潜艇舱室气体成分集中监测技术冯东辉高级工程师(第七一八研究所)摘要:本文介绍了国内外潜艇气体成分监测技术的发展状况.分析了主要有害气体监测的必要性.提出了需要连续监测的气体组分,介绍了采用成熟的气体敏感元件对主要气体组分进行连续监谩9的技术途径.关键词:潜艇舱室气体成分监测l引言潜艇舱室是人员,武备,设备高度集中的密闭空问,随着新型动力的采用.大气的污染已成为影响潜艇水下续航能力的重要因素之一.美国自1962年已将居住性从动力,武备,观通……等诸多因素排序最后一位提高到了第二位,居住性的主要内容是大气质量.改善潜艇的居住性,必须采取措施对舱室空气进行净化和治理.对主要气体污染成分进行准确测量是采取净化措施必须首先解决的问题.2国内外技术发展现状美国是潜艇大气研究发展最快的国家,先后研制了五代MARK系列大气分析器.美国现役潜艇均装备了CAMS_l型大气中心监测系统,它由固定收集极式磁质谱仪和红外CO分析器组成,可连续监测H2,,N2,CO2,CO,水蒸气,制冷剂气体氟里昂I1,氟里昂12和氟里昂114.1986年完成了第二代新产品的研制,叫做CAMS一Ⅱ,它由一台扫描式质谱仪和一个红外CO分析仪加计算机组成,可以监测12种组分,改变程序后也可以监测其它的组分.9o年代又研制了采用四极质谱技术的MiNiCAMS潜艇大气分析仪.但到目前为止尚未使用.英国的潜艇大气分析,早期采用了美国的MARK系列大气分析器,后来自行研制了色谱分析仪,可以分析,,N2,CO2,CO,Fn.1984年装艇使用的色谱/质谱/微机联用仪可以分析总烃,苯,氟里昂1301等12种气体.法国潜艇装备的分析仪器,对,0Co2,CO和氟里昂进行连续监测,同时采用检定管分析仪对其他22种无机物和有机污染物进行分析.日本未来潜艇的空气成分监测装置拟采用美国CAMs大气中心监测系统,进行集中的监测和控制.国外潜艇大气分析监测技术的发展,已逐渐形成了连续,多点监测系统,这对实行潜艇大气成分综合治理,控制空气再生和净化装置,提高大气质量有甍重要的意义.收稿日期:2001—04—20.一16一<舰船科学技术)2OO1.3我国潜艇大气成分监测技术比较落后,现役艇都是分散,单点气体组分测量.随着武器装备的发展,大气环境集中监测技术成为急需解决的问题.气体监测技术的发展取决于传感器技术,气体敏感元件技术已广泛应用于表1连续监测的气体组分潜艇容许浓度序号名称分子式测量原理核潜艇常规潜艇l氢气载体催化1%2%2氧气电化学l9%～21%>19%3二氧化碳C热导O5%1%4一氧化碳C0电化学11,w,/20ptm~5总烃CxHy光离子化50Er15ppn~6氟里昂一11CFC13半导体气敏元件56m~/lOpl~煤炭,化工,石油等行业,并开始使用于潜艇大气分析仪器.质谱仪代表了核动力潜艇大气监测的先进技术,但它也存在一些不足,如体积太,泵抽采样,分析周期长,瞥路易堵塞或泄漏,对操作人员技术水平要求较高,维修困难等.另外,质谱仪关键部件质谱管和真空系统的艇用条件适应性问题也是一个不易解决的难题因此,发展一种适合我国潜艇,简单易行的监测技术是必要的.通过多年的技术跟踪和研究,笔者提出采用多种气敏元件连续集中监测舱室气体浓度的方案,该方案以其技术成熟,操作简单,作用可靠,响应迅速等特点,具有明显的优势.3气体组分监测方案潜艇气体污染成分复杂,种类繁多,进行全面监测和控制是不可能的也是不必要的.根据多年实艇的测试结果,考虑到组分毒性,来源,容许浓度及处理控制方式等因素,对一些重点组分进行连续监测,其它一些组分采取定期或不定期方式进行测量,是一种可取的方案.”九五”期间,我们研究和探索了舱室气体组分连续监测问题,采取多种气体敏感元件组成监测系统,对多种气体组分进行连续监测,监测系统同时具有报警和控制接El,根据需要可对超限组分报警并可控制相应的空气再生和空气净化装置工作.监测系统由气体传感器,取样器,中心处理单元,显示,报警和控制接El几部分组成(见图1).其中,氢气传感器选用载体催化元件,氧气传感器和一氧化碳传感器采用电化学原理,二氧化碳传感器使用热导元件.总烃传感器采用光离子化法,氟里昂采取半导体气敏元件,都是比较成熟的测量方法,其中有些监测方法已被艇用分析仪器采用,装备部趴多年,使用证明监测结果准确可靠.传感器直接置于被测现场,利用自然扩散方式工作,将气体浓度转变成电压或电流信号.取样器H传摩嚣O传感嚣cO传辱嚣cO传蓐嚣I传辱嚣CFCI~传蓐墨取中————●心样赴理嚣旦兀图1集中监测系统原理框图直接读取模拟信号,通过内部转换形成标准数字信号.中心处理单元是信号处理的核心所在,对读取信号进行稳零跟踪,线性矫正,抗干扰处理后,输出标准的显示信号供显示器直接显示测到的气体浓度.一旦有气体浓度超限,输出报警信号驱动报警装置工作,提醒操作人员采取必要措施,同时输出控制信号启动相应的气体净化装置工作.系统采用可拓展式设计,根据需要,可以增减测量点个数和被测气体种类,通过适当的传感器布点,可以全面监测舱室有害气体分布情况,为进行舱室气体净化和处理提供操作依据.《舰船科学技术~}2001.34主要技术指标表2各种组分测量的技术指标l序号名称分子式测量范目测量精度报警点备注l1氧气f0～4%±5%FS25%2氧t19%～25%±5%Fsl9%,23%l9%下限报警点23%上限报警点3二氧化碳c020～30%5%Fs1【】%4氧化硅CO【o一100x10±l0%FS2oxlO’65总径Cxl~y0—50×10—6±1O%FS15×lO’66氟昂一I1CFa3D～50×1O.±1O%Fsl0×l06依据多次实艇监测结果和国军标规定的容许浓度,考虑到有害气体产生的时间性和速率等因素,确定主要技术指标.(1)测量范围,钡l量精度,报警点(2)响应时间潜艇中气体浓度除氢气以外均变化缓慢,因此响应时问定为不大于30s.(3)控制功能系统除实施实时监测和数据处理外,设置控制点,对装备的空气再生和空气净化实施监控.5技术难点表3有害气体的控制指标序控制点号名聍控制对象下限上限1氢气05%2.o%消氢装置——2氧气19%22%供氧装置.一3二氧化碳02%1.O%二氧化碳吸收装置4一氧化碳5×l0一20×10—一氧化碳撼器潜艇舱室多种气体组分连续监测技术研究,是在比较成熟的传感器技术基础上开展的,但这些传感器仅适用于单点监测或民用领域.要实现多种组分连续监测,需要解决以下技术难点: (1)传感器抗干扰技术研究:潜艇气体成分复杂,种类繁多,应避免多种气体交叉干扰,保证测量的准确性.(2)艇用条件适应性设计:艇用条件包括温度,湿度,压力等气象条件,冲击,振动等机械条件,其c{,气象条件对气体传感器线性,溉量精度影响较大,冲击,振动对传感器有破坏性影响,应采取措施.(3)电磁兼容性试验研究:各种单一的设备连成一个系统可能存在电磁干扰,应研究抗干扰方法6结衷语潜艇舱室大气成分的治理是保证潜艇潜航能力和艇员战斗力必须要解决的问题,而气体组分莲续监测技术又是潜艇大气汾:I!的依据,因此,解决舱室气体蛆分连续监测技术势在必行.利用现有的比较成燕的气体传感器组成气体组分集中监测系统,对舱室主要污染组分进行连续监测,是一个技术JIU行的方法.作者简介:冯东辉,士,1967年11月生.1987年毕业于噜尔滨船舶工程学院电子工程系七一A 所剞赴长,高短工程师.从事潜艇人一机一环境系统气体分析权嚣研究工作,获省部级科技进步三等凳3项.18《舰船科学技术’∞01.3。
