Метрологические характеристики и погрешности промышленных газоанализаторов

Оглавление

• 1. Введение
• 2. Основные метрологические характеристики по нормативным документам
• 3. Диапазон измерений и диапазон показаний
• 4. Виды погрешностей промышленных газоанализаторов
• 5. Основная и дополнительная погрешность
• 6. Абсолютная, относительная и приведенная погрешность
• 7. Класс точности
• 8. Вариация показаний и нестабильность
• 9. Динамические характеристики
• 10. Влияние внешних факторов и дополнительные погрешности
• 11. Поверка метрологическая промышленных газоанализаторов
• 12. Практические рекомендации по обеспечению метрологической надежности

1. Введение

Промышленные газоанализаторы являются одним из наиболее ответственных классов средств измерений, применяемых в системах обеспечения промышленной безопасности, технологического контроля и экологического мониторинга. От достоверности их показаний зависит своевременность срабатывания сигнализации при превышении предельно допустимых концентраций токсичных веществ, корректность оценки довзрывоопасных концентраций горючих газов и паров, а также эффективность управления процессами горения, вентиляции и газоочистки. Ошибка измерения даже в несколько процентов может привести к ложным срабатываниям, неоправданным остановкам производства либо, наоборот, к несвоевременному обнаружению опасной ситуации.

Метрологические характеристики газоанализаторов определяют границы применимости прибора и степень доверия к получаемым результатам. Эти характеристики нормируются при утверждении типа средства измерений, указываются в описании типа и в руководстве по эксплуатации, а также подтверждаются при первичной и периодической поверке. Без чёткого понимания смысла каждого параметра невозможно правильно выбрать прибор для конкретной задачи, интерпретировать результаты измерений и организовать метрологическое обслуживание.

Особую роль метрологические характеристики играют при проектировании систем автоматического контроля загазованности. Инженер должен учитывать не только номинальную точность прибора, но и влияние температуры, влажности, давления, расхода анализируемой смеси, наличия мешающих компонентов и динамических свойств сенсора. Все эти факторы в совокупности формируют реальную неопределённость измерения в рабочих условиях.

Нормативная база в области метрологии газоанализаторов опирается на межгосударственные и национальные документы. Ключевыми являются рекомендации РМГ 29-2013, устанавливающие термины и определения, ГОСТ 8.401-80, регламентирующий классы точности средств измерений, ГОСТ 13320-81, определяющий общие технические требования к промышленным автоматическим газоанализаторам, а также ГОСТ 8.578-2014, содержащий государственную поверочную схему для средств измерений содержания компонентов в газовых средах. Методики поверки конкретных типов приборов детализируют порядок определения нормируемых характеристик.

В настоящей статье рассматриваются основные метрологические характеристики промышленных газоанализаторов, способы их нормирования, виды погрешностей, особенности поверки и практические аспекты обеспечения метрологической надёжности. Материал ориентирован на специалистов служб главного метролога, инженеров по промышленной безопасности, проектировщиков систем газового контроля и технических специалистов, занимающихся выбором и эксплуатацией газоаналитического оборудования.

Для ежедневного мониторинга воздуха рабочей зоны на промышленных объектах целесообразно купить портативный газоанализатор ТОП-СЕНС 360.

2. Основные метрологические характеристики по нормативным документам

Согласно РМГ 29-2013 метрологическая характеристика средства измерений — это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений. Для каждого типа средств измерений устанавливают свой набор метрологических характеристик. Совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений, устанавливаемая нормативными документами, называется нормируемыми метрологическими характеристиками.

Точностные характеристики представляют собой подмножество метрологических характеристик, влияющих на точность измерения. К ним относят погрешность средства измерений, нестабильность, смещение нуля и другие параметры, определяющие близость показаний прибора к действительному значению измеряемой величины. Точность средства измерений определяется как качество, отражающее близость к нулю его погрешности.

ГОСТ 13320-81 прямо устанавливает перечень метрологических характеристик, которые должны нормироваться для промышленных автоматических газоанализаторов. К ним относятся:

• диапазон измерений;
• основная погрешность;
• вариация выходного сигнала (показаний);
• изменение выходного сигнала (показаний) за регламентированный интервал времени;
• функции влияния или дополнительные погрешности, вызванные изменением влияющей величины в пределах рабочих условий применения;
• время установления выходного сигнала (показаний).

Нормирование указанных характеристик производится в стандартах или технических условиях на газоанализаторы конкретных типов с указанием нормальных и рабочих условий применения, а также условий поверки. При этом пределы допускаемой основной погрешности не должны превышать 25 % разности между верхним и нижним пределами измерений для большинства промышленных приборов. Это требование направлено на обеспечение достаточной информативности показаний во всём диапазоне.

Предел допускаемой погрешности средства измерений — наибольшее значение погрешности (без учёта знака), устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно ещё признаётся метрологически исправным. Именно этот параметр является основным критерием при поверке. Если в процессе поверки погрешность прибора превышает установленный предел, средство измерений признаётся непригодным к применению и направляется в ремонт или на регулировку.

Важно понимать, что метрологические характеристики нормируются не для отдельного экземпляра прибора, а для типа средства измерений в целом. Конкретный экземпляр может иметь значительно меньшую реальную погрешность, однако для целей метрологического контроля и проектирования систем используются именно нормированные значения. Это обеспечивает консервативный подход и гарантирует, что даже в наихудшем случае в пределах допуска прибор будет соответствовать требованиям.

При выборе газоанализатора для применения в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений необходимо убедиться, что тип прибора утверждён, сведения о нём внесены в Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений, а методика поверки позволяет подтвердить все нормируемые метрологические характеристики в полном объёме.

3. Диапазон измерений и диапазон показаний

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы пределы допускаемой погрешности средства измерений. Для газоанализаторов диапазон измерений указывают в единицах объёмной доли (процентах или миллионных долях), массовой концентрации (мг/м³) либо в процентах нижнего концентрационного предела распространения пламени (% НКПР). Выбор единиц измерения определяется назначением прибора и нормативными требованиями к контролю конкретного вещества.

Необходимо чётко различать понятия «диапазон измерений» и «диапазон показаний». Диапазон показаний — область значений измеряемой величины, которые могут быть отображены средством измерений. Он может быть шире диапазона измерений. За пределами диапазона измерений показания прибора носят ориентировочный характер и не могут использоваться для количественной оценки концентрации с нормированной точностью. Использование показаний за пределами диапазона измерений при принятии решений о безопасности недопустимо.

Для большинства оптических и термокаталитических датчиков горючих газов типичным является диапазон показаний 0–100 % НКПР при диапазоне измерений 0–50 % НКПР или 0–60 % НКПР. В области выше 50–60 % НКПР погрешность существенно возрастает, а сам сенсор может подвергаться отравлению или перегрузке. Поэтому в системах противоаварийной защиты и сигнализации обычно используют сигнальные уставки в пределах 10–20 % НКПР, что гарантирует работу прибора в зоне нормированной точности.

Для токсичных газов и кислорода диапазоны измерений часто разбивают на несколько участков. В нижней части диапазона нормируется абсолютная погрешность, в верхней — относительная. Такой подход позволяет обеспечить приемлемую точность как при контроле малых концентраций, близких к предельно допустимым, так и при измерении повышенных уровней, возникающих при авариях или нарушениях технологического режима.

При выборе диапазона измерений необходимо учитывать ожидаемые концентрации анализируемого компонента. Если верхний предел диапазона значительно превышает максимальные возможные концентрации, разрешающая способность прибора в рабочей области ухудшается, а приведённая погрешность возрастает. Слишком узкий диапазон, напротив, приводит к частым выходам за пределы измерений и необходимости применения нескольких приборов или переключения диапазонов.

Для многокомпонентных газоанализаторов диапазоны измерений устанавливаются независимо для каждого измерительного канала. При этом необходимо учитывать взаимное влияние компонентов и возможность перекрёстной чувствительности сенсоров. В документации на прибор указываются коэффициенты пересчёта или поправочные множители для учёта влияния мешающих веществ, если такие влияния нормированы.

Особое внимание следует уделять нижнему пределу измерений. Для ряда задач, связанных с контролем предельно допустимых концентраций в воздухе рабочей зоны, требуется уверенное измерение концентраций на уровне долей и единиц мг/м³. Не все принципы детектирования обеспечивают необходимую чувствительность. Электрохимические сенсоры хорошо подходят для токсичных газов, оптические — для углеводородов и диоксида углерода, фотоионизационные — для органических соединений с низким потенциалом ионизации.

4. Виды погрешностей промышленных газоанализаторов

Погрешность средства измерений — разность между показанием средства измерений и известным опорным (действительным) значением величины. Для газоанализаторов в качестве опорного значения используется аттестованное содержание определяемого компонента в поверочной газовой смеси. Погрешность измерения равна сумме систематической и случайной составляющих.

Систематическая погрешность — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Источниками систематической погрешности газоанализатора могут быть смещение нуля, изменение чувствительности сенсора, нелинейность градуировочной характеристики, влияние температуры и других внешних факторов, а также погрешность установки нуля и чувствительности при калибровке.

Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Она обусловлена шумами электронной схемы, флуктуациями потока анализируемой смеси, нестабильностью источника излучения в оптических приборах, статистическим характером процессов в электрохимических ячейках и другими факторами. Случайную погрешность характеризуют средним квадратическим отклонением или размахом показаний при многократных измерениях.

По условиям определения погрешности подразделяют на основную и дополнительные. Основная погрешность определяется в нормальных условиях применения. Дополнительные погрешности возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений и нормируются отдельно для каждого значимого фактора.

По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведённую погрешность. Выбор формы нормирования определяется физическим принципом работы сенсора, шириной диапазона измерений и требованиями к точности на разных участках шкалы. Для промышленных газоанализаторов наиболее распространена комбинированная форма: абсолютная погрешность в нижней части диапазона и относительная — в верхней.

Кроме указанных видов, в документации на газоанализаторы часто нормируют вариацию показаний, нестабильность за определённый интервал времени, погрешность от гистерезиса и другие специальные характеристики. Вариация характеризует разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины, полученных при подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений. Нестабильность отражает изменение метрологических характеристик во времени при неизменных внешних условиях.

При анализе результатов измерений и оценке соответствия нормативам необходимо учитывать все значимые составляющие погрешности. Использование только основной погрешности без учёта дополнительных составляющих и нестабильности приводит к заниженной оценке реальной неопределённости измерения в рабочих условиях.

5. Основная и дополнительная погрешность

Основная погрешность — погрешность средства измерений, определяемая в нормальных условиях применения. Нормальные условия для промышленных газоанализаторов обычно включают температуру окружающей среды в диапазоне от плюс 15 до плюс 25 °C или от плюс 20 до плюс 25 °C, относительную влажность от 30 до 80 %, атмосферное давление от 98 до 104,6 кПа, отсутствие вибрации и ударов, а также содержание мешающих компонентов в пределах, указанных в технической документации.

Пределы допускаемой основной погрешности устанавливаются в описании типа средства измерений и в методике поверки. Они могут выражаться в виде постоянного значения, в виде формулы, зависящей от измеряемой концентрации, либо в виде таблицы для отдельных участков диапазона. Наиболее распространённой является формула вида:

\[\Delta = \pm (a + b \cdot C_x)\]

где \(C_x\) — измеренное или действительное значение концентрации определяемого компонента, \(a\) и \(b\) — коэффициенты, указанные в документации на прибор. Коэффициент \(a\) определяет постоянную составляющую погрешности, коэффициент \(b\) — составляющую, пропорциональную концентрации.

Дополнительная погрешность — составляющая погрешности средства измерений, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от её нормального значения. Для газоанализаторов наиболее значимыми влияющими величинами являются температура окружающей и анализируемой среды, относительная влажность, атмосферное давление, расход анализируемой газовой смеси, напряжение питания, наличие вибрации и ориентация прибора в пространстве.

Дополнительную погрешность часто нормируют в долях от предела допускаемой основной погрешности. Типичные значения составляют от 0,2 до 0,5 предела основной погрешности на каждые 10 °C изменения температуры. Для электрохимических сенсоров влияние температуры обычно выражено сильнее, чем для оптических, поэтому в приборах с электрохимическими датчиками применяют активную или пассивную термокомпенсацию.

Влияние влажности проявляется в двух аспектах. Во-первых, изменение влажности может влиять на чувствительность сенсора (особенно электрохимического и фотоионизационного). Во-вторых, при высокой влажности возможно образование конденсата, который искажает показания или выводит сенсор из строя. Для работы в условиях высокой влажности применяют системы пробоподготовки с осушением или нагревом анализируемой смеси.

Давление анализируемой смеси влияет на показания приборов, принцип действия которых основан на измерении объёмной концентрации. При изменении давления абсолютное количество молекул в единице объёма меняется, что приводит к изменению сигнала. Многие современные газоанализаторы имеют встроенную компенсацию по давлению, однако её эффективность зависит от точности датчика давления и алгоритма коррекции.

При оценке суммарной погрешности в рабочих условиях необходимо учитывать одновременное действие нескольких влияющих факторов. Простое арифметическое сложение дополнительных погрешностей даёт завышенную оценку. Более корректным является геометрическое суммирование или использование коэффициентов охвата в соответствии с подходами, принятыми при оценивании неопределённости измерений.

6. Абсолютная, относительная и приведенная погрешность

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины и определяется как разность между показанием прибора и действительным значением:

\[\Delta = X_{\text{изм}} - X_{\text{д}}\]

где \(X_{\text{изм}}\) — показание газоанализатора, \(X_{\text{д}}\) — действительное значение концентрации, установленное по поверочной газовой смеси. Абсолютная погрешность удобна для нормирования в нижней части диапазона, где относительная погрешность может принимать очень большие значения.

Относительная погрешность представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному или измеренному значению и обычно выражается в процентах:

\[\delta = \frac{\Delta}{X_{\text{д}}} \cdot 100\%\]

Относительная погрешность наиболее информативна в средней и верхней частях диапазона измерений. Она позволяет сравнивать точность измерений при разных уровнях концентрации и оценивать вклад погрешности в общий бюджет неопределённости технологического процесса.

Приведённая погрешность — отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению. В качестве нормирующего значения чаще всего принимают верхний предел диапазона измерений \(X_N\):

\[\gamma = \frac{\Delta}{X_N} \cdot 100\%\]

Приведённая погрешность широко используется при нормировании класса точности средств измерений. Она позволяет сравнивать приборы с разными диапазонами измерений. Однако при работе в нижней части диапазона приведённая погрешность даёт завышенную оценку точности, поэтому для газоанализаторов токсичных газов и кислорода предпочтительнее комбинированное нормирование.

Типичный пример комбинированного нормирования для канала измерения оксида углерода выглядит следующим образом. В диапазоне от 0 до 20 мг/м³ пределы допускаемой основной абсолютной погрешности составляют ±0,6 мг/м³ или ±1,5 мг/м³ в зависимости от типа сенсора. В диапазоне свыше 20 мг/м³ до верхнего предела нормируется относительная погрешность ±10 % или ±15 %. Аналогичный подход применяется для сероводорода, диоксида серы, аммиака и других токсичных газов.

Для каналов измерения довзрывоопасных концентраций горючих газов наиболее распространена абсолютная погрешность, выраженная в процентах НКПР. Типичные значения составляют ±3 % НКПР или ±5 % НКПР в диапазоне от 0 до 50 % НКПР и ±5 % или ±10 % относительной погрешности в диапазоне свыше 50 % НКПР. Выбор конкретного значения зависит от принципа детектирования и требований к применению прибора.

При расчёте неопределённости результата измерения или при проверке соответствия концентрации нормативным требованиям необходимо использовать ту форму погрешности, которая нормирована для соответствующего участка диапазона. Подмена абсолютной погрешности приведённой в области малых концентраций приводит к неоправданно жёстким требованиям и может стать причиной ошибочных выводов о непригодности прибора или о несоответствии объекта контроля установленным нормам.

В методиках поверки порядок определения основной погрешности подробно регламентирован. Обычно проверку проводят не менее чем в пяти точках диапазона измерений, включая точки, близкие к нижнему и верхнему пределам, а также точки, соответствующие сигнальным уставкам. Для каждой точки рассчитывают абсолютную или относительную погрешность и сравнивают её с допускаемым значением. Прибор признаётся годным, если во всех проверенных точках погрешность не превышает установленного предела.

7. Класс точности

Класс точности средства измерений представляет собой обобщённую характеристику, определяемую пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность. Согласно ГОСТ 8.401-80 классы точности устанавливают в стандартах или технических условиях на средства измерений конкретного вида. Для промышленных газоанализаторов формальное присвоение класса точности применяется реже, чем для аналоговых показывающих приборов, однако само понятие сохраняет практическую ценность при сравнении оборудования разных типов и при формулировании требований в проектной документации.

Способы обозначения класса точности зависят от формы нормирования основной погрешности. Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в виде приведённой погрешности, класс точности обозначают числом, равным этому пределу, без указания знака процента. Так, обозначение «2,5» означает, что предел допускаемой приведённой основной погрешности составляет ±2,5 % от нормирующего значения. Если погрешность нормируется в форме абсолютной величины или относительной погрешности, зависящей от значения измеряемой величины, класс точности обозначают прописными буквами латинского алфавита либо римскими цифрами. В документации на газоанализаторы чаще встречается прямое указание пределов допускаемой погрешности, чем присвоение класса.

При выборе прибора инженер нередко ориентируется на численное значение приведённой погрешности, особенно если сравниваемые модели имеют близкие диапазоны измерений. Однако необходимо учитывать, что один и тот же класс точности при различной ширине диапазона приводит к разной абсолютной погрешности в рабочих точках. Прибор с классом точности 2,5 и диапазоном 0–100 % НКПР будет иметь абсолютную погрешность ±2,5 % НКПР, тогда как прибор с тем же классом и диапазоном 0–50 % НКПР — ±1,25 % НКПР. Поэтому при составлении технических заданий рекомендуется формулировать требования не через класс точности, а через конкретные пределы допускаемой основной и дополнительной погрешности на интересующих участках диапазона.

В ряде отраслевых документов требования к точности газоанализаторов задаются именно в виде пределов допускаемой погрешности. Такой подход соответствует современной метрологической практике и облегчает сопоставление характеристик приборов различных производителей. При этом следует проверять, в каких условиях нормирована погрешность (нормальные или рабочие) и учтены ли дополнительные составляющие от температуры, влажности и других факторов.

Класс точности не заменяет подробного анализа метрологических характеристик. Он служит лишь удобным обобщённым показателем для предварительного отбора оборудования. Окончательное решение о применимости прибора принимается на основании полного комплекта нормируемых метрологических характеристик, указанных в описании типа и в руководстве по эксплуатации.

8. Вариация показаний и нестабильность

Вариация показаний — разность показаний средства измерений в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Вариация характеризует наличие гистерезиса градуировочной характеристики, зон нечувствительности и механических или электрических люфтов в измерительном тракте. Для большинства промышленных газоанализаторов предел допускаемой вариации устанавливают равным половине предела допускаемой основной погрешности.

Проверку вариации выполняют при поверке путём последовательной подачи поверочных газовых смесей в порядке возрастания и убывания концентрации. В каждой контрольной точке фиксируют показания при подходе «снизу» и «сверху», вычисляют разность и сравнивают её с допускаемым значением. Превышение предела вариации может свидетельствовать о загрязнении измерительной камеры, нарушении герметичности газового тракта, деградации чувствительного элемента, неисправности системы пробоподготовки или о проблемах в аналого-цифровом преобразователе и алгоритмах обработки сигнала.

Нестабильность (изменение показаний за регламентированный интервал времени) отражает дрейф метрологических характеристик при неизменных внешних условиях. Для промышленных газоанализаторов нестабильность нормируют за сутки, неделю, месяц или за межповерочный интервал в зависимости от типа прибора и условий применения. Типичные значения составляют от 0,5 до 1,0 предела допускаемой основной погрешности за установленный период.

Основными причинами нестабильности являются естественное старение чувствительного элемента, изменение характеристик источника излучения в оптических приборах, расход или высыхание электролита в электрохимических ячейках, загрязнение оптических окон и зеркал, изменение параметров электронных компонентов и влияние накопленных загрязнений в газовом тракте. Для термокаталитических сенсоров дополнительным фактором служит постепенное отравление катализатора примесями, содержащимися в анализируемой среде.

Регулярная проверка нуля и чувствительности, а также своевременная замена сенсоров по истечении назначенного ресурса позволяют поддерживать нестабильность в допустимых пределах. Ведение журнала контроля показаний по контрольным газовым смесям даёт возможность выявлять тенденции дрейфа на ранней стадии и планировать техническое обслуживание до наступления момента, когда погрешность выйдет за допускаемые границы.

Для стационарных систем газового контроля рекомендуется организовать периодический контроль метрологических характеристик в межповерочный интервал с периодичностью, определяемой условиями эксплуатации и критичностью объекта. Для переносных и индивидуальных приборов контроль нуля на чистом воздухе и проверка чувствительности по поверочной смеси перед каждым использованием существенно повышают достоверность получаемых результатов и снижают риск принятия ошибочных решений.

9. Динамические характеристики

Динамические характеристики газоанализаторов определяют скорость реакции прибора на изменение концентрации определяемого компонента во времени. Основным нормируемым параметром является время установления выходного сигнала. Наиболее часто указывают время установления по уровню 0,9 (обозначаемое как T_0,9 или T₉₀) — интервал времени от момента скачкообразного изменения концентрации на входе прибора до момента, когда показание достигает 90 % от нового установившегося значения.

Для промышленных газоанализаторов типичные значения T₉₀ лежат в следующих пределах:

• 10–30 с для термокаталитических сенсоров горючих газов и паров;
• 15–40 с для оптических (инфракрасных) сенсоров;
• 30–60 с для большинства электрохимических сенсоров токсичных газов;
• до 90–120 с и более для отдельных типов сенсоров при измерении очень низких концентраций либо при наличии сложных систем пробоподготовки с охлаждением, осушкой или химической фильтрацией.

Время установления зависит от объёма измерительной камеры, расхода анализируемой смеси через камеру, собственной инерционности чувствительного элемента и параметров цифровой фильтрации сигнала. Увеличение постоянной времени фильтрации снижает уровень шумов на выходе, но одновременно ухудшает динамические свойства прибора. При выборе газоанализатора для систем противоаварийной защиты и автоматического отключения оборудования предпочтение следует отдавать моделям с малым временем установления.

Помимо T₉₀ в документации иногда нормируют время установления по уровню 0,5 (T₅₀) и время запаздывания (мертвое время). Полная динамическая характеристика описывается переходной функцией. Для большинства практических задач достаточно знания T₉₀, однако при моделировании систем автоматического регулирования, при расчёте времени срабатывания сигнализации и при оценке эффективности противоаварийной защиты необходимо учитывать полную инерционность измерительного канала.

Существенный вклад в суммарное время запаздывания вносят линии пробоотбора. При большой длине и малом диаметре трубок, а также при низком расходе анализируемой смеси время транспортирования пробы может в несколько раз превышать собственное время установления сенсора. Для сокращения запаздывания применяют повышение расхода, уменьшение длины и внутреннего диаметра линий, использование трубок с гладкой внутренней поверхностью и размещение датчиков непосредственно в зоне контроля. В взрывоопасных зонах предпочтительны датчики диффузионного типа или с выносными сенсорами, установленными в точке отбора пробы.

При наличии системы пробоподготовки (фильтры, холодильники, осушители, клапаны) необходимо учитывать дополнительную инерционность этих элементов. В некоторых случаях применяют байпасные линии или ускоренную продувку для сокращения времени реакции системы в целом.

10. Влияние внешних факторов и дополнительные погрешности

Рабочие условия применения промышленных газоанализаторов, как правило, существенно шире нормальных условий, в которых нормируется основная погрешность. Температура окружающей среды может изменяться от минус 40–60 °C до плюс 50–70 °C, относительная влажность — от единиц процентов до 98–100 %, атмосферное и избыточное давление — в широких пределах. Каждый из этих факторов вносит свой вклад в дополнительную погрешность измерения.

Температурная дополнительная погрешность является одной из наиболее значимых для большинства типов сенсоров. Для электрохимических ячеек изменение температуры влияет на скорость электрохимических реакций, на растворимость газов в электролите и на потенциал электродов. Современные приборы оснащаются встроенными датчиками температуры и цифровыми алгоритмами компенсации, однако остаточная дополнительная погрешность сохраняется. Типичное нормирование составляет 0,2–0,5 предела допускаемой основной погрешности на каждые 10 °C изменения температуры за пределами нормального диапазона.

Для оптических сенсоров влияние температуры проявляется через изменение интенсивности излучения источника, характеристик детектора и геометрических размеров оптической схемы. Качественная термостабилизация и компенсация позволяют снизить температурную погрешность до сравнительно небольших значений. Термокаталитические сенсоры также требуют компенсации, поскольку скорость каталитической реакции зависит от температуры.

Влажность анализируемой и окружающей среды влияет на показания несколькими путями. Во-первых, изменение влажности может изменять чувствительность сенсора (особенно электрохимического и фотоионизационного). Во-вторых, при высокой относительной влажности и температуре ниже точки росы возможно образование конденсата на оптических поверхностях, в измерительной камере или на мембране сенсора. Конденсат приводит к грубым ошибкам измерения либо к временному или постоянному выходу сенсора из строя. Для работы в условиях высокой влажности применяют нагреваемые измерительные камеры, системы осушки пробы, гидрофобные мембраны и специальные алгоритмы компенсации.

Давление анализируемой смеси непосредственно влияет на показания приборов, принцип действия которых основан на измерении объёмной концентрации. При повышении давления абсолютное количество молекул определяемого компонента в единице объёма возрастает, сигнал сенсора увеличивается. Многие современные оптические и некоторые другие типы приборов имеют встроенную коррекцию по давлению. При отсутствии такой коррекции необходимо либо стабилизировать давление на входе прибора, либо вводить поправку расчётным путём.

Мешающие компоненты представляют серьёзную проблему для обеспечения селективности измерений. Электрохимические сенсоры обладают перекрёстной чувствительностью к ряду газов и паров. Оптические сенсоры могут реагировать на вещества с близкими полосами поглощения. В технической документации на прибор обычно приводятся коэффициенты перекрёстной чувствительности. При выборе газоанализатора для конкретной газовой среды необходимо оценить возможный вклад мешающих компонентов и, при необходимости, применить корректирующие алгоритмы, дополнительные фильтры или выбрать более селективный метод детектирования.

Вибрация, удары и ориентация прибора в пространстве влияют преимущественно на механическую прочность конструкции, стабильность оптических юстировок и работу отдельных типов сенсоров. Для установки на оборудовании с повышенным уровнем вибрации выбирают приборы соответствующего исполнения по устойчивости к механическим воздействиям, указанного в технических условиях.

При оценке суммарной погрешности в реальных рабочих условиях следует учитывать возможность одновременного действия нескольких влияющих факторов. Простое арифметическое сложение дополнительных погрешностей даёт завышенную оценку. Более корректным является геометрическое суммирование составляющих или использование подходов, принятых при оценивании неопределённости измерений.

11. Поверка метрологическая промышленных газоанализаторов

Поверка — совокупность операций, выполняемых с целью подтверждения соответствия средства измерений метрологическим требованиям. Для газоанализаторов, применяемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, поверка является обязательной. Межповерочный интервал устанавливается при утверждении типа средства измерений и в большинстве случаев составляет один или два года. По окончании межповерочного интервала прибор должен быть представлен на очередную поверку.

Основным методом поверки промышленных газоанализаторов является метод прямого сличения с поверочными газовыми смесями (ПГС). Содержание определяемого компонента в ПГС должно быть установлено с погрешностью, не превышающей одной трети предела допускаемой основной погрешности поверяемого прибора. В качестве ПГС применяют аттестованные газовые смеси в баллонах под давлением либо динамические смеси, приготавливаемые с помощью генераторов газовых смесей и чистых газов.

Типовая методика поверки газоанализатора включает следующие основные операции:

• внешний осмотр, проверку маркировки и комплектности;
• опробование (проверку общего функционирования, сигнализации, работы дисплея и выходных сигналов);
• определение основной погрешности не менее чем в пяти точках диапазона измерений, включая области, близкие к нижнему и верхнему пределам, а также точки, соответствующие сигнальным уставкам;
• определение вариации показаний;
• проверку времени установления показаний (если это предусмотрено методикой);
• оформление результатов поверки и выдачу свидетельства о поверке либо извещения о непригодности.

Для каждого измерительного канала многокомпонентного прибора поверка проводится независимо. При отрицательных результатах хотя бы по одному из нормируемых параметров прибор признаётся непригодным к применению до устранения выявленных недостатков и проведения повторной поверки.

Государственная поверочная схема для средств измерений содержания компонентов в газовых средах, утверждённая соответствующим документом, устанавливает порядок передачи единицы величины от государственных первичных эталонов к рабочим средствам измерений. На всех ступенях передачи должно соблюдаться требуемое соотношение погрешностей. Рабочие эталоны и комплекты ПГС, используемые при поверке, должны иметь действующие свидетельства об аттестации.

При организации поверки на предприятии необходимо либо иметь собственную аккредитованную лабораторию, оснащённую необходимым набором ПГС, генераторами газовых смесей и вспомогательным оборудованием, либо заключать договоры с внешними организациями, область аккредитации которых охватывает соответствующие типы газоанализаторов. Для предприятий с большим парком однотипных приборов создание собственной поверочной базы часто оказывается экономически целесообразным.

Важным условием качественной поверки является соблюдение нормальных условий в помещении лаборатории, правильная подготовка ПГС (выдержка баллонов при температуре помещения, продувка редукторов и линий), а также использование средств измерений давления, температуры и расхода, имеющих действующую поверку.

12. Практические рекомендации по обеспечению метрологической надежности

Обеспечение метрологической надёжности промышленных газоанализаторов начинается на этапе выбора и закупки оборудования. Необходимо тщательно сопоставить нормируемые метрологические характеристики предлагаемых приборов с требованиями технологического процесса, нормативными документами и условиями эксплуатации на конкретном объекте. Следует учитывать диапазоны измерений, пределы допускаемой основной и дополнительной погрешности, время установления показаний, требования к селективности и наличие функций компенсации влияющих факторов.

При проектировании и монтаже стационарных систем газового контроля необходимо минимизировать длину линий пробоотбора, обеспечить достаточный и стабильный расход анализируемой смеси, исключить возможность образования конденсата, предусмотреть удобный доступ к датчикам для технического обслуживания и подачи поверочных газовых смесей. Места установки датчиков выбирают с учётом плотности контролируемых газов относительно воздуха, возможных источников выделения и путей распространения газовых смесей.

В процессе эксплуатации регулярный контроль нуля и чувствительности является ключевым элементом поддержания метрологических характеристик в заданных пределах. Для многих типов сенсоров рекомендуется проверка нуля на чистом воздухе или нулевом газе с периодичностью от одного раза в смену до одного раза в сутки, а проверка чувствительности по поверочной газовой смеси — с периодичностью от одной недели до трёх месяцев в зависимости от условий применения и рекомендаций изготовителя.

Своевременная замена сенсоров по истечении назначенного срока службы или при обнаружении недопустимого дрейфа характеристик предотвращает внезапный выход прибора за пределы допускаемой погрешности. Ведение журнала результатов контроля метрологических характеристик позволяет анализировать тенденции изменения показаний, выявлять приборы, требующие повышенного внимания, и планировать техническое обслуживание и поверку.

Особое внимание следует уделять состоянию систем пробоподготовки. Загрязнённые фильтры, неисправные холодильники пробы, утечки в газовых линиях и неправильно установленные расходы могут вносить погрешности, значительно превышающие собственную погрешность сенсора. Регулярное техническое обслуживание этих элементов является обязательным условием достоверных измерений.

При выборе газоанализаторов для оснащения объектов целесообразно ориентироваться на приборы, имеющие утверждённый тип средства измерений, действующую методику поверки и полный комплект подтверждённых метрологических характеристик, соответствующих условиям конкретного применения. Правильно подобранный, грамотно смонтированный и своевременно обслуживаемый газоанализатор обеспечивает достоверный контроль газовой среды на протяжении всего срока службы и способствует повышению уровня промышленной безопасности.

Для решения задач контроля загазованности, обеспечения промышленной безопасности и технологического мониторинга можно купить современные газоанализаторы с подтверждёнными метрологическими характеристиками. Актуальная цена и оптимальная комплектация подбираются в зависимости от перечня определяемых компонентов, требуемых диапазонов измерений, условий эксплуатации и особенностей объекта. Это позволяет обеспечить необходимую точность измерений и полное соответствие действующим нормативным требованиям.

Материал подготовил технический директор НПП «КИПОФФ» Березин Александр Сергеевич