摘要：本文介绍了用氦气法真密度仪测试烟煤标样(GBW11110i)真密度的原理及方法，并对其测定结果与标样标准真密度值进行了比较，认为氦气置换法自动化程度高，更适用于煤炭等快速真密度测试。
关键词：煤真密度，煤真相对密度，煤炭材料，氦气置换法
前言
煤的真密度是煤的主要物理性质之一，在涉及没得体积和质量关系的各种工作中，都需要用到密度。在研究煤的煤化程度、选定煤在减灰时的重液分选，都要用到煤的真密度。为更好地与国际接轨，提高国内煤的真密度分析检测水平，参考美国ASTM标准D2638-91(2002)，彼奥德研制了用氦气置换法测定煤的真密度的TD系列氦气法密度仪。
国家标准GB/T 217-2008规定测定煤的真密度一般采用液态介质，如20g/L的十二烷基硫酸钠水溶液，但该测试方法比较繁琐，测试时间较长。氦气置换法真密度仪解决了此问题，在测试中，该种设备全自动化程度与准确度均能达到理想效果。
1 氦气法密度仪测试要点
TD系列氦气法密度仪是通过应用波马定律和阿基米德原理联用在恒温条件下测定样品真实体积，从而计算样品的真密度。根据上述定律和原理的要求，流体介质必须满足在一定温度及压力下近似为理想气体，在测试是不被样品吸附（不发生化学反应），能穿透几乎所有的表面孔隙，以确保测试达到最大精度。鉴于此，TD系列氦气法密度仪使用的是性质稳定的惰性气体-氦气，氦气是具有最小分子直径的气体，在真密度测试时可保证不被样品吸附，并且氦气可进入细小微孔材料。因此，对于内部含有大量孔隙的煤样而言，用氦气介质测试的密度更接近于真实密度，测试出的真体积和真密度更具有真实性和科学性。
2 TD系列氦气法密度仪测试原理
称取一定质量的煤标样，置于全恒温真密度仪样品池中，密闭测试系统，通入氦气。压力传感器通过检测已知体积基准仓中的气体向样品池注入时的压力变化，测定未被煤样所占的体积，由此测得煤样的真实体积，根据公式ρ＝m/V计算出煤样真实密度。
2.1测试原理
2.2计算方法
恒温温度和固定容器舱室内，波马定律P1*V1=P2*V2
P1 、P2由压力传感器可测， V1为基准仓体积（已知），V12为样品池体积（已知），V2=V1+V3（样品池氦气填充体积 ）
由V2=P1*V1/P2 ，则可计算出V3数值
样品池体积 V12 = 样品池氦气填充体积 V3 + 样品体积V
通过密度公式 ρ＝m/V最终求得煤样密度。
P1 ---表示基准仓充满氦气时的压力
V12 ---表示样品池的真实体积，单位：cm3
V1 ---表示基准仓的真实体积，单位：cm3
P2 ---表示基准仓与样品池连通后的压力
V2 ---表示基准仓与样品池连通后氦气填充体积，单位：cm3
V3---表示样品池内氦气填充体积，单位：cm3
ρ ---表示样品真实密度，单位：g/cm3
m ---表示样品质量，单位：g
3 试验部分
3.1试验准备
（1）调节气瓶减压器:氦气瓶减压阀压力调节到0.3-0.5Mpa之间。
（2）样品制备：合理的准备标煤样品对试验结果的准确度非常重要。标煤属于多孔材料，在测试前必须除去表面吸附的水气及其它杂质气体以避免体积测试误差。为保证标煤样品吸附的水气、杂质等完全去除避免二次污染，根据样品的性质，我公司采用真空加热方式（100℃真空处理）进行前处理，并在处理完的样品中充入氮气保护。
3.2试验步骤
（1）校准仪器：将已知体积的不锈钢标准块放入样品池中，盖好盖子，点击“开始”键开始测试，经过多次重复测试，保证测试结果精确度小于等于0.02%即可。
（2）准备样品：上(1)所述，称取一定量的标煤，置于处理器中分别进行0小时、2小时、3小时、4小时的真空加热处理。冷却至室温后将样品管中充入氮气保护，避免称量样品时二次污染。
(3) 准确称量标煤样品：由于样品池与基准仓体积的准确性直接关系到样品池的质量。在称取样品时，使用尽可能多的质量，标煤样品加到样品池2/3。用万分之一电子天平采用去皮称重的方法准确称量，并记录质量。
注意：称量样品时，尽可能不要用手直接触摸样品池，可用镊子操作，避免手部的水分或油脂等沾到样品池表面，影响称量。
(4) 测试：打开仪器盖子，将称量好的标煤样品放入样品室，盖好盖子，在液晶触摸屏上输入样品名称及质量，选择“循环测试”模式，点击“开始”键进行样品分析。分析结束后，屏幕上自动出示结果。
4 结果与讨论
4.1 真空方式与注压方式的选择
真空或注压是在样品测量之前，是对样品池部分及基准仓部分驱除残留空气的过程。注压方式是多次充入氦气达到驱除的目的，在这一过程中至少需反复充气、放气250次才能进行样品测试过程，据考证仅注压置换驱除空气这一过程至少需要1个小时，对于用户来说，无形中增加了氦气使用成本和分析时间。
为减少用户使用成本、缩短测试时间，我公司采用独有的技术，利用外接真空泵即抽真空方式实现驱除残留空气的目的，配合I-PID动态调节技术避免轻质样品飞溅污染气路，同时增加了仪器使用寿命，由于未采用氦气置换的方式，因此氦气的消耗量得到了大大减低，并且可有效驱除样品内部吸附的微量水分。
4.2不同前处理时间对标煤测试结果的影响
(1) 表1是用TD系列氦气法密度仪对国家煤炭质量监测中心的GBW11110i标煤，分别在前处理时间为0h（不处理直接测试）、2h真密度的多次重复测试结果。
表1 不处理和处理2h真密度测试结果
由表1可见，标煤不进行前处理（即时间为0h），直接测试时结果偏差较大，并持续降低。而对标煤样品进行真空加热处理2h后，测试结果相对稳定，但也明显持续降低。
在实验中发现，未进行前处理的标煤测试完成后在样品池盖上会有水气，这是由于在35℃恒温下，样品孔道内吸附了大量水分，TD系列氦气法密度仪在抽真空过程中，除对样品池及基准仓部分驱除残留气体外，还能把吸附在样品表面的一些气体、杂质驱除，由于样品吸附的水分较多，在使用I-PID防飞溅技术下很难一次性清除，进而随着实验的进行，在水分减少的情况下，数据在逐步稳定。
(2) 表2是用TD系列氦气法密度仪对对国家煤炭质量监测中心的GBW11110i标煤，分别在前处理时间为3h、4h真密度的多次重复测试结果。
表2 前处理3h和4h真密度测试结果
由表2可见，对标煤样品进行4h前处理后，8次重复测试的平均值为1.7638 g/cm3；在充分的前处理下，测试结果与用GB217方法测定的标准值具备很好的一致性。我们可以发现，采用氦气定量技术的方式与采用GB217测试方法的结果相比，结果略微偏大（GBW11110i标煤使用比重瓶法密度结果标准值是1.74±0.02 g/cm3），这是因为氦气分子直径更小，要比水的穿透样品孔隙的能力大得多，而且水在浸润样品时由于表面张力存在，孔径较小的孔隙很难浸渍进去，使得国标测试方法测定的样品的体积要比氦气置换法测定的体积大一些，计算出的密度值就小了。
由表1、表2几组数据我们可以看到不同前处理条下的数据偏差较大，该数据偏差时主要来源于煤样自身特性，即煤样内部不断释放甲烷和二氧化碳，然后释放出来的气体又被吸附。还有少量挥发出来的水分不能完全处理掉，由于甲烷、二氧化碳、水分在样品池内部的影响，致使氦气不能有效填充而造成的误差，该误差随着真空系统的进一步工作而逐步降低，但由于温度较低并不能全部驱除，因此需要在较高温度下，使用真空技术将样品进行充分处理，已减少甲烷、二氧化碳、水分测试的影响。
5 结束语
彼奥德公司的TD系列氦气法密度仪利用氦气置换法替代传统的比重瓶法，具有不损坏样品、测试速度快、精度高、易操作、实用性等特点。利用独有的测试技术，减少了氦气使用成本。目前该设备已广泛应用于各大煤炭行业，例如：宁煤集团、鲁能集团、新矿集团、华晋集团、汾西瑞泰煤业集团等。随着TD系列氦气法密度仪的应用，必将推动相关分析仪器的向前发展，为及时地判断煤的质量、煤化程度的选择提供重要的科学依据。
