一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置

本发明涉及仿生控制技术领域，特别涉及一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置。

背景技术：

鉴于新冠疫情的爆发，世界各国相对出台了各类对于突发性公共安全事件的应对措施。其中，如何限制公共传染性疾病在人群中的大范围传播是应对措施中的关键任务之一。然而，人体之间流场空间的病毒消杀是一个涉及医学研究和工程应用的学科交叉相关问题。现有病毒传播模拟和消杀测试的方法大多基于恒定浓度、恒定病原体播撒速度的病毒消杀效果测试，并无法模拟携带病原体的患者其真实的病原体传播状态。为了真实地还原人体在呼吸、咳嗽、打喷嚏等过程中的气流状态，需要针对气流的流速、流向以及气液混合的流场状态进行全方位的还原。

目前，能够对包含气溶胶成分的人体呼吸进行模拟的专用装置极少。最常用的病原体传播气溶胶播撒方式为通过雾化装置(如超声波雾化，高速喷嘴雾化等)进行匀速直接播撒。上述播撒方式虽然能够实现气溶胶颗粒在空间中的播撒，但是无法模拟人体呼吸时的真实工况。主要表现在以下几个方面：

1.无法模拟人体的吸气状态，即无法吸收部分周围流场的空气。

2.只能通过一个恒定的速度控制气溶胶颗粒的播撒速度，无法准确还原人体在呼吸过程中气流的起伏变化。亦无法模拟人体在咳嗽、打喷嚏等生理场景下气溶胶混合气体的初始速度、初始浓度，以及在行为过程中各种参数的衰减特征。

3.无法精确控制气液混合物中气溶胶成分的比例。

4.暂无针对不同生理模式下气溶胶播撒进行精确控制的系统。

技术实现要素：

本发明提供了一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置，其目的是为了解决背景技术中不能模拟包含气溶胶成分的人体呼吸的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供的一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置，包括支撑结构及设于其中的伺服控制系统、响应系统、开关控制系统、管路系统、气液混合流体出入口，以及分别与所述伺服控制系统、所述响应系统、所述开关控制系统通过专用电源接口连接的电源系统，所述伺服控制系统分别与所述响应系统及所述开关控制系统连接，所述响应系统通过专用管路接口与所述管路系统连接，所述管路系统通过专用管路接口与所述气液混合流体出入口连接，所述开关控制系统控制所述管路系统与所述气液混合流体出入口之间的开闭，所述响应系统包括并联设置的空气泵及气溶胶雾化器，所述空气泵包括并联式设置的空气泵一、空气泵二及空气泵三，所述管路系统为o型管路，包括并联式连接的管路一支管一及管路一支管二，以及与其分别连接的管路一总管，并联式连接的管路二支管一及管路二支管二，以及与其分别连接的管路二总管，所述空气泵一与所述管路一支管一连接，所述空气泵二与所述管路一支管二连接，所述空气泵三与所述管路二支管一连接，所述气溶胶雾化器与所述管路二支管二连接，所述开关控制系统包括电磁阀一及电磁阀二，所述电磁阀一与所述管路一总管连接，所述电磁阀二与所述管路二总管连接。

优选地，所述空气泵一、所述空气泵二、所述空气泵三均为伺服电机调节型空气泵，调节气体的进出气模式以及风量。

优选地，所述伺服控制系统包括中央控制单元及控制代码，所述控制代码用于所述中央控制单元对所述响应系统及所述开关控制系统进行控制。

优选地，所述伺服控制系统还包括与所述电源系统连接的信号/电源输出系统，所述空气泵一、所述空气泵二、所述空气泵三及所述气溶胶雾化器均与所述信号/电源输出系统连接，所述信号/电源输出系统设置所述空气泵一、所述空气泵二、所述空气泵三及所述气溶胶雾化器的气液输入，调节气液两相流动中气溶胶成分的比例以及混合气体的初始流速。

优选地，所述管路系统的长度通过经过试验和模拟研究得出的空气动力学公式进行控制，具体为：

出气管的总长度：lc＝f(rc,rc,vrefc,fc,)，其中，lc是出气管的总长度，rc是出气o型管的形状半径，rc是出气管内部半径，vrefc是出气管气流的最大流速，fc是出气管对应的空气泵的响应频率；

进气管的总长度：lj＝f(rj,rj,vrefj,fj,)，其中，lj是进气管的总长度，rj是进气o型管的半径，rj是进气管内部半径，vrefj是进气管气流的最大流速，fj是进气管对应的空气泵的响应频率。

优选地，在呼吸仿生模拟中，所述空气泵一一开始处于打开状态，靠读取过代码的中央控制单元通过调整所述信号/电源输出系统控制空气泵一的输出流速和流量从而模拟呼气过程；继而空气泵一关闭，空气泵二打开，靠读取过代码的中央控制单元通过调整所述信号/电源输出系统控制空气泵二的输出流速和流量从而模拟吸气过程；通过中央控制单元读取的代码控制呼气吸气每个步骤的时间、流速变化情况，以及整体呼吸仿生过程需要的模拟的时间周期。

优选地，在对包括咳嗽、打喷嚏的生物行为的模拟中，所述电磁阀一一开始处于关闭状态，靠所述空气泵一向管路中注入压力；注入压力时间表示为：t＝f(rt,rt,vt)，其中，t是所述电磁阀一关闭时间，rt是打喷嚏或咳嗽工况下o型管路的形状半径，rt是o型管路内部的半径，vt是所述电磁阀一打开时出气口的初始速度。

优选地，仿生模拟中，通过所述电磁阀二的开闭，控制气溶胶成分的输出；

通过所述控制代码控制的所述中央控制单元和所述信号/电源输出系统，控制所述空气泵三和所述气溶胶雾化器的输出功率，调整气溶胶浓度的范围使其达到目标浓度n1，继而在所述空气泵一开启、所述空气泵二关闭的情况下，将所述电磁阀二打开，通过所述控制代码控制的所述中央控制单元和所述信号/电源输出系统，控制所述空气泵一的输出功率，将气液混合流体出入口的气溶胶浓度调整为n2，该浓度即为进行仿生实验时呼出气体的目标气溶胶浓度；

其中，空气泵一，空气泵三和气溶胶雾化器的输出功率控制函数分别为p21(v,i)＝h21(n1,n2,v41)，p23(v,i)＝h23(n2)，p24(v,i)＝h24(n2)，其中v41为气液混合流体出入口的目标流速；

向管路中注入压力；注入压力时间表示为：t＝f(rt,rt,vt)，其中，t是所述电磁阀一关闭时间，rt是打喷嚏或咳嗽工况下o型管路的形状半径，rt是o型管路内部的半径，vt是所述电磁阀一打开时出气口的初始速度。

优选地，所述支撑结构为铝合金材质。

优选地，所述响应系统通过专用管路接口与所述管路系统连接，所述管路系统通过专用管路接口与所述气液混合流体出入口连接，所述电源系统分别通过专用电源接口与所述伺服控制系统、所述响应系统、所述开关控制系统连接。

采用本发明能达到的技术效果为：

采用伺服电机调节空气泵功率的方式调节气体的进出气模式以及风量。通过电源输出控制系统对空气泵和气溶胶雾化器输入，调节气液两相流动中气溶胶成分的比例以及混合气体的初始流速。通过对出气管及进气管长度和形状半径的设计以及伺服电路对开关控制系统的控制，实现对进出气均匀性的调节以及混合气体在出气口流速的调节。

通过对控制代码和对伺服系统进行编程，实现对人体的呼吸、咳嗽、打喷嚏等工况的短期和长期模拟。

通过本装置的设计，能够全方位还原传染性病原体携带者在不同状态下向外界传播病原体的状态。从而更加有效的捕捉病原体颗粒在流场中的传播状态和分布规律。其次，本装置还可以更广泛地应用于各类开放、封闭或者半封闭空间内，单传染源、多传染源下的复杂环境病原体传播规律和消杀效果研究。对公共安全事件下的应对措施和消杀装置的效果验证具有重要的保障作用广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明的一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置的一较佳实施例的结构示意图；

图2为本发明的一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置的一较佳实施例的气溶胶雾化器、空气泵三的输入功率和气液混合流体出入口的气体流速的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明针对现有的问题，提供了一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置，如图1所示，包括支撑结构及设于其中的伺服控制系统1、响应系统2、开关控制系统3、管路系统4、气液混合流体出入口5，以及分别与所述伺服控制系统1、所述响应系统2、所述开关控制系统3通过专用电源接口连接的电源系统。所述伺服控制系统1分别与所述响应系统2及所述开关控制系统3连接，所述响应系统2通过专用管路接口与所述管路系统4连接，所述管路系统4通过专用管路接口与所述气液混合流体出入口5连接，所述开关控制系统3控制所述管路系统4与所述气液混合流体出入口5之间的开闭。所述支撑结构为铝合金材质。

所述伺服控制系统1包括中央控制单元11、控制代码12，及与所述电源系统连接的信号/电源输出系统13。所述控制代码12用于所述中央控制单元11对所述响应系统2及所述开关控制系统3进行控制。

所述响应系统2包括并联设置的空气泵及气溶胶雾化器24。

所述空气泵包括并联式设置的空气泵一21、空气泵二22及空气泵三23。

所述开关控制系统3包括电磁阀一31及电磁阀二32。

所述管路系统4为o型管路，包括并联式连接的管路一支管一411及管路一支管二412，以及与其分别连接的管路一总管41，并联式连接的管路二支管一421及管路二支管二422，以及与其分别连接的管路二总管42。

所述空气泵一21与所述管路一支管一411连接，所述空气泵二22与所述管路一支管二412连接，所述空气泵三23与所述管路二支管一421连接，所述气溶胶雾化器24与所述管路二支管二422连接。

所述电磁阀一31与所述管路一总管41连接，所述电磁阀二32与所述管路二总管42连接。

所述空气泵一21、所述空气泵二22、所述空气泵三23均为伺服电机调节型空气泵，调节气体的进出气模式以及风量。

所述空气泵一21、所述空气泵二22、所述空气泵三23及所述气溶胶雾化器24均与所述信号/电源输出系统13连接。所述信号/电源输出系统13设置所述空气泵一21、所述空气泵二22、所述空气泵三23及所述气溶胶雾化器24的气液输入，调节气液两相流动中气溶胶成分的比例以及混合气体的初始流速。

装置内部的所述伺服控制系统1可以通过外部接口实现对所述控制代码12的读取与保存，所述伺服控制系统1通过读取所述控制代码12向信号/电源输出系统13发出指令，实现对不同的所述空气泵、所述气溶胶雾化器24、所述开关控制系统3等电控系统进行系统性控制。通过所述伺服控制系统1实现对不同管路的开闭状态、空气泵的输入功率的调整，实现人体呼吸、咳嗽、打喷嚏等不同工况下的仿生模拟以及呼吸工况下管道出口位置的进出风模式切换。

本实施例的主要原理是代码控制中央控制器-中央控制器控制信号/电源输出系统13-电源控制输出的电压和电流从而调节不同设备的输出功率。在其他实施例中，还可以通过其他多种方式，比如通过空气泵等的功率调节装置等来控制输出功率。

在呼吸模式下，通过所述中央控制单元11对所述空气泵一21、所述空气泵二22的开闭，实现气液混合流体出入口的进气和出气模式的切换。所述伺服控制系统1的响应精度不低于0.01s。在不考虑气溶胶的播撒模式中，所述空气泵一21和所述空气泵二22工作，所述空气泵三23和所述气溶胶雾化器24不工作，所述电磁阀二32处于常闭状态。在呼吸模式下，首先所述空气泵一21(进气泵)打开，所述空气泵二22(出气泵)关闭，通过所述中央控制单元11输入人体呼气时的功率曲线，实现对所述空气泵出气量的控制。考虑到步进电机的功率切换过程中的突变性，通过o型管路的循环设计来平顺出气口的气流变化率。管路的设计长度通过经过试验和模拟研究得出的空气动力学公式进行控制。

所述管路系统4的长度具体为：

出气管的总长度：lc＝f(rc,rc,vrefc,fc,)，其中，lc是出气管的总长度，rc是出气o型管的半径，rc是出气管内部半径，vrefc是出气管气流的最大流速，fc是出气管对应的空气泵的响应频率；

进气管的总长度：lj＝f(rj,rj,vrefj,fj,)，其中，lj是进气管的总长度，rj是进气o型管的半径，rj是进气管内部半径，vrefj是进气管气流的最大流速，fj是进气管对应的空气泵的响应频率。

在呼吸仿生模拟中，所述空气泵一21一开始处于打开状态，靠读取过代码的中央控制单元11通过调整所述信号/电源输出系统13控制空气泵一的输出流速和流量从而模拟呼气过程；继而空气泵一21关闭，空气泵二22打开，靠读取过代码的中央控制单元11通过调整所述信号/电源输出系统13控制空气泵二23的输出流速和流量从而模拟吸气过程；通过中央控制单元11读取的代码控制呼气吸气每个步骤的时间、流速变化情况，以及整体呼吸仿生过程需要的模拟的时间周期。

在对包括咳嗽、打喷嚏的生物行为的模拟中，所述电磁阀一31一开始处于关闭状态，靠所述空气泵一21向管路中注入压力。注入压力时间表示为：t＝f(rt,rt,vt)，其中，t是所述电磁阀一31关闭时间，rt是打喷嚏或咳嗽工况下o型管路的形状半径，rt是o型管路内部的半径，vt是所述电磁阀一31打开时出气口的初始速度。

仿生模拟中，通过所述电磁阀二32的开闭，控制气溶胶成分的输出；

通过所述控制代码12控制的所述中央控制单元11和所述信号/电源输出系统13，控制所述空气泵三23和所述气溶胶雾化器24的输出功率，调整气溶胶浓度的范围使其达到目标浓度n1，继而在所述空气泵一21开启、所述空气泵二22关闭的情况下，将所述电磁阀二32打开，通过所述控制代码12控制的所述中央控制单元11和所述信号/电源输出系统13，控制所述空气泵一21的输出功率，将气液混合流体出入口的气溶胶浓度调整为n2，该浓度即为进行仿生实验时呼出气体的目标气溶胶浓度；

其中，空气泵一21，空气泵三23和气溶胶雾化器24的输出功率控制函数分别为p21(v,i)＝h21(n1,n2,v41)，p23(v,i)＝h23(n2)，p24(v,i)＝h24(n2)，其中v41为气液混合流体出入口的目标流速。

向管路中注入压力；注入压力时间表示为：t＝f(rt,rt,vt)，其中，t是所述电磁阀一31关闭时间，rt是打喷嚏或咳嗽工况下o型管路的形状半径，rt是o型管路内部的半径，vt是所述电磁阀一31打开时出气口的初始速度。

在含有气溶胶的播撒模式中，所述空气泵一21、所述空气泵二22、所述空气泵三23和所述气溶胶雾化器24同时工作。在呼吸、打喷嚏和咳嗽模式下，只有出气口处于气体流出状态时，所述气溶胶雾化器24才会在所述中央控制单元11的控制下进行工作。此时所述中央控制单元11通过调整所述空气泵三23和气溶胶雾化器24的输入功率，实现对混合气体中的气溶胶含量的精确控制。由于气溶胶雾化器24本身受到设备设计参数的影响，无法在大范围内控制气溶胶颗粒的百分比，因此可以通过增加空气泵进一步扩大气溶胶的浓度范围，使其更加适应人体生理呼吸时的气溶胶含量。由气溶胶雾化器24和所述空气泵三23发出的气体在所述管路二总管42中进行混合，此时所述管路二总管42中气溶胶的含量为n1ppm，所述管路二总管42中的气溶胶进一步与所述管路一总管41中的气溶胶气体进行混合。因此，设备输出端的气溶胶含量为n2ppm。在设备的应用中，需要通过代码输入输出气体想要实现的气溶胶比例，再基于对各个空气泵的输出功率与输出流速以及气溶胶雾化器的输出功率与输出流速、输出气溶胶浓度的标定结果，综合确定不同工况下的各个空气泵和气溶胶雾化器的输入功率和输入电流进行反向设置。如图2所示，描述了在某种呼吸模式下，气溶胶雾化器24、空气泵三23的输入功率和气液混合流体出入口5的气体流速的之间的关系。

本发明所使用的数模转换器为高精度可编程直流电源，但不排除可以使用其他数电-模电转换器进行电流、电压输出。目前可以实现方波、正弦波、混合波形等多种输出形式，以输出方波为例，伪代码如下：

采用本发明所提供的一种气溶胶浓度可控的仿生气体流量控制装置，其技术优点体现如下：

采用伺服电机调节空气泵功率的方式调节气体的进出气模式以及风量。通过所述信号/电源输出系统控制对空气泵和气溶胶雾化器24的输入，调节气液两相流动中气溶胶成分的比例以及混合气体的初始流速。通过对出气管及进气管长度和直径的设计以及伺服电路对开关控制系统的控制，实现对进出气均匀性的调节以及混合气体在出气口流速的调节。

通过所述控制代码12对所述响应系统2及所述开关控制系统3进行编程，实现对人体的呼吸、咳嗽、打喷嚏等工况的短期和长期模拟。

通过本装置的设计，能够全方位还原传染性病原体携带者在不同状态下向外界传播病毒的状态。从而更加有效的捕捉病原体颗粒在流场中的传播状态和分布规律。其次，本装置还可以更广泛地应用于各类开放、封闭或者半封闭空间内，单传染源、多传染源下的复杂环境病原体传播规律和消杀效果研究。对公共安全事件下的应对措施和消杀装置的效果验证具有重要的保障作用广泛的应用前景。

本发明突破了原有的简易气溶胶播撒系统的局限性，能够全方位的实现人体仿生状态下气溶胶混合气体的播撒。首先，现有的气溶胶播撒装置均为医疗上用的雾化装置或者家用的加湿器，只能以恒定的出气量、气溶胶占比进行播撒，并且无法精确控制气溶胶的粒径。该方式无法进行人体生理活动的精确仿生。此外，步进电机输入的是数字信号阶跃，通过伺服系统控制的步进电机很容易导致出气口的流速的阶跃现象。此外，目前市场上尚无具有气溶胶混合气体的人体仿生发生器，该设备能有效地填补这一空白。

本发明采用信号/电源输出系统和两个空气泵来实现人体呼吸状态的模拟。对于信号/电源输出系统步进信号导致空气泵输出功率不连续的问题，对于进气和出气系统的管路进行了流体力学优化设计，大大增强了进出气速率变化时的过渡平稳性。本装置能够实现1s-10s的人体呼吸循环周期，能够控制空气中气溶胶的成分在0％-40％之间，出气口的稳定流速可以达到0-5m/s，出气口的瞬间流速可以最高达到50m/s，持续时间为0.1-0.3s。每次不同的气溶胶与空气的混合比例，混合气体的出射速度，出射/入射时间均由伺服系统的代码实现控制调节。

本发明能够实现对不同工况下人体排放气溶胶颗粒的仿生模拟，能够全面还原人体呼吸、咳嗽、打喷嚏等场景下对气溶胶病原体颗粒的发射状态。并且能够针对不同的患者体质针对不同模式下的流速、气溶胶比例以及流量进行灵活控制。装置能够广泛地应用于室内、室外、高铁、飞机、游轮、汽车等各种场所的病原体传播规律以及消杀效果的研究当中。

整个装置为非密封封装状态。有控制代码12传输的接口(usb接口)。气液混合流体出入口5形状针对人的口鼻形状进行了复制，以更好地还原气溶胶混合气体发射的状态。另外设备配有空气泵压力平衡管路，以平衡空气泵在工作时由于产生的正负压差。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。