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(guó)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(guó)更加注重艦艇長(zhǎng)時(shí)間航行性能，用于檢測(cè)密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量的大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)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(shí)艙內(nèi)空氣是被嚴(yán)格密封的，污染氣體來(lái)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(cè)艙室內(nèi)微量污染氣體的濃度，對(duì)于研究微量空氣組分污染氣體長(zhǎng)時(shí)間對(duì)人體的健康效應(yīng)，評(píng)估對(duì)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(duì)于長(zhǎng)航時(shí)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(shí)間的一個(gè)主要因素。目前，裝備于艦艇的空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)設(shè)備具備體積龐大、能耗高、操作維護(hù)復(fù)雜，不能滿(mǎn)足現(xiàn)役和未來(lái)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(cè)設(shè)備，通過(guò)實(shí)現(xiàn)小型化，對(duì)更多的具有代表性的微量污染氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以解決現(xiàn)役常規(guī)艦艇和新型常規(guī)艦艇沒(méi)有合適的微量污染氣體分析儀的問(wèn)題。總之，提高艦艇內(nèi)部微量污染氣體的監(jiān)測(cè)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(duì)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(shí)別法等。但從目前的研究技術(shù)看，這些方法的檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜且時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)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(cè)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(wú)法實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)的不足，能夠快速連續(xù)在線(xiàn)檢測(cè)；突破離子遷移譜技術(shù)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)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(cè)技術(shù)，傅里葉變換紅外技術(shù)具有非接觸、安全、檢測(cè)速度快、可準(zhǔn)確定性、定量實(shí)現(xiàn)對(duì)艦艇密閉艙室環(huán)境中多組分有毒有害氣體的同時(shí)實(shí)時(shí)在線(xiàn)檢測(cè)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(shí)探測(cè)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(cè)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(cè)儀是艙室大氣環(huán)境微量氣體分析監(jiān)測(cè)的核心設(shè)備，國(guó)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(duì)艙室空氣質(zhì)量實(shí)行分級(jí)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(cè)儀主要實(shí)現(xiàn)對(duì)艙室一氧化碳、氮氧化物、苯、甲苯等微量氣體的在線(xiàn)分析。具體檢測(cè)組分指標(biāo)如表1所示。

表1 檢測(cè)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(cè)儀是基于長(zhǎng)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(cè)儀通過(guò)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(guò)分析測(cè)量后將要求測(cè)量的各個(gè)氣體組分濃度數(shù)據(jù)通過(guò)通信端口發(fā)送到環(huán)境集中監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)儀技術(shù)方案設(shè)計(jì)包括：設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、氣體進(jìn)樣模塊設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)與軟件方案設(shè)計(jì)。

5.1 總體設(shè)計(jì)方案

5.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(mǎn)足GJB3881-1999《艦船用非金屬材料毒性評(píng)價(jià)規(guī)程》，符合艦艇對(duì)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(cè)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(cè)儀總體結(jié)構(gòu)示意圖

5.1.2 氣體采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

氣體采集系統(tǒng)主要由氣泵與進(jìn)氣過(guò)濾裝置組成。當(dāng)新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測(cè)儀接收到大氣環(huán)境集中監(jiān)控裝置的指令，通過(guò)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(zhǎng)光程吸收池。進(jìn)氣過(guò)濾裝置用于對(duì)樣品氣體的過(guò)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(jì)

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

1）長(zhǎng)光程吸收池設(shè)計(jì)

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(zhǎng)度是決定氣溶膠樣品最低檢測(cè)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(zhǎng)，設(shè)備檢測(cè)靈敏度越高。綜合分析艦艇氣體濃度檢測(cè)下限與紅外氣體特性，氣體吸收池光程長(zhǎng)度設(shè)計(jì)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(zhǎng)光程吸收池光路實(shí)物圖

2）紅外干涉儀模塊設(shè)計(jì)

紅外干涉儀模塊設(shè)計(jì)需要從兩個(gè)方面考慮：一方面不同類(lèi)型的干涉儀的檢測(cè)分辨率不相同，從同時(shí)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(lèi)的干涉儀對(duì)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(cè)儀的干涉儀需要具備較強(qiáng)的抗振動(dòng)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(jì)

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測(cè)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(cè)電路、紅外光探測(cè)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(jì)

設(shè)備軟件程序分為七個(gè)模塊：綜合控制模塊、氣體濃度分析模塊、紅外光信號(hào)采集模塊、干涉儀控制模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(duì)采集所得的紅外光數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，得到樣品氣體中各監(jiān)測(cè)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(kāi)發(fā)人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試時(shí)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(chǔ)模塊完成對(duì)監(jiān)測(cè)參數(shù)、數(shù)據(jù)、圖譜、事件、命令等存儲(chǔ)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(cè)儀依據(jù)研制技術(shù)方案與技術(shù)路線(xiàn)，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(cè)儀原理樣機(jī)

5.2.2 氣體測(cè)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(guò)N2配比的CO 與SO2濃度標(biāo)氣分別為10 ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，開(kāi)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(gè)波數(shù)下氣體吸光度光譜圖檢測(cè)分析，并記錄相應(yīng)CO與SO2氣體紅外光譜圖。相繼檢測(cè)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(cè)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(xiàn)性誤差度可達(dá)±2%F.S，滿(mǎn)足艦艇艙室空氣檢測(cè)分析技術(shù)指標(biāo)要求。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)測(cè)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(cè)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(jì)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(jì)的長(zhǎng)光程氣體吸收池，體積小光程長(zhǎng)，可以有效滿(mǎn)足氣體檢測(cè)靈敏度的要求。

新型密閉與半密閉艙室空氣質(zhì)量檢測(cè)儀的研究方案設(shè)計(jì)合理，與國(guó)內(nèi)外同類(lèi)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(mǎn)足多型艦艇對(duì)艙室痕量多組分有害氣體分析與檢測(cè)的需求，可以為艦艇應(yīng)用在線(xiàn)多組分氣體分析技術(shù)提供可靠上艇氣體分析設(shè)備。