Features of metrological support for photocolorimetric gas analyzers

Abstract

The paper considers measurement assurance of gas analysis measurements, bump-testing of gas analyzers, element-equivalent method of checking photocolorimetric gas analyzers. The principle of verification of photocolorimetric gas analyzer is shown on the example of the calibration of the detector SFG-M.

Full Text

Среди аппаратурных средств и методов контроля и анализа природной среды доминируют газоаналитические измерения. Для газоаналитических измерений, как важного раздела экопромышленного мониторинга, характерна проблематика задач разработки и совершенствования средств и методов контроля и анализа природной среды. Для подобной измерительной техники традиционно актуальна проблема разработки и создания соответствующего аппаратурного обеспечения. Однако для газоаналитических измерений существует соизмеримая по значимости и актуальности проблема разработки и совершенствования средств и методов метрологического обеспечения. Это определено, прежде всего, спецификой физико-химической сущности самих газоаналитических измерений. В последние годы имеет место значительное улучшение эксплуатационных характеристик газоаналитических приборов, используемых для контроля взрывоопасных и токсичных соединений в воздухе рабочей зоны. В ряде стран проблеме поверки газоанализаторов в процессе эксплуатации уже давно уделяется повышенное внимание. Например, в 2004 году в документах Департамента труда США была изложена позиция Международной ассоциации оборудования безопасности (ISEA). В соответствии с этим документом в течение первых 10 дней применения газоанализатора проверка его работоспособности должна производиться ежедневно перед началом работы. Затем при положительных результатах допускается проводить проверку один раз в месяц. Многие зарубежные предприятия-изготовители в руководствах по эксплуатации рекомендуют проводить экспресс-тестирование (bump-test) переносного газоанализатора перед каждым его использованием и поставляют устройства и смеси для проведения такой проверки. В большинстве случаев bump-test определяется как подача на прибор газо- или паровоздушной смеси с известной концентрацией целевого компонента и сравнение показаний газоанализатора с подаваемой концентрацией. Как правило, концентрация целевого компонента выбирается больше порогового значения, при котором срабатывает сигнализация. Таким образом, проверяется работоспособность прибора в целом. Обычно для градуировки, поверки и проверки работоспособности газоаналитического оборудования используются баллоны с поверочными газовыми смесями (ПГС) под давлением. Поверочные газовые смеси получают путем смешения чистых исходных газов в заданных соотношениях. ПГС предназначены для градуировки, аттестации и поверки средств измерений содержания компонентов в газовых средах, аттестации методик выполнения измерений, а также для контроля правильности результатов измерений, выполняемых по стандартизованным методикам. Большинство зарубежных фирм-изготовителей для проведения “bump-test” применяет ПГС в облегченных металлопластиковых и алюминиевые баллонах небольшого объема (до 2 л) и баллонах со специальным покрытием для хранения смесей коррозионных газов с воздухом. Однако в нашей стране не следует ожидать широкого распространения баллонов для рутинной проверки из-за их высокой стоимости, ограничений, связанных с почтовой пересылкой сосудов под давлением. Таким образом, с позиций физико-технической сущности газоаналитических измерений, существует аппаратурная сложность, низкая рентабельность и конструктивная ограниченность базового промышленного метода метрологической аттестации на поверочных газовых смесях, что указывает на правомерность поиска оптимальных средств и методов. Создание прибора и методики метрологической аттестации газоанализаторов систем контроля природной среды, исключающего в собственной конструкции применение поверочных газовых смесей, является востребованной задачей. Особенностью фотоколориметрических газоанализаторов является проведение поверки газоанализаторов на месте эксплуатации без применения газовых смесей. Применительно для фотоколориметрических газоанализаторов разработаны и изготовлены метрологические устройства, исключающие в собственной конструкции газоанализатора процессы информационного газодинамического преобразования. Для различных видов фотоколориметрических газоанализаторов (ленточных, порошковых) используются различные устройства, имитирующие изменение концентрации газа. Так, для фотоколориметрических ленточных газоанализаторов СФГ-М, ИФГ-М средством поверки служит специальный набор светофильтров (СНС), имитирующий изменение коэффициента пропускания индикаторной ленты при поэлементной поверке газоанализаторов. СНС представляет собой оптическое приспособление, устанавливаемое в измерительный преобразователь блока фотоприёмника газоанализатора взамен индикаторной ленты - преобразователя ленточного кассетного (ПЛК). Газоанализаторы допускают поверку в эксплуатации с использованием в качестве образцового средства оптического эквивалента поверочных газовых смесей, при этом погрешность определения эквивалентных концентраций не должна превышать 5%. В состав поверочного приспособления (рисунок 1), помимо СНС, входят два имитатора ПЛК (ИПЛК). Имитаторы ИПЛК-2 и ИПЛК-6 заменяют ПЛК и необходимы для запуска соответствующей программы газоанализатора при его поверке, штрих-коды ИПЛК-2 и ИПЛК-6 идентичны штрих-кодам ПЛК-2 и ПЛК-6. Комплект СНС является эквивалентом концентраций NO2 при работе на длине волны 464 нм (ИПЛК-2) и концентрации H2S на длине волны 570 нм (ИПЛК-6). СНС ИПЛК-2 ИПЛК-6 Рисунок 1. Состав поверочного приспособления СНС выполнен в виде пластины из нержавеющей стали с четырьмя оптическими окошками. В окошки 2, 3, 4 (номера отверстий выбиты на боковой поверхности пластины) установлены светофильтры, оптическая плотность которых повышается с увеличением номера светофильтра (оптического окошка). Габаритные размеры СНС - 70x22x2,5 мм, диаметр окошка - 9 мм, масса не более 30 г. Порядок имитации загазованности измеряемыми компонентами с помощью комплектов СНС-ИФГ представлен на рисунке 2. Рисунок 2. Принцип работы комплекта СНС-ИФГ Для имитации загазованности одним из продуктов следует перед включением прибора установить на опознаватель кассету с этикетками, соответствующему этому продукту так, как показано на приведенном рисунке и зафиксировать ее, опустив прижим. В зазор между осветителем и его упором ввести пластину СНС-ИФГ так, чтобы выступ осветителя вошел в отверстие под № 1. Принцип работы комплектов СНС-ИФГ состоит в следующем: при последовательной установке в оптический канал газоанализатора двух светофильтров с разными коэффициентами пропускания разница коэффициентов пропускания светофильтров имитирует изменение коэффициента пропускания индикаторной ленты при её экспонировании. При этом светофильтр 2 имитирует неэкспонированную индикаторную ленту. Переход со светофильтра 2 на светофильтр 3 или 4 имитирует экспонирование индикаторной ленты. Окошко 1 без светофильтра служит для самодиагностики газоанализатора. Методика поверки сводится к выявлению эквивалентных концентраций. Выполняя операции поверки, проводят 10 циклов определения эквивалентных концентраций (СЭ1 и СЭ2) ПДК с получением их усреднённых значений и после десятого цикла и вычисляют значения погрешностей (σЭ1, σЭ2) определения эквивалентных концентраций по формулам: , (1) , (2) где СЭ1П, СЭ2П - паспортные значения эквивалентных концентраций, ПДК. Результат поверки считается положительным, если значения σЭ1, σЭ2, вычисленные по формулам (1) и (2), не превышают ±5%. Необходимо отметить, что газоанализатор СФГ-М является также удачным примером решения не менее важных для газоаналитических систем безопасности задач по пространственному распределению компонентов и их интеграции в единую структуру. Существует два принципиально разных подхода к решению измерительных задач распределённых газоаналитических систем. Первый подход предполагает один малоинерционный многофункциональный газоанализатор, в который по пневмопроводу поочерёдно подаются пробы анализируемого газа со всех точек контроля. При втором подходе в каждой точке контроля устанавливают датчик, на выходе которого формируется электрический сигнал. Типовой газоанализатор подвергает усилению, нормированию, переводу в цифровой код выходной сигнал первичного измерительного преобразователя (ПИП). Техническим решением, позволяющим существенно упростить задачу метрологического обеспечения территориально разнесённых газоаналитических устройств системы, является отказ от проведения каких-либо настроечных операций по месту (в каждой точке контроля). Газоанализатор разбивается на две части: съёмную (аналитический преобразователь) и стационарную (системный преобразователь). При таком подходе в распределённой газоаналитической системе можно выделить следующие составные части: аналитический преобразователь, системный преобразователь, концентратор и блок управления, питания и сигнализации. С другой стороны, при массовом производстве одним из важных критериев является технологичность. С этой точки зрения, в газоанализатор в качестве сенсора аналитического преобразователя монтируются твердотельные сенсоры, т.е. выполненные по микроэлектронной технологии. Представляют интерес средства поверки и поверочные приспособления других фотоколориметрических газоанализаторов. Так, например, средство поверки фотоблока (СПФ) к фотоколориметрическому ленточному газоанализатору «Сирена М» предназначено для поверки фотоэлектрического преобразователя газоанализатора при выпуске из производства и на местах эксплуатации. Средство поверки СПФ представляет собой серую трехпольную шкалу плотностей отражения, изготовленную на гладкой тонкой глянцевой фотографической бумаге. Для градуировки и поверки фотоколориметрических порошковых промышленных стационарных газоанализаторов типа «Сирена» используют поверочные приспособления ПП, ПП 2, ПП 4. Принцип действия приспособления основан на отражении падающего излучения от поверхности цветных светофильтров, спектральные характеристики которых идентичны спектральным характеристикам индикаторных порошков в пределах спектральной области фотоблоков газоанализаторов «Сирена», «Сирена 2», «Сирена 4», «Сирена А». Приспособление состоит из цилиндра, неподвижно закрепленного на основании, и корпуса со светофильтром. В зависимости от расстояния между светофильтром приспособления и фотоблоком газоанализатора изменяется коэффициент отражения светофильтра, вследствие чего изменяется сопротивление фоторезистора, которое является выходным сигналом газоанализатора. Положение светофильтра относительно неподвижного цилиндра приспособления фиксируется с помощью мер длины, устанавливаемых под корпус со светофильтром. Таким образом, внедрение поэлементно-эквивалентного метода поверки фотоколориметрических газоанализаторов является решением проблемы метрологического обеспечения газоанализаторов. Целесообразность замены действующей системы метрологического обеспечения газоанализаторов на поверку поэлементно-эквивалентным методом с поверкой фотоблока с помощью поверочных эквивалентов оправдано сокращением времени поверки газоанализаторов на месте их эксплуатации и повышением точности поверки. Применение эквивалентно-поэлементных методов поддержания нормального функционирования фотоколориметрических газоанализаторов в процессе эксплуатации позволяет исключить необходимость использования аттестованных газовых смесей и в результате значительно увеличить метрологическую надежность приборов.