基于遙測(cè)的移動(dòng)艙室內(nèi)氣體檢測(cè)方法

蔣國(guó)立,紀(jì)立紅,冀文龍

摘 要:各種密閉艙室在移動(dòng)時(shí)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量對(duì)人體有害的氣體,使用氣體傳感器采集模塊,采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù),實(shí)時(shí)采集和記錄車輛在靜止和行進(jìn)過(guò)程中艙室內(nèi)的有害氣體、溫濕度等狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù),在遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)站接收并處理數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)基于遙測(cè)的移動(dòng)艙室內(nèi)氣體檢測(cè)。通過(guò)實(shí)車搭載試驗(yàn)證明,該方法切實(shí)可行。該測(cè)試方法可以對(duì)各種坦克及裝甲車輛的人-機(jī)-環(huán)研制與改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞:遙測(cè);氣體檢測(cè);移動(dòng)艙室;氣體傳感器

中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):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(dòng)艙室環(huán)境中,存在大量氣體狀態(tài)污染物,這些氣體污染物以分子狀態(tài)存在,大部分為無(wú)機(jī)氣體,例如CO,NO2,H2S,LEL,VOC等[1]。采用無(wú)線遙測(cè)技術(shù)實(shí)時(shí)采集和記錄車輛在靜止和行進(jìn)過(guò)程中艙室內(nèi)的有害氣體、溫濕度等狀態(tài)參數(shù)和環(huán)境參數(shù),以便分析有害氣體對(duì)艙室人員身心健康的影響。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)靜止及移動(dòng)中密閉艙室環(huán)境中的多項(xiàng)指標(biāo),測(cè)試數(shù)據(jù)可全部存儲(chǔ),同時(shí)能通過(guò)無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳送到數(shù)公里外監(jiān)控車上的監(jiān)測(cè)中心。

1 移動(dòng)艙室內(nèi)的氣體環(huán)境

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),坦克和裝甲車輛在行進(jìn)和實(shí)戰(zhàn)過(guò)程中,車內(nèi)會(huì)產(chǎn)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(huì)對(duì)駕駛員、炮手及乘員的身心健康造成很大危害,車輛密閉環(huán)境中溫濕度對(duì)人體也有一定的影響。在坦克和裝甲車輛研制過(guò)程中,及時(shí)準(zhǔn)確地掌握移動(dòng)艙室中各項(xiàng)環(huán)境參數(shù),對(duì)車輛的改進(jìn)設(shè)計(jì)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。近來(lái)廣泛采用遙測(cè)遙控技術(shù),并逐步實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)的智能化[2]。艙內(nèi)氣體類參數(shù)表見(jiàn)表1。

表1 氣體類參數(shù)表

測(cè)試項(xiàng)目測(cè)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(cè)試方法

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)事先把有害氣體監(jiān)測(cè)儀安裝在艙室內(nèi)的固定位置上,在監(jiān)測(cè)過(guò)程中監(jiān)測(cè)儀將采集到的信號(hào)一方面進(jìn)行本地存貯,另一方面通過(guò)RS 485接口協(xié)議送入遙測(cè)發(fā)射裝置,遙測(cè)發(fā)射裝置將接收到的數(shù)據(jù)流進(jìn)行編碼,形成標(biāo)準(zhǔn)的PCM數(shù)據(jù)流送入發(fā)射機(jī)。發(fā)射機(jī)變成無(wú)線電波向空間發(fā)射出去,遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)中心把這些信號(hào)接收下來(lái)進(jìn)行處理并繪成曲線,這樣就可直觀地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到艙室在移動(dòng)過(guò)程中的環(huán)境變化情況。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 氣體傳感器集成框圖

遙測(cè)發(fā)射分系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示。氣體類傳感器分系統(tǒng)將檢測(cè)到的氣體類測(cè)試數(shù)據(jù)打包,并通過(guò)RS 485數(shù)據(jù)總線接口給出。所有數(shù)據(jù)總線接口分別進(jìn)入嵌入式PCM采集編碼器,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編碼[3]。PCM采集編碼由程控模塊、時(shí)序控制模塊、輸出模塊等組成。把編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)流送到發(fā)射設(shè)備進(jìn)行調(diào)制、放大,并以足夠的功率從天線發(fā)射出去。

圖2 遙測(cè)發(fā)射分系統(tǒng)框圖

遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)的集成:遙測(cè)地面監(jiān)測(cè)分系統(tǒng)采用車載式便攜接收方案。系統(tǒng)除天線和低噪聲放大器外的所有接收單元均放在工控計(jì)算機(jī)內(nèi)。

3 系統(tǒng)組成及實(shí)現(xiàn)

3.1 傳感器的選型

選用美國(guó)RAE公司的PGM-2000,MultiRAE PGM-54,UltraRAE PGM-7200。這些國(guó)際先進(jìn)的復(fù)合/單一性氣體檢測(cè)模塊,工作溫度為-20~+50 ℃,可在相對(duì)濕度為0%~95%的環(huán)境中正常工作;其鋰電池在充滿電后可連續(xù)工作10 h以上;具有先進(jìn)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(xié)議。上述氣體檢測(cè)儀器的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

3.2 傳感器的安裝

艙室無(wú)線移動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中存在以下特殊性,工作環(huán)境惡劣,內(nèi)部各分系統(tǒng)、零部件之間交叉較多;道路運(yùn)輸及氣候條件使系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須面臨高原、山地、沙漠、嚴(yán)寒、高溫以及抗輻射等特殊條件;密閉艙室空間狹小,對(duì)測(cè)量系統(tǒng)體積、形狀要求嚴(yán)格;測(cè)量系統(tǒng)設(shè)備多數(shù)為非標(biāo)設(shè)備,移動(dòng)艙室內(nèi)部不能為測(cè)量設(shè)備提供永久性安裝空間和具體位置,只能臨時(shí)搭載,為測(cè)試設(shè)備的可靠安裝運(yùn)行增加了難度。在充分調(diào)研和實(shí)車考察的基礎(chǔ)上,針對(duì)每一種測(cè)試設(shè)備,分別設(shè)計(jì)出不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝方式。系統(tǒng)由兩個(gè)獨(dú)立的單元組成,每個(gè)單元由主箱和付箱組成,主箱和付箱由跳線連接,跳線長(zhǎng)度約2 m。主箱可以獨(dú)立地連接到整體系統(tǒng),付箱依附主箱才能工作。氣體類測(cè)試分系統(tǒng)實(shí)物布局如圖3所示。

表2 選用儀器的技術(shù)指標(biāo)

儀器測(cè)試指標(biāo)量程擴(kuò)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(cè)試分系統(tǒng)實(shí)物布局圖

測(cè)試儀器內(nèi)部采用EVA緩沖材料,柔性鈑金支撐,可承受強(qiáng)沖擊。氣體類測(cè)試分系統(tǒng)在移動(dòng)艙室內(nèi)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(huán),用高強(qiáng)度捆扎帶與駕駛椅牢固捆綁。

圖4 氣體類測(cè)試分系統(tǒng)車內(nèi)安裝示意圖

3.2 數(shù)據(jù)采編和傳輸

氣體類傳感器將檢測(cè)到的氣體類測(cè)試數(shù)據(jù)打包,通過(guò)RS 485數(shù)據(jù)總線接口給出。所有數(shù)據(jù)總線接口分別進(jìn)入嵌入式PCM采集編碼器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集編碼。PCM采集編碼由程控模塊、時(shí)序控制模塊、輸出模塊等組成[4]。把編碼器輸出的串行數(shù)據(jù)流送到發(fā)射設(shè)備進(jìn)行調(diào)制、放大,并以足夠的功率從天線發(fā)射出去。本系統(tǒng)采用FPGA技術(shù)對(duì)被測(cè)參數(shù)的接口、采集和編碼功能的一體化進(jìn)行設(shè)計(jì),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(diǎn)。采集編碼器的路數(shù)和輸出碼速率都可在線配置。發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì),整機(jī)由調(diào)制模塊、線性功放和二次開(kāi)關(guān)電源模塊組成,這樣選配不同的模塊可以構(gòu)成不同點(diǎn)頻,不同頻率,不同調(diào)制信號(hào)形式和不同碼率的發(fā)射機(jī)。車載發(fā)射天線采用全向天線,其增益大于5 dBi。

3.3 數(shù)據(jù)接收與處理

數(shù)據(jù)的接收處理在遠(yuǎn)處的監(jiān)測(cè)站進(jìn)行,該系統(tǒng)以工控PC機(jī)為平臺(tái),以PCI總線為紐帶,將高頻信道、視頻解調(diào)和計(jì)算機(jī)聯(lián)系起來(lái),組成一個(gè)有機(jī)的整體。系統(tǒng)除了天線和低噪放大器外,其余部份都插入計(jì)算機(jī)的擴(kuò)展槽內(nèi)。系統(tǒng)主要功能部件都集中在計(jì)算機(jī)內(nèi),因此系統(tǒng)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(dòng)三角支架上,因此系統(tǒng)攜帶和架設(shè)都非常方便。遙測(cè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備如圖5所示。

圖5 遙測(cè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備圖

4 實(shí)車搭載試驗(yàn)

2008年在某車輛標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練場(chǎng)地進(jìn)行了5 km動(dòng)態(tài)實(shí)車測(cè)試,定點(diǎn)測(cè)試試驗(yàn)車輛行駛過(guò)程示意圖如圖6所示,監(jiān)測(cè)車輛在試驗(yàn)場(chǎng)中心位置靜止不動(dòng),被測(cè)試車輛運(yùn)動(dòng),距離小于5 km,被測(cè)試車輛以小于等于100 km/h的速度行駛。在試驗(yàn)行駛過(guò)程中,對(duì)系統(tǒng)的主要功能和指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)測(cè)試和存儲(chǔ),采用備用電池或車載電瓶給系統(tǒng)供電,測(cè)試時(shí)間為1～2 h。

遙測(cè)地面站獲得了被測(cè)車內(nèi)氣體類環(huán)境參數(shù),圖7為數(shù)據(jù)處理結(jié)果之一。

圖6 A繞B定點(diǎn)行駛試驗(yàn)圖(試驗(yàn)場(chǎng)平面圖)

圖7 部分氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)處理圖

5 結(jié) 語(yǔ)

采用氣體類各種檢測(cè)模塊,通過(guò)無(wú)線遙測(cè)的方法,使遠(yuǎn)方的監(jiān)測(cè)站可靠地獲得移動(dòng)艙室內(nèi)各種有害氣體的環(huán)境數(shù)據(jù),通過(guò)試驗(yàn)證明,該方法是切實(shí)可行的。該種測(cè)試方法可以對(duì)各種坦克及裝甲車輛的人-機(jī)-環(huán)的研制與改進(jìn)提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

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