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(陸軍防化學(xué)院，北京 102205)

0 引言

自動(dòng)控制技術(shù)在試驗(yàn)領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，使得氣體采樣技術(shù)得到迅猛發(fā)展，自動(dòng)化程度不斷提高。某外場(chǎng)試驗(yàn)要求在某行進(jìn)裝甲車(chē)體內(nèi)，同步采集多個(gè)位置(P)多個(gè)時(shí)刻(T)一定體積(V)的氣體樣品(即：在某段試驗(yàn)時(shí)間，采集PT個(gè)一定體積V的氣體樣品)，便于后期利用專用儀器對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。目前，國(guó)內(nèi)主要有中國(guó)白城兵器試驗(yàn)中心、兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所、軍事科學(xué)院防化研究院、軍事科學(xué)院軍事醫(yī)學(xué)研究院、北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院等單位進(jìn)行了相關(guān)研究，主要集中在大氣采樣泵與采樣袋連接后長(zhǎng)時(shí)間采樣、對(duì)采購(gòu)的國(guó)外氣體采樣分析儀器進(jìn)行簡(jiǎn)易改造實(shí)現(xiàn)單位置廣譜在線分析方面，滿足本試驗(yàn)需求的氣體采樣系統(tǒng)在市場(chǎng)未有發(fā)現(xiàn)，需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)后進(jìn)行加工定制。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理

氣體采樣系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)多位置多時(shí)刻同步采樣為目標(biāo)，兼顧考慮樣品后期的便于分析與留樣。氣體某時(shí)刻的采樣依據(jù)與抽真空的采樣瓶相接的電磁閥，在通電開(kāi)閥進(jìn)氣斷電關(guān)閥的工作原理，實(shí)現(xiàn)氣體采樣控制。氣體某時(shí)刻多位置的采樣依據(jù)串聯(lián)線路工作同步的原理，通過(guò)將多個(gè)位置的采樣瓶串聯(lián)在一條控制線路，實(shí)現(xiàn)電磁閥同步開(kāi)啟則氣體同步采集。氣體多時(shí)刻自動(dòng)采樣依據(jù)時(shí)間繼電器的延時(shí)控制原理，自動(dòng)控制多條采樣線路(一個(gè)時(shí)刻一條線路)，實(shí)現(xiàn)按照預(yù)設(shè)的時(shí)間間隔同步開(kāi)啟每條線路的電磁閥進(jìn)行自動(dòng)采樣。

氣體采樣系統(tǒng)由采樣單元、控制單元、連接單元及保障單元四部分構(gòu)成。在每個(gè)采樣位置布設(shè)T個(gè)采樣單元，每個(gè)時(shí)刻不同位置采樣單元進(jìn)行串聯(lián)(即：T條串聯(lián)采樣線路，每條線路P個(gè)采樣單元)，不同時(shí)刻采樣線路分別并聯(lián)接入控制線路。采樣單元的主要功能是在試驗(yàn)過(guò)程中采集并儲(chǔ)存氣體樣品，待試驗(yàn)結(jié)束后取下樣品用于試驗(yàn)室分析或儲(chǔ)存。控制單元的主要功能是通過(guò)自動(dòng)程序控制及提前設(shè)置，控制采樣單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)或半自動(dòng)采樣。連接單元的主要功能是連接控制單元與采樣單元，確保采樣單元與控制單元互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)其預(yù)定功能。保障單元主要功能是為確保采樣系統(tǒng)正常工作提供能源、抽氣等配套保障。采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概圖如圖1所示。

圖1 采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概圖

2 技術(shù)方案

重點(diǎn)對(duì)總體、采樣單元及控制單元的技術(shù)方案進(jìn)行闡述。

2.1 總體技術(shù)方案

為保證采樣質(zhì)量，避免采樣干擾，減少試驗(yàn)誤差，方便后期數(shù)據(jù)分析處理，確定每個(gè)樣品由一個(gè)獨(dú)立且唯一的采樣單元進(jìn)行儲(chǔ)存，則一次試驗(yàn)需要布設(shè)PT個(gè)采樣單元(即：P個(gè)位置，每個(gè)位置布設(shè)T個(gè)，代表對(duì)P個(gè)位置T個(gè)時(shí)刻進(jìn)行采樣)。為實(shí)現(xiàn)采樣的同步性，即一次采樣P個(gè)采樣單元?jiǎng)幼饕恢?，則需要將P個(gè)采樣單元串聯(lián)接入一條控制線路，從而一共需要設(shè)計(jì)T條采樣控制線路。為實(shí)現(xiàn)T條采樣線路按預(yù)設(shè)時(shí)間先后自動(dòng)采樣，則選擇可調(diào)時(shí)間繼電器進(jìn)行控制。為保證控制線路正常運(yùn)行，則選取車(chē)輛蓄電池(24 V)供電。

2.2 采樣單元技術(shù)方案

采樣單元依據(jù)抽真空的負(fù)壓氣袋經(jīng)電磁閥控制開(kāi)啟后自動(dòng)進(jìn)氣原理設(shè)計(jì)，采樣前經(jīng)真空泵抽真空(約-0.1 MPa)的采樣單元在電磁閥(負(fù)壓式)開(kāi)啟瞬間將迅速充滿采樣袋。為避免采樣袋爆裂，并便于電磁閥控制，則定制鋼瓶容納采樣袋。為確保采樣后順利取下采樣袋，便于后期的樣品留存與分析處理，則可以選擇通過(guò)直接閥門(mén)或醫(yī)用橡膠管配合止水夾使用兩種形式將采樣袋與瓶蓋進(jìn)行連接?；诮档驮囼?yàn)誤差及易于操作考慮，本次外場(chǎng)試驗(yàn)選取直接閥門(mén)的連接方案，在試驗(yàn)前打開(kāi)閥門(mén)，試驗(yàn)完畢取出采樣袋后關(guān)閉閥門(mén)。

采樣單元主要由采樣瓶、采樣袋、抽真空管路等構(gòu)成。其中，通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研、文獻(xiàn)研究，確定采樣瓶為圓柱體比較科學(xué)，采用金屬鎖扣密封設(shè)計(jì)，底端焊接強(qiáng)磁鐵塊，主要由瓶體、瓶蓋、鎖扣、密封膠墊、采樣袋等構(gòu)成。瓶蓋由蓋體、真空壓力表、三通電磁閥、金屬粉末燒結(jié)過(guò)濾器、真空單向閥直接頭構(gòu)成。采樣單元設(shè)計(jì)構(gòu)成(直接閥門(mén)式)如圖2所示。采樣蓋與采樣袋連接圖(直接閥門(mén)式和止水夾式)如圖3所示。

圖2 采樣單元設(shè)計(jì)構(gòu)成圖

圖3 采樣蓋與采樣袋連接圖(直接閥門(mén)式和止水夾式)

采樣單元主要參數(shù)確定。通過(guò)當(dāng)前氣體分析儀器的測(cè)試需求，確定采樣袋的體積V1；為便于后期取下采集樣品，確定在采樣袋口部直接閥門(mén)，閥門(mén)長(zhǎng)度為h1；采樣瓶進(jìn)氣口與瓶蓋的距離依據(jù)電磁閥結(jié)構(gòu)確定，設(shè)為h2；采樣瓶底端與車(chē)艙頂端距離由磁鐵厚度確定，設(shè)為h3；采樣瓶進(jìn)氣口距離裝備艙室地板高度為車(chē)內(nèi)人員坐立高度，設(shè)為h4；瓶的長(zhǎng)度h，為裝備艙室高度H與采樣瓶進(jìn)氣口與瓶蓋的距離h2、磁鐵厚度h3及車(chē)內(nèi)人員坐立高度h4之差，即：h=H-h2-h3-h4；采樣袋的長(zhǎng)度h0，為瓶的長(zhǎng)度h與閥門(mén)長(zhǎng)度h1之差，即：h0=h-h1；綜合考慮V1、h0及采樣余量(通常為10%)，可確定采樣袋的直徑D0，D0=(4.4V1/πh0)1/2；采樣瓶的內(nèi)徑D略大于D0(通?？煞艑?.5～1 cm)。對(duì)于本試驗(yàn)，以需要在某型行進(jìn)車(chē)體內(nèi)采集CO2氣體為例。通過(guò)調(diào)研市場(chǎng)當(dāng)前分析儀器測(cè)試CO2氣體用量需求，確定當(dāng)前比較普遍、成熟的方法是運(yùn)用紅外的方法進(jìn)行測(cè)試，至少需要用氣量為300 ml，預(yù)留一定余量(通常10%)，則確定采樣袋體積V1為330 ml；結(jié)合后期取下樣品需求，確定在采樣袋接直接閥門(mén)，閥門(mén)長(zhǎng)度為h1為3 cm；通過(guò)市場(chǎng)考察負(fù)壓電磁閥，確定采樣瓶進(jìn)氣口與瓶蓋的距離h2為5 cm；通過(guò)市場(chǎng)考察強(qiáng)磁鐵塊，確定采樣瓶底端與車(chē)艙頂端距離h3為2 cm；依據(jù)操作員現(xiàn)場(chǎng)坐立測(cè)量，確定采樣瓶進(jìn)氣口距離裝備艙室地板高度h4為92 cm；裝備艙室高度H為125 cm，則采樣瓶的長(zhǎng)度h=H-h2-h3-h4=125-5-2 -92=26 cm；采樣袋的長(zhǎng)度h0=h-h1=26-3=23 cm；綜合考慮V1、h0，可確定采樣袋的直徑D0=(4V1/πh0)1/2=(4×330/23π)1/2≈4.3 cm；采樣瓶的內(nèi)徑D略大于D0(通?？煞艑?.5～1 cm)，可以確定為5.3 cm。

2.3 控制單元技術(shù)方案

為實(shí)現(xiàn)采樣單元自動(dòng)按預(yù)定時(shí)間間隔進(jìn)行采樣，選取時(shí)間繼電器控制電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉，時(shí)間繼電器可以選擇接觸式觸發(fā)與非接觸式(遠(yuǎn)程式)觸發(fā)，非接觸式觸發(fā)控制線路圖如圖4所示，接觸式觸發(fā)線路如圖5所示?；诮档驮囼?yàn)成本的考慮，本次外場(chǎng)試驗(yàn)選取接觸式觸發(fā)，在采樣前預(yù)設(shè)采樣時(shí)間間隔，采樣開(kāi)始時(shí)刻由車(chē)內(nèi)防護(hù)好的試驗(yàn)人員觸發(fā)時(shí)間繼電器，第一個(gè)電磁閥迅速工作，完場(chǎng)第一個(gè)時(shí)刻采樣，爾后由時(shí)間繼電器控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采樣。

圖4 遠(yuǎn)程式觸發(fā)控制線路圖

圖5 接觸式觸發(fā)控制線路圖

控制單元主要參數(shù)確定。為滿足控制T個(gè)時(shí)刻連續(xù)自動(dòng)采樣需求，則時(shí)間繼電器可控通道數(shù)N0≧T。由于需要確定某時(shí)刻的氣體濃度，則將電磁閥空開(kāi)時(shí)間設(shè)置為t(t≦1 s)。采樣總時(shí)間T、采樣間隔△T及每個(gè)時(shí)刻采樣數(shù)N依據(jù)試驗(yàn)的實(shí)際需求確定，通常T的取值為60 s，10 s≦△T≦20 s，N≧3，具體情況依據(jù)采樣空間大小及項(xiàng)目研究精度要求確定。對(duì)于本次外場(chǎng)試驗(yàn)，車(chē)體內(nèi)部空間較大，試驗(yàn)協(xié)調(diào)工作內(nèi)容多，為較少誤差、提高精度，則確定試驗(yàn)時(shí)間T取60 s，采集5個(gè)典型點(diǎn)5個(gè)典型時(shí)刻的樣品(即：N=5，采樣間隔△T依據(jù)外場(chǎng)試驗(yàn)的實(shí)際需求取值為20 s,10 s,15 s,10 s，則需要采集第0 s，20 s，30 s，45 s，60 s五個(gè)時(shí)刻的氣體樣品)，選取市場(chǎng)易于采購(gòu)的6通道時(shí)間繼電器，電磁閥空開(kāi)時(shí)間t設(shè)置為1 s。

3 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要包括采樣單元測(cè)試、控制單元測(cè)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試三部分工作。

3.1 采樣單元測(cè)試

采樣單元測(cè)試重點(diǎn)是采樣瓶的密封性、采樣瓶與采樣袋連接的可靠性、電磁閥工作的可靠性、進(jìn)氣量的充足及采樣瓶與車(chē)輛上甲板相吸的可靠性。

采樣瓶的密封性測(cè)試，通過(guò)將采樣瓶按使用狀態(tài)抽真空靜置一段時(shí)間(t≧一次試驗(yàn)總耗時(shí)t0)，壓力表讀數(shù)無(wú)變化或變化極小，則說(shuō)明可以接受。

電磁閥工作的可靠性與進(jìn)氣量的充足、采樣瓶與采樣袋連接的可靠性測(cè)試，可以合并組織，建立在采樣瓶密封的基礎(chǔ)上進(jìn)行。將密封的采樣瓶接通電磁閥，停頓瞬間(1 s)后斷電，在測(cè)試過(guò)程中電磁閥指示燈閃爍，則說(shuō)明電磁閥線路接入電路正確且工作正常，打開(kāi)采樣瓶取下采樣蓋，關(guān)閉直接閥門(mén)后取下采樣袋，采樣袋取下順利且飽滿、采樣袋下端無(wú)脫落，則說(shuō)明進(jìn)氣量及采樣瓶與采樣袋連接的可靠性可以接受。

采樣瓶與車(chē)輛甲板相吸的可靠性測(cè)試，統(tǒng)一進(jìn)行，將試驗(yàn)所需的采樣瓶密閉后依次倒置于車(chē)輛頂甲板，車(chē)輛按照試驗(yàn)工況正常啟動(dòng)、行進(jìn)，整個(gè)過(guò)程中采樣瓶無(wú)脫落則說(shuō)明可以接受，否則需要通過(guò)增加磁鐵塊或優(yōu)化某位置采樣瓶布設(shè)狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。

在本次試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)所需的每一個(gè)采樣單元進(jìn)行了逐一測(cè)試(共計(jì)25個(gè))，測(cè)試中出現(xiàn)：①3個(gè)密封性不好的情況，原因是密封墊上附著沙粒與灰塵，不夠清潔，經(jīng)水清洗后得到解決；②2個(gè)采樣袋與瓶口相接端脫落的情況，主要是瞬時(shí)進(jìn)氣沖量太大、直接頭未擰緊導(dǎo)致，為避免出現(xiàn)類似問(wèn)題，檢查直接頭連接情況，確保無(wú)松動(dòng)；③2個(gè)采樣單元不工作，原因是電磁閥固有故障，通過(guò)更換電磁閥解決。

3.2 控制單元測(cè)試

控制單元單元測(cè)試的重點(diǎn)是采樣時(shí)刻的準(zhǔn)確性及采樣的同步性。

采樣時(shí)刻的準(zhǔn)確性測(cè)試，是在時(shí)間繼電器預(yù)設(shè)采樣間隔的基礎(chǔ)上，開(kāi)啟繼電器同時(shí)開(kāi)啟秒表，觀察預(yù)設(shè)采樣間隔時(shí)間與秒表是否一致，一致則說(shuō)明可以接受，否則需要通過(guò)調(diào)整時(shí)間繼電器的預(yù)設(shè)時(shí)間或更換性能更優(yōu)的時(shí)間繼電器提高采樣精度。

采樣的同步性測(cè)試，是將每條測(cè)試線路(T個(gè)時(shí)刻T條線路)接入時(shí)間繼電器后，將每條線路的電磁閥集中在一起，達(dá)到采樣時(shí)刻時(shí)，電磁閥指示燈同步閃爍，則說(shuō)明可以接受。此外，本次測(cè)試可以對(duì)線路接入后的采樣時(shí)刻準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試，方法與上相同，不再贅述。

在本次試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，對(duì)試驗(yàn)所需的每一個(gè)電磁閥(共計(jì)25個(gè))、時(shí)間繼電器及控制線路(共計(jì)5條)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試中出現(xiàn)：①2個(gè)采樣時(shí)刻與實(shí)際不符的情況，原因是時(shí)間繼電器初設(shè)過(guò)程中人員粗心，導(dǎo)致設(shè)置錯(cuò)誤，經(jīng)重設(shè)后得到解決；②1條采樣線路出現(xiàn)個(gè)別位置未采樣的情況，主要是接線不牢導(dǎo)致，經(jīng)重新梳理加固后解決；③5個(gè)電磁閥閃爍不明顯，原因是電磁閥固有故障和電磁閥接反，通過(guò)更換電磁閥或重接得到解決。

3.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試

系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試分為靜態(tài)調(diào)試和動(dòng)態(tài)調(diào)試兩個(gè)階段，重點(diǎn)是在調(diào)試階段系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定，且能夠達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)。

靜態(tài)調(diào)試階段，對(duì)采樣瓶進(jìn)行逐一編號(hào)，分別將每個(gè)點(diǎn)的采樣瓶按使用流程安裝抽真空后集中倒吸于采樣位置的頂板，將同時(shí)刻采樣瓶串聯(lián)后分別接入時(shí)間繼電器的一路，按采樣要求預(yù)設(shè)采樣間隔，開(kāi)啟車(chē)窗保持內(nèi)外相通，待車(chē)內(nèi)大氣流場(chǎng)穩(wěn)定后，用大氣采樣器采集車(chē)內(nèi)氣體樣品，爾后觸發(fā)時(shí)間繼電器后人員迅速離開(kāi)車(chē)艙，系統(tǒng)開(kāi)始自動(dòng)采樣。采樣結(jié)束后，按照試驗(yàn)步驟取出采樣袋，從取出樣品的飽滿度可以判斷系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的試驗(yàn)?zāi)康?，其?zhǔn)確性需要在對(duì)5個(gè)點(diǎn)5個(gè)位置的25個(gè)樣品及車(chē)內(nèi)氣體本底進(jìn)行分析后確定，分析選取專用設(shè)備對(duì)采樣袋中的CO2含量進(jìn)行定量分析，分析過(guò)程不再贅述，分析結(jié)果如表1所示。

表1 采樣氣體分析結(jié)果表

從分析結(jié)果可以看出，樣品與本底差異在5%以內(nèi)，在儀器與試驗(yàn)誤差范圍之內(nèi)，該采樣系統(tǒng)的靜態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試結(jié)果可以接受，說(shuō)明該系統(tǒng)可信。

動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試原理與靜態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試原理類似，不再贅述，只是動(dòng)態(tài)聯(lián)調(diào)聯(lián)試需要注意：①關(guān)注系統(tǒng)在采樣過(guò)程中工作的穩(wěn)定性；②車(chē)輛開(kāi)窗駕駛，避免試驗(yàn)誤差。從動(dòng)態(tài)調(diào)試的結(jié)果來(lái)看，該系統(tǒng)仍然可信。

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，可以確定本設(shè)計(jì)的采樣系統(tǒng)能夠滿足試驗(yàn)采樣需求，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，試驗(yàn)結(jié)果可信，可以直接在試驗(yàn)中運(yùn)用。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，有效破解了在高危環(huán)境下進(jìn)行多位置多時(shí)刻氣體同步采樣難題，實(shí)現(xiàn)了本次試驗(yàn)要求的采樣功能，簡(jiǎn)化了人員在采樣環(huán)境下中的工作程序，滿足用戶需求，是計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)在試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域的成功應(yīng)用，可在類似需求領(lǐng)域進(jìn)行推廣，以有效推進(jìn)試驗(yàn)技術(shù)向更高層次發(fā)展。下一步，在采樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)采樣單元及控制單元進(jìn)行升級(jí)改造，以便實(shí)現(xiàn)非接觸式控制，樣品更易于后期處理。