自調型濾毒通風系統的改進設計

舒暢

（武昌工學院，湖北 武漢430065）

濾毒通風系統主要應用于密閉環境下特種車輛、帳篷、艦艇、飛機、醫療方艙中的一種空氣凈化防護裝置。它的作用是把外界空氣中的毒劑、生物戰劑、放射性灰塵濾凈后，送入密閉艙室，供人員呼吸，并使內部形成超壓，阻止受污染空氣滲入，以保護艙內人員呼吸安全。現有的濾毒通風系統裝置在工作過程中，基本處于風機恒速運轉，致使風機噪音大，濾芯過濾材料單一，系統沒有利用傳感設備采集室內空氣指標、室外受染空氣各項指標的功能，也沒有智能顯示室內、室外空氣中主要成分指標數據的功能。針對上述問題，本文自調型濾毒通風系統的設計目標是：采用傳感器采集室內外空氣中主要成分指標，實時顯示在終端設備顯示屏上，同時通過特定算法分析，提示用戶實時更換濾芯過濾材料，自動調節風機轉速，降低噪聲，提高濾毒通風系統的工作效率。

國內有不少成功的研究成果，比如軍事醫學科學院[1]、國營785 廠[5-6]均在此領域做過很多研究，其產品在各種復雜環境下應用，尤其在軍事領域的應用。

國外也十分重視濾毒通風系統裝置的研究與發展，相繼研發了系列濾毒通風裝置?？晒┎煌笮『腿藬档募w防護裝備使用。如American Safe Room 公司的ASR-48 安全單元、ASR-Automotive -100N 安全單元以及Union Industries 公司的FA 150 NS 型醫用通風過濾系統，FAH 1600/600 集體核生化空氣過濾系統等。該類裝置常用于裝備車輛和方艙系統，其濾毒方式、過濾吸收器的選用、離心風機的配置和整體組合方式等結構特點均有所不同，須根據裝備的實際需要進行適當搭配。

1 工作原理

自調型濾毒通風系統由濾毒器、預濾器、濾塵器、離心式通風機、密閉閥門、通風管道、傳感器、處理器、存儲器和顯示屏等組成。

自調型濾毒通風系統中濾毒器內有濾煙層和吸著劑層。濾煙層用含有藍石棉的過濾紙或超細玻璃纖維紙制成，憑借截留、擴散及慣性沉降等原理，濾除懸浮于空氣中的有害微粒，過濾效率一般要大于99.999%。阻留于濾煙層上的有毒物質，可能蒸發或升華成蒸氣重新污染空氣，為此把吸著劑層設置在濾煙層的后面。吸著劑層裝填浸漬銅、鉻、銀化合物的活性炭，依靠活性炭的物理吸附和浸漬劑的化學吸著作用，濾除各種毒劑的蒸氣。吸著劑層受潮后將降低甚至喪失吸著能力，因此濾毒器必須防止受潮。預濾器用以延長濾毒器的使用期限，過濾材料及作用原理與濾煙層相同，其容塵量較大，并能承受一定的沖擊波余壓，但過濾效率較低（約95%）。

濾塵器（車輛用旋風分離器），是低效粒子過濾器，用以濾除空氣流中的大氣塵埃。離心式通風機設置在濾毒器后面，以防止自身污染，并使濾毒通風裝置在負壓下工作，受染空氣不致外泄。密閉閥門用于構成不同通風方式，防止受染空氣經通風管道滲入。傳感器采集室內、室外空氣中的成分指標，將這些指標送給處理器，處理器按照算法分析計算空氣質量，控制離心式通風機的轉速，調節工作模式。存儲器保存程序和采集的數據，記錄工作過程。顯示屏實時顯示當前狀況，提示和報警，告知操作人員。系統平時用清潔式通風，即空氣經油網濾塵器由管道進入密閉艙室。在核、化學、生物武器襲擊時，報警控制系統可立即停止清潔式通風，使防護區域與外界隔絕，或轉入過濾式通風。

自調型濾毒通風系統的研究意思在于受空氣污染的環境下，給工作于特種密閉空間內的人員提供安全、清潔的呼吸空氣，一般配置于車載方艙等場合。當空氣遭受污染時，該系統可以通過自動或手動方式啟動，將艙外受污染的空氣凈化，然后輸送至方艙內，自動控制風機轉速，自動調節通風量，在艙內保持恒定的超壓，可以實時顯示空氣指標數據。

自調型濾毒通風系統結構框圖如圖1 所示，包含離心式風機系統、數據傳輸連接線、數據處理與顯示系統等。

圖1 系統結構框圖

離心式風機系統包括風機系統和調節系統，數據處理與顯示系統包括數據采集系統、數據分析系統、顯示系統等。

利用傳感器采集室內、室外空氣指標數據，將數據傳輸到數據分析系統，按照算法完成計算，送顯示系統顯示，同時反饋到可調風機系統調節風機轉速，轉換風機工作模式。

該系統需要解決的關鍵問題：

（1）選擇何種傳感器采集室內、室外空氣中的各項指標，采集哪些指標？

（2）算法的設計，數據分析系統的設計，顯示界面的設計。

（3）分析后數據如何控制離心式風機做出自動調節，以及濾毒劑更換的提示報警信息如何在用戶界面顯示？

2 系統設計

自調型濾毒通風系統主要通過傳感器采集密閉環境條件下的室內、室外空氣各成分含量指標，通過算法計算。一方面在顯示屏上顯示環境參數值，另一方面反饋信息到風機系統，以調節風機系統。系統硬件設備搭建結構，主要有濾毒器、預濾器、濾塵器、離心式通風機、密閉閥門、通風管道、傳感器、處理器、存儲器和顯示屏等，軟件使用高級程序設計進行開發，按照采集傳感器傳輸來的數據，算法分析計算，顯示和反饋數據到風機系統，控制風機系統運行。

2.1 研究方法

本系統采用“硬件平臺+功能構件”的設計思想，以柔性開發平臺為基礎，定制開發功能構件來靈活組建系統[2]。

整個系統采用開放式設備連接結構，遵照規范標準化接口，吸取借鑒現有商業成品系統，來滿足功能擴展的原型迭代、靈活集成，軟件部分功能使用腳本化進行開發，提升系統穩定性的同時降低維護工作量。

采用開放式設備連接結構，使本系統具有可移植、可擴展、可互操作、可剪裁等特點，提高系統的可集成性和集成效率。

遵照規范標準化接口，進行標準化設計，方便功能擴充和第三方研制軟件的接入。

吸取借鑒現有商業成品系統，充分發揮功能擴展的原型迭代，提高系統研制的效率，利用商用的先進技術提升本系統的穩定性和先進性。

2.2 技術路線

（1）傳感器的選擇

選擇壓力傳感器、溫濕度傳感器、煙霧傳感器、聲光報警傳感器等采集室內、室外空氣中的各項指標，采集溫度、濕度、氧氣含量、CO2等含量、有毒有害氣體含量等指標。

（2）過濾吸收劑的選擇

根據使用環境條件的不同，備選多款過濾吸收劑，可以選擇市場上較成熟的吸收劑，做到更換方便、快捷。

（3）離心空壓機的選用

通常選用噪音較小且不需要消耗過多資源的空壓機，在實際應用過程中主要是為了實現對空氣的流通送壓和加工處理。

（4）過濾器的選用

通常濾毒通風系統的過濾器數量有四個，主要有一個氣水分離器和三個顆粒過濾器。在實際應用過程中，不同等級的過濾器具有不同的過濾效果。

（5）密閉閥門的選用

通常選用氣密性較好的電磁閥和手動球閥，閥門的閥體一般采用不銹鋼材質，保證閥門在使用過程中防爆性能的最大化發揮。

趙安周等將不同于日?？土魈卣鞯奶厥鈺r段旅游流現象定義為旅游流的“井噴現象”[7],從圖3可見，淮海經濟區5A級景區網絡關注度井噴現象非常明顯．

（6）算法的設計

設計數據分析算法，開發分析程序，設計顯示界面。算法采用模糊控制理論，無論是經典控制原理還是現代控制理論，有一個基本的共同點就是控制器的設計是建立在被控對象具有精確數字模型的基礎之上，但濾毒通風系統需要考慮的空氣指標因素復雜，無法精確確定控制函數，為此本系統還需要運用模糊控制理論來建立算法。不依賴建立精確的數學模型，這樣易于進行控制；模糊控制器是一種非線性控制器，是一種語言控制器；模糊控制的抗干擾性能好，響應速度快，對參數的變化有較強的魯棒性[3-4]。

常見的AQI（空氣質量指數）算法一般根據采集的空氣中主要污染物，如細顆粒物（PM2.5）、可吸入顆粒物（PM10）、二氧化碳（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（SO）等，分別計算空氣質量分指數（IAQI）：

IAQIP=（IAQIHI-IAQILO）/（BPHI-BPLO）*（CP-BPLO）+IAQILO

式中：IAQIP為污染物項目P 的空氣質量分指數；

CP為污染物項目P 的質量濃度值；

IAQIHI和IAQILO為污染物項目P 的質量濃度高位值和低位值的對應的空氣質量分指數。

特例：探測到空氣中的生化物指標時，立即報警。

（7）數據的采集和傳輸

通過各種傳感器采取艙內空氣中各項指標，分析后數據將由有線途徑發送回離心式風機控制模塊，控制模塊做出自動調節風機的動作。用戶可以根據報警信息定時更換濾毒劑。

（8）系統是開放性設計

可以根據應用環境的不同擴展功能，實現達到一次設計多種應用的效果，讓開發人員只關心頂層設計和模型算法實現，而不具體關心應用環境的細節。

3 結論

傳統的濾毒通風系統一個共同點是建立在一個恒定的風機運行系統，無采集環境數據、分析環境數據、反饋控制系統和顯示報警系統。而本文的研究是建立在改進原有濾毒通風系統的基礎之上，采用傳感器采集數據，計算機通過數據處理和分析、顯示、反饋、調節風機系統，效率和智能性上有很大的改進。

由于濾毒通風系統使用場合和環境的局限性，還需要在特定情形下測試和調試系統，以達到自調的目的，未來將與相關廠家和兵器工業部研究所達成合作試驗，研制的樣機在特定兵器裝備上試用，測試系統的功能參數和性能指標，以改進性能和進行深入研究。