一種多位置多時刻同步采樣系統設計與實現

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(陸軍防化學院，北京 102205)

0 引言

自動控制技術在試驗領域的發展應用，使得氣體采樣技術得到迅猛發展，自動化程度不斷提高。某外場試驗要求在某行進裝甲車體內，同步采集多個位置(P)多個時刻(T)一定體積(V)的氣體樣品(即：在某段試驗時間，采集PT個一定體積V的氣體樣品)，便于后期利用專用儀器對氣體成分進行分析。目前，國內主要有中國白城兵器試驗中心、兵器工業衛生研究所、軍事科學院防化研究院、軍事科學院軍事醫學研究院、北京市環境保護科學研究院等單位進行了相關研究，主要集中在大氣采樣泵與采樣袋連接后長時間采樣、對采購的國外氣體采樣分析儀器進行簡易改造實現單位置廣譜在線分析方面，滿足本試驗需求的氣體采樣系統在市場未有發現，需要經過設計后進行加工定制。

1 結構設計與原理

氣體采樣系統以實現多位置多時刻同步采樣為目標，兼顧考慮樣品后期的便于分析與留樣。氣體某時刻的采樣依據與抽真空的采樣瓶相接的電磁閥，在通電開閥進氣斷電關閥的工作原理，實現氣體采樣控制。氣體某時刻多位置的采樣依據串聯線路工作同步的原理，通過將多個位置的采樣瓶串聯在一條控制線路，實現電磁閥同步開啟則氣體同步采集。氣體多時刻自動采樣依據時間繼電器的延時控制原理，自動控制多條采樣線路(一個時刻一條線路)，實現按照預設的時間間隔同步開啟每條線路的電磁閥進行自動采樣。

氣體采樣系統由采樣單元、控制單元、連接單元及保障單元四部分構成。在每個采樣位置布設T個采樣單元，每個時刻不同位置采樣單元進行串聯(即：T條串聯采樣線路，每條線路P個采樣單元)，不同時刻采樣線路分別并聯接入控制線路。采樣單元的主要功能是在試驗過程中采集并儲存氣體樣品，待試驗結束后取下樣品用于試驗室分析或儲存?？刂茊卧闹饕δ苁峭ㄟ^自動程序控制及提前設置，控制采樣單元實現自動或半自動采樣。連接單元的主要功能是連接控制單元與采樣單元，確保采樣單元與控制單元互聯互通，實現其預定功能。保障單元主要功能是為確保采樣系統正常工作提供能源、抽氣等配套保障。采樣系統結構設計概圖如圖1所示。

圖1 采樣系統結構設計概圖

2 技術方案

重點對總體、采樣單元及控制單元的技術方案進行闡述。

2.1 總體技術方案

為保證采樣質量，避免采樣干擾，減少試驗誤差，方便后期數據分析處理，確定每個樣品由一個獨立且唯一的采樣單元進行儲存，則一次試驗需要布設PT個采樣單元(即：P個位置，每個位置布設T個，代表對P個位置T個時刻進行采樣)。為實現采樣的同步性，即一次采樣P個采樣單元動作一致，則需要將P個采樣單元串聯接入一條控制線路，從而一共需要設計T條采樣控制線路。為實現T條采樣線路按預設時間先后自動采樣，則選擇可調時間繼電器進行控制。為保證控制線路正常運行，則選取車輛蓄電池(24 V)供電。

2.2 采樣單元技術方案

采樣單元依據抽真空的負壓氣袋經電磁閥控制開啟后自動進氣原理設計，采樣前經真空泵抽真空(約-0.1 MPa)的采樣單元在電磁閥(負壓式)開啟瞬間將迅速充滿采樣袋。為避免采樣袋爆裂，并便于電磁閥控制，則定制鋼瓶容納采樣袋。為確保采樣后順利取下采樣袋，便于后期的樣品留存與分析處理，則可以選擇通過直接閥門或醫用橡膠管配合止水夾使用兩種形式將采樣袋與瓶蓋進行連接?；诮档驮囼炚`差及易于操作考慮，本次外場試驗選取直接閥門的連接方案，在試驗前打開閥門，試驗完畢取出采樣袋后關閉閥門。

采樣單元主要由采樣瓶、采樣袋、抽真空管路等構成。其中，通過市場調研、文獻研究，確定采樣瓶為圓柱體比較科學，采用金屬鎖扣密封設計，底端焊接強磁鐵塊，主要由瓶體、瓶蓋、鎖扣、密封膠墊、采樣袋等構成。瓶蓋由蓋體、真空壓力表、三通電磁閥、金屬粉末燒結過濾器、真空單向閥直接頭構成。采樣單元設計構成(直接閥門式)如圖2所示。采樣蓋與采樣袋連接圖(直接閥門式和止水夾式)如圖3所示。

圖2 采樣單元設計構成圖

圖3 采樣蓋與采樣袋連接圖(直接閥門式和止水夾式)

采樣單元主要參數確定。通過當前氣體分析儀器的測試需求，確定采樣袋的體積V1；為便于后期取下采集樣品，確定在采樣袋口部直接閥門，閥門長度為h1；采樣瓶進氣口與瓶蓋的距離依據電磁閥結構確定，設為h2；采樣瓶底端與車艙頂端距離由磁鐵厚度確定，設為h3；采樣瓶進氣口距離裝備艙室地板高度為車內人員坐立高度，設為h4；瓶的長度h，為裝備艙室高度H與采樣瓶進氣口與瓶蓋的距離h2、磁鐵厚度h3及車內人員坐立高度h4之差，即：h=H-h2-h3-h4；采樣袋的長度h0，為瓶的長度h與閥門長度h1之差，即：h0=h-h1；綜合考慮V1、h0及采樣余量(通常為10%)，可確定采樣袋的直徑D0，D0=(4.4V1/πh0)1/2；采樣瓶的內徑D略大于D0(通?？煞艑?.5～1 cm)。對于本試驗，以需要在某型行進車體內采集CO2氣體為例。通過調研市場當前分析儀器測試CO2氣體用量需求，確定當前比較普遍、成熟的方法是運用紅外的方法進行測試，至少需要用氣量為300 ml，預留一定余量(通常10%)，則確定采樣袋體積V1為330 ml；結合后期取下樣品需求，確定在采樣袋接直接閥門，閥門長度為h1為3 cm；通過市場考察負壓電磁閥，確定采樣瓶進氣口與瓶蓋的距離h2為5 cm；通過市場考察強磁鐵塊，確定采樣瓶底端與車艙頂端距離h3為2 cm；依據操作員現場坐立測量，確定采樣瓶進氣口距離裝備艙室地板高度h4為92 cm；裝備艙室高度H為125 cm，則采樣瓶的長度h=H-h2-h3-h4=125-5-2 -92=26 cm；采樣袋的長度h0=h-h1=26-3=23 cm；綜合考慮V1、h0，可確定采樣袋的直徑D0=(4V1/πh0)1/2=(4×330/23π)1/2≈4.3 cm；采樣瓶的內徑D略大于D0(通?？煞艑?.5～1 cm)，可以確定為5.3 cm。

2.3 控制單元技術方案

為實現采樣單元自動按預定時間間隔進行采樣，選取時間繼電器控制電磁閥的開啟與關閉，時間繼電器可以選擇接觸式觸發與非接觸式(遠程式)觸發，非接觸式觸發控制線路圖如圖4所示，接觸式觸發線路如圖5所示?；诮档驮囼灣杀镜目紤]，本次外場試驗選取接觸式觸發，在采樣前預設采樣時間間隔，采樣開始時刻由車內防護好的試驗人員觸發時間繼電器，第一個電磁閥迅速工作，完場第一個時刻采樣，爾后由時間繼電器控制，實現自動采樣。

圖4 遠程式觸發控制線路圖

圖5 接觸式觸發控制線路圖

控制單元主要參數確定。為滿足控制T個時刻連續自動采樣需求，則時間繼電器可控通道數N0≧T。由于需要確定某時刻的氣體濃度，則將電磁閥空開時間設置為t(t≦1 s)。采樣總時間T、采樣間隔△T及每個時刻采樣數N依據試驗的實際需求確定，通常T的取值為60 s，10 s≦△T≦20 s，N≧3，具體情況依據采樣空間大小及項目研究精度要求確定。對于本次外場試驗，車體內部空間較大，試驗協調工作內容多，為較少誤差、提高精度，則確定試驗時間T取60 s，采集5個典型點5個典型時刻的樣品(即：N=5，采樣間隔△T依據外場試驗的實際需求取值為20 s,10 s,15 s,10 s，則需要采集第0 s，20 s，30 s，45 s，60 s五個時刻的氣體樣品)，選取市場易于采購的6通道時間繼電器，電磁閥空開時間t設置為1 s。

3 系統測試

系統測試主要包括采樣單元測試、控制單元測試和系統聯調聯試三部分工作。

3.1 采樣單元測試

采樣單元測試重點是采樣瓶的密封性、采樣瓶與采樣袋連接的可靠性、電磁閥工作的可靠性、進氣量的充足及采樣瓶與車輛上甲板相吸的可靠性。

采樣瓶的密封性測試，通過將采樣瓶按使用狀態抽真空靜置一段時間(t≧一次試驗總耗時t0)，壓力表讀數無變化或變化極小，則說明可以接受。

電磁閥工作的可靠性與進氣量的充足、采樣瓶與采樣袋連接的可靠性測試，可以合并組織，建立在采樣瓶密封的基礎上進行。將密封的采樣瓶接通電磁閥，停頓瞬間(1 s)后斷電，在測試過程中電磁閥指示燈閃爍，則說明電磁閥線路接入電路正確且工作正常，打開采樣瓶取下采樣蓋，關閉直接閥門后取下采樣袋，采樣袋取下順利且飽滿、采樣袋下端無脫落，則說明進氣量及采樣瓶與采樣袋連接的可靠性可以接受。

采樣瓶與車輛甲板相吸的可靠性測試，統一進行，將試驗所需的采樣瓶密閉后依次倒置于車輛頂甲板，車輛按照試驗工況正常啟動、行進，整個過程中采樣瓶無脫落則說明可以接受，否則需要通過增加磁鐵塊或優化某位置采樣瓶布設狀態進行調整。

在本次試驗測試過程中，對試驗所需的每一個采樣單元進行了逐一測試(共計25個)，測試中出現：①3個密封性不好的情況，原因是密封墊上附著沙粒與灰塵，不夠清潔，經水清洗后得到解決；②2個采樣袋與瓶口相接端脫落的情況，主要是瞬時進氣沖量太大、直接頭未擰緊導致，為避免出現類似問題，檢查直接頭連接情況，確保無松動；③2個采樣單元不工作，原因是電磁閥固有故障，通過更換電磁閥解決。

3.2 控制單元測試

控制單元單元測試的重點是采樣時刻的準確性及采樣的同步性。

采樣時刻的準確性測試，是在時間繼電器預設采樣間隔的基礎上，開啟繼電器同時開啟秒表，觀察預設采樣間隔時間與秒表是否一致，一致則說明可以接受，否則需要通過調整時間繼電器的預設時間或更換性能更優的時間繼電器提高采樣精度。

采樣的同步性測試，是將每條測試線路(T個時刻T條線路)接入時間繼電器后，將每條線路的電磁閥集中在一起，達到采樣時刻時，電磁閥指示燈同步閃爍，則說明可以接受。此外，本次測試可以對線路接入后的采樣時刻準確性進行測試，方法與上相同，不再贅述。

在本次試驗測試過程中，對試驗所需的每一個電磁閥(共計25個)、時間繼電器及控制線路(共計5條)進行了測試，測試中出現：①2個采樣時刻與實際不符的情況，原因是時間繼電器初設過程中人員粗心，導致設置錯誤，經重設后得到解決；②1條采樣線路出現個別位置未采樣的情況，主要是接線不牢導致，經重新梳理加固后解決；③5個電磁閥閃爍不明顯，原因是電磁閥固有故障和電磁閥接反，通過更換電磁閥或重接得到解決。

3.3 系統聯調聯試

系統聯調聯試分為靜態調試和動態調試兩個階段，重點是在調試階段系統能夠保持穩定，且能夠達到試驗的預期目標。

靜態調試階段，對采樣瓶進行逐一編號，分別將每個點的采樣瓶按使用流程安裝抽真空后集中倒吸于采樣位置的頂板，將同時刻采樣瓶串聯后分別接入時間繼電器的一路，按采樣要求預設采樣間隔，開啟車窗保持內外相通，待車內大氣流場穩定后，用大氣采樣器采集車內氣體樣品，爾后觸發時間繼電器后人員迅速離開車艙，系統開始自動采樣。采樣結束后，按照試驗步驟取出采樣袋，從取出樣品的飽滿度可以判斷系統達到了預期的試驗目的，其準確性需要在對5個點5個位置的25個樣品及車內氣體本底進行分析后確定，分析選取專用設備對采樣袋中的CO2含量進行定量分析，分析過程不再贅述，分析結果如表1所示。

表1 采樣氣體分析結果表

從分析結果可以看出，樣品與本底差異在5%以內，在儀器與試驗誤差范圍之內，該采樣系統的靜態聯調聯試結果可以接受，說明該系統可信。

動態聯調聯試原理與靜態聯調聯試原理類似，不再贅述，只是動態聯調聯試需要注意：①關注系統在采樣過程中工作的穩定性；②車輛開窗駕駛，避免試驗誤差。從動態調試的結果來看，該系統仍然可信。

經過系統聯調聯試，可以確定本設計的采樣系統能夠滿足試驗采樣需求，系統工作穩定，試驗結果可信，可以直接在試驗中運用。

4 結束語

經過系統的分析與設計，有效破解了在高危環境下進行多位置多時刻氣體同步采樣難題，實現了本次試驗要求的采樣功能，簡化了人員在采樣環境下中的工作程序，滿足用戶需求，是計算機技術、控制技術在試驗技術領域的成功應用，可在類似需求領域進行推廣，以有效推進試驗技術向更高層次發展。下一步，在采樣系統設計過程中可以對采樣單元及控制單元進行升級改造，以便實現非接觸式控制，樣品更易于后期處理。