氨氣報警器校準方法的研究

姜素霞 肖安山 高少華 夏 春

(中國石油化工股份有限公司青島安全工程研究院，青島 266071) (青島市計量測試所，青島 266101)

氨氣報警器是新一代高科技電子產(chǎn)品，它采用高精度傳感器作為檢測元件，當報警器探測到環(huán)境中氣體的濃度達到或超過預置報警值時，報警器通過屏蔽電纜線將信號傳到控制器，控制器立即發(fā)出聲光報警，同時可啟動排風裝置或關(guān)閉電磁閥切斷氣源，以達到安全之目的。

目前國內(nèi)可燃性氣體檢測報警儀、硫化氫檢測儀的計量檢定工作均依據(jù)國家現(xiàn)行的計量檢定規(guī)程進行，但由于標準氣體、量值溯源等方面的技術(shù)問題，國內(nèi)尚無氨氣報警器檢驗標準、規(guī)范、規(guī)程等，導致此類氣體檢測報警器的檢定和校準工作因缺乏標準依據(jù)而難以正常開展。中石化青島安全工程學院2008年從國家安全監(jiān)督管理總局立項，從事氨氣報警器技術(shù)條件和檢驗方法的研究，現(xiàn)已取得預期的成果。

1 國內(nèi)氨氣報警器使用現(xiàn)狀及存在問題

1.1 使用量及行業(yè)分布

通過對國內(nèi)14家企業(yè)在用的2 214臺有毒氣體報警器調(diào)查發(fā)現(xiàn)，氨報警器用量所占比例約為5%，主要分布在石油、化工、啤酒等行業(yè)。隨著氨氣在制冷、化工等行業(yè)的使用日益增加，氨氣報警器的用量呈逐年上升的趨勢。

1.2 國內(nèi)氨氣報警器校準存在的問題

項目組查閱了國外的相關(guān)資料，美國儀表學會(ISA)分別于1998[1]年和1999[2]年制定了兩個與氨氣報警器相關(guān)的規(guī)范，對氨氣報警器的安裝、操作、維護、性能等提出了要求。

目前氨氣報警器的檢驗、檢定工作卻難以正常開展，多數(shù)企業(yè)的氨氣報警器疏于管理，無法保證其指示準確和報警及時，存在安全和職業(yè)危害隱患，其中主要原因有以下幾方面：

(1)國內(nèi)尚未頒布氨氣報警器檢驗標準、規(guī)范、規(guī)程，對氨報警器的技術(shù)指標缺乏具體規(guī)定；

(2)由于氨化學性質(zhì)活潑，標準氣體的提供商極少，難以及時買到標準氣體；

(3)標準氣體的保存期限較短，一般不大于6個月，購置鋼瓶裝的標準氣體給企業(yè)造成較大的經(jīng)濟負擔。

2 氨氣標準氣體的配制及量值溯源的研究

氨氣的化學性質(zhì)比較活潑，極易與氧、水分、包裝容器材料發(fā)生反應而使?jié)舛劝l(fā)生變化。項目組對氣體來源的5種渠道如購置有證標準氣體、使用純氣作為原料氣用高壓配氣裝置配制、氨氣發(fā)生器法、飽和蒸汽壓法、安瓿瓶配氣法等進行了研究。

(1)購置有證標準氣體

20世紀80年代美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)及一些特種氣體公司(如SCOTT等)通過實驗，研制出鋼瓶的內(nèi)涂層技術(shù)，并已成功地投入生產(chǎn)。該技術(shù)有效地防止了活性氣體與鋼瓶內(nèi)壁發(fā)生反應，使得氣體穩(wěn)定性增大。我國上海、北京、大連等幾個著名的氣體公司借助國外技術(shù)，已開始此項技術(shù)的研究，但氣體的穩(wěn)定性只限于半年，最長不超過1年，配制濃度低時(如10-6級)保存時間更有局限性，使用內(nèi)涂層鋼瓶裝的氨氣標準氣體可以進行較長時間存放。截止到2011年1月，僅有國家計量院獲得了生產(chǎn)一級氨氣標準氣體的《制造計量器具許可證》。

(2)以純氨氣作為原料氣用高壓配氣裝置配制

中石化股份有限公司青島安全工程研究院針對標準氣體配制技術(shù)，引進了法國TBT公司氣體混合裝置的設(shè)計原理，并根據(jù)檢測工作的實際特點和需要，開發(fā)了精密氣體混合裝置。通過與購買的有證標準物質(zhì)實驗比對,表明課題組配制的混和氣體的擴展不確定度均控制在2%以內(nèi)，重復性和穩(wěn)定性均滿足校準要求。

(3)氨氣發(fā)生器法

目前，國內(nèi)外的氨氣發(fā)生器供應商較多，產(chǎn)品性能不一，有些發(fā)生器發(fā)生的氣體濃度的相對標準偏差較大，超出5%的范圍，氣體濃度的波動性不能確保檢驗工作的準確性。

(4)飽和蒸氣壓法

使用分析純級的氨水，取其上方揮發(fā)蒸氣用純凈空氣稀釋配制而得到所需濃度的氣體。該法配制的不同批次的氣體濃度差異較大，重現(xiàn)性差，且不宜長期貯存。

(5)安瓿瓶配氣法

將定量的氨氣密封在安瓿瓶中，使用特別工具將其在一定容積的容器內(nèi)打碎，獲得已知濃度的氣體。繁瑣的安瓿瓶裝氣體工藝致使該氣體的成本較高，且玻璃器皿易碎，不宜于長途運輸以及生產(chǎn)現(xiàn)場對固定式安裝報警器的在線檢驗。

3 氨氣報警器校準項目及技術(shù)指標

氨氣報警器的檢測原理一般包括電化學傳感器、光學傳感器或半導體原理傳感器。采樣方式分為泵吸式和擴散式。儀器主要由采樣、檢測、指示及報警4部分組成。當環(huán)境中的氨氣擴散或抽吸到達傳感器時，傳感器將氨氣濃度轉(zhuǎn)換為電信號，再由顯示器將濃度值(摩爾分數(shù))顯示出來。

項目組結(jié)合氨氣報警器的出廠性能指標以及歷年來對企業(yè)在用氨氣報警器的性能測試結(jié)果，參考國內(nèi)其它有毒有害氣體報警器的檢定規(guī)程確定了檢測項目和性能指標，分別列于表1、表2。

表1 氨氣報警器檢驗項目

注：“+”為需要檢驗項目； “-”為不需要檢驗項目。

4 氨氣報警器的校準方法

4.1 絕緣電阻

(1)儀器不接電源，打開儀器電源開關(guān)，將絕緣電阻表的一個接線端子接到儀器電源插頭的相、中聯(lián)線上，另一個接線端子接到儀器的保護接地端子(或機殼)上，施加500 V的直流電壓，持續(xù)5 s，測量絕緣電阻值。

表2 性能要求

(2)采用低壓干電池的儀器，可不做此項。

4.2 絕緣強度

(1)儀器不接電源，打開儀器電源開關(guān)，將絕緣裝置的兩根檢驗導線分別接到儀器電源插頭的相、中聯(lián)線上及儀器的保護接地端子(或機殼)上。試驗時采用工頻交流試驗電壓由零平緩升至1 500 V之后保持1 min，然后將電壓平緩地降到零。試驗過程中不應出現(xiàn)擊穿和飛弧現(xiàn)象，且漏電電流不大于5 mA。

(2)采用低壓干電池的儀器，可不做此項。

4.3 示值誤差

按照儀器說明書的要求對儀器進行預熱穩(wěn)定以及零點和量程的檢查，若說明書未對量程檢查做出明確規(guī)定，則使用體積分數(shù)為滿量程80%的氣體進行檢查；然后在規(guī)定的流量下，分別通入體積分數(shù)為量程的20%、50%、80%左右的3個點的標準氣體，記錄穩(wěn)定讀數(shù)值。重復3次，取算術(shù)平均值作為每一個濃度點的儀器指示值。按式(1)進行示值誤差計算，取各檢測點中絕對值最大的ΔAi值作為儀器的示值誤差結(jié)果。

(1)

As——標準氣體的標準值；

FS——被檢儀器的滿量程。

4.4 重復性

通入體積分數(shù)為滿量程的50%的氣體，待示值穩(wěn)定后記錄讀數(shù)Ai,重復檢測6次，按式(2)計算單次測量結(jié)果的相對標準偏差，作為該儀器的重復性指標，用Δc表示。

(2)

式中：Δc——儀器的重復性；

Ai——儀器第i次測量的示值；

n——測量次數(shù)。

4.5 響應時間

通入零點氣體校正儀器的零點，然后按儀器規(guī)定的流量要求通入體積分數(shù)為滿量程50%左右的標準氣體，用秒表記錄從通入氣體開始到儀器示值變化至被測氣體穩(wěn)定值90%所需的時間，重復測定3次，取算術(shù)平均值作為儀器的響應時間。

4.6 報警誤差

使用體積分數(shù)比報警設(shè)置點高20%左右的標準氣體進行測試，記錄儀器發(fā)出警報時的濃度，重復測定3次，取最大值按式(3)計算報警誤差：

(3)

式中：ΔZa——報警誤差；

Aai——第i次發(fā)出警報時的濃度最大值，i為檢驗點的序號；

Aa0——報警設(shè)置值。

4.7 零點漂移和量程漂移

在儀器正常工作條件下，通入零點氣體，記錄穩(wěn)

定指示值A(chǔ)z0,再通入體積分數(shù)為滿量程80%左右的氣體，記錄穩(wěn)定指示值A(chǔ)s0。對電池供電的儀器，每隔15 min重復上述步驟一次，連續(xù)檢測1 h；對于外接電源供電的儀器，每隔1 h重復上述步驟一次，連續(xù)4 h，分別記錄儀器的穩(wěn)定指示值A(chǔ)zi、Asi。取各次中絕對值最大的ΔZi、ΔSi分別作為儀器零點漂移和量程漂移的檢驗結(jié)果。ΔZi、ΔSi分別按式(4)、(5)計算。

(4)

式中：ΔZi——零點漂移；

Azi——零點第i次指示值，i為檢驗點的序號；

Az0——零點初次指示值；

FS——被檢儀器的滿量程。

量程漂移計算公式為：

(5)

式中：ΔSi——量程漂移；

Asi——通入標準氣體第i次指示值，i為檢驗點的序號；

As0——通入標準氣體初次指示值；

FS——被檢儀器的滿量程。

5 結(jié)語

近年來，氨氣報警器的使用數(shù)量不斷增多，與之對應的檢測需求也日益增大。目前我國尚未制定出氨氣報警器的檢定規(guī)程和校準方法，此項工作的研究將有力地促進國家有關(guān)計量行政部門組織起草氨氣報警器的檢定規(guī)程的進程，以滿足社會對氨氣報警器檢定的需要。

[1] ISA-92.03.01-1998 Performance requirements for ammonia detection instrument[S].

[2] ISA-RP92.03.02-1999 Installation,operation and maintenance of ammonia detection instrument[S].