氣體報(bào)警器檢測(cè)準(zhǔn)確性關(guān)鍵問題的研究

陳默

（大慶油田技術(shù)監(jiān)督中心，黑龍江 大慶 163000）

在石油化工、燃?xì)夂洼p工等眾多行業(yè)中，氣體報(bào)警器作為一種安全防護(hù)的計(jì)量工具，得到了廣泛的運(yùn)用。并且隨著對(duì)安全防護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)，越來越多使用天然氣和煤氣灶的用戶選擇了安裝氣體報(bào)警器。根據(jù)檢測(cè)需求和環(huán)境選擇合適的報(bào)警器，并按照正確合理的方法使用報(bào)警器才能保障報(bào)警器檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，起到安全防護(hù)的作用。因此，對(duì)氣體報(bào)警器的基本工作原理和影響結(jié)果準(zhǔn)確度的因素進(jìn)行研究分析，將有助于報(bào)警器技術(shù)的更新和進(jìn)步。

1 氣體報(bào)警器

1.1 氣體報(bào)警器的檢定裝置

氣體報(bào)警器的檢定裝置有手動(dòng)和自動(dòng)檢定兩種，手動(dòng)檢定裝置的主要構(gòu)成部件有標(biāo)氣瓶、減壓器、氣體流量計(jì)和報(bào)警器。標(biāo)氣瓶中裝有由按照一定比例和濃度配制的氣體，在計(jì)量檢定環(huán)節(jié)不可缺少。減壓器的功能是把高氣壓氣體轉(zhuǎn)化成低氣壓氣體，以保證氣體穩(wěn)定輸出。氣體流量計(jì)主要用于測(cè)量輸出氣體的流量速度。氣體報(bào)警器是檢定裝置的主要裝置，報(bào)警器中的傳感器可將檢測(cè)到的氣體的濃度數(shù)值轉(zhuǎn)化為電參量，最終以數(shù)字的形式呈現(xiàn)在報(bào)警器中。為了保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，手動(dòng)檢定裝置一般需要重復(fù)操作，并測(cè)定多種不同參數(shù)，在工作效率方面具有一定局限。

相比手動(dòng)檢定裝置，自動(dòng)裝置在檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性和效率方面都占有較大優(yōu)勢(shì)，因此，對(duì)于眾多加工生產(chǎn)行業(yè)和家庭報(bào)警器的安裝，自動(dòng)檢定裝置更受青睞，且具有更大的市場價(jià)值。自動(dòng)檢測(cè)裝置主要由氣體流量控制、圖像數(shù)據(jù)采集處理器和計(jì)算機(jī)控制三大模塊組成。氣體流量控制模塊包括標(biāo)氣瓶、減壓器、氣體流量計(jì)和氣體電磁閥，前三者的功能與手動(dòng)檢測(cè)裝置的一致。

電磁閥是一種自動(dòng)化元件，可通過電路更加精確地控制流體。當(dāng)電磁閥接收到計(jì)算機(jī)電信號(hào)時(shí)，可快速借助閥體的移動(dòng)控制導(dǎo)氣孔。氣體報(bào)警器中氣體流量控制模塊一般與可檢測(cè)的氣體呈比例，即檢定裝置可用于檢測(cè)幾種不同類別的氣體，一般就具有幾個(gè)氣體流量控制模塊。圖像數(shù)據(jù)采集處理模塊主要是采集報(bào)警器顯示的帶有氣體濃度數(shù)字的圖像，并將圖像信號(hào)傳送到計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)控制模塊的功能則是接收信號(hào)、做出判斷和輸出指令。

1.2 氣體報(bào)警器分類

根據(jù)氣體報(bào)警器的檢測(cè)對(duì)象，可分為催化燃燒式、電化學(xué)式和光離子化報(bào)警器等不同類別。催化燃燒式氣體報(bào)警器和紅外線警報(bào)器2種主要針對(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)。電化學(xué)式氣體報(bào)警器既可用于檢測(cè)可燃?xì)怏w，如CH4等，也可用于檢測(cè)有毒有害的氣體，如CO和NO等。光離子化報(bào)警器可用于檢測(cè)苯氣、VOCs等有毒有害氣體。

根據(jù)氣體報(bào)警器的使用場所，報(bào)警器可分為便攜式報(bào)警器和固定式報(bào)警器2種，前者一般結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)輕巧，易于攜帶，適用于一些需要不定時(shí)檢測(cè)環(huán)境中氣體含量的工作場所。固定式報(bào)警器則因缺少變動(dòng)性，只能用于固定的工作場所。

1.3 氣體報(bào)警器的工作原理

氣體報(bào)警器組成部件主要有探測(cè)器和報(bào)警控制器，探測(cè)器中裝有傳感器，用于檢測(cè)氣體濃度，將氣體濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)參量，并傳送至報(bào)警控制器。當(dāng)警報(bào)控制器接收到探測(cè)器傳送的信號(hào)后，會(huì)進(jìn)一步將電信號(hào)參量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息，并顯示在報(bào)警器上。

對(duì)于不同的氣體檢測(cè)對(duì)象，傳感器選擇不同，其具體的工作原理也不相同。催化燃燒式傳感器具有成本低、適用范圍廣和輸出信號(hào)線性關(guān)系好等優(yōu)點(diǎn)，2個(gè)固定電阻、1個(gè)檢測(cè)元件和1個(gè)補(bǔ)償元件共同組成了測(cè)量電橋。檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件都由多孔陶瓷珠構(gòu)成，但檢測(cè)元件表面附著催化劑，而補(bǔ)償元件沒有。當(dāng)被檢測(cè)氣體擴(kuò)散到達(dá)檢測(cè)元件時(shí)，在檢測(cè)元件表面催化劑和一定溫度條件下迅速發(fā)生無焰燃燒，產(chǎn)生的熱量致使元件內(nèi)鉑絲的電阻升高，造成電橋失去平衡，進(jìn)而輸出表征可燃?xì)怏w濃度的電信號(hào)。

電化學(xué)式傳感器的組成部件主要有薄膜、電解池、參考電極、反電極和測(cè)量電極等，其工作原理如下：被檢測(cè)氣體通過薄膜擴(kuò)散進(jìn)入電解池中，在測(cè)量電極上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電流，此電流信號(hào)與進(jìn)入電解池的氣體濃度呈現(xiàn)一定線性關(guān)系。將電流信號(hào)進(jìn)行放大、補(bǔ)償和校正等處理，可準(zhǔn)確輸出代表被檢測(cè)氣體濃度的數(shù)字信息。相較催化燃燒式傳感器，電化學(xué)式傳感器具有檢測(cè)限低、靈敏度高和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但是電化學(xué)式傳感器對(duì)檢測(cè)環(huán)境要求較高，在過高溫度、過低溫度和低濕環(huán)境中均不適用。

光離子化警報(bào)器中傳感器的工作原理示意圖，如圖1所示，惰性氣體在真空條件下放電產(chǎn)生紫外線，紫外線的能量使得離子室中的待測(cè)氣體分子發(fā)生電離，所產(chǎn)生的正負(fù)離子在電極電壓作用下產(chǎn)生電流，電流的大小與離子室中的分子濃度呈正比。光離子化傳感器具有靈敏度高、檢測(cè)限低等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 光離子化傳感器示意圖

2 影響氣體報(bào)警器檢測(cè)準(zhǔn)確性的因素

2.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體物質(zhì)

根據(jù)規(guī)定，標(biāo)氣瓶中氣體需要與待檢測(cè)氣體的類別保持一致，標(biāo)氣瓶未標(biāo)明可選用丙烷或異丁烷等氣體作為標(biāo)準(zhǔn)氣體。同一個(gè)報(bào)警器對(duì)相同濃度的不同氣體會(huì)呈現(xiàn)不同的檢定結(jié)果，因此，選擇合適標(biāo)準(zhǔn)氣體物質(zhì)是保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的重要前提條件。

2.2 檢測(cè)環(huán)境

檢測(cè)環(huán)境中濕度、溫度、灰塵和其他氣體等因素都會(huì)干擾報(bào)警器的檢測(cè)結(jié)果，對(duì)于戶外的氣體報(bào)警器，需要注意灰塵和風(fēng)沙對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。對(duì)于戶內(nèi)的報(bào)警器，根據(jù)傳感器的選擇注意把控室內(nèi)的溫度和濕度，同時(shí)，注意其他有害氣體的影響。含有鹵素元素的有機(jī)物、硫化氫或有機(jī)硅等氣體化合物會(huì)在傳感器表明吸附，吸附嚴(yán)重會(huì)致使傳感器中毒無法使用。

2.3 報(bào)警器質(zhì)量

隨著氣體報(bào)警器相關(guān)研究的不斷深入，市場上報(bào)警器的類別越來越多，其質(zhì)量隨之出現(xiàn)良莠不齊的現(xiàn)象。報(bào)警器的質(zhì)量關(guān)乎檢測(cè)過程的穩(wěn)定性和檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而影響報(bào)警器質(zhì)量的因素主要有組成部件完好性和生產(chǎn)材質(zhì)等。因此，生產(chǎn)企業(yè)或個(gè)人顧客在選擇購買報(bào)警器的時(shí)候，可借助專業(yè)人士的判斷和建議選擇合適生產(chǎn)材質(zhì)的報(bào)警器。

2.4 通氣流量控制和氣體罩

進(jìn)入報(bào)警器中傳感器的氣體流量大小會(huì)直接影響傳感器檢測(cè)氣體的穩(wěn)定性和靈敏度，因此，選擇合適的氣體流量對(duì)保證傳感器檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性具有一定意義。在報(bào)警器的實(shí)際運(yùn)行過程中，一些客觀因素如檢測(cè)人員經(jīng)驗(yàn)不足、氣體罩的使用和環(huán)境溫濕度等均能導(dǎo)致氣體流量不穩(wěn)定，降低結(jié)果的準(zhǔn)確度。

為了減少外界環(huán)境中有毒有害空氣對(duì)氣體檢測(cè)的干擾，在氣體報(bào)警器實(shí)際工作中，會(huì)采用氣體罩作為輔助工具。在室內(nèi)，氣罩可有效防止有毒有害氣體干擾標(biāo)準(zhǔn)氣體物質(zhì)的濃度檢測(cè)。在戶外，氣罩可減少風(fēng)沙和灰塵對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響。但是，氣體罩的使用與否和尺寸大小與檢測(cè)結(jié)果的關(guān)系還沒有明確的判斷依據(jù)，需要進(jìn)行深入研究。

3 氣體報(bào)警器檢測(cè)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵問題

3.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體物質(zhì)和平衡氣

氣體檢測(cè)過程中，標(biāo)準(zhǔn)氣體多由目標(biāo)檢測(cè)氣體和平衡力混合組成，平衡氣體多選用空氣或N2。對(duì)于同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體，選擇不同平衡氣體作為底氣，所得結(jié)果可能不同。對(duì)于催化燃燒式的報(bào)警器，待測(cè)氣體到達(dá)檢測(cè)元件發(fā)生無焰燃燒需要O2的參與，然而，標(biāo)準(zhǔn)瓶中氣體不斷向報(bào)警器輸出進(jìn)入傳感器，產(chǎn)生的壓強(qiáng)差使得環(huán)境中空氣無法進(jìn)入傳感器。因此，催化燃燒式傳感器應(yīng)當(dāng)選用空氣作為平衡氣體，以保證待測(cè)氣體的充分燃燒。

對(duì)于光離子化傳感器，如果采用空氣為平衡氣，其中的O2會(huì)吸收部分紫外線，造成的能量損失使得離子室中的待測(cè)氣體分子不能充分電離，從而導(dǎo)致傳感器輸出的電流信號(hào)產(chǎn)生偏差，不能代表真實(shí)的氣體濃度，因此用氮?dú)庾鳛槠胶鈿怏w是光離子化傳感器的上佳選擇。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣流量

由上述內(nèi)容已知標(biāo)準(zhǔn)氣體的流量與檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性密切相關(guān)，但是相關(guān)國家規(guī)程中，對(duì)于報(bào)警器氣體流量沒有嚴(yán)格的控制。因此，就影響標(biāo)準(zhǔn)氣體流量的因素，以及各因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的影響程度進(jìn)行研究分析，將有助于選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)氣體流量，以提高結(jié)果準(zhǔn)確度。對(duì)于檢測(cè)人員操作不當(dāng)所引起的氣體流量不穩(wěn)定的問題，可選擇操作熟練、經(jīng)驗(yàn)豐富的員工參與現(xiàn)場氣體檢測(cè)或指導(dǎo)。針對(duì)環(huán)境溫濕度等因素，可安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置，以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制環(huán)境的溫濕度。對(duì)于氣體罩，可根據(jù)待測(cè)氣體，選擇材質(zhì)合理、大小尺寸合適的氣體罩。

對(duì)于不同傳感器的報(bào)警器，為了探測(cè)不同傳感器對(duì)檢測(cè)不同氣體濃度的準(zhǔn)確度，可通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)設(shè)置如下：針對(duì)不同傳感器的報(bào)警器，選擇配制一系列濃度梯度的待測(cè)氣體，如100、200、300……1000ml/min，在其他客觀條件如環(huán)境溫濕度保持一致的情況下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于不同濃度氣體，可選擇多測(cè)幾次求平均值，以減少測(cè)量的誤差。實(shí)驗(yàn)完成后，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)，將報(bào)警器顯示的氣體濃度數(shù)值和實(shí)際配制的濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。通過數(shù)據(jù)分析可有效判斷氣體流量大小對(duì)檢測(cè)準(zhǔn)確度的影響，進(jìn)而有助于選擇合適的氣體流量調(diào)控參考范圍。

3.3 管道和閥門等部件的生產(chǎn)材質(zhì)

報(bào)警器的材質(zhì)是影響報(bào)警器質(zhì)量的重要因素，因此，生產(chǎn)企業(yè)和個(gè)人商家在購買報(bào)警器時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意氣體管道和閥門等部件的生產(chǎn)材質(zhì)是否具有防腐和防吸附等特點(diǎn)性能。針對(duì)不同的待測(cè)氣體和檢測(cè)要求，購買時(shí)需選擇不同材質(zhì)。對(duì)于硫化氫、氯氣、苯和環(huán)氧乙烷等有毒有害氣體，使用硅膠材質(zhì)的管路容易造成氣體被吸附在管道內(nèi)壁，使得報(bào)警器標(biāo)定濃度與實(shí)際濃度之間產(chǎn)生較大偏差。對(duì)于硫化氫等具有氧化還原特性的氣體，能與銅質(zhì)管壁或閥門發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成管壁或閥門被腐蝕，這對(duì)管壁或閥門的密封性有極大的損害。因此，對(duì)于具有腐蝕性的氣體，可選用不銹鋼材質(zhì)的管道和閥門，如若使用銅質(zhì)的管道或閥門零件，需要定期檢查、定期更換。

3.4 氣體標(biāo)定罩的使用

氣體標(biāo)定罩連接著傳感器和標(biāo)準(zhǔn)氣體的管路，在氣體檢測(cè)中起著防止氣體擴(kuò)散、維持氣體流動(dòng)恒速和避免標(biāo)準(zhǔn)氣體與檢測(cè)人員過多接觸等作用。然而，在氣體報(bào)警器生產(chǎn)加工過程中，大多生產(chǎn)商家并未根據(jù)報(bào)警器配置相應(yīng)的標(biāo)定罩，并且在實(shí)際氣體檢測(cè)中，也存在標(biāo)定罩遺失和未能正確使用等問題。

對(duì)于氣體罩的使用和尺寸未有標(biāo)準(zhǔn)做出具體的規(guī)定，為了了解氣體標(biāo)定罩對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度的影響，吳燦林等人固定氣體類別、濃度等客觀條件因素，對(duì)一款可燃?xì)怏w報(bào)警器分別在不使用標(biāo)定罩、標(biāo)準(zhǔn)罩、小尺寸罩和大尺寸罩四種情況下所得的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析（其中不同尺寸的標(biāo)定罩都由同一廠家訂制），對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)用標(biāo)準(zhǔn)罩時(shí)，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度最高，其次，分別是不帶罩、帶小罩，帶大罩的結(jié)果偏差最大。分析原因可能是不帶罩的情況下，傳感器和氣體輸送管道直接接觸，使得氣體與傳感器的接觸面積減小，并且外部空氣也會(huì)影響待測(cè)氣體與傳感器的接觸，最終導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差。

采用大尺寸的標(biāo)定罩時(shí)，待測(cè)氣體和傳感器之間的距離會(huì)被加大，這不僅會(huì)導(dǎo)致部分標(biāo)準(zhǔn)氣體擴(kuò)散到外部環(huán)境，減少與傳感器接觸的標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度，還會(huì)加大環(huán)境中氣體的干擾。采用小尺寸的標(biāo)定罩同樣會(huì)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)氣體與傳感器接觸面積減少，并且還會(huì)造成氣體短時(shí)間內(nèi)發(fā)生聚集，使得結(jié)果偏大。而標(biāo)定罩大多是生產(chǎn)廠家根據(jù)實(shí)驗(yàn)推算的最合理的尺寸大小，能有效保證檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。綜上，標(biāo)定罩尺寸大小會(huì)直接影響傳感器與待測(cè)氣體的接觸面積，因此，在購買和選擇使用標(biāo)定罩時(shí)，需注重標(biāo)定罩尺寸大小的選擇。

4 結(jié)語

氣體報(bào)警器類別較多，傳感器不同其工作原理也各不相同，但影響檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的因素大致相同，主要有標(biāo)準(zhǔn)氣體物質(zhì)、環(huán)境因素、材質(zhì)、流量控制和氣體罩等。在選擇購買和日常維護(hù)氣體報(bào)警器的過程中，需要注意報(bào)警器的材質(zhì)、標(biāo)定罩的尺寸選擇以及各部件的定期檢查和易損傷零件的定期更換。對(duì)于氣體報(bào)警器的實(shí)際使用，需要注意標(biāo)準(zhǔn)氣體和平衡氣的選擇、氣體流量的控制和標(biāo)定罩的正確使用。如有需要，可定期對(duì)傳感器的檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)準(zhǔn)確度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，以保證氣體報(bào)警器的精確度。影響氣體報(bào)警器檢測(cè)準(zhǔn)確度的因素還有很多，繼續(xù)深入探索對(duì)報(bào)警器技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展具有重要意義。