CN109799120A - 一种收集森林火灾烟气的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种收集森林火灾烟气的装置及方法，属于机械设备领域，所述装置包括热成像仪、无人机、集气装置，所述热成像仪和集气装置均安装在所述无人机上，所述集气装置包括集气装置挂架、控制模块、电源、若干个样本罐和若干个电磁阀，所述集气装置挂架安装在无人机上，所述控制模块、电源和若干个样本罐均安装在所述集气装置挂架上，每个样本罐安装有一个电磁阀，所述电磁阀控制样本罐的打开与关闭，所述电磁阀与控制模块电连接，所述控制模块与所述电源电连接，本发明体积小巧、操作简便，适用于森林内的各种地形，该方法成本低廉，取样方式灵活，适用的采样区域广泛，有利于科研工作者对森林火灾烟气成分进行取样。

Description

一种收集森林火灾烟气的装置及方法

技术领域

本发明属于森林火灾研究领域，具体涉及一种收集烟气的装置及方法。

背景技术

各类烟气收集装置在工业、矿业、建筑业中有着广泛的应用。科研人员在对森林火灾进行研究时，需要通过收集燃烧中的各类烟气，得到气体样本，并送交实验室对森林内部的可燃物进行测定。目前，在林业科学的研究中，主要通过以下两种方法对森林火灾所产生的烟气进行取样：一、通过直升机吊装收集桶，在林火发生时对烟气进行取样；二、通过预先在林间地面布置集气装置，待火灾结束后，再对集气装置内的样品进行回收。其中，方法一在国外的应用较广，但单次取样成本极高，且直升机的飞行轨迹需考虑实际的飞行条件，所以无法对整个烟气区域内的所有位置进行取样；方法二的采集区域局限于地表附近，所取样品的代表性较为有限，且仅适用于有计划的林火实验，同时，存在部分集气装置易被林火焚烧失效的现象。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的第一个目的是提供了一种收集森林火灾烟气的装置，该装置操作简便、体积小巧；

本发明的第二个目的针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种收集森林火灾烟气的方法。该方法适用于森林火灾发生时，科研人员对森林火灾所产生的烟气进行收集；该方法成本低廉，在林火发生时取样区域大于背景技术中的方法一；相较于背景技术中的方法二，该方法的取样区域不局限于地表附近，取样灵活，无需对林火的发生进行预先计划，且无被焚毁的风险。该方法单次能够进行多个取样点的取样，且取样后能够将烟气样品自动贮存于便于运输的样品贮藏筒中，使烟气信息在送至实验室研究前不丢失。本方法在操作时的劳动强度、环境要求、运输难度均低于市面现有方法，便于林业研究人员进行森林火灾的烟气取样研究，从而提高研究效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机、集气装置，所述热成像仪和集气装置均安装在所述无人机上，所述集气装置包括集气装置挂架、控制模块、电源、若干个样本罐和若干个电磁阀，所述集气装置挂架安装在无人机上，所述控制模块、电源和若干个样本罐均安装在所述集气装置挂架上，每个样本罐安装有一个电磁阀，所述电磁阀控制样本罐的打开与关闭，所述电磁阀与控制模块电连接，所述控制模块与所述电源电连接。

进一步的，所述样本罐的开口处连接有快速气动接头。

进一步的，所述样本罐的罐体上安装有气压传感器，所述气压传感器与样本罐内部连通，所述气压传感器与所述控制模块电连接。

优选的，所述控制模块为PLC控制器。

优选的，所述电源为蓄电池组。

进一步的，所述集气装置挂架包括挂架主体、控制腔室、腔室盖、若干个样本罐固定架，所述控制模块和电源均安装在所述控制腔室内部，所述腔室盖设置在所述控制腔室的上方盖合控制腔室，所述控制腔室安装在所述挂架主体上，所述若干个样本罐固定架均布固定在挂架主体的两侧，所述挂架主体固定在所述无人机上。

进一步的，所述样本罐固定架包括支撑架和样本罐夹具，所述样本罐夹具安装在所述支撑架上，所述支撑架和所述样本罐夹具均为圆弧状支架。

一种利用上述的装置收集森林火灾烟气的方法，包括以下步骤：

步骤一：抽取所有样本罐内部的气体，使所有样本罐的内部处于负压状态，然后将所有样本罐安装在集气装置挂架上并进行固定；

步骤二：使用热成像仪观测森林火灾上方烟气团，确定采集目标区域；

步骤三：启动无人机，使其飞往采集目标区域，在飞行过程中通过热成像仪对目标区域进行修正；

步骤四：当无人机到达目标区域时，遥控所述控制模块，控制至少一个样本罐上的电磁阀打开，使烟气在压力差的作用下进入样本罐的罐体内，当样本罐内部压力与大气压相同时，控制模块控制电磁阀关闭；

步骤五：样品采集完毕后，控制无人机返航；

步骤六：将样本罐内的样本气体抽出。

进一步的，在步骤四中，利用安装在样本罐上的气压传感器对罐体内部气压进行实时监测，并将信息反馈给控制模块，当样本罐内气压等于大气压时，控制模块控制电磁阀的关闭。

进一步的，在步骤一中，将真空泵上的气动管道连接到样本罐上的快速气动接头，利用真空泵抽取样本罐内部的气体，使罐体的内部处于负压状态；步骤六中，将负压泵上的气动管道连接样本罐上的快速气动接头，使用负压泵将样本罐内的烟气样本抽出。

相比于现有技术，本发明具有如下优点：

1、该方法成本低廉，取样方式灵活，适用的采样区域广泛，有利于科研工作者对森林火灾烟气成分进行取样；

2、本发明采用样品罐贮存所取样品，使得烟气样本得到极好的保存，同时更便于试验后的样品运输；

3、本发明操作简便、体积小巧，适用于森林内的各种地形。

附图说明

图1为本发明总体布局主视图；

图2为本发明总体布局左视图；

图3为本发明总体布局仰视图；

图4为样本罐在集气装置挂架上的布局图；

图5为集气装置挂架的轴侧示意图；

图6为集气装置挂架的俯视图；

图7为图6中A-A的剖视图；

图8为样本罐固定在样本罐固定架上的示意图；

图9为样本罐的布局图；

图10为图9中B-B的剖视图；

图11为采样过程中控制模块、电磁阀和气压传感器的工作流程图；

图中：1为无人机，2为集气装置，21、集气装置挂架，22、控制模块，23、电源，24、样本罐，25、电磁阀，26、快速气动接头，27、气压传感器，211、挂架主体，212、控制腔室，213、腔室盖，214、样本罐固定架，2141、支撑架，2142、样本罐夹具。

具体实施方式

下面结合附图1-11对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机1、集气装置2，所述热成像仪和集气装置2均安装在所述无人机上1，所述集气装置2包括集气装置挂架21、控制模块22、电源23、若干个样本罐24和若干个电磁阀25，所述集气装置挂架21安装在无人机1上，所述控制模块22、电源23和若干个样本罐24均安装在所述集气装置挂架21上，每个样本罐24安装有一个电磁阀25，所述电磁阀25控制样本罐24的打开与关闭，所述电磁阀25与控制模块22电连接，所述控制模块22与所述电源23电连接。

进一步的，所述样本罐24的开口处连接有快速气动接头26。

进一步的，所述样本罐24的罐体上安装有气压传感器27，所述气压传感器27与样本罐24内部连通，所述气压传感器27与所述控制模块22电连接。

进一步的，所述控制模块22为PLC控制器。

进一步的，所述电源23为蓄电池组。

进一步的，所述集气装置挂架21包括挂架主体211、控制腔室212、腔室盖213、若干个样本罐固定架214，所述控制模块22和电源23均安装在所述控制腔室212内部，所述腔室盖213设置在所述控制腔室212的上方盖合控制腔室212，所述控制腔室212安装在所述挂架主体211上，所述若干个样本罐固定架214均布固定在挂架主体211的两侧，所述挂架主体211固定在所述无人机1上。

进一步的，所述样本罐固定架214包括支撑架2141和样本罐夹具2142，所述样本罐夹具2142安装在所述支撑架2141上，所述支撑架2141和所述样本罐夹具2142均为圆弧状支架。

一种利用上述的装置收集森林火灾烟气的方法，包括以下步骤：

步骤一：抽取所有样本罐24内部的气体，使所有样本罐24的内部处于负压状态，然后将所有样本罐24安装在集气装置挂架21上并进行固定；

步骤二：使用热成像仪观测森林火灾上方烟气团，确定采集目标区域；

步骤三：启动无人机1，使其飞往采集目标区域，在飞行过程中通过热成像仪对目标区域进行修正；

步骤四：当无人机1到达目标区域时，遥控所述控制模块22，控制至少一个样本罐24上的电磁阀25打开，使烟气在压力差的作用下进入样本罐24的罐体内，当样本罐24内部压力与大气压相同时，控制模块22控制电磁阀25关闭；

步骤五：样品采集完毕后，控制无人机1返航；

步骤六：将样本罐24内的样本气体抽出。

进一步的，在步骤四中，利用安装在样本罐24上的气压传感器27对罐体内部气压进行实时监测，并将信息反馈给控制模块22，当样本罐24内气压等于大气压时，控制模块22控制电磁阀25的关闭。

进一步的，步骤一中，将真空泵上的气动管道连接到样本罐24上的快速气动接头26，利用真空泵抽取样本罐24内部的气体，使罐体的内部处于负压状态；步骤六中，将负压泵上的气动管道连接样本罐24上的快速气动接头26，使用负压泵将样本罐24内的烟气样本抽出。

实施例1

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机1、集气装置2，所述热成像仪和集气装置2均安装在所述无人机上1，所述集气装置2包括集气装置挂架21、控制模块22、电源23、若干个样本罐24和若干个电磁阀25，所述集气装置挂架21安装在无人机1上，所述控制模块22、电源23和若干个样本罐24均安装在所述集气装置挂架21上，每个样本罐24安装有一个电磁阀25，所述电磁阀25控制样本罐24的打开与关闭，所述电磁阀25与控制模块22电连接，所述控制模块22与所述电源23电连接。

本实施例中，所述热成像仪用于对森林火灾烟气区域进行规划，并确定计划采样点；所述无人机负责吊装集气装置2，并运输集气装置2至计划采样点进行采样；所述集气装置挂架21负责连接无人机1与样本罐24，电源23负责为控制模块22提供能源，电磁阀10由控制模块22控制，电磁阀10负责控制外界气体进出罐体，控制模块22接受地面操作者的遥控信号，进而控制样本罐24进行样品的采集，使操作者能够远程控制烟气的收集；所述样本罐24由耐压材料制成，负责收集烟气样本，并将其运输至实验室。

实施例2

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机1、集气装置2，所述热成像仪和集气装置2均安装在所述无人机上1，所述集气装置2包括集气装置挂架21、控制模块22、电源23、若干个样本罐24和若干个电磁阀25，所述集气装置挂架21安装在无人机1上，所述控制模块22、电源23和若干个样本罐24均安装在所述集气装置挂架21上，每个样本罐24安装有一个电磁阀25，所述电磁阀25控制样本罐24的打开与关闭，所述电磁阀25与控制模块22电连接，所述控制模块22与所述电源23电连接。

进一步的，所述样本罐24的开口处连接有。

本实施例中快速气动接头26能够快速接插真空泵及负压泵上的气动管道，在采样开始前，真空泵抽取样本罐24内气体，从而使样本罐24呈负压状态；采样结束后，负压泵用于抽取样本罐24内的烟气样品。

实施例3

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机1、集气装置2，所述热成像仪和集气装置2均安装在所述无人机上1，所述集气装置2包括集气装置挂架21、控制模块22、电源23、若干个样本罐24和若干个电磁阀25，所述集气装置挂架21安装在无人机1上，所述控制模块22、电源23和若干个样本罐24均安装在所述集气装置挂架21上，每个样本罐24安装有一个电磁阀25，所述电磁阀25控制样本罐24的打开与关闭，所述电磁阀25与控制模块22电连接，所述控制模块22与所述电源23电连接。

进一步的，所述样本罐24的罐体上安装有气压传感器27，所述气压传感器27与样本罐24内部连通，所述气压传感器27与所述控制模块22电连接。

本实施例中气压传感器27负责检测样本罐24内部的气压，并将数据反馈给控制模块7，以此确定采样工作的进行状态。

实施例4

一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机1、集气装置2，所述热成像仪和集气装置2均安装在所述无人机上1，所述集气装置2包括集气装置挂架21、控制模块22、电源23、若干个样本罐24和若干个电磁阀25，所述集气装置挂架21安装在无人机1上，所述控制模块22、电源23和若干个样本罐24均安装在所述集气装置挂架21上，每个样本罐24安装有一个电磁阀25，所述电磁阀25控制样本罐24的打开与关闭，所述电磁阀25与控制模块22电连接，所述控制模块22与所述电源23电连接。

进一步的，所述集气装置挂架21包括挂架主体211、控制腔室212、腔室盖213、若干个样本罐固定架214，所述控制模块22和电源23均安装在所述控制腔室212内部，所述腔室盖213设置在所述控制腔室212的上方盖合控制腔室212，所述控制腔室212安装在所述挂架主体211上，所述若干个样本罐固定架214均布固定在挂架主体211的两侧，所述挂架主体211固定在所述无人机1上。

进一步的，所述集气装置挂架21为阻热与阻燃的材料制成。

本实施例中挂架主体211负责连接样本罐24与无人机1，并固定控制模块22和电源23，腔室盖213用于保护电源23及控制模块22不被外界环境影响；样本罐固定架214用于固定样本罐24。

实施例5

一种收集森林火灾烟气的装置，包括以下步骤：

步骤一：将真空泵上的气动管道连接到样本罐24上的快速气动接头26，并利用真空泵抽取内部的气体，使样本罐24内部处于负压状态，通过电磁阀25可以控制此步骤的开始与结束，通过样本罐24上的气压传感器27可以确定样本罐24内部的负压力是否达到要求；将已处理过的样本罐24装载于集气装置挂架21上，并利用集气装置挂架21中的样本罐固定架214进行固定；

步骤二：使用热成像仪观测森林火灾上方烟气团，根据实验要求确定采集目标区域；

步骤三：启动无人机1，使其飞往采集目标区域，在飞行过程中可通过热成像仪对目标区域进行修正；

步骤四：当无人机1到达目标区域时，遥控控制模块22，控制样本罐24上的电磁阀25打开，使烟气在压力差的作用下进入样本罐24的罐体内；当样本罐24中的气压传感器27检测到样本罐24内部压力与大气相同时，电磁阀25关闭；

步骤五：当无人机1上的所有样本罐24采样结束后，控制无人机1返航至操作者处，操作者将已采样的样本罐24拆下，并打包运送到实验室中；

步骤六：在实验室内，将负压泵上的气动管道连接样本罐24上的快速气动接头26，并使用负压泵将样本罐24内的烟气样本抽出，以进行各类试验。

本实施例中，所述无人机1运输集气装置挂架21与样品罐24到制定采样区域开始采样前，电磁阀25为常闭状态，当控制模块22收到操纵者发出的遥控信号后，控制电磁阀25打开，在样本罐24内的负压作用下，烟气样品由大气流进样本罐24，在此过程中，若操纵者认为样品已足够，可遥控控制模块22命令电磁阀25关闭，若操纵者没有进行远程遥控，则由气压传感器27对样本罐24内的气压进行实时监测，并汇报给控制模块22，当样本罐24内的压力与大气压力相同时，控制模块22即认为采样已经完成，控制电磁阀25关闭，此时单个样本罐24的采样工作完成。

Claims (10)

1.一种收集森林火灾烟气的装置，包括热成像仪、无人机（1）、集气装置（2），所述热成像仪和集气装置（2）均安装在所述无人机上（1），其特征在于：所述集气装置（2）包括集气装置挂架（21）、控制模块（22）、电源（23）、若干个样本罐（24）和若干个电磁阀（25），所述集气装置挂架（21）安装在无人机（1）上，所述控制模块（22）、电源（23）和若干个样本罐（24）均安装在所述集气装置挂架（21）上，每个样本罐（24）安装有一个电磁阀（25），所述电磁阀（25）控制样本罐（24）的打开与关闭，所述电磁阀（25）与控制模块（22）电连接，所述控制模块（22）与所述电源（23）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述样本罐（24）的开口处连接有快速气动接头（26）。

3.根据权利要求1所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述样本罐（24）的罐体上安装有气压传感器（27），所述气压传感器（27）与样本罐（24）内部连通，所述气压传感器（27）与所述控制模块（22）电连接。

4.根据权利要求1所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述控制模块（22）为PLC控制器。

5.根据权利要求1所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述电源（23）为蓄电池组。

6.根据权利要求1所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述集气装置挂架（21）包括挂架主体（211）、控制腔室（212）、腔室盖（213）、若干个样本罐固定架（214），所述控制模块（22）和电源（23）均安装在所述控制腔室（212）内部，所述腔室盖（213）设置在所述控制腔室（212）的上方盖合控制腔室（212），所述控制腔室（212）安装在所述挂架主体（211）上，所述若干个样本罐固定架（214）均布固定在挂架主体（211）的两侧，所述挂架主体（211）固定在所述无人机（1）上。

7.根据权利要求6所述的一种收集森林火灾烟气的装置，其特征在于：所述样本罐固定架（214）包括支撑架（2141）和样本罐夹具（2142），所述样本罐夹具（2142）安装在所述支撑架（2141）上，所述支撑架（2141）和所述样本罐夹具（2142）均为圆弧状支架。

8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述的装置收集森林火灾烟气的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：抽取所有样本罐（24）内部的气体，使所有样本罐（24）的内部处于负压状态，然后将所有样本罐（24）安装在集气装置挂架（21）上并进行固定；

步骤二：使用热成像仪观测森林火灾上方烟气团，确定采集目标区域；

步骤三：启动无人机（1），使其飞往采集目标区域，在飞行过程中通过热成像仪对目标区域进行修正；

步骤四：当无人机（1）到达目标区域时，遥控所述控制模块（22），控制至少一个样本罐（24）上的电磁阀（25）打开，使烟气在压力差的作用下进入样本罐（24）的罐体内，当样本罐（24）内部压力与大气压相同时，控制模块（22）控制电磁阀（25）关闭；

步骤五：样品采集完毕后，控制无人机（1）返航；

步骤六：将样本罐（24）内的样本气体抽出。

9.根据权利要求8所述的一种收集森林烟气的方法，其特征在于：步骤四中，利用安装在样本罐（24）上的气压传感器（27）对罐体内部气压进行实时监测，并将信息反馈给控制模块（22），当样本罐（24）内气压等于大气压时，控制模块（22）控制电磁阀（25）的关闭。

10.根据权利要求8所述的一种收集森林烟气的方法，其特征在于：步骤一中，将真空泵上的气动管道连接到样本罐（24）上的快速气动接头（26），利用真空泵抽取样本罐（24）内部的气体，使罐体的内部处于负压状态；步骤六中，将负压泵上的气动管道连接样本罐（24）上的快速气动接头（26），使用负压泵将样本罐（24）内的烟气样本抽出。