袁 偉，陸 松，胡 洋，楊 暉，張和平

(中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室, 合肥, 230026)

基于紅外吸收法的哈龍?zhí)娲鷾缁饎〩FC-125的濃度監(jiān)測技術(shù)

袁 偉，陸 松*，胡 洋，楊 暉，張和平

(中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室, 合肥, 230026)

HFC-125(五氟乙烷)有較好性能，可替代哈龍滅火劑應用于飛機滅火系統(tǒng)中。在飛機滅火系統(tǒng)的評估實驗中，模擬地面或是飛行狀態(tài)，滅火劑濃度測量設備都是必不可少的?；诜巧⒓t外光譜技術(shù)(NDIR)，初步設計了HFC-125滅火劑濃度監(jiān)測設備，該設備采用硅碳紅外光源，入射光經(jīng)過斬波器調(diào)制轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔児猓ㄟ^單光路測量氣室后，被碲鎘汞紅外探測器轉(zhuǎn)化為電壓信號并被前置放大電路放大。通過電壓比與體積分數(shù)的對應關(guān)系，可以實現(xiàn)對HFC-125濃度的監(jiān)測。

哈龍?zhí)娲鷾缁饎籋FC-125；NDIR；郎伯-比爾定律；滅火劑濃度測量

0 引言

近年來，新型哈龍?zhí)娲鷾缁饎┑膽迷絹碓綇V泛，HFC-125(五氟乙烷，化學式為CF3CHF2)因其熱穩(wěn)定性較好、不導電[1]，目前已應用于美國的部分軍用飛機的發(fā)動機艙中[2]。準確測量滅火劑濃度對于審定、驗證飛機滅火系統(tǒng)的可靠性必不可少。根據(jù)聯(lián)邦航空局FAA相關(guān)咨詢通告，飛機發(fā)動機艙和輔助動力艙的滅火區(qū)域內(nèi)滅火劑halon1301濃度應能在0.5 s內(nèi)保持不低于6%的最小體積分數(shù)[3]。在國內(nèi)，根據(jù)CCAR25[4](即中國民用航空規(guī)章第25部)第25.1195 條規(guī)定，在飛行中臨界的氣流條件下，規(guī)定的每一指定火區(qū)內(nèi)滅火劑的噴射，可提供能熄滅該火區(qū)內(nèi)的著火并能使復燃的概率減至最小的滅火劑密集度。FAA對飛機貨艙哈龍?zhí)娲鷾缁鹣到y(tǒng)進行了最低性能的研究實驗[5]，哈龍?zhí)娲鷾缁鹣到y(tǒng)認證的4類火災場景的驗證實驗中，需安裝連續(xù)氣體滅火劑分析儀測量滅火劑的濃度，分析儀的讀數(shù)精度為±5%，采樣率為5 Hz。

目前，滅火劑濃度的測量主要集中于壓差法和紅外吸收法兩類。FAA目前認可兩種基于壓差法的飛機滅火劑濃度分析儀器：Statham GA-2A型和HTL H-1型[3]。美國國家標準與技術(shù)研究所(NIST)開發(fā)了可用于哈龍1301和HFC-125的紅外差譜滅火劑濃度快速傳感器[6]，并進行了技術(shù)改進[7,8]。

HFC-125是目前航空領(lǐng)域使用的氣體類哈龍?zhí)娲鷾缁饎┲籟1]，而國內(nèi)還未有成熟的HFC-125濃度測量設備，研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的滅火劑濃度測量設備將對我國航空防火事業(yè)的發(fā)展具有重要促進作用。本文基于非色散紅外光譜技術(shù)[9]，硅碳紅外光源發(fā)出的連續(xù)光譜，利用光源調(diào)制技術(shù)得到一定頻率的交變?nèi)肷浼t外光[10]，入射光通過測量氣室后光強減弱，光信號經(jīng)特定的窄帶光片[10]后被碲鎘汞紅外探測器接受并轉(zhuǎn)化為電壓信號，根據(jù)電壓比與濃度的關(guān)系，實現(xiàn)了對HFC-125濃度較為精確的監(jiān)測。

1 紅外吸收法測量R125氣體濃度的原理

根據(jù)郎伯-比爾定律，光通過均勻非散射的吸光物質(zhì)時，吸光度A與溶質(zhì)濃度c、光程d成正比，其中吸光度是指入射光強度I0與透射光強度I的比值(即透光率的倒數(shù))I0/I的以10為底的對數(shù)即lg(I0/I)。關(guān)系可以由下式來描述：

(1)

其中

A—— 吸光度；

Io—— 入射紅外光強度；

I—— 透射紅外光強度；

K(λ)—— 待測組分對波長為λ的紅外光的吸

收系數(shù)；

c—— 待測組分的摩爾百分濃度(mol/L)；

d—— 光程，即紅外光透過的待測組分長度。

對于一個特定的吸收氣室，其光程d不變；對于特定波長的入射光和特定種類的待測氣體，吸收系數(shù)K(λ)不變[9]。因此透射紅外光的強度I僅僅是待測組分摩爾百分濃度c的單值函數(shù)，通過測定吸收前后的紅外光強度，可以確定待測組分的濃度。

如圖1，為HFC-125的紅外吸收光譜。通過NWIR紅外光譜數(shù)據(jù)庫[11]可以查到五氟乙烷對波長在8.245 μm附近的中紅外光的吸收線強度最大，因此在紅外探測器前加了一個中心波長為8.250 μm窄帶濾光片。圖2為中國科學技術(shù)大學公共實驗中心檢測得到的該濾光片、HFC-125氣體在1 atm、295 K條件下的傅里葉紅外光譜圖。可以看出，該濾波片的透射范圍與HFC-125在8.245 μm處的吸收峰重合度很好，有利于較為精確地測量HFC-125的濃度。

圖1 1,1,1,2,2-五氟乙烷的紅外吸收光譜Fig.1 The infrared absorption spectrum of 1,1,1,2,2-pentafluoroethane

圖2 濾波片、HFC-125氣體在1 atm、295 K條件 下的傅里葉紅外光譜圖Fig.2 The FTIR spectrum of filter、HFC-125 at 1 atm and 295 K

2 滅火劑濃度監(jiān)測設備的設計

所選用的紅外光源應能產(chǎn)生覆蓋HFC-125特征吸收峰的紅外光，如圖1所示，HFC-125的特征吸收譜線位于8.0 μm～8.56 μm內(nèi)，目前常用的激光器及發(fā)光二極管無法滿足這樣的中紅外波段，量子級聯(lián)激光器雖然可以提供超寬的光譜范圍，但是價格昂貴，工業(yè)應用較少。本文選用了美國熱電尼高力傅立葉變換紅外光譜儀所使用的碳化硅紅外光源，波長范圍可覆蓋2.5 μm～25 μm。中紅外光源發(fā)出的光由斬波器調(diào)制后得到頻率為250 Hz的交變?nèi)肷浼t外光；通過長度為d(25 mm)充滿待測混合氣體的測量光室(入射端、出射端使用氟化鋇紅外窗片)；經(jīng)過窄帶濾光片后被紅外探測器接受并轉(zhuǎn)化為電壓信號；放大電路放大信號，并由數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)記錄下電壓輸出值V。在較小的波段內(nèi)，輸出電壓V與透射光強I近似成正比，可以建立起氣體濃度c與電壓比V/V0之間的聯(lián)系[7]，最終輸出與濃度有關(guān)的電壓信號。圖3為實驗系統(tǒng)框圖，圖4為設備結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 實驗系統(tǒng)框圖Fig.3 The experimental system diagram

圖4 設備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The structure diagram of the equipment

3 實驗與結(jié)果分析

實驗前應用高純氮氣(99.999%)吹洗氣體管路和光室，排除空氣、水蒸氣的干擾。在實驗過程中不斷地輸入被測混合氣(HFC-125與N2)，總流量控制在4000 sccm。共設置14組實驗，通過MFC控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)HFC-125的實際體積分數(shù)，分別為0%、1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%。碲鎘汞紅外探測器采集光信號并轉(zhuǎn)化為電壓信號，將輸出電壓的峰峰值作為V，電壓比V/V0與光強比I/I0呈正相關(guān)，由此建立起電壓比與濃度的關(guān)系。由這14組實驗的數(shù)據(jù)可以看出，電壓比隨著HFC-125濃度的增加而呈非線性降低，V/V0是HFC-125體積分數(shù)的一元函數(shù)?；贘ohnsson的擬合模型[8]，電壓比V/V0與體積分數(shù)VF的的關(guān)系如下：

(2)

其中，V為通入混合氣體后的輸出電壓，V0為只通氮氣時的電壓值，VF為HFC-125的體積分數(shù)，a、b、c、d均為最佳擬合常數(shù)。擬合曲線及擬合公式如圖5所示。表1為不同HFC-125體積分數(shù)下的實驗結(jié)果，根據(jù)表一數(shù)據(jù)利用origin軟件，可擬合得到標定方程：

(3)

該擬合方程的擬合優(yōu)度為R2=0.997，衰減卡方值為c2=1.28913×10-5。根據(jù)上述描述，擬合誤差較小，由標定方程(3)，可以得到HFC-125體積分數(shù)VF與輸出電壓比V/V0的關(guān)系為：

(4)

表1 不同HFC-125濃度條件下的實驗結(jié)果

圖5 在1 atm、298 K條件下電壓比與HFC-125體積分數(shù)的擬合曲線Fig.5 The fitted curve of voltage ratio and volume fraction of HFC-125 at 1 atm and 295 K

在相同的實驗條件下(1 atm，298 K)，又進行了12組測量實驗，輸入知濃度(2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%)的混合氣體，將測量得到的電壓比V/V0帶入上文所得的標定方程(4)中可以得到HFC-125體積分數(shù)VR的測量結(jié)果。如表2所示，所輸入的混合氣體中HFC-125實際體積分數(shù)分別為2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%，比較測量結(jié)果與實際體積分數(shù)，在2%～6%范圍內(nèi)，絕對誤差不高于±0.089%，在8%～16%范圍內(nèi)，絕對誤差不高于±0.71%，在18%～24%范圍內(nèi)，絕對誤差不高于±1.1%；相對誤差不高于±5.10%。圖6為實際濃度點和標定曲線。

圖6 在1 atm、298 K條件下標定曲線與實際濃度點Fig.6 The calibration curve and real concentration points at 1 atm and 295 K

組號HFC?125實際濃度(%)電壓比測量結(jié)果(%)絕對誤差相對誤差(%)120．62082．0840．0844．200240．49424．0460．0461．150360．43195．912-0．088-1．467480．39417．762-0．238-2．9755100．36999．510-0．490-4．9006120．351211．391-0．609-5．0757140．337213．294-0．706-5．0438160．322915．946-0．054-0．3389180．315117．858-0．142-0．78910200．309219．624-0．376-1．88011220．300822．8190．8193．72312240．296125．0981．0984．575

4 結(jié)論

理論分析與實驗結(jié)果表明，本文中基于紅外吸收法的滅火劑濃度檢測設備可以較為準確地測量HFC-125氣體濃度。該設備基于紅外吸收原理，采用光源調(diào)制技術(shù)，使之與HFC-125的特征吸收帶重疊，有利于提高測量準確度，所得的擬合曲線與測量點的重合度較高。在12組實際測量實驗中，測量結(jié)果與實際濃度的相對誤差不高于±5.10%。該設備具有較強的實際應用價值，在未來的研究中可以充分考慮到水蒸氣、飛行中的低溫環(huán)境、待測氣體流速的影響，減小系統(tǒng)誤差和環(huán)境的影響，進一步優(yōu)化性能。

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Monitoring technology of concentration of halon substitute agent HFC-125 based on infrared absorption

YUAN Wei , LU Song, HU Yang, YANG Hui, ZHANG Heping

(State Key Labrotary of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

HFC-125 (pentafluoroethane) has good extinguishing performance, and can be used in the fire extinguishing system of aircrafts as a substitute of Halon extinguishing agent. Agent concentration measurement equipment is essential to both ground simulation and flight test of aircraft. Based on NDIR, in this paper we design an agent concentration monitoring equipment. This equipment uses the silicon carbide infrared light source. After modulated by chopper, the alternating incident light travels through the measuring chamber, and then is received by a HgCdTe infrared detector and converted to electrical signals. The voltage signals will be enlarged by preamplifier circuit. The agent concentration can then be monitored through the relationship between the concentration and the voltage ratio.

Halon substitute extinguishing agent; HFC-125; Non-dispersive infrared analysis; Beer-Lambert law; Agent concentration measurement

2016-01-04；修改日期：2016-07-07

袁偉(1992-)，女，漢，河北石家莊人，中國科學技術(shù)大學火災科學國家重點實驗室在讀博士研究生，主要研究方向為飛機防火。

陸松，E-mail:lusong@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00194-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.04

X928.7;X949；X915.5

A