基于红外吸收法的哈龙替代灭火剂HFC-125的浓度监测技术

袁 伟，陆 松，胡 洋，杨 晖，张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

基于红外吸收法的哈龙替代灭火剂HFC-125的浓度监测技术

袁 伟，陆 松*，胡 洋，杨 晖，张和平

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 合肥, 230026)

HFC-125(五氟乙烷)有较好性能，可替代哈龙灭火剂应用于飞机灭火系统中。在飞机灭火系统的评估实验中，模拟地面或是飞行状态，灭火剂浓度测量设备都是必不可少的。基于非色散红外光谱技术(NDIR)，初步设计了HFC-125灭火剂浓度监测设备，该设备采用硅碳红外光源，入射光经过斩波器调制转变为交变光，通过单光路测量气室后，被碲镉汞红外探测器转化为电压信号并被前置放大电路放大。通过电压比与体积分数的对应关系，可以实现对HFC-125浓度的监测。

哈龙替代灭火剂；HFC-125；NDIR；郎伯-比尔定律；灭火剂浓度测量

0 引言

近年来，新型哈龙替代灭火剂的应用越来越广泛，HFC-125(五氟乙烷，化学式为CF3CHF2)因其热稳定性较好、不导电[1]，目前已应用于美国的部分军用飞机的发动机舱中[2]。准确测量灭火剂浓度对于审定、验证飞机灭火系统的可靠性必不可少。根据联邦航空局FAA相关咨询通告，飞机发动机舱和辅助动力舱的灭火区域内灭火剂halon1301浓度应能在0.5 s内保持不低于6%的最小体积分数[3]。在国内，根据CCAR25[4](即中国民用航空规章第25部)第25.1195 条规定，在飞行中临界的气流条件下，规定的每一指定火区内灭火剂的喷射，可提供能熄灭该火区内的着火并能使复燃的概率减至最小的灭火剂密集度。FAA对飞机货舱哈龙替代灭火系统进行了最低性能的研究实验[5]，哈龙替代灭火系统认证的4类火灾场景的验证实验中，需安装连续气体灭火剂分析仪测量灭火剂的浓度，分析仪的读数精度为±5%，采样率为5 Hz。

目前，灭火剂浓度的测量主要集中于压差法和红外吸收法两类。FAA目前认可两种基于压差法的飞机灭火剂浓度分析仪器：Statham GA-2A型和HTL H-1型[3]。美国国家标准与技术研究所(NIST)开发了可用于哈龙1301和HFC-125的红外差谱灭火剂浓度快速传感器[6]，并进行了技术改进[7,8]。

HFC-125是目前航空领域使用的气体类哈龙替代灭火剂之一[1]，而国内还未有成熟的HFC-125浓度测量设备，研发具有自主知识产权的灭火剂浓度测量设备将对我国航空防火事业的发展具有重要促进作用。本文基于非色散红外光谱技术[9]，硅碳红外光源发出的连续光谱，利用光源调制技术得到一定频率的交变入射红外光[10]，入射光通过测量气室后光强减弱，光信号经特定的窄带光片[10]后被碲镉汞红外探测器接受并转化为电压信号，根据电压比与浓度的关系，实现了对HFC-125浓度较为精确的监测。

1 红外吸收法测量R125气体浓度的原理

根据郎伯-比尔定律，光通过均匀非散射的吸光物质时，吸光度A与溶质浓度c、光程d成正比，其中吸光度是指入射光强度I0与透射光强度I的比值(即透光率的倒数)I0/I的以10为底的对数即lg(I0/I)。关系可以由下式来描述：

(1)

其中

A—— 吸光度；

Io—— 入射红外光强度；

I—— 透射红外光强度；

K(λ)—— 待测组分对波长为λ的红外光的吸

收系数；

c—— 待测组分的摩尔百分浓度(mol/L)；

d—— 光程，即红外光透过的待测组分长度。

对于一个特定的吸收气室，其光程d不变；对于特定波长的入射光和特定种类的待测气体，吸收系数K(λ)不变[9]。因此透射红外光的强度I仅仅是待测组分摩尔百分浓度c的单值函数，通过测定吸收前后的红外光强度，可以确定待测组分的浓度。

如图1，为HFC-125的红外吸收光谱。通过NWIR红外光谱数据库[11]可以查到五氟乙烷对波长在8.245 μm附近的中红外光的吸收线强度最大，因此在红外探测器前加了一个中心波长为8.250 μm窄带滤光片。图2为中国科学技术大学公共实验中心检测得到的该滤光片、HFC-125气体在1 atm、295 K条件下的傅里叶红外光谱图。可以看出，该滤波片的透射范围与HFC-125在8.245 μm处的吸收峰重合度很好，有利于较为精确地测量HFC-125的浓度。

图1 1,1,1,2,2-五氟乙烷的红外吸收光谱Fig.1 The infrared absorption spectrum of 1,1,1,2,2-pentafluoroethane

图2 滤波片、HFC-125气体在1 atm、295 K条件 下的傅里叶红外光谱图Fig.2 The FTIR spectrum of filter、HFC-125 at 1 atm and 295 K

2 灭火剂浓度监测设备的设计

所选用的红外光源应能产生覆盖HFC-125特征吸收峰的红外光，如图1所示，HFC-125的特征吸收谱线位于8.0 μm～8.56 μm内，目前常用的激光器及发光二极管无法满足这样的中红外波段，量子级联激光器虽然可以提供超宽的光谱范围，但是价格昂贵，工业应用较少。本文选用了美国热电尼高力傅立叶变换红外光谱仪所使用的碳化硅红外光源，波长范围可覆盖2.5 μm～25 μm。中红外光源发出的光由斩波器调制后得到频率为250 Hz的交变入射红外光；通过长度为d(25 mm)充满待测混合气体的测量光室(入射端、出射端使用氟化钡红外窗片)；经过窄带滤光片后被红外探测器接受并转化为电压信号；放大电路放大信号，并由数据采集与分析系统记录下电压输出值V。在较小的波段内，输出电压V与透射光强I近似成正比，可以建立起气体浓度c与电压比V/V0之间的联系[7]，最终输出与浓度有关的电压信号。图3为实验系统框图，图4为设备结构示意图。

图3 实验系统框图Fig.3 The experimental system diagram

图4 设备结构示意图Fig.4 The structure diagram of the equipment

3 实验与结果分析

实验前应用高纯氮气(99.999%)吹洗气体管路和光室，排除空气、水蒸气的干扰。在实验过程中不断地输入被测混合气(HFC-125与N2)，总流量控制在4000 sccm。共设置14组实验，通过MFC控制系统调节HFC-125的实际体积分数，分别为0%、1%、3%、5%、7%、9%、11%、13%、15%、17%、19%、21%、23%、25%。碲镉汞红外探测器采集光信号并转化为电压信号，将输出电压的峰峰值作为V，电压比V/V0与光强比I/I0呈正相关，由此建立起电压比与浓度的关系。由这14组实验的数据可以看出，电压比随着HFC-125浓度的增加而呈非线性降低，V/V0是HFC-125体积分数的一元函数。基于Johnsson的拟合模型[8]，电压比V/V0与体积分数VF的的关系如下：

(2)

其中，V为通入混合气体后的输出电压，V0为只通氮气时的电压值，VF为HFC-125的体积分数，a、b、c、d均为最佳拟合常数。拟合曲线及拟合公式如图5所示。表1为不同HFC-125体积分数下的实验结果，根据表一数据利用origin软件，可拟合得到标定方程：

(3)

该拟合方程的拟合优度为R2=0.997，衰减卡方值为c2=1.28913×10-5。根据上述描述，拟合误差较小，由标定方程(3)，可以得到HFC-125体积分数VF与输出电压比V/V0的关系为：

(4)

表1 不同HFC-125浓度条件下的实验结果

图5 在1 atm、298 K条件下电压比与HFC-125体积分数的拟合曲线Fig.5 The fitted curve of voltage ratio and volume fraction of HFC-125 at 1 atm and 295 K

在相同的实验条件下(1 atm，298 K)，又进行了12组测量实验，输入知浓度(2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%)的混合气体，将测量得到的电压比V/V0带入上文所得的标定方程(4)中可以得到HFC-125体积分数VR的测量结果。如表2所示，所输入的混合气体中HFC-125实际体积分数分别为2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%、22%、24%，比较测量结果与实际体积分数，在2%～6%范围内，绝对误差不高于±0.089%，在8%～16%范围内，绝对误差不高于±0.71%，在18%～24%范围内，绝对误差不高于±1.1%；相对误差不高于±5.10%。图6为实际浓度点和标定曲线。

图6 在1 atm、298 K条件下标定曲线与实际浓度点Fig.6 The calibration curve and real concentration points at 1 atm and 295 K

组号HFC⁃125实际浓度(%)电压比测量结果(%)绝对误差相对误差(%)120．62082．0840．0844．200240．49424．0460．0461．150360．43195．912-0．088-1．467480．39417．762-0．238-2．9755100．36999．510-0．490-4．9006120．351211．391-0．609-5．0757140．337213．294-0．706-5．0438160．322915．946-0．054-0．3389180．315117．858-0．142-0．78910200．309219．624-0．376-1．88011220．300822．8190．8193．72312240．296125．0981．0984．575

4 结论

理论分析与实验结果表明，本文中基于红外吸收法的灭火剂浓度检测设备可以较为准确地测量HFC-125气体浓度。该设备基于红外吸收原理，采用光源调制技术，使之与HFC-125的特征吸收带重叠，有利于提高测量准确度，所得的拟合曲线与测量点的重合度较高。在12组实际测量实验中，测量结果与实际浓度的相对误差不高于±5.10%。该设备具有较强的实际应用价值，在未来的研究中可以充分考虑到水蒸气、飞行中的低温环境、待测气体流速的影响，减小系统误差和环境的影响，进一步优化性能。

[1] 宣扬.银未宏.民用飞机哈龙替代灭火技术应用及发展趋势[J]. 科技信息, 2011, 22: 65-66.

[2] 李丽.飞机发动机舱灭火剂浓度测量[A],2008年航空试验测试技术峰会论文集[C].北京：测控技术杂志社，2008.

[3] AC NO.20-100,FAA Advisory Circular: general guidelines for measuring fire-extinguishing agent concentrations in powerplant compartments[S].1977.

[4] CCAR-25-R3, 运输类飞机适航标准[S].

[5] Reinhardt JW. Minimum performance standard for aircraft cargo compartment Halon replacement fire Suppression systems[M]. US Department of Transportation, Federal Aviation Administration, office of Aviation Research, 2003.

[6] Pitts WM, et al. Real-time suppressant concentration measurement[J]. Fire Suppression System Performance of Alternative Agents in Aircraft Engine and Dry Bay Laboratory Simulations, 1995, 2: 319-585.

[7] Johnsson L, et al. Description and usage of a fast-response fire suppressant concentration meter[R].National Institute ofStandards and Technology, 2004.

[8] Johnsson L, et al. Development of a fast-response fire suppressant concentration meter[R]. National Institute of Standards and Technology, 2004.

[9] 孙辉. 基于红外吸收法多组分气体分析仪的研制[D]. 哈尔滨工业大学, 2009.

[10] Hu Yang, et al. Improvable method for Halon 1301 concentration measurement based on infrared absorption[J]. Infrared Physics & Technology, 2015, 72: 122-126.

[11] 美国西北太平洋国家实验室红外光谱数据库[DB/OL].https://secure2.pnl.gov/nsd/nsd.nsf/Welcome.

Monitoring technology of concentration of halon substitute agent HFC-125 based on infrared absorption

YUAN Wei , LU Song, HU Yang, YANG Hui, ZHANG Heping

(State Key Labrotary of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

HFC-125 (pentafluoroethane) has good extinguishing performance, and can be used in the fire extinguishing system of aircrafts as a substitute of Halon extinguishing agent. Agent concentration measurement equipment is essential to both ground simulation and flight test of aircraft. Based on NDIR, in this paper we design an agent concentration monitoring equipment. This equipment uses the silicon carbide infrared light source. After modulated by chopper, the alternating incident light travels through the measuring chamber, and then is received by a HgCdTe infrared detector and converted to electrical signals. The voltage signals will be enlarged by preamplifier circuit. The agent concentration can then be monitored through the relationship between the concentration and the voltage ratio.

Halon substitute extinguishing agent; HFC-125; Non-dispersive infrared analysis; Beer-Lambert law; Agent concentration measurement

2016-01-04；修改日期：2016-07-07

袁伟(1992-)，女，汉，河北石家庄人，中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室在读博士研究生，主要研究方向为飞机防火。

陆松，E-mail:lusong@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00194-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.04

X928.7;X949；X915.5

A