蒋国立,纪立红,冀文龙

摘 要:各种密闭舱室在移动时内部会产生大量对人体有害的气体,使用气体传感器采集模块,采用无线遥测技术,实时采集和记录车辆在静止和行进过程中舱室内的有害气体、温湿度等状态参数和环境参数,在远处的监测站接收并处理数据,实现基于遥测的移动舱室内气体检测。通过实车搭载试验证明,该方法切实可行。该测试方法可以对各种坦克及装甲车辆的人-机-环研制与改进提供有力的数据支撑。

关键词:遥测;气体检测;移动舱室;气体传感器

中图分类号:TP29文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2009)19-136-03

Gas Detecting Method of Mobile Cabin Based on Telemetry

JIANG Guoli,JI Lihong,JI Wenlong

(Xi′an Institute of Electro-mechanical Information,Xi′an,710065,China)

Abstract:When the closed cabin is moving,large number of harmful gas would be produced inside,using gas sensor acquisition module,the wireless telemetry technique is adopted to collect and record harmful gas,environment parameter and state parameter of temperature and humidity in cabin when the vehicles are static or moving.Receiving and processing data in the monitoring station,the detection of gas in mobile cabin based on telemetry is realized.The feasible method is verified by real vehicles carrying.

Keywords:telemetry;gas detection;mobile cabin;gas sensor

在各种密闭的移动舱室环境中,存在大量气体状态污染物,这些气体污染物以分子状态存在,大部分为无机气体,例如CO,NO2,H2S,LEL,VOC等[1]。采用无线遥测技术实时采集和记录车辆在静止和行进过程中舱室内的有害气体、温湿度等状态参数和环境参数,以便分析有害气体对舱室人员身心健康的影响。系统可实时监测静止及移动中密闭舱室环境中的多项指标,测试数据可全部存储,同时能通过无线方式实时传送到数公里外监控车上的监测中心。

1 移动舱室内的气体环境

据不完全统计,坦克和装甲车辆在行进和实战过程中,车内会产生大量的有害气体,例如CO,NO2,H2S,SO2,CO2,LEL,VOC,NH3,HCN,苯、甲醛和粉尘污染,这些有害气体和粉尘会对驾驶员、炮手及乘员的身心健康造成很大危害,车辆密闭环境中温湿度对人体也有一定的影响。在坦克和装甲车辆研制过程中,及时准确地掌握移动舱室中各项环境参数,对车辆的改进设计提供有力的数据支撑。近来广泛采用遥测遥控技术,并逐步实现监测技术的智能化[2]。舱内气体类参数表见表1。

表1 气体类参数表

测试项目测试范围分辨率

CO0～1 500 ppm1 ppm

H2S0～100 ppm1 ppm

O20～30%0.1%

SO20～20 ppm0.1 ppm

LEL0～100%1%

VOC0～999 ppm0.01 ppm

NH30～50 ppm1 ppm

NO20～30 ppm0.1 ppm

CO20～20 000 ppm10 ppm

苯0～200 ppm0.1 ppm

2 测试方法

监测系统事先把有害气体监测仪安装在舱室内的固定位置上,在监测过程中监测仪将采集到的信号一方面进行本地存贮,另一方面通过RS 485接口协议送入遥测发射装置,遥测发射装置将接收到的数据流进行编码,形成标准的PCM数据流送入发射机。发射机变成无线电波向空间发射出去,遥测地面监测中心把这些信号接收下来进行处理并绘成曲线,这样就可直观地实时监测到舱室在移动过程中的环境变化情况。系统原理图如图1所示。

图1 气体传感器集成框图

遥测发射分系统的原理框图如图2所示。气体类传感器分系统将检测到的气体类测试数据打包,并通过RS 485数据总线接口给出。所有数据总线接口分别进入嵌入式PCM采集编码器,进行数据采集编码[3]。PCM采集编码由程控模块、时序控制模块、输出模块等组成。把编码器输出的串行数据流送到发射设备进行调制、放大,并以足够的功率从天线发射出去。

图2 遥测发射分系统框图

遥测地面监测分系统的集成:遥测地面监测分系统采用车载式便携接收方案。系统除天线和低噪声放大器外的所有接收单元均放在工控计算机内。

3 系统组成及实现

3.1 传感器的选型

选用美国RAE公司的PGM-2000,MultiRAE PGM-54,UltraRAE PGM-7200。这些国际先进的复合/单一性气体检测模块,工作温度为-20~+50 ℃,可在相对湿度为0%~95%的环境中正常工作;其锂电池在充满电后可连续工作10 h以上;具有先进的插入式“智能”毒气传感器。以上仪器均带有RS 232接口,可提供通信协议。上述气体检测仪器的技术指标见表2。

3.2 传感器的安装

舱室无线移动监测系统在系统设计过程中存在以下特殊性,工作环境恶劣,内部各分系统、零部件之间交叉较多;道路运输及气候条件使系统在设计过程中必须面临高原、山地、沙漠、严寒、高温以及抗辐射等特殊条件;密闭舱室空间狭小,对测量系统体积、形状要求严格;测量系统设备多数为非标设备,移动舱室内部不能为测量设备提供永久性安装空间和具体位置,只能临时搭载,为测试设备的可靠安装运行增加了难度。在充分调研和实车考察的基础上,针对每一种测试设备,分别设计出不同的结构设计和安装方式。系统由两个独立的单元组成,每个单元由主箱和付箱组成,主箱和付箱由跳线连接,跳线长度约2 m。主箱可以独立地连接到整体系统,付箱依附主箱才能工作。气体类测试分系统实物布局如图3所示。

表2 选用仪器的技术指标

仪器测试指标量程扩展量程分辨率

QRAEPlus

PGM-2000

CO0～500 ppm1 500 ppm1 ppm

H2S0～100 ppm500 ppm1 ppm

O20～30%0.1%

QRAEPlus

PGM-2000

SO20～20 ppm150 ppm0.1 ppm

LEL0～100%1%

NH30～50 ppm200 ppm1 ppm

MutilRAE

PGM-54

NO20～30 ppm150 ppm0.1 ppm

CO20～20 000 ppm10 ppm

VOC0～999 ppm0.01 ppm

UltraRAE

PGM-7200苯0～200 ppm0.1ppm

图3 气体类测试分系统实物布局图

测试仪器内部采用EVA缓冲材料,柔性钣金支撑,可承受强冲击。气体类测试分系统在移动舱室内的安装示意图如图4所示,在主箱和付箱4立棱上配置多处拉环,用高强度捆扎带与驾驶椅牢固捆绑。

图4 气体类测试分系统车内安装示意图

3.2 数据采编和传输

气体类传感器将检测到的气体类测试数据打包,通过RS 485数据总线接口给出。所有数据总线接口分别进入嵌入式PCM采集编码器进行数据采集编码。PCM采集编码由程控模块、时序控制模块、输出模块等组成[4]。把编码器输出的串行数据流送到发射设备进行调制、放大,并以足够的功率从天线发射出去。本系统采用FPGA技术对被测参数的接口、采集和编码功能的一体化进行设计,可使得该编码模块具有编程灵活,集成度高,速度快,在线可编程的特点。采集编码器的路数和输出码速率都可在线配置。发射机采用模块化设计,整机由调制模块、线性功放和二次开关电源模块组成,这样选配不同的模块可以构成不同点频,不同频率,不同调制信号形式和不同码率的发射机。车载发射天线采用全向天线,其增益大于5 dBi。

3.3 数据接收与处理

数据的接收处理在远处的监测站进行,该系统以工控PC机为平台,以PCI总线为纽带,将高频信道、视频解调和计算机联系起来,组成一个有机的整体。系统除了天线和低噪放大器外,其余部份都插入计算机的扩展槽内。系统主要功能部件都集中在计算机内,因此系统操作管理方便。天线和低噪放大器都安装在可以收拆的活动三角支架上,因此系统携带和架设都非常方便。遥测数据处理设备如图5所示。

图5 遥测数据处理设备图

4 实车搭载试验

2008年在某车辆标准训练场地进行了5 km动态实车测试,定点测试试验车辆行驶过程示意图如图6所示,监测车辆在试验场中心位置静止不动,被测试车辆运动,距离小于5 km,被测试车辆以小于等于100 km/h的速度行驶。在试验行驶过程中,对系统的主要功能和指标进行连续测试和存储,采用备用电池或车载电瓶给系统供电,测试时间为1～2 h。

遥测地面站获得了被测车内气体类环境参数,图7为数据处理结果之一。

图6 A绕B定点行驶试验图(试验场平面图)

图7 部分气体检测数据处理图

5 结 语

采用气体类各种检测模块,通过无线遥测的方法,使远方的监测站可靠地获得移动舱室内各种有害气体的环境数据,通过试验证明,该方法是切实可行的。该种测试方法可以对各种坦克及装甲车辆的人-机-环的研制与改进提供有力的数据支撑。

参考文献

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