试析可燃气体测定仪的检定

文/刘志远 安乙丁

可燃气体爆炸场所，是油库（加油站）安全管理中的薄弱环节，在这一场所的监控中，可燃气体测定仪是必不可少的测量安全手段，也是油库（加油站）重要的安全测量仪表，它的正确合理使用，对油库（加油站）安全监测和延长仪器的使用寿命，具有重要的意义。

1．油库（加油站）所使用可燃气体测定仪的种类

仪器从使用形态来分，分为网络探头式和手持移动式两大类，网络探头式是由测量主机、网络和探头组成。安装在各危险爆炸场所，对作业环境中的可燃气体进行有效监控和报警，确保人员安全，设备良好运行。手持移动式是由作业人员佩带，出入于危险爆炸场所，对作业环境中的可燃气体进行有效监控和报警。这类测定仪以隔爆型为主，检测数据以爆炸下限的百分比（LEL%）来显示，个别进口仪器可同时显示可燃气体实际浓度百分比和爆炸下限百分比（LEL%）。

从使用的测量原理分为，1.催化燃烧热式，利用可燃气体在催化元件上的低温氧化燃烧，引起电信号变化来测定可燃气体浓度。2.热导式，这种仪器多用于煤碳矿山，主要原理是利用烃类气体（可燃气体）与空气的传导之差来测定可燃气体的浓度。3.光干涉式，主要原理是利用可燃气体与空气对光在气室中的光程差的变化来测定可燃气体的浓度。4.混合型，使用上述几种原理组合在一种测量仪器中。催化燃烧式在测量可燃气体浓度较低时反应快，响应时间短，热导式在测量可燃气体浓度较高时测量准确，可以准确反应实际浓度，所以将这两种测量原理混合在一台测量仪中。

在油库（加油站）目前使用最多、实用效果比较好的是催化燃烧热式可燃气体测量仪。

2.可燃气体测量仪所利用的测量原理及优缺点

2.1.1 催化燃烧式气体测量仪

目前的催化燃烧热式都是把燃烧热量转变成电阻来测量的。它应用了铂丝线圈上加氧化铝催化剂制成的载体催化元件作为燃烧热量的传感元件，这种元件对烃类可燃气体具有催化燃烧作用。铂丝线圈通过电流加热使元件表面达到一定的工作温度。当它接触可燃气体时，便发生无焰燃烧的热效应，致使铂丝电阻值因温度升高而增大，铂丝电阻的变化与可燃气体浓度成正比，如下式：

K——元件特征系数

R——催化元件在工作温度下电阻值

a——铂丝电阻温度系数

α——催化元件热量转换系数

Q——可燃气体1m ol分子燃烧热

C——催化元件热容量

ΔR——电阻变化量

X——待测可燃气体浓度。

当元件的材料、形状和结构一定，K是常数时，催化元件的电阻变化量ΔR与可燃气体浓度X成正比。

2.1.2 元件的输出特性

元件与不同浓度的可燃气体（CH4）输出特性见图1，在0～5%（甲烷气体最小爆炸下为5%）。电桥输出信号是与甲烷浓度呈线性关系，当甲烷浓度在9.5%处时，曲线出现拐点，以后随着甲烷浓度的增大，曲线不断下降，这是由于高浓度甲烷气样中缺氧，燃烧不完全造成的。

图1 载体催化元件的输出特性曲线

2.2 热导式可燃气体测定仪

它是利用热传导的原理。可燃气体浓度的变化对应着一定的热导率。测量这个热导率的变化量，就可以测知可燃气体的含量。一般原理是通过热元件起传感作用，将混合气体中可燃成份含量的变化所引起总热导率的变化量转换成电阻的变化量，使电桥桥路失衡产生信号输出。信号大小与可燃气体浓度有关，从而实现检测与报警。

3.油库在实际使用过程中存在的问题

3.1 未按检定周期进行检定

JJG693—2004《可燃气体检测报警器》中要求进行三次控制。首次检定、后续检定和使用中的检验，仪器的检定周期一般不超过1年，仪器出现非正常振动，或者作业人员对显示值有怀疑，以及更换主要元件后，应随时送检。在调查10个油库、25台不同型号的可燃气体测定仪时，发现均没有按周期进行检定。甚至个别测量仪未进行过任何形式的检定，就投入了实际使用。

3.2 使用年限过长

目前在油库（加油站）使用可燃气体测定仪，基本是以催化燃烧式测量为主。它所使用的原件由铂丝、三氧化二铝载体，铂钯钍催化剂组成，这种元件的活性使用有一定的“寿命”，一般使用4至6年，活性失效后，应更换这种测量元件。在调研中发现，所使用的可燃气体测量仪，有15年前购置的如今还在使用，较新的也达10年之久，从未更换过催化燃烧的活性元件。

3.3 测量仪表读数混乱

可燃气体分子测量，目前所使用的有自主吸入分子式和分子扩散式。仪表显示气体分子浓度的方式有：最低爆炸浓度百分比（LEL%）和实际百分比浓度。它的不足是容易造成作业人员对仪表显示的读数理解方面的困难，当爆炸危险气体浓度已经超标时，还不能够引起警觉，起不到安全报警的作用。使用时没有校准调零和定期送检标定，缺乏科学操作常识，损伤仪器，缩短寿命。

3.4 测量仪表没有使用校准系数

油库所使用的可燃气体测定仪，因生产厂家不同，所以生产工艺也不同。不同厂家采用不同的标准气体进行标定、校准。标准气体不同，最低爆炸气体浓度也就不同，因厂家所提供的最低爆炸气体浓度百分比（%LEL）不同，表盘所显示的测量数据就不同。在实际工作中发现，不同厂家生产的可燃气体测定仪，在相同的被测环境中得出了不同的结果，结论相差较大，这就需要使用校准系数进行修正。没有校准系数，会造成“有警不报、无警乱报”的现象，产生不安全隐患。

4.可燃气体测定仪的检定

4.1 气体标准物质的选择

标准物质可以通过以下手段得到。1.化学反应法：如CO，是由甲酸滴入浓硫酸中，加热，通过氢氧化钠溶液水洗，得到CO，控制甲酸反应量，即可以得到所需要的标准CO浓度。此种方法多用于有毒气体。2.静态配气法：有大瓶子配气法、注射器配气法、塑料袋配气法等。3.动态配气法。即连续不断的配制和供给一定浓度的标准气体。有钢瓶气动态配气法，直接购买国家计量行政部门批准的不确定度小于或等于2%（k=3）的有证气体标准物质，由压缩空气或高纯氮气（不适合于催化燃烧热式测定仪）作为稀释气体进行稀释，得到所需浓度标准气体（10－8～10－2），所配制的标准气体浓度，可用改变稀释气体及标准气体浓度比进行调节，可按下式计算：

式中：Z——所配标准气体的浓度（ppm）

μ——钢瓶标准气的浓度（ppm）

Qs——钢瓶标准气流量（L／m in）

Qa——稀释气体的流量(L/m in)

JJG 693－2004中对标准物质的获取，推荐使用动态配气法，要求在配气过程中：流量范围（10～5000）m l/m in，流量示值误差在0.5%范围内。

4.2 可燃气体测定仪的检定内容

JJG693－2004中对可燃气体测定仪要求进行首次检定，后续检定，使用中检验。检定的项目有：外观及通电检查、绝缘电阻、示值误差、响应时间、报警误差、重复性、漂移等七项具体内容，见表1。

表1 可燃气体测定仪检定内容

4.2.1 外观及通电检查

此项目主要是通过目测及通电手动进行，是否符合出厂说明书（使用手册）的要求

4.2.2 绝缘电阻测定

此项目是首次使用时，所需要进行的检定内容。在不通电的情况下，由绝缘电阻测量仪在500V下进行测量。

4.2.3 示值误差检定

在示值误差检定之前，首先对测定仪表进行校准，即零点校准和示值校准；接通电源让仪器稳定后用清洁空气调准仪器零点，然后用浓度约为60%LEL的标准气体进行示值。再在10%LEL、40%LEL、60%LEL三个点用标准气体中进行检点，每点做三次，按下式进行计算，取绝对值最大的为示值误差

C0——通入仪器的标准值

R——仪器满量程

注意：由于仪器不是采用统一的标准生产的，仪器的规格、型号、种类各不相同，对仪器的示值误差进行检定时，应按照该种型号的仪器使用说明书的要求，在规定的流量下进行检定，流量须稳定。

4.2.4 重复性检定

此项目要求仪器在正常的工作状态下，校准好零点，再用40%LEL的标准气体，检定6次，最终采用相对标准偏差为重复性数值。

4.2.5 仪器报警误差、漂移的检定

仪器的报警是根据用户的不同需要而人为设置的，一般以50%LEL为报警值，检定时在此点通入大于1.1倍报警设定点浓度的标准气体，以平均相对误差做为仪器的报警误差。

仪器的漂移检定包括零点漂移和量程漂移。

在正常工作条件下，对固定式仪器连续运行6h，每间隔1h记录仪器的零点值为Zi，通入60%LEL标准气体，记录仪器稳定示值Si；对便携式仪器连续运行1h，与固定式相同，每间隔10m in试验并记录读数一次，零点漂移按下式方法计算：

取绝对值最大的为仪器的零点漂移。

量程漂移按下式方法计算：

取绝对值最大的为仪器的量程漂移。完成对可燃气体测定仪的检定工作。

4.2.6 响应时间的检定

此项目是检定催化燃烧热元件的活性，响应时间是仪器示值由零值升至检定应达到的稳定示值的90%处所需时间。测量3次，取其平均值作为响应时间。测定响应时间时通气流量要稳定均匀，每次仪器示值必须回零。

在危险爆炸场所使用可燃气体测定仪，可以有效地监控可燃气体浓度，减少事故，保护作业人员安全，但也应该充分了解和掌握它的使用规律和特点。