摘 要：提出用于考古現場的低氧文物實驗艙，在艙內搭建低氧富氮環境用于文物的存儲和現場研究。對抽氣-充氣以及 充氣-排氣兩種艙內環境控制方式進行了對比。根據管道一維定常等熵理論建立了系統的流體模型。以調節艙內氧氣濃 度為目標，同時保證艙內壓力的變化趨勢，綜合艙體設計考慮得出了合適的過程控制方式。最終實驗表明，設計過程在較 短時間內使實驗艙達到了誤差范圍內目標結果。控制過程可靠，操作簡便，設備在考古現場具備可行的操作性和實用性。

　　關鍵詞：文物實驗艙;低氧富氮;流體模型;控制方式

　　1 引言

　　據統計，中國每年的文物發掘工作有 1000 多項，在以往國 內的發掘過程中，如明代定陵墓、馬王堆漢代古墓的考古過程中 都發生了文物出土后得不到及時保護，大量珍貴文物損毀的情 況，這也是國內不再允許發掘帝王陵墓的重要原因。低氧富氮環 境是一個適合文物存儲的物理模型[1-3]。

　　2016 歐洲國際文 物保護、修復和改造博覽會上展示了德國在用于文物保護方面的 低氧恒溫濕度設備設計方案，國內也已經出現小型充氮文物保護 柜，但是大型文物現場實驗艙技術仍然有待解決。文章介紹了低 氧文物實驗艙系統結構及其控制系統，通過計算仿真，找到適合 考古現場應用的低氧環境搭建的方法，并仿真和實驗了其低氧環 境控制過程，實現艙內環境氧氣濃度(21~1)%可調。

　　2 低氧文物實驗艙的整體結構

　　文物實驗艙整體結果。制氮裝置分離氮氣存儲到儲氮罐中，調節閥控制管道內氣體流量，氮氣通過控制閥進入 到艙體。真空泵抽出艙內混合氣體，使艙內氧氣質量減少，同時艙 內壓力減少到一定真空度與儲氮罐形成較大壓差，能夠提高氮氣 進氣速度。艙體設計允許最大真空度為 40kPa，艙體體積 10m3 ，真空泵 一臺，功率 7.5kW，制氮機功率 11kW。艙內可通過新風口與外界 連通，氧氣裝置保證在緊急情況下艙內人員的生存環境需要。

　　3 兩種富氮低氧環境控制方式的比較

　　在實驗艙內，設其氧氣的體積濃度為 n，忽略其他氣體的影 響，認為混合氣體中只含有氧氣和氮氣，則可以容易得到艙內氮 氣質量 mO2 和氧氣質量 mN2 的比值為： mN2 mO2 = 28*(1-n) 32*n (1) 艙內氣體滿足完全氣體狀態方程：PV=mhRh T，mh—艙內混 合氣體質量;Rh—混合氣體的氣體常數。 3.1 抽氣-充入氮氣方式 在這種方法中，真空泵講艙內的壓力抽至某一真空度(實驗 和計算數值為 26.4kPa，即式(2)中 Pe=74.6kPa)，然后打開進氣電 動閥，向艙內充入氮氣，直到艙內壓力表壓為 26.4kPa，即式(3)中 Pi =127.4kPa。

　　3.2 充氣-排氣方式

　　在這種方法中，給艙內充入氮氣的同時，經過補風裝置將艙 內混合氣體排除，經過計算認為可以忽略混合氣體濃度變化帶來 的氣體常數 R 的變化，則當進氣質量流量和排氣質量流量相等 時，艙內壓力保持不變。應該注明的是，考慮的環境搭建過程是初始氧氣濃度為 21% 時的情況，但是在初始條件為其他濃度時(艙內濃度通常等于或 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論：兩種方法都能有效使艙內氧氣濃度降到目標值，在 從(21~3)%過程中，兩種方法的質量-濃度變化曲線基本一致。最 終的結果顯示，抽氣-充入氮氣方式所需氮氣質量更少，但是這種 方法中抽氣過程消耗時間更長，速度較慢。

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

　　5 系統流體過程

　　按照以上計算后設計得出：儲氮罐的體積為 6.28m3 。最大絕 對壓力為 0.7MPa，溫度 20℃，則儲氮罐內氮氣質量為 50.68kg。 從上面介紹的兩種富氮低氧環境搭建方式可以得出，抽氣- 充氣方式相對于充氣-排氣方式需要的氮氣質量更少。從第三節 的討論中可以得出，影響環境搭建的因素有：充氣質量流量、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—充氮氣質量曲線基本 相同，所以在此階段影響系統富氮低氧環境模型搭建較重要的因素 是充氣時間，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間，所需氮氣質量也應該考 慮到其中。

　　6實驗及分析

　　實驗艙內的氧氣濃度傳感器和壓力傳感器作為艙內環境監 控終端，傳感器的模擬信號經過信號線、艙體底部密封的航插連 接器接入到艙外 PLC，PLC 采集艙內氧氣濃度和壓力傳感器數據 并顯示并存儲在觸摸屏上，采集周期為 1s。得到真實過程的氧氣 濃度和壓力變化結果。實驗艙體，艙內環境監測。

　　文博館人員論文投稿刊物：文物保護與考古研究(季刊)創刊于1989年，是由上海博物館主辦的自然科學的綜合性學術期刊，是我國唯一一份專業報道文物科技考古及期相關領域的研究論文、研究簡報、綜述文章及相關信息的刊物。

　　7 結論

　　對比兩種進氣方式的特點，綜合艙體設計和控制過程得出 了文物艙低氧環境搭建和控制的方法。根據實驗結果和仿真過程 的對比，系統設計過程的濃度變化和壓力變化和實際變化曲線基 本吻合，結果在設計誤差范圍內，并且過程適用于其他起始氧氣 濃度，具有普遍適用性。控制過程保證艙內氧氣濃度可調，精度可 靠，操作簡便，整套設備在考古現場具有可行的操作性和實用性。

　　參考文獻

　　[1]黃河，吳來明.館藏文物保存環境研究的發展與現狀[J].文物保護與考古科學，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