熱導式氣體分析器校準方法

張昕 葉泓 / 上海市計量測試技術研究院

熱導式氣體分析器校準方法

張昕 葉泓 / 上海市計量測試技術研究院

提出了針對不同種類氣體含量分析的熱導式氣體分析器校準方法。使用該校準方法對不同型號的分析器進行了校準實驗，并對校準結果進行了不確定度評定。研究結果表明，該校準方法適用于不同種類氣體熱導式氣體分析器的校準，能夠實現(xiàn)對熱導式氣體分析器示值誤差、重復性、響應時間等主要測量性能的綜合評價。

熱導式氣體分析器；校準方法；示值誤差；重復性；不確定度

0 引言

目前熱導式氣體分析器在國內使用相當普遍，在化工、電力和環(huán)境監(jiān)測等領域都有廣泛應用。JJG 663-1990《熱導式氫分析器》自施行日起已有26年，且只適用于熱導式氫分析器。目前采用熱導式原理進行氣體分析的儀器已不僅僅是氫氣，也可以是氬氣、氧氣、二氧化硫、二氧化碳等氣體，而檢定規(guī)程JJG 663-1990不適用于使用這些氣體的分析器。隨著科學技術的發(fā)展，儀器制造水平日益提高，檢定規(guī)程中對儀器噪聲和預熱時間的要求與現(xiàn)有儀器的制造水平已不相適應。例如，儀器本身在開機后有自檢查和預熱功能，無需額外的預熱時間。儀器的氣密性檢查復雜且難以控制，通過流量控制器可以更好地控制儀器流量，以避免氣密性的問題。因此，必須探索新的熱導式氣體分析器校準方法。

1 熱導式氣體分析器原理及特點

熱導式氣體分析器是基于被檢測氣體與參比氣體具有不同的導熱率及混合氣體的導熱率隨其組分含量變化而不同的這一物理特性，通過測定氣體的導熱率可以確定被測氣體的含量，并以濃度值顯示出來。在工業(yè)生產中，熱導式氣體分析器的應用范圍十分廣泛，除了通常用來分析H2、Ar、O2、SO2、CO2等氣體外，還經(jīng)常被用作色譜分析儀中的檢測器來分析其他成分。

表1 幾種氣體在20 ℃時的相對（空氣）熱導率

熱導傳感器是最早用于氣體檢測的氣體傳感器，具有如下優(yōu)點：

1）檢測范圍大，最高檢測濃度可達100%。

2）工作穩(wěn)定性好，使用壽命長，不存在觸媒老化問題，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

3）具有“廣譜”性，可以檢測幾乎所有氣體，既可以檢測可燃性氣體，也可以檢測惰性氣體，而且在被測環(huán)境中有氧或無氧的情況下都可以實現(xiàn)氣體濃度的檢測。

2 校準方法

2.1 校準條件

2.1.1 校準環(huán)境條件

環(huán)境溫度：10～30 ℃；相對濕度：≤85%。

2.1.2 校準用設備

2.1.2.1 氣體標準物質

應采用與被檢測氣體和參比氣體成分相同的氣體標準物質（以下簡稱標準氣體），其相對擴展不確定度應不大于2.0%（k= 2）。

2.1.2.2 零點氣體

應采用與參比氣體相同的氣體（純度≥99.999%）。

2.1.3 秒表

分辨力優(yōu)于0.1 s。

2.1.4 流量控制器

氣體流量計：測量范圍0～2 000 mL/min，準確度等級不低于4級。

2.2 儀器調整

按照儀器使用說明書的要求對儀器進行預熱穩(wěn)定以及零點和示值的調整。

按圖1所示連接標準氣體、流量控制器和被校準儀器。根據(jù)被校準儀器采樣方式的不同，在校準泵吸式分析器時必須使用流量控制器控制標準氣體的流量，保證流量控制器中的旁通流量計有流量放空。在校準分析器時應根據(jù)儀器說明書的要求調節(jié)流量，如果儀器說明書沒有明確要求，則氣體流量一般控制在500 mL/min±50 mL/min范圍。

圖1 儀器校準方框圖

2.3 示值誤差

依次通入濃度約為量程20%、50%和80%的標準氣體，待示值穩(wěn)定后記錄儀器的顯示值。重復測量3次，按式（1）計算儀器各濃度點的示值誤差，取絕對值最大的作為儀器的示值誤差。

As— 標準氣體的濃度值；

R — 儀器的量程

2.4 重復性

通入濃度約為量程50%的標準氣體，待示值穩(wěn)定后記錄儀器顯示值Ai，然后通入零點氣，待示值穩(wěn)定后再通入上述同樣濃度的標準氣體。重復測量6次，重復性以單次測量的相對標準偏差來表示。按式（2）計算儀器的相對重復性sr。

2.5 響應時間

通入濃度約為量程50%的標準氣體，待儀器示值穩(wěn)定后記錄儀器示值，然后通入零點氣，待示值穩(wěn)定后再通入上述同樣濃度的標準氣體，同時啟動秒表開始計時。當儀器示值達到上一次穩(wěn)定值的90%時停止計時，記錄此時間。重復測量3次，取3次時間的算術平均值作為儀器的響應時間。

3 不確定度評定

3.1 測量模型

見式（1）。

3.2 標準不確定度分量評定

選擇一臺常規(guī)量程為 0～100%的熱導式氣體分析器進行校準。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)可分別得到20%、50%和80%濃度測試點實驗標準偏差平均值的實驗標準差（見表2），s為單次實驗標準偏差。

2）標準不確定度u（As）的評定

輸入量As的不確定度主要來源于標準氣體濃度定值的不確定度。標準氣體定值的相對擴展不確定度Urel= 2.0%（k= 2），則由標準氣體產生的相對標準不確定度為1.0%。由此可以算出20%、50%和80%濃度標準氣體的濃度標準不確定度，見表2。

3.3 合成標準不確定度的評定

3.3.1 靈敏系數(shù)

式中：R —— 量程上限（R= 100%）

3.3.2 標準不確定度匯總表

輸入量的標準不確定度匯總于表2。

表2 標準不確定度匯總

3.3.3 合成標準不確定度的計算

不確定度可按下式得到：

3.4 擴展不確定度的評定

3.5 不確定度評定結果

表3 不確定度評定結果

該臺常規(guī)熱導式氣體分析器示值的最大允許誤差為±5%FS，大于示值誤差校準結果擴展不確定度的3倍，因此校準方法合理。

4 校準方法適應性評價

將本文提出的校準方法在測量不同氣體的儀器上進行了實際應用，試驗結果見表4。

表4 儀器校準結果數(shù)據(jù)

熱導式氣體分析器的最大允許誤差一般為±5%FS。從表4數(shù)據(jù)可以看出，對于各種不同型號、不同分析氣體的熱導式氣體分析器，本校準方法都合理有效。

5 校準方法討論

為有效減小隨機誤差和保證校準順利進行，校準過程中應注意以下事項：

1）校準過程必須做好儀器的調整，注意氣體流量的控制，過程中應保持氣體流量穩(wěn)定不變，這樣才能最佳地反應出分析器的性能。

2）必須采用與被檢測氣體和參比氣體成分相同的標準氣體，因為熱導式氣體分析器是根據(jù)相對熱導率來分析校準氣體的，不同的氣體物質可能帶來干擾，影響儀器示值。

3）雖然JJG 663-1990取消了對儀器預熱時間的要求，但對一些生產日期較早的老式分析器需要較長的預熱穩(wěn)定時間才能更準確地得到分析器的計量特性。這需要根據(jù)儀器的說明書來具體操作。

4）部分熱導式分析器存在著準確度差的缺陷，讀數(shù)可能會產生較大的示值誤差。所以對某些準確度較低的儀器，必須待儀器示值完全穩(wěn)定后再讀數(shù)，這樣能減少示值波動的影響。

6 結語

本文提出了對熱導式氣體分析器的校準方法。在實際的試驗中，參照該校準方法對市場上不同型號、測量不同氣體的分析器進行了試驗。試驗結果表明，該校準方法可以對不同種類氣體的熱導式氣體分析器進行校準，同時其簡便實用，可操作性強，科學可靠，能夠實現(xiàn)對熱導式氣體分析器的示值誤差、重復性、響應時間的綜合評價。本文為開展對熱導式氣體分析器的檢定及校準工作提供了技術基礎。

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Calibration method of thermal conductivity gas analyzers

Zhang Xin， Ye Hong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The calibration methods of thermal conductivity gas analyzers which are used for analyzing different kinds of gas content are proposed in the paper.The calibration experiments for different models of thermal conductivity gas analyzers are conducted.The calibration uncertainty is evaluated.Research results indicate that the calibration methods are suitable for various thermal conductivity gas analyzers of different kinds of gas， and can realize comprehensive assessment of main measurement characteristics such as indication error， repeatability and reponse time.

thermal conductivity gas analyzer； calibration method；indication error； repeatability； uncertainty