李亞運(yùn)，王 祥，2，操 凱，2，劉小勇

（1.清華大學(xué)合肥公共安全研究院，安徽 合肥 230601，2.安徽建筑大學(xué)，安徽 合肥 230601）

0 引言

隨著城市燃?xì)獾目焖侔l(fā)展，我國(guó)燃?xì)夤芫W(wǎng)范圍逐步擴(kuò)大，燃?xì)庥脩艉陀脷饬坎粩嘣龆啵殡S而來(lái)的燃?xì)獍踩蝿?shì)也愈發(fā)嚴(yán)峻。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)燃?xì)馐鹿暑l發(fā)，如2021 年“6.13”湖北十堰重大燃?xì)獗ㄊ鹿省?023年“6.21”寧夏銀川特別重大燃?xì)獗ㄊ鹿实?，給人民生命財(cái)產(chǎn)造成巨大損失?？扇?xì)怏w探測(cè)器是燃?xì)夤芫W(wǎng)安全監(jiān)測(cè)手段的重要組成。尤其是激光式可燃?xì)怏w探測(cè)器具有穩(wěn)定性高、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快等特點(diǎn)，應(yīng)用前景高，在家用和工商業(yè)中有大量需求[1-3]。

在實(shí)際應(yīng)用中，不同的工作環(huán)境會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器的工作產(chǎn)生影響。尤其是高低溫、風(fēng)與雨雪等復(fù)合氣候環(huán)境，可能導(dǎo)致探測(cè)器無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)到可燃?xì)怏w的存在或者誤報(bào)?，F(xiàn)有的研究側(cè)重于單一環(huán)境研究，缺乏復(fù)合環(huán)境條件下可燃?xì)怏w探測(cè)器性能研究。激光式甲烷探測(cè)器作為激光式可燃?xì)怏w探測(cè)器的一種，用于檢測(cè)甲烷氣體的濃度，在石油、天然氣、化學(xué)和冶金等行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用[4-5]。因此，本文針對(duì)可燃?xì)怏w探測(cè)器開(kāi)展高低溫、風(fēng)與雨雪等復(fù)合氣候環(huán)境條件下激光式可燃?xì)怏w探測(cè)器環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究，對(duì)探測(cè)器的性能改善、優(yōu)化具有十分重要的意義。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

城市地下管網(wǎng)相鄰地下空間燃?xì)庑孤讹L(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)設(shè)備主要安裝在窨井中，在實(shí)際使用過(guò)程中往往會(huì)遇到各種災(zāi)害氣候環(huán)境，如大風(fēng)、降雨、降雪、高低溫單一及其復(fù)合環(huán)境。為研究可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀在極端氣候環(huán)境條件下的環(huán)境適應(yīng)性，研建了可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試平臺(tái)。測(cè)試平臺(tái)包括多災(zāi)耦合氣候艙、可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀、標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等設(shè)備，測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 多災(zāi)耦合環(huán)境條件下可燃?xì)怏w報(bào)警器綜合性能測(cè)試系統(tǒng)

多災(zāi)耦合氣候艙可實(shí)現(xiàn)高溫、低溫、淋雨、覆冰、降雪及大風(fēng)等多種災(zāi)害環(huán)境，溫度最低-40 ℃；淋雨雨量范圍0 ～40 mm/h；覆冰厚度10 mm/h，降雪厚度10 mm/h；吹風(fēng)系統(tǒng)利用軸流風(fēng)機(jī)產(chǎn)生0～15 m/s 風(fēng)速，可模擬單一氣候環(huán)境及高溫淋雨、風(fēng)雨或風(fēng)雪、低溫大風(fēng)等耦合環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體、甲烷氣體分析儀與流量計(jì)用于可燃?xì)怏w檢測(cè)儀示值準(zhǔn)確性測(cè)試。

1.2 試驗(yàn)工況

為研究激光式甲烷探測(cè)器在淋雨、覆冰、降雪等單一及復(fù)合氣候環(huán)境條件下的性能表征，選取某款可燃?xì)怏w報(bào)警器開(kāi)展激光甲烷探測(cè)器極端氣候環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)采用的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體體積分?jǐn)?shù)為3%。測(cè)試樣品是天然氣地下管網(wǎng)相鄰地下空間中監(jiān)測(cè)的典型設(shè)備，適用于監(jiān)測(cè)甲烷氣體濃度，監(jiān)測(cè)范圍為0% ～20%VOL，工作環(huán)境溫度為-10 ～60 ℃，最小分辨率為0.01%VOL，設(shè)備每5 min 采集一次數(shù)據(jù)，包括氣體濃度和設(shè)備電池電壓。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)單一氣候環(huán)境與耦合氣候環(huán)境兩種試驗(yàn)工況。開(kāi)展淋雨環(huán)境、降雪環(huán)境及覆冰環(huán)境試驗(yàn)，每種環(huán)境穩(wěn)定30 min 后，每隔5 min 記錄一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)持續(xù)1 h。試驗(yàn)工況如表1 所示。

表1 單一氣候環(huán)境工況

開(kāi)展風(fēng)與溫度、淋雨、降雪及覆冰復(fù)合環(huán)境條件試驗(yàn)，每種環(huán)境穩(wěn)定30 min 后，每隔5 min 記錄一組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)持續(xù)1 h。試驗(yàn)工況如表2 所示。

表2 耦合氣候環(huán)境試驗(yàn)工況

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 單一氣候環(huán)境對(duì)探測(cè)器的影響

圖2（a）-（c）分別為淋雨、覆冰、降雪環(huán)境下可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀甲烷示數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。在進(jìn)行淋雨、降雪和覆冰環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，在相同溫度下設(shè)置了一個(gè)對(duì)照條件，圖中虛線為對(duì)照條件下的甲烷體積分?jǐn)?shù)。從試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著溫度的降低，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀監(jiān)測(cè)出的甲烷體積分?jǐn)?shù)也降低。在25 ℃、-10 ℃和-20 ℃環(huán)境條件下，甲烷體積分?jǐn)?shù)示值恒定，誤差不超過(guò)1%。但在淋雨、覆冰和降雪等單一氣候環(huán)境疊加影響下，甲烷體積分?jǐn)?shù)會(huì)有上下波動(dòng)，雖然與正常環(huán)境下相同溫度條件的試驗(yàn)結(jié)果接近，但示值誤差仍然存在。

圖2 單一氣候環(huán)境下監(jiān)測(cè)儀甲烷濃度變化

2.2 風(fēng)與淋雨、覆冰、降雪復(fù)合環(huán)境對(duì)探測(cè)器的影響

圖3 展示了風(fēng)與淋雨、降雪、覆冰復(fù)合環(huán)境下可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀甲烷示數(shù)的變化趨勢(shì)。在復(fù)合環(huán)境中，不同災(zāi)害因素之間相互作用，會(huì)對(duì)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的性能產(chǎn)生復(fù)雜的影響。比如在風(fēng)和淋雨、風(fēng)和覆冰、風(fēng)和降雪等環(huán)境下，不僅僅有溫度的變化，還存在著水分的影響和風(fēng)速對(duì)甲烷的擴(kuò)散影響等因素，從而使得甲烷體積分?jǐn)?shù)的波動(dòng)更為顯著。這也說(shuō)明，在復(fù)合環(huán)境中，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的性能更容易受到干擾和影響，需要更為精確的監(jiān)測(cè)方法和設(shè)備來(lái)保證監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 風(fēng)與淋雨、覆冰、降雪復(fù)合環(huán)境試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

通過(guò)搭建可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀環(huán)境適應(yīng)性測(cè)試平臺(tái)，開(kāi)展可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀在雨雪覆冰及風(fēng)單一及復(fù)合環(huán)境條件下裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

（1）在災(zāi)害環(huán)境中，可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的監(jiān)測(cè)功能會(huì)受到多種因素的影響，如溫度、濕度、淋雨、降雪、覆冰等因素的綜合作用。這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的數(shù)據(jù)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，波動(dòng)較大且存在一定的誤差。相比于溫度環(huán)境的變化，單一的淋雨、降雪和覆冰等災(zāi)害環(huán)境對(duì)可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀的影響更大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處于波動(dòng)狀態(tài)并帶有一定偏差。

（2）相比于單一環(huán)境條件，復(fù)合災(zāi)害環(huán)境會(huì)導(dǎo)致甲烷示數(shù)的波動(dòng)更大。

（3）在實(shí)際應(yīng)用中，需要針對(duì)不同的災(zāi)害環(huán)境，選擇合適的可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)儀，并結(jié)合其他監(jiān)測(cè)手段進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)，以獲得更加準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。