合

針對(duì)表 1 中 5組不同濃度硝酸銨溶液超聲波聲速的測(cè)定結(jié)果，分別以溫度為橫坐標(biāo)，以超聲波聲速為縱坐標(biāo)作圖，得出5條溫度—超聲波聲速—濃度相關(guān)曲線。對(duì)5條相關(guān)曲線進(jìn)行二次曲線擬合，得出5個(gè)超聲波聲速隨濃度變化的二元回歸方程，如圖2所示。

圖2 硝酸銨溶液溫度——超聲波聲速—濃度相關(guān)曲線Fig.2 The temperature vs ultrasonic velocity vs concentration standard curve of ammonium nitrate solution

圖2中5個(gè)二元回歸方程，線性相關(guān)系數(shù)R2均在0.998 9以上，說明溫度—超聲波聲速—濃度之間的線性相關(guān)性很好。由此可以推斷，基于此標(biāo)準(zhǔn)曲線方程的超聲波法測(cè)硝酸銨溶液濃度理論上是可行的。

4 驗(yàn)證試驗(yàn)

配制5組待測(cè)濃度的硝酸銨溶液，用超聲波法及甲醛法分別測(cè)試它們的濃度，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行比較，分析超聲波法測(cè)試硝酸銨溶液濃度的測(cè)量精度，結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波法測(cè)硝酸銨溶液濃度的精度驗(yàn)證Tab.2 Accuracy verification of concentration measured by ultrasonic method

從表2中5組濃度測(cè)試結(jié)果對(duì)比以及偏差的數(shù)值可以看出，超聲波法測(cè)得的硝酸銨溶液的濃度與甲醛法測(cè)得的硝酸銨溶液的濃度的偏差均在±0.5%以下，能夠達(dá)到傳統(tǒng)的比重法測(cè)量硝酸銨溶液濃度的測(cè)量精度，因此，超聲波法在線檢測(cè)硝酸銨溶液的濃度是可行的。與比重法相比，該方法測(cè)量過程相當(dāng)簡(jiǎn)便，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)硝酸銨溶液的濃度，同時(shí)還不受溶液溫度、濃度的限制，可以測(cè)量高溫（最高可達(dá)130℃）、高濃度（最高可達(dá)94%）硝酸銨溶液的濃度。

5 結(jié)論與展望

超聲波法測(cè)試硝酸銨溶液濃度的可行性研究結(jié)果表明，超聲波法在線檢測(cè)硝酸銨溶液的濃度是可行的，測(cè)量精度達(dá)到±0.5%以上。與比重法相比，超聲波法在獲得相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線信號(hào)后，測(cè)量過程相當(dāng)簡(jiǎn)便，并能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)硝酸銨溶液的濃度，同時(shí)還不受溶液溫度、濃度的限制，可以測(cè)量高溫（最高可達(dá)130℃）、高濃度（最高可達(dá)94%）硝酸銨溶液的濃度。

由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，自制的硝酸銨溶液加熱恒溫系統(tǒng)對(duì)溫度的控制精度不高，導(dǎo)致超聲波聲速的測(cè)量結(jié)果存在一定的誤差，以至于最終的濃度測(cè)量結(jié)果精度不高。下一步擬增大實(shí)驗(yàn)體系，完善控溫系統(tǒng)，提高超聲波法在線檢測(cè)硝酸銨溶液濃度的精度，為其在工業(yè)炸藥生產(chǎn)線上的安裝和使用奠定基礎(chǔ)。

[1]工信部安[2010]227號(hào).工業(yè)和信息化部關(guān)于民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見[Z].2010-5-19.

[2]汪旭光.關(guān)于低碳經(jīng)濟(jì)與民爆行業(yè)發(fā)展的思考[J]. 工程爆破,2009,15(3):1-4.

[3]GB/T 2947-2002尿素、硝酸銨中游離水含量的測(cè)定— —卡爾·費(fèi)休法(仲裁法) [S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[4]GB 2945-89硝酸銨[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1989.