烟囱气体自动检测装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提出一种烟囱气体自动检测装置，包括：设置在烟囱烟道内的至少一个纳米发电机，当烟囱有气体输出时，纳米发电机受气体吹动发生机械形变，输出交流脉冲电信号；连接至少一个纳米发电机并对交流脉冲电信号进行处理的信号采集器，信号采集器根据交流脉冲电信号输出相应的中间电信号；连接信号采集器并对中间电信号进行判断处理的中央处理器，中央处理器根据所述中间电信号输出相应的控制信号；以及连接中央处理器的气体检测设备，气体检测设备根据控制信号进行开启或关闭。该烟囱气体自动检测装置，灵敏度高，误报率低，且无需人为干预即可完成电路智能化通断，使用便利，节能环保，使用寿命更长，系统稳定性高。
【专利说明】烟囱气体自动检测装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及电器领域，具体涉及一种烟囱气体自动检测装置。
【背景技术】
[0002] 智能控制装置是指利用控制板和电子元器件的组合及编程，以实现电路智能化通 断。现有的智能控制装置种类繁多，且其使用环境也较为广泛，主要应用于家居智能化改 造、办公室智能化改造、工厂智能化改造、农林渔牧智能化改造等项目。
[0003] 但是，这些智能控制装置都需要人为的干预来完成电路智能化的通断，且在工厂 烟囱的排烟口等恶劣环境中，很难保证其工作的可靠性和稳定性，因此现有技术中缺少一 种既不需要人为干预来完成电路智能化通断，又能在恶劣环境中可靠、稳定工作的智能控 制装置。 实用新型内容
[0004] 本实用新型旨在解决智能控制装置依赖人工干预、稳定可靠性差的技术问题。为 此，本实用新型的目的在于提出一种无需人工干预、稳定可靠性好的烟囱气体自动检测装 置。
[0005] 根据本实用新型实施例的烟囱气体自动检测装置，包括：设置在烟囱烟道内的至 少一个纳米发电机，当烟囱有气体输出时，纳米发电机受气体吹动发生机械形变，输出交流 脉冲电信号；连接至少一个纳米发电机并对交流脉冲电信号进行处理的信号采集器，信号 采集器根据交流脉冲电信号输出相应的中间电信号；连接信号采集器并对中间电信号进行 判断处理的中央处理器，中央处理器根据中间电信号输出相应的控制信号；以及连接中央 处理器的气体检测设备，气体检测设备根据控制信号进行开启或关闭。
[0006] 该烟囱气体自动检测装置中，采用纳米发电机作为触发器，灵敏度高，误报率低， 且无需人为干预即可完成电路智能化通断，使用便利，以及，气体检测设备仅有需要检测时 才进行供电工作，节能环保；同时纳米发电机作为无源器件，其在烟?这种恶劣环境下的使 用寿命更长，进一步的增强了整个系统的稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0007] 图1是本实用新型一个实施例的烟囱气体自动检测装置的结构示意图。
[0008] 图2是本实用新型一个实施例的烟囱气体自动检测装置中的信号采集器的结构 示意图。
[0009] 图3是本实用新型一个实施例的包括继电器的烟囱气体自动检测装置的结构示 意图。
[0010]图4是本实用新型另一个实施例的烟囱气体自动检测装置中的信号采集器的结 构示意图。
[0011] 图5(a)至图5(d)是本实用新型实施例的不同结构的摩擦发电机的结构示意图。
[0012] 图6 (a)至图6(d)是本实用新型实施例的不同结构的氧化锌纳米发电机的结构示 意图。
[0013] 图7是本实用新型一个实施例的纳米发电机设置在排烟口处的示意图，其中（a) 为俯视图，（b)为侧视图。
[0014] 图8是本实用新型另一个实施例的纳米发电机设置在排烟口处的示意图，其中 (a)为俯视图，（b)为侧视图。
【具体实施方式】
[0015] 下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始 至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参 考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型 的限制。
[0016] 如图1所示，本实用新型第一方面实施例的烟囱气体自动检测装置，包括：至少一 个纳米发电机11、信号采集器12、中央处理器13和气体检测设备14。
[0017] 其中，至少一个纳米发电机11可以是摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机，本领 域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定，其具体结构及原理将在后面进行详细 描述。可以将至少一个纳米发电机11设置于烟囱烟道内。当烟囱排放气体时，至少一个纳 米发电机11由于被吹动而产生机械形变，从而产生交流脉冲电信号。纳米发电机11的数 量可以为一个，也可以为多个。当为多个纳米发电机时，纳米发电机之间通过串联和/或并 联的方式连接，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
[0018] 其中，如图1所示，信号采集器12的输入端与至少一个纳米发电机11的输出端相 连，用于对至少一个纳米发电机11产生的交流脉冲电信号进行处理。可选地，如图2所示， 信号采集器12可以具体包括：整流电路121、滤波电路122、放大电路123和A/D转换电路 124。整流电路121的输入端与至少一个纳米发电机11的输出端相连，用于将至少一个纳米 发电机11的输出端输出的交流脉冲电信号进行整流处理，得到单向脉动的直流电信号。滤 波电路122的输入端与整流电路121的输出端相连，用于滤除整流电路122的输出端输出 的单向脉动的直流电信号中的干扰杂波。放大电路123的输入端与滤波电路122的输出端 相连，用于将滤波电路122的输出端输出的直流电信号进行放大处理。A/D转换电路124的 输入端与放大电路123的输出端相连，用于对放大电路123输出端输出的放大后的单向脉 动的直流电信号进行模数转换，将模拟电信号转换为数字电信号以输出给中央处理器13， 此处信号处理器输出的中间电信号为数字电信号。另外，A/D转换电路124可以采用单独 的A/D转换芯片实现，也可以采用中央处理器13自身携带的A/D转换电路，本领域技术人 员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
[0019] 其中，如图1所示，中央处理器13的输入端与信号采集器12的输出端相连，根据 信号采集器12输出端输出的中间电信号进行判断处理，并输出控制信号。
[0020] 可选的，中央处理器13包括具有判断处理功能的单片机（MCU)。本实用新型对单 片机（MCU)的类型不做限制，可以选用各种MCU，例如MSP430芯片。需要说明的是，该中央 处理器13实现的是对电信号与预设阈值进行比较的功能，及信号产生开始的计时功能。经 MCU处理后会对应输出控制信号，此控制信号包括开启信号与关闭信号。此种工作模式将在 下文对该实施例的工作流程介绍中具体描述。
[0021] 可选的，中央处理器13可以采用电压比较器与计时器配合使用来取代各种MCU。 此种硬件组合的工作模式如下：电压比较器接收到信号处理器12输出的中间电信号后与 其内的预设阈值进行比较，比较合格后计时器开始计时，达到计时时间后，直接将信号处理 电路12输出的中间电信号作为控制信号来控制车载空气净化设备14开启；当比较不合格 和/或计时时间不足时，中央处理器13不输出控制信号，此时车载空气净化设备14关闭。 电压比较器及计时器等硬件的具体型号及电路布置不做限定，本领域技术人员可以根据需 要进行选择。
[0022] 其中，如图1所示，气体检测设备14与中央处理器13相连，根据中央处理器13 输出端输出的控制信号开启和关闭。气体检测设备14用于检测周围环境的气体成分及含 量。需要说明的是，该气体检测设备14为本领域技术人员的公知技术，可以根据需要灵活 选择。在本实用新型的一个实施例中，可以采用能够同时检测S0 X、N0X、C0、C10X等污染性气 体是否存在并准确测定其含量的气体检测设备14。
[0023] 该烟囱气体自动检测装置的具体工作过程如下所述：当烟囱排出气体经过至少一 个纳米发电机11时，由于气流吹动的作用力使至少一个纳米发电机11产生机械形变，从而 产生交流脉冲电信号。该交流脉冲电信号随后输出给信号采集器12进行整流、滤波、放大 和A/D转换，继而输出适合中央处理器13处理的数字电信号。当该数字电信号被中央处理 器13接收到时，中央处理器13处理后输出控制信号给气体检测设备14,气体检测设备14 根据接收到的控制信号进行开启或关闭。
[0024] 由上可知，本实用新型的烟囱气体自动检测装置，采用纳米发电机作为传感器来 持续感知烟囱内排放气体吹动的机械能，并将此机械能转换为电信号，该电信号会经过信 号采集器输出给中央处理器进行判断处理，从而实现智能控制气体检测设备的开启和关 闭。该烟囱气体自动检测装置，由于采用纳米发电机作为触发器，不仅灵敏度高，而且误报 率低，且无需人为干预即可完成电路智能化通断，给用户的使用的带来极大的便利。气体检 测设备只有需要检测时才进行供电工作，极大的节约了能源，保护了环境。同时纳米发电机 作为无源器件，其在烟?这种恶劣环境下的使用寿命更长，进一步的增强了整个系统的稳 定性。
[0025] 在本实用新型的一个实施例中，基于弱电控制强电的需要，烟囱气体自动检测装 置还可以包括：设在中央处理器13与气体检测设备14之间的继电器15,如图3所示。假 设气体检测设备14工作电压是市电220V，而中央处理器13的工作电压仅有3. 3V，因此不 能由中央处理器13来直接控制气体检测设备14。采用继电器15可以实现通过弱电控制强 电的目的。如图3所示，继电器15的A脚和B脚之间连接电磁铁，C脚连接市电电路的火 线，D脚连接气体检测设备14的火线。当电路给A脚和B脚之间通电，继电器15中的电磁 铁就会产生吸力将C脚与D脚之间的触片吸合，从而控制气体检测设备14开启。
[0026] 可选地，如图4所示，为本实用新型的另一个实施例的烟囱气体自动检测装置的 示意图，该实施例中进一步设置有储能电路16。其中，储能电路16的输入端与至少一个纳 米发电机11的输出端相连，用于接收并存储其产生的电能；储能电路16的输出端与用电器 件相连并为其供电。此处用电器件可以为信号处理器12和中央处理器13,同时还可以为其 他用电器件，如照明装置、传感器等，此处不做具体限定。该储能电路包括转换电路及储能 器，两者皆为现有技术中的产品，本领域技术人员可以根据需要进行选择，此处不做限定。
[0027] 在本实用新型的一个实施例中，至少一个纳米发电机11设在烟囱烟道的排烟口 处。需要说明的是，至少一个纳米发电机11也可以设在烟囱的其他位置，如烟囱烟道的进 烟口处，但进烟口处温度较高，会加速系统中各个硬件的老化，因此优选设置在温度较低的 排烟口处。
[0028] 为使本领域技术人员更好地理解，下面结合图5(a)至图5(d)举例介绍本实用新 型实施例中的摩擦发电机的具体结构。
[0029] 在本实用新型的一个实施例中，可采用如图5(a)所示的具有三层结构的摩擦发 电机。如图5(a)所示，摩擦发电机包括：依次层叠的第一电极层1001，第一高分子聚合物 绝缘层1002和第二电极层1003。该摩擦发电机的各层受到外力时，第二电极层1003与第 一高分子聚合物绝缘层1002之间的表面相互摩擦产生静电荷而进行发电。
[0030] 在本实用新型的一个实施例中，可采用如图5(b)所示的具有四层结构的摩擦发 电机。如图5(b)所示，摩擦发电机包括：依次层叠的第一电极层2001，第一高分子聚合物 绝缘层2002,第二高分子聚合物绝缘层2004和第二电极层2003。该摩擦发电机的各层受 到外力时，第一高分子聚合物绝缘层2002和第二高分子聚合物绝缘层2004之间的表面相 互摩擦产生静电荷而进行发电。
[0031] 在本实用新型的一个实施例中，可采用如图5(c)所示的具有五层结构的摩擦发 电机。如图5(c)所示，摩擦发电机包括：依次层叠的第一电极层3001，第一高分子聚合物 绝缘层3002,居间薄膜层3005,第二高分子聚合物绝缘层3004和第二电极层3003。该摩擦 发电机的各层受到外力时，第一高分子聚合物绝缘层3002和居间薄膜层3005之间的表面 相互摩擦以及第二高分子聚合物绝缘层3004和居间薄膜层3005之间的表面相互摩擦产生 静电荷而进行发电。
[0032] 在本实用新型的一个实施例中，可采用如图5(d)所示的另一种具有五层结构的 摩擦发电机。如图5(d)所示，摩擦发电机包括：依次层叠的第一电极层4001，第一高分子 聚合物绝缘层4002,居间电极层4006,第二高分子聚合物绝缘层4004和第二电极层4003。 该摩擦发电机的各层受到外力时，第一高分子聚合物绝缘层4002和居间电极层4006之间 的表面相互摩擦以及第二高分子聚合物绝缘层4004和居间电极层4006之间的表面相互摩 擦产生静电荷而进行发电。
[0033] 由上可知，当纳米发电机为摩擦发电机时，摩擦发电机中各个内部结构层可以采 用两端固定的形式，外力（例如风力）沿垂直方向作用于纳米发电机的外部可以使纳米发 电机发电。摩擦发电机的各个内部结构层也可以采用一端固定一端自由的形式，同时各个 内部结构层之间留有间隙以便气流通过,气流从摩擦发电机内部通过时可以使各个内部结 构层抖动而相互摩擦发电。
[0034] 为使本领域技术人员更好地理解，下面结合图6(a)至图6(d)举例介绍本实用新 型实施例中的氧化锌纳米发电机的具体结构。
[0035] 本实用新型的第一种结构的氧化锌纳米发电机如图6(a)和图6(b)所示。该氧化 锌纳米发电机包括：依次层叠的第一电极层5001，第一高分子聚合物绝缘层5002,氧化锌 纳米阵列5000以及第二电极层5003。该氧化锌纳米发电机的各层受到外力时，氧化锌纳米 阵列5000发生形变。由于氧化锌材料的压电效应，氧化锌纳米阵列5000两端出现电势差， 从而可以在第一电极层5001与第二电极层5003之间的外接电路中产生电流。第一高分子 聚合物绝缘层5002用于绝缘，防止正负电荷在发电机内部中和。
[0036] 本实用新型的第二种结构的氧化锌纳米发电机如图6(c)和图6(d)所示。如图 所示，该氧化锌纳米发电机包括：依次层叠的第一电极层6001、第一高分子聚合物绝缘层 6002、氧化锌纳米线阵列6000、第二高分子聚合物绝缘层6004和第二电极层6003。该氧化 锌纳米发电机的各层受到外力时，氧化锌纳米阵列6000发生形变。由于氧化锌材料的压 电效应，氧化锌纳米阵列6000两端出现电势差，从而可以在第一电极层6001与第二电极层 6003之间的外接电路中产生电流。第一高分子聚合物绝缘层6002和第二高分子聚合物绝 缘层6004用于绝缘，防止正负电荷在发电机内部中和。
[0037] 由上可知，当纳米发电机为氧化锌纳米发电机时，氧化锌纳米发电机中各个内部 结构层可以采用两端固定的形式，外力（例如风力）沿垂直方向作用于纳米发电机的外部 可以使纳米发电机发电。
[0038] 综上，本实用新型中采用的纳米发电机均为多层结构。需要说明的是，纳米发电机 还可以包括起外部保护作用的外框和/或其起内部支撑作用的支撑结构，具体形式本文不 做限定。
[0039] 在本实用新型的一个实施例中，纳米发电机11为边缘经过封边处理的薄膜状的 摩擦发电机或氧化锌纳米发电机，纳米发电机11的两端通过弹簧21设置在排烟口处，如 图7(a)和图7(b)所示。当有烟气从烟囱20中排出时，纳米发电机11在气流的作用力下 首先向上运动，弹簧21发生形变。随后纳米发电机11在弹性连接件21的回弹力的作用下 向下运动。随着时间延长，纳米发电机11反复进行上述动作，这样可以使得纳米发电机11 始终能够灵敏地检测到是否有烟气排出。需要说明的是，尽管图7的实施例中采用的是图 7(b)所示的四层结构的摩擦发电机，但此处仅为示例的方便，而非技术上的限定。具体地， 该纳米发电机11的边缘具有封边结构31，其中的第一电极层2001、第一高分子聚合物绝缘 层2002、第二高分子聚合物绝缘层2004和第二电极层2003的左右两端分别固定在封边结 构31的内侧壁上。相邻纳米发电机11的封边结构31的两端通过弹簧21进行固定。
[0040] 在本实用新型的另一个实施例中，烟囱烟道的排烟口内壁上贴合设置有纳米发电 机固定装置32,纳米发电机固定装置32内部具备有与烟囱排放气体方向相同的风道。纳 米发电机11设置在纳米发电机固定装置32的风道内部，纳米发电机11的一端固定设置、 另一端自由设置，自由设置的一端可在烟囱排出气体吹拂下自由摆动，如图7 (a)和图7 (b) 所示。当有烟气从烟囱20排出时，烟气从纳米发电机固定装置的风道内部通过，使得纳米 发电机11中的各个内部结构层产生抖动而相互摩擦，产生交流脉冲电流输出。需要说明的 是，尽管图7的实施例中采用的是图4(b)所示的四层结构的摩擦发电机，但此处仅为示例 的方便，而非技术上的限定。具体地，该摩擦发电机中，第一电极层2001和第二电极层2003 的一端（即固定端）分别固定在纳米发电机固定装置32的底壁上，另一端（即自由端）不 做固定，同时第一高分子聚合物绝缘层2002和第二高分子聚合物绝缘层2004分别贴合固 定在第一电极层2001和第二电极层2003的相对的两侧表面上。当有烟气从烟@ 20排出 时，烟气从纳米发电机固定装置32内的风道通过，使得第一高分子聚合物绝缘层2002和第 二高分子聚合物绝缘层2004产生抖动而相互摩擦，产生交流脉冲电流输出。其中，优选固 定端设置在邻近气流上游位置、自由端设置在邻近气流下游位置。这样设置可以使得烟气 气流从纳米发电机11内部通过时，各个内部结构层能够更好地产生抖动而相互摩擦生电， 能够提高检测灵敏度。
[0041] 在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽 度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"坚直"、"水平"、"顶"、"底""内"、"外"、"顺 时针"、"逆时针"、"轴向"、"径向"、"周向"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位 或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或 元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限 制。
[0042] 此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性 或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或 者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，"多个"的含义是至少两个，例如两 个，三个等，除非另有明确具体的限定。
[0043] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"、"固 定"等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是 机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个 元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技 术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
[0044] 在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征"上"或"下" 可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特 征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅 表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"可 以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。 [0045] 流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括 一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部 分，并且本实用新型的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论 的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本 实用新型的实施例所属【技术领域】的技术人员所理解。
[0046] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表 述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以 在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域 的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进 行结合和组合。
[0047] 尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是 示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围 内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【权利要求】
1. 一种烟@气体自动检测装置，其特征在于，包括： 设置在烟囱烟道内的至少一个纳米发电机，当所述烟囱有气体输出时，所述纳米发电 机受气体吹动发生机械形变，输出交流脉冲电信号； 连接所述至少一个纳米发电机并对所述交流脉冲电信号进行处理的信号采集器，所述 信号采集器根据所述交流脉冲电信号输出相应的中间电信号； 连接所述信号采集器并对所述中间电信号进行判断处理的中央处理器，所述中央处理 器根据所述中间电信号输出相应的控制信号；以及 连接所述中央处理器的气体检测设备，所述气体检测设备根据所述控制信号进行开启 或关闭。
2. 根据权利要求1所述的烟囱气体自动检测装置，其特征在于，所述至少一个纳米发 电机为摩擦发电机和/或氧化锌纳米发电机。
3. 根据权利要求1所述的烟囱气体自动检测装置，其特征在于，所述纳米发电机的数 目为多个时，多个所述纳米发电机通过串联和/或并联方式连接。
4. 根据权利要求1所述的烟囱气体自动检测装置，其特征在于，所述纳米发电机为边 缘经过封边处理的薄膜状摩擦发电机或氧化锌纳米发电机，所述纳米发电机的两端通过弹 簧设置在所述烟?烟道的排烟口处。
5. 根据权利要求1所述的烟@气体自动检测装置，其特征在于，还包括：贴合设置在所 述烟囱烟道的排烟口内壁上的纳米发电机固定装置，所述纳米发电机固定装置内部具备有 与所述烟囱排放气体方向相同的风道。
6. 根据权利要求5所述的烟?气体自动检测装置，其特征在于，所述纳米发电机设置 在所述纳米发电机固定装置的风道内部，所述纳米发电机的一端固定设置另一端自由设 置，所述自由设置的一端可在烟囱排出气体吹拂下自由摆动。
7. 根据权利要求1所述的烟@气体自动检测装置，其特征在于，所述中央处理器包括 电压比较器，其中： 所述电压比较器输出的所述控制信号为经过其比较后的所述信号采集器输出的中间 电信号。
8. 根据权利要求7所述的烟?气体自动检测装置，其特征在于，所述中央处理器进一 步包括计时器。
9. 根据权利要求1所述的烟@气体自动检测装置，其特征在于，所述中央处理器为单 片机，其中： 所述单片机输出的所述控制信号包括开启信号和关闭信号。
10. 根据权利要求1所述的烟?气体自动检测装置，其特征在于，还包括：设在所述中 央处理器与所述气体检测设备之间的继电器。
11. 根据权利要求1所述的烟?气体自动检测装置，其特征在于，还包括：储能电路，所 述储能电路与所述至少一个纳米发电机连接，用于存储所述至少一个纳米发电机产生的电 能并为用电器件供电。
【文档编号】G05B19/04GK203894569SQ201420253296
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年5月16日 优先权日:2014年5月16日
【发明者】徐传毅 申请人:纳米新能源（唐山）有限责任公司