一種有毒有害氣體在線監(jiān)測(cè)儀氣道結(jié)構(gòu)的研究

樊海春，鐘 琪，李銘煊，劉金星

(1.天津同陽科技發(fā)展有限公司，天津 300384；2.中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100000)

1 引言

從基本概念來講，有害氣體就是可能對(duì)生命和財(cái)產(chǎn)造成危害的氣體。大致可劃分為有毒氣體[1]和有害氣體[2]。有毒氣體是指氣體通過呼吸道吸入或者與皮膚、眼睛等接觸，并且作用于人體，引起人體機(jī)能發(fā)生暫時(shí)或永久性病變的無機(jī)和有機(jī)類氣體。有害氣體是指無毒氣體，可能由于存在量過大而引起氧氣[3]不足，造成人員窒息等傷害的氣體。

隨著全球工業(yè)化和新技術(shù)、新應(yīng)用的發(fā)展，有毒有害氣體已經(jīng)越來越多地存在于各類工業(yè)行業(yè)和生活環(huán)境中。因此，在各種工作，生活環(huán)境中準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)[4]和檢測(cè)[5]各類有毒有害氣體的存在和濃度[6]，是我們必須面對(duì)的問題。

有毒有害氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀能夠?qū)τ泻怏w進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)[7]，并在檢測(cè)[8]到氣體濃度達(dá)到預(yù)警及警報(bào)設(shè)置的報(bào)警值[9]時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，以提醒采取相應(yīng)的安全措施。因此，在氣體檢測(cè)[10]時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)多路傳感器[11]實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提高氣體的均勻性和降低氣體的損耗，對(duì)于提高檢測(cè)時(shí)準(zhǔn)確性實(shí)時(shí)性[12]顯得尤為重要。然而常規(guī)的擴(kuò)散式有毒有害氣體監(jiān)測(cè)儀依靠空氣自然流動(dòng)對(duì)空氣中的有毒有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，易受到空氣流動(dòng)制約，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的氣體檢測(cè)[13]。且常規(guī)檢測(cè)方式不能在進(jìn)出氣口處對(duì)氣體進(jìn)行過濾勻化氣體流速，進(jìn)而造成檢測(cè)氣體[14]波動(dòng)，造成檢測(cè)精度下降。

為解決以上問題，本文提出一種基于擴(kuò)散式的有毒有害氣體[15]監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的氣道結(jié)構(gòu)。

2 理論基礎(chǔ)

一種基于擴(kuò)散式有毒有害氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的氣道結(jié)構(gòu)，包括氣道載體，氣道載體內(nèi)設(shè)有多條沿同一平面方向依次間隔、平行排列的氣道腔，每條氣道腔包括一主體腔，主體腔呈扁平長(zhǎng)方體，分別定義兩個(gè)面積最大的腔壁面為前腔壁面、后腔壁面，主體腔頂壁面和兩側(cè)側(cè)壁面封閉，底壁面長(zhǎng)度方向中心處設(shè)有多條排成一列的與外界聯(lián)連通的細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔。

較佳的，每條細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔的截面尺寸為2 mm×1 mm；較佳的，每條細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔的長(zhǎng)度方向孔中心線與底壁面長(zhǎng)度方向中心線相垂直；另，較佳的，細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔陣列覆蓋底壁面的整條長(zhǎng)度方向中心線，即細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔陣列自右側(cè)側(cè)壁面與底壁面相交處起始，沿底壁面長(zhǎng)度方向中心線一致延伸至左側(cè)側(cè)壁面與底壁面相交處；上述設(shè)計(jì)可使得氣體由細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔進(jìn)入主體腔內(nèi)時(shí)分布均勻，避免擾流的產(chǎn)生，確保氣體在主體腔內(nèi)的流動(dòng)穩(wěn)定、自然。

每條氣道腔自后腔壁面的頂部朝外延伸出一排氣通道，排氣通道截面積大于細(xì)長(zhǎng)條進(jìn)氣孔的孔口截面積總和；氣道腔內(nèi)的氣體由排氣通道排出至外界，且因排氣通道截面積大于細(xì)長(zhǎng)條進(jìn)氣孔的孔口截面積總和，從而使得氣道腔內(nèi)產(chǎn)生微負(fù)壓，加快氣流流動(dòng)，提高響應(yīng)速度。優(yōu)選的，排氣通道還設(shè)置有排氣扇，益于更大程度加快氣流流動(dòng)。

每條氣道腔的前腔壁面由上至下依次間隔設(shè)有若干個(gè)朝外凸出的監(jiān)測(cè)容納腔，每個(gè)監(jiān)測(cè)容納腔內(nèi)各容納有氣體監(jiān)測(cè)單元，用于同時(shí)分別監(jiān)測(cè)進(jìn)入氣道腔內(nèi)的多種有毒有害氣體。

氣道腔的各腔壁壁面涂有四氟乙烯聚合物涂層，不會(huì)對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行吸附和反應(yīng)，且益于提高氣體監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。

每條氣道腔的后腔壁面上還設(shè)有多條相互平行間隔排列的導(dǎo)流槽；較佳的，每條導(dǎo)流槽由下方后腔壁面與底壁面相交處起始，一直延伸至排氣通道。

本文提出的氣道結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有毒有害氣體監(jiān)測(cè)時(shí)，能夠有效增強(qiáng)氣流流動(dòng)，增大氣體循環(huán)空間，并且加快響應(yīng)速度，降低待測(cè)氣體的涌動(dòng)以勻化氣體，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的氣體監(jiān)測(cè)。且在氣道表面采用特殊材料，不會(huì)對(duì)有毒有害氣體進(jìn)行吸附和反應(yīng)，也提高氣體監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

承載本文的氣道結(jié)構(gòu)的氣道載體可以由3D打印技術(shù)制成一體成型的產(chǎn)品，也可以以多種由多個(gè)部件組裝而成的結(jié)構(gòu)方案來實(shí)現(xiàn)，下面結(jié)合圖1～圖5加以詳細(xì)說明。

1.后基體；2.前基體；3.蓋板

1.后基體；2.前基體；3.蓋板；4.進(jìn)氣孔板；5.排氣扇；6.密封線圈；7.密封膠環(huán)墊；10.前表面；11.氣道槽；12.排氣通道；13.開口；20.前表面；21.后表面的監(jiān)測(cè)通孔；41.細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔；111.導(dǎo)流槽；210.密封膠圈槽

1.后基體；2.前基體；5.排氣扇

1.后基體；10.前表面；11.氣道槽；12.排氣通道；111.導(dǎo)流槽

4.進(jìn)氣孔板；41.細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔

如圖1所示，氣道載體包括貼抵對(duì)接且通過螺栓固定為一體的前基體2和后基體1，以及圖2中的進(jìn)氣孔板4。

如圖2或圖4所示，后基體1的前表面10開設(shè)有多條氣道槽11，前基體2的后表面貼抵后基體1的前表面，氣道槽11的槽底、兩側(cè)槽壁與前基體2的后表面對(duì)應(yīng)處共同構(gòu)成氣道腔的周側(cè)面，即氣道槽11的槽底充當(dāng)前腔壁面，前基體2的后表面對(duì)應(yīng)處充當(dāng)后腔壁面；氣道槽11的上端形成有封閉的頂壁，且頂壁與后基體1的頂端面存有間隙，氣道槽11的下端貫穿前基體2的底面從而形成開口13，進(jìn)氣孔板4與前基體2和后基體1的底面密封貼抵固接，由進(jìn)氣孔板4將開口13封堵，即由進(jìn)氣孔板4上表面對(duì)應(yīng)開口13處的部分構(gòu)成氣道腔的底壁面；密封膠環(huán)墊7用于確保進(jìn)氣孔板4與前基體2和后基體1的底面的貼抵密封效果。

如圖2或圖4所示，排氣通道12開設(shè)于后基體1上，導(dǎo)流槽111開設(shè)于氣道槽11的槽底。排氣扇5安裝于對(duì)應(yīng)的排氣通道12且通過螺栓與后基體1固接，具體見圖3。

從圖3中還可以看出，前基體2開設(shè)有多個(gè)貫穿前表面20和后表面的監(jiān)測(cè)通孔21，每個(gè)監(jiān)測(cè)通孔21的前端孔口分別由一蓋板3密封封閉，密封膠圈6用于壓夾于密封膠圈槽210中來確保密封；監(jiān)測(cè)通孔21的孔壁和蓋板3對(duì)應(yīng)表面共同構(gòu)成監(jiān)測(cè)容納腔的腔壁；氣體監(jiān)測(cè)單元容納于監(jiān)測(cè)通孔21中并固接于蓋板3。

如圖5所示，細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔41開設(shè)于進(jìn)氣孔板4上。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

氣道結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，根據(jù)中國環(huán)境監(jiān)測(cè)總站起草的《大氣有機(jī)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)要求及監(jiān)測(cè)方法》，對(duì)有毒有害氣體監(jiān)測(cè)儀整體性能進(jìn)行了測(cè)試，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，測(cè)試結(jié)果如表1～9。

表1 TVOC測(cè)試結(jié)果

表2 硫化氫測(cè)試結(jié)果

表3 甲硫醇測(cè)試結(jié)果

表4 甲硫醚測(cè)試結(jié)果

表5 二甲二硫醚測(cè)試結(jié)果

表6 二硫化碳測(cè)試結(jié)果

表7 苯乙烯測(cè)試結(jié)果

表8 氨氣測(cè)試結(jié)果

表9 三甲胺測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本文提供了一種基于擴(kuò)散式有毒有害氣體監(jiān)測(cè)報(bào)警儀的氣道結(jié)構(gòu)，包括氣道載體，氣道載體內(nèi)設(shè)有多條氣道腔，每條氣道腔的主體腔呈扁平長(zhǎng)方體，主體腔頂壁面和兩側(cè)側(cè)壁面封閉，底壁面長(zhǎng)度方向中心處設(shè)有多條細(xì)長(zhǎng)進(jìn)氣孔；每條氣道腔自后腔壁面的頂部朝外延伸出一排氣通道，排氣通道截面積大于細(xì)長(zhǎng)條進(jìn)氣孔的孔口截面積總和；每條氣道腔的前腔壁面由上至下依次間隔設(shè)有若干個(gè)朝外凸出的監(jiān)測(cè)容納腔，每個(gè)監(jiān)測(cè)容納腔內(nèi)各容納有氣體監(jiān)測(cè)單元；每條氣道腔的后腔壁面上還設(shè)有多條相互平行間隔排列的導(dǎo)流槽。本論文的氣道結(jié)構(gòu)在進(jìn)行有毒有害氣體監(jiān)測(cè)時(shí)，能有效增強(qiáng)氣流流動(dòng)，增大氣體循環(huán)空間，加快響應(yīng)速度，提高氣體監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性。