扩散式可燃气体检测报警器检定校准进样装置

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着我国能源产业的发展，可燃气体检测报警器作为探测和预警可燃、有毒有害气体泄漏的第一道防线越来越被广泛使用于石油、天然气加工等领域，可燃气体检测报警器示值的准确可靠将直接关系到人们的生命、财产安全和环境安全等问题。而对可燃气体检测报警器定期进行检定校准，是确保仪器示值准确可靠的重要途径。

可燃气体检测报警器根据采样方式可以分为扩散式和吸入式，其中扩散式可燃气体检测报警器需要环境中的可燃气体扩散至报警器，报警器才会产生响应。在JJG 693-2011《可燃气体检测报警器》检定规程中规定了可燃气体检测报警器的检定方法和要求，对于扩散式可燃气体检测报警器的检定，要求利用管路将标准气体通过仪器自带的标定罩传入报警器的探头（传感器）。然而实际情况中泄漏的可燃气体是通过自由扩散的方式与报警器接触的，因此，在检定校准过程中，应当充分考虑扩散式可燃气体检测报警器的实际使用情况。汤尧旭等人[1]设计了一种检定辅助系统对扩散式可燃气体检测报警器进行检定操作，并对比了该系统对检定结果的影响，使用该系统在一定程度上为可燃气体提供了自由扩散的环境。李旦峰等人[2]设计了一种带有皮膜的检定用扩散罩，对比之前的检定用罩，带有皮膜的扩散罩确实能够增加气体扩散的程度，同时响应时间也有一定的增加。于霄鹏[3]自制现场检定用扩散罩，可适用于报警器不同大小的探头，但未对扩散罩材质等问题进行探讨。周敏[4]使用标定罩和其设计的检定用罩对扩散式可燃气体检测报警器进行通气试验，两者响应时间存在差异。除了气体自由扩散问题，标定罩设计方式的不同也会对扩散式可燃气体检测报警器的检定校准结果产生一定的影响。

针对以上问题，本文提出了检定校准进样装置的改进建议，为可燃气体检测报警器示值的准确评价提供参考。

1 检定校准用进样装置

1.1 可燃气体检测报警器原理

可燃气体检测报警器按原理可以分为催化燃烧式、红外探测式和半导体式等[5]，其中催化燃烧式可燃气体检测报警器最为常见。催化燃烧式可燃气体检测报警器的传感器主要通过惠斯通电桥发生作用[6]（如图1），其惠斯通电桥由检测元件（元件A）、温度补偿元件（元件B）以及两个电阻（R1和R2）组成。检测元件是一个耐热合金丝圈与均匀涂布的超细微粒氧化催化剂烧结在一起的器件，其合金丝线圈的表面均匀涂布高活性氧化催化剂。当检测元件接触到可燃气体时，在电压和催化剂的作用下产生无焰燃烧，检测元件温度升高，电阻变大。此电阻的变化会使惠斯通电桥回路两端的电压产生压差，从而产生电流信号，电流信号的大小与可燃气体浓度呈线性关系。

1.2 进样方式对示值的影响因素分析

图1 惠斯通电桥

根据可燃气体检测报警器的传感器原理可知，可燃气体检测报警器的示值大小取决于单位时间内检测元件表面接触的可燃气体分子数，因此，检定校准过程中标准气体流量的大小会对示值产生一定的影响。在检定校准工作中，需要利用标定罩将标准气体强制扩散到传感器。如果标准气体流量过大，则单位时间内检测元件表面接触的可燃气体分子数增多，惠斯通电桥回路两端的压差变大，示值误差变大。同时，标定罩的类型不同也会对示值产生影响，标定罩主要分为三种。第一种包含出气设计（槽或孔）；第二种包含进气口、出气口双向设计；第三种未包含明显出气设计。前两者标定罩在标准气体流量大小超过一定阈值时会产生压力从而影响仪器示值。使用第三种标定罩进行试验，标准气体通过流量控制器后可能会在传感器表面产生一定的压力从而影响仪器示值。

在JJG 693-2011中没有对检定校准时所需标准气体流量大小做出规定，同时某些报警器说明书内也没注明检测所需标准气体流量大小，因此，在实际的操作中，会由于个人理解不同造成检定结果不统一；且不同厂家的标定罩不同，安装标定罩工作不统一，这样会增加可燃气体检测报警器的检定校准工作的复杂程度。同时在实际情况下，可燃气体泄漏情况是气体自由扩散至传感器使报警器产生响应，这意味着检定校准过程与实际情况存在差异，这可能会对测试结果产生一定的影响。

1.3 进样装置

基于以上影响因素，本文提出了针对扩散式可燃气体检测报警器检定校准工作用的扩散罩。

根据使用方式，扩散式可燃气体检测报警器分为固定式和便携式。

针对便携扩散式可燃气体检测报警器，因其体积小，可以将其放入已经充满标准气体的扩散罩内（如图2），使标准体能够通过自由扩散的方式接触到传感器。使用扩散罩除了能够营造气体自由扩散的环境，让报警器的检测过程更符合实际情况，还可扩大扩散罩的尺寸以达到一次性完成多个便携扩散式气体报警器检测工作的目的，从而一定程度上提高检定校准工作的效率。

图2 便携扩散式可燃气体检测报警器扩散罩

固定扩散式可燃气体检测报警器，由传感器部分和显示部分组成，因此，可以用扩散罩将传感器部分单独笼罩（如图3），只需注意传感器与扩散罩之间接触的气密性材料能够保持良好的密封性，保证扩散罩内的标准气体浓度。由于固定扩散式可燃气体检测报警器所处环境相对恶劣，经常会出现探头的防尘网布满灰尘或者生锈等情况，传感器的透气性变差，环境中泄漏的可燃气体很难被传感器检测到。若使用标定罩对传感器强行通气，则会导致检定校准结果出现严重偏差，因此，对固定扩散式可燃气体检测报警器的检定校准中使用扩散罩更为重要。同样，该扩散罩也可以在一定程度上做到一次性完成多个报警器的检测工作。

图3 固定扩散式可燃气体检测报警器扩散罩

扩散罩的设计和使用要求：1）需要保证其气密性，所使用的材料要求不与标准气体发生反应或吸附作用，保证扩散罩内的标准气体浓度保持不变。2）因需模拟实际大气环境，扩散罩内部的气体压强应与大气环境的压强保持一致。在将标准气体通入扩散罩时，应当充分考虑通气流量大小的合理性以避免影响扩散罩内压强大小。3）扩散罩内部标准气体浓度大小可以利用内置的吸入式可燃气体分析仪进行监测，或利用外置吸入式可燃气体分析仪循环式监测（吸入式可燃气体分析仪器的泵流量大小应尽可能小，以减少扩散罩内部气体扰动）。吸入式可燃气体分析仪在使用前应用标准气体对其进行标定和记录示值，分析仪器的分辨力应能达到0.01%。

2 结语

可燃气体检测报警器作为安全防护的第一道防线在工业安全生产方面的作用越来越大，因此，如何更加科学准确地对可燃气体检测报警器进行检定校准工作也变得越来越重要[7][8]。本文所设计的扩散罩能够为气体提供自由扩散的环境，消除标准气体流量和标定罩对示值的影响，同时也能够统一工作方式，消除工作方式不同带来的误差。