一種有毒有害氣體在線監測儀氣道結構的研究

樊海春，鐘 琪，李銘煊，劉金星

(1.天津同陽科技發展有限公司，天津 300384；2.中國環境監測總站，北京 100000)

1 引言

從基本概念來講，有害氣體就是可能對生命和財產造成危害的氣體。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，引起人體機能發生暫時或永久性病變的無機和有機類氣體。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。

隨著全球工業化和新技術、新應用的發展，有毒有害氣體已經越來越多地存在于各類工業行業和生活環境中。因此，在各種工作，生活環境中準確地監測[4]和檢測[5]各類有毒有害氣體的存在和濃度[6]，是我們必須面對的問題。

有毒有害氣體監測報警儀能夠對有害氣體進行有效監測[7]，并在檢測[8]到氣體濃度達到預警及警報設置的報警值[9]時，發出聲光報警信號，以提醒采取相應的安全措施。因此，在氣體檢測[10]時，如何實現多路傳感器[11]實時監測、提高氣體的均勻性和降低氣體的損耗，對于提高檢測時準確性實時性[12]顯得尤為重要。然而常規的擴散式有毒有害氣體監測儀依靠空氣自然流動對空氣中的有毒有害氣體進行檢測，易受到空氣流動制約，響應時間較長，很難實現準確實時的氣體檢測[13]。且常規檢測方式不能在進出氣口處對氣體進行過濾勻化氣體流速，進而造成檢測氣體[14]波動，造成檢測精度下降。

為解決以上問題，本文提出一種基于擴散式的有毒有害氣體[15]監測報警儀的氣道結構。

2 理論基礎

一種基于擴散式有毒有害氣體監測報警儀的氣道結構，包括氣道載體，氣道載體內設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，主體腔呈扁平長方體，分別定義兩個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側壁面封閉，底壁面長度方向中心處設有多條排成一列的與外界聯連通的細長進氣孔。

較佳的，每條細長進氣孔的截面尺寸為2 mm×1 mm；較佳的，每條細長進氣孔的長度方向孔中心線與底壁面長度方向中心線相垂直；另，較佳的，細長進氣孔陣列覆蓋底壁面的整條長度方向中心線，即細長進氣孔陣列自右側側壁面與底壁面相交處起始，沿底壁面長度方向中心線一致延伸至左側側壁面與底壁面相交處；上述設計可使得氣體由細長進氣孔進入主體腔內時分布均勻，避免擾流的產生，確保氣體在主體腔內的流動穩定、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長條進氣孔的孔口截面積總和；氣道腔內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長條進氣孔的孔口截面積總和，從而使得氣道腔內產生微負壓，加快氣流流動，提高響應速度。優選的，排氣通道還設置有排氣扇，益于更大程度加快氣流流動。

每條氣道腔的前腔壁面由上至下依次間隔設有若干個朝外凸出的監測容納腔，每個監測容納腔內各容納有氣體監測單元，用于同時分別監測進入氣道腔內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，不會對有毒有害氣體進行吸附和反應，且益于提高氣體監測的精準性。

每條氣道腔的后腔壁面上還設有多條相互平行間隔排列的導流槽；較佳的，每條導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。

本文提出的氣道結構在進行有毒有害氣體監測時，能夠有效增強氣流流動，增大氣體循環空間，并且加快響應速度，降低待測氣體的涌動以勻化氣體，實現準確實時的氣體監測。且在氣道表面采用特殊材料，不會對有毒有害氣體進行吸附和反應，也提高氣體監測的精準性。

3 實驗系統

承載本文的氣道結構的氣道載體可以由3D打印技術制成一體成型的產品，也可以以多種由多個部件組裝而成的結構方案來實現，下面結合圖1～圖5加以詳細說明。

1.后基體；2.前基體；3.蓋板

1.后基體；2.前基體；3.蓋板；4.進氣孔板；5.排氣扇；6.密封線圈；7.密封膠環墊；10.前表面；11.氣道槽；12.排氣通道；13.開口；20.前表面；21.后表面的監測通孔；41.細長進氣孔；111.導流槽；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.導流槽

4.進氣孔板；41.細長進氣孔

如圖1所示，氣道載體包括貼抵對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中的進氣孔板4。

如圖2或圖4所示，后基體1的前表面10開設有多條氣道槽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、兩側槽壁與前基體2的后表面對應處共同構成氣道腔的周側面，即氣道槽11的槽底充當前腔壁面，前基體2的后表面對應處充當后腔壁面；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，由進氣孔板4將開口13封堵，即由進氣孔板4上表面對應開口13處的部分構成氣道腔的底壁面；密封膠環墊7用于確保進氣孔板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開設于后基體1上，導流槽111開設于氣道槽11的槽底。排氣扇5安裝于對應的排氣通道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開設有多個貫穿前表面20和后表面的監測通孔21，每個監測通孔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；監測通孔21的孔壁和蓋板3對應表面共同構成監測容納腔的腔壁；氣體監測單元容納于監測通孔21中并固接于蓋板3。

如圖5所示，細長進氣孔41開設于進氣孔板4上。

4 實驗結果

氣道結構改進后，根據中國環境監測總站起草的《大氣有機物在線監測系統技術要求及監測方法》，對有毒有害氣體監測儀整體性能進行了測試，達到預期目標，測試結果如表1～9。

表1 TVOC測試結果

表2 硫化氫測試結果

表3 甲硫醇測試結果

表4 甲硫醚測試結果

表5 二甲二硫醚測試結果

表6 二硫化碳測試結果

表7 苯乙烯測試結果

表8 氨氣測試結果

表9 三甲胺測試結果

5 結論

本文提供了一種基于擴散式有毒有害氣體監測報警儀的氣道結構，包括氣道載體，氣道載體內設有多條氣道腔，每條氣道腔的主體腔呈扁平長方體，主體腔頂壁面和兩側側壁面封閉，底壁面長度方向中心處設有多條細長進氣孔；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長條進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有若干個朝外凸出的監測容納腔，每個監測容納腔內各容納有氣體監測單元；每條氣道腔的后腔壁面上還設有多條相互平行間隔排列的導流槽。本論文的氣道結構在進行有毒有害氣體監測時，能有效增強氣流流動，增大氣體循環空間，加快響應速度，提高氣體監測的精準性。