一種檢定輔助系統(tǒng)對(duì)氣體分析儀檢定結(jié)果的影響

湯堯旭，萬宇，張軒溥（成都市計(jì)量檢定測(cè)試院，成都 610056）

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一種檢定輔助系統(tǒng)對(duì)氣體分析儀檢定結(jié)果的影響

湯堯旭，萬宇，張軒溥
（成都市計(jì)量檢定測(cè)試院，成都 610056）

對(duì)自行研制的氣體分析儀檢定用輔助系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)定。選擇多種不同測(cè)量原理及進(jìn)氣方式的氣體分析儀，分別利用儀器自帶標(biāo)定罩及自行研制的檢定輔助系統(tǒng)對(duì)儀器進(jìn)行計(jì)量檢定。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，使用該系統(tǒng)進(jìn)行檢定時(shí)，6種擴(kuò)散式氣體分析儀的響應(yīng)時(shí)間比使用標(biāo)定罩時(shí)平均增加了67.2%，而示值誤差平均減小了9.2%，重復(fù)性（RSD）平均減小了19.6%；4種吸入式氣體分析儀的響應(yīng)時(shí)間平均減小了9.3%，示值誤差平均減小了0.1%，重復(fù)性平均增加了4.7%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)確反映擴(kuò)散式氣體分析儀的計(jì)量性能有明顯幫助。

輔助系統(tǒng)；氣體分析儀；擴(kuò)散式；吸入式

隨著我國石化、燃?xì)夤I(yè)的發(fā)展，作為探測(cè)和預(yù)警可燃、有毒氣體泄漏的第一道防線，氣體分析儀得到了廣泛應(yīng)用。氣體分析儀發(fā)展?jié)摿艽?，使用量逐年遞增［1］，其作用也越來越受到重視。近年來我國頒布并實(shí)施了可燃、有毒氣體報(bào)警器等一系列氣體分析儀的檢定規(guī)程，通過法制化管理以確保相關(guān)產(chǎn)品的安全生產(chǎn)和使用［2-3］。

氣體分析儀種類較多，檢測(cè)原理不盡相同，擴(kuò)散罩設(shè)計(jì)規(guī)范不統(tǒng)一，因此氣體分析儀常常存在沒有擴(kuò)散罩、擴(kuò)展罩內(nèi)空間較小、分析儀進(jìn)氣口無法穩(wěn)定安裝在罩上、罩前后無法安裝旁通流量計(jì)等問題。這些問題在一定程度上影響了氣體分析儀檢定的準(zhǔn)確性；另一方面，對(duì)于集成有多探頭的氣體分析儀，或多合一氣體報(bào)警器，則在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)用擴(kuò)散罩覆蓋其整體［4-6］。此外，由于氣體報(bào)警器在日常使用時(shí)不安裝擴(kuò)散罩，因此將用于標(biāo)定氣體濃度時(shí)使用的擴(kuò)散罩應(yīng)用于檢定過程是錯(cuò)誤的。綜上所述，需要自行設(shè)計(jì)一套輔助系統(tǒng)幫助完成檢定工作。

目前，國內(nèi)對(duì)氣體分析儀檢定技術(shù)的研究大多集中于不確定度的評(píng)定［7-10］，涉及輔助系統(tǒng)檢定氣體分析儀的研究報(bào)道較少。李旦峰等［11］設(shè)計(jì)了泛用型擴(kuò)散罩幫助檢定氣體分析儀，防風(fēng)效果較好；張傳遠(yuǎn)等［12］設(shè)計(jì)了檢定操作臺(tái)，但體積較大難以適用于戶外操作。筆者選擇多種不同測(cè)量原理及進(jìn)氣方式的氣體分析儀，利用自行設(shè)計(jì)的檢定輔助系統(tǒng)進(jìn)行檢定操作，以探索其對(duì)檢定結(jié)果的影響，并與使用其自帶擴(kuò)散罩的檢定結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1實(shí)驗(yàn)依據(jù)

JJG 693-2011 可燃?xì)怏w報(bào)警器檢定規(guī)程；

JJF 040-2010 毒性氣體檢測(cè)儀校準(zhǔn)規(guī)范檢定規(guī)程；

JJG 915-2008 氧化碳檢測(cè)報(bào)警器檢定規(guī)程；

JJG 635-1999 一氧化碳、二氧化碳紅外線氣體分析器檢定規(guī)程。

1.2環(huán)境條件

室內(nèi)溫度：（20±0.5）℃；相對(duì)濕度：53%RH；標(biāo)準(zhǔn)氣體流量：300 mL/min。

1.3主要儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)氣體見表1，定值單位為中國測(cè)試技術(shù)研究院。

表1　實(shí)驗(yàn)用氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

1.4實(shí)驗(yàn)方法

方法1：按照儀器說明書將儀器附送的擴(kuò)散罩安裝在探頭上，并將氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的氣路終端與標(biāo)定罩對(duì)接后開展檢定操作。

方法2：將儀器置入檢定輔助系統(tǒng)中，再將標(biāo)準(zhǔn)氣體接口與檢定輔助系統(tǒng)對(duì)接，打開氣瓶減壓閥，待旁通流量計(jì)穩(wěn)定后開展檢定操作。

檢測(cè)完成后關(guān)閉減壓閥，待擴(kuò)散罩或輔助系統(tǒng)內(nèi)氣體散盡后，更換其它濃度的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2　結(jié)果與討論

2.1吸入式氣體分析儀的檢定結(jié)果

按照表2對(duì)應(yīng)的測(cè)試項(xiàng)目，對(duì)儀器A，E，H，L分別進(jìn)行方法1和方法2操作，結(jié)果見表3。

表2　實(shí)驗(yàn)用氣體分析儀及對(duì)應(yīng)測(cè)試項(xiàng)目

表3　吸入式氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，采用輔助系統(tǒng)與擴(kuò)散罩分別對(duì)吸入式分析儀進(jìn)行檢定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異不大。這是因?yàn)楸M管各儀器的測(cè)試原理及氣體檢測(cè)種類不同，但測(cè)量信號(hào)的產(chǎn)生受儀器探頭與其附近氣體的接觸過程，即氣-固表面相互作用影響大，而吸入式氣體分析儀內(nèi)置采樣泵，其進(jìn)氣流量限制了氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的吸入過程，能夠控制有效氣體成分與探頭的接觸，受外部送氣方式影響小，因此采用方法2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與方法1結(jié)果相比，僅響應(yīng)時(shí)間有所縮短，其余計(jì)量指標(biāo)有升有降差異不大，使用輔助系統(tǒng)代替擴(kuò)散罩不會(huì)影響儀器的計(jì)量判定。

2.2擴(kuò)散式氣體分析儀的檢定結(jié)果

表4為擴(kuò)散式氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。由表4可見，采用輔助系統(tǒng)對(duì)擴(kuò)散式分析儀進(jìn)行檢定，對(duì)儀器的檢定結(jié)果影響顯著。與吸入式分析儀不同，擴(kuò)散式分析儀無采樣泵，探頭對(duì)氣體有效成分的檢測(cè)完全依靠氣體分子自由擴(kuò)散至探頭表面以產(chǎn)生信號(hào)。方法1中，擴(kuò)散罩由于缺乏旁路排氣口或旁路排氣口提供的氣流率不足，罩內(nèi)氣體無法流暢排出，造成氣體物質(zhì)在標(biāo)定罩內(nèi)堵塞，氣體濃度與標(biāo)準(zhǔn)值有所偏差；同時(shí)，旁路排出不暢會(huì)導(dǎo)致罩內(nèi)冗余氣體強(qiáng)行被灌壓至探頭內(nèi)，氣體分子尚未擴(kuò)散充分就與探頭接觸，造成示值誤差增大，且氣體流經(jīng)探頭時(shí)流速過快，使得氣-固表面相互作用時(shí)間遠(yuǎn)短于氣體分子在探頭表面的自由擴(kuò)散時(shí)間，造成探頭信號(hào)不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，儀器重復(fù)性變差。另一方面，方法1中氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以固定流率經(jīng)由標(biāo)定罩送入探頭，氣體分子在探頭附近的擴(kuò)散歷程快速且強(qiáng)制，導(dǎo)致儀器響應(yīng)時(shí)間僅有方法2的50%左右。事實(shí)上，后者先將氣體通入輔助系統(tǒng)，使其充分自由擴(kuò)散，氣體濃度達(dá)到平衡后再流經(jīng)探頭的歷程與儀器理論測(cè)量歷程及實(shí)際使用情況更符合，因此采用輔助系統(tǒng)代替標(biāo)定罩，對(duì)擴(kuò)散式儀器進(jìn)行檢定是有必要的。

表4　擴(kuò)散式氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.3不同原理氣體分析儀的檢定結(jié)果

表5為不同原理氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。由表5可知，同為擴(kuò)散式進(jìn)氣但測(cè)量原理不同的可燃?xì)怏w報(bào)警器、毒性氣體檢測(cè)儀進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采用方法2后B，D，F(xiàn)，G的示值誤差比方法1均有減小，重復(fù)性略微增大，這說明輔助系統(tǒng)提供的氣體濃度均勻性比標(biāo)定罩更好；另一方面，B，D使用兩種方法測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間之差分別為24，23 s，而F，G測(cè)得的響應(yīng)時(shí)間之差分別為13，25 s，說明無論采用何種測(cè)量原理，擴(kuò)散式氣體檢測(cè)器均適合采用方法2進(jìn)行檢定。

表5　不同原理氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

2.4不同進(jìn)氣方式的氣體分析儀的檢定結(jié)果

表6為不同進(jìn)氣方式氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。表6中，A，B，C，D，E，F(xiàn)，L，M分別為測(cè)量原理相同、進(jìn)氣方式不同的測(cè)試組，由表6數(shù)據(jù)可知，電化學(xué)式可燃?xì)怏w報(bào)警器受進(jìn)氣方式影響較大，由于受內(nèi)置采樣泵的影響，采用方法2的示值誤差幾乎無變化，且重復(fù)性則波動(dòng)較小，優(yōu)于方法1；紅外式分析儀則無影響；紅外式可燃?xì)怏w報(bào)警器采用方法2的示值誤差有所增加，而穩(wěn)定性變化較小。另一方面，對(duì)于毒性氣體分析儀，進(jìn)氣方式對(duì)計(jì)量性能沒有顯著影響，這可能是由于毒性氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度較低，氣體濃度波動(dòng)較為明顯，而輔助系統(tǒng)延長了混氣時(shí)間，減少了濃度波動(dòng)對(duì)氣檢測(cè)結(jié)果的影響。而對(duì)于二氧化碳分析儀，采用方法2與方法1的計(jì)量性能差異很小，可以視為無影響。

表6　不同進(jìn)氣方式氣體分析儀的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

3　結(jié)論

與儀器自帶擴(kuò)散罩相比，自行設(shè)計(jì)的檢定輔助裝置有更大的氣體容量，能提供更均勻的氣體濃度，更平緩、穩(wěn)定的氣流與更通暢的旁路排氣功能。在輔助系統(tǒng)中氣體分子的運(yùn)動(dòng)歷程更接近自由擴(kuò)散，這和儀器實(shí)際使用環(huán)境更擬合，而擴(kuò)散罩中的氣體運(yùn)動(dòng)歷程是強(qiáng)制擴(kuò)散，無法真實(shí)反應(yīng)儀器在實(shí)際使用時(shí)的性能。對(duì)于擴(kuò)散式氣體分析儀，響應(yīng)時(shí)間受氣-固表面相互作用影響而導(dǎo)致檢定結(jié)果不準(zhǔn)，因此使用自行設(shè)計(jì)的檢定輔助系統(tǒng)代替擴(kuò)散罩進(jìn)行檢定能更準(zhǔn)確地反映儀器的計(jì)量性能；對(duì)于吸入式氣體分析儀，檢定輔助系統(tǒng)內(nèi)的氣體環(huán)境能夠減小氣流率、旁通氣流等因素對(duì)儀器造成的影響，對(duì)準(zhǔn)確反映儀器的計(jì)量性能有正向作用。

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Influence of an Auxiliary Systemon on the Verification Results of Gas Analyzers

Tang Yaoxu， Wan Yu， Zhang Xuanpu
（Chengdu Institute of Metrology Verification and Testing， Chengdu 610056， China）

Performance of auxiliary system self developed that used for verification of gas analyzer was tested. The gas analyzers with different principles of measurements and ways of air entering were chosen to take metrological verifications with special calibration covers（SCC） and auxiliary system respectively. It was shown that the gas-diffusion analyzers’response time with auxiliary system was 67.2% longer， the error of indication was 9.2% smaller， and the repeatability was 19.6% smaller than with SCC averagely. For 4 kinds of gas-suction analyzers with auxiliary system， the response time was 9.3% shorter， the error of indication was 0.1% smaller， and the repeatability was 4.7% bigger than that with SCC averagely. It demonstrated that auxiliary system was greatly help for verifying the diffusion type gas analyzers.

auxiliary system； gas analyzer； diffusion； suction

O659

A

1008-6145（2016）04-0107-04

10.3969/j.issn.1008-6145.2016.04.029

聯(lián)系人：湯堯旭；E-mail: 80976667@qq.com

2016-04-06