自调型滤毒通风系统的改进设计

舒畅

（武昌工学院，湖北 武汉430065）

滤毒通风系统主要应用于密闭环境下特种车辆、帐篷、舰艇、飞机、医疗方舱中的一种空气净化防护装置。它的作用是把外界空气中的毒剂、生物战剂、放射性灰尘滤净后，送入密闭舱室，供人员呼吸，并使内部形成超压，阻止受污染空气渗入，以保护舱内人员呼吸安全。现有的滤毒通风系统装置在工作过程中，基本处于风机恒速运转，致使风机噪音大，滤芯过滤材料单一，系统没有利用传感设备采集室内空气指标、室外受染空气各项指标的功能，也没有智能显示室内、室外空气中主要成分指标数据的功能。针对上述问题，本文自调型滤毒通风系统的设计目标是：采用传感器采集室内外空气中主要成分指标，实时显示在终端设备显示屏上，同时通过特定算法分析，提示用户实时更换滤芯过滤材料，自动调节风机转速，降低噪声，提高滤毒通风系统的工作效率。

国内有不少成功的研究成果，比如军事医学科学院[1]、国营785 厂[5-6]均在此领域做过很多研究，其产品在各种复杂环境下应用，尤其在军事领域的应用。

国外也十分重视滤毒通风系统装置的研究与发展，相继研发了系列滤毒通风装置。可供不同大小和人数的集体防护装备使用。如American Safe Room 公司的ASR-48 安全单元、ASR-Automotive -100N 安全单元以及Union Industries 公司的FA 150 NS 型医用通风过滤系统，FAH 1600/600 集体核生化空气过滤系统等。该类装置常用于装备车辆和方舱系统，其滤毒方式、过滤吸收器的选用、离心风机的配置和整体组合方式等结构特点均有所不同，须根据装备的实际需要进行适当搭配。

1 工作原理

自调型滤毒通风系统由滤毒器、预滤器、滤尘器、离心式通风机、密闭阀门、通风管道、传感器、处理器、存储器和显示屏等组成。

自调型滤毒通风系统中滤毒器内有滤烟层和吸着剂层。滤烟层用含有蓝石棉的过滤纸或超细玻璃纤维纸制成，凭借截留、扩散及惯性沉降等原理，滤除悬浮于空气中的有害微粒，过滤效率一般要大于99.999%。阻留于滤烟层上的有毒物质，可能蒸发或升华成蒸气重新污染空气，为此把吸着剂层设置在滤烟层的后面。吸着剂层装填浸渍铜、铬、银化合物的活性炭，依靠活性炭的物理吸附和浸渍剂的化学吸着作用，滤除各种毒剂的蒸气。吸着剂层受潮后将降低甚至丧失吸着能力，因此滤毒器必须防止受潮。预滤器用以延长滤毒器的使用期限，过滤材料及作用原理与滤烟层相同，其容尘量较大，并能承受一定的冲击波余压，但过滤效率较低（约95%）。

滤尘器（车辆用旋风分离器），是低效粒子过滤器，用以滤除空气流中的大气尘埃。离心式通风机设置在滤毒器后面，以防止自身污染，并使滤毒通风装置在负压下工作，受染空气不致外泄。密闭阀门用于构成不同通风方式，防止受染空气经通风管道渗入。传感器采集室内、室外空气中的成分指标，将这些指标送给处理器，处理器按照算法分析计算空气质量，控制离心式通风机的转速，调节工作模式。存储器保存程序和采集的数据，记录工作过程。显示屏实时显示当前状况，提示和报警，告知操作人员。系统平时用清洁式通风，即空气经油网滤尘器由管道进入密闭舱室。在核、化学、生物武器袭击时，报警控制系统可立即停止清洁式通风，使防护区域与外界隔绝，或转入过滤式通风。

自调型滤毒通风系统的研究意思在于受空气污染的环境下，给工作于特种密闭空间内的人员提供安全、清洁的呼吸空气，一般配置于车载方舱等场合。当空气遭受污染时，该系统可以通过自动或手动方式启动，将舱外受污染的空气净化，然后输送至方舱内，自动控制风机转速，自动调节通风量，在舱内保持恒定的超压，可以实时显示空气指标数据。

自调型滤毒通风系统结构框图如图1 所示，包含离心式风机系统、数据传输连接线、数据处理与显示系统等。

图1 系统结构框图

离心式风机系统包括风机系统和调节系统，数据处理与显示系统包括数据采集系统、数据分析系统、显示系统等。

利用传感器采集室内、室外空气指标数据，将数据传输到数据分析系统，按照算法完成计算，送显示系统显示，同时反馈到可调风机系统调节风机转速，转换风机工作模式。

该系统需要解决的关键问题：

（1）选择何种传感器采集室内、室外空气中的各项指标，采集哪些指标？

（2）算法的设计，数据分析系统的设计，显示界面的设计。

（3）分析后数据如何控制离心式风机做出自动调节，以及滤毒剂更换的提示报警信息如何在用户界面显示？

2 系统设计

自调型滤毒通风系统主要通过传感器采集密闭环境条件下的室内、室外空气各成分含量指标，通过算法计算。一方面在显示屏上显示环境参数值，另一方面反馈信息到风机系统，以调节风机系统。系统硬件设备搭建结构，主要有滤毒器、预滤器、滤尘器、离心式通风机、密闭阀门、通风管道、传感器、处理器、存储器和显示屏等，软件使用高级程序设计进行开发，按照采集传感器传输来的数据，算法分析计算，显示和反馈数据到风机系统，控制风机系统运行。

2.1 研究方法

本系统采用“硬件平台+功能构件”的设计思想，以柔性开发平台为基础，定制开发功能构件来灵活组建系统[2]。

整个系统采用开放式设备连接结构，遵照规范标准化接口，吸取借鉴现有商业成品系统，来满足功能扩展的原型迭代、灵活集成，软件部分功能使用脚本化进行开发，提升系统稳定性的同时降低维护工作量。

采用开放式设备连接结构，使本系统具有可移植、可扩展、可互操作、可剪裁等特点，提高系统的可集成性和集成效率。

遵照规范标准化接口，进行标准化设计，方便功能扩充和第三方研制软件的接入。

吸取借鉴现有商业成品系统，充分发挥功能扩展的原型迭代，提高系统研制的效率，利用商用的先进技术提升本系统的稳定性和先进性。

2.2 技术路线

（1）传感器的选择

选择压力传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、声光报警传感器等采集室内、室外空气中的各项指标，采集温度、湿度、氧气含量、CO2等含量、有毒有害气体含量等指标。

（2）过滤吸收剂的选择

根据使用环境条件的不同，备选多款过滤吸收剂，可以选择市场上较成熟的吸收剂，做到更换方便、快捷。

（3）离心空压机的选用

通常选用噪音较小且不需要消耗过多资源的空压机，在实际应用过程中主要是为了实现对空气的流通送压和加工处理。

（4）过滤器的选用

通常滤毒通风系统的过滤器数量有四个，主要有一个气水分离器和三个颗粒过滤器。在实际应用过程中，不同等级的过滤器具有不同的过滤效果。

（5）密闭阀门的选用

通常选用气密性较好的电磁阀和手动球阀，阀门的阀体一般采用不锈钢材质，保证阀门在使用过程中防爆性能的最大化发挥。

赵安周等将不同于日常客流特征的特殊时段旅游流现象定义为旅游流的“井喷现象”[7],从图3可见，淮海经济区5A级景区网络关注度井喷现象非常明显．

（6）算法的设计

设计数据分析算法，开发分析程序，设计显示界面。算法采用模糊控制理论，无论是经典控制原理还是现代控制理论，有一个基本的共同点就是控制器的设计是建立在被控对象具有精确数字模型的基础之上，但滤毒通风系统需要考虑的空气指标因素复杂，无法精确确定控制函数，为此本系统还需要运用模糊控制理论来建立算法。不依赖建立精确的数学模型，这样易于进行控制；模糊控制器是一种非线性控制器，是一种语言控制器；模糊控制的抗干扰性能好，响应速度快，对参数的变化有较强的鲁棒性[3-4]。

常见的AQI（空气质量指数）算法一般根据采集的空气中主要污染物，如细颗粒物（PM2.5）、可吸入颗粒物（PM10）、二氧化碳（SO2）、二氧化氮（NO2）、臭氧（O3）、一氧化碳（SO）等，分别计算空气质量分指数（IAQI）：

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

式中：IAQIP为污染物项目P 的空气质量分指数；

CP为污染物项目P 的质量浓度值；

IAQIHI和IAQILO为污染物项目P 的质量浓度高位值和低位值的对应的空气质量分指数。

特例：探测到空气中的生化物指标时，立即报警。

（7）数据的采集和传输

通过各种传感器采取舱内空气中各项指标，分析后数据将由有线途径发送回离心式风机控制模块，控制模块做出自动调节风机的动作。用户可以根据报警信息定时更换滤毒剂。

（8）系统是开放性设计

可以根据应用环境的不同扩展功能，实现达到一次设计多种应用的效果，让开发人员只关心顶层设计和模型算法实现，而不具体关心应用环境的细节。

3 结论

传统的滤毒通风系统一个共同点是建立在一个恒定的风机运行系统，无采集环境数据、分析环境数据、反馈控制系统和显示报警系统。而本文的研究是建立在改进原有滤毒通风系统的基础之上，采用传感器采集数据，计算机通过数据处理和分析、显示、反馈、调节风机系统，效率和智能性上有很大的改进。

由于滤毒通风系统使用场合和环境的局限性，还需要在特定情形下测试和调试系统，以达到自调的目的，未来将与相关厂家和兵器工业部研究所达成合作试验，研制的样机在特定兵器装备上试用，测试系统的功能参数和性能指标，以改进性能和进行深入研究。