一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于生物安全实验装置，涉及一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统。该装系统包括自然环境模拟模块、气溶胶发生模块、试验舱、气溶胶粒子监测模块、数据采集与控制模块。自然环境模拟模块包括风力产生装置、温度产生装置、湿度产生装置和辐射强度产生装置四个部分，能够产生与自然环境相近的环境参数。本实用新型能安全高效地获得烈性病原微生物空气(气溶胶)本底生物学特性及在自然环境中的传播规律基础数据，形成完整数据链，系统阐明自然条件下烈性病原微生物在空气中随温度、湿度、风速、辐射强度的存活与衰亡规律、致病力以及传播规律，并能在全国科研、疾控等重要单位进行推广应用，为我国公共安全提供强大预警支撑。
【专利说明】一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于生物安全实验装置，涉及一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统，具体是指一种模拟自然环境风力、温度、湿度以及辐射强度的气溶胶传播试验系统。
【背景技术】
[0002]气溶胶传播是判定一项传染病是否列为重大突发公共卫生事件的核心指标之一，是SARS、禽流感(H5N1、H7N9)等许多重大、新发突发传染病的重要传播途径。目前，国际上对气溶胶学研究高度关注，尤其美国，将气溶胶研究计划列为“国家重点研究计划”，相关技术及设备平台较为完善。国际上对该类研究核心技术实行严格封锁和技术管控，打破垄断，论证并自主研发符合生物安全要求的气溶胶传播风险评价设备，是我国病原微生物气溶胶学研究的迫切需求。
[0003]目前进行气溶胶评价研究的装置很多，但大多比较简易，只能研究单一条件下气溶胶传播规律，很难达到可模拟自然环境的现实要求。本研究是将生命科学技术、疾病预防控制需求和仪器设备制造方法相结合，在生物安全框架下，构建集环境风洞(环境模拟)设计、自动化信息采集与试验验证于一体的病原微生物空气(气溶胶)传播风险评价设备。从预警的角度及早判定SARS、高致病性禽流感(H5N1、H7N9)等烈性病原微生物能否在空气中传播，能否跨种传播到人，乃至人传人的重大基础性科学问题，打破国外技术垄断封锁，为我国烈性传染病评估评价、预警预测提供重要的基本研究设备。
[0004]本实用新型结合环境风洞的设计理念，以环境风洞和试验舱形成密闭的环境，气溶胶发生装置和监测装置很好地和试验舱结合，实现了高模拟性、高安全性、高可控性的模拟气溶胶传播方式的人工环境。该装置能安全高效地获得烈性病原微生物空气(气溶胶)本底生物学特性及在自然环境中的传播规律基础数据，形成完整数据链，系统阐明自然条件下烈性病原微生物在空气中随温度、湿度、风速、辐射强度的存活与衰亡规律、致病力以及传播规律，并能在全国科研、疾控等重要单位进行推广应用，为我国公共安全提供强大预警支撑。
实用新型内容
[0005]本实用新型针对现有技术的不足，提供了一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统，是一种可模拟自然环境条件下气溶胶传播规律的非常实用的试验系统，解决了现有装置模拟条件单一、结构复杂等问题，具有很好地市场推广潜力，也为病原微生物气溶胶传播规律及跨种传播能力评价建立很好的平台。
[0006]本实用新型解决技术问题采用的技术方案如下:
[0007]一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统，包括自然环境模拟模块、气溶胶发生模块、试验舱、气溶胶粒子监测模块、数据采集与控制模块。
[0008]自然环境模拟模块包括风力产生装置、温度产生装置、湿度产生装置和辐射强度产生装置四个部分，能够产生与自然环境相近的环境参数。
[0009]风力产生装置是一种类似风洞的装置，包括风力源、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、稳定段、收缩段、第三扩散段和第二拐角，风力装置的两端连接到试验舱的两端，和试验舱一起构成气流的闭合回路，能够产生O?5m/s的风力，即不大于自然界三级以下风。
[0010]温度产生装置设置在第一扩散段内，由若干个电加热管组构成，参数设置为O?400C (自然界常见生活温度)，每个电加热管组包括8翼型导流片和电热管。为了不影响整个流场中的气流品质，将电热管包装于翼型导流片内，其流线型可以最大程度上降低紊流度。
[0011]湿度产生装置设置在第二扩散段，由加湿器和除湿器两部分构成，设置的湿度参数为10?90% (自然界常见湿度范围)。在气流循环过程中实现试验舱湿度的调节。
[0012]辐射强度产生装置设置在试验舱内，在试验舱顶部均布紫外灯，并通过控制打开的灯的数量以调节辐射强度大小，参数设置为O?300mW/m2(自然界紫外线指数12以下，涵盖了地球上大部分地区的紫外照射强度)。由I = W/St = P/S可知，每盏紫外灯的功率为:P = nIS/n = 9 X 300mff/m2 X 4 π X 1.2m2/75 % = 64W ? 其中，η 为紫外光穿过有机玻璃的效率。
[0013]试验舱可以进行3.5m距离的气溶胶传播评价。试验舱包括主舱体、操作面板、长袖手套、传递窗、自动采样装置、传感器。试验舱操作面为透明材质，可整体拆卸。操作面板上开孔，设置长袖手套与传递窗。自动采样装置接受外部的数据采集控制模块命令沿水平方向与竖直方向移动至目标位置，采集不同空间位置的气溶胶粒子；试验舱内部设置的传感器用来实时监测温度、湿度、风力和辐射强度。
[0014]气溶胶发生器通过封闭管道与试验舱相连，产生流速为1-4.2L/min、粒径大小为0.5-20 μ m的气溶胶，喷射形式可以采用瞬时点源、连续点源、连续线源等多种方式。
[0015]气溶胶粒子监测装置通过封闭管道连接到试验舱里的自动采样装置，实时监测试验舱内气溶胶的粒径、浓度、分散度等参数指标，实时分析采集到的气溶胶粒子物理参数。
[0016]数据采集与控制模块包括工控机和数据采集卡，数据采集卡和实验舱内的传感器相连。工控机模块能够实现数据存储和数据处理，通过数据采集卡获取数据信息，自动采集并存储与处理试验舱模拟的环境参数，传递给工控机，实时分析并调整。
[0017]本实用新型通过控制四个环境因素(风力、温度、湿度、辐射强度)实现试验舱内自然环境的模拟。借鉴环境风洞的设计理念，采用闭合回流的形式产生稳定的层流气流。轴流式风机带动空气流动，经过第一扩散段(扩散角〈5° )进入第一拐角(90° )，实现气流的均匀变化；拐角处安装有导流片，防止气流方向突然改变导致产生紊流；后经第二扩散段，气流再次均匀变化后进入稳定段；稳定段内装有蜂窝器和阻尼网，对气流进行均匀分害I]，降低紊流度；进入收缩段后实现压缩整形(收缩比为1:1.44)，提升气流品质，得到稳定层流风(气流紊流度控制在0.2% );层流气流经过HEPA高效过滤器，以降低生物粒子的本底浓度，提高气流洁净度；后进入试验舱，同样在试验舱出口处设置HEPA高效过滤器，防止试验舱内的气溶胶粒子逸出；气流再经第三扩散段和第二拐角，实现闭合回路。
[0018]本实用新型的一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统，可以很好地模拟自然环境。通过实验舱前级的收缩段形成稳定层流气流，模拟自然风；加热管路以及湿度控制单元调节空气温度和湿度；闭合回流结构以及实验舱前后的高效过滤器保证了生物安全；实时在线采集控制装置和气溶胶粒子监测装置可实现对实验舱内气溶胶状态的实时监控；温度、湿度、风速以及辐射强度传感器可实时监控实验舱内自然环境因素；传递窗(可独立消毒)解决了动物饲养过程中饲料、饮水的无污染添加问题以及实验过程中所需物品的安全传递问题；
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的示意图。
[0020]图2为本实用新型的实施例示意图。
[0021]图3为本实用新型的试验舱结构放大图。
【具体实施方式】
[0022]以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施例。
[0023]如图2所示，该系统包括风力源2、第一扩散段3、第一拐角5、导流片6、湿度控制单元7、翼型导流片8、电热管9、第二扩散段10、稳定段11、蜂窝器12、阻尼网13、收缩段14、气溶胶发生器15、高效过滤器16、试验舱17、操作面板18、紫外灯19、长袖手套20、自动采样装置21、传递窗22、传感器23、第三扩散段24、气溶胶粒子监测装置25、第二拐角26、数据采集卡27和工控机28。
[0024]风力产生装置由风力源2、第一扩散段3、第一拐角5、导流片6、第二扩散段10、稳定段11、蜂窝器12、阻尼网13和收缩段14共同构成。
[0025]翼型导流片8和电热管9共同构成温度产生装置，
[0026]试验舱包括主舱体、操作面板18、紫外灯19、长袖手套20、自动采样装置21、传递窗22和传感器23。
[0027]稳定段包括蜂窝器12和阻尼网13。
[0028]工作时，先开启开启风机，通过调节风机转速控制风力大小，得到稳定、均匀的层流气流场；再开启电热管、湿度控制单元、紫外灯，调节各个参数至实验所需大小。开启温度、湿度、风力、辐射强度传感器，实时监控环境参数；将实验动物放置于试验舱内，正常饲喂；开启气溶胶发生器，产生气溶胶；进行气溶胶传播实验，同时开启气溶胶粒子监测装置，自动采集气溶胶样品并记录数据；通过试验舱操作面采集动物样品，通过传递窗传至实验室生物安全柜中进行后续实验。
【权利要求】
1.一种可模拟自然环境的气溶胶传播试验系统，其特征在于， 该气溶胶传播试验系统包括自然环境模拟模块、气溶胶发生模块、试验舱、气溶胶粒子监测模块、数据采集与控制模块； 自然环境模拟模块包括风力产生装置、温度产生装置、湿度产生装置和辐射强度产生装置四个部分，能够产生与自然环境相近的环境参数； 试验舱能够进行3.5m距离的气溶胶传播评价；试验舱包括主舱体、操作面板、长袖手套、传递窗、自动采样装置、传感器；试验舱操作面为透明材质，可整体拆卸；操作面板上开孔，设置长袖手套与传递窗；自动采样装置接受外部的数据采集控制模块命令沿水平方向与竖直方向移动至目标位置，采集不同空间位置的气溶胶粒子；试验舱内部设置的传感器用来实时监测温度、湿度、风力和辐射强度； 气溶胶发生器通过封闭管道与试验舱相连，产生流速为1-4.2L/min、粒径大小为0.5-20 μ m的气溶胶； 气溶胶粒子监测装置通过封闭管道连接到试验舱里的自动采样装置，实时监测试验舱内气溶胶的粒径、浓度、分散度参数指标，实时分析采集到的气溶胶粒子物理参数； 数据采集与控制模块包括工控机和数据采集卡，数据采集卡和实验舱内的传感器相连；工控机模块能够实现数据存储和数据处理，通过数据采集卡获取数据信息，自动采集并存储与处理试验舱模拟的环境参数，传递给工控机，实时分析并调整。
2.根据权利要求1所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的风力产生装置是一种类似风洞的装置，包括风力源、第一扩散段、第一拐角、第二扩散段、稳定段、收缩段、第三扩散段和第二拐角，风力装置的两端连接到试验舱的两端，和试验舱一起构成气流的闭合回路，产生(T5m/s的风力。
3.根据权利要求1或2所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的温度产生装置设置在第一扩散段内，由若干个电加热管组构成，参数设置为(T40°C，每个电加热管组包括8翼型导流片和电热管；为了不影响整个流场中的气流品质，将电热管包装于翼型导流片内，其流线型可以最大程度上降低紊流度。
4.根据权利要求1或2所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的湿度产生装置设置在第二扩散段，由加湿器和除湿器两部分构成，设置的湿度参数为10、0%;在气流循环过程中实现试验舱湿度的调节。
5.根据权利要求3所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的湿度产生装置设置在第二扩散段，由加湿器和除湿器两部分构成，设置的湿度参数为10、0%;在气流循环过程中实现试验舱湿度的调节。
6.根据权利要求1、2或5所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的辐射强度产生装置设置在试验舱内，在试验舱顶部均布紫外灯，并通过控制打开的灯的数量以调节辐射强度大小，参数设置为0?300mW/m2。
7.根据权利要求3所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的辐射强度产生装置设置在试验舱内，在试验舱顶部均布紫外灯，并通过控制打开的灯的数量以调节辐射强度大小，参数设置为(T300mW/m2。
8.根据权利要求4所述的气溶胶传播试验系统，其特征在于，所述的辐射强度产生装置设置在试验舱内，在试验舱顶部均布紫外灯，并通过控制打开的灯的数量以调节辐射强度大小，参数设置为(T300mW/m2。
【文档编号】G01M9/00GK204142464SQ201420502137
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年9月2日 优先权日:2014年9月2日
【发明者】钱军, 刘林娜, 赵思言, 夏志平, 郭振东, 周博, 王承宇, 高玉伟, 李乾学, 万忠海, 岳玉环, 刘文森, 穆玉堂, 何扬, 孙玉成, 田多 申请人:中国人民解放军军事医学科学院军事兽医研究所