不同類型可燃?xì)鈱?duì)催化燃燒型氣體報(bào)警器計(jì)量示值的影響分析

謝延斌

（克拉瑪依市質(zhì)量與計(jì)量檢測(cè)所 新疆克拉瑪依 834000）

1 前言

可燃?xì)怏w報(bào)警器作為一種安全防護(hù)類型的計(jì)量儀器，按照國家相關(guān)要求，需要實(shí)行周期性檢定。目前檢定執(zhí)行JJG 693—2011《可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警器》[1]，其中規(guī)程5.1.2.1 條有如下要求：氣體報(bào)警器檢定要采用與儀器檢測(cè)氣體種類相同的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，若儀器未注明所測(cè)氣體種類，可以采用異丁烷或者丙烷氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。根據(jù)實(shí)際的計(jì)量檢定需要，有必要分析和討論采用不用類型可燃?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢測(cè)已知檢測(cè)對(duì)象的可燃?xì)怏w報(bào)警器時(shí)，會(huì)對(duì)報(bào)警器的計(jì)量性能特別是計(jì)量示值產(chǎn)生怎樣的影響，并從中找尋規(guī)律。

2 工作原理

因催化燃燒型可燃?xì)怏w報(bào)警器在工業(yè)上使用更加廣泛，因此本文以該類型報(bào)警器為對(duì)象，開展相關(guān)討論和分析。

對(duì)于氣體報(bào)警器而言，其核心部件為測(cè)量傳感器，催化燃燒型報(bào)警器的傳感器是由一個(gè)帶催化劑的敏感元件和一個(gè)不帶催化劑的補(bǔ)償元件組成的惠斯頓電橋測(cè)量電器[2]，詳見圖1。

圖1 中的Rx為敏感元件，是一個(gè)表面涂有催化劑的鉑絲電阻，R1為補(bǔ)償元件，R3、R2為一定阻值的標(biāo)準(zhǔn)電阻，R3與Rx同時(shí)置于測(cè)量室。 在新鮮空氣中，通過R1的補(bǔ)償作用使電橋平衡，即滿足R1Rx=R3R2，此時(shí)信號(hào)輸出端UDB=0；一旦空氣中有可燃?xì)怏w進(jìn)入測(cè)量室， 會(huì)直接接觸到涂有催化劑的敏感元件Rx。 在催化劑的作用下，可燃?xì)馀c一同進(jìn)入的空氣中氧氣發(fā)生無焰燃燒，此時(shí)敏感元件Rx的溫度就會(huì)上升。 由于金屬的阻值會(huì)隨著金屬溫度的升高而增大，所以就會(huì)在原Rx的基礎(chǔ)上增加一個(gè)ΔRx阻值，導(dǎo)致電橋失去平衡，從而產(chǎn)生不平衡電壓，即UDB≠0。 不平衡電壓UDB 的大小與ΔRx的大小成正比，而ΔRx又與可燃?xì)怏w催化燃燒時(shí)放出的熱量直接相關(guān)，熱量的大小取決于可燃?xì)獾姆N類、濃度。 由于報(bào)警器在出廠時(shí)通常會(huì)明確檢測(cè)氣體的種類，所以ΔRx的大小就與被檢氣體的濃度形成了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。即一定濃度的被檢可燃?xì)怏w催化燃燒后造成敏感元件Rx增加一定大小的阻值ΔRx，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的不平衡電壓UDB，而不平衡電壓UDB 通過O/A 轉(zhuǎn)換后，最終成為測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在報(bào)警器的屏幕上，從而將測(cè)量數(shù)據(jù)與被測(cè)氣體的濃度關(guān)聯(lián)起來。

圖1 惠斯頓電橋

3 問題探討

從上述工作原理可知，催化燃燒型報(bào)警器在測(cè)量可燃?xì)鉂舛葧r(shí)首先要明確被測(cè)可燃?xì)怏w的種類，然后才能對(duì)確定的氣體開展測(cè)量。但在實(shí)際生產(chǎn)中，部分企業(yè)在報(bào)警器的使用和選型過程并沒有充分考慮現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境，造成部分選型的報(bào)警器并不適用于實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)。例如，一些煉化企業(yè)安裝的可燃?xì)怏w報(bào)警器統(tǒng)一為甲烷氣體報(bào)警器，但實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的泄漏氣體并不是甲烷，常見的有氫氣以及碳四以下的烴類氣體。 這樣以甲烷氣體出廠標(biāo)定后的報(bào)警器進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)開展實(shí)際測(cè)量，可能會(huì)無法準(zhǔn)確反映現(xiàn)場(chǎng)泄漏氣體的實(shí)際濃度值。另外，由于檢定機(jī)構(gòu)的計(jì)量檢定人員一般情況下并不了解現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際泄漏氣體情況，對(duì)送檢來的報(bào)警器往往依據(jù)儀器銘牌標(biāo)明的氣體開展計(jì)量檢定，這樣就造成檢定后的報(bào)警器無法精準(zhǔn)地適用于現(xiàn)場(chǎng)，出具的檢定報(bào)告也無法證明報(bào)警器的實(shí)際性能，這對(duì)企業(yè)用戶和計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)都會(huì)造成潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)與法律責(zé)任。

對(duì)此，本文將選取煉廠常見的氫氣、甲烷、碳四輕烴（異丁烷）3 種標(biāo)準(zhǔn)氣體為檢測(cè)樣本，用同一臺(tái)甲烷氣體報(bào)警器分別進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，記錄報(bào)警器對(duì)不同氣體的測(cè)量示值，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析探討，找尋其中的影響及其內(nèi)在的規(guī)律。

4 測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)選用梅思安品牌，型號(hào)為DF-8500C，量程為（0～100）%爆炸下限（LEL），出廠編號(hào)為 160700330的固定式甲烷氣體報(bào)警器。 并選擇以稱重法混合的空氣中的氫氣、甲烷、異丁烷3 種標(biāo)準(zhǔn)氣體，準(zhǔn)確度等級(jí)均為二級(jí)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為Urel=2%，k=2，每種氣體分別取 10% LEL、40% LEL、60% LEL 3 個(gè)濃度值的標(biāo)準(zhǔn)氣各1 瓶，嚴(yán)格按照J(rèn)JG 693—2011 的操作要求開展試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 3 種標(biāo)準(zhǔn)氣體的測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，由于試驗(yàn)用的報(bào)警器檢測(cè)對(duì)象是甲烷，用甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體開展計(jì)量測(cè)試，平均示值與標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度基本一致，而氫氣和異丁烷的平均示值明顯與標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度值偏差較大，其中氫氣平均示值與標(biāo)準(zhǔn)氣濃度相比明顯增大，異丁烷與氫氣正好相反。所以，用同一臺(tái)催化燃燒型報(bào)警器測(cè)量相同濃度下的不同可燃?xì)獾玫降慕Y(jié)果差異較大，另外從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，如果以甲烷為基準(zhǔn)，相同濃度下，氫氣的測(cè)量示值大概為甲烷的1.2～1.3 倍，異丁烷大概為甲烷的0.72～0.75 倍。

5 數(shù)據(jù)分析

分析數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原因還需從傳感器的工作原理出發(fā)[3]，可燃?xì)怏w報(bào)警器的傳感器采用無焰催化燃燒技術(shù)，報(bào)警器的示值與燃燒熱量相關(guān)，而熱量的大小一是與被測(cè)量氣體的種類有關(guān)（氣體種類決定了燃燒狀況）；二是與氣體濃度有關(guān)。

盡管可燃性氣體的種類不同，LEL 濃度也各自不同，但是對(duì)于碳?xì)浠衔锒?，每克分子的燃燒熱與 LEL 濃度的相乘積基本相同，即 C1·Q=常數(shù)（C1為爆炸下限濃度，Q 為每克分子的燃燒熱），此法不適用于乙炔、二氧化硫等少數(shù)可燃性氣體，這僅為可燃性氣體的等熱值特性。

雖然不同可燃?xì)獯嬖诘葻嶂堤匦?，但?duì)于同一臺(tái)報(bào)警器，傳感器催化元件的材質(zhì)和性能已經(jīng)確定，而傳感器所處的測(cè)量室狹小，會(huì)造成不同種類的可燃?xì)獬霈F(xiàn)不同的燃燒狀況，特別是對(duì)分子中碳原子較多的碳?xì)浠衔?，由于無焰催化燃燒后會(huì)有大量的碳顆粒沉積在元件表面，阻礙了元件表面催化劑與可燃?xì)怏w分子的接觸，從而造成催化燃燒效率低下，放熱量不足，降低了傳感器的靈敏度，也就造成相同濃度下的不同可燃?xì)怏w在同一臺(tái)催化燃燒型報(bào)警器上出現(xiàn)不同的計(jì)量示值[4]。 在本文的試驗(yàn)中，氫氣不含碳元素，催化燃燒過程不會(huì)造成催化劑表面碳沉積問題，所以報(bào)警器的靈敏度相對(duì)較大，示值顯示較高；而異丁烷相對(duì)于甲烷而言存在較大的燃燒碳沉積現(xiàn)象，影響了報(bào)警器的靈敏度，所以示值偏低。

另據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[5]，對(duì)于同一臺(tái)催化燃燒型報(bào)警器通入相同濃度不同的可燃?xì)?，?huì)得到一系列不同的示值。而以甲烷為基準(zhǔn)，各種氣體的示值與甲烷的示值之比，稱為交叉靈敏度系數(shù)。部分可燃?xì)鈱?duì)某品牌催化燃燒型可燃?xì)怏w報(bào)警器的交叉靈敏度系數(shù)詳見表2。

表2 相同濃度不同可燃?xì)庠谀骋黄放拼呋紵蛨?bào)警器上的交叉靈敏度

從表2 中可以看出，除了氫氣外，隨著分子中碳原子的增加，交叉靈敏度總體呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，即分子碳原子越多的可燃?xì)?，相同濃度下的測(cè)量示值越小，這是因?yàn)榉肿犹荚釉蕉?，燃燒碳沉積現(xiàn)象越嚴(yán)重。 但需要注意的是不同廠家生產(chǎn)的報(bào)警器交叉靈敏度不同，同一廠家不同型號(hào)的報(bào)警器交叉靈敏度也會(huì)不同，同型號(hào)不同批次的報(bào)警器交叉靈敏度都有可能不同。所以在實(shí)際的計(jì)量檢定中，原則上要用報(bào)警器銘牌上對(duì)應(yīng)的被測(cè)氣體開展計(jì)量檢定，而在實(shí)際計(jì)量檢定中，如果沒有對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)氣體，需要采用其他標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行替代校準(zhǔn)時(shí)，需要認(rèn)真查閱儀器的技術(shù)說明書或咨詢廠家，找到替代氣體種類的交叉靈敏度，然后通過理論計(jì)算，最終確定被校儀器的計(jì)量示值。

6 結(jié)論

一種可燃?xì)怏w報(bào)警器雖然能夠測(cè)量多種可燃性氣體，但實(shí)際的選型和使用應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際明確測(cè)量對(duì)象。

在報(bào)警器的計(jì)量檢定過程中，應(yīng)以報(bào)警器銘牌規(guī)定的測(cè)量對(duì)象來選擇標(biāo)準(zhǔn)氣體開展計(jì)量檢定。 對(duì)于同一臺(tái)催化燃燒型報(bào)警器，相同濃度的不同可燃?xì)鉁y(cè)量示值不同，氣體分子中的碳原子越多，測(cè)量示值會(huì)越低。

在報(bào)警器檢定的實(shí)際工作中，要充分掌握不同可燃?xì)獾慕徊骒`敏度系數(shù)，通過試驗(yàn)不斷積累各品牌報(bào)警器的數(shù)據(jù)，才能在真正意義上保障報(bào)警器計(jì)量檢定的可靠性。