一种环境气体中纳米粒子探测系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及环境气体监测技术领域，更具体地说，涉及一种环境气体中纳米粒子探测系统。


背景技术：

[0002]
在日常生活中，不论室内或室外，环境气体中都存在着大量化合物，当这些化合物达到发生化学变化的临界条件时，会释放出不可见的次微米有害粒子(直径为约0.002μm)，这些不可见的次微米粒子快速增长，并在环境中形成堆积，在其数量达到临界状态时会发生转变，造成事故的产生。
[0003]
这些事故中最常见的是火灾的产生。当一物质于受热达过热时，即因化学变化导致材质分解，会释放出不可见的次微米粒子(直径为约0.002μm)，当该物质持续受热达到燃点时，即开始转变产生碳粒子(即所谓的碳烟)，并开始溶解而燃烧。从材质过热分解到烟雾产生的阶段，我们称之为火灾「极早期」阶段，如图1所示。
[0004]
随著人类科技的进步，纳米粒子探测器的性能也不断的提升，也解决了许多过去无法解决的问题。但时至今日，仍然有许多的场合，依然挑战著纳米粒子探测设备的能力。在今日复杂的环境里，纳米粒子探测设备被要求具有极高的灵敏度、低误报率、应用场合广、不受环境因素限制等能力。
[0005]
但现有的纳米粒子探测器的功能较为单一，无法同时实现上述能力，导致纳米粒子探测器无法及时在环境气体中的有害粒子产生阶段做出反应，导致事故的产生，对企业的财产以及群众的人身安全造成巨大威胁。


技术实现要素：

[0006]
本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种能够在环境气体内有害粒子的产生阶段迅速反应的环境气体中纳米粒子探测系统。
[0007]
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种环境气体中纳米粒子探测系统，包括气体抽样装置以及粒子探测装置；还包括粒径放大装置；所述粒径放大装置包括用于放大样本气体中纳米粒子粒径的气体压缩组件、以及用于设定或监测所述样本气体在压缩前后的状态参数的气体监测组件；所述气体压缩组件的气体输入端与所述气体抽样装置的气体输出端连接；
[0008]
所述气体监测组件设定所述样本气体的目标状态参数，并在达到目标状态参数时控制所述气体压缩组件释放被压缩的所述样本气体，使所述样本气体中的目不可见纳米粒子分别凝结成直径可被探测的小水滴；所述粒子探测装置在所述小水滴产生时探测所述小水滴的数量。
[0009]
进一步地，所述气体压缩组件包括：气体压缩泵、气体压缩腔室以及气体释放控制件；所述气体压缩泵的气体输入端与所述气体抽样装置的气体输出端连接；所述气体压缩泵的气体输出端与所述气体压缩腔室的气体输入端连接。
[0010]
进一步地，所述目标状态参数包括目标压强；当所述气体压缩腔室容积确定时，通过设定所述气体压缩泵的压缩频率和/或气体流量，以及压缩过程中的压缩时间来设置所述目标压强。
[0011]
进一步地，所述气体监测组件包括气体传感单元；所述气体传感单元设置在所述气体压缩腔室中，以监测所述样本气体在压缩前后各项状态参数。
[0012]
进一步地，所述气体监测组件还包括控制单元；所述控制单元分别与所述气体传感单元、所述气体压缩泵及所述气体释放控制件电连接，以设定所述样本气体压缩的目标参数，并在所述样本气体达到目标参数时控制所述气体释放控制件释放气体。
[0013]
进一步地，所述气体传感单元包括但不限于：压力传感器、温度传感器及湿度传感器；所述压力传感器、温度传感器及湿度传感器均设置在所述气体压缩腔室中，并与所述控制单元电连接。
[0014]
进一步地，所述气体压缩腔室为绝热腔室。
[0015]
进一步地，所述气体抽样装置包括风机、抽样管、过滤组件以及电磁阀；所述抽样管的气体输入端与所述风机的气体输出端连接；所述抽样管的气体输出端与所述过滤组件的气体输入端连接；所述过滤组件的气体输出端与所述电磁阀的气体输入端连接；所述电磁阀的气体输出端与所述气体压缩泵的气体输出端连接。
[0016]
进一步地，所述粒子探测装置包括设置在气体压缩腔室中的激光发射器以及光电传感器；所述光电传感器接收所述激光发射器照射在所述小水滴上产生的折射光。
[0017]
进一步地，所述粒子探测装置还包括数据分析组件、报警组件以及通信组件；所述数据分析组件分别与所述光电传感器、所述激光发射器、所述报警组件以及所述通信组件电连接。
[0018]
本实用新型的有益效果在于：通过气体抽样装置采集随机抽取各处的气体，气体压缩组件将采集样本气体进行压缩，利用气体监测组件设定压缩气体的目标参数，并在压缩过程中达到目标参数时控制气体压缩组件快速释放气体，使得样本气体中的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm-20μm的可探测的小水滴，利用粒子探测装置检测小水滴的数量，对环境气体进行检测，实现在有害粒子产生阶段快速反应，灵敏度高，误报率低，应用场合广，检测过程不受环境因素限制。
附图说明
[0019]
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的部分实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图：
[0020]
图1为本实用新型背景技术中的从材质过热分解到烟雾产生的阶段的状态变化图；
[0021]
图2为本实用新型优选实施例中的环境气体中纳米粒子探测系统的结构框图；
[0022]
图3为本实用新型优选实施例中的粒子经过气体压缩腔室压缩处理前后变化对比图；
[0023]
图4为本实用新型优选实施例中的气体压缩腔室的结构框图。
具体实施方式
[0024]
为了使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型的保护范围。
[0025]
本实用新型较佳实施例的如图2和图3所示，提供一种环境气体中纳米粒子探测系统，包括气体抽样装置1以及粒子探测装置3；还包括粒径放大装置2；粒径放大装置2包括用于放大样本气体中纳米粒子粒径的气体压缩组件21、以及用于设定或监测样本气体在压缩前后各项状态参数的气体监测组件22；气体压缩组件21的气体输入端与气体抽样装置1的气体输出端连接；
[0026]
气体监测组件22设定样本气体的目标状态参数，并在达到目标状态参数时控制气体压缩组件21释放被压缩的样本气体，使样本气体中的目不可见纳米粒子分别凝结成直径可被探测的小水滴；粒子探测装置3在小水滴产生时探测小水滴的数量。
[0027]
利用气体抽样装置1随机从各处采集样本气体，气体压缩组件21对采集的样本气体进行压缩，利用气体监测组件22设定压缩气体的目标参数，并在压缩过程中达到目标参数时控制气体压缩组件21快速释放气体，使得样本气体中的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm-20μm的可探测的小水滴，粒子探测装置3检测小水滴的数量，并根据检测结果做出相应的预警措施，对环境气体进行检测，实现在有害粒子产生阶段快速反应。
[0028]
本实施例的方法中，最关键两个过程为：压缩气体和释放气体，在精确的参数监测及控制下完成这两个动作后，可使得气体产生凝结核，即：使被压缩气体内的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm-20μm的可探测的小水滴，该过程即为气体粒径放大过程。
[0029]
相较于目前已有的热劣化探测设备，本申请能够对气体压缩的目标参数进行精确设定，大大提高了检测精度，具有高灵敏度探测能力，减少误报的困扰；通过在各处随机抽取样本气体进行气体内粒子粒径的放大，探测过程不受遮挡，能够在环境气体内有害粒子产生阶段快速做出反应，应用场合广，避免气流稀释烟雾以及烟雾分层对纳米粒子探测系统造成的困扰。
[0030]
在进一步的实施例中，如图2所示，气体压缩组件21包括：气体压缩泵211、气体压缩腔室212以及气体释放控制件213；气体压缩泵211的气体输入端与气体抽样装置1的气体输出端连接；气体压缩泵211的气体输出端与气体压缩腔室212的气体输入端连接；气体压缩泵211从气体抽样装置1随机抽取一个位置的样本气体，气体压缩泵211以一定的频率连续将样本气体打入气体压缩腔室212中，气体监测组件22在压缩前，先设定好气体压缩的目标参数，当气体压缩腔室212内的气体压缩达到目标状态时，气体监测组件22控制气体释放控制件213释放气体，使得被压缩气体内的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm-20μm的可探测的小水滴。
[0031]
上述实施例中，气体压缩泵211可以对气体压缩腔室212以5l/min的气流量进行打气，最高打气气压达到130kpa，也可以以5l/min的气流量从气体压缩腔室212中往外抽气，最高抽气真空压力达到70kpa。
[0032]
上述实施例中，气体释放控制件213为电磁阀，受到控制单元222的控制，在样本气体压缩过程中达到目标参数时控制气体释放控制件213释放气体。
[0033]
在进一步的实施例中，目标状态参数包括目标压强；当气体压缩腔室212容积确定时，通过设定气体压缩泵211的压缩频率和/或气体流量，以及压缩过程中的压缩时间来设置目标压强。目标压强的数值与气体压缩腔室212的容积、压缩频率和/或气体流量、压缩时间相关联，目标压强为：30kpa～150kpa；优选地，目标压强为：50kpa～110kpa。
[0034]
上述实施例中，气体压缩的目标参数包括但不限于：目标压强、压缩时间、目标温度、目标湿度；和/或，其他可使得样本气体中的不可见纳米粒子分别凝结成直径可被探测的小水滴的目标参数。
[0035]
在进一步的实施例中，如图2和图4所示，气体监测组件22包括气体传感单元221；气体传感单元221设置在气体压缩腔室212中，以监测样本气体在压缩前后各项状态参数。检测样本气体是否被压缩至目标状态的方法包括但不限于以下一种或多种：在压缩过程中，监测样本气体压强值、监测样本气体温度、监测样本气体湿度是否达到目标状态。
[0036]
在进一步的实施例中，如图2所示，气体监测组件22还包括控制单元222；控制单元222分别与气体传感单元221、气体压缩泵211及气体释放控制件213电连接，以设定样本气体压缩的目标参数，并在样本气体达到目标参数时控制气体释放控制件释放气体。
[0037]
在进一步的实施例中，气体传感单元221包括但不限于：压力传感器、温度传感器及湿度传感器；压力传感器、温度传感器及湿度传感器均设置在气体压缩腔室212中，并与控制单元222电连接。
[0038]
优选地，对样本气体进行压缩的目标压强值的取值范围为40-130kpa，气体目标压强值的参考值设为60kpa，不同对样本气体进行压缩的目标压强值在相同的温度、湿度条件下产生的粒子数量不同，例如目标压强值为40kpa，温度为27℃，湿度为50％时，产生的粒子数记为a；在目标压强值为100kpa，温度为27℃，湿度为50％时，产生的粒子数记为b，则b的数量大于a。
[0039]
在常温状态下，湿度越大，粒子数越多。不同温度与湿度状态下的粒子数量不相同，每一次粒径放大过程中，温度与湿度均不相同，产生的粒子数量也不相同，每次粒径放大过程中，记录气体压缩腔室212中的温度及湿度的变化数据，结合不同温度与湿度下的粒子浓度数量变化，后台的数据中心对数据进行处理，对所监测场所内有害粒子情况进行分析与预测，及时发送预警和报警。
[0040]
在进一步的实施例中，气体压缩腔室212为绝热腔室。绝热腔室使得样本气体的“压缩”过程为绝热压缩，即气体在和外界没有热交换的情况下进行压缩。
[0041]
在进一步的实施例中，气体抽样装置1包括风机11、抽样管14、过滤组件12以及电磁阀13；抽样管14的气体输入端与风机11的气体输出端连接；抽样管14的气体输出端与过滤组件12的气体输入端连接；过滤组件12的气体输出端与电磁阀13的气体输入端连接；电磁阀13的气体输出端与气体压缩泵211的气体输出端连接。风机11为气流控制风机，风机11根据进气口的气流变化，发出相应频率的反馈信号给数据分析组件34，数据分析组件34根据反馈信号调整风机转速，以满足不同的检测灵敏度要求。过滤组件12可以将空气中的粉尘等杂质除去，防止纳米探测系统受到粉尘等杂质的影响而误报。
[0042]
上述实施例中，过滤组件12的数量至少为2个；数据分析组件34可以通过控制电磁
阀13的开启或关闭来决定任何一路的过滤组件12中的气体是否被抽入进行采样。
[0043]
在进一步的实施例中，如图2所示，粒子探测装置3包括设置在气体压缩腔室212中的激光发射器31以及光电传感器32；光电传感器32接收激光发射器31照射在小水滴上产生的折射光。光电传感器32安装在气体压缩腔室212上，且光电传感器32的第一入射光轴与激光发射器31的发射光轴垂直；光电传感器32与激光发射器31均与数据分析组件34电连接；激光发射器31能够发送波长400-980nm、功率10mw-100mw的激光源；光电传感器32能够接受特定波长的光，并转换为电路单元可识别放大的电流信号；光电传感器32具有高灵敏度、超低静态电流的特点。
[0044]
在云雾形成的瞬间，通过激光发射器31发射出红外激光射入气体压缩腔室212中，照射在雾状水滴上就会形成散射光，光电传感器32就吸收侧面方向上特定范围内的散射光，形成电信号，这个电信号首先经过一个电流-电压的转换电路单元，将电流信号转成100mv以上的电压信号，这个电压信号经过信号放大电路后，又被放大到可被数据分析组件34的内部ad转换电路识别的程度，数据分析组件34将这个转换以后的光强度信息，运用粒子浓度诊断算法，计算出气体压缩腔室212内粒子的浓度。
[0045]
上述实施例中，粒子浓度诊断方法是指在光的mie散射理论基础上，综合运用相关算法，用光电传感器32采集被气体压缩腔室212内粒子散射的散射光，对光通量进行模拟，得出粒子数与采集到的光电信号之间的关系，从而计算出气体压缩腔室212内样品空气中的粒子数。而空气中灰尘粒子的数量远小于0.002μm次微米粒子的数量(约为1：25以上)，粒子数量变为可计数时，即可藉由空气中存在的灰尘数量最大值(不超过60000/cc)来将热劣化警报门坎设定在灰尘数量最大值以上，如100000/cc，即可远离误报的困扰，并可在有害粒子产生阶段迅速反应。
[0046]
上述实施例中，数据分析组件34与激光发射器31电连接，激光发射器31以一定频率的pwm脉冲来控制，pwm脉冲通过不同的占空比来让激光发射器31发射不同强度的红外光，进而调整对粒子探测的灵敏度。
[0047]
上述实施例中，根据气体压缩腔室212的内部容积，气体的释放过程会持续一段时间，设释放时间为t秒。在t秒内，气体释放过程会基于威尔逊云室的基本原理，使空气瞬间膨胀，温度降低达到过饱和状态，过饱和状态的水汽就会在气体压缩腔室212中的所有粒子上产生凝结核，即从最小粒径可至0.002μm的不可见次微米粒子膨胀到一颗颗约为20μm的小水滴，形成云雾，实现对粒子直径的放大，激光源发射出的红外激光在t秒内能够在雾状水滴上形成折射光，光电传感器32就吸收侧面方向上特定范围内的散射光，形成电信号，这个电信号首先经过一个电流-电压的转换电路单元，将电流信号转成100mv以上的电压信号，这个电压信号经过信号放大电路后，又被放大到可被数据分析组件34内部ad转换电路识别的程度，数据分析组件34将这个转换以后的光强度信息，运用粒子浓度诊断算法，计算出气体压缩腔室212内粒子的浓度。
[0048]
在进一步的实施例中，如图2所示，粒子探测装置3还包括数据分析组件34、报警组件33以及通信组件36；数据分析组件34分别与光电传感器32、激光发射器31、报警组件33以及通信组件331电连接。
[0049]
报警组件33与数据分析组件34电连接；报警组件33包括显示屏直接显示报警信息的方式、led灯闪烁和蜂鸣器的声光报警的方式、以及通过物联网通信单元发送给用户终端
报警的方式；数据分析组件34计算并判断粒子的浓度范围属于报警范围时，会发送指令，控制报警组件33报警。
[0050]
通信组件36包括通信单元331及服务器332；通信单元331的输入端与数据分析组件34的输出端连接；服务器332的输入端与通信单元331的输出端连接；通信单元331采用窄带物联网nb-iot方式，其与lte蜂窝网络标准兼容，具有低功耗、低成本、传输距离远、数据传输速率高等优点，通过通信单元331将信息传递到服务器332上进行存储，服务器332为云端服务器，用户通过终端设备连接，便可对粒子浓度变化曲线、历史系统状态数据、历史报警数据、历史操作记录数据等数据信息的展示和查询，对采集大数据进行统计处理，对监测场所内有害粒子情况进行分析与预测，并发送预警和报警。
[0051]
在另一实施例中，通信组件36还可以采用有线以太网通信、蓝牙、zigbee、ieee 802.15.4、weightless-n、wi-fi、lte cat 0/1等方式。
[0052]
下面以典型的火灾热分解预警为例，通过更加具体的实施过程对上述压缩气体凝结核方法和设备在热劣化探测方面的应用方式进行详细说明。
[0053]
从控制单元222处设定好气体压缩过程的目标参数。数据分析组件34控制气体抽样装置1随机从任意地点抽取样本气体，并通过过滤组件12过滤后通入气体压缩泵211中，气体压缩泵211将气体以一定的频率连续打入气体压缩腔室212中，气体传感单元221监测压缩气体的各项状态，并在达到目标状态参数时控制气体压缩组件21释放被压缩的样本气体，使得样本气体中的直径最小至0.002μm的不可见粒子放大成直径范围为10μm-20μm的可探测的小水滴，激光发射器31射出激光源照射在小水滴上产生折射光，光电传感器32接收折射光，形成电信号，这个电信号首先经过一个电流-电压的转换电路单元，将电流信号转成100mv以上的电压信号，这个电压信号经过信号放大电路后，又被放大到可被数据分析组件34的内部ad转换电路识别的程度，数据分析组件34将这个转换以后的光强度信息，运用粒子浓度诊断算法，计算出气体压缩腔室212内粒子的浓度。
[0054]
上述实施例中，粒子浓度诊断方法是指在光的mie散射理论基础上，综合运用相关算法，用光电传感器32采集被气体压缩腔室212内粒子散射的散射光，对光通量进行模拟，得出粒子数与采集到的光电信号之间的关系，从而计算出气体压缩腔室212内样品空气中的粒子数。而空气中灰尘粒子的数量远小于0.002μm次微米粒子的数量(约为1：25以上)，粒子数量变为可计数时，即可藉由空气中存在的灰尘数量最大值(不超过60000/cc)来将热劣化警报门坎设定在灰尘数量最大值以上，如100000/cc，即可远离误报的困扰，并可在火灾的极早期迅速反应。
[0055]
上述实施例中，目标压强为：30kpa～150kpa；优选地，目标压强为：50kpa～110kpa。气体压缩泵211可以对气体压缩腔室212以5l/min的气流量进行打气，最高打气气压达到130kpa，也可以以5l/min的气流量从气体压缩腔室212中往外抽气，最高抽气真空压力达到70kpa。
[0056]
优选地，对样本气体进行压缩的目标压强值的取值范围为40-130kpa，气体目标压强值的参考值设为60kpa，不同对样本气体进行压缩的目标压强值在相同的温度、湿度条件下产生的粒子数量不同，例如目标压强值为40kpa，温度为27℃，湿度为50％时，产生的粒子数记为a；在目标压强值为100kpa，温度为27℃，湿度为50％时，产生的粒子数记为b，则b的数量大于a。
[0057]
在常温状态下，湿度越大，粒子数越多。不同温度与湿度状态下的粒子数量不相同，每一次粒径放大过程中，温度与湿度均不相同，产生的粒子数量也不相同，每次粒径放大过程中，记录气体压缩腔室212中的温度及湿度的变化数据，结合不同温度与湿度下的粒子浓度数量变化，后台的数据中心对数据进行处理，对所监测场所内火情情况进行分析与预测，及时发送热劣化预警和报警。
[0058]
在进一步的实施例中，气体压缩腔室212为绝热腔室。绝热腔室使得样本气体的“压缩”过程为绝热压缩，即气体在和外界没有热交换的情况下进行压缩。
[0059]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。