一种有毒有害气体在线监测仪气道结构的研究

樊海春，钟 琪，李铭煊，刘金星

(1.天津同阳科技发展有限公司，天津 300384；2.中国环境监测总站，北京 100000)

1 引言

从基本概念来讲，有害气体就是可能对生命和财产造成危害的气体。大致可划分为有毒气体[1]和有害气体[2]。有毒气体是指气体通过呼吸道吸入或者与皮肤、眼睛等接触，并且作用于人体，引起人体机能发生暂时或永久性病变的无机和有机类气体。有害气体是指无毒气体，可能由于存在量过大而引起氧气[3]不足，造成人员窒息等伤害的气体。

随着全球工业化和新技术、新应用的发展，有毒有害气体已经越来越多地存在于各类工业行业和生活环境中。因此，在各种工作，生活环境中准确地监测[4]和检测[5]各类有毒有害气体的存在和浓度[6]，是我们必须面对的问题。

有毒有害气体监测报警仪能够对有害气体进行有效监测[7]，并在检测[8]到气体浓度达到预警及警报设置的报警值[9]时，发出声光报警信号，以提醒采取相应的安全措施。因此，在气体检测[10]时，如何实现多路传感器[11]实时监测、提高气体的均匀性和降低气体的损耗，对于提高检测时准确性实时性[12]显得尤为重要。然而常规的扩散式有毒有害气体监测仪依靠空气自然流动对空气中的有毒有害气体进行检测，易受到空气流动制约，响应时间较长，很难实现准确实时的气体检测[13]。且常规检测方式不能在进出气口处对气体进行过滤匀化气体流速，进而造成检测气体[14]波动，造成检测精度下降。

为解决以上问题，本文提出一种基于扩散式的有毒有害气体[15]监测报警仪的气道结构。

2 理论基础

一种基于扩散式有毒有害气体监测报警仪的气道结构，包括气道载体，气道载体内设有多条沿同一平面方向依次间隔、平行排列的气道腔，每条气道腔包括一主体腔，主体腔呈扁平长方体，分别定义两个面积最大的腔壁面为前腔壁面、后腔壁面，主体腔顶壁面和两侧侧壁面封闭，底壁面长度方向中心处设有多条排成一列的与外界联连通的细长进气孔。

较佳的，每条细长进气孔的截面尺寸为2 mm×1 mm；较佳的，每条细长进气孔的长度方向孔中心线与底壁面长度方向中心线相垂直；另，较佳的，细长进气孔阵列覆盖底壁面的整条长度方向中心线，即细长进气孔阵列自右侧侧壁面与底壁面相交处起始，沿底壁面长度方向中心线一致延伸至左侧侧壁面与底壁面相交处；上述设计可使得气体由细长进气孔进入主体腔内时分布均匀，避免扰流的产生，确保气体在主体腔内的流动稳定、自然。

每条气道腔自后腔壁面的顶部朝外延伸出一排气通道，排气通道截面积大于细长条进气孔的孔口截面积总和；气道腔内的气体由排气通道排出至外界，且因排气通道截面积大于细长条进气孔的孔口截面积总和，从而使得气道腔内产生微负压，加快气流流动，提高响应速度。优选的，排气通道还设置有排气扇，益于更大程度加快气流流动。

每条气道腔的前腔壁面由上至下依次间隔设有若干个朝外凸出的监测容纳腔，每个监测容纳腔内各容纳有气体监测单元，用于同时分别监测进入气道腔内的多种有毒有害气体。

气道腔的各腔壁壁面涂有四氟乙烯聚合物涂层，不会对有毒有害气体进行吸附和反应，且益于提高气体监测的精准性。

每条气道腔的后腔壁面上还设有多条相互平行间隔排列的导流槽；较佳的，每条导流槽由下方后腔壁面与底壁面相交处起始，一直延伸至排气通道。

本文提出的气道结构在进行有毒有害气体监测时，能够有效增强气流流动，增大气体循环空间，并且加快响应速度，降低待测气体的涌动以匀化气体，实现准确实时的气体监测。且在气道表面采用特殊材料，不会对有毒有害气体进行吸附和反应，也提高气体监测的精准性。

3 实验系统

承载本文的气道结构的气道载体可以由3D打印技术制成一体成型的产品，也可以以多种由多个部件组装而成的结构方案来实现，下面结合图1～图5加以详细说明。

1.后基体；2.前基体；3.盖板

1.后基体；2.前基体；3.盖板；4.进气孔板；5.排气扇；6.密封线圈；7.密封胶环垫；10.前表面；11.气道槽；12.排气通道；13.开口；20.前表面；21.后表面的监测通孔；41.细长进气孔；111.导流槽；210.密封胶圈槽

1.后基体；2.前基体；5.排气扇

1.后基体；10.前表面；11.气道槽；12.排气通道；111.导流槽

4.进气孔板；41.细长进气孔

如图1所示，气道载体包括贴抵对接且通过螺栓固定为一体的前基体2和后基体1，以及图2中的进气孔板4。

如图2或图4所示，后基体1的前表面10开设有多条气道槽11，前基体2的后表面贴抵后基体1的前表面，气道槽11的槽底、两侧槽壁与前基体2的后表面对应处共同构成气道腔的周侧面，即气道槽11的槽底充当前腔壁面，前基体2的后表面对应处充当后腔壁面；气道槽11的上端形成有封闭的顶壁，且顶壁与后基体1的顶端面存有间隙，气道槽11的下端贯穿前基体2的底面从而形成开口13，进气孔板4与前基体2和后基体1的底面密封贴抵固接，由进气孔板4将开口13封堵，即由进气孔板4上表面对应开口13处的部分构成气道腔的底壁面；密封胶环垫7用于确保进气孔板4与前基体2和后基体1的底面的贴抵密封效果。

如图2或图4所示，排气通道12开设于后基体1上，导流槽111开设于气道槽11的槽底。排气扇5安装于对应的排气通道12且通过螺栓与后基体1固接，具体见图3。

从图3中还可以看出，前基体2开设有多个贯穿前表面20和后表面的监测通孔21，每个监测通孔21的前端孔口分别由一盖板3密封封闭，密封胶圈6用于压夹于密封胶圈槽210中来确保密封；监测通孔21的孔壁和盖板3对应表面共同构成监测容纳腔的腔壁；气体监测单元容纳于监测通孔21中并固接于盖板3。

如图5所示，细长进气孔41开设于进气孔板4上。

4 实验结果

气道结构改进后，根据中国环境监测总站起草的《大气有机物在线监测系统技术要求及监测方法》，对有毒有害气体监测仪整体性能进行了测试，达到预期目标，测试结果如表1～9。

表1 TVOC测试结果

表2 硫化氢测试结果

表3 甲硫醇测试结果

表4 甲硫醚测试结果

表5 二甲二硫醚测试结果

表6 二硫化碳测试结果

表7 苯乙烯测试结果

表8 氨气测试结果

表9 三甲胺测试结果

5 结论

本文提供了一种基于扩散式有毒有害气体监测报警仪的气道结构，包括气道载体，气道载体内设有多条气道腔，每条气道腔的主体腔呈扁平长方体，主体腔顶壁面和两侧侧壁面封闭，底壁面长度方向中心处设有多条细长进气孔；每条气道腔自后腔壁面的顶部朝外延伸出一排气通道，排气通道截面积大于细长条进气孔的孔口截面积总和；每条气道腔的前腔壁面由上至下依次间隔设有若干个朝外凸出的监测容纳腔，每个监测容纳腔内各容纳有气体监测单元；每条气道腔的后腔壁面上还设有多条相互平行间隔排列的导流槽。本论文的气道结构在进行有毒有害气体监测时，能有效增强气流流动，增大气体循环空间，加快响应速度，提高气体监测的精准性。