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品，它采用高精度傳感器作為檢測元件，當報警器探測到環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，控制器立即發出聲光報警，同時可啟動排風裝置或關閉電磁閥切斷氣源，以達到安全之目的。

目前國內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國家現行的計量檢定規程進行，但由于標準氣體、量值溯源等方面的技術問題，國內尚無氨氣報警器檢驗標準、規范、規程等，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年從國家安全監督管理總局立項，從事氨氣報警器技術條件和檢驗方法的研究，現已取得預期的成果。

1 國內氨氣報警器使用現狀及存在問題

1.1 使用量及行業分布

通過對國內14家企業在用的2 214臺有毒氣體報警器調查發現，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。隨著氨氣在制冷、化工等行業的使用日益增加，氨氣報警器的用量呈逐年上升的趨勢。

1.2 國內氨氣報警器校準存在的問題

項目組查閱了國外的相關資料，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的規范，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，多數企業的氨氣報警器疏于管理，無法保證其指示準確和報警及時，存在安全和職業危害隱患，其中主要原因有以下幾方面：

(1)國內尚未頒布氨氣報警器檢驗標準、規范、規程，對氨報警器的技術指標缺乏具體規定；

(2)由于氨化學性質活潑，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造成較大的經濟負擔。

2 氨氣標準氣體的配制及量值溯源的研究

氨氣的化學性質比較活潑，極易與氧、水分、包裝容器材料發生反應而使濃度發生變化。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，研制出鋼瓶的內涂層技術，并已成功地投入生產。該技術有效地防止了活性氣體與鋼瓶內壁發生反應，使得氣體穩定性增大。我國上海、北京、大連等幾個著名的氣體公司借助國外技術，已開始此項技術的研究，但氣體的穩定性只限于半年，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，引進了法國TBT公司氣體混合裝置的設計原理，并根據檢測工作的實際特點和需要，開發了精密氣體混合裝置。通過與購買的有證標準物質實驗比對,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，重復性和穩定性均滿足校準要求。

(3)氨氣發生器法

目前，國內外的氨氣發生器供應商較多，產品性能不一，有些發生器發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現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換為電信號，再由顯示器將濃度值(摩爾分數)顯示出來。

項目組結合氨氣報警器的出廠性能指標以及歷年來對企業在用氨氣報警器的性能測試結果，參考國內其它有毒有害氣體報警器的檢定規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，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，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擊穿和飛弧現象，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定，則使用體積分數為滿量程80%的氣體進行檢查；然后在規定的流量下，分別通入體積分數為量程的20%、50%、80%左右的3個點的標準氣體，記錄穩定讀數值。重復3次，取算術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

通入體積分數為滿量程的50%的氣體，待示值穩定后記錄讀數Ai,重復檢測6次，按式(2)計算單次測量結果的相對標準偏差，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。

4.5 響應時間

通入零點氣體校正儀器的零點，然后按儀器規定的流量要求通入體積分數為滿量程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定值90%所需的時間，重復測定3次，取算術平均值作為儀器的響應時間。

4.6 報警誤差

使用體積分數比報警設置點高20%左右的標準氣體進行測試，記錄儀器發出警報時的濃度，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次發出警報時的濃度最大值，i為檢驗點的序號；

Aa0——報警設置值。

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

定指示值Az0,再通入體積分數為滿量程80%左右的氣體，記錄穩定指示值As0。對電池供電的儀器，每隔15 min重復上述步驟一次，連續檢測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4 h，分別記錄儀器的穩定指示值Azi、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 結語

近年來，氨氣報警器的使用數量不斷增多，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程和校準方法，此項工作的研究將有力地促進國家有關計量行政部門組織起草氨氣報警器的檢定規程的進程，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].