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外模块本设计为提高人机交互性能,采用以芯片HT6221为基础设计的遥控发射电路,发射38KHZ脉冲,由HS0038B接收,HS0038B内部已经集成了光电转换、放大装置和解调电路,主控芯片MCU通过软件解码即可,达到遥控设置参数、控制显示等功能.
3.试验数据分析
救生舱内生保系统要确保舱内避险人员的健康生存,必须控制舱内生存环境的参数在允许范围之内,实时监控参数的变化趋势,本文拟根据各参数数据变化趋势,建立起数学模型,根据紧急程度分级报警,并智能预判生存环境状态变化原因.
在关闭生存舱门情况下,且密闭性良好的情况下,模拟CO2泄露事故,分为CO2低漏气情况（0.1L/min-0.5L/min）和CO2高漏气情况（0.5L/min-10L/min）两种试验.通过监测软件观察生存舱内CO2的变化情况,如图所示
通过分析数据、观察曲线图,在13：30-13：38分通入CO2流量控制在0.5L/min.试验数据表明,在此低漏气条件下,几乎对整个生存环境CO2浓度值无影响,CO2浓度变化值每分钟最大不超过0.02%.随后加大CO2通入流量,控制在8L/min.试验数据表明,在此高漏气条件下,CO2浓度值变化明显,CO2参数值最大变化速率能达到每分钟0.24%.由于生存舱空间较大,舱内密闭条件下空气流通缓慢,会导致不同区域的环境参数略有差异,试验过程中在生存舱空间两头均布置一台环境监测器,同时监测并返回数据.如图所示为两台监测器测的CO2泄露试验的曲线图.
a曲线为靠近CO2输入端口监测器所测的数据曲线,上图可以明显看出远离CO2输入端口的监测器所测数据受CO2泄露影响较小,且变化速率较慢.a与b最大差值能达到0.2%,b的最大变化速率为0.1%/min.在CO2浓度变化时,因结合两台监测器数据分析变换原因.
3.2真人生存试验
为贴近矿难发生时的真实避险情况,摸索避险空间内环境参数的变化规律,救生舱进行106小时的载人试验,12名试验人员在救生舱内进行生存试验.多参数环境监测器全程监测生存舱内各环境参数,为建立智能预警机制获得了宝贵试验数据.下面分别为某一时间段的某参数的变化曲线图.
当救生舱内生存空间稳定以后,舱内CO2浓度应呈波浪状,舱内CO2主要来源于人呼出的CO2和空调排出的冷气CO2,又由空调将生存空间内的气体从空调上方吸入,使其中的CO2成分被吸附剂去除掉.当吸附速率小与CO2产生速率后,CO2浓度即会稳步上升,波谷为吸附速率和CO2产生速率的平衡点,当空调风量正常,CO2吸附速率低于CO2产生速率时,CO2浓度会以每分钟0.01%～0.02%的增量稳步上升.
生存空间内,生保系统必须保证氧气的浓度在18.5%～23.0%,以保持人正常的生存条件.由于人在非睡眠状态,说话、打牌、吃饭等活动状态消耗氧气多,应调节氧气流量控制器控制流量为5L/min；人在睡眠状态下,呼入得氧气较少,控制氧流量在4L/min.按照科学的流量控制方法,氧气的浓度变化是相当小的,始终在安全范围之内,试验数据也显示氧气浓度确实是较稳定的.但下图中在9：00-10：00间,氧气浓度出现一次波动,结合其它参数,软件生成同时段差压和氧气浓度变化曲线图.
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若发生供氧管路发生泄露,O2浓度则会以一定速率迅速上升,且不会有下降趋势,从图a可看出O2浓度经过一个小波动后又趋于稳定,结合图b可知,在O2浓度上升同时舱内差压也在同步上升,很显然舱内的自动泄压阀门没有自动泄压,经舱内试验人员证实确实是由于自动泄压阀阀门卡住,最后经手动开启阀门后O2浓度和舱内正压数值同时下降最终趋于稳定.试验中发现,在外部环境没有CO、CH4气体存在的情况下,多参数监测器依然监测到CO、CH4气体数据,结合传感器技术相关知识,分析得出人体长时间在密闭空间中生活,产生的各种人体气味会所产生多参数监测器误判断数据,而实际并没有这两种气体的存在.为避免在真实的井下环境中造成人员恐慌,可采取红外原理敏感元件对这两项参数进行监测.
智能预警机制的研究通过对多次试验获得数据进行分析,逐渐摸索出一套根据舱内环境参数的变化趋势,能智能预判出变化因子的方法,并依据变化因子的危险等级分级报警,形成一项科学、准确的预警机制.
CO2作为制冷剂的同时,也带来一定危险因素,一旦发生CO2泄露事故将会极大威胁避险人员的生命健康安全,通过上述数据分析,可将CO2这一气体报警分为绿、黄、红三种级别报警状态,绿色指示灯为正常状态；黄色指示灯为较危险状态；红色指示灯为危险状态.
当CO2浓度低于报警限值,且CO2浓度呈稳定或者下降趋势,可判断出舱内生保系统工作正常,CO2吸附速率大于产生速率,若CO2浓度呈稳步上升趋势,但上升速度低于0.02%/min,此时生保系统CO2吸附速率低于产生速率,可通过更换吸附剂控制CO2浓度上升速度,为节省吸附剂可在CO2浓度接近报警限值时更换药剂.上述情况生存环境为健康环境状态,CO2报警指示灯指示为绿色.
当CO2浓度高于报警限值,CO2浓度呈稳步上升趋势,且上升速度不超过0.03%/min,预判为生保系统CO2吸附速率低于产生速率,需更换CO2吸附剂.CO2报警指示灯指示为黄色.出现黄色预警后,对比两台监测器数据,若CO2数据示数相差大于0.05%,可判断为舱内环境空气流通能力不足,可调节空调流量阀,加快空气流通.
当CO2浓度若呈明显上升趋势,上升速度高于0.03%/min,且上升速度继续增大,此时生保系统出现故障,预判为CO2高漏气情况,CO2报警指示灯为红色,为防止情况继续恶化对人体健康造成危害,舱内人员应戴上自救器进行故障排查,故障消除CO2浓度恢复正常后,才可摘下自救器.若CO2浓度一直上升且无法控制,应及时考虑人员撤离.
真人试验的数据表明,只需氧气流量调节装置控制合理,舱内环境中O2浓度是比较稳定的,变化缓慢且没有超限趋势.则主要危险因素来源于高压氧气瓶及供氧管路的泄露,可导致氧气浓度过高,引起避险人员的氧中毒,且易产生火灾或爆炸危险.
当O2浓度在18.5%～23%内时,此种情况O2报警指示灯指示为绿色.
当O2浓度高于报警上限,若此时O2上升缓慢,低于0.02%/min上升速率,且发生在舱内人员睡眠时候,可预判为O2消耗量减少导致,通过调节O2流量控制装置,以0.35L/min.人计算大概为4L/min即可.此种情况O2报警指示灯指示为黄色.
当O2浓度低于报警下限,可预判为氧气流量不足,增大氧气供应流量即可.此种情况O2报警指示灯指示为黄色.
当O2浓度呈上升趋势,上升速度达到每分钟0.02%,可以判断舱内生保系统发生故障,结合负压参数变化情况,若负压同步明显上升,则可预判为排气阀关闭或者自动泄压装置故障.若负压参数正常波动,则可预判为氧气泄露,舱内人员应尽快检查供氧管路,排出故障.上述情况O2报警指示灯指示为红色.
为测试研究结果,在模拟密闭救生舱中进行了12小时的真人模拟试验,利用环境监测器全程监测硐室生存空间环境,过程中氧气浓度始终在安全范围内,而CO2出现一次黄色警报,结合两台监测器数据对比,显示差值为0.02%,智能预判为CO2吸附剂已全部失效,更换吸附剂后警报解除.
4.结语
本章主要介绍了用于紧急避险设施内的多参数环境监测器的系统组成,并利用所研制的多参数环境监测器监测紧急避险设施生存空间内的环境参数.通过做大量的试验,然后对试验数据进行分析,研究出一套可智能判断出CO2、O2浓度变化的原因,并根据原因做出不同危险等级报警的报警机制,最终在12小时的真人模拟试验中得以运用,测试证明这种智能预警是可行的,具有一定的准确性、适用性.舱内人员可依据警报结合两台监测器显示数据,采取及时、准确的应对措施,确保了舱内生保系统的正常稳定运行,保障舱内避险人员的生命健康安全.同时也为紧急避险设施内的生命保障系统的智能化、自动化研究奠定了基础.
参考文献
[1]张鹏,胡桃英,胡敏.矿
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