，

(國家海洋局南海標(biāo)準(zhǔn)計量中心，廣州 510000)

0 引言

氣體測量儀是一種將氣體的體積分數(shù)轉(zhuǎn)化為電信號并以數(shù)字、圖像、聲音等形式進行輸出的儀表裝置[1]。氣體測量儀的核心部件為氣體傳感器，目前市場上的氣體傳感器可以分為半導(dǎo)體式、電化學(xué)式、催化燃燒式、紅外探測式等多種類型[2]。這些氣體測量裝置在實際使用中多基于分布式的系統(tǒng)架構(gòu)，不同的測量單元通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)進行互聯(lián)，并通過中央控制單元進行遠程管理，共同組成氣體監(jiān)測網(wǎng)。分布式架構(gòu)允許監(jiān)測大范圍的地理區(qū)域，特別是在互聯(lián)網(wǎng)的支撐下其監(jiān)測范圍又進一步進行了拓展，更重要的是這種架構(gòu)方式可以實時測量和存儲不同測量單元提供的數(shù)據(jù)[3]。

氣體測量裝置像其他測量儀器一樣，都面臨著自身傳感器的老化，以及環(huán)境條件改變對測量值的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響，所以這些氣體測量裝置需要頻繁的校準(zhǔn)進行計量確認，這些設(shè)備是安裝在固定地點，安裝和拆卸比較困難費用較高，很難在實驗室的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下對其進行校準(zhǔn)，需要技術(shù)人員到現(xiàn)場實地校準(zhǔn)，這導(dǎo)致該類設(shè)備管理成本高昂，并且分布式架構(gòu)進一步加劇了這種管理難度，更重要的是校準(zhǔn)后儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度很難達到規(guī)程要求[4]。為了簡化校準(zhǔn)程序降低管理成本，本文提出了一種便攜可移動式的校準(zhǔn)裝置，可以為氣體測量儀器執(zhí)行計量確認時提供可靠的標(biāo)準(zhǔn)量值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

校準(zhǔn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括控制單元、氣瓶、校準(zhǔn)容器。

圖1 校準(zhǔn)系統(tǒng)

控制單元是基于EX9529的單板計算機并配有一個數(shù)據(jù)采集卡，單板計算機是一個運行于Linux系統(tǒng)的通用性的小型計算機，配有32 MB的片上存儲器，并嵌入一個100/10 M的LAN接口，該小型計算機可以連接至網(wǎng)絡(luò)，允許對其進行遠程編程，數(shù)據(jù)采集卡主要執(zhí)行氣體濃度、溫度、濕度數(shù)據(jù)采集和氣流控制功能，采集到的數(shù)據(jù)通過RS-232接口與單板計算機進行數(shù)據(jù)交互。

氣瓶通過電磁閥連接到校準(zhǔn)容器，電磁閥由控制單元所控制。氣瓶內(nèi)存放已知濃度的混合氣體，氣瓶內(nèi)的氣體可以通過管道輸送到校準(zhǔn)容器。校準(zhǔn)容器內(nèi)的氣體濃度可以通過標(biāo)準(zhǔn)傳感器進行測量，在實際使用中可以使用不同的氣瓶來進行擴展，從而允許對不同傳感器或單個傳感器的交叉靈敏度進行驗證。

校準(zhǔn)容器是一個密封的空間，它是由圓柱形的中心體和可拆卸的圓形密封頭組成，其中一個密封頭在這里稱為標(biāo)準(zhǔn)端，另一個稱為測量端。標(biāo)準(zhǔn)端上安裝有氣體、溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)傳感器，這些傳感器提供了校準(zhǔn)過程中需要的氣體、溫度、濕度標(biāo)準(zhǔn)值。測試端是待校準(zhǔn)裝置的一部分，它提供了待校準(zhǔn)裝置需要的溫度、濕度、氣體的快速接口，從這些接口待校準(zhǔn)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以獲得需要的數(shù)據(jù)。

校準(zhǔn)容器的標(biāo)準(zhǔn)端安裝有兩個氣體傳感器，是由日本費加羅生產(chǎn)的TGS6810和TGS5042，可以進行甲烷和一氧化碳的測量，測量的原理是基于氣體濃度的變化導(dǎo)致其氣敏電阻阻值的變化，阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號[5]。由于氣體傳感器內(nèi)的氣敏電阻的阻值不但受到氣體濃度的影響還受到溫度和濕度的影響，溫度影響其化學(xué)反應(yīng)，濕度影響吸附在電阻上的水分，導(dǎo)致電阻值變化，因此在校準(zhǔn)時需要測量氣體傳感器附近的溫度和濕度，以對其進行溫度和濕度的補償修正。傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方式是使用已經(jīng)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體對傳感器進行直接的計量確認，未考慮溫度和濕度的影響，導(dǎo)致計量確認后的測量準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性偏低，所以在標(biāo)準(zhǔn)端需要安裝溫度和濕度傳感器[6]，在此溫度選用LM35型溫度傳感器，濕度選用HM1500型濕度傳感器。

標(biāo)準(zhǔn)端配備有兩個快速密封轉(zhuǎn)接頭，其中一個用來連接氣瓶氣路管道，另一個連接數(shù)字壓差計，數(shù)字壓差計只有在進行校準(zhǔn)時才使用，后續(xù)將會介紹。校準(zhǔn)容器樣機如圖2。

圖2 校準(zhǔn)容器

該系統(tǒng)的核心部分為校準(zhǔn)容器，標(biāo)準(zhǔn)氣體是通過該容器按照克拉珀龍方程原理產(chǎn)生。根據(jù)克拉珀龍方程，在已知濃度的氣體通入校準(zhǔn)容器后會導(dǎo)致其內(nèi)部壓力變化和溫度升高，在計算產(chǎn)生的新的氣體的濃度時可以根據(jù)壓差和溫差以及已知的源氣體的濃度計算出新的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度，作為待校準(zhǔn)傳感器的標(biāo)準(zhǔn)氣體。

2 校準(zhǔn)流程

本文提出的校準(zhǔn)裝置不僅適用于校準(zhǔn)單一氣體測量裝置也適用于校準(zhǔn)大型分布式氣體測量系統(tǒng)。

當(dāng)單一的氣體測量裝置需要校準(zhǔn)時，校準(zhǔn)裝置被派發(fā)到測量現(xiàn)場，通過遠程控制獲取測量裝置的測量值并與參考標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果來確定是否在測量裝置上執(zhí)行計量確認程序。值得注意的是，該校準(zhǔn)裝置的使用不需要專業(yè)技術(shù)人員在場，技術(shù)人員可以通過遠程控制即可完成。降低了設(shè)備校準(zhǔn)的人力成本。

大型分布式測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)分為兩種情況，第一種是當(dāng)系統(tǒng)中的每個測量單元都承擔(dān)相同的測量任務(wù)，并執(zhí)行相同的測量程序時，對這樣的分布式測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)流程與校準(zhǔn)單一的氣體測量裝置類似，中央服務(wù)器僅需要配置每個測量單元的IP即可；第二種是分布式系統(tǒng)中的測量單元承擔(dān)的測量任務(wù)不同，并且測量程序差異很大，對這樣的分布式測量系統(tǒng)的校準(zhǔn)，需要根據(jù)每個測量裝置的實際情況來執(zhí)行不同的校準(zhǔn)程序，校準(zhǔn)裝置(TS1,…TSN)需要根據(jù)被校準(zhǔn)的單元進行單獨的遠程編程，以適應(yīng)待校準(zhǔn)裝置的特點，把經(jīng)過編程的校準(zhǔn)裝置派發(fā)到測量現(xiàn)場，通過遠程中央控制服務(wù)器進行控制執(zhí)行計量校準(zhǔn)，分布式系統(tǒng)校準(zhǔn)如圖3所示。

圖3 分布式系統(tǒng)校準(zhǔn)

校準(zhǔn)裝置內(nèi)的溫度傳感器和濕度傳感器需要被定期進行計量校準(zhǔn)，以確保其測量值的可信度。校準(zhǔn)系統(tǒng)的量值溯源鏈如圖4所示。

圖4 校準(zhǔn)系統(tǒng)量值溯源圖

對氣體測量裝置進行校準(zhǔn)前，應(yīng)將標(biāo)準(zhǔn)端置于溫濕度檢定箱對溫度和濕度傳感器進行計量確認。溫度和濕度傳感器的輸出值分別為vT和vh,通過標(biāo)準(zhǔn)溫度和濕度傳感器和工作溫濕度傳感器的輸出擬合成輸出函數(shù)f和g，在實際使用中通過函數(shù)f和g的逆函數(shù)來計算測量值的標(biāo)準(zhǔn)值[7]，接著通過快速轉(zhuǎn)接頭將標(biāo)準(zhǔn)氣瓶和數(shù)字壓差計接入校準(zhǔn)容器，由于校準(zhǔn)容器體積恒定，根據(jù)克拉珀龍方程校準(zhǔn)容器內(nèi)的氣體濃度cg可以用下式表示：

(1)

其中:cv是氣瓶內(nèi)的氣體濃度，P0和T0是校準(zhǔn)容器內(nèi)的初始壓力和溫度，Pg和Tg是充入一定量的氣體后校準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力和溫度。

一般在氣體充入校準(zhǔn)容器內(nèi)后溫度的變化可以忽略即Tg≈T0，式(1)可以簡化為:

(2)

對式(2)進行變形:

(3)

其中:ΔP為校準(zhǔn)容器內(nèi)氣體壓力變化，通過數(shù)字壓差計獲得。

根據(jù)式(3)，一般初始壓力P0的不確定度可以忽略不計，則生成的氣體濃度的不確定度由cv和ΔP的不確定度構(gòu)成。由于氣瓶內(nèi)的氣體濃度和校準(zhǔn)裝置內(nèi)的氣體壓力差沒有相關(guān)性[8]，即ρ(cv，ΔP)=0，根據(jù)不確定度傳播律可以推導(dǎo)出cg的不確定度u(cg)[9]。

(4)

3 實驗驗證

3.1 氣密性測試

校準(zhǔn)容器的氣密性直接影響生成氣體濃度值的穩(wěn)定性，所以校準(zhǔn)容器使用前需進行氣密性測試[10]。對樣機進行270秒的測試實驗，用數(shù)字壓差計記錄校準(zhǔn)容器內(nèi)部的壓力變化，數(shù)字壓差計每1秒鐘記錄一個壓差數(shù)值，記錄結(jié)果如圖5。

圖5 氣密性測試

在測試過程中，首先對壓差計的零點進行40秒的穩(wěn)定性測試，并對其進行零點計量確認，通入氣體后經(jīng)過近10秒的動態(tài)響應(yīng)時間校準(zhǔn)容器內(nèi)的壓力進入穩(wěn)態(tài)，持續(xù)約130秒后壓力值進入衰減狀態(tài)，經(jīng)過約90秒的衰減，壓差衰減到穩(wěn)態(tài)的60%,校準(zhǔn)容器氣密性能見表1。

表1 校準(zhǔn)容器性能參數(shù)

用700%LEL的CH4作為源氣體(實際濃度為35%，CH4的爆炸下限為5%LEL)[11]，來驗證校準(zhǔn)容器的性能，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下向校準(zhǔn)容器內(nèi)通入源氣體，通過壓差計記錄校準(zhǔn)容器內(nèi)部的壓力變化，以式(3)計算的氣體濃度作為驗證標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部的高精度甲烷氣體傳感器測量值與驗證標(biāo)準(zhǔn)進行比較來驗證校準(zhǔn)容器的性能。在測試7個濃度點時，每個點的壓差保持2分鐘，每20秒記錄一個數(shù)據(jù)，6個數(shù)據(jù)的均值作為統(tǒng)計值，統(tǒng)計結(jié)果如圖6。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)氣體性能

壓差/Kpa標(biāo)準(zhǔn)濃度均值/%LEL測量濃度均值/%LEL濃度誤差/%LEL相對不確定度/%213.613.5-0.10.33426.626.3-0.30.21639.138.7-0.40.19851.250.0-1.20.201062.961.2-1.70.211274.273.5-1.70.231485.083.9-1.10.25

表中標(biāo)準(zhǔn)濃度是根據(jù)壓差ΔP和源氣體濃度cv利用簡化后的克拉珀龍方程計算所得，測量濃度是通過經(jīng)過計量確認后的高精度甲烷傳感器實際測量所得，通過比較二者的結(jié)果來評定簡化后的克拉珀龍方程的正確性和校準(zhǔn)容器的性能。國家計量檢定規(guī)程要求甲烷氣體傳感器示值誤差為±5%FS，即±5%LEL[12]，本文校準(zhǔn)裝置驗證最大濃度誤差為-1.7%LEL，為規(guī)程要求的1/3，且生成的標(biāo)準(zhǔn)氣體的最大相對不確定度為0.33，滿足作為標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)準(zhǔn)條件，因此校準(zhǔn)容器基本符合作為標(biāo)準(zhǔn)裝置對氣體傳感器進行校準(zhǔn)的要求。

3.2 溫濕影響測試

在測試溫度和濕度對傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的影響時，將校準(zhǔn)容器置于溫濕檢定箱中，通過調(diào)節(jié)溫濕檢定箱的溫度和濕度，來模擬傳感器實際的工作環(huán)境。

在溫度影響因素的實驗中選取10℃、20℃、30℃、40℃共4個溫度點在恒定的45%RH下進行實驗，為避免同一個溫度點初始溫度和測試時的溫度的變化對壓差的影響，在對每個溫度點進行測試時，預(yù)先將校準(zhǔn)容器置于溫濕度檢定箱中在相應(yīng)溫度點恒溫1小時[13]，不同溫度點的測試結(jié)果如圖所示。驗證濕度對傳感器的影響時，在恒定的23℃條件下改變濕度檢定箱的濕度值選取40%RH、60%RH、80%RH為測試點，來模擬環(huán)境濕度，測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 溫度影響量測試

圖8 濕度影響量測試

根據(jù)溫度測試結(jié)果，當(dāng)傳感器所處的環(huán)境溫度改變時，傳感器的零點也會發(fā)生漂移，當(dāng)溫度由10℃增加到40℃時零點漂移了近2%LEL，隨著甲烷濃度的增加相同標(biāo)準(zhǔn)濃度在10℃和40℃條件下傳感器測量值相差最大近17%LEL,這遠遠超出了±5%LEL的規(guī)程要求，所以在進行傳感器實際計量確認時需要對傳感器進行溫度的補償。

可是，為什么她還是覺得有一些傷感呢？因為這些養(yǎng)了十幾天的驢子嗎？也許是的，從此它們將天各一方，跳梁奔忙，再也不會聚到一個草垛邊吃草了。是流著淚的婉兒姑娘？她在她的夢里，一定已經(jīng)到過萬花谷無數(shù)次了，卻不知不覺與之擦肩而過。那幾個工匠也是，他們手藝那么好，其實可以去修凌云梯、云錦臺，一行和尚與司徒一一需要這樣的熟手。這兩個秀才像由泡菜壇子里拎出來的，他們真應(yīng)該讓孫老神仙好好調(diào)教一番，沒事讓他們湊在一起說相聲也很好啊，谷里什么都好，就是被琴棋書畫這些勾當(dāng)弄得一個個文縐縐的。

由濕度測試結(jié)果可知，甲烷傳感器所處的環(huán)境濕度變化時，傳感器的零點發(fā)生了漂移。根據(jù)實驗，當(dāng)濕度由40%RH上升到80%RH后，甲烷傳感器的零點漂移了3.2%LEL，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度逐漸增加，不同濕度環(huán)境下，傳感器的反應(yīng)也不相同，根據(jù)實驗結(jié)果，隨著濕度增加，傳感器的測量靈敏度會逐漸下降，同一點的測量誤差會增大，40%RH和80%RH的濕度下，測量值相差近15%LEL，超過了檢定規(guī)程±5%LEL 的指標(biāo)要求。

由溫度和濕度實驗可知，在對傳感器進行計量確認時有必要對傳感器進行溫度和濕度修正以獲得更加準(zhǔn)確的測量值。

3.3 校準(zhǔn)結(jié)果與分析

用校準(zhǔn)裝置對工作用的甲烷傳感器進行校準(zhǔn)，之后在中央控制服務(wù)器上對采集到的氣體濃度值進行溫度和濕度影響量的修正，用修正后的標(biāo)準(zhǔn)量值對傳感器進行計量確認，并與非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下計量確認后的傳感器性能進行比較。為避免非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下影響因素對傳感器零點的影響，在每次通入測試氣體前傳感器在高純氮中清洗1分鐘并對其零點進行計量確認。

圖9 校準(zhǔn)結(jié)果對比

其中，校準(zhǔn)結(jié)果1是在實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件下，即溫度23 ℃，濕度45%RH環(huán)境中對甲烷傳感器進行計量確認后對其測量性能的測試，在這里把他作為評定其他兩種計量確認的參考標(biāo)準(zhǔn)；校準(zhǔn)結(jié)果2是通過本文的校準(zhǔn)裝置在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下對甲烷傳感器進行計量確認后進行的性能測試，測試時環(huán)境溫度為32 ℃，濕度為65%RH，測試后的性能參數(shù)和校準(zhǔn)結(jié)果1的性能參數(shù)基本一致；校準(zhǔn)結(jié)果3是在非標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度為32 ℃，濕度為65%RH下直接通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進行計量確認后的性能測試。3種校準(zhǔn)結(jié)果見表3。

表3 校準(zhǔn)結(jié)果對比

通過3種校準(zhǔn)方式進行計量確認后的測試結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計的校準(zhǔn)裝置對傳感器校準(zhǔn)后，其測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中計量確認后的測試結(jié)果基本一致，誤差為0.3%LEL，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.6%LEL，與非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方式相比，傳感器的測量結(jié)果的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性有了一定的提高。

4 結(jié)論

本文根據(jù)克拉珀龍方程原理設(shè)計了氣體傳感器校準(zhǔn)裝置，并且該裝置設(shè)計時加入了網(wǎng)絡(luò)模塊，技術(shù)人員可以通過遠程編程進行計量確認，通過實驗驗證了該裝置的計量性能，確認可以作為校準(zhǔn)氣體傳感器的標(biāo)準(zhǔn)裝置，該裝置不但可以校準(zhǔn)單一的氣體傳感器，還為校準(zhǔn)大型分布式氣體監(jiān)測網(wǎng)提供了一種備選方案。經(jīng)實際測試經(jīng)過該校準(zhǔn)裝置進行計量確認后的氣體傳感器的穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度和傳統(tǒng)的計量確認后的測量性能相比有了較大的提高。

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