热导式气体分析器校准方法

张昕 叶泓 / 上海市计量测试技术研究院

热导式气体分析器校准方法

张昕 叶泓 / 上海市计量测试技术研究院

提出了针对不同种类气体含量分析的热导式气体分析器校准方法。使用该校准方法对不同型号的分析器进行了校准实验，并对校准结果进行了不确定度评定。研究结果表明，该校准方法适用于不同种类气体热导式气体分析器的校准，能够实现对热导式气体分析器示值误差、重复性、响应时间等主要测量性能的综合评价。

热导式气体分析器；校准方法；示值误差；重复性；不确定度

0 引言

目前热导式气体分析器在国内使用相当普遍，在化工、电力和环境监测等领域都有广泛应用。JJG 663-1990《热导式氢分析器》自施行日起已有26年，且只适用于热导式氢分析器。目前采用热导式原理进行气体分析的仪器已不仅仅是氢气，也可以是氩气、氧气、二氧化硫、二氧化碳等气体，而检定规程JJG 663-1990不适用于使用这些气体的分析器。随着科学技术的发展，仪器制造水平日益提高，检定规程中对仪器噪声和预热时间的要求与现有仪器的制造水平已不相适应。例如，仪器本身在开机后有自检查和预热功能，无需额外的预热时间。仪器的气密性检查复杂且难以控制，通过流量控制器可以更好地控制仪器流量，以避免气密性的问题。因此，必须探索新的热导式气体分析器校准方法。

1 热导式气体分析器原理及特点

热导式气体分析器是基于被检测气体与参比气体具有不同的导热率及混合气体的导热率随其组分含量变化而不同的这一物理特性，通过测定气体的导热率可以确定被测气体的含量，并以浓度值显示出来。在工业生产中，热导式气体分析器的应用范围十分广泛，除了通常用来分析H2、Ar、O2、SO2、CO2等气体外，还经常被用作色谱分析仪中的检测器来分析其他成分。

表1 几种气体在20 ℃时的相对（空气）热导率

热导传感器是最早用于气体检测的气体传感器，具有如下优点：

1）检测范围大，最高检测浓度可达100%。

2）工作稳定性好，使用寿命长，不存在触媒老化问题，具有较高的稳定性和可靠性。

3）具有“广谱”性，可以检测几乎所有气体，既可以检测可燃性气体，也可以检测惰性气体，而且在被测环境中有氧或无氧的情况下都可以实现气体浓度的检测。

2 校准方法

2.1 校准条件

2.1.1 校准环境条件

环境温度：10～30 ℃；相对湿度：≤85%。

2.1.2 校准用设备

2.1.2.1 气体标准物质

应采用与被检测气体和参比气体成分相同的气体标准物质（以下简称标准气体），其相对扩展不确定度应不大于2.0%（k= 2）。

2.1.2.2 零点气体

应采用与参比气体相同的气体（纯度≥99.999%）。

2.1.3 秒表

分辨力优于0.1 s。

2.1.4 流量控制器

气体流量计：测量范围0～2 000 mL/min，准确度等级不低于4级。

2.2 仪器调整

按照仪器使用说明书的要求对仪器进行预热稳定以及零点和示值的调整。

按图1所示连接标准气体、流量控制器和被校准仪器。根据被校准仪器采样方式的不同，在校准泵吸式分析器时必须使用流量控制器控制标准气体的流量，保证流量控制器中的旁通流量计有流量放空。在校准分析器时应根据仪器说明书的要求调节流量，如果仪器说明书没有明确要求，则气体流量一般控制在500 mL/min±50 mL/min范围。

图1 仪器校准方框图

2.3 示值误差

依次通入浓度约为量程20%、50%和80%的标准气体，待示值稳定后记录仪器的显示值。重复测量3次，按式（1）计算仪器各浓度点的示值误差，取绝对值最大的作为仪器的示值误差。

As— 标准气体的浓度值；

R — 仪器的量程

2.4 重复性

通入浓度约为量程50%的标准气体，待示值稳定后记录仪器显示值Ai，然后通入零点气，待示值稳定后再通入上述同样浓度的标准气体。重复测量6次，重复性以单次测量的相对标准偏差来表示。按式（2）计算仪器的相对重复性sr。

2.5 响应时间

通入浓度约为量程50%的标准气体，待仪器示值稳定后记录仪器示值，然后通入零点气，待示值稳定后再通入上述同样浓度的标准气体，同时启动秒表开始计时。当仪器示值达到上一次稳定值的90%时停止计时，记录此时间。重复测量3次，取3次时间的算术平均值作为仪器的响应时间。

3 不确定度评定

3.1 测量模型

见式（1）。

3.2 标准不确定度分量评定

选择一台常规量程为 0～100%的热导式气体分析器进行校准。根据实验数据可分别得到20%、50%和80%浓度测试点实验标准偏差平均值的实验标准差（见表2），s为单次实验标准偏差。

2）标准不确定度u（As）的评定

输入量As的不确定度主要来源于标准气体浓度定值的不确定度。标准气体定值的相对扩展不确定度Urel= 2.0%（k= 2），则由标准气体产生的相对标准不确定度为1.0%。由此可以算出20%、50%和80%浓度标准气体的浓度标准不确定度，见表2。

3.3 合成标准不确定度的评定

3.3.1 灵敏系数

式中：R —— 量程上限（R= 100%）

3.3.2 标准不确定度汇总表

输入量的标准不确定度汇总于表2。

表2 标准不确定度汇总

3.3.3 合成标准不确定度的计算

不确定度可按下式得到：

3.4 扩展不确定度的评定

3.5 不确定度评定结果

表3 不确定度评定结果

该台常规热导式气体分析器示值的最大允许误差为±5%FS，大于示值误差校准结果扩展不确定度的3倍，因此校准方法合理。

4 校准方法适应性评价

将本文提出的校准方法在测量不同气体的仪器上进行了实际应用，试验结果见表4。

表4 仪器校准结果数据

热导式气体分析器的最大允许误差一般为±5%FS。从表4数据可以看出，对于各种不同型号、不同分析气体的热导式气体分析器，本校准方法都合理有效。

5 校准方法讨论

为有效减小随机误差和保证校准顺利进行，校准过程中应注意以下事项：

1）校准过程必须做好仪器的调整，注意气体流量的控制，过程中应保持气体流量稳定不变，这样才能最佳地反应出分析器的性能。

2）必须采用与被检测气体和参比气体成分相同的标准气体，因为热导式气体分析器是根据相对热导率来分析校准气体的，不同的气体物质可能带来干扰，影响仪器示值。

3）虽然JJG 663-1990取消了对仪器预热时间的要求，但对一些生产日期较早的老式分析器需要较长的预热稳定时间才能更准确地得到分析器的计量特性。这需要根据仪器的说明书来具体操作。

4）部分热导式分析器存在着准确度差的缺陷，读数可能会产生较大的示值误差。所以对某些准确度较低的仪器，必须待仪器示值完全稳定后再读数，这样能减少示值波动的影响。

6 结语

本文提出了对热导式气体分析器的校准方法。在实际的试验中，参照该校准方法对市场上不同型号、测量不同气体的分析器进行了试验。试验结果表明，该校准方法可以对不同种类气体的热导式气体分析器进行校准，同时其简便实用，可操作性强，科学可靠，能够实现对热导式气体分析器的示值误差、重复性、响应时间的综合评价。本文为开展对热导式气体分析器的检定及校准工作提供了技术基础。

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［6］ 上海市技术监督局.JJG 663-1990 热导式氢分析器检定规程［S］.北京：中国计量出版社，1990.

Calibration method of thermal conductivity gas analyzers

Zhang Xin， Ye Hong
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

The calibration methods of thermal conductivity gas analyzers which are used for analyzing different kinds of gas content are proposed in the paper.The calibration experiments for different models of thermal conductivity gas analyzers are conducted.The calibration uncertainty is evaluated.Research results indicate that the calibration methods are suitable for various thermal conductivity gas analyzers of different kinds of gas， and can realize comprehensive assessment of main measurement characteristics such as indication error， repeatability and reponse time.

thermal conductivity gas analyzer； calibration method；indication error； repeatability； uncertainty