MX606气体稀释仪

张庆海，贾连国，李高沪，薛海玲

(北京明尼克分析仪器设备中心，北京 101200)

1 前 言

随着科技的发展，气体稀释仪在各行各业中应用越来越多，其给实验室的工作、仪器校验等带来便利，故行业中对气体稀释仪需求量也越来越大。气体稀释仪主要适用于配制以不同底气或零气为平衡气的10-6级的多组分的标准气、混合气。可用于气体检测设备厂家、计量、环保、气体分析、石油化工、高校、医药卫生、实验室及煤矿等部门检定气体分析仪和报警器而配制的低浓度标准气及混合气。由于国内还没有出台相关气体稀释仪的检测标准，参照JJG 693—2011《可燃气体检测报警器检定规程》、GB/T 10628—2008《气体分析 校准混合气组成的测定和校验 比较法》及GB/T 25472—2010《分析仪器质量检验规则》规范来对MX606气体稀释仪的性能进行考核。

2 工作原理

MX606气体稀释仪根据质量流量混合法，通过精准控制质量流速进入三通气体混合室，在微处理器控制下实现全自动智能数字化配气。MX606气体稀释仪的核心部件是一种质量可靠、高精度及高分辨率的气体稀释系统。使用多个质量流量控制器准确控制流量(MFC)，可动态稀释高浓度气体标准样品成为所需低浓度标准及混合样品，也可单独控制每路输出流量，从而实现各种浓度的配比。MX606稀释仪可将实验室检测范围从常量扩大到微量，具有一机多用的功能，彻底解决了一般气体稀释设备只适用于有固定输出压力的瓶装压缩气体及不适用于那些检测范围是微量或痕量的问题。

3 MX606主要特点

图1为MX606气体稀释仪图，仪器配备7in(注：1in=25.4 mm)触摸屏，方便用户操作；无需人工计算，操作方便；稀释比例大，精度高；流量计无需校准，开机自动调零；采用钝化处理管路及接头防止样品吸附或腐蚀；可以多气路进行稀释,最多7个气路；气体流速稳定，质量流量混配制；内有混匀功能，气体混配均匀；多组分稀释功能。

图1 MX606气体稀释仪Fig.1 MX606 instrument of gas dilution

4 仪器技术指标

稀释气：0～2 L/min(可选10 L、20 L)二路/多路流量控制；源气：0～100 mL/min；精度：±1.0% S.P.；稀释比例：2:1～401:1(标准)；流量重复性：<0.5%；自动调零：自动调整MFC的零点；配制不确定度：≤1.7%。

5 MX606气体稀释仪性能考查

5.1 MX606计量特性要求

根据计量特性要求，参照如下的各项指标来考查MX606气体稀释仪的线性、重复性、匀均性及稳定性是否符合要求。

5.1.1测量范围

流量测量范围：5～10 000 mL/min；稀释比例范围：0%～100%。

5.1.2示值误差

用于稀释气和样品气的流量控制器(MFC控流范围10%～100% FS)流量误差不超过±2%、稀释比例最大允许误差不超过±3%、(稀释比误差)稀释后气体浓度量值最大允许误差不超过±5%，三者满足其一即可。

5.1.3重复性考查

流量控制重复性相对标准偏差不大于0.5%；稀释比重复性相对标准偏差不大于0.5%；稀释后浓度值重复性相对标准偏差不大于1%。三者满足其一即可。

5.1.4稳定性

稀释浓度稳定性，在1 h内，测量流速的重现性不超过1%。

5.2 MX606气体稀释仪性能考查

5.2.1示值误差考查

仪器通电预热稳定后，设定一定的工作压力，通入高纯氮气，例如设定A路流量控制器(MFC)分别约满量程10%，20%，40%，60%，80%，流量控制点FAi，在控制器出口处接入标准流量计。测量并记录标准流量计稳定示值。每点连续测量3次，3次的平均值为流量测量值FAi0。按照相同的方法对B路流量控制器的流量进行设定和测量。按(1)式计算流量误差。

(1)

式中，A路流量控制器的设定值，FAi；A路流量控制器的流量测量值，FAi0，i=1，2，3，4，5，分别指满量程约10%，20%，40%，60%，80%的流量控制点。

选择流量来考查仪器的示值及线性误差，如表1所示。

表1 不同流量刻度测量结果Table 1 Test results of different flow scale

从表1看出线性偏差最大为0.61%、示值误差最大为0.30%，然而仪器控制示值误差为±2%，从图2也可以直观的看到MX606气体稀释仪线性曲线非常好，相关系数接近1，示值误差也小于控制示值误差，说明稀释仪在量程范围内流速稳定。

图2 设定与测量结果的线性曲线

5.2.2重复性考查

使用重复性来考查气体稀释后的数据是否稳定，利用重复性也能看出所制备标准物质、混合气体是否均匀。可以使用如下三种方法对稀释仪进行重复考核：

1.流量控制重复性

设定每个流量控制器(MFC)约为满量程60%的流量控制点，用标准流量计测量其稳定流量值，重复设定并测量6次，按式(2)计算流量的重复性。

(2)

式中,流量的重复性，Sr；流量测量值，Fi；6次测量值

2.稀释比例重复性

设定约为60%稀释比例进行稀释，并计算测量稀释比例，重复设定并计算6次，按式(3)计算稀释比的重复性。

(3)

3.稀释浓度重复性

设定约为60%稀释比例进行稀释，并对稀释后气体浓度进行分析，重复设定并分析6次，按式(4)计算稀释浓度的重复性。

(4)

实验采用第三种方法考核MX606气体稀释仪的重复性、稳定性，使用CH499.84×10-6-He标准物质，设定含量为CH49.824×10-6-He进行考核，用PDHID分析仪进行分析考核，平行进样6次后测定数据的变化，并读取数值，分析数据如表2。

从表2稀释后的含量变化情况可以看出稀释仪的相对标准偏差为0.38%，小于控制标准指标1%，说明气体稀释仪重复性、均匀性较好，符合控制技术指标要求。

表2 设定流速与实际测量结果Table 2 Test results at setting speed

5.3 MX606稀释仪稀释稳定性的考查

实验采用两种模式对MX606气体稀释仪稀释稳定性进行考查，包括稀释后气体的短时间与长时间(1 a内)稳定性考查。

5.3.1短期考查

将CH499.84×10-6-He作为标准物质和高纯氦气作为稀释气，设定CH49.824×10-6-He为源气，流量100 mL/min、稀释气900 mL/min处进行考核，对标准气体、混合气体稀释后的含量在1 h内，每隔10 min读取数据，对数据进行分析来检测稀释仪给出的稀释气是否稳定、均匀，结果如表3。

从表3可以看出稀释仪的相对标准偏差只有0.34%，小于控制指标重现性1%，说明MX606气体稀释仪性能稳定，能够得到均匀而稳定的标准、混合气体。

表3 短时间的稀释气体含量的分析结果Table 3 Test results of dilution gas content in short time

5.3.2长期考查

从2020年1月开始考核此稀释仪在1 a内是否能给出稳定可靠的数据，表4是1 a内稀释CH49.824×10-6-He的标准气，设定流速约为1000 mL/min进行不同时间内的数据分析，结果如表4。

表4 1 a气体稀释仪稀释结果Table 4 One year dilution result of gas diluter

5.3.3稀释仪稳定性及1 a内有效期的考查

稳定性是考核稀释仪制备出的气体标准物质量值在相当一段时间内的变化情况，对MX606气体稀释仪在12个月时间内进行了6次分析，对稀释仪进行性能评估，表6为t分布计算结果。在评价过程中，自由度为n-2=4，置信水平为p=0.95(95%)的显著水平下，t检验的临界值等于2.78。评价条件：若|b1|t0.95，n-2×S(b1)，此稀释仪的均匀性和稳定性不好。根据以上公式，得出均匀性的实验结果见表5。

表5 稀释仪稳定性实验结果(10-6)Table 5 Experimental results of diluter stability(10-6)

表5的实验结果表明：MX606气体稀释仪稳定性变化为0.24%，可以看到b1

5.4 MX606气体稀释仪不确定度的考查

采用线性误差、仪器进行1 a的稳定性及稀释所用国家有证气体标准物质浓度Cs进行评估，当所稀释样品的浓度与标准物质浓度相近时可以忽略稀释仪的线性影响。

不确定度按式(5)评定：

uc2=u12+u22+u32

(5)

式中，u1、u2、u3分别为线性产生的误差。

1 a内稀释仪的仪器稳定性如式(6)，国家有证气体标准物质(He/CH4)即有证标物重复性的标准不确定度如式(7)。不确定度分量的评定如下：

1.不确定度u1

2.不确定度u2

稀释仪在使用1 a内分析相对标准偏差所贡献的不确定度u2，忽略分析仪分辨力、线性影响，仅考虑浓度信号测量重复性引入的标准不确定度u2。

(6)

3.不确定度u3

国家有证气体标准物质引入的扩展不确定度u3，忽略分析仪分辨力、线性影响，仅考虑浓度重复性引入的标准不确定度u3。

(7)

式中，国家有证气体标准物质扩展不确定度，Us；包含因子，k。

4.合成标准不确定度uc

(8)

5.扩展不确定度Uc

Uc=k×uc，k=2

(9)

5.5 不确定度合成

稀释仪的线性偏差u1如表1，加上本次稀释仪1 a的稳定性的相对标准偏差u2如表4，如用标准气体可将此标准物质的不确定度u3加和，结果如表6。

表6 不确定度分项结果Table 6 Partial results of uncertainty

从表6的数据可以看到，稀释仪的合成相对标准扩展不确定度为1.7%，说明MX606气体稀释仪配制出的标准气及混合气1 a内质量稳定、可靠。

5.6 比对验证

随机抽取一台MX606气体稀释仪送国家计量院进行校验及比对验证。表7、图3所示为中国计量科学研究院对送检的稀释仪进行的不同流速及相关技术指标的检测结果。

表7 计量院校验结果Table 7 Calibration results of National Institute of Metrology

图3 计量院校验线性曲线图

图3为国家计量院给出的线性方程：Y=0.9824X+2.151，R2=0.9999；重线性：0.21%；国家计量院测量结果不确定度：Urel=1.6%(k=2)。图2、表6是对稀释仪进行相关数据的线性及不确定合成的性能指标，不确定度为1.7%,小于2%不确定度，重现性0.38%，表7和表6对比可以看出，我司与计量院给出的结果相一致，符合第5.1节要求的技术指标，说明MX606气体稀释仪制备标准物质和混合物质质量、量值可靠、数值稳定、重复性好。

6 气体稀释仪的操作注意事项

1.标准气体的输入压力通常调节至35～40 psig(注：1 psig=6.89 kPa)。2.稀释气体的输入压力通常调节至35～40 psig。3.仪器使用时要提前进行预热，达到开机时间方可进行操作。4.注意气体之间兼容性，不兼容禁止操作。5.对于硫化物等标准气体在制备后要静置平衡45 min以上。6.将有毒气体排放到室外需要进行尾气处理。7.有毒气体要进行回收，进行回收时要查找及执行相关国家标准。8.有相关产品对应的处理方法后再进行操作。9.对于输入的稀释气体建议先经过滤除烃阱，以去除稀释气体中的干扰杂质。10.稀释结束后，必须关闭标准气瓶及稀释气的总阀，防止泄漏。11.瓶内气体要保持压力不小于0.05 MPa，始终将气瓶立式放置并固定。12.选择正确的气瓶减压器及管道材质。13.正确地关闭仪器。14.开启稀释仪之前要充分读懂操作说明，方可操作。15.气瓶存储要求执行《气瓶安全技术规程》。

7 总 结

通过系列实验数据考查了研制的MX606气体稀释仪相关指标，从各项考核指标的数据来看，MX606气体稀释仪达到了计量技术的相关标准。同时，国家计量院对本机型进行的验证数据与本公司的不确定度计算结果基本一致，也说明此系列稀释仪符合计量技术相关标准，证明研制的MX606气体稀释仪性能稳定、可靠，可以达到稀释制备标准物质与混合气体的要求，满足分析、检测及鉴定的需要。