低氧文物实验舱的环境控制方法研究

　　摘 要：提出用于考古现场的低氧文物实验舱，在舱内搭建低氧富氮环境用于文物的存储和现场研究。对抽气-充气以及 充气-排气两种舱内环境控制方式进行了对比。根据管道一维定常等熵理论建立了系统的流体模型。以调节舱内氧气浓 度为目标，同时保证舱内压力的变化趋势，综合舱体设计考虑得出了合适的过程控制方式。最终实验表明，设计过程在较 短时间内使实验舱达到了误差范围内目标结果。控制过程可靠，操作简便，设备在考古现场具备可行的操作性和实用性。

　　关键词：文物实验舱;低氧富氮;流体模型;控制方式

　　1 引言

　　据统计，中国每年的文物发掘工作有 1000 多项，在以往国 内的发掘过程中，如明代定陵墓、马王堆汉代古墓的考古过程中 都发生了文物出土后得不到及时保护，大量珍贵文物损毁的情 况，这也是国内不再允许发掘帝王陵墓的重要原因。低氧富氮环 境是一个适合文物存储的物理模型[1-3]。

　　2016 欧洲国际文 物保护、修复和改造博览会上展示了德国在用于文物保护方面的 低氧恒温湿度设备设计方案，国内也已经出现小型充氮文物保护 柜，但是大型文物现场实验舱技术仍然有待解决。文章介绍了低 氧文物实验舱系统结构及其控制系统，通过计算仿真，找到适合 考古现场应用的低氧环境搭建的方法，并仿真和实验了其低氧环 境控制过程，实现舱内环境氧气浓度(21~1)%可调。

　　2 低氧文物实验舱的整体结构

　　文物实验舱整体结果。制氮装置分离氮气存储到储氮罐中，调节阀控制管道内气体流量，氮气通过控制阀进入 到舱体。真空泵抽出舱内混合气体，使舱内氧气质量减少，同时舱 内压力减少到一定真空度与储氮罐形成较大压差，能够提高氮气 进气速度。舱体设计允许最大真空度为 40kPa，舱体体积 10m3 ，真空泵 一台，功率 7.5kW，制氮机功率 11kW。舱内可通过新风口与外界 连通，氧气装置保证在紧急情况下舱内人员的生存环境需要。

　　3 两种富氮低氧环境控制方式的比较

　　在实验舱内，设其氧气的体积浓度为 n，忽略其他气体的影 响，认为混合气体中只含有氧气和氮气，则可以容易得到舱内氮 气质量 mO2 和氧气质量 mN2 的比值为： mN2 mO2 = 28*(1-n) 32*n (1) 舱内气体满足完全气体状态方程：PV=mhRh T，mh—舱内混 合气体质量;Rh—混合气体的气体常数。 3.1 抽气-充入氮气方式 在这种方法中，真空泵讲舱内的压力抽至某一真空度(实验 和计算数值为 26.4kPa，即式(2)中 Pe=74.6kPa)，然后打开进气电 动阀，向舱内充入氮气，直到舱内压力表压为 26.4kPa，即式(3)中 Pi =127.4kPa。

　　3.2 充气-排气方式

　　在这种方法中，给舱内充入氮气的同时，经过补风装置将舱 内混合气体排除，经过计算认为可以忽略混合气体浓度变化带来 的气体常数 R 的变化，则当进气质量流量和排气质量流量相等 时，舱内压力保持不变。应该注明的是，考虑的环境搭建过程是初始氧气浓度为 21% 时的情况，但是在初始条件为其他浓度时(舱内浓度通常等于或 小于 21%)，依旧满足上述得出的曲线。

　　从两种方法对比中可以得出以下结论：两种方法都能有效使舱内氧气浓度降到目标值，在 从(21~3)%过程中，两种方法的质量-浓度变化曲线基本一致。最 终的结果显示，抽气-充入氮气方式所需氮气质量更少，但是这种 方法中抽气过程消耗时间更长，速度较慢。

　　4 基于一维定常等熵可压缩流体流动原理的等截面管道流动过程 由于储氮罐与舱体之间连接管道长度比较短，流动过程中 管道内外无明显热交换，故认为此过程为无流动摩擦的等熵绝热过程[4-6]。

　　5 系统流体过程

　　按照以上计算后设计得出：储氮罐的体积为 6.28m3 。最大绝 对压力为 0.7MPa，温度 20℃，则储氮罐内氮气质量为 50.68kg。 从上面介绍的两种富氮低氧环境搭建方式可以得出，抽气- 充气方式相对于充气-排气方式需要的氮气质量更少。从第三节 的讨论中可以得出，影响环境搭建的因素有：充气质量流量、真空 泵的抽气速度。影响充气流体速度的因素是文物舱和储氮罐的压 力差。

　　对比两种方式流体过程中氧气浓度变化曲线可以看到，在氧 气浓度从 21%下降到 3%左右的氧气浓度—充氮气质量曲线基本 相同，所以在此阶段影响系统富氮低氧环境模型搭建较重要的因素 是充气时间，考虑到真空泵的抽气速度和方便性欠佳采用充气-排 气方式，而在之后阶段除了考虑充气时间，所需氮气质量也应该考 虑到其中。

　　6实验及分析

　　实验舱内的氧气浓度传感器和压力传感器作为舱内环境监 控终端，传感器的模拟信号经过信号线、舱体底部密封的航插连 接器接入到舱外 PLC，PLC 采集舱内氧气浓度和压力传感器数据 并显示并存储在触摸屏上，采集周期为 1s。得到真实过程的氧气 浓度和压力变化结果。实验舱体，舱内环境监测。

　　文博馆人员论文投稿刊物：文物保护与考古研究(季刊)创刊于1989年，是由上海博物馆主办的自然科学的综合性学术期刊，是我国唯一一份专业报道文物科技考古及期相关领域的研究论文、研究简报、综述文章及相关信息的刊物。

　　7 结论

　　对比两种进气方式的特点，综合舱体设计和控制过程得出 了文物舱低氧环境搭建和控制的方法。根据实验结果和仿真过程 的对比，系统设计过程的浓度变化和压力变化和实际变化曲线基 本吻合，结果在设计误差范围内，并且过程适用于其他起始氧气 浓度，具有普遍适用性。控制过程保证舱内氧气浓度可调，精度可 靠，操作简便，整套设备在考古现场具有可行的操作性和实用性。

　　参考文献

　　[1]黄河，吴来明.馆藏文物保存环境研究的发展与现状[J].文物保护与考古科学，2012(24)：13-17. (Huang He，Wu Lai-ming.Present status and future developments in museum environmental studies in China[J].Sciences of Conservation and Archaeology，2012(24)：13-17.)

　　[2]陈晓宇.博物馆文物保存环境控制研究[J].黑龙江史志，2013(23)： 190-191. (Chen Xiao-yu.Study on the preservation and control methods of cultural relicsin museums[J].History of Heilongjiang，2013(23)：190- 191.)

　　作者：车守全，卢剑锋，杨肖委，李宜汀