一种用于气体检测仪计量的集中供气装置

董亮华 耿彦红 王瑞 徐春/苏州市计量测试院

0 引言

气体检测报警仪（分析仪）的计量过程需将气体标准物质输送至被测仪器，气体标准物质以高压状态保存在铝合金气瓶内，目前，实验室通常在铝合金气瓶上安装减压阀后连接流量计，并用聚四氟乙烯管使流量计与被测仪器连接，进行计量工作[1-2]。但由于气体标准物质种类繁多，如一氧化碳、硫化氢、二氧化硫、甲烷和氧气等，按检定规程要求一般需测量2～3个浓度点，结合不同规格的被测仪器，通常每天会使用20～30 瓶左右的气体标准物质。为了便于工作，气瓶通常会装好减压阀待用，放置于通风橱边的地面、桌面等，比较散乱且存在易被撞倒的风险。气瓶倾倒带来的危险长期被低估，往往认为仅限于砸伤人员，实际的危险不止于此，最危险的为倾倒后瓶阀破裂，瓶中气体喷出伤人。如果为可燃气体，高速喷出时产生的静电即有可能引爆；如果为有毒和窒息性气体同样会造成人身伤害。同时，高速喷射气体带来的反作用力会使气瓶反向飞出，其力量巨大，往往造成严重的二次事故[3-4]。同时，工作时不停地寻找所需的气瓶也比较费时且工作效率低，不停地将气瓶从通风橱内取出、放进更是增加了劳动量和碰撞风险，故需要一种集中供气装置来解决目前计量工作中气瓶易碰撞、气体易泄漏的安全隐患，以及散乱的工作环境和重复劳动等问题，并且这种集中供气装置的测量能力应与传统方式水平保持一致。

1 集中供气装置的结构与功能验证

1.1 集中供气装置的结构

集中供气装置（以下简称装置）主要为优化高使用频率的气瓶在实际工作中存在的上述问题。装置设计了20个通道，每一种气体标准物质气瓶都有独立的供气通道，避免气体间交叉干扰。装置整体结构见图1、图2，包含气瓶箱，内含20个气体标准物质气瓶并设有排风管；20组压力调节组件由高压表、低压表和减压阀组成；20组流量调节组件由针阀、浮子流量计和球阀组成，安装在通风橱内部，试验后的废气可由通风橱排至废气集中处理装置。

图1 装置整体结构（正面）

图2 装置整体结构（背面）

单通道结构如图3所示，操作过程：1）打开气体标准物质气瓶顶部开关，高压表显示气瓶内剩余气体压力；2）调节减压阀至低压表显示0.1 MPa；3）调节针阀至浮子流量计的浮子处于适当位置，调节浮子流量计旋钮至被测仪器所需要流量；4）通过控制最后端球阀（开关阀）的通断来实现该通道内气体流量的通断，以达到计量时各测量点的多次测量。

图3 单通道结构

装置各部件均采用无吸附材料，以适应常规有毒气体标准物质，如硫化氢、二氧化硫、一氧化碳等，建议使用BA级不锈钢SS-316L材料，管道内壁需抛光，管道与阀件的连接方式宜采用双金属卡套接头连接，便于阀件的更换和维修[5]。

1.2 装置的功能验证

目的：确认集中供气方式的可行性。

方案：同一人员对同一台被测仪器，用相同气体标准物质，所用的减压阀和浮子流量计均采用相同型号设备，比较采用传统的方法和用集中供气的方式得到的测量数据。

传统的方法是在气体标准物质气瓶安装减压阀后通过气体软管连接浮子流量计，流量计再通过气体软管连接被测仪器，通过调节浮子流量计的旋钮实现流量的控制并进行计量。两种供气方式区别在于气体管路，传统的方式使用软性聚四氟乙烯材料，且气路较短，集中供气方式选择不锈钢材质，但气路更长且增加了针阀与球阀控制部件。

被测仪器选取有代表性的仪器（吸入式），气体选取较常见的硫化氢气体和一氧化碳气体。

选用仪器型号为GWE4B ，采样方式为吸入式，测量范围为硫化氢气体：0～100 μmol/mol、一氧化碳气体：0 ～ 1 000 μmol/mol。

选用的标准气体为中国测试技术研究院生产的氮中硫化氢气体标准物质：49.9 μmol/mol，Urel=2%（k=3）和空气中一氧化碳气体标准物质：301 μmol/mol，Urel=1%（k=3）。

利用两种供气方法所得的测量数据见表1。

表1 测量数据 单位：μmol/mol

式中：x1——利用传统方法的测量值；

U1——利用传统方法所得结果的扩展不确定度；

x2——利用集中供气方法的测量值；

U2——利用集中供气方法测量结果的扩展不确定度

则硫化氢：En=0.1≤0.7，一氧化碳：En=0.3≤0.7。

根据En值比较数据结果，分析得出利用集中供气方式进行气体检测仪器的计量是可行的。

2 集中供气的优势

1）消除气瓶倾倒隐患。使用集中供气装置，气瓶安装固定在气瓶箱中，地面、桌面不再放置气瓶，消除了气瓶倾倒带来的危险，特别是高浓度可燃气体标准物质气瓶，即超过爆炸下限浓度的可燃气体及有毒有害气体标准物质气瓶倾倒带来的安全隐患，提高了实验室6S管理效率。

2）降低气体微泄漏风险。气瓶、减压阀随着使用年限的增加，两者连接处可能存在微泄漏的风险。采用集中供气装置，只需在气体满瓶时安装在气瓶箱内，待使用至规定值时拆下再次充装即可，拆装仅两次，且气瓶箱内部设有排气系统，即使发生微泄漏，也能被及时排出。

3）提高工作效率、减少工作量。用传统方式计量时需要找到对应的气体标准物质气瓶后再放入通风橱内进行试验，完毕后再将气瓶归至原位，以待下次使用。但实验室人员较多，难以保证每个人使用后都能归至原位，所以较难寻找到气瓶。集中供气装置可将20瓶气体标准物质气瓶收纳在气瓶箱内，气瓶一旦被安装，在使用期限内一般不会拆除，只需在20个通道上做好对应气体标准物质种类和浓度的标识即可。如此，既解决问题，又节约了时间，提高了工作效率[6]。

4）测量扩散式仪器时降低了测量重复性。从装置功能验证的数据比较得出，利用集中供气方式所得测量数据重复性低于传统方式所得测量数据的重复性。这是由于利用传统方式每次测量完毕后会关闭浮子流量计，节约气体标准物质，待下一次测量时再打开浮子流量计，多次测量时气体流量会有略微差异，进气流量不同，传感器响应同样有差异。而利用集中供气方式每次测量完毕后只关闭球阀，在球阀前端用于调节流量的针阀和浮子流量计旋钮均不改变原调节参数，故多次测量时通气流量一致性较好[7-8]。

3 结语

随着企业对安全生产和产品质量要求的提高，气体分析仪/报警器的应用也逐渐增多，计量技术机构使用的气体标准物质气瓶的数量和种类也在不断增加。近几年，实验室使用集中供气系统是一种新的发展方向，采用品质合格的集中供气设备，辅以规范、严格的管理措施，是提升实验室安全的有效措施。