新型舰艇舱室空气质量检测及研究*

隋 峰

（中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 宜昌 443000）

1 引言

随着我国新型舰艇的不断发展，舰艇舱室内环境空气组分（常量气体、微量气体和气溶胶等）的优劣直接影响艇员的身心健康［4］、武器装备性能以及核舰艇任务成败的关键因素。当前我国更加注重舰艇长时间航行性能，用于检测密闭与半密闭舱室空气质量的大气环境监测设备变得更加重要［5］。

2 军事需求与必要性分析

2.1 军事需求分析

舰艇在任务航行时舱内空气是被严格密封的，污染气体来源非常广泛，各种污染气体组分也是非常复杂［6］。准确检测舱室内微量污染气体的浓度，对于研究微量空气组分污染气体长时间对人体的健康效应，评估对艇员身体健康的影响有重要作用［7］。舰艇中绝大多数污染物源头仅仅是释放微量的物质到舱室空气中，尤其是对于长航时任务，舱室的大气污染及累积程度可能成为限制舰艇续航时间的一个主要因素。目前，装备于舰艇的空气质量监测设备具备体积庞大、能耗高、操作维护复杂，不能满足现役和未来新型常规舰艇的更加严苛的上艇要求。研制新型舰艇舱室空气质量监测设备，通过实现小型化，对更多的具有代表性的微量污染气体进行监测，可以解决现役常规舰艇和新型常规舰艇没有合适的微量污染气体分析仪的问题。总之，提高舰艇内部微量污染气体的监测能力，是改善舰艇内部大气质量，进行舰艇大气环境控制工作的基础，对保护艇员身心健康和提升持续作战能力具有重要意义［8］。

2.2 技术可行性分析

传统密闭与半密闭舱室环境中空气质量手段有气相色谱（GC）分析法、质谱（MS）分析法、离子迁移谱（IMS）技术、表面增强拉曼散射（SERS）技术识别法等。但从目前的研究技术看，这些方法的检测过程复杂且时间较长，检测结果的准确度和灵敏度还不高，很难实现快速检测与分析［9～10］。傅里叶红外光谱技术（FTIR），克服了气相色谱技术无法实时在线检测的不足，能够快速连续在线检测；突破离子迁移谱技术无法准确测量气体浓度的技术瓶颈，能够实现精准定量分析多组分气体浓度。综合比较其他检测技术，傅里叶变换红外技术具有非接触、安全、检测速度快、可准确定性、定量实现对舰艇密闭舱室环境中多组分有毒有害气体的同时实时在线检测等优点，适用于多原子分子、多组分混合物、气体排放的实时探测和分析，因此逐渐成为舰艇密闭舱室环境中空气质量检测的主要手段。

3 研究目标及要求

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪是舱室大气环境微量气体分析监测的核心设备，国军标GJB11.2-1991《水面舰舱室空气组分容许浓度》［10］、GJB11B-2012《核潜艇舱室空气组分容许浓度》［11］对舱室空气质量实行分级管理，结合GB50325-2020《民用建筑工程室内环境污染控制标准》［12］内容技术要求，新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪主要实现对舱室一氧化碳、氮氧化物、苯、甲苯等微量气体的在线分析。具体检测组分指标如表1所示。

表1 检测组分与指标

4 设备组成

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪是基于长光程傅里叶红外光谱技术［13］研制的设备，其主要由气体采集系统、光学系统、硬件系统及数据分析软件组成，其组成框图如图1所示。新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪通过气体管路接收从舰艇舱室巡回采样装置输送的样品气体，经过分析测量后将要求测量的各个气体组分浓度数据通过通信端口发送到环境集中监测显示控制装置。

图1 新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪组成框图

5 研究总体技术方案

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪技术方案设计包括：设备结构设计、气体进样模块设计、光学系统设计、硬件电路设计与软件方案设计。

5.1 总体设计方案

5.1.1 设备结构设计

设备主机整体采用铝合金材料，所有内部器件的非金属材料选用都需要满足GJB3881-1999《舰船用非金属材料毒性评价规程》，符合舰艇对非金属材料可能散发的微量污染物的控制要求。综合上述系统要求，新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪三维外观图如图2所示。

图2 新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪总体结构示意图

5.1.2 气体采集系统设计

气体采集系统主要由气泵与进气过滤装置组成。当新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪接收到大气环境集中监控装置的指令，通过气泵采集舰艇舱室巡回采样装置气体样本，将样本气体输送到长光程吸收池。进气过滤装置用于对样品气体的过滤，除去舱室样品中存在的盐雾、油雾、霉菌和灰尘等颗粒。

5.1.3 光学系统设计

光学系统是新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪最主要部分，主要包含两部分：长光程吸收池模块和红外干涉仪光学模块。

1）长光程吸收池设计

气体吸收池是气溶胶样品分子与红外光发生特征吸收的腔体，光程长度是决定气溶胶样品最低检测限的关键参数。根据红外光谱的定量吸收原理，红外光在气体样品中的吸收光程越长，设备检测灵敏度越高。综合分析舰艇气体浓度检测下限与红外气体特性，气体吸收池光程长度设计为5m较为合适。具体实现工艺。具体光学吸收池光路如图3所示。

图3 长光程吸收池光路实物图

2）红外干涉仪模块设计

红外干涉仪模块设计需要从两个方面考虑：一方面不同类型的干涉仪的检测分辨率不相同，从同时分析多种微量气体角度，需要选择合适的分辨率；另一方面由于不同种类的干涉仪对环境干扰的敏感程度不相同，该傅里叶红外空气质量检测仪的干涉仪需要具备较强的抗振动特性，因此采用双角镜扭摆式干涉仪最为合适，干涉仪具有结构紧凑和抗振性强的优点。具体框图如图4所示。

图4 红外干涉仪模块示意图

5.1.4 硬件电路设计

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪的硬件电路主要包含五部分，分别是前置放大电路、电源变换电路、柔性铰链控制电路、激光探测电路、红外光探测电路，具体硬件电路框图如图5所示。

图5 硬件电路框图

5.1.5 软件方案设计

设备软件程序分为七个模块：综合控制模块、气体浓度分析模块、红外光信号采集模块、干涉仪控制模块、通信模块、数据存储模块和调试接口模块。总体模块化结构如图6所示。

图6 程序总体模块化结构

综合控制模块是设备软件的中央控制单元，完成软件系统的综合控制功能；气体浓度分析模块对采集所得的红外光数据进行分析计算，得到样品气体中各监测气体浓度；干涉仪控制模块完成红外干涉仪的控制以产生干涉光的功能；调试接口模块用于开发人员对设备进行调试时的数据交互；通信模块完成设备与舰艇中控系统的通信功能；数据存储模块完成对监测参数、数据、图谱、事件、命令等存储的功能。

5.2 试验分析

5.2.1 原理样机

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪依据研制技术方案与技术路线，完成初代样机装调与试制，具体实物图如图7所示。

图7 新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪原理样机

5.2.2 气体测试

在实验室内模拟舰艇舱室实际应用环境，实验室内通过N2配比的CO 与SO2浓度标气分别为10 ppm、20ppm、30ppm、40ppm、50ppm，开始实验前完N2校准，完成光谱背景采样分析，之后依次通入不同浓度CO 与SO2气体标气，完成分辨率2个波数下气体吸光度光谱图检测分析，并记录相应CO与SO2气体红外光谱图。相继检测光谱图如图8与图9所示。

图8 不同浓度CO气体红外光谱图

图9 不同浓度SO2气体红外光谱图

不同浓度CO 与SO2气体相关试验结果如表2所示。

表2 不同浓度CO与SO2气体浓度检测分析

结合朗博比尔定律以及气体模型定量分析算法，分析CO 与SO2气体浓度吸光度特性最大线性误差度可达±2%F.S，满足舰艇舱室空气检测分析技术指标要求。

6 结语

通过测试CO 与SO2气体分析，研制的新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪总体技术方案合理，总体技术方案采用的双角镜扭摆式干涉仪设计可以有效减小光谱仪的体积，能够产生高分辨率的气体吸收红外光谱图，并且具有优良的抗震性能；设计的长光程气体吸收池，体积小光程长，可以有效满足气体检测灵敏度的要求。

新型密闭与半密闭舱室空气质量检测仪的研究方案设计合理，与国内外同类设备相比具有一定的先进性和较强的可行性，能够满足多型舰艇对舱室痕量多组分有害气体分析与检测的需求，可以为舰艇应用在线多组分气体分析技术提供可靠上艇气体分析设备。