空間有害氣體自動監(jiān)測裝置的設(shè)計和實驗

李小金，蔡宇宏，陳　聯(lián)，王田剛，，何　丹，李正清，王　毅（.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000；.無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇　無錫　4000）

空間有害氣體自動監(jiān)測裝置的設(shè)計和實驗

李小金2，蔡宇宏2，陳聯(lián)1，王田剛1，2，何丹2，李正清2，王毅2
（1.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000；2.無錫泓瑞航天科技有限公司，江蘇無錫214000）

有害氣體自動監(jiān)測裝置通過2個氣體傳感器，有效監(jiān)測大型燃?xì)鈨Υ婵臻g和大型氣體儲罐的有害氣體濃度。一旦濃度超出報警限定值，就能發(fā)報警信號，并自動開啟排風(fēng)系統(tǒng)把有害氣體排出室外。通過對裝置的主要子系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述，借助數(shù)值模擬和實驗論證了裝置的可行性。結(jié)果顯示，該裝置具有成本低、操作方便、自動化程度高等優(yōu)點。

監(jiān)測；有害氣體；大空間；傳感器；自動控制

0　引言

隨著人們生活水平的提高和科技的進(jìn)步，越來越多的氣體開始進(jìn)入人們的生活領(lǐng)域。比如天然氣、人工煤氣、液化石油氣以及無水肼等。這些氣體極大的方便了人們的生活，促進(jìn)了科技的發(fā)展。但在使用這些氣體的過程中，因泄漏造成的意外事故時有發(fā)生。尤其在密閉的空間，空氣不流通，一旦室內(nèi)燃?xì)庑孤O易造成爆炸，給人們的生命安全帶來了嚴(yán)重的威脅。比如肼（包括無水肼、一甲肼、偏二甲肼）由于具有燃點低、燃燒充分、比沖大、熱值高等顯著特點，與液氧、硝基氧化劑等組成雙組元液體推進(jìn)劑作為火箭發(fā)動機(jī)的能量，被廣泛應(yīng)用于各種衛(wèi)星、導(dǎo)彈和航天器的發(fā)射中［1］。肼的化學(xué)性質(zhì)活潑，又具有毒性、易燃易爆，當(dāng)空氣中肼的最大濃度為0.1 mg/L時，就會對人的身心健康造成嚴(yán)重傷害，而人的嗅覺濃度范圍為3～4 mg/L［2］。因此有害氣體的泄漏檢測就顯得尤為重要。縱觀目前市場上的泄漏檢測裝置主要有便攜式泄漏檢測儀和固定式泄漏檢測裝置兩種形式［3-5］。便攜式檢漏儀是一種傳統(tǒng)的氣體泄漏檢測裝置，使用該儀器的最大缺點在于：工作人員必須親自進(jìn)入現(xiàn)場檢測，若氣體已經(jīng)發(fā)生泄漏，自身也受到了不同程度的傷害。固定式泄漏檢測裝置通過在可能產(chǎn)生有害氣體的部位布置大量的傳感器。當(dāng)發(fā)生氣體泄漏時，氣體探測探頭將檢測到的信號傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)［6-7］。但氣體傳感器作為檢測設(shè)備的核心部件，占據(jù)了檢測設(shè)備投資費用的很大一部分比例，因此這種固定式泄漏檢測設(shè)備無形中增加了投資費用，特別是在測點比較多的情況下，高額的投資費用和維護(hù)成本對檢測裝置的性能造成嚴(yán)重的影響。監(jiān)測裝置借鑒了傳統(tǒng)便攜式和固定式檢測裝置的特點，采用2個氣體傳感器檢測幾十個甚至上百個測點，極大的提高了檢測效率，減少了設(shè)備的投資。

1　監(jiān)測裝置的構(gòu)成及工作原理

裝置主要由采樣子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、反吹子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)四大部分組成。采樣子系統(tǒng)通過采樣泵向檢測室內(nèi)輸送測點氣體；反吹子系統(tǒng)通過機(jī)械泵對整個管路進(jìn)行吹掃；檢測子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)作為裝置的核心部件決定著系統(tǒng)的測試精度和穩(wěn)定運行，對其進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。以4個采樣點為例，監(jiān)測裝置的設(shè)計原理如圖1所示，有四個方面的檢測原理。

圖1　監(jiān)測系統(tǒng)原理圖

（1）開啟a～d管路中的采樣用電磁閥1和采樣泵3，使4個測點處的氣體通過采樣管路進(jìn)入取樣罐1和2中；

（2）2 s后，開啟檢測用電磁擋板閥4，在壓差的作用下采樣罐中的氣體進(jìn)入檢測室1；

（3）開啟排氣用電磁擋板閥6和排氣泵7，壓力傳感器連續(xù)不斷的監(jiān)測檢測室1內(nèi)氣體壓力的變化自動調(diào)整排氣泵的抽速，以維持壓力表的讀數(shù)始終在0.9～1.1倍的當(dāng)?shù)卮髿鈮海瑥亩档土艘驒z測室內(nèi)壓力變化而導(dǎo)致的測量數(shù)據(jù)的誤差；

（4）當(dāng)各測點無泄漏時，檢測室1內(nèi)的傳感器沒有讀數(shù)；當(dāng)檢測室1內(nèi)的傳感器出現(xiàn)讀數(shù)時，系統(tǒng)自動開啟巡檢模式，為使氣體樣品具有代表性，需要對檢測室內(nèi)的氣體進(jìn)行置換。首先關(guān)閉所有采樣用電磁擋板閥1，依次開啟換氣用電磁擋板閥13、吹掃用電磁擋板閥10、加熱室9和反吹泵8，用高溫反吹掃的方式置換檢測系統(tǒng)內(nèi)的有害氣體；30 s后開啟采樣管路a，打開檢測室2中的檢測用電磁擋板閥和排氣泵按上述步驟（2）～（3）的過程進(jìn)行巡檢。當(dāng)a采樣管路沒有泄漏時，依次開啟b～d采樣管對每一路管路進(jìn)行逐一巡檢，直到最終確定泄漏源。

2　檢測子系統(tǒng)的設(shè)計

檢測系統(tǒng)作為監(jiān)測裝置的核心部件，感官或信號輸入部分之一的氣體傳感器是必不可少的。傳感器是影響測量精度的重要因素，及時、準(zhǔn)確的測量采樣濃度是檢測裝置的基本要求。因此選用性能穩(wěn)定可靠、精度滿足要求、使用操作方便的傳感器，將有利于更好的發(fā)揮檢測裝置的性能。

氣體傳感器按原理分為三類［8］：（1）利用物理化學(xué)性質(zhì)的氣體傳感器，如半導(dǎo)體式、催化燃燒式、電導(dǎo)式、化學(xué)發(fā)光式等；（2）利用物理性質(zhì)的傳感器，如光電離式、熱導(dǎo)式、CO2激光式等；（3）利用化學(xué)或生化性質(zhì)的氣體傳感器，如以電化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的電化學(xué)傳感器和利用生化性質(zhì)的生物傳感器。

在眾多傳感器中，一些傳感器（化學(xué)發(fā)光式傳感器）雖然具有檢測靈敏度高、準(zhǔn)確性強等優(yōu)點，但由于體積龐大，不能用于現(xiàn)場實時監(jiān)測，而且價格昂貴，所以應(yīng)用受到很大限制［9］；其他一些分析設(shè)備，如半導(dǎo)體傳感器，靈敏度雖然比較高，但穩(wěn)定性差，工作溫度大多在300℃以上，需要加熱裝置［10］。相對而言，電化學(xué)傳感器能滿足一般檢測中對靈敏度和準(zhǔn)確性的需要，又具有體積小、操作方便等優(yōu)點，因此在目前已有的各類氣體檢測方法中占有重要的地位［11］。其工作原理簡述：當(dāng)檢測到有害氣體成份時，傳感器發(fā)出與有害氣體在空氣濃度成比例的電信號，并將該電信號傳送給控制器。

檢測室設(shè)計為圓錐型筒體。主要是基于兩個方面的考慮：首先錐形底部在一定程度上減小了檢測室的容積，能夠在較短的時間內(nèi)充滿有效氣體；其次圓錐型的設(shè)計充分考慮了氣體動力學(xué)的因素。由流體力學(xué)的相關(guān)知識可知［12］，流體流過錐形擴(kuò)口界面時會產(chǎn)生噴騰效果，在傳感器和檢測室底部之間產(chǎn)生一個較大的湍流區(qū)域，使得此附近空間的氣體濃度區(qū)域紊亂，加強了氣體的擾動和快速的混合，因此在這個區(qū)域的氣體濃度在較短的時間內(nèi)接近采樣氣體濃度。

為了進(jìn)一步的論證這個觀點，采用了當(dāng)今最為流行的FLUENT數(shù)值模擬軟件，對其內(nèi)部流場進(jìn)行了分析。為了數(shù)值模擬的簡便，盡量不改變檢測室本體的原則，對檢測室做了如圖2所示的簡化，并假設(shè)泵的抽速和采樣溫度是常數(shù)。采用GAMBIT軟件劃分了結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)60萬。進(jìn)口設(shè)置為壓力進(jìn)口、出口設(shè)置為自由出口邊界條件［13］。圖2的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，由于噴騰效應(yīng)，在檢測室內(nèi)部產(chǎn)生大量紊亂的回流，特別是在檢測室的錐形部位（圖2左側(cè)放大部位）Z軸方向速度的回流更加明顯。

圖2　檢測室Z軸方向的速度分布圖

3　控制系統(tǒng)的設(shè)計

自動監(jiān)測裝置的控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)、下位機(jī)、傳輸電纜和軟件組成，用于自動監(jiān)測裝置的自動啟停控制、測量數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、儲存和傳輸?shù)龋淇蚣苋鐖D3所示。上位機(jī)為報警用監(jiān)測計算機(jī)，下位機(jī)主要由顯示器、工業(yè)控制計算機(jī)、PLC控制器、繼電器等組成。上位機(jī)安裝在值班室，下位機(jī)安裝在監(jiān)測設(shè)備處，上下位機(jī)通訊采用TCP/IP協(xié)議，有效的保證了指令和數(shù)據(jù)的實時傳輸。

圖3　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)顯示有害氣體的濃度；當(dāng)被測氣體濃度達(dá)到或超過設(shè)定的報警濃度時，報警控制器即發(fā)出報警并輸出有關(guān)開關(guān)控制信號，提示操作人員采取安全措施或啟動有關(guān)自動化控制裝置。

4　檢測實驗

為了準(zhǔn)確獲取監(jiān)測裝置的工作性能，采用便攜式推進(jìn)劑泄漏檢測比對裝置—動態(tài)氣體發(fā)生器作為參考標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)測試前需要將泄漏模擬源用裝有少量污染液體的玻璃毛細(xì)管代替，啟動系統(tǒng)，調(diào)節(jié)流量和溫度，工作穩(wěn)定后便可產(chǎn)生穩(wěn)定的氣體濃度，通過比較配氣裝置的蒸發(fā)溫度、稀釋氣體流量以及毛細(xì)管的質(zhì)量變化便可計算出實際的測點濃度。表1為采樣管路從10～80 m逐漸增加時的測量結(jié)果。

表1　不同長度采樣管路測試結(jié)果統(tǒng)計

測試結(jié)果表明，發(fā)生器蒸發(fā)溫度調(diào)節(jié)到50℃、采樣管路覆蓋半徑達(dá)到80 m時，監(jiān)測裝置測試的濃度值沒有發(fā)生較大的變化，通過與配氣裝置實測的結(jié)果比較，監(jiān)測裝置的測試精度也能控制在較好的水平。從表中也可以看出，采樣氣體的流量對最終檢測結(jié)果的影響相對較小，這也間接證明了不同取樣管路在同一條件下最終測試結(jié)果的相似性。

為了進(jìn)一步的驗證不同管路長度對檢測效率的影響，圖4為5組不同長度管路采樣濃度達(dá)到穩(wěn)定值時的響應(yīng)時間。由圖可知，不同長度的管路，在達(dá)到穩(wěn)定值時的響應(yīng)時間略有差異，主要是由于不同長度采樣管路流量的差異性造成的，最大的響應(yīng)時間與最小的響應(yīng)時間偏差相差不到10 s。若采樣時間取80 s，則系統(tǒng)完全能夠消除因響應(yīng)時間引起的誤差。

圖4　不同長度采樣管路的響應(yīng)時間圖

自動監(jiān)測裝置對不同濃度的快速響應(yīng)是一個重要的指標(biāo)，圖5顯示了在相同采樣管路下系統(tǒng)測試結(jié)果隨配氣溫度的變化趨勢。

圖5　測試濃度隨溫度的變化圖

從圖5可以看出，隨著蒸發(fā)溫度的逐漸升高，自動監(jiān)測裝置的測試濃度逐漸升高，特別當(dāng)蒸發(fā)溫度超過50℃后，測試濃度呈直線上升趨勢，這也驗證了自動監(jiān)測裝置在不同濃度下的可靠性。

5　結(jié)論

監(jiān)測裝置是一種穩(wěn)定、可靠的定時多路同時自動監(jiān)測裝置。采樣裝置定時抽取測點氣體并輸送至檢測室內(nèi)，然后通過控制系統(tǒng)將檢測數(shù)據(jù)傳入服務(wù)器并通過人機(jī)接口完成儀器功能的設(shè)定、校準(zhǔn)系數(shù)的設(shè)定、報警值的設(shè)定、檢測時間的設(shè)定等。并具有四個方面的特點：

（1）自動監(jiān)測裝置實現(xiàn)了現(xiàn)場遠(yuǎn)距離監(jiān)控，采樣人員不用進(jìn)入危險場所即可達(dá)到連續(xù)監(jiān)控的目的，為人身安全建立了一道可靠的屏障；

（2）自動監(jiān)測裝置能夠及時迅速掌握室內(nèi)有害氣體的濃度，在出現(xiàn)泄漏時能夠準(zhǔn)確的定位泄漏位置和泄漏值，以便盡早發(fā)現(xiàn)問題并及時處理；

（3）自動監(jiān)測裝置可以布置在生產(chǎn)現(xiàn)場，預(yù)防與監(jiān)控生產(chǎn)環(huán)境的有害氣體濃度變化。發(fā)生事故時，可臨時增減監(jiān)控點，特別適用于大規(guī)模密閉空間有害氣體的不間斷自動巡檢；

（4）自動監(jiān)測裝置最高可檢測100 mg/L的有害氣體濃度，分辨率達(dá)到了0.01 mg/L，對強氧化性氣體具有良好地適用性。

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DESIGN AND EXPERIMENTOFAUTOMATICMONITORING EQUIPMENTOF HARM FUL GAS IN SPACE

LIXiao-jin2，CAIYu-hong2，CHEN Lian1，WANG Tian-gang1，2，HEDan1，LIZheng-qing2，WANG Yi2
（1.Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou730000，China；2.W uxiHongruiAerospace Science and Technology Co.，Ltd.，W uxi Jiangsu214000，China）

The harm fulgas automaticmonitoring devicew ith the aid of 2 gas sensors can effectivelymonitor the concentration of harm ful gas such as large gas storage space and large gas storage tanks.Once the concentration exceeds the lim it value of the alarm，the alarm signal can be sent out，and automatically open the exhaust system to discharge the harm fulgas from theoutdoor.Themain system of the device isdescribed in detail，and the feasibility of the device isdemonstrated by means of numerical simulation and experiment.The results show that the device has the advantages of low cost，convenientoperation and high automation degree.

monitoring；harm fulgas；large space；sensor；automatic control

TB774

A

1006-7086（2016）04-0241-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2016.04.013

2016-01-25

李小金（1987-），男，甘肅天水人，助理工程師，主要從事氣體泄漏監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用。E-mail：usehaoyun@126.com。