茹強(qiáng)，丁可，趙哲

（銅川市計(jì)量測(cè)試所，陜西銅川 727031）

甲烷氣體在自然界廣泛存在，是天然氣、沼氣、坑氣等的主要成分。甲烷氣體是一種無色無味的可燃?xì)怏w，是優(yōu)質(zhì)氣體燃料，也是制造合成氣和許多化工產(chǎn)品的重要原料，廣泛應(yīng)用于民用和工業(yè)中?？諝庵械募淄闅怏w含量在5%～15%就十分易燃、易爆，甲烷濃度過高時(shí)，空氣中氧含量降低，易使人窒息，當(dāng)空氣中甲烷氣體含量達(dá)25%～30%時(shí)，可引起頭痛、頭暈、乏力、注意力不集中、呼吸和心跳加速，若不及時(shí)救助，可致人窒息死亡。甲烷氣體泄露對(duì)人體危害嚴(yán)重，大量泄漏更有可能引發(fā)重大事故[1-3]。準(zhǔn)確地對(duì)作業(yè)場(chǎng)所環(huán)境甲烷氣體含量進(jìn)行檢測(cè)和預(yù)警對(duì)保護(hù)從業(yè)人員的人身和財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。

甲烷氣體的檢測(cè)儀器主要有以下幾種：(1)基于化學(xué)原理的催化燃燒式甲烷測(cè)定器，其測(cè)量范圍通常只有摩爾分?jǐn)?shù)0～4%，使用壽命短，易發(fā)生零點(diǎn)和量程漂移，標(biāo)校周期短，易受其它烷類氣體影響，催化元件易中毒；(2)基于光學(xué)原理的光干涉式甲烷測(cè)定器，其測(cè)量范圍可達(dá)摩爾分?jǐn)?shù)0～100%，使用壽命長(zhǎng)，但易受粉塵、CO2和人為讀數(shù)的影響；(3)基于紅外光吸收原理的紅外甲烷測(cè)定器，其測(cè)量范圍可達(dá)摩爾分?jǐn)?shù)0～100%，穩(wěn)定性好，但是紅外光的波長(zhǎng)單一性不好，易受其它烷類和水蒸氣的影響[4-6]；(4)基于激光吸收原理的激光甲烷測(cè)定器，其測(cè)量范圍可達(dá)摩爾分?jǐn)?shù)0～100%，穩(wěn)定性良好，響應(yīng)時(shí)間快，不受其它氣體和水蒸氣的影響，使用壽命長(zhǎng)。

由于其顯著的優(yōu)點(diǎn)，激光甲烷氣體測(cè)定器在石油、石化、煤炭、環(huán)保等行業(yè)得到了越來越多的使用。為確保激光甲烷氣體測(cè)定器測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)和性能評(píng)價(jià)。目前激光甲烷氣體測(cè)定器尚沒有國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，邯鄲市地方標(biāo)準(zhǔn)DB 1304—2020《煤礦用激光甲烷傳感器檢測(cè)方法》僅適用于煤礦井下使用的固定式激光甲烷測(cè)定器的檢測(cè)，對(duì)于便攜式激光甲烷測(cè)定器不能進(jìn)行有效的量值溯源。為了建立一個(gè)全面、通用的校準(zhǔn)方法，筆者通過對(duì)生產(chǎn)廠家和有關(guān)企業(yè)的調(diào)研，參照現(xiàn)行有效的相關(guān)化工、煤礦安全儀器技術(shù)規(guī)范，選擇能反映激光甲烷氣體測(cè)定器性能的示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)傳輸誤差等計(jì)量特性作為校準(zhǔn)項(xiàng)目，為激光甲烷氣體測(cè)定器的量值溯源提供了技術(shù)支持[7-10]。

1 工作原理

激光甲烷氣體測(cè)定器是利用甲烷氣體對(duì)特定波長(zhǎng)的激光光譜具有吸收作用的原理來測(cè)量甲烷氣體濃度的。儀器主要由檢測(cè)單元、信號(hào)處理單元、報(bào)警單元和顯示單元等部分組成。當(dāng)儀器顯示值大于報(bào)警設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。儀器按照使用方式可分為便攜式和固定式，固定式儀器也叫傳感器。便攜式儀器的測(cè)量范圍(摩爾分?jǐn)?shù))為0～10%，固定式儀器的測(cè)量范圍(摩爾分?jǐn)?shù))為0～100%。固定式儀器的輸出信號(hào)制式選用：數(shù)字信號(hào)、200～1 000 Hz頻率信號(hào)、4～20 mA電流信號(hào)。

2 校準(zhǔn)項(xiàng)目

激光甲烷氣體測(cè)定器的校準(zhǔn)項(xiàng)目包括：示值誤差、重復(fù)性、響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)傳輸誤差、報(bào)警聲級(jí)強(qiáng)度、絕緣電阻。便攜式儀器不做信號(hào)傳輸誤差和絕緣電阻校準(zhǔn)，輸出信號(hào)為數(shù)字信號(hào)的固定式儀器不做信號(hào)傳輸誤差校準(zhǔn)[11-13。

3 校準(zhǔn)條件

環(huán)境溫度：15～35 ℃；環(huán)境相對(duì)濕度：不小于85%；大氣壓力：86～106 kPa；應(yīng)無影響儀器正常工作的氣體和電磁場(chǎng)干擾；校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)保持通風(fēng)。

4 校準(zhǔn)設(shè)備

流量計(jì)：流量范圍為60～600 mL/min，準(zhǔn)確度級(jí)別不低于4.0級(jí)。

頻率計(jì)：頻率測(cè)量范圍不小于3 000 Hz，準(zhǔn)確度級(jí)別不低于2.5級(jí)。

直流電流表：電流范圍不小于500 mA，準(zhǔn)確度級(jí)別不低于0.5級(jí)。

仿真電路：2 km 模擬電纜，電阻不大于12.8 Ω/km，分布電容不大于0.06 μF/km，分布電感不大于0.8 mH/km。

聲級(jí)計(jì)：測(cè)量范圍為30～130 dB(A計(jì)權(quán))，分辨力不低于0.1 dB。

電子秒表：分辨力不低于0.01 s。

絕緣電阻表：輸出電壓為500 V，準(zhǔn)確度級(jí)別不低于10.0級(jí)。

直流穩(wěn)壓電源：最高輸出電壓不低于30 V，最大輸出電流不低于3 A。

零點(diǎn)氣體：氮?dú)?，純度不小?9.99%。

氮?dú)庵屑淄闅怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5%、2.0%、3.5%、9.0%、20%、35%、85%的甲烷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，編號(hào)GBW(E)061361，相對(duì)擴(kuò)展不確定度不大于2%(k=2)，重慶瑞信氣體有限公司。

5 校準(zhǔn)方法

5.1 儀器標(biāo)校

便攜式儀器采用本機(jī)電源供電，固定式儀器采用直流穩(wěn)壓電源供電。接通電源，按照儀器使用說明書要求進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱時(shí)間不少于15 min 后，按說明書規(guī)定控制氣體流量，一般控制在(200±10)mL/min 范圍，按圖1 所示連接氣路，通入高純度氮?dú)庹{(diào)整零點(diǎn)，穩(wěn)定后，便攜式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為2.0%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，固定式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為85%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行示值調(diào)整。分別調(diào)整3 次，在此后的校準(zhǔn)過程中不得再次調(diào)整。

圖1 儀器標(biāo)校連接示意圖

5.2 示值誤差

儀器穩(wěn)定后，按儀器說明書規(guī)定流量，便攜式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5%、3.5%、9.0%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各3 min；固定式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為0.5%、3.5%、9.0%、35%、85%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各3 min，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄儀器示值。每點(diǎn)測(cè)量3 次，取其算術(shù)平均值為儀器的示值，按式(1)、式(2)計(jì)算儀器的示值誤差。

式中：Δx——示值(摩爾分?jǐn)?shù))的絕對(duì)誤差，%；

δ——示值的相對(duì)誤差，%；-

x——3次示值(摩爾分?jǐn)?shù))的算術(shù)平均值，%；

x0——通入的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)，%。

5.3 重復(fù)性

儀器穩(wěn)定后，按儀器說明書規(guī)定流量，便攜式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為3.5%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；固定式儀器通入摩爾分?jǐn)?shù)約為35%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄儀器顯示值，撤去甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。在相同條件下，重復(fù)上述測(cè)量6 次。重復(fù)性以單次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差Sr來表示，并按式(3)進(jìn)行計(jì)算。

式中：Sr——單次測(cè)量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，%；

5.4 響應(yīng)時(shí)間

便攜式儀器零點(diǎn)穩(wěn)定后，按儀器說明書規(guī)定流量，通入摩爾分?jǐn)?shù)約為2.0%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，讀數(shù)穩(wěn)定后，撤去甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通入零點(diǎn)氣體至示值穩(wěn)定，再通入摩爾分?jǐn)?shù)約為2.0%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，同時(shí)用秒表記錄從通入甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)瞬時(shí)起到儀器顯示以上穩(wěn)定示值90%的時(shí)間。重復(fù)測(cè)量3次，取3次測(cè)量值的平均值作為儀器的響應(yīng)時(shí)間；固定式儀器零點(diǎn)穩(wěn)定后，按儀器說明書規(guī)定流量，通入摩爾分?jǐn)?shù)約為20%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照便攜式儀器響應(yīng)時(shí)間的校準(zhǔn)方法進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間的校準(zhǔn)。

5.5 信號(hào)傳輸誤差

用直流穩(wěn)壓電源按儀器說明書規(guī)定的電壓為固定式儀器供電，在儀器信號(hào)輸出端接入仿真電路，在仿真電路末端接上頻率計(jì)或直流電流表，按照儀器說明書規(guī)定流量，分別通入摩爾分?jǐn)?shù)約為3.5%、9.0%、35%、85%的甲烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄儀器示值。同時(shí)測(cè)量并讀取對(duì)應(yīng)濃度輸出的電信號(hào)值，每點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，計(jì)算出各點(diǎn)示值的算術(shù)平均值和輸出信號(hào)的算術(shù)平均值，按式(4)將輸出信號(hào)的算術(shù)平均值換算成甲烷濃度值。

式中：-G——各點(diǎn)的輸出信號(hào)的算術(shù)平均值-P換算的甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)，%；

Gm——輸出電信號(hào)上限對(duì)應(yīng)的甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)，%；

G0——輸出電信號(hào)下限對(duì)應(yīng)的甲烷的摩爾分?jǐn)?shù)，%；

-P——各點(diǎn)的輸出信號(hào)的算術(shù)平均值，Hz 或mA；

Pm——輸出電信號(hào)上限標(biāo)稱值，Hz或mA；

P0——輸出電信號(hào)下限標(biāo)稱值，Hz或mA。

再按式(5)計(jì)算儀器的信號(hào)傳輸誤差，取最大的為其信號(hào)傳輸誤差。

式中：Δx——各點(diǎn)的信號(hào)傳輸誤差，%；

5.6 報(bào)警聲級(jí)強(qiáng)度

報(bào)警聲級(jí)強(qiáng)度用聲級(jí)計(jì)(A 計(jì)權(quán))測(cè)量，環(huán)境噪音應(yīng)不大于50 dB(A 計(jì)權(quán))。將聲級(jí)計(jì)置于儀器的報(bào)警聲響器軸心正前方1 m處，重復(fù)測(cè)量3次，取其算術(shù)平均值為其報(bào)警聲級(jí)強(qiáng)度。

5.7 絕緣電阻

對(duì)固定式儀器，用絕緣電阻表分別測(cè)量電源正、負(fù)極和信號(hào)輸出端與其外殼裸露金屬件之間的電阻，取其最小值作為該儀器的絕緣電阻值。

6 校準(zhǔn)方法驗(yàn)證

6.1 便攜式激光甲烷氣體測(cè)定器

為了驗(yàn)證校準(zhǔn)方法的合理性、可行性，采用本校準(zhǔn)方法[14-16]，在校準(zhǔn)條件下，對(duì)深圳逸云天電子有限公司的三臺(tái)型號(hào)為MS600型、測(cè)量范圍為摩爾分?jǐn)?shù)0～10%的便攜式儀器分別進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果見表1。由表1可知，儀器的校準(zhǔn)結(jié)果均符合各項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目的要求。

表1 便攜式激光甲烷氣體測(cè)定器校準(zhǔn)結(jié)果

6.2 固定式激光甲烷氣體測(cè)定器

采用本校準(zhǔn)方法，在校準(zhǔn)條件下，對(duì)武漢新烽光電股份有限公司的三臺(tái)型號(hào)為QGX型、測(cè)量范圍為摩爾分?jǐn)?shù)0～100%、信號(hào)輸出為4～20 mA電流信號(hào)的固定式儀器分別進(jìn)行校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)結(jié)果見表2。由表2 可知，儀器的校準(zhǔn)結(jié)果均符合各項(xiàng)校準(zhǔn)項(xiàng)目的要求。

表2 固定式激光甲烷氣體測(cè)定器校準(zhǔn)結(jié)果

7 結(jié)語

驗(yàn)證試驗(yàn)表明該校準(zhǔn)方法是合理的、準(zhǔn)確的和可行的，能客觀地評(píng)價(jià)該類儀器的計(jì)量性能，保證了激光甲烷氣體測(cè)定器量值的準(zhǔn)確可靠。但隨著激光甲烷氣體測(cè)定器性能和參數(shù)的不斷變化，上述校準(zhǔn)方法還需要進(jìn)一步完善。