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矿用激光甲烷传感器示值误差校准方法及不确定度评定
2024-08-16
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上传者：管理员
摘要：本文提出矿用激光甲烷传感器示值误差的校准方法，并对校准方法的测量结果不确定度进行评定，为保证煤矿环境安全监测的甲烷量值准确可靠提供依据。
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煤矿开采主要在地下进行，开采过程中产生的矿井瓦斯含有甲烷气体，具有较高的危险性，可能引发火灾和爆炸事故，严重威胁矿工的生命安全。因此，对煤矿开采过程中瓦斯中的甲烷量值进行实时监测至关重要。
矿井环境安全监测系统通常采用矿用激光甲烷传感器作为甲烷监测仪表，其能将甲烷浓度转变为电信号，并传输至监测系统，对矿井环境中甲烷含量的实时测量，为矿井环境安全管理提供数据支持。矿用激光甲烷传感器测量的准确性对于保障矿井环境安全至关重要，为了确保使用中的矿用激光甲烷传感器量值准确，应定期对其进行校准。
本文提出了一种针对矿用激光甲烷传感器示值误差的校准方法，为矿用激光甲烷传感器的量值溯源及确保其测量结果的准确可靠提供了技术路径，可供相关技术人员在进行矿用激光甲烷传感器示值误差校准时参考使用。
1、仪器原理及计量特性
1.1仪器原理
矿用激光甲烷传感器是一种基于激光光谱吸收原理来测量甲烷浓度的仪表，广泛应用于矿井中甲烷浓度的监测。矿用激光甲烷传感器主要由激光探头、电子部件和显示部件等组成。在工作过程中，甲烷通过扩散方式与激光探头接触，传感器将甲烷浓度转换为电信号。随后，电子部件对这些信号进行处理，并在显示部件上展示甲烷浓度值，同时输出与甲烷浓度相对应的电信号，从而实现甲烷含量的检测与报警。当甲烷浓度达到预设的报警阈值时，传感器会发出声、光报警信号。矿用激光甲烷传感器根据应用领域不同分为两类：一类用于矿井环境的常规检测，另一类则专用于瓦斯抽放管道的检测。矿用激光甲烷传感器工作原理见图1。
图1矿用激光甲烷传感器原理框图
1.2示值误差
当测量范围X为0.00%CH4<X≤1.00%CH4时，最大允许误差为±0.06%CH4。
当测量范围X为1.00%CH4<X≤100%CH4，最大允许误差为±6%CH4。
2、校准条件
2.1环境条件
1）环境温度：15～35℃。
2）相对湿度：≤85%。
3）大气压力：86～106 kPa。
4）其他：无影响传感器正常工作的气体和电磁场干扰，配备必要的防爆和通风设施。
2.2校准用设备
气体标准物质：氮气中甲烷气体标准物质，相对扩展不确定度≤2%(k=2）。
零点气体：氮气（纯度≥99.99%）。
直流稳压电源：输出电压为0～30 V(DC），输出电流为0～3 A(DC）。
频率计：测量范围为0～3000 Hz，准确度等级为0.1级及以上。
2 km仿真电路：直流电阻为12.8Ω/km。
分布电容：0.06μF/km，分布电感：0.8 mH/km。
流量计：测量范围为60～600 mL/min，准确度等级为4.0级及以上。
3、校准方法
先将矿用激光甲烷传感器开机预热30 min以上，然后按图2所示连接气路，并依据使用说明书规定的通气流量通入高纯度氮气调整零点。零点调整后，再通入体积分数为20.0%左右的氮气中甲烷标准气体，或按生产厂商规定的要求通入相应浓度的标准气体进行调整，通气3 min后，矿用激光甲烷传感器测量值应与通入的甲烷气体浓度值一致，若有偏差，通过遥控器进行调整，直至矿用激光甲烷传感器显示值与通入甲烷气体浓度值一致。在此后的校准过程中不再调整。
图2矿用激光甲烷传感器校准连接示意图
按传感器使用说明书的要求控制流量，分别通入浓度值约为0.50%、3.50%、9.00%、35.00%、85.00%的氮气中甲烷气体标准物质，待读数稳定后，记录矿用激光甲烷传感器示值。每点重复测量3次，取其算术平均值作为矿用激光甲烷传感器的示值，按下式计算传感器的示值误差。
式中，δ为示值的相对误差，%；xi为第i个测量点矿用激光甲烷传感器的示值，%CH4;x0为甲烷气体标准物质浓度值，%CH4。
4、测量不确定度评定
4.1测量模型
4.2不确定度传播律
各输入量彼此独立不相关，则：
4.3灵敏系数
4.4不确定度来源
不确定度来源主要包括被校矿用激光甲烷传感器测量重复性引入的标准不确定度、被校矿用激光甲烷传感器显示分辨力引入的标准不确定度、频率计准确度引入的标准不确定度和标准气体准确度引入的标准不确定度等。
4.5标准不确定度分量评定
采用B类方法进行评定。矿用风速传感器的显示分辨力为0.1%CH4，半宽a=0.05%CH4，服从均匀分布，包含因子k1=，则：
4.5.1输入量xi的标准不确定度评定
1）被校矿用激光甲烷传感器测量重复性引入的标准不确定度u1(xi)
采用A类方法进行评定。矿用激光甲烷传感器测量范围为（0%～100%)CH4，在重复性条件下，通入体积分数约为35.30%的氮气中甲烷气体标准物质，进行10次重复测量，测量结果见表1。
表1重复测量结果
平均值：
单次测量标准偏差：
实际测量结果为3次的测量平均值，则：
2）被校矿用激光甲烷传感器显示分辨力引入的标准不确定度u2(xi)
一般在u1(xi)和u2(xi)两者中取其中一个值较大者作为输入量xi的标准不确定度，由于u1(xi)>u2(xi)，则：
4.5.2输入量x0的标准不确定度的评定
1）频率计准确度引入的标准不确定度u1(x0)
采用B类方法进行评定。由频率计校准证书可知，扩展不确定度U1=1 Hz，包含因子k2=2，频率计测量范围为0～10000 Hz。理论上，频率1 Hz对应甲烷体积分数为0.125%CH4，则：
2）标准气体准确度引入的标准不确定度u2(x0)
采用B类方法进行评定。由标准气体证书可知，相对扩展不确定度U2=2.0%，包含因子k3=2，则：
3）输入量x0的标准不确定度的计算
由于各分量彼此独立，互不相关，则x0的标准不确定度为：
4.6标准不确定度分量汇总
标准不确定度分量汇总情况见表2。
表2标准不确定度分量汇总表
4.7合成标准不确定度
由于输入量xi与x0相互独立且互不相关，则合成标准不确定度为：
4.8扩展不确定度
取包含因子k=2，则扩展不确定度为：
相对扩展不确定度为：
参考文献:
[1]煤矿用非色散红外甲烷传感器:JJG 1138—2017[S].
[2]测量不确定度评定与表示:JJF 1059.1—2012[S].
[3]矿用激光甲烷传感器校准规范:JJF(黔)53—2021[S].
文章来源:邵诗衢,万金笔.矿用激光甲烷传感器示值误差校准方法及不确定度评定[J].品牌与标准化,2024,(05):241-243.
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