铜导线熔珠密度测定方法及条件的研究

 摘 要：本文就如何改进密度测量方法，提高测量的精密度和准确度为研究对象。首先，制备实验样品。利用火灾痕迹物证综合实验台模拟火灾现场分别制作铜导线一次短路喷溅熔珠、二次短路喷溅熔珠、火烧熔珠和铜导线本体四种试样。其次，利用比重瓶进行密度测量。尝试采用自制的真空渗透系统对比重瓶进行改进并测量铜导线原样的密度。第三，对利用阿基米德浮力法原理自行研制的密度测量仪器进行改进，通过改进的测量仪器对铜导线原样的密度进行测量。第四，利用SPSS统计分析软件对测量出的铜导线原样和熔珠进行密度值数据的统计分析，比较比重瓶和原有的密度仪所测出的铜导线原样试样密度值的稳定性和准确性，确定出了经过改进后的原有仪器所测量出的铜导线密度值的稳定性和准确性最好，说明利用改进后的原有仪器的精确度比改进后的比重瓶更高。确定改进后的原有测量仪器的影响因素并对一次、二次和火烧熔珠的密度值进行测量，利用SPSS统计分析软件对密度值进行分析得出铜导线的三种熔珠的密度值具有一定分布特征。通过实验不断提高密度法的精确度，为进一步利用密度法鉴定电气火灾奠定良好的基础。

关键词 测量方法；改进；精确度；分布特征

The Research of Method and Condition for Measurement of Copper Wire Melted Bead Density

Abstract: This article’s research object is how to make better the density measurement method to improve the measurement precision and accuracy. Firstly, preparation for experimental samples. Simulating the scene of the fire to prepare copper wire short splash melted beads, the secondary short-circuit splash melted beads, melted beads in-fire and copper wire body samples by the fire trace material evidence. Secondly, the density of samples was measured by density bottle. Copper wire density is measured by the improved density bottle with homemade vacuum infiltration system. Thirdly, improving the original instrument designed by the Archimedes buoyancy principle and measuring the density of the copper body samples. Fourthly, the stability and precision of the statistics of density of the copper wire body samples measured by two kinds of measuring instruments was compared by the SPSS statistical analysis software, it turns out the precision of the original instrument is better than the improved density bottle. Measuring the density of copper wire short splash melted beads, the secondary short-circuit splash melted beads and melted beads in-fire by the original instrument. Analyzing the density values of copper wire melted beads by the SPSS statistical analysis software and turning out that their density values ​​are in accordance with certain distribution characteristics. Improving the density method continually by experiment in order to lay a good foundation of the identification of electrical fire.

Keyword methods of measurement; improvement; accuracy; distribution characteristics

目 录

摘 要 I
Abstract. II
目 录 III

1 前 言 1
2 实验部分 4
2.1 实验设备与材料 4
2.1.1 实验设备 4
2.1.2 实验材料 4
2.2 样品的制备 4
2.2.1 铜导线样品的制备 4
2.2.2 一次短路熔珠的制备 4
2.2.3 二次短路熔珠的制备 4
2.2.4 火烧熔珠的制备 5
2.3 样品密度的测量 5
2.3.1 称量系统的测量原理 5
2.3.2 测量方法的选择与改进 5
2.3.3 样品的测量 6
3 实验结果 7
3.1 测定仪器的选择 7
3.2 密度仪影响因素的测定与选择 8
3.2.1 温度的影响 8
3.2.2 溶液种类的影响 10
3.2.3 溶液的PH值对密度测定的影响 12
3.2.4 吊篮孔隙率的影响 14
3.2.5 样品本身的影响 15
3.3 铜导线熔珠密度的测定 16
4 实验结果分析与讨论 21
4.1 密度测定过程中的实验影响因素分析 21
4.1.2 液体的性质 21
4.1.3 载样器底部有无网孔 21
4.2 铜导线熔珠的实验结果分析 22
4.3 实验过程中的误差分析与讨论 24
5 结 论 25
参考文献 26
致 谢 28

1 前 言

随着电气化水平的不断提高，人们用电频率的逐渐增大，电能已经成为了生活中不可缺少的一种能源，而与此同时由于用电引发的火灾亦是成上升趋势，2011-2012年全年总共发生40000多起火灾，平均每天发生125起电气火灾，占整体火灾的30%以上，占重特大火灾的60%以上[1]。我国电气火灾中由线路短路所引起的火灾占所有电气火灾的52%，远高于其他火灾原因[2]。近几年我国发生的重特大电气火灾除了自身发热体与可燃物接触引发火灾外，多为短路、过负荷、接触不良、漏电等故障性原因使得电器线路过热或者形成短路电弧在短时间内释放大量的热量来引燃周围可燃物形成火灾，发生火灾时由于电器线路在火灾前发生短路和火灾中受到高温火焰的作用都会形成熔珠，加上火灾现场条件的复杂性、多变性，导线在形成熔珠时受不同环境条件的影响，不同条件下形成的熔珠具有不同的性质，例如一次短路熔珠是火灾前因导线本身故障短路而形成的熔珠；二次短路熔珠是由于起火后的火焰作用于导线发生短路而形成的熔珠。因此，研究电器线路熔珠的鉴定方法对今后公安消防机构进行的电气火灾原因的认定和进一步开展火灾事故调查工作有着重大的意义。
目前，对铜导线熔珠性质的鉴定中常用的方法主要有金相分析法和扫描电子显微镜（SEM）微观形貌分析法等，即通过金相显微镜或高倍数电子显微镜观察熔珠内部的晶粒形状以及内部气孔的形状大小、数量及分布规律，从而判定熔珠性质：如杨晓红，孟广伊等通过模拟实验制作电气火灾中一次和二次短路铜熔珠实验样品，利用扫描电子显微镜（SEM）观察两种熔珠的横截面，对其内部孔洞的微观形态进行定性与定量比较研究。找到可供区别的特征：气孔直径D、孔洞数密度N和面积比S/S。结果表明：在置信概率为95%的条件下，孔洞数密度N>50（个/ mm2）时导线发生一次短路。小孔洞（直径D<90 μm）面积和与熔珠横截面之比S/S≈0.8时，发生一次短路的可能性大。出现大气孔（直径D>170 μm）时导线发生了二次短路。大孔洞（直径D>90 μm）面积和与熔珠横截面之比S/S≈0.7时，发生二次短路的可能性大[3]。刘筱薇，金应荣通过对二次短路熔珠在不同温度加热，然后采取自然和喷水方式冷却。通过观察熔珠的金相组织，找出受热温度对二次短路熔珠金相组织的影响。结果显示二次短路熔珠的金相组织随着火场温度的增高逐渐由粗大柱状晶成长为等轴晶。实验结果表明在实际火灾调查中，应根据火灾现场的实际情况综合分析熔珠的金相组织特征，再以此为依据来认定熔珠的种类[4]。 但这两种方法的缺点是过程比较复杂，实验精度要求高，实验过程复杂，成本较高，一旦在打磨的过程中没有打磨好或腐蚀好，在显微镜下或扫描电子显微镜中则观察不到理想的图像。而通过测定熔珠的密度值来直接判定熔珠的性质的方法则可消除这些不足。
通过文献调研发现，国内外的研究人员对于密度的测量大都从被测物体的体积和质量两方面进行综合研究，研究工作主要集中在以下几个方面：在国内外主要研究固体密度的方法有线型测量法、排水法，其针对的物体主要是规则物体或体积较大的不规则物体。利用直尺或量筒中水增加的体积测出规则物体的体积，用天平测出物体质量，根据公式ρ=m/v求出物体的密度，该方法可以研究较大规则物体的密度的变化规律，为先前人们在密度研究实践中起到一定的辅助作用，但随着研究的深入，其本身的局限性越来越明显，首先是线型密度法不能准确测量不规则物体的体积；其次，由于水的表面张力以及容器壁的附着效应，排水法和阿基米德测量法不能精确测量细小物体的体积；第三，由于称重仪器自身的缺陷，在质量的测量上存在偏差，产生系统误差。此外，在实验过程中的人为操作由于操作者本身的操作上的偏差，比如读数时视线不与刻度线平行，最终导致实验结果的不精确，产生操作误差。除此之外，国内外还分别着重研究了一下两个方面：国外研究方面：德国标准化学会主要利用气体浮力法来测量，即利用静流体来对固体进行密度测量。国内研究：刘震提出采用逆向工程的方法对不规则表面的物体直接进行体积测量，先利用坐标测量机、三维激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标，然后利用Polyworks/Modeler把扫描的点云数据进行对整、拼接、三角面化等处理构建三维实体[5]模型，Polyworks/Inspector把所建的模型进行优化、测量、变形分析，得出结论。郭长武，张爱莲，刘玉凤利用气体状态精确测定固体密度的方法，利用气体移动，能迅速、准确地测定固体样品的体积从而准确测出样品的密度。模拟理想气体状态方程PM=ρRT测出一定物质质量的物体从而得出该室温度下的密度值。此法测试快捷， 准确， 重复性好， 测试周期智短（一般为25—40 min，但对填充料或弹性体需要较长的时间，约50—60 min）。该法适用于测量粉状、粒状、或片状规则和不规则的固体颗粒，试样处理相对也比较简单，该理想气体状态方程法所用仪器测试精度高，重复性好，不失为定性判断铜导线熔珠密度的一种好方法，具有相当的可鉴性。在科研方面胡庆云、陈艳晶等人采用真空渗透除气法对比重瓶进行了改造，改进后的测量微小物体密度的方法对减小实验误差，降低操作难度方面效果明显。此外，还有沉降法、激光法、筛分法、电阻法、显微图像法等较为成熟。
无论国内还是国外的研究，对铜导线熔珠密度的精确度以及相关测量仪器的研究还很少，而铜导线熔珠的性质在认定电器火灾原因过程中起到关键的作用，因此需要一种可靠而方便的技术方法来鉴别此类火灾痕迹的火灾现场。本文便是通过对铜导线熔珠密度测量方法的建立来判定熔珠成因的一种技术方法。实验过程中，先利用火灾痕迹物证综合实验台制作一次短路熔珠、二次短路熔珠和火烧熔珠的喷溅样品，选取其中体积较大的，先利用比重瓶法测得熔珠的密度，然后用SPSS数理统计软件对数据进行统计分析。利用Sartorius BT224s型电子分析天平称出熔珠的质量，进而换算出熔珠密度，再与用原有的仪器和测量方法所测出的数据进行比较和分析，得出哪一种称量仪器测出来的数据准确性更高，重复性更好，从而说明哪一种称量仪器更好；同时根据SPSS数理统计软件分析统计测量数据，得出一次短路熔珠，二次短路熔珠和火烧熔珠密度大小的变化范围和规律，从而达到论证密度法鉴定熔珠成因的可行性的目的。