劉溢舟，楊曦，馬雅詩，徐子凱，周曉峰，蒲玲，朱佳奇

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院計量檢測所，上海 201114）

合式氣體檢測報警器是一種可以測量工況環(huán)境中特定氣體濃度的儀器，它可以同時測量多組分有毒有害氣體。目前市場上有二合一、三合一和四合一等幾種形式，客戶可根據(jù)具體檢測的有害氣體進行選擇。其中最常用的為四合一氣體檢測報警器，主要檢測可燃氣體、一氧化碳、硫化氫和氧氣4 種氣體濃度。它主要應用在化工廠、煉化廠等有毒有害氣體泄露環(huán)境和場所，相關人員在進入這些有泄漏危險的區(qū)域時隨身佩戴，實時測量環(huán)境中的有毒有害氣體泄漏量并進行聲光報警［1］。按照國家相關法律法規(guī)要求，復合式氣體檢測報警器分別依據(jù)《JJG 693–2011 可燃氣體檢測報警器》、《JJG 915–2008 一氧化碳檢測報警器》、《JJG 695–2003 硫化氫氣體檢測儀》和《JJG 365–2008 電化學氧測定儀》技術規(guī)范進行計量。

根據(jù)上述技術規(guī)范要求，一般的檢定裝置由標準氣體鋼瓶、減壓閥、流量控制器、管路和標定罩組成［2］。其原理為將鋼瓶中的標準氣體通過管路送入到流量控制器中（轉(zhuǎn)子流量計），標準氣體在轉(zhuǎn)子流量計的調(diào)控下繼續(xù)被送入復合式氣體報警器進氣口。通過比較顯示氣體濃度和標準氣體濃度計算誤差。此方法自動化程度低，工作效率低。針對上述問題，山東計量科學研究院自主設計了一套具有視覺識別功能的有毒有害報警器檢定裝置，該裝置具有圖像識別功能且其重復性不大于±1%［3］，其不足是無法滿足可燃氣體檢定規(guī)程中裝置重復性不大于0.5%的要求。深圳市計量質(zhì)量檢測研究院研制了開放對射式可燃氣體檢測報警器校準裝置［4］，該裝置采用標注氣體濃度和標準長度兩個測量參數(shù)結(jié)合的方法，研制出一套具備特定標準值的標準氣筒，但只能用于檢定射式可燃氣體報警器。另外還有中國測試研究院研制了一套用于檢定固定式可燃易爆有害氣體報警器自動檢定裝置［5］，該裝置包括標準氣體流量控制系統(tǒng)和傳感器電參量檢測系統(tǒng)，其特點為流量控制器分別有多路通道，每路通道與一個固定濃度的標準氣體鋼瓶通過減壓閥和流量控制器連接，通過切換通道將標準氣體通入報警器，但只適合檢定固定式氣體報警器并且自動化程度不高。上述報警器檢定裝置無法同時滿足復合式氣體檢測報警器中常用的可燃氣體、一氧化碳、氧氣和硫化氫氣體的檢定工作。

筆者在目前國內(nèi)報警器檢定裝置研究基礎上結(jié)合實際檢定工作的需要，提出了一種新型復合式氣體報警器檢定方法，根據(jù)此方法設計了一套復合式氣體檢測報警器檢定裝置。設計目標為其測量結(jié)果的擴展不確定度不大于5%（k=2），氣體稀釋裝置的重復性不大于0.5%，轉(zhuǎn)子流量計準確度等級不低于4 級，流量范圍為（0～1 000）mL／min，采用不銹鋼材質(zhì)減壓閥，管路材質(zhì)為不銹鋼。采用PLC 和上位機結(jié)合的自動控制方式，整套裝置配備檢定證書編輯軟件，可完成電子證書的編輯。該裝置提高了復合式氣體檢測報警器檢定的工作效率。

1 檢定裝置的設計

1.1 檢定方法

復合式氣體報警器檢定裝置結(jié)構示意圖見圖1，按功能主要由5 部分組成：標準氣體存儲部分（1，7）、氣體輸送管路（3，8，10）、流量控制部分（2，4，5，6）、氣體稀釋裝置（9）、測量平臺（11），其中測量平臺主要由旋轉(zhuǎn)工作臺和密閉罩構成。如圖1 所示，6 瓶標準氣體分別為1 瓶20.9%的氮氣中氧氣、1瓶200 μmol／mol 的氮氣中硫化氫氣體、1 瓶2 000 μmol／mol 的氮氣中一氧化碳氣體、1 瓶5%的空氣中甲烷氣體和2 瓶99.999%的高純氮氣，每瓶標準氣體通過不銹鋼管路將氣體送入配氣系統(tǒng)中完成目標準氣體體的配制。為了防止4 種氣體在配氣和檢定過程中產(chǎn)生化學反應從而影響標準氣體濃度值，檢定裝置首先對復合式氣體報警器中氧氣進行檢定，然后依次完成硫化氫、一氧化碳和甲烷的檢定，這樣可以有效防止不同種類氣體之間相互影響。

圖1 檢定裝置結(jié)構示意圖

在裝置運行前，首先將預熱后的復合式氣體報警器安裝在旋轉(zhuǎn)工作臺并固定好，上位機軟件控制打開檢定裝置中氧氣和其中1 瓶高純氮管道對應的電磁閥，然后控制流量調(diào)節(jié)閥將氧氣和氮氣管路中的氣體流量分別調(diào)節(jié)到500 mL／min 和1 000 mL／min，在氣體稀釋裝置控制界面中輸入含氧20.9%的氧氣標準氣體和99.999%的氮氣，在上位機界面輸入需配制的工作氣體濃度值和流量值并啟動氣體稀釋裝置進行稀釋，氣體稀釋裝置根據(jù)配氣方程（1）自動計算并調(diào)節(jié)原氣中各個氣體的流量值，從而配制成所需工作標準氣體濃度值。配制好的工作標準氣體進入復合式氣體報警器檢測口進行測量，待報警器顯示數(shù)值穩(wěn)定后將氧氣濃度3 次讀數(shù)值輸入到檢定軟件數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，然后控制旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)到后面待測報警器進行氧氣濃度的測量，直到完成所有復合式氣體報警器中氧氣濃度的測量后停止旋轉(zhuǎn)工作臺轉(zhuǎn)動，并關閉氧氣鋼瓶對應電磁閥，打開另一瓶99.999%的高純氮氣的電磁閥［6］，等到報警器穩(wěn)定地顯示氧氣濃度為零后關閉其中一瓶高純氮的電磁閥并開啟硫化氫管路電磁閥，報警器顯示氧氣濃度為零，說明匯流管中的氧氣已經(jīng)被排空，不影響硫化氫氣體濃度測量。此時調(diào)節(jié)好硫化氫和另一瓶高純氮氣體流量，后續(xù)的硫化氫、一氧化碳和甲烷氣體的檢定按照上述氧氣檢定過程依次進行，完成4 種氣體的檢定后，關閉所有減壓閥和氣體稀釋裝置，打開排氣閥門和抽氣泵將廢氣排放到安全區(qū)域。

式中：C0——配制的工作標準氣體濃度，μmol／mol；

LA——CH4(H2S，CO，O2) 標 準 氣 體 流 量， mL／min；

LB——高純氮標準氣流量，mL／min；

A——CH4(H2S，CO，O2) 標 準 氣 體 濃 度， μmol／mol。

1.2 機械設計

根據(jù)采用的檢定方法設計了一套復合式氣體檢測報警器檢定裝置，見圖2。如圖2 所示，復合式氣體檢測報警器檢定裝置分為7 大部分：檢定裝置工作柜、氣瓶存儲柜、氣體輸送氣路、流量控制器、氣體稀釋裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺、上位機。其中檢定工作區(qū)位于裝置上側(cè)，氣瓶存儲柜位于左下側(cè)區(qū)域，氣瓶存儲柜的右側(cè)空出來的區(qū)域用于排放廢氣。檢定裝置工作柜設計思路按照其功能進行，主要為氣路管道、氣體稀釋裝置、旋轉(zhuǎn)工作臺、上位機等控制裝置提供支架。工作柜設計了廢氣排風口，其作用為在裝置工作時將排放出來的有毒有害氣體安全從實驗室中通過氣泵排出［7］。設計的氣瓶存儲柜可同時容納6瓶標準氣瓶存放，為鋼瓶提供安全可靠地存儲空間，氣瓶存儲柜能夠有效防止鋼瓶傾斜倒地，并且設計尺寸時充分考慮到搬運的便利性。標準氣體有毒易燃易爆等特點，將其被安放在通風靠窗側(cè)并與其它區(qū)域隔離。

圖2 復合式氣體檢測報警器檢定裝置機械圖

圖3 所示為檢定裝置配氣系統(tǒng)氣路，配氣系統(tǒng)氣路采用不銹鋼材質(zhì)來減少在管路運輸過程中因吸附作用造成的氣體濃度誤差。其中轉(zhuǎn)子流量計設計在靠近氣體稀釋裝置的地方，并且選擇流量均勻穩(wěn)定的直管路段進行安裝。轉(zhuǎn)子流量計的準確度等級為四級且測量范圍為0～1 000 mL／min，轉(zhuǎn)子流量計一般設定在500～800 mL／min 左右。氣體稀釋裝置的重復性不大于0.5%，配好的工作標準氣體通過3 通管被分為兩路氣體，分別進入旋轉(zhuǎn)工作臺上下兩層位置中對應的被測儀器進氣口中。在配氣系統(tǒng)中可自動輸入原氣濃度和配制目標準氣體體濃度［8］。在設計方面，旋轉(zhuǎn)工作臺密封罩采用吸附作用較小的聚四氟乙烯材質(zhì)，旋轉(zhuǎn)工作臺分為上下兩層，被測報警器依次放在圓盤上固定，并且通過一定角度的旋轉(zhuǎn)來測量放置在工作臺上面不同位置的被測儀器。

圖3 檢定裝置配氣系統(tǒng)氣路

圖3 中旋轉(zhuǎn)工作臺分為兩層，整個檢定過程中旋轉(zhuǎn)工作臺均在密閉的空間中進行，每層最多放置10 臺復合式氣體報警器。每層復合式氣體報警器依次安裝在以旋轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)軸為圓心，工作臺直徑的四分之一距離為半徑的圓周上面，旋轉(zhuǎn)工作臺可以同時完成兩臺被測儀器的檢定。完成檢定后，打開旋轉(zhuǎn)工作臺下部的排氣閥，并打開抽氣泵將有毒有害的氣體排放到廢氣排放區(qū)域［9］。

1.3 控制部分設計

控制系統(tǒng)流程圖見圖4。上位機與PLC 控制系統(tǒng)采用RS485 通訊協(xié)議進行通訊和數(shù)據(jù)傳輸，RS485 通訊方式可以穩(wěn)定地將控制信號發(fā)送到PLC控制系統(tǒng)。PLC 控制系統(tǒng)采用三菱FX–3U 系列編程器，其與被控制部件采用RS232 通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。首先在上位機Labview 控制界面中通過RS485 總線將控制信號發(fā)送至PLC 中，PLC 通過編輯的程序?qū)π盘栠M行判斷和處理，然后將結(jié)果發(fā)送并控制不同部件的動作。在檢定過程中，控制打開不同管路的氣瓶電磁閥，流量調(diào)節(jié)閥門可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子流量計的流量值，上位機界面可以控制氣體稀釋裝置的開關以及相關參數(shù)的輸入和設置，旋轉(zhuǎn)工作臺主要通過底部電機驅(qū)動其旋轉(zhuǎn)到下一工位。檢定完成后上位機界面可以通過開啟排氣閥門和抽氣泵將檢定過程中產(chǎn)生的廢氣排放到安全區(qū)域進行處理。

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

1.4 上位機軟件設計

上位機檢定管理系統(tǒng)示意圖見圖5。上位機檢定管理系統(tǒng)軟件程序采用Labview 虛擬儀器軟件編寫。根據(jù)各部分功能的不同，上位機程序主要分為在線監(jiān)控界面、檢定控制界面、數(shù)據(jù)管理界面三大部分。其中在線監(jiān)控界面主要通過安裝在檢定裝置上的攝像機對旋轉(zhuǎn)工作臺進行實時監(jiān)控，在操作過程中能夠及時發(fā)現(xiàn)異常情況并采取相關保護措施。檢定界面主要完成對旋轉(zhuǎn)運動平臺、氣體稀釋裝置、電磁閥、流量調(diào)節(jié)閥、排氣閥和抽氣泵進行控制操作，另外還有對實時流量值和氣體濃度值的顯示。數(shù)據(jù)庫管理界面可以完成歷史數(shù)據(jù)查詢、基本參數(shù)設定、生成檢定證書等功能。Labview 采用圖形化編程語言的優(yōu)點在于其程序代碼以流程圖或框圖的形式進行展現(xiàn)，克服了Visual Basic 等編程軟件的不足之處。整個上位機檢定管理系統(tǒng)可以利用Internet 網(wǎng)絡終端實現(xiàn)對動作的遠程在線控制和數(shù)據(jù)的遠程傳輸功能。

圖5 上位機檢定管理系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 檢定條件

在實驗室溫度為0～40℃，相對濕度不大于85%條件下進行檢定［10］。

空氣中甲烷氣體標準物質(zhì)：相對擴展不確定度為2%(k=2)［11］，濃度分別為10.0%LEL，41.0%LEL，60.4%LEL。

氮氣中硫化氫氣體標準物質(zhì)：相對擴展不確定 度 為2%(k=3)［12］，濃 度 分 別 為20.0，49.9，79.6 μmol／mol。

氮氣中一氧化碳氣體標準物質(zhì)：擴展不確定度為2.0%(k=2)［13］，其 濃度分別為29.6，50.2，70.3 μmol／mol；

氮氣中氧氣體標準物質(zhì)：相對擴展不確定度為1%(k=3)［14］，濃度為5.0%，10.2%，15.1%；

被測復合式氣體檢測報警器：CH4測量范圍為0～100%LEL，H2S 和CO 測 量 范 圍 為0～100 μmol／mol，O2測量范圍為(0～20.9)%；

稀釋裝置的相對擴展不確定度為±1%(k=2)。

2.2 測量模型

根據(jù)檢定規(guī)程要求，CH4，H2S，O2的示值誤差采用相對誤差表示，按式(2)計算：

式中：ΔC——示值誤差，%；

R——儀器滿量程。

CO 示值誤差按式(3)計算：

式中：Δe——相對誤差，%；

AS——標準氣體濃度，μmol／mol。

2.3 不確定度評定

影響示值測量不確定度的因素：

（1）氣體標準物質(zhì)定值引入的不確定度u1；

（2）標準氣體稀釋裝置引入的不確定度u2；

（3）管路吸附作用和氣體滲透作用引入的不確定度u3；

（4）被測儀器分辨率引入的不確定度u4；

（5）由測量重復性引入的不確定度u5。

2.3.1 氣體標準物質(zhì)定值引入的不確定度

（1）根據(jù)標準物質(zhì)證書，CH4和CO 兩種氣體標準物質(zhì)的定值相對擴展不確定度為2%（k=2）。其引入的相對不確定度分量：

（2）根據(jù)標準物質(zhì)證書，H2S 氣體標準物質(zhì)的定值相對擴展不確定度為3%（k=2）。其引入的相對不確定度分量：

（3）根據(jù)標準物質(zhì)證書，氮中氧氣體標準物質(zhì)相對擴展不確定度為1%（k=2）。其引入的相對不確定度分量：

2.3.2 標準氣體稀釋裝置引入的不確定度

標準氣體稀釋裝置的相對擴展不確定度為±1%（k=2），其引入的相對不確定度分量：

2.3.3 裝置管路吸附標準氣體引入的不確定度

由于H2S 和CO 氣體易溶于有機質(zhì)和金屬易發(fā)生反應［15］，在裝置不銹鋼管道中流通難免會與其反應造成消耗，這種情況下對于微量的標準氣體會產(chǎn)生很大的影響，所以需要考慮其引入的不確定度。采用此檢定裝置進行測量和直接將標準氣體通入被測儀器兩種方案，其它測量條件不變，對H2S 和CO兩種氣體進行試驗，通過試驗可得由其產(chǎn)生的最大誤差為±3 μmol/mol，按照均勻分布考慮，其引入的相對標準不確定度分量：

CH4氣體對于管路的吸附作用小，可不進行考慮。在使用塑膠軟管時，空氣中的氧氣也可以通過滲透壓從空氣中滲透進入管路從而引入不確定度分量。本裝置使用不銹鋼管進行校準，因此由空氣中滲透進入管路的氧氣可不考慮。另外由于管路中有微量殘余的氧氣存留，所以在進行氧氣校準時一定要用高純氮氣將管路中的氧氣排干凈。試驗得由其產(chǎn)生的最大誤差為±0.3%，其引入的相對標準不確定度分量：

2.3.4 被測儀器分辨率引入的不確定度

被測儀器H2S，CO 的分辨率為1 μmol／mol，則區(qū)間半寬為0.5 μmol／mol，其服從均勻分布k 3= ，其引入的相對不確定度分量：

被測儀器CH4的分辨率為1%LEL，則區(qū)間半寬為0.5%LEL，其服從均勻分布，引入的相對不確定度分量：

被測儀器O2的分辨率為0.1%，則區(qū)間半寬為0.05%，其服從均勻分布k= ，其引入的不確定度分量：

2.3.5 由測量重復性引入的不確定度

由于環(huán)境條件、人員操作和被校準儀器等各種隨機因素引入的相對標準不確定度，可采取A 類方法進行評定。

根據(jù)復合式氣體檢測報警器檢定裝置測量的4種氣體：CH4，H2S，CO，O2，對每種氣體的3 個測量點進行A 類評定，其中每個測量點重復測量6 次，按式（4）計算每個校準點的相對標準偏差，取3 個校準點標準偏差最大值作為此種氣體的評定結(jié)果，然后計算測量重復性引入的相對不確定度。

表1 CH4 各校準點測定結(jié)果

根據(jù)檢定規(guī)程要求，在實際檢定中每個校準點重復測量3 次，取算術平均值作為儀器示值，Srmax=1.4%，因此CH4重復測定引入的相對標準不確定度：u5,rel(CH4)=Srmax／=0.9%。

表2 H2S 各校準點測定結(jié)果

根據(jù)檢定規(guī)程要求，在實際檢定中每個校準點重復測量3 次，取算術平均值作為儀器示值，Srmax=1.1%，因此H2S 重復測定引入的相對標準不確定度：u5,rel(H2S)=Srmax／=0.7%。

表3 CO 各校準點測定結(jié)果

根據(jù)檢定規(guī)程要求，在實際檢定中每個校準點重復測量3 次，取算術平均值作為儀器示值，Srmax=0.8%，因此CO 重復測定引入的相對標準不確定度：u5,rel(CO)=Srmax／=0.5%。

表4 O2 各校準點測定結(jié)果 %

根據(jù)檢定規(guī)程要求，在實際檢定中每個校準點重復測量3 次，取算術平均值作為儀器示值，Srmax=2.2%，因此O2重復測定引入的相對標準不確定度：u5,rel(O2)=Srmax／=1.3%。

如上所示，由于4 種氣體重復性引入的不確定度大于儀器分辨力引入的不確定度分量，因此儀器的分辨力引入的不確定度可以忽略不計。

2.3.6 合成相對標準不確定度

由于4 種氣體重復性引入的不確定度大于儀器分辨力引入的不確定度分量，因此儀器的分辨力引入的不確定度可以忽略不計。

由于管路吸附作用和儀器分辨率對甲烷氣體測量引入的不確定度分量可忽略不計［16］，只需合成其它3 個不確定度分量，因此CH4的合成相對標準不確定度：

擴展不確定度：Urel(CH4)=kurel(CH4)=3.0%，k=2。

由于儀器分辨率對硫化氫氣體測量引入的不確定度可忽略不計［17］，因此H2S 的合成相對標準不確定度為：

擴展不確定度：Urel(H2S)=kurel(H2S)=5.0%，k=2。

由于儀器分辨率對一氧化碳氣體氣體測量引入的不確定度可忽略不計，因此CO 的合成相對標準不確定度：

擴展不確定度：Urel(CO)=kurel(CO)=4.2%，k=2。

由于儀器分辨率對氧氣測量引入的不確定度可忽略不計［18］，因此O2的合成相對標準不確定度：

擴展不確定度：Urel(O2)=kurel(O2)=3.4%，k=2。

3 結(jié)語

設計的復合式氣體檢測報警器智能檢定裝置的擴展不確定度小于5.0%（k=2）。其中：用于0～100%LEL CH4檢定的擴展不確定度為3.0%（k=2）；0～100 μmol／mol H2S 檢定的擴展不確定度為5.0%（k=2）；0～100 μmol／mol CO 檢定的擴展不確定度為4.2%（k=2）；0～20.9%O2檢定的擴展不確定度為3.4%（k=2）。設計的檢定裝置機械結(jié)構進行了優(yōu)化設計能夠大大提高檢定工作的效率，另外裝置采用PLC 和上位機的控制方式能夠?qū)崿F(xiàn)檢定過程自動化測量，減少人為因素對檢定結(jié)果的影響。設計的氣路提高了測量穩(wěn)定性并且能夠保證標準氣體的準確性。