化学试验室有毒有害气体泄漏监测方法研究

翟 宇，马 宁

（北京师范大学 试验室安全与设备管理处，北京 100875）

化学试验室是导出化学科研成果的主要场所，但大部分化学试验涉及危险物质与有害物质的处理。例如，在进行化工类试验时，石油与燃料等试验材料中便含有大量的有毒有害物质，部分试验材料的结构不稳定，还会使试验过程存在易燃与易爆的危险[1]。倘若试验室中的化工类材料在运输过程中没有进行有效的密封，或在试验操作过程中，没有按照标准化的操作流程进行材料处理，便会使这些有毒气体发生泄漏，而气体本身具有扩散性特点。在外部风力作用下，气体会在室内环境或室外环境中发生扩散。当扩散到地层表面时，会对土层中的植被与林木生长造成威胁；当扩散到大气环境时，容易被人体吸入，从而对人类身体健康造成威胁。目前，已经有较多的化学试验室由于操作不当，出现有毒有害气体泄漏事件，一旦此种安全事故发生，不仅会对试验室内其他材料的结构稳定性造成影响，也会对化工试验造成较大的经济与财务方面损失。而发生此种问题的主要原因大多是化学试验中，技术人员没有及时做好气体泄漏监测所导致[2]。尽管技术人员无法做到对泄漏事故的完全避免，但可以在发生气体泄漏的初期监测到此种现象，并及时采取有效的措施对泄漏的气体进行控制，通过此种方式，将气体泄漏事故造成的损失降至最低。

1 化学试验室有毒有害气体泄漏监测方法设计

1.1 基于无线传输技术的气体泄漏信号获取与气体源头确定

为了确保试验室在执行某项试验过程中，传感器端可以实现对有毒有害气体泄漏的有效监测，在设计此方法时，引进无线传输技术，进行气体泄漏信号的获取。此项技术在应用中，可将前端传感器获取的现场气体浓度信号转换为电信号，对应的信号通过传感器内部单片机结构进行模数转换，将数值进行量化与编码后，便可以使电信号转换为数字信号[3]。信号在网络的支撑下，发送给前端接收端进行处理即可。

无线传输技术在获取信号时的频率不同，为了实现多个作业模块之间的良好通信，可在信号获取的过程分为三个环节。在第一个环节，由中央处理器作为信号获取的支撑，此时，传感器需要通过与串口进行通信的方式，获取有毒有害气体泄漏信号，信号在经过短途无线模块处理后，发送给计算机终端。在第二个环节，需要利用计算中的信号调度工具，进行信号类型的识别，识别后根据短途与长途设计需求，选择信号继续传输方式[4]。在完成对信号获取传输方式的选择后，进入第三个环节，在此环节，处理器与RS2323C接口对接，进行信号的持续传输，传输的方式为自上向下传输。当终端接收到对应的有毒有害气体泄漏信号后，将启动信号录入模块，开始执行信号的收取，实现对信号的实时获取。

完成对气体泄漏信号的获取后，考虑到有毒有害气体在发生泄漏后具有较强的扩散能力，技术人员很难通过感官进行气体源头的确定。因此，需要在此过程中，使用辅助性的设备，根据技术人员的工作经验，进行气体来源的判断。通常情况下，化学试验室有毒有害气体在挥发时会伴随着较浓和刺鼻的气味，例如，试验室常见的H2S、煤油、汽油、NH3-N等。当前端准确捕获到室内气体泄漏信号后，需要立刻使用辅助设备，到事故现场进行泄漏气体类别的确定，并在明确气体类型后，根据此类废气在试验室内的储存位置，圈定气体泄漏的核心范围，根据试验室管网图像，进行不同区域气体样本的获取，在安全位置进行气体浓度与气体浓度与气体中危险物质含量的进一步确认，在此过程中，可以使用气相色谱进行气体的对比试验，完成此方面的研究后。圈定气体浓度最高的区域，将其作为泄漏气体的源头。

1.2 设定化学试验室有毒有害气体爆炸界限

在完成对有毒有害气体泄漏信号的实时获取后，信号将被传输到体检测试仪进行定量分析。此装置可以在1.0min内，同时实现对气体中多种物质含量的检测。在此过程中，考虑到有毒有害气体一旦在试验室中存在浓度超标的问题，便会发生爆炸危险，因此，需要在分析过程中，设定化学试验室内不同类型有毒有害气体发生泄漏时的爆炸界限。即气体浓度超出预设的界限后，证明此时试验室内部环境存在危险[5]。为了满足与此相关的设计需求，以化工试验中常见的有毒有害气体为例，对其进行爆炸界限的设定（相关数据由国家发布的《化工常见可燃气体使用标准》文件获取）。以试验室中常见的有毒有害气体为例，苯类气体具有较强的挥发性，化学式为C6H6，爆炸的上限值为7.0%，爆炸的下限值为1.4%；氨气的气体化学式为NH3，爆炸的上限值为28.0%，爆炸的下限值为15.0%；石油气的爆炸上限值为12.5%，爆炸的下限值为2.0%。按照上述方式，进行煤油挥发气体、汽油挥发气体、乙炔气体、乙烷气体、乙醇气体、丁烷气体、甲烷气体等试验室常见气体发生泄漏事故时，爆炸的上限值与下限值，完成对数值的整理后，将对应的内容录入试验室终端传感器中，完成化工试验中常见有毒有害气体爆炸界限的设定。

1.3 有毒有害气体泄漏量实时预警

在完成相关设计后，开启传感器运行开关，进行化工试验区有毒有害气体泄漏的实时监测。一旦检测出现室内对应气体浓度含量＞上限值，或＜下限值，传感器将产生报警信号，信号通过变送器传输到模数转换器。信号在传输过程中经过模数转换后，对应的模拟信号将以数字信号的方式呈现，数字信号与阈值进行比对，当满足预警条件后，试验室内报警灯闪烁并产生对应的报警信息。在此基础上，终端的MySQL+PHP平台将根据数据源，进行前端传感器与终端显示界面的交互，当信息交互行为发生时，后台将启动监控端的实时刷新技术，试验室内有毒有害气体浓度信息将以1.0次/s的速度更新，更新后的数据将在数据终端进行点状呈现。当技术人员达到监控现场后，可操作显示界面中的“一键生成”功能，进行气体浓度变化趋势的分析，以此种方式，即可获取一个针对试验室内泄漏气体浓度变化的曲线图，曲线图将清晰的呈现泄漏气体变化，从而确保监控具有一定实时性与直观性。

与此同时，底层传输模块将通过RS2323C接口进行报警信息的获取，并启动实时监测功能，对现场有毒有害气体浓度信息进行实时获取[6]。技术人员会在识别到气体浓度超标或预警后，到现场进行泄漏点的排查与事故现场安全处理，完成处理后，试验室内气体浓度将呈现一种下降趋势，此时监控端仍以1.0次/s的速度对气体浓度信息进行更新，直到现场气体浓度回归到安全阈值范围内，终端在此时将自动清除预警信息，并启动下一次监测。通过此种方式，实现对化工试验区域有毒有害气体的在线监测，从而完成对监测方法的理论设计。

2 实例应用分析

上文完成了基于理论层面的气体泄漏监测方法设计研究，考虑到相关方法的投入使用关系到试验室工作人员与工作环境的安全，因此，需要将此方法投入使用前，进行实践检测。只有通过多次实践检验后证明了本文设计的方法具有正式投入使用的能力，可对试验室内有毒有害气体起到实时监测作用，才能将其真正应用到试验室。

为了满足此次试验的需求，此次实例应用分析选择某化工试验室作为试验的试点场所。现已知，选定的化工试验室是为某工业园区内企业流水线生产提供材料的主要场所。试验室中现存大量的仪器设备与试验材料，试验区被划分为材料研究室、化学试验室、辅助研究与分析试验室等多个区域。其中化学试验室是进行化工试验分析的主要场所，在此区域内，技术人员可以在试验台上使用专业的仪器设备，进行不同类型化工材料的生产与试验研究。为了确保技术人员在试验实施过程中，其个人安全得到保障，通常需要专业人员做好防护或安全措施后进入试验室。

试验过程中，将本文设计的监测方法集成在试验室终端设备上，对接室内传感器，确保多端保持良好通信状态后，开启终端设备电源开关，观察传感器指示灯是否亮起。当指示灯闪烁数次并持续亮起后，对监控界面进行调试，调试过程中，保持试验室内无人。并进行操作界面的检测，以生成完整的监测界面示意图作为调试的关键。在此过程中，技术人员通过操作鼠标，进入试验室内部环境管理终端，点击初始化监测界面的功能键，进入实时监测界面。

如图1所示，在试验室无人的条件下，室内环境中的NO、CO2、粉尘等物质的含量均为0。对应的空白界面为NO物质浓度监测界面。在完成对操作界面的初始化处理后，以试验室内某次化工试验的实施过程为例，对此过程进行NO气体泄漏的在线监测。此次试验持续5.0h，为了更好地感知NO气体是否在发生泄漏后出现扩散现象，试验中监测的过程持续9.0h。按照上述操作步骤，进行试验室内部环境中NO气体泄漏的监测，监测结果由前端传感器感应，在完成监测后，对应的监测结果数据将以折线图的方式呈现在界面中，从而辅助现场试验技术人员更加直接地对室内环境中有毒有害气体泄漏进行处理。试验完成后，生成监测结果界面。

图1 有毒有害气体泄漏监测结果界面

上图为有毒有害气体泄漏监测结果界面，此次试验以监测室内环境中NO气体浓度为例，对应的横线表示为安全阈值，当气体浓度超过安全阈值时，对应的终端发生预警。在试验实施持续1.0h后，NO气体发生泄漏，其浓度濒临阈值。当试验室内技术人员发现此种异常现象后，采取了一定的控制措施，在此后的一段时间内，NO气体浓度持续下降。

3 结束语

从基于无线传输技术的气体泄漏信号获取、设定化学试验室有毒有害气体爆炸界限、有毒有害气体泄漏量实时预警三个方面，开展了化学试验室有毒有害气体泄漏监测方法的设计。在完成设计后，考虑到方法的有效性可直接关系到试验室内技术人员的人身安全，因此，选择某化工试验室作为试验的试点场所，对设计的方法进行实例检验，经过实践后得出最终结论：本文设计的监测方法，在实际应用中，可以实现对室内环境中有毒有害气体浓度进行持续监测，以此种方式，可以达到对泄漏事故事前控制的目的。但此次试验受到多种因素的限制，仅进行了NO一种气体泄漏的监测，并未在试验内进行粉尘或其他有毒有害物质的监测分析。因此，还需要在后续的试验中，设定多个监测指标，通过对其他指标的监测，验证本文方法的可行性，通过此种方式，为试验室的安全运营与管理提供可靠的数据作为支撑，保证我国化工试验研究的有序开展。