CN111397840A - 一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开并提供了一种基于六氟化硫示踪气体的灵敏度高、响应速度快、低成本、整体结构体积小能够实现实时实地进行测量的室内通风换气次数快速检测装置。本发明包括依次相水平对应的中红外激光发射器、气体采样光检室、参考气室以及光电探测器，所述室内通风换气次数快速检测装置还包括控制分析处理端，所述控制分析处理端分别与所述中红外激光发射器、所述气体采样光检室以及所述光电探测器相连接，所述气体采样光检室内设置有音叉，所述音叉与所述中红外激光发射器相水平对应，所述音叉与所述控制分析处理端相连接。本发明适用于室内环境检测技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置。
背景技术
现代社会中人们几乎有高达90%的时间待在室内，保持良好的室内空气质量及热环境成为普遍需求。通风换气次数则是衡量室内环境质量的重要指标之一。一方面，室内环境存在多种污染物，通风不足会引发一系列健康问题，如病态楼宇综合征及楼宇相关疾病；另一方面，过高的通风换气量会影响室内热环境的平衡，增加建筑物能耗。因此，室内通风换气次数的准确实时测量对建筑物的通风和气密性设计有着重要意义和应用需求。
室内通风换气次数通常采用间接测量方法，如通过测量进风口送风风速、室内外压差及热平衡、湿度平衡和二氧化碳平衡决定通风换气次数。这些检测手段需要预先确定房间体积、室内所有进风口、热源或二氧化碳源头，而风速仪及压力计探头往往也会扰乱空气流动模式，因此不利于实际应用。另一种测量方法是示踪气体法，通过向待测空间释放一定浓度的示踪气体并测量其浓度变化，根据质量守恒决定换气次数，该方法操作方便，且为非侵入式测量，被广泛用来检测通风换气次数。
目前，常用的示踪气体有二氧化碳、一氧化二氮、六氟化硫和氪-同位素等。如公告号为“CN201096607Y”的实用新型专利，公布了一种基于二氧化碳示踪气体的换气次数测试仪，使用二氧化碳浓度测试探头来测量二氧化碳浓度变化。然而，该方法需考虑环境中的二氧化碳背景浓度，以及人体作为二氧化碳释放源对结果的影响，操作难度大，影响因素多,测量误差大。而六氟化硫是用来测通风换气次数的一种理想示踪气体,其在自然界中含量极少，且性质稳定无害。然而，现有六氟化硫浓度测试仪的响应时间无法满足大通风量下对浓度快速变化的响应要求，而气相色谱等仪器不仅昂贵还需采样回实验室测量浓度，无法基于六氟化硫浓度实时变化实地测量不同通风条件下的换气次数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于六氟化硫示踪气体的灵敏度高、响应速度快、低成本、整体结构体积小能够实现实时实地进行测量的室内通风换气次数快速检测装置。
本发明包括依次相水平对应的中红外激光发射器、气体采样光检室、参考气室以及光电探测器，所述室内通风换气次数快速检测装置还包括控制分析处理端，所述控制分析处理端分别与所述中红外激光发射器、所述气体采样光检室以及所述光电探测器相连接，所述气体采样光检室内设置有音叉，所述音叉与所述中红外激光发射器相水平对应，所述音叉与所述控制分析处理端相连接。
所述中红外激光发射器与所述气体采样光检室之间设置有第一凸透镜，所述气体采样光检室与参考气室之间设置有第二凸透镜，所述气体采样光检室的前后两侧分别对应设置有第一透光片，所述参考气室的前后两端分别对应设置有第二透光片，所述中红外激光发射器的发射端、所述第一凸透镜、两块所述第一透光片、所述音叉、所述第二凸透镜、两块所述第二透光片以及所述光电探测器依次处于同一水平轴。
所述气体采样光检室内设置有两个共鸣管，两个所述共鸣管对应分设在所述音叉的两侧。
所述气体采样光检室的底部设置有前置放大器，所述音叉与所述前置放大器相连接，所述前置放大器与所述控制分析处理端相连接。
所述控制分析处理端内设有激光控制器、数据接发模块、第一锁相放大器以及第二锁相放大器，所述激光控制器通过所述数据接发模块与所述中红外激光发射器相连接，所述第一锁相放大器通过所述数据接发模块与所述置放大器相连接，所述第二锁相放大器通过所述数据接发模块与所述光电探测器相连接。
所述气体采样光检室上分别设置有采气管以及出气管，所述采气管上设置有压力控制器，所述出气管上依次设置有调节针阀以及抽气泵。
所述音叉为微型石英音叉。
所述气体采样光检室与所述参考气室均为圆柱体，两者的内部容量均为2.5ml。
所述气体采样光检室采样的室内气体中六氟化硫气体的初始浓度为ppm量级，所述参考气室中充有高浓度、低压力的六氟化硫混合气体。
本发明的有益效果在于：本发明采用六氟化硫作为示踪气体，其在室内空气中初始浓度为ppm量级，安全无毒、环境干扰小、易于操作；利用中红外光声光谱技术探测采集到的室内空气中的六氟化硫浓度随时间的变化，采用微小石英音叉探测声波，成本低且灵敏度高，同时气体采样光检室的体积小，内部容量仅为2.5mL，其小采样体积能进一步缩短响应时间。
本发明利用参考气室的三次谐波信号将激光器发射波长锁定在待测六氟化硫气体分子吸收线的峰值波长处,与现有六氟化硫浓度测量装置相比，有效地提高了装置对气体浓度测量的响应速度和对外界环境变化的鲁棒性，特别适用于大通风量大换气次数测量的场合。
说明书附图
图1是本发明的整体结构连接示意图；
图2是本发明在固定偏置电流运行模式下激光器未锁定和经PID控制锁定后的3f信号值对比；
图3是利用浓度衰减法测量室内通风换气次数的浓度拟合结果示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括依次相水平对应的中红外激光发射器1、气体采样光检室2、参考气室3以及光电探测器4，所述室内通风换气次数快速检测装置还包括控制分析处理端5，所述控制分析处理端5分别与所述中红外激光发射器1、所述气体采样光检室2以及所述光电探测器4相连接，所述气体采样光检室2内设置有音叉21，所述音叉21与所述中红外激光发射器1相水平对应，所述音叉21与所述控制分析处理端5相连接。所述气体采样光检室2所处的室内的空气中含有初始浓度为ppm量级六氟化硫气体，该含量由1%浓度下与空气质量相同的六氟化硫与室内空气充分混合得到，所述参考气室3中充有高浓度、低压力的六氟化硫混合气体。在本具体实施例中，所述参考气室3中的六氟化硫混合气体的六氟化硫浓度可选为1%，压力可选为60torr。
所述气体采样光检室2上分别设置有采气管25以及出气管26，所述采气管25上设置有压力控制器251，所述出气管26上依次设置有调节针阀261以及抽气泵262。所述压力控制器251用于控制气体采样光检室2内气体压力稳定，降低连续采样时气体采样光检室2内压力波动带来的噪音。所述抽气泵262用于抽取目标采样点的气体到所述气体采样光检室2中进行测量，所述调节针阀261的阀门开度来控制采样气体流量。
所述气体采样光检室2与所述参考气室3均为横置的圆柱体，两者容量均仅为2.5ml。
所述中红外激光发射器1为连续波输出的分布反馈式量子级联激光器，中心波长对应六氟化硫分子吸收线的吸收峰值波长，该峰值波长为947.89 cm-1。
所述中红外激光发射器1与所述气体采样光检室2之间设置有第一凸透镜61，所述气体采样光检室2与参考气室3之间设置有第二凸透镜62，所述气体采样光检室2的前后两侧分别对应设置有第一透光片23，所述参考气室3的前后两端分别对应设置有第二透光片31，所述中红外激光发射器1的发射端、所述第一凸透镜61、两块所述第一透光片23、所述音叉21、所述第二凸透镜62、两块所述第二透光片31以及所述光电探测器4依次处于同一水平轴。所述第一凸透镜61以及所述第二凸透镜62用于调节激光束光斑大小，令激光光束8所述音叉21的两臂间隙。所述第一透光片23以及所述第二透光片31均为楔形光学窗口片，设在所述气体采样光检室2的前端以及所述参考气室3的前端的为入射楔形光学窗口片，设在所述气体采样光检室2的后端以及所述参考气室3的后端的为出射楔形光学窗口片。
所述音叉21为微型石英音叉。所述气体采样光检室2内设置有两个共鸣管22，两个所述共鸣管22对应分设在所述音叉21的两侧。所述共鸣管22用于增强所述音叉21的信号，并减小气流直接冲击所述音叉21带来的噪音。所述音叉21在大气压下的谐振频率为32.75kHz，品质因子为8200，其两臂间隙为300µm，两根所述共鸣管22的长度均为4.4mm，内径为900µm。所述气体采样光检室2的底部设置有前置放大器24，所述音叉21与所述前置放大器24相连接，所述前置放大器24用于放大所述音叉21产生的压电信号。所述前置放大器24与所述控制分析处理端5相连接。所述中红外激光发射器1发射的激光光束8通过所述第一凸透镜61聚焦使激光光束8依次穿过第一根所述共鸣管22、所述音叉21两臂间隙及第二根所述共鸣管22。激光光束8与气体采样光检室2内的六氟化硫分子相互作用产生声波，音波首先经所述音叉21的压电效应转换为电信号，再通过反馈电阻为10 MΩ的跨阻抗所述前置放大器24放大，进入所述控制分析处理端5。
所述第二凸透镜62用于将通过所述气体采样光检室2后的发散激光光束8会聚并在其通过参考气室3后会聚在所述光电探测器4的探测表面上，并解调获得所述参考气室3透射光的三次谐波信号；所述参考气室3中充有浓度较高的标准浓度六氟化硫，使得所述光电探测器11获得较好的探测信噪比；同时，所述参考气室3往往抽低压，使其对应解调的三次谐波信号在零点处斜率更为陡峭，便于锁定波长。
所述控制分析处理端5内设有激光控制器11、数据接发模块51、第一锁相放大器52以及第二锁相放大器53。所述控制分析处理端5内还设有软件控制程序，所述控制程序中集成了函数发生器及数据采集和锁定模块，数据采集所述数据接发模块51实现，锁定程序由控制分析处理端5实现，可移植和修改。所述激光控制器11通过所述数据接发模块51与所述中红外激光发射器1相连接，所述中红外激光发射器1由所述激光控制器11驱动，所述函数发生器与所述激光控制器11相连，扫描及调制电流经函数发生器产生；所述第一锁相放大器52通过所述数据接发模块51与所述置放大器24相连接，用以解调出二次谐波信号，该信号与所述气体采样光检室2内六氟化硫浓度直接相关；所述第二锁相放大器53通过所述数据接发模块51与所述光电探测器4相连接，用以解调所述参考气室3内气体的三次谐波信号；通过所述控制分析处理端5的控制程序面板操作使所述数据接发模块51输出端的扫描锯齿波信号变为固定偏置信号，同时调制信号保持不变，经PID控制输出端的偏置信号，使数字锁相放大器解调的三次谐波信号的数值与设定值相同，设定值通常为0，因三次谐波的零点对应二次谐波的峰值位置，实现所述中红外激光发射器1发射波长锁定在气体吸收峰上；与此同时，所述控制分析处理端5内设的控制程序中还可设置锁定状态下解调信号的采样间隔，固定采样率下，采样间隔越长，获取的数据点越多，在该采样间隔内对所有数据点进行累加平均即为解调信号值，因此，采样间隔越长，平均次数越多，解调信号信噪比越高，该采样间隔反映了装置的时间分辨率。
在本具体实施例，所述控制分析处理端5为电脑计算机。
本发明的工作原理：
在本发明的使用中选用浓度衰减法，根据质量平衡方程对实测数据进行数据拟合得到通风换气次数，求解质量守恒方程得到如下关系式：
QUOTE 
，
其中，C是任一时刻t测得的采样气体中示踪气体浓度，N是室内通风换气次数。C的单位为kg·m-3， t的单位为s， N的单位为h-1。
布置采样气路，在室内选取合适的采样点，打开压力控制器251和抽气泵262，调节针阀261阀门开度控制采样流量。
待采样流量稳定后打开中红外激光发射器1，扫描状态下，经控制程序的数字函数发生器产生0.1 Hz的锯齿扫描波，叠加调制频率为音叉21谐振频率一半的正弦调制波，经数据接发模块51的输出端加载到激光控制器11对中红外激光发射器1进行扫描和调制，该运行模式下光电探测器4等未参与工作，数据接发模块51的输入端的信号经控制程序的第一数字锁相放大器52解调得到待测分子的二次谐波吸收谱，此种状态下整个气体检测的测量时间为20s。
切换至锁定状态前，先通过控制分析处理端5的控制程序面板上显示的扫描二次谐波和三次谐波吸收谱确定偏置电流，之后通过控制程序切换中红外激光发射器1的工作状态，数字函数发生器产生的扫描电流转为对应于二次谐波峰值的固定偏置电流，叠加的调制正弦波频率和幅值保持不变，开启PID控制模块使得测量的三次谐波值达到设定值0，系统达到锁定状态，在不影响所测二次谐波峰值的情况下，系统的最小时间分辨率可达0.4秒，即0.4秒可测一次气体采样光检室2内的气体浓度，如图2所示为固定偏置电流运行模式下激光器未锁定和经PID控制锁定后的3f信号值对比，锁定后可有效抑制所述激光器1的波长漂移，使检测结果准确可靠。
参考气室3中的气体浓度和压力可以根据实际需要采用不同的数值，不一定是1%和60torr，只需保证图2中的三次谐波信号能够实现波长锁定即可。
待达到锁定状态后，关闭待测房间门窗和通风系统，向房间内释放一定量的六氟化硫，并使示踪气体与室内空气充分混合，观察控制程序面板上显示的采样点处六氟化硫浓度的实时变化情况，直至浓度基本稳定在1ppm左右开始测量。
设置待测房间内门窗及空调送风状态，观察控制程序面板上显示的采样点处六氟化硫浓度的实时变化情况，直至浓度下降到0.25ppm以下测量结束。
将所测的浓度随时间变化的数据进行指数曲线拟合，得到待测房间给定通风条件下的换气次数，如图3所示。可看到，本发明的室内通风换气次数快速检测装置每0.4秒便可更新一次浓度数据，不仅可拟合得到换气次数，还可捕捉到如自然通风条件下外界环境变化对室内通风的瞬态影响。
本发明适用于室内环境检测技术领域。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但上述的描述不应被认为是对本发明的限制。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。本领域的技术人员可以对本发明所给出的技术方案进行多种改动和替换而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：它包括依次相水平对应的中红外激光发射器（1）、气体采样光检室（2）、参考气室（3）以及光电探测器（4），所述室内通风换气次数快速检测装置还包括控制分析处理端（5），所述控制分析处理端（5）分别与所述中红外激光发射器（1）、所述气体采样光检室（2）以及所述光电探测器（4）相连接，所述气体采样光检室（2）内设置有音叉（21），所述音叉（21）与所述中红外激光发射器（1）相水平对应，所述音叉（21）与所述控制分析处理端（5）相连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述中红外激光发射器（1）与所述气体采样光检室（2）之间设置有第一凸透镜（61），所述气体采样光检室（2）与参考气室（3）之间设置有第二凸透镜（62），所述气体采样光检室（2）的前后两侧分别对应设置有第一透光片（23），所述参考气室（3）的前后两端分别对应设置有第二透光片（31），所述中红外激光发射器（1）的发射端、所述第一凸透镜（61）、两块所述第一透光片（23）、所述音叉（21）、所述第二凸透镜（62）、两块所述第二透光片（31）以及所述光电探测器（4）依次处于同一水平轴。
3.根据权利要求2所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述气体采样光检室（2）内设置有两个共鸣管（22），两个所述共鸣管（22）对应分设在所述音叉（21）的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述气体采样光检室（2）的底部设置有前置放大器（24），所述音叉（21）与所述前置放大器（24）相连接，所述前置放大器（24）与所述控制分析处理端（5）相连接。
5.根据权利要求4所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述控制分析处理端（5）内设有激光控制器（11）、数据接发模块（51）、第一锁相放大器（52）以及第二锁相放大器（53），所述激光控制器（11）通过所述数据接发模块（51）与所述中红外激光发射器（1）相连接，所述第一锁相放大器（52）通过所述数据接发模块（51）与所述置放大器（24）相连接，所述第二锁相放大器（53）通过所述数据接发模块（51）与所述光电探测器（4）相连接。
6.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述气体采样光检室（2）上分别设置有采气管（25）以及出气管（26），所述采气管（25）上设置有压力控制器（251），所述出气管（26）上依次设置有调节针阀（261）以及抽气泵（262）。
7.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述音叉（21）为微型石英音叉。
8.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述气体采样光检室（2）与所述参考气室（3）均为圆柱体，两者的内部容量均为2.5ml。
9.根据权利要求1所述的一种基于六氟化硫示踪气体的室内通风换气次数快速检测装置，其特征在于：所述气体采样光检室（2）采样的室内气体中六氟化硫气体的初始浓度为ppm量级，所述参考气室（3）中充有高浓度、低压力的六氟化硫混合气体。
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