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《光离子化总烃传感器通用规范》标准解读

2017-06-10隋晓光聂丽梅张宴程王铁玲

科技创新与应用 2017年16期

隋晓光++聂丽梅++张宴程++王铁玲

摘 要:从标准需求、结构、采标情况和编制想法等方面介绍了国军标《光离子化总烃传感器通用规范》。并对标准的主要技术内容进行深度剖析,最后提出了实施标准的建议和措施。

关键词:通用规范;光离子化;总烃

引言

在现代武器装备系统中新型材料(其中绝大多数为石化产品)

的大量应用导致武器装备的密闭环境中常常存在超标准的易燃、易爆、有毒有害气体,如果不对这些气体进行监测和控制,会严重影响工作人员的生存质量乃至威胁生命安全。

对于总烃气体的检测,主要采用光离子化总烃传感器(以下简称传感器),随着我国武器装备技术的不断发展提高(例如载人航天器的在轨时间的增加和潜艇下潜时间的延长),对武器装备环境适应性提出了更高的要求,在重点解决技术关键的同时,制定产品的通用规范,明确产品的性能特性、环境适应性、检验试验方法以及质量保证规定等,规范产品的研制、生产、试验、采购等过程同样重要。

1 标准的结构

1.1 标准的结构框架

本标准结构是按GJB 0.1-2001《军用标准文件编制工作导则 军用标准和指导性技术文件编写》和GJB 0.2-2001《军用标准文件编制工作导则 军用规范编写规定》要求编排。本标准采用由范围、引用文件、要求、质量保证规定、交货准备、说明事项6部分组成的格式。

1.2 术语定义

1.2.1 通则

本标准中的术语和定义主要是依据GB/T 7665-2005《传感器通用术语》的规定。对于GB/T 7665-2005中不包括的术语在标准的第六章给出了定义。

1.2.2 总烃

GJB 11A-1998《核潜艇舱室空气组分容许浓度》中规定的总烃定义为:潜艇舱室中能检测到的所有烃类(甲烷除外)的总和,包括芳香烃和脂肪烃。

HJ 604-2011《环境空气 总烃的测定 气相色谱法》中规定的总烃定义为:在本标准规定的条件下,用氢火焰检测器所测得气态碳氢化合物及其衍生物的总量,以甲烷计。

HJ/T 38-1999《国家污染源排气中非甲烷总烃的测定 气相色谱法》中规定的总烃定义为:指除甲烷以外的碳氢化合物(其中主要是C2~C8)的总称。

本产品主要用途是用于潜艇中总烃气体浓度的测量,所以本标准采用GJB 11A-1998的定义。

1.2.3 光离子化

所有的原子均由质子、中子和电子组成。质子带正电荷、电子带负电荷。正常状态的原子带有相同数量的质子和电子,从而整个原子的净电荷为零。增减电子将使原子或由此原子组成的分子离子化。通过光的使用而产生离子化的过程称为光离子化(本规范采用的定义)。

1.3 标准的指标体系

本标准在参数选择、性能指标控制等方面,以常规、实用、充分体现产品性能为主。除了列出外形及安装尺寸、重量、标志、外观以及常规的参数等指标外,根据传感器的自身特点并参照了国外相关产品(主要参照了美国和英国的主流产品)的指标体系,列出了线性度、灵敏度、重复性、准确度、分辨力和响应时间几个重要指标。

2 标准重要内容的说明

2.1 性能特性

2.1.1 标准气体的选择

经过测试和调研,异丁烯是国内外PID检测仪中最常使用的相对校准气体,具体原因是异丁烯相对稳定,并且低毒、燃点高、容易获得,尤其是它的气瓶储存时间较长。所以本标准采用异丁烯作为标准气体。

2.1.2 工作溫度及贮存温度

由于光离子化总烃传感器使用紫外光源作为离子化能量源,所以紫外光源的工作温度范围决定了光离子化总烃传感器的温度范围。紫外灯的最佳工作温度范围一般在(-20~40)℃,所以本标准规定了-20℃、-10℃、0℃的温度点,考虑到行业前景和制订标准的前瞻性,本标准在紫外光源的工作温度范围上根据相关标准的规定进行了外延。

2.1.3 限幅电压

规定限幅电压的目的是将传感器输出限制在一定的幅值,在此幅值范围内,传感器的输出随输入气体的浓度的变化而变化,当输入气体的浓度对应的理论输出值达到或者超过限幅电压规定的幅值时,传感器的输出将固定保持为限幅电压值,不再随浓度的升高而升高。从而达到过压保护的目的。

由于光离子化总烃传感器的自身特点,无法模拟传感器输出负值,所以下限限幅电压无法考核。本标准只规定了上限限幅电压的测试方法并且不做强制规定。

2.1.4 热零点漂移和热灵敏度漂移

由于光离子化总烃传感器的热零点漂移和热灵敏度漂移与温度变化不成线性关系,为了更好的考核传感器的温度特性,本规准根据GB/T 18459-2001《传感器主要静态性能指标计算方法》的相关规定,在工作温度范围内每20℃划分一个区间。计算各区间的热零点漂移和热灵敏度漂移的值,取计算结果最大者作为最终结果。

2.1.5 对校准系统的说明

(1)通则

本标准的校准框图参考了JJF 1172-2007《挥发性有机化合物光离子化检测仪校准规范》,见图1。

(2)校准扩散式光离子化总烃传感器

直接通过调节气瓶的阀门,使与传感器直接相连的流量计显示规定的流量。旁通流量计是否有流量放空(即旁通流量计是否有读数)不影响整个系统的平衡。

(3)校准泵吸式光离子化总烃传感器

由于泵吸式光离子化总烃传感器自身带有采样泵,采样泵吸气的流量是固定的,如果将气瓶通过流量计与传感器直接相连,气瓶出气的流量很难真正与采样泵的吸气流量达到平衡状态,无论气瓶出气的流量大于或者是小于采样泵吸气的流量,都会导致管路内的压力变化,从而影响系统平衡。所以在实际校准过程中,设计了旁通流量计管路,在校准时调节气瓶出气的流量大于采样泵的吸气流量,多余的流量从旁通流量计的管路放空,从而保证系统的平衡,适当的控制旁通流量计的流量可以减少校准过程中气体的浪费。

2.1.6 计算方法的选择

本标准中静态校准特性、满量程输出、线性度、灵敏度、重复性的计算按照GB/T 18459-2001《传感器主要静态性能指标计算方法》进行。准确度的计算参照了压力传感器的计算方法。

2.1.7 分辨力测试方法

由于分辨力指标所要求的浓度普遍较小,很难配制出两瓶浓度只相差分辨力要求的浓度的气瓶,所以在分辨力测试中不使用通气的方式来校准。

本标准采用配气设备来进行分辨力测试,目前常用的配气设备有标准气体配比仪、配气箱和配气杯等,由于上述设备均能满足测试需要,所以本标准并未强制规定必须使用何种配气设备。

2.2 环境适应性

2.2.1 通则

传感器隶属电子元件类,引用国家军用标准的顺序应首先选用GJB 360B-2009《电子及电气元件试验方法》。由于GJB 360B-2009中缺少温度试验、倾斜和摇摆试验、颠震试验、霉菌试验和电磁兼容试验条款,为满足武器装备的质量要求以及根据实际应用的情况,本标准中温度试验、倾斜和摇摆试验和霉菌试验都按GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》相关规定执行,颠震试验在GJB 4-1983《舰船电子设备环境试验》相关规定执行,电磁兼容试验按GJB 152A-1997《军用设备和分系统电磁发射和敏感度测量》相关规定执行。在环境试验中规定了必做的项目(高温试验、低温试验、温度冲击、振动、冲击、湿热、高温电寿命),对特殊领域应用要求如倾斜和摇摆、颠震、低气压、盐雾、霉菌等等,则不做强制规定,可根据实际应用选择,在本标准中规定了“规定时”的指标。

2.2.2 高温电寿命与电老练

光离子化总烃传感器使用紫外光源作为离子化能量源,作为传感器的核心敏感元件,紫外光源的连续工作能力决定了传感器的连续工作能力,在保证准确度的前提下,目前紫外光源的最佳连续工作时间为不超过4小时,所以在本标准中高温电寿命和电老练采用的是断续通电的方式。高温电寿命试验时间由传感器在武器装备中实际使用时间估算得出,在潜艇和载人航天器中一年累计工作时间约为200h,本标准选择240h。电老练的试验时间也根据实际使用时间作了适当的剪裁。

3 实施标准的措施及建议

3.1 实施本标准时应根据需求选取试验项目

本标准的编制背景是针对多种的工程型号的产品,在编制过程中考虑了多种领域的环境适应性(包括潜艇、导弹、飞行器和载人航天器等),在实施过程中应根据产品实际的应用领域选择试验项目,尽可能增加效费比。

3.2 试验条件应合理剪裁

本標准中的大部分测试方法和条件已应用于我单位的多项纵向课题及横向生产的项目中,配套产品在用户单位使用情况良好,也证明了本标准中的测试方法是可行、有效的。本标准中所采用的环境试验方法和条件都是根据各大型号配套工程所提出的试验条件进行规定的,在我所的生产和研制中也进行了几年的验证,方法合理。本标准规定的技术平台基本代表了光离子化总烃传感器国内的主流水平,但是制定标准的过程中考虑到行业前景和制订标准的前瞻性,本标准在很多试验条件上进行了适当外延。在标准实施的过程中研制单位应根据产品的实际水平和用户的实际需求对试验条件进行剪裁,以免对科研生产活动造成阻碍。

4 结束语

本标准的制定完善了我国的光离子化总烃传感器的标准技术水平平台,指导军用光离子化总烃传感器的研制方和使用方在产品生产和使用过程中制订企业标准(相关详细规范),从而使研制、生产、试验、采购过程有据可依,全面提高了研制和生产的要求和水平。通过本标准的实施将会提高我国光离子化总烃传感器的生产水平,更好地为我国建设和重点工程提供可靠的保障,在社会和经济效益方面也会有很大的提高。

作者简介:隋晓光(1982-),男,哈尔滨人,学历:本科,主要研究方向为传感器标准化研究。