化學試驗室有毒有害氣體泄漏監測方法研究

翟 宇，馬 寧

（北京師范大學 試驗室安全與設備管理處，北京 100875）

化學試驗室是導出化學科研成果的主要場所，但大部分化學試驗涉及危險物質與有害物質的處理。例如，在進行化工類試驗時，石油與燃料等試驗材料中便含有大量的有毒有害物質，部分試驗材料的結構不穩定，還會使試驗過程存在易燃與易爆的危險[1]。倘若試驗室中的化工類材料在運輸過程中沒有進行有效的密封，或在試驗操作過程中，沒有按照標準化的操作流程進行材料處理，便會使這些有毒氣體發生泄漏，而氣體本身具有擴散性特點。在外部風力作用下，氣體會在室內環境或室外環境中發生擴散。當擴散到地層表面時，會對土層中的植被與林木生長造成威脅；當擴散到大氣環境時，容易被人體吸入，從而對人類身體健康造成威脅。目前，已經有較多的化學試驗室由于操作不當，出現有毒有害氣體泄漏事件，一旦此種安全事故發生，不僅會對試驗室內其他材料的結構穩定性造成影響，也會對化工試驗造成較大的經濟與財務方面損失。而發生此種問題的主要原因大多是化學試驗中，技術人員沒有及時做好氣體泄漏監測所導致[2]。盡管技術人員無法做到對泄漏事故的完全避免，但可以在發生氣體泄漏的初期監測到此種現象，并及時采取有效的措施對泄漏的氣體進行控制，通過此種方式，將氣體泄漏事故造成的損失降至最低。

1 化學試驗室有毒有害氣體泄漏監測方法設計

1.1 基于無線傳輸技術的氣體泄漏信號獲取與氣體源頭確定

為了確保試驗室在執行某項試驗過程中，傳感器端可以實現對有毒有害氣體泄漏的有效監測，在設計此方法時，引進無線傳輸技術，進行氣體泄漏信號的獲取。此項技術在應用中，可將前端傳感器獲取的現場氣體濃度信號轉換為電信號，對應的信號通過傳感器內部單片機結構進行模數轉換，將數值進行量化與編碼后，便可以使電信號轉換為數字信號[3]。信號在網絡的支撐下，發送給前端接收端進行處理即可。

無線傳輸技術在獲取信號時的頻率不同，為了實現多個作業模塊之間的良好通信，可在信號獲取的過程分為三個環節。在第一個環節，由中央處理器作為信號獲取的支撐，此時，傳感器需要通過與串口進行通信的方式，獲取有毒有害氣體泄漏信號，信號在經過短途無線模塊處理后，發送給計算機終端。在第二個環節，需要利用計算中的信號調度工具，進行信號類型的識別，識別后根據短途與長途設計需求，選擇信號繼續傳輸方式[4]。在完成對信號獲取傳輸方式的選擇后，進入第三個環節，在此環節，處理器與RS2323C接口對接，進行信號的持續傳輸，傳輸的方式為自上向下傳輸。當終端接收到對應的有毒有害氣體泄漏信號后，將啟動信號錄入模塊，開始執行信號的收取，實現對信號的實時獲取。

完成對氣體泄漏信號的獲取后，考慮到有毒有害氣體在發生泄漏后具有較強的擴散能力，技術人員很難通過感官進行氣體源頭的確定。因此，需要在此過程中，使用輔助性的設備，根據技術人員的工作經驗，進行氣體來源的判斷。通常情況下，化學試驗室有毒有害氣體在揮發時會伴隨著較濃和刺鼻的氣味，例如，試驗室常見的H2S、煤油、汽油、NH3-N等。當前端準確捕獲到室內氣體泄漏信號后，需要立刻使用輔助設備，到事故現場進行泄漏氣體類別的確定，并在明確氣體類型后，根據此類廢氣在試驗室內的儲存位置，圈定氣體泄漏的核心范圍，根據試驗室管網圖像，進行不同區域氣體樣本的獲取，在安全位置進行氣體濃度與氣體濃度與氣體中危險物質含量的進一步確認，在此過程中，可以使用氣相色譜進行氣體的對比試驗，完成此方面的研究后。圈定氣體濃度最高的區域，將其作為泄漏氣體的源頭。

1.2 設定化學試驗室有毒有害氣體爆炸界限

在完成對有毒有害氣體泄漏信號的實時獲取后，信號將被傳輸到體檢測試儀進行定量分析。此裝置可以在1.0min內，同時實現對氣體中多種物質含量的檢測。在此過程中，考慮到有毒有害氣體一旦在試驗室中存在濃度超標的問題，便會發生爆炸危險，因此，需要在分析過程中，設定化學試驗室內不同類型有毒有害氣體發生泄漏時的爆炸界限。即氣體濃度超出預設的界限后，證明此時試驗室內部環境存在危險[5]。為了滿足與此相關的設計需求，以化工試驗中常見的有毒有害氣體為例，對其進行爆炸界限的設定（相關數據由國家發布的《化工常見可燃氣體使用標準》文件獲取）。以試驗室中常見的有毒有害氣體為例，苯類氣體具有較強的揮發性，化學式為C6H6，爆炸的上限值為7.0%，爆炸的下限值為1.4%；氨氣的氣體化學式為NH3，爆炸的上限值為28.0%，爆炸的下限值為15.0%；石油氣的爆炸上限值為12.5%，爆炸的下限值為2.0%。按照上述方式，進行煤油揮發氣體、汽油揮發氣體、乙炔氣體、乙烷氣體、乙醇氣體、丁烷氣體、甲烷氣體等試驗室常見氣體發生泄漏事故時，爆炸的上限值與下限值，完成對數值的整理后，將對應的內容錄入試驗室終端傳感器中，完成化工試驗中常見有毒有害氣體爆炸界限的設定。

1.3 有毒有害氣體泄漏量實時預警

在完成相關設計后，開啟傳感器運行開關，進行化工試驗區有毒有害氣體泄漏的實時監測。一旦檢測出現室內對應氣體濃度含量＞上限值，或＜下限值，傳感器將產生報警信號，信號通過變送器傳輸到模數轉換器。信號在傳輸過程中經過模數轉換后，對應的模擬信號將以數字信號的方式呈現，數字信號與閾值進行比對，當滿足預警條件后，試驗室內報警燈閃爍并產生對應的報警信息。在此基礎上，終端的MySQL+PHP平臺將根據數據源，進行前端傳感器與終端顯示界面的交互，當信息交互行為發生時，后臺將啟動監控端的實時刷新技術，試驗室內有毒有害氣體濃度信息將以1.0次/s的速度更新，更新后的數據將在數據終端進行點狀呈現。當技術人員達到監控現場后，可操作顯示界面中的“一鍵生成”功能，進行氣體濃度變化趨勢的分析，以此種方式，即可獲取一個針對試驗室內泄漏氣體濃度變化的曲線圖，曲線圖將清晰的呈現泄漏氣體變化，從而確保監控具有一定實時性與直觀性。

與此同時，底層傳輸模塊將通過RS2323C接口進行報警信息的獲取，并啟動實時監測功能，對現場有毒有害氣體濃度信息進行實時獲取[6]。技術人員會在識別到氣體濃度超標或預警后，到現場進行泄漏點的排查與事故現場安全處理，完成處理后，試驗室內氣體濃度將呈現一種下降趨勢，此時監控端仍以1.0次/s的速度對氣體濃度信息進行更新，直到現場氣體濃度回歸到安全閾值范圍內，終端在此時將自動清除預警信息，并啟動下一次監測。通過此種方式，實現對化工試驗區域有毒有害氣體的在線監測，從而完成對監測方法的理論設計。

2 實例應用分析

上文完成了基于理論層面的氣體泄漏監測方法設計研究，考慮到相關方法的投入使用關系到試驗室工作人員與工作環境的安全，因此，需要將此方法投入使用前，進行實踐檢測。只有通過多次實踐檢驗后證明了本文設計的方法具有正式投入使用的能力，可對試驗室內有毒有害氣體起到實時監測作用，才能將其真正應用到試驗室。

為了滿足此次試驗的需求，此次實例應用分析選擇某化工試驗室作為試驗的試點場所。現已知，選定的化工試驗室是為某工業園區內企業流水線生產提供材料的主要場所。試驗室中現存大量的儀器設備與試驗材料，試驗區被劃分為材料研究室、化學試驗室、輔助研究與分析試驗室等多個區域。其中化學試驗室是進行化工試驗分析的主要場所，在此區域內，技術人員可以在試驗臺上使用專業的儀器設備，進行不同類型化工材料的生產與試驗研究。為了確保技術人員在試驗實施過程中，其個人安全得到保障，通常需要專業人員做好防護或安全措施后進入試驗室。

試驗過程中，將本文設計的監測方法集成在試驗室終端設備上，對接室內傳感器，確保多端保持良好通信狀態后，開啟終端設備電源開關，觀察傳感器指示燈是否亮起。當指示燈閃爍數次并持續亮起后，對監控界面進行調試，調試過程中，保持試驗室內無人。并進行操作界面的檢測，以生成完整的監測界面示意圖作為調試的關鍵。在此過程中，技術人員通過操作鼠標，進入試驗室內部環境管理終端，點擊初始化監測界面的功能鍵，進入實時監測界面。

如圖1所示，在試驗室無人的條件下，室內環境中的NO、CO2、粉塵等物質的含量均為0。對應的空白界面為NO物質濃度監測界面。在完成對操作界面的初始化處理后，以試驗室內某次化工試驗的實施過程為例，對此過程進行NO氣體泄漏的在線監測。此次試驗持續5.0h，為了更好地感知NO氣體是否在發生泄漏后出現擴散現象，試驗中監測的過程持續9.0h。按照上述操作步驟，進行試驗室內部環境中NO氣體泄漏的監測，監測結果由前端傳感器感應，在完成監測后，對應的監測結果數據將以折線圖的方式呈現在界面中，從而輔助現場試驗技術人員更加直接地對室內環境中有毒有害氣體泄漏進行處理。試驗完成后，生成監測結果界面。

圖1 有毒有害氣體泄漏監測結果界面

上圖為有毒有害氣體泄漏監測結果界面，此次試驗以監測室內環境中NO氣體濃度為例，對應的橫線表示為安全閾值，當氣體濃度超過安全閾值時，對應的終端發生預警。在試驗實施持續1.0h后，NO氣體發生泄漏，其濃度瀕臨閾值。當試驗室內技術人員發現此種異常現象后，采取了一定的控制措施，在此后的一段時間內，NO氣體濃度持續下降。

3 結束語

從基于無線傳輸技術的氣體泄漏信號獲取、設定化學試驗室有毒有害氣體爆炸界限、有毒有害氣體泄漏量實時預警三個方面，開展了化學試驗室有毒有害氣體泄漏監測方法的設計。在完成設計后，考慮到方法的有效性可直接關系到試驗室內技術人員的人身安全，因此，選擇某化工試驗室作為試驗的試點場所，對設計的方法進行實例檢驗，經過實踐后得出最終結論：本文設計的監測方法，在實際應用中，可以實現對室內環境中有毒有害氣體濃度進行持續監測，以此種方式，可以達到對泄漏事故事前控制的目的。但此次試驗受到多種因素的限制，僅進行了NO一種氣體泄漏的監測，并未在試驗內進行粉塵或其他有毒有害物質的監測分析。因此，還需要在后續的試驗中，設定多個監測指標，通過對其他指標的監測，驗證本文方法的可行性，通過此種方式，為試驗室的安全運營與管理提供可靠的數據作為支撐，保證我國化工試驗研究的有序開展。