空间有害气体自动监测装置的设计和实验

李小金，蔡宇宏，陈　联，王田刚，，何　丹，李正清，王　毅（.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州　730000；.无锡泓瑞航天科技有限公司，江苏　无锡　4000）

空间有害气体自动监测装置的设计和实验

李小金2，蔡宇宏2，陈联1，王田刚1，2，何丹2，李正清2，王毅2
（1.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，兰州730000；2.无锡泓瑞航天科技有限公司，江苏无锡214000）

有害气体自动监测装置通过2个气体传感器，有效监测大型燃气储存空间和大型气体储罐的有害气体浓度。一旦浓度超出报警限定值，就能发报警信号，并自动开启排风系统把有害气体排出室外。通过对装置的主要子系统进行详细阐述，借助数值模拟和实验论证了装置的可行性。结果显示，该装置具有成本低、操作方便、自动化程度高等优点。

监测；有害气体；大空间；传感器；自动控制

0　引言

随着人们生活水平的提高和科技的进步，越来越多的气体开始进入人们的生活领域。比如天然气、人工煤气、液化石油气以及无水肼等。这些气体极大的方便了人们的生活，促进了科技的发展。但在使用这些气体的过程中，因泄漏造成的意外事故时有发生。尤其在密闭的空间，空气不流通，一旦室内燃气泄漏极易造成爆炸，给人们的生命安全带来了严重的威胁。比如肼（包括无水肼、一甲肼、偏二甲肼）由于具有燃点低、燃烧充分、比冲大、热值高等显著特点，与液氧、硝基氧化剂等组成双组元液体推进剂作为火箭发动机的能量，被广泛应用于各种卫星、导弹和航天器的发射中［1］。肼的化学性质活泼，又具有毒性、易燃易爆，当空气中肼的最大浓度为0.1 mg/L时，就会对人的身心健康造成严重伤害，而人的嗅觉浓度范围为3～4 mg/L［2］。因此有害气体的泄漏检测就显得尤为重要。纵观目前市场上的泄漏检测装置主要有便携式泄漏检测仪和固定式泄漏检测装置两种形式［3-5］。便携式检漏仪是一种传统的气体泄漏检测装置，使用该仪器的最大缺点在于：工作人员必须亲自进入现场检测，若气体已经发生泄漏，自身也受到了不同程度的伤害。固定式泄漏检测装置通过在可能产生有害气体的部位布置大量的传感器。当发生气体泄漏时，气体探测探头将检测到的信号传输到控制系统［6-7］。但气体传感器作为检测设备的核心部件，占据了检测设备投资费用的很大一部分比例，因此这种固定式泄漏检测设备无形中增加了投资费用，特别是在测点比较多的情况下，高额的投资费用和维护成本对检测装置的性能造成严重的影响。监测装置借鉴了传统便携式和固定式检测装置的特点，采用2个气体传感器检测几十个甚至上百个测点，极大的提高了检测效率，减少了设备的投资。

1　监测装置的构成及工作原理

装置主要由采样子系统、检测子系统、反吹子系统和控制子系统四大部分组成。采样子系统通过采样泵向检测室内输送测点气体；反吹子系统通过机械泵对整个管路进行吹扫；检测子系统和控制子系统作为装置的核心部件决定着系统的测试精度和稳定运行，对其进行了详细的阐述。以4个采样点为例，监测装置的设计原理如图1所示，有四个方面的检测原理。

图1　监测系统原理图

（1）开启a～d管路中的采样用电磁阀1和采样泵3，使4个测点处的气体通过采样管路进入取样罐1和2中；

（2）2 s后，开启检测用电磁挡板阀4，在压差的作用下采样罐中的气体进入检测室1；

（3）开启排气用电磁挡板阀6和排气泵7，压力传感器连续不断的监测检测室1内气体压力的变化自动调整排气泵的抽速，以维持压力表的读数始终在0.9～1.1倍的当地大气压，从而降低了因检测室内压力变化而导致的测量数据的误差；

（4）当各测点无泄漏时，检测室1内的传感器没有读数；当检测室1内的传感器出现读数时，系统自动开启巡检模式，为使气体样品具有代表性，需要对检测室内的气体进行置换。首先关闭所有采样用电磁挡板阀1，依次开启换气用电磁挡板阀13、吹扫用电磁挡板阀10、加热室9和反吹泵8，用高温反吹扫的方式置换检测系统内的有害气体；30 s后开启采样管路a，打开检测室2中的检测用电磁挡板阀和排气泵按上述步骤（2）～（3）的过程进行巡检。当a采样管路没有泄漏时，依次开启b～d采样管对每一路管路进行逐一巡检，直到最终确定泄漏源。

2　检测子系统的设计

检测系统作为监测装置的核心部件，感官或信号输入部分之一的气体传感器是必不可少的。传感器是影响测量精度的重要因素，及时、准确的测量采样浓度是检测装置的基本要求。因此选用性能稳定可靠、精度满足要求、使用操作方便的传感器，将有利于更好的发挥检测装置的性能。

气体传感器按原理分为三类［8］：（1）利用物理化学性质的气体传感器，如半导体式、催化燃烧式、电导式、化学发光式等；（2）利用物理性质的传感器，如光电离式、热导式、CO2激光式等；（3）利用化学或生化性质的气体传感器，如以电化学反应为基础的电化学传感器和利用生化性质的生物传感器。

在众多传感器中，一些传感器（化学发光式传感器）虽然具有检测灵敏度高、准确性强等优点，但由于体积庞大，不能用于现场实时监测，而且价格昂贵，所以应用受到很大限制［9］；其他一些分析设备，如半导体传感器，灵敏度虽然比较高，但稳定性差，工作温度大多在300℃以上，需要加热装置［10］。相对而言，电化学传感器能满足一般检测中对灵敏度和准确性的需要，又具有体积小、操作方便等优点，因此在目前已有的各类气体检测方法中占有重要的地位［11］。其工作原理简述：当检测到有害气体成份时，传感器发出与有害气体在空气浓度成比例的电信号，并将该电信号传送给控制器。

检测室设计为圆锥型筒体。主要是基于两个方面的考虑：首先锥形底部在一定程度上减小了检测室的容积，能够在较短的时间内充满有效气体；其次圆锥型的设计充分考虑了气体动力学的因素。由流体力学的相关知识可知［12］，流体流过锥形扩口界面时会产生喷腾效果，在传感器和检测室底部之间产生一个较大的湍流区域，使得此附近空间的气体浓度区域紊乱，加强了气体的扰动和快速的混合，因此在这个区域的气体浓度在较短的时间内接近采样气体浓度。

为了进一步的论证这个观点，采用了当今最为流行的FLUENT数值模拟软件，对其内部流场进行了分析。为了数值模拟的简便，尽量不改变检测室本体的原则，对检测室做了如图2所示的简化，并假设泵的抽速和采样温度是常数。采用GAMBIT软件划分了结构化的网格，网格总数60万。进口设置为压力进口、出口设置为自由出口边界条件［13］。图2的数值模拟结果显示，由于喷腾效应，在检测室内部产生大量紊乱的回流，特别是在检测室的锥形部位（图2左侧放大部位）Z轴方向速度的回流更加明显。

图2　检测室Z轴方向的速度分布图

3　控制系统的设计

自动监测装置的控制系统主要由上位机、下位机、传输电缆和软件组成，用于自动监测装置的自动启停控制、测量数据采集、处理、显示、储存和传输等，其框架如图3所示。上位机为报警用监测计算机，下位机主要由显示器、工业控制计算机、PLC控制器、继电器等组成。上位机安装在值班室，下位机安装在监测设备处，上下位机通讯采用TCP/IP协议，有效的保证了指令和数据的实时传输。

图3　控制系统结构图

控制系统显示有害气体的浓度；当被测气体浓度达到或超过设定的报警浓度时，报警控制器即发出报警并输出有关开关控制信号，提示操作人员采取安全措施或启动有关自动化控制装置。

4　检测实验

为了准确获取监测装置的工作性能，采用便携式推进剂泄漏检测比对装置—动态气体发生器作为参考标准。指标测试前需要将泄漏模拟源用装有少量污染液体的玻璃毛细管代替，启动系统，调节流量和温度，工作稳定后便可产生稳定的气体浓度，通过比较配气装置的蒸发温度、稀释气体流量以及毛细管的质量变化便可计算出实际的测点浓度。表1为采样管路从10～80 m逐渐增加时的测量结果。

表1　不同长度采样管路测试结果统计

测试结果表明，发生器蒸发温度调节到50℃、采样管路覆盖半径达到80 m时，监测装置测试的浓度值没有发生较大的变化，通过与配气装置实测的结果比较，监测装置的测试精度也能控制在较好的水平。从表中也可以看出，采样气体的流量对最终检测结果的影响相对较小，这也间接证明了不同取样管路在同一条件下最终测试结果的相似性。

为了进一步的验证不同管路长度对检测效率的影响，图4为5组不同长度管路采样浓度达到稳定值时的响应时间。由图可知，不同长度的管路，在达到稳定值时的响应时间略有差异，主要是由于不同长度采样管路流量的差异性造成的，最大的响应时间与最小的响应时间偏差相差不到10 s。若采样时间取80 s，则系统完全能够消除因响应时间引起的误差。

图4　不同长度采样管路的响应时间图

自动监测装置对不同浓度的快速响应是一个重要的指标，图5显示了在相同采样管路下系统测试结果随配气温度的变化趋势。

图5　测试浓度随温度的变化图

从图5可以看出，随着蒸发温度的逐渐升高，自动监测装置的测试浓度逐渐升高，特别当蒸发温度超过50℃后，测试浓度呈直线上升趋势，这也验证了自动监测装置在不同浓度下的可靠性。

5　结论

监测装置是一种稳定、可靠的定时多路同时自动监测装置。采样装置定时抽取测点气体并输送至检测室内，然后通过控制系统将检测数据传入服务器并通过人机接口完成仪器功能的设定、校准系数的设定、报警值的设定、检测时间的设定等。并具有四个方面的特点：

（1）自动监测装置实现了现场远距离监控，采样人员不用进入危险场所即可达到连续监控的目的，为人身安全建立了一道可靠的屏障；

（2）自动监测装置能够及时迅速掌握室内有害气体的浓度，在出现泄漏时能够准确的定位泄漏位置和泄漏值，以便尽早发现问题并及时处理；

（3）自动监测装置可以布置在生产现场，预防与监控生产环境的有害气体浓度变化。发生事故时，可临时增减监控点，特别适用于大规模密闭空间有害气体的不间断自动巡检；

（4）自动监测装置最高可检测100 mg/L的有害气体浓度，分辨率达到了0.01 mg/L，对强氧化性气体具有良好地适用性。

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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，甘肃天水人，助理工程师，主要从事气体泄漏监测技术与应用。E-mail：usehaoyun@126.com。