CN113926399A - 基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米材料技术领域，公开了一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置及方法，包括空气压缩机、压缩空气储藏室、洁净空气阀门、雾化室、分散液储藏室、超声雾化喷嘴、干燥管、加热膨胀室、喷孔、蠕动泵、可控开度阀门、气体流量计以及单片机。通过将洁净的空气与分散液喷雾混合在雾化室中得到不稳定的气溶胶，不稳定气溶胶在加热膨胀室中恒温加热，迅速膨胀均匀，通过单片机根据加热膨胀室气压表发送的加热膨胀室气压和气体流量计发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门的开度，得到稳定均匀的气溶胶流。该系统功能强大，通用性好，且易于操作，可基于各种纳米材料重复、快速且稳定的产生纳米颗粒气溶胶。

Description

基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置及方法

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置及方法。

背景技术

气溶胶发生系统用于产生固态或者液态的气溶胶能用于大气颗粒物测量仪器校准，气溶胶发生系统还可用于研究纳米颗粒物特性。随着纳米技术的日益普及，在环境中发现ENM气溶胶的可能性也越来越大，这可能对人体健康存在一定的影响，例如纳米污染物对眼睛及呼吸系统可能存在毒性。长期以来，纳米颗粒气溶胶的可控生成一直是研究人员和处理气载纳米颗粒工业的一个具有挑战性的目标。现有的气溶胶发生系统很难产生纯净且稳定的的碳纳米颗粒气溶胶，对碳纳米颗粒气溶胶发生系统的需求迫切。目前对纳米颗粒气溶胶特性的研究处于起步阶段。为了研究纳米颗粒对眼睛及呼吸系统的毒性，我们需要纳米颗粒气溶胶制取系统来制取稳定的纳米颗粒气溶胶进行试验。

目前，用于制备纳米颗粒气溶胶的方法有很多，但用于制备稳定流量和可调浓度的纳米颗粒气溶胶的方法却很少。中国专利申请：CN109956462A，提供一种碳纳米颗粒制取系统、碳纳米颗粒气溶胶生成系统及方法，包括甲烷充气装置、氩气充气装置；混合室，混合室与甲烷充气装置、氩气充气装置相连，甲烷充气装置向混合室充入甲烷，氩气充气装置向混合室充入氩气，甲烷和氩气在混合室进行混合；钨电极管，钨电极管与所述混合室相连；射频电源，射频电源与所述钨电极管接通，氩气和甲烷在钨电极管内发生反应后生成碳纳米颗粒。通过甲烷、氩气在混合室内混合后，氩气和甲烷在钨电极管内发生反应后生成碳纳米颗粒，生成的碳纳米颗粒几何粒径平均波动不超过2％。最终打开洁净空气进气阀门，将碳纳米颗粒反向吹出，通过中和器和干燥器后得到纯净碳纳米颗粒气溶胶。其有效解决现有技术中形成碳纳米颗粒稳定性能差的技术问题，同时能够解决现有技术中无法生成碳纳米颗粒气溶胶的技术问题。但是，其最终生成碳纳米颗粒气溶胶过程过于简单，生成的气溶胶不够均匀和稳定，浓度无法准确调节。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置及方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，包括空气压缩机、压缩空气储藏室、洁净空气阀门、雾化室、分散液储藏室、超声雾化喷嘴、干燥管、加热膨胀室、喷孔、蠕动泵、可控开度阀门、气体流量计以及单片机；空气压缩机依次连接压缩空气储藏室、洁净空气阀门、雾化室、干燥管、加热膨胀室、可控开度阀门、气体流量计以及喷孔；雾化室内设置超声雾化喷嘴，分散液储藏室通过蠕动泵与超声雾化喷嘴连接；加热膨胀室上设置加热膨胀室气压表；单片机与加热膨胀室气压表、可控开度阀门和气体流量计均连接，用于根据加热膨胀室气压表发送的加热膨胀室气压和气体流量计发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门的开度。

可选的，所述单片机与蠕动泵连接，用于控制蠕动泵的转速。

可选的，所述压缩空气储藏室上设置压缩空气储藏室气压表。

可选的，还包括HEPA过滤器，空气压缩机通过HEPA过滤器与压缩空气储藏室连接。

可选的，还包括空气流量计，压缩空气储藏室通过空气流量计连接洁净空气阀门。

可选的，还包括喷雾止回阀门，雾化室通过喷雾止回阀门与干燥管连接。

可选的，所述喷孔的直径为1.5mm，所述单片机为STM32单片机，雾化室采用不锈钢材质。

可选的，还包括固态继电器，所述加热膨胀室上设置温度传感器；固态继电器一端连接加热膨胀室的加热器，另一端与单片机连接，温度传感器与单片机连接；单片机用于根据温度传感器发送的加热膨胀室的温度，通过固态继电器的断开和闭合，控制加热器的开启和关闭。

本发明第二方面，一种基于上述嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置的纳米颗粒气溶胶制取方法，包括以下步骤：

S1：将加热膨胀室升温至预设温度；

S2：通过空气压缩机向压缩空气储藏室内注入空气，至压缩空气储藏室内的气压至第一预设气压；

S3：在分散液储藏室内填充分散液，打开洁净空气阀门和蠕动泵，通过超声雾化喷嘴产生喷雾，喷雾通过干燥管进入加热膨胀室室中；

S4：当加热膨胀室室的气压至第二预设气压时，打开可控开度阀门，气溶胶通过气体流量计后从喷孔流出，并且，通过单片机获取加热膨胀室气压表发送的加热膨胀室气压和气体流量计发送的气溶胶流量，生成开度控制信号并发送至可控开度阀门，使气体流量计发送的气溶胶流量的波动在预设波动范围内。

可选的，所述预设温度为300℃，所述第一预设气压为0.5Mpa，所述第二预设气压为0.7Mpa。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，分散液通过超声雾化喷嘴在雾化室中产生纳米颗粒喷雾，纳米颗粒喷雾经过干燥管，水分和分散剂被吸收，形成不稳定的纳米颗粒气溶胶云，不稳定的纳米颗粒气溶胶云进入加热膨胀室膨胀，得到缓冲和均匀化，最终打开可控开度阀门，得到稳定均匀的纳米颗粒气溶胶流。通过采用雾化法得到不稳定的纳米颗粒喷雾，然后通过具有加热功能的加热膨胀室适当地加热不均匀的纳米颗粒喷雾，使粒子不规则运动加快，加快膨胀进程，使不均匀的纳米颗粒喷雾迅速均匀，得到稳定均匀的纳米颗粒气溶胶流并通过喷孔流出。同时，通过设置单片机、加热膨胀室气压表、可控开度阀门和气体流量计，单片机根据加热膨胀室气压表发送的加热膨胀室气压和气体流量计发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门的开度，确保最终通过喷孔输出的气溶胶流量的稳定。

进一步的，单片机与蠕动泵连接，用于控制蠕动泵的转速，可以精确的控制纳米颗粒气溶胶的浓度。

进一步的，还包括固态继电器，加热膨胀室上设置温度传感器；固态继电器一端连接加热膨胀室的加热器，另一端与单片机连接，温度传感器与单片机连接；单片机用于根据温度传感器发送的加热膨胀室的温度，通过固态继电器的断开和闭合，控制加热器的开启和关闭，实现加热膨胀室温度的稳定控制。

附图说明

图1为本发明的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置结构示意图；

图2为本发明的流量控制系统控制原理示意图；

图3为本发明的蠕动泵的转速控制原理示意图；

图4为本发明的加热膨胀室的温度控制原理示意图。

其中：：1-空气压缩机；2-HEPA过滤器；3-压缩空气储藏室；4-压缩空气储藏室气压表；5-空气流量计；6-洁净空气阀门；7-雾化室；8-分散液储藏室；9-蠕动泵；10-超声雾化喷嘴；11-喷雾止回阀门；12-干燥管；13-加热膨胀室；14-加热膨胀室气压表；15-可控开度阀门；16-气体流量计；17-喷孔；18-热电阻；19-加热器；20-单片机；。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明一实施例中，提供一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，包括空气压缩机1、压缩空气储藏室3、洁净空气阀门6、雾化室7、分散液储藏室8、超声雾化喷嘴10、干燥管12、加热膨胀室13、喷孔17、蠕动泵9、可控开度阀门15、气体流量计16以及单片机20。

其中，空气压缩机1依次连接压缩空气储藏室3、洁净空气阀门6、雾化室7、干燥管12、加热膨胀室13、可控开度阀门15、气体流量计16以及喷孔17；雾化室7内设置超声雾化喷嘴10，分散液储藏室8通过蠕动泵9与超声雾化喷嘴10连接；加热膨胀室13上设置加热膨胀室气压表14；单片机与加热膨胀室气压表14、可控开度阀门15和气体流量计16均连接，用于根据加热膨胀室气压表14发送的加热膨胀室气压和气体流量计16发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门15的开度。

其中，压缩空气储藏室5中的压力可在0.5-1Mpa之间选择。分散液储藏室内可填充碳纳米管分散液，或其他材料分散液以制取相应的气溶胶。加热膨胀室中的加热器输出功率范围为200-500W，加热温度范围为100-400℃；单片机20选择STM32F103ZET6单片机，根据根据加热膨胀室气压表14发送的加热膨胀室气压和气体流量计16发送的气溶胶流量来控制开度，保证输出气溶胶的稳定。

本发明基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，分散液通过超声雾化喷嘴10在雾化室7中产生纳米颗粒喷雾，纳米颗粒喷雾经过干燥管12，水分和分散剂被吸收，形成不稳定的纳米颗粒气溶胶云，不稳定的纳米颗粒气溶胶云进入加热膨胀室13膨胀，得到缓冲和均匀化，最终打开可控开度阀门15，得到稳定均匀的纳米颗粒气溶胶流。通过采用雾化法得到不稳定的纳米颗粒喷雾，然后通过具有加热功能的加热膨胀室13适当地加热不均匀的纳米颗粒喷雾，使粒子不规则运动加快，加快膨胀进程，使不均匀的纳米颗粒喷雾迅速均匀，得到稳定均匀的纳米颗粒气溶胶流并通过喷孔17流出。同时，通过设置单片机20、加热膨胀室气压表14、可控开度阀门15和气体流量计16，单片机20根据加热膨胀室气压表14发送的加热膨胀室气压和气体流量计16发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门15的开度，确保最终通过喷孔17输出的气溶胶流量的稳定。

其中，单片机20、加热膨胀室气压表14、可控开度阀门15和气体流量计16构成流量控制系统，参见图2，所述流量控制系统，其主要目的是保证输出的气溶胶的流量基本保持不变，稳定可控。控制类型为闭环控制，在运行之前，需要进行标定工作，具体为：设定一目标流量，可控开度阀门15有一个初始开度与之对应，系统输入量为加热膨胀室气压，当前的气溶胶流量作为反馈值，采用PID控制算法，使输出流量基本恒定在目标流量左右。

在一种可能的实施方式中，单片机20与蠕动泵9连接，用于控制蠕动泵9的转速。具体的，所选蠕动泵9的转速既可手动调节，也可由单片机20通过外控接口进行自动控制。由于蠕动泵9的流量大小是影响最终气溶胶浓度大小的关键，手动调节不如自动控制精确，所以蠕动泵9也采用单片机20控制，直接控制蠕动泵9的电机的转速即可，为了提高电机调速的精确度，参见图3，电机调速也采用闭环控制，将蠕动泵9的转速n与气溶胶的浓度N使用最小二乘法拟合成线性关系，即N＝Kn，K为比列系数。若要改变浓度，测重新输入目标浓度值，单片机20输出新的PWM波来调节蠕动泵9的转速。

在一种可能的实施方式中，所述压缩空气储藏室3上设置压缩空气储藏室气压表4，用于检测压缩空气储藏室的气压。

在一种可能的实施方式中，还包括HEPA过滤器2，空气压缩机1通过HEPA过滤器2与压缩空气储藏室3连接。空气经过空气压缩机1的加压，HEPA过滤器2滤除杂质，以0.5-1Mpa的压力储存到压缩空气存储室3中，做为缓冲作用。

在一种可能的实施方式中，还包括空气流量计5，压缩空气储藏室3通过空气流量计5连接洁净空气阀门6。

在一种可能的实施方式中，还包括喷雾止回阀门11，雾化室7通过喷雾止回阀门11与干燥管12连接。

在一种可能的实施方式中，所述喷孔17的直径为1.5mm，所述单片机20为STM32单片机，雾化室7采用不锈钢材质。

在一种可能的实施方式中，还包括固态继电器，所述加热膨胀室13上设置温度传感器；固态继电器一端连接加热膨胀室13的加热器19，另一端与单片机20连接，温度传感器与单片机20连接；单片机20用于根据温度传感器发送的加热膨胀室13的温度，通过固态继电器的断开和闭合，控制加热器的开启和关闭。

具体的，本实施例中，加热膨胀室13的加热器采用300W加热器，温度上升快，可以最快的速度达到预定的温度。并采用固态继电器作为加热器开关控制元件，固态继电器优于传统的机械式继电器，其具有响应速度快、无点接触火花、应用简单方便等优点。通过固态继电器对加热器进行直接驱动控制，减少外围部件，提高系统稳定性。该系统通过PT500热电阻测量温度信号，然后进行A/D转换，单片机根据当前的温度值决定是否向固态继电器发控制信号。参见图4，控制类型为闭环控制，系统的控制算法采用PID算法，保证最终的温度恒定在预设温度，如300℃附近。

本发明再一实施例中，提供一种基于上述嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置的纳米颗粒气溶胶制取方法，包括以下步骤：

S1：将加热膨胀室13升温至预设温度。

S2：通过空气压缩机1向压缩空气储藏室3内注入空气，至压缩空气储藏室3内的气压至第一预设气压。

S3：在分散液储藏室8内填充分散液，打开洁净空气阀门6和蠕动泵9，通过超声雾化喷嘴10产生喷雾，喷雾通过干燥管12进入加热膨胀室室13中。

S4：当加热膨胀室室13的气压至第二预设气压时，打开可控开度阀门15，气溶胶通过气体流量计16后从喷孔17流出，并且，通过单片机获取加热膨胀室气压表14发送的加热膨胀室气压和气体流量计16发送的气溶胶流量，生成开度控制信号并发送至可控开度阀门15，使气体流量计16发送的气溶胶流量的波动在预设波动范围内。

其中，所述预设温度为300℃，所述第一预设气压为0.5Mpa，所述第二预设气压为0.7Mpa。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，包括空气压缩机(1)、压缩空气储藏室(3)、洁净空气阀门(6)、雾化室(7)、分散液储藏室(8)、超声雾化喷嘴(10)、干燥管(12)、加热膨胀室(13)、喷孔(17)、蠕动泵(9)、可控开度阀门(15)、气体流量计(16)以及单片机(20)；

空气压缩机(1)依次连接压缩空气储藏室(3)、洁净空气阀门(6)、雾化室(7)、干燥管(12)、加热膨胀室(13)、可控开度阀门(15)、气体流量计(16)以及喷孔(17)；雾化室(7)内设置超声雾化喷嘴(10)，分散液储藏室(8)通过蠕动泵(9)与超声雾化喷嘴(10)连接；加热膨胀室(13)上设置加热膨胀室气压表(14)；

单片机(20)与加热膨胀室气压表(14)、可控开度阀门(15)和气体流量计(16)均连接，用于根据加热膨胀室气压表(14)发送的加热膨胀室气压和气体流量计(16)发送的气溶胶流量，调节可控开度阀门(15)的开度。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，所述单片机(20)与蠕动泵(9)连接，用于控制蠕动泵(9)的转速。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，所述压缩空气储藏室(3)上设置压缩空气储藏室气压表(4)。

4.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，还包括HEPA过滤器(2)，空气压缩机(1)通过HEPA过滤器(2)与压缩空气储藏室(3)连接。

5.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，还包括空气流量计(5)，压缩空气储藏室(3)通过空气流量计(5)连接洁净空气阀门(6)。

6.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，还包括喷雾止回阀门(11)，雾化室(7)通过喷雾止回阀门(11)与干燥管(12)连接。

7.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，所述喷孔(17)的直径为1.5mm，所述单片机(20)为STM32单片机，雾化室(7)采用不锈钢材质。

8.根据权利要求1所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置，其特征在于，还包括固态继电器，所述加热膨胀室(13)上设置温度传感器；固态继电器一端连接加热膨胀室(13)的加热器(19)，另一端与单片机(20)连接，温度传感器与单片机(20)连接；单片机(20)用于根据温度传感器发送的加热膨胀室(13)的温度，通过固态继电器的断开和闭合，控制加热器(19)的开启和关闭。

9.一种基于权利要求1所述嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取装置的纳米颗粒气溶胶制取方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将加热膨胀室(13)升温至预设温度；

S2：通过空气压缩机(1)向压缩空气储藏室(3)内注入空气，至压缩空气储藏室(3)内的气压至第一预设气压；

S3：在分散液储藏室(8)内填充分散液，打开洁净空气阀门(6)和蠕动泵(9)，通过超声雾化喷嘴(10)产生喷雾，喷雾通过干燥管(12)进入加热膨胀室室(13)中；

S4：当加热膨胀室室(13)的气压至第二预设气压时，打开可控开度阀门(15)，气溶胶通过气体流量计(16)后从喷孔(17)流出，并且，通过单片机获取加热膨胀室气压表(14)发送的加热膨胀室气压和气体流量计(16)发送的气溶胶流量，生成开度控制信号并发送至可控开度阀门(15)，使气体流量计(16)发送的气溶胶流量的波动在预设波动范围内。

10.根据权利要求9所述的基于嵌入式系统的纳米颗粒气溶胶制取方法，其特征在于，所述预设温度为300℃，所述第一预设气压为0.5Mpa，所述第二预设气压为0.7Mpa。

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