有限空间核生化联合采样技术研究

项恩岩 王佳颖 邓 皓* 孙 兴

(1.北京航天益来电子科技有限公司，北京 100071；2.北京市气环境监测工程技术研究中心，北京 100071)

1 引 言

对人员相对集中的室内有限空间进行核生化监测[1]，如厂房、车间、机场、火车站、地铁站、指挥所等，由于这些场所相对密闭，室内面积大，人员密集，各种设施繁多，要实现监测面积大、无死角，采用大密度设置监测设备不现实。为了实现少量监测设备的广泛监测，特研制了联合采样技术[2,3]，可以实现多点取样，采样点设置可根据面积大小、内部布局、空间结构等合理配备。本研究针对生产厂房开展试点实验，通过在直通空间合理布局，将监测设备放置在厂房中间位置，采样点布置在设备两侧的立柱上。经过对模拟物质的采样、传输，得出相应监测设备的报警状态和报警响应时间，响应时间包括管路传输时间和设备固有响应时间，统称为响应时间。本研究将对这些方法和结果进行分析和讨论，试验结果将为室内有限空间进行核生化监测提供技术依据。

2 联合采样技术设计

2.1 一体化机柜设计

为了满足核生化监测设备集中放置、统一控制的需要，将抽取装置和核生化监测设备集中装配在一台机柜里，机柜通过管路与不同采样口连接，将远端被测试样传输到监测设备。机柜分为上下两层，上层为抽取装置和内部管线，下层为3台核生化监测设备，监测设备取样口与机柜内部管线连接。机柜还配备PLC模块和平板电脑，PLC控制气路切换和采集模式，平板电脑显示报警信息。为了快速低损耗抽取远端试样，对有毒气体和核、生气溶胶分别采样。

核、生监测设备用气量较大(≥50L/min)，选用无油旋片式真空泵，其特点是真空度高，流量大，流量大于100 L/min。根据现场实际情况和核、生气溶胶特点，设计1个真空泵，入口采用3个电磁阀来控制采样口切换，可以监测3个位置。管路采用低吸附的不锈钢管，后端设计有流量监测传感器，监控流量。核、生监测气路流程见图1。

图1 核、生监测气路流程图

通过PLC编程可以控制各采样泵的起停和气路的切换，可实现手动采样、定点采样、循环采样等多种模式，手动采样一般为设备调试和人员值守时使用，定点采样可根据局部人员密集程度以及气流流动情况适时采用，循环模式一般为无人员值守或者24小时不间断监测时使用。平板电脑可以直观显示每个部件的工作状态和各监测设备的报警信息。

有毒有害气体的化学监测设备所需进气量不大(≤5L/min)，选用KNF公司的隔膜泵，具有可靠、不怕堵塞、体积小、噪声低，不吸附等特点，流量大于9 L/min。根据现场实际情况和化学有毒气体的特点，设计了5个隔膜泵，配套5～10个采样口，可以5路同时采集，每个隔膜泵出口接两位三通电磁阀，用于控制气体流经方向，当一路电磁阀状态为向设备送气时，其它路电磁阀为向排气管送气模式，可实现一路样气送给监测设备，其它路排空。如此设计可以缩短响应时间，快速报警。在流量计之前设置集气罐，用来收集样气和稳定流量，集气罐出口设有流量监测传感器，用于流量监控。各个部件均用聚四氟乙烯管连接。化学监测气路流程见图2所示。

图2 化学监测气路流程图

2.2 现场布置

根据试验地点的实际情况将机柜摆放在一般厂房靠近中央的立柱旁边，机柜左右各有5根立柱，在第2、4、6、8、10号立柱设置化学采样口，在第2、6、10设置气溶胶采样口。采样口根据不同监测物质的特点，分别采用大口径设计和小口径设计，如图3和图4所示。

图3 大口径采样口

图4 小口径采样口

传输管线采用上方线槽走线方式，一端连接采样口，一端连接机柜。有毒气体传输管线采用聚四氟乙烯管，气溶胶传输管线采用不锈钢管。采样口布局图见图5。

图5 采样口布局图

3 联合采样技术试验

3.1 试验方法

3.1.1气溶胶试验方法

在调试核、生监测设备和机柜采样都工作正常后进行试验。手动控制采样气路为第一路，在第2气溶胶采样口释放核黄素，释放时间10秒，释放开始计时，到生物设备报警终止，记录响应时间。设备报警后要进行洁净空气吹扫，待设备归零后再更换第二路采样气路，并在第6采样口释放核黄素，依次类推，做完3路采样实验，整理数据。切换至自动循环采样，此时电磁阀由PLC自动控制，每间隔5分钟切换一路，在随机一处采样口释放核黄素，释放时间30秒，记录各实验数据。由于核气溶胶没有相应替代物质，故不做此类实验，但可以监测背景氡气数值以作参考。

3.1.2模拟毒剂试验方法

在调试化学监测设备和机柜采样都工作正常后进行试验。手动控制采样气路为第一路，在第2毒气采样口分别释放H型和G型模拟剂，释放时间10秒，释放开始计时，到化学设备报警终止，记录响应时间，每种实验做3次。设备报警后要用洁净空气吹扫，待设备归零后再更换第2路采样气路，并在第4采样口释放模拟剂，依次类推，做完5路采样实验，整理数据。切换至自动循环采样，此时电磁阀由PLC自动控制，每间隔5分钟切换一路，在随机一处采样口释放模拟剂，释放时间1分钟，记录各实验数据。

3.2 核生化监测试验结果

核监测试验结果见表1；生物监测试验结果见表2；化学监测试验结果见表3。

表1 核监测试验结果

表2 生物监测试验结果

表3 化学监测试验结果

续表3

3.3 试验结果与数据分析

核监测试验结果见表1，即不同距离核设备报警的响应时间和报警状态，50米以内的距离，设备能准确测得背景氡气溶胶的报警状态，不同距离，不同采样口测得的数值具有良好的一致性，增加采样口可以扩大监测面积。

生物监测试验结果见表2，即不同距离生物设备报警的响应时间和报警状态，在50米距离内，各个采集点采集核黄素模拟剂都可以使设备报警，同样也可增加采样口，增加真空泵来扩大监测面积。采用特制不锈钢管和后端抽取技术，使气溶胶的流失率在可控范围内，能满足低流失的传输要求。

化学监测试验结果见表3，即不同距离化学设备报警的响应时间和报警状态，在50米距离内，各个采集点采集H和G型模拟剂都可以使设备报警，只是响应时间稍有区别，采用自动循环采样，也能保证设备准确监测到有毒气体，整个监测面积大约8000m2。如果需要增大监测面积和提高准确性，可以增加采样口数量(一个采样泵配2-3个采样口)，减小循环时间，理论上采样口数量不设上限，从而保证广泛空间实时准确监测到有毒气体。采用的管线和隔膜泵能保证气体有效快速传输，流失率极低。

4 结 论

通过在室内有限空间开展核生化联合采样试验，证明采用联合采样技术在有限空间进行核生化监测，可以减少仪器设备的投入，减少场地占用面积和降低维护成本。气溶胶远距离采样也得到充分验证，采样不锈钢管加大弯头设计可以减少气溶胶流失，充分保证监测设备报警的准确性。核生化联合采样技术的验证，国内尚属首次。室内人员健康防护以及防恐前提下的此类实验，国外也是不多见的。此项试验证明了联合采样技术的可行性和可推广性。