有限空間核生化聯合采樣技術研究

項恩巖 王佳穎 鄧 皓* 孫 興

(1.北京航天益來電子科技有限公司，北京 100071；2.北京市氣環境監測工程技術研究中心，北京 100071)

1 引 言

對人員相對集中的室內有限空間進行核生化監測[1]，如廠房、車間、機場、火車站、地鐵站、指揮所等，由于這些場所相對密閉，室內面積大，人員密集，各種設施繁多，要實現監測面積大、無死角，采用大密度設置監測設備不現實。為了實現少量監測設備的廣泛監測，特研制了聯合采樣技術[2,3]，可以實現多點取樣，采樣點設置可根據面積大小、內部布局、空間結構等合理配備。本研究針對生產廠房開展試點實驗，通過在直通空間合理布局，將監測設備放置在廠房中間位置，采樣點布置在設備兩側的立柱上。經過對模擬物質的采樣、傳輸，得出相應監測設備的報警狀態和報警響應時間，響應時間包括管路傳輸時間和設備固有響應時間，統稱為響應時間。本研究將對這些方法和結果進行分析和討論，試驗結果將為室內有限空間進行核生化監測提供技術依據。

2 聯合采樣技術設計

2.1 一體化機柜設計

為了滿足核生化監測設備集中放置、統一控制的需要，將抽取裝置和核生化監測設備集中裝配在一臺機柜里，機柜通過管路與不同采樣口連接，將遠端被測試樣傳輸到監測設備。機柜分為上下兩層，上層為抽取裝置和內部管線，下層為3臺核生化監測設備，監測設備取樣口與機柜內部管線連接。機柜還配備PLC模塊和平板電腦，PLC控制氣路切換和采集模式，平板電腦顯示報警信息。為了快速低損耗抽取遠端試樣，對有毒氣體和核、生氣溶膠分別采樣。

核、生監測設備用氣量較大(≥50L/min)，選用無油旋片式真空泵，其特點是真空度高，流量大，流量大于100 L/min。根據現場實際情況和核、生氣溶膠特點，設計1個真空泵，入口采用3個電磁閥來控制采樣口切換，可以監測3個位置。管路采用低吸附的不銹鋼管，后端設計有流量監測傳感器，監控流量。核、生監測氣路流程見圖1。

圖1 核、生監測氣路流程圖

通過PLC編程可以控制各采樣泵的起停和氣路的切換，可實現手動采樣、定點采樣、循環采樣等多種模式，手動采樣一般為設備調試和人員值守時使用，定點采樣可根據局部人員密集程度以及氣流流動情況適時采用，循環模式一般為無人員值守或者24小時不間斷監測時使用。平板電腦可以直觀顯示每個部件的工作狀態和各監測設備的報警信息。

有毒有害氣體的化學監測設備所需進氣量不大(≤5L/min)，選用KNF公司的隔膜泵，具有可靠、不怕堵塞、體積小、噪聲低，不吸附等特點，流量大于9 L/min。根據現場實際情況和化學有毒氣體的特點，設計了5個隔膜泵，配套5～10個采樣口，可以5路同時采集，每個隔膜泵出口接兩位三通電磁閥，用于控制氣體流經方向，當一路電磁閥狀態為向設備送氣時，其它路電磁閥為向排氣管送氣模式，可實現一路樣氣送給監測設備，其它路排空。如此設計可以縮短響應時間，快速報警。在流量計之前設置集氣罐，用來收集樣氣和穩定流量，集氣罐出口設有流量監測傳感器，用于流量監控。各個部件均用聚四氟乙烯管連接。化學監測氣路流程見圖2所示。

圖2 化學監測氣路流程圖

2.2 現場布置

根據試驗地點的實際情況將機柜擺放在一般廠房靠近中央的立柱旁邊，機柜左右各有5根立柱，在第2、4、6、8、10號立柱設置化學采樣口，在第2、6、10設置氣溶膠采樣口。采樣口根據不同監測物質的特點，分別采用大口徑設計和小口徑設計，如圖3和圖4所示。

圖3 大口徑采樣口

圖4 小口徑采樣口

傳輸管線采用上方線槽走線方式，一端連接采樣口，一端連接機柜。有毒氣體傳輸管線采用聚四氟乙烯管，氣溶膠傳輸管線采用不銹鋼管。采樣口布局圖見圖5。

圖5 采樣口布局圖

3 聯合采樣技術試驗

3.1 試驗方法

3.1.1氣溶膠試驗方法

在調試核、生監測設備和機柜采樣都工作正常后進行試驗。手動控制采樣氣路為第一路，在第2氣溶膠采樣口釋放核黃素，釋放時間10秒，釋放開始計時，到生物設備報警終止，記錄響應時間。設備報警后要進行潔凈空氣吹掃，待設備歸零后再更換第二路采樣氣路，并在第6采樣口釋放核黃素，依次類推，做完3路采樣實驗，整理數據。切換至自動循環采樣，此時電磁閥由PLC自動控制，每間隔5分鐘切換一路，在隨機一處采樣口釋放核黃素，釋放時間30秒，記錄各實驗數據。由于核氣溶膠沒有相應替代物質，故不做此類實驗，但可以監測背景氡氣數值以作參考。

3.1.2模擬毒劑試驗方法

在調試化學監測設備和機柜采樣都工作正常后進行試驗。手動控制采樣氣路為第一路，在第2毒氣采樣口分別釋放H型和G型模擬劑，釋放時間10秒，釋放開始計時，到化學設備報警終止，記錄響應時間，每種實驗做3次。設備報警后要用潔凈空氣吹掃，待設備歸零后再更換第2路采樣氣路，并在第4采樣口釋放模擬劑，依次類推，做完5路采樣實驗，整理數據。切換至自動循環采樣，此時電磁閥由PLC自動控制，每間隔5分鐘切換一路，在隨機一處采樣口釋放模擬劑，釋放時間1分鐘，記錄各實驗數據。

3.2 核生化監測試驗結果

核監測試驗結果見表1；生物監測試驗結果見表2；化學監測試驗結果見表3。

表1 核監測試驗結果

表2 生物監測試驗結果

表3 化學監測試驗結果

續表3

3.3 試驗結果與數據分析

核監測試驗結果見表1，即不同距離核設備報警的響應時間和報警狀態，50米以內的距離，設備能準確測得背景氡氣溶膠的報警狀態，不同距離，不同采樣口測得的數值具有良好的一致性，增加采樣口可以擴大監測面積。

生物監測試驗結果見表2，即不同距離生物設備報警的響應時間和報警狀態，在50米距離內，各個采集點采集核黃素模擬劑都可以使設備報警，同樣也可增加采樣口，增加真空泵來擴大監測面積。采用特制不銹鋼管和后端抽取技術，使氣溶膠的流失率在可控范圍內，能滿足低流失的傳輸要求。

化學監測試驗結果見表3，即不同距離化學設備報警的響應時間和報警狀態，在50米距離內，各個采集點采集H和G型模擬劑都可以使設備報警，只是響應時間稍有區別，采用自動循環采樣，也能保證設備準確監測到有毒氣體，整個監測面積大約8000m2。如果需要增大監測面積和提高準確性，可以增加采樣口數量(一個采樣泵配2-3個采樣口)，減小循環時間，理論上采樣口數量不設上限，從而保證廣泛空間實時準確監測到有毒氣體。采用的管線和隔膜泵能保證氣體有效快速傳輸，流失率極低。

4 結 論

通過在室內有限空間開展核生化聯合采樣試驗，證明采用聯合采樣技術在有限空間進行核生化監測，可以減少儀器設備的投入，減少場地占用面積和降低維護成本。氣溶膠遠距離采樣也得到充分驗證，采樣不銹鋼管加大彎頭設計可以減少氣溶膠流失，充分保證監測設備報警的準確性。核生化聯合采樣技術的驗證，國內尚屬首次。室內人員健康防護以及防恐前提下的此類實驗，國外也是不多見的。此項試驗證明了聯合采樣技術的可行性和可推廣性。