一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法及设备

摘要

本发明涉及一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法及设备，该方法包括以下步骤：采集样本气体，检测样本气体的初始参数；根据初始参数，设定气体压缩的目标参数，压缩样本气体至目标状态；快速释放被压缩样本气体，使样本气体中的不可探测纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；照射小水滴并采集小水滴产生的折射光，计算光强以及小水滴的数量，本申请采用气体压缩方式，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，形成一种新的光电探测技术，实现对不可见粒子数量的探测，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。

说明书

技术领域

本发明涉及光电探测领域，更具体地说，涉及一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法及设备。

背景技术

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。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。

随著人类科技的进步，纳米粒子光电探测技术得到不断地发展完善，解决了许多过去无法解决的问题。但现有技术中，纳米粒子光电探测技术仍然存在着许多局限性，例如：目前市面上的烟雾光电探测器的光波长无法达到次微米粒子直径0.002μm的大小，因而无法探测到次微米粒子的存在，且由于粒子大小不一，光电探测时无法用光遮或散射方式计算粒子的数量，因而无法计算出灰尘与烟粒子在数量上的差别。

综上所述，现有的纳米粒子光电探测技术探测精度无法达到次微米粒子的大小，无法及时在环境气体中的有害粒子通过光电转换计算出次微米粒子的浓度，无法在有害粒子产生阶段迅速反应，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。

发明内容

本发明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用于环境气体中纳米粒子光电探测方法及设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法，包括以下步骤：

采集样本气体，检测所述样本气体的初始参数；

根据所述初始参数，设定气体压缩的目标参数，压缩所述样本气体至目标状态；

快速释放被压缩样本气体，使所述样本气体中的不可探测纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

照射所述小水滴并采集所述小水滴产生的折射光，计算光强以及所述小水滴的数量。

进一步地，所述初始参数包括：

所述样本气体的初始温度以及初始湿度。

进一步地，所述目标参数为目标压强；

当所述样本气体的所述初始温度处于0-t度范围内时，根据所述样本气体的所述初始湿度大小设定所述目标压强，且在所述样本气体的所述初始湿度越大时，设定所述目标压强值较小。

进一步地，在气体压缩腔室容积确定时，所述目标压强根据压缩过程中的压缩频率和/或气体流量、压缩时间进行设定。

进一步地，所述步骤：照射所述小水滴并采集所述小水滴产生的折射光，计算光强以及所述小水滴的数量，具体包括：

照射所述小水滴并采集所述小水滴产生的光信号；

计算所述光信号的散射光强；

根据所述散射光强对所述光信号进行光电转换，计算所述小水滴的数量。

进一步地，所述散射光强设为I，照射光强度设为I0，小水滴对光的吸收系数设为q，光在所述小水滴中的行程距离设为l，散热光减弱指数设为τ，即I、I

I＝I

进一步地，还包括步骤：

根据所述小水滴数量，计算所述小水滴的浓度是否属于轻度警报、中度警报或者重度警报；

根据所述计算结果，发出轻度警报、中度警报或者重度警报。

本申请提供一种用于环境气体中纳米粒子探测设备，包括：

气体抽样装置，用于采集样本气体；

粒子放大装置，用于压缩所述样本气体至目标状态，快速释放被压缩样本气体，使所述样本气体中的不可探测纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

气体探测装置，用于照射所述小水滴并采集所述小水滴产生的折射光，计算光强以及所述小水滴的数量。

进一步地，所述粒径放大装置包括：

气体压缩组件，用于压缩所述样本气体至目标状态，并在所述样本气体压缩至目标状态时释放被压缩气体，使所述样本气体中的目不可见纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

气体监测组件，用于检测所述样本气体的初始参数，和/或设定气体压缩的目标参数，并发送给所述气体压缩组件。

进一步地，所述气体探测装置包括：

粒子探测组件，用于探测所述小水滴的数量；

数据分析组件，用于根据所述小水滴的数量，计算所述小水滴的浓度是否属于预警范围、报警范围或者火警范围，并根据计算结果，发出轻度警报、中度警报或者重度警报。

本发明的有益效果在于：采用气体压缩方式，随机从各处抽取样本气体进行压缩，并在样本气体压缩至目标状态时，快速释放被压缩样本气体，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，形成一种新的光电探测技术，实现对不可见粒子数量的探测，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

为了更清楚地说明本发明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发明作进一步说明，下面描述中的附图仅仅是本发明的部分实施例，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：

图1为本发明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；

图2为本发明一实施例中的绝热压缩过程中样本气体温度和压强变化趋势示意图；

图3为本发明一实施例中的一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法的流程框图；

图4为采用本发明的压缩气体凝结核方法处理前后粒子浓度示意图；

图5为本发明另一实施例中的一种用于环境气体中纳米粒子光电探测设备的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明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发明的部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的如图3所示，提供一种用于环境气体中纳米粒子光电探测方法，包括以下步骤：

S1:采集样本气体，检测样本气体的初始参数；

S2:根据初始参数，设定气体压缩的目标参数，压缩样本气体至目标状态；

S3:快速释放被压缩样本气体，使样本气体中的不可探测纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

S4:照射小水滴并采集小水滴产生的折射光，计算光强以及小水滴的数量。

从环境中随机抽取任意一处的样本气体，并检测样本气体的初始参数，根据初始参数，设定气体压缩的目标参数，对样本气体进行压缩。在样本气体压缩至目标状态时，快速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，照射小水滴并采集小水滴产生的折射光，计算光强以及小水滴的数量，对数量进行分析。

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。

相较于目前已有的热劣化探测设备，本申请采用气体压缩方式，随机从各处抽取样本气体进行压缩，并在样本气体压缩至目标状态时，快速释放被压缩样本气体，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，形成一种新的光电探测技术，实现对不可见粒子数量的探测，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。

在进一步的实施例中，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目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。

在进一步的实施例中，如图2所示，初始参数包括：

样本气体的初始温度以及初始湿度。设置初始温度为T0，初始湿度为H0。

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。

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。

在进一步的实施例中，如图4所示，目标参数为目标压强；其中，目标压强为：30Kpa～150Kpa；优选地，目标压强为：50Kpa～110Kpa。

当样本气体的初始温度处于0-t度范围内时，具体地，处于0-5度范围内时，根据样本气体的初始湿度大小设定目标压强，且在样本气体的初始湿度越大时，设定目标压强值较小。根据不同的样本气体初始湿度和初始温度、压缩腔室结构，以及预期达到的雾化程度，设定不同样本气体压缩的目标参数，再根据目标参数进行气体压缩，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，从而可以进行较为精确的粒子数测量。

在进一步的实施例中，在气体压缩腔室容积确定时，通过设定压缩过程中的压缩频率和/或气体流量、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的容积、压缩频率和/或气体流量、压缩时间相关联，根据气体压缩腔室的内部容积，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。

在进一步的实施例中，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。

理想气体描述如下式(a)：

其中，R为气体常数，M为气体摩尔质量。

绝热压缩使得气体体积缩小、压力增大，绝热压缩过程中样本气体温度和压强变化趋势如图2所示。

绝热压缩过程的温度T和压强p守恒公式如下式(b)：

T

其中，参数γ为空气定压比热容和定容比热容的比值γ＝C

根据机械能守恒方程式(c)：

其中，上述式(c)中第一项为气体内能，第二项为气体释放动能，第三项是气体受大气阻力所作功。

开阀放气，即“快速释放被压缩样本气体”的过程中，计算的高压气体经过孔道释放的速度为以下式(d)：

其中，p为腔外气压，p

根据上述公式，可以得出压缩过程中的动能损失和雾化效果之间的关系，并可根据探测结果对上述雾化效果进行定量的分析。

在进一步的实施例中，步骤：照射小水滴并采集小水滴产生的折射光，计算光强以及小水滴的数量，具体包括：

照射小水滴并采集小水滴产生的光信号；

计算光信号的散射光强；

根据散射光强对光信号进行光电转换，计算小水滴的数量。

在进一步的实施例中，还包括步骤：

根据小水滴数量，计算小水滴的浓度是否属于轻度警报、中度警报或者重度警报；

根据计算结果，发出轻度警报、中度警报或者重度警报。

对小水滴的浓度探测采用激光源照射在小水滴上，小水滴产生折射光，气体压缩腔室内某点处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的内部AD转换电路识别的程度，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内粒子的浓度。

上述实施例中，粒子浓度诊断方法是结合Lamnert-Beer定律以及光的Mie 散射理论基础，即当外界的激光产生的入射光对粒子进行照射时，由于粒子吸收和散射的作用，其强度必然发生衰减，其衰减程度符合Lambert-Beer定律如下式(e)：

I＝I

其中，I

基于Mie散射理论，将气体压缩腔室内某点处设为P，当入射光强为自然光I

当入射光为平面偏振光时，设

式(f)和(g)中，i

综合运用上述算法，采集被气体压缩腔室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。

上述实施例中，激光源的波长为400-980nm、功率为10mw-100mw。

在另一实施例中，如图5所示，本申请提供一种用于环境气体中纳米粒子光电探测设备，包括：

气体抽样装置1，用于采集样本气体；

粒子放大装置2，用于压缩样本气体至目标状态，并在样本气体压缩至目标状态时释放被压缩气体，使样本气体中的目不可见纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

气体探测装置3，用于照射小水滴并采集小水滴产生的折射光，计算光强以及小水滴的数量。

气体抽样装置1从任意环境中随机抽取样本气体，并检测样本气体的初始参数以及设定压缩的目标参数，粒径放大装置2压缩样本气体，并在样本气体达到目标状态时快速释放气体，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。通过气体探测装置3射出激光源照射在小水滴上，小水滴产生折射光，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32的内部AD转换电路识别的程度，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。

在进一步的实施例中，粒径放大装置包括：

气体压缩组件21，用于压缩样本气体至目标状态，并在样本气体压缩至目标状态时释放被压缩气体，使样本气体中的目不可见纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；

气体监测组件22，用于检测所述样本气体的初始参数，和/或设定气体压缩的目标参数，并发送给所述气体压缩组件。

在进一步的实施例中，气体探测装置3包括：

粒子探测组件31，用于探测小水滴的数量；

数据分析组件32，用于根据小水滴的数量，计算小水滴的浓度是否属于预警范围、报警范围或者火警范围，并根据计算结果，发出轻度警报、中度警报或者重度警报。

在一个具体的实施例中，上述粒子放大装置为基于气体压缩原理的粒径放大装置，包括用于获取气体并对气体进行压缩的气体压缩泵211、用于进行气体粒径放大的气体压缩腔室212、以及用于释放气体的电磁阀213；气体压缩泵211的输出端与气体压缩腔室212的输入端连接；气体压缩腔室212的输出端与电磁阀213的输入端连接；气体压缩泵211采集气体，并将气体压缩至密闭的气体压缩腔室212中，实时检测气体压缩腔室212内的压强值，当气体压强值达到目标压强值时，通过电磁阀213释放气体，气体释放过程中，基于威尔逊云室的基本原理，气体在释放瞬间，气体内的水汽瞬间膨胀，温度降低达到过饱和状态，过饱和状态的水蒸气就会在粒子上产生凝结核，从而使最小粒径可至0.002μm的不可见粒子膨胀到一颗颗约为20μm的小水滴；通过检测被测粒子的浓度判断是否属于热劣化预警、报警或火灾范围。。

上述实施例中，气体压缩泵211可以对气体压缩腔室212以5L/mi n的气流量进行打气，最高打气气压达到130Kpa，也可以以5L/mi n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。

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。

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。

步骤：采集样本气体，检测样本气体的初始参数；气体压缩泵211从外部采集气体，根据气体压缩泵211的型号能够得知气体压缩泵的气流量，在选型时可根据所需要的气流量选择相应型号的气体压缩泵；检测样本气体的初始温度和初始湿度；

步骤：根据初始参数，设定气体压缩的目标参数，压缩样本气体至目标状态；根据样本气体的初始温度和初始湿度，设定气体压缩的目标参数，并压缩样本气体至目标状态，气体压缩频率由对样本气体进行压缩的目标压强值、气体压缩腔室212的体积以及气流量综合决定，即在气流量一定时，将气体往气体压缩腔室212中进行压缩，气体压缩腔室212的体积越大，气体压强达到对样本气体进行压缩的目标压强值的速率越慢。气体压缩频率为一个工作周期，将气体以一定的气流量打入压缩腔室中所需要的时间设为t1，检测气体压强值是否达到目标压强值时所需要的时间设为t2，一个工作周期所需要的时间为T＝t1+t2，即气体压缩频率为T。在气体压缩过程中，以气体压缩频率T为基准，连续对气体压缩腔室212进行打气，直到气体压缩腔室212内的气体压强值达到对样本气体进行压缩的目标压强值。气体压缩频率越快，单个压缩周期的时间越短，粒径放大过程更加迅速；气体压缩频率越慢，单个压缩周期的时间就越长，粒径放大过程就会缓慢。例如，可设置气体压缩频率为5秒。

步骤：快速释放被压缩样本气体，使样本气体中的不可探测纳米粒子分别放大成直径可被探测的小水滴；实时检测气体压缩腔室212中的温度及湿度；温度与湿度对粒子的数量具有影响，在湿度一定的情况下，20℃时产生的粒子数较多，随着温度升高，粒子数会减少。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，及时发送火灾预警和报警。

在气体压缩至目标状态时，快速释放被压缩样本气体，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。

步骤：探测小水滴的数量。采用激光源照射在小水滴上，小水滴产生折射光，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的内部AD转换电路识别的程度，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内粒子的浓度。

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，用光电传感器采集被气体压缩腔室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，并可在火灾极早期阶段迅速反应。

上述实施例中，激光源的波长为400-980nm、功率为10mw-100mw。

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发明所附权利要求的保护范围。