仪器校准

矿用红外二氧化碳传感器仪器校准方法探讨

作者:calibration    来源:未知    发布时间:2019-04-24 10:49    浏览量:
一、 仪器校准装置的设计方案
对于矿用二氧化碳传感器来说,量程通常为0~5.00%CO 2 ;报警点可调,出厂默认为 0.50%CO 2 ,我们需要对其示值误差、响应时间、重复性、报警功能、传输误差等参数进行仪器校准。1. 仪器校准所用的主要计量器具氮气中二氧化碳标准气体:气体的扩展不确定度不大于 3%;高纯氮气:纯度不低于 99.99%;流量计:0~600L/min;电子秒表:10ms~36000s;频率计:10Hz~2400MHz;声级计:(35~135)dB(A);钢卷尺:0~30m。
 
2. 仪器校准的环境条件
温度:15℃~35℃;湿度:35%RH~80%RH;大气压: (860~1060) hPa;周围无强磁场的干扰和震动,设备能良好接地。
 
3. 仪器校准方法
(1)示值误差
接通电源后,将仪器进行预热,预热时间不低于15min,然后按说明书流量将氮气和浓度为 2.50%CO 2 的二氧化碳标准气体通入传感器,对传感器的零点和示值进行调校。调校结束后,通入氮气,待示值稳定后,撤去氮气,依次通入浓度为 0.50%CO 2 、1.50%CO 2 、4.50%CO 2 的二氧化碳标准气体。待传感器示值稳定后,记录传感器显示值,重复测量 4次,取后 3 次的算术平均值作为仪器示值。按式(1)或式(2)计算仪器的示值误差。
 仪器校准
式中:Δx——示值误差,%CO 2 ; δ ——示值误差,%; ——3 次测量的平均值,%CO 2 ;x 0 ——通入标准气体的浓度值,%CO 2 ;R——仪器测量范围,%CO 2 。
 
(2)响应时间
仪器稳定后,通入浓度为 2.50%CO 2 的二氧化碳标准气体,读取传感器的稳定示值。随后通入氮气使传感器示值回零,再次通入浓度为 2.5%CO 2 的二氧化碳标准气体,并同时启动秒表,记录待测仪器示值升至第1 次示值的 90% 所用的时间。重复测量 3 次,取算术平均值作为仪器的响应时间。
 
(3)重复性
按规定流量,通入浓度为 2.50% CO 2 的二氧化碳标准气体,待读数稳定后,记录传感器的显示值x i 。在相同条件下,重复测量 6 次,以单次测量的相对标准偏差 s r 表示,并按式(3)进行计算。
 仪器校准
式中:s r ——单次测量的相对标准偏差; ——6次测量的算术平均值;x i ——传感器第 i 次的示值。
 
(4)报警功能
按 说明书要求,将传 感器的报 警点设置在0.50%CO 2 处,通入浓度为 0.70%CO 2 的二氧化碳标准气体,观察仪器的报警功能是否正常。将声级计放置在传感器前 1m 远,测量传感器报警时的声级强度,重复测量 3 次,取 3 次测量的平均值作为仪器的报警声级强度。
 
(5)信号传输误差
按说明书规定的电压,用直流稳压电源为其供电,将仿真电路接在传感器的信号输出端,同时在仿真电路末端接上频率计。按规定流量,通入浓度为 0.50%CO 2 、1.50%CO 2 、4.50%CO 2 的二氧化碳标准气体,待示值稳定后,记录传感器的显示值 x i ,同时测量并读取对应浓度输出的电信号值 P i , 每点重复测量 3 次,计算出各点显示值的算术平均值 和,按式(4)将算术平均值的 转换为二氧化碳浓度值 。
 仪器校准
式中:G m ——输出电信号上限对应的二氧化碳浓度值,%CO 2 ;G 0 ——输出电信号下限对应的二氧化碳浓度值,%CO 2 ;P m ——输出电信号上限标称值,Hz;P 0 ——输出电信号下限标称值,Hz; ——各点输出信号的算术平均值,Hz; ——各点输出信号的算术平均值 换算的二氧化碳浓度值,%CO 2 。再按式(5)计算传感器各点的信号传输误差,取最大的Δx 为其信号传输误差。式中:Δx——各点的信号传输误差; ——各点输出信号的算术平均值 换算的甲烷浓度值,摩尔分数; ——各点显示值的算术平均值,摩尔分数。
 
二、 仪器校准的实验结果及分析
选取一台量程为 0~5.00%CO 2 、扩散式矿用红外二氧化碳传感器作为被测对象,要求性能稳定,有防爆标志,同时数码显示完好无缺。将标准气体、流量计与传感器依次连接,分别对传感器的示值误差、响应时间、重复性、报警功能和传输误差进行仪器校准。
 仪器校准
1 . 传感器的示值误差(见表 1)
2. 响应时间
传 感 器的响 应时间分 别为 22.53"、20.41"、20.66",计算 3 次测量结果的平均值为 21.20",即传感器的响应时间为 21.20"。
3.重复性
将浓度为 2.50%CO 2 的二氧化碳标准气体通入传感器,重复 6 次,读数(单位:%CO 2 )依次为 2.52、2.51、2.53、2.52、2.50、2.52,按照式(3),得到重复性为 0.4%。
4. 报警功能
报警功能正常,报警声级强度为 96.8dB。5. 信号传输误差(见表 2)在对矿用红外二氧化碳传感器进行仪器校准后,在实验室条件下,传感器比较稳定,但是随着二氧化碳气体浓度的提高,示值误差也逐渐增大。传感器的显示值和分站的显示值也有误差,即传输误差,因此在安装传感器时,尽量选择电阻小的线缆。
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三、 仪器校准注意事项
1. 仪器校准过程中,特别是使用高浓度二氧化碳气体的时候,会使周围环境的二氧化碳浓度上升。为防止二氧化碳对人体造成的不适,仪器校准最好在通风橱内进行。
2. 在矿井作业环境中,充斥着水蒸气、一氧化碳、甲烷等混合气体,同时还伴随着粉尘、高温等恶劣环境,监测结果会受到一定影响。而在实验室进行仪器校准时,环境稳定,气体纯净,仪器校准结果往往会优于实际工作环境。
3. 传感器的报警动作值往往是其设定值,只要传感器正常报警,无论人眼观察到的报警示值是多少,通入的标准气体浓度是多大,实际的报警值就是设定值,不存在误差。
4. 在进行传输信号误差仪器校准时,会用到仿真电路,仿真电路首先要求能模拟传感器至测试设备 2km 的传输距离。其次,仿真电路参数应符合R=12.8Ω/km 单芯、L=0.8Mh/km 单芯、C=0.06μF/km 的要求。再次,每一段模拟网络的长度应不大于 1km,且不大于所传输信号最短波长的1/16。最后,仿真电路可以根据需要由相等的两部分组成在一起。随着矿用红外二氧化碳传感器在矿井作业中的应用越来越广泛,国内矿用红外传感器的生产厂家和种类也在不断增加。以上仪器校准方法由于条件限制,只在实验室的标准条件下进行,而实际应用中的环境温度、湿度、气压、粉尘的存在会对测量结果产生一定影响,因此上述仪器校准方法仍需进一步完善。

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