基于遙測的移動艙室內氣體檢測方法

蔣國立,紀立紅,冀文龍

摘 要:各種密閉艙室在移動時內部會產生大量對人體有害的氣體,使用氣體傳感器采集模塊,采用無線遙測技術,實時采集和記錄車輛在靜止和行進過程中艙室內的有害氣體、溫濕度等狀態參數和環境參數,在遠處的監測站接收并處理數據,實現基于遙測的移動艙室內氣體檢測。通過實車搭載試驗證明,該方法切實可行。該測試方法可以對各種坦克及裝甲車輛的人-機-環研制與改進提供有力的數據支撐。

關鍵詞:遙測;氣體檢測;移動艙室;氣體傳感器

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)19-136-03

Gas Detecting Method of Mobile Cabin Based on Telemetry

JIANG Guoli,JI Lihong,JI Wenlong

(Xi′an Institute of Electro-mechanical Information,Xi′an,710065,China)

Abstract:When the closed cabin is moving,large number of harmful gas would be produced inside,using gas sensor acquisition module,the wireless telemetry technique is adopted to collect and record harmful gas,environment parameter and state parameter of temperature and humidity in cabin when the vehicles are static or moving.Receiving and processing data in the monitoring station,the detection of gas in mobile cabin based on telemetry is realized.The feasible method is verified by real vehicles carrying.

Keywords:telemetry;gas detection;mobile cabin;gas sensor

在各種密閉的移動艙室環境中,存在大量氣體狀態污染物,這些氣體污染物以分子狀態存在,大部分為無機氣體,例如CO,NO2,H2S,LEL,VOC等[1]。采用無線遙測技術實時采集和記錄車輛在靜止和行進過程中艙室內的有害氣體、溫濕度等狀態參數和環境參數,以便分析有害氣體對艙室人員身心健康的影響。系統可實時監測靜止及移動中密閉艙室環境中的多項指標,測試數據可全部存儲,同時能通過無線方式實時傳送到數公里外監控車上的監測中心。

1 移動艙室內的氣體環境

據不完全統計,坦克和裝甲車輛在行進和實戰過程中,車內會產生大量的有害氣體,例如CO,NO2,H2S,SO2,CO2,LEL,VOC,NH3,HCN,苯、甲醛和粉塵污染,這些有害氣體和粉塵會對駕駛員、炮手及乘員的身心健康造成很大危害,車輛密閉環境中溫濕度對人體也有一定的影響。在坦克和裝甲車輛研制過程中,及時準確地掌握移動艙室中各項環境參數,對車輛的改進設計提供有力的數據支撐。近來廣泛采用遙測遙控技術,并逐步實現監測技術的智能化[2]。艙內氣體類參數表見表1。

表1 氣體類參數表

測試項目測試范圍分辨率

CO0～1 500 ppm1 ppm

H2S0～100 ppm1 ppm

O20～30%0.1%

SO20～20 ppm0.1 ppm

LEL0～100%1%

VOC0～999 ppm0.01 ppm

NH30～50 ppm1 ppm

NO20～30 ppm0.1 ppm

CO20～20 000 ppm10 ppm

苯0～200 ppm0.1 ppm

2 測試方法

監測系統事先把有害氣體監測儀安裝在艙室內的固定位置上,在監測過程中監測儀將采集到的信號一方面進行本地存貯,另一方面通過RS 485接口協議送入遙測發射裝置,遙測發射裝置將接收到的數據流進行編碼,形成標準的PCM數據流送入發射機。發射機變成無線電波向空間發射出去,遙測地面監測中心把這些信號接收下來進行處理并繪成曲線,這樣就可直觀地實時監測到艙室在移動過程中的環境變化情況。系統原理圖如圖1所示。

圖1 氣體傳感器集成框圖

遙測發射分系統的原理框圖如圖2所示。氣體類傳感器分系統將檢測到的氣體類測試數據打包,并通過RS 485數據總線接口給出。所有數據總線接口分別進入嵌入式PCM采集編碼器,進行數據采集編碼[3]。PCM采集編碼由程控模塊、時序控制模塊、輸出模塊等組成。把編碼器輸出的串行數據流送到發射設備進行調制、放大,并以足夠的功率從天線發射出去。

圖2 遙測發射分系統框圖

遙測地面監測分系統的集成:遙測地面監測分系統采用車載式便攜接收方案。系統除天線和低噪聲放大器外的所有接收單元均放在工控計算機內。

3 系統組成及實現

3.1 傳感器的選型

選用美國RAE公司的PGM-2000,MultiRAE PGM-54,UltraRAE PGM-7200。這些國際先進的復合/單一性氣體檢測模塊,工作溫度為-20~+50 ℃,可在相對濕度為0%~95%的環境中正常工作;其鋰電池在充滿電后可連續工作10 h以上;具有先進的插入式“智能”毒氣傳感器。以上儀器均帶有RS 232接口,可提供通信協議。上述氣體檢測儀器的技術指標見表2。

3.2 傳感器的安裝

艙室無線移動監測系統在系統設計過程中存在以下特殊性,工作環境惡劣,內部各分系統、零部件之間交叉較多;道路運輸及氣候條件使系統在設計過程中必須面臨高原、山地、沙漠、嚴寒、高溫以及抗輻射等特殊條件;密閉艙室空間狹小,對測量系統體積、形狀要求嚴格;測量系統設備多數為非標設備,移動艙室內部不能為測量設備提供永久性安裝空間和具體位置,只能臨時搭載,為測試設備的可靠安裝運行增加了難度。在充分調研和實車考察的基礎上,針對每一種測試設備,分別設計出不同的結構設計和安裝方式。系統由兩個獨立的單元組成,每個單元由主箱和付箱組成,主箱和付箱由跳線連接,跳線長度約2 m。主箱可以獨立地連接到整體系統,付箱依附主箱才能工作。氣體類測試分系統實物布局如圖3所示。

表2 選用儀器的技術指標

儀器測試指標量程擴展量程分辨率

QRAEPlus

PGM-2000

CO0～500 ppm1 500 ppm1 ppm

H2S0～100 ppm500 ppm1 ppm

O20～30%0.1%

QRAEPlus

PGM-2000

SO20～20 ppm150 ppm0.1 ppm

LEL0～100%1%

NH30～50 ppm200 ppm1 ppm

MutilRAE

PGM-54

NO20～30 ppm150 ppm0.1 ppm

CO20～20 000 ppm10 ppm

VOC0～999 ppm0.01 ppm

UltraRAE

PGM-7200苯0～200 ppm0.1ppm

圖3 氣體類測試分系統實物布局圖

測試儀器內部采用EVA緩沖材料,柔性鈑金支撐,可承受強沖擊。氣體類測試分系統在移動艙室內的安裝示意圖如圖4所示,在主箱和付箱4立棱上配置多處拉環,用高強度捆扎帶與駕駛椅牢固捆綁。

圖4 氣體類測試分系統車內安裝示意圖

3.2 數據采編和傳輸

氣體類傳感器將檢測到的氣體類測試數據打包,通過RS 485數據總線接口給出。所有數據總線接口分別進入嵌入式PCM采集編碼器進行數據采集編碼。PCM采集編碼由程控模塊、時序控制模塊、輸出模塊等組成[4]。把編碼器輸出的串行數據流送到發射設備進行調制、放大,并以足夠的功率從天線發射出去。本系統采用FPGA技術對被測參數的接口、采集和編碼功能的一體化進行設計,可使得該編碼模塊具有編程靈活,集成度高,速度快,在線可編程的特點。采集編碼器的路數和輸出碼速率都可在線配置。發射機采用模塊化設計,整機由調制模塊、線性功放和二次開關電源模塊組成,這樣選配不同的模塊可以構成不同點頻,不同頻率,不同調制信號形式和不同碼率的發射機。車載發射天線采用全向天線,其增益大于5 dBi。

3.3 數據接收與處理

數據的接收處理在遠處的監測站進行,該系統以工控PC機為平臺,以PCI總線為紐帶,將高頻信道、視頻解調和計算機聯系起來,組成一個有機的整體。系統除了天線和低噪放大器外,其余部份都插入計算機的擴展槽內。系統主要功能部件都集中在計算機內,因此系統操作管理方便。天線和低噪放大器都安裝在可以收拆的活動三角支架上,因此系統攜帶和架設都非常方便。遙測數據處理設備如圖5所示。

圖5 遙測數據處理設備圖

4 實車搭載試驗

2008年在某車輛標準訓練場地進行了5 km動態實車測試,定點測試試驗車輛行駛過程示意圖如圖6所示,監測車輛在試驗場中心位置靜止不動,被測試車輛運動,距離小于5 km,被測試車輛以小于等于100 km/h的速度行駛。在試驗行駛過程中,對系統的主要功能和指標進行連續測試和存儲,采用備用電池或車載電瓶給系統供電,測試時間為1～2 h。

遙測地面站獲得了被測車內氣體類環境參數,圖7為數據處理結果之一。

圖6 A繞B定點行駛試驗圖(試驗場平面圖)

圖7 部分氣體檢測數據處理圖

5 結 語

采用氣體類各種檢測模塊,通過無線遙測的方法,使遠方的監測站可靠地獲得移動艙室內各種有害氣體的環境數據,通過試驗證明,該方法是切實可行的。該種測試方法可以對各種坦克及裝甲車輛的人-機-環的研制與改進提供有力的數據支撐。

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