隋 峰

（中船重工安譜（湖北）儀器有限公司 宜昌 443000）

1 引言

隨著我國新型艦艇的不斷發(fā)展，艦艇艙室內(nèi)環(huán)境空氣組分（常量氣體、微量氣體和氣溶膠等）的優(yōu)劣直接影響艇員的身心健康［4］、武器裝備性能以及核艦艇任務(wù)成敗的關(guān)鍵因素。當(dāng)前我國更加注重艦艇長時間航行性能，用于檢測密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量的大氣環(huán)境監(jiān)測設(shè)備變得更加重要［5］。

2 軍事需求與必要性分析

2.1 軍事需求分析

艦艇在任務(wù)航行時艙內(nèi)空氣是被嚴(yán)格密封的，污染氣體來源非常廣泛，各種污染氣體組分也是非常復(fù)雜［6］。準(zhǔn)確檢測艙室內(nèi)微量污染氣體的濃度，對于研究微量空氣組分污染氣體長時間對人體的健康效應(yīng)，評估對艇員身體健康的影響有重要作用［7］。艦艇中絕大多數(shù)污染物源頭僅僅是釋放微量的物質(zhì)到艙室空氣中，尤其是對于長航時任務(wù)，艙室的大氣污染及累積程度可能成為限制艦艇續(xù)航時間的一個主要因素。目前，裝備于艦艇的空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備具備體積龐大、能耗高、操作維護(hù)復(fù)雜，不能滿足現(xiàn)役和未來新型常規(guī)艦艇的更加嚴(yán)苛的上艇要求。研制新型艦艇艙室空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備，通過實(shí)現(xiàn)小型化，對更多的具有代表性的微量污染氣體進(jìn)行監(jiān)測，可以解決現(xiàn)役常規(guī)艦艇和新型常規(guī)艦艇沒有合適的微量污染氣體分析儀的問題。總之，提高艦艇內(nèi)部微量污染氣體的監(jiān)測能力，是改善艦艇內(nèi)部大氣質(zhì)量，進(jìn)行艦艇大氣環(huán)境控制工作的基礎(chǔ)，對保護(hù)艇員身心健康和提升持續(xù)作戰(zhàn)能力具有重要意義［8］。

2.2 技術(shù)可行性分析

傳統(tǒng)密閉與半密閉艙室環(huán)境中空氣質(zhì)量手段有氣相色譜（GC）分析法、質(zhì)譜（MS）分析法、離子遷移譜（IMS）技術(shù)、表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)識別法等。但從目前的研究技術(shù)看，這些方法的檢測過程復(fù)雜且時間較長，檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度和靈敏度還不高，很難實(shí)現(xiàn)快速檢測與分析［9～10］。傅里葉紅外光譜技術(shù)（FTIR），克服了氣相色譜技術(shù)無法實(shí)時在線檢測的不足，能夠快速連續(xù)在線檢測；突破離子遷移譜技術(shù)無法準(zhǔn)確測量氣體濃度的技術(shù)瓶頸，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)定量分析多組分氣體濃度。綜合比較其他檢測技術(shù)，傅里葉變換紅外技術(shù)具有非接觸、安全、檢測速度快、可準(zhǔn)確定性、定量實(shí)現(xiàn)對艦艇密閉艙室環(huán)境中多組分有毒有害氣體的同時實(shí)時在線檢測等優(yōu)點(diǎn)，適用于多原子分子、多組分混合物、氣體排放的實(shí)時探測和分析，因此逐漸成為艦艇密閉艙室環(huán)境中空氣質(zhì)量檢測的主要手段。

3 研究目標(biāo)及要求

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀是艙室大氣環(huán)境微量氣體分析監(jiān)測的核心設(shè)備，國軍標(biāo)GJB11.2-1991《水面艦艙室空氣組分容許濃度》［10］、GJB11B-2012《核潛艇艙室空氣組分容許濃度》［11］對艙室空氣質(zhì)量實(shí)行分級管理，結(jié)合GB50325-2020《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制標(biāo)準(zhǔn)》［12］內(nèi)容技術(shù)要求，新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀主要實(shí)現(xiàn)對艙室一氧化碳、氮氧化物、苯、甲苯等微量氣體的在線分析。具體檢測組分指標(biāo)如表1所示。

表1 檢測組分與指標(biāo)

4 設(shè)備組成

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀是基于長光程傅里葉紅外光譜技術(shù)［13］研制的設(shè)備，其主要由氣體采集系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)分析軟件組成，其組成框圖如圖1所示。新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀通過氣體管路接收從艦艇艙室巡回采樣裝置輸送的樣品氣體，經(jīng)過分析測量后將要求測量的各個氣體組分濃度數(shù)據(jù)通過通信端口發(fā)送到環(huán)境集中監(jiān)測顯示控制裝置。

圖1 新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀組成框圖

5 研究總體技術(shù)方案

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀技術(shù)方案設(shè)計包括：設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計、氣體進(jìn)樣模塊設(shè)計、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計、硬件電路設(shè)計與軟件方案設(shè)計。

5.1 總體設(shè)計方案

5.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計

設(shè)備主機(jī)整體采用鋁合金材料，所有內(nèi)部器件的非金屬材料選用都需要滿足GJB3881-1999《艦船用非金屬材料毒性評價規(guī)程》，符合艦艇對非金屬材料可能散發(fā)的微量污染物的控制要求。綜合上述系統(tǒng)要求，新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀三維外觀圖如圖2所示。

圖2 新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀總體結(jié)構(gòu)示意圖

5.1.2 氣體采集系統(tǒng)設(shè)計

氣體采集系統(tǒng)主要由氣泵與進(jìn)氣過濾裝置組成。當(dāng)新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀接收到大氣環(huán)境集中監(jiān)控裝置的指令，通過氣泵采集艦艇艙室巡回采樣裝置氣體樣本，將樣本氣體輸送到長光程吸收池。進(jìn)氣過濾裝置用于對樣品氣體的過濾，除去艙室樣品中存在的鹽霧、油霧、霉菌和灰塵等顆粒。

5.1.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

光學(xué)系統(tǒng)是新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀最主要部分，主要包含兩部分：長光程吸收池模塊和紅外干涉儀光學(xué)模塊。

1）長光程吸收池設(shè)計

氣體吸收池是氣溶膠樣品分子與紅外光發(fā)生特征吸收的腔體，光程長度是決定氣溶膠樣品最低檢測限的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)紅外光譜的定量吸收原理，紅外光在氣體樣品中的吸收光程越長，設(shè)備檢測靈敏度越高。綜合分析艦艇氣體濃度檢測下限與紅外氣體特性，氣體吸收池光程長度設(shè)計為5m較為合適。具體實(shí)現(xiàn)工藝。具體光學(xué)吸收池光路如圖3所示。

圖3 長光程吸收池光路實(shí)物圖

2）紅外干涉儀模塊設(shè)計

紅外干涉儀模塊設(shè)計需要從兩個方面考慮：一方面不同類型的干涉儀的檢測分辨率不相同，從同時分析多種微量氣體角度，需要選擇合適的分辨率；另一方面由于不同種類的干涉儀對環(huán)境干擾的敏感程度不相同，該傅里葉紅外空氣質(zhì)量檢測儀的干涉儀需要具備較強(qiáng)的抗振動特性，因此采用雙角鏡扭擺式干涉儀最為合適，干涉儀具有結(jié)構(gòu)緊湊和抗振性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。具體框圖如圖4所示。

圖4 紅外干涉儀模塊示意圖

5.1.4 硬件電路設(shè)計

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀的硬件電路主要包含五部分，分別是前置放大電路、電源變換電路、柔性鉸鏈控制電路、激光探測電路、紅外光探測電路，具體硬件電路框圖如圖5所示。

圖5 硬件電路框圖

5.1.5 軟件方案設(shè)計

設(shè)備軟件程序分為七個模塊：綜合控制模塊、氣體濃度分析模塊、紅外光信號采集模塊、干涉儀控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和調(diào)試接口模塊?？傮w模塊化結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 程序總體模塊化結(jié)構(gòu)

綜合控制模塊是設(shè)備軟件的中央控制單元，完成軟件系統(tǒng)的綜合控制功能；氣體濃度分析模塊對采集所得的紅外光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，得到樣品氣體中各監(jiān)測氣體濃度；干涉儀控制模塊完成紅外干涉儀的控制以產(chǎn)生干涉光的功能；調(diào)試接口模塊用于開發(fā)人員對設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時的數(shù)據(jù)交互；通信模塊完成設(shè)備與艦艇中控系統(tǒng)的通信功能；數(shù)據(jù)存儲模塊完成對監(jiān)測參數(shù)、數(shù)據(jù)、圖譜、事件、命令等存儲的功能。

5.2 試驗(yàn)分析

5.2.1 原理樣機(jī)

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀依據(jù)研制技術(shù)方案與技術(shù)路線，完成初代樣機(jī)裝調(diào)與試制，具體實(shí)物圖如圖7所示。

圖7 新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀原理樣機(jī)

5.2.2 氣體測試

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬艦艇艙室實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過N2配比的CO 與SO2濃度標(biāo)氣分別為10 ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，開始實(shí)驗(yàn)前完N2校準(zhǔn)，完成光譜背景采樣分析，之后依次通入不同濃度CO 與SO2氣體標(biāo)氣，完成分辨率2個波數(shù)下氣體吸光度光譜圖檢測分析，并記錄相應(yīng)CO與SO2氣體紅外光譜圖。相繼檢測光譜圖如圖8與圖9所示。

圖8 不同濃度CO氣體紅外光譜圖

圖9 不同濃度SO2氣體紅外光譜圖

不同濃度CO 與SO2氣體相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同濃度CO與SO2氣體濃度檢測分析

結(jié)合朗博比爾定律以及氣體模型定量分析算法，分析CO 與SO2氣體濃度吸光度特性最大線性誤差度可達(dá)±2%F.S，滿足艦艇艙室空氣檢測分析技術(shù)指標(biāo)要求。

6 結(jié)語

通過測試CO 與SO2氣體分析，研制的新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀總體技術(shù)方案合理，總體技術(shù)方案采用的雙角鏡扭擺式干涉儀設(shè)計可以有效減小光譜儀的體積，能夠產(chǎn)生高分辨率的氣體吸收紅外光譜圖，并且具有優(yōu)良的抗震性能；設(shè)計的長光程氣體吸收池，體積小光程長，可以有效滿足氣體檢測靈敏度的要求。

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測儀的研究方案設(shè)計合理，與國內(nèi)外同類設(shè)備相比具有一定的先進(jìn)性和較強(qiáng)的可行性，能夠滿足多型艦艇對艙室痕量多組分有害氣體分析與檢測的需求，可以為艦艇應(yīng)用在線多組分氣體分析技術(shù)提供可靠上艇氣體分析設(shè)備。