一種用于氣體檢測儀計量的集中供氣裝置

董亮華 耿彥紅 王瑞 徐春/蘇州市計量測試院

0 引言

氣體檢測報警儀（分析儀）的計量過程需將氣體標準物質輸送至被測儀器，氣體標準物質以高壓狀態保存在鋁合金氣瓶內，目前，實驗室通常在鋁合金氣瓶上安裝減壓閥后連接流量計，并用聚四氟乙烯管使流量計與被測儀器連接，進行計量工作[1-2]。但由于氣體標準物質種類繁多，如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、甲烷和氧氣等，按檢定規程要求一般需測量2～3個濃度點，結合不同規格的被測儀器，通常每天會使用20～30 瓶左右的氣體標準物質。為了便于工作，氣瓶通常會裝好減壓閥待用，放置于通風櫥邊的地面、桌面等，比較散亂且存在易被撞倒的風險。氣瓶傾倒帶來的危險長期被低估，往往認為僅限于砸傷人員，實際的危險不止于此，最危險的為傾倒后瓶閥破裂，瓶中氣體噴出傷人。如果為可燃氣體，高速噴出時產生的靜電即有可能引爆；如果為有毒和窒息性氣體同樣會造成人身傷害。同時，高速噴射氣體帶來的反作用力會使氣瓶反向飛出，其力量巨大，往往造成嚴重的二次事故[3-4]。同時，工作時不停地尋找所需的氣瓶也比較費時且工作效率低，不停地將氣瓶從通風櫥內取出、放進更是增加了勞動量和碰撞風險，故需要一種集中供氣裝置來解決目前計量工作中氣瓶易碰撞、氣體易泄漏的安全隱患，以及散亂的工作環境和重復勞動等問題，并且這種集中供氣裝置的測量能力應與傳統方式水平保持一致。

1 集中供氣裝置的結構與功能驗證

1.1 集中供氣裝置的結構

集中供氣裝置（以下簡稱裝置）主要為優化高使用頻率的氣瓶在實際工作中存在的上述問題。裝置設計了20個通道，每一種氣體標準物質氣瓶都有獨立的供氣通道，避免氣體間交叉干擾。裝置整體結構見圖1、圖2，包含氣瓶箱，內含20個氣體標準物質氣瓶并設有排風管；20組壓力調節組件由高壓表、低壓表和減壓閥組成；20組流量調節組件由針閥、浮子流量計和球閥組成，安裝在通風櫥內部，試驗后的廢氣可由通風櫥排至廢氣集中處理裝置。

圖1 裝置整體結構（正面）

圖2 裝置整體結構（背面）

單通道結構如圖3所示，操作過程：1）打開氣體標準物質氣瓶頂部開關，高壓表顯示氣瓶內剩余氣體壓力；2）調節減壓閥至低壓表顯示0.1 MPa；3）調節針閥至浮子流量計的浮子處于適當位置，調節浮子流量計旋鈕至被測儀器所需要流量；4）通過控制最后端球閥（開關閥）的通斷來實現該通道內氣體流量的通斷，以達到計量時各測量點的多次測量。

圖3 單通道結構

裝置各部件均采用無吸附材料，以適應常規有毒氣體標準物質，如硫化氫、二氧化硫、一氧化碳等，建議使用BA級不銹鋼SS-316L材料，管道內壁需拋光，管道與閥件的連接方式宜采用雙金屬卡套接頭連接，便于閥件的更換和維修[5]。

1.2 裝置的功能驗證

目的：確認集中供氣方式的可行性。

方案：同一人員對同一臺被測儀器，用相同氣體標準物質，所用的減壓閥和浮子流量計均采用相同型號設備，比較采用傳統的方法和用集中供氣的方式得到的測量數據。

傳統的方法是在氣體標準物質氣瓶安裝減壓閥后通過氣體軟管連接浮子流量計，流量計再通過氣體軟管連接被測儀器，通過調節浮子流量計的旋鈕實現流量的控制并進行計量。兩種供氣方式區別在于氣體管路，傳統的方式使用軟性聚四氟乙烯材料，且氣路較短，集中供氣方式選擇不銹鋼材質，但氣路更長且增加了針閥與球閥控制部件。

被測儀器選取有代表性的儀器（吸入式），氣體選取較常見的硫化氫氣體和一氧化碳氣體。

選用儀器型號為GWE4B ，采樣方式為吸入式，測量范圍為硫化氫氣體：0～100 μmol/mol、一氧化碳氣體：0 ～ 1 000 μmol/mol。

選用的標準氣體為中國測試技術研究院生產的氮中硫化氫氣體標準物質：49.9 μmol/mol，Urel=2%（k=3）和空氣中一氧化碳氣體標準物質：301 μmol/mol，Urel=1%（k=3）。

利用兩種供氣方法所得的測量數據見表1。

表1 測量數據 單位：μmol/mol

式中：x1——利用傳統方法的測量值；

U1——利用傳統方法所得結果的擴展不確定度；

x2——利用集中供氣方法的測量值；

U2——利用集中供氣方法測量結果的擴展不確定度

則硫化氫：En=0.1≤0.7，一氧化碳：En=0.3≤0.7。

根據En值比較數據結果，分析得出利用集中供氣方式進行氣體檢測儀器的計量是可行的。

2 集中供氣的優勢

1）消除氣瓶傾倒隱患。使用集中供氣裝置，氣瓶安裝固定在氣瓶箱中，地面、桌面不再放置氣瓶，消除了氣瓶傾倒帶來的危險，特別是高濃度可燃氣體標準物質氣瓶，即超過爆炸下限濃度的可燃氣體及有毒有害氣體標準物質氣瓶傾倒帶來的安全隱患，提高了實驗室6S管理效率。

2）降低氣體微泄漏風險。氣瓶、減壓閥隨著使用年限的增加，兩者連接處可能存在微泄漏的風險。采用集中供氣裝置，只需在氣體滿瓶時安裝在氣瓶箱內，待使用至規定值時拆下再次充裝即可，拆裝僅兩次，且氣瓶箱內部設有排氣系統，即使發生微泄漏，也能被及時排出。

3）提高工作效率、減少工作量。用傳統方式計量時需要找到對應的氣體標準物質氣瓶后再放入通風櫥內進行試驗，完畢后再將氣瓶歸至原位，以待下次使用。但實驗室人員較多，難以保證每個人使用后都能歸至原位，所以較難尋找到氣瓶。集中供氣裝置可將20瓶氣體標準物質氣瓶收納在氣瓶箱內，氣瓶一旦被安裝，在使用期限內一般不會拆除，只需在20個通道上做好對應氣體標準物質種類和濃度的標識即可。如此，既解決問題，又節約了時間，提高了工作效率[6]。

4）測量擴散式儀器時降低了測量重復性。從裝置功能驗證的數據比較得出，利用集中供氣方式所得測量數據重復性低于傳統方式所得測量數據的重復性。這是由于利用傳統方式每次測量完畢后會關閉浮子流量計，節約氣體標準物質，待下一次測量時再打開浮子流量計，多次測量時氣體流量會有略微差異，進氣流量不同，傳感器響應同樣有差異。而利用集中供氣方式每次測量完畢后只關閉球閥，在球閥前端用于調節流量的針閥和浮子流量計旋鈕均不改變原調節參數，故多次測量時通氣流量一致性較好[7-8]。

3 結語

隨著企業對安全生產和產品質量要求的提高，氣體分析儀/報警器的應用也逐漸增多，計量技術機構使用的氣體標準物質氣瓶的數量和種類也在不斷增加。近幾年，實驗室使用集中供氣系統是一種新的發展方向，采用品質合格的集中供氣設備，輔以規范、嚴格的管理措施，是提升實驗室安全的有效措施。