摘 要：提出用于考古現(xiàn)場的低氧文物實(shí)驗(yàn)艙，在艙內(nèi)搭建低氧富氮環(huán)境用于文物的存儲(chǔ)和現(xiàn)場研究。對抽氣-充氣以及 充氣-排氣兩種艙內(nèi)環(huán)境控制方式進(jìn)行了對比。根據(jù)管道一維定常等熵理論建立了系統(tǒng)的流體模型。以調(diào)節(jié)艙內(nèi)氧氣濃 度為目標(biāo)，同時(shí)保證艙內(nèi)壓力的變化趨勢，綜合艙體設(shè)計(jì)考慮得出了合適的過程控制方式。最終實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)過程在較 短時(shí)間內(nèi)使實(shí)驗(yàn)艙達(dá)到了誤差范圍內(nèi)目標(biāo)結(jié)果。控制過程可靠，操作簡便，設(shè)備在考古現(xiàn)場具備可行的操作性和實(shí)用性。

　　關(guān)鍵詞：文物實(shí)驗(yàn)艙;低氧富氮;流體模型;控制方式

　　1 引言

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國每年的文物發(fā)掘工作有 1000 多項(xiàng)，在以往國 內(nèi)的發(fā)掘過程中，如明代定陵墓、馬王堆漢代古墓的考古過程中 都發(fā)生了文物出土后得不到及時(shí)保護(hù)，大量珍貴文物損毀的情 況，這也是國內(nèi)不再允許發(fā)掘帝王陵墓的重要原因。低氧富氮環(huán) 境是一個(gè)適合文物存儲(chǔ)的物理模型[1-3]。

　　2016 歐洲國際文 物保護(hù)、修復(fù)和改造博覽會(huì)上展示了德國在用于文物保護(hù)方面的 低氧恒溫濕度設(shè)備設(shè)計(jì)方案，國內(nèi)也已經(jīng)出現(xiàn)小型充氮文物保護(hù) 柜，但是大型文物現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)艙技術(shù)仍然有待解決。文章介紹了低 氧文物實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，通過計(jì)算仿真，找到適合 考古現(xiàn)場應(yīng)用的低氧環(huán)境搭建的方法，并仿真和實(shí)驗(yàn)了其低氧環(huán) 境控制過程，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)環(huán)境氧氣濃度(21~1)%可調(diào)。

　　2 低氧文物實(shí)驗(yàn)艙的整體結(jié)構(gòu)

　　文物實(shí)驗(yàn)艙整體結(jié)果。制氮裝置分離氮?dú)獯鎯?chǔ)到儲(chǔ)氮罐中，調(diào)節(jié)閥控制管道內(nèi)氣體流量，氮?dú)馔ㄟ^控制閥進(jìn)入 到艙體。真空泵抽出艙內(nèi)混合氣體，使艙內(nèi)氧氣質(zhì)量減少，同時(shí)艙 內(nèi)壓力減少到一定真空度與儲(chǔ)氮罐形成較大壓差，能夠提高氮?dú)?進(jìn)氣速度。艙體設(shè)計(jì)允許最大真空度為 40kPa，艙體體積 10m3 ，真空泵 一臺(tái)，功率 7.5kW，制氮機(jī)功率 11kW。艙內(nèi)可通過新風(fēng)口與外界 連通，氧氣裝置保證在緊急情況下艙內(nèi)人員的生存環(huán)境需要。

　　3 兩種富氮低氧環(huán)境控制方式的比較

　　在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，設(shè)其氧氣的體積濃度為 n，忽略其他氣體的影 響，認(rèn)為混合氣體中只含有氧氣和氮?dú)猓瑒t可以容易得到艙內(nèi)氮 氣質(zhì)量 mO2 和氧氣質(zhì)量 mN2 的比值為： mN2 mO2 = 28*(1-n) 32*n (1) 艙內(nèi)氣體滿足完全氣體狀態(tài)方程：PV=mhRh T，mh—艙內(nèi)混 合氣體質(zhì)量;Rh—混合氣體的氣體常數(shù)。 3.1 抽氣-充入氮?dú)夥绞?在這種方法中，真空泵講艙內(nèi)的壓力抽至某一真空度(實(shí)驗(yàn) 和計(jì)算數(shù)值為 26.4kPa，即式(2)中 Pe=74.6kPa)，然后打開進(jìn)氣電 動(dòng)閥，向艙內(nèi)充入氮?dú)猓�直到艙�?nèi)壓力表壓為 26.4kPa，即式(3)中 Pi =127.4kPa。

　　3.2 充氣-排氣方式

　　在這種方法中，給艙內(nèi)充入氮?dú)獾耐瑫r(shí)，經(jīng)過補(bǔ)風(fēng)裝置將艙 內(nèi)混合氣體排除，經(jīng)過計(jì)算認(rèn)為可以忽略混合氣體濃度變化帶來 的氣體常數(shù) R 的變化，則當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量和排氣質(zhì)量流量相等 時(shí)，艙內(nèi)壓力保持不變。應(yīng)該注明的是，考慮的環(huán)境搭建過程是初始氧氣濃度為 21% 時(shí)的情況，但是在初始條件為其他濃度時(shí)(艙內(nèi)濃度通常等于或 小于 21%)，依舊滿足上述得出的曲線。

　　從兩種方法對比中可以得出以下結(jié)論：兩種方法都能有效使艙內(nèi)氧氣濃度降到目標(biāo)值，在 從(21~3)%過程中，兩種方法的質(zhì)量-濃度變化曲線基本一致。最 終的結(jié)果顯示，抽氣-充入氮?dú)夥绞剿�需氮�(dú)赓|(zhì)量更少，但是這種 方法中抽氣過程消耗時(shí)間更長，速度較慢。

　　4 基于一維定常等熵可壓縮流體流動(dòng)原理的等截面管道流動(dòng)過程 由于儲(chǔ)氮罐與艙體之間連接管道長度比較短，流動(dòng)過程中 管道內(nèi)外無明顯熱交換，故認(rèn)為此過程為無流動(dòng)摩擦的等熵絕熱過程[4-6]。

　　5 系統(tǒng)流體過程

　　按照以上計(jì)算后設(shè)計(jì)得出：儲(chǔ)氮罐的體積為 6.28m3 。最大絕 對壓力為 0.7MPa，溫度 20℃，則儲(chǔ)氮罐內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量為 50.68kg。 從上面介紹的兩種富氮低氧環(huán)境搭建方式可以得出，抽氣- 充氣方式相對于充氣-排氣方式需要的氮?dú)赓|(zhì)量更少。從第三節(jié) 的討論中可以得出，影響環(huán)境搭建的因素有：充氣質(zhì)量流量、真空 泵的抽氣速度。影響充氣流體速度的因素是文物艙和儲(chǔ)氮罐的壓 力差。

　　對比兩種方式流體過程中氧氣濃度變化曲線可以看到，在氧 氣濃度從 21%下降到 3%左右的氧氣濃度—充氮?dú)赓|(zhì)量曲線基本 相同，所以在此階段影響系統(tǒng)富氮低氧環(huán)境模型搭建較重要的因素 是充氣時(shí)間，考慮到真空泵的抽氣速度和方便性欠佳采用充氣-排 氣方式，而在之后階段除了考慮充氣時(shí)間，所需氮?dú)赓|(zhì)量也應(yīng)該考 慮到其中。

　　6實(shí)驗(yàn)及分析

　　實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的氧氣濃度傳感器和壓力傳感器作為艙內(nèi)環(huán)境監(jiān) 控終端，傳感器的模擬信號經(jīng)過信號線、艙體底部密封的航插連 接器接入到艙外 PLC，PLC 采集艙內(nèi)氧氣濃度和壓力傳感器數(shù)據(jù) 并顯示并存儲(chǔ)在觸摸屏上，采集周期為 1s。得到真實(shí)過程的氧氣 濃度和壓力變化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)艙體，艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測。

　　文博館人員論文投稿刊物：文物保護(hù)與考古研究(季刊)創(chuàng)刊于1989年，是由上海博物館主辦的自然科學(xué)的綜合性學(xué)術(shù)期刊，是我國唯一一份專業(yè)報(bào)道文物科技考古及期相關(guān)領(lǐng)域的研究論文、研究簡報(bào)、綜述文章及相關(guān)信息的刊物。

　　7 結(jié)論

　　對比兩種進(jìn)氣方式的特點(diǎn)，綜合艙體設(shè)計(jì)和控制過程得出 了文物艙低氧環(huán)境搭建和控制的方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真過程 的對比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的濃度變化和壓力變化和實(shí)際變化曲線基 本吻合，結(jié)果在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，并且過程適用于其他起始氧氣 濃度，具有普遍適用性。控制過程保證艙內(nèi)氧氣濃度可調(diào)，精度可 靠，操作簡便，整套設(shè)備在考古現(xiàn)場具有可行的操作性和實(shí)用性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1]黃河，吳來明.館藏文物保存環(huán)境研究的發(fā)展與現(xiàn)狀[J].文物保護(hù)與考古科學(xué)，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]陳曉宇.博物館文物保存環(huán)境控制研究[J].黑龍江史志，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：車守全，盧劍鋒，楊肖委，李宜汀